甘蔗收割機作業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

李江華, 馬志艷,章霞東, 莫建霖

(1 湖北工業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)機械工程研究設(shè)計院, 湖北 武漢 430068; 2 廣西農(nóng)業(yè)機械研究院有限公司, 廣西 南寧 530007)

隨著這農(nóng)業(yè)機械的飛速發(fā)展,自動化和智能化已成為了甘蔗收割機發(fā)展的趨勢[1]。在甘蔗收割機作業(yè)過程中,甘蔗收割機刀盤轉(zhuǎn)速、行進速度、切段轉(zhuǎn)速等作業(yè)參數(shù)與車輛工況參數(shù)對甘蔗的收割質(zhì)量、車輛狀態(tài)甚至是來年的甘蔗發(fā)芽率等都具有重要意義[2-3]。謝蓓等[4]利用CAN總線實現(xiàn)了對甘蔗收割機行走速度等主要工作參數(shù)的采集。馬志艷等[5]利用LabVIEW為數(shù)據(jù)可視化平臺,通過數(shù)據(jù)采集傳感器和GPRS實現(xiàn)了聯(lián)合收割機的遠程數(shù)據(jù)采集。陳進等[6]以PLC為主控制器,接收傳感器采集,以觸摸屏為監(jiān)視器來顯示聯(lián)合收割機運行狀態(tài),實現(xiàn)了聯(lián)合收割機的數(shù)據(jù)實時展示。相對于其他系統(tǒng)監(jiān)測平臺,組態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)在開發(fā)中具有開發(fā)過程簡單且效率較高的特點[7-10]。本試驗基于組態(tài)平臺,設(shè)計了包含液壓部件溫度和工作部件轉(zhuǎn)速監(jiān)測的工況數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

為實現(xiàn)甘蔗收割機作業(yè)工況數(shù)據(jù)采集的要求,系統(tǒng)需要具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)存儲等功能。根據(jù)以上需求,將系統(tǒng)劃分為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)解析模塊、數(shù)據(jù)接收模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊。系統(tǒng)實現(xiàn)過程為組態(tài)屏系統(tǒng)啟動,設(shè)置固定的數(shù)據(jù)采集周期,連接各個數(shù)據(jù)采集模塊進行數(shù)據(jù)實時采集;數(shù)據(jù)經(jīng)過模塊的處理后轉(zhuǎn)化為甘蔗收割機相關(guān)工作部件的轉(zhuǎn)速和溫度數(shù)據(jù),經(jīng)過解析后實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集并且通過4G模塊發(fā)送到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。甘蔗收割機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 甘蔗收割機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框架

為實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間相互交互,在設(shè)計上采用組態(tài)的多連接方式,多循環(huán)并行,各個任務(wù)通過對不同數(shù)據(jù)地址位的區(qū)分獨立循環(huán)執(zhí)行數(shù)據(jù)采集模塊,以及固定的組態(tài)IP實現(xiàn)數(shù)據(jù)多種數(shù)據(jù)的匯總,同時在組態(tài)軟件中導(dǎo)入相應(yīng)的模塊,從而實現(xiàn)在組態(tài)中的數(shù)據(jù)采集和展示。甘蔗收割機主要數(shù)據(jù)監(jiān)測點如圖2所示。

1-切梢器;2-螺旋分離器;3-甘蔗推倒?jié)L筒;4-根部切割器;5-駕駛室;6、-7-升運器;8-切段刀;9-履帶式行走系統(tǒng);10-風(fēng)機;11-集蔗裝置

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

本系統(tǒng)可分為軟件應(yīng)用層和硬件應(yīng)用層。系統(tǒng)通過對軟件和硬件層面的配置,從而實現(xiàn)完整的采集系統(tǒng)。硬件層為:顯控組態(tài)屏幕(MG-070)、4G無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、Modbus數(shù)據(jù)模塊、CAN總線數(shù)據(jù)模塊、HY12DIF轉(zhuǎn)速采集卡、NPN型霍爾傳感器、JY-DAM-PT16溫度采集卡和PT100溫度傳感器、GPS位置模塊等。軟件層:在PC端Windows10操作系統(tǒng)中安裝SKTOOL7.0和在軟件中配置相應(yīng)的連接方式、串口通訊參數(shù)設(shè)置和基于C語言宏指令,并開發(fā)組態(tài)屏組態(tài)監(jiān)測程序,采集方式分為基于車載診斷系統(tǒng)(on board diagnostics,OBD)的CAN總線車載ECU數(shù)據(jù)采集和基于Modbus通訊協(xié)議的溫度、轉(zhuǎn)速和GPS數(shù)據(jù)采集模塊,以主從通信模式進行數(shù)據(jù)采集。溫度、轉(zhuǎn)速采集模塊如圖3所示。

