CN110803317A - 一种棉花圆模成型控制与状态采集方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种棉花圆模成型控制与状态采集方法，包括信号采集单元、信号调理单元、上位机控制台、通信单元、以及各控制单元与执行单元。通过上位机控制台可以实现对棉花圆模成型作业中的集棉量、棉模尺寸、棉模密实度等数据的准确采集与监控。该方法可以对棉模成型时的喂棉速度，棉花输送速度、棉模成型的密实度等工艺参数进行实时调节。用液压缸与无杆气缸提供动力完成切膜动作，切膜迅速，简化了圆捆机械上繁杂的切膜机构。本发明解决了现有圆捆成型控制系统只能机械的完成成型作业，收获过程中对工艺状态的显示以及控制低下，人机交互性差，不能根据工艺要求调节成型时的各项工艺参数问题。
Description
技术领域
本申请涉及棉花收获领域，尤其涉及圆模成型领域，解决当前圆捆自走式收获机械的人机交互性差，无法对系统执行状态以及信息进行实时采集与控制的问题。
背景技术
棉花是国家重要基础物资，是人们日常生活的保障。棉花收获的好坏也直接关系到国民经济的稳定，因此提高棉花种植与收获技术水平至关重要。目前，各类棉花种植技术日趋成熟，但棉花收获技术相对落后。棉花收获过程又分采摘、运输以及储藏三个阶段。自走式采棉机将棉花从采摘头采收以后，对棉花的处理方式有三种。第一种是将棉花直接经过气力或其他方式输送到配套的运棉设备上，这种方式必须配套运输设备，若批量用于棉花收获，不仅成本昂贵，且密集的运输设备不仅占用作业空间，也会降低收获效率。第二种处理方式是在采棉设备上配套运输箱，采摘的棉花经过气力输送机构直接输送到运输箱内，该种方式在棉箱储满以后，必须停止棉花采摘作业，将棉箱内的棉花卸到运输设备上才能继续进行采棉。因此，卸棉装箱不仅占用大量时间，而且裸露的棉团在装箱与运输时容易受潮和污染，降低收获效率，也影响收获质量。第三种方式是在采棉设备上配套棉模成型工艺，将采摘完毕的棉花经过成型装置进行成型与缠膜，可以实现棉花采摘的连续作业，同时也能提高棉花收获质量。
棉花圆模成型技术的关键是对控制系统的搭建，要求控制系统能够稳定完成棉模成型作业的同时，能够实时完成成型作业中的数据采集、状态采集等要求。同时，控制系统要力求简化人力操作，能够可靠完成人机交互。然而，现有棉花圆模成型控制系统只能机械的完成棉模成型作业，棉花收获过程中对工艺状态的显示以及控制低下，人机交互性差，不能根据工艺要求调节棉模成型时的各项参数。
发明内容
本发明通过研究棉花采摘以后对棉花成型工艺的要求，设计了一种棉花圆模成型控制与状态采集方法。
本发明通过以下技术方案来描述，显然，所描述的技术方案是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本公开提供了一种棉花圆模成型控制与状态采集方法，该方法可以实现棉花采收以后的喂棉、棉花输送、棉模成型、棉包裹膜、以及棉模出仓等一系列动作。
本公开提供了一种棉花圆模成型控制与状态采集方法，该方法包括棉花圆模成型中央控制器、上位机控制台、通信单元、喂棉控制单元、棉花输送控制单元、棉模成型控制单元、送膜与切膜控制单元、信号调理单元以及出仓控制单元。所述棉花圆模成型中央控制器分别与喂棉控制单元、棉花输送控制单元、成型控制单元、送膜切膜控制单元以及出仓控制单元连接。所述上位机控制台通过通信单元与中央控制器相连接。
本公开提供了一种棉花圆模成型控制与状态采集方法，该方法可以进行棉模成型时模式选择，方便进行故障时的手动停机、手动喂棉与成型缠膜、手动出仓等动作。
本公开提供了一种棉花圆模成型控制与状态采集方法，该方法可以对棉模成型时的喂棉速度，棉花输送速度、棉模成型的密实度等工艺参数进行实时调节。
本公开提供了一种棉花圆模成型控制与状态采集方法，该方法所涉及的上位机采用C#所编写的上位机控制台窗口，通过上位机控制台窗口可以实现棉花收获过程中的人机交互。
