果園枝條粉碎機控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢*

王強，何磊，周艷，潘云飛，宋龍，宋振帥

(1. 石河子大學，新疆石河子，832003； 2. 新疆農墾科學院機械裝備研究所，新疆石河子，832000)

0 引言

從1993年至今，我國果園種植面積常年穩(wěn)居世界第一，根據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，截止到2019年年底，全國果園面積約為12 277 khm2[1]。每年果園因為修剪和更新?lián)Q代而產生的廢棄枝條可以達到95 625 kt[2]。傳統(tǒng)的枝條粉碎機設備雖然能夠完成不同程度的粉碎要求，但是在使用過程中由于高速旋轉所導致喂入量不易控制、粉碎轉速不易調整、粉碎效率低、容易堵料等問題[3-5]，嚴重的影響了粉碎機器的作業(yè)效率和工作壽命[6-10]。因此許多科研人員與制造廠商將控制系統(tǒng)加入到傳統(tǒng)機械來應對上述問題。本文主要對現(xiàn)階段果園枝條粉碎機的控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀進行闡述，可按照控制對象將其分成喂入控制系統(tǒng)、粉碎控制系統(tǒng)、集料箱控制系統(tǒng)，并歸納出目前存在的問題和未來的發(fā)展趨勢，為科研人員提供參考與幫助。

1 國內外枝條粉碎機控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

1.1 國內枝條粉碎機控制系統(tǒng)

國內對枝條粉碎機控制系統(tǒng)的研究早在十幾年前就已經開始，研究方向主要針對果園枝條粉碎機械的堵塞問題且多為固定式的粉碎機控制系統(tǒng)[11-13]。通過對喂料裝置和粉碎裝置的轉速、電流、電壓、電機負荷進行檢測，調控被控裝置。少部分對集料箱物料是否滿載進行控制系統(tǒng)研究。國內果園枝條粉碎機普遍自動化程度較低，控制方式也比較單一[14]。

1.1.1 喂入控制系統(tǒng)

中國農業(yè)機械化科學研究院趙俊等設計了一種基于單片機的樹枝粉碎機控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用單片機作為控制核心，主要由上下進料桿控制機構構成，上進料桿負責根據(jù)不同枝條粗細調整預設粉碎轉速，下進料桿主要負責急停報警等功能，軟件程序設計為前后轉速的差值，即預判轉速的方式，避免瞬時的負載過大造成刀具磨損嚴重或停機等問題。該控制系統(tǒng)通過實時檢測粉碎轉速來啟停喂入輥，完成自動喂入的控制系統(tǒng)，最大的粉碎直徑可達250 mm，且粉碎合格率也達到95.52%。在原有機械的基礎上大大地提高了可粉碎的枝條大小，有效地避免了因為負荷過大造成的熄火現(xiàn)象。但是對于預設轉速的設定值，需要操作者通過人眼觀察，手動選擇操作。

西北農林科技大學黨革榮等[15]研究用于粉碎樹枝的樹枝粉碎機控制系統(tǒng)，通過安裝在喂料機構液壓缸上的位移傳感器來判斷喂入枝條的粗細，再通過轉速傳感器測得當前喂入機構轉速與判斷枝條大小后反饋的預設值進行對比調整。該控制系統(tǒng)可自動適應不同直徑樹枝，調整轉速，防止堵塞。

陳學永等[16]設計的粉碎機智能負荷控制系統(tǒng)，采用檢測電流電壓判斷電機負荷的方式，通過實際電機轉動負荷與額定負荷進行對比，根據(jù)負荷的差異調整喂入量大小。該控制系統(tǒng)由接口多、價格低廉的89C51單片機作為CPU模塊、采集交換可提供電機負荷變化依據(jù)的A/D采樣模塊、采用X5045作為存儲和修改設計參數(shù)的參數(shù)設計及存儲模塊、利用電平變化控制變頻器轉速的D/A轉出變頻器控制模塊以及完成人機交互參數(shù)設置的鍵盤顯示模塊構成，如圖1所示。該智能控制系統(tǒng)自動整定可在1 min內完成人工30 min以上的調節(jié)負荷，且比人工更加準確穩(wěn)定，生產效率相較原有傳統(tǒng)機械提高0.2 t/h以上，同時每噸料的電耗50 kW·h左右，與人工調節(jié)相比節(jié)省10 kW·h以上。

