吳小艷　王　書　周惠興　侯書林　簡建明

(中國農(nóng)業(yè)大學工學院， 北京 100083)

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基于EtherCAT & GPRS的智能殘膜回收裝置設計與試驗

吳小艷王書周惠興侯書林簡建明

(中國農(nóng)業(yè)大學工學院， 北京 100083)

目前殘膜回收作業(yè)需要根據(jù)實際狀況人為地對其破土深度和收膜速度進行反復停車調(diào)節(jié)，為了提高殘膜回收作業(yè)的智能化水平和工作效率，對自主研制的彈齒式殘膜回收裝置進行改進，利用BECKHOFF CX2030控制器及模塊和EtherCAT總線接口與GPRS聯(lián)網(wǎng)，以實現(xiàn)起膜鏟自動升降調(diào)節(jié)、卷膜齒轉(zhuǎn)速在線檢測、殘膜回收在線視覺反饋和數(shù)據(jù)傳輸與監(jiān)控等功能。通過對智能起膜鏟的結(jié)構(gòu)設計、理論分析和試驗驗證，得到了鏟刀的安全傾角為65°～75°，適宜破土深度為20～50 mm。智能殘膜回收裝置的田間試驗表明，該裝置在機械化回收作業(yè)方面是可行的，智能起膜鏟的抗扭矩能力、殘膜回收率、卸膜率和整機工作效率均表現(xiàn)良好。

農(nóng)用地膜； 殘膜回收； EtherCAT； GPRS； 智能

引言

地膜覆蓋種植技術(shù)因具有增溫保墑、活化土壤養(yǎng)分和減輕作物病害等方面的顯著特點而被大面積推廣[1]。目前我國的覆膜種植總面積已達到1 979.1萬hm2，主要覆蓋區(qū)域分布在干旱、半干旱及冷涼地區(qū)，覆膜種植農(nóng)作物種類達到40多種，農(nóng)用地膜使用量已達到120多萬t[2-3]。由聚乙烯和聚氯乙烯制成的農(nóng)用地膜在土壤中長年累月不易降解，大量的殘膜滯留在土壤中，破壞了土壤的水分滲透循環(huán)系統(tǒng)和農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，導致出現(xiàn)農(nóng)作物根系生長緩慢、土壤板結(jié)、牲畜誤食中毒和機械化作業(yè)受阻等現(xiàn)象[4]。

近年來，殘膜機械化回收逐步取代人工撿拾[5]，出現(xiàn)了以前蘇聯(lián)和英國為代表的懸掛式收膜機；以美國和以色列為代表的收卷式收膜機；以法國為代表的卷筒式收膜機[6-7]；我國也相繼出現(xiàn)了滾筒式、彈齒式、釘刺式和鏈耙式等殘膜回收機[8-9]。以自主研制的彈齒式殘膜回收裝置為例[10]，該裝置的動力來自拖拉機牽引，其收膜作業(yè)由裝置前端的起膜鏟破土托膜和通過主動輪膠帶傳動驅(qū)動卷膜齒完成；卸膜作業(yè)通過傳送鏈上并排安裝的彈齒完成，其末端隨著曲柄搖桿挑膜機構(gòu)運動，每個工作周期與地面接觸一次，將膜挑起，挑起后再與脫膜震動輪配合，膜被卸入集膜箱。然而，作業(yè)過程中的破土深度和收膜速度不能在線調(diào)整，需要人為地根據(jù)實際狀況憑借經(jīng)驗和目測進行反復停車調(diào)節(jié)，整機的機械化程度與智能化水平低下，作業(yè)效率不高，易導致破碎后的地膜呈現(xiàn)小而不規(guī)則的分布狀態(tài)，難以保證殘膜回收率，同時增加工耗和回收成本。

