◎章霞東 曾伯勝（廣西農(nóng)機(jī)研究院530007）

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基于遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)的甘蔗聯(lián)合收割機(jī)智能化系統(tǒng)設(shè)計

◎章霞東 曾伯勝
（廣西農(nóng)機(jī)研究院530007）

蔗糖業(yè)是廣西經(jīng)濟(jì)建設(shè)的優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)，蔗糖總產(chǎn)量約占全國總產(chǎn)量2/3的重要地位。本文闡述了目前廣西區(qū)域應(yīng)用的大中型甘蔗聯(lián)合收割機(jī)技術(shù)性、可靠性，分析了作業(yè)時效低、操作繁冗復(fù)雜、智能化程度不高等問題，影響了甘蔗收割機(jī)作用的發(fā)揮。提出了一種基于遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)的甘蔗收割機(jī)智能化電氣系統(tǒng)的設(shè)計，從而提高工作時效，降低機(jī)手勞動強(qiáng)度。

甘蔗聯(lián)合收割機(jī)；遠(yuǎn)程監(jiān)測；數(shù)據(jù)傳輸；故障預(yù)警；智能化；系統(tǒng)設(shè)計

0　前言

廣西是我國主要產(chǎn)糖區(qū)，甘蔗種植面積100萬hm2左右，蔗糖總產(chǎn)量約占全國產(chǎn)量的60%，蔗糖產(chǎn)業(yè)規(guī)模連續(xù)20年居全國首位。但我區(qū)甘蔗生產(chǎn)機(jī)械化程度低，特別是甘蔗種植和砍收兩大環(huán)節(jié)，仍主要依靠人力、畜力作業(yè)，勞動強(qiáng)度大，用工成本高，導(dǎo)致甘蔗種植面積逐年減少。因此，提高我區(qū)甘蔗生產(chǎn)全程機(jī)械化程度來實現(xiàn)勞動替代，降低日益增長的勞動成本，是增加蔗糖產(chǎn)業(yè)效益的關(guān)鍵所在。

在國家和地方政府對甘蔗生產(chǎn)全程機(jī)械化的高度重視和大力支持下，加大生產(chǎn)薄弱環(huán)節(jié)機(jī)械化推進(jìn)力度，取得了良好成效，甘蔗收割機(jī)已逐步開始在廣西應(yīng)用。主要機(jī)型有進(jìn)口case和john deer，國產(chǎn)機(jī)型有廣西農(nóng)機(jī)院研制的4GZQ-180，4GZQ-260型，漢森4GQ-350等。但無論是進(jìn)口還是國產(chǎn)收割機(jī)，因作業(yè)環(huán)境惡劣，仍存在作業(yè)效率不高、性能發(fā)揮不穩(wěn)定、可靠性差等問題。尤其是機(jī)收環(huán)節(jié)，因榨季時間短，加上糖廠對原料蔗采用發(fā)票排隊的方式，如果機(jī)收過程中出現(xiàn)收割機(jī)故障停收，對種植戶搶收甘蔗會產(chǎn)生較大影響。例如，2016年初，廣西某農(nóng)業(yè)合作社承包了位于貴港甘化糖業(yè)蔗區(qū)133.33hm2多原料蔗基地的甘蔗機(jī)收任務(wù)，由于作業(yè)過程中3臺進(jìn)口收割機(jī)相繼出現(xiàn)故障，而廠家維修人員不能及時到現(xiàn)場搶修，極大影響了收獲進(jìn)度。此外，甘蔗收割機(jī)還存在操作繁冗復(fù)雜，智能化程度低下的問題，操控收割機(jī)進(jìn)行收割工作的機(jī)手，需要經(jīng)過上崗培訓(xùn)，專業(yè)化程度要高。如果操作收割機(jī)不熟練，切割甘蔗時刀盤控制不好，就會導(dǎo)致甘蔗破頭率高，根茬高低不平，甘蔗損失率高。

