基于EtherCAT & GPRS的智能殘膜回收裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

吳小艷　王　書(shū)　周惠興　侯書(shū)林　簡(jiǎn)建明

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083)

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基于EtherCAT & GPRS的智能殘膜回收裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

吳小艷王書(shū)周惠興侯書(shū)林簡(jiǎn)建明

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083)

目前殘膜回收作業(yè)需要根據(jù)實(shí)際狀況人為地對(duì)其破土深度和收膜速度進(jìn)行反復(fù)停車(chē)調(diào)節(jié)，為了提高殘膜回收作業(yè)的智能化水平和工作效率，對(duì)自主研制的彈齒式殘膜回收裝置進(jìn)行改進(jìn)，利用BECKHOFF CX2030控制器及模塊和EtherCAT總線接口與GPRS聯(lián)網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)起膜鏟自動(dòng)升降調(diào)節(jié)、卷膜齒轉(zhuǎn)速在線檢測(cè)、殘膜回收在線視覺(jué)反饋和數(shù)據(jù)傳輸與監(jiān)控等功能。通過(guò)對(duì)智能起膜鏟的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，得到了鏟刀的安全傾角為65°～75°，適宜破土深度為20～50 mm。智能殘膜回收裝置的田間試驗(yàn)表明，該裝置在機(jī)械化回收作業(yè)方面是可行的，智能起膜鏟的抗扭矩能力、殘膜回收率、卸膜率和整機(jī)工作效率均表現(xiàn)良好。

農(nóng)用地膜； 殘膜回收； EtherCAT； GPRS； 智能

引言

地膜覆蓋種植技術(shù)因具有增溫保墑、活化土壤養(yǎng)分和減輕作物病害等方面的顯著特點(diǎn)而被大面積推廣[1]。目前我國(guó)的覆膜種植總面積已達(dá)到1 979.1萬(wàn)hm2，主要覆蓋區(qū)域分布在干旱、半干旱及冷涼地區(qū)，覆膜種植農(nóng)作物種類達(dá)到40多種，農(nóng)用地膜使用量已達(dá)到120多萬(wàn)t[2-3]。由聚乙烯和聚氯乙烯制成的農(nóng)用地膜在土壤中長(zhǎng)年累月不易降解，大量的殘膜滯留在土壤中，破壞了土壤的水分滲透循環(huán)系統(tǒng)和農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，導(dǎo)致出現(xiàn)農(nóng)作物根系生長(zhǎng)緩慢、土壤板結(jié)、牲畜誤食中毒和機(jī)械化作業(yè)受阻等現(xiàn)象[4]。

近年來(lái)，殘膜機(jī)械化回收逐步取代人工撿拾[5]，出現(xiàn)了以前蘇聯(lián)和英國(guó)為代表的懸掛式收膜機(jī)；以美國(guó)和以色列為代表的收卷式收膜機(jī)；以法國(guó)為代表的卷筒式收膜機(jī)[6-7]；我國(guó)也相繼出現(xiàn)了滾筒式、彈齒式、釘刺式和鏈耙式等殘膜回收機(jī)[8-9]。以自主研制的彈齒式殘膜回收裝置為例[10]，該裝置的動(dòng)力來(lái)自拖拉機(jī)牽引，其收膜作業(yè)由裝置前端的起膜鏟破土托膜和通過(guò)主動(dòng)輪膠帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)卷膜齒完成；卸膜作業(yè)通過(guò)傳送鏈上并排安裝的彈齒完成，其末端隨著曲柄搖桿挑膜機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，每個(gè)工作周期與地面接觸一次，將膜挑起，挑起后再與脫膜震動(dòng)輪配合，膜被卸入集膜箱。然而，作業(yè)過(guò)程中的破土深度和收膜速度不能在線調(diào)整，需要人為地根據(jù)實(shí)際狀況憑借經(jīng)驗(yàn)和目測(cè)進(jìn)行反復(fù)停車(chē)調(diào)節(jié)，整機(jī)的機(jī)械化程度與智能化水平低下，作業(yè)效率不高，易導(dǎo)致破碎后的地膜呈現(xiàn)小而不規(guī)則的分布狀態(tài)，難以保證殘膜回收率，同時(shí)增加工耗和回收成本。

