陳　進，季園園，李耀明

(1．江蘇大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江　212013；2．江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點實驗室，江蘇鎮(zhèn)江　212013)

0　引言

聯(lián)合收割機在農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中發(fā)揮著越來越重要的作用，自動化和智能化程度高的聯(lián)合收割機已經(jīng)成為發(fā)展趨勢。然而，國內(nèi)聯(lián)合收割機的發(fā)展仍然存在著收割效率低、損失大、易出故障和智能化程度低等問題[1-2]。針對國內(nèi)聯(lián)合收割機發(fā)展現(xiàn)狀，需要對聯(lián)合收割機主要工作部件進行實時監(jiān)控，良好的監(jiān)控系統(tǒng)能夠最大限度地降低機手勞動強度，提高工作效率，降低谷物損失，提高聯(lián)合收割機工作的穩(wěn)定性和可靠性。

近年來，觸摸屏技術(shù)得到飛快的發(fā)展，并大量應(yīng)用于工業(yè)控制中。觸摸屏具有畫面設(shè)計簡單、屏幕亮度高、人機交互性好，擁有高速處理器能夠?qū)崿F(xiàn)快速數(shù)據(jù)處理，能夠在線修改控制器內(nèi)部參數(shù)等功能。文中在分析聯(lián)合收割機各部分的組成及工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于PLC和觸摸屏的聯(lián)合收割機監(jiān)控系統(tǒng)，在保證聯(lián)合收割機正常工作的情況下，實時顯示聯(lián)合收割機工作狀態(tài)，快速對故障作出預(yù)警和報警，準確顯示故障報警點，并根據(jù)聯(lián)合收割機工作狀態(tài)及時對前進速度進行調(diào)整。

1　監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1．1監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計要求

(1)系統(tǒng)工作模式。設(shè)計2種可切換的工作模式，包括自動控制模式和手動操作模式。自動控制模式實現(xiàn)前進速度的自動控制，將采集到的3路轉(zhuǎn)速信號和前進速度融入到智能控制算法實現(xiàn)前進速度智能控制，主要用于田間正常收割過程，手動模式主要用于田間轉(zhuǎn)移和非田間收割時聯(lián)合收割機的行走。

(2)負荷反饋控制。負荷反饋控制模塊主要功能是實時采集聯(lián)合收割機工作過程中脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、輸糧攪龍轉(zhuǎn)速、輸送槽轉(zhuǎn)速，根據(jù)這些參數(shù)的變化，對收割機前進速度進行實時優(yōu)化，在確保不超過脫粒裝置額定喂入量和允許損失量的前提下，使聯(lián)合收割機具有穩(wěn)定的最大前進速度。

(3)故障診斷及報警。系統(tǒng)能夠自動診斷聯(lián)合收割機在田間作業(yè)過程中各監(jiān)測部件是否發(fā)生堵塞故障，當出現(xiàn)故障時能夠在觸摸屏中顯示故障報警點，并通過聲光報警器發(fā)出報警聲。

(4)狀態(tài)顯示及存儲。聯(lián)合收割機工作過程中各部件運動參數(shù)和運行狀態(tài)能夠在觸摸屏中顯示，觸摸屏設(shè)計有數(shù)據(jù)存儲功能，存儲聯(lián)合收割機工作過程中有用的數(shù)據(jù)。

(5)穩(wěn)定前進速度。系統(tǒng)能夠根據(jù)控制算法平穩(wěn)調(diào)整聯(lián)合收割機前進速度。

1．2監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

聯(lián)合收割機監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由觸摸屏、PLC、傳感器模塊以及相關(guān)外圍設(shè)備組成。傳感器模塊選用霍爾傳感器，用于采集聯(lián)合收割機脫粒滾筒、輸糧攪龍、輸送槽轉(zhuǎn)速信號以及前進速度，觸摸屏與PLC之間通過RS-422串行通信，通過觸摸屏畫面編輯軟件設(shè)計觸摸屏界面，觸摸屏中監(jiān)視軟件與PLC中軟件實現(xiàn)一一對應(yīng)[3-5]，通過實時動畫、狀態(tài)顯示以及數(shù)字顯示，能夠?qū)崟r顯示聯(lián)合收割機工作狀態(tài)，觸摸屏具有對試驗過程中的實時數(shù)據(jù)畫面進行存儲功能，利用觸摸屏監(jiān)控界面中設(shè)定的功能鍵可以實現(xiàn)對聯(lián)合收割機進行手動-自動切換控制。PLC是監(jiān)控系統(tǒng)的主控制器，在系統(tǒng)運行過程中，傳感器模塊將采集到的信號經(jīng)過濾波、整形、放大后送入PLC中，PLC根據(jù)控制算法程序?qū)β?lián)合收割機進行智能控制。

