基于PLC的甘蔗收割機(jī)切深控制系統(tǒng)

李凱華，王增，麻芳蘭

（1.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西南寧530003；2.南寧學(xué)院，廣西南寧530200；3.西安交通大學(xué)，陜西西安710049，4.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西南寧530003）

設(shè)計技術(shù)

基于PLC的甘蔗收割機(jī)切深控制系統(tǒng)

李凱華1，2，王增3，麻芳蘭4

（1.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西南寧530003；2.南寧學(xué)院，廣西南寧530200；3.西安交通大學(xué)，陜西西安710049，4.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西南寧530003）

根據(jù)課題組前期的研究中發(fā)現(xiàn)的刀盤切深對甘蔗的宿根質(zhì)量具有明顯影響，及刀盤液壓馬達(dá)的負(fù)載壓力與切深之間存在顯著關(guān)系等規(guī)律。為了降低甘蔗宿根破頭率，基于西門子PLC的電液控制系統(tǒng)，通過實驗，分析了不入土與入土切割刀盤切深對液壓馬達(dá)負(fù)載壓力的影響關(guān)系特征，尋找到了切深臨界控制點（0，20mm）；通過抽樣調(diào)查統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)甘蔗的密度呈X～N（33.78，419.84）泊松分布，測試分析了提升油缸的響應(yīng)特性；在此基礎(chǔ)上，基于S200的PLC控制系統(tǒng)，提出了一種基于負(fù)載壓力閾值的切深控制的方案，進(jìn)行了系統(tǒng)的編程和設(shè)計及參數(shù)分析，為下一步的切深控奠定了基礎(chǔ)。

甘蔗收獲機(jī)械；入土切割；負(fù)載壓力；控制；PLC

甘蔗糖業(yè)是廣西的主要支柱產(chǎn)業(yè)之一，廣西的甘蔗糖業(yè)生產(chǎn)約占我國的糖業(yè)生產(chǎn)的60%.廣西甘蔗種植的蔗地大部分為丘陵地區(qū)，在推進(jìn)甘蔗生產(chǎn)全程機(jī)械化中，我區(qū)甘蔗種植地區(qū)的甘蔗收割機(jī)械化程度仍然較低，約占1%，其中一個主要原因就是切割后影響宿根質(zhì)量問題，甘蔗收獲機(jī)的刀盤的切割容易造成甘蔗宿根破頭開裂，一般甘蔗切割宿根破頭率為15%～20%左右，有的高達(dá)30%，影響到次年甘蔗出芽率［1］。目前國內(nèi)開發(fā)和引進(jìn)的國外收獲機(jī)中，無論哪種類型的切割機(jī)都難以回避這個問題。為此，C.P.Gupta等試驗研究了刀盤工作參數(shù)與切割損傷的關(guān)系［2］，J.razavi等通過擺動裝置研究了刀片和種植因素對甘蔗莖稈切割質(zhì)量的影響［3］，卿上樂、劉慶庭等對蔗莖進(jìn)行了力學(xué)建模和根茬破壞力學(xué)分析［4-6］；本課題組前期小型甘蔗收割機(jī)的研究也發(fā)現(xiàn)甘蔗切口破頭的概率和刀盤速度、切深等有關(guān)，其中最重要的是切深，入土一定深度的切割可以明顯降低破頭率［7］，可從15%以上降低至5%左右。國外甘蔗種植業(yè)的多數(shù)著名企業(yè)如凱斯的切段式切割機(jī)也采取入土切割，以減少破頭率，而且其甘蔗種植整體采取標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，某種程度上也減少了切深隨地形變化的幅度。

應(yīng)當(dāng)看到，丘陵地區(qū)甘蔗收割難度更大，丘陵地形的變化會帶來更多凹陷不平的地段，如果按照同樣標(biāo)準(zhǔn)入土切割，處在凹陷不平某些地段的甘蔗勢必會出現(xiàn)出土切割，而某些地段又容易入土太深。對小型甘蔗切割機(jī)而言，這會造成負(fù)載過大、堵塞刀盤旋轉(zhuǎn)，占用整體輸出功率。這就要求甘蔗收割機(jī)的入土深度能夠根據(jù)地段的凹凸特征自動調(diào)整，即建立甘蔗收割機(jī)入土切割控制系統(tǒng)。本文基于前續(xù)實驗，從切深-壓力關(guān)系的測量及液壓系統(tǒng)的控制兩方面入手，探討切深控制的可行方案。

