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      變頻器技術的智能精播機電氣系統研究

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      變頻器技術的智能精播機電氣系統研究

      摘要:智能精播機為研究目標,設計了電氣控制系統。系統以可編程邏輯控制器(PLC)為主控設備,結合傳感器技術,通過變頻器控制精播機驅動電機的供電頻率,從而改變種子傳輸帶電機和地輪電機的轉速,調整播種速度和種子間距,改變風機電機的轉速,調整每穴種子的粒數,從而實現高效精準的播種作業。進行仿真測試實驗,結果表明:播種間距的準確性可達到98%,每穴種子粒數的準確性可達到97.5%,滿足了精確播種要求。

      關鍵詞:智能精播機;電氣控制;可編程控制器;變頻器

      0引言

      近年來,為了提高播種作業的效率與精確度,提出了智能精播機的概念[1]。智能精播機是利用電力電子和控制技術,實現按種子精確的粒數、種子間距等播種的一類機器[2]。發展到現階段,智能精播機主要由機械部分、電氣控制部分和檢測部分構成。經過長時間的經驗積累,機械部分和檢測部分相對已經趨于成熟,電氣控制部分還處在發展階段。因此,研究智能精播機的電氣控制部分對今后播種作業具有一定的意義[3]。目前,實現智能精播機電氣控制的關鍵環節是其主控設備和電機驅動設備。主控設備的實現方式主要有單片機、微芯片和PLC等,相比于前兩類,PLC采用集中采樣、集中輸出的方式,可靠性高、速度快、抗干擾能力強[4-5]。電機驅動設備主要實現方式為變頻器技術,是通過改變電源頻率來控制驅動電機的轉速,以此實現種子播種作業要求,具有范圍廣、操作簡便、效率高等優點[6]。為此,筆者針對智能精播機,結合PLC技術與變頻技術,對其電氣控制部分進行設計。根據實際拖拉機的運行速度,通過變頻器調節驅動電機的轉速,以此控制播種速度、種子粒數和種子間距等關鍵參數,從而實現精播機的高效精確播種。

      1總體設計

      所設計的智能精播機的電氣控制部分由人機交互界面、PLC、變頻器、驅動電機和傳感器5大部分組成[7],如圖1所示。控制原理:通過人機界面設置相關播種的要求及機械制約因素,再傳輸給PLC,對參數進行邏輯運算,將結果傳輸給變頻器;變頻器通過頻率調節,改變種子傳輸帶電機、地輪控制電機、風機流量控制電機等驅動電機的供電頻率,從而改變其轉速,達到精確播種的目的。為了實時監控種子傳輸帶的速度、地輪轉速及風機流量等參數,由傳感器采集上述設備信息反饋給PLC[8],經過PLC的快速比較后,決定當前的播種作業是否滿足要求。另一方面,這些實時信息需發送給人機交互界面,直觀地反映給操作員。另外,整個精播機的電氣控制系統需添加相應的外圍設備進行輔助工作,包括斷路器、熔斷器、接觸器及電纜等[9]。

