全 文 ：2 0 1 6 年 10 月 农 业 机 械 学 报 第 47 卷 增刊
doi:10． 6041 / j． issn． 1000-1298． 2016． S0． 013
基于 PLC的苔麸播种机设计与试验
赵金辉1，2 刘立晶2，3 杨学军2，3 赵郑斌2，4 郝朝会2，4 钟德新5
(1．中国农业机械化科学研究院，北京 100083;2．现代农装科技股份有限公司，北京 100083;
3．南方粮油作物协同创新中心，长沙 410128;4．农业生产机械装备国家工程实验室，北京 100083;
5．浦北县农机局，钦州 535000)
摘要:设计了一种基于 PLC的苔麸施肥播种机。该播种机主要由排种器、开沟器和 PLC 控制器等关键部件组成，
通过转速传感器测量播种速度，建立播种速度和伺服电动机转速之间的对应关系，通过控制伺服电动机转速实现
不同播种速度下单位面积播种量一致。在播种量 4、5、6 kg /hm2，播种速度 3、4、5 km /h 条件下，进行了排种器性能
测试，播种量 5 kg /hm2条件下，得到各行排种量一致性变异系数 5. 02%，总排种量稳定性变系数 0. 89%，种子破损
率 0. 1%，试验零水平时排种均匀性变异系数 18. 9%，满足标准要求;田间试验结果表明播种均匀性变异系数
20. 4%，满足苔麸农艺要求。
关键词:苔麸播种机;PLC控制;设计;试验
中图分类号:S223. 94 文献标识码:A 文章编号:1000-1298(2016)S0-0084-06
收稿日期:2016-07-20 修回日期:2016-08-20
基金项目:国家星火计划项目(2014GA600006)
作者简介:赵金辉(1987—)，男，助理工程师，主要从事农业机械装备与关键技术研究，E-mail:zhaojh281@ 163． com
通信作者:刘立晶(1976—)，女，研究员，博士生导师，主要从事保护性耕作技术及装备研究，E-mail:xyliulj@ sina． com
Design and Experiment of Tef Seeder Based on PLC
Zhao Jinhui1，2 Liu Lijing2，3 Yang Xuejun2，3 Zhao Zhengbin2，4 Hao Zhaohui2，4 Zhong Dexin5
(1． Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences，Beijing 100083，China
2． Modern Agricultural Equipment Co．，Ltd．，Beijing 100083，China
3． Collaborative Innovation Center for Southern Grain and Oil Crop，Changsha 410128，China
4． National Engineering Laboratory for Agricultural Production Machinery and Equipment，Beijing 100083，China
5． Pubei Agricultural Machinery Bureau，Qinzhou 535000，China)
Abstract:In order to solve the problem of Ethiopia tef mechanized seeding，a fertilization seeder for tef
based on PLC was designed． The tef seeder mainly included seed-metering device，furrow opener，PLC
control system and so on． Sowing speed was measured by speed sensor，and corresponding relationship
between sowing speed and servo motor speed was established，which can be used to control servo motor
speed to achieve the same seeding rate per unit area at different sowing speeds． A small seed-metering
device and single-disc opener were designed to solve the problem of poor uniformity and low stability． The
