基于嵌入式PLC的秸稈切割力動態控制方法研究

鄧明華，葛　蓁，熊　瓊，汪小志，鮑秀蘭

(1.武漢工商學院 信息工程學院，武漢　430200；2.南昌大學，南昌　330031;3.華中農業大學 工學院，武漢430070 )

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基于嵌入式PLC的秸稈切割力動態控制方法研究

鄧明華1，葛蓁1，熊瓊1，汪小志2，鮑秀蘭3

(1.武漢工商學院 信息工程學院，武漢430200；2.南昌大學，南昌330031;3.華中農業大學 工學院，武漢430070 )

摘要：為了實現秸稈的綜合利用，降低秸稈燃燒對環境的污染，首先需要對秸稈進行切割操作。秸稈的切割力是影響切割裝置機械效率的主要因素，因此對切割裝置優化設計時需要得到農作物秸稈切割過程使用的最佳切割力。為此，設計了一種新的秸稈切割力的控制系統。該系統采用PLC嵌入式系統對刀片傳感器的數據進行采集，采用 Dijkstra算法對數據進行處理，將處理結果作為電機控制的條件，調控切割力，并通過反饋調節來控制電機轉速，從而降低功耗，提高切割效率。為了驗證該系統的有效性和可靠性，通過實驗的方式對切割系統進行了測試。測試結果明明：該系統的功耗低，切割時間短，大大提高了農作物秸稈的切割效率，為農作物秸稈的綜合利用和生態農業的發展提供了技術支持。

關鍵詞：秸稈切割；切割力；反饋調節；嵌入式；PLC控制

0引言

隨著普通耕作方式和秸稈焚燒帶來的土地流失加劇、土壤肥力不斷下降、空氣霧霾污染加重，人們逐漸意識到保護耕地、保護環境的重要性和緊迫性。針對農作物秸稈作為廢棄物或者直接在田間焚燒帶來的資源浪費和土壤環境污染，人們對秸稈的處理及利用方式提出了很多建議。隨著秸稈的綜合利用技術越來越成熟,越來越多的秸稈將被綜合利用，而不能簡單全部進行還田，特別是寒冷的地區很難保證秸稈有效地腐爛而進行有機質還田。將農作物秸稈切割后進行綜合利用是一種非常好的秸稈利用方法；但是受技術條件的限制，農作物秸稈的切割效率和功耗問題依然是實現秸稈切割和粉碎技術的難點。

本文在現有農作物秸稈切割裝置研究的基礎上，采用PLC嵌入式裝置設計了一種新的秸稈切割裝置。該裝置可以有效地對切割力進行動態控制，從而實現了切割力的優化。采用 Dijkstra算法對滑切角度進行控制，利用傳感器對力學信息進行采集，并對數據處理，將處理結果作為電機控制的條件，調控切割力，改善農作物秸稈的切割效果，從而提高了秸稈的切割效率，降低了切割的功耗。

1切割力動態控制原理

切割器是農作物秸稈切割裝置的最重要組成部分，作用是將農作物秸稈切斷，包括切割部分和推進部分。本次研究采用往復式的切割器，其結構簡單、工作穩定性較好，適用于小麥、水稻、牧草等秸稈矮、細、硬度低的農作物。為了實現切割力的動態控制，在3刀片部分設計了6刀片力數據采集的傳感器，并利用嵌入式PLC系統對數據進行采集。裝置的結構如圖1所示。

1.切割刀片　2.滑塊　3.機體架

為了實現切割力的動態控制，采用PLC嵌入式系統對刀片傳感器的數據進行采集。當切割力矩較小時，通過反饋調節來控制電機轉速，從而降低功耗，提高切割效率，其控制原理如圖2所示。切割力主要采用PLC嵌入式系統進行控制。通過力學傳感器采集到信息后，PLC對數據進行處理，并根據Dijkstra算法對滑切交進行優化設計，最終實現切割力的動態控制。

