Универсальное цифровое устройство для системы контроля и управления машиной химизации

Заявленное техническое решение относится к области сельскохозяйственного машиностроения, а точнее к устройствам для автоматизации дозирующих систем машин химизации.
Из существующего уровня техники известно устройство для настройки, контроля и управления расходом минеральных удобрений [RU 2043007, А01С7/00, А01С7/04, А01С15/00], содержащее датчик расхода удобрений, установленный под высевающим аппаратом и выполненный в виде двух изолированных чувствительных пластин, включенных параллельно первой катушки индуктивности, имеющей индукционную связь со второй и третьей катушками индуктивности. Вторая катушка индуктивности включена в цепь высокочастотного управляемого генератора, управляющий вход которого подключен через усилитель настроечного напряжения к входу цифроаналогового преобразователя. Третья катушка индуктивности соединена через усилитель сигнала со вторым входом коммутатора аналогового сигнала, причем его первый вход подключен с выходом датчика влажности, установленным в бункере с высевающим материалом. Выход коммутатора аналоговых сигналов связан с входом усилителя с переменным коэффициентом усиления, электрический выход которого подключен к входу аналогово-цифрового преобразователя. Управляющие входы коммутатора аналоговых сигналов и усилителя с переменным коэффициентом усиления подключены к внешним выходам первого порта ввода-вывода информации, который соединен через системную магистраль с микро-ЭВМ. К последнему через системную магистраль также подключены: блок индикации, блок коррекции, программный таймер, сопряженным с ним датчиком пути, и второй внешний порт ввода-вывода информации, соединенный через первый усилитель мощности к управляющему входу средства настройки, выполненного в виде электроклапана, гидравлический вход которого объединен с входом предохранительного клапана и патрубком напорной магистрали гидросистемы трактора, а выход сообщается с входом гидромотора, для установки на валу высевающего аппарата. Выход гидромотора через последовательно соединенные дроссель-регулятор и обратный клапан связан с патрубком для подключения к сливной магистрали гидросистемы трактора, к которой также подключены второй выход электроклапана и выход предохранительного клапана. Управляющий выход дроссель-регулятора механически связан с реверсивным электродвигателем, подключенным через второй усилитель мощности ко второму внешнему выходу второго порта ввода-вывода информации.
К недостаткам данного устройства можно отнести:
1. применение в его составе электронно-механических элементов: датчика пути и программируемого таймера, для оценки скорости движения устройства;
2. отсутствие в его технологическом процессе автоматической дифференциации нормы внесения препарата в границах одного поля в зависимости от цифровой карты-задания или данных с онлайн сенсора;
3. невозможность обмена данными по стандартному международному протоколу ISOBUS между бортовым компьютером трактора и устройством;
4. невозможность его использования при контроле и управлении дозирующих систем жидких препаратов.
Также аналогом к заявляемой полезной модели является устройство автоматического контроля и управления расходом рабочей жидкости в штанговых опрыскивателях [RU 2020818, А01М7/00], содержащее блок управления с микро-ЭВМ, связанной по системной магистрали с блоком отображения информации, блоком клавиатуры, портом ввода-вывода информации, аналогово-цифровым преобразователем, коммутатором аналоговых сигналов и программируемым таймером. Внешний вход порта ввода-вывода информации подключен к выходу позиционного датчика, установленного на силовом приводе, который связан механическим способом с гидронасосом. Вход гидронасоса сообщается с баком с рабочей жидкостью через фильтрующий элемент посредством всасывающего патрубка, а его выход гидронасоса соединен с напорной и переливной магистралями опрыскивателя. Напорная магистраль опрыскивателя подключена к штанге с распылителями через расходомер переменного давления, состоящий из первого второго датчика давления, преобразователя давления, выполненного в виде диафрагмы, и входного и выходного патрубков с фланцами, в которые установлены первый и второй датчики давления соответственно. Электрические выходы обоих датчиков соединены с внешними входами коммутатора аналоговых сигналов, внешний выход которого подключен к аналогово-цифровому преобразователю. Переливная магистраль сообщается с баком с рабочей жидкостью через перепускной клапан, связанный механически с электродвигателем, вход которого подключен посредством усилителя мощности к внешнему выходу порта ввода-вывода информации. Бак с рабочей жидкостью закреплен на опорные колеса, на одном из которых закреплен датчик скорости, выход которого соединен с входом программируемого таймера.