本公开提供了一种棉花圆模成型控制与状态采集方法，该方法中的中央控制器采用STM32F407工业单片机，通过该控制器上所拥有的A/D转换模块，串口通信模块，可以可靠完成信息采集与上位机通信。本系统功耗小，操作简单，通过扩展WIFI模块、GPS定位模块等模块可有效防止棉花收获过程中的“三丝”混入，满足棉花收获时的更多要求。
本公开提供了一种棉花圆模成型控制与状态采集方法，该方法中所涉及的信号调理单元将传感器采集的模拟量调理以后传送给控制器，实现了集棉量、棉模尺寸、棉模密实度等数据的准确采集。
本公开一种棉花圆模成型控制与状态采集方法，该方法简化了圆捆机械上繁杂的切膜机构，用液压与无杆气缸即可快速完成切膜动作，切膜迅速，避免了利用刀片与刀片间的碰撞剪切完成切膜，减少了机械振动。
附图说明
图1为本发明的方框原理图。
图2为本发明的控制流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的一个实施例的具体实施方式作进一步详细描述。
如图1所示，所述棉花圆模成型控制与状态采集方法，该方法包括信号检测单元1、信号调理单元2、中央控制器3、通信单元4、上位机控制台5、喂棉控制单元6、棉花输送控制单元8、棉模成型控制单元9、送膜与切膜控制单元10、出仓控制单元11以及执行单元7。所述中央控制器3分别与喂棉控制单元6、棉花输送控制单元8、成型控制单元9、棉模成型控制单元9、送膜与切膜控制单元10连接,所述执行单元7在所述控制单元的驱动下完成机械动作。
如图1所示，所述喂棉控制单元6，该单元包括喂棉电机驱动器22，喂棉电机23，所述喂棉电机驱动器22与中央控制器3相连，当来自信号检测单元1上的棉量检测传感器13检测到棉量时，将信号发送到中央控制器3，中央控制器3得到信号后驱动喂棉电机23转动，喂棉电机23驱动喂棉辊35开始喂棉。
进一步地，所述棉量传感器13采用红外测距传感器，红外测距传感器检测集棉箱内棉花堆积的高度值，当检测值到达设定的棉量高度值时，喂棉控制单元6开始喂棉。
进一步地，当需要调节棉花喂入速度时，通过所述上位机控制台5调节喂棉电机23的脉冲数，由于所述喂棉电机23采用步进电机，其脉冲数与喂入速度的关系式为：
其中p为步进电机脉冲数，θ为步进电机步距角，t为步进电机转一圈所用时间。
由于单位时间内的脉冲数即为步进电机频率，因此调节步进电机的PWM频率即可调节喂棉电机23的脉冲数，喂棉速度PWM信号频率由中央控制器3的自动重装载寄存器ARR的值和时钟分频因子PSC的值设定，其中，PWM频率f＝72Mhz/PSC·ARR。
如图1所示，所述棉花输送控制单元8，该单元包括光耦隔离继电器模组24、棉花输送电机25、调速器26，所述棉花输送控制单元8与中央控制器3连接，当喂棉检测传感器14检测到棉花喂入时，将信号通过调理模块20调理以后送入中央控制器3，中央控制器3驱动棉花输送控制单元8动作，棉花输送控制单元8将来自喂棉辊35的棉花输送到成型机构上，棉花输送速度通过调节调速器26的PWM频率即可完成对棉花输送电机25转速的调节，从而调节棉花输送速度。所述棉花输送电机25采用三相异步电机，所述光耦继电器模组24将中央控制器3的控制信号放大以后驱动继电器吸合，从而完成对棉花输送电机25的启停控制。
进一步地，所述喂棉检测传感器14采用NPN型激光对射光敏电阻，即当棉花喂入时，堆积在棉花输送皮带8上的棉花会遮挡来自光敏电阻所发射的光源，此时表示棉花喂入，棉花输送控制单元8接受到来自中央控制器3的信号开始输送棉花。当棉花没有喂入时，输送皮带8上就不会存在棉花堆积，即表示棉花未喂入，所述棉花输送控制单元8停止。
