МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ МОБИЛЬНЫХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ АГРЕГАТОВ

Системы автоматического регулирования нормы внесения жидких компонентов. Полевые прицепные и самоходные опрыскиватели (подкормщики) оснащают устройствами автоматики, которые обеспечивают регулирование количества жидких компонентов (удобрений, химических препаратов), вносимых на единицу обрабатываемой площади.

Рис. 6.16. Функционально-технологическая схема САУ РЖ:

1 — распиливающая штанга; 2 — дросселирующее устройство; 3 — измерительный преобразователь; 4— контроллер; 5— исполнительный механизм; 6— электродвигатель; 7 —дроссель; 8— распределитель; 9 — бак; 10— обрезиненный ролик; 11 — флажковый модулятор; 12 — постоянный магнит; 13 — индукционная катушка; 14 — датчик; 15 — ходовое колесо

Если этот расход отличается от заданного, то контроллер формирует импульсный командный сигнал на приводимый электродвигателем 6 исполнительный механизм (ИМ) 5, который за счет изменения проходного сечения дросселя 7 увеличивает или уменьшает расход жидкости, возвращаемой в бак 9, а следовательно, уменьшает или увеличивает расход жидкости, направляемой к сопловым аппаратам распыливающей штанги 1. Длительность командного импульса пропорциональна величине отклонения текущего значения удельного расхода от его заданного значения.

Измерительный преобразователь (датчик) расхода жидкости 3 — манометрический с частотным электрическим выходным сигналом. Принцип измерения основан на известной зависимости перепада давления на калиброванном дросселирующем устройстве 2 от расхода через него жидкости.

Датчик расхода выполнен на базе манометра, мембранный чувствительный элемент которого механически связан с одной из пластин конденсатора переменной емкости, включенного в задающую цепь генератора электрических сигналов. При изменении расхода меняется положение мембраны и, следовательно, емкость переменного конденсатора, что ведет к изменению частоты сигнала, генерируемого датчиком. С целью уменьшения влияния пульсаций давления на работу датчика и исключения контакта с агрессивной рабочей жидкостью измерительная камера датчика соединена с рабочей гидравлической магистралью через масляный демпфер.

Датчик 14 пути перемещения МСА формирует сигнал в виде единичного электрического импульса после прохождения агрегатом заданного отрезка пути. Поэтому число импульсов, поступивших с датчика за заданный промежуток времени, равно числу этих отрезков пути, на которые переместился МСА. Временной интервал t между импульсами пропорционален скорости движения. Такой датчик состоит из индукционного преобразователя, выполненного в виде постоянного магнита 12с намотанной на него индукционной катушкой 13, и флажкового модулятора 11 поля постоянного магнита. Модулятор закреплен на валу, который приводится во вращение от обрезиненного ролика 10, находящегося во фрикционном сцеплении с ходовым колесом /5 агрегата. При каждом обороте ролика, что соответствует прохождению агрегатом пути lо или обработанной площади F₀ = l₀ В (В — ширина захвата агрегата, м), флажок один раз пересекает активную зону индукционного преобразователя и на выходе датчика появляется один импульс. Конструкция индукционного преобразователя датчика пути перемещения МСА аналогична конструкции датчика частоты вращения вала.

Вычисление удельного расхода жидкости основано на подсчете числа его импульсов за время обработки участка поля площадью F₀. При рабочем диапазоне изменения давлений (0,02...0,06 МПа) жидкости на входе в распыливающую штангу и скорости движения агрегата 5...12 км/ч САУ РЖ обеспечивают точность поддержания заданной нормы внесения жидкости с погрешностью ±5 %. Диапазон регулирования дозы внесения жидких компонентов для различных систем САУ РЖ составляет 20...2000 л/га, а шаг изменения настройки — 1 л/га.

