尤興芹 王國強 單 宇 陳國泰 盧元成

（江蘇農牧科技職業(yè)學院農業(yè)工程學院，江蘇泰州 225300）

目前，國內在稻麥收獲過程中主要依靠駕駛員的經驗來避免秸稈夾帶固體顆粒對收獲機械部件（如割刀、脫粒元件等）造成的損害，對駕駛員要求較高，加上農村青壯勞動力日益減少，熟練駕駛人員短缺，難以有效降低收獲機械故障率、提高收獲機械工作效率和滿足收獲機械智能化的要求。為此，研發(fā)收獲機械智能控制技術，提高田間作物收獲的自動化水平，已成為當前農機收獲領域的研究熱點[1-3]。

收獲機械作業(yè)過程中很大一部分損失是割臺工作參數調整不當造成的。在割臺損失率檢測方面，蘭心敏等[4]對比分析了現(xiàn)行割臺損失率測定方法（如床土收集清選水洗法、田土培植數苗法和接樣布接樣法等）的局限性和不足之處，提出了割臺損失率的接樣槽測定方法及其注意事項。針對稻麥割臺兼收油葵時割臺損失率高的問題，黃小毛等[5]在對油葵種植模式和植株性狀進行調研的基礎上，設計了一種帶落?；厥昭b置的油葵專用割臺試驗臺架，實現(xiàn)了結構參數和工作參數的靈活調節(jié)。為研究割臺各工作部件碰撞打擊引起的油菜產量損失，楊 毅等[6]對撥禾輪轉速、撥禾輪水平位置、撥禾輪垂直位置等3個影響割臺損失率的因素進行了單因素和多因素田間試驗，結果表明，上述3個因素對割臺損失率的影響大小為撥禾輪轉速>撥禾輪垂直位置>撥禾輪水平位置，得到最優(yōu)參數組合，即當撥禾輪轉速18 r/min、撥禾輪水平位置500 mm、撥禾輪垂直位置1 200 mm時，割臺損失率為1.85%。在割臺智能控制方面，國外對收獲機械技術與裝備研究較早，普遍采用了大量智能調節(jié)和操縱系統(tǒng)，例如輔助轉向系統(tǒng)、自動駕駛系統(tǒng)和作業(yè)速度自動控制系統(tǒng)等，具有代表性的產品有Kubota履帶式全喂入聯(lián)合收割機（WRH1000C）的 KSAS系統(tǒng)、John Deere公司S系列聯(lián)合收割機（S680）的 Harvest Smart TM 系統(tǒng)、Case（2388）的AFS系統(tǒng)、CLAAS公司LEXION系列聯(lián)合收割機（LEXION780）的 CEBIS 系統(tǒng)、Massey Ferguson 公司的Fieldstar系統(tǒng)以及Case IH公司的AFS系統(tǒng)等；國內聯(lián)合收割機撥禾輪驅動與控制多以鏈條傳動和手動調節(jié)為主，無法實現(xiàn)撥禾輪轉速、水平位置及垂直位置等參數實時調節(jié)，且沒有設計用于收集黏附于莖稈的固體顆粒預收集檢測裝置。

本文設計了收獲機械智能割臺預收集控制裝置及其信息管理系統(tǒng)，用于完成整機運動工作部件信息監(jiān)測、顯示和存儲等功能，以減輕駕駛員勞動強度，對探索提高收獲機械工作效率具有重要意義。

1 收獲機械智能割臺預收集裝置結構組成及工作原理

1.1 結構組成

收獲機械智能割臺預收集裝置主要由割臺、固體顆粒預收集裝置、測量弓架、輸送機構（包括液壓馬達、輸送皮帶）以及CAN數據采集模塊等部分組成。其中，固體顆粒預收集裝置主要包括預收集箱、預收集箱壓力傳感器、割臺測量弓架角度傳感器等部分，樣機見圖1。

