新型室内试验土槽台车变频自动控制系统的研究.docx

新型室内试验土槽台车变频自动控制系统的研究于艳刘晓红 尚书旗*（青岛农业大学机电工程学院,青岛 266109）【摘要】土槽试验装置主要用于对土壤耕作机械、工作部件以及相应的行走机构试验和研发。随着科学技术的发展和农 业可持续性发展要求的提高，在研发新的农机具时，所需考虑的环节和因素越来越多，因此对土槽台车的控制要求也越 来越高。本文主要基于现有土槽试验装置，为完善其自动运行控制系统进行了相关研究。自动控制系统有两种运行方式： 工业 pc 机监控方式和 at89c52 为核心的单片机控制方式。工业 pc 机监控方式中，主要是在土槽试验平台的工控机 winxp 环境中通过使用 delphi 软件编程实现与土槽台车中的变频器 e2000 串行通信，从而完成工控机对土槽台车运动 控制的监控。at89c52 为核心的单片机控制方式中，系统采用 at89c52 为核心控制器，手持遥控端的 at89c52 单片机 发出控制命令经由 ptr2000 无线通信收发模块发送，核心控制器部分的无线接收模块接收命令、处理从而实现对台车上 的变频器远程和本地控制。关键词：试验土槽；at89c52；e2000；ptr2000；中图分类号：文献标识码：design and application of new testing slots in the tracking controlsystemyu yanliu xiao-hongshang shu-qi *(1.shenyang agricultural university engineering college, shenyang 110866, china 2. qingdao agricultural university engineering college, qingdao 266109, china)abstract:a tested soil-bin is an effective device which can be well used to test the whole or components of the agricultural machinery. it is convenient to get some effective data and information, and that is important for the research and test on a new agricultural machine. therefore a multifunctional control system which is easy to use is of great significance. a new computer control and test system featuring plc control and pxi bus has been designed to control the whole soil bin system including motion control and correlative date processing. this paper introduces the software design as well as the hardware design of the electric control system and test system.key words: test soil-bin, at89c52, e2000, ptr20000 引言我国是农业大国，近年来，随着我国社会主 义新农村建设逐步推进以及国家对农机化关键技 术和装备研制开发扶持力度加大，农业机械研发 面临了一个新的机遇和挑战。室内试验土槽可以 为农业机械的研发提供准确有效的数据，对农业 机械研发的技术创新和节约研发成本具有重大的 意义。我校最新设计了一条长 35m，宽 2.5m，深 1.2m 的固定式土槽，如图 1 所示，并已经投入使用。图 1 室内土槽台车实物图土槽台车的驱动系统主要由变频器加三相异步电机来完成，本文主要分析通过变频器控制以 实现土槽台车的自动运行控制。变频器广泛应用于各种工业控制现场的交流传动中，使用中常通过变频器面板上的控制键来完成参数设置和变频 器的相关控制，但由于其专业性较强，使用起来 不方便，尤其是对于短距离运动控制。本文主要对 35m 距离内台车的拖动不同控制 对象时的自动控制进行了相关研究，控制方式主 要分为两种：工业 pc 机监控方式和 at89c52 为 核心的单片机控制方式。