1　刀盤切深與負(fù)載壓力的測量

本課題組的前期研究已經(jīng)明確發(fā)現(xiàn)刀盤切深對于宿根質(zhì)量的影響非常顯著。為了保證切深的可控性，需要一種直接或間接的控制指標(biāo)。相對于地輪仿形、激光測量等直接測量方式，刀盤的液壓馬達(dá)負(fù)載壓力是一個可取的間接測量的選擇，具有結(jié)構(gòu)簡潔、可靠度高等優(yōu)點，而且還兼顧了系統(tǒng)負(fù)載監(jiān)測的功能，所以測量較容易實現(xiàn)。

1.1實驗條件

采用本課題組與企業(yè)合作開發(fā)的第二臺小型整桿式甘蔗收獲機(jī)械，結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，與砍蔗相關(guān)的液壓系統(tǒng)包括切割器液壓馬達(dá)、刀盤提升液壓缸、刀架、電液比例閥、控制繼電器等。測試地點：欽州九隆鄉(xiāng)、陸屋鎮(zhèn)甘蔗地，甘蔗品種為粵糖-159，蔗地壟距為1.2 m，種植密度為7～16株/m；本實驗的刀盤負(fù)載壓力都是切割器轉(zhuǎn)速800 r/min、進(jìn)給速度約為0.4 m/s、剝?nèi)~輥轉(zhuǎn)速680 r/min輸送輥轉(zhuǎn)速200 r/min的情況下測得的。試驗?zāi)康氖茄芯康侗P不入土切割與入土切割、及切深對刀盤液壓馬達(dá)負(fù)載壓力的影響。

圖1　小型甘蔗收獲機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

1.2實驗原理

液壓系統(tǒng)的流體在較低速時符合伯努利方程，動壓較高則靜壓就會減少，反之則靜壓提升。本實驗采取的是靜壓測量，在刀盤入土切割較深時，液壓馬達(dá)遇到負(fù)載阻尼而使轉(zhuǎn)速下降，入口的流體流速下降，動壓就會下降，從而引起靜壓上升，通過液壓壓力傳感器可以靈敏地捕捉到這個趨勢。

數(shù)據(jù)采集原理及測量現(xiàn)場分別如圖2和圖3所示，由安裝在刀盤負(fù)載馬達(dá)入口上的壓力傳感器、A/D轉(zhuǎn)換模塊及數(shù)據(jù)采集卡、計算機(jī)幾個部分構(gòu)成。其中壓力傳感器和數(shù)據(jù)采集卡采用了雷諾公司和優(yōu)泰克公司的產(chǎn)品，具有多通道同時采集功能，可以在上位機(jī)通過專用軟件實時觀察記錄數(shù)據(jù)波形，還具有自動篩選峰值等功能及數(shù)據(jù)的存儲。

圖2　數(shù)據(jù)采集原理

圖3　測量現(xiàn)場

在蔣紅梅等人的研究中，測量到切深與壓力的線性關(guān)系［8］，線性相關(guān)度高達(dá)0.94；在蔡力等人的后續(xù)論文中，也測得切深和壓力的正相關(guān)特性，但在入土深度比較大的時候并非純線性［9，10］；在本文的現(xiàn)場實驗測試中，發(fā)現(xiàn)切深與壓力也基本呈現(xiàn)正相關(guān)。單因素實驗的實驗結(jié)果見表1所示，正交實驗的實驗統(tǒng)計結(jié)果見表2、3所示。圖4是切割壓力和深度的對應(yīng)關(guān)系圖，這里面的實驗是以甘蔗地進(jìn)行切割測試，安排了單因素和正交實驗，每組實驗5次重復(fù)實驗。

