基于Can-bus的9YCL-1.0青飼料聯(lián)合打捆機(jī)電液控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)*

呂鳳玉，袁虎成，賀成柱

(甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引 言

青飼料是飼喂奶牛、肉牛和羊等牲畜的理想飼料，目前我國(guó)青貯飼料生產(chǎn)主要以畜牧養(yǎng)殖場(chǎng)、養(yǎng)殖戶(hù)自貯自用為主，商業(yè)化的青貯飼料生產(chǎn)還處于起步階段。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家青貯裹包技術(shù)研發(fā)歷史悠久，積累了豐富的生產(chǎn)和制造經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)品技術(shù)成熟、品種齊全，功能完善。目前歐美等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家青飼料從種植到收獲各生產(chǎn)環(huán)節(jié)都已實(shí)現(xiàn)全部機(jī)械化，知名制造商有德國(guó)克拉斯(CLAAS)、美國(guó)約翰迪爾(John Deere)、凱斯紐荷蘭(CNH)和愛(ài)科(AGCO)、日本久保田(Kubota)等公司。我國(guó)從二十世紀(jì)50年代開(kāi)始牧草打捆機(jī)械的研究，到本世紀(jì)初引入拉伸膜裹包青貯技術(shù)，在機(jī)械結(jié)構(gòu)、動(dòng)力配置、液壓系統(tǒng)以及控系統(tǒng)方面技術(shù)不斷發(fā)展創(chuàng)新，不同類(lèi)型的打捆機(jī)和裹包機(jī)逐漸投入市場(chǎng)。文獻(xiàn)[1]～[3]研制的小方捆打捆機(jī)，由純機(jī)械機(jī)構(gòu)組成，結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，與國(guó)外設(shè)備在控制及液壓技術(shù)方面有差距，且產(chǎn)品可靠性有待提高。為了提高設(shè)備的自動(dòng)化和智能化，通過(guò)研究裹包青貯技術(shù)、工藝要求及設(shè)備配置[4-5]，文獻(xiàn)[6]、[7]采用PLC與嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)作為設(shè)備主控制器，由于農(nóng)業(yè)工作環(huán)境惡劣復(fù)雜，這類(lèi)控制器現(xiàn)場(chǎng)使用故障率較高。CAN總線具有傳輸速率高、性能好、布線簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于車(chē)載控制系統(tǒng)[8]。目前在青貯商品飼料制作環(huán)節(jié)國(guó)內(nèi)主要采用分體打捆機(jī)[9]和裹膜機(jī)[10]，打捆機(jī)將成型草捆防落至地面，裹膜機(jī)將草捆撿拾至裹膜平臺(tái)纏繞拉伸膜后放出。

為提高青貯裹包設(shè)備作業(yè)效率、減少動(dòng)力消耗、降低作業(yè)成本、提高打捆密實(shí)度高和裹膜密封性，筆者提出了基于Can-bus的9YCL-1.0青飼料聯(lián)合打捆機(jī)電液控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方案。通過(guò)改進(jìn)青貯圓草捆制作工藝流程，將打捆、裹膜分體設(shè)備集于一體，在文獻(xiàn)[11]控制系統(tǒng)和文獻(xiàn)[12]液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)，采用負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)和Can-bus通信車(chē)載電控系統(tǒng)作為電液控制系統(tǒng)，在打捆機(jī)成型室后部設(shè)計(jì)送捆裝置并連接裹膜平臺(tái)，省去草捆纏膜前放落地面又被撿拾的動(dòng)作。

1 9YCL-1.0青飼料聯(lián)合打捆機(jī)設(shè)計(jì)要求

9YCL-1.0青飼料聯(lián)合打捆機(jī)工作時(shí)，主要完成進(jìn)料、給網(wǎng)、開(kāi)啟旋轉(zhuǎn)室落捆、關(guān)閉旋轉(zhuǎn)室和對(duì)打捆鏈注油、裹膜、卸包等動(dòng)作，要求全程自動(dòng)控制操作，無(wú)需人工，提高青飼料聯(lián)合打捆機(jī)作業(yè)效率。具體工作流程要求如下。