工业 pc 机监控方式主要 是在土槽试验平台的工控机 winxp 环境中通过使 用 delphi 软件编程实现与土槽台车中的变频器 e2000 串行通信，从而完成工控机对土槽台车运 动控制的监控。设计的人机界面操作简单、易行， 对于对变频器不是十分了解的人也能很好的完成 相关操作。其次，工控机对变频器的运行状态监 控的同时也采集了转速、距离等相关信息，这些 信息不仅可以用于变频器的进一步控制还可以用 于被测试农业机械的运动分析。at89c52 为核心 的单片机控制方式中，系统采用 at89c52 为主核 心控制器，手持遥控端的 at89c52 单片机发出控 制命令经由 ptr2000 无线通信收发模块发送，核 心控制器部分的无线接收模块接收命令、处理从而实现对台车上的变频器远程和本地控制。1 工业 pc 机监控方式土槽试验系统采用了欧瑞 e2000-0007 s2 d f1 k b r 变频器，带有 modbus 通讯功能，如图 2 所示，它与计算机之间可采用 modbus 串行异步 通讯协议，从而实现与 pc 机的通信。1.1 硬件构成变频器有一个 rs-485 的 modbus 通讯接口， 可用双绞线或屏蔽双绞线将变频器通讯接口与 pc 机的串行通讯接口连接起来，通常中间都要配 有 rs-232/rs-485 转换器。数据传输格式有两种： ascii 模式和 rtu 模式，两种模式各有各自的特 点，本设计采用 rtu 模式，格式如表 1 所示，ascii模式不再赘述，详见说明书。图 3 变频自动控制系统框图1.2delphi 软件实现在系统中，采用 delphi 软件为用户设计良好 的可视化人机界面，使用户可以通过鼠标和键盘 来控制变频器工作，实时数据采集并自动生成各 种曲线和变频器运行状态监控。考虑到实际应用 的需求并结合了变频器的特点，软件主要包含以 下五部分：（1）通讯参数查询和设置模块当系统增加变频器时，可在此处对相应的参数进行修改和设置，此外也可以随时查询通讯参数，以观察通讯是否顺畅或故障，以便复位 重新通讯。图 2 欧瑞 e2000 系列变频器标准配线图rs485变频器无线通信 模块rs485接口rs232/485转换器无线通信 模块手持控制器txd/rxd主控单片机txd/rxdpcrs232（2）变频器状态监控模块变频器的状态主要如运行、停机和故障等， 状态处理等级不同，相对应的响应也不同，此处 可以根据具体的实际运行要求更改参数，以满足 不同需求。状态参数显示的位置也可以设置更改。（3）变频器控制模块 变频器的控制主要包含两部分：手动控制和自动控制。手动控制可以点动控制土槽台车的前 进、后退；可以点动频率给定，使台车的运动速 度增加或降低。自动控制可以针对不同的拖动对 象实现不同要求的控制，有多个子模块可以选择， 此处以土壤恢复控制为例说明。在变频器控制模 块中选定自动控制，并选定土壤恢复控制子模块， 程序首先初始化，根据变频器的状态参数和其他 相关参数判定台车的位置，并使台车回到初始位 置，可选定台车的运行速度曲线，对于不同的土 壤情况可能整地所需时间不同，此处可以根据实 际要求选定，等待挂机具或更换机具。判定初始 化结束且机具更换完毕，变频器将按设定的运行 曲线自动变频启动、运行和停止。抬起机具，台 车反向运行并进行喷淋，直至回到初始位置，台 车停止，完成土壤回复工作。（4）变频器功能码的监控和修改模块 变频器的功能码较多，对变频器的监控比较重要，在此模块中将主要的功能码显示，并可以 对其修改和设置，从而实现对变频器的辅助控制 和监控。（5）帮助模块 为方便系统的升级和修改，设置了帮助模块，主要功能是对系统进行了详细解释，利于用户更好的了解系统和熟练操作。2 at89c52 为核心的单片机控制方式土槽试验装置为农机具的研发提供了一个很 好平台，但土槽台车的操作通常在操作室内，若 想操作台车的同时能够同时观测土壤情况抑或更 换农机具，需要多人合作完成。此外，若想对台 车进行简单控制也必须开启控制室的计算机，为 解决以上问题，使用 at89c52 单片机为控制核心， 设计了一套基于单片机控制的本地和远程操作系 统。2.1 控制系统的硬件组成基于 at89c52 单片机控制系统由两部分组 成，如图 2 所示。一部分用于用户在控制室内不 开主机的情况下，通过对主控单片机的操作实现 对台车运行进行控制；一部分是用于用户在台车 下通过手持控制器的操作实现对台车进行无线控 制。通常，台车接通电源后，单片机控制系统处 于待机状态，此时若开启计算机，则单片机控制 系统自动休眠。遥控状态下，从机 at89c52 可由 键盘输入信息，向 ptr2000 模块发送数据，并接 收上位机通过 ptr2000 传送的数据，完成对变频 器的自动控制和数据采集、存储工作。