2.5. Автоматизація мобільних процесів у рільництві

Незалежно від вирощуваних культур технологічні про­цеси в рільництві майже однакові: обробіток грунту, сівба, догляд за рослинами та збирання врожаю. їх виконують мобільними агрегатами МТА або спеціалізованими само­хідними машинами. Управління будь-якими технологічними процесами у рільництві складається з водіння агрегату, ре­гулювання завантаження двигуна та робочих органів ма­шини, а також контролю за виконанням технологічних операцій.

Найтрудомісткою операцією є водіння, трудозатрати на яке, наприклад при оранці, становлять близько 80 % усіх затрат праці механізатора. Але автоматизація водіння дуже ускладнена внаслідок таких причин.

По-перше, це мобільність засобів виробництва. Адже оброблюваний матеріал (грунт, рослини) залишається не­рухомим, а рухаються засоби виробництва, які його оброб­ляють.

По-друге, складність рельєфу полів. Майже на кожно­му полі є схили, косогори, балки тощо, що створюють до­даткові непередбачені перешкоди агрегату.

По-третє, значна неоднорідність фізико-механічних вла­стивостей оброблюваного матеріалу, це змінює, наприклад, тягові зусилля при переміщенні агрегату та виконанні ним однакових операцій.

Значної уваги механізатора потребують операції, по­в’язані з регулюванням роботи двигуна агрегата, створен­ням умов для його найкращої експлуатації. Зовнішні пе­решкоди змінюють крутильний момент на валу відбору, потужності (ВВП), причиною яких теж є зміни фізико-ме­ханічних властивостей грунту, рослин, а також нерівності поверхні грунту та неоднорідність насаджень. Ці перешко­ди впливають і на завантаження робочих органів збираль­них машин.

Якість оранки, культивації, сівби, збирання врожаю теж потребують певних зусиль та уваги механізатора. При оранці треба дотримувати певної глибини та стежити, щоб не було огріхів. Культивація потребує високої точності ро­боти. Наприклад, похибка копіювання рядків рослим не по­винна перевищувати 2—3 см. Така ж точність потрібна і при сівбі: глибина загортання — до 1 см; норма висіву — до 10 г/см². Огріхи не повинні перевищувати 1 % засіяної площі. Збирання врожаю характеризується втратами (до 1,5 %) та якістю зібраної продукції.

Досвід показує, що механізатор без допомоги техніч­них засобів не може забезпечити управління агрегатом; при якісному виконанні технологічних операцій та опти­мальному використанні його продуктивності. На енерго- насичених агрегатах, таких як кукурудзозбиральний ком­байн «Херсонець-200», механізатор без допомоги автома­тичних систем управління та контролю може використо­вувати лише 60—64 % продуктивності агрегату під час збирання врожаю. При цьому якість збирання підтриму­ється на належному рівні тільки перші три години. Далі механізатор стомлюється і якість збирання значно погіршу­ється. Отже, застосування автоматичних систем при роботі мобільних агрегатів у рільництві необхідне.

Розглянемо ряд методів орієнтації машинно-тракторно­го агрегату, які застосовуються при автоматичному водін­ні. Найпоширенішим є копіювання: машина або МТА ко­піюють лінію, залишену ними ж при попередньому прохо­ді. Це може бути борозна, маркерна лінія, утворена спеціальним слідоутворювальним обладнанням, межа хлі­бостою тощо.

На рис. 2.20 зображена спрощена принципова схема системи автоматичного водіння трактора, побудована на методі копіювання. Сприймаючий елемент фіксує відхи­лення копіра 2, яке з’являється при відхиленні руху трак­тора 9 від борозни 1. Якщо відхилення більше за зону не­чутливості порівнювального елемента 3, то електричний сигнал надходить на елемент управління, який складаєть­ся з двох електромагнітів 4 та гідравлічного підсилювача 5. Елемент управління з’ясовує, в який бік відбулося від­хилення та визначає його величину. Залежно від напрям­ку відхилення включається той чи інший електромагніт, який пересуває поршні гідропідсилювача, а величина від­хилення виливає на тривалість утримання поршнів у цьо­му положенні. При відхиленні поршнів масло потрапляє, до виконавчого елемента — гідроциліндра 6. Його поршень пересуває зубчасту рейку, яка за допомогою рульової тра­пеції 8 змінює положення передніх ведучих коліс трактора 9. Вони повертаються доти, поки копір знову не займе ней­тральне положення.

