尤興芹 王國強(qiáng) 單 宇 陳國泰 盧元成

（江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，江蘇泰州 225300）

目前，國內(nèi)在稻麥?zhǔn)斋@過程中主要依靠駕駛員的經(jīng)驗(yàn)來避免秸稈夾帶固體顆粒對(duì)收獲機(jī)械部件（如割刀、脫粒元件等）造成的損害，對(duì)駕駛員要求較高，加上農(nóng)村青壯勞動(dòng)力日益減少，熟練駕駛?cè)藛T短缺，難以有效降低收獲機(jī)械故障率、提高收獲機(jī)械工作效率和滿足收獲機(jī)械智能化的要求。為此，研發(fā)收獲機(jī)械智能控制技術(shù)，提高田間作物收獲的自動(dòng)化水平，已成為當(dāng)前農(nóng)機(jī)收獲領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-3]。

收獲機(jī)械作業(yè)過程中很大一部分損失是割臺(tái)工作參數(shù)調(diào)整不當(dāng)造成的。在割臺(tái)損失率檢測(cè)方面，蘭心敏等[4]對(duì)比分析了現(xiàn)行割臺(tái)損失率測(cè)定方法（如床土收集清選水洗法、田土培植數(shù)苗法和接樣布接樣法等）的局限性和不足之處，提出了割臺(tái)損失率的接樣槽測(cè)定方法及其注意事項(xiàng)。針對(duì)稻麥割臺(tái)兼收油葵時(shí)割臺(tái)損失率高的問題，黃小毛等[5]在對(duì)油葵種植模式和植株性狀進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種帶落粒回收裝置的油葵專用割臺(tái)試驗(yàn)臺(tái)架，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)的靈活調(diào)節(jié)。為研究割臺(tái)各工作部件碰撞打擊引起的油菜產(chǎn)量損失，楊 毅等[6]對(duì)撥禾輪轉(zhuǎn)速、撥禾輪水平位置、撥禾輪垂直位置等3個(gè)影響割臺(tái)損失率的因素進(jìn)行了單因素和多因素田間試驗(yàn)，結(jié)果表明，上述3個(gè)因素對(duì)割臺(tái)損失率的影響大小為撥禾輪轉(zhuǎn)速>撥禾輪垂直位置>撥禾輪水平位置，得到最優(yōu)參數(shù)組合，即當(dāng)撥禾輪轉(zhuǎn)速18 r/min、撥禾輪水平位置500 mm、撥禾輪垂直位置1 200 mm時(shí)，割臺(tái)損失率為1.85%。在割臺(tái)智能控制方面，國外對(duì)收獲機(jī)械技術(shù)與裝備研究較早，普遍采用了大量智能調(diào)節(jié)和操縱系統(tǒng)，例如輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)和作業(yè)速度自動(dòng)控制系統(tǒng)等，具有代表性的產(chǎn)品有Kubota履帶式全喂入聯(lián)合收割機(jī)（WRH1000C）的 KSAS系統(tǒng)、John Deere公司S系列聯(lián)合收割機(jī)（S680）的 Harvest Smart TM 系統(tǒng)、Case（2388）的AFS系統(tǒng)、CLAAS公司LEXION系列聯(lián)合收割機(jī)（LEXION780）的 CEBIS 系統(tǒng)、Massey Ferguson 公司的Fieldstar系統(tǒng)以及Case IH公司的AFS系統(tǒng)等；國內(nèi)聯(lián)合收割機(jī)撥禾輪驅(qū)動(dòng)與控制多以鏈條傳動(dòng)和手動(dòng)調(diào)節(jié)為主，無法實(shí)現(xiàn)撥禾輪轉(zhuǎn)速、水平位置及垂直位置等參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，且沒有設(shè)計(jì)用于收集黏附于莖稈的固體顆粒預(yù)收集檢測(cè)裝置。

本文設(shè)計(jì)了收獲機(jī)械智能割臺(tái)預(yù)收集控制裝置及其信息管理系統(tǒng)，用于完成整機(jī)運(yùn)動(dòng)工作部件信息監(jiān)測(cè)、顯示和存儲(chǔ)等功能，以減輕駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)探索提高收獲機(jī)械工作效率具有重要意義。

