侯文芳，胡 平，孫承庭

(1.蘇州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣與電子工程系，江蘇 蘇州 215200；2.南京工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 211800；3.連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，江蘇 連云港 222006)

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基于PLC的番茄收獲機(jī)電液調(diào)平系統(tǒng)設(shè)計(jì)

侯文芳1，胡 平2，孫承庭3

(1.蘇州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣與電子工程系，江蘇 蘇州 215200；2.南京工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 211800；3.連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，江蘇 連云港 222006)

電液調(diào)平系統(tǒng)是番茄收獲機(jī)正常運(yùn)行的核心，其優(yōu)良性直接決定機(jī)器割臺(tái)刀具和動(dòng)力鏈的機(jī)械磨損率，同時(shí)對(duì)色選系統(tǒng)的效果也有較大影響。通過(guò)分析機(jī)器傾斜角范圍，確定系統(tǒng)作業(yè)環(huán)境壓力，設(shè)計(jì)和研究出了基于PLC的電液調(diào)平系統(tǒng)。采用PLC和電液控制技術(shù)，利用AMESim軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)該系統(tǒng)的可行性和可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明：系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，調(diào)平時(shí)間短，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，實(shí)際應(yīng)用前景比較廣泛。

番茄收獲機(jī)；電液調(diào)平；PLC；AMESim

0 引言

番茄栽培種植范圍廣，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值極高，在世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和貿(mào)易中占有重要地位。在我國(guó)，番茄的種植和加工早已實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，但收獲卻依然依靠勞動(dòng)力。隨著外出務(wù)工人員的增多，農(nóng)村勞動(dòng)力人口下降，導(dǎo)致勞力力成本上漲，因此實(shí)現(xiàn)番茄的機(jī)械化收獲可以緩解人工采摘導(dǎo)致的效率低、費(fèi)用高及收獲不及時(shí)等問(wèn)題。電液調(diào)平系統(tǒng)是番茄收獲機(jī)的核心，其優(yōu)良性直接影響機(jī)器割臺(tái)刀具和動(dòng)力鏈的機(jī)械磨損率，同時(shí)對(duì)色選系統(tǒng)的效果也有較大影響。本研究在對(duì)機(jī)器傾斜角范圍的分析上，設(shè)計(jì)研究了電液調(diào)平系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用前景比較廣泛，為番茄收獲機(jī)提供了研究依據(jù)。

1 電液調(diào)平系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

作為機(jī)器的重要組成部分，調(diào)平系統(tǒng)常常采用機(jī)電和液壓兩種方式。機(jī)電調(diào)平系統(tǒng)需要將電機(jī)作為控制執(zhí)行器件，直接將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；液壓調(diào)平系統(tǒng)則是先將電能轉(zhuǎn)化為液壓能，再由液壓能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器件進(jìn)行車身調(diào)平操作。由于本文研究的番茄收獲機(jī)配有斜坡移動(dòng)系統(tǒng)，需要先將壓力轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，故選用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。番茄收獲機(jī)電液調(diào)平結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.底盤 2.衡量 3、5 、8、9.液壓缸 4.橫梁與液壓缸支撐架相接處 6.車轎 7.液壓缸支撐架與車轎相接處

該電液調(diào)平系統(tǒng)采用車轎整體支撐的方式，車轎整體支架裝有兩個(gè)橫梁，兩橫梁組成平面與底盤平行，橫梁始末各配備一個(gè)液壓缸，且液壓缸上部與橫梁相接，下端與整體支架相接。果實(shí)通過(guò)傳送帶在機(jī)器上傳動(dòng)，根據(jù)作業(yè)特點(diǎn)，只需要機(jī)身左右保持平衡。電液調(diào)平系統(tǒng)的傾斜角度由滑移角和左右擺動(dòng)角決定，考慮番茄收獲作業(yè)特點(diǎn)，設(shè)置收獲機(jī)最大調(diào)平角為15°，大于15°時(shí)果實(shí)在傳輸帶上容易發(fā)生側(cè)滑，影響機(jī)器收獲效益。另外，為了盡量減少收獲期零部件磨損，延長(zhǎng)機(jī)器的壽命，將機(jī)器最小調(diào)平角定為2°，即收獲機(jī)的調(diào)平范圍在2°～15°之間。

