PLC在农业生产机器人控制系统 的应用设计-开题报告

一、国内研究现状

从十二五规划以来，农村现代化建设已经已经稳步推进，逐步形成了现代农业发展的理念。当前，成熟的工业技术在第一产业生产中已经得到了广泛的应用，从种植到畜牧再到加工的各个环节始终根植于工业反哺农业，科技引领生产的可持续发展的道路。由此可见，未来势必形成在新形势下农业现代化建设主流，主要反映在自动化、信息化和智能化的全产链农业生产领域。这不仅是解决十四亿中国人的粮食安全问题，更是解决长年以来农民生产作业的辛苦劳作和农村劳动力大量流失引起的不足而引发的农业生产危机，从而满足农民日益增长的对幸福生活的需要。

中国在近十年的农业现代化的装备建设中投入了大量的资本，取得了较为显著的成果。主要体现在四个方面。一是田间地头的耕作机、播种机、插秧机和收割机为代表的适用在大面积的农田耕种；二是生产各类蔬果生鲜和水培种植的各类大棚的建设；三是集成GPS和GIS 技术的无人机进行农药喷洒和铺设在田间地头的智能滴灌技术；四是融合了各类传感技术，结合信息化技术，形成的智能化农业管理系统，实时监控农产品生产过程，并进行相应分析、控制和决策。

总的来说，在国内面向农业现代化涌现了大批的专家学者和工程技术人员参与到农业现代化建设。也取得了许多令人满意的成效，并在农业生产上取得了良好的收益，造福了一方的农业发展。但是从“三农”发展的角度看，当前主要存在四个方面的问题。一是各类农业生产装备来看，都是相对独立的，没有联网相互通讯，不能传递各自的生产数据，无法形成数据分析和生成生产信息，进而缺乏实施生产分析和决策的全链生产体系，没有发挥PLC的主从站联网通讯功能；二是各类农业生产设备的功能过于单调，只能完成单独的翻耕或者播种或者采摘功能，没有发挥PLC控制系统的强大功能，由此实现的农业生产任务过于简单，而装备整机的动力系统单独配给，造成系列装备均需配备独立的动力系统和装置，导致系统性的制造成本偏高，存在重复建设现象。三是农业装备在自然的工作环境条件下处在恶劣的状态，夏季阳光直射导致的高温、冬季严寒冰冻导致的低温、阴梅雨季导致的高湿、冰雹风沙导致的折损，都直接影响着农业装备的可靠性、稳定性、安全性运营，尤其是PLC在恶劣环境体系中的极限边界没有有效保护；四是农业生产装备普遍存在精准度不足，不能满足现代精准农业的发展需要，传统自动化农机装备缺乏引进上位机系统。

二、国外研究现状

纵观近十余年的国外对农业装备发展历程，形成了自第一次工业革命到第三次工业革命以来最为快速的现代农业装备发展。主要从四个方面进行阐述。一是以美国为代表的农业装备发展，主要表现在大田作物生产中，尤其是谷物等农作物生产上已经实现了播种机、喷雾机和联合收割机的完整生产作业，采用了PLC控制技术和信息化技术支撑，不仅机械化、自动化和信息化程度很高，还采用了全球定位系统和地理信息系统进行精准定位和监控，向智能化和精准化农业发展。二是以日本为代表的农业装备发展，主要表现在小规模不规则的田间从耕整地、插秧、植保、收获等全面实现机械化作业。尤其是在设施农业建设方面，采用温室栽培、室内小型农业装备系列化、经营模式的集团化和规模化都取得了长足的进步。三是以欧盟为代表的农业装备发展，主要表现在旱作农业上，如小麦和玉米等作物的生产环节，对农地的翻耕、播种、收获和运输方面的生产环节上实现机械化到自动化的转变，通过PLC技术和GPS技术的整合，逐步实现精确农业作业。四是以印度等发展中国家为代表的农业装备发展，主要采用拖拉机配套农业装备实现机械化耕地、播种、排灌、防虫、收割和运输的生产环节，部分农业装备已经应用了PLC技术，局部农业生产中应用到信息化技术，有一定的借鉴价值。

国外十余年来的发展情况值得关注。一方面是日本的农业生产环境与中国大部分地区的环境相似，是很值得借鉴的，而且要重点关注日本在农业方面的科技创新能力，尤其是二次开发的以节省人力的智能农业装备，优势明显。日本农机采用PLC技术和信息化技术，不仅由机械化升级为自动化，更要关注智能化的生产系统。另一方面，笔者发现了一个有趣的现象，欧盟对农产品进行生物工程技术的改良，控制作物生长形状和结构，在种植的过程中，农作物的大小和形态相似，这也是实现精准农业的重要因素之一。

总而言之，虽然在欧美国家的农业装备发展较早，技术相对领先，也相对成熟，并取得了很好的经济价值，但在当下的智能化新时代背景下，同样存在着如同国内的问题，主要反映在三个方面：一是农业装备作业任务的独立性，缺乏农业生产系统的互联互通，生产过程中没有承上启下的数据分析信息交流和辅助决策；二是农业装备作业任务的单一性，没有形成完整的多任务综合智能农机装备，如采用子母机的共生系统，从而解决农机的投入成本，更重要的是获得了效率优先原则；三是农业装备仍然缺乏高精度、稳定性不足，直接影响基于PLC技术基础结合上位机以及农业互联网系统的自动化和智能化发展。

综上所述，基于PLC的各类集中控制系统存在的普遍问题主要有四。一是故障高。连接多组接触器、时间继电器和热继电器，存在恶劣环境中系统运行过程将面临运行元件较多、接线复杂、故障率高且检修难度大等问题缺陷；二是保护差。保护设施不全面, 存在运动执行机构打滑、低速、温度、超速以及烟雾等保护不到位；三是协同弱。多数PLC控制系统处在独立控制状态，缺乏集中控制形成主从站联网通讯，且停留在继电器、接触器的硬接线控制基础, 一旦控制目标变更, 通常只能重新设计、重新安装解决问题；四是抗扰差。PLC控制系统环境存在强电电路和强电设备,导易受电磁环境影响,如：信号被干扰、死机和数据采集精准度下降等现象,导致稳定性差。这一系列运行缺陷, 直接影响到PLC控制系统的性能和功能发挥。因此，通过优化与创新，在基于PLC控制系统中引入工业计算机控制系统和人工智能技术以及触摸屏控制系统的多层级控制系统的整合设计，促进PLC控制能力的最大性能化和功能化，不但具备最优的集中控制冗余性能，还具备深度学习的智能控制能力。

B. ^范文提纲格式

摘要

一、绪论

（一）研究背景及意义

（二）国内外研究现状与发展趋势

二、智能大棚生产机器人简介

（一）智能大棚生产机器人的构成与特点

智能大棚生产机器人的工作原理与应用

三、智能大棚生产机器人的控制系统

（一）上位机控制系统

（二）下位机控制系统

智能联网生产系统接口与驱动

四、智能大棚生产机器人控制系统的硬件设计

（一）基于PLC的下位机的控制系统硬件结构设计

（二）基于PLC的下位机的主电路设计

（三）基于PLC的下位机的子电路设计

（四）基于PLC的下位机的自检电路设计

（五）基于PLC的下位机的传感器电路设计

五、智能大棚生产机器人控制系统的软件设计

（一）PLC子程序设计

（二）PLC主程序设计

（三）PLC主从站程序设计

（四）基于Lab View上位机控制系统的软件设计

（五）基于PYTHON的人工智能生产平台的软件设计

六、MATLAB仿真与结果分析

（一）仿真实验

（二）结果分析

结语

参考文献

参考文献

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