圖1 系統(tǒng)總體結構圖Fig. 1 System overall structure drawing

李培乾等[17]研究并設計了一套基于PLC的粉碎機自動喂料控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過電流隔離變送器實時檢測電路中的交流電流，并且將所檢測的信號傳遞到PLC，通過與預先設定的信號值對比，自動調整進料門的開度和喂料電機的轉速。長時間過載報警和開關門限位開關維護系統(tǒng)安全運行，如圖2所示。該系統(tǒng)采用電機變頻調節(jié)喂料轉速，檢測裝置反饋粉碎機作業(yè)電流防止粉碎負荷過大。電路控制結構簡單，維護方便，控制精度高。

圖2 控制電路圖Fig. 2 Control circuit diagram

目前國內喂入控制系統(tǒng)主要采用檢測喂入輥的作業(yè)轉速和通過檢測粉碎電路中電流得出粉碎機負荷，前者具有系統(tǒng)穩(wěn)定、結構簡單、易操作等特點；后者具有高精度、響應快、抗干擾能力強等特點。無論是上述哪種方式，都可調整喂入系統(tǒng)的快慢和開關，達到控制目的。

1.1.2 粉碎控制系統(tǒng)

牛龍華等[18]設計了一種自動調速植物粉碎機控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用PLC作為調速控制核心，配有3個傳感器分別是安裝在進料斗后方的傾角傳感器、粉碎發(fā)動機和喂入輥附近的轉速傳感器，并且使用顯示屏觀察和設置參數(shù)。該控制系統(tǒng)可根據(jù)進料樹枝的粗細檢測進料門的開度自動調節(jié)粉碎速度。該系統(tǒng)通過多個傳感器相互配合完成可根據(jù)進料樹枝大小自動調整粉碎裝置和喂入裝置轉速的控制系統(tǒng)。同西北農林大學黨革榮等[15]研制的粉碎機控制系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)采用了傾角傳感器來對樹枝的粗細進行檢測，安裝在液壓缸的位移傳感器比前者精度更高，并且在喂入調速的基礎上增加了粉碎裝置的調速，使整個控制系統(tǒng)穩(wěn)定性更好，效率更高。

塔里木大學張洪洲等設計開發(fā)棗園殘枝粉碎裝置的控制系統(tǒng)。該裝置采用了自走、喂入、粉碎為一體的調速控制系統(tǒng)。調速控制系統(tǒng)以單片機為控制核心，由轉速傳感器、直流步進電機、4×4鍵盤、LCD顯示屏等構成，如圖3所示。通過正交試驗，得出最佳的作業(yè)速度、輥輪轉速和移動速度。轉速傳感器所測實際值與最佳預設值進行對比，單片機調整其各個系統(tǒng)轉速，達到最優(yōu)的作業(yè)效率。研究出該機型作業(yè)速度為1.5 km/h、輥輪速度為108 r/min、中心軸速為1 450 r/min 時，粉碎效果最佳，并通過控制器調整。對棗園表面覆蓋的殘枝粉碎率可達到90%～95%。該系統(tǒng)與其他粉碎調速系統(tǒng)相比，增加了自走調速，自走調速與粉碎裝置調速相互配合，解決了人工喂入速度不易控制、安全性差、效率低等問題。

圖3 調速部分系統(tǒng)框圖Fig. 3 Speed regulation part of the system diagram

海南大學張慧等設計了一款基于單片機控制的香蕉秸稈粉碎機，該系統(tǒng)由進料控制系統(tǒng)、切割控制系統(tǒng)、粉碎控制系統(tǒng)組成，實現(xiàn)了多個控制系統(tǒng)全程自動控制。該系統(tǒng)區(qū)別于粉碎調速控制系統(tǒng)而是將壓力傳感器的檢測和步進電機的控制進行有效的結合，通過壓力傳感器判斷物料位置，整套粉碎作業(yè)流程有條不紊，有效解決了粉碎堵料等問題。

目前國內對于單獨控制粉碎裝置的控制系統(tǒng)較少，大多數(shù)采用多個控制系統(tǒng)相互配合的方式。例如上述粉碎機控制系統(tǒng)中將粉碎、喂料、切割、移動等多個控制系統(tǒng)共同調控粉碎機裝置，各系統(tǒng)相互配合工作，使作業(yè)更加安全、穩(wěn)定、高效。

1.1.3 集料箱控制系統(tǒng)

