基于PLC的自走式單軌運輸機駕駛控制系統(tǒng)設(shè)計

王琢 張俊峰 肖進 張?zhí)凭? 羅欣 田滿洲 羅友誼

摘要 山區(qū)丘陵地帶適合種植柑橘等水果，然而果實和肥料的運輸成為一件耗時、費力的工作，以汽油機為動力輸出的自走式單軌運輸機可以解決上述問題。面向自走式單軌運輸機設(shè)計了一套基于PLC的駕駛控制系統(tǒng)，對CPU、遙控、電動直線推桿等關(guān)鍵模塊進行了選型，完成了機械結(jié)構(gòu)的電氣化改造以及電路系統(tǒng)硬件組態(tài)和控制系統(tǒng)邏輯設(shè)計，實現(xiàn)了運輸機前進、后退、剎車操作的遙控控制和現(xiàn)地控制。經(jīng)測試，該系統(tǒng)功能滿足要求，穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞 運輸機;果園;PLC;遙控;控制系統(tǒng)

中圖分類號 S24? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2020）20-0222-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.20.058

Design of Driving Control System of Self-propelled Monorail Conveyer Based on PLC

WANG Zuo， ZHANG Jun-feng， XIAO Jin et al （Wuhan Academy of Agricultural Sciences， Wuhan，Hubei 430345）

Abstract The hilly areas are suitable for citrus and other fruits. However， the transportation of fruits and fertilizers becomes a time-consuming and laborious task， which can be solved by self-propelled monorail conveyor powered by gasoline engines. The author designed a set of driving control system based on PLC for self propelled monorail conveyor. CPU， remote control， electric putter and other key modules were selected， the electrical transformation of the mechanical structure and the hardware configuration of the circuit system and the logic design of the control system were completed， and the remote control and local control of the forward， backward and brake operation of the transport aircraft were realized. After testing， the system functions could meet the requirements， it was stable and reliable.

Key words Conveyor;Orchard;PLC;Remote control;Control system

水果是人類飲食中不可缺少的重要組成部分，不僅含有豐富的營養(yǎng)成分，而且能夠幫助胃腸道消化。隨著人們生活水平的提高和改善性需求的增長，水果在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟中占據(jù)的地位也不斷提高。2018年我國水果產(chǎn)量約25 688.35萬t，進口量約572.5萬t，出口量約357.05萬t，國內(nèi)水果需求量約 25 903.8萬t，國內(nèi)水果銷售市場規(guī)模達到2.03萬億元。其中，柑橘產(chǎn)量達到41 38.1萬t，是我國栽培面積及產(chǎn)量最大的水果。廣西、湖南、江西、四川、湖北等南方地區(qū)是我國主要的柑桔產(chǎn)區(qū)。目前，我國柑橘品種已逐步走向良種化、區(qū)域化、規(guī)?；a(chǎn)，然而大量的柑桔等果園都建立在山區(qū)丘陵地帶。山區(qū)丘陵地帶是我國農(nóng)業(yè)機械化的一大短板，其地理特征決定了大型農(nóng)業(yè)機具無法作業(yè)，此外，山區(qū)丘陵地帶還存在電氣化、信息化程度低等問題，在山坡上安裝電纜是一件成本極大的工程，且存在蜂窩網(wǎng)絡(luò)信號弱的問題。為了解決山區(qū)丘陵地帶果園內(nèi)果實和肥料運輸?shù)膯栴}，華中農(nóng)業(yè)大學研發(fā)了一套以汽油機為動力輸出的自走式單軌運輸機，用戶在運輸機旁邊操縱機械式推桿，實現(xiàn)運輸機的前進、后退、剎車 [1-3]。在這種方式下，用戶必須跟隨運輸機在山間運動，以便于實時進行運行狀態(tài)的切換，沒有徹底擺脫人力的干預(yù)。雖然它從一定程度上解決了運輸機械化的問題，但信息化程度較低。PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算控制器，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工業(yè)化的發(fā)展，近年來PLC也常被應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域 [4-7]。為了進一步提高該運輸機的工作效率，筆者設(shè)計了一套基于PLC的自走式單軌運輸機駕駛控制系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計

目前，果農(nóng)通過操控2個機械推桿實現(xiàn)單軌運輸機的前進/后退、運行/剎車控制，為了實現(xiàn)遠程遙控控制，必須對現(xiàn)有機械式推桿進行電氣化改造。系統(tǒng)采用電動直線推桿代替人力操控，通過PLC搭建駕駛控制系統(tǒng)，利用工業(yè)遙控實現(xiàn)遠程控制。自走式單軌運輸機示意圖如圖1所示。

系統(tǒng)由CPU模塊、模擬量輸入模塊、操控面板、遙控、遙控接收機、限位開關(guān)、繼電器電路、電動直線推桿、前進/后退機械推桿、運行/剎車機械推桿組成（圖2）。CPU模塊采用LOGO！邏輯模塊，主要作用是根據(jù)輸入信號控制繼電器電路動作，從而改變電動直線推桿運動狀態(tài)。操控面板是現(xiàn)地控制的操控設(shè)備，帶有3個按鍵，分別表示前進、后退、剎車操作。遙控及遙控接收機采用433MHz的遠距離遙控方案 [8-9]。限位開關(guān)的作用是防止單軌運輸機沖出軌道兩端，當運輸機行駛到軌道兩端時，限位開關(guān)動作使運輸機自動剎車 [10]。繼電器電路是每組采用2個繼電器實現(xiàn)電動直線推桿內(nèi)部直流電機的正反轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動電動直線推桿伸縮運動。電動直線推桿是一種將電動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橥茥U的直線往復(fù)運動的電力驅(qū)動裝置，其內(nèi)部包含直流電機、電位計等單元，繼電器電路控制直流電機旋轉(zhuǎn)方向，從而控制電動直線推桿伸縮運動。同時，電位計輸出模擬電壓信號，并通過模擬量輸入模塊傳遞給CPU模塊，CPU在線監(jiān)測推桿的位置，從而獲取機械推桿的檔位。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 電動直線推桿選型與電路設(shè)計