為了提高殘膜回收作業(yè)的智能化水平和作業(yè)效率，針對如何實現(xiàn)起膜鏟破土深度的在線自動調(diào)節(jié)、卷膜齒轉(zhuǎn)速在線檢測、殘膜回收在線視覺反饋和數(shù)據(jù)傳輸與監(jiān)控等功能，本文借鑒測控技術(shù)、EtherCAT總線技術(shù)、GPRS網(wǎng)絡和視覺技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中的成功應用[11]，運用多學科綜合交叉技術(shù)設計智能殘膜回收裝置。

1　智能殘膜回收裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1裝置結(jié)構(gòu)改進

智能殘膜回收裝置是在現(xiàn)有彈齒式殘膜回收裝置的基礎上對其相關(guān)結(jié)構(gòu)和功能進行了改進。改進措施如下：在卷膜齒的主動輪齒輪兩側(cè)上安裝霍爾式輪速傳感器，用于實時檢測卷膜齒轉(zhuǎn)速。將起膜鏟固定在由伺服電動機驅(qū)動的絲桿滑塊上，絲桿滑臺選用HIWIN KK40型帶外罩負載型，并固定在裝置前端的橫梁兩側(cè)，伺服電動機驅(qū)動由BECKHOFF CX2030型控制器(德國)及EL7201型驅(qū)動模塊實現(xiàn)，同時在鏟尖內(nèi)部加裝Arduino壓電陶瓷傳感器。殘膜回收狀況通過安裝在裝置后下方橫梁正中間的攝像頭實時掃描獲得，選用HIKVISION型高清攝像頭?？刂葡到y(tǒng)選用德國BECKHOFF CX2030型控制器及模塊，無線通信監(jiān)控通過以太網(wǎng)接口與GPRS聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)。圖1為現(xiàn)有的彈齒式殘膜回收裝置實物圖。

圖1　彈齒式殘膜回收裝置實物圖Fig.1　Physical diagram of elastic tooth type residual film recovery device

1.2工作原理

1.2.1聯(lián)網(wǎng)通信原理

GPRS的產(chǎn)生滿足了移動數(shù)據(jù)業(yè)務的需求，通過一個路由器(GGSN)直接與外部網(wǎng)絡相連[12]。BECKHOFF CX2030型控制器搭載的計算機嵌入式TwinCAT平臺兼容了運動控制功能、EtherCAT總線功能和組態(tài)(HMI)功能。EtherCAT總線基于以太網(wǎng)接口協(xié)議，直達控制系統(tǒng)的I/O層，能夠與GPRS網(wǎng)絡相連，通過TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的無線傳輸[13-14]。同時，GPRS DTU包含TCP/IP數(shù)據(jù)通信和協(xié)議棧的功能，OPC服務器與GPRS DTU采用TCP/IP協(xié)議進行實時雙向通信，人機界面和OPC服務器之間采用DCOM/COM通信[15]。

1.2.2數(shù)據(jù)傳輸工作原理

圖2　智能殘膜回收裝置數(shù)據(jù)采集與處理原理圖Fig.2　Data acquisition and processing of intelligent residual film recovery device

智能殘膜回收裝置的數(shù)據(jù)采集與處理過程如圖2所示。數(shù)據(jù)傳輸工作原理為：通過BECKHOFF模塊實時采集控鈕控制信號、起膜鏟壓力信號、視覺圖像信號、卷膜齒速度信號和伺服電動機運行參數(shù)，這些信號通過CX2030控制器處理后，經(jīng)過EtherCAT總線、無線路由器和GRPS DTU傳輸至OPC服務器，進而在監(jiān)控界面(HMI)上顯示，為操作者提供實時作業(yè)參數(shù)；操作者根據(jù)殘膜回收的在線視覺反饋和實際需要，通過HMI下達控制指令，該指令通過OPC服務器處理后，經(jīng)過無線網(wǎng)絡和EtherCAT總線協(xié)議傳輸至CX2030控制器及相關(guān)模塊實現(xiàn)對電控系統(tǒng)和起膜鏟升降調(diào)節(jié)的控制；系統(tǒng)內(nèi)安裝有電子狗和Flash閃存磁盤，可以進行數(shù)據(jù)的實時存儲和調(diào)閱；控制器電源選用24V直流供電。

