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摘要：以智能精播機為研究目標(biāo)，設(shè)計了電氣控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以可編程邏輯控制器（ＰＬＣ）為主控設(shè)備，結(jié)合傳感器技術(shù)，通過變頻器控制精播機驅(qū)動電機的供電頻率，從而改變種子傳輸帶電機和地輪電機的轉(zhuǎn)速，調(diào)整播種速度和種子間距，改變風(fēng)機電機的轉(zhuǎn)速，調(diào)整每穴種子的粒數(shù)，從而實現(xiàn)高效精準(zhǔn)的播種作業(yè)。進行仿真測試實驗，結(jié)果表明：播種間距的準(zhǔn)確性可達到９８％，每穴種子粒數(shù)的準(zhǔn)確性可達到９７．５％，滿足了精確播種要求。

關(guān)鍵詞：智能精播機；電氣控制；可編程控制器；變頻器

０引言

近年來，為了提高播種作業(yè)的效率與精確度，提出了智能精播機的概念［１］。智能精播機是利用電力電子和控制技術(shù)，實現(xiàn)按種子精確的粒數(shù)、種子間距等播種的一類機器［２］。發(fā)展到現(xiàn)階段，智能精播機主要由機械部分、電氣控制部分和檢測部分構(gòu)成。經(jīng)過長時間的經(jīng)驗積累，機械部分和檢測部分相對已經(jīng)趨于成熟，電氣控制部分還處在發(fā)展階段。因此，研究智能精播機的電氣控制部分對今后播種作業(yè)具有一定的意義［３］。目前，實現(xiàn)智能精播機電氣控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是其主控設(shè)備和電機驅(qū)動設(shè)備。主控設(shè)備的實現(xiàn)方式主要有單片機、微芯片和ＰＬＣ等，相比于前兩類，ＰＬＣ采用集中采樣、集中輸出的方式，可靠性高、速度快、抗干擾能力強［４－５］。電機驅(qū)動設(shè)備主要實現(xiàn)方式為變頻器技術(shù)，是通過改變電源頻率來控制驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，以此實現(xiàn)種子播種作業(yè)要求，具有范圍廣、操作簡便、效率高等優(yōu)點［６］。為此，筆者針對智能精播機，結(jié)合ＰＬＣ技術(shù)與變頻技術(shù)，對其電氣控制部分進行設(shè)計。根據(jù)實際拖拉機的運行速度，通過變頻器調(diào)節(jié)驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，以此控制播種速度、種子粒數(shù)和種子間距等關(guān)鍵參數(shù)，從而實現(xiàn)精播機的高效精確播種。

１總體設(shè)計

所設(shè)計的智能精播機的電氣控制部分由人機交互界面、ＰＬＣ、變頻器、驅(qū)動電機和傳感器５大部分組成［７］，如圖１所示?？刂圃恚和ㄟ^人機界面設(shè)置相關(guān)播種的要求及機械制約因素，再傳輸給ＰＬＣ，對參數(shù)進行邏輯運算，將結(jié)果傳輸給變頻器；變頻器通過頻率調(diào)節(jié)，改變種子傳輸帶電機、地輪控制電機、風(fēng)機流量控制電機等驅(qū)動電機的供電頻率，從而改變其轉(zhuǎn)速，達到精確播種的目的。為了實時監(jiān)控種子傳輸帶的速度、地輪轉(zhuǎn)速及風(fēng)機流量等參數(shù)，由傳感器采集上述設(shè)備信息反饋給ＰＬＣ［８］，經(jīng)過ＰＬＣ的快速比較后，決定當(dāng)前的播種作業(yè)是否滿足要求。另一方面，這些實時信息需發(fā)送給人機交互界面，直觀地反映給操作員。另外，整個精播機的電氣控制系統(tǒng)需添加相應(yīng)的外圍設(shè)備進行輔助工作，包括斷路器、熔斷器、接觸器及電纜等［９］。