PLC control system was designed for sowing，which can assure the tef seeder worked well in clay soil． It
would be easy to adjust seeding rate and fertilizer rate through human-computer interaction interface．
Seed-metering device performance experiment was carried out at different seeding rates of 4 kg /hm2，
5 kg /hm2 and 6 kg /hm2 and sowing speeds of 3 km /h，4 km /h and 5 km /h． The results showed that the
consistency variability coefficient of row seeding quantity was decreased with the increase of seeding rate
and sowing speed，and the stability variability coefficient of full seeding quantity was decreased with the
increase of seeding rate，which was firstly increased and then decreased with the increase of sowing
speed． When the seeding rate was 5 kg /hm2，the consistency variability coefficient of row was 5. 02%，
stability variability coefficient of full row seeding quantity was 0. 89%，seed damaged rate was 0. 1% and
seed uniformity coefficient of variation was 18. 9% under zero level testing condition，which can meet the
standard requirements． The sowing uniformity coefficient of variation was 20. 4% in field experiment，
which can meet tef agronomic requirements．
Key words:tef seeder;PLC control;design;experiment
引言
苔麸是埃塞俄比亚最主要的传统作物，其籽实
也是当地传统食物“英吉拉”的主要原料，年种植面
积 190 ～ 220 万 hm2，占其全部作物总种植面积 30%
以上，生产过程以人工和畜力作业为主［1 － 2］。传统
的苔麸种植方式为人工撒播，存在产量低且收获时
倒伏严重的现象。近些年，为了增加苔麸产量、减少
倒伏现象，埃塞俄比亚农业部门及其他机构经过不
断研究，提出了苔麸条播种植方式［3 － 4］。目前埃塞
俄比亚国内研制了几种不同类型的播种机，动力多
为人力或畜力，存在地轮黏土、无排种器或排种器精
度较低的问题，导致排种量均匀性差、缺苗断垄现象
严重，影响苔麸产量;一些国外机构也为埃塞俄比亚
设计了一些播种机，但存在地轮黏土、排种器性能不
稳定、机型较大的问题，在黏性土壤条件下无法推广
使用。
中国没有苔麸作物，可以借鉴的有油菜、谷子、
苜蓿等小粒作物，分析小粒作物播种机存在问
题［5 － 8］，针对现有问题并结合研究现状，本文设计一
种基于 PLC的苔麸播种机，以期实现在黏性土壤条
件下的精少量播种。
1 苔麸播种机及工作原理
1. 1 苔麸播种技术条件
埃塞俄比亚季节差异明显，分为雨季和旱季，苔
麸 7 月中旬播种(雨季)，降水量约为 750 ～ 850 mm，
降雨较为频繁，11 月底开始收获(旱季);土壤类型
主要分为黑黏土、壤土和砂壤土［9］。
苔麸籽粒较小，形状为长球体，长为1. 01 ～
1. 27 mm，宽 0. 59 ～0. 87 mm，千粒质量 0. 26 ～0. 42 g，
容积密度约 0. 86 kg /L;小农户以人工撒播为主，播
种量 30 kg /hm2;机械化播种为条播，播种量 5 kg /hm2，
行距 15 ～ 20 cm。
1. 2 播种机结构及技术参数
根据苔麸的农艺要求和播种时田间土壤状况，
设计了一种基于 PLC的苔麸播种机，结构如图 1 所
示，主要包括排种器、开沟器、种肥箱、机架和 PLC
控制器等。
播种机主要技术参数:悬挂式，工作行数 12 行，