2 番茄收獲機(jī)液壓調(diào)平系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文研究的番茄收獲機(jī)電氣控制模塊采用手自結(jié)合，以自動(dòng)為主、手動(dòng)為輔的控制模式。自動(dòng)模式可以使調(diào)平系統(tǒng)具有快速響應(yīng)和精度高的特點(diǎn)，但當(dāng)番茄收獲機(jī)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜或者自動(dòng)模式故障時(shí)，可以采用手動(dòng)模式進(jìn)行調(diào)平控制，保證機(jī)器能夠正常運(yùn)行。本文采用三菱公司FX2N-48MT-D型號(hào)的PLC為核心控制器，該處理器具有40個(gè)I/O端子(24個(gè)輸入點(diǎn)、16輸出點(diǎn))，I/O點(diǎn)數(shù)余量適當(dāng)；系統(tǒng)采用梯形圖編程語(yǔ)言，簡(jiǎn)單方便，開(kāi)發(fā)周期短，可以實(shí)現(xiàn)在線修改，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試容易。

電液調(diào)平系統(tǒng)的執(zhí)行器件是機(jī)器能否高效準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)車身調(diào)平功能的關(guān)鍵所在，當(dāng)前工程應(yīng)用中常常采用機(jī)電和液壓兩種執(zhí)行器件。其中，機(jī)電式成本低、穩(wěn)定性好，但承載能力不足，不適用于大型設(shè)備，且在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中往往需要外接220V交流電源，要求比較高；而液壓式則有體積小、質(zhì)量輕、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可以用于以液壓作為驅(qū)動(dòng)的大型設(shè)備中。由于該收獲機(jī)采用液壓驅(qū)動(dòng)模式，調(diào)平速度和精度無(wú)特別要求。收獲機(jī)在作業(yè)過(guò)程中，可以自帶發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生低壓直流電源，若要外接220V交流電源則不宜實(shí)現(xiàn)，故本文研究的收獲機(jī)采用液壓式執(zhí)行元件。液壓式執(zhí)行元件主要包括液壓缸、液壓馬達(dá)等，常常需要將液壓能轉(zhuǎn)為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)負(fù)載，實(shí)現(xiàn)負(fù)載的連續(xù)擺動(dòng)，本番茄收獲機(jī)執(zhí)行元件為液壓缸。

電液調(diào)平系統(tǒng)接收到PLC控制器的信號(hào)后，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器件調(diào)整機(jī)器，使其減少傾斜度，恢復(fù)水平，調(diào)平方式需要滿足以下幾點(diǎn)：①可以實(shí)現(xiàn)車身自動(dòng)調(diào)平功能；②可以適應(yīng)機(jī)器自身結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)車身調(diào)平要求；③可以減少調(diào)平誤差，加大機(jī)器抗側(cè)翻能力。

番茄收獲機(jī)在采摘中，僅需要維持車身左右平衡，就可正常作業(yè)。根據(jù)機(jī)器整體結(jié)構(gòu)特性，采用四點(diǎn)支撐進(jìn)行調(diào)平操作，其受力分析如圖2所示。

圖2 四點(diǎn)支撐受力分析圖

從受力點(diǎn)分析，車身調(diào)平時(shí)應(yīng)遵循受力和力矩兩個(gè)平衡。4個(gè)直角點(diǎn)A、B、C、D為機(jī)器的受力支撐點(diǎn)，E為中心點(diǎn)。設(shè)機(jī)器質(zhì)量為G，AB兩點(diǎn)之間距離為a，AD兩點(diǎn)之間距離為b，設(shè)4個(gè)直角點(diǎn)受力為FA、FB、FC、FD，由物體受力平衡知

FA+FB+FC+FD=G

(1)

以B為原點(diǎn)，由受力平衡知

(2)

