謝 慶，石 磊，張玉同，王 紅，陳長林，孫勇飛，黃銘森

(農(nóng)業(yè)部 南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

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基于PLC伺服控制的棉花打頂機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

謝 慶，石 磊，張玉同，王 紅，陳長林，孫勇飛，黃銘森

(農(nóng)業(yè)部 南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

為推動(dòng)我國棉花打頂作業(yè)機(jī)械化發(fā)展進(jìn)程，設(shè)計(jì)了基于PLC伺服控制的3MD-3型棉花打頂機(jī)，包括3套單體仿形的打頂機(jī)構(gòu)及1套伺服控制系統(tǒng)。該棉花打頂機(jī)控制系統(tǒng)通過觸控屏設(shè)定棉花打頂高度及打頂速度等參數(shù)，結(jié)合傳感器獲取的棉株頂端位置，通過PLC控制打頂?shù)秳?dòng)作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)打頂。通過試驗(yàn)，對(duì)比檢驗(yàn)了雙刀打頂方式的可靠性，驗(yàn)證了行駛速度與提升控制頻率間的正相關(guān)性。結(jié)果表明：該棉花打頂作業(yè)效率0.36hm2/h時(shí)，打頂?shù)臏?zhǔn)確率可達(dá)到85%。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；農(nóng)作物；控制系統(tǒng)；棉花打頂；PLC

0 引言

棉花打頂在棉花生產(chǎn)過程中去除棉花頂芯，可促進(jìn)棉株結(jié)鈴結(jié)桃，是棉花豐產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，棉花打頂主要有化控和物理打頂兩種解決方案，美國等農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家與地區(qū)多通過化控方式[1]，即噴藥方式進(jìn)行“打頂”；國內(nèi)則多采用人工打頂方式[2]。由于化控打頂方式打頂可靠性欠佳，易受藥物、天氣等諸多因素影響，未在國內(nèi)廣泛應(yīng)用；而人工打頂這一物理打頂方式，其勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低，成為制約我國棉花打頂乃至棉花生產(chǎn)種植全程機(jī)械化的一大障礙[3]。因此，本文致力于研究以機(jī)械代替人工的棉花打頂方式，結(jié)合可靠便捷的PLC控制技術(shù)，研制基于PLC控制的棉花打頂系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)提高打頂效率及降低作業(yè)成本的目的，進(jìn)而促進(jìn)增產(chǎn)增收。

1 棉花打頂機(jī)結(jié)構(gòu)與原理

3MZ-3型棉花打頂機(jī)整體由1個(gè)主機(jī)架、3個(gè)打頂分體及1套控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。主機(jī)架將各個(gè)部分連接為一個(gè)整體，打頂機(jī)可通過主機(jī)架上的掛接點(diǎn)掛接于拖拉機(jī)后方；3個(gè)分體通過4組U型螺栓固定于主機(jī)架上，可根據(jù)種植行距需要進(jìn)行位置調(diào)整以適應(yīng)不同棉花種植行距，各打頂分體可獨(dú)立控制工作。

1.打頂機(jī)分體 2.主機(jī)架 3.顯示操控柜 4.主控制柜

打頂機(jī)構(gòu)是棉花打頂機(jī)的核心部件，主要由提升伺服電機(jī)、旋切伺服電機(jī)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、提升平臺(tái)、刀軸與雙圓盤刀等組成，如圖2所示。作業(yè)時(shí)，啟動(dòng)PLC伺服控制系統(tǒng)設(shè)置為自動(dòng)打頂即可進(jìn)行打頂。打頂時(shí)， PLC伺服控制系統(tǒng)通過控制提升伺服電機(jī)，并通過齒輪齒條機(jī)構(gòu)經(jīng)提升平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)刀軸升降動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)打頂高度控制；同時(shí)控制系統(tǒng)可調(diào)節(jié)旋切伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過皮帶傳動(dòng)至刀軸，從而實(shí)現(xiàn)旋切動(dòng)作。其中，旋切動(dòng)作采用了兩套刀軸系統(tǒng)的雙刀打頂結(jié)構(gòu)，且兩打頂?shù)遁S采用1∶1.2的齒輪傳動(dòng)，可保證對(duì)棉花頂端的可靠剪切，從而減少了漏切現(xiàn)象。