工作幅宽 2. 4 m，播种量 4 ～ 10 kg /hm2，施肥量 75 ～
200 kg /hm2，生产效率 0. 72 ～ 1. 44 hm2 /h。
图 1 基于 PLC的苔麸施肥播种机结构简图
Fig． 1 Schematic diagram of seeder for tef based on PLC
1．机架 2．种肥箱 3．开沟器 4．排种器 5．伺服电动机
1. 3 工作原理
播种机工作时，首先通过悬挂架与拖拉机悬挂
装置连接，在人机交互界面中设定公顷播种量、拖拉
机地轮直径和转速传感器检测点数;PLC 控制器根
据安装转速传感器的拖拉机地轮直径和转速传感器
检测点数处理得到拖拉机前进速度，并通过速度信
号和人机界面中设定的公顷播种量分析得到排种轴
转速，将转速信号传输到驱动器控制伺服电动机转
动，通过排种轴带动排种轮将种子精少量排出;采用
单圆盘开沟器完成开沟破土，种子和肥料分别落在
种沟内，实现苔麸精少量施肥播种。
2 关键部件设计
图 2 排种轮
Fig． 2 Seed-metering wheel
2. 1 排种器设计
排种器是播种机的关键部件之一，其性能关系
到播种机作业质量和实用性［10 － 13］。目前谷物条播
机使用的排种器多为外槽轮排种器，其结构简单、性
能稳定。本文采用外槽轮排种器，通过减小齿槽深
度 b，缩小凹槽半径 r，使单个齿槽的容积变小，通过
增加齿槽数量 Z，使每个齿槽排种的频率加大，以减
小排种脉冲，提高均匀性，排种轮结构如图 2 所示。
58增刊 赵金辉 等:基于 PLC的苔麸播种机设计与试验
外槽轮排种器每转一圈的排种量与公顷播种量
之间的数学关系为
q = πDL (γ a0 fqt + )λ
fq = f(r，b)
Q = 10iq
πD1m(1 － δZ)
t = πD





Z
(1)
式中 D———外槽轮直径，cm
D1———驱动轮直径，cm
Q———公顷播种量，kg /hm2
δZ———滑转率，% i———传动比
L———槽轮的有效工作长度，cm
γ———种子密度，g /cm3 m———行距，cm
a0———槽内种子充满系数，取 a0 = 0. 68
fq———单个凹槽的截面积，cm
2
t———槽轮凹槽节距，cm
λ———带动层特性系数，取 λ = 0. 25
选取外槽轮直径 D = 30 mm，播种量 Q 取4 ～
10 kg /hm2，根据式(1)得到排种轮不同的结构参数，
对不同参数组合进行排种均匀性试验，选取 Z = 18，
b = 2 mm，r = 2 mm，该组合下排种均匀性变异系数
为 19. 2%，满足排种均匀性要求。
2. 2 开沟器设计
苔麸播种施肥量较少，考虑到田间土壤多为黑
黏土，黏性较大，设计了单圆盘开沟器，如图 3 所示，
开出的种肥沟能够满足种肥量要求，且单圆盘开沟
器工作时沿地面滚动，滚动摩擦阻力较小，能够减少
黏土现象，具有较强的通过能力［14 － 16］。
图 3 开沟器组合
Fig． 3 Single-disc opener
1．连接支架 2．导种管 3．开沟圆盘 4．导肥管 5． 轴承座
设计的开沟器圆盘直径 350 mm，与前进方向夹
角 β = 7°，圆盘厚度 3 mm，开沟深度为 20 ～ 30 mm时
开沟宽度 20 ～ 30 mm，为了平衡侧向力，开沟器分
左、右，左半幅使用左开沟器，右半幅使用右开沟器。
2. 3 控制系统设计
2. 3. 1 系统组成及工作原理
设计了 PLC播种量控制系统［17］，包括硬件和软
件，系统如图 4 所示，主要包括:电源、升压器、逆变
器、PLC控制器、转速传感器、触摸屏、驱动器和伺服
电动机等。
图 4 控制系统框图
Fig． 4 Flow chart of control system
控制系统的主机为 PLC 控制器，该系统具有
1 个输入信号，1 个输出信号。输入信号由转速传感
器提供，输出信号通过驱动器控制伺服电动机转速;
升压器将拖拉机电源 12 V DC转换成 24 V DC，为转
速传感器、触摸屏和 PLC 控制器供电;逆变器将拖
拉机电源 12 V DC转换成 220 V AC，为驱动器和伺
服电动机供电。
2. 3. 2 硬件选型
(1)PLC控制器
PLC控制器在系统中完成传感器信号的采集、
分析和处理，并输出信号通过驱动器控制伺服电动
机执行动作。根据系统输入 /输出点数及输出高速
脉冲数，选用台达 DVP-SS2 系列 DVP14SS211T型号
控制器，该 PLC 控制器具有 8 个数字量输入点和 6
个数字量输出点，供电电压 24 V DC;配置 1 个台达
模拟量输出模块 DVP02DA-S，模拟量输出模块具有
2 通道输出(电流或电压均可)，在 25℃常温模式
下，精度为满量程的 ± 0. 5%。
(2)触摸屏
触摸屏是实现人机交互的载体，本系统选用台
达 DOP-B 系列 DOP-B07S410 型触摸屏，其采用
