CN111418500A - 一种刮粪机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种刮粪机控制方法，所述刮粪机包括控制器、电机、传动装置、转角轮、牵引绳和刮板，所述牵引绳绕过转角轮形成一闭合结构，在闭合结构一端的两侧各有一个限位开关，该限位开关对应该侧刮板的行程区终端，该行程区终端起朝闭合结构的端部方向延伸有缓冲区，该缓冲区的终端有一越位开关，所述限位开关和越位开关的触发信号接入控制器。控制器的控制过程通过越位开关和缓冲保护时段T_缓冲的介入，实现了对电机的保护和过冲越位的保护，使得刮粪机有序工作。本发明能够应对刮粪过程进行有效自动控制，保护系统设施，确保刮粪工作有序开展。

Description

一种刮粪机控制方法

技术领域

本发明涉及畜禽养殖技术领域，具体是一种刮粪机控制方法。

背景技术

随着我国现代畜牧业的发展，集约化规模化的生猪养殖场越来越普遍，由此产生的粪量集中而且量大，采用人工清粪，其工作量十分巨大，劳动强度高，且生产效率低下，无法满足养猪场的高效运作。

目前，自动控制的刮粪机系统已经开始推广使用，该系统置于猪圈的下层，猪的粪便从上层掉落到刮粪机系统所在的清洁层后，电机在控制器的控制下定时启动，带动牵引绳交替正转反转，从而使得刮粪板向两端运动将粪便刮向两端汇入排污道排走。上述系统的刮粪机可采用如专利文献CN 202406735 U公开的猪舍应用刮板式清粪机方案等，其能够实现机械化清粪，降低劳动强度，提高生产率。上述系统的控制方法可以采用如专利文献CN104521800 B公开的清粪机控制装置中在微控制器上设置的手动和自动两种工作模式：自动模式下，根据实际刮粪情况首先设定刮粪板的单次刮粪距离，然后乘以往返次数，计算得到每次刮粪板的行进值，微控制器计算得到的刮粪板行进距离与微控制器内设定的刮粪板行进值比较，两者相等时，微控制器发送控制信号控制三相电机正反转控制器工作，实现电机反转，带动刮粪板反向运动，实现分段式清粪；在手动模式下，操作人员通过三相电机正反转控制器控制电机正反转，实现人工操作。

由于刮粪过程中可能存在越位、卡位、负载超限、牵引绳断裂等异常情况，为保护系统设施，确保刮粪工作有序开展，需要提供一种具有告警保护机制的刮粪机控制方法。

发明内容

本发明提供一种刮粪机控制方法，其能够应对刮粪过程进行有效自动控制，保护系统设施，确保清粪工作有序开展。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为:

一种刮粪机控制方法，所述刮粪机包括控制器、电机、传动装置、转角轮、牵引绳和刮板，所述牵引绳绕过转角轮形成一闭合结构，该闭合结构的两端对应排污道设置，所述电机及传动装置设置在该闭合结构的一端，该闭合结构两侧的牵引绳上各固定有刮板，所述控制器用于控制电机正反转和启停，所述电机通过传动装置带动牵引绳从而驱动刮板运动。其在闭合结构一端的两侧各有一个限位开关，该限位开关对应该侧刮板的行程区终端，该行程区终端起朝闭合结构的端部方向延伸有缓冲区，该缓冲区的终端有一越位开关，所述限位开关和越位开关的触发信号接入控制器，控制器的控制过程包括：

步骤a、电机运行直至控制器读取到有一侧的限位开关触发产生触发信号。

步骤b、控制器通过继电器和接触器断开电机当前转向的供电线路。

步骤c、缓冲保护时段T_缓冲内，若无越位开关的触发信号产生，则控制器通过继电器和接触器接通电机相对反转的供电线路，进入步骤d；否则进入步骤f。

步骤d、两侧的刮板回程运行。

步骤e、当控制器读取到相对另一侧的限位开关的触发信号，返回步骤b。

步骤f、控制器对外输出告警信息，结束本次控制。

所述缓冲保护时段T_缓冲为预设值。本方案对刮粪机进行了有效控制，并通过越位开关和缓冲保护时段T_缓冲的介入，实现了对电机的保护和过冲越位的保护，使得刮粪机有序工作。

进一步地，所述控制器的控制过程包括按次刮粪模式，设置刮板的单程刮粪次数为N：

步骤a中电机启动时的运转方向根据变量F的值确定，限位开关触发后初始化M_n，n取0，初始值M₀＝1。

步骤c中接通电机相对反转的供电线路后，更新变量F的值以对应当前电机的转向。

步骤d中还判断当前变量M_n，若M_n等于N，则刮板回程运行复位时间T_复位后断开电机的供电线路，结束本次控制；若M_n不等于N，则刮板回程运行直至进入步骤e。

步骤e中相对另一侧的限位开关触发后，n值增1，赋值M_n＝M_n-1+1。

所述N为预设的正整数；上述M_n为变量，上述n为整数；上述复位时间T_复位为预设值；上述F的值对应电机正转、反转，其初始值为预设值。

上述刮粪模式引入了复位时间T_复位，使得本轮刮粪控制结束时，刮板不卡在缓冲区(否则下轮控制出错或直接越位)，并且在复位时间T_复位后，刮板本轮控制结束时在行程区的停留位置基本一致，可称为复位位置，这样，之后每轮刮粪的初始态均是从复位位置出发，一致性好，刮粪效果稳定，安全可靠！只要按次刮粪模式运行后有过一轮的刮粪，后续每轮的刮粪均能保证刮板从复位位置开始，并且后续每轮刮粪是N个完整的单程，不限刮板在行程区的安装位置，能够减少安装时的工作量，降低安装难度。