表1　單因素試驗統(tǒng)計

表2　正交實驗統(tǒng)計結(jié)果

表3　方差統(tǒng)計分析表

圖4　入土深度與壓力的關(guān)系曲線

刀盤切深的測量，是以刀盤正面刃口到土壤表層的平均垂直距離作為切深，而切割壓力的測試如前所述，是以刀盤液壓馬達(dá)的入口壓力作為測試的指標(biāo)，單因素實驗的統(tǒng)計結(jié)果如表1和圖4所示，正交實驗結(jié)果及方差分析如表2、3所示（其中，因素A為刀盤切割深度，B為甘蔗的根數(shù)）。

通過多項式擬合，得到下列壓力與入土深度的關(guān)系式（1），到相關(guān)系數(shù)為R2=0.87；

其中：

上述實驗結(jié)果表明：（1）入土切割較不如土切割時，負(fù)載壓力明顯增加；（2）刀盤切深對負(fù)載壓力具有高度顯著影響；（3）而且入土深度和壓力之間呈冪函數(shù)關(guān)系，前段20 mm的線性相關(guān)度較好，但在大于20 mm后段出現(xiàn)非線性的壓力-切深關(guān)系，所以這是和土壤相關(guān)的參數(shù)，每一塊土地的入土深度、壓力之間的關(guān)系都不完全一樣。

2　切深控制的可行性探討

由于切割時車輛是在行進(jìn)中，地塊隆起和凹陷的同時不斷伴隨有新的甘蔗被切割，所以需要了解控制系統(tǒng)是否能在切割兩簇甘蔗的時間間隔內(nèi)及時適應(yīng)切割深度變化，即需要知道車輛行進(jìn)速度、甘蔗的間隔分布狀況及提升油缸等執(zhí)行系統(tǒng)的響應(yīng)速度。其中，壟上甘蔗分布密度和提升油缸執(zhí)行系統(tǒng)的響應(yīng)延遲時間最為關(guān)鍵，以下針對此開展了相關(guān)的實驗。

2.1甘蔗種植密度的統(tǒng)計實驗

根據(jù)課題組前期在陸屋和久隆田間調(diào)查統(tǒng)計，甘蔗品種為粵糖-159，發(fā)現(xiàn)陸屋的甘蔗生長簇間距為0.4 m，壟間距1.2 m，平均每簇有5根甘蔗，采用機(jī)器種植。而久隆甘蔗為人工種植，在久隆選取不同地塊的8塊蔗地，然后進(jìn)行統(tǒng)計測量簇間距及每簇甘蔗的生長根數(shù)。總計68組簇間距，假設(shè)簇間距為隨機(jī)變量X，根據(jù)獨立同分布中心極限定理，可得甘蔗的分布密度為：X～N（33.78，419.84）的泊松分布，概率密度函數(shù)為以下公式（2），分布曲線如圖5所示。

圖5　甘蔗簇間距分布曲線

綜合求均值得到如下結(jié)果：平均簇間距為33.78 cm，每簇甘蔗根數(shù)為3根，生長密度為每米7根。

2.2液壓系統(tǒng)響應(yīng)參數(shù)測試

原車切深控制液壓系統(tǒng)無電子測量元件，由繼電器、電液比例閥、提升液壓缸構(gòu)成，通過按鈕控制電液比例閥、驅(qū)動提升液壓缸從而改變切深。

從前面實驗可以得出，通過液壓系統(tǒng)的壓力可以控制切深，雖然液壓系統(tǒng)的壓力能被監(jiān)測到，但通過電液比例閥控制提升液壓缸從而改變切深的過程，需要一定的時間。

所以切深能否成功作為控制指標(biāo)還取決于提升缸液壓系統(tǒng)的響應(yīng)速度是否夠快，或者啟動的延遲時間夠短。

控制系統(tǒng)主要由電子測量系統(tǒng)、PLC、電液比例閥、提升液壓缸構(gòu)成。由于電子測量系統(tǒng)和PLC對輸入壓力信號的轉(zhuǎn)換和響應(yīng)速度非常之快，由它們造成的延遲可以忽略，主要的啟動延遲時間就是提升缸液壓系統(tǒng)的響應(yīng)時間，包括電液比例閥從接收到通電信號到流體開始流通、建立壓力、提升缸脫離靜摩擦開始運(yùn)動的時間。