為了提高殘膜回收作業(yè)的智能化水平和作業(yè)效率，針對(duì)如何實(shí)現(xiàn)起膜鏟破土深度的在線自動(dòng)調(diào)節(jié)、卷膜齒轉(zhuǎn)速在線檢測(cè)、殘膜回收在線視覺(jué)反饋和數(shù)據(jù)傳輸與監(jiān)控等功能，本文借鑒測(cè)控技術(shù)、EtherCAT總線技術(shù)、GPRS網(wǎng)絡(luò)和視覺(jué)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中的成功應(yīng)用[11]，運(yùn)用多學(xué)科綜合交叉技術(shù)設(shè)計(jì)智能殘膜回收裝置。

1　智能殘膜回收裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1裝置結(jié)構(gòu)改進(jìn)

智能殘膜回收裝置是在現(xiàn)有彈齒式殘膜回收裝置的基礎(chǔ)上對(duì)其相關(guān)結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)措施如下：在卷膜齒的主動(dòng)輪齒輪兩側(cè)上安裝霍爾式輪速傳感器，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)卷膜齒轉(zhuǎn)速。將起膜鏟固定在由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的絲桿滑塊上，絲桿滑臺(tái)選用HIWIN KK40型帶外罩負(fù)載型，并固定在裝置前端的橫梁兩側(cè)，伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)由BECKHOFF CX2030型控制器(德國(guó))及EL7201型驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)，同時(shí)在鏟尖內(nèi)部加裝Arduino壓電陶瓷傳感器。殘膜回收狀況通過(guò)安裝在裝置后下方橫梁正中間的攝像頭實(shí)時(shí)掃描獲得，選用HIKVISION型高清攝像頭。控制系統(tǒng)選用德國(guó)BECKHOFF CX2030型控制器及模塊，無(wú)線通信監(jiān)控通過(guò)以太網(wǎng)接口與GPRS聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。圖1為現(xiàn)有的彈齒式殘膜回收裝置實(shí)物圖。

圖1　彈齒式殘膜回收裝置實(shí)物圖Fig.1　Physical diagram of elastic tooth type residual film recovery device

1.2工作原理

1.2.1聯(lián)網(wǎng)通信原理

GPRS的產(chǎn)生滿足了移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求，通過(guò)一個(gè)路由器(GGSN)直接與外部網(wǎng)絡(luò)相連[12]。BECKHOFF CX2030型控制器搭載的計(jì)算機(jī)嵌入式TwinCAT平臺(tái)兼容了運(yùn)動(dòng)控制功能、EtherCAT總線功能和組態(tài)(HMI)功能。EtherCAT總線基于以太網(wǎng)接口協(xié)議，直達(dá)控制系統(tǒng)的I/O層，能夠與GPRS網(wǎng)絡(luò)相連，通過(guò)TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸[13-14]。同時(shí)，GPRS DTU包含TCP/IP數(shù)據(jù)通信和協(xié)議棧的功能，OPC服務(wù)器與GPRS DTU采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行實(shí)時(shí)雙向通信，人機(jī)界面和OPC服務(wù)器之間采用DCOM/COM通信[15]。

1.2.2數(shù)據(jù)傳輸工作原理

圖2　智能殘膜回收裝置數(shù)據(jù)采集與處理原理圖Fig.2　Data acquisition and processing of intelligent residual film recovery device

智能殘膜回收裝置的數(shù)據(jù)采集與處理過(guò)程如圖2所示。數(shù)據(jù)傳輸工作原理為：通過(guò)BECKHOFF模塊實(shí)時(shí)采集控鈕控制信號(hào)、起膜鏟壓力信號(hào)、視覺(jué)圖像信號(hào)、卷膜齒速度信號(hào)和伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)，這些信號(hào)通過(guò)CX2030控制器處理后，經(jīng)過(guò)EtherCAT總線、無(wú)線路由器和GRPS DTU傳輸至OPC服務(wù)器，進(jìn)而在監(jiān)控界面(HMI)上顯示，為操作者提供實(shí)時(shí)作業(yè)參數(shù)；操作者根據(jù)殘膜回收的在線視覺(jué)反饋和實(shí)際需要，通過(guò)HMI下達(dá)控制指令，該指令通過(guò)OPC服務(wù)器處理后，經(jīng)過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和EtherCAT總線協(xié)議傳輸至CX2030控制器及相關(guān)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)電控系統(tǒng)和起膜鏟升降調(diào)節(jié)的控制；系統(tǒng)內(nèi)安裝有電子狗和Flash閃存磁盤(pán)，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和調(diào)閱；控制器電源選用24V直流供電。

2　主要部件設(shè)計(jì)