进一步地，所述控制器的控制过程包括按时刮粪模式，设置所需刮板连续刮粪时长为T_W，步骤a中电机启动时控制器读取当前时钟T₀；步骤d还包括：刮板回程运行开始时读取当前的时钟T_n，然后T_n与T₀相减得电机运行的时长T，判断T是否大于或等于T_W，若是，则刮板回程运行复位时间T_复位后断开电机的供电线路，结束本次控制；否则刮板回程运行直至进入步骤e。

所述刮粪时长T_W、复位时间T_复位均为预设值，上述T为变量。

在养殖场采用按计划周期每轮刮粪时长T_W时，在步骤d中引入时长控制和复位，确保每轮刮粪结束时刮板不卡位在缓冲区，刮板能复位到复位位置。

进一步地，所述电机为三相异步交流电机，所述控制器的控制过程还包括刮板位置计算：

所述步骤a中读取电机启动时的时刻t₀，在t₀至限位开关触发前内的任一时刻t_行，远离限位开关一侧的刮板与所在侧限位开关的距离S₁＝L*(t_行-t₀)/(k₁T_空载)+S_复位，靠近限位开关一侧的刮板与所在侧限位开关的距离S₂＝L-L*(t_行-t₀)/(k₁T_空载)-S_复位，并判断若S₁≥L，则令S₁＝L，S₂＝0。

所述步骤b和c中，读取步骤b的时钟t₁，在t₁至t₁+T_缓冲期间内，令S₁＝L，S₂＝0。

所述步骤d中刮板回程过程中，在t₁+T_缓冲至S₂对应侧的限位开关释放或触发前内的任一时刻t_回，令S₁＝L，S₂＝0；读取S₂对应侧的限位开关释放或触发的时刻t₂，在t₂至S₁对应侧的限位开关触发前内任一时刻t_返，S₁＝L-L*(t_返-t₂)/T_空载，S₂＝L*(t_返-t₂)/T_空载，并判断若S₁≤0，则令S₁＝0，S₂＝L。

上述L为刮板的单程行程长度；上述k₁取大于1的正比例系数(推荐值1.5)，T_空载为空载时刮板运行单程的时间；S_复位为刮板处于复位位置时距离当前侧限位开关的距离，S_复位＝L*T_复位/T_空载。

又或者，所述电机为三相异步交流电机，所述转角轮上设置有用于测转速的接近开关，该接近开关的触发信号接入所述控制器，所述控制器的控制过程还包括刮板位置计算：

所述步骤a中读取电机启动时的时刻t₀，在t₀至限位开关触发前内的任一时刻t_行，远离限位开关一侧的刮板与所在侧限位开关的距离S₁＝L*Z₁/Z_总+S_复位，靠近限位开关另一侧的刮板与所在侧限位开关的距离S₂＝L*(1-Z₁/Z_总)-S_复位，并判断若S₁≥L，则令S₁＝L，S₂＝0。

所述步骤b和c中，读取步骤b的时钟t₁，在t₁至t₁+T_缓冲期间内，令S₁＝L，S₂＝0。

所述步骤d中刮板回程过程中，在t₁+T_缓冲至S₂对应侧的限位开关释放或触发前内的任一时刻t_回，令S₁＝L，S₂＝0；读取S₂对应侧的限位开关释放或触发的时刻t₂，在t₂至S₁对应侧的限位开关触发前内任一时刻t_返，S₁＝L*(1-Z₂/Z_总)，S₂＝L*Z₂/Z_总，并判断若S₁≤0，则令S₁＝0，S₂＝L。

上述L为刮板的单程行程长度；Z_总为刮板运行单程转角轮所转动的圈数；Z₁为t₀至t_行时间段内转角轮转动的圈数；Z₂为t₂至t_返时间段内转角轮转动的圈数；S_复位为刮板处于复位位置时距离当前侧限位开关的距离，S_复位＝L*T_复位/T_空载，T_空载为空载时刮板单程运行的时间。

由于牵引绳的速度受刮粪阻力值不确定性的影响，通过速度和时间来计算刮板行程距离较为复杂，因此引入转角轮转动的转数来计算刮板的实时位置，不管实时转速r和牵引绳速度V，行进的距离直接与转角轮时间段内转过的转数关联，简化计算过程，直观准确。

进一步地，所述控制器的控制过程还包括：控制器根据所述接近开关的触发信号计算当前转角轮的转速r，计算牵引绳运动速度V，当速度V超出限定范围[L/T_行程，L/T_空载]时，控制器通过继电器和接触器断开电机当前供电线路，并对外输出告警信号。所述牵引绳的运动速度V＝2πR*r，或者V＝r*V_空载/r_空载；所述R为转角轮半径，V_空载为空载状态刮板在行程区间内运行的速度，r_空载为空载状态刮板在行程区间内运行时转角轮的转速。

在牵引绳断裂、过载、转角轮明显打滑时，通过转速r与牵引绳的运动速度V实时超限告警，及时介入排除故障。

进一步地，所述转角轮至少有两个设置有接近开关，所述控制器的控制过程还包括：当转角轮之间的转速比超出限定范围时，控制器通过继电器和接触器断开电机当前供电线路，并对外输出告警信号，实现了进一步监测转角轮是否打滑。

进一步地，所述刮粪机设置有用于检测电机工作电流的电流感应器，该电流感应器的检测信号接入所述控制器，控制器的控制过程还包括：当电机的工作电流超出限定范围时，控制器通过继电器和接触器断开电机当前供电线路，并对外输出告警信号，避免电机过载影响使用寿命，拖延养殖场的正常生产进度。

进一步地，所述控制器的控制过程还包括：所述控制器在限定的行程时间T_行程内未能读取到限位开关的触发信号时，控制器通过继电器和接触器断开电机当前供电线路，并对外输出告警信号；所述T_行程＝k₁*T_空载，k₁取大于1的比例系数，T_空载为空载时刮板单程运行的时间。超时告警对可能出现的牵引绳与转角轮打滑、限位开关故障、牵引绳断裂、刮板运行过慢等异常情况及时告警和断电保护。

