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1、挖掘机控制系统的PLC控制挖掘机控制系统的PLC控制摘 要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

2、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；PLC1 绪 论1.1 课题的背景1.1.1 挖掘机的发展及应用挖掘机是用来开挖土壤的施工机械，主要用于工程建设，如：公路、桥梁、建筑、养殖池、地下工程、抢险开挖等等，挖掘机主要特点是力气大，效率高，能完成人力所不能完成的工程，提高工作效率。一般工程队，建筑业，抢险部门，甚至私人（开挖养殖迟、道路、开垦）都需要挖掘机。据统计，工程施工中百分六十的土方工程是由挖掘机来完成的。此外，挖掘机在更换工作装置后还可以进行起重，打桩，夯土，拔桩，浇筑，安装，破碎，拆除，粉碎等多种

3、作业。第一台挖掘机问世至今已有130多年的历史，最初挖掘机是手动的，期间经历了由蒸汽驱动，电力驱动和内燃机驱动，应用机电一体化技术的全自动液压挖掘机等多种驱动方式的逐步发展过程。由于液压技术的应用，20世纪40年代有了在拖拉机上配装液压反铲的悬挂式挖掘机，液压技术在挖掘机上得到应用。20世纪50年代初期和中期相继研制出今天人们常见的拖式全回转液压挖掘机和履带式全液压挖掘机。初期试制的液压挖掘机是采用飞机和机床的液压技术，缺少适用于挖掘机各种工况的液压元件，制造质量不够稳定，配套件也不齐全。从20世纪60年代起，液压挖掘机进入推广和蓬勃发展阶段，各国挖掘机制造厂和品种增加很快，产量猛增。1968

4、-1970年间，液压挖掘机产量已占挖掘机总产量的83%，目前已接近100%。 1.1.2 挖掘机的现状及动向 工业发达国家的挖掘机生产较早，法国、德国、美国、俄罗斯、日本是斗容量3.5-40m单斗液压挖掘机的主要生产国，从20世纪80年代开始生产特大型挖掘机。从20世纪后期开始，国际上挖掘机的生产向大型化、微型化、多功能化、专用化和自动化的方向发展。开发多品种、多功能、高质量及高效率的挖掘机。迅速发展全液压挖掘机，不断改进和革新控制方式，使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液压操纵、气压操纵、液压伺服操纵和电气控制、无线电遥控、电子计算机综合程序控制。在危险地区或水下作业采用无线电操纵，利用电子计算

5、机控制接收器和激光导向相结合，实现了挖掘机作业操纵的完全自动化。重视采用新技术、新工艺、新结构，加快标准化、系列化、通用化发展速度。更新设计理论，提高可靠性，延长使用寿命。加强对驾驶员的劳动保护，改善驾驶员的劳动条件。进一步改进液压系统。中、小型液压挖掘机的液压系统有向变量系统转变的明显趋势。迅速拓展电子化、自动化技术在挖掘机上的应用。1.1.3 挖掘机的分类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。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。按照传动方式的不同，挖掘机可分为液压挖掘机和机械挖

6、掘机。机械挖掘机主要用在一些大型矿山上。 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。1.1.4 PLC的发展及应用可编程序控制器是以微处理器为基础，综合计算机、通信、联网以及自动控制技术而开发的新一代工业控制装置。可编程序控制器在我国的发展与应用已有30多年的历史，现在它已经广泛应用于国民经济的各个工业生产领域，成为提高传统工业装备水平和技术能力的重要设备和强大支柱。随着全球一体化经济的发展，努力发展可编程序控制器在我国的大规模应用，形成具有自主知识产权的可编程序控制器技术，应该是广大技术人员努力的方向。 可编程序控制器问世于20世纪60年代，当

7、时的可编程序控制器功能都很简单，只有逻辑、定时、计数等功能；硬件方面用于可编程序控制器的集成电路还没有投入大规模工业化生产，CPU以分立元件组成；存储器为磁心存储器，存储容量有限；用户指令一般只有二三十条，还没有成型的编程语言；机型单一，没有形成系列。一台可编程序控制器最多只能替代200300个继电器组成的控制系统，在体积方面，与现在的可编程序控制器相比，可以说是庞然大物。 进入70年代，随着中小规模集成电路的工业化生产，可编程序控制器技术得到了较大的发展。可编程序控制器功能除逻辑运算外，增加了数值运算、计算机接口、模拟量控制等；软件开发有自诊断程序，程序存储开始使用EPROM；可靠性进一步提