2　主要部件設計

2.1智能起膜鏟結(jié)構(gòu)設計

起膜鏟的破土深度關(guān)系到農(nóng)用地膜的破壞程度和殘膜的回收率。改良后的智能起膜鏟由伺服電動機、彈性聯(lián)軸器、絲桿、滑塊、外罩、起膜鏟、鏟尖和壓電傳感器構(gòu)成。起膜鏟固定在絲桿滑塊上，壓電傳感器安裝于鏟尖內(nèi)部，其破土深度的自動升降調(diào)節(jié)由伺服電動機驅(qū)動絲桿滑臺實現(xiàn)。

殘膜回收作業(yè)時影響起膜鏟破土深度的因素眾多，智能起膜鏟的自動升降調(diào)節(jié)參數(shù)由壓電傳感器實時檢測的壓力、卷膜齒轉(zhuǎn)速和起膜鏟剛度綜合換算得到，在防止起膜鏟過載的前提下，根據(jù)土壤類型、土壤含水率和作業(yè)速度設定壓力的最大閾值，在允許的壓力區(qū)間，通過殘膜回收在線視覺反饋和監(jiān)控界面實時自動微調(diào)細調(diào)起膜鏟的破土深度。圖3為智能起膜鏟結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3　智能起膜鏟結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3　Schematic of intelligent lifting film shovel structure1.伺服電動機　2.彈性聯(lián)軸器　3.絲桿　4.滑塊　5.外罩6.起膜鏟　7.鏟尖　8.壓電傳感器

2.2卷膜齒轉(zhuǎn)速檢測設計

卷膜齒轉(zhuǎn)速由霍爾式輪速傳感器實現(xiàn)在線檢測。該傳感器由永磁鐵、霍爾元件、齒圈和電路組成，其在線測速原理為：主動輪在牽引動力的作用下轉(zhuǎn)動時，不同轉(zhuǎn)速導致霍爾元件周圍的磁力線密度發(fā)生改變，進而影響霍爾電壓的變化，霍爾電壓經(jīng)過運算放大和施密特觸發(fā)器后轉(zhuǎn)換為脈沖信號被BECKHOFF模塊采集，并將速度實時顯示在監(jiān)控界面上。

由于牽引動力和傳動機構(gòu)的限制，卷膜齒轉(zhuǎn)速不能實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，但該轉(zhuǎn)速的在線檢測意義重大，一方面可作為收膜傳動機構(gòu)調(diào)整的依據(jù)；另一方面在智能起膜鏟破土深度的自動升降調(diào)節(jié)參數(shù)設定方面將產(chǎn)生影響。

2.3在線視覺反饋設計

殘膜回收在線視覺反饋工作過程為：在智能殘膜回收裝置作業(yè)區(qū)域內(nèi)，當殘膜回收作業(yè)進行時，在裝備作業(yè)后方未被回收的殘膜透過4 mm光學鏡頭被攝像頭以1/100 000～1/3 s的速度拍照生成數(shù)字圖像信號，再經(jīng)過數(shù)字信號處理芯片加工后，以25～30幀/min的幀率通過以太網(wǎng)接口向 CX2030控制器傳輸，最后視覺圖像被實時顯示在監(jiān)控界面上。

在線視覺反饋作為智能殘膜回收作業(yè)的輔助裝置，通過實時視覺反饋殘膜回收作業(yè)過程中殘膜的回收狀況，為自動升降調(diào)節(jié)破土深度和彈齒入土深度提供實時參考，有利于提高殘膜回收率和整機作業(yè)效率，減少工耗和成本。

3　智能起膜鏟理論分析與試驗

3.1起膜鏟刀受力平衡方程

起膜鏟由鏟刀、鏟柄和支撐件構(gòu)成。在回收殘膜作業(yè)過程中，為使鏟刀與土壤之間不發(fā)生堵塞或過多積土，運用牛頓第二定律對鏟刀作業(yè)過程進行受力分析，得到鏟刀作業(yè)的受力平衡方程為