為測量這個延遲時間設(shè)計了一個實驗，測量提升缸液壓系統(tǒng)的入口壓力及提升缸壓力響應(yīng)波形。實驗采取人工向液壓系統(tǒng)發(fā)出液壓缸升降電控信號的方法，觀測提升缸的壓力的變化，檢測其壓力響應(yīng)速度的情況和從上升的啟動時刻到壓力呈現(xiàn)穩(wěn)定的勻速運(yùn)動所需時間。

提升油缸壓力響應(yīng)波形如圖6所示。從圖6可知，從液壓系統(tǒng)的性質(zhì)來說，其壓力響應(yīng)在電磁閥開啟、缸開始運(yùn)動前呈現(xiàn)上升趨勢，而在缸勻速運(yùn)動后趨向穩(wěn)定的壓力平臺。

圖6　提升缸壓力響應(yīng)波形

從上圖中可見，每個壓力脈沖上升沿的維持時間約為200 ms，對于甘蔗切割機(jī)平均每秒不大于0.4 m的行進(jìn)速度，及兩簇甘蔗間距平均約為0.34～0.4 m，液壓執(zhí)行系統(tǒng)在兩簇甘蔗之間應(yīng)約有1 s的時間，所以提升缸完全可以在收割兩簇甘蔗之間的時間間隔內(nèi)完成從接收信號到啟動的整個液壓提升機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的執(zhí)行過程，由此表明，通過液壓系統(tǒng)的壓力來控制甘蔗收割機(jī)的切深是有可行性的。

3　刀盤切深控制方案的設(shè)計

3.1控制原理

從上述壓力-切深關(guān)系出發(fā)，可以設(shè)計一個PID控制系統(tǒng)，采用刀盤負(fù)載壓力閾值控制的原理，利用PLC根據(jù)刀盤負(fù)載壓力閾值范圍來控制切深的功能。設(shè)計采用西門子S200系列的PLC，將壓力輸入信號轉(zhuǎn)換為電信號，之后采用轉(zhuǎn)換的信號作為PLC的控制依據(jù)。控制系統(tǒng)構(gòu)成方案框圖如圖7、圖8、圖9所示。在控制系統(tǒng)中采用的是壓電型傳感器，壓力轉(zhuǎn)換為電信號后在0～9 V之間，控制系統(tǒng)的指標(biāo)是根據(jù)壓力、切深對應(yīng)關(guān)系（1）得來，即把壓力信號作為切深控制信號來使用，基本上屬于典型的PID控制系統(tǒng)。

由上述實驗可知，當(dāng)切割器未入土，空載情況下液壓馬達(dá)驅(qū)動切割器轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速達(dá)到800 r/min時，通過測壓口得到壓力為6.0 MPa；當(dāng)田間試驗切割器入土20 mm時，壓力達(dá)到9.0 MPa.同時，根據(jù)入土切割理論的研究可知，切割器入土20 mm時，從地表0 mm處向下20 mm甘蔗受的彎矩及變形最小，如果入土過深，就會導(dǎo)致馬達(dá)壓力過大，而當(dāng)液壓馬達(dá)允許的最大壓力值大于12 MPa時，就容易損壞有關(guān)液壓元件。綜上分析可知：可通過刀盤入土切割負(fù)載壓力的閾值控制來達(dá)到刀盤切深的自動控制，即選取入土切割切深的臨界控制點為0、20 mm，其對應(yīng)切割器的負(fù)載壓力應(yīng)保持在6～9 MPa這個范圍內(nèi)。此時刀盤所受負(fù)載較為合理，甘蔗蔗徑所受內(nèi)力及變形也較小，并且也能夠保證整機(jī)及部件、元件的正常工作。