Система САУ РЖ включает перепрограммируемый микропроцессорный контроллер, функциональная схема которого показана на рисунке 6.17. В его состав входят таймер программируемый Т, микропроцессор (МП), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), панель индикации, контроллер и поле клавиатуры, блок питания (БП). Последний обеспечивает формирование необходимых для работы датчиков и всех электронных компонентов системы значений стабилизированных напряжений. Энергопитание БП осуществляется от бортовой сети МСА, в которой допускаются колебания напряжения —30...+ 100% номинального (12В). Микропроцессорный контроллер обеспечивает работу САУ РЖ-2 в трех режимах: программирование, работа и диагностика. В режиме программирования оператор с помощью клавиатуры может вводить технологические параметры агрегата (тип и число распылителей и др.) и задавать требуемую норму внесения. Вводимые данные и задание визуализируются на панели цифровой индикации, при этом автоматически проверяется выполнение стабилизации заданной нормы внесения. Если в пределах допустимых изменений скоростей перемещения агрегата норму обеспечить нельзя, то на индикаторе высвечивается сообщение об ошибке.

Рис. 6.17. Функциональная схема микропроцессорного контроллера САУ РЖ:

Т'— программируемый таймер; ПЗУ— постоянное запоминающее устройство; МП — микропроцессор; БП — блок питания

Микропроцессорная система автоматического контроля и автоматического регулирования (САКАР). Она предназначена в основном для корнеуборочных и кукурузоуборочных самоходных машин с гидростатической трансмиссией, а также и для других сложных уборочных МСА. САКАР обеспечивает выполнение функций систем автоматического контроля вождения, а также автоматического управления загрузкой рабочих органов самоходных МСА путем соответствующих изменений их поступательной скорости. САКАР позволяет выполнять и ряд дополнительных функций управления—обеспечение диалогового режима с оператором и др. При возникновении аварийных ситуаций с рабочими органами, перегрузках дизельного или гидравлического двигателей, падении давления масла в смазочной и других системах двигателя МСА ниже допустимого уровня САКАР автоматически останавливает МСА.

В системе САКАР (например, применительно к машине для уборки сахарной свеклы) программируемый микроконтроллер содержит одноплатную микроЭВМ. Ее адаптеры внешнего интерфейса обеспечивают 64 канала связи с внешними устройствами. МикроЭВМ имеет кварцевый генератор тактовых сигналов и программируемый таймер для синтеза необходимых системе управления временных интервалов наблюдения. Плата ввода-вывода имеет четырехканальный и восьмиразрядный АЦП, а также одноканальный шестиразрядный ЦАП, четыре канала ввода двухпозиционных сигналов от электромагнитных датчиков. САКАР осуществляет ввод, формирование и усиление импульсных сигналов от 13 индукционных датчиков частоты вращения. Десять из них формируют сигналы о частоте вращения валов основных рабочих органов, остальные - о частоте вращения ходового колеса, ведомого вала клиноременной передачи, коленчатого вала двигателя.

Панель управления и индикации с соответствующими схемами формирования сигналов содержит клавиатуру и дисплей на жидких кристаллах, на котором могут инициализироваться сообщения в цифровой форме и в виде указательных надписей, пиктограмм рабочих органов (в соответствии с символами, расположенными на кнопках клавиатуры). Микроконтроллер может реализовать различные программы по командам, вводимым с клавиатуры.

Так, команда «Тест» запускает программу диагностики состояния рабочих органов и двигателя, при этом может осуществляться цифровая индикация состояния их кинематического режима. Частоты вращения рабочих органов, измеренные в режиме холостого хода, контроллер запоминает. В дальнейшем по этим значениям с учетом реальной частоты вращения вала двигателя контроллер формирует сигналы о нарушениях в работе фрикционных передач, количестве загрузки, состояниях режимов рабочих органов и др. Команды «Пуск» и «Стоп» соответственно пускают и приостанавливают программу контроля рабочих органов и двигателя при выполнении ТП. Команда «CAB» запускает программу коррекции системы автоматического вождения.

Команда «АРЗ» (автоматическое регулирование загрузки) запускает программу формирования сигнала уровня загрузки уборочной машины. Он формируется контроллером на основании информации о частотах вращения вала двигателя и отдельных рабочих органов. Этот сигнал передается в электронный блок и далее на управление пропорциональным электрогидравлическим сервомеханизмом, который изменяет скорость поступательного движения МСА при отклонении значения сигнала загрузки от заданного. Таким образом осуществляется стабилизация технологической загрузки МСА.

