挖掘机控制系统.docx
《挖掘机控制系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《挖掘机控制系统.docx（32页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
挖掘机控制系统
挖掘机控制系统
沈阳航空航天大学北方科技学院
摘要：
进入21世纪以来，随着我国经济的高速发展，大规模土木工程建设越来越多，这就需要大量的土石方施工机械为其服务,而挖掘机作为土石方施工机械的一种,显得越来越重要。
本系统就是通过PLC实现挖掘机实物教学模型控制。
本文在介绍挖掘机的工作原理的基础上，采用PLC对下位机进行控制，包括硬件和软件的设计，实现了挖掘机的自动和手动控制，使挖掘机能够完成预先设计好的动作，提高工作效率，节约成本，把人从枯燥的工作中解放出来。
在此设计的基础上，本文采用了组态王6.52对挖掘机控制系统进行上位端设计，使操作人员对挖掘机进行远程监控，远离危险区域，避免在危险区域中施工造成不必要的人员伤亡。
最后本系统采取了相应的抗干扰措施，提高了系统的工作稳定性，使挖掘机达到了较为理想的控制效果。
关键词：
挖掘机；组态王；PLC
1、绪论
1.1、挖掘机的发展动态
挖掘机应用面广，使用量大，在工程机械市场占有很重要的地位，目前已成为工程机械第一主力机,挖掘机模仿人体构造，有大臂小臂和手腕，能扭腰旋转和行走，具有较长的臂和杆，可做空间六自由度动作，配装上各种工作装置能进行立体作业这种带有类似人类基因的挖掘机已成为人类工程建设中的主要伙伴之一，也被称为土建机械手，是建设机器人的代表正因为挖掘机通用性强，作业范围广，所以被认为是多功能的工程机械挖掘机和液压传动紧密地联系在一起，挖掘机作业动作多，运动复杂多样，所需功率大，而液压传动的特点是功率密度大，布置简单灵活，操纵容易方便，很适合挖掘机多处需要动力驱动各种工作装置的要求，是挖掘机理想的传动装置，是挖掘机基础,同时，挖掘机对液压技术也提出了各种各样更高层次的性能要求，推动了液压技术的发展，促进了液压元件高压化多样化小型化发展从某些方面而言，挖掘机引领着液压技术发展的潮流此外，挖掘机作业过程中要求高效快速，因为作业动作的复杂性和操纵控制的困难性，只有采用先进的电子控制才能解决，所以挖掘机又成为工程机械中采用电子技术的代表，对发动机液压泵阀和马达都要控制，从个别控制发展到全面综合控制，从人工选择控制发展到智能自动控制许多的IT（信息）技术光测和光控技术以及远距离通讯（CT通信）技术等都已用于挖掘机上。
1.2、我国挖掘机的现状
早在1954年我国就已开始生产机械式挖掘机，当时的抚顺重型机器厂（抚顺挖掘机厂前身）引进前苏联的机械式挖掘机W10012和W5012等国际20世纪30－40年代的产品。
由于国家经济建设的需要，后又发展10余家厂生产，到1966年12年全国共生产了机械式挖掘机3000余台，后又延续生产到八十年代初。
随着我国液压挖掘机行业国外先进技术的引进和国产液压挖掘机产品的增加和性能水平的提高，开始全面淘汰已生产多年的落后、笨重的中、小型机械式挖掘机。
1.3、挖掘机的分类
1.3.1、挖掘机分类一：
常见的挖掘机按驱动方式有内燃机驱动挖掘机和电力驱动挖掘机两种。
其中电动挖掘机主要应用在高原缺氧与地下矿井和其它一些易燃易爆的场所。
1.3.2、挖掘机分类二：
按照行走方式的不同，挖掘机可分为履带式挖掘机和轮式挖掘机。
1.3.3、挖掘机分类三：
按照传动方式的不同，挖掘机可分为液压挖掘机和机械挖掘机。
机械挖掘机主要用在一些大型矿山上。
1.3.4、挖掘机分类四：
按照用途来分，挖掘机又可以分为通用挖掘机，矿用挖掘机，船用挖掘机，特种挖掘机等不同的类别。
1.4、PLC的发展及应用
长期以来，PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。
其主要原因，在于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化的需要。
另一方面，PLC还必须依靠其他新技术来面对市场份额逐渐缩小所带来的冲击，尤其是工业PC所带来的冲击。
PLC需要解决的问题依然是新技术的采用、系统开放性和价格。
PLC技术展的最终趋势仍然是人们所争论的焦点之一。
大多数人认为，PLC将会继续失去市场份额；更有甚者认为，在工业PC面前，PLC将会一步一步走向死亡；但也有一部分人相信，一些特殊工业应用领域仍将为PLC提供一定的市场份额。
在全球工业计算机控制领域，围绕开放与再开放过程控制系统、开放式过程控制软件、开放性数据通信协议，已经发生巨大变革，几乎到处都有PLC，但这种趋势也许不会继续发展下去。
随着软PLC（SoftPLC）控制组态软件技术的诞生与进一步完善和发展，安装有SoftPLC组态软件和基于工业PC控制系统的市场份额正在逐步得到增长，这些事实使传统PLC供应商在思想上已经发生了戏剧性的变化，他们必须面对现实，在传统PLC的技术发展与提高方面作出更加开放的高姿态。