Такі системи виготовляють та монтують на тракторах К-700, ДТ-75 та інші. Проте вони мають недоліки. По-пер­ше, їх можна використовувати тільки при виконанні однієї або кількох операцій. Наприклад, систему автоводіиня, для якої борозна попереднього проходу є напрямною траєкто­рією, можна застосовувати лише при оранці. Крім того, такі системи набувають помилок попередніх проходів. То-

му вже при третьому — п’ятому проході викривляється борозна, що призводить до неякісної оранки та втрат про­дуктивності агрегату, бо потребує періодичного випрямлен­ня борозни водієм агрегату. Треба відзначити, що борозна та інші маркерні лінії не можуть бути надійним орієнти­ром для механічних копіювальних засобів. За вказаним ме­тодом не можна автоматично вести агрегат на поворотній полосі. Отже, описаний метод обов’язково передбачає при­сутність механізатора, який повинен весь час контролюва­ти роботу автомата водіння та розвертати агрегат в кінці гону.

Більш досконалими є системи автоматичного водіння, які використовують для направлення руху агрегату при­родні або штучні орієнтири на полі. Природними можуть бути рядки рослин, валки скошеного хліба, земляні гребе­ні, де розміщені рослини; штучними — штамби, дріт, які підтримують рослини, струмопровідний дріт, укладений в'землі тощо.

Системи, для управління якими використовують при­родні орієнтири, частіше застосовують на самохідних зби­ральних машинах: зерно-, кукурудзо-, буряко-, капусто- та картоплезбиральних комбайнах. Автоматичне водіння зер­нозбиральних комбайнів здійснюється по валках, для зби­рання кукурудзи, цукрових буряків, капусти — по рядках рослин, картоплезбирального — по земляних гребнях.

Важливим завданням є створення систем по регулю­
ванню положення сільськогосподарських знарядь відносно поверхні поля. Вони потрібні при роботі землеробної тех­ніки (плугів та культиваторів), посівних та збиральних агрегатів.

Системи регулювання глибини оранки та культивації повинні стабілізувати глибину обробітку грунту. Відпо­відно до агротехнічних вимог відхилення глибини оранки на рівних ділянках поля не повинне перевищувати — 1,5 см-, а нерівних — 2—3 см. Нерівномірність глибини обробітку грунту при культивації не повинна перевищувати 1 см.

Існує два основних методи побудови систем автоматич­ного регулювання глибини оранки: силовий та за відхилен­ням. При першому систему регулювання створюють на ос­нові вимірювання тягового зусилля. Другий метод грунту­ється на використанні відстані від поверхні грунту до- різального краю плуга.

Силовий метод не вимірює безпосередньо регулюваль­ну величину, тому при зміні фізико-механічних властивос­тей грунту протягом гону відхилення глибини оранки не­минучі. Але завдяки простій конструкції сприймаючого еле­мента системи цей метод зараз є найпоширенішим.

Розглянемо роботу системи, побудовану на методі ре­гулювання глибини за відхиленням (рис. 2.21). Вимірю­вальним. пристроєм регулятора є планка з повзунком 4, Відхилення планки від зміни глибини ходу плуга переда­ється на золотниковий гідророзподільник 1, який керує роботою гідроциліндра 2. Останній змінює положення плу­га 3.

При відхиленні глибини оранки Н в бік її збільшення: планка з повзунком під дією пружини 5 відхиляється вгору і переміщує плунжер гідророзподільника вліво. Масло під тиском надходить у нижню порожнину гідроциліндра, пор­шень якого піднімається вгору і заглиблення плуга змен­шується. При зменшенні глибини оранки система буде ді­яти у зворотньому напрямку. Найдосконалішими є систе­ми автоматичного регулювання глибини оранки, дія яких грунтується па комбінованому методі, що враховує відхи­лення глибини оранки та тя­гове зусилля. При змінах фізико-механічних власти-

2.21., Система регулювання від­хилення глибини оранки:

1 — гідророзподільник; 2 — гідро­

циліндр; 3 — плуг; 4 — планка з пов­зунком; Н — глибина оранки

востей грунту різко зростають тягові зусилля, що призво­дить до пробуксовування трактора і потребує переходу на нижчу передачу та примусове ручне виглиблення знаряд­дя. Наявність у такій системі силового сприймаючого еле­мента дозволяє значно підвищити продуктивність МТА на оранці.

Ефективне використання збиральної техніки і тракто­рів можливе тільки при оптимальному завантаженні робо­чих, органів та двигуна відповідно до умов їх роботи.

У зв’язку з тим, що зовнішні фактори при роботі сіль­ськогосподарської техніки змінюються в широких межах, нерівномірність завантаження двигуна і робочих органів машин значна, а це може призвести до аварії. Тому необ­хідність в обладнанні техніки автоматичними пристроями очевидна.

Широко застосовується метод контролю "завантаження робочих органів збиральних машин, який грунтується на контролі частоти обертання робочих валів. При переван­таженні будь-якого органу машини його вал зменшує час­тоту обертання. На індикації частоти обертання і створю­ються системи контролю завантаження робочих органів сільськогосподарських машин.

