林俊輝

(廣州航海學(xué)院，廣東 廣州 510725)

引言

得益于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與普及，我國(guó)農(nóng)戶所能接觸、應(yīng)用到的聯(lián)合收割機(jī)也從既有的小型化、功能單一化機(jī)械設(shè)備逐步朝向大型智能化、通用化的方向發(fā)展。現(xiàn)階段農(nóng)戶所操控的收割機(jī)不僅在收割效率方面有所提升，同時(shí)也大大降低了漏割、漏糧行概率，并且在操作流暢性、駕駛舒適性、機(jī)械可靠性方面也有所升級(jí)。為在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升聯(lián)合收割機(jī)電器控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與實(shí)效性，本次研究以PLC為主要控制器，提出了一種新型液壓式聯(lián)合收割機(jī)電氣控制系統(tǒng)，其在使用方面能夠進(jìn)一步提升收割機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及降低糧食損失，期望能為農(nóng)業(yè)事業(yè)的發(fā)展提供一份助力。

1 聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)原理

聯(lián)合收割機(jī)有別于功能單一的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械，其同時(shí)具備收割、脫粒、分離莖稈、清除農(nóng)作物雜物、儲(chǔ)存并運(yùn)輸谷物顆粒等多項(xiàng)功能。現(xiàn)階段市面上可見的聯(lián)合收割機(jī)產(chǎn)品種類較多，針對(duì)農(nóng)產(chǎn)品種類、農(nóng)田類別、農(nóng)田面積大小以及農(nóng)業(yè)作業(yè)性質(zhì)方面的差異可分為自走輪式全喂入收割機(jī)、自走履帶式全喂入/半喂入收割機(jī)、懸掛式收割機(jī)等。盡管現(xiàn)階段市面上可選擇的聯(lián)合式收割機(jī)種類多樣，但其核心作業(yè)原理卻大相徑庭[1]。實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，聯(lián)合式收割機(jī)通常會(huì)以農(nóng)作物的壟為方向前進(jìn)，并在前進(jìn)過(guò)程中利用割刀割掉農(nóng)作物的秸稈，同時(shí)利用系統(tǒng)自帶的1～3條輸送鏈條將農(nóng)作物的秸稈運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢眠M(jìn)行脫粒。而脫粒裝置在接收到農(nóng)作物秸稈后將會(huì)主動(dòng)開啟脫粒，過(guò)程中會(huì)輔以分離裝置，將農(nóng)作物的雜物以及莖稈分離，并將農(nóng)作物的谷粒完整運(yùn)輸、儲(chǔ)存至相應(yīng)的儲(chǔ)存?zhèn)}中，以此完成整體收割作業(yè)。這一過(guò)程中，聯(lián)合收割機(jī)的動(dòng)力分離主要依靠其液壓升降系統(tǒng)，農(nóng)戶駕駛收割機(jī)的過(guò)程中，一旦將其收割臺(tái)提升至高于農(nóng)作物的高度時(shí)，收割機(jī)的B型三角帶便會(huì)立即停止工作，在割刀以及輸送帶缺乏柴油機(jī)動(dòng)力輸入的情況下也會(huì)自動(dòng)進(jìn)入到休眠狀態(tài)[2]。

2 收割機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)事業(yè)對(duì)效率、質(zhì)量的要求越來(lái)越高，因而需要借助聯(lián)合收割機(jī)這一種多功能一體化的機(jī)械平臺(tái)，在收割、運(yùn)輸、儲(chǔ)存等各類執(zhí)行系統(tǒng)的相互配合下實(shí)現(xiàn)高效率的糧食收割作業(yè)。但聯(lián)合收割機(jī)內(nèi)部的執(zhí)行作動(dòng)系統(tǒng)數(shù)量較多，整體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，想要發(fā)揮其收割優(yōu)勢(shì)，便需要對(duì)其內(nèi)部的各項(xiàng)執(zhí)行作動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)化控制，以保障其能協(xié)同作業(yè)。而這就要求執(zhí)行作動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)以及液壓缸達(dá)到相應(yīng)的技術(shù)水平[3]。以小麥這一農(nóng)作物為例，為實(shí)現(xiàn)對(duì)小麥秸稈的高效收割與脫粒、儲(chǔ)存，可參考表1、表2的內(nèi)容對(duì)聯(lián)合收割機(jī)執(zhí)行作動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)技術(shù)以及液壓缸技術(shù)進(jìn)行調(diào)試。