对于控制软件来讲，这是PLC控制器的核心，PLC供应商正在向工业用户提供开放式的编程组态工具软件，而且对于工业用户表现得非常积极。
此外，开放式通信网络技术也得到了突破，其结果是将PLC融入更加开放的工业控制行业。
2、挖掘机控制系统的硬件设计
2.1、系统的工作原理
本系统主要是通过PLC实现挖掘机实物教学模型控制，通过控制四个直流电机的正反转来实现挖掘机的基本动作。
本系统能手动完成八个基本的机械动作，分别是前进、后退、左拐、右拐、左转、右转、下挖、上扬，并通过这八个基本动作组合出一套完整的自动挖掘过程动作，从而模拟出现实工业现场环境中挖掘机挖掘的整个过程。
2.2、PLC的工作原理
可编程序控制器主要由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM/ROM）、输入/输出部件（I/O单元）、电源和编程器几大部分。
可编程序控制器控制系统示意图如图2.2.1所示。
图2.2.1PLC控制系统示意图
可编程序控制器有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态和停止（STOP）状态。
在运行状态，可编程序控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。
为了使可编程序控制器的输出及时的响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直至可编程序控制器停机或切换到STOP工作状态。
除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，可编程序控制器还要完成内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5个阶段如图2.2.2所示。
图2.2.2扫描过程
可编程序控制器的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。
由于计算机执行指令的速度极高，从外部输入—输出关系来看，处理过程似乎是同时完成的。
在内部处理阶段，可编程序控制器检查CPU模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些其它的内部工作。
在通信服务阶段，可编程序控制器与其它的带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。
当可编程序控制器处于停止（STOP）状态时，只执行以上的操作。
可编程序控制器处于运行（RUN）状态时，还要执行另外三个阶段的操作。
在可编程序控制器的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。
可编程序控制器梯形图中别的编程元件对应的映像存储器统称为元件映像寄存器。
在输入处理阶段，可编程序控制器把所有外部输入电路的接通/断开（ON/OFF）状态读入输入映像寄存器。
外接的输入触点电路接通时，对应的输入映像寄存器为“1”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点接通，常闭触点断开。
外接的输入触点电路断开时，对应的输入映像寄存器为“0”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点断开，常闭触点接通。
在程序执行阶段，外部输入信号的变化不影响输入映像寄存器的状态，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入。
可编程序控制器的用户程序有若干条指令组成，指令在存储器中按序号顺序排列。
在没有跳转指令时，CPU从第一条指令开始，逐条顺序地执行用户程序，直到用户程序结束。
在执行指令时，从输入映像寄存器或别的元件映像寄存器中将有关编程元件的“0”/“1”状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算结果写入到对应的元件映像寄存器中，因此，各编程元件的映像寄存器（输入映像寄存器除外）的内容随着程序的执行而变化。
在输出处理阶段，CPU将输出映像寄存器的“0”/“1”状态传送输出锁存器。
梯形图中输出继电器的线圈“通电”时，对应的输出映像寄存器为“1”状态。
信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。
若梯形图中输出继电器的线圈“断电”，对应的输出映像寄存器为“0”态，在输出处理阶段后，继电器输出模块中对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开，外部负载断电，停止工作。
2.3、PLC的选型
S7-200系列是一类可编程逻辑控制器（MicroPLC）。
