论文总字数：14688字

摘 要

本人在了解国内外土槽试验台车系统的历史发展与研究现状后，结合实验室现有条件和资源，基于s7-300PLC并使用西门子触摸屏作为实时监控设备，设计一个良好的可操作、高精度的土槽试验台车系统。小型和中型拖拉机作业的土槽试验台车系统集机械、液压、可编程控制器控制技术于一体。驱动能力大、控制准确可靠、测试灵活方便，采集存储数据连贯。

本文对这个主体部分分别进行设计。首先，基于实验室条件设计土槽体方案。其次，确定控制部分功能模块，设计控制系统流程，选型控制系统硬件。再次，是软件设计，分配输入输出端口，利用SIMTAIC编程软件STEP7编写控制梯形图。最后，设计人机交互控制界面。根据结果得知，本设计所得出的土槽实验台车控制系统的设计，符合要求。

关键词：实验台车；控制系统；PLC

The Design of the Soil Bin Test Car Control System

Abstract

I know the history of the soil bin testing trolley system at home and abroad, the development and research status existing conditions and resources in the laboratory, smart based on s7-300 PLC and use as a real-time monitoring device, the Siemens touch screen to design a good operational system, high precision of the soil bin testing car.Small and medium-sized tractor working the soil bin testing set machinery, hydraulic car system, PLC control technology in one body. Great capacity of drive, control, accurate and reliable, convenient testing and storage data coherence.

In this paper, the main body to carry on the design, respectively.First of all, based on the soil tub design scheme NongJiXi laboratory conditions.Second, determine the control function module, the design process control system, selection of the control system hardware.Again, is the software design, allocation of input and output ports, using SIMTAIC STEP7 programming software writing control ladder diagram.Finally, design the human-computer interaction interface control.According to the results indicate that this design of soil trough experiment design of the control system of car, meets the requirements.

Keywords: The Experimental Car; Control System; PLC

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 引言 1

1.1 土槽试验台车控制系统的作用 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 国外研究现状 1

1.2.2 国内研究现状 2

第二章 课题研究内容及所用工具介绍 5

2.1土槽试验台车系统的总体设计 5

2.1.1土槽试验台车控制系统设计目标 5

2.1.2土槽试验台车控制系统设计要求 5

2.1.3 系统功能 5

2.1.4系统组成 6

2.1.5 主要技术参数 6

2.1.6技术路线 7

2.2 PLC的选择以及控制参数选择 7

2.2.1PLC的选择 7

2.2.2控制参数选择 8

第三章 土槽试验台车控制系统的硬件设计 9

3.1 CPU的选型 9

3.2硬件部分组成 9

3.2.1 工控机 9

3.2.2 可编程逻辑控制器 10

3.2.3 变频器 11

3.3 I/O点及地址分配 12

3.4控制系统主线路的设计 15

3.5 PLC接线图 15

第四章 土槽试验台车控制系统的软件设计 17

4.1 PLC的编程方法 17

4.2 系统的功能设计 17

4.3 各部分功能程序 17

4.4 人机界面的设计 21

4.4.1 HMI设备选型 21

4.4.2 触摸屏组态软件 21

4.4.3 系统变量的设定 21

第五章 调试及成果展示 22

5.1调试 22

5.2 成果展示 23

第六章 总结与展望 25

6.1 总结 25

6.2 展望 25

致谢 26

第一章 引言

1.1 土槽试验台车控制系统的作用

（1）为新型农业机械的开发和设计提供参考依据和试验基础

近几年来新型农业机械在开发和设计过程中，受农田环境的不可控、驱动设备的振动以及农时天气等试验条件限制，发展相对缓慢。土槽试验台车系统放置在房间内，不受任何外部环境的影响；试验设备由牵引车驱动，牵引车由电机提供动力并沿土槽轨道行驶，很大程度上减轻了振动情况。相对避免了很多试验不确定因素。所以，将试验样机挂接在牵引车上，模拟农业机械的工作过程，可以很好的测定不同工况下的结构、性能参数，为设计和优化提供参考数据。

（2）为车辆地面系统前进速度研究提供试验平台和模型验证

在车辆地面系统前进速度的研究中，拖拉机的振动以及土壤参数的不确定性也制约着该学科发展。实车试验中，驱动设备速度不可控，对试验结果影响较大，土槽试验台车可弥补实车试验的不足，准确控制试验因素，和测试所需结果。