В качестве недостатков описанного устройства можно выделить:
1. применение в его составе электронно-механических элементов: датчика пути и программируемого таймера, для оценки скорости движения устройства;
2. отсутствие в его технологическом процессе автоматической дифференциации нормы внесения препарата в границах одного поля в зависимости от цифровой карты-задания или данных с онлайн сенсора;
3. невозможность обмена данными по стандартному международному протоколу ISOBUS между бортовым компьютером трактора и устройством;
4. невозможность его использования при контроле и управлении дозирующих систем твердых препаратов.
Прототипом к заявляемой полезной модели является устройство для обработки и обеззараживания почвы при формировании профилированной поверхности [RU 207495, A01B 49/00, A01M 17/00, A01M 21/04], содержащее датчик-расходомер ядохимиката, исполнительное устройство для корректировки расхода препарата, GPS-ГЛОНАСС приемник, модуль для загрузки цифровых карт-заданий и электромагнитный клапан, электрические выходы которых соединены с соответствующими входами блока цифрового управления.
Основными недостатками данного устройства являются:
1. невозможность обмена данными по стандартному международному протоколу ISOBUS между бортовым компьютером трактора и устройством;
2. низкая точность оценки контролируемого процесса, вследствие использования для этого его мгновенных значений.
3. невозможность корректировки нормы внесения препаратов в зависимости данных с онлайн сенсор;
4. невозможность его использования при контроле и управлении дозирующих систем твердых препаратов.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание универсального устройства контроля и управления дозирующих систем машин химизации.
Решение данной задачи достигается за счет того, что универсальное цифровое устройство для системы контроля и управления машиной химизации, содержащее цифровой блок управления, дозатор с подключенным к нему устройством управления дозатором, датчик расхода, приемник GPS-ГЛОНАСС сигнала, модуль загрузки цифровых карт-заданий или онлайн сенсор также снабжено универсальным цифроаналоговым преобразователем, с соединёнными с ним устройством управления дозатором, и универсальным аналогово-цифровым преобразователем, с подключенным к нему датчиком-расходомером, причем универсальный цифроаналоговый преобразователь и универсальный аналогово-цифровой преобразователь сопряжены двухсторонней связью с цифровым блоком управления, который соединяется через системную шину с накопителем информации, счётчиком количества опросов, скользящим фильтром и вычислителем среднего, также цифровой блок управления соединен разъемом ISOBUS с бортовым компьютером трактора, к которому подключены приемник GPS-ГЛОНАСС сигнала и модуль загрузки цифровых карт-заданий или онлайн сенсор.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение точности контроля и управления дозирующих систем машин химизации за счет включения в состав устройства:
1. универсального аналогово-цифрового преобразователя, обеспечивающего связь цифрового блока управления с устройством управления дозатором;
2. универсального цифроаналогово преобразователя, с подключенными к нему датчиком-расходомером, и связывающее его с цифровым блоком управления;
3. накопителя информации, счетчика количества опросов, скользящего фильтра и вычислителя среднего, связанных с цифровым блоком управления по системной шине;
4. разъема ISOBUS, реализующего обратную связь между цифровым блоком управления и бортовым компьютером трактора, и подключенному к последнему приемника GPS-ГЛОНАСС сигнала и модуля загрузки цифровых карт-заданий или онлайн сенсора.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема универсального цифрового устройства для системы контроля и управления машиной химизации.
На фиг. 2 изображен алгоритм процесса устройства в виде блок-схемы.
На фиг. 3 изображен алгоритм контроля и управления машины химизации в виде блок-схемы.
На фиг. 4 представлен алгоритм обработки мгновенного значения расхода препарата.