表1 馬達(dá)技術(shù)要求參數(shù)表

表2 液壓缸技術(shù)要求參數(shù)

2.2 多執(zhí)行器統(tǒng)一調(diào)配實(shí)踐方法

為貼合當(dāng)下農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的作業(yè)需求，適應(yīng)不同情境下的農(nóng)作物收割特點(diǎn)，要求聯(lián)合收割機(jī)具備切割、脫粒、輸送等多元化的功能。在此情況下，整體聯(lián)合收割機(jī)控制系統(tǒng)內(nèi)部的執(zhí)行器數(shù)量也會(huì)有所增加且不同部件對(duì)排量、壓力以及形成方面的要求差異較大[4]。為實(shí)現(xiàn)聯(lián)合切割機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行要求，要求在設(shè)計(jì)電氣控制系統(tǒng)的過(guò)程中，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能以及效率、集成程度等進(jìn)行宏觀考慮并優(yōu)化設(shè)計(jì)。

電氣控制系統(tǒng)主要包含收割、位置調(diào)整以及行走3大機(jī)構(gòu)，其中收割電器控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)在收割機(jī)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)小麥等谷物類農(nóng)作物進(jìn)行切稈、壓倒以及切割等任務(wù)；位置調(diào)整電氣控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)在不同情境下對(duì)聯(lián)合收割機(jī)內(nèi)部各類執(zhí)行作動(dòng)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的位置進(jìn)行調(diào)整，以保障整體機(jī)器能夠適應(yīng)不同的作業(yè)環(huán)境，開展穩(wěn)定且安全的收割作業(yè)；行走電氣控制系統(tǒng)則是實(shí)現(xiàn)整體聯(lián)合收割機(jī)在田地間穩(wěn)定行走的核心模塊，其在使用過(guò)程中的具體功能包含前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎以及后退等各類行走動(dòng)作[5]。

現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)領(lǐng)域講究高效率、低能耗、高穩(wěn)定性的作業(yè)模式，這也對(duì)聯(lián)合機(jī)的功能提出了更高的要求。為實(shí)現(xiàn)多元功能于一體的聯(lián)合機(jī)結(jié)構(gòu)要求其作動(dòng)系統(tǒng)能夠在同一時(shí)間滿足過(guò)程壓力、液壓缸、退行速度等各方面的參數(shù)調(diào)整要求。因此，在設(shè)計(jì)電氣控制系統(tǒng)的過(guò)程中，需要基于不同執(zhí)行驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)性能需求以及系統(tǒng)集成度、收割機(jī)整體作業(yè)效率與質(zhì)量等不同的角度對(duì)整體電氣控制系統(tǒng)的運(yùn)行功能進(jìn)行精細(xì)化調(diào)整與優(yōu)化。重點(diǎn)需完善聯(lián)合收割機(jī)電器控制系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中各組件的配合合理性與科學(xué)性。針對(duì)此，為保障聯(lián)合收割機(jī)各執(zhí)行作動(dòng)系統(tǒng)能夠被統(tǒng)一調(diào)控，本次研究特選擇集中控制的方法對(duì)該系統(tǒng)功能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。其原理結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 聯(lián)合收割機(jī)原理結(jié)構(gòu)圖

