自动化育秧播种机构PLC控制的设计*

陈龙 王乐平 齐水冰 魏宋印 周攀

（广东环境保护工程职业学院）

自动化育秧播种机构PLC控制的设计*

陈龙 王乐平 齐水冰 魏宋印 周攀

（广东环境保护工程职业学院）

利用PLC具有功能完备、灵活性及通用性好、程序输入方法简化和操作简单等优点，设计自动化育秧设备播种机构。通过PLC控制器控制电机的转动，从而控制育秧设备槽轮播种器工作，可有效节约资源，减少浪费，降低电能的损耗，实现农业生产机械化和智能化。

自动化育秧；播种机构；可编程控制器

0 引言

中国是水稻种植大国，人工育秧效率低、耗时长，实现水稻种植自动化尤为重要。要快速发展农业，需实现真正的机械化、自动化、智能化和高效化的育秧，从而大大缩短育秧时间，减少人工成本，提高秧苗成活率[1-2]。

目前，自动化育秧大都采取播种流水线的方式实现，通过流水线和感应器，将分盘、覆土、洒水、播种、二次覆土、清洁和叠盘等工作由机械自动化实现，进而控制育秧环境[3]。我国从20世纪80年代起开始进行育秧设备的研究，随着国家对农业发展的重视，育秧自动化设备也取得了重大进步[4]。

1 播种机构设计

1.1 自动化育秧设备

自动化育秧设备的工作机构主要有分盘机构、空程传送机构、覆土机构、洒水机构、播种机构、二次覆土机构、二次洒水机构和清洁机构[5]。

播种是育秧过程中极为重要的一步，大大影响秧苗种子分布的均匀性，进而影响秧苗的成活率。因此设计分布均匀且快速播种的机构，赢得栽插时间，减轻劳动强度，是加快发展机器插秧和实现水稻种植全程机械化的关键。

1.2 播种机构选择与设计

育秧播种机构以播种器的种类区分，主要有外槽轮式播种器、型孔式播种器和气力式播种器，它们的优点和缺点如表1所示。

表1 各类播种器的对比

外槽轮式播种器结构简单，利用滚动的滚筒表面的凹槽运送种子；可靠性较高，能够在各种环境下使用，满足农业生产和农民的需求；播种量稳定，可根据需求调节其播种量；经济性也较好。因此本设计选用外槽轮式播种器，其结构由机械支架、皮带轮运输装置、电机装置、PLC控制器、播种箱装置、皮带轮传动装置和毛刷去土装置组成。采用3D设计软件SOLIDWORKS设计育秧播种机构，其三维图如图1所示。

图1 育秧播种机构三维图

1.3 基本参数

育秧播种机构基本参数如表2所示。

表2 育秧播种机构基本参数

2 播种机构PLC控制设计

2.1 I/O点数分配

自动化育秧播种机构PLC控制系统的硬件主要由PLC主机、步进电机、三相异步电机、光电开关、行程开关、接触器、继电器、牵引电磁铁和控制按钮等组成。本设计共需的I/O分配表如表3所示。

表3 系统I/O分配表

2.2 程序设计

通过对系统输入输出的分析，需6个输入、4个输出I/O。选用S7-200 CPU 224CN型号的微型PLC，其集成14个输入和10个输出共24个数字量I/O点，可满足自动化育秧播种机构自动控制的需求[6]。采用软件STEP7 MicroWIN V4.0 SP9设计梯形图，程序如图2所示。

图2 PLC程序

2.3 程序调试与工作过程

按照表3的I/O分配表进行输入和输出端子的硬件连接，然后用PC/PPI编程电缆连接PLC与计算机，将PLC程序编译后下载到PLC主机，并让其为RUN状态，对程序进行调试。

按下启动按钮SB1（I0.0），步进电机M1开始启动运行（Q0.0），带动皮带轮上的皮带运动，皮带轮带动育秧盘移动，当秧盘经过光电传感器S1（I0.1）时，遮挡住传感器的光电连接，PLC程序启动步进电机M1加速（Q0.1），秧盘高速移动，当秧盘高速将要运动到播种机构播种箱下方行程开关S2（I0.2）时，步进电机M1减速从而使皮带减速（Q0.2），防止造成高速冲击，破坏秧盘的平整，该过程皮带的加速减速由步进电机控制。当秧盘碰触到播种触点行程开关S3（I0.3）时，PLC程序控制三相异步电机M2运行（Q0.3），从而带动播种箱中的播种滚筒转动，将种子均匀快速洒落在秧盘，完成播种作业，表明PLC程序满足控制要求。

2.4 实用性分析

在种子箱内加入种子，将播种机离地面一定的距离，使地轮悬空，并使机架保持水平，之后按照实际播种作业的速度，以相同的转速匀速转动地轮30圈，测定各行的播种量，重复3次，最后取平均值，按以下公式计算播种量。均匀度计算

其中：Q为播种机总播种量；G为被测的总行数下的总排量，单位为kg；D为地轮的直径，单位为m；B为被测定行数的幅宽，单位为m；N为地轮的转动圈数，取30；ε为驱动平均滑移率，取10%或按实际滑移率取值。

其中：i为种子破损率；Q为播种机总播种量；x为种子破损量。

经过计算得出以下结论：

1) 种子破损率低，经试验<1%；2) 播种量可调，播种量稳定性强，播种均匀度合格率>90 %；3) 工作可靠性强，适用于各种环境；4) 满足农业生产和农民个体户的需求；5) 价格合理，操作简单。

3 结语

以S7-200 PLC为控制核心的自动化育秧播种机构，控制简单而且易操作，解决了人工育秧效率低、耗时长的问题，对水稻种植实现真正的机械化、自动化和高效化意义重大。后续可进一步研究自动化育秧设备中的二次覆土、洒水及清洁机构的控制设计。

[1] 仲伟花.水稻规模化育秧机械化技术试验分析[J].江苏农机化,2015(4):22-23.

[2] 罗国福.21世纪我国水稻种植机械化发展方向[J].吉林农业，2012(1):119-120.

[3] 孟元元,冯伟东,佘永卫,等.水稻工厂化大棚育秧机械设备研究及发展[J].农机化研究,2014(7):249-252.

[4] 周海波,马旭,姚亚利.水稻秧盘育秧播种技术与装备的研究现状及发展趋势[J].农业工程学报,2008,24(4):301-306.

[5] 金亦富,生昕,李振岩,等. 2B-4A型自走式育秧机设计与试验[J].中国农机化学报,2015,36(6):15-18.

[6] 陈龙,冼顺英.邮件分拣系统的PLC组态设计[J].南方职业教育学刊,2013,3(4):16-19.

The Design of PLC in Automatic Seedling and Planting Mechanism

Chen Long1Wang Leping1Qi Shuibing1Wei Songyin1Zhou Pan2
(1.Guangdong Polytechnic of Environmental Protection Engineering 2.Tianhe College of Guangdong Polytechnic University)

The automatic seedling and planting mechanism has been designed based on Siemens S7-200 224CN PLC. To take advantages of PLC rotation control of the motor, the mechanism controls sheaving of the seedling and planting apparatus. It can reduce energy consumption and accomplish the mechanization and intelligence of agricultural production.

Automation Seedlings; Seeding Mechanism; PLC

陈龙，男，1983年生，讲师，主要研究方向：电气自动化、节能工程技术。E-mail: 1271222144@qq.com

广东省高等职业教育品牌专业建设项目(2016gzpp035)；广东环境保护工程职业学院2015年院长基金“节能工程技术”配套项目（2015YZPT4）。