2 棉花打頂機(jī)控制系統(tǒng)

3MD-3型棉花打頂機(jī)采用了PLC伺服控制，通過棉花頂端檢測(cè)傳感器對(duì)棉花高度進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)PLC控制器進(jìn)行打頂高度的計(jì)算控制，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)打頂高度的調(diào)控；通過觸控屏對(duì)打頂機(jī)刀轉(zhuǎn)速等進(jìn)行設(shè)定，經(jīng)PLC控制器控制旋切伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)，實(shí)現(xiàn)旋切速度的精確控制。

1.提升伺服電機(jī) 2.減速器 3.齒輪齒條機(jī)構(gòu) 4.導(dǎo)軌滑塊 5.主動(dòng)皮帶輪 6.伺服電機(jī) 7.軸套 8.從動(dòng)皮帶輪 9.主動(dòng)齒輪 10.從動(dòng)齒輪 11.刀軸 12.圓盤刀 13.滾針軸承 14.提升平臺(tái)

2.1 控制系統(tǒng)系統(tǒng)硬件

3MD-3型棉花打頂機(jī)控制系統(tǒng)主要由PLC主控制器、觸控顯示屏、行駛速度傳感器、棉花頂端檢測(cè)傳感器、提升伺服電機(jī)及旋切伺服電機(jī)等組成，如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 主控制器

3MD-3型棉花打頂機(jī)控制系統(tǒng)采用臺(tái)達(dá)DVP28SV型PLC作為控制核心，結(jié)合DVP-16SP型混合輸入輸出模塊、DVPSCM12型通訊模塊、DVP-04AD型A/D轉(zhuǎn)換模塊、DVP-04DA型D/A轉(zhuǎn)換模塊等模塊，共同組成該控制系統(tǒng)的主控制器。

臺(tái)達(dá)DVP28SV型PLC具有16K的程序存儲(chǔ)空間，具有16個(gè)輸入點(diǎn)與12個(gè)輸出點(diǎn)，可輸出200kHz高速脈沖信號(hào)，可滿足同時(shí)對(duì)多個(gè)伺服電機(jī)控制需求，能夠達(dá)到棉花打頂機(jī)控制的速度要求。DVP-16SP型混合輸入輸出模塊為PLC輸入輸出擴(kuò)展模塊，提供8路輸入與8路輸出口。DVPSCM12型通訊模塊是PLC控制器與觸控屏的連接紐帶，其提供RS-422/485通訊方式，最高支持460 800bps傳輸速率，且各通訊口均采用光耦隔離，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。A/D轉(zhuǎn)換模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊是PLC控制器常用的輸入輸出模塊，能夠解決棉花打頂機(jī)對(duì)不同傳感器等元件數(shù)字模擬信號(hào)的輸入輸出要求。

2.1.2 觸控屏與交互界面

3MD-3型棉花打頂機(jī)控制系統(tǒng)采用10寸的工控屏作為顯示操作屏幕，通過RS232通訊方式與PLC主控制器進(jìn)行通訊。針對(duì)棉花打頂機(jī)設(shè)計(jì)了打頂機(jī)操控交互系統(tǒng)，包含操作畫面、狀態(tài)顯示及參數(shù)設(shè)置等交互界面，如圖4所示。通過觸控屏可以對(duì)棉花打頂高度、提升響應(yīng)脈沖頻率、測(cè)距傳感器與打頂?shù)断鄬?duì)高度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。另外，該系統(tǒng)配置有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，可將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)在USB存儲(chǔ)介質(zhì)中。