（3）为专业教学提供直观的学科模型，有利于培养学生的创新能力和操作能力。

土槽试验台车可以进行土壤力学性能、农机具动力学、农业装备的动力学等实验，通过这些实验的设计、测试、分析等技能的培养，为实现农业工程师的培养目标打下良好的基础。利用台车进行试验、分析和验证，为理论研究提供试验依据，加快研究进程，提高科研效率。^[1]

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

近年来，室内土槽的发展为耕地机具性能试验提供了实际意义，排除了特殊情况的发生，减少了试验的不确定性，从而更好的控制土壤和机具参数。其负面影响是，土槽包含与实际耕作土壤结构不同的改造土壤。

加利福利亚大学的U.A. Rosa 建立了一个单轨索道系统，用于狭窄耕地机具的高速试验，该系统安装在Saskatchewan大学的农业和生物工程部门的土槽上，最高行驶速度可达10 m/s。这个系统可以在操作轨道系统的同时控制土壤含水量、土壤平整度和压实度。^[2]

图1.1 伊朗奥鲁米耶大学土槽试验平台

图1.2 单轮试验系统组成

图1.3萨斯喀彻温大学的单轨索道系统

1.2.2 国内研究现状

原吉林工业大学汽车拖拉机工程系设计研制了该JGJKY-01型土槽试验台车（图1.4），该类型的土壤测试系统，主要测试（如图），在中小型拖拉机或车辆运行机制的主要试验。土槽长45 m，宽3.2 m，深1.1 m。其耕作层厚度大于300 mm。试验前可通过整地机械平整地面，亦可准确控制土壤含水量。

测试台车长4.50 m、高2.04 m、宽4.41 m，由内、外框架两部分组成。外框架上包括台车牵引车、控制台、电气设备和喷水装置，沿钢轨行驶。内框主要由车轮驱动系统、加载系统、整地机械等组成，沿外框横梁水平移动。总体外观如图所示^[3]。

图1.4 吉林工业大学土槽试验台车

黑龙江省农机科学院研制了土槽试验台车，如图1.5所示。主要由机架、驱动系统、动力输出系统、液压系统、土壤恢复系统、控制系统及制动系统等部分组成，能够满足土壤耕作部件（如：犁，耙，铲，开沟器，旋耕等部件）和小型农机具的试验研究。前、后分别提供2台试验设备的液压悬挂装置。

图1.5 黑龙江省农机科学院土槽试验台车系统

新疆塔里木大学设计研制了一台大型土槽试验台车系统，如图1.6所示。土槽长120 m、宽8 m、深1.5 m，台车外形尺寸长9 m、宽4.5 m、高3 m。主要测试包括犁、耙、起垄培土、深松铲、中耕锄铲、开沟器、压实器、推土铲平地铲、驱动部件等土壤工作部件，以智能网关通讯、射频遥控技术为核心，可通过网络、电话、地面遥控器对土槽车的运行进行（远程）遥控与监控，遥控距离30米以上^[4]。

该系统与其同类系统相比优点在于：变频器无级调速；新设计地面无线射频遥测和控制系统，大大提高了土槽车运行控制的方便性、可靠性和安全性；采用结构简单、安装方便、补偿性能优良的链条联轴节，降低设备安装的工艺要求；台车重心低，电控系统与液压系统对称于中间的操纵台，使得台车美观大方；警报装置保证系统安全操作；液压系统备用充分，卸荷可靠，流量控制方便等优点。

图1.6 塔里木大学土槽试验台车系统

随着测控技术和自动化技术的不断发展，国内外研究机构和高校纷纷设计研制各种类型的土槽试验台车系统。国外的土槽系统经过多年的发展，专业性和针对性较高，不同的研究领域均已产生各种类型的试验设备，为农业机械发展和车辆道路友好性研究创造了良好的环境，取得的成果颇多。但是，国外土槽很少有将农业机械试验和汽车拖拉机轮胎试验结合成一体的土槽试验台车系统，并且只能单一的模拟水田或者旱地的作业工况。