Бортовая автоматизированная система управления технологическими, энергетическими и эксплуатационными режимами работы МСА. Она предназначена для получения, обработки, хранения и выдачи оператору информации о технологических, энергетических и эксплуатационных режимах работы МСА, о действиях, которые рекомендуется выполнить оператору для обеспечения наиболее эффективной работы мобильного агрегата, а также об отклонениях от нормальной работы технологических и энергетических режимов МСА. Бортовая автоматизированная система (БАС) позволяет в целом повысить технический и экологический уровни МСА за счет контроля и учета их основных показателей работы, снижения расхода топлива, улучшения условий труда операторов, увеличения срока службы двигателя и МСА в целом, снижения вредного воздействия МСА на окружающую среду, растительность, человека, а также существенного повышения производительности работы МСА. БАС включает:

1. Комплект датчиков: нагрузки двигателя, действительной скорости поступательного движения МСА, частоты вращения колес трактора (теоретической скорости поступательного движения МСА), вращения коленчатого вала двигателя, вращения ВОМ, вращения узлов прицепной машины (орудия), номера включенной передачи, температуры охлаждающей жидкости двигателя, температуры масла двигателя, давления масла в двигателе, давления масла в гидросистеме МСА, уровня топлива в баке, заряда аккумуляторной батареи.

Исходя из требований безопасности и своевременной остановки МСА в критических ситуациях информационные параметры, приведенные ниже, следует считать аварийными: температура охлаждающей жидкости, давление масла в двигателе, температура масла двигателя, давление в гидравлической системе, частота вращения ВОМ, рабочих органов, заряд аккумуляторной батареи.

Отдельные датчики БАС могут быть штатными для трактора (комбайна).

2. Блок хранения, обработки и выдачи информации.

3. Блок стабилизированного напряжения.

Структура БАС приведена на рисунке 6.18, а. Она включает следующие основные узлы: микроЭВМ с центральным процессором, блоки управления, визуальной и звуковой индикации, сопряжения с выходами измерительных преобразователей, устройство ввода, запоминающие устройства оперативное (ОЗУ) и постоянное (ПЗУ), блок стабилизированного напряжения.

МикроЭВМ с центральным процессором и ОЗУ — основной базовый узел, осуществляющий управление и синхронизацию работы всех узлов БАС. Связь микроЭВМ с другими блоками организована с помощью 8-разрядных шин данных и управления, а также 12-разрядной адресной шины. МикроЭВМ представляет собой функционально-законченное устройство, содержащее на одном кристалле центральный процессор, ОЗУ данных, многоканальный интерфейс ввода-вывода, 8-разрядный таймер-счетчик, схему прерываний, тактовый генератор, устройство синхронизации.

Блок управления предназначен для выбора вводимой для БАС и выводимой на световой индикатор (монитор) информации, коррекции работы таймера (часов), задает различные режимы работы БАС.

Блок визуальной и звуковой индикации позволяет представлять контролируемые БАС информационные параметры работы МСА в цифровом (например, скорость МСА, расход топлива, время, температуру, давление и др.) или аналоговом (тахометр, уровень топлива в баке, нагрузка двигателя, уровень заряда аккумуляторной батареи и др.) виде. Такой блок индикации позволяет также инициализировать контролируемый параметр с помощью светодиодных указателей различных пиктограмм, например аварии в какой-либо системе МСА (путем зажигания надписи «Стоп»). Звуковая индикация формирует прерывистые сигналы в случае появления аварийных режимов работы каких-либо систем (узлов) МСА.

Блок сопряжения с выходами датчиков обрабатывает аналоговые и цифровые сигналы датчиков в удобные для восприятия БАС. Такие устройства включают аналого-цифровую систему сбора данных (АЦС), усилители-ограничители, схему устранения дребезга контактов, делители напряжения.

Устройство ввода предназначено для ввода цифровой информации в микроЭВМ. Основу устройства составляет программируемый параллельный интерфейс.

ОЗУ предназначено для временного хранения информации, данных или промежуточных результатов вычислений.

ПЗУ предназначено для хранения и вывода 8-разрядного кода данных из ячеек памяти в соответствии с 12-разрядным кодом адреса и управляющими сигналами, поступающими с микроЭВМ. Программы хранятся в ПЗУ независимо от подачи на него напряжения питания.