同濟大學王萬元[19]對可編程控制器在樹枝粉碎機上的應用進行研究和設計。該粉碎機的集料槽底部安裝了壓力傳感器，當粉碎室將碎料拋送到集料槽，重量達到包裝要求時，蜂鳴器發(fā)出集料箱滿的提醒，同時關閉卸料口，傾斜集料槽以便工人裝料。完成后壓力傳感器沒重力感應，裝置進行復位，如此反復。該系統(tǒng)還根據(jù)粉碎機動力輸入電機的負載電流大小來進行過載保護控制。

段然[20]設計了一種園林綠化修剪粉碎車。該裝置配有集料箱控制系統(tǒng)，啟動機器運行，可通過駕駛室的顯示器和操縱按鍵選擇直接將修剪的枝條存儲在樹枝收集箱或者進行粉碎，將碎枝通過傳送帶1運送到粉碎集料箱。在粉碎集料箱的上方安裝有紅外線傳感器，碎料的數(shù)量達到紅外傳感器的高度時，PLC控制傳送帶2將枝條運送到樹枝收集箱。該系統(tǒng)修剪粉碎一體，儲量大，可粉碎處理也可將整枝存儲。

隨著大量枝條的修剪以及樹木的更新?lián)Q代需要粉碎的枝條也逐年提升。這些粉碎后的枝條，只有少部分還田處理，大多數(shù)還是進行深加工，因此對于集料箱的控制系統(tǒng)的研究也是勢在必行。目前國內集料箱安裝的控制系統(tǒng)大多采用壓力傳感器檢測粉碎物料的重量或者紅外傳感器檢測體積的多少，物料裝滿后進行警報提醒。

1.2 國外枝條粉碎機控制系統(tǒng)

國外粉碎機控制系統(tǒng)研究早在幾十年前就已經開始了[21-25]。較于國內主要針對果園枝條粉碎機械的堵塞問題且多為固定式的粉碎機控制系統(tǒng)，國外枝條粉碎機運用先進的傳感器，成熟的控制技術[26]，控制系統(tǒng)則更加多樣化、智能化。但是往往成本也會隨之提升[27]。

1.2.1 喂入控制系統(tǒng)

德國某公司研制的HM型移動式樹枝粉碎機[28]，該設備配有喂入控制系統(tǒng)。喂入時采用液壓強制喂入，通過控制器，調控流量控制閥來控制喂入速度的快慢。并且安裝遠程控制裝置，可遠距離手動進行速度調節(jié)。發(fā)生堵料情況時，也可以進行反轉吐料。

意大利托斯卡納大學Colantoni等[29]研究設計的一款樹枝粉碎機防止過載控制系統(tǒng)。當樹枝粉碎機粉碎負荷增大，轉速傳感器測得轉速低于正常工作轉速，通過鎖緊給料輥，有效地阻止物料進入粉碎室。

美國某公司推出BC1000XL型多功能樹枝切碎機[30]，當有大直徑枝條喂入，機器負荷過大，易發(fā)生堵料時，通過轉速傳感器測得粉碎轉速低于正常工作轉速，控制器控制喂入輥反轉一點再進行喂入，如此反復，來減少堵料情況，還配有自動剎車系統(tǒng)、機油壓力感應系統(tǒng)、發(fā)動機預熱系統(tǒng)、程序控制管理系統(tǒng)等。該系統(tǒng)粉碎效率高、適應性強。該公司還研制了一款TG7000型粉碎機[6]，并結合電控系統(tǒng)實現(xiàn)整車智能化控制，可遠程操控，實時查看工作參數(shù)，保證安全作業(yè)。該系統(tǒng)與國內粉碎機調速系統(tǒng)相似，但是應對堵料發(fā)生情況時，國內系統(tǒng)選擇直接鎖死喂料輥不進行喂入，待恢復正常后重啟喂入裝置，而該系統(tǒng)遇到堵料情況，采用喂入輥反轉一點再進行正轉喂入，如此反復，進而更好地降低了堵料風險，增加了粉碎效率。

相比較于國內粉碎機喂入調速系統(tǒng)，國外粉碎機調速系統(tǒng)更多地使用液壓控制，使其動力更加強勁，制動停止更加快速。并且大多數(shù)安裝有遠程控制裝置，降低使用過程中的風險，更加安全可靠。

1.2.2 粉碎控制系統(tǒng)