(a) 打頂機(jī)操控界面

(b) 操控畫面

(c) 狀態(tài)監(jiān)控畫面

2.1.3 傳感器

棉花頂端檢測(cè)傳感器是棉花打頂機(jī)進(jìn)行頂端仿形的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，本文采用進(jìn)口的UT20-700-AIM4型超聲波傳感器對(duì)棉株頂端位置進(jìn)行檢測(cè)。該傳感器體積小巧，可設(shè)定測(cè)量范圍為80～680mm，輸出為4～20mA模擬信號(hào)。圖5為該超聲波傳感器測(cè)距特性圖。

圖5 超聲波傳感器測(cè)距特性

2.1.4 伺服電機(jī)系統(tǒng)

3MD-3型棉花打頂機(jī)采用具有絕對(duì)位置功能的臺(tái)達(dá)ECMA-CA0807型伺服電機(jī)及ASDA-A2型驅(qū)動(dòng)器作為棉花打頂機(jī)提升與旋切的動(dòng)力元件，其機(jī)械響應(yīng)速度快，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)3 000r/min，電機(jī)內(nèi)部集成20位置編碼器，可實(shí)現(xiàn)位置與轉(zhuǎn)速的精確控制，滿足棉花打頂提升準(zhǔn)確性及旋切速度要求。

2.2 控制軟件設(shè)計(jì)

棉花打頂機(jī)的控制軟件使用Delta WPLSoft軟件編制，并采用梯形圖指令來完成的。

2.2.1 控制流程

控制系統(tǒng)分為手動(dòng)模式與自動(dòng)模式兩大部分。手動(dòng)控制模式下，棉花頂端傳感器對(duì)棉花高度進(jìn)行檢測(cè)，并進(jìn)行打頂；可設(shè)定打頂?shù)掇D(zhuǎn)速，啟動(dòng)打頂?shù)缎D(zhuǎn)；可手動(dòng)設(shè)定打頂?shù)渡稻嚯x，選擇提升或降低打頂?shù)陡叨?；自?dòng)模式下，打頂?shù)陡鶕?jù)設(shè)定的旋切速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，同時(shí)根據(jù)棉花頂端傳感器檢測(cè)的棉花頂端高度，計(jì)算獲得打頂?shù)渡档木嚯x，從而通過脈沖控制提升伺服電機(jī)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)打頂?shù)兜纳?。其控制流程如圖6所示。

2.2.2 關(guān)鍵參數(shù)

1)打頂?shù)渡蹈叨扔?jì)算。有

(1)

其中，Δh為打頂?shù)端谖恢门c棉花打頂切割位置的高度差(向下為正)(m)；H為設(shè)定的打頂高度(自棉花頂端向下計(jì))(m)；h1為棉花頂端傳感器測(cè)得棉花頂端到傳感器的距離(m)； h0為打頂?shù)蹲罡呶恢命c(diǎn)與棉花頂端傳感器安裝的高度差(m)；h為打頂?shù)端谖恢门c其最高位置點(diǎn)間的高度差，(m)。

2)提升速度計(jì)算，有

(2)

3)控制脈沖數(shù)計(jì)算。有

(3)

其中，Δl為電機(jī)每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)打頂?shù)渡档木嚯x(通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定獲得)(m)；n為提升Δh所需的脈沖數(shù)。

4)棉花打頂機(jī)行進(jìn)距離計(jì)算。有

l=v0Δt

(4)

其中，l為打頂?shù)短嵘時(shí)間內(nèi)打頂機(jī)行進(jìn)的距離(mm)；v0為棉花打頂機(jī)的行進(jìn)速度(m/s)。

為保證最佳的打頂效果，應(yīng)滿足

l=L

(5)

