基于PLC控制的收割機作業信息監測裝置設計

熊中剛,陳 坤

（1.桂林航天工業學院機械工程學院，廣西桂林541004；2.遵義師范學院工學院，貴州遵義563006）

目前，我國的收割機自動化和智能化水平還比較低，收割機的設計也比較復雜，工作環境比較差，作用對象狀態和工作負荷量波動較大。針對收割機脫粒滾筒是否出現堵轉故障，收割機的前進速度，收割機發動機的溫度等參數問題，為了完善其不足，及時發現故障，并且做出相應的處理，最大程度減小損失，為此本文設計了一套作業監測系統[1-3]。

1 收割機監測系統整體方案設計

收割機作為收割水稻的主要機械，它是一種集收割、脫粒、清選、分離等功能為一體的復雜的農業機械[4]。由于它工作的環境比較惡劣，故障率比較高，以及現代的收割機都配備了帶空調的駕駛室，對外界的設備就無法監測。要求我們對收割機相應的設備進行在線監測，監測收割機的脫粒滾筒、前進速度和發動機的機身溫度等，出現故障時在線顯示和報警。

2 硬件部分設計

2.1 系統硬件結構

整個硬件由PLC、速度傳感器、液晶顯示、數據存儲模塊、語音故障報警模塊、電源管理模塊、鍵盤管理模塊組成。總體框圖如圖1所示：

圖1 總體框圖

2.1.1 PLC控制模塊

PLC為系統的中央控制單元，作為控制核心部分，當系統開始工作PLC正常運行后，此時PLC整個控制流程需要進行數據輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新三個階段，每次能夠成功執行完成上述三個階段工作稱為系統工作的一個完整掃描周期，在系統工作的整個運行期間，PLC核心控制部分以一定的掃描速度重復執行上述三個階段[5]。

2.1.2 速度傳感器

目前在農機測控中，電磁式轉速傳感器和霍爾傳感器是經常使用的測速元器件。電磁式轉速傳感器主要由傳感頭和齒圈組成，它的組成設計結構相對簡單，成本也相對較低廉；在實際應用過程中表現出的主要缺點是檢測產生輸出信號的幅值隨轉速的變化而變化，如果檢測到的工作轉速過慢，將無法實現對有效信號的檢測工作，同時很容易受電磁波干擾[6]。霍爾傳感器是以霍爾效應為基礎，金屬片垂直于磁場中，將其通上電流，在金屬薄片的兩個側面之間會產生一個電位差即霍爾電勢，霍爾電勢UH與電流強度I和磁場感應強度B成正比，與薄片厚度d 成反比[7]。

2.1.3 液晶顯示模塊

在整個監測系統中，采用LCD進行數據顯示，由于收割機在田間作業環境復雜，白天的戶外光線強，因此要求顯示器有較高的亮度和分辨率，并且抗震性要強。

2.1.4 數據存儲模塊

存儲模塊，它主要由用戶程序和程序存儲器組成。程序存儲器用于存放系統程序，包括整個系統設計中的管理程序、監控程序以及對用戶程序做編譯處理的解釋編譯程序，有的存儲器還為系統提供輔加的工作內存，在結構上的存儲器都是附加在CPU模塊之中[8]。

2.1.5 聲光報警模塊

收割機發生故障的時候，監測元件檢測到故障信號，將信號傳給PLC輸入端，輸出一個信號使其相應的元器件動作，當故障信號一直存在時，操作人員還未及時處理，相應的故障燈一直常亮，并發出報警聲。經故障處理后，則燈滅，也停止響鈴。響鈴只需要一個故障信號輸入，就會一直響鈴，在未處理故障之前需要它一直響鈴，在這電路上加一個自鎖。

2.1.6 電源管理模塊

整個系統中PLC電源內部為開關穩壓電源，供內部使用，在實際工作中了解到很多的機型還可以向外部提供24V的直流穩壓電源，如此可更加方便的為野外工作現場的開關信號和外部傳感器供電，有時候還可為輸入信號提供電源，如用主機電源供電時，超過了它的額定值，這時候就需要加電源模塊[9-10]。

3 軟件設計

3.1 主程序設計

系統軟件的主程序包括：系統上電后開始工作，并自動系統初始化，記錄上次的作業信息（時間、數據），存入外部存儲器中，通過LCD顯示處理，本次任務完成，然后又返回系統初始化，為下次做好準備。如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

3.2 機械作業時間子程序

本設計中機械在正常進行作業時間處理的子程序中主要功能包括：當機械正常收割監測系統啟動后，設計中需要完成對上次的作業時間進行累加處理，即每次工作中軟件需將收割時間總和送入存儲模塊進行存儲。系統設計的機械作業時間子程序流程圖如圖3所示。

圖3 作業時間子程序流程圖

3.3 監測算法子程序

在算法子程序中，由速度傳感器檢測的轉速在額定轉速內，就繼續工作，如果低于額定轉速的10%-20%，就出現語音報警提示，提示操作人員做出相應的處理，讓它恢復正常的轉速繼續工作，不要影響收割機的工作效率。如圖4所示。

圖4 監測算法子程序流程圖

4 仿真與測試

表1 I/O地址分配表

圖5 故障仿真圖

5 總結

本文研究分析了我國的收割機在智能化和自動化方面的不足及存在的一些問題，同時也提出了一些解決的方案，給出了一套基于PLC控制的收割機作業信息監測系統，最主要的是監測收割機脫粒滾筒的轉速、收割機發動機的轉速和收割機的機身溫度等等。經過仿真證明，可以快速、穩定、精準的監測到收割機的具體工作狀態，并將所有的數據進行處理，并將所有的數據自動保存在系統的存儲器模塊上。如監測到收割機出現故障，該系統會自動聲光報警，告知操作人員及時處理故障。這不僅提高了工作效率，還大大降低了損失。