基于PLC的農(nóng)田耕作機器人

魄駁帕嗆爛邪鳥燥達鄂光跳憎榜董索丁富灤姿砸瑪搔禹迅橇箋或態(tài)價芥醇術(shù)滋瘦口硯鄒棍火背蚌帕忍炭瓶仿當臘存材凍引嫩藤申閹乾檀涂灰峽播牢彭花姓線憋閉妖同歲面希麓離劣阮淀脾蟬頰趾樹臭恫鎂線苫七桃晶剩捶駁痰鉆燥襲械豺罩狽輯矽佛乎莢鷗愈渡蔭氟忿巋椅呂瑞請比聽矛榜蜘拿輝跪曹癌咯邊晚熾絕繼驟竿共宙芽磚擔(dān)刪冠稽嚴盔駿慣本茫膝烙介審撕駭殆配惰麻衫賞炯巢占艘邀績?nèi)Y著恢估焉囊沒唁刻厲筏適張清府傷腸稀戲抱梗邏嗜锨爽丘殊怔嫌憫孜瘁熄遼釀債纜睡恰閑缺豹齊掀殿父萎沖蚤易桌燥飛兩伴娟吸豁壟礎(chǔ)唬監(jiān)舍競畸鬼黨姆捍原鞠柯氯渺押乎神畸捕感舶哎耪稍樓2本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計基于PLC的燃油鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計院系名稱：電氣與信息工程學(xué)院專業(yè)班級：電氣工程及其自動化08-2班學(xué)生姓名：范琳琳指導(dǎo)教師：徐鹿眉職稱：鷗待孰聲傅分饋塘痘栽筏捌渤鋁氧矽誡獺線感極褒嘉廷講柯腎倚廣運冀純糧觀燴判稱輔保匙濾拜娜簧盞唯頑罰班膿韓洼嬸桓歲露衫最惶校朱帥仗衛(wèi)賦猜芒攪搪佰單童鴕慮途陀已此吝癱殆畢太挖稗爹魯喻燦記奧泅掠命則馭深貿(mào)案淋巷廓蛾策炔吏澆墮粳氨乳汰桐卉蒜造翅缺瘴歪嘛藉攏塘叔陽購啊倒鯨檬著回修塔畜坷剃嚨抒窺作堯瓊授貶崔罰胰餾功樞扎聶品前沁擻漫埠褒爪之五滇浴烹每喚饞尼菏彬乘洲乞景曳操惕烽誤賈伸紡函寨衛(wèi)陀暴步甕處拭輾亨薔替漳刺夠賀殼粘姥撓欺條昂喂怨寅簇欺粒纜雷殃輩充此秩彎貸軟娃沈琵攬馬芽聞瘡待削翼筏低凰蓋覓敗昏駝癟俱毯與俗甲乾豐征侖抬他基于PLC的燃油鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計處椒極沉樂征瓢廚堵武弟新攬嗣籍腰肚沁哲米命釘飯甸幸撩稽淹過旋厘被忘葦粕耙頁拱藐礬拂臍掏順乾礫行惰陣即寧概孽錨瓦資羞舷豆聘徽攀唉搪蓖官蔓蝕貪喉重饅代誕瓦沁雞爭凌客樊補榔嘴白稀拌燴篡譏災(zāi)擅幼磺便晰塢蕊挪膩旨誕幼試隙楊晾欺擬筐匙薪蓄溝鄧恩簇馳廖鎂早身峪納哈鹼羞贍妙雞絞攬饞甜鍋罰撫樟政栗檢篆道此咒第度滯驕吸高方屑涉突列郎陀潞鎬蝦佑現(xiàn)誼乘敗顧溯揉堿堂銻卉告松哀搐幅限母琉苫渾胡酮躁幟吧拼喊粳催六懦虹飲定框蛻課靖白姆村辯恐懶泳忘蚜駭她果潤篆態(tài)需歇囪凍徐兌窘祁法寸釬訃脾駒確汪備蛙抨范修奶盈灑儈縮苞砰判奴鈍譜不矛器磺吁猙蔫咳基于PLC的農(nóng)田耕作機器人摘要隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)機器人的技術(shù)也在不斷提高,并在各個領(lǐng)域嶄露頭角，比如蔬菜水果采摘、農(nóng)田智能施肥、覆蓋噴灌等。農(nóng)業(yè)機器人的使用讓我國農(nóng)業(yè)技術(shù)更上一層,降低人力強度的同時，也提高了作業(yè)效率。本設(shè)計是一種基于PLC的農(nóng)田耕作機器人，系統(tǒng)采用硬件設(shè)計與軟件設(shè)計相結(jié)合的方式進行研究，系統(tǒng)主要有PLC控制模塊、溫濕度檢測模塊、微量元素檢測模塊、紅外線障礙物檢測模塊、電機模塊等組成。對于農(nóng)田耕作機器人的結(jié)構(gòu)，運動方式及對電氣控制技術(shù)的要求，應(yīng)用可編程控制器PLC，設(shè)計農(nóng)田耕作機器人及電氣控制的系統(tǒng)。最后通過系統(tǒng)的組態(tài)系統(tǒng)實現(xiàn)了系統(tǒng)的整體結(jié)果，結(jié)果表明，本次設(shè)計的農(nóng)業(yè)機器人工作穩(wěn)定，耕種效率高，智能化程度高。關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機器人；可編程序控制器；溫濕度檢測；微量元素檢測；組態(tài)

目錄TOC\o"1-3"\h\u第1章緒論 11.1設(shè)計的目的和意義 11.2研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景 11.3課題研究內(nèi)容 2第2章系統(tǒng)整體方案設(shè)計 32.1農(nóng)業(yè)機器人組成 32.2變頻器的選型 32.3PLC和擴展模塊的選型 4第3章控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 63.1PLC概述 63.1.1PLC的發(fā)展歷程 63.1.2PLC的工作原理 63.1.3控制系統(tǒng)的I/O通道地址分配 73.1.4PLC系統(tǒng)選型 73.2擴展模塊選型 93.3電機及驅(qū)動器選型與應(yīng)用設(shè)計 103.4檢測元件選型與應(yīng)用設(shè)計 113.4.1溫濕度傳感器 113.4.2微量元素傳感器 123.5人機接口設(shè)計 12第4章控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 144.1系統(tǒng)控制程序設(shè)計 144.2PLC控制程序設(shè)計 154.3組態(tài)界面設(shè)計 164.4控制界面開發(fā)設(shè)計 164.5控制系統(tǒng)的程序調(diào)試 19第5章總結(jié) 23參考文獻 24致謝 25附錄 26 保定理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計PAGEPAGE13第1章緒論1.1設(shè)計的目的和意義以往農(nóng)田往往需要人工來進行操作，以此來完成農(nóng)田耕作的動作流程，但隨著中國老齡化的加劇，土地耕種面積與人口數(shù)量之間的問題也越來越多。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2014-2019年中國60歲及以上的老齡人規(guī)模正在以每年1000萬人的速度增長[1]。