捆草機電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計研究—基于MCGS與單片機技術(shù)

邢小琛，武 佩，劉 宇，宣傳宗，馬彥華

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

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捆草機電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計研究
—基于MCGS與單片機技術(shù)

邢小琛，武 佩，劉 宇，宣傳宗，馬彥華

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

以呼倫貝爾市蒙拓農(nóng)機科技股份有限公司生產(chǎn)的9YG-1.3型圓草捆打捆機為樣機，針對其控制部分存在自動化程度低、草捆邊緣布網(wǎng)太松、操作繁瑣及需人工手動計數(shù)等問題，運用昆侖通態(tài)MCGS編程軟件和Keil uVision4軟件，設(shè)計了一款以單片機系統(tǒng)為控制核心，以MCGS觸摸屏為人機界面，配備各種相應(yīng)傳感器和控制輸出硬件的自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過人機監(jiān)控界面，實現(xiàn)了對捆草機運行狀況的實時監(jiān)控。試驗結(jié)果表明：本控制系統(tǒng)有效地解決了捆草機的靈活布網(wǎng)問題與計數(shù)問題，并可以實時進行停車、開倉門、關(guān)倉門與報警聲亮提示，提高了捆草機的工作效率和自動化水平。

捆草機；控制系統(tǒng)；MCGS；布網(wǎng)控制

0 引言

牧草的打捆收獲不僅運輸、存儲方便，而且也有利于保持草的營養(yǎng)價值。隨著我國農(nóng)牧業(yè)機械化水平的不斷提高，以及國家對農(nóng)牧業(yè)機械購置補貼力度的加大，捆草機的需求量很大[1]。

在國外，牧草打捆機的電氣控制系統(tǒng)廣泛采用PLC、工業(yè)電腦及單片機等控制器作為控制核心，具有友好的人機界面。以PLC為控制核心的控制系統(tǒng)穩(wěn)定，抗干擾能力強；工控電腦適用于高度自動化的牧場；單片機成本低，編程靈活，體積較小而且容易集成。德國克拉斯公司生產(chǎn)的Rollant系列圓捆機，采用視覺指示器、信號燈和電子指示器，具有草捆密度可調(diào)等特點。美國約翰迪爾公司生產(chǎn)的447型圓捆機，采用BaleTrakTM正面監(jiān)視器和打捆張力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，具有良好的操作性、安全性和打捆一致性[2]。而我國的捆草機總體的自動化程度不高，在實際使用過程中，若想實現(xiàn)高效捆草，必須要求捆草司機具有足夠的工作經(jīng)驗[3-4]。

本文設(shè)計的自動控制系統(tǒng)，在有效抗干擾的同時，可以靈活控制布網(wǎng)，并且實時顯示整車捆草的運行狀態(tài)，以達到更加高效的捆草目的。

1 捆草機結(jié)構(gòu)和工作流程

由圖1可以看出：捆草機通過傳動機構(gòu)進行動力傳動。在機器工作過程中，撿拾器將地面牧草拾起，通過喂入機構(gòu)進入成捆室，在旋轉(zhuǎn)滾筒的作用下首先形成草芯，隨著更多牧草的進入，草芯逐漸形成圓草捆；牧草在圓草捆外圍繼續(xù)纏繞，草捆壓力不斷增大，當壓力值達到預(yù)設(shè)值時，形成了一個完整的草捆。操作者通過壓力表判斷當草捆制作完成時，便通過控制捆繩機構(gòu)對草捆開始捆繩，捆繩結(jié)束后，倉門打開，將草捆落在地面，完成一個工作循環(huán)[5-6]。

1.撿拾器總成 2.牽引架總成 3.卷壓機構(gòu)總成 4捆繩機構(gòu)總成 5.液壓系統(tǒng) 6.傳動機構(gòu) 7.倉門 8.行走輪總成圖1 捆草機總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Bale overall structure diagram