进一步地，刮粪机还包括变频器，所述电机为三相异步交流电机，所述控制器的控制过程还包括通过变频器调节电机的功率。尤其是刮粪阻力较小或者空载时的速度调节，能产生明显的节能效果。

本发明提供了一种刮粪机控制方法，尤其适用于养猪场，其对刮粪过程中可能存在负载超限、牵引绳断裂、卡位、越位等异常情况及时采取保护机制和告警措施，保护了系统硬件设施，确保刮粪工作有序开展，提高了养殖场的自动化养殖水平。

附图说明

图1为本发明刮粪机的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明公开的一种刮粪机控制方法，其基于刮粪机实施，所述刮粪机包括控制器、电机、传动装置、转角轮、牵引绳和刮板，所述牵引绳绕过转角轮形成一闭合结构，该闭合结构的两端对应排污道设置，所述电机及传动装置设置在该闭合结构的一端，该闭合结构两侧的牵引绳上各固定有刮板，所述控制器用于控制电机正反转和启停，所述电机通过传动装置带动牵引绳从而驱动刮板运动，在闭合结构一端的两侧各有一个限位开关，该限位开关对应该侧刮板的行程区终端，该行程区终端起朝闭合结构的端部方向延伸有缓冲区，该缓冲区的终端有一越位开关，所述限位开关和越位开关的触发信号接入控制器。

如图1所示的一种具体安装结构，采用了四个转角轮31～34和牵引绳4形成一矩形的闭合结构，闭合结构左右两端为排污道(图未示)，电机1设置在右端，由于电机1通常转速较高，通过如齿轮箱一类的传动装置2进行减速，在闭合结构靠近右端转角轮31、32的两侧分别各设一个限位开关61、62，在限位开关61与转角轮31之间设一个越位开关71，在限位开关62与转角轮32之间设一个越位开关72，两侧的限位开关和越位开关对称设置。限位开关和越位开关根据刮粪区域、排污道、转角轮等现场条件安装，以防止刮板过冲撞到转角轮的情况。限位开关61、62左边的一段区域为两刮板51、52刮粪的行程区，在刮板运行到行程区的两端时能够将粪便刮到排污道中去，限位开关61、62为电机1转动方向变换的触发点，两刮板51、52往复运动，使得一侧的刮板运行到闭合结构一端的行程端部时，另一侧的刮板运行到闭合结构另一端的行程端部。考虑到惯性以及可能出现的电机1过冲，因此将限位开关61与越位开关71之间的区域以及限位开关62与越位开关72之间的区域，设为两侧可容忍的缓冲区；若越位触发到两侧的越位开关，则视为刮板越位超出安全区域，可能会冲撞到转角轮等硬件设施。

为有效刮粪和保护各硬件设施，本方案的控制器的控制过程包括：

步骤a、电机运行直至控制器读取到有一侧的限位开关触发产生触发信号；

步骤b、控制器通过继电器和接触器断开电机当前转向的供电线路；

步骤c、缓冲保护时段T_缓冲内，若无越位开关的触发信号产生，则控制器通过继电器和接触器接通电机相对反转的供电线路，进入步骤d；否则进入步骤f；

步骤d、两侧的刮板回程运行；

步骤e、当控制器读取到相对另一侧的限位开关的触发信号，返回步骤b；

步骤f、控制器对外输出告警信息，结束本次控制。

所述缓冲保护时段T_缓冲为预设值，可以在控制程序代码中事先设定，也可以在调试和使用过程中，根据现场经验反馈再输入设置。上述控制过程在没有中断情况和其他结束条件下，是一个连续不间断的控制，可增加结束条件、结束指令等方式结束，这里先不作具体设定。由于实际养殖场设计时，出于对空间场地的考虑和经验值的总结，缓冲区较短，安装时两刮板51、52均设在行程区内。电机1启动后开始步骤a，例如刮板51由图1所示位置向右运行，运行到行程区结束触发限位开关61，电机1掉电，结束步骤b的控制进入步骤c，缓冲保护时段T_缓冲是考虑到电机1的换向保护，可按经验值设为5～10秒，在这缓冲保护时段内，足够两刮板51、52停止下来，对这个时段情况进行判断，若刮板51没有触发越位开关71(正常情况下，此时另一侧越位开关72不存在触发可能)，则运行正常，电机1换向，进入步骤d回程，刮板51向左运行、刮板52向右运行，直到刮板52触发限位开关62进入步骤e，开始对另一侧的刮板52进行同样的控制策略。而在缓冲保护时段内，若有越位开关触发，则判定过冲越位，跳转至步骤f告警，结束控制，等待人工排除故障并将刮板恢复到行程区开启下一轮的控制。一侧和另一侧的规定是相对的，可解释为本次限位触发的一侧是A侧，此时另一侧就是B侧；那么在接着下一次B侧限位触发时，B侧就作为当前的一侧，而另一侧就是指A侧；如此交替变换，确保控制器轮流读取两侧的限位触发信号。电机1的正反转向同理也是相对的，换向后相对换向前即为反转。

步骤a中电机1的转动方向和两刮板51、52在行程区的具体位置可以作固定设置，控制过程同上，不再赘述。同时为现场操作方便，相对于上述自动控制方法，可以设置手动控制方法，设置控制按键正转、反转、启动、停止等；也可以设置半自动控制方法，设置控制按键启动和停止，对上述自动控制过程有一个手动的停止和启动。上述手动、半自动控制方法采用现有技术以及结合本方案的控制方法可以实现，这里不再展开分析。

