鮑官培， 黃丹丹， 鄭鳳菊， 張春雨， 喬印虎

(安徽科技學(xué)院 機械工程學(xué)院，安徽 鳳陽 233100)

我國作為一個農(nóng)業(yè)大國，秸稈資源十分豐富。秸稈處理的主要方式有秸稈焚燒、粉碎還田和秸稈離田綜合利用等。由于秸稈焚燒和粉碎還田處理均存在一定的弊端，已不適用于當(dāng)前的種植模式。因此，秸稈打捆離田再處理是當(dāng)前處理秸稈的主要方法。

打捆機是秸稈離田的重要工具，有關(guān)于打捆機的機械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)等研究比較多。如王德福等對圓捆打捆機的撿拾喂入結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化和改進，較好地解決了撿拾系統(tǒng)的堵塞問題；郭穎杰等對粉碎拋送裝置轉(zhuǎn)子進行動力學(xué)仿真,為合理設(shè)計打捆機粉碎部件提供了理論依據(jù)；陶雷等基于模態(tài)分析和瞬態(tài)動力學(xué)分析設(shè)計出打捆機的輕量化機架，潘世強等對打捆機鏈傳動系統(tǒng)模態(tài)進行分析，以仿真分析結(jié)果為指導(dǎo)，設(shè)計出玉米秸稈打捆機。Maguire等研究了打捆機的草捆動態(tài)稱重系統(tǒng)。Sun等研究了草捆密度控制及其對青貯飼料的影響。高東明等設(shè)計了圓草捆自動纏網(wǎng)裝置,實現(xiàn)了纏網(wǎng)、記錄纏網(wǎng)圈數(shù)和切網(wǎng)的自動作業(yè)。

近年來智能化控制、監(jiān)測等技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械的應(yīng)用也越來越廣泛，如農(nóng)機的遠(yuǎn)程調(diào)度平臺設(shè)計、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的環(huán)境監(jiān)測、打捆機行走控制系統(tǒng)等，農(nóng)業(yè)裝備的控制系統(tǒng)方面的研究逐漸成為熱點。但是，針對打捆機，尤其是在國內(nèi)仍然占據(jù)重要市場份額的中小型打捆機的自動控制及典型故障診斷方面的研究還相對較少，故本研究針對中小型圓捆打捆機的自動控制及故障診斷系統(tǒng)進行了研究與試驗，以期為秸桿離田再利用產(chǎn)業(yè)提供參考和借鑒。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

1.1 打捆機工作流程

現(xiàn)有圓捆秸稈打捆機在作業(yè)過程中，農(nóng)機手收到蜂鳴器響、指示燈閃等捆滿信號后，先停下牽引拖拉機，然后按住繞繩按鈕啟動電機開始繞繩(一般需按住5～10 s，然后轉(zhuǎn)動的草捆能自動帶動繞繩軸轉(zhuǎn)動直至繞繩結(jié)束麻繩被切斷)，當(dāng)農(nóng)機手看到繞繩結(jié)束麻繩被切斷后，按住開倉按鈕打開后倉門放出繞好的草捆，當(dāng)草捆被卸下后松開按鈕，后倉門在自身重力作用下閉合，壓下行程開關(guān)，捆滿報警信號結(jié)束，農(nóng)機手開車?yán)^續(xù)打捆。

在整個打捆過程中，農(nóng)機手在接收到捆滿信號后，需要持續(xù)按住繞繩或開倉按鈕，且要一直回頭觀察后方打捆機的工作狀況，每個過程約持續(xù)40 s左右。在農(nóng)忙季節(jié)一般打捆作業(yè)量，作業(yè)時間長，頻繁的回身觀察和動作無疑會增加農(nóng)機手的勞動強度。因此，隨著自動化、智能化在工業(yè)產(chǎn)品的普及應(yīng)用，農(nóng)機裝備也急需自動化和智能化控制，同時這也是廣大農(nóng)機用戶的迫切需求。