圖1　聯(lián)合收割機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2　監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

聯(lián)合收割機監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計分為PLC控制軟件設(shè)計、觸摸屏人機交互軟件設(shè)計和步進電機模糊PID控制算法設(shè)計。PLC控制軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、控制執(zhí)行、故障診斷等功能；觸摸屏能夠在線修改可編程控制器梯形圖，可以實現(xiàn)對PLC內(nèi)部寄存器值的修改從而調(diào)整聯(lián)合收割機的作業(yè)狀態(tài)，同時觸摸屏能夠?qū)崟r顯示脫粒滾筒、輸糧攪龍、輸送槽轉(zhuǎn)速和前進速度，具有數(shù)據(jù)存儲功能，手動-自動功能切換功能，觸摸屏具還有在線修改PLC梯形圖的功能，便于對錯誤程序的修改。監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　監(jiān)控系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)圖

2．1PLC控制軟件設(shè)計

采用GX Developer軟件編寫控制系統(tǒng)梯形圖，應(yīng)用于FX系列PLC。該語言通過模塊化設(shè)計，直觀易懂，PLC控制軟件主要用于對聯(lián)合收割機進行智能化控制，能根據(jù)收割機各種不同運行狀態(tài)，自動調(diào)用智能控制算法，確保收割機能夠穩(wěn)定、可靠的進行工作[6-7]。PLC控制程序流程圖如圖3所示。

系統(tǒng)開機后，首先完成系統(tǒng)的初始化工作，傳感器將當前狀態(tài)信息反饋到PLC，當所有機構(gòu)都處于初始狀態(tài)，PLC內(nèi)部中間繼電器M8044則置位，系統(tǒng)允許運行，否則系統(tǒng)無響應(yīng)。通過觸摸屏設(shè)定PLC內(nèi)部軟元件初始值后，即脫粒滾筒、輸糧攪龍、輸送槽額定轉(zhuǎn)速值以及最大前進速度，選擇觸摸屏自動按鍵，聯(lián)合收割機則進入前進速度自動控制模式，否則進入手動模式。

圖3　PLC控制程序主流程圖

系統(tǒng)在自動控制模式下，傳感器實時采集各監(jiān)測部件轉(zhuǎn)速以及聯(lián)合收割機前進速度，PLC根據(jù)轉(zhuǎn)速算法處理各路轉(zhuǎn)速，并在觸摸屏中顯示轉(zhuǎn)速值。PLC調(diào)用前進速度控制算法，輸出脈沖信號控制步進電機轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對聯(lián)合收割機前進速度的控制。系統(tǒng)在調(diào)整聯(lián)合收割機前進速度的同時實時監(jiān)測各部件是否發(fā)生異常，當轉(zhuǎn)速異常時發(fā)出報警聲，并在觸摸屏中顯示故障報警點。

2．2觸摸屏監(jiān)控界面設(shè)計

觸摸屏監(jiān)控界面采用GT Designer2軟件設(shè)計，它是一款功能強大且操作簡單的人機界面設(shè)計軟件，通過該軟件可以為觸摸屏創(chuàng)建操作界面并進行操作參數(shù)的配置，提供了設(shè)計人機界面所需各種工具，如狀態(tài)指示燈、動態(tài)圖表、靜態(tài)曲線等。

觸摸屏軟件設(shè)計包括界面設(shè)計和變量設(shè)置，并將它們和PLC程序相連。界面設(shè)計涉及輸入/輸出區(qū)域組態(tài)、指示燈組態(tài)、功能鍵組態(tài)、控制鍵組態(tài)及文本顯示等各種格式，可根據(jù)實際控制功能的差異設(shè)計不同的畫面；變量設(shè)置將觸摸屏的組態(tài)功能與PLC的相應(yīng)I/O接點及存儲單元之間建立聯(lián)系，實現(xiàn)觸摸屏敏感元件對PLC參數(shù)的輸入、PLC當前值及故障報警點向觸摸屏的輸出；最后通過觸摸屏RS-422串口實現(xiàn)與PLC的通訊[8]。

觸摸屏界面設(shè)計框圖如圖4所示。主要由開機界面、監(jiān)測參數(shù)顯示界面、監(jiān)測參數(shù)設(shè)置界面和4路信號趨勢圖組成，各個界面相互之間都具有畫面切換按鍵。開機界面包括有時鐘設(shè)置特殊功能按鍵、觸摸屏亮度調(diào)節(jié)特殊功能按鍵；監(jiān)測參數(shù)顯示界面中具有4路信號數(shù)值顯示端口，實時顯示傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)，當發(fā)生堵塞故障時，PLC控制界面中報警指示燈的亮滅，按下數(shù)據(jù)存儲按鍵，觸摸屏將會把此時觸摸屏畫面存儲在觸摸屏自帶的CF卡中，界面中還具有系統(tǒng)工作模式選擇按鍵；監(jiān)測參數(shù)設(shè)定界面包括4路信號額定值設(shè)置的數(shù)值輸入端口，觸摸屏對數(shù)值輸入軟件的設(shè)置間接修改PLC內(nèi)部寄存器值，從而改變聯(lián)合收割機的工作狀態(tài)；4路信號趨勢圖包括對脫粒滾筒、輸糧攪龍、輸送槽轉(zhuǎn)速和前進速度之間運動關(guān)系的描述。

