基于PLC的番茄收獲機電液調平系統設計

侯文芳，胡 平，孫承庭

(1.蘇州信息職業技術學院 電氣與電子工程系，江蘇 蘇州 215200；2.南京工業大學 計算機科學與技術學院，南京 211800；3.連云港職業技術學院 信息工程學院，江蘇 連云港 222006)

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基于PLC的番茄收獲機電液調平系統設計

侯文芳1，胡 平2，孫承庭3

(1.蘇州信息職業技術學院 電氣與電子工程系，江蘇 蘇州 215200；2.南京工業大學 計算機科學與技術學院，南京 211800；3.連云港職業技術學院 信息工程學院，江蘇 連云港 222006)

電液調平系統是番茄收獲機正常運行的核心，其優良性直接決定機器割臺刀具和動力鏈的機械磨損率，同時對色選系統的效果也有較大影響。通過分析機器傾斜角范圍，確定系統作業環境壓力，設計和研究出了基于PLC的電液調平系統。采用PLC和電液控制技術，利用AMESim軟件進行仿真實驗，對該系統的可行性和可靠性進行了驗證，結果表明：系統運行穩定，調平時間短，完全滿足系統設計要求，實際應用前景比較廣泛。

番茄收獲機；電液調平；PLC；AMESim

0 引言

番茄栽培種植范圍廣，營養價值極高，在世界農業生產和貿易中占有重要地位。在我國，番茄的種植和加工早已實現機械化，但收獲卻依然依靠勞動力。隨著外出務工人員的增多，農村勞動力人口下降，導致勞力力成本上漲，因此實現番茄的機械化收獲可以緩解人工采摘導致的效率低、費用高及收獲不及時等問題。電液調平系統是番茄收獲機的核心，其優良性直接影響機器割臺刀具和動力鏈的機械磨損率，同時對色選系統的效果也有較大影響。本研究在對機器傾斜角范圍的分析上，設計研究了電液調平系統。該系統實際應用前景比較廣泛，為番茄收獲機提供了研究依據。

1 電液調平系統設計思路

作為機器的重要組成部分，調平系統常常采用機電和液壓兩種方式。機電調平系統需要將電機作為控制執行器件，直接將電能轉化為機械能；液壓調平系統則是先將電能轉化為液壓能，再由液壓能轉化成機械能，進而驅動執行器件進行車身調平操作。由于本文研究的番茄收獲機配有斜坡移動系統，需要先將壓力轉化為機械能，故選用液壓驅動系統。番茄收獲機電液調平結構圖如圖1所示。

1.底盤 2.衡量 3、5 、8、9.液壓缸 4.橫梁與液壓缸支撐架相接處 6.車轎 7.液壓缸支撐架與車轎相接處

該電液調平系統采用車轎整體支撐的方式，車轎整體支架裝有兩個橫梁，兩橫梁組成平面與底盤平行，橫梁始末各配備一個液壓缸，且液壓缸上部與橫梁相接，下端與整體支架相接。果實通過傳送帶在機器上傳動，根據作業特點，只需要機身左右保持平衡。電液調平系統的傾斜角度由滑移角和左右擺動角決定，考慮番茄收獲作業特點，設置收獲機最大調平角為15°，大于15°時果實在傳輸帶上容易發生側滑，影響機器收獲效益。另外，為了盡量減少收獲期零部件磨損，延長機器的壽命，將機器最小調平角定為2°，即收獲機的調平范圍在2°～15°之間。

2 番茄收獲機液壓調平系統的設計

本文研究的番茄收獲機電氣控制模塊采用手自結合，以自動為主、手動為輔的控制模式。自動模式可以使調平系統具有快速響應和精度高的特點，但當番茄收獲機作業環境復雜或者自動模式故障時，可以采用手動模式進行調平控制，保證機器能夠正常運行。本文采用三菱公司FX2N-48MT-D型號的PLC為核心控制器，該處理器具有40個I/O端子(24個輸入點、16輸出點)，I/O點數余量適當；系統采用梯形圖編程語言，簡單方便，開發周期短，可以實現在線修改，現場調試容易。