(1)

式中F——鏟刀作業(yè)時所受土壤阻力

N——鏟刀作業(yè)面所受垂直作用力

G——鏟刀作業(yè)時自身和積土重力

f——鏟刀作業(yè)時與土壤和殘膜之間摩擦力

μ——摩擦因數(shù)

α——鏟刀傾角

圖4為鏟刀質(zhì)心處的受力分析。

圖4　鏟刀質(zhì)心處的受力分析Fig.4　Stress analysis of center of mass of blade

由式(1)可得

α=arctan((G+μF)/(F-μG))

(2)

其中，土壤阻力F能夠通過在鏟刀處的壓力傳感器檢測后取平均后得到，鏟刀和積土重力G可以通過試驗模擬近似得到。為防止鏟刀作業(yè)時發(fā)生堵塞或過摩擦，實際設計的鏟刀傾角α′≤α。

3.2起膜鏟柄運動學分析

在牽引力的作用下，智能起膜鏟從靜止狀態(tài)以一定的速度v1破土破膜作業(yè)，利用運動學原理和牛頓第二定律對鏟柄作業(yè)過程進行運動學分析，得到鏟柄破土深度H與鏟刀傾角α′、土壤阻力F和牽引速度v1之間的量化關(guān)系，有

(3)

式中M——土壤質(zhì)量

ΔT——土壤從v0運動到v1的作業(yè)時間

ρ——土壤密度

V——ΔT內(nèi)掘土體積

s——ΔT內(nèi)作業(yè)位移

S——鏟柄作業(yè)橫截面積

l——鏟柄切面邊長

b——鏟柄厚度

由式(3)可得

(4)

由式(3)、(4)可以算得H的理論值。

圖5為起膜鏟柄運動學分析。

圖5　起膜鏟柄運動學分析Fig.5　Kinematics analysis of shovel handle

3.3智能起膜鏟刀測試試驗

利用PC工控機、Arduino壓電傳感器、NI 6366 X數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW編程軟件等搭建測力試驗平臺，其NI采集卡設置及測力界面如圖6所示。分別在甘肅省小康營鄉(xiāng)、寧夏自治區(qū)中河鄉(xiāng)、內(nèi)蒙古自治區(qū)賽罕區(qū)和河北省柳泉鎮(zhèn)等地針對不同土質(zhì)實地測試智能起膜鏟的工作性能和破土深度H、鏟刀傾角α′、土壤阻力F、牽引速度v1與垂直作用力N之間的量化關(guān)系。測試分為2類:第1類試驗針對地膜地表覆蓋的特點和傾角過小易造成積土的問題，選取當破土深度H為20～50 mm和α′不小于45°時，在牽引速度v1相同的情況下，分4組測試不同土質(zhì)上作業(yè)時，F(xiàn)和N隨α′變化的量化關(guān)系，根據(jù)正態(tài)分布，結(jié)果如表1所示；第2類試驗是在α′為65°～75°且v1相同時，針對上述相同土質(zhì)，測試F和N隨H變化的量化關(guān)系，結(jié)果分別如圖7和圖8所示。

圖6　NI采集卡設置及測力界面Fig.6　NI acquisition card set and force interface

表1　不同土質(zhì)上作業(yè)時，F(xiàn)和N隨α′的變化情況(v1相同)Tab.1　When working on different kinds of soil, F and N changing with α′ ( same v1)

圖7　當α′為65°～75°時F與H的關(guān)系曲線Fig.7　Quantitative relationship between F and H at α′ of 65°～75°

圖8　當α′為65°～75°時N與H的關(guān)系曲線Fig.8　Quantitative relationship between N and H at α′ of 65°～75°

