甘蔗葉打捆機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

莫德寬

(來賓市興賓區(qū)鳳凰鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村綜合服務(wù)中心，廣西 來賓 546102)

0 引言

秸稈資源被認(rèn)為是繼石油、煤炭和天然氣之后的第四大能源，目前經(jīng)過驗(yàn)證可以在多個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域替代化石燃料，減少能源消耗與碳排放[1-4]。我國(guó)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，農(nóng)作物種類較多，秸稈資源十分豐富，由于秸稈機(jī)械化輸送、打捆等水平較低，我國(guó)秸稈主要用于燃燒取暖，甚至在部分農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域仍然存在秸稈田間焚燒的現(xiàn)象，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染[5]。

甘蔗葉可以直接還田作為有機(jī)肥，也可以經(jīng)過加工制成優(yōu)質(zhì)畜牧飼料，但是對(duì)于甘蔗種植戶來說，由于甘蔗葉打捆機(jī)械化程度較低，農(nóng)戶一般僅使用少量甘蔗葉用于畜禽養(yǎng)殖。廣西省柳州市環(huán)保產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)明確提出，希望廣西省甘蔗葉實(shí)現(xiàn)減量化、資源化、無害化利用，相關(guān)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門希望把甘蔗葉制成沼氣、用于發(fā)電、在田地里漚肥還田等，但是由于機(jī)械化程度低，人工勞動(dòng)強(qiáng)度大，導(dǎo)致甘蔗葉利用率較低。因此，降低甘蔗葉收集和運(yùn)輸成本，是實(shí)現(xiàn)甘蔗葉綜合利用的重要條件[6-7]。

打捆機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)甘蔗葉的高效收集與輸送，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。但是當(dāng)前打捆機(jī)在田間連續(xù)作業(yè)時(shí)，容易出現(xiàn)機(jī)器堵塞和吐料等問題，尤其是在農(nóng)忙時(shí)節(jié)，打捆機(jī)需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間高強(qiáng)度的田間作業(yè)，機(jī)器負(fù)荷較大，更容易造成零部件發(fā)生故障，當(dāng)某部件出現(xiàn)故障后，會(huì)影響整機(jī)的正常運(yùn)行，造成延誤農(nóng)時(shí)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成一定的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失。

針對(duì)以上問題，本研究對(duì)甘蔗葉打捆機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行研究與分析，為全面提升甘蔗葉打捆機(jī)智能化發(fā)展提供技術(shù)支撐，同時(shí)，對(duì)于全面提升打捆機(jī)工作效率具有重要意義。

1 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是通過在相關(guān)設(shè)備上安裝傳感器，對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析庫可以對(duì)設(shè)備狀態(tài)信息進(jìn)行分析，進(jìn)而判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)與故障診斷等。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了深入研究與應(yīng)用。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)十分成熟，已經(jīng)在市場(chǎng)進(jìn)行了廣泛推廣與應(yīng)用。如Trimble導(dǎo)航公司一直致力于高精度連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站GPS設(shè)備的研制工作。新技術(shù)的應(yīng)用使Trimble的設(shè)備在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用于地震-板塊運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、沉降變形監(jiān)測(cè)、精準(zhǔn)氣象觀測(cè)等高精度應(yīng)用領(lǐng)域，如Site Vision GPS技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到車輛狀態(tài)監(jiān)控中，可以遠(yuǎn)程監(jiān)控每一輛車的運(yùn)行狀態(tài)。美國(guó)斯坦福大學(xué)研發(fā)了開放式遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與故障診斷中心，具有診斷服務(wù)管理、維修計(jì)劃管理等功能，實(shí)現(xiàn)故障遠(yuǎn)程診斷的高效性和經(jīng)濟(jì)性。

我國(guó)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和故障診斷技術(shù)也得到了快速發(fā)展與深入研究，如我國(guó)天遠(yuǎn)公司研發(fā)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)裝置可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程車輛控制與車輛發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，后期逐漸發(fā)展為通過GPS和GPRS技術(shù)為主的設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)，但關(guān)于遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與故障預(yù)測(cè)技術(shù)等方面研究較少。

2 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 總體結(jié)構(gòu)

甘蔗葉打捆機(jī)主要由割臺(tái)、輸送系統(tǒng)、打捆室和電力輸送系統(tǒng)組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示[8]。

1.割臺(tái);2.喂入機(jī)構(gòu);3.駕駛室;4.底盤機(jī)構(gòu);5.發(fā)動(dòng)機(jī);6.存儲(chǔ)倉;7.打捆成型室圖1 甘蔗葉打捆機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 工作原理

