基于PLC技術(shù)的聯(lián)合收割機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁吟曦

(湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,武漢 430000)

0 引言

隨著可編程控制器(PLC)的不斷發(fā)展,聯(lián)合收割機(jī)液壓作動系統(tǒng)控制器也得到良好的發(fā)展和應(yīng)用,大幅度促進(jìn)了農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化發(fā)展和聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)效率的提高,同時(shí)有效降低收割過程中的作物損失率,對收割機(jī)各作動系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性均帶來較大的改善[1～3]。

為此,基于可編程控制器(PLC)進(jìn)行了聯(lián)合收割機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),并通過試驗(yàn)驗(yàn)證的方式進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性檢測,旨在大幅度節(jié)省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的人力、物力,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程機(jī)械化、信息化及智能化提供保障。

1 聯(lián)合收割機(jī)工作原理

聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)過程包含收割、脫粒、莖稈整理、雜物清除等環(huán)節(jié),收割完成后同時(shí)對作物進(jìn)行臨時(shí)存儲,從而實(shí)現(xiàn)作物收割過程的機(jī)械化操作[4]。聯(lián)合收割機(jī)種類較多,按照作業(yè)方式可將收割機(jī)分為自走輪式半喂入收割機(jī)、自走輪式全喂入收割機(jī)以及自走懸掛式喂入收割機(jī)。盡管收割機(jī)種類較多,但工作原理和作業(yè)過程基本相同[5-6]。

聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)過程中,收割機(jī)按照作業(yè)方向往前移動,利用割臺將作物進(jìn)行包絡(luò),使用割刀將作物割斷;在脫粒功能模塊作用下,完成作物的脫粒過程,再利用分離功能裝置將作物莖稈等雜物從作物當(dāng)中進(jìn)行分離;最后,將作物谷粒進(jìn)行臨時(shí)存儲,將谷粒集中進(jìn)行放置,從而完成整個(gè)收割作業(yè)過程[7-9]。

2 聯(lián)合收割機(jī)電氣控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

聯(lián)合收割機(jī)是一種一體化的多功能模塊機(jī)械平臺,在各執(zhí)行作動系統(tǒng)的配合下進(jìn)行自動運(yùn)行。由于執(zhí)行作動系統(tǒng)數(shù)量多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,因此要求各執(zhí)行作動系統(tǒng)具有較好的協(xié)同作業(yè)能力[10]。表1為聯(lián)合收割機(jī)各執(zhí)行作動系統(tǒng)驅(qū)動馬達(dá)技術(shù)要求,表2為聯(lián)合收割機(jī)各執(zhí)行作動系統(tǒng)液壓缸技術(shù)要求。

表1 聯(lián)合收割機(jī)各執(zhí)行作動系統(tǒng)驅(qū)動馬達(dá)技術(shù)要求Table 1 Technical requirements for driving motor of each actuating system of combine harvester

表2 聯(lián)合收割機(jī)各執(zhí)行作動系統(tǒng)液壓缸技術(shù)要求Table 2 Technical requirements for hydraulic cylinder of each actuating system of combine harvester

聯(lián)合收割機(jī)液壓作動系統(tǒng)控制器可統(tǒng)稱為聯(lián)合收割機(jī)電氣控制系統(tǒng),主要包含收割電氣控制系統(tǒng)、位置調(diào)整電氣控制系統(tǒng)以及行走電氣控制系統(tǒng)[11]。收割電氣控制系統(tǒng)用于對小麥等谷物類農(nóng)作物進(jìn)行收割,主要完成作物切稈、壓倒、切割等任務(wù);位置調(diào)整電氣控制系統(tǒng)主要對聯(lián)合收割機(jī)內(nèi)部的執(zhí)行作動系統(tǒng)機(jī)構(gòu)位置進(jìn)行調(diào)整,確保聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)過程能夠安全、穩(wěn)定運(yùn)行[12];行走電氣控制系統(tǒng)主要進(jìn)行整個(gè)聯(lián)合收割機(jī)行走功能的實(shí)現(xiàn),包含前進(jìn)動作、后退動作以及轉(zhuǎn)彎動作。

