采棉机智能控制系统

摘要

本发明公开了一种采棉机智能控制系统，该系统采用PC104微电脑控制器及图文显示器对采棉机监视和控制的系统，其人机交互界面用LabView进行编写，系统包括PC104微电脑控制器(1)、采棉机自动对行子系统(2)、棉花在线测产子系统(3)、采棉机行走速度自动控制子系统(4)、采棉机参数检测和状态监测子系统(5)、图文显示器(6)、CAN总线(7)，控制器(1)通过CAN总线（7）接收来自自动对行子系统(2)、棉花在线测产子系统(3)、行走速度自动控制子系统(4)、参数检测和状态监测子系统(5)等发出来的数据，经数据处理或边界条件比较，实现采棉机的控制。该系统能提高采棉机的智能化性能，尤其是能提高采棉机状态参数的监控和采棉机自动对行、在线测产、行走速度控制，实现采棉机最优化控制。

权利要求

1.一种采棉机智能控制系统，控制器采用基于CAN总线的PC104微电脑控制器，采用图文显示器对采棉机进行监视和控制的系统，其人机交互界面是采用LabView进行编写的，该系统包括：PC104微电脑控制器(1)、采棉机自动对行子系统(2)、棉花在线测产子系统 (3)、采棉机行走速度自动控制子系统(4)、采棉机参数检测和状态监测子系统(5)、图文显示器(6)、CAN总线(7)，其中：PC104微电脑控制器(1)，该控制器(1)通过CAN总线（7）接收来自自动对行子系统(2)、棉花在线测产子系统(3)、行走速度自动控制子系统(4)、参数检测和状态监测子系统(5)、图文显示器(6)发出来的数据信息，经过数据处理或边界条件的比较，实现采棉机的控制；采棉机自动对行子系统(2)，用于实现采棉机自动对行；棉花在线测产子系统(3) 用于监测棉花产量数据，采用棉花流量传感器测量棉花流量，并发出数字信号，通过CAN总线发送到PC104微电脑控制器（1）进行棉花产量计算，并在图文显示器（6）上显示棉花产量； 采棉机行走速度自动控制子系统(4) 用于自动调整和显示采棉机行走速度；参数检测和状态监测子系统(5) 用于对采棉机参数、状态进行检测判定，如果采棉机参数大于或小于设定参数，系统则报警；图文显示器(6) 用于实时显示监测的采棉机运行参数；CAN总线（7）用于PC104微电脑控制器（1）与各个子系统的传感器、执行机构的信息传递，将采集的数据发送到PC104微电脑控制器（1）中进行处理，处理后发送给图文显示器进行显示；其特征在于，所述控制系统的主控制流程如下：第一步：采棉机智能控制系统通电后，对PC104微电脑控制器的输入、输出端口及CAN总线进行初始化；

第二步：对棉花在线测产子系统(3)、行走速度自动控制子系统(4) 中的棉花流量传感器进行初始化；

第三步：PC104微电脑控制器(1)接收自动对行子系统(2)、棉花在线测产子系统 (3)、行走速度自动控制子系统(4)、参数检测和状态监测子系统(5)通过CAN总线(7)传输上来的数据，并通过编写的LabView程序显示相关的检测状态；

第四步：设置参数按钮，对相关的参数进行设置，分别对棉花流量转换成千克重量显示的系数A、杂质B、水分C、单位棉田棉花最低产量D、单位棉田棉花最高产量E、角度参数F、时间参数G、角速度参数H、行走速度参数I、水路压力参数J、滚筒转速参数K、风机转速参数L进行设置；

第五步：将棉花流量传感器采集的数字信号乘以系数A减去杂质B再减去水分C得到在线测产的棉花流量，将该在线测产的棉花流量作为棉花实时产量；同时将棉花实时产量分别与单位棉田棉花最低产量D、单位棉田棉花最高产量E进行比较，将比较结果通过PC104微电脑控制器(1)给液压变量泵发送信号，进而实现对采棉机的加速和减速控制；将角度参数F、时间参数G、角速度参数H用于采棉机自动对行；将行走速度参数I、水路压力参数J、滚筒转速参数K、风机转速参数L分别用于测量采棉机行走速度，水路压力，滚筒转速，风机转速；