針對以上存在問題，筆者提出了基于遠(yuǎn)程監(jiān)測的甘蔗收割機(jī)智能化電氣系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方案，其中遠(yuǎn)程監(jiān)測用于業(yè)主實時監(jiān)控收割機(jī)位置信息、工作進(jìn)度與強(qiáng)度、收割機(jī)自身工作狀況，如燃油狀況、收割速度、故障情況等；而收割機(jī)生產(chǎn)廠家除能讀取以上信息外，還可以遠(yuǎn)程讀取傳感器數(shù)據(jù)，從而分析收割機(jī)作業(yè)狀況，甚至遠(yuǎn)程更新控制程序，并與機(jī)手遠(yuǎn)程交流信息等。

一、系統(tǒng)組成

基于遠(yuǎn)程監(jiān)測的甘蔗收割機(jī)智能化電氣系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)采集模塊、執(zhí)行驅(qū)動模塊、操控顯示模塊、遠(yuǎn)程傳輸模塊及PLC集中管理平臺、遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺六大部分構(gòu)成，其構(gòu)成拓?fù)鋱D如圖1：

圖1　系統(tǒng)拓?fù)鋱D

二、收割機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計

為監(jiān)視收割機(jī)工作中的狀態(tài)，其各參數(shù)傳感器必不可少。傳感器包括各輥組及刀盤的轉(zhuǎn)速傳感器，用于監(jiān)控收割時砍切及輸送的轉(zhuǎn)速；油缸伸縮的位移傳感器，以及超聲波傳感器，用于監(jiān)控刀盤的高低、垅型的變化、切割的深度等；用于監(jiān)控液壓系統(tǒng)的壓力傳感器、油溫傳感器、液壓油位傳感器等。車身平衡陀懸儀，用于監(jiān)控收割機(jī)的傾斜狀態(tài)，以及角位移傳感器，用于測量轉(zhuǎn)向角度，輔助轉(zhuǎn)向及驅(qū)動輪防滑等。還包括行走速度傳感器以及發(fā)動機(jī)自身can總線發(fā)出的水溫、機(jī)油壓力、燃油油位、工作轉(zhuǎn)速傳感器信號。

圖2　傳感器讀取PLC梯形圖

將各傳感器信號經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4-20mA電流信號后接入可編程邏輯控制器AD模塊CH0-CH7通道，采用周期掃描方式，如圖2，讀取傳感器數(shù)據(jù)存放至DT0-DT7，則可根據(jù)傳感器的量程對DT0-DT7進(jìn)行標(biāo)定后供PLC系統(tǒng)調(diào)用，并將部分?jǐn)?shù)據(jù)推送至HMI顯示或GPRS模塊傳輸。

農(nóng)機(jī)采用的電噴發(fā)動機(jī)基本上都采用CAN-bus總線，PLC讀取發(fā)動機(jī)水溫、油壓、轉(zhuǎn)速及故障信號時需連接CAN-bus轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為RS485或RS232串行通信信號。

結(jié)合傳感器實時數(shù)據(jù)及發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)，PLC執(zhí)行邏輯處理程序，其流程如圖3所示。

本系統(tǒng)中，優(yōu)化處理程序需要結(jié)合安裝機(jī)型在大量試驗中總結(jié)的經(jīng)驗處理，例如，收割機(jī)行進(jìn)速度與負(fù)荷的關(guān)系，刀盤與液壓系統(tǒng)壓力、壟行高低測量數(shù)據(jù)的關(guān)系，均需進(jìn)行大量試驗后總結(jié)出對應(yīng)的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系，結(jié)合PLC的PID調(diào)節(jié)，編寫對應(yīng)的程式，使收割機(jī)能輔助機(jī)手進(jìn)行自動糾正，優(yōu)化。

