基于PLC 技術(shù)的聯(lián)合收割機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計研究

任軍曉

（甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741000）

1 PLC 技術(shù)在電氣控制系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用價值

目前，自動化技術(shù)在越來越多的領(lǐng)域被應(yīng)用和推廣，相關(guān)核心技術(shù)不斷優(yōu)化更新，電氣工程及其自動化控制水平有了很大的提高。采用PLC 技術(shù)在當(dāng)前電器自動控制中具有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢，是當(dāng)前機(jī)電自動控制中的主要技術(shù)之一，從應(yīng)用技術(shù)優(yōu)勢來看，主要包括以下幾個方面。

（1）PLC 技術(shù)的特點是具有一定的可靠性。利用該技術(shù)可以有效管理相關(guān)干擾因素，相比其他產(chǎn)品和技術(shù)，PLC 技術(shù)本身更加可靠，在復(fù)雜環(huán)境下使用時可以減少對環(huán)境的影響。

（2）技術(shù)加工效率大幅提高。借助PLC 技術(shù)，可以幫助電氣設(shè)備實現(xiàn)自動化，消除接線部分，提高整個控制系統(tǒng)的速度和效率。

（3）它還減少了系統(tǒng)崩潰。應(yīng)用PLC 技術(shù)在相關(guān)電氣設(shè)備故障診斷中的效果也十分突出。其故障診斷的基本原理是通過隔離PLC 系統(tǒng)的輸入來采集接收系統(tǒng)或設(shè)備的故障信號。當(dāng)你觸摸它時，它工作得很好。根據(jù)這種管理方法，系統(tǒng)采用的主要中斷處理方式包括間隔定時器、輸入端子、高速計算機(jī)等，實現(xiàn)系統(tǒng)中斷的有效運行，有效提高系統(tǒng)的工作效率。這種故障診斷技術(shù)主要是在不影響主系統(tǒng)正常使用的情況下停止故障系統(tǒng)，保證系統(tǒng)的安全，及時發(fā)現(xiàn)并解決故障，可以有效保證故障系統(tǒng)的安全。整個設(shè)備系統(tǒng)的損失和設(shè)備的改進(jìn)。利用PLC 技術(shù)可以減少相關(guān)電氣設(shè)備自動控制中的系統(tǒng)故障問題。如果系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)故障，系統(tǒng)可以在短時間內(nèi)做出準(zhǔn)確的診斷。PLC 技術(shù)本身具有故障檢測功能，通過編程軟件獲取相關(guān)信息，分析故障部位和原因，并提供故障排除方案。

2 聯(lián)合收割機(jī)電氣控制原理

2.1 聯(lián)合收割機(jī)工作原理

聯(lián)合收割機(jī)是一種通用收割機(jī)，通過切割、脫粒、分離、儲存和清除碎片，將相對干凈的谷物運輸?shù)窖b載機(jī)。目前，市場上收割機(jī)的類型較多，根據(jù)具體應(yīng)用領(lǐng)域、種植設(shè)備和工作特點，主要有自走式輪式履帶式履帶機(jī)、自走式履帶式履帶式履帶機(jī)和自走式半自走式履帶式履帶機(jī)。規(guī)則與供料器和棒的類型等有關(guān)，這些不同類型的組合的操作是相對標(biāo)準(zhǔn)化的。作業(yè)時，聯(lián)合收割機(jī)可沿收割線移動，機(jī)前的青貯收割機(jī)將谷物秸稈割斷，谷物由脫粒機(jī)輸送至料斗，完成整個收割過程。另外，聯(lián)合收割機(jī)的動力分配是根據(jù)液壓舉升系統(tǒng)完成的，當(dāng)駕駛員將割草機(jī)舉升到一定高度時，三角帶立即停止工作，此時，動力不會進(jìn)入聯(lián)合收割機(jī)。柴油機(jī)、軸和輸送機(jī)也停止，處于工作狀態(tài)，此時收割機(jī)不工作，而是旋轉(zhuǎn)。聯(lián)合收割機(jī)主要組成部分包括收獲平臺、運輸裝置、脫粒機(jī)、料倉、驅(qū)動系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、卸糧系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等。

