一種山地拖拉機車身調(diào)平控制系統(tǒng)設(shè)計

徐峰+李廣宇+高墨堯+張云碩+孟長伊+孫卓+張磊+張漢思+李玲玲

摘 要：針對丘陵山地拖拉機車身調(diào)平過程復雜、調(diào)平精確度高、自動化程度要求高等問題，本研究將PLC、觸控屏等自動化及人機工程引入到履帶式丘陵山地拖拉機車身調(diào)平裝置中，建立PLC、LCD觸控顯示屏、電磁比例閥、液壓執(zhí)行機構(gòu)、溫度傳感器、傾角傳感器、限位開關(guān)、系統(tǒng)壓力傳感器等組成的丘陵山地拖拉機車身自動調(diào)平控制系統(tǒng)。重點研究了丘陵山地拖拉機車身調(diào)平PLC自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理，進行PLC、觸控屏的選型，并編制了上位機和下位機控制程序，并進行實際運行結(jié)果試驗。

關(guān)鍵詞：山地拖拉機；車身調(diào)平；自動控制系統(tǒng) PLC

中圖分類號：S22 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170931022

1 車身調(diào)平系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及控制原理

1.1 車身調(diào)平系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及自動調(diào)平原理

根據(jù)本研究中所提出的車身自動調(diào)平方案，本課題研究并設(shè)計了一種能夠?qū)崿F(xiàn)車身自動調(diào)平的裝置，見圖1所示。該裝置主要由LCD觸控顯示屏、溫度傳感器、傾角傳感器、系統(tǒng)壓力傳感器、液壓油缸、限位開關(guān)、PLC控制系統(tǒng)等部分成。

其自動調(diào)平原理為：傾角傳感器放置于車架的正中央下方位置，限位開關(guān)包括左限位開關(guān)和右限位開關(guān)。圖1中3、11為小型重載式左、右限位開關(guān)，當車身向左、向右傾斜程度到達極限位置時觸發(fā)橫桿使該限位開關(guān)動作，輸出相應(yīng)信號；限位開關(guān)分別布置在車架兩側(cè)。液壓油缸活塞拉桿一端固定在鉸接桿系橫梁6上，其液壓缸另一端與鉸接桿系立梁13固定，整機固定方式采用了鉸接式和剛性連接式固定。當丘陵山地拖拉機進行車身調(diào)平時，根據(jù)傾角傳感器所監(jiān)測到的車身的傾斜信號，并發(fā)出車身調(diào)平信號指令。通過液壓油缸運動帶動平行四桿機構(gòu)進而帶動車身運動，最終完成車身調(diào)平。

1.2 控制系統(tǒng)原理

丘陵山地拖拉機車身調(diào)平系統(tǒng)由手動和自動2種工作模式構(gòu)成，手動模式是為了防止自動模式出現(xiàn)故障及意外時無法運行而設(shè)置的操作，同時也是為了更加完善的保障車身調(diào)平系統(tǒng)能夠順利進行。自動模式則是通過左右限位開關(guān)、傾角傳感器、溫度傳感器、系統(tǒng)壓力報警器、過濾器、系統(tǒng)壓力傳感器所檢測到的限位開關(guān)信號、角度信號、溫度信號、壓力開關(guān)信號、回油過濾器堵塞和系統(tǒng)壓力信號來電磁比例閥的啟停進行自動控制，同時根據(jù)實時監(jiān)測到的信號控制液壓油的流量和流速，進而調(diào)整液壓油缸行程。

2 控制系統(tǒng)硬件配置

根據(jù)丘陵山地拖拉機車身自動調(diào)平系統(tǒng)的控制要求，考慮到西門子S7-200系列PLC的性價比非常高，并且在各個行業(yè)里的使用也非常廣泛，因此本課題控制系統(tǒng)所采用的是西門子S7-200系列的是CPU222，采用這一PLC來進行開發(fā)，有著適應(yīng)性廣、成本低廉、升級方便、可移植性強等優(yōu)點。該系統(tǒng)具體的控制結(jié)構(gòu)配置圖見圖2所示。

2.1 2 PLC硬件配置

從上面的結(jié)構(gòu)圖中可以看出，丘陵山地拖拉機的車身調(diào)平控制系統(tǒng)共有24個數(shù)字量的輸入點以及16個數(shù)字量的輸出點，并且還可以根據(jù)實際的使用需求，額外選配MMC樣式的微存儲卡。其數(shù)字量的輸入信號總共有4個：左限位開關(guān)、右限位開關(guān)、回油過濾器堵塞壓力開關(guān)、系統(tǒng)壓力報警，其中回油過濾器堵塞壓力開關(guān)、系統(tǒng)壓力報警為報警信號。該控制系統(tǒng)的數(shù)字量輸出信號有4個：報警燈、蜂鳴器、LCD觸控顯示屏、中間繼電器。

該車身調(diào)平系統(tǒng)的模擬量輸入信號有2個：分別是系統(tǒng)壓力傳感器、溫度傳感器。另外還有一個傾角傳感器的信號處理模塊也能進行輸入。因此，在本系統(tǒng)配置的是1個RS485輸入端口、1個熱電耦輸入型EM231模塊和1個EM235模塊共同組成3通道進行隔離輸入，達到了系統(tǒng)的使用要求。

