智能土槽測試系統的研制

張小明

摘要 智能土槽測試系統的研制對實現田間工況模擬具有非常重要的意義，為我國耕種機械高端技術的研究、產品部件和整機性能試驗研究提供先進的試驗平臺和檢測手段。本文介紹了土槽試驗臺整機結構、工作原理、液壓系統和重要工作部件的設計，通過測驗表明研制的土槽試驗設備不僅可以進行土壤工作部件的性能試驗研究（如犁、耙、開溝、旋耕、起壟、深松等常規機具），也可以為其他需要進行田間試驗的試驗裝置提供平臺，進行搭載試驗。

關鍵詞 智能；土槽試驗臺；測試系統；設計

中圖分類號 S220.5 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）19-0157-02

隨著科技的快速發展，土槽測試技術和臺車調控技術有了重大的突破并取得飛速進步，土槽試驗數據采集和處理可實時獲得試驗結果。土槽試驗在可靠控制的條件下進行，可全天候工作、可縮短研究周期、加快研究進度、提高測試精度，特別是通過土壤整理使土壤參數比田間條件均勻，可獲得更嚴格的調控。土槽試驗檢測系統的研制可作為機具田間試驗的補充、減少環境或自然條件的影響，能更容易地得到某些工作參數或土壤參數的影響規律[1-2]。

1 設計要求

農藝及工作條件要求土槽試驗臺能模擬田間工況，造就所需的土壤狀態，控制各種工作參數。對選定土壤工作部件或整機進行性能試驗研究或測定，為土壤工作部件的創新研究和現有部件的性能檢測提供準確的試驗手段。

2 整機結構及工作原理

2.1 整機結構

本試驗臺整機結構如圖1所示，主要由土槽、軌道、試驗臺車、無級調速牽引系統、無級調速動力輸出軸驅動系統、各種傳感器、上下位機測控系統、無線傳輸系統、拖鏈供電系統、土壤水分調節系統及液壓系統等組成。土槽試驗臺的設計參數如表1所示。

2.2 工作原理

智能土槽試驗臺的工作原理，即上位機通過無線傳送系統，向下位機發送設定的試驗參數和試驗指令；下位機根據上位機的參數和指令，控制臺車進行試驗并且實時采集數據，待試驗結束后向上位機傳送相關的試驗數據；上位機接受下位機上傳的試驗數據并且進行相應的處理，最后打印輸出試驗報表。在明晰此原理的基礎上進行科學操作，有助于提高試驗數據的準確度。

3 液壓系統的設計

土槽液壓系統包括電機、齒輪油泵、手動操縱閥、后懸掛升降液壓缸、油箱及配套附件、管路等（圖2、3）。主要用于升降測試機具和土壤恢復機具（包括旋耕機、平土鏟、鎮壓輪、壓實輥等），該液壓系統配置的液壓油泵為CBW-F316，排量為16 mL/r，額定壓力為20 MPa。液壓系統配置的手動操縱換向閥為三路，第1路操縱后懸掛農機具的上升、下降、中立位置和浮動位置；第2路和第3路為備用，可實現掛接機具的上升、下降和中立位置，也可驅動工作部件的旋轉。手動操作閥的流量為40 L/min，壓力為16 MPa。如果系統壓力需要提高，可調參數多路閥上配置的安全閥[3]，系統壓力最高允許P=20 MPa。

4 主要工作部件設計

主要工作部件的設計包括電控系統的設計和自動控制系統的軟、硬件設計。

4.1 電控系統的設計

試驗臺的主體結構為一個在軌道上運行的臺車。臺車兩側各設置1臺可橫向移動的小車，其中1臺小車專用于懸掛被測機具，為機具端；另1臺小車專用于懸掛土壤恢復部件，為恢復端。

土槽試驗臺車上共安有電機8臺，其中，牽引直流電機1臺，功率為22 kW，減速比為9.26；動力輸出直流電機1臺，功率為22 kW；液泵交流電機1臺，功率為7.5 kW；機具端和恢復端升降交流減速電機2臺，功率為2.2 kW，減速比為5，各設有限位開關2個，用于各自限位；機具端和恢復端橫移交流減速電機2臺，功率為0.4 W，減速比為50，各設有限位開關2個，用于各自限位；儀表升降交流電機1臺功率為90 W，設有限位開關2個，用于限位。

在機具端升降減速電機上安裝旋轉編碼器，以測量控制工作部件的垂直移動距離；在第5輪上安裝編碼器，用以測量臺車位移或速度；在機具端的動力輸出軸上安裝扭矩轉速傳感器，用以測量和控制動力輸出軸的扭矩和轉速。另外在機具端的懸掛裝置上還安裝六分力測力裝置，用于測量機具工作時的受力狀況。在機具端上還掛有一儀表升降平臺，用于測量土壤的堅實度和含水率。在恢復端還設有激光測距傳感器，用于測量土壤平整度。