第六步：判断是否按设置参数运行，如果不是按设置参数运行，那么返回第四步重新设置参数，如果是按设置参数运行，则转步骤第七步；

第七步：自动对行、行走速度自动控制和手动对行、行走速度手动控制的切换，切换到手动对行、行走速度手动控制，通过方向盘控制采棉机的前进，切换到自动对行、行走速度自动控制，通过控制步进电机转动的角度和转动的角速度，从而控制全液压转向器完成方向的调整，同时控制行走液压变量泵的供油量，实现行走速度的自动控制；

第八步：各个子系统通过CAN总线（7）接收图文显示器（6）发出来的设置好的控制参数，同时各个子系统发送监测数据给图文显示器（6）进行实时显示和监测。

说明书

采棉机智能控制系统

技术领域

[0001] 本发明属于智能农业机械采棉机的控制系统，特别涉及一种采棉机智能控制系统。该系统是采用基于CAN总线的PC104微电脑控制器和基于LabView编写人机交互界面的图文显示器的采棉机行驶控制、状态参数监测、故障报警、汉字显示的装置和方法。

背景技术

[0002] 目前在我国使用的仅有美国迪尔公司与凯斯公司以及中国平水机械有限责任公司生产的采棉机。

[0003] 现有的采棉机由分禾器作为引导器，由它将棉株扶起并导入采摘室，棉株宽度被挤压至60厘米，在采棉指内，旋转的摘锭同开裂的棉铃相遇，垂直插入被挤压的棉株，这时摘锭沟齿挂住籽棉，把吐絮棉瓣从开裂的棉铃中拉出来，并缠绕在身上。高速旋转的脱棉盘，与采棉摘锭呈相反的方向运转，当遇到摘锭上的籽棉时，把籽棉反方向旋转脱下。脱下的籽棉，借助风力输棉系统的风力气流的强大力量，将籽棉从集棉室吹送进入风筒，再高速吹送进入装棉箱内，然后棉株经栅板退出采摘室，摘锭再旋转到淋润板，经过水压系统喷水淋洗后，达到降温和清洗的效果，摘锭再重新的采棉。目前，采棉机有一种是使用水平摘锭式采棉机，其采摘率较高，但结构复杂、制造精度要求和成本高；另一种是使用垂直摘锭式采棉机，其结构较简单、成本较低，但采摘率较低、落地棉较多、对棉株损伤较大。机采籽棉的含杂率高，质量等级较手摘籽棉显著降低。

[0004] 还有一种采棉机，该机采用智能控制系统，通过该系统可以实现对采棉机状态参数的监测，实现在线测产、自动对行、行走速度自动调节等一系列的自动化的监测与控制。然而，该采棉机控制系统自动化程度低，采用LED灯和仪器仪表对采棉机的状态参数进行显示，二次开发性差，系统笨重复杂，可靠性低。并且该系统由众多传感器和执行机构组成，主控制器与各部件之间的信息通讯非常复杂，采用传统数据采集卡的通讯方式给系统增加了大量引脚和导线，进一步降低了信息传递的可靠性。

[0005] 传统采棉机智能控制系统的缺点是自动化程度低，采用LED灯和仪器仪表对采棉机状态参数进行显示，通讯复杂，传递信息不可靠，人机交互界面不是很好，监测功能少，在线测产误差率高。

发明内容

[0006] 本发明目的是提供一种采棉机智能控制系统，该系统能提高采棉机的智能化、信息化性能，尤其是能提高采棉机状态参数的监控和采棉机自动对行、在线测产、行走速度控制。采用人机交互界面，实现采棉机最优化控制。