2.2 聯(lián)合收割機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計

就聯(lián)合收割機(jī)液壓系統(tǒng)作業(yè)特征來看，這一機(jī)械設(shè)備是多執(zhí)行器共同協(xié)作的一體化機(jī)械平臺，相應(yīng)執(zhí)行器數(shù)量多、類型多樣、作業(yè)要求差別大。

在對聯(lián)合收割機(jī)液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，考慮到這類液壓系統(tǒng)包含收割、位置調(diào)整以及行走驅(qū)動三種類型，不同類型的系統(tǒng)運行模式有一定差異。聯(lián)合收割機(jī)的收獲系統(tǒng)用于收獲農(nóng)作物，并進(jìn)行切割、破碎、切割頭、初次喂料和二次喂料等作業(yè)。位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)聯(lián)合收割機(jī)相關(guān)機(jī)構(gòu)的位置，行走驅(qū)動系統(tǒng)可以為聯(lián)合收割機(jī)的前進(jìn)、后退和旋轉(zhuǎn)作業(yè)提供運動支撐。

在聯(lián)合收割機(jī)液壓系統(tǒng)的多維度設(shè)計中，考慮到聯(lián)合收割機(jī)功能的多樣性和多種傳動機(jī)構(gòu)，運動、壓力、速度、行程等都是重要的組成部分，其要求存在顯著差異。在設(shè)計液壓系統(tǒng)時，必須考慮整個系統(tǒng)的效率、有效性和集成性。選擇集中控制方式，設(shè)計聯(lián)合收割機(jī)液壓系統(tǒng)，改進(jìn)聯(lián)合收割機(jī)單一傳動的控制，提高控制效率。

集中控制的液壓系統(tǒng)使用單一液壓泵源向系統(tǒng)中的多個油缸供油。負(fù)載傳感技術(shù)被認(rèn)為可以協(xié)調(diào)多齒輪運動的設(shè)計，同時考慮到諸如位移、壓力、速度和適當(dāng)齒輪的形成等參數(shù)的差異。這里，負(fù)載敏感系統(tǒng)可分為固定泵負(fù)載敏感系統(tǒng)和變量泵負(fù)載敏感系統(tǒng)，其中固定泵負(fù)載敏感系統(tǒng)利用與負(fù)載相關(guān)的反饋信號來控制系統(tǒng)的運行和卸載，而固定泵負(fù)載敏感系統(tǒng)則采用負(fù)載敏感系統(tǒng)。使用與負(fù)載相關(guān)的反饋信號是與負(fù)載相關(guān)的反饋信號，用于控制系統(tǒng)操作和排放，變量泵主要利用負(fù)載，泵信號變量反饋。泵負(fù)載容積靈敏度圖一般是為了保證所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)能提供最大轉(zhuǎn)速，而容積泵的排量值是根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大流量來設(shè)定的，這樣就會造成溢流損失的問題，難以對溢流損失產(chǎn)生很大的影響。對整個系統(tǒng)性能的影響，泵變負(fù)載測量系統(tǒng)通過靈敏的多路閥反映壓力，并根據(jù)需求控制泵的運動，防止因溢流而加熱，總體節(jié)約能源效益突出。經(jīng)過充分的對比分析，應(yīng)考慮液壓剪板機(jī)的電氣控制系統(tǒng)。

2.3 液壓式聯(lián)合收割機(jī)電氣系統(tǒng)整體設(shè)計

基于PLC 技術(shù)設(shè)計聯(lián)合收割機(jī)電氣系統(tǒng)整體控制架構(gòu)，選擇西門子主控制器，這一控制器是輸送、脫粒、卸糧、行走、傳動以及液壓裝置的控制核心模塊。結(jié)合聯(lián)合收割機(jī)電氣系統(tǒng)整體控制方案以及液壓系統(tǒng)特征，設(shè)計聯(lián)合收割機(jī)集中式電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)輸入信息包含了開關(guān)鍵、控制手柄、各種傳感器、人機(jī)交互界面等，相關(guān)信息全部能夠被PLC 控制器采集，在融合計算后，可以對整體收割機(jī)電氣系統(tǒng)進(jìn)行控制。

3 基于PLC 技術(shù)的聯(lián)合收割機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 行走驅(qū)動電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

