基于PLC控制的收割机作业信息监测装置设计

熊中刚,陈 坤

（1.桂林航天工业学院机械工程学院，广西桂林541004；2.遵义师范学院工学院，贵州遵义563006）

目前，我国的收割机自动化和智能化水平还比较低，收割机的设计也比较复杂，工作环境比较差，作用对象状态和工作负荷量波动较大。针对收割机脱粒滚筒是否出现堵转故障，收割机的前进速度，收割机发动机的温度等参数问题，为了完善其不足，及时发现故障，并且做出相应的处理，最大程度减小损失，为此本文设计了一套作业监测系统[1-3]。

1 收割机监测系统整体方案设计

收割机作为收割水稻的主要机械，它是一种集收割、脱粒、清选、分离等功能为一体的复杂的农业机械[4]。由于它工作的环境比较恶劣，故障率比较高，以及现代的收割机都配备了带空调的驾驶室，对外界的设备就无法监测。要求我们对收割机相应的设备进行在线监测，监测收割机的脱粒滚筒、前进速度和发动机的机身温度等，出现故障时在线显示和报警。

2 硬件部分设计

2.1 系统硬件结构

整个硬件由PLC、速度传感器、液晶显示、数据存储模块、语音故障报警模块、电源管理模块、键盘管理模块组成。总体框图如图1所示：

图1 总体框图

2.1.1 PLC控制模块

PLC为系统的中央控制单元，作为控制核心部分，当系统开始工作PLC正常运行后，此时PLC整个控制流程需要进行数据输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段，每次能够成功执行完成上述三个阶段工作称为系统工作的一个完整扫描周期，在系统工作的整个运行期间，PLC核心控制部分以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段[5]。

2.1.2 速度传感器

目前在农机测控中，电磁式转速传感器和霍尔传感器是经常使用的测速元器件。电磁式转速传感器主要由传感头和齿圈组成，它的组成设计结构相对简单，成本也相对较低廉；在实际应用过程中表现出的主要缺点是检测产生输出信号的幅值随转速的变化而变化，如果检测到的工作转速过慢，将无法实现对有效信号的检测工作，同时很容易受电磁波干扰[6]。霍尔传感器是以霍尔效应为基础，金属片垂直于磁场中，将其通上电流，在金属薄片的两个侧面之间会产生一个电位差即霍尔电势，霍尔电势UH与电流强度I和磁场感应强度B成正比，与薄片厚度d 成反比[7]。

2.1.3 液晶显示模块

在整个监测系统中，采用LCD进行数据显示，由于收割机在田间作业环境复杂，白天的户外光线强，因此要求显示器有较高的亮度和分辨率，并且抗震性要强。

2.1.4 数据存储模块

存储模块，它主要由用户程序和程序存储器组成。程序存储器用于存放系统程序，包括整个系统设计中的管理程序、监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序，有的存储器还为系统提供辅加的工作内存，在结构上的存储器都是附加在CPU模块之中[8]。

2.1.5 声光报警模块

收割机发生故障的时候，监测元件检测到故障信号，将信号传给PLC输入端，输出一个信号使其相应的元器件动作，当故障信号一直存在时，操作人员还未及时处理，相应的故障灯一直常亮，并发出报警声。经故障处理后，则灯灭，也停止响铃。响铃只需要一个故障信号输入，就会一直响铃，在未处理故障之前需要它一直响铃，在这电路上加一个自锁。

2.1.6 电源管理模块

整个系统中PLC电源内部为开关稳压电源，供内部使用，在实际工作中了解到很多的机型还可以向外部提供24V的直流稳压电源，如此可更加方便的为野外工作现场的开关信号和外部传感器供电，有时候还可为输入信号提供电源，如用主机电源供电时，超过了它的额定值，这时候就需要加电源模块[9-10]。

3 软件设计

3.1 主程序设计

系统软件的主程序包括：系统上电后开始工作，并自动系统初始化，记录上次的作业信息（时间、数据），存入外部存储器中，通过LCD显示处理，本次任务完成，然后又返回系统初始化，为下次做好准备。如图2所示。

图2 主程序流程图

3.2 机械作业时间子程序

本设计中机械在正常进行作业时间处理的子程序中主要功能包括：当机械正常收割监测系统启动后，设计中需要完成对上次的作业时间进行累加处理，即每次工作中软件需将收割时间总和送入存储模块进行存储。系统设计的机械作业时间子程序流程图如图3所示。

图3 作业时间子程序流程图

3.3 监测算法子程序

在算法子程序中，由速度传感器检测的转速在额定转速内，就继续工作，如果低于额定转速的10%-20%，就出现语音报警提示，提示操作人员做出相应的处理，让它恢复正常的转速继续工作，不要影响收割机的工作效率。如图4所示。

图4 监测算法子程序流程图

4 仿真与测试

表1 I/O地址分配表

图5 故障仿真图

5 总结

本文研究分析了我国的收割机在智能化和自动化方面的不足及存在的一些问题，同时也提出了一些解决的方案，给出了一套基于PLC控制的收割机作业信息监测系统，最主要的是监测收割机脱粒滚筒的转速、收割机发动机的转速和收割机的机身温度等等。经过仿真证明，可以快速、稳定、精准的监测到收割机的具体工作状态，并将所有的数据进行处理，并将所有的数据自动保存在系统的存储器模块上。如监测到收割机出现故障，该系统会自动声光报警，告知操作人员及时处理故障。这不仅提高了工作效率，还大大降低了损失。