[0007] 本发明的目的是这样实现的。

[0008] 一种采棉机智能控制系统，其特征在于，控制器采用基于CAN总线的PC104微电脑控制器，采用图文显示器对采棉机进行监视和控制的系统，其人机交互界面是采用LabView进行编写的，该系统包括：PC104微电脑控制器(1)、采棉机自动对行子系统(2)、棉花在线测产子系统 (3)、采棉机行走速度自动控制子系统(4)、采棉机参数检测和状态监测子系统(5)、图文显示器(6)、CAN总线(7)，其中：PC104微电脑控制器(1)，该控制器(1)通过CAN总线（7）接收来自自动对行子系统(2)、棉花在线测产子系统(3)、行走速度自动控制子系统(4)、参数检测和状态监测子系统(5)、图文显示器(6)发出来的数据信息，经过数据处理或边界条件的比较，实现采棉机的控制；采棉机自动对行子系统(2)，用于实现采棉机自动对行；棉花在线测产子系统(3) 用于监测棉花产量数据，采用棉花流量传感器测量棉花流量，并发出数字信号，通过CAN总线发送到PC104微电脑控制器（1）进行棉花产量计算，并在图文显示器（6）上显示棉花产量；采棉机行走速度自动控制子系统(4) 用于自动调整和显示采棉机行走速度；参数检测和状态监测子系统(5) 用于对采棉机参数、状态进行检测判定，如果采棉机参数大于或小于设定参数，系统则报警；图文显示器(6) 用于实时显示监测的采棉机运行参数；CAN总线（7）用于PC104微电脑控制器（1）与各个子系统的传感器、执行机构的信息传递，将采集的数据发送到PC104微电脑控制器（1）中进行处理，处理后发送给图文显示器进行显示。

[0009] 本发明的采棉机智能控制系统的主控制流程如下：

[0010] 第一步：采棉机智能控制系统通电后，对PC104微电脑控制器的输入、输出端口及CAN总线进行初始化；

[0011] 第二步：对棉花在线测产子系统(3)、行走速度自动控制子系统(4) 中的棉花流量传感器进行初始化；

[0012] 第三步：PC104微电脑控制器(1)接收自动对行子系统(2)、棉花在线测产子系统 (3)、行走速度自动控制子系统(4)、参数检测和状态监测子系统(5)通过CAN总线(7)传输上来的数据，并通过编写的LabView程序显示相关的检测状态；

[0013] 第四步：设置参数按钮，对相关的参数进行设置，分别对棉花流量转换成千克重量显示的系数A、杂质B、水分C、单位棉田棉花最低产量D、单位棉田棉花最高产量E、角度参数F、时间参数G、角速度参数H、行走速度参数I、水路压力参数J、滚筒转速参数K、风机转速参数L进行设置；

[0014] 第五步：将棉花流量传感器采集的数字信号乘以系数A减去杂质B再减去水分C得到在线测产的棉花流量，将该在线测产的棉花流量作为棉花实时产量；同时将棉花实时产量分别与单位棉田棉花最低产量D、单位棉田棉花最高产量E进行比较，将比较结果通过PC104微电脑控制器(1)给液压变量泵发送信号，进而实现对采棉机的加速和减速控制；将角度参数F、时间参数G、角速度参数H用于采棉机自动对行；将行走速度参数I、水路压力参数J、滚筒转速参数K、风机转速参数L分别用于测量采棉机行走速度，水路压力，滚筒转速，风机转速；

[0015] 第六步：判断是否按设置参数运行，如果不是按设置参数运行，则返回第四步重新设置参数，如果是按设置参数运行，则转步骤第七步；

[0016] 第七步：自动对行、行走速度自动控制和手动对行、行走速度手动控制的切换，切换到手动对行、行走速度手动控制，通过方向盘控制采棉机的前进，切换到自动对行、行走速度自动控制，通过控制步进电机转动的角度和转动的角速度，从而控制全液压转向器完成方向的调整，同时控制行走液压变量泵的供油量，实现行走速度的自动控制；