電液調平系統的執行器件是機器能否高效準確實現車身調平功能的關鍵所在，當前工程應用中常常采用機電和液壓兩種執行器件。其中，機電式成本低、穩定性好，但承載能力不足，不適用于大型設備，且在驅動過程中往往需要外接220V交流電源，要求比較高；而液壓式則有體積小、質量輕、驅動能力強的特點，可以用于以液壓作為驅動的大型設備中。由于該收獲機采用液壓驅動模式，調平速度和精度無特別要求。收獲機在作業過程中，可以自帶發動機產生低壓直流電源，若要外接220V交流電源則不宜實現，故本文研究的收獲機采用液壓式執行元件。液壓式執行元件主要包括液壓缸、液壓馬達等，常常需要將液壓能轉為機械能，驅動負載，實現負載的連續擺動，本番茄收獲機執行元件為液壓缸。

電液調平系統接收到PLC控制器的信號后，驅動執行器件調整機器，使其減少傾斜度，恢復水平，調平方式需要滿足以下幾點：①可以實現車身自動調平功能；②可以適應機器自身結構，實現車身調平要求；③可以減少調平誤差，加大機器抗側翻能力。

番茄收獲機在采摘中，僅需要維持車身左右平衡，就可正常作業。根據機器整體結構特性，采用四點支撐進行調平操作，其受力分析如圖2所示。

圖2 四點支撐受力分析圖

從受力點分析，車身調平時應遵循受力和力矩兩個平衡。4個直角點A、B、C、D為機器的受力支撐點，E為中心點。設機器質量為G，AB兩點之間距離為a，AD兩點之間距離為b，設4個直角點受力為FA、FB、FC、FD，由物體受力平衡知

FA+FB+FC+FD=G

(1)

以B為原點，由受力平衡知

(2)

化簡后可得

(3)

當車身重心位于中心時，每個支撐點受力為0.25G；當不在中心、設在F點時，F點與AB邊之間距離為d，由受力平衡可知

(4)

化簡后有

(5)

電液調平系統在工作過程中，由于重心點不確定，會引起各支撐點受力不均的現象，某些支撐點受力大于0.25G，容易產生“虛腳”。

根據上文電液調平系統、執行器件、控制器及電氣控制方式的選定，可以確定該系統的整體設計方案，如圖3所示。

圖3 電液調平系統設計方案方框圖

采用手自結合作為番茄收獲機調平系統控制模式，控制器PLC接收傾角傳感器采集的信號數據，驅動液壓執行元件調平車身。整個系統采用四點支撐模式，并設定最小調平角的控制邏輯；當機器正常作業時，傳感器采集車身傾斜數據給PLC控制器，控制器將信號與最小調平角相比，驅動液壓缸使機身實現水平。

3 番茄收獲機電液調平系統硬軟件設計

3.1 電液調平系統硬件設計

電液調平系統控制硬件主要由PLC、傳感器設備、輸入輸出、故障報警及指示燈等部分搭建而成。電液調平系統硬件框架如圖4所示。

PLC控制器只能進行數字信號的采集和發送。PLC獲取信號時，開關量可以直接傳給 PLC；而傳感器采集的模擬信號需經過AD轉化才能傳給PLC；在信號輸出一側，系統發生故障時， PLC會發出故障報警，并進行相應的指示；對液壓缸進行驅動時，先需要將信號轉換為模擬量，然后通過電液比例轉換驅動液壓缸進行車身調平動作。

圖4 電液調平系統硬件框架圖

3.2 電液調平系統軟件設計

電液調平系統軟件主要由信號采集和主控制兩部分組成。主控制部分是可編程邏輯控制器(PLC)根據車身傾斜程度決定是否需要采取調平動作，確定要調平時驅動液壓缸進行調平操作；信號采集模塊則是對傾斜度、各支撐點位移數據的采集。軟件流程框架圖如圖5所示。