物料由喂料設(shè)備不斷地均勻喂入布料倉(cāng)內(nèi)，經(jīng)鏈板輸送、撥料輥勻料及皮帶輸送至打捆室內(nèi)，打捆室內(nèi)的壓輥按預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)形成柱狀腔體，物料在腔體內(nèi)受離心力的作用被逐漸壓緊，當(dāng)壓緊程度達(dá)到要求規(guī)定的范圍時(shí)，由傳感器發(fā)出電信號(hào)，布料倉(cāng)鏈板停止送料，布網(wǎng)機(jī)構(gòu)將青貯網(wǎng)喂入打捆室的前部，依靠圓草捆的自轉(zhuǎn)將青貯網(wǎng)纏繞在柱面上，網(wǎng)層的設(shè)置通過(guò)計(jì)數(shù)螺紋軸來(lái)實(shí)現(xiàn)，捆網(wǎng)結(jié)束計(jì)數(shù)刀落下，由連動(dòng)切網(wǎng)刀將青貯網(wǎng)切斷，旋轉(zhuǎn)室隨即打開(kāi)，將包網(wǎng)的圓柱捆卸到地面后自動(dòng)關(guān)閉，而后布料倉(cāng)鏈板自動(dòng)啟動(dòng)，開(kāi)始進(jìn)行下一個(gè)青貯捆的制作。

制作好的青貯捆通過(guò)傳輸鏈板送入翻轉(zhuǎn)裝置，裹膜旋轉(zhuǎn)部件與翻轉(zhuǎn)裝置按照設(shè)定的圈數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，裹膜最后一圈時(shí)切膜刀升起，裹膜旋轉(zhuǎn)部件最后轉(zhuǎn)到停車(chē)位置后，切膜刀切斷拉伸膜，翻轉(zhuǎn)裝置翻轉(zhuǎn)到最低點(diǎn)放下青貯包后，立刻翻轉(zhuǎn)回到最高點(diǎn)準(zhǔn)備進(jìn)行下一個(gè)青貯捆的裹包動(dòng)作。如此循環(huán)反復(fù)不間斷工作，完成切碎型青貯飼料的打捆裹膜工作。

2 電控系統(tǒng)組成及設(shè)計(jì)

為完成上述功能需求，9YCL-1.0青飼料聯(lián)合打捆機(jī)電控系統(tǒng)由三部分組成：前端傳感器、上位控制器和末端執(zhí)行設(shè)備。通過(guò)在制作青貯圓草捆各個(gè)環(huán)節(jié)關(guān)鍵部位安裝檢測(cè)傳感器，上位控制器采集信號(hào)后，按照聯(lián)合打捆機(jī)控制流程，輸出下一環(huán)節(jié)執(zhí)行設(shè)備驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)物料打捆裹膜全程自動(dòng)化，實(shí)時(shí)顯示青貯飼料打捆裹膜進(jìn)展情況，便于操作人員操作維護(hù)設(shè)備。

2.1 前端傳感器

9YCL-1.0青飼料聯(lián)合打捆機(jī)外圍電機(jī)設(shè)備由前端傳感器和末端執(zhí)行設(shè)備組成，分布如圖1所示，主要包括成捆位置檢測(cè)傳感器、草捆放出傳感器以及裹膜狀態(tài)檢測(cè)傳感器，液壓多路換向閥以及部件驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。成捆位置檢測(cè)傳感器分布于布料倉(cāng)、打捆室、布網(wǎng)機(jī)構(gòu)，用于完成青飼料喂入、打捆、纏網(wǎng)、放草捆各作業(yè)流程位置檢測(cè)，多路閥動(dòng)作部件控制輸送鏈板、打捆室后蓋動(dòng)作、送捆動(dòng)作、裹膜、切膜、放捆動(dòng)作；電機(jī)動(dòng)作部件控制布網(wǎng)機(jī)構(gòu)與潤(rùn)滑系統(tǒng)動(dòng)作；警示器設(shè)備執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于對(duì)圓草捆制作環(huán)節(jié)提示。

圖1 外圍電氣分布圖1.倉(cāng)門(mén)全開(kāi)傳感器 2.安全桿傳感器 3.計(jì)數(shù)傳感器 4.翻轉(zhuǎn)角度傳感器 5.送捆馬達(dá) 6.料滿(mǎn)傳感器 7.倉(cāng)門(mén)全閉傳感器 8.網(wǎng)異常傳感器 9.蜂鳴器 10.網(wǎng)余量傳感器 11.布網(wǎng)電機(jī) 12.纏網(wǎng)傳感器 13.注油電機(jī) 14.纏網(wǎng)完成傳感器 15.物料感知傳感器

