张 飞，刘 健，孙 昕
（1.沈阳工学院信息与控制学院，辽宁 沈阳 113122；
2.沈阳理工大学）
玉米是我国的主要粮食作物之一，具有产量高、价值高、对种植环境无气候和地理条件要求的优点，在我国种植范围广泛。播种是种植的关键环节，我国传统的玉米播种方式采用点播或者条播，但存在效率低、耗时长、播种质量不高，导致出苗率低，影响玉米产量的问题。播种量是玉米播种的关键，播种量的多少会直接影响玉米的出苗率、均匀性和产量，对于玉米播种量的控制和调节是玉米播种的关键问题。因此，研究高效率的机械精密播种机，提高播种效率并适度调节播种量，对玉米生产具有重要意义。
在20世纪50年代我国就从国外引进棉花播种机、谷物条播机等，60年代前后制造出多种机型，其中包括悬挂式谷物播种机、通用机架播种机及气吸式播种机等，并成功研制了磨纹式排种器[1]。到了70年代，先后发明了播种中耕铲地机和谷物联合的播种机2个种类，并生产使用。供作物、牧草、蔬菜用的各种条播机和穴播机已推广应用。到了20世纪80年代初，随着精量播种机的普遍使用，我国开始对精密播种监控进行研究，但是至今尚未有较为系统的研究。目前国内的监控系统还主要停留在研究和试验阶段，也有部分系统进行了产品化生产使用，但监测效果并不理想，因此使用的农户并不多。随着新技术的不断涌现，监测装置也在不停地发展，使得监测系统越来越完善。
玉米播种机械是人们农业生产过程中常用的人工智能工具。从开始的人工繁杂的播种到如今的智能播种机精确的控制播种，功能种类繁多，应用广泛。随着生活水平的提高和生活节奏的加快，人们对玉米精确播种的功能提出了新的要求。市场上精准高智能的玉米播种机械相继问世，具有多样性且适用范围广泛等优点，功能也逐渐完善。
玉米精确播种量采用西门子S7-1200系列PLC为中心的控制系统，具有工作稳定性好、设计周期性短、成品程度高等优势。在玉米精确播种量控制系统中由PLC控制播种台的启动运行、排种器的播种量、系统故障的检测等工作流程。
玉米精确播种量控制系统工作时，首先触摸屏会先根据生产要求进行检测与初始化，其次PLC按设定程序发出控制信号控制步进电机，启动排种器，排种器在播种台的带动下开始运行，最后由步进电机驱动开始对玉米地进行精确播种。
玉米精确播种量系统的控制与反馈是通过各种接触器、开关、传感器等进行连接并对其工作过程进行分配。在充分理解玉米精确播种量控制系统的工作过程的基础上，利用PLC的控制端口来操控实际电气模块，同时I/O端口的数量取决于硬件的数量。在本设计中，共用到5个数字量输入端和6个数字量输出端。
系统启动，首先启动指示灯亮起，系统自动进入自检模式。自检模式中，系统主要检查各部件是否存在故障，同时，系统会检查排种器中种子的存量是否充足，若排种器中种子存量达到缺料限位，则缺料报警指示灯亮起，系统停止运行，待将排种器中种子补足后，系统方可重新手动启动。系统自检结束后，确认系统无故障，则播种台就绪指示灯会自动亮起，此时按下播种台启动按钮，播种台会带动排种器启动运行。本设计中，待播种的玉米地每一列有10块玉米地，排种器需在每块玉米地准确播种3粒，若传感器检测到某次播种量不是3粒，则系统自动停止运行，需对系统进行故障检测。当播种台带动排种器播种完一列玉米地后，播种台在PLC的控制下，拖动电机会自动反转，进行下一列10块玉米地的播种，此流程直至排种器内种子缺少或按下停止按钮为止。玉米精确播种量控制系统流程图，如图1所示。
图1 玉米精确播种量控制系统流程
2.1 启动与自检功能程序设计
在玉米精确播种量控制系统中，系统会自动启动，启动指示灯亮起，同时系统会自动进入自检模式。此处程序中设定自检时间为10 s，若自检过程中，出现故障或传感器检测出排种器缺料，排种器缺料指示灯亮起，系统停止运行。若自检过程中未出现故障，且排种器不缺料，则自检过程结束后，播种台自动准备就绪，播种台就绪指示灯亮起。
2.2 播种台正向运行播种功能程序设计