臺車沿土槽軌道運行，土槽中間有長約20 m的測試段，兩端設置接近開關作為測試段的起始信號和結束信號，兩頭為緩沖段。試驗時，臺車啟動以起始信號作為測區起點，開始試驗并進行自動測量；一旦臺車觸發結束信號，即結束試驗。臺車用直流調速系統控制運行速度和動力輸出軸轉速；可利用計算機控制臺車運行速度和距離、動力輸出軸旋轉速度、機具端小車垂直升降機構高度定位；可手動控制臺車運行速度、動力輸出軸旋轉速度、小車垂直升降和橫向移動、液壓泵和閥門；臺車采用無線遙控裝置作為緊急停車開關，并可控制機具端的升降、橫移及儀表端的升降[4]。

4.2 自動控制系統的軟件、硬件設計

4.2.1 控制。控制分為下位機控制與上位機控制。為了達到抗干擾能力強、可靠性高、通用性好、功能完善和易于維護等要求，下位機控制系統采用了可編程自動化控制器進行對工作部件控制和數據采集。上位機采用臺式計算機。計算機的最低配置要求如下：Pentium 4處理器的IBM PC兼容計算機；Microsoft Windows 95/98/NT4.0 SP5/Windows2 000 SP2或Windows XP系統；128 Mb RAM；1G硬盤空間；VGA 256色顯示器；CD-ROM光驅；鼠標或其他指向裝置；一個標準RS-232接口。上位機使用組態軟件進行人界操作界面設計與編程。操作界面主要分為試車、標定、土壤檢測、土壤恢復、試驗5個功能模塊。通過組態軟件添加所要控制的設備驅動程序并與設備連接，而后建立畫面，通過建立的變量將指令發送給下位機，實現通過上位機給試驗設備設置參數、下達指令、獲取和處理試驗數據和繪制曲線等功能。

4.2.2 監視。為了更加直觀、清晰地觀察、監視整套試驗設備的運行情況并獲得良好的試驗記錄，本試驗設備采用了監控錄像系統，其中包括2臺監控攝像機和1臺監控計算機。2臺攝像機分別安裝于土槽兩端。分別監控機具端和恢復端的工作狀況。監控計算機可同時顯示2臺攝像機的動態及靜態實時圖像，并可儲存該記錄，以備今后查詢、調用。

4.2.3 通信。要實現試驗設備的自動控制，保證上、下位機的通信，必須在上、下位機之間建立數據傳輸介質。根據設計要求

下位機安裝于試驗臺車之上，而上位機位于實驗室恢復端側控制室內，兩者之間存在5～50 m的可變距離。在此試驗設備上使用了無線局域網的傳輸方式，無線網絡采用的是IEEE 802.11b標準，并通過TCP/IP協議使得上、下位機進行連接。經實際工況測試，實驗室內無線通信最高數據傳送率達到0.062 Mb/s，完全滿足所需的傳輸速率。由于無線網絡使用2.4 GHz的工作頻段，所以與直流電機及各種信號的等設備不會相互干擾。

4.2.4 數據處理。每次試驗結束后，會產生約3 500條數據，這些數據被寫入到已建立好的相應變量中。上位機依據Modbus/RTU和Modbus/TCP協議從下位機逐一將數據讀取、計算并保存于上位機的內部存儲器中。由于這些數據只能臨時存儲且無法查詢歷史數據記錄，因而建立了一個外部數據庫（支持ODBC訪問接口）用于數據傳輸，將數據永久存入電腦硬盤中。為了方便操作者分析、查詢、打印數據，使用Microsoft Access建立了一套試驗數據管理系統，使數據管理更為直觀、快捷。

5 結論

試驗臺可懸掛農機具部件或整機（小型）進行性能試驗，具有試驗數據自動采集功能；試驗臺裝有噴水裝置，根據實測的土壤含水率情況，控制灑水時間，調節土壤水分，具有土壤含水率調節功能；試驗臺可以對被測機具的耕深、運行速度、動力輸出軸驅動轉速進行自動控制；在試驗中，試驗臺能自動完成數據的測試和采集，并上傳至中央控制室里的上位機，最終形成報表。

6 參考文獻

[1] 吳儉敏，朱立成，米義，等.新型土槽試驗臺的研制[J].農機化研究，2011，33（3）：92-95.

[2] 鄭德聰，郭美蓉，段曉峰，等.農機土槽試驗系統掛接機構參數的調節及實現[J].山西農業大學學報（自然科學版），2006，26（4）：396-398.

[3] 潘世強，操子夫，趙婉寧，等.微型土槽試驗臺的優化設計與試驗[J].農機化研究，2015（10）：144-146.

[4] 于艷.農機土槽試驗臺的設計與研究[D].沈陽：沈陽農業大學，2011.