[0017] 第八步：各个子系统通过CAN总线（7）接收图文显示器（6）发出来的设置好的控制参数，同时各个子系统发送监测数据给图文显示器（6）进行实时显示和监测；

[0018] 系统采用电磁伺服阀控制的行走液压变量泵；采用方向盘转向与自动对行转向切换两种转向方式；采用仪表柱集成发动机转速表、机油压力表、水温表、柴油量表、电压表与采棉机智能控制系统的监控、声光报警组合。

[0019] 本发明的采棉机智能控制系统控制和显示流程如下：

[0020] 第一步：在控制器通电后，系统初始化及CAN总线进行初始化；

[0021] 第二步：通过CAN总线接收控制器的数据；

[0022] 第三步：对接收的数据进行处理；

[0023] 第四步：显示微电脑控制器检测到的状态参数，设置参数:在控制面板上按下设置参数按钮，分别对棉花流量转换成千克重量显示的系数A、杂质B、水分C、单位棉田棉花最低产量D、单位棉田棉花最高产量E、角度参数F、时间参数G、角速度参数H、行走速度参数I、水路压力参数J、滚筒转速参数K、风机转速参数L进行设置；

[0024] 第五步：判断是否有报警，如有则报警，主要包括：吸入门堵塞，离合器故障，风机速度过低，风机故障，卸棉故障，油压、水压、水温异常，空滤故障 。

[0025] 本发明的优越性及技术效果：

[0026] 1、棉花在线测产子系统，实现了棉花的在线测产。

[0027] 2、采用在线测得的棉花流量，与棉花输送负荷梯度、堵塞边界条件进行比较，给电磁伺服阀发出指令，控制行走液压变量泵的供油量，实现行走速度的自动化、最优化控制，避免了棉花堵塞故障，提高作业效率。同时，可以实现手动与自动控制采棉机行走速度的切换。

[0028] 3、采棉机自动对行子系统，能实现自动对行、行走。

[0029] 4、实现CAN总线的参数检测与状态监测的人机交互界面。

[0030] 5、采用方向盘控制采棉机前进与自动对行控制采棉机前进两种前进方式附图说明

[0031] 图1 采棉机智能控制系统框图；

[0032] 图2 主控制流程图；

[0033] 图3 显示器控制流程图。

[0034] 具体实施方法

[0035] 系统功能实现

[0036] 本发明提供了一套采棉机采用基于CAN总线的PC104微电脑控制器和基于LabView编写人机交互界面的图文显示器的采棉机行驶控制、状态参数监测、在线测产、故障报警、汉字显示的装置和方法。

[0037] 如图1所示，本发明的采棉机智能控制系统包括：

[0038] PC104微电脑控制器(1)、采棉机自动对行子系统(2)、棉花在线测产子系统(3)、采棉机行走速度自动控制子系统(4)、采棉机参数检测和状态监测子系统(5)、图文显示器(6)CAN总线(7)，其中：

[0039] PC104微电脑控制器(1)，该控制器(1)通过CAN总线（7）接收来自自动对行子系统(2)、棉花在线测产子系统(3)、行走速度自动控制子系统(4)、参数检测和状态监测子系统(5)、图文显示器(6)发出来的数据，经过数据处理或边界条件的比较，实现采棉机的控制；

[0040] 采棉机自动对行子系统(2) 用于实现采棉机自动对行，该子系统包括碰触式传感器、自动对行控制模块、步进电机、全液压转向器、转向油缸，实现采棉机自动对行，首先稳健行走调节模型分析计算，输出转动角度信号给步进电机，然后步进电机驱动转向器；

[0041] 棉花在线测产子系统(3) 用于监测棉花产量数据，采用棉花流量传感器测量棉花流量，并发出数字信号，通过CAN总线发送到PC104微电脑控制器（1）进行棉花产量计算，并在图文显示器（6）上显示棉花产量；