其中，L為打頂?shù)杜c棉花頂端傳感器間安裝的水平距間距(mm)。

圖6 控制流程圖

5)伺服電機(jī)升降控制頻率。伺服電機(jī)升降控制頻率是決定打頂機(jī)升降響應(yīng)速度的關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)伺服電機(jī)響應(yīng)特性可知

(6)

其中，f為升降控制脈沖發(fā)送頻率(Hz)。

通過式(1)～式(5)可得

結(jié)合式(6)得

v0∝f

由此可得，升降控制脈沖發(fā)送頻率與棉花打頂機(jī)的行進(jìn)速度正相關(guān)。由于該控制系統(tǒng)包含非線性的伺服控制，v0與f間建立顯性關(guān)系式較為困難，因此將通過試驗(yàn)中進(jìn)一步探究二者關(guān)系。

3 試驗(yàn)研究

2015年8月在山東濱州選取了0.67hm2未打頂?shù)拿藁ǖ刈鳛樵囼?yàn)田，將3MD-3型棉花打頂機(jī)掛接于雷沃M1000H-D型拖拉機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。棉花打頂現(xiàn)場(chǎng)圖如圖7所示。

圖7 棉花打頂現(xiàn)場(chǎng)圖

試驗(yàn)前，首先檢測(cè)了該試驗(yàn)田棉花的平均高度、頂芯平均長度、種植行距及種植密度等關(guān)鍵參數(shù)，詳見表1所示。由表1可見：棉花的頂端平均長度為83mm，因此試驗(yàn)中將棉花打頂高度設(shè)置為83mm。

表1 試驗(yàn)地棉花生長情況統(tǒng)計(jì)表

自棉株最高處至最高果枝枝節(jié)處長度。

3.1 打頂?shù)对囼?yàn)

為檢測(cè)不同棉花打頂?shù)秾?duì)打頂效果的影響，試驗(yàn)采用了112、3、4齒3種打頂?shù)哆M(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究。其中，112齒打頂?shù)锻鈴?00mm，齒高10mm；3齒打頂?shù)锻鈴?55mm，齒高65mm；4齒打頂?shù)锻鈴?55mm，齒高40mm。試驗(yàn)中，112齒刀使用雙刀軸系統(tǒng)，采用兩刀剪切方式打頂作業(yè)；3齒與4齒刀則采用單刀甩切方式，即在圖2所示結(jié)構(gòu)中減少一套刀軸，安裝單把刀進(jìn)行作業(yè)。對(duì)3種打頂?shù)恫煌兴俣鹊那邢餍ЧM(jìn)行了試驗(yàn)，為防止因提升響應(yīng)速度不足或過快造成的影響，將打頂高度均設(shè)定為150mm；切削成功率檢測(cè)時(shí)，僅檢測(cè)棉花頂端是否完全切斷，若完全切斷則判定為切削成功，并不針對(duì)打頂高度進(jìn)行檢測(cè)。試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2、表3所示。

表2 112齒雙刀不同轉(zhuǎn)速對(duì)切削效果

Table 2 The results of different cutting speed using double knives %

表3 3齒與4齒單刀不同轉(zhuǎn)速對(duì)切削效果

試驗(yàn)過程中，采用雙112齒打頂?shù)?、旋切速度?00r/min及1 000r/min時(shí)，機(jī)具振動(dòng)和噪聲明顯增加；采用單3齒與4齒打頂?shù)对谛修D(zhuǎn)速1 500r/min以上時(shí)，機(jī)具振動(dòng)和噪聲明顯增加。

通過表2、表3可知：采用不同打頂?shù)?，?dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定時(shí)，均可達(dá)到較好的切削效果；雙112齒打頂?shù)对谛修D(zhuǎn)速500r/min以上時(shí)，切削成功率達(dá)到95%以上；采用單3齒與4齒打頂?shù)对谛修D(zhuǎn)速1 200r/min以上時(shí)，切削成功率達(dá)到90%以上。

3.2 打頂升降響應(yīng)實(shí)驗(yàn)

