液壓式聯(lián)合收割機(jī)電氣控制系統(tǒng)的PLC設(shè)計(jì)

胡亞娟

(武漢晴川學(xué)院，武漢 430204)

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的不斷普及和發(fā)展，國(guó)內(nèi)聯(lián)合收割機(jī)也從原來(lái)的單一化、小型化逐步向多功能、通用型、大型化智能化方向發(fā)展，在提高收割機(jī)作業(yè)效率的同時(shí)，降低了收獲損失率，提高了機(jī)器可靠性，使駕駛員的操作更加簡(jiǎn)便舒適。為此，以PLC為主控制器，設(shè)計(jì)了一套液壓式聯(lián)合收割機(jī)電氣控制系統(tǒng)，能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性及有效減少糧食的損失。

1 聯(lián)合收割機(jī)工作原理及液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 聯(lián)合收割機(jī)工作原理

聯(lián)合收割機(jī)是將農(nóng)作物進(jìn)行收割、脫粒、分離莖稈、清除雜余物、儲(chǔ)藏，并最終將谷粒輸送到裝載車輛的一體化收割機(jī)械。聯(lián)合收割機(jī)產(chǎn)品種類較多，根據(jù)使用區(qū)域、作物對(duì)象和作業(yè)性質(zhì)可以分為自走輪式全喂入、自走履帶式全喂入、自走履帶式半喂入和懸掛式等。雖然聯(lián)合收割機(jī)種類較多，但是工作原理大致相似：作業(yè)時(shí)，聯(lián)合收割機(jī)沿著農(nóng)作物壟前行，割刀將農(nóng)作物秸稈割掉，輸送裝置分3條輸送鏈條將秸稈送到脫粒裝置，在該裝置中完成谷粒的脫粒過(guò)程，并通過(guò)分離裝置分離莖桿等雜余物，然后將谷粒儲(chǔ)存到儲(chǔ)藏艙，完成整個(gè)收割過(guò)程。另外，聯(lián)合收割機(jī)動(dòng)力分離主要依靠其液壓升降系統(tǒng)，當(dāng)駕駛員將收割臺(tái)提升到高于農(nóng)作物時(shí)，B型三角帶立刻會(huì)停止工作，不再會(huì)有柴油機(jī)的動(dòng)力輸入，割刀和輸送帶也會(huì)停止工作，此時(shí)聯(lián)合收割機(jī)處于不工作狀態(tài)；反之，其處于工作旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。聯(lián)合收獲機(jī)主要由收割臺(tái)、輸送裝置、脫粒裝置、儲(chǔ)藏艙、卸糧系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 聯(lián)合收割機(jī)示意圖

1.2 聯(lián)合收割機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1)聯(lián)合收割機(jī)液壓系統(tǒng)作業(yè)特點(diǎn)。聯(lián)合收割機(jī)是多執(zhí)行器共同協(xié)作的一體化機(jī)械平臺(tái)，其執(zhí)行器具有數(shù)量多、種類多、作業(yè)要求差異大等特點(diǎn)。聯(lián)合收割機(jī)各執(zhí)行器要求如表1和表2所示。

表1 聯(lián)合收割機(jī)各執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)馬達(dá)要求

續(xù)表1

表2 聯(lián)合收割機(jī)各執(zhí)行器液壓油缸要求

Table 2 Hydraulic cylinder requirements for each actuator of combine harvester

油缸馬達(dá)名稱數(shù)量速度/mm·s-1缸徑/mm行程/mm切稈升降油缸110050300割臺(tái)升降油缸16050200傳動(dòng)升降油缸210040200壓倒升降油缸16035120左開(kāi)合油缸128065160右開(kāi)合油缸128035160

2)聯(lián)合收割機(jī)液壓系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。聯(lián)合收割機(jī)液壓系統(tǒng)可以分為收割、位置調(diào)整和行走驅(qū)動(dòng)等3類，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 聯(lián)合收割機(jī)液壓系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

聯(lián)合收割機(jī)收割系統(tǒng)功能是對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行收割作業(yè)，主要包括切稈、壓倒、刀盤切割、一級(jí)喂入及二級(jí)喂入等操作。位置調(diào)整系統(tǒng)主要是對(duì)收割機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)的位置進(jìn)行調(diào)整；行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)則是負(fù)責(zé)整個(gè)收割機(jī)的前行、后退及轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作功能。

