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基于變頻器的種子包衣機電氣控制系統研究

時間:2019年06月05日 所屬分類:推薦論文 點擊次數:

摘要:種子包衣是一項種子加工技術,有利于提高種子質量,以促進增產。種子包衣機的作業效率高,污染較小,是當前普遍采用的包衣方式。我國的種子包衣機自動化程度不高,包衣質量較低,作業效果與現代化農業的要求存在差距,要改善種子包衣機的整體性能,控制

  摘要:種子包衣是一項種子加工技術,有利于提高種子質量,以促進增產。種子包衣機的作業效率高,污染較小,是當前普遍采用的包衣方式。我國的種子包衣機自動化程度不高,包衣質量較低,作業效果與現代化農業的要求存在差距,要改善種子包衣機的整體性能,控制系統的升級是關鍵。為此,設計了基于變頻器的種子包衣機電氣控制系統,將變頻器與PLC結合,對包衣過程中的物料供給、混合和輸送環節進行精確控制。測試結果表明:安裝該系統的種子包衣機生產率與設定值極為接近,能夠精確控制生產效率,可獲得理想的包衣質量。

  關鍵詞:種子包衣機;控制系統;變頻器

自動化技術與應用

  0引言

  大部分作物都以種子作為最初的形態,經過生長發育獲得產量,優良的種子能為農業豐收奠定基礎。種子加工是提高種子質量的重要手段,也是種子商品化的關鍵環節。研究表明:經過加工處理的種子出苗整齊強壯,單產可以提高5%~10%,因此種子加工一直以來都受到各方的重視[1]。

  種子包衣是一項起源于歐美國家的種子加工技術,有利于提高種子的技術含量,實現種子的標準化。種子包衣技術是根據不同需求在種子表面包裹一層含有相應成分的種衣劑,由農藥、微肥和植物生長調節劑按照一定的比例混合而成,能促進種子的發芽和生長。種子包衣集成了多個農業學科的技術,節約資源且對環境友好,為綠色農業的發展提供了有效的技術支撐。種子包衣的方式有人工包衣和機械包衣兩種。人工包衣是將種子和種衣劑倒入體積較小的容器中,通過人工翻動、揉搓和攪拌將兩者混合。

  人工包衣的速度慢,效率低,操作人員容易受到包衣劑的毒害,僅適用于用種量小的作物[2]。種子的機械化包衣以攪龍、噴霧滾筒或分散盤為工作部件,將種衣劑均勻地包裹到種子的表面,由種子包衣機完成,作業效率高,污染較小,是當前種子包衣普遍采用的方式。種子包衣機最早出現在歐美國家,至今已經有近百年的研究歷史,形成了齊全的類型。上述國家包衣機的穩定性和適應性強,自動化程度高,很好地滿足了種子加工的需求[3]。

  我國的種子包衣機與國外相比起步較晚,但發展很快,已經研制出了多個成熟的機型,其性能在實踐中得到了驗證[4-5]。由于受設計思想和技術水平的制約,我國的種子包衣機自動化程度不高,包衣劑損失量大,作業效果與現代化農業的要求之間有一定差距,影響了機械的推廣應用[6]。針對上述問題,需要吸收國外的先進設計思想和制造經驗,引入新型技術加強對作業過程的監測控制,才能推動我國種子包衣機整體性能的提升。

  種子包衣機的結構大致可以分為種子供給裝置、種衣劑供給裝置、混合裝置、攪拌輸送裝置和控制系統5個部分,其控制系統與其它的各個部分都有關聯,發揮著重要的協調作用。因此,要改善機械整體性能,控制系統的升級是關鍵。目前,國內關于種子包衣機的報導大多集中在控制系統方面,研究人員從實際應用出發,設計了多種類型的控制系統和方法。早期的種子包衣機設計都側重于機械部分,控制部分雖然實現了電氣化,但是只能通過電機的開關來決定加料的時機,無法對加入的物料量和混合程度進行精確控制。隨著技術進步和設計思想的更新,可編程邏輯控制器(PLC)、單片機、傳感器和微芯片被應用于包衣機,提高了控制的精度和效果[7-10]。