这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制需要，S7-200MicroPLC具有紧凑的设计、良好的扩展能力、低廉的价格以及强大的指令，使得S7-200近乎完美地满足小规模的控制要求。
紧凑的结构、低廉的成本以及功能强大的指令集使得S7-200PLC成为各种小型控制任务理想的解决方案。
S7-200产品的多样化以及基于Windows的编程工具，能够更加灵活地完成自动化任务。
S7-200的用户程序包括了位逻辑、计数器、定时器、复杂数学运算以及其它模块通讯等指令内容，从而使它能够监视输入状态，改变输出状态以达到控制目的。
紧凑的结构、灵活的配置和强大的指令集使S7-200成为本系统的理想解决方案。
S7-200出色表现在极高的可靠性，极丰富的指令集，易于掌握，便捷的操作，丰富的内置集成功能，实时特性，强劲的通讯能力，丰富的扩展模块和自由端口模式通信功能，最大可以扩展到248点数字量I/O或35路模拟量I/O，最多有30多KB程序和数据存储空间。
S7-200有5种CPU模块分别是：
221、222、224、224XP、226，根据系统的需要所以选用CPU224的主机模块。
CPU224是具有较强控制功能的控制器，14入/10出数字量，6个高速计数器，6路30kHz单相高速计数器，4路20kHz双相高速计数器。
2.4、系统的资源分配
根据系统的需要，输入点10个分别是I0.0、I0.1、I0.2、I0.3、I0.4、I0.5、I0.6、I0.7、I1.0、I1.1，输出点8个分别是Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4、Q0.5、Q0.6、Q0.7。
I/O分配如表2.4.1和2.4.2所示。
输入地址
定义
输入地址
定义
I0.0
下挖按钮
I0.5
后退按钮
I0.1
上扬按钮
I0.6
右转按钮
I0.2
左拐按钮
I0.7
左转按钮
I0.3
右拐按钮
I1.0
手动控制开关
I0.4
前进按钮
I1.1
自动控制开关
表2.4.1输入地址分配表
输出地址
定义
输入地址
定义
Q0.0
后退
Q0.4
左拐
Q0.1
前进
Q0.5
右拐
Q0.2
下挖
Q0.6
右转
Q0.3
上扬
Q0.7
左转
表2.4.2输出地址分配表
2.5、系统的外部接线图
通过控制盒连接S7-200，然后操作控制盒来控制挖掘机，如图2.5所示。
图2.5外部接线图
2.6、硬件的抗干扰措施
随着工业设备自动化控制技术的发展，可编程序控制器（PLC）在工业设备控制中的应用越来越广泛。
PLC控制系统的可靠性直接影响到企业的安全生产和经济运行，系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。
自动化系统所使用的各种类型PLC中，有的是集中安装在控制室，有的是安装在生产现场和各电机设备上，它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中。
要提高PLC控制系统可靠性，一方面要求PLC生产厂家提高设备的抗干扰能力，另一方面要求应用部门在工程设计、安装施工和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性能。
屏蔽:
对电源变压器、中央处理器、编程器等主要部件，采用导电、导磁性良好的材料进行屏蔽处理，以防止外界干扰信号的影响。
滤波:
对供电系统计输入线路采用多种形式的滤波处理，以消除和抑制高频干扰信号，也削弱了模块间的相互影响。
电源调整与保护:
电源波动造成电压畸变或毛刺，将对PLC及I/O模块产生不良影响。
对微处理器核心部件所需要的＋5V电源采用多级滤波处理，并用集成电压调整器进行调整，以适应交流电网的波动和过电压、欠电压的影响。
尽量使电源线平行走线，电源线对地呈低阻抗，以减少电源噪声干扰。
其屏蔽层接地方式不同，对干扰抑制效果不一样，一般次级线圈不能接地。
输入、输出线应用双绞线且屏蔽层应可靠接地，以抑制共摸干扰。
隔离:
在微处理器与I/O电路之间，采用光电隔离措施，有效地把他们隔离开来，以防外部的干扰信号及地线环路中产生的噪声电信号通过公共地线进入PLC本机，从而影响其正常工作。
3.挖掘机控制系统的软件设计
3.1PLC编程语言的概述
3.1.1、PLC编程语言的种类
PLC编程语言的种类主要包括三种：
梯形图、语句表和功能块图。
梯形图：
梯形图是通过连线把PLC指令的梯形图符号连接在一起的连通图，用以表达所使用的PLC指令及其前后顺序，它与电气原理图很相似。
它的连线有两种：
一为母线，另一为内部横竖线。
内部横竖线把一个个梯形图符号指令连成一个指令组，这个指令组一般总是从装载（LD）指令开始，必要时再继以若干个输入指令（含LD指令），以建立逻辑条件。
最后为输出类指令，实现输出控制，或为数据控制、流程控制、通讯处理、监控工作等指令，以进行相应的工作。