圖2　切割力變流量控制原理

2切割力控制算法優化

莖稈受刀片的作用力可以分解為水平方向力Fx和鉛垂方向力Fy；Fg為莖稈受到以速度v運動的刀片沖擊時莖稈欲保持靜止的慣性力；Fa、Fb和M0為地面對莖稈根部的約束反力和地面對莖稈的反力矩。莖稈受力平衡方程為

(1)

其中，L為慣性力作用點與地面間的垂直距離；h為作用點與地面間的垂直距離。在實際秸稈切割過程中，一般采用滑切的形式。從宏觀方面來看,當進行滑切操作時，切入材料的實際楔角為γ′，如圖3所示。

圖3　滑切時刀刃楔角的變化

根據圖3，可以得到如下公式，即

DE=BC

(2)

所以，當滑切角α越大時， 正切值就越小，刀刃切入材料的實際楔角就越小。為了實現切割力的最優化設計，需要對滑切的方向進行調整，并通過電機控制切削力的變換。為了達到這個目的，采用 Dijkstra算法對模型進行優化。

假設滑切角都有一個標簽(WJ,PJ)；其中WJ是S從起源點到J點的最優角度，PJ是從S到前一個點的最優角度。求解從起源點到J點的角度的基本過程，最優角度算法如下:

1)初始化。原點設置：WS=0，PS是空的，其他點WI=∞,PI=?，標記的起源點S，設K=S，所有其他點設置未標記。

2)標記的點K到其直接連接的測試未標記點J的角度，并設置WJ=MIN{WJ周DKJ}的類型，DKJ點K的直接連接角度J。

3)選擇下一個點。從所有未標記的節點，選擇WJ最小的一個I:WI=MINWJI點選擇為的最優角度，并設置為已標記。

4)找到I的第一點。從標記點中找到點I直接連接的點J1，作為前點，設I=J1。

5)標記點I。如果所有點已標記，該算法將徹底計算出來，否則記為K=I，轉到2)繼續。

圖4表示算法的演化過程。根據上面的理論與思想，本次研究使用Microsoft公司的visual studio2008軟件、C#語言和Access數據庫編寫，得到以Dijkstra算法為基礎的最優化滑切角α。其中，算法的關鍵的代碼如下:

private void ShortestDist(int s)

{for (int i = 0; i < NUM; i++)

{dist[i] = Da.Edge1[s, i];

S[i] = 0;

if (i != s && dist[i] < Da.Uplimit)

{

path[i] = s;

}

else path[i] = -1;

}

S[s]=1;

dist[s] = 0;

for (int i = 0; i < NUM - 1; i++)

......

public void getdata(int s, int e)

{

D[0] = e;

int k;

for (k = 0; D[k] != s; k++)

{if (D[k] == -1)

{

MessageBox.Show("抱歉，沒有找到通路");

return;

}

D[k + 1] = path[D[k]];

}

if (S[e] != 0)

{

for (; k != -1; k--)

{

lstLine.Add(D[k]);

if (lstLine.Count >= 2)

{

length = length + Da.Edge1[LstLine.Count - 1, LstLine.Count - 2];

} }}

else

{}

this.Refresh();

}

......

圖4　Dijkstra算法最優化滑切角α應用演示圖

3秸稈切割力動態控制實驗

為了驗證所設計切割力優化模型的有效性和可靠性，采用實驗的形式對農作物切割系統的切割效果進行測試。為了實現切割力的調節，本研究采用變流量泵對切割刀片的力進行控制，變量泵如圖5所示。

圖5　力士樂A4VG變量泵

力士樂A4VG變量泵的液壓無級調節性能較好，且其液壓無級調節與電子技術、計算機控制技術有良好的適配性。因此，本研究選擇該款變流量泵作為切割力調節裝置，其主要模型如圖6所示。