本方案对刮粪机进行了有效控制，并通过越位开关71、72和缓冲保护时段T_缓冲的介入，实现了过冲越位和电机1的保护，使得刮粪机有序工作。

实际生产中，养殖场较多的采用了按计划周期来回刮一个回程的具体实施方案。但考虑到运用环境的差异性和要求的多样性，以刮板的一个单程刮粪为单位，对控制器设置刮粪模式——按次刮粪模式，按计划周期进行一轮刮粪，每轮刮板的单程刮粪次数为N，N可以是由工作人员输入设定的正整数，当缺省时可以设默认值N＝2，即每轮进行一个回程的刮粪。

在刮粪机自动、半自动控制模式下，所述控制器采用按次刮粪模式时，那么上述控制步骤a～f相应增加控制逻辑如下：

步骤a中电机启动时的运转方向根据变量F的值确定，限位开关触发后初始化M_n，n取0，初始值M₀＝1；

步骤c中接通电机相对反转的供电线路后，更新变量F的值以对应当前电机的转向；

步骤d中还判断当前变量M_n，若M_n等于N，则刮板回程运行复位时间T_复位后断开电机的供电线路，结束本次控制；若M_n不等于N，则刮板回程运行直至进入步骤e；

步骤e中相对另一侧的限位开关触发后，n值增1，赋值M_n＝M_n-1+1；

所述N为预设的正整数；上述M_n为变量，上述n为整数；上述复位时间T_复位为预设值；上述F的值对应电机正转、反转，其初始值为预设值。

限位开关被触发后，由于限位开关的结构、与刮板的接触面积以及过冲、惯性等实际条件影响，刮板从触发限位开关开始到刮板停止，该限位开关可能一直处于触发状态，也可能在刮板停止时已经得到了释放，由此，在回程中该限位开关是否触发过不再计入限位触发的次数中。因此，上述引入的变量M_n，用于记录刮板从行程区运行至缓冲区限位开关触发的次数，M_n的值代表刮板完成单程刮粪的次数，这样的计数更为准确。步骤a中必有一侧的限位开关会触发，因此令初始值M₀＝1。

上述F值对应电机正转、反转，可以采用一个数值来代表电机的正转、另一个数值代表电机的反转。开始新一轮的刮粪时，处于复位位置的刮板远离限位开关运行，能够有较好的刮粪效果。处于按次刮粪模式时，当N取偶数，每轮刮粪完成复位时，电机换向偶数次，本轮的刮粪与下一轮刮粪的初始态(即刮板的启动位置和电机1转向)是能够重复一致的；而当N取奇数时，本轮的刮粪与下一轮刮粪的初始态不能够重复一致，这就可以通过一个变量F来记录上一轮电机最后换向后的转向来解决。在按次刮粪模式开始时，F取初始化值，可以指定电机正转还是反转，但随着后续刮粪过程中电机的换向，F值随之记录更新。

由于N取值偶数时，每轮刮粪完成复位时，电机的转向与步骤a中电机启动时转向一致，因此，对于偶数次刮粪模式，步骤a中电机启动时的转向对应F更新后的值或者固定转向都是可以的。N为偶数时，步骤c中F更新或者不更新都不影响下一轮刮粪开始时电机的转向。因而，在程序代码上，出于通用性考虑，不管N的奇偶性，可以采用同一个程序实现；而当N只容许取偶数时，其控制实质等效于：

步骤a中电机定向启动，限位开关触发后初始化M_n，n取0，初始值M₀＝1；

步骤d中还判断当前变量M_n，若M_n等于N，则刮板回程运行复位时间T_复位后断开电机的供电线路，结束本次控制；若M_n不等于N，则刮板回程运行直至进入步骤e；

步骤e中相对另一侧的限位开关触发后，n值增1，赋值M_n＝M_n-1+1。

复位位置的一致性分析：在步骤d的回程过程中，一侧的刮板从缓冲区向行程区运行，另一侧的刮板此时负载也较小，此时回程的初始阶段刮粪阻力与空载相当，因此相对于单程刮粪的时间(常见单程长40～80米，单程刮粪所用时间20分钟左右)，引入相对值较小的T_复位(比如T_复位取值5～10秒)，可视为在每轮控制中，刮板在复位期间的速度相同，刮板在缓冲区的正常过冲距离S_过冲通常在5厘米内。设S_复位为刮板处于复位位置时距离当前侧限位开关的距离，V_空载为空载状态时刮板的速度，则有V_空载*T_复位＝S_复位+S_过冲，尽管每轮控制中刮粪阻力无法确定，但S_过冲相对S_复位值小得多，则有S_复位≈V_空载*T_复位，因此复位位置基本一致。如果S_复位需要进一步精确，显然T_复位可以从当前侧限位开关释放时再开始计时。

上述刮粪模式通过引入复位时间T_复位，使得本轮刮粪控制结束时，刮板不卡在缓冲区(否则下轮控制易出错或直接越位)，并且在复位时间T_复位后，刮板本轮控制结束时在行程区的停留位置基本一致，可称为复位位置，这样，之后每轮刮粪的初始态均是从复位位置出发，一致性好，刮粪效果稳定，安全可靠！

下面分别以N取值为1和2时为例，按次刮粪模式启动时刮板位置均如图1所示，设置电机1转向的初始化默认正转，牵引绳4逆时针移动。

当N取值为1时，正常工作状态下，根据步骤a～f，首轮刮粪开始，电机1正转，牵引绳4逆时针移动，刮板52右行后触发限位开关62，此时M_n取M₀的值为1，电机1正转线路断开，时段T_缓冲后，刮板52已停止且无越位触发，电机1反转的供电线路接通，变量F记录为反转，由于此时M_n＝M₀＝1＝N，刮板52回程运行复位时间T_复位后，断开电机1的供电线路，刮板52处于复位位置，结束本轮刮粪。

