CN103592887A - 一种农用防霜机的全自动控制装置及方法 - Google Patents

一种农用防霜机的全自动控制装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种农用防霜机的全自动控制装置及方法，属于农业机械自动化领域。现有的农用防霜机均不能实现全自动控制，造成防霜机使用效率低，防霜效果有限。本发明利用高度传感器、角度传感器检测防霜机的运行参数，包括液压升降立柱高度、风机俯角、风机转速、云台转动范围、云台转动周期，通过采集控制终端采集高度传感器、角度传感器信号，并控制油泵、电磁阀、电动伸缩杆驱动电机、变频器、步进驱动器，从而实现液压升降立柱高度、风机俯角、风机转速、云台转动范围、云台转动周期的全自动控制。本发明能够实现农用防霜机的全自动控制，可提高防霜的效果和防霜机的使用效率，适用于对防霜机在复杂环境下的全自动控制。

Description

一种农用防霜机的全自动控制装置及方法
技术领域
本发明属于农业机械自动化和农业气象灾害抵御领域，涉及一种农用防霜机的全自动控制装置及方法。
背景技术
近年来，低温冻害天气给我国农作物带来了严重的损失。现有国内外防霜机中，立柱高度、风机转速、云台转动周期等参数，均是根据经验获得且固定不变，在出厂时已设定；有些防霜机的风机俯角可变，但为有限几个固定角度，且须人工手动调整；云台转动范围仅限一个或有限个固定角度，也需要人工手动调整。
美国专利US5244346公开了一种便携式防霜装置，可移动且安装方便，其立柱高度、风机俯角、风机转速、云台转动周期、云台转动范围均不可变。美国专利US805242公开了一种塔式防霜机，利用齿轮传动，可以实现风机在360°范围内摆动，但并不能控制其在任意角度范围内转动。专利号为201120394220.9的中国实用新型，公开了一种植物防霜机，其俯角可调，范围为20°~45°之间，但须人工手动调节，其风机摆动通过曲柄摆杆机构实现，摆动范围最大为90°，且只能在该角度范围内摆动，不能在任意角度范围内摆动。以上专利公开的防霜机均不能实现立柱高度、风机俯角、风机转速、云台转动周期、云台转动范围全自动控制。专利号为US20120093646A1的美国专利，公开了一种基于卫星和网络通讯，进行防霜机群定位和控制运行的方法，可根据气象条件和地形调整风机的流向、风速和倾角，但并未涉及防霜机结构参数的全自动控制。
发明内容
针对现有国内外防霜机不能实现全自动控制，造成防霜机使用效率低，防霜效果有限。防霜机本发明目的在于提供了一种农用防霜机的全自动控制装置及方法，以实现液压升降立柱高度、风机俯角、风机转速、云台转动范围、云台转动周期的全自动控制，且为任意可调，无需人工手动调节，能根据地形、逆温等条件调整防霜机运行参数，以提高防霜效果和防霜机使用效率。
为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种农用防霜机的全自动控制装置，包括采集控制终端(10)，其特征在于：还包括液压升降立柱(1)、高度传感器(2)、变频电机(4)、角度传感器(8)、电动伸缩杆(12)、步进电机(15)、步进驱动器(16)、电磁阀(19)、油泵(21)；
所述液压升降立柱(1)固定安装在地面上；所述高度传感器(2)固定安装在云台(3)的固定支撑盘(18)的下表面，且位置不受液压升降立柱(1)和风机叶片(9)工作时的影响；所述变频电机(4)安装在云台(3)的转动支撑盘(17)上表面，变频电机(4)的输出轴通过联轴器(5)与俯仰支撑筒(6)内的风机安装轴连接；
所述角度传感器(8)固定安装在俯仰支撑筒(6)一端的安装轴上；所述电动伸缩杆(12)顶部通过螺栓与风机支撑筒(6)尾部连接，底部与云台(3)转动支撑盘(17)上的联接组件通过螺栓连接；
所述步进电机(15)固定安装于云台(3)的固定支撑盘(18)下表面，步进电机(15)的输出轴穿过固定支撑盘(18)通孔与齿轮(13)轴连接；所述步进驱动器(16)固定安装在所述步进电机(15)上；
所述电磁阀(19)、油泵(21)为液压泵站(11)的组成部分，电磁阀(19)安装于油箱(20)表面的阀板(22)上，油泵(21)与油箱(20)连接，液压泵站(11)固定安装于地面上靠近液压升降立柱(1)的位置；所述采集控制终端(10)固定安装在液压升降立柱(1)的非升降部位，以便于人工现场操作不影响液压升降立柱(1)的正常工作；所述高度传感器(2)、角度传感器(8)均与采集控制终端(10)输入端连接，变频电机(4)的变频器、电动伸缩杆(12)的驱动电机、步进驱动器(16)，电磁阀(19)、油泵(21)均与采集控制终端(10)输出端连接。
所述云台(3)可在任意角度范围内往复转动。