故障預(yù)警則是在工作中對實時傳感器數(shù)據(jù)的不正常進(jìn)行分析判斷，通過本機(jī)HMI顯示以提示機(jī)手規(guī)避故障或停機(jī)處理，同時將數(shù)據(jù)發(fā)送至GPRS模塊并記錄于存儲器中，便于維修參考。常見故障如：輥組停轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)速過低、液壓油溫高液位低、發(fā)動機(jī)水溫高、燃油警告、機(jī)身傾斜大于安全值等。根據(jù)不同的報警情況，分別做出預(yù)警、減速、甚至停機(jī)等處理。

圖3　PLC流程圖

三、無線傳輸數(shù)據(jù)設(shè)計

GPRS模塊通過RS485串口通信接口與PLC進(jìn)行通信，GPRS模塊支持全網(wǎng)2G/3G/4G的聯(lián)網(wǎng)解決方案，目前無線通信模塊大都采用用戶租賃一臺具有公網(wǎng)IP的服務(wù)器，GPRS模塊的目的IP必須設(shè)置為服務(wù)器的IP，對于具有公網(wǎng)IP服務(wù)器的用戶，GPRS模塊的連接使用將非常方便，如果沒有公網(wǎng)服務(wù)器，則必須在路由器上設(shè)置“端口映射”和“動態(tài)域名”，才能將GPRS模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器，但“端口映射”對于普通用戶可能專業(yè)性強(qiáng)，設(shè)置麻煩，“動態(tài)域名”免費的方案可能存在穩(wěn)定性、實時性問題，而且部分運營商可能無法進(jìn)行“端口映射”的設(shè)置，所以，為節(jié)約成本，簡化配置，本系統(tǒng)采用P2P通訊方式。

P2P方式無需構(gòu)建服務(wù)器也可以隨時隨地采集PLC中的數(shù)據(jù)。P2P技術(shù)和3G/4G無線技術(shù)相結(jié)合實現(xiàn)了一種創(chuàng)新的監(jiān)控方式，它具有如下的特點：1.使用方便，只需要添加IMEI號即可使用操作，無需端口映射等專業(yè)的操作；2.無需額外投入，無需租賃公網(wǎng)服務(wù)器；3.支持虛擬串口，無需修改用戶端PLC軟件，就如同本地串口通信一樣；4.由于無需通過服務(wù)器中轉(zhuǎn)，而是直接P2P通信，縮短了數(shù)據(jù)通信的時間，提高了通信實時性，減輕了中心服務(wù)器的負(fù)擔(dān)。

本系統(tǒng)中，設(shè)置其中的一臺計算機(jī)為P2P服務(wù)器，并安裝GPRS模塊客戶端驅(qū)動軟件，配置好虛擬端口，則虛擬端口即可和遠(yuǎn)程GPRS模塊連接的PLC進(jìn)行連接，將原計算機(jī)通過數(shù)據(jù)線連接PLC傳輸及讀取程序的方式，變?yōu)橛嬎銠C(jī)通過基于3G/4G無線網(wǎng)絡(luò)的方式。廠家即可使用編程軟件對PLC進(jìn)行程序的修改及更新。通過訪問PLC存儲器內(nèi)容，業(yè)主或廠家均可對傳感器數(shù)據(jù)、工作時效等所有參數(shù)進(jìn)行讀取。為了使存儲器數(shù)據(jù)能翻譯成非專業(yè)人員能讀懂的參數(shù)，P2P服務(wù)器客戶端軟件需對讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，業(yè)主亦可通過手機(jī)訪問P2P服務(wù)器來了解收割機(jī)工作狀況。其中基于安卓客戶端監(jiān)測系統(tǒng)的截圖如圖4所示。

圖4　APP監(jiān)測系統(tǒng)截圖

四、結(jié)論

本系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試并安裝在廣西農(nóng)機(jī)研究院4GZQ-260型甘蔗聯(lián)合收割機(jī)上進(jìn)行初步測試，甘蔗收割機(jī)智能化程度得以提升，操作簡單，機(jī)手較以前更容易掌握收割機(jī)性能，收割機(jī)故障預(yù)警系統(tǒng)及時、可靠，相關(guān)人員可以隨時隨地了解收割機(jī)工作狀況。