第二轮刮粪开始，电机1根据首轮后变量F记录的反转信息反转，牵引绳4顺时针移动，刮板52从复位位置左行、刮板51从左端部向右行，刮板51触发限位开关61，此时M_n取M₀的值为1，电机1反转线路断开，时段T_缓冲后，刮板51已停止且无越位触发，电机1正转的供电线路接通，变量F记录为正转，由于此时M_n＝M₀＝1＝N，刮板51回程运行复位时间T_复位后，断开电机1的供电线路，刮板51处于复位位置，结束本轮刮粪。

第三轮刮粪开始，电机1根据第二轮后变量F记录的正转信息正转，牵引绳4逆时针移动，刮板51从复位位置左行、刮板52从左端部向右行，刮板52触发限位开关62，此时M_n取M₀的值为1，电机1正转线路断开，时段T_缓冲后，刮板52已停止且无越位触发，电机1反转的供电线路接通，变量F记录为反转，由于此时M_n＝M₀＝1＝N，刮板52回程运行复位时间T_复位后，断开电机1的供电线路，刮板52处于复位位置，结束本轮刮粪。

由此可规律得出第四轮、第五轮、第六轮、……的刮粪过程，以及N取1、3、5、7、……的刮粪过程，只要按次刮粪模式运行后有过一轮的刮粪，后续每轮的刮粪均能保证刮板从复位位置开始，并且后续每轮刮粪是N个完整的单程。尽管首轮刮粪可能不足N个完整的单程，但通常会在安装调试时完成首轮刮粪，不会影响到实际生产。当然也可以在安装调试时将刮板刮板51的位置设置到复位位置，确保首轮刮粪也是N个完整的单程。不限刮板的安装位置，能够减少安装时的工作量，降低安装难度。

当N取值为2时，正常工作状态下，根据步骤a～f，首轮刮粪开始，电机1正转，牵引绳4逆时针移动，刮板52右行后触发限位开关62，此时M_n取M₀的值为1，电机1正转线路断开，时段T_缓冲后，刮板52已停止且无越位触发，电机1反转的供电线路接通，由于此时M_n＝M₀＝1≠N，刮板52回程运行至左端部直至刮板51触发限位开关61，M₁＝M₀+1＝2，电机1反转线路断开，时段T_缓冲后，刮板51已停止且无越位触发，电机1正转的供电线路接通，由于此时M_n＝M₁＝N＝2，刮板51回程运行复位时间T_复位后，断开电机1的供电线路，刮板51处于复位位置，结束本轮刮粪。

第二轮刮粪开始，电机1正转，牵引绳4逆时针移动，刮板51从复位位置向左行，刮板52右行后触发限位开关62，此时M_n取M₀的值为1，电机1正转线路断开，时段T_缓冲后，刮板52已停止且无越位触发，电机1反转的供电线路接通，由于此时M_n＝M₀＝1≠N，刮板52回程运行至左端部直至刮板51触发限位开关61，M₁＝M₀+1＝2，电机1反转线路断开，时段T_缓冲后，刮板51已停止且无越位触发，电机1正转的供电线路接通，由于此时M_n＝M₁＝N＝2，刮板51回程运行复位时间T_复位后，断开电机1的供电线路，刮板51处于复位位置，结束本轮刮粪。

第三轮刮粪过程与第二轮刮粪过程一致，不再重复阐述。

由此规律可得出第四轮、第五轮、第六轮、……的刮粪过程，以及N取2、4、6、8、……的刮粪过程，只要按次刮粪模式运行后有过一轮的刮粪，后续每轮的刮粪均能保证刮板从复位位置开始，并且后续每轮刮粪是N/2个完整的回程。尽管首轮刮粪可能不足N/2个完整的回程，但通常会在安装调试时完成首轮刮粪，不会影响到实际生产。当然也可以在安装调试时将刮板51的位置设置到复位位置，确保首轮刮粪也是N/2个完整的回程。

考虑到运用环境的差异性和要求的多样性，作为另一种实施例，养殖场也可以采用按计划周期每轮刮粪时长T_W，对控制器设置刮粪模式——按时刮粪模式，按计划周期进行一轮刮粪，T_W可以是由工作人员输入设定，通常为20～40min，当缺省时可以设默认值T_W＝20min，一般来讲至少完成一个单程刮粪。步骤a中电机启动时控制器读取当前时钟T₀；按步骤a～f运行，并在步骤d中增加时长控制：刮板回程运行开始时读取当前的时钟T_n，然后T_n与T₀相减得电机运行的时长T，判断T是否大于或等于T_W，若是，则刮板回程运行复位时间T_复位后断开电机的供电线路，结束本次控制；否则刮板回程运行直至进入步骤e。

上述刮粪时长T_W、复位时间T_复位均为预设值，上述T为变量。由于现场每轮刮粪阻力的不确定性，会出现刮粪速度不确定性，每轮刮粪的行程多少不一定，为每轮结束时刮板不卡位在缓冲区，因此在步骤d中引入时长控制和复位，尽管由此导致实际刮粪时长与设定值有一定出入，但刮板能复位到复位位置。

综合考虑刮粪要求的牵引力、成本等多方面的因素，本方案的电机可采用三相异步交流电机。工作人员希望从现场监控系统或者控制器的显示界面直观看到当前刮板的运行状态和所处位置，当出现故障时，也方便工作人员快捷判断出现场的刮板位置。而三相异步交流电机的输出力矩随转速升高而下降，现场刮粪过程所受的阻力大小是随机，而且是非线性的：行程初期阻力不断增加，刮到行程中后期阻力最大，行程后期随着不断有粪便被推动排到排污道而刮粪阻力减小。刮粪阻力不恒定，电机的转速也不恒定，在不增加其他检测设施的情况下，可以通过以下估算得到刮板大致的实时位置。

在所述步骤a中读取电机1启动时的时刻t₀，在t₀至限位开关触发前内的任一时刻t_行，远离限位开关一侧的刮板与所在侧限位开关的距离S₁＝L*(t_行-t₀)/(k₁T_空载)+S_复位，靠近限位开关另一侧的刮板与所在侧限位开关的距离S₂＝L-L*(t_行-t₀)/(k₁T_空载)-S_复位，并判断若S₁≥L，则令S₁＝L，S₂＝0。