1.1.1 測量弓架設計。當前割臺地面仿形有3種實現(xiàn)方式，即接觸式機械實現(xiàn)方式[7]、非接觸式傳感器探測[8-12]及機器視覺[13]等。非接觸式傳感器探測直接測量割臺離地高度，一般采用超聲波、紅外傳感器、光電式開關、磁感應接近式開關、霍爾式開關等來實現(xiàn)，但該探測方式易受田間草稈、土塊等雜物影響。機器視覺方法通過圖像處理換算得到割臺離地高度，主要通過攝像頭采集收割機前方作物圖像，自動識別作物的高度信息，以此調節(jié)割臺高度，但該方法不適用于倒伏作物，測量成本高，易受灰塵影響。為此，本文采用了接觸式機械實現(xiàn)方式，割臺測量弓架結構主要由角度傳感器、地面仿形板、限位擋板及復位彈簧等構成（圖2）。角度傳感器選擇上海歐牧電子科技有限公司生產的WDD-D30-360型角度傳感器，工作電壓 12 VDC，輸出信號 4～20 mA，IP65防護等級，完全能夠滿足需求。復位彈簧選擇304不銹鋼彈簧，線徑0.8 mm，長度100 mm。

1.1.2 固體顆粒預收集裝置設計。固體顆粒預收集裝置主要由壓力傳感器、連接件、電動推桿和滑動板等部件組成（圖3），其中：壓力傳感器選擇中諾傳力ZNHM-I型壓力傳感器，稱重范圍0～10 kg，工作電壓5 VDC，輸出信號4～20 mA；電動推桿選擇日本IAI公司一體化閉環(huán)步進伺服電動缸，內置遠點，限位開關，速度可調，行程可調，行程50 mm，完全可以滿足設計要求。

圖3 固體顆粒預收集裝置結構簡圖

1.1.3 CAN數據采集模塊選型。收獲機械共有15路脈沖信號（10路轉速信號，包括撥禾輪轉速、割臺攪龍轉速、輸送槽轉速、輔助喂入輪轉速、脫粒滾筒轉速、風機轉速、輸糧攪龍轉速、雜余攪龍轉速、卸糧攪龍轉速、振動篩曲軸轉速等；3路損失信號，包括2路脫粒夾帶損失信號和1路清選損失信號；1路對地雷達速度信號；1路清選篩振動頻率信號），通過CAN高速脈沖測頻模塊8514F采集；13路模擬量信號（包括2路割臺仿形角度信號、4路絲杠電機位移信號、1路給料箱開度信號、2路割幅寬度信號、1路撥禾輪升降位移信號、1路籽粒質量流量信號、1路籽粒含水率信號和1路糧箱狀態(tài)信號），通過CAN高速脈沖測頻模塊8512H采集。采集到的信號通過CAN/以太網模塊、交換機和RS485總線實現(xiàn)了現(xiàn)場設備與下位機、上位機信息交換。因此，選擇用于高速度測頻的8514F 3塊、用于模擬量采集的8512H 2塊，主要負責傳感器信息采集與數據傳輸，其主要技術參數見表1和表2。

表1 8514F主要技術參數

表2 8512H主要技術參數

1.1.4 以太網模塊設計。CAN轉以太網模塊主要完成CAN信號與RS485信號等轉換。CAN轉以太網模塊選擇的是深圳市天一廣聯(lián)科技有限公司生產的TC900E高能性能2路CAN-bus以太網網關，支持CAN2.0A/B，端口互轉數據見圖4。

圖4 CAN轉以太網模塊端口互轉數據示意圖

1.2 工作原理及控制方法

1.2.1 工作原理。通過實驗室標定，建立角度傳感器輸出電信號變化量與割臺離地高度、壓力傳感器輸出電信號變化量與預收集箱存儲狀態(tài)之間的數學表達式。當田間地面高度變化時，割臺測量弓架角度傳感器輸出電信號經主控制器處理后，與預設定值進行比對，并輸送至顯示裝置。當采集值在允許范圍內時，收割機繼續(xù)工作；否則，按照采集值與設定值的差分信號調節(jié)割臺高度，并輸送至顯示裝置、聲光報警裝置和執(zhí)行機構等進行相應控制動作，以保持割臺高度恒定。當檢測到預收集箱內存儲狀態(tài)信號達到預設定值時（即75%的預收集箱），提示駕駛人員就近于田間地頭卸載箱內固體顆粒物；反之，繼續(xù)田間作業(yè)。

