播种机性能监控系统试验台的设计*

刘国铸 ， 吴 南 ， 谷喜成

（辽宁机电职业技术学院材料工程系，辽宁 丹东 118009）

现在很多地区都已经采取农业机械化操作，播种机精量播种、施肥技术越来越受到广大农民的欢迎。播种机播种时，田间工况复杂，播种时会存在漏播和播种不均匀等现象。精量播种是指播种机依据农艺要求的播种密度，按照一致的行距、均匀的粒距、精确的深度将作物种子播入土壤中并准确定位的过程。精量播种具有诸多优点，尤其是在节约种子、幼苗发育、减少缺苗和间苗工作量方面有很大的优势，同时有助于做到苗全、苗齐、苗均、苗壮，既能节约成本，又能提高产量[1-3]。播种机作为农耕时期的一种种植机械，其播种质量直接影响作物的产量，播种精度及均匀性是衡量播种机工作性能的重要指标，准确检测播种机播种相关技术参数是检验播种机工作性能和确定最佳工作参数的关键。目前，播种机性能检测主要为播种机排种器排种性能的检测，没有播种机整机播种性能检测设备[4-8]。传统的播种机在组装完成后，直接投入市场，没有系统的检测装置，使用时经常会出现播种不均匀、出料管堵塞不出料或出料过多等现象，造成资源浪费。基于此，课题组设计了一种模拟田间工况的播种机性能监控系统试验台。

1 试验台设计

播种机性能监控系统试验台主要由监控系统、测试台、支撑结构及传送带组成。试验台整体结构如图1 所示，测试台剖视图如图2 所示。

图1 整体结构示意图

图2 测试台剖视图

传送带置于测试台上，播种机两侧的转动轮置于传送带上，通过传送带带动转动轮转动，支撑结构置于测试台上支撑播种机架。测试台上对应播种机排种部位开设有凹槽，凹槽内设有播种检测传感器，可以检测播种粒数。凹槽底部均设有称重台，在凹槽内均设有置于称重台上的收纳桶，播种机的排种管对应凹槽开口。称重台上的称重显示器置于测试台一侧，通过检测的播种粒数和称量播种机在设定时间内的排种量确定播种机的播种性能。

所述支撑结构包括两个顶块和一个支撑架，两个顶块对称设置在两转动轮内侧的测试台上开孔内，顶块下方固定连接有液压杆，通过液压杆带动顶块升降，顶块上方支撑播种机架，支撑架设置在两顶块间的测试台中部一端，支撑播种机架，与两个顶块形成三点支撑。在测试时，播种机被顶块顶起，以减轻压在传送带上的压力，方便控制播种机的转动轮与传送带接触松紧，避免播种机的整个重力压在传送带上导致其损坏，同时保证传送带呈中间低、两边高的设置状态。两个顶块的液压杆的液压油管通过三通连接液压缸，通过液压缸控制两顶块同步升降。测试完成后，采用液压杆可以方便顶起播种机架并移动，可取出收纳桶。为方便取出，收纳桶上设置有便于拿取的把手。

支撑架支撑播种机架的一端带有U 型槽，与播种机架接触部位相配合。传送带上连接有置于测试台的行程显示器，显示运行速度。测试台的设置保证播种机可以正常测试，无需大面积场地。传送带均位于播种机转动轮下方，转动轮与传送带的履带紧密接触，保证转动轮稳定转动，进而使物料下落。支撑架上方呈U 型开口设置，支撑播种机稳定置于测试台上方，保证传送带匀速运转而不致承受过大压力，以保证精准地测量物料的重量，传送带的两个传动轮支撑在测试台上，其主动传动轮连接电机，通过启动传送带带动转动轮转动，从而实现播种机排种工作。

凹槽为开口槽，顶部为倒锥形槽或倒梯形槽，在种子下落时，避免其在凹槽外壁堆积；下部与收纳桶外形相同，可以为圆筒形槽或矩形槽，其大口端对应播种机排种部位。这种设置可使所述测试台前端面均固定连接有称重显示器，显示排出种子的重量，方便测试人员观察，以此判断播种机是否存在播种故障。

2 监控系统设计

2.1 系统硬件

播种机性能监控系统用于控制试验台运行和监测播种性能指标，由触摸屏和可编程控制器PLC 作为上下位机的控制设备。系统硬件由播种检测传感器、可编程控制器、触摸屏、变频器、三相交流异步电动机等组成[9-10]。硬件配置如表1 所示。