當(dāng)甘蔗收獲機(jī)在田間工作時，首先打開電源總開關(guān)，控制系統(tǒng)開始初始化，同時切割器開始轉(zhuǎn)動，傳感器開始監(jiān)測刀盤負(fù)載壓力信號，如果刀盤負(fù)載壓力沒有在6～9 MPa這個區(qū)間內(nèi)，那么就開始控制提升缸活塞桿外伸，割臺就跟著下降，直到入土切割后，刀盤負(fù)載壓力達(dá)6 MPa時，通過控制系統(tǒng)進(jìn)行閾值控制，就可以正常操作機(jī)器按切深的控制要求進(jìn)行甘蔗收割。

3.2基于S200系列PLC的設(shè)計

選用S200系列的PLC可編程控制器，設(shè)計的控制單元與液壓回路連接如圖7所示，編程示意圖如圖8-9所示。

圖7　控制系統(tǒng)簡圖

圖8　模擬量轉(zhuǎn)數(shù)字量

（續(xù)下圖）

圖9　割臺控制程序

圖9（a）為判斷采集的數(shù)據(jù)，如果大于0小于6 MPa時，控制缸延時100 ms下降。

圖9（b）為判斷采集的數(shù)據(jù)，如果大于9 MP時，控制缸延時100 ms上升；

圖9（c）為判斷采集的數(shù)據(jù)，如果等于0 MPa時，控制缸延時1 s上升。

工作流程如下：當(dāng)甘蔗收割機(jī)開到蔗地里，打開切割器驅(qū)動馬達(dá)回路的電磁閥，然后打開控制電路的總開關(guān)，傳感器和控制單元都通電。傳感器就開始采集數(shù)據(jù)，這時由于切割器未入土，所以當(dāng)采集到的壓力大于0 MPa、小于6 MPa，這個時候采集到的模擬量電信號經(jīng)過控制單元的判斷，然后發(fā)出信號，讓內(nèi)部的晶體管開關(guān)閉合，接在Q 0.0于L+上面的外部電路通電，外部電路驅(qū)動提升缸回路的電磁閥，電磁閥控制提升缸活塞桿伸出，整個割臺隨著下降，并且這個動作執(zhí)行100 ms，割臺下降一定值。緊接著傳感器再次采集數(shù)據(jù)，然后再次判斷，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)大于6 MPa大于9 MPa，則刀盤提升油缸控制在正常的范圍工作；當(dāng)采集的數(shù)據(jù)大于9.0 MPa，那么接在Q 0.1上的外部電路通電，外部電路驅(qū)動提升缸回路電磁閥，電磁閥控制提升油缸動作，割臺上升，并且持續(xù)100 ms；然后就不斷重復(fù)執(zhí)行以上的采集判斷程序。

從控制系統(tǒng)的角度來說，這個響應(yīng)的壓力曲線是一種有限長階躍響應(yīng)，可以通過z變換或傅立葉變換得到其頻率響應(yīng)，但因為流體的壓力和流速、液壓缸的位移之間還不能直接按正比換算，所以作為控制系統(tǒng)需要得到的是更進(jìn)一步直接的位移（切深）與時間的響應(yīng)曲線，這有待進(jìn)一步研究。

4　結(jié)束語

（1）本文通過切深和宿根質(zhì)量的關(guān)系討論了切深控制的必要性，通過實驗測試刀盤馬達(dá)切深與負(fù)載壓力的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)切深對負(fù)載壓力具有顯著影響的關(guān)系。

（2）通過對甘蔗地的抽樣調(diào)查，得到甘蔗密度的泊松分布規(guī)律，即X～N（33.78，419.84）泊松分布。完成了提升油缸的液壓壓力響應(yīng)測試，標(biāo)明基于負(fù)載壓力閾值來控制切深的可行。

（3）建立了通過馬達(dá)負(fù)載壓力間接控制刀盤切深的閾值控制方法，選擇入土切割深度的負(fù)載壓力閾值臨界控制點選取6～9 MPa，以保持對應(yīng)于切割器的負(fù)載壓力范圍的切深控制在0～20 mm的范圍；

（4）設(shè)計了以PLC為核心的電液控制系統(tǒng)方案，編制和仿真了有關(guān)控制程序，并且為進(jìn)一步改進(jìn)壓力測量和切深控制奠定了基礎(chǔ)。

［1］區(qū)穎剛.我國甘蔗生產(chǎn)機(jī)械化發(fā)展戰(zhàn)略研究［C］.2011年甘蔗產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇，中國作物學(xué)會甘蔗專業(yè)委員會14次學(xué)術(shù)討論會論文集（廣東）.廣東：廣州甘蔗糖業(yè)研究所，2011：220-229.