利用集中控制方式的電氣控制系統(tǒng)需要依靠單個(gè)電源實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)執(zhí)行器的能量供給[6]。但由于這個(gè)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中不同執(zhí)行器的排量、壓力以及速度等參數(shù)方面的需求存在差異，因此需要利用負(fù)載敏感技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)多執(zhí)行器動(dòng)作的協(xié)調(diào)統(tǒng)一設(shè)計(jì)。通常情況下，負(fù)載名單系統(tǒng)可分為定量泵以及變量泵2種機(jī)制，其中，定量泵負(fù)載敏感系統(tǒng)是利用負(fù)載反饋信號(hào)直線對(duì)系工作與泄荷的一種機(jī)制；而變量泵負(fù)載敏感系統(tǒng)則是利用負(fù)載信號(hào)反饋控制變量泵的整體排量。運(yùn)行過(guò)程中定量泵負(fù)載敏感系統(tǒng)通常會(huì)保持切割機(jī)內(nèi)所有執(zhí)行器的最大速度。而后依照?qǐng)?zhí)行器中的最大流量參數(shù)值對(duì)定量泵的排量值進(jìn)行設(shè)定，這一過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生溢流損失，進(jìn)而影響到整體系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量；反觀變量泵負(fù)載敏感系統(tǒng)，其在面對(duì)不同排量需求的情況下，主要依賴于負(fù)載敏感多路閥的反饋壓力值機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)泵排量的控制。相較而言，利用變量泵負(fù)載敏感系統(tǒng)更能夠避免因流量過(guò)剩而引起的整機(jī)發(fā)熱問(wèn)題，并且該系統(tǒng)也具備較好的節(jié)能效果，因此本文所設(shè)計(jì)的聯(lián)合收割機(jī)電器系統(tǒng)主要采用了比例回路型變量泵負(fù)載敏感系統(tǒng)。

3 基于PLC的聯(lián)合收割機(jī)電氣控制系統(tǒng)

液壓式聯(lián)合收割機(jī)整體電氣系統(tǒng)的控制方案見圖2。本文所涉及收割機(jī)電器系統(tǒng)的核心控制器采用西門子S7-300，其將在收割機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中對(duì)輸送裝置、行走裝置以及傳動(dòng)系統(tǒng)等進(jìn)行統(tǒng)一控制。

圖2 聯(lián)合收割機(jī)電器系統(tǒng)控制機(jī)制示意圖

為實(shí)現(xiàn)PC對(duì)聯(lián)合收割機(jī)電器系統(tǒng)的控制，本次根據(jù)聯(lián)合收割機(jī)電器系統(tǒng)整體控制方案以及所采用液壓系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種具備集中式收集優(yōu)勢(shì)的電氣控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。該系統(tǒng)人機(jī)交互界面中包含對(duì)整機(jī)開關(guān)、各組件控制、各傳感器調(diào)整等操控模塊，駕駛?cè)藛T在具體的作業(yè)過(guò)程中點(diǎn)擊某一模塊后，該模塊便會(huì)向PLC控制器輸送指定信號(hào)，并在控制自己完成信息采集后，經(jīng)過(guò)細(xì)致的融合計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)整體收割機(jī)的電氣控制。

圖3 聯(lián)合收割機(jī)集中式電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 行走驅(qū)動(dòng)馬達(dá)設(shè)計(jì)

3.1.1 馬達(dá)異常保護(hù)設(shè)計(jì)