Блок стабилизированного напряжения преобразует напряжение аккумуляторной батареи в стабилизированное напряжение +5 В, необходимое для питания всех интегральных микросхем БАС.

Виды используемых в БАС датчиков различных информационных, энергетических, технологических и эксплуатационных параметров МСА приведены на развернутой структурной схеме, показанной на рисунке 6.18, б.

В качестве измерительных преобразователей используют следующие датчики: УТ — уровня топлива в баке, ДД — давления масла в двигателе, ДП — давления в пневматической системе, ТД — температуры в двигателе, ТОЖ — температуры охлаждающей жидкости в двигателе, ТТ — температуры масла в трансмиссии МСА, ЗАБ -напряжения аккумуляторной батареи, СД — скорости поступательного движения МСА, ЧВД — частоты вращения коленчатого вала двигателя, ЧВК — частоты вращения колес (трактора или комбайна), ЧВВ — частоты вращения ВОМ, ЧВР — частоты вращения рабочих органов, НД — нагрузки двигателя.

Обрабатывают сигналы всех датчиков в микроЭВМ. В системе используют микроЭВМ с однополярным источником питания (+5В). При выходе какого-либо параметра МСА за допустимые пределы на индикаторе загорается надпись «Стоп» и подается прерывистый звуковой сигнал. В новой системе возможны выдача на информационное табло рекомендаций — советов (выбор конкретного номера передачи, увеличение или уменьшение подачи топлива, изменение скорости движения МСА и др.), прогнозируемых значений отдельных информационных параметров.

Основными блоками БАС являются микроЭВМ и аналого-цифровая система (АЦС). С учетом технических требований, предъявляемых к БАС, простоты и надежности аппаратных средств, а также минимизации их стоимости в качестве микроЭВМ выбран однокристальный микропроцессор. Существенные преимущества последнего: дешевизна, однополярность питающего напряжения, совместимость входных и выходных сигналов с современными микросхемами. Применение АЦС вместо традиционных АЦП значительно повышает технические и эксплуатационные характеристики БАС. Основными преимуществами такой АЦС являются: организация связи с микропроцессорными устройствами по принципу прямого доступа к памяти, реализация алгоритма последовательной обработки аналоговых сигналов по всем (восьми) независимым входам, возможность функционирования с одним (по полярности) источником питания, низкая мощность потребления, монотонность и стабильность передаточной характеристики.

В функциональный состав АЦС сбора данных входят (рис. 6.18, б): аналоговый мультиплексор; аналого-цифровой преобразователь; ОЗУ с организацией памяти 8x8; схема фиксации адреса и выбора канала; буферный регистр с тремя уровнями логических

состояний.

Аналоговый мультиплексор выполняет последовательное переключение всех (восьми) аналоговых каналов, по каждому из которых статическое ОЗУ (емкостью 8x8 бит) сохраняет результаты преобразования по каждому из аналоговых каналов. Схема фиксации адреса и выбора канала обеспечивает последовательный опрос каналов АЦС, фиксацию адреса, запись в ОЗУ по сигналу WR и считывание по сигналу RD. Буферный регистр осуществляет согласование уровней сигналов с разрядной шиной данных. Схема работает в однополярном режиме для входных напряжений положительной полярности с амплитудами от 0 до 2,5 В.

После включения питания БАС выполняет самотестирование, после чего переходит в режим информирования с отображением на панели контролируемых параметров МСА. В процессе работы оператор может вызвать на дисплей показания и значения любого из контролируемых параметров технологического или энергетического режимов работы МСА. БАС одновременно информирует оператора о выходе отдельных параметров (например, скорости движения МСА, его буксования и др.) за пороговые значения.

При движении МСА импульсы, пропорциональные его скорости движения, поступают в процессор. В последнем вычисляются соответствующие параметры: истинная скорость, значение буксования, пройденный MCA путь, размер обработанной площади и др. Оператор может значение любого параметра вызвать на дисплей нажатием соответствующей клавиши на панели управления. Истинная скорость непрерывно сравнивается с заданными допустимыми ее значениями. При выходе значения скорости за допустимые пределы включается визуальная и звуковая сигнализация, продолжающаяся до того момента времени, пока значение скорости не войдет в заданный диапазон. Аналогично контролируется величина буксования.