一种农用防霜机的全自动控制方法，其特征在于利用所述的一种农用防霜机的全自动控制装置实现，具体包括以下步骤
第一步：在采集控制终端(10)中输入液压升降立柱高度设定值，油泵(21)启动，高度传感器(2)实时检测液压升降立柱(1)的高度，并将输出信号传送给采集控制终端(10)，采集控制终端(10)对液压升降立柱高度检测值和设定值进行比较，若液压升降立柱高度检测值小于设定值，则打开电磁阀(19)的上行油路，使液压升降立柱高度增加；若液压升降立柱高度检测值大于设定值，则打开电磁阀(19)下行油路，使液压升降立柱高度减小；当液压升降立柱高度检测值达到设定值时，则关闭电磁阀(19)的上行油路和下行油路，同时控制油泵(21)停止，使液压升降立柱保持在设定值高度；
第二步：在采集控制终端(10)中输入风机俯角                                               
Figure 2013105920693100002DEST_PATH_IMAGE002
设定值，电动伸缩杆(12)驱动电机启动，角度传感器(8)实时检测风机俯角
Figure 2013105920693100002DEST_PATH_IMAGE002A
，并将信号传给采集控制终端(10)，采集控制终端(10)对风机俯角
Figure 2013105920693100002DEST_PATH_IMAGE002AA
检测值和设定值进行比较，若风机俯角检测值小于设定值，控制电动伸缩杆(12)的驱动电机正转，使电动伸缩杆(12)伸长；若风机俯角
Figure 2013105920693100002DEST_PATH_IMAGE002AAAA
大于设定值，控制电动伸缩杆(12) 的驱动电机反转，使电动伸缩杆(12)缩短；当风机俯角
Figure 2013105920693100002DEST_PATH_IMAGE002AAAAA
达到设定值时，控制电动伸缩杆(12)驱动电机断电，风机停止在设定的俯角
Figure 2013105920693100002DEST_PATH_IMAGE002AAAAAA
位置；
第三步：在采集控制终端(10)中输入风机转速设定值，采集控制终端(10)将设定的风机转速值转换成应的频率值，控制变频电机(4)输出设定转速；
第四步：在采集控制终端(10)中输入云台转动周期设定值，采集控制终端(10)将设定的云台转动周期转换成步进电机(15)的步进脉冲频率，并将该频率的步进脉冲送给步进驱动器(16)，步进驱动器(16)根据接收到的脉冲，驱动步进电机(15)，步进电机(15)带动齿轮(13)使云台(3)以设定的转动周期转动；
第五步：在采集控制终端(10)中输入云台转动范围设定值，采集控制终端(10)将设定的云台转动范围转换为步进电机(15)的脉冲数，并将该脉冲数的脉冲送给步进驱动器(16)，驱动步进电机(15)转动，当达到设定的脉冲数时，步进驱动器(16)控制步进电机(15)反方向转动。
所述的第三步与所述的第一步、第二步、第四步和第五步为在错开的时间内实施。
本发明工作原理与过程为：根据地形、作物品种、逆温等条件，调整液压升降立柱高度、风机俯角、风机转速、云台转动范围、云台转动周期，以提高防霜效果。
利用高度传感器(2)、角度传感器(8)检测防霜机的运行参数，包括液压升降立柱高度、风机俯角
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAA
、风机转速、云台转动范围、云台转动周期，采集控制终端(10)采集传感器信号，并对电磁阀(19)、油泵(21)、变频电机(4)的变频器、电动伸缩杆(12)驱动电机、步进驱动器 (16)进行控制，从而实现液压升降立柱高度、风机俯角
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAAA
、风机转速、云台转动范围、云台转动周期的全自动控制。
控制液压升降立柱高度：利用高度传感器(2)实时检测液压升降立柱高度，采集控制终端(10)采集高度传感器(2)信号，并与设定液压升降立柱高度值进行比较，做出判断，控制油泵(21)启停、电磁阀(19)通断电。
控制风机俯角
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAAAA
：利用角度传感器(8)实时检测风机俯角
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAAAAA
，采集控制终端(10)采集角度传感器(8)信号，并与设定风机俯角
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAAAAAA
