基于PLC的多功能聯(lián)合整地機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

隋仁東，張玉海，張文舉，劉煥偉，李勝多，胡彩旗，李睿穎

(1. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)發(fā)展規(guī)劃處，山東青島 266109；2. 滕州市東大礦業(yè)有限責(zé)任公司，山東滕州 277514；3. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島 266109；4. 山東億嘉農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司，山東壽光 262714)

土壤的耕整作業(yè)是獲得良好播前種床的重要作業(yè)項(xiàng)目[1]，是實(shí)施農(nóng)田保護(hù)性耕作的重要保障。長期的耕作實(shí)踐活動(dòng)已證明[2-4]，進(jìn)行深松作業(yè)能夠加深土壤的耕作層，增加土壤顆粒間隙，提高土壤的通透性，使各營養(yǎng)成分在土壤中充分混合,易于作物吸收。土壤經(jīng)過深松后，土壤板結(jié)現(xiàn)象減輕，便于作物根系生長到更深層土壤中，利于作物生長。利用多功能動(dòng)力驅(qū)動(dòng)聯(lián)合整地技術(shù)可一次完成深松、耙耕、碎土、平整鎮(zhèn)壓等多項(xiàng)作業(yè)，減少機(jī)器進(jìn)地作業(yè)次數(shù)，改良土壤的層粒結(jié)構(gòu)和滲水、透氣性能,達(dá)到增產(chǎn)增收的目的。作業(yè)深度是否合適或達(dá)標(biāo)，直接影響深松作業(yè)質(zhì)量[5-7]。

傳統(tǒng)的耕深評價(jià)方式為選好采樣點(diǎn)后，使用鋼尺和卷尺等工具進(jìn)行手工測量。因?yàn)槿藶橐蛩?、土壤條件、離散采樣點(diǎn)等的影響，耕整作業(yè)的測量精度難以保證，尤其是面對較松軟的土壤環(huán)境時(shí)，主觀因素引入的測量誤差對最終耕深效果評判產(chǎn)生較大影響。而且，人工測量數(shù)據(jù)少，數(shù)據(jù)的時(shí)間和空間跨度大，無法得到數(shù)據(jù)的連續(xù)變化情況，對后續(xù)數(shù)據(jù)處理和評判帶來諸多不便。另外，人工測量耗費(fèi)較多的人力、物力，效率低下[8]。因此，需要設(shè)計(jì)一套多功能聯(lián)合整地機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠及時(shí)、準(zhǔn)確、全面地獲取耕深作業(yè)參數(shù)，進(jìn)而全面評估多功能聯(lián)合整地機(jī)耕整作業(yè)質(zhì)量。該系統(tǒng)主要由硬件電路和軟件監(jiān)控系統(tǒng)組成，設(shè)計(jì)耕深計(jì)算模型，推導(dǎo)耕深計(jì)算公式，通過人機(jī)交互界面實(shí)時(shí)設(shè)置作業(yè)參數(shù)、實(shí)時(shí)接收機(jī)具作業(yè)狀態(tài)并反饋，便于機(jī)手和農(nóng)戶及時(shí)掌握耕整地作業(yè)質(zhì)量。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

多功能聯(lián)合整地機(jī)主要由深松鏟、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)耙和整平鎮(zhèn)壓輥組成。深松鏟通過螺栓連接固定在機(jī)架橫梁上；動(dòng)力驅(qū)動(dòng)耙由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸輸出動(dòng)力并通過變速箱傳至驅(qū)動(dòng)耙的豎直軸，從而驅(qū)動(dòng)耙刀繞豎直軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的耙刀切碎土塊，使土壤形成顆粒均勻、大小適中的種床；齒面呈螺旋布置的整平鎮(zhèn)壓輥進(jìn)一步整平土壤。機(jī)具一次性完成多道耕整地工序，提高了機(jī)具作業(yè)效率。

同時(shí)還需要保證機(jī)具作業(yè)質(zhì)量，耕深是衡量多功能整地機(jī)作業(yè)質(zhì)量的重要指標(biāo)。多功能聯(lián)合整地機(jī)作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)主要由測深裝置(角度傳感器)、測速裝置(速度傳感器)、ZK3U型可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)、觸摸顯示屏和監(jiān)控系統(tǒng)軟件等五部分組成，系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。將角度傳感器安裝在拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛的下拉桿上作為測深裝置，將速度傳感器安裝在拖拉機(jī)后橋靠近后輪處作為測速裝置(圖2)。根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)藝要求和機(jī)具的實(shí)際尺寸，作業(yè)前需在觸摸顯示屏上設(shè)置相關(guān)參數(shù)及作業(yè)寬幅、耕深上限值和下限值。作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)懸掛的下拉桿因耕深不同而產(chǎn)生浮動(dòng)變化,角度傳感器實(shí)時(shí)檢測和輸出變化的角度信號(hào)，并將使用模擬量表示的角度信號(hào)通過A/D電路轉(zhuǎn)換后傳輸至PLC控制器，PLC控制器根據(jù)設(shè)定好的耕深算法計(jì)算實(shí)際耕深，通過串行數(shù)據(jù)通信接口標(biāo)準(zhǔn)RS232(RS232是串行數(shù)據(jù)通信接口標(biāo)準(zhǔn)編號(hào))轉(zhuǎn)換后，輸出到觸摸顯示屏顯示。如果耕深超出設(shè)定的上、下限數(shù)值，觸摸顯示屏顯示報(bào)警信息，同時(shí)蜂鳴器報(bào)警。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)組成Fig. 1 Composition of monitoring system