基于聯(lián)合收割機(jī)電氣系統(tǒng)整體控制方案以及液壓系統(tǒng)特征，設(shè)計集中式電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在對聯(lián)合收割機(jī)的行走驅(qū)動裝置設(shè)計中，設(shè)計雙邊履帶驅(qū)動模式，通過雙泵-雙馬達(dá)獨立控制，對雙泵-雙馬達(dá)電機(jī)的控制對于轉(zhuǎn)速、過載能力以及效率要求比較大。如圖1 所示，為聯(lián)合收割機(jī)集中式電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖1 聯(lián)合收割機(jī)集中式電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在行走電機(jī)保護(hù)設(shè)計不當(dāng)?shù)那闆r下，如果行走電機(jī)因路面打滑、制動問題或其他異常情況而過載，就會導(dǎo)致電機(jī)過載過熱，相應(yīng)的控制系統(tǒng)會長時間設(shè)定溫度時間。120℃以下，短期控制在150℃以內(nèi)。當(dāng)系統(tǒng)超過此溫度時，系統(tǒng)將發(fā)出過熱報警，系統(tǒng)自動報警并停止工作。對于其他情況，如發(fā)動機(jī)故障、停電等，系統(tǒng)會自動報警，并將報警信息及時發(fā)送至控制系統(tǒng)，并在中央屏幕上顯示報警信息，以便管理工作人員及時發(fā)現(xiàn)并處理。

3.2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

（1）系統(tǒng)硬件設(shè)計和布局。此次設(shè)計的聯(lián)合收割機(jī)電氣控制系統(tǒng)中的PLC 硬件設(shè)計中，考慮到聯(lián)合收割機(jī)電氣控制系統(tǒng)控制對象很多，主要有收割、位置調(diào)整、行走驅(qū)動、照明以及信號燈等多個子系統(tǒng)輸入輸出設(shè)備，在選擇PLC 中，需要確保留有一定余量。此次設(shè)計選擇西門子的主控制器，這類硬件設(shè)備可以滿足聯(lián)合收割機(jī)的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計需要。具體需要的硬件及數(shù)量如表1 所示。

表1 聯(lián)合收割機(jī)電氣控制系統(tǒng)I/O 情況

此外，聯(lián)合收割機(jī)數(shù)控電氣系統(tǒng)的正常、安全運行在一定程度上取決于數(shù)控聯(lián)合收割機(jī)電氣線路的科學(xué)合理性和電氣元件的正確安裝。因此，有必要考慮影響聯(lián)合收割機(jī)電氣數(shù)控系統(tǒng)的所有不利因素，以確保聯(lián)合收割機(jī)電氣數(shù)控系統(tǒng)的安全、均勻運行。根據(jù)我國工業(yè)生產(chǎn)單位使用數(shù)控組合機(jī)的經(jīng)驗和總結(jié)，在組合機(jī)的接線圖和安裝工程中必須做到以下幾點：

①選擇聯(lián)合收割機(jī)電氣線路位置時，應(yīng)考慮到電氣線路和設(shè)備應(yīng)盡可能滿足人員日常維護(hù)和檢查的要求。電氣柜應(yīng)避免因電氣柜過低或過高的現(xiàn)象而造成危險情況，給電氣元件的檢查和維護(hù)帶來麻煩。另外，在電氣柜的鋪設(shè)和安裝時，盡量避免潮濕、陰暗的地方，防止電氣柜內(nèi)的電氣元件因長期潮濕的環(huán)境而受潮、生銹。②合理控制安裝電氣元件之間的距離。在放置和安裝電氣設(shè)備時，如果待安裝的設(shè)備與裝置之間的距離太短，它們之間就會產(chǎn)生電源干擾，因此，要特別注意安裝規(guī)劃的距離，盡量分散強(qiáng)干擾源合理隔離弱電，防止強(qiáng)電干擾，并確保易損壞電器元件之間有足夠的距離。③各接口端子布局合理。電氣控制系統(tǒng)的安裝復(fù)雜多變，內(nèi)部接線口較多。如果不小心，可能會插入錯誤的端口，導(dǎo)致其他電路錯誤，并損壞硬件和組件。因此，電氣安裝及控制系統(tǒng)在安裝時應(yīng)以科學(xué)技術(shù)為指導(dǎo)，合理有序地進(jìn)行調(diào)整，接口端子的設(shè)計也應(yīng)多樣化，以便于識別、檢查和維護(hù)。另外，根據(jù)電線連接的要求，合理放置電線，避免混亂；接口端子的連接強(qiáng)度設(shè)計應(yīng)保證電路連接的強(qiáng)度，減少松動和斷裂。④電線顏色規(guī)格。由于聯(lián)合收割機(jī)內(nèi)部電路比較復(fù)雜，必須區(qū)分內(nèi)部電線的顏色，才能區(qū)分和理解。一般情況下，用黑線和紅線表示交流控制線和電源線，用藍(lán)線表示直流電源線。最好區(qū)分其他線材的顏色，確定其他線材的顏色，不建議多做改動，以免造成不必要的誤會和錯誤。