母线是用来连接指令组的。
梯形图编程，因为它直观易懂。
语句表：
S7系列PLC将指令表称为语句表。
PLC的指令是一种与微机的汇编语言中的指令相似的助记符表达式，由指令组成的程序叫做指令表程序或语句表程序。
语句表比较适合熟悉PLC和逻辑程序设计的经验丰富的程序员使用。
功能块图：
这是一种类似于数字逻辑门电路的编程语言，有数字电路基础的人很容易掌握。
该编程语言用类似与门、或门的方框来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，输入、输出端的小圆圈表示“非”运算，方框被“导线”连接在一起，信号自左向右流动。
3.1.2、PLC编程语言的特点
简化的程序结构
PLC的程序结构通常很简单，典型的为块式结构，不同块完成不同的功能，使程序的调试者对整个程序的控制功能和控制顺序有清晰的概念。
简化应用软件生成过程
使用汇编语言和高级语言编写程序，要完成编辑、编译和连接三个过程，而使用编程语言，只需要编辑一个过程，其余由系统软件自动完成，整个编辑过程都在人机对话下进行的，不要求用户有高深的软件设计能力。
图形式指令结构
程序由图形方式表达，指令由不同的图形符号组成，易于理解和记忆。
系统的软件开发者已把工业控制中所需的独立运算功能编制成象征性图形，用户根据自己的需要把这些图形进行组合，并填入适当的参数。
在逻辑运算部分，几乎所有的厂家都采用类似于继电器控制电路的梯形图，很容易接受。
如西门子公司还采用控制系统流程图来表示，它沿用二进制逻辑元件图形符号来表达控制关系，很直观易懂。
较复杂的算术运算、定时计数等，一般也参照梯形图或逻辑元件图给予表示，虽然象征性不如逻辑运算部分，但也很受用户欢迎。
明确的变量常数
图形符相当于操作码，规定了运算功能，操作数由用户填人，如：
K400，T120等。
PLC中的变量和常数以及其取值范围有明确规定，由产品型号决定，可查阅产品目录手册。
强化的调试手段
无论是汇编程序，还是高级语言程序调试，都是令编辑人员头疼的事，而PLC的程序调试提供了完备的条件，使用编程器，利用PLC和编程器上的按键、显示和内部编辑、调试、监控等，并在软件支持下，使诊断和调试操作都很简单。
3.2挖掘机控制系统程序的设计
本系统自动控制部分设计了一套完整的机械动作，这一套完整的动作由八个基本的机械动作组成：
前进、后退、左拐、右拐、左转、右转、下挖、上扬。
本系统分为两个部分：
第一部分为自动控制；第二部分为手动控制。
3.2.1自动控制的设计
本系统自动动作依次为：
挖掘机前进，右拐前进，左转，下挖，右转，后退，左拐前进，右转，上扬，左转，后退，右拐，后退，最终回到起始位置，如图3.2.1所示。
图3.2.1挖掘机自动控制图
程序设计及分析：
从网络1到网络6的程序可知：
自动控制开关I1.1导通，延时定时器T37、T38开始计时。
T37在1.5秒后导通，此时M0.0导通，将M21.0的数值移入移位寄存器中，M21.1为该寄存器的最低位端；将M22.0的数值移入移位寄存器中，M25.1为该寄存器的最低位端。
3.2.2手动控制的设计
本系统的手动动作可实现对挖掘机的手动控制，如图3.2.2所示。
图3.2.2手动控制图
手动控制开关I1.0导通，M23.0导通，按下I0.4，M23.1导通，Q0.1输出，挖掘机前进。
按下I0.2，M23.2导通，Q0.4输出，挖掘机左拐。
按下I0.5，M23.3导通，Q0.0输出，挖掘机后退。
按下I0.3，M23.4导通，Q0.5输出，挖掘机右拐。
按下I0.3，M23.4导通，Q0.5输出，挖掘机右拐。
按下I0.0，M23.5导通，Q0.2输出，挖掘机下挖。
按下I0.1，M23.6导通，Q0.3输出，挖掘机上扬。
按下I0.6，M23.7导通，Q0.6输出，挖掘机右转。
按下I0.7，M24.0导通，Q0.7输出，挖掘机左转。
其相关的程序为：
3.3软件的抗干扰措施
故障诊断:
系统软件定期地检测外界环境，如掉电、欠电压、锂电池电压过低及强干扰信号等，以便及时反映和处理。
信号保护和恢复:
当偶尔性故障发生时，不破坏PLC内部的信息，一旦故障现象消失，就可以恢复正常，继续原来的工作。
设置警戒时钟WDT:
如果程序循环扫描执行时间超过了WDT规定的时间，预示了程序进入死循环，立即报警。
加强对程序的检查和校验:
一旦程序有错，立即报警，并停止执行程序。
对程序及动态数据进行电池后备:
当停电时利用后备电池供电，保持有关信息和状态数据不丢失。
4、人机界面的设计
4.1、组态软件的介绍
组态软件，又称组态监控软件系统软件。
译自英文SCADA,即SupervisoryControlandDataAcquisition（数据采集与监视控制）。
它是指一些数据采集与过程控制的专用软件。
它们处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。
