基于PLC技術的聯合收割機電氣控制系統設計

梁吟曦

(湖北水利水電職業技術學院,武漢 430000)

0 引言

隨著可編程控制器(PLC)的不斷發展,聯合收割機液壓作動系統控制器也得到良好的發展和應用,大幅度促進了農業機械的智能化發展和聯合收割機作業效率的提高,同時有效降低收割過程中的作物損失率,對收割機各作動系統的運行穩定性和安全性均帶來較大的改善[1～3]。

為此,基于可編程控制器(PLC)進行了聯合收割機電氣控制系統設計,并通過試驗驗證的方式進行系統運行可靠性和穩定性檢測,旨在大幅度節省農業生產過程中的人力、物力,為農業生產過程機械化、信息化及智能化提供保障。

1 聯合收割機工作原理

聯合收割機作業過程包含收割、脫粒、莖稈整理、雜物清除等環節,收割完成后同時對作物進行臨時存儲,從而實現作物收割過程的機械化操作[4]。聯合收割機種類較多,按照作業方式可將收割機分為自走輪式半喂入收割機、自走輪式全喂入收割機以及自走懸掛式喂入收割機。盡管收割機種類較多,但工作原理和作業過程基本相同[5-6]。

聯合收割機作業過程中,收割機按照作業方向往前移動,利用割臺將作物進行包絡,使用割刀將作物割斷;在脫粒功能模塊作用下,完成作物的脫粒過程,再利用分離功能裝置將作物莖稈等雜物從作物當中進行分離;最后,將作物谷粒進行臨時存儲,將谷粒集中進行放置,從而完成整個收割作業過程[7-9]。

2 聯合收割機電氣控制系統整體設計

聯合收割機是一種一體化的多功能模塊機械平臺,在各執行作動系統的配合下進行自動運行。由于執行作動系統數量多,結構復雜,因此要求各執行作動系統具有較好的協同作業能力[10]。表1為聯合收割機各執行作動系統驅動馬達技術要求,表2為聯合收割機各執行作動系統液壓缸技術要求。

表1 聯合收割機各執行作動系統驅動馬達技術要求Table 1 Technical requirements for driving motor of each actuating system of combine harvester

表2 聯合收割機各執行作動系統液壓缸技術要求Table 2 Technical requirements for hydraulic cylinder of each actuating system of combine harvester

聯合收割機液壓作動系統控制器可統稱為聯合收割機電氣控制系統,主要包含收割電氣控制系統、位置調整電氣控制系統以及行走電氣控制系統[11]。收割電氣控制系統用于對小麥等谷物類農作物進行收割,主要完成作物切稈、壓倒、切割等任務;位置調整電氣控制系統主要對聯合收割機內部的執行作動系統機構位置進行調整,確保聯合收割機作業過程能夠安全、穩定運行[12];行走電氣控制系統主要進行整個聯合收割機行走功能的實現,包含前進動作、后退動作以及轉彎動作。

聯合收割機功能復雜,執行作動系統包含較多的結構件,各機構對作動過程壓力、液壓缸形成和運行速度等參數均存在不同程度的要求。在進行電氣控制系統設計時,要分別從各執行驅動系統的運行性能要求、系統集成度以及收割機作業效率等不同的角度進行分析,對整個電氣控制系統的運行功能進行優化,提高電氣控制系統運行過程的合理性和科學性[13]。為確保聯合收割機各執行作動系統能夠統一控制,在進行電氣系統設計過程中采用集中控制的方式對系統功能進行設計。圖1為聯合收割機原理結構圖。

圖1 聯合收割機原理結構圖Fig.1 Schematic structure diagram of combine

聯合收割機電氣控制系統采用集中控制的方式,以液壓泵作為動力源,為控制系統執行作動器供油,確保各個執行作動器能夠安全可靠的運行[14]。不同執行機構作動器壓力需求、排量需求以及壓力均存在不同程度的差異,因此運行過程參數要求也存在較大差異。電氣控制系統設計過程中,要求能夠充分利用負載敏感元件,加強對執行機構作動器的設計。聯合收割機負載敏感系統元件為定量泵和變量泵:定量泵用于進行聯合收割機反饋信號的采集和控制,在工作過程中,需要充分考慮執行機構作動器性能優勢,按照各執行機構的使用標準和性能要求進行系統控制;變量泵在使用過程中主要完成負載系統的排量管理控制,要求能夠對多路閥流量進行科學的控制,避免流量波動造成負載系統元件發熱,從而實現控制的精確性[15-16]。

