挖掘机控制系统

沈阳航空航天大学

摘要：进入21世纪，我们的社会每一天都在进步，大规模土木工程建设越来越多，而挖掘机，是用铲斗挖掘高于或低于承机面的物料，并装入运输车辆或卸至堆料场的土方机械。本文主要介绍挖掘机的工作原理，用PLC编程实现下位机控制，分别用手动和自动的设计来模拟实现挖掘机的工作状态，使挖掘机能够完成预先设计好的动作。通过PLC程序编写，I/O分配表和对硬件电路的连接，最后利用组态王6.53对挖掘机控制系统进行模拟调试，采用组态软件建立人机监控界面，从而提高工作效率，节约成本，把人从枯燥的工作中解放出来。

关键词：挖掘机；PLC；组态王；手动；自动

1绪论

1.1挖掘机的发展及应用

挖掘机作为施工机械中的中流砥柱多年来为施工单位所依赖，挖掘机马力强劲，功能有着较强的不可替代性。尤其是在科学技术突飞猛进的今天，人们对挖掘机的要求越来越高，不仅对其动力系统的要求在提高，在操作的舒适度、能耗和尾气排放上都比原来要求更高了。还好有一直在进步的科技基础作为支撑，使人们对挖掘机的改造和创新进入了一个新的时代。在世界资源严重匮乏、石油天然气价格猛增的今天，对机械设备的动力来源改造越来越多地被提上课题，人们在努力寻找一种可再生的新型能源替代石油天然气等不可再生而且会造成环境污染的能源，于是我们看到了大街上的出租车公交车的动力都由传统的石油燃料转变为电力和其它可再生能源，这样不仅大大提高了能源利用率而且减轻了环境的负担。挖掘机也不例外，国内已经有很多公司注意到了电动挖掘机的商机，开始努力研究并且批量生产以电力为动力来源的挖掘机，在这篇论文中，我们也将对电动挖掘机进行深入的研究和探索。

1.2 挖掘机的现状

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3.5-40m³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。

1.3 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。

2 系统工作原理

本系统主要是通过PLC实现挖掘机控制，本系统能单周期完成启动前进→右转→右进→左转→上扬→下挖→右进→左转→左进→后退到原线停一套完整的动作。还可以完成单步控制方式，从初始步开始，按下一步启动按钮，系统转换到下一步，完成该步的任务后，自动停止工作并停留在该步，再按一下启动按钮，又往前走一步。并且按自动返回按钮，挖掘机返回到最初的状态；按急停按钮，挖掘机立即停止工作。并制作一个在组态监控系统，包括有登录画面、主画面，通过画面的制作、脚本的编写，能够实时的反应整个运行过程，并且对其进行控制。

3 挖掘机的硬件设计

3.1 PLC简介

PLC，可编程序控制器，它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC在近年来发展极为迅速、应用极为广泛。它将传统的继电器控制技术、自动化技术、计算机控制技术和通信技术融为一体专门为工业控制而设计，具有可靠性高、功能强、编程简单、使用方便、环境适应性好以及体积小、功耗低等特点；具有基本控制功能、步进控制功能、模拟控制功能、定位控制功能、网络通信功能、自诊断功能、显示监控功能等，可以满足对工业生产进行监视和控制的绝大多数场合的需要。PLC最常用的语言是面向控制的梯形图语言，它采用了与实际电器原理图非常接近的图形编程方式，易学易用。

PLC是综合了继电器接触器控制的优点及计算机灵活、方便的优点而设计制造和发展的，这就使PLC具有很多控制器所无法相比的特点：

1. 可靠性高，抗干扰能力强。一般PLC的平均无故障时间可达几万小时以上。

2. 通用性强，使用方便。

3. 采用模块化结构，使系统组合灵活方便。

4. 编程语言简单、易学，便于掌握。

5. 系统设计周期短。

6. 对生产工艺改变适应性强。

7. 安装简单、调试方便、维护工作量小。

根据PLC的特点可以将它的应用形式可归纳为：开关量逻辑控制、模拟量控制、过程控制、定时和计数控制、顺序控制、数据处理、通信和联网。

3.2 PLC的选择

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成为本系统的理想决方解案。 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。

3.3 挖掘机机的I/O分配

按照设计的要求，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1和表2所示。

表1 输入地址分配表

表2 输出地址分配表

3.4 挖掘机的外部接线

通过控制盒连接S7-200，然后操作控制盒来控制挖掘机，如下图3-1所示。

3-1挖掘机的外部接线图

4 挖掘机机软件设计

4.1编程软件介绍

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。

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。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。

4.2挖掘机程序设计及分析

4.2.1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，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。顺序功能图如图4-1所示。；第二部分为手动控制。程序流程图如图4-2所示

