基于PLC的种子包衣机自动控制系统设计与实现

第!"卷第#期!$$%年#月农业工程学报&’()*(+,-.)*./,0123456.78!"9.8#4:;8!$$%基于<=2的种子包衣机自动控制系统设计与实现胡良龙>胡志超?>高刚华>计福来>王海鸥>田立佳@农业部南京农业机械化研究所>南京!A $$A B C摘要D 为提高种子包衣质量>满足现代农业生产用种需求>研发了E F G H E 型新一代种子包衣设备>并设计了以<=2为控制核心>液晶触摸屏为人机交流窗口>集编程I 变频I 液流监测I 传感器等技术为一体的自动化控制系统J 介绍了设备的主要结构I 工作原理I 控制系统硬件选型及抗干扰措施J 采用<’.&..7K <’.23编制人机交流软件>在3,1L %H M-+’.K NO 9环境下采用梯形图方法编制系统监控软件>实现包衣作业的部件保护I 精确计量I 自动控制和人性化操作J 检测结果表明>包衣合格率为P P 8!Q>均匀性变异系数为$8R Q>证明该设备能有效提高包衣质量J 关键词D <=2S 种子包衣机S 自动控制S 触摸屏S 变频器S 抗干扰中图分类号D &<!%"8E S &T BR $8E 文献标识码D 4文章编号D A $$!H R #A P @!$$%C #H $A B $H $E胡良龙>胡志超>高刚华>等8基于<=2的种子包衣机自动控制系统设计与实现U V W 8农业工程学报>!$$%>!"@#C D A B $XA B B 8Y :=-();7.);>Y :Z 0-+0(.>[(.[();0:(>1,(78\1*-;)()]’1(7-^(,-.)./(:,._(,-++.),’.77-);*‘*,1_/.’*11]+.(,1’a (*1].)<=2U V W 8&’()*(+,-.)*./,012345>!$$%>!"@#C D A B $XA B B 8@-)20-)1*1b -,05);7-*0(a *,’(+,C 收稿日期D !$$R H $#H $%修订日期D !$$%H $"H $R 基金项目D 国家c 十五d 科技攻关项目@!$$B F 4E !B F$B C 作者简介D 胡良龙@A P %"XC D 男>安徽池州贵池人>工程师>主要从事机电一体化技术及农产品加工技术装备研究J 南京市玄武区中山门外柳营A $$号农业部南京农业机械化研究所>!A $$A B J5_(-7D )/^0.);^-e *.0:8+._>)/^0.);^-eA R "8+._?通讯作者D胡志超@A P R "XC >男>陕西西安蓝田人>研究员>主要从事农产品加工及种子加工技术与装备的研究J 南京市玄武区中山门外柳营A $$号农业部南京农业机械化研究所>!A $$A B J5_(-7D ^+0:"R P eA R "8+._f 引言种子包衣是以种子为载体>以包衣设备为手段>将含有农药I 肥料I 生长调节剂等有效成分的种衣剂@通常为胶悬液C 按一定比例均匀有效地包敷到种子表面的加工处理技术U A WJ国内种子包衣设备大多吸纳美国I 意大利I 德国等早期技术进行研制的>与国外先进水平存有较大差距J 采用杠杆翻斗原理控制种药混配的包衣机>其在结构设计I 种药供给方式I 计量精度控制等方面均存有较大不足>最好的包衣合格率也不足P !QS !$世纪P $年代初>少数厂家采用定量泵供药I 对开门等方式给种进行包衣作业>虽在结构原理上有所改善>但可调控性差I 精度低>包衣质量仍不理想U !X %W J 而且国内包衣设备的电控系统简单粗放>无法对种药计量进行精确控制>也不能使各部件协调有序工作>严重制约着种子包衣质量的提高>难以满足现代农业生产对种子包衣质量高标准的要求U #X A $WJ依托国家科技攻关项目>在比较I 借鉴以德国<5&g h 3公司等为代表的当今国际最先进的种子包衣技术及控制技术的基础上>自主创新研究开发了E F G H E 型新一代种子包衣设备及其基于<=2的自动化控制系统>该设备可用于小麦I 大麦I 玉米I 甜菜等多种农作物种子的包衣加工处理Ji 主要结构E F G HE 型种子包衣机由种子定量供给装置I 种衣剂定量供给系统I 种子与种衣剂混配系统I 回转清淤机构I 搅拌推送系统I 电气控制系统等组成>其结构见图A J图A E F G HE 型种子包衣机结构简图j -;8A 3,’:+,:’(7*+01_(,-+./EFGH E *11]+.