1.2 自動控制方案

通過對打捆機整個打捆流程分析發(fā)現(xiàn)，繞繩是拖拉機停止后的第一個工序，只要拖拉機停止后就開始繞繩。因此將拖拉機停車作為開始繞繩的執(zhí)行條件。當(dāng)繞繩結(jié)束后麻繩被切斷，這時就可以開始開倉卸料，麻繩被切斷后繞繩軸就停止轉(zhuǎn)動。因此將繞繩軸是否停止作為開倉的執(zhí)行條件。當(dāng)倉門打開后只要草捆從打捆室中滾出就執(zhí)行關(guān)倉。由于判斷草捆滾出需要傳感器，綜合考慮成本及穩(wěn)定性，將開倉和關(guān)倉之間設(shè)置一定的時間延時即可實現(xiàn)卸料-關(guān)倉的過程，穩(wěn)定可靠且無需額外成本。自動控制方案的工作流程如圖1所示。整個過程中農(nóng)機手只需要控制拖拉機停止和前進，無需其他任何操作，相比于傳統(tǒng)的打捆作業(yè)流程農(nóng)機手所需的操作大大簡化，降低了勞動強度，能夠在繁忙的工作之中為農(nóng)機手提供短暫的休息時間。

圖1 自動打捆工作流程Fig.1 Workflow of automatic baling

1.3 典型故障診斷方案

農(nóng)業(yè)機械由于作業(yè)環(huán)境惡劣，使用者技能水平參差不齊、維護保養(yǎng)不及時等因素，相比于工業(yè)設(shè)備其出現(xiàn)故障的概率更大。圓捆打捆機的常見故障主要有液壓系統(tǒng)故障、繞繩系統(tǒng)故障、撿拾系統(tǒng)故障以及機械故障等，具有診斷方案如下：

1.3.1 液壓系統(tǒng)故障診斷方案 圓捆打捆機工作過程中齒輪箱輸出軸經(jīng)鏈條傳動帶動齒輪泵工作泵油，進而由液壓油缸控制打捆室后倉門的開閉。液壓系統(tǒng)常見故障有液壓缸漏油、液壓接頭漏油、液壓管漏油以及液壓泵故障等，上述故障都是由不同液壓元件故障引起的，但是故障發(fā)生后都會引起系統(tǒng)液壓下降，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)無法打開后倉門。因此，綜合考慮成本及可行性，在液壓泵總成的出油口安裝液壓傳感器檢測出油口的壓力值，當(dāng)壓力值低于一定數(shù)值后報警，提醒液壓系統(tǒng)存在故障。

1.3.2 繞繩系統(tǒng)故障診斷方案 麻繩在繞繩過程中如果麻繩意外斷裂而農(nóng)機手未能及時發(fā)現(xiàn)，將倉門打開草捆放出時草捆容易散落不便運輸。草捆纏繞所有的麻繩與秸稈顏色接近，即使麻煩出現(xiàn)斷裂往往也不易發(fā)現(xiàn)。但是，麻煩斷裂后繩子會處于自由狀態(tài)，繩子上的張力值會顯著降低。因此，在繞繩機構(gòu)中加裝一個張力傳感器，在繞繩的時候檢測麻繩的張力值，當(dāng)張力值過低時表明繩子斷裂或者繩子已經(jīng)用完，此時提醒農(nóng)機手檢查繞繩機構(gòu)是否存在故障。

1.3.3 撿拾系統(tǒng)故障診斷方案 打捆機在工作過程中堵料故障也是其較常見的一個故障之一。極端情況下草料堵塞會使得撿拾軸停轉(zhuǎn)，而此時拖拉機的動力輸出軸仍有動力輸出，極有可能會扭斷安全螺絲，需要停機清除進料口堵塞的草料，更換安全螺絲，降低打捆作業(yè)效率，延誤農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。因此，為了避免堵塞故障的發(fā)生，希望在故障發(fā)生前能夠預(yù)警可能出現(xiàn)堵料，進而提醒農(nóng)機手降低打捆機前進速度減小進料。打捆機正常工作時撿拾軸正常運轉(zhuǎn)，當(dāng)進料口草料過多會增加撿拾系統(tǒng)的工作強度引起撿拾軸轉(zhuǎn)速下降，因此可以檢測撿拾軸的轉(zhuǎn)速，通過對撿拾軸轉(zhuǎn)速的檢測判斷進料口的草料量的多少，當(dāng)可能出現(xiàn)堵料時提醒農(nóng)機手降低車速，避免車速過快進料過多引發(fā)堵料故障而耽誤生產(chǎn)。