如图1所示，所述信号调理单元2，该单元包括调理模块20，信号变送器21。所述调理模块20采用LM2596S DC-DC可调降压模块，该模块将喂棉检测传感器14所测得电压值降压以后输入到中央控制器3，所述喂棉检测传感器14检测到棉花喂入信号时，由于输出的电压值过大，无法直接输入到中央控制器3。因此，通过信号调理单元2将电压值降至中央控制器3所能接受到的最大电压即3.3V,此时表明棉花顺利喂入到输棉皮带上。当喂棉检测传感器未检测到喂入信号时，信号调理单元2输入到中央控制器3的电压值为0V，表示棉花喂入量为零。
如图1所示，所述棉模成型控制单元9，该单元包括成型电机驱动器27，成型电机28，所述成型电机28为直流调速电机，当来自信号检测单元1的棉模尺寸传感器15与棉模密度传感器41检测到棉模的尺寸与密度时，将模拟量由降压模块2上的信号变送器21处理以后输入到中央控制器3，中央控制器3将信号通过通信单元4送入上位机控制台5，通过上位机控制台5可以了解棉模成型时的密度与直径值，所述棉模尺寸检测传感器15为超声波测距传感器，所述棉模密度传感器41为拉力传感器，所述直流电机驱动模块与控制器相连，直流电机驱动执行单元7中的成型皮带张紧装置37与成型辊38完成成型。
进一步地，棉模密度ρ与棉模密度检测传感器41所测电压之间的换算关系为：
其中Xt为t时刻所测棉模密度传感器检测到的电压值,W为传感器量程，Vt为t时刻棉模体积，可有所述棉模尺寸检测传感器检测到的直径值算出。
进一步地，成型皮带张紧装置37的运动情况是垂直上下移动，将成型皮带张紧装置37竖直移动的距离(L)与棉模直径(D)的增加值近似视为线性关系，棉模尺寸检测传感器15的电压变化(U)与成型皮带张紧装置37竖直移动的距离(L)关系为:
其中，成型皮带张紧装置37在成型过程中垂直移动的距离的最大距离为Lmax，棉模尺寸检测传感器15的安装位置与成型皮带张紧装置37之间的初始距离为L0，棉模实际直径为D，棉模最大直径为Dmax，从而可以得到所测棉模尺寸D与棉模尺寸检测传感器15的电压U之间的关系为:
如图1所示，所述送膜与切膜控制单元10，该单元包括切膜液压与无杆气缸电磁阀29、30，切膜液压缸31、无杆气缸32组成，所述切膜液压电磁阀29、无杆气缸电磁阀30与所述切膜液压缸31、无杆气缸32和所述中央控制器3相连。所述膜量检测传感器41将缠膜信号送入中央控制器3进行处理，当到达缠膜所需圈数时，所述中央控制器3驱动切膜液压电磁阀29，从而使切膜液压缸31纵向移动，将所述带有刀架39的无杆气缸32送入到切膜位置，限位开关16检测到此位置，此时中央控制器3驱动无杆气缸17左右移动完成切膜。
如图1所示，所述上位机控制台5用于接收用户输入的步进电机的PWM波、调速器的频率、喂棉电机的占空比，从而实现对喂棉、棉花输送、成型速度的调节，同时上位机控制台与中央控制器通过串口进行通信，通过对上位机可以实现系统的自动与手动等多种功能。
如图1所示，所述出仓控制单元11，该单元包括仓门液压电磁阀33，仓门液压缸34，当所述棉包重量检测传感器18检测到棉包重量时表示棉包已落下，此时，出仓控制单元控制仓门液压缸34将仓门关闭，仓门状态检测传感器17检测到仓门关闭，将信息反馈到上位机控制台3，整个控制过程结束。所述棉包质量检测传感器采用压力传感器，所述仓门状态检测传感器17采用角度传感器，当角度触感器检测到仓门旋转到仓门关闭时的机械角度值，表明仓门关闭。
为使本控制系统的控制方案易于理解，下面结合附图2对本控制系统的系统流程进行进一步阐述。如图2所示，系统由电源模块12进行供电，系统上电以后，各控制单元初始化，初始化完毕，上位机控制台3检测是否由外部指令输入，外部指令主要用于检测系统工作在手动还是自动控制模式或其他模式下。当外部指令送入，信号检测单元1将信号送入中央控制器3。棉量状态检测传感器13检测棉量是否在集棉仓内堆积满，若棉量达到设定值，则开始喂棉，棉花经过输送控制单元8输送到成型机构上进行圆模成型，棉模尺寸与棉模密度传感器15、41检测棉模成型是否完成，成型完成将所测数据通过上位机控制台5显示，此时停止喂棉。送膜控制单元启动送膜，模量检测传感其检测缠膜量是否达到设定值，若达到设定值，则切膜控制单元启动切膜，切膜完成，出仓控制单元11启动将棉包卸下，当棉包重量检测传感器18检测到棉包重量时，表示棉包落下。出仓控制单元11将仓门关闭，仓门状态检测传感器17检测到仓门关闭，将状态信息显示到上位机控制台5，控制流程结束。
