基于PLC监测系统和远程控制的玉米播种机设计

史增芳，姜岩蕾

(河南工业职业技术学院，河南 南阳　473000)



基于PLC监测系统和远程控制的玉米播种机设计

史增芳，姜岩蕾

(河南工业职业技术学院，河南 南阳473000)

摘要：为了提高玉米播种机的自动化水平和播种精度，设计了一种新型的基于PLC监测系统的远程控制玉米播种机，并对玉米播种机的开沟机械装置和播种机械装置进行了改进，结合PLC监测和控制技术，实现了播深、排种精度和播种机行驶方向的实时监测和控制。为了实现播深和排种精度的自动化调节，使用PLC对开沟器和排种轮进行实时监测，并利用四连杆结构和直流驱动电机对其进行控制，采用灰色预测模型对排种器的排种轮转速进行预测，可以有效地提高播深和播种精度控制的自动化水平。最后，对播种机的性能进行了测试，通过测试发现：基于PLC监测系统的远程控制播种机可以有效地对排种轮转速、播种机行驶速度、行驶方向进行实时监测，播种机的漏播率和重播率都较低，满足高精度播种机的设计需求，为现代化播种机的设计提供了较有价值的参考。

关键词：四连杆结构；PLC监测系统；玉米播种；驱动电机；灰色预测

0引言

玉米是我国主要粮食作物之一，每年播种面积非常大，其播种作业是生产链中最耗时和最费力的一环节，作业季节性强，劳动强度大。随着农业生产的规模化、多样化和现代化发展，玉米耕作机械化自动化和智能化将逐渐占有举足轻重的地位。由于受地形地貌等地质条件的制约，玉米播种机很难达到精确播种的目标，其漏播和重播问题突出，排种精度、开沟深度和播种机的行驶方向比较难控制。如果将PLC控制系统引入到播种机的监测和控制系统中，不仅可以实现播种机性能的实时监测，而且可以有效地提高播种机的实时控制性能，对现代化播种机的设计具有重要的意义。

1基于PLC系统的玉米播种机总体设计

随着移动通信技术的发展，远程监控逐渐开始应用这一通信模式，如果将其应用在农业生产中，可大大提高农业装备的自动化水平。本研究将PLC监测和控制技术及移动通信网络应用到了玉米播种机的优化设计过程中，因为数字信号的失真率较低，其时间和空间的影响性较小，可以真正意义上实现播种作业的远程在线监测和控制。

图1　播种机远程控制总体设计框架

图1为播种机远程控制的总体设计框架。播种过程中，播种机使用现场采样仪将传感器得到的模拟信号转换为数字信号，然后通过网络传送给远程监控人员；监控人员可以使用计算机和DSP技术分析播种机的运行状态，对设备的状况进行总结，进行实时控制。在控制过程中，控制人员可以通过发送GSM短信的方式实现播种机的远程控制。排种器的控制模块如图2所示。

图2　控制模块设计

该模块包括控制开关电路、传感器电路和直流伺服驱动电机的控制电路。当远程用户通过GSM短信发出排种器转速的控制指令时，PLC系统通过通信接口接收到GSM指令模块的信息，首先对信息进行解释，然后再执行响应的动作，从而实现用户在远程对排种器进行控制。

2PLC监测和控制系统设计

为了提高玉米播种机的性能，对玉米播种机的开沟机械装置和播种机械装置进行改进，结合PLC监测和控制技术，可以有效地提高播深和播种精度的控制；播种信息也可以通过PLC远程控制及时地反馈到远程控制室，提高玉米播种机的智能化和自动化程度。对播种机的开沟器进行改造，以提高播深的自动化程度，其结构如图3所示。

1.液压缸　2.上杆　3.后板　4.下杆　5.前板

在进行播种作业时，仿形轮在地表上下浮动，通过传感器将位移信号传递给PLC；通过PLC的运算得到实际的开沟深度，实测的开沟深度和预设深度进行对比，然后利用PLC输出执行动作；利用四连杆结构调整开沟深度，当开沟深度满足要求深度时，停止调节，实现开沟深度的闭环调节过程。

同开沟器的调节过程类似，为了提高玉米播种的精度，对排种器的结构进行了改造，如图4所示。在导种轮上安装有PLC控制器和传感器，首先通过传感器将转速信号传递给PLC，利用PLC的运算得到实际的导种轮转速，将实际测得转速和预设转速进行对比，然后利用PLC输出执行动作；利用驱动电机调整排种轮的转速，当排种轮转速满足要求深度时，停止调节，实现转速的闭环调节过程。

图4　排种器三维结构图

(1)

假设系统的采样周期为0.5s，控制器的响应时间约为1s，预测步数5步，将原始序列进行累计可得

(2)