  在軟件方面,楊婉霞等將智能專家系統引入包衣機控制過程,通過專家的領域知識和規則推理達到了精準包衣的目的[11]。現有的各型種子包衣機大多采用變頻器來對喂料電機和供液電機進行控制,以實現種子量和種衣劑的精確供給。變頻器是將變頻技術與微電子技術結合,通過改變電源頻率來調節交流電動機轉速的電力設備。作為一種成熟的傳動控制裝置,變頻器對轉速的調節范圍寬、精確性和可靠性好,調節效率高,且操作方便[12]。

  基于上述的優點,變頻器在電氣行業中得到了廣泛的應用,主要在電動機調速、綠色發電和變頻電源3個方面[13],具體的生產領域則包括食品加工和煤炭化工機械等[14-15]。目前,種子包衣機上安裝變頻器主要用于調節喂料電機和供液電機,而對后續的混合和輸送環節重視程度不夠。為此,設計了基于變頻器的種子包機電氣控制系統,將變頻器與PLC結合,對包衣過程中的物料供給、混合和輸送環節進行精確控制,以提高包衣機的作業效率和質量。

  1總體設計

  電氣控制系統以5B-5型種子包衣機為安裝平臺,是由農業部南京農業機械化研究所在吸收國外技術的基礎上根據我國具體國情研制的種子包衣機。該型機械為甩盤霧化式,適用于小麥、玉米、棉花和水稻等作物,生產能力可以達到5t/h。種子包衣機除固定的支架結構外,還包括種子供給裝置、種衣劑供給裝置、混合裝置、攪拌輸送裝置和電氣控制系統5個工作部分。控制系統與其它的4個部分都緊密關聯,協調機械整體的正常運行。電氣控制系統的核心是PLC和變頻器,其它部件還有操作顯示屏、各型傳感器器、報警裝置和D/A轉換器。

  2組成部分

  種子包衣機是一個復雜的整體,電氣控制系統除了控制核心外,還帶有外圍電路、操作顯示屏、通信接口和轉換器等部件。此外,控制系統涉及到多個傳感器、電機、閥門和開關的信號輸入輸出,因此核心控制器必須具備大量數據信息的快速處理能力。PLC采用的是PHILIPS公司的2114型微控制器,包括ARM7TDMI-S內核、128kb的高速存儲器、4路10位的D/A轉換器、2個工業標準UART和高速I2C接口,具有ISP和IAP功能。

  2114型PLC最多能承載19個輸出信號端和16個輸入信號端,通過RS485串行接口與其它設備連接。操作顯示屏為LS2223WC型,用于設定包衣機的工作參數和電氣開關閾值,并顯示機械的運行狀態。傳感器共有3種:料位傳感器為CJA41型電容接近開關,安裝在喂料器下方,用于檢測種子供給量;供液傳感器為CYG3002型壓力開關,安裝在量筒中,用于檢測種衣劑供給量;堵塞傳感器為PRL100型阻旋物位開關,安裝在出料口上,用于檢測攪拌軸的運轉情況。

  傳感器采集的信息最終匯集到PLC中,經過處理后為形成控制決策提供依據。聲光報警器為BC-3B型,在出料口堵塞時暫停作業進程,并啟動聲光報警以提示操作人員排除故障。PLC形成控制指令后,通過DAC7631E型數模轉換器轉換為可以識別的模擬信號并發送到變頻器。變頻器采用西門子公司的MacroMaster系列變頻器,經過USS通信協議接收PLC發來的控制信息,并能反饋接收信息的應答。變頻器的標準RS485接口以半雙工形式傳輸數據,實現與PLC之間的通信,接受的控制指令包括啟停、參數設置和頻率調整等。上述通信方式的抗干擾能力強,可靠性好,具有較高的通信速率和質量。

  變頻器通過改變頻率來調整電機的轉速,從而實現對物料喂入量和混合及輸送設備運行速度的無級變頻調節和精確控制。控制系統中的變頻器有4個,分別控制喂料電機、供液電機、混液電機和輸送電機。喂料電機驅動喂料器的葉輪旋轉,決定了種子供給的數量和連續性。

  供液電機驅動計量泵,可以將種衣劑藥液定量地抽入量筒中。混液電機同步驅動種子拋撒盤和藥液霧化盤,轉速對包衣的均勻度有重要影響。輸送電機驅動攪拌軸使種子和藥液進一步混合,同時沿著槽體向外輸送,防止包衣后的種子堆積堵塞。