1.3.4 機械故障輔助診斷方案 打捆機在工作過程中也可能會出現(xiàn)機械故障，如軸承磨損故障、鏈條斷裂等。當(dāng)出現(xiàn)機械故障時往往會引起設(shè)備出現(xiàn)較大的振動或者噪聲。因此，可以通過振動傳感器和噪聲傳感器來輔助檢測或預(yù)警機械故障，當(dāng)出現(xiàn)機械故障預(yù)警時一方面能提醒農(nóng)機手留意機器運行情況，另一方面售后維修人員也能從歷史數(shù)據(jù)中找到相關(guān)參數(shù)，為故障排除提供參考。

此外，為了兼顧打捆機工作數(shù)據(jù)信息化的需求，還設(shè)計了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)方案，該系統(tǒng)采用GPS定位功能、GPRS及數(shù)據(jù)傳輸，能夠統(tǒng)計作業(yè)數(shù)據(jù)(總作業(yè)量、總工作天數(shù)、當(dāng)日工作量、當(dāng)日作業(yè)時間)，統(tǒng)計運行數(shù)據(jù)(地理位置、總里程、總時長、當(dāng)日里程、當(dāng)日時長、運行速度、故障狀態(tài)等)。通過該系統(tǒng)，合作社、種植大戶等一方面能夠掌握其所購打捆機的位置、狀態(tài)及作業(yè)數(shù)據(jù)，便于對打捆機及作業(yè)人員的管理和調(diào)度，另一方面也能夠通過大屏幕直觀的展示，起到一定的示范作用。同時，生產(chǎn)企業(yè)也可以通過后臺了解打捆機的狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)故障需要售后維修時能夠通過遠(yuǎn)程和歷史數(shù)據(jù)分析大致判斷可能出現(xiàn)的故障點，初步分析故障原因，以便有針對性的安排售后維修人員，甚至部分故障可以遠(yuǎn)程指導(dǎo)用戶自己維修排除，減少故障時間，為農(nóng)忙播種搶時間。

2 系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計

2.1 硬件電路設(shè)計

秸稈打捆機整體控制系統(tǒng)由自動控制、故障診斷和遠(yuǎn)程監(jiān)測三部分組成，其中硬件電路設(shè)計和研制將根據(jù)系統(tǒng)控制要求展開，主要包括控制器、觸摸屏、數(shù)傳網(wǎng)關(guān)、傳感器等硬件元件的選型與安裝和系統(tǒng)總體硬件電路設(shè)計等內(nèi)容。

整個硬件電路中，控制器選用西門子1215DCDCDC，觸摸屏選用昆侖通態(tài)TPC7062Ti，數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)關(guān)選擇河北藍(lán)蜂科技有限公司生產(chǎn)的GM20，其他傳感器均選擇工作電壓為24 V DC的器件，其中車輪軸、繞繩軸和撿拾軸的轉(zhuǎn)速檢測綜合考慮成本及可行性選用接近開關(guān)來檢測。部分傳感器的選用及安裝如圖2所示。

圖2 相關(guān)傳感器安裝圖Fig.2 Installation drawing of sensors

此外，考慮整個系統(tǒng)的用電需求，選擇了一個電源轉(zhuǎn)換模塊將拖拉機蓄電池12 V DC轉(zhuǎn)換成24 V DC給整個系統(tǒng)供電。在該系統(tǒng)中24 V直流電源給PLC、觸摸屏和GM20數(shù)傳網(wǎng)關(guān)供電，PLC和觸摸屏之間以及PLC與智能網(wǎng)關(guān)之間通過以太網(wǎng)網(wǎng)線進行通訊和數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 軟件程序設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計包括PLC的自動控制與故障診斷程序設(shè)計、觸摸屏人機交互界面設(shè)計和云平臺遠(yuǎn)程監(jiān)測界面設(shè)計。

PLC程序設(shè)計是整個軟件系統(tǒng)的核心，包括自動控制、故障診斷和通訊等子程序模塊。在本項目中開關(guān)量的輸入信號有行程開關(guān)脹倉信號、手自動模式選擇信號、車輪軸、繞繩軸和撿拾軸接近開關(guān)信號，模擬量的輸入信號有張力信號壓力信號、振動信號和噪聲信號。開關(guān)量的輸出信號有指示燈、蜂鳴器、繞繩電機和液壓電磁閥控制繼電器等。整個程序的控制流程圖如圖3所示。