7 英寸64 K色面板，分辨率 800 像素 × 480 像素，背
光灯具备常温 25℃ 下 2 × 104 h 的寿命，ＲS232 /
ＲS485 自适应切换集成串口，供电电源 24 V DC。
(3)伺服电动机
根据排种轴转矩和转速，得到所需适配电动机功
率，选用森创 60CB 系列 60CB020C-500000 型交流伺
服电动机，其额定功率 200 W，额定转矩 0. 64 N·m，额
定转速 3 000 r /min;配 PNF60-032 型减速器，减速后
的额定转矩20. 48 N·m，瞬间最大转矩 60. 8 N·m，额定
转速 93. 75 r /min，满足播种机工作需求。
68 农 业 机 械 学 报 2 0 1 6 年
(4)驱动器
驱动器选用森创 MS0040E型交流伺服驱动器，
额定功率 400 W，额定工作电压 220 V AC，3 种控制
模式:位置模式、速度模式和转矩模式，速度模式下
模拟量输入信号 － 10 V ～ 10 V，信号输出为编码器
输出。
2. 3. 3 软件设计
本系统采用台达公司研发的 ISPSoft 作为开发
软件，完成系统软件程序设计，在 Windows 7 操作系
统环境下运行，适用于台达全系列可编程控制器。
ISPSoft采用 IEC 61131-3 的编程框架，除了具备基
本的程序编辑功能之外，ISPSoft 还包含许多的辅助
工具。
ISPSoft软件提供 5 种模式的程序语言，分别为
梯形图(LD)、顺序功能图(SFC)、功能块图(FBD)、
指令列表(IL)及结构化语言(ST)。其中，梯形图是
最直观也最常用的编程语言，梯形图程序与指令程
序可通过编译来互相转换。本系统根据控制系统工
作运行要求，采用模块化设计思想，提高系统反应速
度，并且有利于程序升级与维护。软件设计流程图
如图 5 所示。
图 5 软件设计流程图
Fig． 5 Flow chart of software design
人机界面设计了开机界面、主界面、参数设置界
面和状态监控界面 4 个界面。如图 6 所示，参数设
置界面中设计公顷播种量、拖拉机地轮直径、转速传
感器测量点数 3 个数字输入框，通过输入框将相应
命令、数据输送给 PLC 控制器，设置了信号采集和
返回 2 个按钮，分别实现进入状态监控界面进行信
号采集和返回上级界面;状态监控界面能够从 PLC
控制器中读出相应参数或状态信息，实现人机交互，
其主要用于监控播种机工作过程中的状态参数，包
括转速传感器测量周期脉冲数、伺服电动机转速等
信息，可以直观地观测到传感器测量数值，右下角设
置了返回按钮，点击该按钮返回上一级菜单。
图 6 参数设置界面
Fig． 6 Interface of parameters setting
3 试验
3. 1 排种性能试验
3. 1. 1 试验条件及方法
根据 GB /T 9478—2005《谷物条播机 试验方
法》及 GB /T 25421—2010《牧草免耕播种机》标准
中测试内容和测试方法，对排种性能进行检测。检
测设备包括电子天平、游标卡尺、秒表及卷尺等。
分别进行了排种均匀性、各行排种量一致性、总
排种量稳定性和种子破损率测定。
各行排种量一致性:测定 6 行，重复 5 次，计算
各行排种量一致性变异系数;总排种量稳定性:测试
方法与各行排种量一致性相同，重复 5 次，计算总排
种量稳定性变异系数。
进行各行排种量一致性和总排种量稳定性试验
时，选定播种量 Q和播种速度 v为试验因素，由于田
间实际工作受到土壤条件和拖拉机性能限制，播种
速度较低，选定播种速度分别为 3、4、5 km /h，播种
量分别为 4、5、6 kg /hm2，试验选用二因素三水平正
交表［18］，因素水平如表 1 所示。
表 1 正交试验因素水平
Tab． 1 Orthogonal factors and levels
水平 播种量 /(kg·hm －2) 播种速度 /(km·h －1)
1 4 3
2 5 4
3 6 5
排种均匀性:测定收集容器中的种子质量，每次
试验测定 5次，计算排种均匀性变异系数;试验在零
水平条件下进行，播种量5 kg /hm2，播种速度4 km/h。
种子破损率:与各行排量一致性同时测定，从各
个排种器排出种子中取出 5 份，每份质量约 100 g，选
出破碎损伤的种子称其质量，计算破碎种子质量占
样本总质量的百分数。
78增刊 赵金辉 等:基于 PLC的苔麸播种机设计与试验
3. 1. 2 试验结果及分析
不同因素和水平条件下测量得到的试验结果如
表 2 所示，图 7、图 8 直观表现了各行排种量一致性
变异系数、总排种量稳定性变异系数与播种量和播
种速度之间的关系。
表 2 试验结果分析
Tab． 2 Analysis of test result
试验次数 Q v