表1所示的測試結(jié)果表明在鏟刀傾角α′為65°～75°時，草原土、中壤土、重壤土和砂礫土所受的F和N最小，沒有超過自動升降起膜鏟的承受范圍。圖7、8所示的測試結(jié)果表明隨著破土深度的加深，F(xiàn)和N呈遞增趨勢，且不同土質(zhì)表現(xiàn)的F和N也差別很大。為防止智能起膜鏟過載作業(yè)，設計的智能起膜鏟鏟刀的傾角α′為65°～75°，適宜的破土深度H為20～50 mm，且不適于在砂礫土環(huán)境中作業(yè)。

4　田間試驗與分析

4.1試驗環(huán)境

田間試驗在河北省固安縣柳泉土豆覆膜種植基地進行，試驗對象為收獲土豆后的地膜殘膜，土豆起壟種植，壟高為150～170 mm，壟寬為700 mm，壟溝寬為700 mm，殘膜回收作業(yè)區(qū)域地形平整，土質(zhì)為中壤土，地表無明顯硬物，土壤硬度為6.1 kPa，土壤含水率為26.5%，地膜兩邊壓入土中，地膜厚度為0.008 mm，膜寬為800 mm，覆膜時間長142 d，地膜出現(xiàn)一定程度的破損。智能回收裝置由東方紅40型拖拉機提供牽引力，作業(yè)速度為5.0～5.5 km/h，作業(yè)幅寬為800 mm。

4.2智能殘膜回收裝置作業(yè)測試

4.2.1測試準備與作業(yè)流程

智能殘膜回收裝置由BECKHOFF CX2030型控制器及模塊、PC工控機、GPRS DTU、TP-LINK 11AC 900M 5G型雙頻智能無線路由器、HIKVISION型高清攝像頭、霍爾式輪速傳感器、Arduino壓電陶瓷傳感器、HIWIN KK40型負載型絲桿滑塊、EL7201型驅(qū)動模塊和BECKHOFF AM8111型伺服電動機等主要設備組成。

在測試作業(yè)之前，檢查電控系統(tǒng)，調(diào)整攝像頭角度，同時為了防止因牽引速度過快或土壤阻力過大造成的起膜鏟扭矩過大，需要對牽引速度和破土深度進行試作業(yè)，確定匹配的牽引速度和設定壓力最大閾值。準備工作就緒后，操作者啟動智能殘膜回收裝置監(jiān)控系統(tǒng)，便攜式監(jiān)控界面(HMI)進入初始化過程，檢查EtherCAT與GPRS網(wǎng)絡連接是否正常，不正常情況下需要重啟GPRS DTU或停機檢查，正常聯(lián)網(wǎng)后，在HMI上設置匹配的相關(guān)參數(shù)，并下達控制指令，實時觀察圖像角度和在線調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)。監(jiān)控系統(tǒng)正常工作后，在東方紅40型拖拉機牽引下，智能殘膜回收裝置開始作業(yè)。如遇到故障報警，系統(tǒng)會自動發(fā)出警鳴，提示中止作業(yè)。智能殘膜回收裝置作業(yè)流程和田間作業(yè)分別如圖9、10所示。

圖9　智能殘膜回收裝置作業(yè)流程Fig.9　Work process of intelligent residual film recovery device

圖10　智能殘膜回收裝置田間作業(yè)Fig.10　Field work of intelligent residual film recovery device

4.2.2試驗方案

為了實地驗證智能殘膜回收裝置的系統(tǒng)整體性能、抗扭矩能力、作業(yè)效率和殘膜回收率，整個測試過程共分為3組：試驗A中行走距離為100 m，破土深度分別為20 mm、50 mm和80 mm。試驗B中行走距離300 m，破土深度分別為20 mm、50 mm和80 mm。試驗C中行走距離為500 m，破土深度分別為20 mm、50 mm和80 mm。

測試過程中自動在線調(diào)節(jié)破土深度，殘膜回收率和作業(yè)效率根據(jù)比較行走位移內(nèi)扇形圖像區(qū)域前后殘膜總量由模擬軟件計算得到，過載保護通過設定最大壓力閾值實現(xiàn)，采用報警提示。