2.1智能起膜鏟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

起膜鏟的破土深度關(guān)系到農(nóng)用地膜的破壞程度和殘膜的回收率。改良后的智能起膜鏟由伺服電動(dòng)機(jī)、彈性聯(lián)軸器、絲桿、滑塊、外罩、起膜鏟、鏟尖和壓電傳感器構(gòu)成。起膜鏟固定在絲桿滑塊上，壓電傳感器安裝于鏟尖內(nèi)部，其破土深度的自動(dòng)升降調(diào)節(jié)由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿滑臺(tái)實(shí)現(xiàn)。

殘膜回收作業(yè)時(shí)影響起膜鏟破土深度的因素眾多，智能起膜鏟的自動(dòng)升降調(diào)節(jié)參數(shù)由壓電傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)的壓力、卷膜齒轉(zhuǎn)速和起膜鏟剛度綜合換算得到，在防止起膜鏟過(guò)載的前提下，根據(jù)土壤類型、土壤含水率和作業(yè)速度設(shè)定壓力的最大閾值，在允許的壓力區(qū)間，通過(guò)殘膜回收在線視覺(jué)反饋和監(jiān)控界面實(shí)時(shí)自動(dòng)微調(diào)細(xì)調(diào)起膜鏟的破土深度。圖3為智能起膜鏟結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3　智能起膜鏟結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3　Schematic of intelligent lifting film shovel structure1.伺服電動(dòng)機(jī)　2.彈性聯(lián)軸器　3.絲桿　4.滑塊　5.外罩6.起膜鏟　7.鏟尖　8.壓電傳感器

2.2卷膜齒轉(zhuǎn)速檢測(cè)設(shè)計(jì)

卷膜齒轉(zhuǎn)速由霍爾式輪速傳感器實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)。該傳感器由永磁鐵、霍爾元件、齒圈和電路組成，其在線測(cè)速原理為：主動(dòng)輪在牽引動(dòng)力的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，不同轉(zhuǎn)速導(dǎo)致霍爾元件周?chē)拇帕€密度發(fā)生改變，進(jìn)而影響霍爾電壓的變化，霍爾電壓經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大和施密特觸發(fā)器后轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)被BECKHOFF模塊采集，并將速度實(shí)時(shí)顯示在監(jiān)控界面上。

由于牽引動(dòng)力和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的限制，卷膜齒轉(zhuǎn)速不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，但該轉(zhuǎn)速的在線檢測(cè)意義重大，一方面可作為收膜傳動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)整的依據(jù)；另一方面在智能起膜鏟破土深度的自動(dòng)升降調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)定方面將產(chǎn)生影響。

2.3在線視覺(jué)反饋設(shè)計(jì)

殘膜回收在線視覺(jué)反饋工作過(guò)程為：在智能殘膜回收裝置作業(yè)區(qū)域內(nèi)，當(dāng)殘膜回收作業(yè)進(jìn)行時(shí)，在裝備作業(yè)后方未被回收的殘膜透過(guò)4 mm光學(xué)鏡頭被攝像頭以1/100 000～1/3 s的速度拍照生成數(shù)字圖像信號(hào)，再經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)處理芯片加工后，以25～30幀/min的幀率通過(guò)以太網(wǎng)接口向 CX2030控制器傳輸，最后視覺(jué)圖像被實(shí)時(shí)顯示在監(jiān)控界面上。

在線視覺(jué)反饋?zhàn)鳛橹悄軞埬せ厥兆鳂I(yè)的輔助裝置，通過(guò)實(shí)時(shí)視覺(jué)反饋殘膜回收作業(yè)過(guò)程中殘膜的回收狀況，為自動(dòng)升降調(diào)節(jié)破土深度和彈齒入土深度提供實(shí)時(shí)參考，有利于提高殘膜回收率和整機(jī)作業(yè)效率，減少工耗和成本。

3　智能起膜鏟理論分析與試驗(yàn)

3.1起膜鏟刀受力平衡方程

起膜鏟由鏟刀、鏟柄和支撐件構(gòu)成。在回收殘膜作業(yè)過(guò)程中，為使鏟刀與土壤之間不發(fā)生堵塞或過(guò)多積土，運(yùn)用牛頓第二定律對(duì)鏟刀作業(yè)過(guò)程進(jìn)行受力分析，得到鏟刀作業(yè)的受力平衡方程為

(1)