在進(jìn)行田間工作時(shí)，割臺(tái)中的割刀進(jìn)行甘蔗葉的切割，并在扶持機(jī)構(gòu)的引導(dǎo)下將甘蔗葉導(dǎo)入喂入機(jī)構(gòu)，甘蔗葉在成捆室內(nèi)擠壓、翻滾等實(shí)現(xiàn)甘蔗葉成捆。甘蔗葉打捆機(jī)的行走系統(tǒng)和傳輸系統(tǒng)動(dòng)力主要由發(fā)動(dòng)機(jī)提供，通過變速箱將動(dòng)力合理分配至各個(gè)機(jī)構(gòu)。

3 基于嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)甘蔗葉打捆機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與狀態(tài)評(píng)估，并根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)及時(shí)進(jìn)行故障預(yù)測(cè)與診斷，需要對(duì)甘蔗葉打捆機(jī)的振動(dòng)信號(hào)、輸入軸扭矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速和液壓系統(tǒng)壓力組成進(jìn)行設(shè)計(jì)。控制系統(tǒng)主要包括主控制平臺(tái)、信息采集模塊、數(shù)據(jù)處理和控制模塊。

3.1 主控制平臺(tái)

遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主控制平臺(tái)主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與輸送等主要功能，一般采用單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理中心，運(yùn)行穩(wěn)定且成本較低，原理圖如圖2所示。

圖2 主控制平臺(tái)終端結(jié)構(gòu)原理圖

3.2 信息采集模塊

為了實(shí)現(xiàn)甘蔗葉打捆機(jī)各個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，將不同類型的傳感器安裝在甘蔗葉打捆機(jī)的重要工作部位，由于部分結(jié)構(gòu)距離較遠(yuǎn)，因此不適宜采用導(dǎo)線連接與信息傳輸，布線難度較大，因此采用無線通信方式實(shí)現(xiàn)信息采集與傳輸。本研究選用ZigBee短距離無線通信技術(shù)，其工作原理與信息采集節(jié)點(diǎn)如圖3所示。

圖3 ZigBee短距離無線通信系統(tǒng)原理圖

3.3 信息輸送系統(tǒng)

信息傳輸系統(tǒng)采用GPRS無線輸送，實(shí)現(xiàn)甘蔗葉打捆機(jī)終端信息監(jiān)測(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)信息遠(yuǎn)距離輸送，可以將甘蔗葉打捆機(jī)工作過程中各個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行儲(chǔ)存與輸送，客戶終端還可以通過向服務(wù)中心提出數(shù)據(jù)申請(qǐng)，隨時(shí)調(diào)用歷史數(shù)據(jù)。

3.4 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)甘蔗葉打捆機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，對(duì)主界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括賬戶登錄、數(shù)據(jù)管理、導(dǎo)航定位、故障診斷和歷史數(shù)據(jù)共5個(gè)模塊如圖4所示。

圖4 人機(jī)交互界面主要功能模塊

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

本研究基于目前國(guó)內(nèi)外打捆機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與容錯(cuò)控制技術(shù)，對(duì)甘蔗葉打捆機(jī)故障診斷和自適應(yīng)控制等技術(shù)研發(fā)了甘蔗葉打捆機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，選擇嵌入式PLC作為控制終端和自適應(yīng)控制中心，集成故障診斷、故障預(yù)測(cè)和數(shù)據(jù)處理等多種功能模塊。通過田間驗(yàn)證表明，該系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，滿足田間遠(yuǎn)程控制的需求，并且可以適應(yīng)較為復(fù)雜的工作環(huán)境。研究結(jié)果對(duì)于全面提升農(nóng)機(jī)裝備的智能化水平提供技術(shù)參考與理論借鑒。

4.2 展望

雖然本研究對(duì)甘蔗葉打捆機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)和容錯(cuò)控制技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，取得了一定的進(jìn)展，但是仍然存在一些問題有待進(jìn)一步深入研究。

1)由于甘蔗葉輸送機(jī)構(gòu)故障類型較多，部分故障影響較大，部分故障對(duì)整機(jī)運(yùn)行影響較小，導(dǎo)致本研究提出的故障知識(shí)庫尚不完善，部分故障難以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程診斷，因此需要進(jìn)一步積累故障類型與相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，便于對(duì)甘蔗葉打捆機(jī)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)與故障診斷。

2)本研究提出的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)如果要進(jìn)行田間實(shí)際應(yīng)用與發(fā)展，需要進(jìn)一步完成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的建立，并針對(duì)不同的故障類型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)一步改善。