(,1’kk k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k $BA 万方数据!"!种子定量供给装置主要由叶斗式喂料器#减速机#变频器#料位传感器等组成$主要控制加工时的连续精确喂料$并监测暂存仓内物料状态%叶斗喂料器为&片叶片对称结构$采用变频无级调速$转速范围为’()&*+,-.$理论上额定每转容积可达//011,2$充满系数可选1"3%!"4种衣剂定量供给系统主要由贮药桶#柱塞式计量泵#变频器#稳压罐#液体监测器#校液口及管道等组成%变频器控制计量泵从贮药桶精确取液$经稳压罐后流经液体监测器$送至混配室或手动校液口%计量泵额定流量0512+6$采用变频无级调速$泵速范围为/1(73*+,-.8液体监测器用于监测工作过程中药液的有无%!"9种子与种衣剂混配系统主要由混配室#甩盘电机#同步齿形带#抛种甩盘#进液管#药液雾化盘等组成:见图0;$该系统关键部件采用了高速离心同步上下双甩盘结构$转速为/’11*+,-.%种子从进种口落到旋转的抛种甩盘上被均匀抛向四周8药液雾化盘为波纹形结构$种衣剂经进液管流到下甩盘时在离心力作用下被雾化$与其上端均匀散落种子充分接触#混合$有效的提高了包衣均匀度<//=%图0种子与种衣剂混配系统>-?"0@A*B C A B*D E F C6G,D A-C H I F G G J K C H D A-.?D?G.A,-L-.?F M F A G,!"N回转清淤机构主要有清理电机#毛刷#尼龙齿圈组成%尼龙齿圈在清理电机驱动下$带动毛刷将黏附在种子混配室斜壁上的种子及药液刮除$同时也起到一定搅拌作用%!"O搅拌推送系统该系统主要有减速机#搅龙机构#堵料传感器等组成$搅龙轴上安装以螺旋角’5P排列的拨锤和月牙式叶片%种药混合物被搅龙推送$在槽体内进一步的接触#搓擦$使种衣剂在种子表面均匀包敷$最后将物料排出机外%在搅龙出料口处设有阻旋式传感器$用于监测槽体内物料堆堵状况%!"Q电气控制系统本设备电气控制系统是以工业上通用的R2S:可编程序控制器;为控制核心$以液晶触摸屏为人机交流窗口$并结合相应软件#变频装置#液流监测器#料位传感器#堵料传感器及相应的执行元器件对包衣全程作业进行自动控制%4工作原理首先从触摸屏输入生产率#种子容重#种药混配比等参数$R2S接收后$由程序计算出喂料器和计量泵的工作频率$即喂种量和供药量%自动运行时$种衣剂被计量泵从贮液桶吸出$再由泵挤压推送流经稳压罐到液流监测器$后进入混配室内药液雾化盘被离心雾化8液流监测器检测到药液后$系统自动启动其它工作部件8经延时$喂料器开始喂料$种子落入混配室内抛种甩盘被均匀抛撒落下$与已雾化的种衣剂充分接触#混合#下落8黏附在清淤室斜壁上的种药混合物被毛刷刮除落下8种药混合物落入搅拌系统$再充分搅拌$被搅龙推送至出料口排出%如暂存仓无料$下料位传感器发出信号$喂料停止$延时数秒后计量泵停止$为便于物料充分搅拌$再延时数秒后搅龙才停止8有料时$高料位传感器发出信号$供液开始$液流监测器检测到药液$数秒后再启动喂料#搅龙等其它部件%如物料在搅龙槽体内被堵塞$堵料传感器发出指令$启动防堵保护程序$全部工作部件停止$直至故障排除方能启动%9自动控制系统本机自动控制系统主要由系统硬件和软件两部分组成$控制系统原理图见图)所示%9"!硬件的选型系统R2S机选用@T U VU W@@X K011型$共00点输入#/0点输出%其中S R Y为00’型:/’点输入#/1点输出;8数字量输入扩展模块为U V00/型$&点输入8模拟量输出扩展模块为U V0)0型$0点输出8开关电源为输入/01+0)1Z[S$输出0’Z+5[\S8触摸屏选用@T U VU W@]R/X1[型8触摸屏与R2S之间的通讯采用^@’&5口8三相交流变频器选用@T U VU W@’01型$功率分别为1")X_‘#1"55_‘8液流监测器用S a b)110型压力开关8料位传感器为S c[’/K)11&R d型电容接近开关8堵料传感器为R^2K/11型阻旋物位开关% 9"4软件的设计控制软件的设计主要分为人机交流软件和系统监控软件两部分%/’/第&期胡良龙等e基于R2S的种子包衣机自动控制系统设计与实现　万方数据图!