圖5 軟件流程框架圖

主控制部分的程序主要是檢測判斷車身傾角情況，并與設定值比較，進而決定是否驅動液壓缸進行調平操作,如圖6所示。

系統核心控制器PLC讀取傾角傳感器采集的傾角信號后，與設定值做對比，當車身傾斜度在正常范圍時，說明機器可以正常運行，不需要進行任何驅動操作；當傾斜度大于等于15°時，說明機器有發生滑移的潛在性，此時應停止機器的運行，進行手動控制；當傾斜度在 2°～15°之間時，機器將進行自動調節模式。

圖6 主控制程序流程圖

4 仿真實驗與分析

為了驗證電液調平系統的可行性和有效性，本文在AMESim軟件中建立了系統仿真模型，包括液壓泵、電液比例換向和液壓缸。其中，液壓泵和液壓缸模型參數示意圖分別如圖7和圖8所示。

圖7 液壓泵模型參數示意圖

圖8 液壓缸模型參數示意圖

番茄收獲機工作環境復雜多變，為了仿真實驗結果準確，設定其工作狀態為: 工作前，保持左前液壓缸(7號)位置為0.04 m，左后液壓缸(8號)的位置為0.01m，其他兩個在原始位置不變；設定仿真時間為5s，前2s由 PLC輸出正向驅動信號，然后暫停0.5s，再后面2.5s時間內PLC輸出負向驅動信號。

仿真結束后，以左前液壓缸和右前液壓缸位移進行分析，其曲線仿真結果如圖9、圖10所示。由圖9、圖10可知：左前液壓缸一直到4.5s才產生約0.024m的位移；而右前液壓缸位移不斷進行，最后產生0.07m的位移，收獲機平衡度較高。因此，該電液調平系統具備左右調平功能，且系統運行穩定，可靠性高，滿足番茄收獲機設計要求。

圖9 左前液壓缸位移曲線

圖10 左后液壓缸位移曲線

5 結論

為了實現番茄收獲機車身自動調平功能，采用PLC和電液控制技術，設計和研究了電液調平系統，通過對執行器件的分析確定，并利用AMESim軟件進行仿真實驗，驗證了該系統的可行性和可靠性。實驗結果表明：該番茄收獲機電液調平系統在復雜的工作環境下，系統運行穩定，調平時間短，驗證了收獲機的可行性、可靠性和工作效率。其抗干擾性強，可以有效節省作業時間，降低機器運行的能量消耗，應用前景廣闊，完全滿足系統設計要求。

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Abstract： Electro-hydraulic proportional leveling system is the core of the tomato harvesting machine in normal operation, the excellent system directly determines the machine tool and the cutting platform of power chain mechanical wear rate. At the same time, the selection system of color effect is greatly influence. From the tilt angle range by analyzing the machine, it determined the system operating environment pressure, which designed the electro hydraulic leveling system based on PLC. This paper adopt PLC and electric hydraulic control technology to carry on the simulation experiment by using AMESim software. The feasibility and reliability of the system was validated and the results indicated that the system runs stably and leveling time is short, which can fully meet the requirements of the system design and application.

ID:1003-188X(2017)08-0220-EA

Design for Electro-hydraulic Leveling System of Tomato Harvesting Machine Based on PLC

Hou Wenfang1, Hu Ping2, Sun Chengting3

(1.Department of Electrical and Electronic Engineering, Suzhou college of Information Technology, Suzhou 215200, China; 2.Computer Science and Technology, Nanjing University of Technology, Nanjing 211800, China;3.School of Information Engineering, Lianyungang Technical College, Lianyungang 222006, China)

tomato harvester; electro-hydraulic leveling; PLC; AMESim

2016-05-05

江蘇省教育科學院項目(2015-R-43034)；連云港市級基金項目(SH1110)

侯文芳(1979-)，女，江蘇邳州人，講師，碩士，(E-mail)hwfcgh2015@sina.com。

S225.92

A

1003-188X(2017)08-0220-04