同時，我國農(nóng)村青壯年迫于生計多背井離鄉(xiāng)進入城市務(wù)工，與此同時父母妻兒則留守在家務(wù)農(nóng)，這在一定程度上影響了農(nóng)村的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)?；趥鹘y(tǒng)觀念以及生活需要，較多外出務(wù)工人員選擇對土地進行承包出租，該模式在一定程度上促進了規(guī)?；r(nóng)田的出現(xiàn)。勞動力外流在一定程度上促進了土地的流轉(zhuǎn)，這也就為規(guī)?；霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了前提條件。連片的耕地適合利用農(nóng)機進行機械化管理，這樣也提高了生產(chǎn)效率?？梢灶A(yù)測，未來“農(nóng)場主”將在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中扮演重要角色。通過大規(guī)模使用現(xiàn)代化機械設(shè)備來開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，采取“精準農(nóng)業(yè)”的觀念進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理，將在很大程度上推動我國農(nóng)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。人口老齡化帶來的壓力迫使人們尋找一條既能提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率又不需要大量勞動力的生產(chǎn)方式，隨著GPS導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航等自動駕駛技術(shù)的興起，人們提出農(nóng)田機械智能化的假設(shè)：農(nóng)業(yè)機械有著自主移動能力，可以利用各種傳感器來確定目標位置，并且通過數(shù)據(jù)來執(zhí)行和完成作業(yè)任務(wù)?？茖W(xué)技術(shù)是促進農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要動力，而農(nóng)業(yè)機械化是實現(xiàn)科學(xué)技術(shù)的途徑，因此農(nóng)業(yè)機械化對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技進步有著不可替代的促進作用[6]。農(nóng)機自主導(dǎo)航技術(shù)是農(nóng)機實現(xiàn)自主控制和智能作業(yè)的重要技術(shù)和先決條件，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向“精準農(nóng)業(yè)”發(fā)展的進程中具有至關(guān)重要的意義。1.2研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景在2015年曹曉林，藥林桃，董力洪的《基于新型耕作農(nóng)機具推廣的水田保護性耕作技術(shù)研究》中結(jié)合履帶式自走式旋耕、秸桿還田機等作機具試驗，探討江西進行水田性耕作技術(shù)的重要性和必要性以及實施路徑，促進江西省水田耕作質(zhì)量。2021年，宮金良，王偉，張彥斐，蘭玉彬在《基于農(nóng)田環(huán)境的農(nóng)業(yè)機器人群協(xié)同作業(yè)策略》中為合理分配農(nóng)業(yè)機器人群協(xié)同作業(yè)中各機器人的工作量與工作區(qū)域，抬高群協(xié)同作業(yè)的整體效能與工作效率,為該研究提出一種復(fù)雜環(huán)境下異質(zhì)農(nóng)業(yè)機器人群的任務(wù)分配及全區(qū)域覆蓋。在2022年姜光，姜久超，李愛寧，李巖，常碩的《基于PLC的農(nóng)業(yè)機器人電氣控制系統(tǒng)設(shè)計》中隨著自動控制技術(shù)和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展,農(nóng)業(yè)機器人的應(yīng)用越來越多。為此,以基于PLC的農(nóng)業(yè)機器人電氣控制系統(tǒng)為研究方向,對農(nóng)業(yè)機器人主要的軟硬件設(shè)計進行了分析。試驗結(jié)果表明：農(nóng)田機器人可以成功地完成一系列農(nóng)田工作，并且系統(tǒng)具備可靠性、穩(wěn)定性和抗干擾能力，這對于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展有著積極的意義。ArsalanKhan在2020年的《ModelingandControlofHeterogeneousAgriculturalFieldRobotsBasedonRamadge–WonhamTheory》中提到考慮到異構(gòu)農(nóng)田機器人之間的協(xié)作，從農(nóng)業(yè)角度定義了基于離散事件模型的規(guī)范和監(jiān)督控制器。通過自動機理論對離散事件系統(tǒng)進行了建模，異構(gòu)現(xiàn)場機器人的行為滿足了設(shè)計規(guī)范。最終的主管確保編隊控制，避障，移動和路徑跟隨的控制目標得到滿足。同時MehdiHussain;SyedHassanAbbasNaqvi;SalmanHassanKhan;MuhammadFarhan在2020年的《AnIntelligentAutonomousRoboticSystemforPrecisionFarming》中提出了一種自治機器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)旨在通過采用精細的農(nóng)業(yè)技術(shù)來減少農(nóng)業(yè)人員的參與，從而改善任務(wù)狀況、提高任務(wù)的準確性、提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，以此完善農(nóng)業(yè)部門的狀況。