基于PLC伺服控制的棉花打頂機設計與試驗研究

謝 慶，石 磊，張玉同，王 紅，陳長林，孫勇飛，黃銘森

(農業部 南京農業機械化研究所，南京 210014)

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基于PLC伺服控制的棉花打頂機設計與試驗研究

謝 慶，石 磊，張玉同，王 紅，陳長林，孫勇飛，黃銘森

(農業部 南京農業機械化研究所，南京 210014)

為推動我國棉花打頂作業機械化發展進程，設計了基于PLC伺服控制的3MD-3型棉花打頂機，包括3套單體仿形的打頂機構及1套伺服控制系統。該棉花打頂機控制系統通過觸控屏設定棉花打頂高度及打頂速度等參數，結合傳感器獲取的棉株頂端位置，通過PLC控制打頂刀動作實現自動打頂。通過試驗，對比檢驗了雙刀打頂方式的可靠性，驗證了行駛速度與提升控制頻率間的正相關性。結果表明：該棉花打頂作業效率0.36hm2/h時，打頂的準確率可達到85%。

農業機械；農作物；控制系統；棉花打頂；PLC

0 引言

棉花打頂在棉花生產過程中去除棉花頂芯，可促進棉株結鈴結桃，是棉花豐產的關鍵環節。目前，棉花打頂主要有化控和物理打頂兩種解決方案，美國等農業發達國家與地區多通過化控方式[1]，即噴藥方式進行“打頂”；國內則多采用人工打頂方式[2]。由于化控打頂方式打頂可靠性欠佳，易受藥物、天氣等諸多因素影響，未在國內廣泛應用；而人工打頂這一物理打頂方式，其勞動強度大、作業效率低，成為制約我國棉花打頂乃至棉花生產種植全程機械化的一大障礙[3]。因此，本文致力于研究以機械代替人工的棉花打頂方式，結合可靠便捷的PLC控制技術，研制基于PLC控制的棉花打頂系統，實現提高打頂效率及降低作業成本的目的，進而促進增產增收。

1 棉花打頂機結構與原理

3MZ-3型棉花打頂機整體由1個主機架、3個打頂分體及1套控制系統組成，如圖1所示。主機架將各個部分連接為一個整體，打頂機可通過主機架上的掛接點掛接于拖拉機后方；3個分體通過4組U型螺栓固定于主機架上，可根據種植行距需要進行位置調整以適應不同棉花種植行距，各打頂分體可獨立控制工作。

1.打頂機分體 2.主機架 3.顯示操控柜 4.主控制柜

打頂機構是棉花打頂機的核心部件，主要由提升伺服電機、旋切伺服電機、齒輪齒條機構、提升平臺、刀軸與雙圓盤刀等組成，如圖2所示。作業時，啟動PLC伺服控制系統設置為自動打頂即可進行打頂。打頂時， PLC伺服控制系統通過控制提升伺服電機，并通過齒輪齒條機構經提升平臺，實現刀軸升降動作，從而實現打頂高度控制；同時控制系統可調節旋切伺服電機旋轉，通過皮帶傳動至刀軸，從而實現旋切動作。其中，旋切動作采用了兩套刀軸系統的雙刀打頂結構，且兩打頂刀軸采用1∶1.2的齒輪傳動，可保證對棉花頂端的可靠剪切，從而減少了漏切現象。

2 棉花打頂機控制系統

3MD-3型棉花打頂機采用了PLC伺服控制，通過棉花頂端檢測傳感器對棉花高度進行檢測，經PLC控制器進行打頂高度的計算控制，由伺服電機驅動器及電機執行，從而實現打頂高度的調控；通過觸控屏對打頂機刀轉速等進行設定，經PLC控制器控制旋切伺服電機驅動器及電機，實現旋切速度的精確控制。

1.提升伺服電機 2.減速器 3.齒輪齒條機構 4.導軌滑塊 5.主動皮帶輪 6.伺服電機 7.軸套 8.從動皮帶輪 9.主動齒輪 10.從動齒輪 11.刀軸 12.圓盤刀 13.滾針軸承 14.提升平臺