本设计中，玉米精确播种的玉米地范围设定为每列10块玉米地，当播种台带动排种器播种10块玉米地后，播种台需反向运行，再播种下一列的10块玉米地。在播种台运行过程中，若出现停止按钮按下、排种器缺料、排种量异常等情况时，播种台会自动停止运行，待故障解除或需重新运行时，可手动重新启动播种台。播种台正向启动功能程序图，如图2所示。
播种台启动后，排种器同时启动，由排种器向每块玉米地进行精确播种。程序中，排种器运行由排种器指示灯指示，排种器指示灯亮起时，排种器向玉米地进行精确播种，每次播种量为3粒。
每次播种之后，排种器指示灯熄灭，播种台带动排种器向前运行至下一块玉米地。排种器的播种量由传感器实现监控，并将信号反馈到PLC中计数器的输入端，若某次排种数量不是设定的3粒种子，则播种台将被切断，系统停止运行。排种器每播种10块地，播种台会自动反向运行，以播种下一列玉米地，播种玉米地的数量也由PLC中的计数器指令实现。排种器正向单块土地排种程序图，如图3所示。
图3 排种器正向单块土地排种程序
系统中设计每一列玉米地数量为10块，因此当排种器定量播种10块玉米地后，播种台需反向运行，带动排种器去播种下一列的10块玉米地。播种台反向运行过程中，排种器和播种台的运行过程与正向播种时一致，排种器定量给每块玉米地播种3粒种子，过程中，若按下停止按钮、出现排种器缺料或排种器播种数量异常等情况，播种台同样会自动停止运行。
玉米精确播种量控制系统主界面主要实现了玉米精确播种量控制系统的启动、启动功能指示、自检功能、排种器缺料报警功能、播种台带动排种器正向播种和反向播种的循环运行、排种器对每块玉米地排种数量的精确显示等功能。系统启动后，首先闭合启动开关，系统启动指示灯亮起，同时系统自动进入自检模式。在自检模式阶段，如果排种器内种子量低于最低限位，则会触发排种器的缺料限位，同时界面上的缺料指示灯会亮起，此时系统不能运行，系统启动指示灯熄灭，需要补料后重新启动运行。
系统自检结束后，若系统无故障，则系统进入正常运行状态，播种台准备就绪指示灯亮起。根据设计任务要求，界面上设计了2排玉米地，每排10块，播种台带动排种器先正向经过第一排玉米地，在每一块玉米地处停留，停留过程中，排种器上电机指示灯亮起，表示正在给玉米地进行精确播种。由于本系统要求严格控制播种数量，每块玉米地播种量为3粒，故在排种器给每块地进行播种时，右侧的排种指示灯会闪烁亮起3次，表示排种器的排种数量。播种台经过每块玉米地，对其进行播种后，相应的玉米地会改变颜色，表示地块已经播种结束，若中途出现缺料状况，播种机会自动停止运行，待补料结束后，继续运行，直到播种10块玉米地后，正向播种结束。播种台正向机械排种运行组态界面图，如图4所示。
图4 播种台正向机械排种运行组态界面
第一列10块玉米地播种结束后，播种台会自动反向运行，对第二列玉米地进行反向播种。反向播种流程与正向播种一样，对每块地排种过程中，依然严格控制机械排种量为3粒种子，排种指示灯闪烁3次。同时，对每块玉米地播种结束后，对应的玉米地会改变颜色，以表示播种完毕。由于界面大小有限，本设计界面只画出两列玉米地，第二列10块玉米地播种结束后，播种台会再自动反向运行，以模拟对若干列玉米地循环播种的工作流程。在整个系统运行流程中，任意时刻内，若排种器内种子过少，触碰到缺料限位，系统都会立刻停止运行，待补料后，播种台继续进行播种，反复循环，直至土地播种结束，关闭系统开关，达到模拟现实播种的目的。
播种过程中，若出现缺料等故障，播种台会停止运行，缺料报警灯亮起，报警界面会有相应的报警显示，报警界面中，蓝色字体表示正常运行情况，红色字体表示报警时刻。
本设计选用PLC结合组态软件来设计和实现玉米精确播种量控制系统。应用西门子S7 -1200型号PLC和MCGS组态软件，设计了玉米精确播种量控制系统的启动、自检、报警、正向排种和反向排种、排种量精确控制等功能。完成了玉米精确播种量控制系统的功能设计、控制程序编写、系统运行、在线调试、监控界面设计与运行等功能，较完整的完成了玉米精确播种量控制系统的设计，可为玉米或同类作物机械化播种提供一定的参考。
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