Описываемое техническое решение включает: цифровой блок управления (ЦБУ) 1, дозатор (Д) 7 с подключенным к нему устройством управления дозатором (УУД) 6, датчик-расходомер (ДР) 4, приемник GPS-ГЛОНАСС сигнала (ПГНСС) 15, модуль загрузки цифровых карт-заданий или онлайн сенсор (ЗУ || ОС) 14 также снабжено универсальным цифроаналоговым преобразователем (УЦАП) 5, с соединёнными с ним устройством управления дозатором (УУД) 6, и универсальным аналогово-цифровым преобразователем (УАЦП) 3, с подключенным к нему датчиком- расходомером (ДР) 4, причем универсальный цифроаналоговый преобразователь (УЦАП) 5 и универсальный аналогово-цифровой преобразователь (УАЦП) 3 сопряжены двухсторонней связью с цифровой блок управления (ЦБУ) 1, который соединяется через системную шину 8 с накопителем информации (НИ) 9, счётчиком количества опросов (СКО) 10, скользящим фильтром (СФ) 11 и вычислителем среднего (ВС) 12, также цифровой блок управления (ЦБУ) 1 соединен разъемом ISOBUS 13 с бортовым компьютером трактора (БК) 2, к которому подключены приемник GPS-ГЛОНАСС сигнала (ПГНСС) 15 и модуль загрузки цифровых карт-заданий или онлайн сенсор (ЗУ || ОС) 14.
Алгоритм рабочего процесса устройства представлен в виде блок-схемы на фиг. 2, где при включении устройства выполняется инициализация цифрового блока управления (ЦБУ), накопителя информации (НИ), счетчика количества опросов (СКО), скользящего фильтра (СФ) вычислителя среднего (ВС), а также протокола ISOBUS для обмена данными с бортовым компьютером (БК) трактора и приемника GPS-ГЛОНАСС сигнала (ПГНСС). Далее в автоматическом режиме блок цифрового управления производит самодиагностику устройства, направленную на обнаружение проблем, связанных с подключением датчика-расходомера (ДР), устройства управления дозатором (УУД) или ошибок при инициализации приведенных в готовность элементов устройства. В случае их обнаружения цифровой блок управления (ЦБУ) посылает соответствующий сигнал в бортовой компьютер (БК) трактора, который выводит на своем дисплей информационное сообщение о текущей неполадке.
к
к
н
в
к
В случае отсутствия ошибок цифровой блок управления (ЦБУ) переходит в режим ввода настроечных параметров (норма расхода препарата Q, рабочая ширина машины химизации B и величина агротехнического допуска β на отклонение значения контролируемого процесса Q(t) от нормы расхода препарата Q. После ввода оператором требуемых значений на дисплее бортового компьютера БК трактора, выполняется их передача в цифровой блок управления ЦБУ, где вычисляются значения нижней и верхней границы допустимого интервала Q, Qна отклонении контролируемого процесса Q(t) от нормы расхода препарата Q. На следующем этапе подготовки устройства к работе выполняется настройка машины химизации на заданную норму расхода, в соответствии с известными методиками настройки. Перед началом работы производят загрузку, заранее подготовленную карты-задания для локального внесения препарата через модуль загрузки цифровых карт заданий (ЗУ) или подключают и настраивают соответствующий онлайн сенсор (ОС). Непосредственно в начале работы машины химизации на обрабатываемом поле нажимают соответствующую кнопку на бортовом компьютере (БК) трактора, в результате чего универсальное цифровое устройство переходит в режим контроля и управления (фиг. 3). Выход устройства из режима контроля и управления определяется как завершение работы и выполняется путем нажатия соответствующей кнопки на дисплее бортового компьютера (БК) трактора.
Функционирование универсального цифрового устройства в режиме контроля и управления начинается с опроса приёмника GPS-ГЛОНАСС сигнала (ПГНСС) бортовым компьютером (БК) трактора. В результате этого бортовой компьютер (БК) трактора получает мгновенное значение скорости агрегата V, которое передается и записывается в память цифрового блока управления (ЦБУ), и текущие координаты местоположения машины химизации x, y, отправляемые в его память. После чего бортовой компьютер (БК) трактора определяет состояние участка E(x, y), соответствующее местоположению машины химизации, основываясь на данных: считанных с цифровой карты-задания, загруженной через модуль загрузки (ЗУ) или оперативных опросов онлайн сенсора (ОС). В случае, если участок поля, по которому движется машина химизации требует внесения препарата E(x, y)≠1, то функционирование устройства выполняется дальше по алгоритму. Если участок поля не требует внесения препарата, то цифровой блок управления (ЦБУ) через универсальный цифроаналоговый преобразователь УЦАП посылает соответствующий сигнал на устройство управления дозатором (УУД) с целью его отключения. Внесение препарата на таком участке не осуществляется.