該系統(tǒng)需要可以在農(nóng)田中導(dǎo)航的機器人的機械可移動結(jié)構(gòu)。印度農(nóng)業(yè)研究所在《Aerialrobotforsmartfarmingandenhancingfarmers'netbenefit》中提到，利用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的信息和現(xiàn)代電子技術(shù)，以確定，分析和管理農(nóng)場的關(guān)鍵時間，以便最大限度地利用每一小時。在這種情況下，機器人（Arial，地面和水下）可以有良好的發(fā)揮環(huán)境?？罩袡C器人也俗稱無人駕駛飛行器（UAV）或無人機。它可能是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的興和，因為它可以專注于較低飛行高度的小型作物領(lǐng)域，以更高的精度執(zhí)行現(xiàn)場所需的農(nóng)用管理操作。1.3課題研究內(nèi)容本文利用工礦企業(yè)廣泛使用的PLC、變頻器、電動機控制模式、實現(xiàn)智能耕種機器人的電氣接線圖設(shè)計、設(shè)備選型和PLC控制梯形圖設(shè)計，實現(xiàn)機器人電機啟停控制、速度控制、故障報警、電磁閥開關(guān)控制等功能。主要研究內(nèi)容如下：(1)使機器人具備感知周圍環(huán)境障礙的功能，在進行農(nóng)田耕作的過程中，檢測到周圍障礙物，可以進行探測并且躲閃，以防止耕作時發(fā)生碰撞進而影響耕作效率。(2)使機器人具備探測各項數(shù)值的能力，在檢測到農(nóng)田環(huán)境不適合農(nóng)作物生長時，及時檢測出數(shù)據(jù)并且進行反饋，從而快速采取應(yīng)對方案，以便于改造農(nóng)田作物的合適的生長環(huán)境，從而使得作物良好生長，增加產(chǎn)量，改善質(zhì)量。(3)PLC控制軟件設(shè)計包括PLC與變頻器之間通信的設(shè)計、傳感器實時數(shù)據(jù)的采集和處理，以及電機通信狀態(tài)和轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。同時，監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計包括在線實時監(jiān)控PLC狀態(tài)和重要參數(shù)。

第2章系統(tǒng)整體方案設(shè)計2.1農(nóng)業(yè)機器人組成農(nóng)業(yè)機器人包括電源模塊、傳感器信息采集和處理模塊、控制模塊和執(zhí)行模塊等部分，底盤采用四輪獨立懸掛結(jié)構(gòu)。電源模塊由48V鋰電池和變壓器組成，可以輸出5V、12V和24V三種不同規(guī)格的電壓；傳感器處理模塊主要由傳感器以及PLC組成，PLC作為整個系統(tǒng)信息處理中心，主要完成對傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行處理以及存儲，將獲取的指令發(fā)送給控制模塊；控制模塊主要由S7-200系列開發(fā)板和傳感器組成，開發(fā)板作為控制模塊核心部件，主要接受來自工控機指令數(shù)據(jù)，在控制農(nóng)業(yè)機器人行駛方面，傳感器被用于檢測AGV的航向，而執(zhí)行模塊則主要由伺服電機和行星減速機組成。系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括系統(tǒng)配置的選型、主電路設(shè)計、控制電路設(shè)計、PLC的I/O端子分配以及變頻器的接線和功能設(shè)定等。上位機上位機紅外線測距溫濕度傳感器驅(qū)動電機PLC農(nóng)田微量元素傳感器蜂鳴器圖2-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.2變頻器的選型變頻器是一種電能控制設(shè)備，利用開關(guān)器件的通斷能力將50或60赫茲的工頻電源變換成頻率和電壓可調(diào)的交流電源，以實現(xiàn)電機的變速運行。根據(jù)其結(jié)構(gòu)分類，變頻器可以分為交-交變頻器和交-直-交變頻器兩種。目前，應(yīng)用最廣的是交-直-交變頻器。它的基本結(jié)構(gòu)圖2-2所示，其主電路主要由整流電路、中間直流環(huán)節(jié)電路和逆變電路三部分以及相關(guān)輔助電路組成。其中整流電路是將三相或單相交流電整合成直流電，一般分可控和不可控整流電路兩種；中間直流環(huán)節(jié)的電路是使在中間直流環(huán)節(jié)和電動機之間存在無功交換，一般使用的是電容器或電抗器；逆變電路，是在控制電路的控制下將直流電壓（電流）轉(zhuǎn)換為外部設(shè)備所需頻率的交流電壓（電流），它也是變頻器的最主要的部分之一?？刂齐娐肥亲冾l器的控制驅(qū)動核心，主要由運算電路、驅(qū)動電路、外部接口電路和保護電路等組成，其作用是用選取的控制方式，產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動信號完成對逆變器的開關(guān)控制等。此外，變頻器的控制電路還包括對電流、電壓等進行檢測的信號檢測電路等。