表1 监控系统硬件配置

监控系统硬件选用台达DVP20SX211T 作为控制器，台达DOP-B07S41 作为人机交互界面。播种监控系统通过力科PT-20ML-10 矩形光纤传感器对播种机排出的籽粒进行检测，矩形光纤传感器由发射端和接收端组成矩形区域，检测范围为10 cm2。当有种子落入该区域时，发射端发出的信号部分被遮挡，发射信号减弱，产生一个脉冲信号，进行播种籽粒的检测。选用欧姆龙E3X-NA11 作为光纤传感器的放大器，可以对信号的强弱进行调整，便于精确检测播种籽粒信号，由计数的播种籽粒个数可计算播种机的播种量。播种监控系统应用两个矩形光纤传感器对播种性能进行监控。传感器1 安装在凹槽上方，传感器2 安装在凹槽下方，两个传感器对播种籽粒进行检测，能够更好地检测，提高播种性能检测质量。三相交流异步电动机带动传送带运行，进而驱动播种机进行播种控制。变频器控制对电动机进行无级调速，可实现在不同速度下进行播种机性能检测。速度传感器对播种速度实时进行检测，实现播种机试验台的闭环控制，进一步提高试验台检测精度。

2.2 系统软件

系统软件由梯形图程序和触摸屏程序组成。触摸屏用于播种机性能检测的参数设置和播种性能实时显示。可编程控制器PLC 梯形图程序是系统监测和控制的核心，用于控制试验台的播种机行进速度和控制参数的运算处理。在进行播种机性能检测前，需通过监控系统参数设置界面对播种速度、播种种植行试验长度、播种行数、排种器分种勺数、播种粒距等信息进行设置，试验台启动后，PLC 依据设定的控制参数控制试验台的运行。播种机性能显示界面，可实时显示当前播种机的播种性能指标，包括播种的合格数、漏播数、重播数、变异系数等播种机性能指标。系统控制程序流程图如图3 所示。

图3 系统控制程序流程图

系统运行后，播种机以设定的速度进行播种作业，传感器1 和传感器2 以脉冲的下降沿作为种子落入凹槽的信号，传感器1 有种子下落信号即启动定时器和计数器，同时播种粒数加1，在设定的时间内若传感器2 检测到2 粒种子信号，说明在传感器1 检测区为重叠籽粒，此时将播种粒数和重播粒数加1，精确检测重叠籽粒造成的重播。同时PLC 内部的定时器记录相邻种子的实际时间间隔t，若t≤0.5 倍的理论粒距Δt，则重播数加1；若t＞1.5 倍的理论粒距Δt，则漏播数加1；若t在0.5 倍与1.5 倍的理论粒距Δt 之间，则合格数加1；同时系统根据检测的漏播数、重播数、合格数计算出播种的漏播率、重播率、合格率、断条率、变异系数等播种性能指标。

3 测试方法

在进行播种机性能测试时，先将播种机放置在测试台上，通过启动液压杆带动顶块移动，从而顶起播种机，使其转动轮置于传送带上，呈中间低两边高的状态，将种子放置在播种机的种箱内，然后即可进行测试工作。通过监控系统设置好测试参数后，按下启动按钮，测试台上的传送带开始带动播种机转动轮旋转，从而使播种机处于工作状态，即使在很小的测试台上也可以进行测试工作，行程显示器可以显示行程，触摸屏可显示当前播种情况，便于观察性能指标数据。播种机内部的种子通过排种管下落，至收纳桶中，当其测试一段时间后，可以通过称重台检测收纳桶内种子的重量，然后通过称重显示器显示数据，可以观察到各个排种管的排种情况，确定播种机的播种性能。如果各个收纳桶的内部种子重量相差不大，说明播种机各播种行播种均匀，满足使用要求；当收纳桶内部的物料重量相差较大时可以判断播种机出现故障，需要进行检修。同时，通过触摸屏显示的播种合格率、漏播率和重播率，查看各种行的播种粒距质量，进一步确定播种机的播种性能指标。

4 结论

1）课题组设计了一种播种机性能检测试验台，通过检测播种籽粒落粒时间间隔和称量播种机在设定时间内的排种量，确定播种机的播种性能，结构简单、易于操作、测试精确。

2）通过液压杆带动顶块移动，顶起播种机，然后通过启动传送带与转动轮接触，从而使播种机处于工作状态，在很小的测试台上也可以进行测试工作，行程显示器可以显示行程，方便测试人员观察数据。

3）测试台上设有倒锥形凹槽，在种子下落时，避免了其在凹槽外壁堆积，下部与收纳桶外形相同，便于收集播种机排出的种子。