1. 觸摸顯示屏 2. PLC控制器 3. 速度傳感器 4. 角度傳感器圖2 監(jiān)控系統(tǒng)布置圖Fig. 2 Monitoring system layout

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)包括PLC控制器、供電系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換電路、角度傳感器、速度傳感器、觸摸顯示屏,實(shí)物如圖3所示。

1.觸摸顯示屏 2. 速度傳感器 3. 角度傳感器 4. PLC控制器圖3 監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成Fig. 3 Monitoring system hardware

2.1 供電系統(tǒng)

整地機(jī)在工作過程中一般不采用有線供電方式，因此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為由拖拉機(jī)蓄電池供電。PLC控制器、觸摸顯示屏等的工作電壓為24 V，和拖拉機(jī)蓄電池電壓一致，因此，可將24 V蓄電池的輸出端接入PLC控制器、觸摸顯示屏的電壓輸入端，直接為該系統(tǒng)供電。

2.2 PLC控制器

本設(shè)計(jì)選用ZK3U型PLC作為微控制器。ZK3U型PLC是一種高性能、低成本、低功耗的微處理器，具有良好的開放接口，與傳統(tǒng)的PLC控制器相比，ZK3U型PLC控制器硬件資源更為豐富、價(jià)格更為低廉，可實(shí)現(xiàn)多功能聯(lián)合整地機(jī)作業(yè)過程的信息實(shí)時(shí)采集和處理。

2.3 角度傳感器

測深裝置的角度傳感器采用HVT116T傳感器。HVT116T傳感器是一款模擬電流輸出傳感器，通過模擬電流輸出計(jì)算當(dāng)前傳感器的傾角值，電路如圖4所示。該傳感器采用高精度MEMS微機(jī)電技術(shù)，內(nèi)部采用最新封裝工藝，可防水，產(chǎn)品體積小，功耗低。

圖4 測深用HVT116T傳感器電路Fig. 4 Circuit diagram of HVT116T sensor for tillage depth measuring

將角度傳感器安裝在拖拉機(jī)后懸掛下拉桿上，深松鏟通過螺栓連接固定在聯(lián)合整地機(jī)的機(jī)架上，拖拉機(jī)后懸掛和聯(lián)合整地機(jī)通過三點(diǎn)懸掛連接，深松鏟尖在水平地面時(shí)的狀態(tài)設(shè)置為0°。機(jī)具工作時(shí)隨著深松鏟下降深度的增加，下拉桿存在下沉動(dòng)作，固定在下拉桿上的角度傳感器輸出變化的角度值，可通過計(jì)算轉(zhuǎn)換為實(shí)際耕深。采用等效法設(shè)計(jì)耕深計(jì)算模型，通過耕深計(jì)算公式將角度變化轉(zhuǎn)化成相應(yīng)耕深，將下拉桿支點(diǎn)到深松鏟尖的連線等效為一連桿，耕深計(jì)算模型如圖5所示。耕深計(jì)算公式為：

圖5 耕深計(jì)算模型Fig. 5 Schematic of tillage depth calculation model

(1)

式中：h，實(shí)際耕深，cm;L，下拉桿支點(diǎn)到深松鏟尖距離，cm;h1，鏟尖與地面接觸時(shí)深松鏟尖到下拉桿支點(diǎn)的垂直距離，cm;θ，角度變化,rad。

2.4 速度傳感器

將光電速度傳感器安裝在拖拉機(jī)后橋靠近后輪的位置，金屬檢測塊固定在拖拉機(jī)后輪上，隨后輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，拖拉機(jī)后輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)金屬檢測塊對傳感器產(chǎn)生正比的脈沖，通過對脈沖的分析計(jì)算，可得后輪轉(zhuǎn)速。測速電路如圖6所示。設(shè)沿著拖拉機(jī)后輪一周有Z個(gè)檢測塊，則轉(zhuǎn)速為：

圖6 速度傳感器測速電路Fig. 6 Circuit diagram of speed sensor

(2)