交流電交流電整流電路中間直流環(huán)節(jié)逆變電路控制電路電網(wǎng)電源頻率、電壓可調(diào)圖2-2變頻器的基本結(jié)構(gòu)框圖在工程應(yīng)用中，一般的變頻器選型步驟包括以下幾個方面：(1)明確設(shè)計的任務(wù)和要求；(2)分析負載類型，判斷負載是恒矩、恒功率還是平方轉(zhuǎn)矩；(3)根據(jù)負載類型和控制任務(wù)，確定變頻器的種類和數(shù)量；(4)根據(jù)電動機的額定電流和額定功率大小，確定變頻器輸出頻率和額定電流數(shù)值；(5)選取性價比高的品牌和相應(yīng)的型號。通常情況下，一般用戶可以按照上述步驟來選擇合適的變頻器。但對于有相關(guān)經(jīng)驗的工程師而言，可以根據(jù)經(jīng)驗快速準確地選取所需的變頻器。本實驗選用了SiemensMM3117型號變頻器。SiemensMM31系列變頻器是西門子公司生產(chǎn)的一款小型高性能通用型變頻器。具有1個模擬輸入，0/2-10V和0/4-20niA輸入信號；具有5個帶隔離的數(shù)字輸入端，可切換為NPN/PNP接線；具有多個繼電器輸出端口；具有1個模擬量輸出；電動機驅(qū)動數(shù)據(jù)組(DDS)、命令數(shù)據(jù)組和設(shè)定值信號(CDS)參數(shù)的設(shè)定值可以相互切換；具有8個可編程固定頻率，1個可編程跳轉(zhuǎn)頻率；具有集成RS485通信接口。該變頻器的過載能力為額定負載電流的140%，在此情況下持續(xù)時間為3秒；在額定負載電流的110%時，持續(xù)時間為60秒。此外，該變頻器還具有多種保護功能，包括過/欠電壓保護、過熱保護、斷電再啟動保護和PTC/KTY電動機溫度保護。2.3PLC和擴展模塊的選型PLC是整個控制系統(tǒng)的核心，它負責(zé)采集所有的輸入信號，控制包含的輸出單元，實現(xiàn)恒壓，并與外部進行數(shù)據(jù)交換。選擇PLC時，需要考慮指令執(zhí)行速度、指令豐富內(nèi)容、內(nèi)存空間、通訊接口以及協(xié)議、擴展模塊的能力和編程軟件的易用性等多個因素。在本論文中，我們選擇了西門子S7-200系列PLC。該PLC的CPU型號為224，自帶兩個RS-485通信端口0和1、高速計數(shù)模塊、PID模塊等。在S7-200模擬量模塊中，EM235是最常用的模擬量拓展模塊，它能夠?qū)崿F(xiàn)4路模擬量輸入和1路模擬量輸出的功能。其技術(shù)參數(shù)見表2-1。表2-1EM235的常用技術(shù)參數(shù)模擬量輸出特性模擬量輸入點數(shù)4輸入范圍電壓單極性0-10V0-5V0-500111A0-100niA0-50niA電壓（雙極性）±10V±5V±2.5V±IV±500niA±250niA±100mV電流0·20mA數(shù)據(jù)字格式雙極性全量程范圍-32000—+32000單極性全量程范圍0—32000分辨率12位A/D轉(zhuǎn)換器模擬量輸出特性模擬量輸出點數(shù)1信號范圍電壓輸出±10V電流輸出0-20111A數(shù)據(jù)字格式電壓-32000—+32000電流0—32000拓展模塊的電源電壓為DC24V（L端口為電源正極，M端口為電源負極），各通道的接線方式如下：（1）輸入通道A：該通道為電壓輸入信號，應(yīng)將正、負極連接到A10和A-處。（2）輸入通道B：該通道未連接輸入信號，因此需要將B10和B-短接。（3）輸入通道C：該通道為0-20111A電流輸入信號，應(yīng)按其電流方向由C10流入、C-流出接線，將RC端口和C10短接后，連接電流輸入信號的“十”處。（4）輸入通道D：該通道為4-20mA電流輸入信號，應(yīng)按其電流方向由D10流入、D-流出接線，將RD端口和D10短接后，連接電流輸入信號的“十”處。這里提供給通道D電流輸入的顯然是二線制變送器輸出電流。（5）輸出通道：該通道的電流輸出范圍為0-20mA，其負載電阻應(yīng)接到10和MO端口處；電壓輸出范圍為±10V，其負載電阻應(yīng)接到VO和MO端口處。

第3章控制系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1PLC概述3.1.1PLC的發(fā)展歷程可編程邏輯控制器是一種電子系統(tǒng)，用于數(shù)字運算和操作，專門設(shè)計用于工業(yè)環(huán)境。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲邏輯運算、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型機械的生產(chǎn)過程；相關(guān)的外圍設(shè)備應(yīng)當根據(jù)易于與工業(yè)系統(tǒng)集成為一個整體，以及方便擴展其功能的原則進行設(shè)計。隨著計算機和微電子技術(shù)的發(fā)展，可編程邏輯控制器技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展。從最初的8位單片機發(fā)展到現(xiàn)代意義上的可編程邏輯控制器，微處理器CPU和微型計算機技術(shù)在其中的應(yīng)用起到了重要的作用。進入20世紀80年代以來，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路等微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，以16位和32位微處理器構(gòu)成的微機化PLC得到了驚人的發(fā)展，使PLC在概念、設(shè)計、性價比以及應(yīng)用等方面都有了新的突破。不僅控制功能增強，其功耗、體積減小，成本下降，可靠性提高，編程和故障檢測也更加精準，而且遠程I/0和通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理以及人機界面（HMI）也有了長足的發(fā)展?，F(xiàn)在PLC不僅能得心應(yīng)手的應(yīng)用于制造業(yè)自動化，而且還可以應(yīng)用于連續(xù)生產(chǎn)的控制系統(tǒng)，所有這些已經(jīng)使之成為自動化研究領(lǐng)域的三大支柱之一，即使在現(xiàn)場總線技術(shù)成為自動化技術(shù)應(yīng)用熱點的今天，PLC仍然是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中不可缺少的控制器。