自动控制系统原理图"#$%!&’()*+,#’-#+$.+*/0,()1.#2’#13)0/.+4,/*+,#’’/2,./33#2$565,)*!%7%8人机交流软件该软件采用&9:;<9=>./<//3?>./=&编写@存放于触摸屏内存中@主要实现包衣设备本机参数A喂料器额定容积B转速B计量泵额定流量C B工作信息A变频器频率B加工总量等C B生产参数A生产率B种子容重B种药混比C等的输入B读取和显示@也可调阅相应参考数据D该系统由主菜单A见图E C B本机参数B生产参数B时序设定B校种B校液B参考数据等F幅界面组成@由命令键调入或退出D每幅界面设置数字输入框B信息输出框B按钮命令等@可将相应的命令B数据输送给>G=@也从>G=读出相应参数或状态信息@以此实现人机交流D图E种子包衣机主菜单界面"#$%E92,).0+’)/0*+#2*)24/05))-’/+,).!%7%7系统监控软件该软件A程序框图见图H C是控制系统的核心@在&,)1F I:#’./?J9K编程环境下以梯形图方法在>=机上编制@经调试编辑后下载至>G=机D实现的主要功能如下L8C软件可实现包衣设备各工作部件根据作业中发生的不同状况而有机组合B按序启闭B协调工作D图H系统监控软件程序框图"#$%H"3/M’(+.,/01./$.+*0/.565,)* */2#,/.#2$+2-’/2,./33#2$7E8农业工程学报7N N F年　万方数据!"在软件中设置了可从触摸屏上输入调整的喂料延时#药液从被监测器感知到流至雾化盘的时间"$液泵延时#从喂料停止到抛种盘物料全部落尽的时间"$搅龙延时#喂料停止后%搅龙将全部物料清空的时间"等参数%始终保持种子与药剂同时到达$同步接触和充分混合搅拌后清空%以提高包衣作业质量&’"软件针对故障#如无种$无液$堵料$混配室关闭不严$电源故障$变频器频率设置不合理等"采取报警或最终中止全部工作等方式处理%保障人身及设备安全与作业效果&并针对料位$堵料$液流监测等传感器不同功用编制了相应的软件模块&("该软件更为重要的一个作用是解决种子与种衣剂连续供给与精确控制问题&由于喂料$供药的动力驱动为异步电机%采用变频控制调速后对其输出进行适当的滑差补偿%便可认为喂料$供药的量与变频器工作频率成正比%于是对喂料量$供药量的控制%变为对相应变频器工作频率的控制&因此%只要输入相关参数%软件便可根据如下公式自动进行有关计算%并向相应)*+单元发送数据%通过改变控制变频器工作频率模拟电压的方式%实现对喂料量$供药量的调节&,-./01-2-3-1/-#4喂*5/"67-8#."由式9得到4喂6:’’’’’;7;8*#2;,;3"<=&在)*+单元中%)单元输入数值范围为/>’!///%变频器的最高频率设置值为5/<=%故喂料变频器的工作频率值在向)单元存放前应将4喂-#’!///*5/"%并将其结果圆整后才存放到相应)单元中&经)*+转换后%输出一个在/>./?之间的模拟电压%以控制喂料变频器工作的频率值&@-./’-#4液*5/"67-./0!-A-B#!"由式C得到4液67;A;B*#!///;@"<=%与上述同理%故供药变频器的工作频率值在向)单元存放前应将4液-#’!///*5/"%并将其结果圆整后才存放到相应)单元中&经)*+转换后%输出一个在/>./?之间的模拟电压%以控制供药变频器工作的频率值&式中D4喂EE喂料电机变频器频率%<=F7EE 生产率%G H*I F2EE种子容重%G H*J’F,EE喂料器容积%J K F3EE喂料器在5/<=时转速%L*J M N F 4EE供药电机变频器频率%<=FA EE种药混配比% J K*#.//G H"F@EE计量泵5/<=时流量%K*I F8EE 种子更正系数FBEE种衣剂更正系数&图1为喂料$供药两变频器频率值转换成模拟电压对应数据的一段程序&在启动#O P/Q."或输入修改命令#P!!Q/"后%将喂料$供液的频率值#?R:/$?R:!"写入模拟扩展单元#PR/$PR!"中%后再转换成模拟电压对应的数据#+S R/$+S R!"