網絡型圓草捆打捆機控制系統關鍵技術研究

李建軍，姜永成，孟慶祥，單琪凱，王 巖，華秀萍，朱世偉，茍會利

(佳木斯大學 機械工程學院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引言

打捆機作為目前秸稈收獲機械主流設備，其功能和穩定性愈加完善，正朝著自動化、智能化方向發展[1-2]。2014年，美國約翰迪爾公司(John Deer & Company)設計了打捆機控制系統并獲得專利(Bale Orientation Control System and Method for Agricultural Round Baler)。該打捆機草捆定位控制系統及其方法，根據打捆機尾門位置，控制草捆從尾門排出方向，當草捆密度到達一定值，使其位于理想出捆方向，尾門液壓缸被手動或自動打開，草捆停止轉動，從尾門下落[3]。我國劉超等人設計了圓捆機草捆隨車動態稱重系統，能夠對草捆質量進行動態監測[4]。肖章運用STEP7-Micro/WIN軟件編程，研發以PLC、觸摸屏、模擬量模塊為核心，配備相應傳感器、執行器全自動打捆機控制系統，所打草捆合格率100%，其他作業功能良好[5]。2017年的武漢國際農機展上，展出了來自全世界打捆機廠家近百款不同類型打捆機，主要包括：小方捆、大方捆打捆機；軟質牧草、硬秸稈打捆機；固定式、牽引式、自走式打捆機；打捆纏膜一體機、裝袋打捆機等。其打捆機械核心技術及電液配套系統已處于成熟階段，大可滿足本行業需求[6]。但是，上述打捆機控制系統普遍缺乏物聯網遠程監控功能，隨著新農村建設步伐的加快，農業集約化、信息化程度不斷提高，網絡化、智能化將是未來農業機械發展趨勢之一[7-8]。

物聯網技術在各行業有廣泛應用，其核心技術包括RFID、無線傳感及網絡通信技術等[9]。本系統將物聯網技術與智能控制技術結合運用于農機領域，提出基于臺達工業物聯網平臺DIACould網絡型圓捆機控制系統設計思路[10]，利用無線傳感網絡采集打捆機動靜器件狀態，通過物聯網平臺完成信息交互，實現打捆機作業狀態遠程監控、位置定位、遠程熄火、故障遠程報警、工作量云存儲及畫面監控等，以期為圓捆機控制系統網絡化、智能化提供理論支撐與技術支持。

1 控制系統總體方案

網絡型圓捆機控制系包括PLC、HMI、傳感網絡、電液閥門、網絡模塊及GPS模塊等，如圖1所示。臺達DX-2100L1網絡模塊作為系統核心負責打捆機現場與云平臺之間信息交互；傳感網絡負責采集主軸速度、液壓缸壓力，以及網刀、草刀、底門、尾門狀態等；PLC根據傳感網絡采集信息，按照打捆流程發出相應控制命令，進而控制電液閥門執行打捆動作；GPS定位模塊將打捆機位置信息實時傳送至云平臺供用戶查看，視頻監控負責采集駕駛室、打捆機及其工件關鍵部位畫面。

圖1 系統結構Fig.1 System structure

2 控制系統設計

2.1 硬件選型

針對控制系統核心器件PLC、網絡模塊、GPS及網絡攝像頭模塊等進行選型。

2.1.1 PLC

輸入點為9個開關量，3個模擬量；輸出點為8個開關量；控制盒安裝位置為牽引機內部，空間狹小。選擇臺達DVP10SX小型PLC，程序容量為8k steps，RS-232與RS-485兩種通訊端口，兼容MODBUS ASCII / RTU通訊協議，擴展模塊臺達DVP16SP。

2.1.2 網絡模塊

臺達DIACould物聯網平臺通訊模塊有3種，分別為DX-2100L1(4G全網通版防破解控制器)、DX-2200(3G-GPS防破解控制器)及DX-2300(Product Overview)。由于打捆機作業信息數據量大，需高速網絡傳輸，因此選擇DX-2100L1網絡模塊。