［2］Gupta CP，Oduori M F.Design of the Revolving Knife-Type Sugarcane Basecutter［J］.American Society of Agriculture Engineer，1992，35（6）：1747-1752.

［3］J.razavi，M.kardany，A.masoumi.Effects of some cutting blades and plant factors on specific cutting energy of sugar cane stalk.IIth CIGR，Hosted by the Canadian Society for Bioengineering（CSBE/SCGAB）Québec City，Canada June 13-17，2010.

［4］曾志強(qiáng)，區(qū)穎剛，解福祥，等.切斷式甘蔗聯(lián)合收獲機(jī)的試驗與分析［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2012，34（9）：164-166.

［5］卿上樂，區(qū)穎剛，劉慶庭.土壤支撐下甘蔗莖稈的內(nèi)力和變形［J］.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，10（36）：109-113.

［6］劉慶庭，區(qū)穎剛，卿上樂，等.光刃刀片切割甘蔗莖稈時根茬破壞力學(xué)分析［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2007，38（9）：51-55.

［7］賴曉.丘陵地區(qū)甘蔗收獲機(jī)高剛性砍蔗系統(tǒng)研究［D］.南寧：廣西大學(xué)，2012.

［8］蔣紅梅廣西大學(xué)碩士論文，2016.6.小型甘蔗收獲機(jī)傳動系統(tǒng)的設(shè)計與研究，廣西大學(xué)碩士論文，2012.6.

［9］蔡力.甘蔗收割機(jī)切刀負(fù)載壓力測試及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測［D］.南寧：廣西大學(xué)，文，2016.

［10］趙靜.甘蔗收獲機(jī)械切割系統(tǒng)負(fù)載壓力影響因素的研究［D］.南寧：廣西大學(xué)，文，2015.

The Research on a Cutting Depth Control System for a Sugarcane Harvester based on PLC

LI Kai-hua1，2，WANG Zeng3，MA Fang-lan4，
（1.College of the Electrical Engineering of Guangxi University，Nanning 530004，China；2.College of Mechanical，Electronic and Quality Engineering，Naning 530200，China；3.Transportation University of Xi'an，Xi'an Shaanxi 710049，China；4.The College of the Mechanical Engineering of Guangxi University，Naning 530003，China）

It is founded by former researches of the team that the cutting depth has obvious effect on the cutting quality of canes and there is a notable relation between the press of the cutter's hydro-motor and the cutting depth.Based on the electrical-hydraulic control system，the author in this paper analyzed the feature effect of the cutting depth on the load press of the hydro-motor by a series experiments and decided critical control points of the depth.The massive distribution of the canes is about the Passion Distribution by the field investigation.The feature responded of the lifting cylinder is measured and analyzed.Then，it is designed a control system for cutting depth via load press by means of S200 PLC based on PID.The programming design and relative parameters analyses are carried on.It is provided the foundation of the future research on the cutting depth control.

sugarcane harvester；depth cutting；load press；control；PLC

TP273；S225

A

1672-545X（2016）08-0001-06

2016-05-12

國家自然科學(xué)基金（項目批準(zhǔn)號：51465004）；國家科技部科技人員服務(wù)企業(yè)項目（2009GJE10008）；廣西高校臨海機(jī)械裝備設(shè)計制造及控制重點實驗室課題（GXLH2014KF-04）

李凱華（1985-），廣西人，碩士研究生，教師，研究方向：控制工程；王崢，博士研究生，研究方向:機(jī)械電子工程；麻芳蘭，博士，副教授，碩士導(dǎo)師，研究方向：機(jī)械設(shè)計制造及自動化。