%从而实现修改变频器工作频率之目的&图1频率值转换的一段程序T M H Q1U L V H L W J X Y Z[M V NV\\L Y]^Y N Z_[L W N X\V L J5"作业中%当U K‘接收到生产率$种子容重$种药混配比等参数的修改命令后%软件即自动运算并修改与之相关的工作数据%从而实现工艺参数的不停机在线修改&1"由于药剂黏度$种子容重的差异会给计量精度带来误差%因此在软件中嵌入了种$液校量模块&启动这一模块%设备就工作在计量校正状态%通过触摸屏将种子$种衣剂预置值与实测量输入%软件将根据二者的比较对误差进行计算%并自动进行误差补偿%一般经一次校正%计量误差可小于!a&b抗干扰措施5c d e5型种子包衣机大多使用在种子加工生产线上%加工线设备众多$电磁环境恶劣$电压不稳定%此外%有些设备还使用较大功率的变频器%会成为严重的干扰源f.!g&如不采取措施%不仅造成U K‘系统程序的失控%而且会使该机的喂料$供药两个变频器时常发生过电压故障而跳闸%影响正常的作业&为此%在硬$软件上都采取了抗干扰措施%主要为D."U K‘机采用独立的开关电源%且其U h点良好接地F!"接触器主触点跨接压敏电阻%消除电源冲击电压与电火花对弱电的影响f.’g F’"在变频器的输入$输出端分别加装电抗器%并且适当调长变频器的斜坡下降时间f.(g F("变频器用屏蔽电缆与电机连结%电缆屏蔽层接地f.5g F5"强电$弱电采用分开走线%间距.5Z J以上F1"各传感器的信号读取后%采用在延时数秒内持续存在方予确认的方式%以剔除偶尔的干扰可能造成的数据误读%故而在软件中设置了无液延时$堵塞延时$有料延时$无料延时等参数项&’(.第:期胡良龙等D基于U K‘的种子包衣机自动控制系统设计与实现　万方数据!结论"#本设备控制系统采用通用$%&技术为平台’以控制软件为手段’实现了对种子与药剂的同步供给和精确控制(各部件有序组合与协调作业(作业质量及安全的保护(参数的优化匹配与在线修改等功能)并以触摸屏为人机交流窗口’便于数据输入调整和读取’实现了人性化操作*+#从软(硬件着手’采取一系列抗干扰措施后’在种子加工线多种负载频繁启闭和工作运行而造成的复杂电磁干扰环境下’本机仍然稳定(可靠地工作*,#+--.年"-月’江苏省农业机械试验鉴定站对本设备进行性能检测’检测结果表明/包衣合格率为001+2’均匀性变异系数为-132’破损率为-1"2’系统设计安全合理*4#.567.型种子包衣设备采用了自动控制与系统结构相结合的一体化设计’并适合于多品种作业’从根本上扭转了传统包衣机电气控制系统粗放简单(机械结构设计不合理(工作协调性差(包衣质量不高的局面’达到了精确包衣和有效提高包衣质量的目的*8参考文献98"9李明’姚东伟’等1我国农作物种子包衣机械应用概况8:91种子’+--.’;"+#/.-<.+18+9张立新’谢志根1.5=><4型种子包衣机的研制8:91石河子大学学报’+--"’;"#/3-<3+18,9乔文德’刘庆国’等1种子包衣机的结构及应用8:91山东农机’+--,’;?#/"+1849唐军红1种子包衣机存在的问题与改进措施8:91石河子科技’+--3’;4#/,?<,@18.9吴文福’赵学笃’等1种子包衣剂定量供给装置8:91农业机械学报’+---’;"#/4+<441839韩豹’申建英’等1种子包衣机的研制8:91农机化研究’+--,’;+#/"."<".+18?9陈寿顺’陈公望1新一代种子包衣机问世8:91农村机械化’"00@’;0#/"+18@9赵德春’赵巍1.5:A <,1-型新型种子包衣机的设计8:91农机化研究’+--3’;,#/0?<0@1809温海江’高春光’等1丹麦&B C5D B E F G B H &&+-型旋转式种子包衣机简介8:91现代化农业’+--+’;""#/4.18"-9沈慎’赵春宇’等1基于%$&+""4的农用种子包衣机嵌入式控制系统设计8:91工业仪表与自动化装置’+--.’;3#/,,<,.18""9吴春生’戈永杰’等1德国$G I J K L&I +<"-型种子包衣机简介8:91现代化农业’+--"’;?#/,?<,@18"+9谢焕雄’高刚华’等1种子丸化机自动控制系统8:91农业机械学报’+--,’;4#/"4?