Принцип действия датчика нагрузки дизельного двигателя основан на известном положении, что в моменты касания ограничителем подачи топлива его упора мощность, развиваемая двигателем, будет максимальной, а режим его работы по топливной экономичности — близким к оптимальному. Регистрация датчиком соответствующего положения ограничителя с учетом тенденций изменения частоты вращения вала двигателя позволяет прогнозировать нагрузку последнего. Кроме того, такой измеритель нагрузки дает возможность в полевых условиях контролировать реальную рабочую характеристику двигателя, что достигается непрерывной регистрацией (в нагрузочной характеристике двигателя) точки перехода корректорной ветви на регуляторную.

Измерение скорости поступательного движения МСА (трактора, комбайна, машины) позволяет: контролировать его действительную (в отличие от теоретической) скорость движения; измерять буксование движителей энергетического средства; оперативно определять обработанную площадь или пробег. Действительную скорость МСА измеряют с помощью радарных датчиков, работающих на основе доплеровского эффекта. Использование доплеровского эффекта осуществляется излучением электромагнитных или акустических колебаний на опорную поверхность (на почву, дорогу) под определенным углом а и приеме отраженных от этой поверхности колебаний. Излучатель и приемник устанавливают на МСА. При движении излучателя отраженный от земли сигнал, принятый приемником, будет иметь частоту Доплера fд, отличающуюся от излученной на

, откуда ,

где — действительная скорость МСА; — длина волны излучаемых колебаний; — угол наклона оси излучателя к поверхности.

Действительную скорость движения МСА вычисляет микропроцессор, в программу которого заложено приведенное выше выражение. Для определения буксования движителей кроме значения действительной скорости необходимо знать теоретическую скорость V_T движения МСА. Ее находят по частоте вращения или угловой скорости любого вала трансмиссии, соответствующему передаточному числу и радиусу ведущего колеса. Вычисленную по этим данным теоретическую скорость бортовой компьютер сопоставляет с действительной скоростью энергетического средства по известной формуле. Если результаты расчета бортового микропроцессора вывести на панель приборов, то в процессе работы можно контролировать текущее значение действительной скорости и коэффициент буксования движителей энергетического средства:

.

Зная действительную скорость и ширину захвата агрегатируемого с трактором орудия, можно контролировать текущую производительность МСА.

В БАС датчик действительной скорости МСА реализует также принцип радиолокационного измерения. Он включает СВЧ приемо-передающий блок интегрального исполнения и антенну с фазированной решеткой. Приемо-передающий блок содержит транзисторные генератор и смеситель. Излучаемый сигнал имеет частоту 12 ГГц. Ширина диаграммы направленности антенны составляет около 10°. На выходе датчика формируется сигнал, пропорциональный частоте Доплера. Для снижения негативного воздействия вибраций и колебаний (продольных и поперечных) трактора на датчик действительной скорости последний устанавливают вблизи центра масс на корпусе, задней полураме или на раме двигателя (соответственно для тракторов К-701, Т-150К, МТЗ-82). Высота установки такого ИП колеблется от 500 до 1100мм от поверхности земли. Диаграмма направленности ИП скорости должна быть сконцентрирована в

колее трактора.

ИП теоретической скорости (стандартный индукционного типа с импульсным выходом) установлен на ведущем мосту трактора (для трактора К-701 можно использовать штатный ИП оборотов спидометра) и измеряет частоту вращения его ведущих колес. В БАС с учетом радиуса и частоты вращения ведущего колеса осуществляется расчет теоретической скорости МСА.

Контрольные вопросы и задания

1. Изложите особенности реальной работы МСА. 2. Объясните назначение систем автоматического контроля и управления режимами работы МСА. 3. Объясните принцип работы САК посевных агрегатов. 4. В чем заключается принцип работы САК уборочных машин? 5. Каков принцип работы САУ положением рабочих органов МСА? 6. Расскажите о работе САУ загрузкой уборочных комбайнов. 7. Как САУ управляет движением МСА? 8. Расскажите, как работает функциональная схема микропроцессорной системы управления МСА.