所述步骤b和c中，读取步骤b的时钟t₁，在t₁至t₁+T_缓冲期间内，缓冲阶段所缓冲的距离值较小，正常工作状态下靠限位开关较近，视为在限位开关处，即S₁＝L，S₂＝0。

所述步骤d中刮板回程过程中，在t₁+T_缓冲至S₂对应侧的限位开关释放或触发前内的任一时刻t_回，正常工作状态下靠限位开关较近，视为在限位开关处，即S₁＝L，S₂＝0；读取S₂对应侧的限位开关释放或触发的时刻t₂，在t₂至S₁对应侧的限位开关触发前内任一时刻t_返，S₁＝L-L*(t_返-t₂)/T_空载，S₂＝L*(t_返-t₂)/T_空载，并判断若S₁≤0，则令S₁＝0，S₂＝L。

上述L为刮板的单程行程长度。上述k₁取大于1的正比例系数，k₁按经验可设缺省默认值为1.2，并可以在后期生产中根据现场情况总结修正再重设。T_空载为空载时刮板运行单程的时间，可以根据电机转速和现场的L距离理论计算出，也可以在调试安装时测得。S_复位为刮板处于复位位置时距离当前侧限位开关的距离，复位阶段时的刮板所受的阻力接近空载，速度也接近空载，S_复位相对固定，可以取S_复位＝L*T_复位/T_空载。

上述远离限位开关一侧的刮板是指电机启动后向所在侧限位开关反向运行的刮板，也可以理解为启动时处于复位位置的刮板；上述靠近限位开关另一侧的刮板是指电机启动后朝所在侧限位开关运行的刮板，也可以理解为启动时不在复位位置的刮板。为使在线状态图的显示能直观对应实际运转情况，可以将电机1的正反转向与牵引绳4顺逆时针转动对照起来，如上述实施例中，设置电机1正转时，牵引绳4逆时针移动。由于当前电机1的转向可以由控制器判别，因此两刮板能够实时地与S₁、S₂对应上。

上述位置的计算随控制步骤的进程变化，在实际安装使用时，可以指定两侧的刮板分别为A、B，限定刮板的安装位置就设置在复位位置，电机的转向也指定，那么从控制初始就能得到完整的刮粪行程，可以避免刮粪模式启动后首轮刮粪不完整、位置计算偏差的问题。

为准确监测刮粪机的运行情况，可引入霍尔元件等形式的接近开关，设置在所述转角轮上用于测实时转速，该接近开关的触发信号接入所述控制器，在有转速可测的条件下，可进一步对刮粪位置进行精确监控。当所述转角轮上安装有接近开关时，正常工作状态下，在电机为三相异步交流电机的条件下，尽管转角轮实时转速可测，但是由于牵引绳4的速度受刮粪阻力值不确定性的影响，通过速度和时间来计算刮板行程距离较为复杂，因此优选地引入转角轮转动的转数来计算刮板的实时位置，不管实时转速r和牵引绳速度V，行进的距离直接与转角轮时间段内转过的转数关联。

在所述步骤a中读取电机启动时的时刻t₀，在t₀至限位开关触发前内的任一时刻t_行，远离限位开关一侧的刮板与所在侧限位开关的距离S₁＝L*Z₁/Z_总+S_复位，靠近限位开关另一侧的刮板与所在侧限位开关的距离S₂＝L*(1-Z₁/Z_总)-S_复位，并判断若S₁≥L，则令S₁＝L，S₂＝0。

所述步骤b和c中，读取步骤b的时钟t₁，在t₁至t₁+T_缓冲期间内，正常工作状态下刮板靠限位开关较近，视为在限位开关处，令S₁＝L，S₂＝0。当然也可以根据转角轮在这个阶段的转数精确算出位置，但往往实际生产中没有这个必要。

所述步骤d中刮板回程过程中，在t₁+T_缓冲至S₂对应侧的限位开关释放或触发前内的任一时刻t_回，视为在限位开关处，令S₁＝L，S₂＝0；读取S₂对应侧的限位开关释放或触发的时刻t₂，在t₂至S₁对应侧的限位开关触发前内任一时刻t_返，S₁＝L*(1-Z₂/Z_总)，S₂＝L*Z₂/Z_总，并判断若S₁≤0，则令S₁＝0，S₂＝L；

上述L为刮板的单程行程长度；Z_总为刮板运行单程转角轮所转动的圈数，Z_总可以根据转角轮参数和现场的L距离理论计算出，也可以在调试安装时测得。Z₁为t₀至t_行时间段内转角轮转动的圈数；Z₂为t₂至t_返时间段内转角轮转动的圈数。S_复位为刮板处于复位位置时距离当前侧限位开关的距离，S_复位＝L*T_复位/T_空载，T_空载为空载时刮板单程运行的时间，T_空载可以根据电机转速和现场的L距离理论计算出，也可以在调试安装时测得。上述具体位置的计算足够准确，足以满足可视化控制的直观视觉需求。

为进一步监测更多的实时状态，在转角轮有接近开关用于测实时转速的条件下，即转速可测，可进一步对刮粪速度进行监控：控制器根据所述接近开关的触发信号计算当前转角轮的转速r，在转角轮未打滑的正常情况下，可有效计算牵引绳运动速度V，所述牵引绳的运动速度V＝2πR*r，或者V＝r*V_空载/r_空载；所述R为转角轮半径，V_空载为空载状态刮板在行程区间内运行的速度，r_空载为空载状态刮板在行程区间内运行时转角轮的转速。当速度V超出限定范围[L/T_行程，L/T_空载]时，控制器通过继电器和接触器断开电机当前供电线路，并对外输出告警信号。