3)聯(lián)合收割機(jī)液壓系統(tǒng)多執(zhí)行器設(shè)計(jì)方法。聯(lián)合收割機(jī)功能復(fù)雜，執(zhí)行器較多，各個(gè)部件對(duì)排量、壓力、速度和行程的要求差別較大，因此在進(jìn)行液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能、效率、集成程度等進(jìn)行整體優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了方便聯(lián)合收割機(jī)統(tǒng)一對(duì)各執(zhí)行器進(jìn)行控制，本文采用集中控制的控制方式，設(shè)計(jì)聯(lián)合收割機(jī)液壓系統(tǒng)。

采用集中控制方式的液壓系統(tǒng)是采用單個(gè)液壓泵源給整個(gè)系統(tǒng)的多個(gè)執(zhí)行器供油。由于各個(gè)執(zhí)行器的排量、壓力、速度和行程等參數(shù)需求不同，一般采用負(fù)載敏感技術(shù)進(jìn)行多執(zhí)行器動(dòng)作協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)。負(fù)載敏感系統(tǒng)一般分為定量泵和變量泵兩種：定量泵負(fù)載敏感系統(tǒng)是通過(guò)負(fù)載反饋信號(hào)，控制系統(tǒng)的工作與泄荷；變量泵負(fù)載敏感系統(tǒng)則是通過(guò)負(fù)載信號(hào)反饋控制變量泵的排量。定量泵負(fù)載敏感系統(tǒng)通常為了讓所有的執(zhí)行器能保證自己各自的最大速度，會(huì)按照?qǐng)?zhí)行器中最大流量設(shè)定定量泵的排量值，會(huì)產(chǎn)生溢流損失，影響系統(tǒng)的整體性能；而變量泵負(fù)載敏感系統(tǒng)利用載敏感多路閥的反饋壓力值，根據(jù)需求控制泵的排量，有效避免因流量過(guò)剩引起的發(fā)熱問(wèn)題，節(jié)能效果更佳。經(jīng)過(guò)綜合對(duì)比后，本文液壓控制采用比例回路型變量泵負(fù)載敏感系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2 液壓式聯(lián)合收割機(jī)電氣系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

聯(lián)合收割機(jī)電氣系統(tǒng)整體控制方案如圖3所示。系統(tǒng)采用西門子s7-300作為主控制器，作為輸送裝置、行走系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等的控制核心。

圖3 聯(lián)合收割機(jī)電氣系統(tǒng)整體控制圖

根據(jù)聯(lián)合收割機(jī)電氣系統(tǒng)整體控制方案和液壓系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了如圖4所示的聯(lián)合收割機(jī)集中式電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)輸入信息包括開(kāi)關(guān)鍵、控制手柄、各類傳感器和人機(jī)交互界面等，這些信息全部被PLC控制器采集，然后經(jīng)過(guò)融合計(jì)算后，控制整個(gè)收割機(jī)的電氣系統(tǒng)。

3 基于PLC的聯(lián)合收割機(jī)電氣控制系統(tǒng)

3.1 聯(lián)合收割機(jī)行走驅(qū)動(dòng)馬達(dá)電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

聯(lián)合收割機(jī)采用雙邊履帶驅(qū)動(dòng)方式，由雙泵-雙馬達(dá)馬達(dá)獨(dú)立控制，雙泵-雙馬達(dá)電機(jī)的控制主要對(duì)轉(zhuǎn)速、過(guò)載能力、效率需求較大。行走驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)外觀如圖5所示。

圖4 聯(lián)合收割機(jī)集中式電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖5 行走驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)外觀圖

1)行走驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的異常保護(hù)設(shè)計(jì)。假若行走驅(qū)動(dòng)馬達(dá)由于路面打滑、剎片問(wèn)題或其他異常狀況出現(xiàn)一直超負(fù)荷工作情況，那么馬達(dá)會(huì)過(guò)載和過(guò)熱，而控制系統(tǒng)設(shè)定的溫度為長(zhǎng)時(shí)間120℃以下，短時(shí)間不可超過(guò)150℃。當(dāng)系統(tǒng)超過(guò)這個(gè)溫度閾值之后，會(huì)對(duì)系統(tǒng)發(fā)送過(guò)熱信號(hào)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警并停止工作。如果出現(xiàn)其他如馬達(dá)內(nèi)部功能異常及功率失常等現(xiàn)象，也會(huì)自動(dòng)報(bào)警并將信號(hào)發(fā)送給控制系統(tǒng)，從而顯示具體報(bào)警信息。

2)主控馬達(dá)控制參數(shù)設(shè)計(jì)。主控電機(jī)控制參數(shù)設(shè)計(jì)如表3所示。

表3 主控電機(jī)控制參數(shù)設(shè)計(jì)

續(xù)表3

3.2 聯(lián)合收割機(jī)電氣控制系統(tǒng)的PLC設(shè)計(jì)

