一种山地拖拉机车身调平控制系统设计

摘 要：针对丘陵山地拖拉机车身调平过程复杂、调平精确度高、自动化程度要求高等问题，本研究将PLC、触控屏等自动化及人机工程引入到履带式丘陵山地拖拉机车身调平装置中，建立PLC、LCD触控显示屏、电磁比例阀、液压执行机构、温度传感器、倾角传感器、限位开关、系统压力传感器等组成的丘陵山地拖拉机车身自动调平控制系统。重点研究了丘陵山地拖拉机车身调平PLC自动控制系统的结构和原理，进行PLC、触控屏的选型，并编制了上位机和下位机控制程序，并进行实际运行结果试验。

关键词：山地拖拉机；车身调平；自动控制系统 PLC

中图分类号：S22 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20170931022

1 车身调平系统基本结构及控制原理

1.1 车身调平系统的基本结构及自动调平原理

根据本研究中所提出的车身自动调平方案，本课题研究并设计了一种能够实现车身自动调平的装置，见图1所示。该装置主要由LCD触控显示屏、温度传感器、倾角传感器、系统压力传感器、液压油缸、限位开关、PLC控制系统等部分成。

其自动调平原理为：倾角传感器放置于车架的正中央下方位置，限位开关包括左限位开关和右限位开关。图1中3、11为小型重载式左、右限位开关，当车身向左、向右倾斜程度到达极限位置时触发横杆使该限位开关动作，输出相应信号；限位开关分别布置在车架两侧。液压油缸活塞拉杆一端固定在铰接杆系横梁6上，其液压缸另一端与铰接杆系立梁13固定，整机固定方式采用了铰接式和刚性连接式固定。当丘陵山地拖拉机进行车身调平时，根据倾角传感器所监测到的车身的倾斜信号，并发出车身调平信号指令。通过液压油缸运动带动平行四杆机构进而带动车身运动，最终完成车身调平。

1.2 控制系统原理

丘陵山地拖拉机车身调平系统由手动和自动2种工作模式构成，手动模式是为了防止自动模式出现故障及意外时无法运行而设置的操作，同时也是为了更加完善的保障车身调平系统能够顺利进行。自动模式则是通过左右限位开关、倾角传感器、温度传感器、系统压力报警器、过滤器、系统压力传感器所检测到的限位开关信号、角度信号、温度信号、压力开关信号、回油过滤器堵塞和系统压力信号来电磁比例阀的启停进行自动控制，同时根据实时监测到的信号控制液压油的流量和流速，进而调整液压油缸行程。

2 控制系统硬件配置

根据丘陵山地拖拉机车身自动调平系统的控制要求，考虑到西门子S7-200系列PLC的性价比非常高，并且在各个行业里的使用也非常广泛，因此本课题控制系统所采用的是西门子S7-200系列的是CPU222，采用这一PLC来进行开发，有着适应性广、成本低廉、升级方便、可移植性强等优点。该系统具体的控制结构配置图见图2所示。

2.1 2 PLC硬件配置

从上面的结构图中可以看出，丘陵山地拖拉机的车身调平控制系统共有24个数字量的输入点以及16个数字量的输出点，并且还可以根据实际的使用需求，额外选配MMC样式的微存储卡。其数字量的输入信号总共有4个：左限位开关、右限位开关、回油过滤器堵塞压力开关、系统压力报警，其中回油过滤器堵塞压力开关、系统压力报警为报警信号。该控制系统的数字量输出信号有4个：报警灯、蜂鸣器、LCD触控显示屏、中间继电器。

该车身调平系统的模拟量输入信号有2个：分别是系统压力传感器、温度传感器。另外还有一个倾角传感器的信号处理模块也能进行输入。因此，在本系统配置的是1个RS485输入端口、1个热电耦输入型EM231模块和1个EM235模塊共同组成3通道进行隔离输入，达到了系统的使用要求。

由于PLC没有简便、可操控性的人机交换界面，使得操作人员在操作过程中存在一定的困难，因此为了方便进行操作和显示，系统配置了LCD触控显示屏来辅助进行人机的交互，也留出了进行显示状态监测和设置工作参数的渠道，能够给用户提供非常完备的报警以及其他各种处理方案，从而能够迅速地进行故障排除，保设备的智能化与自动化运行[1]。