由于PLC沒有簡便、可操控性的人機交換界面，使得操作人員在操作過程中存在一定的困難，因此為了方便進行操作和顯示，系統(tǒng)配置了LCD觸控顯示屏來輔助進行人機的交互，也留出了進行顯示狀態(tài)監(jiān)測和設(shè)置工作參數(shù)的渠道，能夠給用戶提供非常完備的報警以及其他各種處理方案，從而能夠迅速地進行故障排除，保設(shè)備的智能化與自動化運行[1]。

2.2 傳感器選型與配置

在丘陵山地拖拉機的車身調(diào)平系統(tǒng)當中共使用了傾角、溫度和系統(tǒng)壓力這3種傳感器。溫度傳感器選擇探針式鉑溫度傳感器Pt100[2]，測量值在-50～180℃之間。溫度傳感器安裝字液壓油箱內(nèi)部，用來監(jiān)測油液的溫度。傾角傳感器選用的是一款抗振動型雙軸傾角傳感器，輸出方式RS485接口，由青島有測控制技術(shù)有限公司生產(chǎn)，型號CQ-400，動、靜態(tài)精度分別為1°和0.1°。系統(tǒng)壓力傳感器安裝在液壓泵出油口處，選用佛山一眾傳感儀器有限公司生產(chǎn)的PY206型液壓油壓力傳感器，量程為0.6Mpa～60Mpa，輸出信號0～5VDC，可以直接傳送給PLC控制系統(tǒng)并在觸摸屏上顯示[2]。

2.3 PLC接口電路設(shè)計

在這里，觸控屏與PLC之間采用的是MPI通訊協(xié)議來進行通信，它們之間通過MPI通信電纜實現(xiàn)連接。PLC的接線電路見圖3中所示，這里有4個數(shù)字量的輸入信號，其中有2個是報警用的信號，而數(shù)字量的輸出K01～K04位2個繼電器分別左、右電磁比例閥。PLC模擬量輸入接線見圖4所示。其中EM231-RTD的DIP開關(guān)，設(shè)置成0000001，EM235的DIP開關(guān)，設(shè)置成10000100。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 下機位軟件系統(tǒng)設(shè)計

本文依據(jù)丘陵山地拖拉機的車身調(diào)平系統(tǒng)的操作要求與功能需求，確立了系統(tǒng)各執(zhí)行機構(gòu)的相互關(guān)系和動作順序，在實現(xiàn)上主要是在STEP 7-Micro/WIN軟件的平臺上進行編寫PLC程序?qū)崿F(xiàn)。

該丘陵山地拖拉機車身調(diào)平的整個程序主要由傳感器、報警裝置開關(guān)、繼電器、電磁比例閥等功能來構(gòu)成邏輯控制，概括起來該系統(tǒng)的主程序的流程圖見圖5所示。

3.2 上位機軟件設(shè)計

車身調(diào)平系統(tǒng)選用了與西門子PLC控制系統(tǒng)配套的LCD觸控顯示屏作為人機交互界面，系統(tǒng)上位機軟件的觸摸屏的初始界面見圖6所示。在這一界面中，操作人員能夠?qū)η鹆晟降赝侠瓩C的車身調(diào)平系統(tǒng)的運行模式進行選擇：全自動或者手動運行。在開始的操作界面中，系統(tǒng)的每個按鈕均為互鎖顯示，當點擊某一個按鍵而開始執(zhí)行工作時，其他所有按鍵均進入鎖死狀態(tài)。另外，丘陵山地拖拉機車身調(diào)平系統(tǒng)的全部運行狀態(tài)都在觸控顯示屏上被實時監(jiān)測顯示。本系統(tǒng)在初始界面當中能夠?qū)A斜角度、溫度、系統(tǒng)壓力數(shù)值顯示窗口、手動模式下左、右油缸行程調(diào)節(jié)旋鈕和過濾阻塞報警、系統(tǒng)壓力過載報警、左右限位報警提示窗口，各數(shù)據(jù)均以數(shù)值方式顯示。例如：觸摸“手動模式”鍵，手動運行模式開啟，即右側(cè)的“左、右油缸行程調(diào)節(jié)”旋鈕激活。當機器中的過濾阻塞報警、系統(tǒng)壓力過載報警、左右限位報警中的任一報警裝置報警，屆時，界面上與其對應(yīng)的報警提示窗口會進行紅色閃爍，并觸發(fā)外置的蜂鳴器和報警燈報警。在觸控顯示屏上，還設(shè)置了“緊急停機”的安全鍵，以便在出現(xiàn)緊急情況時能夠保護人身和整機安全。

4 結(jié)論

本研究介紹了應(yīng)用西門子PLC和觸控屏建立的丘陵山地拖拉機車身調(diào)平自動控制系統(tǒng)，解決了過去繼電器控制系統(tǒng)原有的不足與缺陷之處。所設(shè)計的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、布線清晰，穩(wěn)定性非常強，有著良好的抗干擾能力。與此同時，其制作的成本與運行的成本都比較低，能夠很好的匹配國內(nèi)的大部分拖拉機自動控制系統(tǒng)。經(jīng)試驗運行檢測結(jié)果表明，該丘陵山地拖拉機車身自動調(diào)平自動控制系統(tǒng)的設(shè)計具有非常具有使用價值。

參考文獻

[1]莊麗娟，吳麗云. 基于PLC控制的廢水處理系統(tǒng)設(shè)計[J]. 微計算機信息，2005（01）：24-118.

[2]徐峰，王蔚，王聰，張家源. 中草藥微波真空連續(xù)干燥機控制系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 機電工程，2014（01）：67-71.

作者簡介：徐峰（1977-），男，吉林省長春市人，高級工程師，主要從事農(nóng)業(yè)機械及自動化方向的研究。endprint