對于樹枝粉碎機往往存在工人不正規(guī)操作，直接接觸喂入和粉碎裝置等危險操作。意大利托斯卡納大學Colantoni等[29]研究設計的一款樹枝粉碎機緊急控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由安裝在拖拉機萬向軸上用于緊急情況自動分離動力輸出(PTO)的電磁離合器、制動鉗、安裝在PTO軸上的制動盤、桑格電動閥控制制動夾緊裝置、緊急停止按鈕、用來設置制動動作的液壓流量調節(jié)器、12 V電源插頭、抗應激安全系統(tǒng)等組成。遇到緊急情況，自動或手動快速制動，減少相關風險，基于“制動卡鉗”系統(tǒng)和電磁離合器的動力分離裝置(PTO)，可以減少切片盤的運行時間(95%)，并降低工人在機器進料口纏繞和夾帶的風險。該系統(tǒng)將防止過載和緊急制動兩個控制系統(tǒng)相結合，采用液壓制動的方式快速停止喂入和粉碎裝置，相比國內粉碎機制動速度更快、可靠性更強。

拉合爾政府學院Rehman等[30]將機器視覺應用在實時檢測高速旋轉的樹枝粉碎機的刀具磨損情況。當抓幀器或者觸發(fā)器激活時觸發(fā)圖像采集，可通過屏閃信號來控制照明或可編程控制器(PLC)連接控制，相機通過相機計算機接口將圖像傳送到計算機，機器視覺軟件對物體進行檢測，并返回對物體的評價結果，評價結果連接到控制器，再由控制器決定是否發(fā)出磨損過重警報，如圖4所示。該檢測控制系統(tǒng)可以實時測量以45 m/s速度移動的切刀的質量。同時，研究了不同曝光時間下對木屑切碎機刀具質量實時檢測的影響。該系統(tǒng)解決了磨損刀口導致能源消耗、粉碎物料的質量下降等問題，也更便捷地了解到密封的粉碎室刀具磨損情況，減少維修人員的頻繁拆機。

圖4 刀具檢測裝置Fig. 4 Tool detection device

國內枝條粉碎機粉碎裝置采用比較多的還是調速控制系統(tǒng)，而國外粉碎裝置上的控制系統(tǒng)則更加多樣化，例如利用圖像視覺對刀具進行磨損分析等，增加了枝條粉碎機的自動化程度，使工人操作更簡單，維修更便捷。

1.2.3 集料箱控制系統(tǒng)

美國某公司生產的950型立式粉碎機[31]，該粉碎機的粉碎鼓下方安裝了壓力傳感器，通過檢測粉碎鼓內碎料的質量來自動調整粉碎鼓下方螺旋鉆的轉速，促使出料更加順暢，防止集料太多，造成堵塞的現(xiàn)象。國內粉碎機控制系統(tǒng)對于堵料情況，主要針對喂入裝置和粉碎裝置通過調速進行防過載防堵料。而該系統(tǒng)分析粉碎室和集料箱的出料慢導致堵料情況，因此進行出料調速，進一步減少了堵料、過載情況的發(fā)生。

西班牙維戈大學的Lopez等[32]開發(fā)了一個基于功能模式識別模型的木屑實時質量控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一個激光三角測量的三維激光掃描，集料箱內的木屑由傳送帶運輸?shù)酱郎y區(qū)，通過激光投射到木屑上，由相機拍攝，控制器處理和分析木屑的厚度、長度、寬度，系統(tǒng)實時的分析樣本木屑的尺寸特征，從而為進入二次加工提供數(shù)據(jù)分析。

國內的枝條粉碎機集料箱控制系統(tǒng)都是對于滿載報警措施，控制系統(tǒng)比較單一。國外枝條粉碎機集料箱控制系統(tǒng)即可滿載出料，也可以對粉碎后木屑進行特征分析。大大的增加了集料箱控制系統(tǒng)的自動化、智能化。

2 存在問題

1) 國內枝條粉碎機控制系統(tǒng)的研究比較缺乏[33]。國內喂入控制系統(tǒng)大多采用電機控制，小型電機粉碎功率有限，續(xù)航能力差，而大型的電機價格昂貴，采用液壓控制的國內研究較少，技術也不夠成熟；粉碎控制系統(tǒng)和集料箱控制系統(tǒng)控制方式比較單一，其中粉碎控制系統(tǒng)大多數(shù)采用調速控制的方式，集料箱控制系統(tǒng)則采用滿載后報警的控制方式，控制系統(tǒng)過于簡單。