圖3 溫度、轉(zhuǎn)速采集模塊

2.1 基于Modbus的溫度采集

液壓油會隨著溫度的升高而變得稀薄,導(dǎo)致液壓系統(tǒng)壓力隨之降低,機械的效率也會降低。

甘蔗收割機液壓油溫度采集,采用的PT100電阻溫度傳感器。該傳感器精度等級為0.2,測溫范圍為-150～200℃,而甘蔗收割機的液壓系統(tǒng)要求在30～80℃,因此該傳感器能夠滿足對液壓油溫度測量范圍,且能較為準確地測量出液壓油的實時溫度。將溫度傳感器固定在甘蔗收割機液壓油缸內(nèi),傳感器電阻隨不同時刻液壓油缸內(nèi)溫度的變化而發(fā)生變化,即可通過電阻計算出該時刻的實時溫度。

溫度傳感器電阻和溫度變化的關(guān)系:

R=R0(1+αT)

(1)

式中:R為實際電阻,R0為采集電阻,α=0.00392,T為采集溫度。

將多路溫度傳感器接入DAM-PT16溫度采集卡,在PC端對傳感器模塊設(shè)置,將溫度采集頻率設(shè)置為1/s一次進行數(shù)據(jù)采集。該模塊采用Modbus通訊協(xié)議,溫度傳感器數(shù)據(jù)以模擬量形式輸入,顯控組態(tài)按照通訊協(xié)議對接收數(shù)據(jù)進行解析即可獲得實時的溫度數(shù)據(jù)。Modus通訊協(xié)議如表1、2所示。

表1 讀取多路溫度的發(fā)送數(shù)據(jù)包

表2 讀取多路溫度的返回數(shù)據(jù)包

測量過程中將傳感器貼置于液壓油壓缸底,PT100溫度傳感器是通過電阻的變化計算得到的溫度值。傳感器與采集卡采用三線連接的方式,儀表內(nèi)部通過橋抵消導(dǎo)線電阻,使通過計算得到的溫度更加精確。溫度數(shù)據(jù)與實際溫度數(shù)據(jù)之間關(guān)系:

實際值=返回值×0.01

(2)

在溫度采集中,將實際溫度與采集卡采集到的溫度進行數(shù)據(jù)對比,如有誤差,將PT100進行線阻修正,即每380 mΩ為1℃。通過此方法即可得到液壓油的實時準確溫度。補償后準確溫度值

Tc=T±n(R′÷380)

(3)

其中:Tc為計算后的實際溫度,n為線阻修正倍數(shù),R′為線阻修正電阻數(shù)。

以第一路為例,得到補償前實際溫度值為:0x076C=1900,1900×0.01=19.00℃。

2.2 基于Modbus的轉(zhuǎn)速采集

轉(zhuǎn)速部分的以華源HY12DIF頻率開關(guān)量計數(shù)編碼器由采集卡和NPN型卡霍爾傳感器構(gòu)成。該模塊數(shù)據(jù)采集卡采用RS485通訊接口執(zhí)行MODBUS RTU規(guī)約,頻率量測量范圍1.92～1092 Hz,精度高達±0.005% FS,同時具有8路測頻和計數(shù)功能。本實驗接入端口如表3所示。