2.1 控制系統系統硬件

3MD-3型棉花打頂機控制系統主要由PLC主控制器、觸控顯示屏、行駛速度傳感器、棉花頂端檢測傳感器、提升伺服電機及旋切伺服電機等組成，如圖3所示。

圖3 控制系統結構圖

2.1.1 主控制器

3MD-3型棉花打頂機控制系統采用臺達DVP28SV型PLC作為控制核心，結合DVP-16SP型混合輸入輸出模塊、DVPSCM12型通訊模塊、DVP-04AD型A/D轉換模塊、DVP-04DA型D/A轉換模塊等模塊，共同組成該控制系統的主控制器。

臺達DVP28SV型PLC具有16K的程序存儲空間，具有16個輸入點與12個輸出點，可輸出200kHz高速脈沖信號，可滿足同時對多個伺服電機控制需求，能夠達到棉花打頂機控制的速度要求。DVP-16SP型混合輸入輸出模塊為PLC輸入輸出擴展模塊，提供8路輸入與8路輸出口。DVPSCM12型通訊模塊是PLC控制器與觸控屏的連接紐帶，其提供RS-422/485通訊方式，最高支持460 800bps傳輸速率，且各通訊口均采用光耦隔離，具有較強的抗干擾能力。A/D轉換模塊、D/A轉換模塊是PLC控制器常用的輸入輸出模塊，能夠解決棉花打頂機對不同傳感器等元件數字模擬信號的輸入輸出要求。

2.1.2 觸控屏與交互界面

3MD-3型棉花打頂機控制系統采用10寸的工控屏作為顯示操作屏幕，通過RS232通訊方式與PLC主控制器進行通訊。針對棉花打頂機設計了打頂機操控交互系統，包含操作畫面、狀態顯示及參數設置等交互界面，如圖4所示。通過觸控屏可以對棉花打頂高度、提升響應脈沖頻率、測距傳感器與打頂刀相對高度等關鍵參數進行設置。另外，該系統配置有數據存儲功能，可將實驗數據實時存儲在USB存儲介質中。

(a) 打頂機操控界面

(b) 操控畫面

(c) 狀態監控畫面

2.1.3 傳感器

棉花頂端檢測傳感器是棉花打頂機進行頂端仿形的基礎和關鍵，本文采用進口的UT20-700-AIM4型超聲波傳感器對棉株頂端位置進行檢測。該傳感器體積小巧，可設定測量范圍為80～680mm，輸出為4～20mA模擬信號。圖5為該超聲波傳感器測距特性圖。

圖5 超聲波傳感器測距特性

2.1.4 伺服電機系統

3MD-3型棉花打頂機采用具有絕對位置功能的臺達ECMA-CA0807型伺服電機及ASDA-A2型驅動器作為棉花打頂機提升與旋切的動力元件，其機械響應速度快，最高轉速可達3 000r/min，電機內部集成20位置編碼器，可實現位置與轉速的精確控制，滿足棉花打頂提升準確性及旋切速度要求。

2.2 控制軟件設計

棉花打頂機的控制軟件使用Delta WPLSoft軟件編制，并采用梯形圖指令來完成的。

2.2.1 控制流程

控制系統分為手動模式與自動模式兩大部分。手動控制模式下，棉花頂端傳感器對棉花高度進行檢測，并進行打頂；可設定打頂刀轉速，啟動打頂刀旋轉；可手動設定打頂刀升降距離，選擇提升或降低打頂刀高度；自動模式下，打頂刀根據設定的旋切速度進行旋轉，同時根據棉花頂端傳感器檢測的棉花頂端高度，計算獲得打頂刀升降的距離，從而通過脈沖控制提升伺服電機動作，實現打頂刀的升降。其控制流程如圖6所示。

2.2.2 關鍵參數

1)打頂刀升降高度計算。有

(1)

其中，Δh為打頂刀所在位置與棉花打頂切割位置的高度差(向下為正)(m)；H為設定的打頂高度(自棉花頂端向下計)(m)；h1為棉花頂端傳感器測得棉花頂端到傳感器的距離(m)； h0為打頂刀最高位置點與棉花頂端傳感器安裝的高度差(m)；h為打頂刀所在位置與其最高位置點間的高度差，(m)。