２硬件組成

智能精播機是較為復(fù)雜的一類農(nóng)業(yè)機械。工作時，首先采集農(nóng)作物種類、拖拉機速度、地輪直徑等外界制約因素，通過人機界面進行參數(shù)設(shè)定，再將參數(shù)發(fā)送給智能精播機電氣控制系統(tǒng)的核心設(shè)備ＰＬＣ進行邏輯運算［１０］。ＰＬＣ是數(shù)字控制的微型處理器，其編程語言以繼電器梯形圖為主，簡單易懂，可操作性強，故其在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。其主要由電源、中央處理單元（ＣＰＵ）、存儲器、輸入單元及輸出單元等組成［１１］，如圖２所示。其中，ｎｍａｘ為電機最大轉(zhuǎn)值（ｒ／ｍｉｎ）；ｆｍａｘ為最大轉(zhuǎn)速的頻率（Ｈｚ）；ｐ為磁極對數(shù)。由上式可知，交流電機輸入電壓與極數(shù)決定了電機的轉(zhuǎn)速，在極數(shù)不變的情況下，只能改變輸入電壓的頻率，此時需要變頻器來配合完成。變頻器是實現(xiàn)智能精播機的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要用來調(diào)節(jié)交流電動機的轉(zhuǎn)速，以此來控制種子傳輸帶速度等參數(shù)。變頻器電路包括主電路和控制電路。主電路的作用為異步電動機的調(diào)壓調(diào)頻電源提供變換動力，其結(jié)構(gòu)分為交－直變換、能耗電路和直－交變換３部分。交－直變換電路，即濾波器，將工頻電源轉(zhuǎn)為直流；能耗電路，又稱平波回路，主要處理交－直變換和直－交變換之間產(chǎn)生的電壓脈動；直－交變換電路，又稱逆變器，是將直流電壓功率變?yōu)榻涣麟妷夯蚬β剩郏保矗?。變頻器控制電路的作用是給主電路提供控制回路，主要由運算電路、檢測電路、速度測試電路、驅(qū)動電路、Ｉ／Ｏ電路及保護電路等組成［１４］。運算電路比較精播機驅(qū)動電機的速度、轉(zhuǎn)速與檢測到的電壓電流數(shù)據(jù)，以此輸出逆變器的電壓、頻率。檢測電路主要針對主電路的電壓電流進行測試。速度測試電路主要針對精播機的驅(qū)動電機進行采集，并將采集到的信號發(fā)給運算電路。驅(qū)動電路掌握著主電路器件的通斷［１５］。Ｉ／Ｏ電路主要服務(wù)于人機交互界面。保護電路防止電路中電流電壓過載而燒毀電機。由于驅(qū)動電機的容量在０．７５～３ｋＷ之間，一臺電機需要一個變頻器驅(qū)動，因此在選擇變頻器時，其容量一般是電機的１．５倍左右。故在本控制系統(tǒng)中變頻器統(tǒng)一為４．２ｋＶＡ的ＶＦＤ系列［１５］。智能精播機需要將種子傳輸帶速度、地輪轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)傳回ＰＬＣ進行處理，即將機械位移量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，則需要傳感器。光電編碼器作為傳感器的一種，被安裝在電機輸出端。當(dāng)電機處在工作狀態(tài)時，經(jīng)過電子元器件組成的檢測裝置將其檢測到的信號轉(zhuǎn)化成脈沖輸出，便可計算出驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速。

３軟件設(shè)計

智能精播機的軟件設(shè)計主要為ＰＬＣ主程序。ＰＬＣ的編程語言包括兩類５種：①圖形表達，即順序功能圖（ＳＦＣ）、梯形圖（ＬＤ）、功能塊圖（ＦＢＤ）；②文字表達，即指令表（ＩＬ）、結(jié)構(gòu)文本（ＳＴ）。人機交互界面編程語言有ＶＢ、ＶＣ＋＋、ｐｙｔｈｏｎ等。為了使整個系統(tǒng)的程序保持統(tǒng)一，且簡單易懂，ＰＬＣ選用指令表，人機交互界面使用ＶＣ＋＋。智能精播機接通電源后，首先進入系統(tǒng)初始化，然后在人機交互界面輸入拖拉機前進速度、地輪直徑、株距及風(fēng)機流量等參數(shù)，點擊“開始”按鈕后，由ＰＬＣ進行邏輯運算，并將結(jié)果發(fā)送給變頻器；變頻器根據(jù)接收信息設(shè)定自身頻率，控制驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，由驅(qū)動電機以規(guī)定速度帶動其他機械設(shè)備進行精確播種作業(yè)。與此同時，傳感器實時采集各個驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，并發(fā)送給ＰＬＣ進行比較處理，如果與設(shè)定參數(shù)所要求的轉(zhuǎn)速不一致，則由變頻器再次對驅(qū)動電機進行調(diào)節(jié)控制，實現(xiàn)種子的精確種植。

４功能測試

模擬實驗以蠶豆為例，輸入的開關(guān)量：拖拉機的速度為３ｍ／ｓ，地輪的直徑為０．５ｍ，種子傳輸帶長為３．９ｍ，寬２．６ｍ，排種盤負(fù)載轉(zhuǎn)矩為８５～９５Ｎ?ｍ，設(shè)置蠶豆的株距分別為１５ｃｍ。一粒蠶豆重約０．９ｇ，根據(jù)種子質(zhì)量，設(shè)置風(fēng)機流量分別為５０ｍ３／ｈ，則種子傳輸帶驅(qū)動電機速度約為１４００ｒ／ｍｉｎ，地輪電機的轉(zhuǎn)速約１１５ｒ／ｍｉｎ，風(fēng)機電機轉(zhuǎn)速約為２６００ｒ／ｍｉｎ。實驗播種蠶豆２００株，播種間距在（１５±１．５）ｃｍ內(nèi)的視為合格，每穴種子粒數(shù)在１～２粒的視為合格。種子間距測試結(jié)果如表１所示。由表１可以看出：間距保持在（１５±１．５）ｃｍ的占９８％，不合格的占２％。每穴種子粒數(shù)測試結(jié)果如表２所示。由表２可以看出：每穴種子數(shù)量在１～２粒以內(nèi)的占９７．５％，空穴占０．５％，每穴３粒需要間苗，也視為不合格，故不合格的占２．５％。

５結(jié)論

設(shè)計了智能精播機電氣控制系統(tǒng)，以ＰＬＣ為控制中心，通過變頻器改變種子傳輸帶電機和地輪電機的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)整播種速度和種子間距；通過改變風(fēng)機電機的轉(zhuǎn)速，調(diào)整每穴種子的粒數(shù)，從而實現(xiàn)高效精準(zhǔn)的播種作業(yè)。

作者:李楠 單位:長春汽車工業(yè)高等?？茖W(xué)校 汽車運用學(xué)院