表 3 轉(zhuǎn)速傳感器脈沖信號連接采集模塊端口說明

系統(tǒng)轉(zhuǎn)速測試部分:行進速度、刀盤轉(zhuǎn)速、風(fēng)機轉(zhuǎn)速和切段轉(zhuǎn)速。霍爾元件安裝如圖4所示。轉(zhuǎn)速采集模塊地址可設(shè)為0x01,通過主機端發(fā)送01 04 00 01 00 04 A0 0C,即可接收到4路轉(zhuǎn)速寄存器數(shù)據(jù)01 04 08 0B B8 07 D0 08 34 09 C4 55 2C,轉(zhuǎn)速寄存器數(shù)據(jù)查詢/返回數(shù)據(jù)通訊協(xié)議同前。

以風(fēng)機轉(zhuǎn)速為例,在SKTOOL中新建工程,新建連接,Modbus設(shè)備的默認通訊參數(shù)“9600,8,NONE,1”,按此設(shè)置好連接參數(shù)。根據(jù)轉(zhuǎn)速設(shè)備Modbus協(xié)議,將風(fēng)機轉(zhuǎn)速值添加至組態(tài)關(guān)聯(lián)變量,通過對組態(tài)中對控件數(shù)據(jù)地址位的設(shè)置,風(fēng)機轉(zhuǎn)速即可在組態(tài)HMI界面中顯示出來。

圖4 霍爾元件安裝

2.3 基于OBD的ECU數(shù)據(jù)采集

甘蔗收割機車載數(shù)據(jù)讀取基于OBD。甘蔗收割機的OBD可以獲取各個控制單元的內(nèi)部參數(shù)。以顯控組態(tài)為主控器,OBD采用CAN總線通訊方式實現(xiàn)對車載ECU數(shù)據(jù)的讀取,OBD數(shù)據(jù)通過CAN總線通信發(fā)送至控制器。通過對組態(tài)內(nèi)部宏指令的編寫設(shè)置自定義CAN通訊協(xié)議,實現(xiàn)甘蔗收割機車載數(shù)據(jù)的獲取。

CAN通訊自定義協(xié)議分為CAN_stop、CAN_write、CAN_init和CAN_read4部分。在CAN_init中對波特率和與組態(tài)屏幕實現(xiàn)通訊的端口號進行設(shè)置,通過setBitrate和onCanxStart兩個函數(shù)的調(diào)用實現(xiàn)CAN總線和組態(tài)屏幕的通訊;通過CAN_read實現(xiàn)CAN總線對ECU數(shù)據(jù)的讀取(即在宏指令中對數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)包ID、數(shù)據(jù)接收掩碼和數(shù)據(jù)保存區(qū)的程序簡單定義),即可實現(xiàn)甘蔗收割機車載數(shù)據(jù)的讀取;CAN_write實現(xiàn)CAN總線數(shù)據(jù)到組態(tài)屏幕的數(shù)據(jù)發(fā)送,即對C所需發(fā)送數(shù)據(jù)ID和標準幀數(shù)設(shè)定(標準幀最大0x7FFF,擴展幀最大0x1FFFFFFF)實現(xiàn)數(shù)據(jù)到組態(tài)屏幕的發(fā)送(組態(tài)通過對程序內(nèi)部全局宏的設(shè)定即可實現(xiàn)對甘蔗收割機車載ECU數(shù)據(jù)的讀取,CAN總線宏定義如圖5所示);CAN_stop通過對通訊端口號和調(diào)用onCanxstop的函數(shù)實現(xiàn)通訊的中斷。在設(shè)置完自定義宏后,通過對初始化宏和全局宏參數(shù)的設(shè)置,實現(xiàn)車載ECU數(shù)據(jù)的獲取。初始化宏的設(shè)定使得組態(tài)在啟動時,開始執(zhí)行自定宏指令(即CAN_int)實現(xiàn)CAN通訊參數(shù)的定義。全局宏通過調(diào)用CAN_read,對數(shù)據(jù)采集執(zhí)行頻率進行設(shè)定(CAN數(shù)據(jù)采集執(zhí)行頻率為5 ms一次),實現(xiàn)車載ECU數(shù)據(jù)的獲取。