8、高，初步形成系列，结构上开始有模块式和整体式的区分，整机功能从专用向通用过渡。 70年代后期和80年代初期，微处理器技术日趋成熟，单片微处理器、半导体存储器进入工业化生产，大规模集成电路开始普遍应用。可编程序控制器开始向多处理器发展，使可编程序控制器的功能和处理速度大为增强，并具有通信和远程I/O能力，增加了多种特殊功能，如浮点运算、三角函数、查表、列表等，自诊断和容错技术也迅速发展。 80年代后期到90年代中期，随着计算机和网络技术的普及应用，超大规模集成电路、门阵列以及专用集成电路的迅速发展，可编程序控制器的CPU已发展为由16位或32位微处理器构成，处理速度得到很大提高，高速计数、中断、

9、PID、运动控制等功能引入了可编程序控制器。使得可编程序控制器能够满足工业生产过程的各个领域，可编程序控制器已完全取代了传统的逻辑控制装置，模拟量仪表控制装置和以小型机为核心的DDC（直接数字控制）控制装置。由于联网能力增强，既可和上位计算机联网，也可以下挂FLEX I/O或远程I/O，从而组成分布式控制系统（DCS）已无困难。梯型图语言和语句表语言完全成熟，基本上标准化，SFC（顺序功能图）语言逐步普及，专用的编程器已被个人计算机和相应编程软件所替代，人机界面装置日趋完善，已能进行对整个工厂的监控、管理，并发展了冗余技术，大大加强了可靠性。 进入21世纪，可编程序控制器仍保持旺盛的发展势头，

10、并不断扩大其应用领域，如为用户配置柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS）。目前可编程序控制器主要向两个方向扩展：一是综合化控制系统，它已经突破了原有的可编程序控制器的概念，将工厂生产过程控制与信息管理系统密切结合起来，甚至向上为MES和ERP系统准备了技术基础，这种发展趋势会使得举步为艰的ERP系统有了坚实的技术基础，从而会带来工业控制的一场变革，实现真正意义上的电子信息化工厂；二是微型可编程序控制器异军突起，体积如手掌大小，功能可覆盖单体设备及整个车间的控制功能，并具备联网功能，这种微型化的可编程序控制器使得控制系统可将触角延伸到工厂的各个角落。随着世界经济一体化进程的加快，

11、在技术发展的同时，发达国家更加注重了对可编程序控制器的知识产权的保护，国际大型可编程序控制器制造商纷纷加入了可编程序控制器的国际标准化组织，他们利用许多技术标准建立了符合他们经济利益的技术保护壁垒。 1.2 课题的目的和意义随着我国经济的高速发展，在辽阔的土地上正在进行着大规模的经济建设，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,而挖掘机是最重要的一类土石方施工机械，所以挖掘机的重要性越来越明显。目前，主要是通过操作人员来实现对挖掘机的控制，因此要考虑到工作环境的安全性，可靠性与工作持续性，如果能够自动的控制挖掘机的工作过程，不仅节省大量的人力、物力，而且还会带来可观的经济效

12、益，本系统就是通过PLC实现挖掘机实物教学模型控制。通过控制器实现对挖掘机的自动和手动控制，通过手动控制可以使操作人员对挖掘机进行远程控制，使操作人员远离危险区域，避免在危险区域中施工造成不必要的人员伤亡。通过自动控制可以使挖掘机不知疲倦的重复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。1.3 课题研究的主要内容本系统主要是采用PLC实现挖掘机的模拟控制，研究的主要内容如下：在收集相关资料，学习了相关理论知识的基础上，对挖掘机控制系统进行总体设计。通过对PLC选型、资源分配以及硬件电路的连接实现挖掘机控制系统硬件的设计。通过对系统进行程序的设计、分析、调试、修改，