2.1.3 GPS、網絡攝像頭模塊

為提高打捆機遠程控制權限及安全性，選擇具有遠程斷油功能金途JT-916型GPS模塊。視頻監控選擇安格華Q1-32G 4G全網通網絡攝像頭。

2.1.4 電源模塊

拖拉機蓄電池電壓為12VDC，PLC、HMI、傳感器所需電壓為24V，電流為1.5、1、0.5A，升壓模塊選擇誠控科技LY-KREE系列5A12V-24V。

2.2 軟件設計

2.2.1 PLC程序設計

運用臺達PLC編程軟件(Delta WPLSoft V2.4.6)，按照打捆流程設計編寫梯形圖程序。主程序分手動、自動兩部分。其中，正常作業為自動模式，手動模式用于調試。打捆工藝流程如圖2所示。

圖2 打捆工藝流程圖Fig.2 Baling process flow chart

系統上電，各傳感器檢測尾門、底門開閉狀態及主軸轉速是否正常；開始打捆作業，草捆密度到達設定值后，向機手發出停車警報，開始纏網；纏網圈數到達設定值后執行切網動作，開啟尾門，草捆落下，流程結束。

2.2.2 HMI設計

HMI界面設計由臺達DOPSoft V4.00.04完成。如圖3～圖6所示。其中，界面分手動、自動、設置、報警4個模塊：手動模塊包含各打捆動作手動按鈕，各動作相互獨立，用于調試使用；自動模塊為正常工作模式，圖形化顯示打捆過程及運轉狀態。設置模塊包括測速定時、潤滑供油時長、報警時長、纏網圈數及草捆密度等；報警模塊存儲打捆機故障信息，方便檢修與維護。

圖3 手動界面Fig.3 Manual interface

圖4 自動界面Fig.4 Automatic interface

圖5 設置界面Fig.5 Setting interface

圖6 報警界面Fig.6 Alarm interface

2.3 物聯網功能設計

設計時，采用臺達DIAcom軟件建立本地PC與網絡模塊間虛擬安全通道，完成本地PC與DX-2100L1所連接遠程設備通信；基于DIAViaw開發環境，設計打捆機遠程監控界面；根據金途GPS車輛管理系統，建立本地PC與GPS模塊、打捆機油路系統連接；安裝安格華V-CMS客戶端，連通駕駛攝像頭，實現打捆機作業狀態遠程監控、位置定位、遠程熄火、故障遠程報警、工作量云存儲、畫面監控等。設計思路如圖7所示。

圖7 物聯網設計思路Fig.7 Design of internet of things

2.3.1 DIAcom虛擬通道建立

通過網線將DX-2100L1連接本地電腦，配置電腦IP地址192.168.1.2～192.168.1.254之間，由本地瀏覽器輸入192.168.1.1，進入網絡配置，選擇動態分配IP地址，完成網絡模塊配置，建立虛擬安全通道，如圖8所示。

圖8 虛擬通道配置界面Fig.8 Virtual channel configuration interface

2.3.2 DIAView遠程監控界面設計

通過DX-2100L1建立本地PC與PLC通訊，將打捆機各作業狀態通過DIAView變量與PLC各輸入、輸出點及數據寄存器綁定，實現遠程設備狀態在線監控。監控界面由實時監控、歷史記錄、報警查詢、報表查詢、作業量記錄、U盤導出及參數設置等功能模塊組成，如圖9所示。其中，實時監控實現打捆機作業流程圖形化顯示，實時監測油缸壓力、卷網圈數、主軸速度、草捆密度、草刀狀態等；歷史記錄實現打捆機歷史作業狀態儲存及查詢；報警查詢實現記錄打捆機關鍵部件尾門、底門、油缸壓力、蜂鳴器、語音等異常，用于檢修與維護；報表查詢實現打捆機作業量畝數、捆數記錄；U盤導出實現作業量、打捆機狀態數據等自動生成Excel文檔，供用戶調用；參數設置實現對卷網圈數、草捆密度等參數遠程編輯。

