收获机械智能割台预收集装置及信息管理系统设计

尤兴芹 王国强 单 宇 陈国泰 卢元成

（江苏农牧科技职业学院农业工程学院，江苏泰州 225300）

目前，国内在稻麦收获过程中主要依靠驾驶员的经验来避免秸秆夹带固体颗粒对收获机械部件（如割刀、脱粒元件等）造成的损害，对驾驶员要求较高，加上农村青壮劳动力日益减少，熟练驾驶人员短缺，难以有效降低收获机械故障率、提高收获机械工作效率和满足收获机械智能化的要求。为此，研发收获机械智能控制技术，提高田间作物收获的自动化水平，已成为当前农机收获领域的研究热点[1-3]。

收获机械作业过程中很大一部分损失是割台工作参数调整不当造成的。在割台损失率检测方面，兰心敏等[4]对比分析了现行割台损失率测定方法（如床土收集清选水洗法、田土培植数苗法和接样布接样法等）的局限性和不足之处，提出了割台损失率的接样槽测定方法及其注意事项。针对稻麦割台兼收油葵时割台损失率高的问题，黄小毛等[5]在对油葵种植模式和植株性状进行调研的基础上，设计了一种带落粒回收装置的油葵专用割台试验台架，实现了结构参数和工作参数的灵活调节。为研究割台各工作部件碰撞打击引起的油菜产量损失，杨 毅等[6]对拨禾轮转速、拨禾轮水平位置、拨禾轮垂直位置等3个影响割台损失率的因素进行了单因素和多因素田间试验，结果表明，上述3个因素对割台损失率的影响大小为拨禾轮转速>拨禾轮垂直位置>拨禾轮水平位置，得到最优参数组合，即当拨禾轮转速18 r/min、拨禾轮水平位置500 mm、拨禾轮垂直位置1 200 mm时，割台损失率为1.85%。在割台智能控制方面，国外对收获机械技术与装备研究较早，普遍采用了大量智能调节和操纵系统，例如辅助转向系统、自动驾驶系统和作业速度自动控制系统等，具有代表性的产品有Kubota履带式全喂入联合收割机（WRH1000C）的 KSAS系统、John Deere公司S系列联合收割机（S680）的 Harvest Smart TM 系统、Case（2388）的AFS系统、CLAAS公司LEXION系列联合收割机（LEXION780）的 CEBIS 系统、Massey Ferguson 公司的Fieldstar系统以及Case IH公司的AFS系统等；国内联合收割机拨禾轮驱动与控制多以链条传动和手动调节为主，无法实现拨禾轮转速、水平位置及垂直位置等参数实时调节，且没有设计用于收集黏附于茎秆的固体颗粒预收集检测装置。

本文设计了收获机械智能割台预收集控制装置及其信息管理系统，用于完成整机运动工作部件信息监测、显示和存储等功能，以减轻驾驶员劳动强度，对探索提高收获机械工作效率具有重要意义。

1 收获机械智能割台预收集装置结构组成及工作原理

1.1 结构组成

收获机械智能割台预收集装置主要由割台、固体颗粒预收集装置、测量弓架、输送机构（包括液压马达、输送皮带）以及CAN数据采集模块等部分组成。其中，固体颗粒预收集装置主要包括预收集箱、预收集箱压力传感器、割台测量弓架角度传感器等部分，样机见图1。

1.1.1 测量弓架设计。当前割台地面仿形有3种实现方式，即接触式机械实现方式[7]、非接触式传感器探测[8-12]及机器视觉[13]等。非接触式传感器探测直接测量割台离地高度，一般采用超声波、红外传感器、光电式开关、磁感应接近式开关、霍尔式开关等来实现，但该探测方式易受田间草秆、土块等杂物影响。机器视觉方法通过图像处理换算得到割台离地高度，主要通过摄像头采集收割机前方作物图像，自动识别作物的高度信息，以此调节割台高度，但该方法不适用于倒伏作物，测量成本高，易受灰尘影响。为此，本文采用了接触式机械实现方式，割台测量弓架结构主要由角度传感器、地面仿形板、限位挡板及复位弹簧等构成（图2）。角度传感器选择上海欧牧电子科技有限公司生产的WDD-D30-360型角度传感器，工作电压 12 VDC，输出信号 4～20 mA，IP65防护等级，完全能够满足需求。复位弹簧选择304不锈钢弹簧，线径0.8 mm，长度100 mm。

1.1.2 固体颗粒预收集装置设计。固体颗粒预收集装置主要由压力传感器、连接件、电动推杆和滑动板等部件组成（图3），其中：压力传感器选择中诺传力ZNHM-I型压力传感器，称重范围0～10 kg，工作电压5 VDC，输出信号4～20 mA；电动推杆选择日本IAI公司一体化闭环步进伺服电动缸，内置远点，限位开关，速度可调，行程可调，行程50 mm，完全可以满足设计要求。

图3 固体颗粒预收集装置结构简图

1.1.3 CAN数据采集模块选型。收获机械共有15路脉冲信号（10路转速信号，包括拨禾轮转速、割台搅龙转速、输送槽转速、辅助喂入轮转速、脱粒滚筒转速、风机转速、输粮搅龙转速、杂余搅龙转速、卸粮搅龙转速、振动筛曲轴转速等；3路损失信号，包括2路脱粒夹带损失信号和1路清选损失信号；1路对地雷达速度信号；1路清选筛振动频率信号），通过CAN高速脉冲测频模块8514F采集；13路模拟量信号（包括2路割台仿形角度信号、4路丝杠电机位移信号、1路给料箱开度信号、2路割幅宽度信号、1路拨禾轮升降位移信号、1路籽粒质量流量信号、1路籽粒含水率信号和1路粮箱状态信号），通过CAN高速脉冲测频模块8512H采集。采集到的信号通过CAN/以太网模块、交换机和RS485总线实现了现场设备与下位机、上位机信息交换。因此，选择用于高速度测频的8514F 3块、用于模拟量采集的8512H 2块，主要负责传感器信息采集与数据传输，其主要技术参数见表1和表2。