组态软件的应用领域很广，可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。
在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统（RTUSystem,RemoteTerminalUnit）。
组态软件在国内是一个约定俗成的概念，并没有明确的定义，它可以理解为“组态式监控软件”。
“组态（Configure）”的含义是“配置”、“设定”、“设置”等意思，是指用户通过类似“搭积木”的简单方式来完成自己所需要的软件功能，而不需要编写计算机程序，也就是所谓的“组态”。
它有时候也称为“二次开发”，组态软件就称为“二次开发平台”。
“监控（SupervisoryControl）”，即“监视和控制”，是指通过计算机信号对自动化设备或过程进行监视、控制和管理。
组态软件是有专业性的。
一种组态软件只能适合某种领域的应用。
组态的概念最早出现在工业计算机控制中，如：
DCS（集散控制系统）组态、PLC（可编程控制器）梯形图组态；人机界面生成软件就叫工控组态软件。
在其他行业也有组态的概念，如AutoCAD，PhotoShop等。
不同之处在于，工业控制中形成的组态结果是用在实时监控的。
从表面上看，组态工具的运行程序就是执行自己特定的任务。
工控组态软件也提供了编程手段，一般都是内置编译系统，提供类BASIC语言，有的支持VB，现在有的组态软件甚至支持C#高级语言。
组态软件大都支持各种主流工控设备和标准通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。
对应于原有的HMI（人机接口软件，HumanMachineInterface）的概念，组态软件还是一个使用户能快速建立自己的HMI的软件工具或开发环境。
在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI应用，开发时间长，效率低，可靠性差；或者购买专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加功能都受到严重的限制。
组态软件的出现使用户可以利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。
随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经成为它的主要内容，监控组态软件将会不断被赋予新的内容。
4.2、挖掘机监控系统的创建过程
4.2.1、挖掘机监控系统设备的连接
在计算机外部设备硬件连接好后，为了实现组态王和外部设备的实时数据通讯，必须在组态王的开发环境中定义外部设备。
本系统的设备连接过程如下：
在组态王工程浏览器树形目录中，选择设备COM1，在右边的工作区出现了“新建”图标，双击此“新建”图标，弹出“设备配置向导”对话框，在“设备”下的子项中默认列出的项目表示组态王和外部设备几种常用的通讯方式，DDE、PLC，智能仪表，智能模块，板卡，变频器。
在上述对话框双击PLC选择西门子提供的S7200系列的PPI项。
为S7200设备指定逻辑名称s7200。
为设备选择连接的串口为COM1。
为了保证组态王与PLC能够通信上，所以组态王的通信地址要与PLC的通信地址保持一致，在本系统调试的过程中，PLC的通信地址为18，因此此处填写设备地址为18。
设置通信故障恢复参数，默认参数。
检查各项设置是否正确，确认无误后，单击“完成”。
创建好的窗口如图4.2.1所示。
图4.2.1创建好的窗口
4.2.2挖掘机监控系统数据变量的设计
数据库是“组态王”最核心的部分。
在TouchVew运行时，现场的挖掘机要以动画的形式显示在屏幕上，这些都是以实时数据库为核心，所以说数据库是连接上位机和下位机的桥梁。
数据库中变量的集合形象地称为“数据辞典”，数据词典记录了所有用户可以使用的数据变量的详细信息。
数据词典中的变量可以分为基本变量类型和特殊变量两大类，基本变量又分为内存变量和I/O变量两种。
“I/O变量”指的是组态王与外部设备或其它应用程序交换的变量。
这种数据交换是双向的、动态的，就是说在组态王系统运行过程中，每当I/O变量的值改变时，该值就会自动写入外部设备或远程应用程序；每当外部设备或远程应用程序中的值改变时，组态王系统中的变量值也会自动改变。
所以，那些从下位机采集来的数据、发送给下位机的指令，比如前进按钮、后退按钮等变量，都需要设置成“I/O变量”。
那些不需要和外部设备或其它应用程序交换，只在组态王内使用的变量，比如计算过程的中间变量，就可以设置成“内存变量”。
基本类型的变量也可以按照数据类型分为离散型、实型、整型和字符串型。
内存离散变量、I/O离散变量
内存实型变量、I/O实型变量
内存整数变量、I/O整数变量
内存字符串型变量、I/O字符串型变量
本系统共需设置12个实时数据，主要是通过定义数据词典来实现。
在工程浏览器树型目录中选择“数据词典”，在
升级会员 