2)提升速度計算，有

(2)

3)控制脈沖數計算。有

(3)

其中，Δl為電機每個脈沖對應打頂刀升降的距離(通過實驗標定獲得)(m)；n為提升Δh所需的脈沖數。

4)棉花打頂機行進距離計算。有

l=v0Δt

(4)

其中，l為打頂刀提升Δt時間內打頂機行進的距離(mm)；v0為棉花打頂機的行進速度(m/s)。

為保證最佳的打頂效果，應滿足

l=L

(5)

其中，L為打頂刀與棉花頂端傳感器間安裝的水平距間距(mm)。

圖6 控制流程圖

5)伺服電機升降控制頻率。伺服電機升降控制頻率是決定打頂機升降響應速度的關鍵參數，根據伺服電機響應特性可知

(6)

其中，f為升降控制脈沖發送頻率(Hz)。

通過式(1)～式(5)可得

結合式(6)得

v0∝f

由此可得，升降控制脈沖發送頻率與棉花打頂機的行進速度正相關。由于該控制系統包含非線性的伺服控制，v0與f間建立顯性關系式較為困難，因此將通過試驗中進一步探究二者關系。

3 試驗研究

2015年8月在山東濱州選取了0.67hm2未打頂的棉花地作為試驗田，將3MD-3型棉花打頂機掛接于雷沃M1000H-D型拖拉機上進行試驗。棉花打頂現場圖如圖7所示。

圖7 棉花打頂現場圖

試驗前，首先檢測了該試驗田棉花的平均高度、頂芯平均長度、種植行距及種植密度等關鍵參數，詳見表1所示。由表1可見：棉花的頂端平均長度為83mm，因此試驗中將棉花打頂高度設置為83mm。

表1 試驗地棉花生長情況統計表

自棉株最高處至最高果枝枝節處長度。

3.1 打頂刀試驗

為檢測不同棉花打頂刀對打頂效果的影響，試驗采用了112、3、4齒3種打頂刀進行對比試驗研究。其中，112齒打頂刀外徑200mm，齒高10mm；3齒打頂刀外徑255mm，齒高65mm；4齒打頂刀外徑255mm，齒高40mm。試驗中，112齒刀使用雙刀軸系統，采用兩刀剪切方式打頂作業；3齒與4齒刀則采用單刀甩切方式，即在圖2所示結構中減少一套刀軸，安裝單把刀進行作業。對3種打頂刀不同旋切速度的切削效果進行了試驗，為防止因提升響應速度不足或過快造成的影響，將打頂高度均設定為150mm；切削成功率檢測時，僅檢測棉花頂端是否完全切斷，若完全切斷則判定為切削成功，并不針對打頂高度進行檢測。試驗統計結果如表2、表3所示。

表2 112齒雙刀不同轉速對切削效果

Table 2 The results of different cutting speed using double knives %

表3 3齒與4齒單刀不同轉速對切削效果

試驗過程中，采用雙112齒打頂刀、旋切速度取800r/min及1 000r/min時，機具振動和噪聲明顯增加；采用單3齒與4齒打頂刀在旋切轉速1 500r/min以上時，機具振動和噪聲明顯增加。

通過表2、表3可知：采用不同打頂刀，當轉速達到一定時，均可達到較好的切削效果；雙112齒打頂刀在旋切轉速500r/min以上時，切削成功率達到95%以上；采用單3齒與4齒打頂刀在旋切轉速1 200r/min以上時，切削成功率達到90%以上。

3.2 打頂升降響應實驗

棉花打頂機打頂刀升降響應速度是影響打頂效果的關鍵因素，在此以升降控制頻率作為升降響應速度的參考量，研究針對1.16、1.56、2.20km/h 3組行駛速度下，不同的提升控制頻率測定對打頂效果的影響。試驗采用雙112齒刀作為打頂刀具，打頂高度設置為83mm，測得的打頂率如表4所示。

表4 不同行駛速度與升降控制頻率的棉花打頂率

Table 4 The rate of cutting with difficult speed and control frequency %

由表4可知：行駛速度1.16km/h時，提升控制脈沖頻率為80 000Hz打頂率最高，達78.3%；行駛速度1.56km/h時，提升控制脈沖頻率為12 000Hz打頂率最高，達85.0%；行駛速度2.20km/h時，提升控制脈沖頻率為18 000Hz打頂率最高，達81.7%。