Claims (11)
1.一种棉花圆模成型控制与状态采集方法，其特征在于，该方法包括信号检测单元1、信号调理单元2、中央控制器3、通信单元4、上位机控制台5、喂棉控制单元6、执行单元7、棉花输送控制单元8、棉模成型控制单元9、送膜与切膜控制单元10、出仓控制单元11；所述中央控制器3分别与喂棉控制单元6、棉花输送控制单元8、棉模成型控制单元9、送膜与切膜控制单元10、出仓控制单元11连接；所述上位机控制台5通过通信单元4与中央控制器3相连接。
2.根据权利要求1所述的棉花圆模成型控制与状态采集方法，其特征在于，所述棉花圆模成型控制的上位机控制台5是采用C#编写的软件窗口，所述中央控制器3是采用ARM-CORTEX系列STM32F407系列单片机；所述上位机控制台5与所述中央控制器3通过通讯单元4连接，所述上位机控制台5用于接收输入的控制信息并传递至所述中央控制器3，以及接收所述中央控制器3处理结果并进行显示。
3.根据权利要求2所述的棉花圆模成型控制与成型状态采集方法，其特征在于，所述喂棉控制单元6包括喂棉电机23、喂棉电机驱动器22，所述喂棉控制单元6与中央控制器3连接；所述棉量检测传感器14能够可靠完成棉量状态的采集，通过在上位机控制台5上改变喂棉电机的脉冲数，即可完成对棉花喂入速度的调节；
其脉冲数与喂入速度的关系式为：
4.根据权利要求3所述的棉花圆模成型控制与状态采集方法，其特征在于，所述棉花输送控制单元8包括光耦继电器模组24、调速器26、棉花输送电机25，当所述喂棉检测传感器14检测到棉花从喂入辊35喂入到输棉皮带36上时，中央控制器3发出信号到光耦继电器模组24，从而启动棉花输送电机25进行棉花输送；
进一步地，通过上位机控制台5可以调节调速器26的脉冲信号从而控制棉花输送电机25对棉花输送速度进行调节；
进一步地，中央控制器输出电压为5V，无法直接利用普通继电器进行驱动，因此采用5V转24V光耦继电器模组24，通过中央控制器3发出信号驱动光耦继电器模组24吸合完成棉花输送电机的启动与停止。
5.根据权利要求4所述的棉花圆模成型控制与状态采集方法，其特征在于，所述棉膜成型控制单元9包括成型电机28、成型电机驱动器27，当来自信号检测单元1的棉模尺寸传感器15与棉模密度传感器41检测到棉模的尺寸与密度时，将模拟量由信号调理模块2上的信号变送器21处理以后输入到中央控制器3，中央控制器3将信号通过A/D转换模块输入到上位机控制台5，通过上位机控制台5可以了解棉模成型时的密度与直径值，所述棉模尺寸检测传感器15为超声波测距传感器，所述棉模密度传感器41为拉力传感器，所述成型电机驱动器27与中央控制器3相连，直流电机28驱动执行机构7中的成型皮带张紧装置37与成型辊38完成成型。
6.根据权利要求5所述的棉花圆模成型控制与状态采集方法，其特征在于，其信号检测单元1中棉模密度检测传感器41采用拉力检测传感器，喂棉检测传感器14采用NPN对射型光敏电阻；其中拉力检测传感器，NPN对射型光敏电阻将检测到的信号输入至信号调理单元2，由信号调理单元2进行处理后送入中央控制器3，上位机控制台5予以显示。
7.根据权利要求6所述的棉花圆模成型控制与状态采集方法，其特征在于，其信号调理单元2包括调理模块20，信号变送器21；所述调理模块20采用LM2596SDC-DC可调降压模块，该模块将喂棉检测传感器14所测得电压值降压以后输送到中央控制器3，由于喂棉检测传感器14采用的是NPN对射型光敏电阻，当所述NPN对射型光敏电阻检测到信号时，由于输出的电压值过大，无法直接输入到中央控制器3；因此，通过信号调理单元2将电压值降至中央控制器3所能接受到的最大电压即3.3V，此时表明棉花喂入；当喂棉检测传感器14未检测到喂入信号时，信号调理单元2输入到中央控制器3的电压值为0V，表示棉花未喂入；