式中：n，拖拉機(jī)后輪轉(zhuǎn)速，r/min;N，脈沖個(gè)數(shù)；Z，檢測塊個(gè)數(shù)；t，檢測時(shí)間，min。

3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

通過人機(jī)界面設(shè)計(jì)軟件YKHMI V3.3，自主進(jìn)行監(jiān)控界面設(shè)計(jì)以符合具體應(yīng)用要求。 PLC控制器和觸摸顯示屏通過RS232串口進(jìn)行通信。選用S700A型串口觸摸顯示屏作為控制顯示模塊，該顯示屏采用A8800 MHZ RISC處理器，配有128M FLASH存儲(chǔ)器、800像素×480像素顯示屏，工作溫度在0～45 ℃。

監(jiān)控系統(tǒng)通過人機(jī)界面對話框輸入作業(yè)幅寬和耕深限值等參數(shù)，PLC控制器實(shí)時(shí)讀取各傳感器的檢測信號(hào)，通過預(yù)設(shè)算法將相關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)換為耕深，并將耕深、作業(yè)面積、作業(yè)速度等參數(shù)實(shí)時(shí)顯示在觸摸顯示屏上。操作人員可通過觸摸顯示屏監(jiān)控整地機(jī)相關(guān)作業(yè)參數(shù)，掌握整地機(jī)的工作環(huán)境和工作狀態(tài)。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)部分主要包括耕深計(jì)算、超限報(bào)警、作業(yè)面積統(tǒng)計(jì)計(jì)算等。系統(tǒng)軟件流程如圖7所示，軟件上電進(jìn)行程序初始化，通過觸摸顯示屏輸入耕深限值、作業(yè)幅寬等參數(shù)。為保障合理采樣而又不導(dǎo)致數(shù)據(jù)擁堵，根據(jù)機(jī)具前進(jìn)速度，設(shè)置測深傳感器檢測采樣頻率為10～20 Hz。系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集、計(jì)算并顯示耕深、作業(yè)速度和耕地面積，當(dāng)收到人機(jī)界面發(fā)來的指令時(shí)，系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的功能。

圖7 系統(tǒng)軟件流程 Fig. 7 System software flowchart

5 田間試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)方案

本作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)在1ZL-4000型多功能聯(lián)合整地機(jī)上進(jìn)行了安裝、調(diào)試和應(yīng)用，并在山東億嘉公司的田間試驗(yàn)場地進(jìn)行試驗(yàn)，如圖8所示。為了檢驗(yàn)自動(dòng)監(jiān)控檢測耕深值的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)了手工測量耕深方案，即在田間試驗(yàn)場地取長25 m、寬12 m，兩端分別留有15 m的穩(wěn)定區(qū)為測區(qū)，在測區(qū)對角線上取5個(gè)采樣點(diǎn)，測定每點(diǎn)耕后深松溝底到地表面的垂直距離，按式(3)計(jì)算耕深：

圖8 田間試驗(yàn)Fig. 8 Field experiment

(3)

式中：aj，平均耕深，cm;aji，第i個(gè)點(diǎn)的耕深，cm;nj，采樣點(diǎn)數(shù)量，nj=5。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果

配套拖拉機(jī)動(dòng)力為147 kW，土質(zhì)為壤土，地勢平坦，土壤含水率為23.5%。試驗(yàn)時(shí)，記錄拖拉機(jī)不同作業(yè)速度下的監(jiān)控系統(tǒng)顯示的不同采樣點(diǎn)的耕深和手工測量耕深，計(jì)算平均值并比較監(jiān)控顯示耕深和手工測量耕深，結(jié)果如表1所示。

表1 監(jiān)控顯示耕深與手工測量耕深結(jié)果比較Table 1 Results comparison of tillage depth measured by monitoring and manual method

田間試驗(yàn)結(jié)果表明，監(jiān)控系統(tǒng)顯示耕深和手工測量耕深相對誤差小于5%，滿足田間耕整地作業(yè)要求，說明該監(jiān)控系統(tǒng)在多功能聯(lián)合整地機(jī)作業(yè)過程中適用性良好，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

本文進(jìn)行了基于PLC的多功能聯(lián)合整地機(jī)作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研發(fā)，包括硬件部分的電路設(shè)計(jì)和軟件部分的程序開發(fā)。經(jīng)過調(diào)試、運(yùn)行和田間試驗(yàn)，結(jié)果表明該系統(tǒng)穩(wěn)定性高，檢測誤差小，界面友好，操作簡單方便，為農(nóng)戶和機(jī)手對聯(lián)合整地機(jī)作業(yè)狀態(tài)和作業(yè)質(zhì)量的監(jiān)控提供了重要的依據(jù)，對促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和多功能聯(lián)合整地機(jī)的發(fā)展具有重要意義。