通過上述數據可知：棉花打頂機的打頂行駛速度1.56km/h、提升控制脈沖頻率12 000Hz時，準確率最高，可計算該條件下其作業效率為0.36hm2/h。

4 結論

設計了能夠實現單體仿形棉花打頂機構，建立了基于PLC的伺服控制系統。該控制系統采用超聲波傳感器對棉花頂端進行檢測，配置可設置旋切速度、打頂高度及升降控制頻率等參數的觸控顯示屏；以PLC為主控制器，通過脈沖控制升降與旋切伺服電機，實現自動打頂，同時可實現對打頂機運行參數的監控及數據存儲。

打頂試驗表明：采用雙刀打頂方式較單刀更為可靠穩定；打頂升降響應試驗驗證了升降控制脈沖發送頻率與棉花打頂機的行進速度的正相關性，測得該棉花打頂機作業效率達到0.36hm2/h，打頂準確率達到85%，基本滿足棉花打頂作業要求。

[1] 彭強吉，張明輝，胡斌，等.3MDZF-6型垂直升降式單體 仿形棉花打頂機的試驗研究[J].農機化研究，2014, 36(1): 170 -173.

[2] 周海燕，尹素珍，朱立成，等.3WDZ-6型自走式棉花打頂機設計[J].農業機械學報，2010，41(增刊)：87-89.

[3] 張明輝.棉花打頂機自動仿形升降控制系統的研究[D]. 石河子：石河子大學，2014.

[4] 楊旭海，張茜，胡斌.棉花打頂機打頂高度自動控制系的設計[J].農機化研究，2009，31(7)：129-131.

[5] 劉光輝，胡斌，楊旭海，等.棉花打頂機切割器高度自動控制系統的設計[J].農機化研究，2011,33(1)：115-118.

[6] 隋振有.電氣控制與PLC應用快速入門[M].北京：中國電力出版社，2012.[7] 張慧，張燕.基于PLC控制的小型割膠機的設計[J].農機化研究，2015，37(1)：168-170.

[8] 陳浩,劉振全,王漢芝.臺達PLC編程技術及應用案例[M]. 北京：化學工業出版社出版，2014.

[9] 薛濤，謝斌，毛恩榮，等.玉米去雄機去雄作業控制系統設計與試驗[J].農業工程學報，2015，31(4)：49-54.

Abstract： In order to accelerate process of mechanization of cotton top-cutting in China, this paper introduces the design of 3MD-3 cotton top-cutting machine based on PCL，including 3 sets of independent profiling mechanism of top-cutting and 1 sets of servo control system. The control system of cotton top-cutting machine can set height, speed and other parameters of top-cutting through the touch screen. With the data from the position sensors detected the top of cotton, the PLC servo control system control the top-cutting Machine to cut the top of cotton automatically. The field experiments tested the reliability of the structure using double knives to cut the top of cotton. Experimental results also showed the relationship between the working speed and the control frequency of servo. When the working speed was 0.36 hm2/h, the accuracy rate of top-cutting reached 85%.

ID:1003-188X(2017)01-0087-EA

Design and Experiment of Cotton Top-cutting Machine Based on PLC

Xie Qing，Shi Lei，Zhang Yutong，Wang Hong，Chen Changlin，Sun Yongfei，Huang Mingsen

(Nanjing Institute of Agricultural Mechanization, Ministry of Agriculture，Nanjing 210014，China)

agricultural machinery; cotton; control systems; top-cutting; PLC

2015-12-21

公益性行業(農業)科研專項(201203057)；“十二五”農村領域國家科技支撐計劃項目(2013BAD08B02)；中國農業科學院創新工程項目(2015ZL027)

謝 慶(1989-) ，男，江西贛州人，碩士研究生，(E-mail)xieqing431@126.com。

石 磊(1963-)，男，西安人，研究員，(E-mail)shileijsnj@126.com。

S224.9

A

1003-188X(2017)01-0087-05