4-1挖掘机自动控制顺序功能图

4-2挖掘机手动程序流程图

4.2.2程序

如附录1的梯形图所示

5 挖掘机监控界面的设计

5.1 组态软件的概述

组态就是用应用软件中提供的工具、方法，完成工程中某一具体任务的过程。与硬件生产相对照，组态与组装类似。如要组装一台电脑，事先提供了各种型号的主板、机箱、电源、CPU、显示器、硬盘、光驱等，我们的工作就是用这些部件拼凑成自己需要的电脑。当然软件中的组态要比硬件的组装有更大的发挥空间，因为它一般要比硬件中的“部件”更多，而且每个“部件”都很灵活，因为软部件都有内部属性，通过改变属性可以改变其规格（如大小、性状、颜色等）。 在组态概念出现之前，要实现某一任务，都是通过编写程序（如使用BASIC,C,FORTRAN等）来实现的。编写程序不但工作量大、周期长，而且容易犯错误，不能保证工期。组态软件的出现，解决了这个问题。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。如AutoCAD，PhotoShop，办公软件都存在相似的操作，即用软件提供的工具来形成自己的作品，并以数据文件保存作品，而不是执行程序。组态形成的数据只有其制造工具或其他专用工具才能识别。但是不同之处在于，工业控制中形成的组态结果是用在实时监控的。组态工具的解释引擎，要根据这些组态结果实时运行。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。虽然说组态就是不需要编写程序就能完成特定的应用。但是为了提供一些灵活性，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，有的甚至支持VB。在当今工控领域，一些常用的大型组态软件主要有：WinCC，iFix，Intouch，组态王，力控等。

组态王开发监控系统软件是新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统，它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。因此本系统选择组态王来实现对挖掘机控制系统的设计。组态王（KingView）软件包括组态王工程浏览器、开发系统和运行系统三个部份。

工程浏览器（PROJMAK）是一个具有集成开发的环境。在工程浏览器中可以创建工程，并对工程进行管理。可以查看工程的各个组成部分，完成构造数据库、定义外部设备等工作。

开发系统（TOUCHMAK）是应用程序的开发环境。在这个环境中完成设计画面、动画连接等工作。TOUCHMAK具有先进完善的图形生成功能；数据库中有多种数据类型，能合理地抽象控制对象的特性；对变量报警、趋势曲线、过程记录、安全防范等重要功能都有简单的操作办法。

运行系统是组态王软件的实时运行环境。在TOUCHMAK中建立的图形画面只有在TOUCHIVEW中才能运行。TOUCHVIEW从工业控制对象中采集数据，并记录在实时数据库中。它还负责把数据的变化用动画的方式形象地表示出来，同时完成变量报警、操作记录、趋势曲线等监视功能，并生成历史数据文件。画面的“开发系统”和“运行系统”由“工程浏览器”调用，且两个系统可以独立于“工程浏览器”工作。

5.2 定义数据词典

在系统中要先对不同类型的数据进行定义才能进行系统的设计。本系统实时数据的定义如图5-1所示。

5-1数据词典的定义

5.3 用户界面的制作

挖掘机机的登录界面如图5-2所示，挖掘机控制系统主画面如图5-3所示，报警画面如图5-4.

5-2挖掘机的登录画面

5-3挖掘机控制系统主画面

5-4挖掘机控制系统的监控画面

5.4命令语言的编写

用户界面制作完成后要与界面编制程序，程序是用户界面的后台支持。一方面程序使得用户界面与下位机PLC实现通讯，使用户界面可以控制系统的运行。另一方面程序建立了画面中动画和系统状态的联系，使用户画面中可以实时的反应系统的运行情况。本系统编写的命令语言如下：

if(\\本站点\手自动==1)

{if(\\本站点\启动==1)

{\\本站点\T=\\本站点\T+1;

if(\\本站点\T>0&&\\本站点\T<=2)

{\\本站点\前进=0;

\\本站点\后退=0;

\\本站点\右行=0;

\\本站点\左行=0;

\\本站点\上扬=0;

\\本站点\下挖=0;

\\本站点\挖掘机X=0;

\\本站点\挖掘机Y=0;

\\本站点\挖掘机抓手=0;}

if(\\本站点\T>2&&\\本站点\T<=12)

{\\本站点\前进=1;}

if(\\本站点\T>12&&\\本站点\T<=22)

{\\本站点\右行=1;

\\本站点\前进=0;}

if(\\本站点\T>22&&\\本站点\T<=32)

{\\本站点\右行=0;

\\本站点\上扬=1;}

if(\\本站点\T>32&&\\本站点\T<=42)

{\\本站点\下挖=1;

\\本站点\上扬=0;}

if(\\本站点\T>42&&\\本站点\T<=52)

{\\本站点\下挖=0;

\\本站点\左行=1;}

if(\\本站点\T>52&&\\本站点\T<=62)

{\\本站点\后退=1;

\\本站点\左行=0;}

if(\\本站点\T>62&&\\本站点\T<=72)

{\\本站点\后退=1;

}

if(\\本站点\T>72)

{\\本站点\启动=0;

\\本站点\T=0;

\\本站点\前进=0;

\\本站点\后退=0;

\\本站点\右行=0;

\\本站点\左行=0;

\\本站点\上扬=0;

\\本站点\下挖=0;

\\本站点\挖掘机X=0;

\\本站点\挖掘机Y=0;