<"4018",9李文雄’陆俭国’等1交流接触器的可靠性技术8:91低压电器’+--.’;@#/,<.18"49陈超苏1$%&控制系统及变频器应用的抗干扰问题8:91世界仪表与自动化’+--.’;"+#/3-<3"18".9刘建国1变频器及常见故障剖析8:91电工技术’+--4’;""#/,4<,.1M N O P Q RS R TU N S V P W S X P Y RY Z S [X Y \S X P ]]Y R X U Y V V P R QO ^O X N \Z Y U O N N T]Y S X N U _S O N TY R‘a bc de f g h i j k h i ’c dl m f n m g k o’p g kp g h i m d g ’q f r d j g f ’sg h ic g f t k d ’u f g he f v f g;wx y z {y |}~!~x "#$%y !&{&’&~()"*|"{#’+&’"x +,~#$x y {-x &{)y ’,{y {!&".)(*|"{#’+&’"~’wx y z {y |+"--"4’/${y x#0_O X U S ]X /E 123745672.567.56824229:;<52=3<492>27;829?1;=92=5;?@8=;>24229:;<5?1AB C <7?56<19@2255D 212294E ;=4229C 4<A 29C =?1A@;92=1<A =?:C 75C =<78=;9C :5?;11I D 2<C 5;@<5?::;15=;77?1A46452@E ;=5D 2:;<52=3<44C ::244E C 776924?A 1291$%&;$=;A =<@@<F 72%;A ?:&;15=;772=#3<45<G 21<45D 2:;15=;7:;=2;E 5D 246452@’<19%&H 5;C :D4:=2213<42@87;629E ;=D C @<17:;@8C 52=?152=<:5?;1?152=E <:21I D 246452@?152A =<529G ?194;E52:D 1?B C 24?1:7C 9?1A8=;A =<@@?1A ’E =2B C 21:6:;1>2=4?;1’7?B C ?9E 7C H@;1?5;=?1A<194214;=4’25:1I D 28=?@<=645=C :5C =2’3;=G ?1A8=?1:?872;E 5D 2:;<52=’4272:5?;1;E :;15=;77?1A46452@D <=93<=2<19@2<4C =24E ;=<15?7I <@7@?1A32=2<74;?15=;9C :291F C @<17:;@8C 52=?152=<:5?;14;E 53<=23<48=;A =<@@29F 65D 24;E 53<=2;E $=;I ;;7J $=;&L 1L 6452@:;15=;77?1A4;E 53<=23<48=;A =<@@29?15D 2E ;=@;E 7<992=9?<A =<@F 6L 528?7C ?:=;J K B L ’=2<7?M ?1AG ?194;E E C 1:5?;14?1:7C 9?1A427E 78=;52:5?;1E ;=3;=G ?1A42:5?;14’<::C =<52B C <15?E ?:<5?;1’<C 5;@<5?::;175=;77?1A<19D C @<1?M 29;82=<5?;11I 245=24C 754;13D 2<542294:;<5?1A4D ;3295D <5:;<5?1A<::285<F ?7?56=2<:D 29001+2’:;2E E ?:?215;E ><=?<5?;1;1:;<5?1A C 1?E ;=@?563<4-132’3D ?:D8=;>295D <55D 24229:;<52=:;C 79?@8=;>2:;<5?1AB C <7?562E E 2:5?>2761N N ^O Y U T O /$%&)4229:;<52=)<C 5;@<5?::;15=;77?1A )5;C :D4:=221)5=<149C :2=)<15?7I <@@?1A44"农业工程学报+--?年　万方数据。