式中F——鏟刀作業(yè)時(shí)所受土壤阻力

N——鏟刀作業(yè)面所受垂直作用力

G——鏟刀作業(yè)時(shí)自身和積土重力

f——鏟刀作業(yè)時(shí)與土壤和殘膜之間摩擦力

μ——摩擦因數(shù)

α——鏟刀傾角

圖4為鏟刀質(zhì)心處的受力分析。

圖4　鏟刀質(zhì)心處的受力分析Fig.4　Stress analysis of center of mass of blade

由式(1)可得

α=arctan((G+μF)/(F-μG))

(2)

其中，土壤阻力F能夠通過(guò)在鏟刀處的壓力傳感器檢測(cè)后取平均后得到，鏟刀和積土重力G可以通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M近似得到。為防止鏟刀作業(yè)時(shí)發(fā)生堵塞或過(guò)摩擦，實(shí)際設(shè)計(jì)的鏟刀傾角α′≤α。

3.2起膜鏟柄運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

在牽引力的作用下，智能起膜鏟從靜止?fàn)顟B(tài)以一定的速度v1破土破膜作業(yè)，利用運(yùn)動(dòng)學(xué)原理和牛頓第二定律對(duì)鏟柄作業(yè)過(guò)程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得到鏟柄破土深度H與鏟刀傾角α′、土壤阻力F和牽引速度v1之間的量化關(guān)系，有

(3)

式中M——土壤質(zhì)量

ΔT——土壤從v0運(yùn)動(dòng)到v1的作業(yè)時(shí)間

ρ——土壤密度

V——ΔT內(nèi)掘土體積

s——ΔT內(nèi)作業(yè)位移

S——鏟柄作業(yè)橫截面積

l——鏟柄切面邊長(zhǎng)

b——鏟柄厚度

由式(3)可得

(4)

由式(3)、(4)可以算得H的理論值。

圖5為起膜鏟柄運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。

圖5　起膜鏟柄運(yùn)動(dòng)學(xué)分析Fig.5　Kinematics analysis of shovel handle

3.3智能起膜鏟刀測(cè)試試驗(yàn)

利用PC工控機(jī)、Arduino壓電傳感器、NI 6366 X數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW編程軟件等搭建測(cè)力試驗(yàn)平臺(tái)，其NI采集卡設(shè)置及測(cè)力界面如圖6所示。分別在甘肅省小康營(yíng)鄉(xiāng)、寧夏自治區(qū)中河鄉(xiāng)、內(nèi)蒙古自治區(qū)賽罕區(qū)和河北省柳泉鎮(zhèn)等地針對(duì)不同土質(zhì)實(shí)地測(cè)試智能起膜鏟的工作性能和破土深度H、鏟刀傾角α′、土壤阻力F、牽引速度v1與垂直作用力N之間的量化關(guān)系。測(cè)試分為2類:第1類試驗(yàn)針對(duì)地膜地表覆蓋的特點(diǎn)和傾角過(guò)小易造成積土的問(wèn)題，選取當(dāng)破土深度H為20～50 mm和α′不小于45°時(shí)，在牽引速度v1相同的情況下，分4組測(cè)試不同土質(zhì)上作業(yè)時(shí)，F(xiàn)和N隨α′變化的量化關(guān)系，根據(jù)正態(tài)分布，結(jié)果如表1所示；第2類試驗(yàn)是在α′為65°～75°且v1相同時(shí)，針對(duì)上述相同土質(zhì)，測(cè)試F和N隨H變化的量化關(guān)系，結(jié)果分別如圖7和圖8所示。

圖6　NI采集卡設(shè)置及測(cè)力界面Fig.6　NI acquisition card set and force interface

表1　不同土質(zhì)上作業(yè)時(shí)，F(xiàn)和N隨α′的變化情況(v1相同)Tab.1　When working on different kinds of soil, F and N changing with α′ ( same v1)

圖7　當(dāng)α′為65°～75°時(shí)F與H的關(guān)系曲線Fig.7　Quantitative relationship between F and H at α′ of 65°～75°

圖8　當(dāng)α′為65°～75°時(shí)N與H的關(guān)系曲線Fig.8　Quantitative relationship between N and H at α′ of 65°～75°

表1所示的測(cè)試結(jié)果表明在鏟刀傾角α′為65°～75°時(shí)，草原土、中壤土、重壤土和砂礫土所受的F和N最小，沒(méi)有超過(guò)自動(dòng)升降起膜鏟的承受范圍。圖7、8所示的測(cè)試結(jié)果表明隨著破土深度的加深，F(xiàn)和N呈遞增趨勢(shì)，且不同土質(zhì)表現(xiàn)的F和N也差別很大。為防止智能起膜鏟過(guò)載作業(yè)，設(shè)計(jì)的智能起膜鏟鏟刀的傾角α′為65°～75°，適宜的破土深度H為20～50 mm，且不適于在砂礫土環(huán)境中作業(yè)。