在牵引绳4断裂或过载时，转速r小于正常工作值，此时根据r值计算得到的速度V过小超出限定范围；在转角轮明显打滑时，转速r与牵引绳4的运动速度V不能一一对应，由打滑后的转速r计算得到的V有可能过大超出限定范围；这些情况都能通过计算实时V值，超限告警，及时介入排除故障。常见的速度V的限定范围也可以直接按经验值设为[1.5m/min，2.5m/min]，也可以根据T_行程、T_空载来计算。

为进一步监测转角轮是否打滑，所述转角轮至少有两个设置有接近开关，可以对角设置，可以同一端设置，如果需要准确监测到具体哪一个转角轮打滑，可以每个转角轮都设一个接近开关用于测实时转速。正常状态下，当转角轮之间的尺寸一致时，每个转角轮的转速相等；当转角轮之间的尺寸不一致时，转角轮之间的转速比额定，考虑实际偏差，可容许一个较小的偏差容忍范围。当转角轮之间的转速比不相等或转速比明显变化，即超出限定范围时，判定此时有转角轮打滑，控制器通过继电器和接触器断开电机当前供电线路，并对外输出告警信号，及时介入排除故障。当然在有接近开关故障时，上述告警条件仍然有效。极少数情况下，转角轮之间打滑的程度一致，由于概率很低，不考虑在此实施例中。

当养殖场需要刮的粪便量很大而超出设计范围时，刮粪阻力很大，电机1过载，电机1此时的电流超出额定范围，容易烧毁电机1；另外在运行中可能出现的卡死等异常事件也会造成电流突增超限。因此，对电机1的过流保护尤为重要。可以对应电机1设置用于检测电机1工作电流的电流感应器，该电流感应器的检测信号接入所述控制器并纳入控制过程，当电机1的工作电流超出限定范围时，控制器通过继电器和接触器断开电机1当前供电线路，并对外输出告警信号。上述限定范围的设置根据所选电机1的型号、额定电流为参考设定，而电机1的功率可适当大一些，避免电机1长期满载、过载影响使用寿命，拖延养殖场的正常生产进度。

刮粪机在长期运行下，可能会出现转角牵引绳4与转角轮打滑、限位开关故障、牵引绳4断裂、刮板运行过慢等异常情况，这时限位开关可能出现超时触发、无触发信号的情况，为及时终止并将异常信息提醒给工作人员，所述控制器的控制过程可以增加超时告警，即所述控制器在限定的行程时间T_行程内未能读取到任何限位开关的触发信号时，控制器通过继电器和接触器断开电机1当前供电线路，采取声光告警和信息提示等告警方式，对外输出告警信号。

行程时间T_行程参照一个单程刮粪所需的时间来确定，在电机1未过载的情况下，取刮粪阻力较大的时候，可以是客户要求的值，也可以由T_行程＝k₂*T_空载计算，k₂取大于1的比例系数，k₂根据实际生产经验总结得到，推荐的默认值可以设为1.5，T_空载为空载时刮板单程运行的时间。T_行程的具体数值或者k₂的数值可以事先预设，也可以在安装调试或者后期生产中不断修正输入。

为节省能耗，对三相异步交流电机可以引入变频器，所述控制器的控制过程还包括通过变频器调节电机的功率，尤其是刮粪阻力较小或者空载时的速度调节，能产生明显的节能效果。

需要说明的是本方法不限于本方案具体的安装实施结构，也不限于具体参数值的设置，本发明记载的方案在养猪场的运用，应为本方案一种优选的实现载体和运用环境，显然也可以用于其他畜禽养殖场，不应由此限定其保护范围。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种刮粪机控制方法，所述刮粪机包括控制器、电机、传动装置、转角轮、牵引绳和刮板，所述牵引绳绕过转角轮形成一闭合结构，该闭合结构的两端对应排污道设置，所述电机及传动装置设置在该闭合结构的一端，该闭合结构两侧的牵引绳上各固定有刮板，所述控制器用于控制电机正反转和启停，所述电机通过传动装置带动牵引绳从而驱动刮板运动，其特征在于：

在闭合结构一端的两侧各有一个限位开关，该限位开关对应该侧刮板的行程区终端，该行程区终端起朝闭合结构的端部方向延伸有缓冲区，该缓冲区的终端有一越位开关，所述限位开关和越位开关的触发信号接入控制器，控制器的控制过程包括：

步骤a、电机运行直至控制器读取到有一侧的限位开关触发产生触发信号；

步骤b、控制器通过继电器和接触器断开电机当前转向的供电线路；

步骤c、缓冲保护时段T_缓冲内，若无越位开关的触发信号产生，则控制器通过继电器和接触器接通电机相对反转的供电线路，进入步骤d；否则进入步骤f；

步骤d、两侧的刮板回程运行；

步骤e、当控制器读取到相对另一侧的限位开关的触发信号，返回步骤b；

步骤f、控制器对外输出告警信息，结束本次控制；

所述缓冲保护时段T_缓冲为预设值。

2.根据权利要求1所述的一种刮粪机控制方法，其特征在于：所述控制器的控制过程包括按次刮粪模式，设置刮板的单程刮粪次数为N：

步骤a中电机启动时的运转方向根据变量F的值确定，限位开关触发后初始化M_n，n取0，初始值M₀＝1；

步骤c中接通电机相对反转的供电线路后，更新变量F的值以对应当前电机的转向；

步骤d中还判断当前变量M_n，若M_n等于N，则刮板回程运行复位时间T_复位后断开电机的供电线路，结束本次控制；若M_n不等于N，则刮板回程运行直至进入步骤e；

步骤e中相对另一侧的限位开关触发后，n值增1，赋值M_n＝M_n-1+1；

所述N为预设的正整数；上述M_n为变量，上述n为整数；上述复位时间T_复位为预设值；上述F的值对应电机正转、反转，其初始值为预设值。

3.根据权利要求1所述的一种刮粪机控制方法，其特征在于：所述控制器的控制过程包括按时刮粪模式，设置所需刮板连续刮粪时长为T_W，步骤a中电机启动时控制器读取当前时钟T₀；步骤d还包括：刮板回程运行开始时读取当前的时钟T_n，然后T_n与T₀相减得电机运行的时长T，判断T是否大于或等于T_W，若是，则刮板回程运行复位时间T_复位后断开电机的供电线路，结束本次控制；否则刮板回程运行直至进入步骤e；