2 捆草機存在的問題

本文以呼倫貝爾市蒙拓農(nóng)機科技股份有限公司生產(chǎn)的9YG-1.3型圓草捆打捆機作為研究對象，該機在實際使用中存在以下3個問題：

1)草捆壓力是否能夠達到預(yù)設(shè)值主要由操作者觀察牽引車上的油壓表來判斷，通常油壓達到10個大氣壓時草捆的壓力才會達到預(yù)設(shè)值。然而，油壓不容易控制，過大時會導(dǎo)致牽引車超負荷工作，甚至被憋滅，過小時則會導(dǎo)致草捆質(zhì)量不合格。所以，整個打草過程對操作者的要求較高。

2)在對草捆進行捆繩過程中，存在捆不緊、捆繩間距不能靈活控制及更換捆繩繁瑣的問題。這樣捆出來的草捆大都質(zhì)量不合格，而且工作效率差。

3)不能高效地記錄與保存草捆的個數(shù)。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 控制要求分析

為了解決該捆草機目前所存在的問題，擬采用單片機可編程控制器編制靈活的程序，對收集草過程、捆草過程及計數(shù)過程進行程序化自動控制。

控制系統(tǒng)由軟件部分和硬件部分組成。其中，硬件部分包括MCGS觸摸屏、單片機系統(tǒng)、中間繼電器、計數(shù)傳感器，倉門檢測傳感器、調(diào)壓器、布網(wǎng)檢測傳感器和手動控制開關(guān)；軟件部分主要是由MCGS嵌入式組態(tài)編程軟件和單片機編程軟件組成。

3.2 硬件設(shè)計與選型

本系統(tǒng)的I/O主要包括4個開關(guān)量輸入和2個開關(guān)量輸出。系統(tǒng)的硬件部分主要由核心處理器單元、數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊及輸出控制模塊組成，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System Block Diagram

1)處理器選擇STC公司的STC12C5A60S2。該處理器帶有EEPROM功能，可掉電存儲數(shù)據(jù)，有看門狗，中斷優(yōu)先級有4種狀態(tài)并且可定義，同時還擁有兩個串口。

2)通信模塊采用美信公司的MAX232芯片，是專為RS-232標準串口設(shè)計的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片[6]。

3)輸入輸出模塊分別采用光電耦合器和繼電器。為了保證輸出控制繼電器的穩(wěn)定性、抗干擾能力和可靠性，系統(tǒng)通過驅(qū)動芯片ULN2003來接收光耦信號驅(qū)動繼電器。

4)TPC選擇昆侖通態(tài)MCGS的觸摸屏，具體型號為TPC7062TX，是一套以Cortex-A8 CPU為核心的嵌入式觸摸屏。該產(chǎn)品設(shè)計采用了7英寸液晶顯示屏和電阻式觸摸屏，并預(yù)裝MCGS嵌入式組態(tài)軟件，且擁有RS-232和RS-485接口，具備圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能。

3.3 工作流程

捆草機啟動后，整個控制系統(tǒng)上電啟動，開始初始化系統(tǒng)，控制器和觸摸屏開始通信，讀取歷史總捆草數(shù)，開始記錄工作時間，并設(shè)定布網(wǎng)延時時間同時保存為默認值，完成啟動。整機開始工作，即開始捆草，等待倉門檢測傳感器的信號。當漲箱傳感器被觸發(fā)時，置于拖拉機控制室內(nèi)的聲光報警提示司機停車；停車后，達到布網(wǎng)延時設(shè)定值后，開始布網(wǎng)，可手動布網(wǎng)，也可以自動布網(wǎng)；布網(wǎng)結(jié)束，提示打開放草捆倉門，待打開倉門以后，草捆自動滾落，觸發(fā)計數(shù)傳感器，并進行一次計數(shù)；完成計數(shù)后，提示關(guān)閉倉門，完成整個過程。

3.4 程序設(shè)計

整個控制系統(tǒng)運用Keil uVision4軟件進行程序設(shè)計。軟件程序系統(tǒng)主要包含主程序、通信程序、捆草程序、計數(shù)采樣與消抖程序和手動控制子程序。主程序根據(jù)捆草機的具體工藝流程采用順序控制方法編寫，具有自動初始化功能，并且有軟件看門狗，保證對程序的正確引導(dǎo)，防止程序跑飛，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。主程序控制流程如圖3所示。