4.3試驗結(jié)果

通過多次測試，對每一項試驗結(jié)果去除頭尾后取平均值，得到了如表2所示的田間測試結(jié)果。測試結(jié)果表明，所設計的裝置系統(tǒng)性能穩(wěn)定，起膜鏟抗扭矩能力適用于在破土深度為20～50 mm內(nèi)作業(yè)，殘膜回收率和卸膜率表現(xiàn)突出，整機作業(yè)效率大幅提高；同時，該裝置在破土深度為80 mm時，出現(xiàn)過報警異常，說明起膜鏟的抗扭矩能力有待提高，智能起膜鏟的結(jié)構(gòu)設計方面還有待進一步研究。

表2　智能殘膜回收裝置田間測試結(jié)果Tab.2　Field test results of intelligent residual film recovery device

5　結(jié)束語

通過智能起膜鏟的結(jié)構(gòu)設計、理論分析與試驗得到了鏟刀的安全傾角為65°～75°，整機田間試驗證明了智能殘能回收裝置在機械化殘膜回收作業(yè)方面是可行的，在破土深度為20～50 mm時，智能起膜鏟在抗扭矩能力、殘膜回收率、卸膜率和整機工作效率等方面效果顯著，且特別適用于土豆和花生起壟種植的草原土、中壤土和重壤土。基于GPRS與EtherCAT總線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和圖像技術(shù)與計算模擬軟件在殘膜回收作業(yè)方面的應用值得推廣。

1張佳喜,謝建華,薛黨勤,等.國內(nèi)外地膜應用及回收裝備的發(fā)展現(xiàn)狀[J].農(nóng)機化研究,2013(12):237-240.

2侯書林,胡三媛,孔建銘,等.國內(nèi)殘膜回收機研究的現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2002,18(3): 186-190．

HUO Shulin, HU Sanyuan, KONG Jianming, et al. Present situation of research on plastic film residue collector in China [J].Transactions of the CSAE, 2002, 18(3)：186-190. (in Chinese)

3嚴昌榮,劉恩科,舒帆,等.我國地膜覆蓋和殘留污染特點與防控技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學報,2014, 31(2): 95-102.

YAN Changrong, LIU Enke, SHU Fan, et al. Characteristics and prevention and control of plastic film mulching and residual pollution in China [J]. Journal of Agricultural Resources and Environment, 2014, 31(2): 95-102. (in Chinese)

4嚴昌榮,何文清,梅旭榮,等.農(nóng)用地膜的應用與污染防治[M].北京:科學出版社,2010:1-171.

5何文清,嚴昌榮,趙彩霞,等.我國地膜應用污染現(xiàn)狀及其防治途徑研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報,2009, 28(3): 533-538.

HE Wenqing, YAN Changrong, ZHAO Caixia, et al. Study on the pollution by plastic mulch film and its countermeasures in china[J]. Journal of Agro- Environmental Science, 2009, 28 (3): 533-538. (in Chinese)

6張惠友,侯書林,那明君,等.收膜整地多功能作業(yè)機的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2007,23(8):130-134．

ZHANG Huiyou, HUO Shulin, NA Mingjun, et al. Multifunctional machine for retrieving the used plastic film after harvesting and soil preparation [J]. Transactions of the CSAE, 2007, 23(8):130-134. (in Chinese)

7謝建華,侯書林,付宇,等.殘膜回收機彈齒式拾膜機構(gòu)運動分析與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2013,44(增刊1):94-99.

XIE Jianhua, HUO Shulin, FU Yu, et al. Motion analysis and experiment on spring-tooth mulching plastic film collector [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(Supp.1): 94-99. (in Chinese)

8陳發(fā),史建新,王學農(nóng),等. 弧型齒殘膜撿拾滾筒撿膜的機理[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報,2006,37(6):36-41.

CHEN Fa, SHI Jianxin, WANG Xuenong, et al. Study on collecting principle of arc-type tooth roller for collecting plastic residue [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2006, 37(6):36-41. (in Chinese)

9李剛,張林海,付宇,等.曲柄搖桿式殘地膜撿拾機構(gòu)研究[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2015,46(增刊):63-67.