2.2 上位控制器

9YCL-1.0青飼料聯(lián)合打捆機(jī)控制器主操作界面如圖2所示。

圖2 控制器操作界面

9YCL-1.0青飼料聯(lián)合打捆機(jī)控制系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)共有25路干接點(diǎn)DI信號(hào)，8路0-5V輸出AI信號(hào)，8路24VDC、驅(qū)動(dòng)能力Imax≤3A的DO信號(hào)，10路PWMI、驅(qū)動(dòng)能力Imax≤3A的AO信號(hào)。9YCL-1.0青飼料聯(lián)合打捆機(jī)整車(chē)長(zhǎng)7 700 mm，為簡(jiǎn)化車(chē)體布線與便于各模塊通信，因選用具有CAN-bus通信功能的XL200-070A顯控一體屏與XLPJ-40A24A型移動(dòng)控制器。XLPJ-40A24A控制器12～36VDC供電、CoDeSys3.5編程環(huán)境、Cotex-M4 32bits 168MHz處理器、192KB RAM+256KB SRAM內(nèi)存、1MB Flash+4MB NorFlash外存，XL200-070A型車(chē)載顯控一體屏12～36VDC供電、Cotex-M4 32bits 180 MHz處理器、32MB SDRAM內(nèi)存、256 MB Flash+4KB FRAM外存。此套系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)多、功能易擴(kuò)展、安裝空間小、電氣成本較低。用于手自動(dòng)控制選擇、各電氣執(zhí)行設(shè)備啟?？刂埔约斑\(yùn)行狀態(tài)顯示與關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置和顯示。

2.3 控制流程

9YCL-1.0青飼料聯(lián)合打捆機(jī)制作草捆流程依次為：捆包成型、纏網(wǎng)、放捆、裹膜和卸包，所有動(dòng)作完成后草捆數(shù)加1，且在草捆放出后，當(dāng)前成型草捆裹膜的同時(shí)，下一包草捆散草料在進(jìn)料，保證在2 min內(nèi)出一個(gè)青草包。各動(dòng)作控制流程如下：

(1) 捆包成型 按下控制器自動(dòng)按鈕，選擇供給開(kāi)始，送料馬達(dá)正轉(zhuǎn)打開(kāi)，潤(rùn)滑油泵打開(kāi)，10 s后，潤(rùn)滑油泵關(guān)閉，料滿(mǎn)傳感器on，送料馬達(dá)正轉(zhuǎn)關(guān)閉。預(yù)留：堵轉(zhuǎn)傳感器on，料滿(mǎn)傳感器off，延時(shí)2 s，堵轉(zhuǎn)傳感器off，壓力傳感器達(dá)到壓力報(bào)警值14 MPa，送料馬達(dá)正轉(zhuǎn)關(guān)閉，故障轉(zhuǎn)動(dòng)燈亮，蜂鳴器響，延時(shí)2s，故障轉(zhuǎn)動(dòng)燈滅，蜂鳴器關(guān)閉，面板顯示“請(qǐng)清堵”，清堵按鈕按下，送料馬達(dá)反轉(zhuǎn)打開(kāi)，草料輸送出來(lái)后，按下停止按鈕，送料馬達(dá)反轉(zhuǎn)關(guān)閉。

(2) 纏網(wǎng) 延時(shí)2s，布網(wǎng)電機(jī)打開(kāi)，捆包轉(zhuǎn)動(dòng)燈亮，纏網(wǎng)完成傳感器on，纏網(wǎng)傳感器on，布網(wǎng)電機(jī)關(guān)閉，纏網(wǎng)完成傳感器off，捆包轉(zhuǎn)動(dòng)燈亮滅。預(yù)留：網(wǎng)余量傳感器on，面板顯示“請(qǐng)換網(wǎng)”。

(3) 放捆 延時(shí)2 s，倉(cāng)門(mén)油缸開(kāi)打開(kāi)，倉(cāng)門(mén)全開(kāi)傳感器on，延時(shí)30 s(捆包放出傳感器on)，倉(cāng)門(mén)油缸開(kāi)關(guān)閉，倉(cāng)門(mén)油缸閉打開(kāi)，倉(cāng)門(mén)全閉傳感器on，倉(cāng)門(mén)油缸閉關(guān)閉。

