侯文芳，胡 平，孫承庭

(1.蘇州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣與電子工程系，江蘇 蘇州 215200；2.南京工業(yè)大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 211800；3.連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，江蘇 連云港 222006)

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基于PLC的番茄收獲機(jī)電液調(diào)平系統(tǒng)設(shè)計

侯文芳1，胡 平2，孫承庭3

(1.蘇州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣與電子工程系，江蘇 蘇州 215200；2.南京工業(yè)大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 211800；3.連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，江蘇 連云港 222006)

電液調(diào)平系統(tǒng)是番茄收獲機(jī)正常運(yùn)行的核心，其優(yōu)良性直接決定機(jī)器割臺刀具和動力鏈的機(jī)械磨損率，同時對色選系統(tǒng)的效果也有較大影響。通過分析機(jī)器傾斜角范圍，確定系統(tǒng)作業(yè)環(huán)境壓力，設(shè)計和研究出了基于PLC的電液調(diào)平系統(tǒng)。采用PLC和電液控制技術(shù)，利用AMESim軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，對該系統(tǒng)的可行性和可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明：系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，調(diào)平時間短，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計要求，實(shí)際應(yīng)用前景比較廣泛。

番茄收獲機(jī)；電液調(diào)平；PLC；AMESim

0 引言

番茄栽培種植范圍廣，營養(yǎng)價值極高，在世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和貿(mào)易中占有重要地位。在我國，番茄的種植和加工早已實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，但收獲卻依然依靠勞動力。隨著外出務(wù)工人員的增多，農(nóng)村勞動力人口下降，導(dǎo)致勞力力成本上漲，因此實(shí)現(xiàn)番茄的機(jī)械化收獲可以緩解人工采摘導(dǎo)致的效率低、費(fèi)用高及收獲不及時等問題。電液調(diào)平系統(tǒng)是番茄收獲機(jī)的核心，其優(yōu)良性直接影響機(jī)器割臺刀具和動力鏈的機(jī)械磨損率，同時對色選系統(tǒng)的效果也有較大影響。本研究在對機(jī)器傾斜角范圍的分析上，設(shè)計研究了電液調(diào)平系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用前景比較廣泛，為番茄收獲機(jī)提供了研究依據(jù)。

1 電液調(diào)平系統(tǒng)設(shè)計思路

作為機(jī)器的重要組成部分，調(diào)平系統(tǒng)常常采用機(jī)電和液壓兩種方式。機(jī)電調(diào)平系統(tǒng)需要將電機(jī)作為控制執(zhí)行器件，直接將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；液壓調(diào)平系統(tǒng)則是先將電能轉(zhuǎn)化為液壓能，再由液壓能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，進(jìn)而驅(qū)動執(zhí)行器件進(jìn)行車身調(diào)平操作。由于本文研究的番茄收獲機(jī)配有斜坡移動系統(tǒng)，需要先將壓力轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，故選用液壓驅(qū)動系統(tǒng)。番茄收獲機(jī)電液調(diào)平結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.底盤 2.衡量 3、5 、8、9.液壓缸 4.橫梁與液壓缸支撐架相接處 6.車轎 7.液壓缸支撐架與車轎相接處

該電液調(diào)平系統(tǒng)采用車轎整體支撐的方式，車轎整體支架裝有兩個橫梁，兩橫梁組成平面與底盤平行，橫梁始末各配備一個液壓缸，且液壓缸上部與橫梁相接，下端與整體支架相接。果實(shí)通過傳送帶在機(jī)器上傳動，根據(jù)作業(yè)特點(diǎn)，只需要機(jī)身左右保持平衡。電液調(diào)平系統(tǒng)的傾斜角度由滑移角和左右擺動角決定，考慮番茄收獲作業(yè)特點(diǎn)，設(shè)置收獲機(jī)最大調(diào)平角為15°，大于15°時果實(shí)在傳輸帶上容易發(fā)生側(cè)滑，影響機(jī)器收獲效益。另外，為了盡量減少收獲期零部件磨損，延長機(jī)器的壽命，將機(jī)器最小調(diào)平角定為2°，即收獲機(jī)的調(diào)平范圍在2°～15°之間。