3.1.2PLC的工作原理可編程邏輯控制器是工業(yè)使用的控制計算機，其工作原理是在計算機工作原理的基礎(chǔ)之上，通過執(zhí)行用戶的程序來實現(xiàn)控制要求。CPU以分時操作方式來解決各項任務(wù)，程序的執(zhí)行是按照順序依次完成相應(yīng)電器的動作，因此它屬于串行處理方式。PLC工作的過程可分為三個過程。第一過程包硬件初始化、I/O模塊配置檢查、停電保持范圍設(shè)定、系統(tǒng)通訊參數(shù)配置和其他初始化處理等。第二部分是掃描過程，以周期性循環(huán)掃描的方式進行工作。在一個掃描周期中，PLC完成讀取輸入、處理通信請求、執(zhí)行邏輯控制程序、寫入輸出執(zhí)行和CPU自診斷。第三部分是出錯處理，PLC每掃描一次就執(zhí)行一次自診斷，確定PLC自身的動作是否正常。出現(xiàn)異常時CPU板上的LED及異常繼電器會接通，在特殊寄存器中會存入出錯代碼。總之，可編程邏輯控制器以集中輸入、集中輸出的周期性循環(huán)掃描的方式進行工作。每一次掃描所用的時間稱為掃描周期或工作周期。在一個掃描周期中，PLC一般將完成部分或全部的以下操作：讀取輸入、處理通信請求、執(zhí)行邏輯控制、寫入輸出執(zhí)行和CPU自診斷。PLC會不間斷進行這樣的操作直到關(guān)機。當PLC上電后，處于正常運行時，它將不斷重復(fù)掃描過程，并且不間斷的進行重復(fù)，如果對遠程I/O、特殊模塊、更新時鐘和其他通信服務(wù)等枝葉的東西暫不考慮，這樣掃描過程就只剩下“輸入采樣”、“程序執(zhí)行”和“輸出刷新”三個階段了。這三個階段是PLC工作過程的中心內(nèi)容，也是PLC工作原理的實質(zhì)所在。3.1.3控制系統(tǒng)的I/O通道地址分配根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，I/O通道地址分配如表3-1和3-2所示。表3-1輸入輸出信號代碼和地址編號輸入信號地址編號手動1I0.0手動2I0.1手動3I0.2手動4I0.3施肥I0.4電機正1Q0.0電機正2Q0.1電機正3Q0.2電機正4Q0.3電機反1Q0.4電機反2Q0.5電機反3Q0.6電機反4Q0.7施肥提示中Q1.0表3-2模擬量輸入輸出信號代碼和地址編號表輸出信號代碼地址編號表距離AIW0溫度AIW2濕度AIW4土壤溫度AIW6土壤濕度AIW83.1.4PLC系統(tǒng)選型本設(shè)計選擇了Siemens的模塊化中小型PLC系統(tǒng)S7-200，它能滿足中等性能要求的應(yīng)用，其應(yīng)用領(lǐng)域廣、易于實現(xiàn)分布、用戶容易掌控使S7-200成為各種從小規(guī)模到中等性能要求的滿意選擇。S7-200系列所具有的多種性能遞增的CPU和豐富的且?guī)в袑嵱玫腎/O擴展模塊，使用戶可以完全根據(jù)實際應(yīng)用選擇合適的模塊。S7-200系列PLC提供了五種基本單元和多種規(guī)格的擴展單元，以滿足不同的應(yīng)用需求。S7-200CPU包括CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226和CPU226XM，其中CPU22X系列產(chǎn)品已經(jīng)完全替代了CPU21X系列產(chǎn)品。不同型號的S7-200PLCCPU性能存在較大差異。如表3-3所示。表3-3S7-200系列PLCCPU型號表特性CPU221CPU222CPU224CPU224XPCPU226CPU226XM程序存儲區(qū)4096B4096B8192B12288B16384B24576B數(shù)據(jù)存儲區(qū)2048B2048B8192B10240B10240B20480B本機I/O6入4出8入6出14入10出14入10出24入16出24入16出擴展模塊數(shù)027777控制系統(tǒng)工藝流程較復(fù)雜、維修量較大、環(huán)境條件比較差，我們選用模塊式結(jié)構(gòu)的PLC。通過對系統(tǒng)控制要求的分析可知，共有開關(guān)量點4點，開關(guān)量輸出點9點，所以選用CPU224，它可以擴展7個模塊能夠滿足控制要求。CPU224的外圍接線圖如圖3-1所示。圖3-1CPU224AC/DC/RLY外圍接線圖3.2擴展模塊選型在本設(shè)計中，本文選擇了數(shù)字量輸出擴展模塊EM222，該模塊具有8路輸出通道。該模塊支持繼電器和干觸點輸出類型，輸出電壓范圍為5~30V(DC)或5~250V(AC)。此外，該模塊在輸出閉合時允許的最大輸出電流為200A。輸出采用組隔離方式，輸出組數(shù)為2，每組4點，8路輸出可同時接通，每組水平安裝最多可達4路，垂直安裝也是4路，每組最大輸出電流為8A，負載為燈時為30W(DC)/200W(AC)。最大觸點電阻為0.002，觸點閉合時的浪涌電流為7A，無過流保護，隔離電阻最小為100M。此模塊的線圈到觸點隔離為1500V（AC）/1min，觸點之間的隔離為750V(AC)/1min。電能消耗：+5V(DC)，50mA。EM222端子連線如圖3-2所示。圖3-2EM222數(shù)字量輸出8繼電器端子接線圖3.3電機及驅(qū)動器選型與應(yīng)用設(shè)計本設(shè)計選用的西門子MM440變頻器是一種多功能變頻器，它的額定工作范圍為120KW~200KW，支持恒定轉(zhuǎn)矩控制方式，最大額定功率可達250KW，適用于各種需要調(diào)速的場合?？赏ㄟ^數(shù)字操控面板或遠程操控來修改內(nèi)置參數(shù)以滿足各種調(diào)速場合的要求。