51單片機提供了一個全雙工標準接口，通過電平轉(zhuǎn)換芯片MA X232及外圍電路來實現(xiàn)信號電平信號之間的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)與觸摸屏串口硬件通信通道連接，通過編寫設(shè)備驅(qū)動程序，實現(xiàn)基于51單片機的設(shè)備與上位組態(tài)軟件的數(shù)據(jù)交互[7]。其接口結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在 MCGS中與進行串口通信時，相關(guān)的設(shè)備必須通過調(diào)用串行通信父設(shè)備。MCGS把包括波特率大小、數(shù)據(jù)位長度、停止位位數(shù)、有無奇偶校驗等復(fù)雜的對串口參數(shù)的設(shè)置、初始化與讀寫操作全部封裝在 MCGS系統(tǒng)提供的串行通訊父設(shè)備中；創(chuàng)建通信子設(shè)備的驅(qū)動程序時，主要是對串行端口進行操作，通過調(diào)用父設(shè)備提供的標準串口讀寫函數(shù)ComOutDat/ComInDat，即可開發(fā)編程通訊子設(shè)備驅(qū)動程序的工作。單片機接收數(shù)據(jù)采用串口中斷方式，當接收到開始符時，則從開始符的下一位開始接收數(shù)據(jù)，按照通訊協(xié)議，開始符的下一位是通道號，后面是數(shù)據(jù)位，接收到結(jié)束符時表示數(shù)據(jù)接收完畢。通道號和數(shù)據(jù)存儲在數(shù)組中，供用戶處理[7-8]。

圖3 程序流程圖Fig.3 Program flow chart

圖4 通信接口結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Communication Interface Block Diagram

3.5 人機界面MCGS組態(tài)設(shè)計

MCGS (通用監(jiān)控系統(tǒng)) 是昆侖通態(tài)公司的用于快速構(gòu)造和生成監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件。它基于WindowsCE平臺的組態(tài)程序，通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與處理，通過動畫顯示、報警處理、流程控制和報表輸出等多種方式向用戶提供解決實際工程問題的方案，在自動化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。MCGS 嵌入式體系結(jié)構(gòu)分為組態(tài)環(huán)境、模擬運行環(huán)境和運行環(huán)境3 部分。組態(tài)環(huán)境和模擬運行環(huán)境相當于一套完整的工具軟件，可以在PC 機上運行，用戶可根據(jù)實際需要裁減其中內(nèi)容，可幫助用戶設(shè)計和構(gòu)造自己的組態(tài)工程并進行功能測試。由MCGS 嵌入版生成的用戶應(yīng)用系統(tǒng)，由主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實時數(shù)據(jù)庫和運行策略5個部分構(gòu)成，如圖5所示。

圖5 MCGS組成部分Fig.5 MCGS part

在信息界面中，可以實時顯示本次開機總共打草的草捆數(shù)及本臺機器總共的打草總草捆數(shù)，還可顯示工作時間及布網(wǎng)時間的設(shè)定，如圖6所示。

在動畫顯示主頁面中(見圖7)，根據(jù)整機運行過程的實際情況，來顯示當前的運行情況。當正常運行到應(yīng)停車時，界面顯示停車并在控制室內(nèi)進行聲亮報警提示，停車后系統(tǒng)在等待一個布網(wǎng)延遲時間；若無手動布網(wǎng)信號，則開始自動布網(wǎng)，布網(wǎng)結(jié)束時提示打開倉門，放下草捆后計數(shù)并提示關(guān)閉倉門，系統(tǒng)運行結(jié)束。

圖6 信息設(shè)置頁面Fig.6 Settings page

圖7 動畫顯示主頁面Fig.7 Animation Home Page

4 試驗分析

在完成整個控制系統(tǒng)后，對捆草機進行了模擬測試、空機測試和捆草試驗。在模擬測試試驗和空機測試中，主要測試整個工作流程指令執(zhí)行的準確性、穩(wěn)定性和魯棒性。在實驗室環(huán)境下，共進行20次模擬運行，然后進行了30次空機運行，整個工作順序準確率均達100%；當有外部干擾和突發(fā)狀況發(fā)生時，緊急暫停整個程序的正確率也達100%。