（2）系統(tǒng)軟件設(shè)計。綜合聯(lián)合收割機(jī)的集中電氣控制需求，此次系統(tǒng)設(shè)計中考慮使用DSP 軟件進(jìn)行開發(fā)設(shè)計。聯(lián)合收割機(jī)控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)是系統(tǒng)設(shè)計中不可忽視的一個環(huán)節(jié)，軟件開發(fā)設(shè)計關(guān)系到系統(tǒng)的正常運行以及各部分功能的執(zhí)行能力。代碼生成和調(diào)試是軟件開發(fā)和設(shè)計的基礎(chǔ)。編寫生成代碼的目的是編譯和匯編用C 和匯編語言混合編寫的DSP 代碼程序，以生成可執(zhí)行的DSP 代碼。調(diào)試工具是調(diào)試和運行DSP 軟件和目標(biāo)系統(tǒng)的工具，調(diào)試后即可達(dá)到設(shè)計目標(biāo)。代碼調(diào)試器CCS2 是用于標(biāo)準(zhǔn)TMS320 調(diào)試的集成開發(fā)環(huán)境。代碼調(diào)試器包括源代碼編輯、調(diào)試、代碼生成和實時分析工具，可應(yīng)用于整個設(shè)計和開發(fā)過程。根據(jù)實際情況，代碼調(diào)試器可以設(shè)置兩種不同的仿真模式，即硬件仿真模式和軟件仿真模式。如果您有模擬器和目標(biāo)辦公室，則可以啟用硬件模擬模式，CCS2 代碼調(diào)試器會監(jiān)視程序的性能并進(jìn)行實時監(jiān)控。DSP 系統(tǒng)與上位機(jī)之間信息通信的實現(xiàn)利用了JTAG 接口，可以在不干擾信息及時傳遞的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

DSP 軟件系統(tǒng)設(shè)計由CCS2 代碼調(diào)試器完成，完成的軟件系統(tǒng)可以使用CCS2 的集成工具進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試和優(yōu)化。系統(tǒng)的軟件設(shè)計非常復(fù)雜且多變，未來還應(yīng)考慮系統(tǒng)的改進(jìn)和改造，因此，在設(shè)計聯(lián)合收割機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的軟件開發(fā)時，可以采用模塊化的思路?？梢圆捎脛澐指鱾€模塊的方式，實現(xiàn)模塊之間的集成，當(dāng)某些模塊出現(xiàn)問題時，相互連接又獨立，保證其他模塊的功能不受影響。

4 結(jié)語

在電氣工程及其自動化控制中，由于PLC 技術(shù)具有諸多的技術(shù)特點和優(yōu)勢，PLC 技術(shù)在自動化控制的很多方面得到了有效的應(yīng)用，它可以幫助提高自動化生產(chǎn)的效率，有效改善系統(tǒng)運行自動化控制水平、發(fā)揮電氣設(shè)備的積極作用，提供有效的技術(shù)支持，給企業(yè)帶來更多的經(jīng)濟(jì)價值。因此，企業(yè)應(yīng)合理選擇PLC 技術(shù)，根據(jù)企業(yè)的實際需求形成合適的管理體系，加大技術(shù)攻關(guān)，提升電氣控制的自動化水平。