4　田間試驗(yàn)與分析

4.1試驗(yàn)環(huán)境

田間試驗(yàn)在河北省固安縣柳泉土豆覆膜種植基地進(jìn)行，試驗(yàn)對(duì)象為收獲土豆后的地膜殘膜，土豆起壟種植，壟高為150～170 mm，壟寬為700 mm，壟溝寬為700 mm，殘膜回收作業(yè)區(qū)域地形平整，土質(zhì)為中壤土，地表無(wú)明顯硬物，土壤硬度為6.1 kPa，土壤含水率為26.5%，地膜兩邊壓入土中，地膜厚度為0.008 mm，膜寬為800 mm，覆膜時(shí)間長(zhǎng)142 d，地膜出現(xiàn)一定程度的破損。智能回收裝置由東方紅40型拖拉機(jī)提供牽引力，作業(yè)速度為5.0～5.5 km/h，作業(yè)幅寬為800 mm。

4.2智能殘膜回收裝置作業(yè)測(cè)試

4.2.1測(cè)試準(zhǔn)備與作業(yè)流程

智能殘膜回收裝置由BECKHOFF CX2030型控制器及模塊、PC工控機(jī)、GPRS DTU、TP-LINK 11AC 900M 5G型雙頻智能無(wú)線路由器、HIKVISION型高清攝像頭、霍爾式輪速傳感器、Arduino壓電陶瓷傳感器、HIWIN KK40型負(fù)載型絲桿滑塊、EL7201型驅(qū)動(dòng)模塊和BECKHOFF AM8111型伺服電動(dòng)機(jī)等主要設(shè)備組成。

在測(cè)試作業(yè)之前，檢查電控系統(tǒng)，調(diào)整攝像頭角度，同時(shí)為了防止因牽引速度過(guò)快或土壤阻力過(guò)大造成的起膜鏟扭矩過(guò)大，需要對(duì)牽引速度和破土深度進(jìn)行試作業(yè)，確定匹配的牽引速度和設(shè)定壓力最大閾值。準(zhǔn)備工作就緒后，操作者啟動(dòng)智能殘膜回收裝置監(jiān)控系統(tǒng)，便攜式監(jiān)控界面(HMI)進(jìn)入初始化過(guò)程，檢查EtherCAT與GPRS網(wǎng)絡(luò)連接是否正常，不正常情況下需要重啟GPRS DTU或停機(jī)檢查，正常聯(lián)網(wǎng)后，在HMI上設(shè)置匹配的相關(guān)參數(shù)，并下達(dá)控制指令，實(shí)時(shí)觀察圖像角度和在線調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)。監(jiān)控系統(tǒng)正常工作后，在東方紅40型拖拉機(jī)牽引下，智能殘膜回收裝置開(kāi)始作業(yè)。如遇到故障報(bào)警，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出警鳴，提示中止作業(yè)。智能殘膜回收裝置作業(yè)流程和田間作業(yè)分別如圖9、10所示。

圖9　智能殘膜回收裝置作業(yè)流程Fig.9　Work process of intelligent residual film recovery device

圖10　智能殘膜回收裝置田間作業(yè)Fig.10　Field work of intelligent residual film recovery device

4.2.2試驗(yàn)方案

為了實(shí)地驗(yàn)證智能殘膜回收裝置的系統(tǒng)整體性能、抗扭矩能力、作業(yè)效率和殘膜回收率，整個(gè)測(cè)試過(guò)程共分為3組：試驗(yàn)A中行走距離為100 m，破土深度分別為20 mm、50 mm和80 mm。試驗(yàn)B中行走距離300 m，破土深度分別為20 mm、50 mm和80 mm。試驗(yàn)C中行走距離為500 m，破土深度分別為20 mm、50 mm和80 mm。

測(cè)試過(guò)程中自動(dòng)在線調(diào)節(jié)破土深度，殘膜回收率和作業(yè)效率根據(jù)比較行走位移內(nèi)扇形圖像區(qū)域前后殘膜總量由模擬軟件計(jì)算得到，過(guò)載保護(hù)通過(guò)設(shè)定最大壓力閾值實(shí)現(xiàn)，采用報(bào)警提示。