化簡(jiǎn)后可得

(3)

當(dāng)車身重心位于中心時(shí)，每個(gè)支撐點(diǎn)受力為0.25G；當(dāng)不在中心、設(shè)在F點(diǎn)時(shí)，F(xiàn)點(diǎn)與AB邊之間距離為d，由受力平衡可知

(4)

化簡(jiǎn)后有

(5)

電液調(diào)平系統(tǒng)在工作過(guò)程中，由于重心點(diǎn)不確定，會(huì)引起各支撐點(diǎn)受力不均的現(xiàn)象，某些支撐點(diǎn)受力大于0.25G，容易產(chǎn)生“虛腳”。

根據(jù)上文電液調(diào)平系統(tǒng)、執(zhí)行器件、控制器及電氣控制方式的選定，可以確定該系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，如圖3所示。

圖3 電液調(diào)平系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案方框圖

采用手自結(jié)合作為番茄收獲機(jī)調(diào)平系統(tǒng)控制模式，控制器PLC接收傾角傳感器采集的信號(hào)數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)液壓執(zhí)行元件調(diào)平車身。整個(gè)系統(tǒng)采用四點(diǎn)支撐模式，并設(shè)定最小調(diào)平角的控制邏輯；當(dāng)機(jī)器正常作業(yè)時(shí)，傳感器采集車身傾斜數(shù)據(jù)給PLC控制器，控制器將信號(hào)與最小調(diào)平角相比，驅(qū)動(dòng)液壓缸使機(jī)身實(shí)現(xiàn)水平。

3 番茄收獲機(jī)電液調(diào)平系統(tǒng)硬軟件設(shè)計(jì)

3.1 電液調(diào)平系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

電液調(diào)平系統(tǒng)控制硬件主要由PLC、傳感器設(shè)備、輸入輸出、故障報(bào)警及指示燈等部分搭建而成。電液調(diào)平系統(tǒng)硬件框架如圖4所示。

PLC控制器只能進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的采集和發(fā)送。PLC獲取信號(hào)時(shí)，開(kāi)關(guān)量可以直接傳給 PLC；而傳感器采集的模擬信號(hào)需經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)化才能傳給PLC；在信號(hào)輸出一側(cè)，系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)， PLC會(huì)發(fā)出故障報(bào)警，并進(jìn)行相應(yīng)的指示；對(duì)液壓缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，先需要將信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬量，然后通過(guò)電液比例轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)液壓缸進(jìn)行車身調(diào)平動(dòng)作。

圖4 電液調(diào)平系統(tǒng)硬件框架圖

3.2 電液調(diào)平系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電液調(diào)平系統(tǒng)軟件主要由信號(hào)采集和主控制兩部分組成。主控制部分是可編程邏輯控制器(PLC)根據(jù)車身傾斜程度決定是否需要采取調(diào)平動(dòng)作，確定要調(diào)平時(shí)驅(qū)動(dòng)液壓缸進(jìn)行調(diào)平操作；信號(hào)采集模塊則是對(duì)傾斜度、各支撐點(diǎn)位移數(shù)據(jù)的采集。軟件流程框架圖如圖5所示。

圖5 軟件流程框架圖

主控制部分的程序主要是檢測(cè)判斷車身傾角情況，并與設(shè)定值比較，進(jìn)而決定是否驅(qū)動(dòng)液壓缸進(jìn)行調(diào)平操作,如圖6所示。

系統(tǒng)核心控制器PLC讀取傾角傳感器采集的傾角信號(hào)后，與設(shè)定值做對(duì)比，當(dāng)車身傾斜度在正常范圍時(shí)，說(shuō)明機(jī)器可以正常運(yùn)行，不需要進(jìn)行任何驅(qū)動(dòng)操作；當(dāng)傾斜度大于等于15°時(shí)，說(shuō)明機(jī)器有發(fā)生滑移的潛在性，此時(shí)應(yīng)停止機(jī)器的運(yùn)行，進(jìn)行手動(dòng)控制；當(dāng)傾斜度在 2°～15°之間時(shí)，機(jī)器將進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)模式。