2 番茄收獲機(jī)液壓調(diào)平系統(tǒng)的設(shè)計

本文研究的番茄收獲機(jī)電氣控制模塊采用手自結(jié)合，以自動為主、手動為輔的控制模式。自動模式可以使調(diào)平系統(tǒng)具有快速響應(yīng)和精度高的特點(diǎn)，但當(dāng)番茄收獲機(jī)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜或者自動模式故障時，可以采用手動模式進(jìn)行調(diào)平控制，保證機(jī)器能夠正常運(yùn)行。本文采用三菱公司FX2N-48MT-D型號的PLC為核心控制器，該處理器具有40個I/O端子(24個輸入點(diǎn)、16輸出點(diǎn))，I/O點(diǎn)數(shù)余量適當(dāng)；系統(tǒng)采用梯形圖編程語言，簡單方便，開發(fā)周期短，可以實(shí)現(xiàn)在線修改，現(xiàn)場調(diào)試容易。

電液調(diào)平系統(tǒng)的執(zhí)行器件是機(jī)器能否高效準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)車身調(diào)平功能的關(guān)鍵所在，當(dāng)前工程應(yīng)用中常常采用機(jī)電和液壓兩種執(zhí)行器件。其中，機(jī)電式成本低、穩(wěn)定性好，但承載能力不足，不適用于大型設(shè)備，且在驅(qū)動過程中往往需要外接220V交流電源，要求比較高；而液壓式則有體積小、質(zhì)量輕、驅(qū)動能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可以用于以液壓作為驅(qū)動的大型設(shè)備中。由于該收獲機(jī)采用液壓驅(qū)動模式，調(diào)平速度和精度無特別要求。收獲機(jī)在作業(yè)過程中，可以自帶發(fā)動機(jī)產(chǎn)生低壓直流電源，若要外接220V交流電源則不宜實(shí)現(xiàn)，故本文研究的收獲機(jī)采用液壓式執(zhí)行元件。液壓式執(zhí)行元件主要包括液壓缸、液壓馬達(dá)等，常常需要將液壓能轉(zhuǎn)為機(jī)械能，驅(qū)動負(fù)載，實(shí)現(xiàn)負(fù)載的連續(xù)擺動，本番茄收獲機(jī)執(zhí)行元件為液壓缸。

電液調(diào)平系統(tǒng)接收到PLC控制器的信號后，驅(qū)動執(zhí)行器件調(diào)整機(jī)器，使其減少傾斜度，恢復(fù)水平，調(diào)平方式需要滿足以下幾點(diǎn)：①可以實(shí)現(xiàn)車身自動調(diào)平功能；②可以適應(yīng)機(jī)器自身結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)車身調(diào)平要求；③可以減少調(diào)平誤差，加大機(jī)器抗側(cè)翻能力。

番茄收獲機(jī)在采摘中，僅需要維持車身左右平衡，就可正常作業(yè)。根據(jù)機(jī)器整體結(jié)構(gòu)特性，采用四點(diǎn)支撐進(jìn)行調(diào)平操作，其受力分析如圖2所示。

圖2 四點(diǎn)支撐受力分析圖

從受力點(diǎn)分析，車身調(diào)平時應(yīng)遵循受力和力矩兩個平衡。4個直角點(diǎn)A、B、C、D為機(jī)器的受力支撐點(diǎn)，E為中心點(diǎn)。設(shè)機(jī)器質(zhì)量為G，AB兩點(diǎn)之間距離為a，AD兩點(diǎn)之間距離為b，設(shè)4個直角點(diǎn)受力為FA、FB、FC、FD，由物體受力平衡知

FA+FB+FC+FD=G

(1)