1.2.2 檢測與控制步驟。①檢測割臺底板離地高度是否符合設定值。當檢測割臺底板離地高度符合設定值時，進入滿載檢測步驟；當檢測割臺底板離地高度不符合設定值時，調整割臺底板離地高度，之后再進入滿載檢測步驟，同時啟動聲光報警裝置。②當檢測預收集箱裝滿時，驅動預收集箱卸載裝填物，并進入卸載檢測步驟；當檢測預收集箱未裝滿時，預收集箱繼續(xù)收集裝填物，并返回步驟①，檢測割臺底板離地高度是否符合設定值。③當檢測預收集箱卸載完畢時，關閉預收集箱；當檢測預收集箱未卸載完畢時，驅動預收集箱卸載裝填物，同時啟動聲光報警裝置。

2 收獲機械智能信息管理系統(tǒng)設計

收獲機械智能割臺信息管理系統(tǒng)基本結構見圖5，主要由上位機、下位機和總線傳輸系統(tǒng)構成。其中，上位機由車載信息顯示觸摸屏（普洛菲斯12.1英寸工控機GP-4601T）和視頻檢測模塊12.1寸高分V121XGA（V1）構成，用于完成整機運動工作部件信息監(jiān)測、顯示、存儲、數據庫與智能調控算法編寫；總線傳輸系統(tǒng)主要由CAN總線、以太網和RS485等組成，用于完成上、下位機信息交互功能；下位機為西門子S7-1214C型PLC，主要完成割臺工作部件參數調控。

圖5 割臺預收集裝置作業(yè)信息監(jiān)測與控制系統(tǒng)結構架構圖

2.1 上位機軟件

上位機軟件采用普洛菲斯國際貿易有限公司提供的顯示屏組態(tài)軟件編寫，主要由割臺喂入、主要工作部件、作物參數、管理維護和幫助等部分組成，能夠將收獲機械田間作業(yè)數據存儲于SD卡，方便日后大數據融合處理、控制模型建立與驗證試驗及故障信息特征值提取、故障判斷模型建立及故障預警機制制定。登錄界面主要完成用戶名、登錄密碼和登錄記錄是否保持等功能，登錄界面見圖6，割臺喂入高度設置見圖7。

圖6 登錄界面圖

圖7 割臺喂入高度設置

其中，割臺喂入部分主要完成割臺高度設定、測量弓架參數和預收集狀態(tài)信息等監(jiān)測；主要工作部件部分主要完成脫粒分離系統(tǒng)、清選系統(tǒng)、糧箱輸糧系統(tǒng)、碎草裝置的轉速、行進速度、糧箱狀態(tài)信號、導流板角度、進風口角度、魚鱗篩開度、魚鱗篩振動頻率、籽粒損失信號、籽粒含水率、籽粒含雜率及破碎率等的監(jiān)測、智能控制算法參數設定和電動；作物參數部分的主要功能是當符合收獲機械田間作業(yè)標準時，根據不同作物種類、不同區(qū)域和不同環(huán)境條件，建立專家數據庫，確保最佳收獲效率與質量；管理維護部分主要包括收獲機日常維護時間設定、主要工作部件維修時間設定和常見故障解決途徑查詢；幫助部分主要包括參數設定方法及步驟、登錄記錄密碼修改步驟、監(jiān)測周期設定方法和智能控制算法參數設定步驟等。

2.2 下位機軟件

PLC軟件主控制器采用西門子S7-1214C型PLC，運行西門子內置系統(tǒng)，編程軟件采用西門子公司的TIA Step7 V13 SP1完成。其中，CAN呼叫、CAN接受、預收集傳送帶測速及預收集推桿控制程序依次見圖8～11。

圖8 CAN呼叫

圖9 CAN接收

圖10 預收集傳送帶測速

圖11 預收集推桿控制程序

3 結論

本文設計了割臺固體顆粒預收集裝置，完成了田間收獲固體顆粒的收集；采用了接觸式機械實現(xiàn)方式，設計了割臺測量弓架，實現(xiàn)了割臺高度檢測；以普洛菲斯12.1英寸工控機GP-4601T和視頻檢測模塊12.1寸高分V121XGA（V1）為上位機，以西門子S7-1214C型PLC為下位機，開發(fā)了收獲機械信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了收獲機械作業(yè)過程實時監(jiān)控以及作業(yè)信息采集、顯示、存儲等功能。