假設(shè)在收割機(jī)作業(yè)過(guò)程中受到路面打滑、剎片等問(wèn)題的影響，導(dǎo)致其行走驅(qū)動(dòng)馬達(dá)一直處于超負(fù)荷工作狀態(tài)，并有可能引發(fā)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的過(guò)載以及過(guò)熱問(wèn)題。通常情況下，為維持收割機(jī)整體電氣控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)將整體電氣控制系統(tǒng)的溫度始終控制在120℃以下，即使出現(xiàn)短時(shí)間的過(guò)載以及過(guò)熱問(wèn)題，也不得使系統(tǒng)的溫度超過(guò)150℃。一旦系統(tǒng)溫度超過(guò)150℃的閾值，相應(yīng)的溫度傳感裝置便會(huì)發(fā)送溫度超標(biāo)報(bào)警信號(hào)，而PLC中心控制器接收到此類信號(hào)后，便會(huì)控制系統(tǒng)進(jìn)入到整機(jī)休眠狀態(tài)。在溫度恢復(fù)120℃以下之前無(wú)法進(jìn)行工作。除此之外，假設(shè)系統(tǒng)內(nèi)的其他馬達(dá)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)內(nèi)部功能異常亦或是功率失常等問(wèn)題的情況，不同部件所對(duì)應(yīng)的傳感器也會(huì)于第一時(shí)間向PLC中心系統(tǒng)傳輸報(bào)警信號(hào)，并在人機(jī)交互界面中顯示具體的報(bào)警信息以提醒收割機(jī)駕駛?cè)藛T進(jìn)行檢修操作。

3.1.2 主控馬達(dá)參數(shù)設(shè)計(jì)

為保障收割機(jī)的整體運(yùn)行質(zhì)量，在對(duì)主控馬達(dá)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，嚴(yán)格參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及各機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)閾值合理應(yīng)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。具體聯(lián)合收割機(jī)主控馬達(dá)機(jī)構(gòu)方面的參數(shù)設(shè)計(jì)詳情見表3。

表3 主控馬達(dá)電機(jī)控制參數(shù)

3.2 PLC設(shè)計(jì)

3.2.1 硬件設(shè)計(jì)

為優(yōu)化聯(lián)合收割機(jī)的實(shí)際作用機(jī)制，需要保障其電氣控制系統(tǒng)以相對(duì)更快的反應(yīng)速度在同一情境下完能對(duì)收割、位置調(diào)整以及信號(hào)燈、照明等多個(gè)子系統(tǒng)的宏觀控制。具體的I/O控制模式見表4。

表4 電氣控制系統(tǒng)I/O控制模式

為滿足聯(lián)合收割機(jī)后續(xù)的維修以及更新需求，在PLC控制器的選擇方面需要留有一定余量。對(duì)此，本次研究選擇利用西門子所生產(chǎn)的S7-300PLC控制器。

3.2.2 軟件設(shè)計(jì)

聯(lián)合收割機(jī)電氣控制系統(tǒng)依靠形成開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中各類動(dòng)作到位信號(hào)的收集，同步輔以光偶隔離裝置將各類信號(hào)統(tǒng)一輸送給PLC中心控制器進(jìn)行信號(hào)處理。這一環(huán)節(jié)中所采用的光電偶合傳感器能夠?qū)β?lián)合收割機(jī)中的各類輸出以及輸入信號(hào)起到較好的隔離功能，從而避免信號(hào)失真、混淆以及保障系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。電氣控制系統(tǒng)PLC的主程序流程如下。

初始化PLC中心控制器；基于行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)程序控制行走機(jī)構(gòu)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)收割機(jī)的前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎與后退；基于割臺(tái)切稈?cǎi)R達(dá)程序控制割臺(tái)實(shí)現(xiàn)上升與下降；基于刀盤馬達(dá)程序控制刀盤旋轉(zhuǎn)；基于一級(jí)、二級(jí)喂入馬達(dá)控制已切割谷物進(jìn)入到脫粒機(jī)構(gòu)；基力控制程序?qū)⒐任锩撾x莖稈并清除雜物，得到干凈谷粒；基于卸糧控程序?qū)⒐攘＾D(zhuǎn)移至臨時(shí)儲(chǔ)存裝置中以待移交到指定儲(chǔ)存地點(diǎn)。