以B為原點(diǎn)，由受力平衡知

(2)

化簡后可得

(3)

當(dāng)車身重心位于中心時，每個支撐點(diǎn)受力為0.25G；當(dāng)不在中心、設(shè)在F點(diǎn)時，F(xiàn)點(diǎn)與AB邊之間距離為d，由受力平衡可知

(4)

化簡后有

(5)

電液調(diào)平系統(tǒng)在工作過程中，由于重心點(diǎn)不確定，會引起各支撐點(diǎn)受力不均的現(xiàn)象，某些支撐點(diǎn)受力大于0.25G，容易產(chǎn)生“虛腳”。

根據(jù)上文電液調(diào)平系統(tǒng)、執(zhí)行器件、控制器及電氣控制方式的選定，可以確定該系統(tǒng)的整體設(shè)計方案，如圖3所示。

圖3 電液調(diào)平系統(tǒng)設(shè)計方案方框圖

采用手自結(jié)合作為番茄收獲機(jī)調(diào)平系統(tǒng)控制模式，控制器PLC接收傾角傳感器采集的信號數(shù)據(jù)，驅(qū)動液壓執(zhí)行元件調(diào)平車身。整個系統(tǒng)采用四點(diǎn)支撐模式，并設(shè)定最小調(diào)平角的控制邏輯；當(dāng)機(jī)器正常作業(yè)時，傳感器采集車身傾斜數(shù)據(jù)給PLC控制器，控制器將信號與最小調(diào)平角相比，驅(qū)動液壓缸使機(jī)身實(shí)現(xiàn)水平。

3 番茄收獲機(jī)電液調(diào)平系統(tǒng)硬軟件設(shè)計

3.1 電液調(diào)平系統(tǒng)硬件設(shè)計

電液調(diào)平系統(tǒng)控制硬件主要由PLC、傳感器設(shè)備、輸入輸出、故障報警及指示燈等部分搭建而成。電液調(diào)平系統(tǒng)硬件框架如圖4所示。

PLC控制器只能進(jìn)行數(shù)字信號的采集和發(fā)送。PLC獲取信號時，開關(guān)量可以直接傳給 PLC；而傳感器采集的模擬信號需經(jīng)過AD轉(zhuǎn)化才能傳給PLC；在信號輸出一側(cè)，系統(tǒng)發(fā)生故障時， PLC會發(fā)出故障報警，并進(jìn)行相應(yīng)的指示；對液壓缸進(jìn)行驅(qū)動時，先需要將信號轉(zhuǎn)換為模擬量，然后通過電液比例轉(zhuǎn)換驅(qū)動液壓缸進(jìn)行車身調(diào)平動作。

圖4 電液調(diào)平系統(tǒng)硬件框架圖

3.2 電液調(diào)平系統(tǒng)軟件設(shè)計

電液調(diào)平系統(tǒng)軟件主要由信號采集和主控制兩部分組成。主控制部分是可編程邏輯控制器(PLC)根據(jù)車身傾斜程度決定是否需要采取調(diào)平動作，確定要調(diào)平時驅(qū)動液壓缸進(jìn)行調(diào)平操作；信號采集模塊則是對傾斜度、各支撐點(diǎn)位移數(shù)據(jù)的采集。軟件流程框架圖如圖5所示。

圖5 軟件流程框架圖

主控制部分的程序主要是檢測判斷車身傾角情況，并與設(shè)定值比較，進(jìn)而決定是否驅(qū)動液壓缸進(jìn)行調(diào)平操作,如圖6所示。

系統(tǒng)核心控制器PLC讀取傾角傳感器采集的傾角信號后，與設(shè)定值做對比，當(dāng)車身傾斜度在正常范圍時，說明機(jī)器可以正常運(yùn)行，不需要進(jìn)行任何驅(qū)動操作；當(dāng)傾斜度大于等于15°時，說明機(jī)器有發(fā)生滑移的潛在性，此時應(yīng)停止機(jī)器的運(yùn)行，進(jìn)行手動控制；當(dāng)傾斜度在 2°～15°之間時，機(jī)器將進(jìn)行自動調(diào)節(jié)模式。