圖9 遠程監控界面Fig.9 Remote monitoring interface

2.3.3 位置定位與遠程視頻監控功能設計

通過金途GPS模塊，獲取打捆機位置信息，運用4G路由器將其位置信息通過網絡傳至本地PC。本模塊帶有遠程斷油路功能，將其常閉繼電器NC接口與打捆機鑰匙門連接，實現遠程熄火。駕駛室和機身安裝4G網絡攝像頭，本地PC安裝V-CMS客戶端，獲取打捆機作業視頻畫面，實時查看駕駛室和打捆機及其關鍵部位視頻影像。

3 試驗驗證

依托內蒙古華德牧草機械有限公司，為其9YGJ-2.2型打捆機配套網絡型圓捆機控制系統，進行穩定性試驗。2017年9-10月期間，在海拉爾特尼河農牧場對控制系統數據傳輸(實時監控)、視頻影像及GPS定位功能進行測試。測試方法：打捆機現場觸摸屏內數據變化到遠程DIAView界面內數據變化，中間相隔時間越短，表示其響應速度越快；視頻影像通過實際觀察，判斷其清晰度、流暢度；GPS定位功能，通過高德地圖手機端位置信息與金途GPS車輛管理系統位置信息對比，二者差異表示其位置準確性。

數據傳輸時間如圖10所示。由圖10可以看出：一天中，白天(8：00-18：00)每隔2h測試1次，夜間(18：00-8：00)測試1次，取均值。打捆動作響應和狀態參數從現場端傳輸至本地PC用時在0.7～1.7s之間，打捆動作響應時間曲線整體高于狀態參數傳輸時間曲線。打捆動作檢測由光電開關完成，其為開關量僅有0或1兩種狀態，數據量占用網絡資源少，用時短；打捆機狀態參數較多，且大多為連續變化模擬量，需數據變送器轉換再經PLC計算才能向本地PC傳輸，所以用時較長。

視頻監控畫面如圖11～圖16所示。

圖11 打捆機前身Fig.11 The front of baler

圖12 牽引機車頭Fig.12 Tractor head

圖13 駕駛室控制器Fig.13 Controller in cab

圖14 網卷Fig.14 Net package

圖15 撿拾器Fig.15 Pick-up device

圖16 草刀Fig.16 Grass knife

由圖11～圖16可以看出：清晰度和整體流暢度可滿足觀測要求，牧場區4G信號強度較弱，會出現不同程度卡頓；打捆機運行狀態下有強烈震動，監控畫面出現不同程度抖動，此問題有待進一步研究解決。

遠程PC客戶端定位畫面和高德地圖手機定位畫面如圖17和圖18所示。

由圖17～圖18可知：運用高德地圖手機端進行位置定位，與本地PC金途GPS車輛管理系統提供位置信息對比，二者差異較小，定位信息真實可靠；將打捆機鑰匙門油路線引出，連接遠程斷油路模塊常閉繼電器NC接口，遠程車輛管理系統發出斷油命令，可實現遠程熄火。

圖17 遠程PC客戶端定位畫面Fig.17 Remote PC client location screen

圖18 高德地圖手機端定位畫面Fig.18 Amap mobile phone terminal location picture

4 結論

以圓捆機控制系統為研究對象，運用物聯網技術，提出了基于臺達工業物聯網平臺DIACould網絡型圓捆機控制系統設計思路。系統由PLC、HMI、傳感網絡、電液閥門、網絡模塊及GPS模塊等構成。工作時，利用無線傳感網絡，采集打捆機動靜器件狀態，PLC根據傳感網絡采集信息，發出相應控制命令，HMI人機交互，電液閥門負責輸出打捆機各部件動作，網絡模塊完成云平臺信息交互，GPS模塊采集位置信息，實現了打捆機作業狀態遠程監控、位置定位、遠程熄火，故障遠程報警、工作量云存儲及畫面監控等功能。經試驗，系統數據實時高效傳輸，各項功能良好，運行穩定，可為打捆機控制系統網絡化、智能化提供理論支撐與技術支持。