圖4　觸摸屏界面設(shè)計框圖

2．3前進速度模糊PID控制

在自動控制模式下，聯(lián)合收割機前進速度的控制由步進電機通過擺桿連接手動調(diào)速手柄和液壓無級變速器操縱桿來實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)如圖5所示。性能良好的步進電機能夠保證聯(lián)合收割機具有穩(wěn)定的前進速度，因此需要提高步進電機轉(zhuǎn)動的精度，文中采用模糊PID控制技術(shù)對步進電機脈沖步數(shù)進行調(diào)節(jié)，有效減小脈沖步數(shù)偏差，能在控制過程中對不確定的條件、參數(shù)、延遲和干擾等因素進行檢測分析，提高聯(lián)合收割機前進速度的穩(wěn)定性和速度調(diào)整的準確性。

PID控制是比例微分積分控制，可根據(jù)被控制輸入的實際數(shù)值與用戶設(shè)定的調(diào)節(jié)目標值的相對差值，按照PID算法計算出結(jié)果，輸出到執(zhí)行機構(gòu)進行調(diào)節(jié)，以達到自動維持被控制的量跟隨用戶設(shè)定的調(diào)節(jié)目標值變化的目的。設(shè)定PLC中PID指令的設(shè)定單元[S3]+1(ACT)的b0位為0，指定執(zhí)行正動作的運算公式[9]。PID正動作的基本運算公式如下

(1)

EVn=PVnf-SV

(2)

(3)

MVn=∑ΔΜΝ

(4)

式中：EVn為本次采樣時的偏差；EVn-1為上次采樣時的偏差；SV為設(shè)定目標值；PVnf為本次采樣時的測定值(濾波后)；PVnf-1為1周期前的測定值(濾波后)；PVnf-2為2周期前的測定值(濾波后)；ΔMV為輸出變化量；MVn為本次輸出控制量；Dn為本次的微分項；Dn-1為上一個采樣周期前的微分項；KP為比例增益；TS為采樣周期；TI為積分常數(shù)；TD為微分常數(shù)；KD為微分增益。

模糊PID控制是將模糊控制理論和PID控制相結(jié)合，模糊控制的輸入變量為給定步進電機脈沖步數(shù)與步進電機實際脈沖步數(shù)的偏差e和偏差變化率ec，輸出變量為PID控制的3個參數(shù)KD、KI、KP。根據(jù)PID控制要求，將偏差e、偏差變化率ec和3個輸出變量分為7個模糊子集：{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}，子集元素分別代表負大、負中、負小、零、正小、正中、正大[10-11]。根據(jù)PID各參數(shù)的作用以及不同的偏差和偏差變化率對PID參數(shù)的要求，建立了模糊控制規(guī)則如表1所示。

表1　KP、KI、KD的模糊控制規(guī)則表

在表1中，如果脈沖步數(shù)偏差為NB，偏差變化率為NB時，說明步進電機實際脈沖步數(shù)小于給定步數(shù)且有繼續(xù)變小的趨勢，所以控制量KP選擇正大，即PB，減小靜態(tài)偏差，KI選擇減大，即NB，快速消除偏差，KD選擇正小，即PS，減少超調(diào)量、穩(wěn)定系統(tǒng)。如果脈沖偏差為NM，偏差變化率為PS時，說明步進電機實際脈沖步數(shù)小于給定步數(shù)且有慢慢變大的趨勢，所以控制量KP選擇正小，KI選擇負小，KD選擇負中，使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)量和一定的響應(yīng)速度，并使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。如果脈沖偏差為PS，偏差變化率為PB，說明步進電機步數(shù)微微大于給定值且有繼續(xù)變大的趨勢，所以控制量KP選擇負中，KI選擇正大，KD選擇零，減小輸出振蕩，提高系統(tǒng)的抗干擾性。

圖5　調(diào)速結(jié)構(gòu)示意圖

3　田間試驗

2013年6月5日以常州東風(fēng)農(nóng)機集團有限公司生產(chǎn)的4LZ-2．5Z型履帶式全喂入聯(lián)合收割機為試驗樣機，將研制的監(jiān)控系統(tǒng)安裝在試驗樣機上，在江蘇省常州市萬綏村以“揚幅麥4號”小麥為收割對象，進行了小麥收割試驗。