圖6 主控制程序流程圖

4 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證電液調(diào)平系統(tǒng)的可行性和有效性，本文在AMESim軟件中建立了系統(tǒng)仿真模型，包括液壓泵、電液比例換向和液壓缸。其中，液壓泵和液壓缸模型參數(shù)示意圖分別如圖7和圖8所示。

圖7 液壓泵模型參數(shù)示意圖

圖8 液壓缸模型參數(shù)示意圖

番茄收獲機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜多變，為了仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確，設(shè)定其工作狀態(tài)為: 工作前，保持左前液壓缸(7號)位置為0.04 m，左后液壓缸(8號)的位置為0.01m，其他兩個在原始位置不變；設(shè)定仿真時間為5s，前2s由 PLC輸出正向驅(qū)動信號，然后暫停0.5s，再后面2.5s時間內(nèi)PLC輸出負(fù)向驅(qū)動信號。

仿真結(jié)束后，以左前液壓缸和右前液壓缸位移進(jìn)行分析，其曲線仿真結(jié)果如圖9、圖10所示。由圖9、圖10可知：左前液壓缸一直到4.5s才產(chǎn)生約0.024m的位移；而右前液壓缸位移不斷進(jìn)行，最后產(chǎn)生0.07m的位移，收獲機(jī)平衡度較高。因此，該電液調(diào)平系統(tǒng)具備左右調(diào)平功能，且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高，滿足番茄收獲機(jī)設(shè)計要求。

圖9 左前液壓缸位移曲線

圖10 左后液壓缸位移曲線

5 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)番茄收獲機(jī)車身自動調(diào)平功能，采用PLC和電液控制技術(shù)，設(shè)計和研究了電液調(diào)平系統(tǒng)，通過對執(zhí)行器件的分析確定，并利用AMESim軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性和可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該番茄收獲機(jī)電液調(diào)平系統(tǒng)在復(fù)雜的工作環(huán)境下，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，調(diào)平時間短，驗(yàn)證了收獲機(jī)的可行性、可靠性和工作效率。其抗干擾性強(qiáng)，可以有效節(jié)省作業(yè)時間，降低機(jī)器運(yùn)行的能量消耗，應(yīng)用前景廣闊，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

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Abstract： Electro-hydraulic proportional leveling system is the core of the tomato harvesting machine in normal operation, the excellent system directly determines the machine tool and the cutting platform of power chain mechanical wear rate. At the same time, the selection system of color effect is greatly influence. From the tilt angle range by analyzing the machine, it determined the system operating environment pressure, which designed the electro hydraulic leveling system based on PLC. This paper adopt PLC and electric hydraulic control technology to carry on the simulation experiment by using AMESim software. The feasibility and reliability of the system was validated and the results indicated that the system runs stably and leveling time is short, which can fully meet the requirements of the system design and application.

ID:1003-188X(2017)08-0220-EA

Design for Electro-hydraulic Leveling System of Tomato Harvesting Machine Based on PLC

Hou Wenfang1, Hu Ping2, Sun Chengting3

(1.Department of Electrical and Electronic Engineering, Suzhou college of Information Technology, Suzhou 215200, China; 2.Computer Science and Technology, Nanjing University of Technology, Nanjing 211800, China;3.School of Information Engineering, Lianyungang Technical College, Lianyungang 222006, China)

tomato harvester; electro-hydraulic leveling; PLC; AMESim

2016-05-05

江蘇省教育科學(xué)院項目(2015-R-43034)；連云港市級基金項目(SH1110)

侯文芳(1979-)，女，江蘇邳州人，講師，碩士，(E-mail)hwfcgh2015@sina.com。

S225.92

A

1003-188X(2017)08-0220-04