种子包衣机PLC控制技术的设计与实验

任嘉宇

(黑龙江省农业机械工程科学研究院佳木斯分院,黑龙江 佳木斯 154004)

0 引言

种子、土壤和水分构成作物生长的3大基本要素,是各类农作物生长的重要载体[1-2]。种子包衣是20世纪80年代中期研发的促进农业增产增收的高新技术,主要是指用种衣剂进行种子处理。随着种子播种后,种子内部胚胎的逐渐发育及幼苗的不断生长,种衣剂将含有的各种有效成分缓慢地释放,被种子幼苗逐步吸收到体内,从而达到防治苗期病虫害、促进生长发育、提高作物产量的目的。相关研究表明,种子包衣后可以实现作物增产9.5%～12.3%[3-5]。可以极大地提高种子的科技含量与商品价值,对于提高农业竞争力具有重要意义。

种子包衣主要有人工包衣和机械包衣两种方法。人工包衣劳动量较大,不适宜于大面积的农业生产,机械包衣主要是利用种子包衣机进行包衣。由于包衣剂对人体存在一定的影响,人工进行种子包衣后如误食会出现种衣中毒等现象。因此,未来应该逐渐加强种子包衣机自动化与智能化,提高种子包衣自动化水平[6-7]。

1 种子包衣机及其控制技术研究现状

目前,种子包衣技术已经广泛应用于玉米、大豆、棉花、水稻、黄瓜、辣椒等粮食作物与经济作物中。我国种子包衣技术主要是从20世纪80年代开始引进美国和意大利的种子包衣机,并经过技术消化、吸收和仿制过程。我国已经先后成立了超过30家种子包衣机生产企业,其中代表企业包括南京农业机械化研究所、中国农业机械化研究院、黑龙江加工机械研究所和甘肃酒泉奥凯种子加工机械公司等[8]。

国外种子包衣机主要以丹麦、德国、奥地利、法国等较为先进。目前,种子包衣机也逐渐向精细化、智能化和人性化方向发展。

2 种子包衣机控制系统基本要求与工艺

2.1 系统主要功能

种子包衣机控制系统需要实现以下基本功能:1)可以广泛用于小麦、水稻、玉米和各类蔬菜的农作物种子的包衣处理;2)具有良好的人机交互功能和多种工作模式,可以满足不同生产需要;3)可以根据不同的生产率和配药参数等自动调节技术参数,可以实现在线修改功能;4)可以实现种子包衣与种衣剂的连续输送与精准控制;5)具有报警功能,可以保障人身安全与良好的作业效果;6)整机控制系统具有良好的抗干扰功能。

2.2 主要技术指标

种衣控制系统需要达到的指标如表1所示。

表1 自动控制系统主要技术指标

2.3 种子包衣工艺流程

种子包衣基本工艺流程如图1所示。

图1 种子包衣基本流程

3 种子包衣机基本结构

根据系统整体要求及种子包衣工艺流程,基于机械设计和电子控制系统。种子包衣系统以PLC为控制中心,选取液态触摸屏作为人机交互系统,并结合相应的软件控制与硬件系统实现种子包衣。

整机控制系统包括控制部分、检测系统和被控对象3个组成部分。控制部分主要由PLC和变频器组成。其中PLC主要用于控制整机正常运行、数据分析和报警等功能。变频器主要用于控制相应执行机构,利用PLC接收的信息,控制供种和供液,实现种子和包衣剂的定量供给。

用于控制的传感器包括液流传感器、料位传感器等。通过传感器接收的信号,为系统运行提供决策信息。监控部分包括触摸屏、工作指示灯组成,实现良好的人机交流。操作人员可以通过触摸屏实时监控种子包衣机的运行状态。

被控对象主要包括种子包衣机的执行机构,如供种机构、供液机构、搅龙机构和甩盘机构等。通过PLC控制各个执行装置的运行。

4 种子包衣控制系统选型

种子包衣机整体硬件系统实现的主要功能如下:1)提供系统控制平台;2)具有良好的人机交流平台;3)实现种子、液流和报警等各种信号的监测;4)为各个硬件之间的通信提供接口。

硬件系统主要包括PLC的选型、触摸屏的选型、变频器的选型及各种传感器的选型。

4.1 触摸屏选型

触摸屏作为人机交互的重要界面,可以提高系统运行的智能化和稳定性。本研究选取SIEMENS-TP170A液晶显示屏,主要技术参数如表2所示。

表2 SIEMENS-TP170A液晶显示屏主要技术指标

4.2 变频器选型

变频器主要用于实现种子和药剂之间的定量调节与控制,本研究选择SIEMENS 420。该型号适用于各种变速驱动,主要技术参数如表3所示。

表3 SIEMENS 420型变频器技术参数

4.3 液流监测器选型

液流监测器主要适用于监测液流的变化,为系统自动运行和故障发生提供信号。由于药剂流量变化范围较大,一般在25～250 L·h-1,本研究选取CYG3002型压力开关实现液流监测。主要技术参数如表4所示。

表4 CYG3002型压力开关主要技术参数

5 种子包衣机控制技术发展趋势

种子包衣机是一种广泛应用于种子生产加工的设备,主要作用是为种子表面包上一层保护涂层,以提高种子的萌发率、抗病虫害能力和耐储存性能等。随着种业技术的不断发展和市场需求的不断增长,种子包衣机的控制技术也在不断进步和创新。

5.1 自动化控制技术

随着科技的不断发展,种子包衣机越来越趋向于自动化和智能化,控制系统将采用PLC、DSC等自动化控制技术,实现种子包衣机的自动化控制。

5.2 数字化技术

种子包衣机将采用数字化技术,通过智能传感器实时监测温度、湿度、粒径等参数,以便更加精确地控制包衣过程,提高包衣质量。

5.3 节能环保技术

在种子包衣机的控制技术方面,节能环保也是一个重要的趋势。包括采用高效节能设备,优化设备的工作流程,减少能源消耗和废气排放等。

5.4 多功能化技术

种子包衣机将更加趋向于多功能化,实现不同类型种子的包衣、覆盖和涂敷等功能,以适应市场需求的不断变化。

6 结论

针对目前我国种子包衣机存在控制系统粗放,严重限制了种子包衣效率的提升,为满足现代农业生产对种子的要求,本研究基于PLC为控制核心,系统论述了种子包衣机自动控制系统的基本组成与选型。可以实现精准包衣和提高包衣质量、效率,可以更好地满足现代农业生产对种子的要求,并提出未来种子包衣机控制技术发展趋势,研究结果旨在为推动我国种业发展提供理论参考与借鉴。