值进行比较，做出判断，控制电动伸缩杆(12)的驱动电机正反转以及通断电。
控制风机转速：采集控制终端(10)控制变频电机(8)的变频器输出频率，从而控制风机的转速。
控制云台转动周期和云台转动范围：采集控制终端(10)控制步进驱动器(16)产生一定频率和数目的脉冲，驱动步进电机(15)，使云台(3)以设定的转动范围和转动周期转动。
本发明具有的有益效果。本发明通过对液压升降立柱高度、风机俯角、风机转速、云台转动范围、云台转动周期实现全自动控制，无需人工手动调节，且为任意连续可调，提高了风机的使用效率；能根据地形、作物品种、逆温等条件调整防霜机运行参数，从而提高防霜效果，降低农作物冻害损失，提高农作物质量；风机转速不与液压升降立柱高度、风机俯角、云台转动周期、云台转动范围同时进行设定，避免了因风机转动而引起的振动和冲击。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。
图1是本发明农用防霜机的结构组成示意图；
图2是本发明农用防霜机云台部分结构示意图；
图3是液压泵站11结构组成示意图；
图4是控制系统总体框图。
图中：1 液压升降立柱，2 高度传感器，3 云台，4 变频电机，5 联轴器，6 风机支撑筒，7俯仰支撑架，8 角度传感器，9 风机叶片，10 采集控制终端，11 液压泵站，12 电动伸缩杆，13 齿轮，14 外齿转盘轴承，15 步进电机，16步进驱动器，17 转动支撑盘，18 固定支撑盘，19 电磁阀，20 油箱，21 油泵，22阀板，23 油管；风机俯角
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAAAAAAA
，为风机支撑筒6与转动支撑盘17上表面的夹角。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不构成对本发明的限制。
如图1和图2所示，将本发明系统的各部件进行连接。
本发明的系统组成和结构如图1、图2和图3所示，包括液压升降立柱1、高度传感器2、云台3、变频电机4、联轴器5、风机支撑筒6、俯仰支撑架7、角度传感器8、风机叶片9、采集控制终端10、液压泵站11、电动伸缩杆12、齿轮13、外齿转盘轴承14、步进电机15、步进驱动器16、转动支撑盘17、固定支撑盘18、电磁阀19、油箱20、油泵21、阀板22、油管23。
本发明的控制系统总体框图如图4所示，通过采集控制终端10监测高度传感器2、角度传感器8的信号，并控制电磁阀19、油泵21、变频电机4的变频器、电动伸缩杆12驱动电机、步进驱动器16，从而实现液压升降立柱高度、风机俯角、风机转速、云台转动范围、云台转动周期的全自动控制。
采集控制终端10采用西门子S7-200型PLC；高度传感器2采用拉线位移传感器，测量行程最大为10m，其拉线端固定安装在云台3的固定支撑盘18的下表面，编码器及轮毂一端固定安装在液压升降立柱1的固定部分，保持拉线与编码器部分垂直；角度传感器8选择LCA316单轴倾角传感器；变频电机4采用YVP315M-6型号的变频电机，功率为45KW，防护等级为IP55；步进电机15选择西南昆明森创的130BYG350FH-SAKRMA-0602步进电机，步进驱动器16选择型号为SH-32206的步进驱动器；油泵21选择长江泵阀公司的KCB系列齿轮泵；电磁阀19选择七洋公司的DG03-2C型三位四通电磁阀。
防霜机初始运行参数：液压升降立柱高度为6m，风机转速为550rpm，风机俯角
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAAAAAAAA
为15°，云台转动范围为360°，云台转动周期为4min。
为更好地说明本发明的方案，以山区坡地茶园和平地地形苹果园为例，现将本发明在不同条件下的工作过程做进一步介绍。
实施例1     
以山区坡地茶园为例。
茶树植株高度较小，逆温强度较弱，故采用如下方案：设置液压升降立柱高度为8m，风机转速为580rpm，风机俯角
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAAAAAAAAA
为8°，云台转动范围为90°，云台转动周期为1min。
具体实施方案：首先，在PLC中输入液压升降立柱高度设定值8m，启动油泵21，拉线位移传感器实时检测液压升降立柱1的高度，并将输出信号传送给PLC，PLC对液压升降立柱高度检测值6m和设定值8m进行比较，打开三位四通电磁阀的上行油路，使液压升降立柱高度增加。当液压升降立柱高度达到设定值8m时，控制油泵21停止、三位四通电磁阀断电，立柱停止在8m高度；然后，在PLC中输入风机俯角