對定量泵和變量泵進行科學精確控制,能夠有效保證執行作動器的協同性運轉,從而達到科學控制的目的,并保證控制系統運行過程的穩定性和可靠性。為滿足聯合收割機電氣控制系統的使用性能,要求不斷完善控制系統功能,確保電氣控制系統的運行可靠性。

聯合收割機電氣控制系統選用S7-300型主控制器,確保聯合收割機輸送裝置系統、脫粒裝置系統、卸糧裝置系統以及行走裝置系統均能夠有效進行控制和使用。為提高聯合收割機電氣控制系統運行過程穩定性,對系統的集中控制結構進行優化。聯合收割機電氣控制系統輸入參數信息主要包含系統開關量、傳感器參數以及人機交互輸入參數,在電氣系統運行過程中由可編程控制器(PLC)對輸入參數進行融合計算。

3 聯合收割機PLC系統設計

聯合收割機一般在運行過程中對泵和馬達進行集中控制,為保證運行過程效率和運行可靠性,要求各功能裝置的轉速、承載能力以及運行效果均能夠合理匹配,提高電氣控制系統的運行性能。圖2為聯合收割機PLC電氣控制系統原理圖。

圖2 聯合收割機PLC電氣控制系統原理圖Fig.2 Schematic diagram of PLC electrical control system of combine harvester

聯合收割機的運行環境一般為田地,工作環境復雜,當收割機剎車或者出現其他異常情況時,收割機行走驅動馬達經常出現超負載運行狀態,從而產生大量的熱量,縮短行走驅動馬達的使用壽命。因此,要求電氣控制系統在運行過程中能夠合理進行溫度控制,確保行走驅動系統運行溫度不高于120℃;當系統運行實際溫度達到設定值上限時,電氣控制系統要求能夠發出警報;當系統運行過程中出現馬達工作異?；螂姍C無法正常運行時,電氣控制系統要求能夠在發出警報的同時將故障信息進行顯示,便于使用人員的維修,提高系統使用過程效率。

聯合收割機電氣控制系統設計時,要求充分考慮系統控制相關技術參數,確保收割機主控制電機能夠具有較強的控制功能。表3為聯合收割機主控制電機相關技術參數。

表3 聯合收割機主控制電機相關技術參數Table 3 Relevant technical parameters of main control motor of combine

聯合收割機電氣控制系統的控制對象較多,系統選用S7-300PLC控制器,主要為各子系統輸入設備和輸出設備。表4為聯合收割機電氣控制系統I/O表。

表4 聯合收割機電氣控制系統I/O表Table 4 Combine electrical control system I/O table

聯合收割機電氣控制系統運行過程中,采用形成開關控制的方式對收割機各機構執行作動系統的動作信號進行采集,最后將采集后的動作信號采用光電隔離的方式發送至PLC控制器,對相關數據信息的處理。光電隔離器用于對輸入信號和輸出信號進行隔離操作,保證信號傳輸過程的可靠性和安全性。

4 測試試驗

聯合收割機電氣控制系統設計完成后,為驗證電氣控制系統的運行可靠性和系統穩定性,以種植區域內的小麥為收割對象,對電氣控制系統進行測試試驗。收割小麥莖稈高度為65～70cm,麥穗長度為6～7cm,單個麥穗長度為1.8～2.2g。當收割對象負載發生變化時,收割機切桿刀具、一級喂入機構以及二級喂入機構轉速要求保持相對平穩的運行狀態,收割機行進速度分別設置為1.8、2.2、2.5km/h,收割機刀具切桿轉速設定為700、730、750rpm。試驗過程中對小麥的收割損失率進行統計,如表5所示。

表5 聯合收割機收割測試試驗數據Table 5 Combine harvest test data

試驗過程中,電氣控制系統運行正常穩定,能夠對運行過程中的相關參數信息進行顯示,并對運行過程中的異常情況進行預警。在收割試驗過程中,使用人員僅需對液壓泵、切桿刀具、一級喂入機構以及二級喂入機構的相關運行工作進行數據采集。試驗數據表明,聯合收割機小麥損失率小于2%,收割效果良好,能夠保證系統運行過程的穩定性和可靠性。

5 結論

試驗結果表明:在可編程控制器(PLC)技術條件下,聯合收割機電氣控制系統通用性和使用功能均得到提高,且用戶體驗過程有明顯改善,顯著提高了農業機械的自動化水平。