Движение машины химизации по зоне требующей внесения препарата E(x, y)=1 сопровождается опросом цифровым блоком управления (ЦБУ) датчика-расходомера (ДР), соединённого с ним через универсальный аналогово-цифровой преобразователь (УАЦП), и обработкой полученного мгновенного значения расхода препарата по специальному алгоритму (фиг. 4). Опрос датчика-расходомера (ДР) выполняется каждые 20 см пути агрегата.
t
t
t
к
Переданное мгновенное значения расхода q с датчика-расходомера ДР записывается в оперативной памяти цифрового блока управления (ЦБУ). Наряду с этим выполняется увеличение счетчика количества опросов (СКО) на единицу, т.е. в начале работы на поле N=0, при каждом опросе датчика-расходомера N:=N+1. Если значение, хранимое в счетчике количества опросов (СКО) меньше ста (N≤100) (в начале работы устройства первые 20 м пути агрегата), устройство выполняет сбор значений q в накопителе информации (НИ). При этом цифровой блок управления (ЦБУ) по системной шине передает значение qв накопитель информации (НИ), где записывается последним элементом в массиве данных. Этот массив, размером 100 элементов, накапливает и хранит в процессе функционирования устройства значения величин расхода препарата ста предыдущих измерений. Текущее значение расхода препарата в этом случае вычисляется в цифровом блоке управления (ЦБУ) с учетом хранимых в его памяти значениях нормы расхода препарата Q, мгновенной скорости агрегата V и рабочей ширины захвата машины химизации B по формуле:
Если значение счетчика количества опросов (СКО) датчика-расходомера больше ста (N>100), то скользящий фильтр (СФ), связанный по системной шине с накопителем информации (НИ) выполняет обновление массива данных путем удаления значения величины расхода препарата под его первым индексом и перезаписи значений, содержащихся под i–ым индексом на значения элементов под индексом i+1. В аналитическом виде это представляется следующим образом:
t
При этом преобразовании значение величины расхода препарата под первым индексом удаляется, а последующие сдвигаются на 1 индекс влево. После этого цифровой блок управления (ЦБУ) по системной шине (СШ) передает значение q в накопитель информации (НИ) и записывает его в массив данных в качестве последнего элемента:
В результате чего обновленный массив данных, содержащийся в накопителе информации (НИ), включает 100 значений расхода препарата, которые передаются в вычислитель среднего (ВС), где суммируются и делятся на 100. Вычислитель среднего (ВС) в этом случае выполняет следующее преобразование:
t.
Вычислитель среднего (ВС) передает по системной шине рассчитанное усредненное значение расхода q в цифровой блок управления ЦБУ, а последний стирает из своей оперативной памяти мгновенное значения расхода q
Усредненное значение расхода препарата q позволяет повысить точность оценки контролируемого процесса Q(t), путем минимизации влияния случайных, в вероятностно-статистическом смысле, явлений протекающих внутри контрольно-измерительной аппаратуры.
t
Затем цифровой блок управления (ЦБУ) вычисляет фактический расход препарата на гектар Q, основываясь на хранимых в памяти значениях мгновенной скорости агрегата V, рабочей ширины захвата машины химизации B и усредненной величины расхода препарата q. Формула вычисления следующая:
t
н
в
t
q
t
н
в
q
После чего цифровой блок управления (ЦБУ) сравнивает фактический расход препарата на гектар Qс допустимыми значениями (Q;Q). В случае выхода контролируемого параметра Q за пределы принятого допуска цифровой блок управления (ЦБУ) посылает соответствующую команду на устройство управления дозатором (УУД), которое корректирует управляющее воздействие U(фиг.1), подаваемое на дозатор (Д), в большую или меньшую сторону. Тем самым выполняется регулировка режима работы дозатора (Д). Если фактический расход препарата на гектар Qнаходиться в пределах допуска (Q;Q), корректировка управляющего воздействия Uи поднастройка дозатора (Д) не требуется.