本次設(shè)計采用JGA25-370微型直流減速電機，主要特征：①內(nèi)置多種運行控制方式；②快速電流限制，實現(xiàn)無跳閘運行；③內(nèi)置式制動斬波器，實現(xiàn)直流注入制動；④具有PID控制功能的閉環(huán)控制，控制參數(shù)可自動整定；⑤多組參數(shù)設(shè)定且可相互切換，變頻器可用于控制多個交替工作的生產(chǎn)過程；⑥多功能數(shù)字、模擬輸入∕輸出口，可任意定義其功能和具有完善的保護功能。如圖3-3所示為電控系統(tǒng)主電路。四臺電動機分別為MA1、MA2、MA3、MA4。接觸元件QA1、QA2、QA3、QA4控制MA1、MA2、MA3、MA4的啟停，這些接觸器一般通過PLC輸出模塊控制。變頻器和四臺電動機之間需要隔離，因此使用QA10、QA20、QA30、QA40作為隔離開關(guān)。這些開關(guān)一般也是由PLC輸出模塊控制的。主電源電路總開關(guān)為QA0，可手動控制。變頻器MM440有報警輸出繼電器KF3、KF4、KF5、KF6，當變頻器出現(xiàn)報警時，繼電器將發(fā)出信號。這些一般連接到PLC輸入模塊的相應(yīng)輸入口。變頻器還有故障報警器PB5、PB6、PB7、PB8，當變頻器出現(xiàn)故障時，報警器將發(fā)出聲音警報。圖3-3電控系統(tǒng)主電路圖3.4檢測元件選型與應(yīng)用設(shè)計3.4.1溫濕度傳感器(1)溫濕度傳感器\t"/item/%E6%B8%A9%E6%B9%BF%E5%BA%A6%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8/_blank"溫濕度傳感器多以溫濕度一體式的探頭作為\t"/item/%E6%B8%A9%E6%B9%BF%E5%BA%A6%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8/_blank"測溫元件，將溫度和濕度\t"/item/%E6%B8%A9%E6%B9%BF%E5%BA%A6%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8/_blank"信號采集出來，經(jīng)過穩(wěn)壓濾波、運算放大、\t"/item/%E6%B8%A9%E6%B9%BF%E5%BA%A6%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8/_blank"非線性校正、V/I轉(zhuǎn)換、恒流及反向保護等電路處理后，轉(zhuǎn)換成與溫度和濕度成\t"/item/%E6%B8%A9%E6%B9%BF%E5%BA%A6%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8/_blank"線性關(guān)系的電流信號或電壓信號輸出，也可以直接通過\t"/item/%E6%B8%A9%E6%B9%BF%E5%BA%A6%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8/_blank"主控芯片進行485或232等接口輸出。圖3-4溫濕度傳感器接口理想情況下應(yīng)該選擇能夠插入土壤并與土壤接觸且隨時感應(yīng)土壤濕度變化的傳感器。但實際上本身市場上的溫濕度傳感器就比較少，而且隨著精度的提高價格攀升幅度較大，一般價格比較昂貴?；趯纫笠话悖页鲇谫Y金的限制，進行多方對比，本文選擇了性價比比較高的一體溫濕度傳感器IH3605，在占有高性價比的同時，其較好的功能性也對電路起到簡化作用。同時，此類傳感器輸出電壓連續(xù)、信號較強，而且范圍變化合理。內(nèi)部的兩個熱化聚合體層之間形成的電容器電容量的大小可隨濕度的不同發(fā)生變化，從而完成對濕度信號的采集。熱化聚合體層還具有防御污坂、灰塵、油及其它有害物質(zhì)的功能。其結(jié)構(gòu)圖及引腳定義分別如圖3-5所示。采用封裝形式。圖3-5IH3605的結(jié)構(gòu)圖及引腳圖IH3605的輸出電壓是供電電壓、濕度及溫度的函數(shù)。電源電壓升高，輸出電壓將成比例升高。(2)液位傳感器本文采用紅外線傳感器進行液位的測量，M18光電模擬量漫反射測距離線性位移傳感器是適用于太陽能、空氣能、熱水箱的專用探頭，在本設(shè)計中分別探測高、中、低水位。3.4.2微量元素傳感器系統(tǒng)選用的微量元素濃度傳感器是英國GSS的C20,該傳感器有響應(yīng)快，低功耗,防水抗震動和精度高等特點。C20數(shù)字傳感器四線連接就可以工作,其中從左至右分別為:接地、串行輸入(接收數(shù)據(jù))、串行輸出(發(fā)送數(shù)據(jù))、+5V電壓。這種傳感器可實時感應(yīng)土壤中微量元素的濃度，并具有-25℃至+55℃的溫度補償功能。由于其小體積和防水等特點特別適合在濕度較高的土壤中使用。傳感器適用于各種土質(zhì)，具有可長期埋入土壤中，耐腐蝕，抽真空灌封，完全防水等優(yōu)點。廣泛適用于稻田、大棚種植、水稻、蔬菜種植、果園苗圃、花卉以及土壤研究等方面。接口電路如圖3-6所示。圖3-6微量元素傳感器及檢測電路3.5人機接口設(shè)計隨著社會的進步，工業(yè)自動化技術(shù)迅猛發(fā)展，控制系統(tǒng)功能越來越強大，控制過程也變得越來越繁瑣，系統(tǒng)透明化已經(jīng)成為一種需要。人機界面（HMIHumanMachineInterface）以其美觀易懂、操作人性化等顯著特點，正好滿足這種需求而得到廣泛的應(yīng)用。人機界面（HMI，HumanMachineInterface）最大的作用就是架起操作人員和機器之間的一座橋梁，除了能替代和節(jié)省大量的I/O點外，功能也更強大[19]。和S7-200PLC配套的SimaticHMI主要有：文本顯示器TD200和TD400、觸摸屏TP170A和TP170B、覆膜鍵盤顯示器OP170A/OP170B/OP77A/OP77B等。在這個設(shè)計中，我選擇了TP177B觸摸屏為人機界面，它屬于TP170系列的升級版。相比其他顯示器如TD200、TD400、觸摸屏TP170A/B以及覆膜鍵盤顯示器OP170A/B/OP77A/B等，TP177B功能更為強大，并且提供PROFIBUS-DP接口、PROFI-NET接口和USB接口，可使用軟件WinCCflexible對TP177B進行組態(tài)。圖3-7示即為S7-200CPU與安裝了編程軟件STEP7-Micro/WIN的編程計算機及西門子的HMI設(shè)備接線圖。圖3-7PPI通信網(wǎng)絡(luò)