圖5 CAN通訊自定義協(xié)議流程

車載端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用基于CAN總線通訊協(xié)議的OBD,通過SKTOOL對組態(tài)程序的編譯,在程序內(nèi)部生成CAN_stop.so、CAN_write.so、CAN_init.so和CAN_read.so4部分底層驅(qū)動,同時通過對組態(tài)內(nèi)部相應(yīng)CAN數(shù)據(jù)地址位的設(shè)定,實現(xiàn)對甘蔗收割車載端數(shù)據(jù)的讀取。OBD通過組態(tài)自定義CAN通訊參數(shù)來獲取甘蔗收割機在運行過程中如發(fā)動機轉(zhuǎn)速、發(fā)動機水溫、燃油消耗等工況數(shù)據(jù)。系統(tǒng)使用甘蔗收割機運維總線協(xié)議與OBD通信,OBD的CAN標準幀的ID參數(shù)協(xié)議部分標準如表4所示。這個CANID是OBD系統(tǒng)本身的一個CANID。OBD指令格式中,其格式為“02 01 PIDx 00 00 00 00 00”。發(fā)送的數(shù)據(jù)中,02代表數(shù)據(jù)長度,后面有效字節(jié)長度為2。01代表服務(wù)號,也叫SID,01是動力有關(guān)的數(shù)據(jù),01服務(wù)為用得最多的一個服務(wù)。PIDx是參數(shù)ID(參照IS015031-5協(xié)議標準)。以獲取發(fā)動機轉(zhuǎn)速為例,顯控組態(tài)控制器通過CAN總線發(fā)出HEX字節(jié)“02 01 0C 00 00 00 00 00”。

OBD反饋“04 41 0C 27 10 00 00 00”,接收到的數(shù)據(jù)為行車電腦返回的數(shù)據(jù)。CAN報文數(shù)據(jù)為:04,代表后續(xù)有效字節(jié)有4個;41為對01服務(wù)的一個應(yīng)答,所有行車電腦返回的數(shù)據(jù),都會在請求數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上加0x40返回(0X01+0X40即0x41);0C對應(yīng)請求命令中的0C,即發(fā)動機轉(zhuǎn)速;27 10代表轉(zhuǎn)速值,轉(zhuǎn)換成十進制為0X2710=10000,實際內(nèi)部存在解析算法,實際值為除以4后的結(jié)果,即10000/4=2500 r。

表4 CAN協(xié)議部分標準表

3 系統(tǒng)運行試驗

系統(tǒng)于近期在廣西省南寧市武鳴區(qū)鑼圩鎮(zhèn)廣西農(nóng)機院全程機械化示范基地進行試驗運行。試驗車載終端采用顯控HMI,甘蔗收割機型號4GQ-1C,功率97 kW。車載端硬件安裝、顯控組態(tài)界面如圖6所示。為測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性,試驗采取間斷性數(shù)據(jù)采集的方式,即在作業(yè)期間對內(nèi)甘蔗收割機進行多次啟動和隨機熄火重啟。試驗一共進行3 h,數(shù)據(jù)以1/s一條數(shù)據(jù)的方式發(fā)送到云端數(shù)據(jù)庫。去除重啟停機狀態(tài),實際工作時間為1.52 h,理論接收數(shù)據(jù)5472條,實際接收數(shù)據(jù)5465條,丟失7條。通過對系統(tǒng)發(fā)送和接收數(shù)量的對比計算,得出傳輸效率為99.88%,數(shù)據(jù)丟失率為0.12%,能夠達到預(yù)期效果。甘蔗收割機獲得工況數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖6 顯控組態(tài)硬件/界面

圖7 甘蔗收割機工況數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本系統(tǒng)基于工控組態(tài)平臺開發(fā),具有操作簡單、開發(fā)流程簡潔、數(shù)據(jù)接入方式簡單、數(shù)據(jù)可視化程度高、可維護性強等特點。試驗證明,本系統(tǒng)能夠穩(wěn)定采集甘蔗收割機所需工況數(shù)據(jù),同時將數(shù)據(jù)存儲到云端數(shù)據(jù)庫。本系統(tǒng)便于對甘蔗收割機數(shù)據(jù)進行作業(yè)條件、工況數(shù)據(jù)和作業(yè)質(zhì)量之間的關(guān)系進行分析,為提升甘蔗收割機智能化奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。下一步可開發(fā)移動端,通過數(shù)據(jù)監(jiān)測軟件(如APP和Web)對云端數(shù)據(jù)進行遠程讀取。