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAAAAAAAAAA
设定值8°，电动伸缩杆12的驱动电机通电，LCA316单轴倾角传感器实时检测风机俯角
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAAAAAAAAAAA
，并将信号传给PLC，PLC对风机俯角
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAAAAAAAAAAAA
检测值15°和设定值8°进行比较，控制电动伸缩杆12的驱动电机反转，使电动伸缩杆12缩短，当风机俯角
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAAAAAAAAAAAAA
达到8°时，控制电动伸缩杆12的驱动电机断电，风机停止在8°俯角位置；在PLC中输入风机转速设定值580rpm，PLC将设定的风机转速值转换成应的频率值，控制变频电机4输出对应转速；再次，在PLC中输入云台转动周期设定值1min，PLC将设定的云台转动周期转换成步进电机15的步进脉冲频率，并将该频率的步进脉冲送给步进驱动器16，步进驱动器16根据接收到的脉冲，驱动步进电机15，带动齿轮13使云台3以设定的转动周期转动；最后，在PLC输入云台转动范围设定值90°，PLC将设定的云台转动范围转换为步进电机15的脉冲数，并将该脉冲数的脉冲送给步进驱动器16，驱动步进电机15转动，当达到设定的脉冲数时，步进驱动器16控制步进电机15反方向转动。
实施例2
以平地地形苹果园为例。
苹果树植株高度较大，在逆温较强的条件下，采用如下方案：设置液压升降立柱高度为12m，风机转速为450rpm，风机俯角
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAAAAAAAAAAAAAA
为20°，云台转动范围为120°，云台转动周期为2min。
具体实施方案：首先，在PLC中输入液压升降立柱高度设定值12m，启动油泵21，拉线位移传感器实时检测液压升降立柱1的高度，并将输出信号传送给PLC，PLC对液压升降立柱高度检测值6m和设定值12m进行比较，打开三位四通电磁阀的上行油路，使液压升降立柱高度增加。当液压升降立柱高度达到设定值12m时，控制油泵21停止、三位四通电磁阀断电，立柱停止在12m高度；然后，在PLC中输入风机俯角
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
设定值20°，电动伸缩杆12的驱动电机通电，LCA316单轴倾角传感器实时检测风机俯角
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
，并将信号传给PLC，PLC对风机俯角
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
检测值15°和设定值20°进行比较，控制电动伸缩杆12的驱动电机正转，使电动伸缩杆12伸长，当风机俯角
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
达到20°时，控制电动伸缩杆12的驱动电机断电，风机停止在20°俯角位置；在PLC中输入风机转速设定值450rpm，PLC将设定的风机转速值转换成应的频率值，控制变频电机4输出对应转速；再次，在PLC中输入云台转动周期设定值2min，PLC将设定的云台转动周期转换成步进电机15的步进脉冲频率，并将该频率的步进脉冲送给步进驱动器16，步进驱动器16根据接收到的脉冲，驱动步进电机15，带动齿轮13使云台3以设定的转动周期转动；最后，在PLC中输入云台转动范围设定值120°，PLC将设定的云台转动范围转换为步进电机15的脉冲数，并将该脉冲数的脉冲送给步进驱动器16，驱动步进电机15转动，当达到设定的脉冲数时，步进驱动器16控制步进电机15反方向转动。
根据以上实施方式说明的农用防霜机的全自动控制装置及方法，可实现液压升降立柱高度、风机俯角、风机转速、云台转动范围、云台转动周期的全自动控制，提高了防霜机使用效率；可以根据地形、作物品种、逆温等条件调整防霜机运行参数，提高防霜效果，降低农作物冻害损失，提高作物质量。

Claims (4)

1.一种农用防霜机的全自动控制装置，包括采集控制终端(10)，其特征在于：还包括液压升降立柱(1)、高度传感器(2)、变频电机(4)、角度传感器(8)、电动伸缩杆(12)、步进电机(15)、步进驱动器(16)、电磁阀(19)、油泵(21)；