Останнім часом розроблений і виготовляється цілий клас таких систем. Крім контролю частоти обертання, во­ни контролюють втрати продукції, рівень її в бункерах тощо.

Розглянемо конструкцію та роботу такої системи кон­тролю на прикладі УСАК-13. Система призначена для ав­томатичного контролю частоти обертання 13 робочих ор­ганів самохідної коренезбиральної машини КС-6 та подачі світлової та звукової сигналізації при зниженні частоти обертання у тому чи іншому вузлі з визначенням його міс­цезнаходження. За допомогою сигнальних ламп контролю­ють приводи копачів (з 1 по 6 датчик), шнеку (датчик 7), бітерів копачів (датчик 8), передавального вала (датчик 9), поздовжнього транспортера (датчик 10), .завантажу­вального елеватора (датчик 11), стрічкового транспортера (датчик 12), грудкоподрібДОовача (датчик 13). Система УСАК-13 складається з 14 датчиків (один запасний), бло­ка управління, а також 14 кабелів для під’єднання датчи­ків до блока.

Блок управління призначений для сприймання сигна­лів від датчиків, їх аналізу та формування сигналу на ін­дикаторах. До блока приєднують всі елементи і вузли системи. На його передній панелі розміщені клеми для під­ключення живлення від електрообладнання комбайна, кле-

ма підключення звукового сигналу, штепсельні розняття «Індикатор» для підключення індикатора та «Датчик» — датчиків, перемикач «К—1» — для перевірки справності си­стеми, два запобіжники: «2А» — для кола живлення і

«5А» — для кола звукового сигналу. Зверху блока знахо­диться кришка, яка закриває місце перемикача «Датчик» для встановлення кількості підключених до системи датчи­ків, і перемикач «Оберти», за допомогою якого встановлю­ють режим роботи системи контролю.

Індикатор системи призначений для розміщення орга­нів управління та індикаторів візуальної сигналізації ава­рійного стану вузлів, які підлягають контролю.

Індикатор виконаний у вигляді малогабаритного блока. На його передній панелі встановлені вимикачі живлення системи «ВКЛ» та звукового сигналу «ГУДОК», індика­торна лампа наявності живлення та 13 сигнальних ламп. На задній панелі змонтоване штепсельне розняття для під­ключення кабеля від блоку управління.

Датчик системи здійснює перетворення механічного ру­ху обертання у послідовність електричних імпульсів. Це електромагніт з двома обмотками, розміщеними у сталь­ному циліндричному корпусі, і магнітним шунтом на валу, який контролюють. Одну з обмоток використовують для створення електромагніту, а другу електричних сигналів. У корпусі датчика знаходиться фланець для встановлен­ня датчика на вузлі. Перетворення механічного руху в еле­ктричні сигнали здійснюється за допомогою магнітних шун­тів, виконаних з урахуванням конструкції й частоти обер­тання робочих валів.

На рис. 2.22 зображена електрична схема системи кон­тролю, яка складається з конденсатора С, електронного ключа К і порогового елемента НЬ. Зарядження конденса­тора здійснюється за рахунок постійної напруги и_ж на ре­зисторі Я. Електронний ключ спрацьовує в такт з імпуль­сом, який надходить від датчика. Пороговий елемент спра­цьовує, якщо напруга на конденсаторі досягає граничного значення и_тр. Для реалізації порогового елемента вико-' ристовують тиратрони типу МХТ-80 в діодному підключен­ні або світлодіоди.

Принцип дії системи такий. Імпульси від датчика над­ходять иа електронний ключ К, замикають його і в цей час через ключ розряджається конденсатор С. Заряджаєть­ся він при розімкненому К до напруги /7_гр за час Т_тр. Якщо період між' двома імпульсами менший за Г_гр, то конденса­тор не встигає зарядитись до напруги £/_гр і пороговий еле­мент не спрацьовує. При зниженні частоти обертання ро-

бочого вала під дією перевантаження імпульси від дат­чика будуть надходити через більший проміжок часу. Як­що період буде більший Г_Гр, напруга на конденсаторі С встигає досягти £/_гр, що призведе до спрацювання порого­вого елемента. При цьому конденсатор буде розряджатись через тиратрон НЬ. Світлова індикація проявляється у ви­гляді періодів загоряння тиратрона.

Ключ К складається з двох каскадів, виконаних на транзисторах УТІ та УТ2 (рис. 2.23). Перший каскад під­силює імпульси, які надходять від датчика, до рівня спра­цювання другого каскаду. При відкриванні транзистора УТ2 через нього розряджається конденсатор С.

Для перевірки стану основних блоків УСАК у процесі роботи застосовують блок самоконтролю, який складається з генератора, що виробляє імпульси з частотою вищою ніж частота імпульсів від датчиків. При подачі напруги з такою частотою па виході всіх каналів повинні з’явитись сигна­ли «відсутність відхилень», що свідчить про нормальну ро­боту системи.

