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目 录1 绪 论11.1 课题的背景11.1.1 挖掘机的发展及应用11.1.2 挖掘机的现状及动向11.1.3 挖掘机的分类21.1.4 PLC的发展及应用21.2 课题的目的和意义41.3 课题研究的主要内容42 挖掘机控制系统的硬件设计52.1 系统的工作原理52.2 硬件设计的理论基础52.2.1 PLC的工作原理52.2.2 直流电机的工作原理72.3 PLC的选型82.4系统的资源分配92.5 系统的外部接线图102.6 硬件的抗干扰措施103 挖掘机控制系统的软件设计123.1 PLC编程语言的概述123.2 挖掘机控制系统程序的设计133.2.1自动控制的设计133.2.2 手动控制的设计223.3 软件的抗干扰措施244 人机界面的设计254.1 组态软件的介绍254.2 挖掘机监控系统的创建过程264.2.1 挖掘机监控系统设备的连接264.2.2 挖掘机监控系统数据变量的设计274.2.3 图形画面的制作及动画连接304.2.4 挖掘机监控系统的脚本程序345 挖掘机控制系统的调试365.1 硬件和软件的调试365.2组态监控软件和下位机的调试36结 论38致 谢39参考文献401 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。1968-1970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、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，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，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，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）、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