[0042] 采棉机行走速度自动控制子系统(4) 用于自动调整和显示采棉机行走速度，采用棉花流量传感器，电磁伺服阀、行走液压变量泵，该子系统将棉花流量传感器测量的棉花流量信号通过CAN总线（7）发送给PC104微电脑控制器进行棉花输送负荷梯度、堵塞边界条件的比较，给电磁伺服阀发出指令，控制行走液压变量泵的供油量，实现行走速度的自动控制，从而改变采棉机作业速度；

[0043] 采棉机参数检测和状态监测子系统(5) 用于对采棉机参数、状态进行检测判定，如果采棉机参数大于或小于设定参数，系统则报警，该子系统采用采棉机行走参数检测模块(2-1)和采棉机状态监测模块(2-2)，其具体为：

[0044] 采棉行走参数检测模块(2-1)包括行走速度传感器、风机转速传感器、滚筒转速传感器、水压传感器，该模块用于采集上述各传感器参数信息，将获得的行走速度、风机转速、滚筒转速、水压参数信息传送到PC104微电脑控制器；

[0045] 采棉机状态监测模块(2-2)包括吸入门信号传感器、离合器信号传感器、卸棉信号传感器、空滤信号传感器、中位信号传感器、空档信号传感器、驻车信号传感器、电平比较电路，该模块用于采棉机作业时，由吸入门信号传感器、离合器信号传感器、卸棉信号传感器、空滤信号传感器、中位信号传感器、空档信号传感器、驻车信号传感器监测采棉机运行状态，利用电平比较电路LM339实现信号采集；

[0046] 图文显示器（6）用于实时显示监测的采棉机运行参数；

[0047] CAN总线（7）用于PC104微电脑控制器（1）与各个子系统的传感器、执行机构的信息传递，将采集的数据发送到PC104微电脑控制器（1）中进行处理，处理后发送给图文显示器进行显示。图文显示器通过VGA与PC104微电脑控制器（1）相连， 用于显示可视的监控界面，在监控界面上完成自动对行、行走速度自动控制或手动对行、行走速度控制的切换。

[0048] 采棉机智能控制系统基本原理如下：

[0049] 本系统智能化自动控制核心是一PC104微电脑控制器(1)，采棉机自动对行子系统(2)、棉花在线测产子系统 (3)、行走速度自动控制子系统(4)、参数检测和状态监测子系统(5)、图文显示器(6)的开关量数据和各种监测、反馈数据作为微电脑控制器输入数据，该输入数据是通过CAN总线(7)进行传递，这些数据通过PC104微电脑控制器软件的识别、判断、处理、显示，确定采棉机的运行状态、运行参数和棉花产量，同时，根据采棉机的运行状态、运行参数和棉花产量判断自动对行或手动对行、行走速度自动控制或行走速度手动控制的切换，如果切换到手动对行、行走速度手动控制，通过方向盘控制采棉机的前进；如果切换到自动对行、行走速度自动控制，通过控制步进电机转动的角度和转动的角速度，从而控制全液压转向器完成方向的调整，同时控制行走液压变量泵的供油量，实现行走速度的自动控制。

[0050] 在采棉机作业工况，首先在采棉机的控制面板上按下设置参数按钮，分别对棉花流量转换成千克重量显示的系数A、杂质B、水分C、单位棉田棉花最低产量D、单位棉田棉花最高产量E、角度参数F、时间参数G、角速度参数H、行走速度参数I、水路压力参数J、滚筒转速参数K、风机转速参数L进行设置，同时，采棉机将按照自动对行或手动对行、行走速度自动控制或者行走速度手动控制行走，并且，根据各种监测数据，PC104微电脑控制器(1)实时运算得到采棉机运行状态、运行参数、棉花产量数据，监控采棉机的报警，并通过VGA传递到图文显示器实时显示，使操作人员随时掌握采棉机的运行状态，及时做出各种操作决策。