LI Gang, ZHANG Linhai, FU Yu, et al. Crank-rocker mechanism for collecting plastic film [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(Supp.)： 63-67. (in Chinese)

10侯書林,孔建銘,張惠友,等.彈齒式收膜機構(gòu)運動學模型[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2003,34(2):141-142,145．

HOU Shulin, KONG Jianming, ZHANG Huiyou, et al. Brief report on research works of three papers[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2003, 34(2):141-142, 145. (in Chinese)

11李志丹.基于無線通訊技術(shù)的管網(wǎng)疊壓裝置集散監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D].天津：天津大學,2007.

LI Zhidan. Research on distributed monitoring system of pipe network based on wireless communication technology [D]. Tianjin： Tianjin University, 2007. (in Chinese)

12鄭丹丹．基于GPRS的電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計與研究[D].武漢：武漢理工大學，2008.

ZHENG Dandan. The elevator remote monitoring system design and research based on GPRS [D]. Wuhan： Wuhan University of Technology, 2008. (in Chinese)

13張毅．實時數(shù)據(jù)無線監(jiān)控系統(tǒng)的研究及應用[D].杭州：浙江大學，2005．

ZHANG Yi. The real-time data of the wireless monitoring system research and application[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2005. (in Chinese)

14李銀華，趙凡，黃軍壘. 基于EtherCAT的自動焊接控制系統(tǒng)研究[J].焊接技術(shù)，2015，44(5)：59-63.

15崔麗麗，徐進學.基于OPC技術(shù)的客戶端數(shù)據(jù)采集軟件包設計[J].沈陽工業(yè)大學學報，2005，27(5)：553-557.

CUI Lili, XU Jinxue. Design of client data collection software package based on OPC technique[J]. Journal of Shenyang University of Technology, 2005, 27(5):553-557.(in Chinese)

Design and Test of Intelligent Residual Film Recovery Device Based on EtherCAT & GPRS

Wu XiaoyanWang ShuZhou HuixingHou ShulinJian Jianming

(CollegeofEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China)

At present, the residual film recovery device needs to stop artificially and adjust repeatedly for its ground-breaking depth and rolling speed based on actual situation during the work. It often leads to low levels of mechanization and efficiency. In order to improve intelligence and efficiency of the plastic film recovery unit, the subject takes the elastic tooth residual film recovery device of existing independently developed as the research object. BECKHOFF CX2030 controller and the module were used to collect the data of each sensor in real time and control the operation of the servo motor. Then through the Ethernet interface which based on EtherCAT bus and the GPRS network, it can realize the film shovel automatic lifting adjustment, the film cutting speed online detection, the residual film recovery online visual feedback, the data transmission and monitoring. Through the structure design, theoretical analysis and experimental verification of the intelligent film shovel, the inclination angle of the blade was obtained as 65° to 75°, the safety ground breaking depth was 20 mm to 50 mm. The application of image technology and computer simulation software was conducive to the real-time feedback of residual film legacy and scientific calculation of residual film recovery rate and operating efficiency. The field experiment in sandy loam soil of potato ridge using the intelligent residual film recovery device based on EtherCAT & GPRS showed that, the effect of the residual film recovery operations was significant in the intelligent level and residual film recovery rate, and the overall level of the device was greatly improved. The successful research and development of the device will greatly promote the residual film recovery to multifunction, intelligence, digitization and automation.

agricultural plastic film; residual film recovery; EtherCAT; GPRS; intelligence

10.6041/j.issn.1000-1298.2016.09.008

2016-02-26

2016-06-14

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201503105)和國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(2012AA10A503-4)

吳小艷(1987—)，男，博士生，主要從事智能機器人研究，E-mail: perc_wxy@126.com

侯書林(1959—)，男，教授，博士生導師，主要從事智能農(nóng)機裝備研究，E-mail: hsl010@126.com

S216.2； TP242.6

A

1000-1298(2016)09-0050-06