(4) 裹膜 草捆到位后，轉(zhuǎn)臺(tái)翻轉(zhuǎn)油缸下打開(kāi)，轉(zhuǎn)臺(tái)傾翻傳感器角度=翻轉(zhuǎn)臺(tái)中間位置，轉(zhuǎn)臺(tái)翻轉(zhuǎn)油缸下關(guān)閉，(第一圈低速)裹膜低速運(yùn)行，裹膜圈數(shù)傳感器on，內(nèi)部變量圈數(shù)+1，包膜第1.5圈過(guò)后，切膜油缸開(kāi)打開(kāi)，抬刀時(shí)間t1后，切膜油缸開(kāi)關(guān)閉，刀停留時(shí)間t2后，切膜油缸閉打開(kāi)，刀落回時(shí)間t3。第二圈開(kāi)始，裹膜高速運(yùn)行，第17圈時(shí)，裹膜低速運(yùn)行，第17.5圈時(shí)，切膜油缸開(kāi)打開(kāi)，第18圈時(shí)，切膜油缸開(kāi)全閉，切膜油缸閉打開(kāi)，延時(shí)10 s后(或刀座開(kāi)關(guān)on)切膜油缸閉關(guān)閉。

(5) 卸包 拉伸膜纏繞完后，翻轉(zhuǎn)油缸下打開(kāi)，轉(zhuǎn)臺(tái)傾翻傳感器角度=翻轉(zhuǎn)臺(tái)最低位置，轉(zhuǎn)臺(tái)翻轉(zhuǎn)油缸下關(guān)閉，內(nèi)部變量捆包數(shù)+1，延時(shí)2 s后，翻轉(zhuǎn)油缸上打開(kāi)，轉(zhuǎn)臺(tái)傾翻傳感器角度=翻轉(zhuǎn)臺(tái)最高位置，轉(zhuǎn)臺(tái)翻轉(zhuǎn)油缸上關(guān)閉。

3 液壓系統(tǒng)組成及設(shè)計(jì)

9YCL-1.0青飼料聯(lián)合打捆機(jī)液負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)組成如圖3所示，主要由動(dòng)力輸出變量泵、控制主閥、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和輔助元件等組成，執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括送料馬達(dá)、裹膜馬達(dá)、滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá)、切膜油缸、落捆油缸、艙門(mén)開(kāi)閉油缸；輔助元件包括管路、油箱、接頭回油過(guò)濾器等。為提高設(shè)備可靠性和穩(wěn)定性，9YCL-1.0青飼料聯(lián)合打捆機(jī)液壓系統(tǒng)全部選用丹佛斯液壓元件。

圖3 液壓系統(tǒng)示意圖及工作原理1.變量泵 2.主閥 3.送料馬達(dá) 4.艙門(mén)開(kāi)閉油缸 5.裹膜馬達(dá) 6.滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá) 7.落捆油缸 8.切膜油缸 9.過(guò)濾器 10.油箱

4 試驗(yàn)及結(jié)論

為驗(yàn)證9YCL-1.0型青飼料聯(lián)合打捆機(jī)電液控制系統(tǒng)性能及可靠性，以青貯玉米秸稈為原材料，在甘肅省武威市黃羊鎮(zhèn)金科脈草業(yè)公司現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行固定場(chǎng)地打包試驗(yàn)。青飼料原材料為玉米秸稈、含水率約60%，動(dòng)力設(shè)備為45 kW三相異步電機(jī)，加裝46號(hào)抗磨液壓油。歷時(shí)1個(gè)月，設(shè)備平均每天正常工作8 h，裹包數(shù)量平均每天在240個(gè)左右，在試驗(yàn)過(guò)程中，平均每2 min完成一個(gè)青貯飼料草包生產(chǎn)，試驗(yàn)表明該系統(tǒng)打捆密實(shí)度高，能最大程度減少飼料內(nèi)部殘存的空氣，有效抑制青貯微生物霉菌的活動(dòng)，有效降低青貯飼料中的呼吸強(qiáng)度和干物質(zhì)損失，大大提高了青貯飼料的品質(zhì)。此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了整車(chē)運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)，以及設(shè)備作業(yè)信息采集，后續(xù)通過(guò)加裝GPS組合慣導(dǎo)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備地理位置信息等的實(shí)時(shí)采集，遠(yuǎn)程對(duì)設(shè)備進(jìn)行操控，為將來(lái)設(shè)備接入農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)奠定基礎(chǔ)。