聯(lián)合收割機(jī)功能復(fù)雜,執(zhí)行作動系統(tǒng)包含較多的結(jié)構(gòu)件,各機(jī)構(gòu)對作動過程壓力、液壓缸形成和運(yùn)行速度等參數(shù)均存在不同程度的要求。在進(jìn)行電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),要分別從各執(zhí)行驅(qū)動系統(tǒng)的運(yùn)行性能要求、系統(tǒng)集成度以及收割機(jī)作業(yè)效率等不同的角度進(jìn)行分析,對整個(gè)電氣控制系統(tǒng)的運(yùn)行功能進(jìn)行優(yōu)化,提高電氣控制系統(tǒng)運(yùn)行過程的合理性和科學(xué)性[13]。為確保聯(lián)合收割機(jī)各執(zhí)行作動系統(tǒng)能夠統(tǒng)一控制,在進(jìn)行電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中采用集中控制的方式對系統(tǒng)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖1為聯(lián)合收割機(jī)原理結(jié)構(gòu)圖。

圖1 聯(lián)合收割機(jī)原理結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic structure diagram of combine

聯(lián)合收割機(jī)電氣控制系統(tǒng)采用集中控制的方式,以液壓泵作為動力源,為控制系統(tǒng)執(zhí)行作動器供油,確保各個(gè)執(zhí)行作動器能夠安全可靠的運(yùn)行[14]。不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)作動器壓力需求、排量需求以及壓力均存在不同程度的差異,因此運(yùn)行過程參數(shù)要求也存在較大差異。電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中,要求能夠充分利用負(fù)載敏感元件,加強(qiáng)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)作動器的設(shè)計(jì)。聯(lián)合收割機(jī)負(fù)載敏感系統(tǒng)元件為定量泵和變量泵:定量泵用于進(jìn)行聯(lián)合收割機(jī)反饋信號的采集和控制,在工作過程中,需要充分考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)作動器性能優(yōu)勢,按照各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的使用標(biāo)準(zhǔn)和性能要求進(jìn)行系統(tǒng)控制;變量泵在使用過程中主要完成負(fù)載系統(tǒng)的排量管理控制,要求能夠?qū)Χ嗦烽y流量進(jìn)行科學(xué)的控制,避免流量波動造成負(fù)載系統(tǒng)元件發(fā)熱,從而實(shí)現(xiàn)控制的精確性[15-16]。

對定量泵和變量泵進(jìn)行科學(xué)精確控制,能夠有效保證執(zhí)行作動器的協(xié)同性運(yùn)轉(zhuǎn),從而達(dá)到科學(xué)控制的目的,并保證控制系統(tǒng)運(yùn)行過程的穩(wěn)定性和可靠性。為滿足聯(lián)合收割機(jī)電氣控制系統(tǒng)的使用性能,要求不斷完善控制系統(tǒng)功能,確保電氣控制系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。

聯(lián)合收割機(jī)電氣控制系統(tǒng)選用S7-300型主控制器,確保聯(lián)合收割機(jī)輸送裝置系統(tǒng)、脫粒裝置系統(tǒng)、卸糧裝置系統(tǒng)以及行走裝置系統(tǒng)均能夠有效進(jìn)行控制和使用。為提高聯(lián)合收割機(jī)電氣控制系統(tǒng)運(yùn)行過程穩(wěn)定性,對系統(tǒng)的集中控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。聯(lián)合收割機(jī)電氣控制系統(tǒng)輸入?yún)?shù)信息主要包含系統(tǒng)開關(guān)量、傳感器參數(shù)以及人機(jī)交互輸入?yún)?shù),在電氣系統(tǒng)運(yùn)行過程中由可編程控制器(PLC)對輸入?yún)?shù)進(jìn)行融合計(jì)算。

3 聯(lián)合收割機(jī)PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

聯(lián)合收割機(jī)一般在運(yùn)行過程中對泵和馬達(dá)進(jìn)行集中控制,為保證運(yùn)行過程效率和運(yùn)行可靠性,要求各功能裝置的轉(zhuǎn)速、承載能力以及運(yùn)行效果均能夠合理匹配,提高電氣控制系統(tǒng)的運(yùn)行性能。圖2為聯(lián)合收割機(jī)PLC電氣控制系統(tǒng)原理圖。

圖2 聯(lián)合收割機(jī)PLC電氣控制系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of PLC electrical control system of combine harvester