所述刮粪时长T_W、复位时间T_复位均为预设值，上述T为变量。

4.根据权利要求2或3所述的一种刮粪机控制方法，其特征在于：所述电机为三相异步交流电机，所述控制器的控制过程还包括刮板位置计算：

所述步骤a中读取电机启动时的时刻t₀，在t₀至限位开关触发前内的任一时刻t_行，远离限位开关一侧的刮板与所在侧限位开关的距离S₁＝L*(t_行-t₀)/(k₁T_空载)+S_复位，靠近限位开关一侧的刮板与所在侧限位开关的距离S₂＝L-L*(t_行-t₀)/(k₁T_空载)-S_复位，并判断若S₁≥L，则令S₁＝L，S₂＝0；

所述步骤b和c中，读取步骤b的时钟t₁，在t₁至t₁+T_缓冲期间内，令S₁＝L，S₂＝0；

所述步骤d中刮板回程过程中，在t₁+T_缓冲至S₂对应侧的限位开关释放或触发前内的任一时刻t_回，令S₁＝L，S₂＝0；读取S₂对应侧的限位开关释放或触发的时刻t₂，在t₂至S₁对应侧的限位开关触发前内任一时刻t_返，S₁＝L-L*(t_返-t₂)/T_空载，S₂＝L*(t_返-t₂)/T_空载，并判断若S₁≤0，则令S₁＝0，S₂＝L；

上述L为刮板的单程行程长度；上述k₁取大于1的正比例系数；T_空载为空载时刮板运行单程的时间；S_复位为刮板处于复位位置时距离当前侧限位开关的距离，S_复位＝L*T_复位/T_空载。

5.根据权利要求2或3所述的一种刮粪机控制方法，其特征在于：所述电机为三相异步交流电机，所述转角轮上设置有用于测转速的接近开关，该接近开关的触发信号接入所述控制器，所述控制器的控制过程还包括刮板位置计算：

所述步骤a中读取电机启动时的时刻t₀，在t₀至限位开关触发前的任一时刻t_行内，远离限位开关一侧的刮板与所在侧限位开关的距离S₁＝L*Z₁/Z_总+S_复位，靠近限位开关一侧的刮板与所在侧限位开关的距离S₂＝L*(1-Z₁/Z_总)-S_复位，并判断若S₁≥L，则令S₁＝L，S₂＝0；

所述步骤b和c中，读取步骤b的时钟t₁，在t₁至t₁+T_缓冲期间内，令S₁＝L，S₂＝0；

所述步骤d中刮板回程过程中，在t₁+T_缓冲至S₂对应侧的限位开关释放或触发前内的任一时刻t_回，令S₁＝L，S₂＝0；读取S₂对应侧的限位开关释放或触发的时刻t₂，在t₂至S₁对应侧的限位开关触发前内任一时刻t_返，S₁＝L*(1-Z₂/Z_总)，S₂＝L*Z₂/Z_总，并判断若S₁≤0，则令S₁＝0，S₂＝L；

上述L为刮板的单程行程长度；Z_总为刮板运行单程转角轮所转动的圈数；Z₁为t₀至t_行时间段内转角轮转动的圈数；Z₂为t₂至t_返时间段内转角轮转动的圈数；S_复位为刮板处于复位位置时距离当前侧限位开关的距离，S_复位＝L*T_复位/T_空载，T_空载为空载时刮板单程运行的时间。

6.根据权利要求5所述的一种刮粪机控制方法，其特征在于：所述控制器的控制过程还包括：

控制器根据所述接近开关的触发信号计算当前转角轮的转速r，计算牵引绳运动速度V，当速度V超出限定范围[L/T_行程，L/T_空载]时，控制器通过继电器和接触器断开电机当前供电线路，并对外输出告警信号；

所述牵引绳的运动速度V＝2πR*r，或者V＝r*V_空载/r_空载；所述R为转角轮半径，V_空载为空载状态刮板在行程区间内运行的速度，r_空载为空载状态刮板在行程区间内运行时转角轮的转速。

7.根据权利要求5所述的一种刮粪机控制方法，其特征在于：所述转角轮至少有两个设置有接近开关，所述控制器的控制过程还包括：

当转角轮之间的转速比超出限定范围时，控制器通过继电器和接触器断开电机当前供电线路，并对外输出告警信号。

8.根据权利要求1、2、3、6、7中任一项所述的一种刮粪机控制方法，其特征在于：所述刮粪机设置有用于检测电机工作电流的电流感应器，该电流感应器的检测信号接入所述控制器，控制器的控制过程还包括：

当电机的工作电流超出限定范围时，控制器通过继电器和接触器断开电机当前供电线路，并对外输出告警信号。

9.根据权利要求1、2、3、6、7中任一项所述的一种刮粪机控制方法，其特征在于：所述控制器的控制过程还包括：

当所述控制器在行程时间T_行程内未能读取到限位开关的触发信号，则控制器通过继电器和接触器断开电机当前供电线路，并对外输出告警信号；

上述T_行程＝k₂*T_空载，k₂为预设的大于1的比例系数，T_空载为空载时刮板单程运行的时间。

10.根据权利要求1、2、3、6、7中任一项所述的一种刮粪机控制方法，其特征在于：还包括变频器，所述电机为三相异步交流电机，所述控制器的控制过程还包括通过变频器调节电机的功率。

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