\\本站点\挖掘机抓手=0;}

}

}

if(\\本站点\前进==1)

\\本站点\挖掘机X=\\本站点\挖掘机X+10;

if(\\本站点\后退==1)

\\本站点\挖掘机X=\\本站点\挖掘机X-10;

if(\\本站点\右行==1)

\\本站点\挖掘机Y=\\本站点\挖掘机Y+10;

if(\\本站点\左行==1)

\\本站点\挖掘机Y=\\本站点\挖掘机Y-10;

if(\\本站点\上扬==1)

\\本站点\挖掘机抓手=\\本站点\挖掘机抓手-20;

if(\\本站点\下挖==1)

\\本站点\挖掘机抓手=\\本站点\挖掘机抓手+20;

6 程序调试

编程软件与PLC的参数设置如图6-1所示

图6-1 PLC参数设置

在对软件调试过程中，经过不断的试验、调整，最终修改完成程序。在对硬件调试过程中，连线时把输出端接地线接到了+24V上导致plc程序是对的现象出不来，后经同学指出修改正确 ，使挖掘机完成指定动作。编写出正确的程序是本系统的关键之一，在开始时由于思路不清楚，编写的程序一直不太好，不能使挖掘机达到理想的状态，最后理清了思路，使挖掘机达到了理想状态。

7 实验体会

本次课计是上位机通过PLC模拟控制挖掘机，下位机用组态监控现场工作环境，通过合理的设备选型、参数设置和软硬件设计，设计任务完全实现。

通过对挖掘机的程序设计，使我熟练地掌握了PLC的编程知识，在实训的准备过程中我也查阅了很多文献，包括对组态王的画面设计水平也有了很大的提高。当然在这个过程中还是遇到了很多的问题，比如实训内容要求手动和自动两部分都要有，这个问题我当时比较困惑，后来是同学给了建议用两个开关实现手动和自动。还有就是制作组态王画面遇到了不少小问题，不会画挖掘机的模型，后来请教了李老师，经过了老师的细心指导把问题逐个解决掉了。

通过本次设计，我的知识领域得到进一步扩展，专业技能得到进一步提高，同时增强了分析和解决实际问题的综合能力。另外，也培养了自己严肃认真的科学态度和严谨求实的工作作风。正是这一次设计让我积累了无数实际经验，使我的头脑更好的被知识武装了起来，也让我在未来的工作学习中能够表现出更高的应变能力，更强的沟通力和理解力。在此十分感谢老师在这次实训中对我的悉心指导和帮助。

参考文献

[1] 廖常初主编.PLC编程及应用.机械工业出版社，2005

[2] 组态王KINGVIEW6.53使用手册.北京亚控出版社，2006

[3] 王兆义.可编程控制器教程.机械工业出版社，1992

[4] 张晓坤.可编程控制器原理及应用.西北工业大学出版社，1998

[5] 郭宗仁.可编程控制器及其通信网络技术.人民邮电出版社，1999

附录Ⅰ 程序梯形图

从网络1到网络14为挖掘机自动控制梯形图：

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

从网络7的程序可知：

M21.1导通，Q0.0输出，挖掘机前进。

从网络8到网络9的程序可知：

M21.2导通，Q0.1输出，挖掘机右转。

M21.3导通，Q0.2输出，挖掘机右进。

从网络10到网络11的程序可知：

M21.4导通，Q0.3输出，挖掘机左转。

M21.5导通，Q0.4输出，挖掘机上扬。

从网络12到网络13的程序可知：

M21.6导通，Q0.5输出，挖掘机下挖。

M25.2导通，Q0.6输出，挖掘机左进。

从网络14程序可知：

M25.3导通，Q0.7输出，挖掘机后退。

从网络15到网络23为挖掘机手动控制梯形图

+

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I0.1，M23.6导通，Q0.3输出，挖掘机左转。按下I0.7，M24.0导通，Q0.7输出，挖掘机后退。按下I0.4，M23.1导通，Q0.1输出，挖掘机右转。按下I0.0，M23.5导通，Q0.2输出，挖掘机右进。按下I0.2，M23.2导通，Q0.4输出，挖掘机上扬。按下I0.3，M23.4导通，Q0.5输出，挖掘机下挖。按下I0.6，M23.7导通，Q0.6输出，挖掘机左进。

目录

1绪论 1

1.1挖掘机的发展及应用 1

1.2挖掘机的分类 2

2 系统工作原理 2

3 挖掘机的硬件设计 3

3.1 PLC简介 3

3.2 PLC的选择 3

3.3 挖掘机机的I/O分配 4

3.4 挖掘机的外部接线 5

4 挖掘机机软件设计 6

4.1编程软件介绍 6

4.2挖掘机程序设计及分析 7

4.2.1程序的设计 7

4.2.2程序 8

5 挖掘机监控界面的设计 8

5.1 组态软件的概述 8

5.2 定义数据词典 10

5.4挖掘机控制系统的监控画面 12

5.4命令语言的编写 12

6 程序调试 15

7 实验体会 16

参考文献 16

附录Ⅰ 程序梯形图 17

挖掘机控制系统