Важливими системами контролю за правильним вико­нанням технологічних операцій є системи контролю висіву: «КЕДР», УСК, ХА та ін. У сівалках часто порушується нормальна робота механізмів: забиваються грунтом сош­ники, потрапляють сторонні предмети у висівні апарати тощо. Всі ці недоліки призводять до нерівномірності висі­вання зерна, що істотно знижує врожайність. Контроль за роботою сівалок дозволяє водію приділяти основну увагу водінню агрегату, забезпечуючи прямолінійність рядків та задане стикування міжрядь.

Систему «КЕДР» встановлюють на сівалках СУПН. Живиться вона від бортової електричної мережі трактора, з яким агрегатується сівалка і складається з восьми дат-

чиків контролю висіву насіння та двох — рівня насіння, блоків підсилювання та індикації і з’єднувальних кабелів.

Датчики контролю висіву насіння — це П-подібннй кор­пус, де знаходяться освітлювальна лампа, фотодатчик та елктричний підсилювач (рис. 2.24). При подачі живлення лавпаНЬ освітлює фотодіод ВЬ, який є чутливим елемен­том. Насіння, яке висівається, перетинає світловий про­мінь між лампою та фотодіодом, що спричиняє зміну фо­тоструму. Фотодіод через конденсатор СІ, підключений до двокаскадного транзисторного підсилювача (транзистори 1/71 і УТ2). При зміні фотоструму на виході підсилювача виникають електричні імпульси.

Датчик контролю наявності зерна в бункері (рис. 2.25) теж має П-подібний корпус, де знаходяться лампа, фото та баластний резистори. При подачі напруги живлення лампа НЬосвітлює фоторезистор ВЬ. У цьому випадку його опір становить десятки кілоом і струм на виході фоторезистора є сигналом датчика рівня про відсутність зерна у бункері. Якщо фоторезистор знаходиться в шарі насіння, то його опір досягає десятків мегаом і на виході сигнал відсутній.

Сигнали від датчиків надходять у блок підсилювачів, до якого підключаються датчики та пульт управління. Крім підсилювачів, у блоці знаходиться дешифратор — діодна матриця, що складається з восьми груп діодів. За її допо­могою вихідні сигнали з кожного підсилювача перетворю­ються у сигнали для появи відповідної цифри на пульті управління і вмикання звукового сигналу.

Пульт управління є металевим корпусом, в середині якого на друкованій платі змонтовані генератори світло­вих та звукових імпульсів, підсилювачі та засоби індика­ції. На лицьовій панелі розміщені декоративна решітка головки гучномовця, індикатори «Вмик» та «Рівень», тум­блер вмикання живлення, цифрове табло номера місця від- казу, кнопка вмикання режиму «Перевірка».

Аналізуючи досвід розвитку автоматизації процесів у рільництві за кордоном та в Україні, можна зробити вис­новок, що в основному рівень автоматизації мобільних аг­регатів буде підвищуватись шляхом удосконалення існу­ючих систем автоматичного контролю і захисту, розробки систем автоматичного управління на новій елементній ба­зі, створення нових систем на збиральних машинах, які зможуть визначати якість збирання врожаю.

Сучасні системи автоматичного контролю та захисту удосконалюються за рахунок збільшення інформації про технологічний процес, підвищення надійності роботи сис­тем, їх уніфікації та універсалізації.

Спеціалізовані системи автоматичного контролю вико­нують на різних агрегатах майже однакові функції, а від­різняються технічними рішеннями та елементною базою. Універсальні системи позбавлені цих недоліків.

Сучасні системи автоматичного управління мобільни­ми агрегатами розробляються з урахуванням нового об­ладнання, за допомогою якого можливе управління всіма процесами. Так один управляючий пристрій може керувати водінням агрегату, роботою двигуна і правильним виконан­ням технологічних операцій. Таким пристроєм може бути тільки бортова електронно-обчислювальна машина (БЕОМ). Вже зараз розробляються та проходять випробу­вання універсальні управляючі пристрої на основі мікро- ЕОМ, які керують процесами підготовки грунту, висіву, догляду за рослинами та збирання врожаю. При цьому до одного і того ж управляючого пристрою поєднуються но­ві пристрої для подання інформації про параметри того чи іншого технологічного процесу.

Ефективним напрямком удосконалення управління зби­ральних машин є оснащення їх пристроями, які можуть розпізнавати збирану продукцію. Останнім часом створено обладнання для відокремлення картоплі від грудок та ка­міння з використанням рентгенівських променів. Розроб­ляють системи, які відрізняють достиглий салат від недо­стиглого на основі жорстких гама-променів. За допомогою довгохвильового електромагнітного випромінювання роб­лять спроби розпізнати колір овочевих культур.