种子包衣机电气变频控制系统研究

德州职业技术学院 于春苗

为了提高种子包衣生产质量及作业效率，本文设计了一套变频控制系统。选取PHILIPS2114型号PLC作为系统核心控制器，利用RS485串行接口与系统其它装置建立通信连接。PLC下发的作业命令，经过D/A转换器处理，可供变频器识别。按照识别程序作业命令，调整喂料电机、混液电机、输送电机、供液电机作业状态。测试结果表明，本系统能够达到种子包衣生产质量及效率标准。

种子包衣是一种种子加工技术，根据种子发芽和生长需求，在其表面裹上一层种衣剂，以此提高种子发芽率，改善种子生长质量。其中，种衣剂需要根据种子的类别、生长环境需求等要求，将生长剂、微肥、农药按照一定比例混合而成。人工包衣不仅效率低，而且人体容易受到包衣药剂的毒害。因此，种子机械化包衣成为了主要发展趋势。目前，大部分种子包衣机自动化作业效率偏低，并且不支持不同类型种子的变频包衣操控，包衣合格率不足95%。为了改善种子包衣机作业性能，本文提出一种电气变频控制系统，通过电气变频控制实现不同类型种子包衣自动变频生产。

1 系统总体设计

本系统将5B-5型种子包衣机作为控制对象，根据玉米、小麦等作物包衣作业需求，设计电气变频控制系统，保证包衣机作业生产率不低于4.5t/h-1。本系统选取PLC作为核心控制器，通过D/A转换器，建立PLC控制器和变频器之间的连接，根据包衣作业需求不同，调节各个变频器作业状态及参数，从而实现自动变频控制功能。系统总体设计方案如图1所示。

本系统主要由PLC核心控制器、操作显示屏、声光报警器、堵塞传感器、D/A转换器、变频器、料位传感器、喂料电机、混液电机、输送电机、供液电机、液压传感器等组成。利用核心控制器控制变频器参数，使得喂料电机、混液电机、输送电机、供液电机按照种子类别，完成相应包衣操作。与此同时，系统中各类传感器将采集到的数据返回至PLC，从而掌握包衣机整体作业状态，如果采集到的数据超过了安全生产限定范围，则系统发出声光报警。

2 系统硬件连接及电气控制

2.1 部分硬件的选取

本系统选取PHILIPS2114型号PLC作为系统核心控制器，该控制器支持多个信号输出与输入，利用RS485串行接口与系统其它设备建立通信连接。

系统作业依靠三种传感器作业提取数据信息，根据返回的检测结果，实时调节电机驱动命令。其中，料位传感器位于喂料器的下方，用来检测喂料期间料所处的位置，该装置型号为CJA41；为了避免包衣机内部出现堵塞情况，本系统选择型号为PRL100的堵塞传感器检测包衣产物堵塞情况；包衣加工中供液装置作业状态的检测同样重要，必须保证供液量与种子包衣生产要求相符，此处应用到的供液传感器为压力开关控制原理，型号为CYG3002。另外，本系统设计方案为了便于掌握和操控包衣机作业状态，添加操作显示屏，型号为LS2223WC。

2.2 电气控制

本系统利用DAC7631E数模转换器作为信号识别工具，使得变频器能够识别PLC发送的作业信号。其中，采用的通信协议为USS，该协议支持信号接收应答。当变频器成功接收到控制命令以后，会向PLC返回反馈信号。按照作业命令，控制喂料电机、混液电机、输送电机、供液电机的启停和作业频率，从而实现种子包衣精准操作控制。

（1）喂料电机：在电机的驱动下喂料器开始作业，其内部结构中叶轮的旋转速度决定了种子包衣处理连续性和包衣效率。因此，本系统根据叶轮旋转参数，结合种子包衣处理需求，下达作业频率控制命令。

（2）混液电机：该电机驱动药液雾化盘、种子抛撒盘，通过调节设备作业参数，使其匀速加工包衣，尽可能降低种子破损率。

（3）输送电机：通过驱动电机使得搅拌轴得以作业，该项操作主要是将药液和种子混合到一起，而后向外输送。这种控制方式，避免种子包衣后在机器中大量堆积，导致内部堵塞。

（4）供液电机：通过驱动计量泵实现药液输送。本系统根据种子类别不同，分别设计种衣剂药液添加量，以定量添加的方式，从存储箱中将药液抽入量筒内。

3 系统功能实现

3.1 系统软件操作程序的植入

本系统采用嵌入式-II作为系统程序开发软件，该软件支持信号同步管理，分别在各个时段下达系统作业命令，同一时间向多个电机发送驱动命令。关于处理器命令的编译，本研究设置了3个函数，采用内嵌汇编语言编写系统作业程序。考虑到各个底层函数的处理器功能存在一定差异，在本系统开发时，利用关键词声明。当系统调用此类函数时，系统软件将自动进入中断模式，同时调整各项指标参数数值，使得系统能够按照需求变频作业。

3.2 电气控制程序流程

开启系统作业电源后，自动进入初始化模式，通过设定各项指标作业参数数值，确定种子包衣机中各个装置作业状态。按照给定的药液供给程序命令，对种子进行包衣处理。电气控制程序流程如图2所示。

图2 电气控制程序流程

图2中，系统初始化结束后，设定系统作业参数。按照此方案，下达电机作业驱动命令，实现种子和药液的正确供给，开启物料混合模式。为了保证包衣质量，对混合生成物质的药种比进行检验，如果与设定值相符，则搅拌这些混合物料，生成包衣物料；反之，返回药液和种子供给环节，采用变频控制方法，调节各个装置作业频率，直至药种混合比与设定值相符。

4 系统测试分析

本次测试以大豆、玉米、小麦作为测试作物，选择种子破损率、生产率、自动清机度、包衣合格率作为测试指标，开展系统性能测试实验。其中，大豆、玉米、小麦设计生产率依次为4.99t﹒h-1、5.11t﹒h-1、4.97t﹒h-1，要求实际生产率与之差值控制在t﹒h-1之内。另外，系统自动清机度不得低于95%，包衣合格率不得低于97%。如表1所示为系统性能测试结果。

表1 系统性能测试结果

表1中，设计生产率与实际生产率相近，所以本系统设计方案可以满足种子包衣处理效率需求；同时，本系统支持自动清机功能，清机度在98%以上，该项指标符合系统开发技能标准。另外，本次测试还对系统作业的包衣合格率进行了统计，从而掌握系统整体作业状况。测试结果显示，系统包衣合格率在99.0%以上，在误差允许范围之内。因此，当前系统的作业精准度也达到了设计标准，该系统可以作为作物包衣处理工具。

总结：本文采用变频控制技术对传统的种子包衣机进行优化，设计一套电气控制系统。该系统支持不同类型种子包衣高精度生产，通过调节药液和种子供给比例，提升包衣作业精准度。测试结果显示，该系统清机度高于98%，包衣合格率不低于99.0%，符合系统开发要求。