表1 8514F主要技术参数

表2 8512H主要技术参数

1.1.4 以太网模块设计。CAN转以太网模块主要完成CAN信号与RS485信号等转换。CAN转以太网模块选择的是深圳市天一广联科技有限公司生产的TC900E高能性能2路CAN-bus以太网网关，支持CAN2.0A/B，端口互转数据见图4。

图4 CAN转以太网模块端口互转数据示意图

1.2 工作原理及控制方法

1.2.1 工作原理。通过实验室标定，建立角度传感器输出电信号变化量与割台离地高度、压力传感器输出电信号变化量与预收集箱存储状态之间的数学表达式。当田间地面高度变化时，割台测量弓架角度传感器输出电信号经主控制器处理后，与预设定值进行比对，并输送至显示装置。当采集值在允许范围内时，收割机继续工作；否则，按照采集值与设定值的差分信号调节割台高度，并输送至显示装置、声光报警装置和执行机构等进行相应控制动作，以保持割台高度恒定。当检测到预收集箱内存储状态信号达到预设定值时（即75%的预收集箱），提示驾驶人员就近于田间地头卸载箱内固体颗粒物；反之，继续田间作业。

1.2.2 检测与控制步骤。①检测割台底板离地高度是否符合设定值。当检测割台底板离地高度符合设定值时，进入满载检测步骤；当检测割台底板离地高度不符合设定值时，调整割台底板离地高度，之后再进入满载检测步骤，同时启动声光报警装置。②当检测预收集箱装满时，驱动预收集箱卸载装填物，并进入卸载检测步骤；当检测预收集箱未装满时，预收集箱继续收集装填物，并返回步骤①，检测割台底板离地高度是否符合设定值。③当检测预收集箱卸载完毕时，关闭预收集箱；当检测预收集箱未卸载完毕时，驱动预收集箱卸载装填物，同时启动声光报警装置。

2 收获机械智能信息管理系统设计

收获机械智能割台信息管理系统基本结构见图5，主要由上位机、下位机和总线传输系统构成。其中，上位机由车载信息显示触摸屏（普洛菲斯12.1英寸工控机GP-4601T）和视频检测模块12.1寸高分V121XGA（V1）构成，用于完成整机运动工作部件信息监测、显示、存储、数据库与智能调控算法编写；总线传输系统主要由CAN总线、以太网和RS485等组成，用于完成上、下位机信息交互功能；下位机为西门子S7-1214C型PLC，主要完成割台工作部件参数调控。

图5 割台预收集装置作业信息监测与控制系统结构架构图

2.1 上位机软件

上位机软件采用普洛菲斯国际贸易有限公司提供的显示屏组态软件编写，主要由割台喂入、主要工作部件、作物参数、管理维护和帮助等部分组成，能够将收获机械田间作业数据存储于SD卡，方便日后大数据融合处理、控制模型建立与验证试验及故障信息特征值提取、故障判断模型建立及故障预警机制制定。登录界面主要完成用户名、登录密码和登录记录是否保持等功能，登录界面见图6，割台喂入高度设置见图7。

图6 登录界面图

图7 割台喂入高度设置

其中，割台喂入部分主要完成割台高度设定、测量弓架参数和预收集状态信息等监测；主要工作部件部分主要完成脱粒分离系统、清选系统、粮箱输粮系统、碎草装置的转速、行进速度、粮箱状态信号、导流板角度、进风口角度、鱼鳞筛开度、鱼鳞筛振动频率、籽粒损失信号、籽粒含水率、籽粒含杂率及破碎率等的监测、智能控制算法参数设定和电动；作物参数部分的主要功能是当符合收获机械田间作业标准时，根据不同作物种类、不同区域和不同环境条件，建立专家数据库，确保最佳收获效率与质量；管理维护部分主要包括收获机日常维护时间设定、主要工作部件维修时间设定和常见故障解决途径查询；帮助部分主要包括参数设定方法及步骤、登录记录密码修改步骤、监测周期设定方法和智能控制算法参数设定步骤等。

2.2 下位机软件

PLC软件主控制器采用西门子S7-1214C型PLC，运行西门子内置系统，编程软件采用西门子公司的TIA Step7 V13 SP1完成。其中，CAN呼叫、CAN接受、预收集传送带测速及预收集推杆控制程序依次见图8～11。

图8 CAN呼叫

图9 CAN接收

图10 预收集传送带测速

图11 预收集推杆控制程序

3 结论

本文设计了割台固体颗粒预收集装置，完成了田间收获固体颗粒的收集；采用了接触式机械实现方式，设计了割台测量弓架，实现了割台高度检测；以普洛菲斯12.1英寸工控机GP-4601T和视频检测模块12.1寸高分V121XGA（V1）为上位机，以西门子S7-1214C型PLC为下位机，开发了收获机械信息管理系统，实现了收获机械作业过程实时监控以及作业信息采集、显示、存储等功能。