PLC技術下聯合收割機電氣控制系統設計

林俊輝

(廣州航海學院，廣東 廣州 510725)

引言

得益于農業生產領域科學技術的不斷發展與普及，我國農戶所能接觸、應用到的聯合收割機也從既有的小型化、功能單一化機械設備逐步朝向大型智能化、通用化的方向發展。現階段農戶所操控的收割機不僅在收割效率方面有所提升，同時也大大降低了漏割、漏糧行概率，并且在操作流暢性、駕駛舒適性、機械可靠性方面也有所升級。為在此基礎上進一步提升聯合收割機電器控制系統的穩定性與實效性，本次研究以PLC為主要控制器，提出了一種新型液壓式聯合收割機電氣控制系統，其在使用方面能夠進一步提升收割機系統的穩定性以及降低糧食損失，期望能為農業事業的發展提供一份助力。

1 聯合收割機作業原理

聯合收割機有別于功能單一的傳統農業機械，其同時具備收割、脫粒、分離莖稈、清除農作物雜物、儲存并運輸谷物顆粒等多項功能。現階段市面上可見的聯合收割機產品種類較多，針對農產品種類、農田類別、農田面積大小以及農業作業性質方面的差異可分為自走輪式全喂入收割機、自走履帶式全喂入/半喂入收割機、懸掛式收割機等。盡管現階段市面上可選擇的聯合式收割機種類多樣，但其核心作業原理卻大相徑庭[1]。實際作業過程中，聯合式收割機通常會以農作物的壟為方向前進，并在前進過程中利用割刀割掉農作物的秸稈，同時利用系統自帶的1～3條輸送鏈條將農作物的秸稈運輸到指定位置進行脫粒。而脫粒裝置在接收到農作物秸稈后將會主動開啟脫粒，過程中會輔以分離裝置，將農作物的雜物以及莖稈分離，并將農作物的谷粒完整運輸、儲存至相應的儲存倉中，以此完成整體收割作業。這一過程中，聯合收割機的動力分離主要依靠其液壓升降系統，農戶駕駛收割機的過程中，一旦將其收割臺提升至高于農作物的高度時，收割機的B型三角帶便會立即停止工作，在割刀以及輸送帶缺乏柴油機動力輸入的情況下也會自動進入到休眠狀態[2]。

2 收割機電氣控制系統設計

2.1 整體結構設計

現代化農業生產事業對效率、質量的要求越來越高，因而需要借助聯合收割機這一種多功能一體化的機械平臺，在收割、運輸、儲存等各類執行系統的相互配合下實現高效率的糧食收割作業。但聯合收割機內部的執行作動系統數量較多，整體結構比較復雜，想要發揮其收割優勢，便需要對其內部的各項執行作動系統進行精細化控制，以保障其能協同作業。而這就要求執行作動系統的驅動馬達以及液壓缸達到相應的技術水平[3]。以小麥這一農作物為例，為實現對小麥秸稈的高效收割與脫粒、儲存，可參考表1、表2的內容對聯合收割機執行作動系統的驅動馬達技術以及液壓缸技術進行調試。

表1 馬達技術要求參數表

表2 液壓缸技術要求參數

2.2 多執行器統一調配實踐方法

為貼合當下農業生產活動的作業需求，適應不同情境下的農作物收割特點，要求聯合收割機具備切割、脫粒、輸送等多元化的功能。在此情況下，整體聯合收割機控制系統內部的執行器數量也會有所增加且不同部件對排量、壓力以及形成方面的要求差異較大[4]。為實現聯合切割機的穩定運行要求，要求在設計電氣控制系統的過程中，對整個系統的性能以及效率、集成程度等進行宏觀考慮并優化設計。

電氣控制系統主要包含收割、位置調整以及行走3大機構，其中收割電器控制系統主要負責在收割機運行過程中對小麥等谷物類農作物進行切稈、壓倒以及切割等任務；位置調整電氣控制系統主要負責在不同情境下對聯合收割機內部各類執行作動系統機構的位置進行調整，以保障整體機器能夠適應不同的作業環境，開展穩定且安全的收割作業；行走電氣控制系統則是實現整體聯合收割機在田地間穩定行走的核心模塊，其在使用過程中的具體功能包含前進、轉彎以及后退等各類行走動作[5]。