4 控制系統(tǒng)測(cè)試

為明確本文所提出聯(lián)合收割機(jī)電氣控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、運(yùn)行效率以及可靠性等應(yīng)用效果。特選取某小麥種植田進(jìn)行實(shí)際小麥?zhǔn)崭钤囼?yàn)。試驗(yàn)所選取小麥品種為“新麥18”，該品種小麥成熟后的莖高可達(dá)66cm以上，平均麥穗長(zhǎng)度在7cm左右，單穗谷物重量可達(dá)2.06g，產(chǎn)量可達(dá)558.3kg·667m-2，其產(chǎn)量相較市面上常見的“豫麥49號(hào)”而言平均每667m2可增產(chǎn)3.2%?？芍噍^于傳統(tǒng)品種而言，該品種小麥的平均密度更高、收割難度更大。因而選擇本品種開展收割機(jī)性能試驗(yàn)所得的試驗(yàn)結(jié)果更具實(shí)際參考價(jià)值。設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)間為3h，試驗(yàn)開始后，駕駛本文所設(shè)計(jì)聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行收割作業(yè)，過(guò)程中重點(diǎn)對(duì)聯(lián)合收割機(jī)的電氣控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、報(bào)警系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性以及各類參數(shù)的實(shí)際數(shù)值進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析。在3h試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，聯(lián)合收割機(jī)的整體運(yùn)行效果并未出現(xiàn)顯著異常情況，且上述3方面試驗(yàn)參數(shù)皆表現(xiàn)良好，未出現(xiàn)顯著的波動(dòng)與故障。因此，可證明本次研究中所提出設(shè)計(jì)思路的科學(xué)性與可靠性，同時(shí)也揭示了該電器系統(tǒng)的持續(xù)研究與推廣應(yīng)用價(jià)值。

除去對(duì)上述3方面參數(shù)的觀測(cè)外，在實(shí)際收割作業(yè)中同步對(duì)聯(lián)合收割機(jī)的切稈刀具以及一級(jí)、二級(jí)喂入裝置的轉(zhuǎn)速、壓力泵壓力數(shù)據(jù)等進(jìn)行采集與分析，整體采集時(shí)長(zhǎng)為200s。這一時(shí)間范圍內(nèi)，聯(lián)合收割機(jī)的切稈刀具以及一級(jí)、二級(jí)喂入裝置的整體轉(zhuǎn)速始終保持平穩(wěn)狀態(tài)，試驗(yàn)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)顯著試驗(yàn)環(huán)節(jié)中，聯(lián)合收割機(jī)的運(yùn)行時(shí)速為2.5km·h-1，切稈刀具的平均轉(zhuǎn)速為730r·min-1。整個(gè)過(guò)程中并未發(fā)現(xiàn)麥漏割以及漏糧的問(wèn)題，試驗(yàn)過(guò)程中的損失率始終保持在3%以下。基于此，可知本次研究所提出基于PLC的聯(lián)合收割機(jī)電器控制系統(tǒng)能夠比較好地完成對(duì)各收割組件的控制，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率的收割作業(yè)。由此也驗(yàn)證了其電氣控制系統(tǒng)的可靠性與使用價(jià)值。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文在闡述傳統(tǒng)液壓式聯(lián)合收割機(jī)工作原理的基礎(chǔ)上PLC可編程控制器為收割機(jī)電子控制系統(tǒng)的核心控制裝置?；诼?lián)合收割機(jī)電器控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求出發(fā)，對(duì)本次研究所提出的PLC聯(lián)合收割機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路進(jìn)行闡述。結(jié)合實(shí)際效能試驗(yàn)可知，本文所提出的聯(lián)合切割機(jī)電氣控制系統(tǒng)在切割機(jī)政執(zhí)行作業(yè)的過(guò)程中，并未出現(xiàn)顯著的運(yùn)行異常情況。利用該聯(lián)合切割機(jī)對(duì)小麥田進(jìn)行收割的過(guò)程中所產(chǎn)生的小麥損失率不足3%，這一情況充分驗(yàn)證了本文所提出電氣控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。希望相關(guān)學(xué)者能以本次研究為基礎(chǔ)，對(duì)PLC聯(lián)合收割機(jī)電氣控制系統(tǒng)開展持續(xù)的研究與創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以此強(qiáng)化科學(xué)技術(shù)對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)事業(yè)發(fā)展的促進(jìn)力，推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新。