圖6 主控制程序流程圖

4 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證電液調(diào)平系統(tǒng)的可行性和有效性，本文在AMESim軟件中建立了系統(tǒng)仿真模型，包括液壓泵、電液比例換向和液壓缸。其中，液壓泵和液壓缸模型參數(shù)示意圖分別如圖7和圖8所示。

圖7 液壓泵模型參數(shù)示意圖

圖8 液壓缸模型參數(shù)示意圖

番茄收獲機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜多變，為了仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確，設(shè)定其工作狀態(tài)為: 工作前，保持左前液壓缸(7號(hào))位置為0.04 m，左后液壓缸(8號(hào))的位置為0.01m，其他兩個(gè)在原始位置不變；設(shè)定仿真時(shí)間為5s，前2s由 PLC輸出正向驅(qū)動(dòng)信號(hào)，然后暫停0.5s，再后面2.5s時(shí)間內(nèi)PLC輸出負(fù)向驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

仿真結(jié)束后，以左前液壓缸和右前液壓缸位移進(jìn)行分析，其曲線仿真結(jié)果如圖9、圖10所示。由圖9、圖10可知：左前液壓缸一直到4.5s才產(chǎn)生約0.024m的位移；而右前液壓缸位移不斷進(jìn)行，最后產(chǎn)生0.07m的位移，收獲機(jī)平衡度較高。因此，該電液調(diào)平系統(tǒng)具備左右調(diào)平功能，且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高，滿足番茄收獲機(jī)設(shè)計(jì)要求。

圖9 左前液壓缸位移曲線

圖10 左后液壓缸位移曲線

5 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)番茄收獲機(jī)車身自動(dòng)調(diào)平功能，采用PLC和電液控制技術(shù)，設(shè)計(jì)和研究了電液調(diào)平系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)執(zhí)行器件的分析確定，并利用AMESim軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性和可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該番茄收獲機(jī)電液調(diào)平系統(tǒng)在復(fù)雜的工作環(huán)境下，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，調(diào)平時(shí)間短，驗(yàn)證了收獲機(jī)的可行性、可靠性和工作效率。其抗干擾性強(qiáng)，可以有效節(jié)省作業(yè)時(shí)間，降低機(jī)器運(yùn)行的能量消耗，應(yīng)用前景廣闊，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

[1] 李成松,陳端鳳,坎雜,等.自走式番茄收獲機(jī)調(diào)平液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動(dòng),2014(1):18-22,26.

[2] 李成松,孫雨,付威,等.自走式紅棗收獲機(jī)液壓升降調(diào)平系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2014,36(2): 110-112,116.

[3] 陳端鳳,坎雜,李成松,等.自走式番茄收獲機(jī)電源與啟動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2013,35(4):67-71.

[4] 李成松,梁榮慶,坎雜,等.液壓振動(dòng)系統(tǒng)在番茄果秧分離裝置中的應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究,2013,35(12):233-236.

[5] 孫日賓,叢錦玲,坎雜,等.基于PLC的番茄收獲機(jī)分離裝置轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2012,34(1):91-94.

[6] 江英蘭,梁榮慶,坎雜,等.番茄收獲機(jī)果秧分離裝置液壓系統(tǒng)能耗分析[J].農(nóng)機(jī)化研究,2012,34(6):51-54.

[7] 李成松,坎雜,譚洪洋,等.4FZ-30型自走式番茄收獲機(jī)的研制[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2012(10):20-26.

[8] 胡永兵,張鈞鵬.基于機(jī)電式四點(diǎn)自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模[J]. 科技與企業(yè),2014(20):177.

[9] 孫富,師帥兵.國(guó)內(nèi)外幾種番茄收獲機(jī)的比較研究[J]. 農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備,2015(1):49-51.

[10] 高蘭,高文中,高斌. 基于汽車起重機(jī)改裝的大高度高空作業(yè)平臺(tái)調(diào)平系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工程機(jī)械,2015(5): 43-48,8.