1 收獲機(jī)械智能割臺(tái)預(yù)收集裝置結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

收獲機(jī)械智能割臺(tái)預(yù)收集裝置主要由割臺(tái)、固體顆粒預(yù)收集裝置、測(cè)量弓架、輸送機(jī)構(gòu)（包括液壓馬達(dá)、輸送皮帶）以及CAN數(shù)據(jù)采集模塊等部分組成。其中，固體顆粒預(yù)收集裝置主要包括預(yù)收集箱、預(yù)收集箱壓力傳感器、割臺(tái)測(cè)量弓架角度傳感器等部分，樣機(jī)見圖1。

1.1.1 測(cè)量弓架設(shè)計(jì)。當(dāng)前割臺(tái)地面仿形有3種實(shí)現(xiàn)方式，即接觸式機(jī)械實(shí)現(xiàn)方式[7]、非接觸式傳感器探測(cè)[8-12]及機(jī)器視覺[13]等。非接觸式傳感器探測(cè)直接測(cè)量割臺(tái)離地高度，一般采用超聲波、紅外傳感器、光電式開關(guān)、磁感應(yīng)接近式開關(guān)、霍爾式開關(guān)等來實(shí)現(xiàn)，但該探測(cè)方式易受田間草稈、土塊等雜物影響。機(jī)器視覺方法通過圖像處理換算得到割臺(tái)離地高度，主要通過攝像頭采集收割機(jī)前方作物圖像，自動(dòng)識(shí)別作物的高度信息，以此調(diào)節(jié)割臺(tái)高度，但該方法不適用于倒伏作物，測(cè)量成本高，易受灰塵影響。為此，本文采用了接觸式機(jī)械實(shí)現(xiàn)方式，割臺(tái)測(cè)量弓架結(jié)構(gòu)主要由角度傳感器、地面仿形板、限位擋板及復(fù)位彈簧等構(gòu)成（圖2）。角度傳感器選擇上海歐牧電子科技有限公司生產(chǎn)的WDD-D30-360型角度傳感器，工作電壓 12 VDC，輸出信號(hào) 4～20 mA，IP65防護(hù)等級(jí)，完全能夠滿足需求。復(fù)位彈簧選擇304不銹鋼彈簧，線徑0.8 mm，長度100 mm。

1.1.2 固體顆粒預(yù)收集裝置設(shè)計(jì)。固體顆粒預(yù)收集裝置主要由壓力傳感器、連接件、電動(dòng)推桿和滑動(dòng)板等部件組成（圖3），其中：壓力傳感器選擇中諾傳力ZNHM-I型壓力傳感器，稱重范圍0～10 kg，工作電壓5 VDC，輸出信號(hào)4～20 mA；電動(dòng)推桿選擇日本IAI公司一體化閉環(huán)步進(jìn)伺服電動(dòng)缸，內(nèi)置遠(yuǎn)點(diǎn)，限位開關(guān)，速度可調(diào)，行程可調(diào)，行程50 mm，完全可以滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 固體顆粒預(yù)收集裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.1.3 CAN數(shù)據(jù)采集模塊選型。收獲機(jī)械共有15路脈沖信號(hào)（10路轉(zhuǎn)速信號(hào)，包括撥禾輪轉(zhuǎn)速、割臺(tái)攪龍轉(zhuǎn)速、輸送槽轉(zhuǎn)速、輔助喂入輪轉(zhuǎn)速、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、輸糧攪龍轉(zhuǎn)速、雜余攪龍轉(zhuǎn)速、卸糧攪龍轉(zhuǎn)速、振動(dòng)篩曲軸轉(zhuǎn)速等；3路損失信號(hào)，包括2路脫粒夾帶損失信號(hào)和1路清選損失信號(hào)；1路對(duì)地雷達(dá)速度信號(hào)；1路清選篩振動(dòng)頻率信號(hào)），通過CAN高速脈沖測(cè)頻模塊8514F采集；13路模擬量信號(hào)（包括2路割臺(tái)仿形角度信號(hào)、4路絲杠電機(jī)位移信號(hào)、1路給料箱開度信號(hào)、2路割幅寬度信號(hào)、1路撥禾輪升降位移信號(hào)、1路籽粒質(zhì)量流量信號(hào)、1路籽粒含水率信號(hào)和1路糧箱狀態(tài)信號(hào)），通過CAN高速脈沖測(cè)頻模塊8512H采集。采集到的信號(hào)通過CAN/以太網(wǎng)模塊、交換機(jī)和RS485總線實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與下位機(jī)、上位機(jī)信息交換。因此，選擇用于高速度測(cè)頻的8514F 3塊、用于模擬量采集的8512H 2塊，主要負(fù)責(zé)傳感器信息采集與數(shù)據(jù)傳輸，其主要技術(shù)參數(shù)見表1和表2。