圖6　變量泵模型

液壓馬達選用的是Sauer Danfoss90系列軸向柱塞馬達。馬達的流速是由軸轉速、沖擊損失、馬達排量和進口壓力共同決定的；馬達的排量為75mL/r，理論扭矩 499.8N·m，補油泵的排量為20mL/r。

圖7為切割過程中切割力的變化曲線。在同一種作物切割起始階段，系統需要根據秸稈的粗細對切割力進行優化調節。通過測試發現，切割力通過反饋調節后最好能穩定地輸出。

在切割過程中，動態扭矩測試儀不斷采集數據，從而可以觀察在切割過程中的切割扭矩的變化，如圖8所示。在秸稈和刀片碰撞時刻，切割扭矩變化較大，但是變化時間較短，說明切割效率較高。

圖7　切割力變化曲線

圖8　切割扭矩變化

實驗序號切割力動態調節裝置功耗傳統切割裝置功耗17.259.2827.369.9937.4210.2147.5810.3657.6911.2567.2110.9677.3210.8787.5811.2397.2212.21107.3013.29

如表1可知：通過的10次切割試驗，使用普通切割裝置切割玉米秸稈平均消耗的功耗要明顯高于本次研究設計的裝置，功耗的變異系數相比普通的切割裝置也小很多。

表2　切割時間測試結果表

由表2可以看出：使用本設計的切割力優化系統可以大大縮短切割時間。這是由于在變流量控制系統作用下，切割系統可以選擇最佳切削力對秸稈進行切割，從而大大提高了秸稈的切割效率。

4結論

為了提高秸稈的機械切割效率，設計了一種新的切割力動態調控的切割系統。該系統依據切割力調控的基本原理，實現了切割力的優化設計，降低了系統的功耗，提高了作業效率。系統采用PLC嵌入式系統對刀片的數據進行采集，利用Dijkstra算法對切割的滑切角進行優化，并將數據處理結果作為電機反饋調節的條件，實現了切割過程的優化設計。對秸稈切割系統進行了測試，結果表明：切割力通過反饋調節后能穩定地輸出，一次切割力矩變化的時間較短，切割速度較快，并且功耗低，大大改善了農作物秸稈的切割效果，可以在農作物秸稈切割機中推廣使用。

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Research on the Dynamic Control Method of Straw Cutting Force Based on Embedded PLC

Deng Minghua1, Ge Zhen1, Xiong Qiong1, Wang Xiaozhi2, Bao Xiulan3

(1.School of Information Engineering,Wuhan Technology and Business University,Wuhan 430200,China;2.Nanchang University,Nanchang 330031,China;3.College of Engineering,Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070, China)

Abstract：In order to realize the comprehensive utilization of straw straw burning, reduce pollution to the environment, first of all need to cut the operation of straw, straw cutting force is the main factor affecting the cutting device of mechanical efficiency, so the optimization of the design of cutting device needs to be crop straw cutting process using the best cutting force. Puts forward a new control system of straw cutting force, the system adopts data acquisition of blade sensor of PLC embedded system, Dijkstra algorithm is used to process the data, the processing result as the motor control conditions, regulation and control of cutting force, and through the feedback to control the speed of the motor, thereby reducing power consumption, improving the cutting efficiency. In order to verify the effectiveness of the system and the reliability, by the way of experiments on cutting system was tested, found by testing, power consumption of the system is low, cutting short time, greatly improving the cutting efficiency of crop straw, in order to develop comprehensive utilization of crop straw and ecological agriculture provides technical support.

Key words：straw cutting;cutting force; feedback control; embedded; PLC control

文章編號：1003-188X(2016)02-0044-05

中圖分類號：S226.8；S126

文獻標識碼：A

作者簡介：鄧明華(1981-)，女，湖北恩施人，講師，碩士。通訊作者：汪小志(1981-)，女，武漢人，講師，博士研究生，(E-mail)wangxiaozhi@ncu.edu.cn。

基金項目：湖北省自然科學基金項目(2014CFB322)

收稿日期：2015-01-28