[0051] 为了便于使用，各个子系统还预留了一定数量的I/O扩展口，采用CAN总线技术，随时可以增加基于CAN总线技术的应用器件、微电脑等，为本系统的扩展升级打下良好的基础。

[0052] 如图2所示，本发明的采棉机智能控制系统主控制流程如下：

[0053] 第一步：采棉机智能控制系统通电后，对PC104微电脑控制器的输入、输出端口及CAN总线进行初始化；

[0054] 第二步：对棉花在线测产子系统(3)、行走速度自动控制子系统(4) 中的棉花流量传感器进行初始化；

[0055] 第三步：PC104微电脑控制器(1)接收自动对行子系统(2)、棉花在线测产子系统 (3)、行走速度自动控制子系统(4)、参数检测和状态监测子系统(5)通过CAN总线(7)传输上来的数据，并通过编写的LabView程序显示相关的检测状态；

[0056] 第四步：设置参数按钮，对相关的参数进行设置，分别对棉花流量转换成千克重量显示的系数A、杂质B、水分C、单位棉田棉花最低产量D、单位棉田棉花最高产量E、角度参数F、时间参数G、角速度参数H、行走速度参数I、水路压力参数J、滚筒转速参数K、风机转速参数L进行设置；

[0057] 第五步：将棉花流量传感器采集的数字信号乘以系数A减去杂质B再减去水分C得到在线测产的棉花流量，将该在线测产的棉花流量作为棉花实时产量；同时将棉花实时产量分别与单位棉田棉花最低产量D、单位棉田棉花最高产量E进行比较，将比较结果通过PC104微电脑控制器(1)给液压变量泵发送信号，进而实现对采棉机的加速和减速控制；将角度参数F、时间参数G、角速度参数H用于采棉机自动对行；将行走速度参数I、水路压力参数J、滚筒转速参数K、风机转速参数L分别用于测量采棉机行走速度，水路压力，滚筒转速，风机转速。

[0058] 第六步：判断是否按设置参数运行，如果不是按设置参数运行，那么返回第四步重新设置按钮参数，如果是按设置参数运行，则转步骤第七步；

[0059] 第七步：自动对行、行走速度自动控制和手动对行、行走速度手动控制的切换，切换到手动对行、行走速度手动控制，通过方向盘控制采棉机的前进，切换到自动对行、行走速度自动控制，通过控制步进电机的转动的角度和转动的角速度，从而控制全液压转向器完成方向的调整，同时控制行走液压变量泵的供油量，实现行走速度的自动控制；

[0060] 第八步：各个子系统通过CAN总线（7）接收图文显示器（6）发出来的设置好的控制参数，同时各个子系统发送监测数据给图文显示器（6）进行实时显示和监测；

[0061] 第九步：程序将返回并进行循环；

[0062] 系统采用电磁伺服阀控制的行走液压变量泵；采用方向盘转向与自动对行转向切换两种转向方式；采用仪表柱集成发动机转速表、机油压力表、水温表、柴油量表、电压表与采棉机智能控制系统的监控、声光报警组合。

[0063] 如图3所示，本发明的采棉机智能控制系统控制和显示流程如下：

[0064] 第一步：在控制器通电后，系统初始化及CAN总线进行初始化；

[0065] 第二步：通过CAN总线接收控制器的数据；

[0066] 第三步：对接收的数据进行处理；

[0067] 第四步：显示微电脑控制器检测到的状态参数，设置参数:在控制面板上按下设置参数按钮，对棉花流量转换成千克重量显示的系数A、杂质B、水分C、单位棉田棉花最低产量D、单位棉田棉花最高产量E、角度参数F、时间参数G、角速度参数H、行走速度参数I、水路压力参数J、滚筒转速参数K、风机转速参数L进行设置；

[0068] 第五步：判断是否有报警，如有则报警，主要包括：吸入门堵塞，离合器故障，风机速度过低，风机故障，卸棉故障，油压、水压、水温异常，空滤故障 。