表1 8514F主要技術(shù)參數(shù)

表2 8512H主要技術(shù)參數(shù)

1.1.4 以太網(wǎng)模塊設(shè)計(jì)。CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊主要完成CAN信號(hào)與RS485信號(hào)等轉(zhuǎn)換。CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊選擇的是深圳市天一廣聯(lián)科技有限公司生產(chǎn)的TC900E高能性能2路CAN-bus以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，支持CAN2.0A/B，端口互轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)見圖4。

圖4 CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊端口互轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)示意圖

1.2 工作原理及控制方法

1.2.1 工作原理。通過實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定，建立角度傳感器輸出電信號(hào)變化量與割臺(tái)離地高度、壓力傳感器輸出電信號(hào)變化量與預(yù)收集箱存儲(chǔ)狀態(tài)之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。當(dāng)田間地面高度變化時(shí)，割臺(tái)測(cè)量弓架角度傳感器輸出電信號(hào)經(jīng)主控制器處理后，與預(yù)設(shè)定值進(jìn)行比對(duì)，并輸送至顯示裝置。當(dāng)采集值在允許范圍內(nèi)時(shí)，收割機(jī)繼續(xù)工作；否則，按照采集值與設(shè)定值的差分信號(hào)調(diào)節(jié)割臺(tái)高度，并輸送至顯示裝置、聲光報(bào)警裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等進(jìn)行相應(yīng)控制動(dòng)作，以保持割臺(tái)高度恒定。當(dāng)檢測(cè)到預(yù)收集箱內(nèi)存儲(chǔ)狀態(tài)信號(hào)達(dá)到預(yù)設(shè)定值時(shí)（即75%的預(yù)收集箱），提示駕駛?cè)藛T就近于田間地頭卸載箱內(nèi)固體顆粒物；反之，繼續(xù)田間作業(yè)。

1.2.2 檢測(cè)與控制步驟。①檢測(cè)割臺(tái)底板離地高度是否符合設(shè)定值。當(dāng)檢測(cè)割臺(tái)底板離地高度符合設(shè)定值時(shí)，進(jìn)入滿載檢測(cè)步驟；當(dāng)檢測(cè)割臺(tái)底板離地高度不符合設(shè)定值時(shí)，調(diào)整割臺(tái)底板離地高度，之后再進(jìn)入滿載檢測(cè)步驟，同時(shí)啟動(dòng)聲光報(bào)警裝置。②當(dāng)檢測(cè)預(yù)收集箱裝滿時(shí)，驅(qū)動(dòng)預(yù)收集箱卸載裝填物，并進(jìn)入卸載檢測(cè)步驟；當(dāng)檢測(cè)預(yù)收集箱未裝滿時(shí)，預(yù)收集箱繼續(xù)收集裝填物，并返回步驟①，檢測(cè)割臺(tái)底板離地高度是否符合設(shè)定值。③當(dāng)檢測(cè)預(yù)收集箱卸載完畢時(shí)，關(guān)閉預(yù)收集箱；當(dāng)檢測(cè)預(yù)收集箱未卸載完畢時(shí)，驅(qū)動(dòng)預(yù)收集箱卸載裝填物，同時(shí)啟動(dòng)聲光報(bào)警裝置。