  3軟件設計及功能實現

  控制系統的軟件是嵌入式的μC/OS-II實時操作程序,內核代碼小,可移植性強。μC/OS-II程序具有任務時間管理、任務間通信同步和內存管理的功能,可以移植到2114型控制器中實現與變頻器之間的連接和通信。以處理器與編譯器之間的3個函數為基礎,處理器利用內嵌匯編語言移植μC/OS-II程序。處理器不同功能的底層函數由關鍵詞聲明,在調用聲明函數時經過軟中斷進入管理模式,根據不同的功能號啟動變頻器的開關、參數設置和頻率調整等功能,實現對機械的電氣控制。

  包衣機電源開啟后先進行系統的初始化(即藥液桶補液),喂料室和混合倉清空及相關的電機開啟;然后在操作顯示屏上輸入生產率、種子容重和藥種比等參數,由PLC的軟件程序計算出種子和種衣劑的供給量。機械開始運行后,變頻器1和4根據PLC的指令調節到相應的頻率,控制各個電機的轉速實現精確的藥種配比。料位傳感器和液壓傳感器實時監測物料的供應狀況,反饋給PLC以便對變頻器的頻率及時進行修正。

  同時,PLC還根據物料的供應狀況改變變頻器2和3的頻率,使混液電機和輸送電機保持合適的轉速,既保證作業的順利進行,又減少了電量的消耗。當喂料室空倉后,喂料電機停止,然后供液電機、混液電機和輸送電機依次延時數秒后停止,便于物料的充分混合、攪拌和輸送。當堵塞傳感器檢測到出料口堵塞時,所有的電機停止且啟動聲光報警,待排除故障后再次運行。

  4功能測試

  通過試驗對電氣控制系統的性能進行測試,測試的作物種子為小麥、玉米和大豆。包衣劑為福多種衣劑,在使用前添加紅色染料作為警示,以便于觀察種子的包衣效果。設置種子包衣機的生產率5t/h,藥種比1:50,小麥、玉米和大豆種子的容重分別為780、770、810kg/m3。試驗結束后,統計實際生產率、種子破損率、包衣合格率和自動清機度,評價該系統的控制性能。3種作物種子的包衣生產率分別為4.94、5.08、4.97t/h,與設定值極為接近,表明電氣系統能夠精確地控制生產效率;種子破損率最高僅為0.15%,包衣合格率和自動清機度分別超過96%和98%,表現出理想的包衣質量。

  5結論

  設計了基于變頻器的種子包衣機電氣控制系統,將變頻器與PLC結合,對包衣過程中的物料供給、混合和輸送環節進行精確控制。在對3種作物的測試中,安裝該控制系統的種子包衣機生產率與設定值極為接近,表明系統能夠精確地控制生產效率。經過包衣的種子破損率最高僅為0.15%,包衣合格率和自動清機度分別超過了96%和98%,表現出理想的包衣質量。系統通過變頻器對各環節上電機進行精確控制,獲得了良好的效果,可以用來提高種子包衣機的作業效率和質量。

  參考文獻:

  [1]戴思慧,熊興耀,孫小武.我國西瓜種子生產加工處理現狀及發展趨勢[J].中國瓜菜,2012,25(2):39-42.

  [2]張繁,張海清.種子包衣技術研究現狀及展望[J].作物研究,2007,21(5):531-535.

  [3]吳峰,張會娟,謝煥雄,等.我國種子包衣機概況與發展思考[J].中國農機化,2017,38(10):116-120.

  [4]趙德春,趙巍.5BJZ-3.0型新型種子包衣機的設計[J].農機化研究,2006(3):97-98.

  [5]胡志超,計福來,高剛華,等.5B-5型智能化種子包衣機[J].農業機械學報,2007,38(9):205-207.

  [6]趙磊磊,聶立水,朱清科,等.種子包衣機及其在中國的應用研究[J].中國農學通報,2009,25(23):126-131.

  [7]沈慎,趙春宇,陳大躍.基于PLC2114的農用包衣機嵌入式控制系統設計[J].自動化技術與應用,2005,24(3):42-44.

  自動化方向刊物推薦:《自動化技術與應用》(Techniques of Automation and Application)是中國自動化學會、黑龍江省自動化研究所、中自傳媒等單位聯辦的技術類月刊,國內統一刊號:CN23-1474/TP,國際標準刊號:ISSN1003-7241,國內外公開發行。

  

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