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；PLC1、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3040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OPLC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/R0M）、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3-1 PLC控制系统示意图图 2.2.1 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 2.2.2 所示。RUNSTOP .|内部处理|通信服务输入处理|程序执行输出处理图 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(Micro PLC)。这一系列产品可以满足 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 I0.7I1.0 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。10.0下挖按钮10.5后退按钮10.1上扬按钮10.6右转按钮10.2左拐按钮10.7左转按钮10.3右拐按钮I1.0手动控制开关10.4前进按钮I1.1自动控制开关表 2.4.1 输入地址分配表表 2.4.2 输出地址分配表，如图 2.5 所示。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挖掘机也11 -I- 2口 纟 dHO.1 QCILG-6q$El 口 也 I el4 HO