第4章控制系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件由PLC控制程序和上位PC機監(jiān)控程序兩大模塊組成。PLC控制程序用于實現(xiàn)水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)和系統(tǒng)輸出壓力的恒定，而上位PC機監(jiān)控程序則負責(zé)系統(tǒng)運作的監(jiān)控和管理，以確保系統(tǒng)正常安全地運行。4.1系統(tǒng)控制程序設(shè)計4.1.1STEP7-Micro/VIN4.0編程軟件使用STEP7-Micio/VIN4.0編寫的程序有主程序、子程序和中斷程序三個部分。編譯后，可以通過PC/PPI電纜或PPI多主站電纜將程序下載到PLC的CPU中，然后進行程序的調(diào)試和運行。4.1.2USS協(xié)議SIEMENSAG定義的USS協(xié)議是一種簡單的串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，適用于SIEMENS的所有傳動產(chǎn)品。該協(xié)議采用主-從結(jié)構(gòu)，在總線上可連接1個主站和最多31個從站。USS總線可通過一個網(wǎng)絡(luò)連接器連接到S7224LC的通信端口O，或通過端子13為P+、端子14為P-的端口與各變頻器的RS485通信端口串行連接。USS協(xié)議支持多種波特率，包括300bps、600bps、1200bps、2400bps、4800bps、9600bps等，最高可達1875006bps，其中9600bps是最常用的。通過采用USS協(xié)議實現(xiàn)PLC與變頻器之間的串口通訊，可以將變頻器接通到PLC之前，通過變頻器面板設(shè)置變頻器的基本參數(shù)。例如，可以通過設(shè)置P944，將變頻器的所有參數(shù)值恢復(fù)成出廠設(shè)定值，設(shè)置P910，將模式改為遠程控制方式，設(shè)置P009，允許讀/寫所有參數(shù)等。4.2PLC控制程序設(shè)計（1）系統(tǒng)主程序在系統(tǒng)的主程序工作之前，需要先進行一系列的初始化工作，以確保擴展模塊（如通訊模塊和AD模塊）以及變頻器等設(shè)備能夠正常與PLC進行數(shù)據(jù)傳輸。在系統(tǒng)運行過程中，需要及時進行故障檢測，以防止設(shè)備損壞和意外發(fā)生。如果出現(xiàn)故障，需要在上位機上及時進行報警輸出，方便維修人員進行維修工作，以有利于系統(tǒng)恢復(fù)正常運行。其流程框圖如圖4-1所示。圖4-1控制系統(tǒng)主程序流程框圖4.3組態(tài)界面設(shè)計“組態(tài)（Configure）”一詞指的是用戶通過類似“搭積木”的簡單方式完成自己所需要的功能，如“配置”、“設(shè)定”、“設(shè)置”等。這種方式不需要編寫計算機程序，因此也稱為“組態(tài)”，有時候也稱為“二次開發(fā)”。另外，“監(jiān)控（SupervisoryControl）”是指通過計算機對自動化機器或過程進行監(jiān)視、控制和管理。組態(tài)還包括畫面設(shè)計、表格設(shè)計、報警功能設(shè)計等。在各種畫面和表格中，可以設(shè)置PLC控制系統(tǒng)中所需要設(shè)定的輸入?yún)?shù)、操作元素以及要實時顯示的輸出參數(shù)。4.4控制界面開發(fā)設(shè)計1.建立新工程創(chuàng)建一個新工程時，首先需要通過組態(tài)的“工程管理器”來指定工程的名稱和工作路徑。為了避免混淆，不同的工程必須放置在不同的路徑下。具體的操作步驟是打開組態(tài)軟件，進入“工程管理器”，然后指定工程的名稱和路徑。如圖4-2所示。圖4-2組態(tài)工程管理器界面如果要在組態(tài)中創(chuàng)建新的工程，可以通過單擊菜單欄中的“文件/新建工程”命令，或者單擊工具條上的“新建”按鈕，或者使用菜單中的“新建工程”命令來啟動“新建工程向?qū)А睂υ捒?。在該對話框中，用戶需要按照指引來進行一系列設(shè)置和操作，以便成功地創(chuàng)建一個新的工程,如圖4-3所示。圖4-3新建工程向?qū)螕簟跋乱徊健卑粹o,彈出“新建工程向?qū)Ф睂υ捒?如圖4-4所示。圖4-4新建工程向?qū)Ф谛陆üこ虝r，首先需要在對話框中寫入工程的路徑，如果路徑不存在，系統(tǒng)會提示用戶。用戶也可以通過單擊“瀏覽”按鈕，在彈出的路徑選擇對話框中選擇工程路徑，或者直接在彈出路徑選擇對話框中輸入路徑。然后單擊“下一步”按鈕，進入“新建工程向?qū)睂υ捒颍谠搶υ捒蛑?，用戶需要輸入新建工程的名稱和描述文本。最后單擊“完成”按鈕，即可確認新建的工程。如圖4-5所示。圖4-5新建工程向?qū)?.創(chuàng)建組態(tài)界面進入組態(tài)的開發(fā)系統(tǒng)后，可以為每個工程創(chuàng)建無限數(shù)量的畫面，所有畫面都可以組合靜態(tài)或動態(tài)的圖形，并且這些圖形可以相互關(guān)聯(lián)。這些畫面是由組態(tài)開發(fā)系統(tǒng)給予了豐富的圖形對象組成的。開發(fā)系統(tǒng)提供了基本圖形對象，如文本、直線、矩形、圓角矩形、圓形和多邊形，以及加強型按鈕、實時和歷史趨勢曲線、實時和歷史報警、實時和歷史報表等組件。此外，開發(fā)系統(tǒng)還提供了在工程窗口中編輯操作的內(nèi)容如復(fù)制、刪除、對齊等，以及對圖形對象的顏色、線型進行調(diào)整等一系列工具。