各行排种
量一致性
变异系
数 /%
总排种
量稳定
性变异
系数 /%
1 1 1 6. 06 1. 60
2 1 2 6. 03 0. 76
3 1 3 5. 98 1. 44
4 2 1 5. 01 1. 00
5 2 2 5. 06 1. 13
6 2 3 4. 98 0. 55
7 3 1 4. 28 0. 29
8 3 2 4. 11 0. 59
9 3 3 3. 71 0. 62
k1 6. 02 7. 68
各行排种 k2 5. 02 5. 07
量一致性 k3 4. 03 4. 89
变异系数 极差 Ｒ 1. 99 2. 79
因素主次 v ＞ Q
k1 1. 27 0. 96
总排种量 k2 0. 89 0. 82
稳定性变 k3 0. 5 0. 87
异系数 极差 Ｒ 0. 77 0. 14
主次因素 Q ＞ v
图 7 各行排种量一致性变异系数及总排种量稳定
性变异系数与播种量之间的关系
Fig． 7 Ｒelationship between consistency variability
coefficient of row，stability variability coefficient of
full seeding quantity and seeding rate
由表 2 可知，影响各行排种量一致性变异系数
的因素水平主次顺序为播种速度、播种量，影响总排
种量稳定性变异系数的因素水平主次顺序为播种
量、播种速度。
由图 7、8 可知，各行排种量一致性变异系数随
着播种量和播种速度增大而减小，播种量 5 kg /hm2时
变异系数 5. 02%;在播种量 4 ～ 6 kg /hm2、播种速度
图 8 各行排种量一致性变异系数及总排种量
稳定性变异系数与播种速度之间的关系
Fig． 8 Ｒelationship between consistency variability
coefficient of row，stability variability coefficient of
full seeding quantity and sowing speed
3 ～ 5 km /h范围内，各行排种量一致性变异系数小
于 GB /T 25421—2010《牧草免耕播种机》标准要求
13%。总排种量稳定性变异系数随着播种量的增大
而减小，播种量 5 kg /hm2时变异系数为 0. 89%，随着
播种速度增大先增大后减小;在播种量 4 ～6 kg /hm2、
播种速度 3 ～ 5 km /h 范围内，总排种量稳定性变异
系数小于 GB /T 25421—2010《牧草免耕播种机》标
准要求 6%。
经测定，排种均匀性变异系数 18. 9%，小于
GB /T 25421—2010《牧草免耕播种机》标准要求
50%，种子破损率 0. 1%，小于 GB /T 25421—2010
《牧草免耕播种机》标准要求 0. 5%。
3. 2 田间试验
2015 年 7 月在埃塞俄比亚中埃农业技术示范
中心播种苔麸，并进行了田间试验。示范中心土壤
为黑黏土，土壤含水率较高，种植制度为一年一熟。
试验地前茬玉米，旋耕机进行土壤整备，苔麸施肥播
种机播种，如图 9 所示，右下图为转速传感器安装在
拖拉机地轮上。配套动力:道依茨 SILVEＲ 系列拖
拉机，动力 77. 2 kW;作业速度:3 ～ 5 km /h。
图 9 田间试验
Fig． 9 Picture of field experiment
播种后 21 d 观察出苗情况，苗株数约为 1 700 万
株 /hm2，播种量比传统播种方式节约 20 ～ 25 kg /hm2，
对田间株距进行统计分析，得到播种均匀性变异系
数 20. 4%，满足苔麸种植农艺要求。
88 农 业 机 械 学 报 2 0 1 6 年
4 结论
(1)设计了一种基于 PLC 的苔麸施肥播种机，
实现了苔麸在黏性土壤条件下的机械化播种，开发
了针对苔麸的小粒排种器，实现苔麸精少量排种。
(2)设计了播种量 PLC 控制系统，建立播种速
度与排种轴转速之间的关系，通过伺服电动机控制
排种轴转速实现无地轮驱动时精少量排种，解决了
黏性土壤条件下驱动轮黏土造成的行走困难和滑移
率过高的问题，通过人机界面交互作用，调节播种施
肥量简单方便。
(3)排种性能试验表明，零水平试验条件下排
种均匀性变异系数 18. 9%，种子破损率 0. 1%，满足
标准要求;播种量 5 kg /hm2条件下，各行排种量一致
性变异系数 5. 02%，总排种量稳定性变系数
0. 89%，满足标准要求。
(4)田间试验株距分布统计结果表明，苗株数
约 1 700 万株 /hm2，田间播种均匀性变异系数
20. 4%，满足苔麸种植农艺要求。
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