近年来，国内外设备的发展相差并不是很大，均采用了各种先进的传感器和虚拟仪器，测试精度较高。但国内土槽试验台车系统存在的问题是使用密度不高，多数高校研制了功能丰富的土槽设备，但由于操作复杂或者试验条件难以满足而无法投入试验当中，造成资源的浪费。因此，研究一套具有丰富功能和操作方便的土槽试验台车系统是十分必要的^[2]。

第二章 课题研究内容及所用工具介绍

2.1土槽试验台车系统的总体设计

2.1.1土槽试验台车控制系统设计目标

（1）试验牵引车具有足够的驱动力和承载能力。作为独立的运动单元，运行平稳，换向灵敏，速度及位移控制精确，制动可靠，启停迅速，满足农机具所需的牵引力和动力输出。

（2）前后工作装置结构稳定，液压缸运动平稳，不产生冲击，升降农机具时能够提供足够的拉压力，农机具自行入土时保持浮动状态。

（3）控制系统可靠，操作方便，报警系统准确灵敏。

2.1.2土槽试验台车控制系统设计要求

（1）控制牵引车的启停转，无级平滑调节牵引速度，准确控制制动力。

（2）控制液压系统的执行，提升或下降试验农业机具以及双轮试验装置，要求运动平稳、均匀，换向准确，精确调节缸的位置和油压。模拟前工作装置所连接的双轮试验装置的垂直载荷，实现动态恒力控制；实现对试验农机入土深度的准确控制。

（3）控制双轮试验装置的运行，使其具备一定的驱动力，到达试验要求。

2.1.3 系统功能

土槽试验台车系统主要用于完成各类农业机械的样机模拟试验和性能测试分析试验，也可用于完成《农业机械学》等课程的试验教学任务。

（1）试验台车提供农机具试验所需的牵引力、动力输出，模拟垂直载荷、行驶阻力，提供照明、控制、测试等所需电能。

（2）犁耕试验。控制耕深、耕速、土壤特性等参数，测试不同犁体类型的犁耕阻力，验证犁体工作阻力与工作参数的关系。

（3）旋耕机试验。在不同的条件下进行测量，旋转扭矩、速度和功耗，研究结构参数、运动参数、性能参数、旋耕机的工作绩效评价。

（4）播种机试验。控制前进速度、种子类型、播量大小、倾斜度等参数，测试种子面高度影响、排种均匀性、稳定性等。

（5）喷药机试验。控制行驶速度、喷施量，喷头流量等参数，分析变流量喷药系统的准确度。

（6）施肥机试验。控制行驶速度、排肥轮转速等参数，测试排肥量，分析其排肥性能以及排肥准确性。

（7）土壤与轮胎耦合试验。提供路面激励、施加垂直载荷和模拟不同工况下负载大小，测量接地印痕、轮胎应力应变等参数。

（8）其它农业机械及部件的一些静动态测试、时域和频域分析以及统计分析。

2.1.4系统组成

土槽试验台车系统由土槽体、试验牵引车和双轮试验装置组成，外观示意如图2.1所示。

图2.1试验牵引车外观图

土槽体用来盛放土壤以及安装牵引车的运行轨道。

牵引车由机械部分、液压部分、控制部分和测试部分组成。

控制部分以PLC为核心，包括上位机、触摸屏、输入输出模块等，控制台车的运行方式和速度、液压设备的通断和位置、动力输出轴转速以及其他用电设备。

双轮试验装置由其独立的传动系驱动，通过牵引车的前工作装置与车架连接

2.1.5 主要技术参数

土槽试验台车系统的技术参数如表2.1所示。

表2.1 土槽试验台车系统的技术参数

表2.1（续）

2.1.6技术路线

土槽试验台车系统设计的技术路线如图2.2所示。

图2.2 土槽试验台车系统技术路线

2.2 PLC的选择以及控制参数选择

2.2.1PLC的选择

选择PLC控制器可以有西门子、三菱PLC、ABB等一系列。在这个任务中选择西门子系列，主要是因为它的实际应用和系列。西门子控制器有包括西门子S7-200，S7-400模型。

根据课题实际情况，我选择西门子公司生产S7-300的 PLC 。

与S7-200 系列PLC相比，西门子S7-300有以下优点：

（1）对模拟量处理的能力大

（2）处理数据的速度、数字计算能力、网络通信能力优秀

（3）相比于 S7-200 系列拥有更完善、更丰富的指令

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