開機后，聯(lián)合收割機用作業(yè)檔最大油門進行收割，聯(lián)合收割機剛啟動時，脫粒滾筒空載轉(zhuǎn)速為950 r/min左右，輸糧小攪龍空載轉(zhuǎn)速為1 000 r/min左右，輸送槽空載轉(zhuǎn)速為470 r/min左右，收割機前進速度為0，隨著前進速度的增加，收割機的喂入量開始增加，聯(lián)合收獲機在5 s內(nèi)前進速度增加到1.5 m/s，脫粒滾筒未達到滿負荷工作，其轉(zhuǎn)速仍保持在額定值附近，輸糧攪龍轉(zhuǎn)速略有下降，隨著聯(lián)合收割機前進速度的增加到2.0 m/s時，脫粒滾筒和輸糧攪龍的負荷開始慢慢增大，轉(zhuǎn)速開始降低，在T=9s時，脫粒滾筒轉(zhuǎn)速降到額定值的90%時，控制系統(tǒng)開始反饋工作，收割機發(fā)出堵塞預(yù)警報警聲，此時控制系統(tǒng)迅速降低前進速度以減少喂入量，在T=12 s時前進速度降為1.6 m/s，釋放脫粒滾筒的負荷，避免發(fā)生堵塞。在整個工作過程中，脫粒滾筒轉(zhuǎn)速基本維持在890～940 r/min之間，收割機前進速度保持在1.5～1.8 m/s，未發(fā)生堵塞現(xiàn)象。收割過程中聯(lián)合收割機前進速度與脫粒滾筒、輸糧攪龍以及輸送槽之間的關(guān)系如圖6所示。T=15 s時刻觸摸屏監(jiān)測參數(shù)顯示界面如圖7所示。

通過觀察試驗現(xiàn)象以及對試驗數(shù)據(jù)的分析，驗證了該系統(tǒng)的可行性和準確性，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的自動調(diào)整收割機前進速度，實現(xiàn)了預(yù)期制定的試驗計劃。

圖6　前進速度與3路轉(zhuǎn)速關(guān)系圖

圖7　監(jiān)測參數(shù)顯示界面

4　結(jié)束語

聯(lián)合收割機監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集、顯示聯(lián)合收割機各部件的運行參數(shù)，并根據(jù)采集到的信息對聯(lián)合收割機進行智能化控制，實現(xiàn)聲光報警預(yù)報警功能。人性化的觸摸屏人機交互界面，方便操作手及時了解聯(lián)合收割機的運行狀態(tài)，根據(jù)報警信息能夠及時發(fā)現(xiàn)故障報警點并且能夠及時解除故障。運用模糊PID控制算法，提高了聯(lián)合收割機前進速度的穩(wěn)定性和速度控制的準確性?；赑LC的監(jiān)控系統(tǒng)能夠適應(yīng)惡劣的田間環(huán)境，減少故障率，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。田間試驗表明，監(jiān)控系統(tǒng)工作穩(wěn)定、性能良好，達到了預(yù)期的目標。

參考文獻：

[1]余利鋒，肖新棉，蘭海軍．國內(nèi)外農(nóng)業(yè)機械化現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢．湖北農(nóng)機化，2007(6)：36-37．

[2]SCHMOLDT D L．Precision agriculture and information technology．Computers and Electronics in Agriculture，2001，(30)：5-7

[3]蔣曉峰，施偉鋒，劉以建．基于觸摸屏和PLC的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計．電力自動化設(shè)備，2011(1)：122-125．

[4]李偉光，練小華，蒙啟泳．基于PLC與觸摸屏的復(fù)合底鍋壓力焊控制系統(tǒng)設(shè)計．機械與電子，2012(9)：53-56．

[5]錢曉菲，周根榮．基于觸摸屏的溫控系統(tǒng)設(shè)計．南通大學(xué)學(xué)報，2008(9)：57-59．

[6]萬濤，楚宜明．聯(lián)合收割機行走速度自動控制系統(tǒng)的研究．農(nóng)機化研究，2008(9)：53-56．

[7]新華，李耀明，陳進，等．聯(lián)合收割機工作過程智能監(jiān)控裝置的系統(tǒng)集成．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009(10)：56-60．

[8]三菱公司．GT Designer2使用手冊，2011．

[9]忠平，周少華，侯玉寶，等．三菱FX/Q系列PLC自學(xué)手冊．北京：人民郵電出版社，2009．

[10]姜海濤，王超．基于PLC的PID控制．計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2012(21)：144-147．

[11]劉海明，吳永錦，黃雙根，等．基于模糊PID的禽蛋抓取測控系統(tǒng)步進電機的研究．湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，11(50)：4473-4476．