2) 我國大部分果園種植以丘陵山地為主[34]。對于山地廢棄枝條的處理利用主要通過移動式粉碎機進行[35-36]，但是國內枝條粉碎機的控制系統(tǒng)大都是應用在固定式的粉碎機上[37]。對于移動式枝條粉碎機的控制系統(tǒng)研究缺乏。

3) 缺乏自動化創(chuàng)新能力，在枝條粉碎機械控制系統(tǒng)的發(fā)展過程中，對于產品的創(chuàng)新是非常重要的一環(huán)，目前國內大多數(shù)枝條粉碎機械控制系統(tǒng)缺乏較高的智能化水平，仍然采用以往的控制技術，和國外發(fā)達國家存在一定差距[38]。

4) 基于果園枝條粉碎機工作環(huán)境的特殊性，粉碎機控制系統(tǒng)需要作業(yè)的環(huán)境也較為惡劣[39]，現(xiàn)階段大部分傳感器和控制器抗干擾能力差，且后期的維修保養(yǎng)工作也比較復雜，增加成本。

3 發(fā)展趨勢

3.1 控制技術的提升

隨著果園枝條粉碎機控制系統(tǒng)的不斷研制和更新?lián)Q代，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、達到控制目標的準確性，以及對于控制指令立即反應的快速性。上述的幾個方面都是粉碎機控制系統(tǒng)未來不斷要提升的方向。

3.2 多控制系統(tǒng)相互配套

果園枝條粉碎機控制系統(tǒng)的不斷完善進步，單一的控制系統(tǒng)不能完成當前的市場需求，并且單一控制存在效果差、穩(wěn)定性不高等問題。多控制系統(tǒng)配套使用，例如將喂料系統(tǒng)、粉碎控制系統(tǒng)、集料控制系統(tǒng)等互相配套使用，在提升生產效率和生產能力的同時，減少人工操作，降低甚至無需人工與機械的交叉作業(yè)頻率，保證粉碎安全。

3.3 升級改造原有機械的自動化與智能化

為了盡可能地減少人工作業(yè)強度，提高工作效率，枝條粉碎機的控制系統(tǒng)更加自動化、智能化將會成為今后的發(fā)展趨勢[40]。例如安裝北斗導航，操作人員只需坐在室內規(guī)劃路徑，便可使粉碎機自主粉碎作業(yè)；采用視覺傳感器檢測粉碎路徑上枝條的多少、粗細，來合理調整速度或者判斷刀具的磨損情況。采用機械手上料來代替以前人工喂入等[40-42]。未來將會運用到更智能的傳感器，更先進的控制理念，更加多功能的控制系統(tǒng)。

3.4 多功能通用型樹枝粉碎機與控制系統(tǒng)

在不同的地區(qū)、樹枝的長短、粗細、種類各不相同，不同木屑用途對于粉碎的要求也是不一樣的，因此需要不同種類、不同規(guī)格的樹枝粉碎機，而往往不同機型匹配的控制系統(tǒng)也不盡相同。所以需要研發(fā)設計可粉碎范圍更廣、適用性更強、功能更多樣的樹枝粉碎機及控制系統(tǒng)。

3.5 緩解生態(tài)污染情況

我國生態(tài)環(huán)境與農業(yè)生產矛盾日益突出，環(huán)境治理成本居高不下[43]。從枝條粉碎機作業(yè)環(huán)境特點來看，伴有灰塵漫天、噪聲大、能耗過高等情況[44]，為此在進行枝條粉碎機控制系統(tǒng)的研發(fā)選型過程中，科研技術開發(fā)人員需要著重考慮對環(huán)境的二次污染，唯有提倡可持續(xù)發(fā)展，積極應用現(xiàn)代化技術，開發(fā)研制節(jié)能、低碳、綠色的智能化控制系統(tǒng)的設備，降低生產對生態(tài)環(huán)境帶來的影響。

4 結語

隨著果園種植面積的逐年增長，果園的機械化程度也會越來越高，果園枝條粉碎機的控制系統(tǒng)也越來越完善。結合我國國情，研究設計適用于我國枝條粉碎機械的控制系統(tǒng)，加強果園枝條粉碎機控制系統(tǒng)的推廣和應用，提高對果園枝條粉碎機械安全、高效、環(huán)保的控制，實現(xiàn)對廢棄枝條資源利用和環(huán)境保護的重大意義。