棉花打頂機(jī)打頂?shù)渡淀憫?yīng)速度是影響打頂效果的關(guān)鍵因素，在此以升降控制頻率作為升降響應(yīng)速度的參考量，研究針對(duì)1.16、1.56、2.20km/h 3組行駛速度下，不同的提升控制頻率測(cè)定對(duì)打頂效果的影響。試驗(yàn)采用雙112齒刀作為打頂?shù)毒?，打頂高度設(shè)置為83mm，測(cè)得的打頂率如表4所示。

表4 不同行駛速度與升降控制頻率的棉花打頂率

Table 4 The rate of cutting with difficult speed and control frequency %

由表4可知：行駛速度1.16km/h時(shí)，提升控制脈沖頻率為80 000Hz打頂率最高，達(dá)78.3%；行駛速度1.56km/h時(shí)，提升控制脈沖頻率為12 000Hz打頂率最高，達(dá)85.0%；行駛速度2.20km/h時(shí)，提升控制脈沖頻率為18 000Hz打頂率最高，達(dá)81.7%。

通過上述數(shù)據(jù)可知：棉花打頂機(jī)的打頂行駛速度1.56km/h、提升控制脈沖頻率12 000Hz時(shí)，準(zhǔn)確率最高，可計(jì)算該條件下其作業(yè)效率為0.36hm2/h。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了能夠?qū)崿F(xiàn)單體仿形棉花打頂機(jī)構(gòu)，建立了基于PLC的伺服控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)采用超聲波傳感器對(duì)棉花頂端進(jìn)行檢測(cè)，配置可設(shè)置旋切速度、打頂高度及升降控制頻率等參數(shù)的觸控顯示屏；以PLC為主控制器，通過脈沖控制升降與旋切伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)打頂，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)對(duì)打頂機(jī)運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)控及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

打頂試驗(yàn)表明：采用雙刀打頂方式較單刀更為可靠穩(wěn)定；打頂升降響應(yīng)試驗(yàn)驗(yàn)證了升降控制脈沖發(fā)送頻率與棉花打頂機(jī)的行進(jìn)速度的正相關(guān)性，測(cè)得該棉花打頂機(jī)作業(yè)效率達(dá)到0.36hm2/h，打頂準(zhǔn)確率達(dá)到85%，基本滿足棉花打頂作業(yè)要求。

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Abstract： In order to accelerate process of mechanization of cotton top-cutting in China, this paper introduces the design of 3MD-3 cotton top-cutting machine based on PCL，including 3 sets of independent profiling mechanism of top-cutting and 1 sets of servo control system. The control system of cotton top-cutting machine can set height, speed and other parameters of top-cutting through the touch screen. With the data from the position sensors detected the top of cotton, the PLC servo control system control the top-cutting Machine to cut the top of cotton automatically. The field experiments tested the reliability of the structure using double knives to cut the top of cotton. Experimental results also showed the relationship between the working speed and the control frequency of servo. When the working speed was 0.36 hm2/h, the accuracy rate of top-cutting reached 85%.

ID:1003-188X(2017)01-0087-EA

Design and Experiment of Cotton Top-cutting Machine Based on PLC

Xie Qing，Shi Lei，Zhang Yutong，Wang Hong，Chen Changlin，Sun Yongfei，Huang Mingsen

(Nanjing Institute of Agricultural Mechanization, Ministry of Agriculture，Nanjing 210014，China)

agricultural machinery; cotton; control systems; top-cutting; PLC

2015-12-21

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201203057)；“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAD08B02)；中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新工程項(xiàng)目(2015ZL027)

謝 慶(1989-) ，男，江西贛州人，碩士研究生，(E-mail)xieqing431@126.com。

石 磊(1963-)，男，西安人，研究員，(E-mail)shileijsnj@126.com。

S224.9

A

1003-188X(2017)01-0087-05