ptr2000 模块主要将单片机的待送传数据调制成射频信 号，再发送到另外一个 ptr2000 模块，同时接收 ptr2000 模块传送的射频信号，并调制成单片机 可识别的 ttl 信号送至单片机，从机与 ptr2000 接口原理电路如图 4 所示，上位机与从机与 ptr2000 接口原理一致，不再赘述。2.2 控制系统的软件设计 基于单片机的控制系统软件设计包括主机和从机两部分。此处仅对手持控制系统的软件设计进行简单介绍。at89c5231/ea x1lcd1912vcc/int018x2 resetp2.0 p2.1 p2.2 p2.3 p2.4 p2.5 p2.6p2.7p1.0ptr200091vccvcc314d0 d1212t0 t1 p0.0 p0.1 p0.2 p0.3 p0.4 p0.5 p0.6p0.7cs15394vcc226pwr5237txen gnd38372425262736012335p1.03428p1.1 33324 5671234p1.2 8+ -p1.1 p1.2 p1.3 917/rd/wr16p1.3 st op293011567复位 set runp1.4 p1.5 p1.6p1.7psen ale txd rxd108/int1p1.413p1.5p1.6p1.7123414vcc6vcc1y7gnd74hc21图 4 手持控制器电路图主程序流程图如图 6 所示。主要包含三大内容，分别为程序的初始化、通信和数据处理。设 计过程中，键盘采用中断方式，而通信采用中断 和查询相结合来实现，键盘中断子程序流程图如 图 5 所示。设置 ptr2000 的状态(发射或接收)，选择固 定的通信频道 1(cs=0)，并让 ptr2000 模块一直 处于正常工作状态或待机状态。无线通信时，应 注意：1)发送在发送数据之前，应将 ptr2000 模 块置于发射模式，即 txen=1。然后等待至少 5 ms 后(接收到发射的切换时间)才可发射数据。发送结 束后，应将模块置于接收状态，即 txen=0。2) 接收应将 ptr2000 置于接收模式，即 txen=0。手持控制器的单片机不发送的绝大部分 时间都处于接收状态。当初始状态时手持单片机 端根据键盘设置的数据向主控单片机侧发送变频器运行控制信号，此时主控侧单片机应为接收；当主控机端发送时，单片机端应为接收，编程时配合单片机的 i/o 口实现。键盘中断服务子程序数字键1-9setrunstop复位-+中断返回图 5 键盘中断子程序流程图无线通信中，由于外部环境的干扰，通常误 码率较高，因此通信协议的设计对保证通信的可 靠性十分重要。协议的设计主要是帧结构的设计，在该无线通信系统中，存在指令帧和数据帧。数1d1c1b1adb7db6db5db4db3db2db1db0 er/wrs vl vcc gnd1413121110987654321初始化，判键值据帧的内容包括起始字节、数据长度字节、数据字节、结束字节和校验和字节。起始字节定义为 “$”字符，其数值为 0x24；结束字节定义为“*”字 符，其数值为 0x2a。采用校验和的方法进行帧的校验，将所有字 节相加，然后将结果截短到所需的位长。发送端 对待发送的数据进行校验和计算，将校验和值放 在数据后一起发送；在接收端，对接收到的数据 进行校验和计算，然后与收到的校验和字节比较，进行误码判断。我校土槽试验平台自建成以来，通过多次测试和技术整合，功能趋于完善，操作更加人性化。 本文着重介绍了 pc 机对变频器及土槽台车的控 制、监控，手持控制器的分析和设计。实践证明， pc 机对变频器监控，可有助于系统的完备和相关 数据的处理。手持控制器实现了小于 300 m 的短 距离通信，通过实验验证该无线数据传输系统运 行良好，单片机控制便捷、准确。参考文献：1 农机土槽试验动力学参数测试系统的研制第 一作者2011 年农业工程学报（ei 收录）， 27(13):323-328；公益性行业（农业）科研专项（2009030536）开始2design of control system for testing platform of soil-bin for agricultural machine based on plc第 一作者2011 年农业工程新技术国际学术会议（国 际会议 ei 收录），5:67-69；公益性行业（农业） 科研专项（2009030536）3基于 pxi 的农机土槽遥测系统的研制第一作 者2011 年农机化研究，33（2）：139-142；公 益性行业（农业）科研专项（2009030536） 4 新型土槽试验平台及测控系统的设计与应 用第一作者2011 年东北农业大学学报，42（ 2 ）： 69-72 ；公益