所述液压升降立柱(1)固定安装在地面上；所述高度传感器(2)固定安装在云台(3)的固定支撑盘(18)的下表面，且位置不受液压升降立柱(1)和风机叶片(9)工作时的影响；所述变频电机(4)安装在云台(3)的转动支撑盘(17)上表面，变频电机(4)的输出轴通过联轴器(5)与俯仰支撑筒(6)内的风机安装轴连接；
所述角度传感器(8)固定安装在俯仰支撑筒(6)一端的安装轴上；所述电动伸缩杆(12)顶部通过螺栓与风机支撑筒(6)尾部连接，底部与云台(3)转动支撑盘(17)上的联接组件通过螺栓连接；
所述步进电机(15)固定安装于云台(3)的固定支撑盘(18)下表面，步进电机(15)的输出轴穿过固定支撑盘(18)通孔与齿轮(13)轴连接；所述步进驱动器(16)固定安装在所述步进电机(15)上；
所述电磁阀(19)、油泵(21)为液压泵站(11)的组成部分，电磁阀(19)安装于油箱(20)表面的阀板(22)上，油泵(21)与油箱(20)连接，液压泵站(11)固定安装于地面上靠近液压升降立柱(1)的位置；所述采集控制终端(10)固定安装在液压升降立柱(1)的非升降部位，以便于人工现场操作不影响液压升降立柱(1)的正常工作；所述高度传感器(2)、角度传感器(8)均与采集控制终端(10)输入端连接，变频电机(4)的变频器、电动伸缩杆(12)的驱动电机、步进驱动器(16)，电磁阀(19)、油泵(21)均与采集控制终端(10)输出端连接。
2. 如权利要求1所述的一种农用防霜机的全自动控制装置，其特征在于：所述云台(3)可在任意角度范围内往复转动。
3.一种农用防霜机的全自动控制方法，其特征在于利用如权利要求1所述的一种农用防霜机的全自动控制装置实现，具体包括以下步骤
第一步：在采集控制终端(10)中输入液压升降立柱高度设定值，油泵(21)启动，高度传感器(2)实时检测液压升降立柱(1)的高度，并将输出信号传送给采集控制终端(10)，采集控制终端(10)对液压升降立柱高度检测值和设定值进行比较，若液压升降立柱高度检测值小于设定值，则打开电磁阀(19)的上行油路，使液压升降立柱高度增加；若液压升降立柱高度检测值大于设定值，则打开电磁阀(19)下行油路，使液压升降立柱高度减小；当液压升降立柱高度检测值达到设定值时，则关闭电磁阀(19)的上行油路和下行油路，同时控制油泵(21)停止，使液压升降立柱保持在设定值高度；
第二步：在采集控制终端(10)中输入风机俯角                                               
Figure 2013105920693100001DEST_PATH_IMAGE002
设定值，电动伸缩杆(12)驱动电机启动，角度传感器(8)实时检测风机俯角
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
，并将信号传给采集控制终端(10)，采集控制终端(10)对风机俯角
Figure DEST_PATH_IMAGE002AA
检测值和设定值进行比较，若风机俯角
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAA
检测值小于设定值，控制电动伸缩杆(12)的驱动电机正转，使电动伸缩杆(12)伸长；若风机俯角大于设定值，控制电动伸缩杆(12) 的驱动电机反转，使电动伸缩杆(12)缩短；当风机俯角
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAA
达到设定值时，控制电动伸缩杆(12)驱动电机断电，风机停止在设定的俯角
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAA
位置；
第三步：在采集控制终端(10)中输入风机转速设定值，采集控制终端(10)将设定的风机转速值转换成应的频率值，控制变频电机(4)输出设定转速；
第四步：在采集控制终端(10)中输入云台转动周期设定值，采集控制终端(10)将设定的云台转动周期转换成步进电机(15)的步进脉冲频率，并将该频率的步进脉冲送给步进驱动器(16)，步进驱动器(16)根据接收到的脉冲，驱动步进电机(15)，步进电机(15)带动齿轮(13)使云台(3)以设定的转动周期转动；
第五步：在采集控制终端(10)中输入云台转动范围设定值，采集控制终端(10)将设定的云台转动范围转换为步进电机(15)的脉冲数，并将该脉冲数的脉冲送给步进驱动器(16)，驱动步进电机(15)转动，当达到设定的脉冲数时，步进驱动器(16)控制步进电机(15)反方向转动。
4.如权利要求3所述的一种农用防霜机的全自动控制方法，其特征在于：所述的第三步与所述的第一步、第二步、第四步和第五步为在错开的时间内实施。
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