現代化農業領域講究高效率、低能耗、高穩定性的作業模式，這也對聯合機的功能提出了更高的要求。為實現多元功能于一體的聯合機結構要求其作動系統能夠在同一時間滿足過程壓力、液壓缸、退行速度等各方面的參數調整要求。因此，在設計電氣控制系統的過程中，需要基于不同執行驅動系統的運動性能需求以及系統集成度、收割機整體作業效率與質量等不同的角度對整體電氣控制系統的運行功能進行精細化調整與優化。重點需完善聯合收割機電器控制系統運行過程中各組件的配合合理性與科學性。針對此，為保障聯合收割機各執行作動系統能夠被統一調控，本次研究特選擇集中控制的方法對該系統功能進行優化設計。其原理結構見圖1。

圖1 聯合收割機原理結構圖

利用集中控制方式的電氣控制系統需要依靠單個電源實現對系統內多個執行器的能量供給[6]。但由于這個機運行過程中不同執行器的排量、壓力以及速度等參數方面的需求存在差異，因此需要利用負載敏感技術實現對多執行器動作的協調統一設計。通常情況下，負載名單系統可分為定量泵以及變量泵2種機制，其中，定量泵負載敏感系統是利用負載反饋信號直線對系工作與泄荷的一種機制；而變量泵負載敏感系統則是利用負載信號反饋控制變量泵的整體排量。運行過程中定量泵負載敏感系統通常會保持切割機內所有執行器的最大速度。而后依照執行器中的最大流量參數值對定量泵的排量值進行設定，這一過程中可能會產生溢流損失，進而影響到整體系統的運行質量；反觀變量泵負載敏感系統，其在面對不同排量需求的情況下，主要依賴于負載敏感多路閥的反饋壓力值機制，實現對泵排量的控制。相較而言，利用變量泵負載敏感系統更能夠避免因流量過剩而引起的整機發熱問題，并且該系統也具備較好的節能效果，因此本文所設計的聯合收割機電器系統主要采用了比例回路型變量泵負載敏感系統。

3 基于PLC的聯合收割機電氣控制系統

液壓式聯合收割機整體電氣系統的控制方案見圖2。本文所涉及收割機電器系統的核心控制器采用西門子S7-300，其將在收割機的運行過程中對輸送裝置、行走裝置以及傳動系統等進行統一控制。

圖2 聯合收割機電器系統控制機制示意圖

為實現PC對聯合收割機電器系統的控制，本次根據聯合收割機電器系統整體控制方案以及所采用液壓系統的特點，設計出一種具備集中式收集優勢的電氣控制系統，其結構如圖3所示。該系統人機交互界面中包含對整機開關、各組件控制、各傳感器調整等操控模塊，駕駛人員在具體的作業過程中點擊某一模塊后，該模塊便會向PLC控制器輸送指定信號，并在控制自己完成信息采集后，經過細致的融合計算，實現對整體收割機的電氣控制。

圖3 聯合收割機集中式電氣控制系統結構示意圖

3.1 行走驅動馬達設計

3.1.1 馬達異常保護設計

假設在收割機作業過程中受到路面打滑、剎片等問題的影響，導致其行走驅動馬達一直處于超負荷工作狀態，并有可能引發馬達驅動系統的過載以及過熱問題。通常情況下，為維持收割機整體電氣控制系統的穩定性，應將整體電氣控制系統的溫度始終控制在120℃以下，即使出現短時間的過載以及過熱問題，也不得使系統的溫度超過150℃。一旦系統溫度超過150℃的閾值，相應的溫度傳感裝置便會發送溫度超標報警信號，而PLC中心控制器接收到此類信號后，便會控制系統進入到整機休眠狀態。在溫度恢復120℃以下之前無法進行工作。除此之外，假設系統內的其他馬達機構出現內部功能異常亦或是功率失常等問題的情況，不同部件所對應的傳感器也會于第一時間向PLC中心系統傳輸報警信號，并在人機交互界面中顯示具體的報警信息以提醒收割機駕駛人員進行檢修操作。

3.1.2 主控馬達參數設計

為保障收割機的整體運行質量，在對主控馬達參數進行設計的過程中，嚴格參考行業標準以及各機構設計閾值合理應參數標準。具體聯合收割機主控馬達機構方面的參數設計詳情見表3。