其中,背景z(1)(k)的表达式为

(3)

于是,可以得到矩阵B和数据向量XN，有

(4)

其中,矩阵B的转秩矩阵可以写成

(5)

引入4个计算参数如下

(6)

通过计算可以求得

(7)

(BTB)-1BT=

(8)

通过进一步计算可得

(9)

所以，发展系数a为

(10)

灰色输入u为

(11)

求得以上参数后，可以得到排种轮在5步以后的预测值为

(12)

其中，P表示步数，通过以上运算便可以得到排种轮的预测值，结合实际监测值，可以完成排钟轮转速的实时控制。其实际数据的获得流程如图5所示。数据的通信方式一般有两种：一是编程控制，实现远程数据传输；二是直接利用PLC连接上位机，获取数据。本次研究采用第2种方式，并使用基于GPRS的数据通信方式，其拓扑结构如图6所示。

基于手机通信的PLC控制系统远程监控的硬件结构分为两层，包括远程通信网络和控制通信网络。远程网络使用远程客户端和移动通信网络架构，控制室的网络分为3层，包括控制器层、服务器层和设备层。利用远程监测系统可以对播种机的实际作业情况进行实时监测，并可利用手机短信的方式发出执行指令，调整播种机的执行动作，实现播种机作业的远程控制。

图5　PLC监测数据传递流程

图6　基于GPRS的PLC远距离监测与控制硬件结构图

3PLC监测的玉米播种机性能测试

为了验证所设计的基于PLC监测系统的玉米播种机的性能，对PLC远程监测控制系统和播种机的性能进行了测试，包括实时数据监测和播种性能参数，播种机测试样机如图7所示。

图7　机械式玉米播种机样机

为了便于监测数据，选用机械式播种机作为测试样机，通过数据监测可以得到一系列的播种机播种过程的实际运行数据，通过监测得到的排种轮转速曲线如图8所示。

图8　排种轮转速监测曲线

由图8可以看出：排钟轮的转速在调整前运行平稳，调整转速过程时间差较短，调整后的转速依然运行平稳。对纵向车速进行监测，得到的监测曲线如图9所示。

为了测试播种机的性能，对播种机进行加速，加速曲线如图9所示。通过10s的加速，对播种机行驶方向的稳定性进行监测，得到了如图10所示的监测曲线。对于播种机行驶方向可以用方向盘的转向来代替。由图10可以看出：在10s的加速过程中，方向盘的转角没有发生较大的变化，这说明播种机的行驶方向稳定。

图9　纵向播种机行驶速度监测曲线

图10　方向盘转角测试曲线

表1为播种精度的测试表，对播种机的重播率进行了8次测试。由表1可以看出：通过8次测试，播种机的漏播率和重播率比较稳定，其测试值都在1%以下，满足精密播种机的设计需求。

表1　播种精度测试表

4结论

设计了一种基于PLC监测和远程控制系统的新型玉米播种机，重点对开沟机械装置和播种机械装置进行了改进。在开沟器的设计过程中使用了四连杆结构，在排种轮的设计过程中使用了直流驱动电机，在排种轮转速的预测设计中引入了灰色预测模型，实现了播深、排种精度和播种机行驶方向的实时监测和精确控制。

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Design for Maize Seeding Machine Based on PLC Monitoring System and Remote Control

Shi Zengfang, Jiang Yanlei

(Henan Polytechnic Institute,Nanyang 473000, China)

Abstract：In order to improve the automation level and planting accuracy of maize seeding machine,it designs a model based on PLC monitoring system of remote control corn seeder with the corn planter ditching mechanical device and seeding machinery device.Combined with PLC,it realizes the real-time monitoring and control of the sowing depth, accuracy and planter in the travel direction based on monitoring and control technology.In order to achieve plant deep and metering accuracy of automatic control it uses PLC on furrow opener and wheel for real-time monitoring, and the four connecting rod structure and a DC drive motor to control the seed discharging wheel speed prediction by using gray prediction model,which can effectively improve sowing depth and sowing precision control of the automation level. Finally, the performance of the seeding machine is tested. The remote control and monitoring system can be used to monitor the speed of the wheel, the speed of sowing machine and the direction of running.

Key words：four bar structure; PLC monitoring system; corn sowing; driving motor; grey prediction

中图分类号：S223.2+5

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)09-0126-05

作者简介：史增芳(1973-)，男，河南焦作人，副教授，硕士。通讯作者：姜岩蕾(1974-)，女，河南南阳人，副教授，硕士，(E-mail)jiangyanlei1974@qq.com。

基金项目：河南省科技厅科技攻关项目(142102210367)；南阳市科技攻关项目(2015039)

收稿日期：2015-08-09