基于远程监测技术的甘蔗联合收割机智能化系统设计

2016-08-27章霞东曾伯胜广西农机研究院530007

广西农业机械化 2016年3期

◎章霞东曾伯胜（广西农机研究院530007）

◎章霞东曾伯胜
（广西农机研究院530007）

蔗糖业是广西经济建设的优势产业，蔗糖总产量约占全国总产量2/3的重要地位。本文阐述了目前广西区域应用的大中型甘蔗联合收割机技术性、可靠性，分析了作业时效低、操作繁冗复杂、智能化程度不高等问题，影响了甘蔗收割机作用的发挥。提出了一种基于远程监测技术的甘蔗收割机智能化电气系统的设计，从而提高工作时效，降低机手劳动强度。

甘蔗联合收割机；远程监测；数据传输；故障预警；智能化；系统设计

0　前言

广西是我国主要产糖区，甘蔗种植面积100万hm2左右，蔗糖总产量约占全国产量的60%，蔗糖产业规模连续20年居全国首位。但我区甘蔗生产机械化程度低，特别是甘蔗种植和砍收两大环节，仍主要依靠人力、畜力作业，劳动强度大，用工成本高，导致甘蔗种植面积逐年减少。因此，提高我区甘蔗生产全程机械化程度来实现劳动替代，降低日益增长的劳动成本，是增加蔗糖产业效益的关键所在。

在国家和地方政府对甘蔗生产全程机械化的高度重视和大力支持下，加大生产薄弱环节机械化推进力度，取得了良好成效，甘蔗收割机已逐步开始在广西应用。主要机型有进口case和john deer，国产机型有广西农机院研制的4GZQ-180，4GZQ-260型，汉森4GQ-350等。但无论是进口还是国产收割机，因作业环境恶劣，仍存在作业效率不高、性能发挥不稳定、可靠性差等问题。尤其是机收环节，因榨季时间短，加上糖厂对原料蔗采用发票排队的方式，如果机收过程中出现收割机故障停收，对种植户抢收甘蔗会产生较大影响。例如，2016年初，广西某农业合作社承包了位于贵港甘化糖业蔗区133.33hm2多原料蔗基地的甘蔗机收任务，由于作业过程中3台进口收割机相继出现故障，而厂家维修人员不能及时到现场抢修，极大影响了收获进度。此外，甘蔗收割机还存在操作繁冗复杂，智能化程度低下的问题，操控收割机进行收割工作的机手，需要经过上岗培训，专业化程度要高。如果操作收割机不熟练，切割甘蔗时刀盘控制不好，就会导致甘蔗破头率高，根茬高低不平，甘蔗损失率高。

针对以上存在问题，笔者提出了基于远程监测的甘蔗收割机智能化电气系统的优化设计方案，其中远程监测用于业主实时监控收割机位置信息、工作进度与强度、收割机自身工作状况，如燃油状况、收割速度、故障情况等；而收割机生产厂家除能读取以上信息外，还可以远程读取传感器数据，从而分析收割机作业状况，甚至远程更新控制程序，并与机手远程交流信息等。

一、系统组成

基于远程监测的甘蔗收割机智能化电气系统，由数据采集模块、执行驱动模块、操控显示模块、远程传输模块及PLC集中管理平台、远程监测平台六大部分构成，其构成拓扑图如图1：

图1　系统拓扑图

二、收割机电控系统设计

为监视收割机工作中的状态，其各参数传感器必不可少。传感器包括各辊组及刀盘的转速传感器，用于监控收割时砍切及输送的转速；油缸伸缩的位移传感器，以及超声波传感器，用于监控刀盘的高低、垅型的变化、切割的深度等；用于监控液压系统的压力传感器、油温传感器、液压油位传感器等。车身平衡陀悬仪，用于监控收割机的倾斜状态，以及角位移传感器，用于测量转向角度，辅助转向及驱动轮防滑等。还包括行走速度传感器以及发动机自身can总线发出的水温、机油压力、燃油油位、工作转速传感器信号。

图2　传感器读取PLC梯形图

将各传感器信号经变送器转换成标准的4-20mA电流信号后接入可编程逻辑控制器AD模块CH0-CH7通道，采用周期扫描方式，如图2，读取传感器数据存放至DT0-DT7，则可根据传感器的量程对DT0-DT7进行标定后供PLC系统调用，并将部分数据推送至HMI显示或GPRS模块传输。

农机采用的电喷发动机基本上都采用CAN-bus总线，PLC读取发动机水温、油压、转速及故障信号时需连接CAN-bus转换器转换为RS485或RS232串行通信信号。

结合传感器实时数据及发动机数据，PLC执行逻辑处理程序，其流程如图3所示。

本系统中，优化处理程序需要结合安装机型在大量试验中总结的经验处理，例如，收割机行进速度与负荷的关系，刀盘与液压系统压力、垄行高低测量数据的关系，均需进行大量试验后总结出对应的数学函数关系，结合PLC的PID调节，编写对应的程式，使收割机能辅助机手进行自动纠正，优化。

故障预警则是在工作中对实时传感器数据的不正常进行分析判断，通过本机HMI显示以提示机手规避故障或停机处理，同时将数据发送至GPRS模块并记录于存储器中，便于维修参考。常见故障如：辊组停转或转速过低、液压油温高液位低、发动机水温高、燃油警告、机身倾斜大于安全值等。根据不同的报警情况，分别做出预警、减速、甚至停机等处理。

图3　PLC流程图

三、无线传输数据设计

GPRS模块通过RS485串口通信接口与PLC进行通信，GPRS模块支持全网2G/3G/4G的联网解决方案，目前无线通信模块大都采用用户租赁一台具有公网IP的服务器，GPRS模块的目的IP必须设置为服务器的IP，对于具有公网IP服务器的用户，GPRS模块的连接使用将非常方便，如果没有公网服务器，则必须在路由器上设置“端口映射”和“动态域名”，才能将GPRS模块的数据发送给服务器，但“端口映射”对于普通用户可能专业性强，设置麻烦，“动态域名”免费的方案可能存在稳定性、实时性问题，而且部分运营商可能无法进行“端口映射”的设置，所以，为节约成本，简化配置，本系统采用P2P通讯方式。

P2P方式无需构建服务器也可以随时随地采集PLC中的数据。P2P技术和3G/4G无线技术相结合实现了一种创新的监控方式，它具有如下的特点：1.使用方便，只需要添加IMEI号即可使用操作，无需端口映射等专业的操作；2.无需额外投入，无需租赁公网服务器；3.支持虚拟串口，无需修改用户端PLC软件，就如同本地串口通信一样；4.由于无需通过服务器中转，而是直接P2P通信，缩短了数据通信的时间，提高了通信实时性，减轻了中心服务器的负担。

本系统中，设置其中的一台计算机为P2P服务器，并安装GPRS模块客户端驱动软件，配置好虚拟端口，则虚拟端口即可和远程GPRS模块连接的PLC进行连接，将原计算机通过数据线连接PLC传输及读取程序的方式，变为计算机通过基于3G/4G无线网络的方式。厂家即可使用编程软件对PLC进行程序的修改及更新。通过访问PLC存储器内容，业主或厂家均可对传感器数据、工作时效等所有参数进行读取。为了使存储器数据能翻译成非专业人员能读懂的参数，P2P服务器客户端软件需对读取的数据进行转换处理，业主亦可通过手机访问P2P服务器来了解收割机工作状况。其中基于安卓客户端监测系统的截图如图4所示。