2.2 传感器选型与配置

在丘陵山地拖拉机的车身调平系统当中共使用了倾角、温度和系统压力这3种传感器。温度传感器选择探针式铂温度传感器Pt100[2]，测量值在-50～180℃之间。温度传感器安装字液压油箱内部，用来监测油液的温度。倾角传感器选用的是一款抗振动型双轴倾角传感器，输出方式RS485接口，由青岛有测控制技术有限公司生产，型号CQ-400，动、静态精度分别为1°和0.1°。系统压力传感器安装在液压泵出油口处，选用佛山一众传感仪器有限公司生产的PY206型液压油压力传感器，量程为0.6Mpa～60Mpa，输出信号0～5VDC，可以直接传送给PLC控制系统并在触摸屏上显示[2]。

2.3 PLC接口电路设计

在这里，触控屏与PLC之间采用的是MPI通讯协议来进行通信，它们之间通过MPI通信电缆实现连接。PLC的接线电路见图3中所示，这里有4个数字量的输入信号，其中有2个是报警用的信号，而数字量的输出K01～K04位2个继电器分别左、右电磁比例阀。PLC模拟量输入接线见图4所示。其中EM231-RTD的DIP开关，设置成0000001，EM235的DIP开关，设置成10000100。

3 系统软件设计

3.1 下机位软件系统设计

本文依据丘陵山地拖拉机的车身调平系统的操作要求与功能需求，确立了系统各执行机构的相互关系和动作顺序，在实现上主要是在STEP 7-Micro/WIN软件的平台上进行编写PLC程序实现。

该丘陵山地拖拉机车身调平的整个程序主要由传感器、报警装置开关、继电器、电磁比例阀等功能来构成逻辑控制，概括起来该系统的主程序的流程图见图5所示。

3.2 上位机软件设计

车身调平系统选用了与西门子PLC控制系统配套的LCD触控显示屏作为人机交互界面，系统上位机软件的触摸屏的初始界面见图6所示。在这一界面中，操作人员能够对丘陵山地拖拉机的车身调平系统的运行模式进行选择：全自动或者手动运行。在开始的操作界面中，系统的每个按钮均为互锁显示，当点击某一个按键而开始执行工作时，其他所有按键均进入锁死状态。另外，丘陵山地拖拉机车身调平系统的全部运行状态都在触控显示屏上被实时监测显示。本系统在初始界面当中能够对倾斜角度、温度、系统压力数值显示窗口、手动模式下左、右油缸行程调节旋钮和过滤阻塞报警、系统压力过载报警、左右限位报警提示窗口，各数据均以数值方式显示。例如：触摸“手动模式”键，手动运行模式开启，即右侧的“左、右油缸行程调节”旋钮激活。当机器中的过滤阻塞报警、系统压力过载报警、左右限位报警中的任一报警装置报警，届时，界面上与其对应的报警提示窗口会进行红色闪烁，并触发外置的蜂鸣器和报警灯报警。在触控显示屏上，还设置了“紧急停机”的安全键，以便在出现紧急情况时能够保护人身和整机安全。

4 结论

本研究介绍了应用西门子PLC和触控屏建立的丘陵山地拖拉机车身调平自动控制系统，解决了过去继电器控制系统原有的不足与缺陷之处。所设计的系统的结构简单、布线清晰，稳定性非常强，有着良好的抗干扰能力。与此同时，其制作的成本与运行的成本都比较低，能够很好的匹配国内的大部分拖拉机自动控制系统。经试验运行检测结果表明，该丘陵山地拖拉机车身自动调平自动控制系统的设计具有非常具有使用价值。

参考文献

[1]庄丽娟，吴丽云. 基于PLC控制的废水处理系统设计[J]. 微计算机信息，2005（01）：24-118.

[2]徐峰，王蔚，王聪，张家源. 中草药微波真空连续干燥机控制系统的设计[J]. 机电工程，2014（01）：67-71.

作者简介：徐峰（1977-），男，吉林省长春市人，高级工程师，主要从事农业机械及自动化方向的研究。

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