13、最终编制出相应的梯形图程序。利用组态王对挖掘机控制系统上位端进行实时监控。最后软硬件进行联调，模拟运行，并实现组态与下位机的通信。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 硬件设计的理论基础2.2.1 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）、

14、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2.1所示。图2.1 PLC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所示。图2.2 扫描过程可编程序控制器的这种

15、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

16、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

17、，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“

18、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。2.2.2 直流电机的工作原理今天的挖掘机占绝大部分的是全液压全回转挖掘机。液压挖掘机主要由发动机、液压系统、工作装置、行走装置和电气控制等部分组成。液压系统由液压泵、控制阀、液压缸、液压马达、管路、油箱等组成。电气控制系统包括监控盘、发动机控制系统、泵控制系统、各类传感器、电磁阀等。挖掘机主要由发动机和液压泵等组成的，发动机提供动力，通过分配器将液压油分配到各条臂和行走中。本系统主要内容是通过PLC控制挖掘机模型，该模型的动力系统是小型直流电机。直流电

19、机是电机的主要类型之一。一台直流电机即可作为发电机使用，也可作为电动机使用，由于其具有良好的调速性能，在许多调速性能要求较高的场合，仍得到广泛使用。直流电机的工作原理如图2.3所示。图2.3 直流电机的工作原理图直流电机由定子和转子两部分组成，其间有一定的气隙。其构造的主要特点是具有一个带换向器的电枢。直流电机的定子由机座、主磁极、换向磁极、前后端盖和刷架等部件组成。其中主磁极是产生直流电机气隙磁场的主要部件，由永磁体或带有直流励磁绕组的叠片铁心构成。直流电机的转子则由电枢、换向器（又称整流子）和转轴等部件构成。其中电枢由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。电枢铁心由硅钢片叠成，在其外圆处均匀分布着

20、齿槽，电枢绕组则嵌置于这些槽中。换向器是一种机械整流部件。由换向片叠成圆筒形后，以金属夹件或塑料成型为一个整体。各换向片间互相绝缘。换向器质量对运行可靠性有很大影响。当原动机驱动电枢绕组在主磁极N、S之间旋转时，电枢绕组上感生出电动势，经电刷、换向器装置整流为直流后，引向外部负载（或电网），对外供电，此时电机作直流发电机运行。如用外部直流电源，经电刷换向器装置将直流电流引向电枢绕组，则此电流与主磁极N、S产生的磁场互相作用，产生转矩，驱动转子与连接于其上的机械负载工作，此时电机作直流电动机运行。2.3 PLC的选型S7-200系列是一类可编程逻辑控制器(Micro PLC)。这一系列产品可以满

21、足多种多样的自动化控制需要，S7-200 Micro PLC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S7-200 PLC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

22、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

23、.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2.1和2.2所示。 表2.1 输入地址分配表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2.2 输出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2.5 系统的外部接线图通过控制盒连接S7-20

24、0，然后操作控制盒来控制挖掘机，如图2.4所示。图2.4 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

25、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

26、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3.1 PLC编程语言的概述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）

27、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

28、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。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

29、，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

30、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所示。图3.1 挖掘机自动控制图程序设计及分析：从网络1到网络

31、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3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。从网络7的程序可知：M21.1导通，Q0.1输出，挖掘机前进5秒。从网络8到网络9的程序可知：M21.2导通，Q0.1和Q0.5同时输出，挖掘机右拐。从网络10到网络11的程序可知：M21.3导通，T40开始计时，2秒后导通，Q0.7输出，挖掘机左转。从网络12到网络13的程序可知：M21.4导通，T41开始计时，1秒后导通，Q0.2输出，挖掘机下挖。从网络14到网络15的程序可知：M21.5导通，T42开始计时，2秒后导通，Q0.6输出，挖掘机右转。从网络16的程序可知：M21.6导通，Q0.0输出，挖掘机后退。从网络17到网络18的程序可知：M21.7导通，Q0.1和Q0.4同时输出，挖掘机左拐。从网络14到网络15的程序可知：M25.1导通，T42开始计时，2秒后导通，Q0.6输出，挖掘机右转。从网络18到网络19的程序可知：M25.2导通，T43开始计时，1秒后导通，Q0.3输出，挖掘机上扬。从网络10到网络11的