捆草試驗2015年9月6日在內(nèi)蒙古呼倫貝爾市鄂溫克族自治旗草場進行，測試用草為當?shù)啬敛?，打捆個數(shù)為10，草捆直徑為1.2m，草捆長度為1.4m，質(zhì)量為300kg，草捆的完整性良好，成捆率達100%；布網(wǎng)形式為繞線布網(wǎng)，布網(wǎng)圈數(shù)為10，手工布網(wǎng)可控成功率達100%(達到設(shè)定圈數(shù)即為合格)，布網(wǎng)完整性100%，布網(wǎng)尾部處理合格率達90%，計數(shù)準確率為100%，達到了設(shè)計預(yù)計要求。試驗結(jié)果如表1所示。

表1 打捆試驗數(shù)據(jù)

續(xù)表1

本試驗中，操作者僅需提醒停車、結(jié)束、繼續(xù)前行即可，從停車到放捆計數(shù)總共用時平均約為48s；而操作者的操作熟練程度不同，實際效率也不同，在本次試驗過程中，操作者用時平均為50s左右。

試驗過程中，整套裝置運行安全可靠、操作方便，達到了設(shè)計要求。

5 結(jié)論

經(jīng)試驗驗證，本文研究的捆草機控制系統(tǒng)在技術(shù)上是可行的。該系統(tǒng)不僅解決了捆草機捆草布網(wǎng)不靈活的問題，還可以高效、準確地記錄與保存草捆的個數(shù)，在提高了捆草機工作效率的同時也減輕了捆草司機的工作量。總的來說，本套系統(tǒng)具有使用方便、操作快捷、故障率低及運行穩(wěn)定等特點，達到了預(yù)期的設(shè)計目的。

[1] 劉振營.呼倫貝爾農(nóng)機人實現(xiàn)夢想的地方[J].農(nóng)業(yè)機械，2011(9):34-44.

[2] 肖章,劉亮東,王光輝,等.基于PLC的青貯圓草捆打捆機控制系統(tǒng)設(shè)計[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2013, 18(6): 175-179.

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[8] 潘崢嶸, 張巖, 郭凱.基于 MC G S 的 C 8051F 020單片機驅(qū)動程序的設(shè)計與應(yīng)用[J].微計算機應(yīng)用, 2009, 30(2):48-52.

Abstract： In this paper, an automatic control system was developed for the silage round baler 9YG-1.3 manufactured by the Mengtuo Agricutural-Machinery Technology Co. Ltd, for solving the problems of the low-degree automation, too-loose edge of bale, too complicated operation and manual counting bales. The system was designed by using the MCGS as well as the Keil uVision4 software programs, using the SCM system as the core, the touch screen as the human-computer interface, and various sensors and corresponding control output hardware. Through the man-machine monitoring interface, the system realized the real-time monitoring of the running status of the silage round baler. The tested results show that the control system has effectively solved the existed problems for the questioned silage round baler , realized the baling door open or close and light alarming in real time , and raised the working efficiency.

ID:1003-188X(2017)06-0219-EA

Design and Study on Electric Control System of Baler—Based on MCGS & Microcontroller Technology

Xing Xiaochen, Wu Pei, Liu Yu, Xuan Chuanzong, Ma Yanhua

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

silage round baler; control system; MCGS; net control

2016-05-10

國家自然科學(xué)基金項目(51165029)；內(nèi)蒙古“草原英才”產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新人才團隊項目(內(nèi)組通字[2014]27號)

邢小琛(1991-),男，內(nèi)蒙古包頭土默特右旗人，碩士研究生，(E-mail)xc2444@163.com。

武 佩(1963-)，男，內(nèi)蒙古化德人，教授，博士生導(dǎo)師，博士，(E-mail)jdwp@imau.edu.cn。

S817.11+5

A

1003-188X(2017)06-0219-04