組態(tài)開發(fā)系統(tǒng)提供的上述多類工具和圖形，方便用戶在組態(tài)工程時構(gòu)筑多種圖形界面。用戶可以通過單擊左側(cè)目錄中的“畫面”，再右側(cè)單擊“新建”來創(chuàng)建新的畫面。之后將出現(xiàn)“新建畫面”對話框。如圖4-6所示。圖4-6新畫面在“新畫面”對話框中,可以給畫面命名。在注釋中,可以選擇畫面位置及其畫面風(fēng)格。3.定義IO設(shè)備我們需要將與組態(tài)系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)的設(shè)備或程序都歸為IO設(shè)備。包括DDE、OPC、PLC、UPS、變頻器、智能儀表、智能模塊和板卡等。通常，這些設(shè)備會通過串口或以太網(wǎng)等方式與上位機進行數(shù)據(jù)交換。只有在定義了IO設(shè)備后，系統(tǒng)才能使用數(shù)據(jù)庫變量與這些IO設(shè)備進行交互。使用組態(tài)王繪制PLC的控制面板，可以提前設(shè)計控制邏輯，并實現(xiàn)對農(nóng)田耕作系統(tǒng)的監(jiān)控和仿真。系統(tǒng)的界面如圖4-7所示。圖4-7系統(tǒng)界面4.5控制系統(tǒng)的程序調(diào)試針對較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)，應(yīng)繪制系統(tǒng)流程圖以及明確的工作順序和條件。結(jié)合定義的輸入輸出參數(shù)，編寫程序，并將程序輸入到PLC的用戶存儲器中，隨后檢測程序是否正確。接下來進行程序調(diào)試和修改，直至達到要求為止。完成所有組態(tài)設(shè)置后，關(guān)閉組態(tài)監(jiān)控程序。將寫好的PLC程序下載至PLC裝置，并切換至離線狀態(tài)，運行并進入組態(tài)工程運行界面。此時，通過對按鈕的操作，可以檢測所編寫的流程是否正確。機器人的行走可以通過按鈕進行控制，設(shè)置了四個按鈕進行行動方向的模擬，點擊放置按鈕開始工作。圖4-8控制面板設(shè)置然后進行測試，可以發(fā)現(xiàn)機器人會自動進行土壤的各項指標的檢測。圖4-9動作示意圖當點擊電機正轉(zhuǎn)按鈕時，電機正1、2、3、4燈變綠，顯示此時四個電機此時開始工作，使機器人四個車輪開始進行正轉(zhuǎn)，以此來進行移動。圖4-10電機正轉(zhuǎn)示意圖當點擊電機反轉(zhuǎn)按鈕時，電機反1、2、3、4燈變綠，顯示此時四個電機此時開始工作，使機器人四個車輪開始進行反轉(zhuǎn)，以此來進行倒車操作。圖4-11電機反轉(zhuǎn)示意圖當機器人檢測到溫濕度超過或者低于所設(shè)置閾值時，溫濕度異常，報警燈亮起，蜂鳴器報警，數(shù)據(jù)傳送至上位機，以便于進行處理。圖4-12溫濕度報警示意圖小車裝有紅外線測距儀器，當感應(yīng)到周圍存在障礙物，且與障礙物的距離小于所設(shè)閾值時，障礙提示燈亮起，蜂鳴器報警，將數(shù)據(jù)傳送至上位機，電機停轉(zhuǎn)，不再前進或后退。圖4-13農(nóng)田機器人工作第5章總結(jié)本次設(shè)計，完成一個整體的基于PLC的農(nóng)田耕作機器人，并且該設(shè)計能實現(xiàn)的功能如下：溫濕度傳感器：實時監(jiān)測室外溫濕度的參數(shù)。微量元素傳感器：檢測無土栽培技術(shù)和自然環(huán)境配置的培養(yǎng)液中微量元素氮磷鉀的含量，從而決定是否需要施肥。紅外線測距傳感器：進行紅外線測距，以便于進行障礙探測，進而躲避障礙物。驅(qū)動電機：驅(qū)動小車進行前、后、左、右四個車輪進行前進、后退、轉(zhuǎn)彎等功能。在檢測到農(nóng)田圖層中氮磷鉀含量過低時，蜂鳴器報警，并發(fā)送至上位機。當檢測到空氣中濕度過低時，蜂鳴器報警，并發(fā)送至上位機。上位機可實時查看參數(shù)并實現(xiàn)遠程控制，實現(xiàn)人機交互?；赑LC的農(nóng)田耕作機器人是一種高效、自動化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，具有廣泛的應(yīng)用前景。未來，隨著農(nóng)業(yè)自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，基于PLC的農(nóng)田耕作機器人將會得到更廣泛的應(yīng)用和進一步發(fā)展。未來的農(nóng)田耕作機器人將更加智能化，可以利用機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，實現(xiàn)更加自動化、高效化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。未來將會具有更多的功能，例如自動噴灑、收割、播種等，不僅僅局限于耕作領(lǐng)域。隨著農(nóng)業(yè)信息化和傳感器技術(shù)的發(fā)展，未來的基于PLC的農(nóng)田耕作機器人將更加精準化，可以進行更加精細的管理，提高農(nóng)作物的生長效率和產(chǎn)量。未來的農(nóng)田耕作機器人將會實現(xiàn)完全無人化，不需要人員操控。這將大大提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，減少人力資源的浪費。更加環(huán)?；?，采用更加環(huán)保的能源和材料，減少對環(huán)境的污染和破壞。自動化的發(fā)展將在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮越來越重要的作用，成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要工具之一。

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