4.3試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)多次測(cè)試，對(duì)每一項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果去除頭尾后取平均值，得到了如表2所示的田間測(cè)試結(jié)果。測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的裝置系統(tǒng)性能穩(wěn)定，起膜鏟抗扭矩能力適用于在破土深度為20～50 mm內(nèi)作業(yè)，殘膜回收率和卸膜率表現(xiàn)突出，整機(jī)作業(yè)效率大幅提高；同時(shí)，該裝置在破土深度為80 mm時(shí)，出現(xiàn)過(guò)報(bào)警異常，說(shuō)明起膜鏟的抗扭矩能力有待提高，智能起膜鏟的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面還有待進(jìn)一步研究。

表2　智能殘膜回收裝置田間測(cè)試結(jié)果Tab.2　Field test results of intelligent residual film recovery device

5　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)智能起膜鏟的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、理論分析與試驗(yàn)得到了鏟刀的安全傾角為65°～75°，整機(jī)田間試驗(yàn)證明了智能殘能回收裝置在機(jī)械化殘膜回收作業(yè)方面是可行的，在破土深度為20～50 mm時(shí)，智能起膜鏟在抗扭矩能力、殘膜回收率、卸膜率和整機(jī)工作效率等方面效果顯著，且特別適用于土豆和花生起壟種植的草原土、中壤土和重壤土?；贕PRS與EtherCAT總線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和圖像技術(shù)與計(jì)算模擬軟件在殘膜回收作業(yè)方面的應(yīng)用值得推廣。

1張佳喜,謝建華,薛黨勤,等.國(guó)內(nèi)外地膜應(yīng)用及回收裝備的發(fā)展現(xiàn)狀[J].農(nóng)機(jī)化研究,2013(12):237-240.

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10侯書(shū)林,孔建銘,張惠友,等.彈齒式收膜機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2003,34(2):141-142,145．

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13張毅．實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的研究及應(yīng)用[D].杭州：浙江大學(xué)，2005．

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14李銀華，趙凡，黃軍壘. 基于EtherCAT的自動(dòng)焊接控制系統(tǒng)研究[J].焊接技術(shù)，2015，44(5)：59-63.

15崔麗麗，徐進(jìn)學(xué).基于OPC技術(shù)的客戶端數(shù)據(jù)采集軟件包設(shè)計(jì)[J].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，27(5)：553-557.

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Design and Test of Intelligent Residual Film Recovery Device Based on EtherCAT & GPRS

Wu XiaoyanWang ShuZhou HuixingHou ShulinJian Jianming

(CollegeofEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China)

At present, the residual film recovery device needs to stop artificially and adjust repeatedly for its ground-breaking depth and rolling speed based on actual situation during the work. It often leads to low levels of mechanization and efficiency. In order to improve intelligence and efficiency of the plastic film recovery unit, the subject takes the elastic tooth residual film recovery device of existing independently developed as the research object. BECKHOFF CX2030 controller and the module were used to collect the data of each sensor in real time and control the operation of the servo motor. Then through the Ethernet interface which based on EtherCAT bus and the GPRS network, it can realize the film shovel automatic lifting adjustment, the film cutting speed online detection, the residual film recovery online visual feedback, the data transmission and monitoring. Through the structure design, theoretical analysis and experimental verification of the intelligent film shovel, the inclination angle of the blade was obtained as 65° to 75°, the safety ground breaking depth was 20 mm to 50 mm. The application of image technology and computer simulation software was conducive to the real-time feedback of residual film legacy and scientific calculation of residual film recovery rate and operating efficiency. The field experiment in sandy loam soil of potato ridge using the intelligent residual film recovery device based on EtherCAT & GPRS showed that, the effect of the residual film recovery operations was significant in the intelligent level and residual film recovery rate, and the overall level of the device was greatly improved. The successful research and development of the device will greatly promote the residual film recovery to multifunction, intelligence, digitization and automation.

agricultural plastic film; residual film recovery; EtherCAT; GPRS; intelligence

10.6041/j.issn.1000-1298.2016.09.008

2016-02-26

2016-06-14

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201503105)和國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2012AA10A503-4)

吳小艷(1987—)，男，博士生，主要從事智能機(jī)器人研究，E-mail: perc_wxy@126.com

侯書(shū)林(1959—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事智能農(nóng)機(jī)裝備研究，E-mail: hsl010@126.com

S216.2； TP242.6

A

1000-1298(2016)09-0050-06