甘蔗叶打捆机远程监测系统设计
时间：2023-03-01 21:25:05 来源：千叶帆 本文已影响人
莫德宽
(来宾市兴宾区凤凰镇农业农村综合服务中心，广西 来宾 546102)
秸秆资源被认为是继石油、煤炭和天然气之后的第四大能源，目前经过验证可以在多个生产领域替代化石燃料，减少能源消耗与碳排放[1-4]。我国是农业生产大国，农作物种类较多，秸秆资源十分丰富，由于秸秆机械化输送、打捆等水平较低，我国秸秆主要用于燃烧取暖，甚至在部分农业生产区域仍然存在秸秆田间焚烧的现象，造成了严重的环境污染[5]。
甘蔗叶可以直接还田作为有机肥，也可以经过加工制成优质畜牧饲料，但是对于甘蔗种植户来说，由于甘蔗叶打捆机械化程度较低，农户一般仅使用少量甘蔗叶用于畜禽养殖。广西省柳州市环保产业协会明确提出，希望广西省甘蔗叶实现减量化、资源化、无害化利用，相关农业生产部门希望把甘蔗叶制成沼气、用于发电、在田地里沤肥还田等，但是由于机械化程度低，人工劳动强度大，导致甘蔗叶利用率较低。因此，降低甘蔗叶收集和运输成本，是实现甘蔗叶综合利用的重要条件[6-7]。
打捆机能够实现甘蔗叶的高效收集与输送，降低人工劳动强度，提高农业生产效率。但是当前打捆机在田间连续作业时，容易出现机器堵塞和吐料等问题，尤其是在农忙时节，打捆机需要进行长时间高强度的田间作业，机器负荷较大，更容易造成零部件发生故障，当某部件出现故障后，会影响整机的正常运行，造成延误农时，严重时还会造成一定的农业经济损失。
针对以上问题，本研究对甘蔗叶打捆机远程监测系统进行研究与分析，为全面提升甘蔗叶打捆机智能化发展提供技术支撑，同时，对于全面提升打捆机工作效率具有重要意义。
远程监测系统主要是通过在相关设备上安装传感器，对设备运行状态进行检测，控制系统和数据分析库可以对设备状态信息进行分析，进而判断设备的运行状态与故障诊断等。
目前，国内外对设备远程监测技术进行了深入研究与应用。国外发达国家的设备远程监测和故障诊断技术十分成熟，已经在市场进行了广泛推广与应用。如Trimble导航公司一直致力于高精度连续运行基准站GPS设备的研制工作。新技术的应用使Trimble的设备在世界范围内广泛应用于地震-板块运动监测、沉降变形监测、精准气象观测等高精度应用领域，如Site Vision GPS技术已经广泛应用到车辆状态监控中，可以远程监控每一辆车的运行状态。美国斯坦福大学研发了开放式远程监测系统与故障诊断中心，具有诊断服务管理、维修计划管理等功能，实现故障远程诊断的高效性和经济性。
我国远程监测系统和故障诊断技术也得到了快速发展与深入研究，如我国天远公司研发的远程监测装置可以实现远程车辆控制与车辆发动机状态监测，后期逐渐发展为通过GPS和GPRS技术为主的设备远程监测与故障诊断技术，但关于远程实时监测与故障预测技术等方面研究较少。
2.1 总体结构
甘蔗叶打捆机主要由割台、输送系统、打捆室和电力输送系统组成，整体结构如图1所示[8]。
1.割台;2.喂入机构;3.驾驶室;4.底盘机构;5.发动机;6.存储仓;7.打捆成型室图1 甘蔗叶打捆机结构示意图
2.2 工作原理
在进行田间工作时，割台中的割刀进行甘蔗叶的切割，并在扶持机构的引导下将甘蔗叶导入喂入机构，甘蔗叶在成捆室内挤压、翻滚等实现甘蔗叶成捆。甘蔗叶打捆机的行走系统和传输系统动力主要由发动机提供，通过变速箱将动力合理分配至各个机构。
为了实现甘蔗叶打捆机远程监测与状态评估，并根据运行状态及时进行故障预测与诊断，需要对甘蔗叶打捆机的振动信号、输入轴扭矩、电机转速和液压系统压力组成进行设计。控制系统主要包括主控制平台、信息采集模块、数据处理和控制模块。
3.1 主控制平台
远程监测系统主控制平台主要是实现数据采集与输送等主要功能，一般采用单片机作为数据处理中心，运行稳定且成本较低，原理图如图2所示。
图2 主控制平台终端结构原理图
3.2 信息采集模块
为了实现甘蔗叶打捆机各个系统的状态监测，将不同类型的传感器安装在甘蔗叶打捆机的重要工作部位，由于部分结构距离较远，因此不适宜采用导线连接与信息传输，布线难度较大，因此采用无线通信方式实现信息采集与传输。本研究选用ZigBee短距离无线通信技术，其工作原理与信息采集节点如图3所示。
图3 ZigBee短距离无线通信系统原理图
3.3 信息输送系统
信息传输系统采用GPRS无线输送，实现甘蔗叶打捆机终端信息监测，能够实现信息远距离输送，可以将甘蔗叶打捆机工作过程中各个系统的运行状态进行储存与输送，客户终端还可以通过向服务中心提出数据申请，随时调用历史数据。
3.4 人机交互界面设计
为了实现甘蔗叶打捆机远程监测，对主界面进行设计，主要包括账户登录、数据管理、导航定位、故障诊断和历史数据共5个模块如图4所示。
图4 人机交互界面主要功能模块
4.1 结论
本研究基于目前国内外打捆机远程监测与容错控制技术，对甘蔗叶打捆机故障诊断和自适应控制等技术研发了甘蔗叶打捆机状态监测系统，选择嵌入式PLC作为控制终端和自适应控制中心，集成故障诊断、故障预测和数据处理等多种功能模块。通过田间验证表明，该系统能够正常运行，满足田间远程控制的需求，并且可以适应较为复杂的工作环境。研究结果对于全面提升农机装备的智能化水平提供技术参考与理论借鉴。
4.2 展望
虽然本研究对甘蔗叶打捆机远程监控系统和容错控制技术进行优化设计，取得了一定的进展，但是仍然存在一些问题有待进一步深入研究。
1)由于甘蔗叶输送机构故障类型较多，部分故障影响较大，部分故障对整机运行影响较小，导致本研究提出的故障知识库尚不完善，部分故障难以实现在线监测与远程诊断，因此需要进一步积累故障类型与相关经验，便于对甘蔗叶打捆机进行有效监测与故障诊断。
2)本研究提出的远程监控系统如果要进行田间实际应用与发展，需要进一步完成监测系统数据库的建立，并针对不同的故障类型对系统进一步改善。
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