圖3 PLC控制程序流程圖Fig.3 Flow chart of PLC

觸摸屏和云平臺遠(yuǎn)程監(jiān)測界面設(shè)計中設(shè)置好各模塊的IP地址及其他硬件配置，然后進行組態(tài)畫面設(shè)計，設(shè)計的觸摸屏監(jiān)測及故障顯示界面如圖4所示。

圖4 觸摸屏監(jiān)測及故障顯示界面Fig.4 Monitoring and fault display interfaces of HMI

3 系統(tǒng)調(diào)試與試驗

完成整個控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計、電路板制作、電路接線以及軟件程序編寫后，開展系統(tǒng)程序的調(diào)試及現(xiàn)場打捆試驗，檢驗整個系統(tǒng)工作的可行性。研制的控制柜安裝于4YQ-120-70圓捆打捆機樣機上。設(shè)備調(diào)試與試驗分兩步進行，設(shè)備安裝完畢后先進行空走調(diào)試，測試各傳感器、執(zhí)行元件等功能是否正常，并同步測試空載情況下自動和手動模式是否能正常工作。現(xiàn)場初步調(diào)試完畢后開始打捆試驗。

打捆試驗主要是測試系統(tǒng)能否實現(xiàn)預(yù)期的自動控制功能以及其穩(wěn)定性。通過現(xiàn)場打捆實驗，證明該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)打捆作業(yè)全流程的自動控制，遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)也能夠監(jiān)測到打捆機的位置、作業(yè)量、關(guān)鍵部件運行狀態(tài)等信息，打捆作業(yè)現(xiàn)場及遠(yuǎn)程監(jiān)測界面如圖5所示。同時也能夠通過查看歷史數(shù)據(jù)了解和分析設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，給設(shè)備管理維護人員的設(shè)備管理、維護帶來極大的便利。此外，在現(xiàn)場實驗過程還模擬繞繩過程中出現(xiàn)斷繩故障，檢驗系統(tǒng)對典型故障的檢測判斷能力。當(dāng)在繞繩過程中人為的剪斷麻繩后，張力傳感器檢測到繩子的張力低于設(shè)定的下限值，蜂鳴器和顯示屏隨即發(fā)出報警信號，同時手機APP中也提示繞繩的張力異常，如圖6所示。通過現(xiàn)場打捆實驗驗證了該打捆機的自動控制與故障診斷系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)圓捆打捆機作業(yè)過程的全自動控制，對典型故障進行診斷和預(yù)警，并能夠利用電腦或手機APP遠(yuǎn)程監(jiān)測相關(guān)的設(shè)備狀態(tài)和作業(yè)數(shù)據(jù)。

圖5 打捆試驗現(xiàn)場及遠(yuǎn)程監(jiān)測圖片F(xiàn)ig.5 Photos of baling test and remote monitoring

圖6 遠(yuǎn)程故障顯示界面Fig.6 Interface of remote fault display

4 結(jié)論

本研究通過分析圓捆打捆機的工作流程，設(shè)計了打捆機自動控制方案和典型故障診斷方案。該控制系統(tǒng)實現(xiàn)了圓捆打捆機作業(yè)過程的全自動控制和撿拾系統(tǒng)的堵料預(yù)警，整個作業(yè)過程中農(nóng)機手只需根據(jù)系統(tǒng)的提示控制拖拉機前進、停止以及車速控制，降低了農(nóng)機手的作業(yè)強度。該控制系統(tǒng)能夠?qū)嗬K、壓力異常等典型故障進行診斷和預(yù)警，及時提醒農(nóng)機手出現(xiàn)或潛在的故障，有助于故障的快速排除。同時網(wǎng)頁端或手機APP端能夠遠(yuǎn)程查看設(shè)備狀態(tài)及相關(guān)數(shù)據(jù)，便于售后人員對設(shè)備進行售后維修維護，方便管理人員查看設(shè)備狀態(tài)及作業(yè)量，實現(xiàn)信息化管理。