      2硬件組成

      智能精播機是較為復雜的一類農業機械。工作時,首先采集農作物種類、拖拉機速度、地輪直徑等外界制約因素,通過人機界面進行參數設定,再將參數發送給智能精播機電氣控制系統的核心設備PLC進行邏輯運算[10]。PLC是數字控制的微型處理器,其編程語言以繼電器梯形圖為主,簡單易懂,可操作性強,故其在工業領域應用廣泛。其主要由電源、中央處理單元(CPU)、存儲器、輸入單元及輸出單元等組成[11],如圖2所示。其中,nmax為電機最大轉值(r/min);fmax為最大轉速的頻率(Hz);p為磁極對數。由上式可知,交流電機輸入電壓與極數決定了電機的轉速,在極數不變的情況下,只能改變輸入電壓的頻率,此時需要變頻器來配合完成。變頻器是實現智能精播機的關鍵環節,主要用來調節交流電動機的轉速,以此來控制種子傳輸帶速度等參數。變頻器電路包括主電路和控制電路。主電路的作用為異步電動機的調壓調頻電源提供變換動力,其結構分為交-直變換、能耗電路和直-交變換3部分。交-直變換電路,即濾波器,將工頻電源轉為直流;能耗電路,又稱平波回路,主要處理交-直變換和直-交變換之間產生的電壓脈動;直-交變換電路,又稱逆變器,是將直流電壓功率變為交流電壓或功率[14]。變頻器控制電路的作用是給主電路提供控制回路,主要由運算電路、檢測電路、速度測試電路、驅動電路、I/O電路及保護電路等組成[14]。運算電路比較精播機驅動電機的速度、轉速與檢測到的電壓電流數據,以此輸出逆變器的電壓、頻率。檢測電路主要針對主電路的電壓電流進行測試。速度測試電路主要針對精播機的驅動電機進行采集,并將采集到的信號發給運算電路。驅動電路掌握著主電路器件的通斷[15]。I/O電路主要服務于人機交互界面。保護電路防止電路中電流電壓過載而燒毀電機。由于驅動電機的容量在0.75~3kW之間,一臺電機需要一個變頻器驅動,因此在選擇變頻器時,其容量一般是電機的1.5倍左右。故在本控制系統中變頻器統一為4.2kVA的VFD系列[15]。智能精播機需要將種子傳輸帶速度、地輪轉速等數據傳回PLC進行處理,即將機械位移量轉化為數字量,則需要傳感器。光電編碼器作為傳感器的一種,被安裝在電機輸出端。當電機處在工作狀態時,經過電子元器件組成的檢測裝置將其檢測到的信號轉化成脈沖輸出,便可計算出驅動電機轉速。

      3軟件設計

      智能精播機的軟件設計主要為PLC主程序。PLC的編程語言包括兩類5種:①圖形表達,即順序功能圖(SFC)、梯形圖(LD)、功能塊圖(FBD);②文字表達,即指令表(IL)、結構文本(ST)。人機交互界面編程語言有VB、VC++、python等。為了使整個系統的程序保持統一,且簡單易懂,PLC選用指令表,人機交互界面使用VC++。智能精播機接通電源后,首先進入系統初始化,然后在人機交互界面輸入拖拉機前進速度、地輪直徑、株距及風機流量等參數,點擊“開始”按鈕后,由PLC進行邏輯運算,并將結果發送給變頻器;變頻器根據接收信息設定自身頻率,控制驅動電機的轉速,由驅動電機以規定速度帶動其他機械設備進行精確播種作業。與此同時,傳感器實時采集各個驅動電機的轉速,并發送給PLC進行比較處理,如果與設定參數所要求的轉速不一致,則由變頻器再次對驅動電機進行調節控制,實現種子的精確種植。

      4功能測試

      模擬實驗以蠶豆為例,輸入的開關量:拖拉機的速度為3m/s,地輪的直徑為0.5m,種子傳輸帶長為3.9m,寬2.6m,排種盤負載轉矩為85~95N?m,設置蠶豆的株距分別為15cm。一粒蠶豆重約0.9g,根據種子質量,設置風機流量分別為50m3/h,則種子傳輸帶驅動電機速度約為1400r/min,地輪電機的轉速約115r/min,風機電機轉速約為2600r/min。實驗播種蠶豆200株,播種間距在(15±1.5)cm內的視為合格,每穴種子粒數在1~2粒的視為合格。種子間距測試結果如表1所示。由表1可以看出:間距保持在(15±1.5)cm的占98%,不合格的占2%。每穴種子粒數測試結果如表2所示。由表2可以看出:每穴種子數量在1~2粒以內的占97.5%,空穴占0.5%,每穴3粒需要間苗,也視為不合格,故不合格的占2.5%。

      5結論

      設計了智能精播機電氣控制系統,以PLC為控制中心,通過變頻器改變種子傳輸帶電機和地輪電機的轉速,從而調整播種速度和種子間距;通過改變風機電機的轉速,調整每穴種子的粒數,從而實現高效精準的播種作業。

      作者:李楠 單位:長春汽車工業高等專科學校 汽車運用學院

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