[11] 胡小剛,趙琳娜,虞致國(guó),等.一種數(shù)模混合SoC的系統(tǒng)級(jí)后仿真驗(yàn)證平臺(tái)[J].電子器件, 2015(4):754-758.

[12] 陳端鳳.番茄收獲機(jī)電液調(diào)平系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[D].石河子：石河子大學(xué),2013.

[13] 毛國(guó)新.高空作業(yè)車整車電液自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)的研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué),2013.

[14] 陳萬(wàn)軍.全自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及調(diào)平策略研究[D].石家莊:河北科技大學(xué),2015.

[15] 史紅霞.SMC成型液壓機(jī)調(diào)平系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2008.

[16] 林智勇.基于單片機(jī)的瀝青攤鋪機(jī)自動(dòng)調(diào)平控制器的研究[D].長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué),2004.

[17] 劉小慶.基于PLC控制的變頻調(diào)速在橋式起重機(jī)中的應(yīng)用[D].武漢：武漢科技大學(xué),2005.

[18] 郝朝會(huì).雙動(dòng)力回轉(zhuǎn)振動(dòng)式番茄果秧分離裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[D].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院,2015.

[19] 彭霞.番茄收獲機(jī)割臺(tái)部分的設(shè)計(jì)及仿真研究[D].石河子：石河子大學(xué),2009.

[20] 王欣,宋曉光,滕儒民,等.基于MATLAB高空作業(yè)車電液比例調(diào)平系統(tǒng)仿真研究[J].機(jī)床與液壓,2008(4):162-164.[21] 黃嵐.基于DSP車載平臺(tái)自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)的研究[D].成都：西華大學(xué),2012.

[22] 劉均益,何清華,王石林,等.基于PID控制算法的自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的仿真研究[J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào),2011(4):452-456.

[23] 曹學(xué)峰,高斌,高蘭.基于PLC的攪拌車電液調(diào)平控制系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2015(4):75-80.

[24] 肖藩.基于三自由度并聯(lián)支撐機(jī)構(gòu)的自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的研究[D].南昌：江西理工大學(xué),2012.

[25] 徐紅.基于PLC的攪拌車液壓調(diào)平控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].石家莊：河北科技大學(xué),2010.

[26] 劉林.基于拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛耕作機(jī)具調(diào)平系統(tǒng)研究[D].長(zhǎng)沙：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué),2014.

[27] 鄢華林,李亞南,袁威,等.基于NIPCI-6221高精度液壓調(diào)平試驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J]. 機(jī)床與液壓,2013(19):100-103,110.

Abstract： Electro-hydraulic proportional leveling system is the core of the tomato harvesting machine in normal operation, the excellent system directly determines the machine tool and the cutting platform of power chain mechanical wear rate. At the same time, the selection system of color effect is greatly influence. From the tilt angle range by analyzing the machine, it determined the system operating environment pressure, which designed the electro hydraulic leveling system based on PLC. This paper adopt PLC and electric hydraulic control technology to carry on the simulation experiment by using AMESim software. The feasibility and reliability of the system was validated and the results indicated that the system runs stably and leveling time is short, which can fully meet the requirements of the system design and application.

ID:1003-188X(2017)08-0220-EA

Design for Electro-hydraulic Leveling System of Tomato Harvesting Machine Based on PLC

Hou Wenfang1, Hu Ping2, Sun Chengting3

(1.Department of Electrical and Electronic Engineering, Suzhou college of Information Technology, Suzhou 215200, China; 2.Computer Science and Technology, Nanjing University of Technology, Nanjing 211800, China;3.School of Information Engineering, Lianyungang Technical College, Lianyungang 222006, China)

tomato harvester; electro-hydraulic leveling; PLC; AMESim

2016-05-05

江蘇省教育科學(xué)院項(xiàng)目(2015-R-43034)；連云港市級(jí)基金項(xiàng)目(SH1110)

侯文芳(1979-)，女，江蘇邳州人，講師，碩士，(E-mail)hwfcgh2015@sina.com。

S225.92

A

1003-188X(2017)08-0220-04