1)電氣控制系統(tǒng)PLC的硬件設(shè)計(jì)。聯(lián)合收割機(jī)電氣控制系統(tǒng)的控制對(duì)象較多，包括收割、位置調(diào)整、行走驅(qū)動(dòng)，以及照明和信號(hào)燈等多個(gè)子系統(tǒng)的輸入輸出設(shè)備，具體的I/O情況如表4所示。

表4 聯(lián)合收割機(jī)電氣控制系統(tǒng)I/O情況

Table 4 The I/O situation of the electric control system of the combine harvester

系統(tǒng)元部件輸入設(shè)備輸出設(shè)備收割3聯(lián)閥組3個(gè)開(kāi)關(guān)量3個(gè)比例量6聯(lián)閥組6個(gè)開(kāi)關(guān)量6個(gè)比例量1個(gè)切稈泵2個(gè)開(kāi)關(guān)量2個(gè)比例量位置調(diào)整4聯(lián)閥組8個(gè)開(kāi)關(guān)量14個(gè)開(kāi)關(guān)量1個(gè)比例量行走驅(qū)動(dòng)2個(gè)行走泵4個(gè)比例量4個(gè)比例量照明和信號(hào)燈開(kāi)停機(jī)、電源3個(gè)開(kāi)關(guān)量3個(gè)開(kāi)關(guān)量共計(jì)22個(gè)開(kāi)關(guān)量4個(gè)比例量17個(gè)開(kāi)關(guān)量16個(gè)比例量

在選擇PLC時(shí)，考慮需要留有一定的余量。本系統(tǒng)選用西門子的S7-300 PLC控制器，可以滿足聯(lián)合收割機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，如圖6所示。

圖6 S7-300 PLC實(shí)物圖

2)電氣控制系統(tǒng)PLC的軟件設(shè)計(jì)。聯(lián)合收割機(jī)電氣控制系統(tǒng)的動(dòng)作到位信號(hào)通過(guò)行程開(kāi)關(guān)進(jìn)行采集，然后通過(guò)光耦隔離發(fā)送給PLC進(jìn)行處理。光電耦合傳感器對(duì)輸入、輸出信號(hào)可以起到非常好的隔離功能，保證控制系統(tǒng)的可靠性。電氣控制系統(tǒng)PLC的主程序流程如圖7所示，梯形圖如圖8所示。

圖7 電氣控制PLC的流程圖

圖8 電氣控制PLC程序的梯形圖

4 測(cè)試與分析

為了驗(yàn)證液壓式聯(lián)合收割機(jī)電氣控制系統(tǒng)的可靠性，在某小麥種植區(qū)進(jìn)行了小麥?zhǔn)崭钤囼?yàn)。小麥品種為新麥18，莖稈高度為66.50cm，穗長(zhǎng)為7.07cm，單穗質(zhì)量為2.06g。在3h多的試驗(yàn)過(guò)程中，電氣控制系統(tǒng)運(yùn)行正常，各參數(shù)信息和報(bào)警系統(tǒng)工作正常。

在實(shí)際的收割作業(yè)中，實(shí)時(shí)對(duì)切稈刀具、一級(jí)二級(jí)喂入的轉(zhuǎn)速和液壓泵壓力信息進(jìn)行采集，采集時(shí)長(zhǎng)為200s，具體信息參數(shù)如圖9和圖10所示。

圖9 正常工作時(shí)液壓泵壓力

圖10 正常工作時(shí)切稈刀具、一級(jí)二級(jí)喂入的轉(zhuǎn)速

結(jié)合圖9和圖10可知：在聯(lián)合收割機(jī)負(fù)載變化的情況下，切稈刀具、一級(jí)二級(jí)喂入的轉(zhuǎn)速比較平穩(wěn)，未出現(xiàn)異常情況。作業(yè)過(guò)程中，聯(lián)合收割機(jī)運(yùn)行時(shí)速為2.5km/h，切稈刀具轉(zhuǎn)速在730r/min上下，有效降低了小麥漏割和漏糧現(xiàn)象，損失率在3%以下，較好地實(shí)現(xiàn)了收割功能，驗(yàn)證了液壓式聯(lián)合收割機(jī)電氣控制系統(tǒng)的可靠性。

5 結(jié)論

在分析液壓式聯(lián)合收割機(jī)工作原理的基礎(chǔ)上，以PLC為核心主控制器，從液壓式聯(lián)合收割機(jī)液壓系統(tǒng)及其電氣系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)入手，設(shè)計(jì)了一套液壓式收割機(jī)電氣控制系統(tǒng)。試驗(yàn)表明：在聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)過(guò)程中，電氣控制系統(tǒng)運(yùn)行正常，小麥損失率在3%以下，充分驗(yàn)證了該電氣控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。