表3 主控馬達電機控制參數

3.2 PLC設計

3.2.1 硬件設計

為優化聯合收割機的實際作用機制，需要保障其電氣控制系統以相對更快的反應速度在同一情境下完能對收割、位置調整以及信號燈、照明等多個子系統的宏觀控制。具體的I/O控制模式見表4。

表4 電氣控制系統I/O控制模式

為滿足聯合收割機后續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。對此，本次研究選擇利用西門子所生產的S7-300PLC控制器。

3.2.2 軟件設計

聯合收割機電氣控制系統依靠形成開關實現對機組運行過程中各類動作到位信號的收集，同步輔以光偶隔離裝置將各類信號統一輸送給PLC中心控制器進行信號處理。這一環節中所采用的光電偶合傳感器能夠對聯合收割機中的各類輸出以及輸入信號起到較好的隔離功能，從而避免信號失真、混淆以及保障系統運行的可靠性。電氣控制系統PLC的主程序流程如下。

初始化PLC中心控制器；基于行走驅動電機程序控制行走機構運行，實現收割機的前進、轉彎與后退；基于割臺切稈馬達程序控制割臺實現上升與下降；基于刀盤馬達程序控制刀盤旋轉；基于一級、二級喂入馬達控制已切割谷物進入到脫粒機構；基力控制程序將谷物脫離莖稈并清除雜物，得到干凈谷粒；基于卸糧控程序將谷粒轉移至臨時儲存裝置中以待移交到指定儲存地點。

4 控制系統測試

為明確本文所提出聯合收割機電氣控制系統的穩定性、運行效率以及可靠性等應用效果。特選取某小麥種植田進行實際小麥收割試驗。試驗所選取小麥品種為“新麥18”，該品種小麥成熟后的莖高可達66cm以上，平均麥穗長度在7cm左右，單穗谷物重量可達2.06g，產量可達558.3kg·667m-2，其產量相較市面上常見的“豫麥49號”而言平均每667m2可增產3.2%。可知相較于傳統品種而言，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性能試驗所得的試驗結果更具實際參考價值。設計試驗時間為3h，試驗開始后，駕駛本文所設計聯合收割機進行收割作業，過程中重點對聯合收割機的電氣控制系統運行穩定性、報警系統的運行穩定性以及各類參數的實際數值進行監測與分析。在3h試驗時間內，聯合收割機的整體運行效果并未出現顯著異常情況，且上述3方面試驗參數皆表現良好，未出現顯著的波動與故障。因此，可證明本次研究中所提出設計思路的科學性與可靠性，同時也揭示了該電器系統的持續研究與推廣應用價值。

除去對上述3方面參數的觀測外，在實際收割作業中同步對聯合收割機的切稈刀具以及一級、二級喂入裝置的轉速、壓力泵壓力數據等進行采集與分析，整體采集時長為200s。這一時間范圍內，聯合收割機的切稈刀具以及一級、二級喂入裝置的整體轉速始終保持平穩狀態，試驗過程中未發現顯著試驗環節中，聯合收割機的運行時速為2.5km·h-1，切稈刀具的平均轉速為730r·min-1。整個過程中并未發現麥漏割以及漏糧的問題，試驗過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的聯合收割機電器控制系統能夠比較好地完成對各收割組件的控制，實現高質量、高效率的收割作業。由此也驗證了其電氣控制系統的可靠性與使用價值。

5 結束語

綜上所述，本文在闡述傳統液壓式聯合收割機工作原理的基礎上PLC可編程控制器為收割機電子控制系統的核心控制裝置。基于聯合收割機電器控制系統整體結構設計要求出發，對本次研究所提出的PLC聯合收割機電氣控制系統設計思路進行闡述。結合實際效能試驗可知，本文所提出的聯合切割機電氣控制系統在切割機政執行作業的過程中，并未出現顯著的運行異常情況。利用該聯合切割機對小麥田進行收割的過程中所產生的小麥損失率不足3%，這一情況充分驗證了本文所提出電氣控制系統的穩定性與可靠性。希望相關學者能以本次研究為基礎，對PLC聯合收割機電氣控制系統開展持續的研究與創新設計，以此強化科學技術對我國農業事業發展的促進力，推動我國農業領域的技術創新。