2 收獲機(jī)械智能信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

收獲機(jī)械智能割臺(tái)信息管理系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)見圖5，主要由上位機(jī)、下位機(jī)和總線傳輸系統(tǒng)構(gòu)成。其中，上位機(jī)由車載信息顯示觸摸屏（普洛菲斯12.1英寸工控機(jī)GP-4601T）和視頻檢測(cè)模塊12.1寸高分V121XGA（V1）構(gòu)成，用于完成整機(jī)運(yùn)動(dòng)工作部件信息監(jiān)測(cè)、顯示、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)庫與智能調(diào)控算法編寫；總線傳輸系統(tǒng)主要由CAN總線、以太網(wǎng)和RS485等組成，用于完成上、下位機(jī)信息交互功能；下位機(jī)為西門子S7-1214C型PLC，主要完成割臺(tái)工作部件參數(shù)調(diào)控。

圖5 割臺(tái)預(yù)收集裝置作業(yè)信息監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)架構(gòu)圖

2.1 上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件采用普洛菲斯國際貿(mào)易有限公司提供的顯示屏組態(tài)軟件編寫，主要由割臺(tái)喂入、主要工作部件、作物參數(shù)、管理維護(hù)和幫助等部分組成，能夠?qū)⑹斋@機(jī)械田間作業(yè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于SD卡，方便日后大數(shù)據(jù)融合處理、控制模型建立與驗(yàn)證試驗(yàn)及故障信息特征值提取、故障判斷模型建立及故障預(yù)警機(jī)制制定。登錄界面主要完成用戶名、登錄密碼和登錄記錄是否保持等功能，登錄界面見圖6，割臺(tái)喂入高度設(shè)置見圖7。

圖6 登錄界面圖

圖7 割臺(tái)喂入高度設(shè)置

其中，割臺(tái)喂入部分主要完成割臺(tái)高度設(shè)定、測(cè)量弓架參數(shù)和預(yù)收集狀態(tài)信息等監(jiān)測(cè)；主要工作部件部分主要完成脫粒分離系統(tǒng)、清選系統(tǒng)、糧箱輸糧系統(tǒng)、碎草裝置的轉(zhuǎn)速、行進(jìn)速度、糧箱狀態(tài)信號(hào)、導(dǎo)流板角度、進(jìn)風(fēng)口角度、魚鱗篩開度、魚鱗篩振動(dòng)頻率、籽粒損失信號(hào)、籽粒含水率、籽粒含雜率及破碎率等的監(jiān)測(cè)、智能控制算法參數(shù)設(shè)定和電動(dòng)；作物參數(shù)部分的主要功能是當(dāng)符合收獲機(jī)械田間作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，根據(jù)不同作物種類、不同區(qū)域和不同環(huán)境條件，建立專家數(shù)據(jù)庫，確保最佳收獲效率與質(zhì)量；管理維護(hù)部分主要包括收獲機(jī)日常維護(hù)時(shí)間設(shè)定、主要工作部件維修時(shí)間設(shè)定和常見故障解決途徑查詢；幫助部分主要包括參數(shù)設(shè)定方法及步驟、登錄記錄密碼修改步驟、監(jiān)測(cè)周期設(shè)定方法和智能控制算法參數(shù)設(shè)定步驟等。

2.2 下位機(jī)軟件

PLC軟件主控制器采用西門子S7-1214C型PLC，運(yùn)行西門子內(nèi)置系統(tǒng)，編程軟件采用西門子公司的TIA Step7 V13 SP1完成。其中，CAN呼叫、CAN接受、預(yù)收集傳送帶測(cè)速及預(yù)收集推桿控制程序依次見圖8～11。

圖8 CAN呼叫

圖9 CAN接收

圖10 預(yù)收集傳送帶測(cè)速

圖11 預(yù)收集推桿控制程序

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了割臺(tái)固體顆粒預(yù)收集裝置，完成了田間收獲固體顆粒的收集；采用了接觸式機(jī)械實(shí)現(xiàn)方式，設(shè)計(jì)了割臺(tái)測(cè)量弓架，實(shí)現(xiàn)了割臺(tái)高度檢測(cè)；以普洛菲斯12.1英寸工控機(jī)GP-4601T和視頻檢測(cè)模塊12.1寸高分V121XGA（V1）為上位機(jī)，以西門子S7-1214C型PLC為下位機(jī)，開發(fā)了收獲機(jī)械信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了收獲機(jī)械作業(yè)過程實(shí)時(shí)監(jiān)控以及作業(yè)信息采集、顯示、存儲(chǔ)等功能。