果農(nóng)在推拉前進/后退機械推桿時，推力為100 N，力臂為350 mm，電動直線推桿安裝處的力臂為40 mm，根據(jù)力矩平衡原理，可計算出控制前進/后退的電動直線推桿至少需要875 N的推力，同理得到控制運行/剎車的電動直線推桿至少需要383 N的推力。單軌運輸機在山區(qū)丘陵地帶作業(yè)，因此電動直線推桿的防護等級至少需要IP66。根據(jù)運輸機使用的頻率，選擇25%工作制的電動直線推桿。根據(jù)控制前進/后退和控制運行/剎車的電動推桿安裝位置，行程分別為50和100 mm。根據(jù)上述要求，選擇的電動推桿型號分別為LAM3-S4-50-ROE- DC24V-PS和LAM3-S2-100-ROE-DC24V-PS，最大運行速度分別為8和17 mm/s。

圖3為其中一路電動推桿的控制電路，M+和M-是電動直線推桿內(nèi)部直流電機的電源，通過改變其電源極性，可以

控制電動推桿伸縮運動。當KA1線圈得電、KA2線圈失電時，KA1觸點接通，KA2常閉觸點接通，M+和M-連接到電源24 V和GND，電動推桿伸出;當KA1線圈得電、KA2線圈也得電時，KA1觸點接通，KA2常開觸點接通，M+和M-連接到電源GND和

24 V，電動推桿縮回;當KA1線圈失電時，KA1

觸點斷開，M+和M-與電源斷開，電動推桿停止伸縮。

2.2 CPU選型與電路設(shè)計

考慮山區(qū)丘陵地帶的環(huán)境比較惡劣，同時汽油機在運行時會造成單軌運輸機整體出現(xiàn)振動的現(xiàn)象，因此系統(tǒng)選擇穩(wěn)定性更好的PLC作為控制單元。PLC憑借優(yōu)異的可靠性和完整的功能模塊，通常應(yīng)用在工業(yè)過程控制系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)中。LOGO！是一款功能滿足系統(tǒng)要求，且成本較低的智能邏輯控制器。系統(tǒng)選擇的LOGO！12/24RECo經(jīng)濟型CPU采用24 V直流電源供電，擁有8個數(shù)字量輸入接口和4個繼電器輸出接口，繼電器觸點最大電流為10 A。

CPU模塊及外圍電路如圖4所示，數(shù)字量輸入通道I1、I2、I3與遙控器接收機的D0、D1、D2連接，分別代表前進、后退、剎車信號。數(shù)字量輸入通道I4、I5、I6與操控面板的按鈕SB1、SB2、SB3連接，分別代表前進、后退、剎車信號。輸出繼電器Q1和Q2負責前進/后退推桿控制，Q3和Q4負責運行/

剎車推桿控制。在遙控控制方式下，當果農(nóng)按下遙控器的“前進”鍵，D0輸出24 V，I1檢測到高電平;當按下 “后退”鍵時，D1輸出24 V，I2檢測到高電平;當按下 “剎車”鍵時，D2輸出24 V，I3檢測到高電平。CPU模塊根據(jù)輸入電平控制輸出繼電器Q1、Q2、Q3、Q4觸點接通或斷開，如表1 所示。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件控制流程如圖5所示，系統(tǒng)上電開機后，首先進行設(shè)備初始化，主要通過模擬量輸入模塊檢測前進/后退檔位

是否為空檔，運行/剎車檔位是否為剎車檔，然后CPU循環(huán)掃描是否收到前進、后退、剎車控制信號。如果果農(nóng)按下遙控“前進”鍵， CPU首先檢測運行/剎車檔位是否處于剎車檔，如果是則接通輸出繼電器Q1接通，使電動推桿將機械推桿推至前進檔;若否則先接通Q3，使電動推桿將機械推桿推至“剎車”檔，在進行后續(xù)控制邏輯。當完成“前進”檔設(shè)置后，然后接通Q3、Q4，使電動推桿將機械推桿推至“運行”檔，單軌運輸機就可以往前運行了，當完成“運行”檔設(shè)置后斷開Q3、Q4。如果果農(nóng)按下遙控“剎車”鍵或限位開關(guān)動作，CPU都會收到剎車的控制信號，接通Q3并斷開Q4，使電動推桿將機械推桿推至“剎車”檔，單軌運輸機實現(xiàn) 剎車。

4 結(jié)語

筆者設(shè)計了一種基于PLC的自走式單軌運輸機駕駛控制系統(tǒng)，以電動直線推桿作為執(zhí)行機構(gòu)，對機械推桿進行電氣化改造，以LOGO！邏輯模塊作為控制系統(tǒng)的CPU，選擇433 MHz工業(yè)遙控及其接收機搭建無線通訊系統(tǒng)。系統(tǒng)有效實現(xiàn)了自走式單軌運輸機的遠程遙控控制和現(xiàn)地控制，遙控距離可達到200 m，系統(tǒng)抗干擾性強、成本較低，適宜在山區(qū)丘陵地帶使用。

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