聯(lián)合收割機(jī)的運(yùn)行環(huán)境一般為田地,工作環(huán)境復(fù)雜,當(dāng)收割機(jī)剎車或者出現(xiàn)其他異常情況時(shí),收割機(jī)行走驅(qū)動馬達(dá)經(jīng)常出現(xiàn)超負(fù)載運(yùn)行狀態(tài),從而產(chǎn)生大量的熱量,縮短行走驅(qū)動馬達(dá)的使用壽命。因此,要求電氣控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中能夠合理進(jìn)行溫度控制,確保行走驅(qū)動系統(tǒng)運(yùn)行溫度不高于120℃;當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際溫度達(dá)到設(shè)定值上限時(shí),電氣控制系統(tǒng)要求能夠發(fā)出警報(bào);當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)馬達(dá)工作異?；螂姍C(jī)無法正常運(yùn)行時(shí),電氣控制系統(tǒng)要求能夠在發(fā)出警報(bào)的同時(shí)將故障信息進(jìn)行顯示,便于使用人員的維修,提高系統(tǒng)使用過程效率。

聯(lián)合收割機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),要求充分考慮系統(tǒng)控制相關(guān)技術(shù)參數(shù),確保收割機(jī)主控制電機(jī)能夠具有較強(qiáng)的控制功能。表3為聯(lián)合收割機(jī)主控制電機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)。

表3 聯(lián)合收割機(jī)主控制電機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)Table 3 Relevant technical parameters of main control motor of combine

聯(lián)合收割機(jī)電氣控制系統(tǒng)的控制對象較多,系統(tǒng)選用S7-300PLC控制器,主要為各子系統(tǒng)輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。表4為聯(lián)合收割機(jī)電氣控制系統(tǒng)I/O表。

表4 聯(lián)合收割機(jī)電氣控制系統(tǒng)I/O表Table 4 Combine electrical control system I/O table

聯(lián)合收割機(jī)電氣控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中,采用形成開關(guān)控制的方式對收割機(jī)各機(jī)構(gòu)執(zhí)行作動系統(tǒng)的動作信號進(jìn)行采集,最后將采集后的動作信號采用光電隔離的方式發(fā)送至PLC控制器,對相關(guān)數(shù)據(jù)信息的處理。光電隔離器用于對輸入信號和輸出信號進(jìn)行隔離操作,保證信號傳輸過程的可靠性和安全性。

4 測試試驗(yàn)

聯(lián)合收割機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后,為驗(yàn)證電氣控制系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性和系統(tǒng)穩(wěn)定性,以種植區(qū)域內(nèi)的小麥為收割對象,對電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行測試試驗(yàn)。收割小麥莖稈高度為65～70cm,麥穗長度為6～7cm,單個(gè)麥穗長度為1.8～2.2g。當(dāng)收割對象負(fù)載發(fā)生變化時(shí),收割機(jī)切桿刀具、一級喂入機(jī)構(gòu)以及二級喂入機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速要求保持相對平穩(wěn)的運(yùn)行狀態(tài),收割機(jī)行進(jìn)速度分別設(shè)置為1.8、2.2、2.5km/h,收割機(jī)刀具切桿轉(zhuǎn)速設(shè)定為700、730、750rpm。試驗(yàn)過程中對小麥的收割損失率進(jìn)行統(tǒng)計(jì),如表5所示。

表5 聯(lián)合收割機(jī)收割測試試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 5 Combine harvest test data

試驗(yàn)過程中,電氣控制系統(tǒng)運(yùn)行正常穩(wěn)定,能夠?qū)\(yùn)行過程中的相關(guān)參數(shù)信息進(jìn)行顯示,并對運(yùn)行過程中的異常情況進(jìn)行預(yù)警。在收割試驗(yàn)過程中,使用人員僅需對液壓泵、切桿刀具、一級喂入機(jī)構(gòu)以及二級喂入機(jī)構(gòu)的相關(guān)運(yùn)行工作進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,聯(lián)合收割機(jī)小麥損失率小于2%,收割效果良好,能夠保證系統(tǒng)運(yùn)行過程的穩(wěn)定性和可靠性。

5 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明:在可編程控制器(PLC)技術(shù)條件下,聯(lián)合收割機(jī)電氣控制系統(tǒng)通用性和使用功能均得到提高,且用戶體驗(yàn)過程有明顯改善,顯著提高了農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動化水平。