进一步地，所述信号变送器21采用DY510信号变送器，将棉模密度检测传感器41检测到的信号经过放大后，其电压值为0-3.3V，可供中央控制器3的ADC模块直接采集；其中，棉模密度(ρ)与棉模密度检测传感器41所测电压(Xt)之间的换算关系为：
其中Xt为t时刻所测棉模密度传感器检测到的电压值,W为传感器量程，Vt为t时刻棉模体积，可由所述棉模尺寸检测传感器15检测到的直径值算出；
进一步地，成型皮带张紧装置37的运动情况是垂直上下移动，因此将成型皮带张紧装置37竖直移动的距离(L)与棉模直径(D)的增加值近似视为线性关系，棉模尺寸检测传感器15的电压变化(U)与成型皮带张紧装置37竖直移动的距离(L)关系为
成型皮带张紧装置37在成型过程中垂直移动的最大距离为Lmax，棉模尺寸检测传感器15安装位置与成型皮带张紧装置37之间的初始距离为(L0)，棉模实际直径为(D)，棉模最大直径为Dmax，从而可以得到所测棉模尺寸D与棉模尺寸检测传感器15的电压U之间的关系为:
进一步地，若需要调节棉模成型的密度，则通过调节所述成型电机28的转速；所述成型电机采用直流电机，通过控制占空比即可调节成型电机转速，其中占空比由中央控制器3的比较寄存器CCR的值决定。
8.根据权利要求7所述的棉花圆模成型控制与状态采集方法，其特征在于，所述送膜与切膜控制单元10，该单元包括切膜液压电磁阀29、无杆气缸电磁阀30、切膜液压缸31、无杆气缸32组成，所述切膜液压电磁阀29、无杆气缸电磁阀30与所述切膜液压缸31、无杆气缸32和所述中央控制器3相连，当所述中央控制器3接收到来自膜量检测传感器41的信号时，表示缠膜完成；所述膜量检测传感器41采用霍尔传感器，霍尔传感器每采集一次，相当于棉模已经缠绕一圈，缠绕到所设定的棉膜圈数后，中央控制器3进行切膜控制。
9.根据权利要求8所述的棉花圆模成型控制与状态采集方法，其特征在于，所述送膜与切膜控制单元10中的切膜部分包括切膜液压缸31、无杆气缸32、刀架39；所述中央控制器3发出信号到切膜液压电磁阀29，切膜液压电磁阀29驱动切膜液压缸31推动无杆气缸32实现纵向移动，无杆气缸32的滑座上装有刀架39，当限位开关16检测到无杆气缸32到达切膜位置时，中央控制器3将限位信号输入到无杆气缸电磁阀30，推动装有刀架39的无杆气缸32的滑座横向运动完成切膜。
10.根据权利要求9所述的棉花圆模成型控制与状态采集方法，其特征在于，所述出仓控制单元11包括仓门液压电磁阀33，仓门液压缸34，当所述棉包重量检测传感器18检测到棉包重量时，即表示棉包已落下，此时，出仓控制单元11控制仓门液压缸34将仓门关闭，仓门状态检测传感器17检测到仓门关闭，将信息反馈到上位机控制台5，整个控制过程结束。
11.根据权利要求10所述的棉花圆模成型控制与状态采集方法，其特征在于，所述上位机控制台5是由C#语言所编写的上位机控制台，该上位机控制台5与中央控制器3通过通信单元4进行通信，可以有效实现信息采集，完成控制要求；通过扩展GPS定位模块等模块可有效防止棉花收获过程中的“三丝”混入，扩展WIFI模块可以远程对控制系统进行监控与控制、满足棉花收获时的更多要求。
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- 2019-11-12 CN CN201911100358.0A patent/CN110803317B/zh not_active Expired - Fee Related
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