挖掘机plc控制系统

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目录
1、绪论 (1)
1.1 设计挖掘机控制系统的意义 (1)
1.2 挖掘机控制系统的概述 (1)
2、系统工作原理 (2)
3、挖掘机控制系统的硬件配置 (2)
3.1 PLC简介 (2)
3.2 CPU处理模块 (3)
3.3 挖掘机控制系统的I/O分配 (4)
3.4 挖掘机控制系统的外部接线 (5)
4、挖掘机控制系统软件设计 (6)
4.1编程软件介绍 (6)
4.2挖掘机控制系统程序设计及分析 (6)
4.2.1程序的设计 (6)
4.2.2程序分析 (7)
5、挖掘机控制系统监控界面的设计 (8)
5.1 组态软件的概述 (8)
5.2 定义数据词典 (9)
5.3 用户界面的制作 (10)
5.4命令语言的编写 (11)
6、程序调试 (13)
7、实验体会 (14)
参考文献 (14)
附录Ⅰ程序梯形图 (14)
挖掘机控制系统
霍圆沈阳航空航天大学北方科技学院
摘要:随着我国经济的高速发展,城镇化建设的快速推进,这就需要大量的土木工程,而挖掘机作为土木工程施工机械的一种,就显得越来越重要。

本系统就是通过PLC控制来实现挖掘机模拟运行。

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。

在PLC设计的基础上,本文又采用了组态王6.53对挖掘机控制系统进行上位端设计,使操作人员对挖掘机运行进行远程实时监控,增加了生产安全性。

关键词:挖掘机;组态王;PLC
1、绪论
1.1 设计挖掘机控制系统的意义
挖掘机这一工具,在如今高速发展的中国被广泛应用于建筑行业、道路施工等多个方面,为我们的生产生活带来了诸多方便。

但有时会因操作不当或是突发状况而发生事故,甚至造成人员伤亡,对驾驶员的生命造成威胁。

所以,发展挖掘机的自动化就显得尤为重要,一个好的控制系统不仅仅可以提高工作的效率,而且还可以减少事故伤害和经济损失,可谓是一举多得。

1.2 挖掘机的概述
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。

目前挖掘机的分类大致可以分为四类:
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。

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。

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。

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。

2、系统工作原理
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。

本系统能自动完成八个基本的机械动作,分别是前进、后退、左进、右进、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。

3、挖掘机控制系统的硬件配置
3.1 PLC简介
PLC是以微处理机为基础,综合了计算器与自动化技术而开发的工业控制装置,这种控制器按照IEC国际标准的定义是可程序逻辑控制器又称为PC或PLC。

这种装置,内部储存预先编写相应的程序,待输入输出连接完成之后,PLC运行这个程序,便可自动完成预定的操作,属于一种程序记忆型的电子控制装置,亦可视为一般的继电器或定时器、计数器等集合体。

PLC控制系统的设计基本原则是最大限度的满足被控对象的控制要求。

在满足控制要求的前提下,力求使控制系统简单、经济、使用和维护方便。

PLC软件系统由系统程序和用户程序两部分组成。

系统程序包括监控程序、编译程序、诊断程序等,主要用于管理全机、将程序语言翻译成机器语言,诊断机器故障。

系统软件由PLC厂家提供并已固化在EPROM中,不能直接存取和干预。

用户程序是用户根据现场控制要求,用PLC的程序语言编制的应用程序(也就是逻辑控制)用来实现各种控制。

STEP7是用于SIMATIC可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包,也就是用户程序,我们就是使用STEP7来进行硬件组态和逻辑程序编制,以及逻辑程序执行结果的在线监视。

可编程控制器的梯形图语言和布尔助记符语言是基本程序设计语言,它通常由一系列指令组成,用这些指令可以完成大多数简单的控制功能,例如,代替计数器、继电器、计时器完成顺序控制和逻辑控制等,通过扩展或增强指令集,它们也能执行其它的基本操作。

功能表图语言和语句描述语言是高级的程序设计语言,它可根据需要去执行更有效的操作,例如数据的操纵,模拟量的控制,报表的报印和其他基本程序设计语言无法完成的功能。

功能模块图语言采用功能模块图的形式,通过软连接的方式完成所要求的控制功能,它不仅在可编程序控制器中得到了广泛的应用,在集散控制系统的编程和组态时也常常被采用,由于它具有操作简单、连接方便、易于掌握等特点,为广大工程设计和应用人员所喜爱。

3.2 CPU处理模块
中央处理单元(CPU)是可编程逻辑控制器的控制中枢。

它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据;检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态,并能诊断用户程序中的语法错误。

当可编程逻辑控制器投入运行时,首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据,并分别存入I/O映象区,然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序,经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。

等所有的用户程序执行完毕之后,最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置,如此循环运行,直到停止运行。

为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性,对大型可编程逻辑控制器还采用双CPU构成冗余系统,或采用三CPU的表决式系统。

这样,即使某个CPU出现故障,整个系统仍能正常运行。

CPU224模块输入、输出单元的接线图如图1所示。

1L 0.00.10.60.50.40.30.20.71.02L 3L 1.11.2N 1.71.41.3L1AC
1.5 1.61M 0.00.10.60.50.40.30.20.71.01.11.2 1.4
1.32M 1.51.6
2.32.22.12.01.7 2.42.52.62.7L M
+
24VDC 120/240 VAC
图1 CPU224模块输入、输出单元的接线图
3.3 挖掘机控制系统的I/O 分配 本系统需要12个输入点和8个输出点。

根据PLC 的特点和系统设计的需要,输入信
号包括启动按钮、单控开关、单\循环转换开关等等。

输出信号包括LED 小灯。

其I/O 分
配如表1所示。

表1 元件地址I/O 分配
PLC 地址(PLC 端子)
电气符号 (面板端子) 功能说明 I0.0
SD1 启动按钮 I0.1
SD2 急停按钮 I0.2
SB1 前进开关 I0.3
SB2 右行开关 I0.4
SB3 下挖开关 I0.5
SB4 上扬开关 I0.6
SB5 左行开关 I0.7
SB6 后退开关 I1.0
SB7 单\循环开关 I1.1
SD3 单控按钮 I1.2
SB8 手控开关
I1.3 SB9 单控开关
Q0.0 LED1 前进
Q0.1 LED2 右进
Q0.2 LED3 右转
Q0.3 LED4 后退
Q0.4 LED5 左进
Q0.5 LED6 左转
Q0.6 LED7 下挖
Q0.7 LED8 上扬
3.4 挖掘机控制系统的外部接线
按照I\O分配表,PLC输入点与按钮和开关相连接;PLC输出点与LED小灯连接,用以表示4个电机的正反转来达到挖掘机的前进、后退、左转、右转等动作。

外部接线图如图2所示。

图2 PLC外部接线图
4、挖掘机控制系统软件设计
4.1编程软件介绍 STEP 7编程软件用于西门子系列工控产品包括SIMATICS7、M7、C7和基于PC 的
WinAC 的编程、监控和参数设置,是SIMATIC 工业软件的重要组成部分。

STEP 7具有以
下功能:硬件配置和参数设置、通讯组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和
诊断功能等。

STEP 7的所有功能均有大量的在线帮助,用鼠标打开或选中某一对象,按
F1可以得到该对象的相关帮助。

在STEP 7中,用项目来管理一个自动化系统的硬件和软
件。

STEP 7用SIMATIC 管理器对项目进行集中管理,它可以方便地浏览SIMATICS7、
M7、C7和WinAC 的数据。

实现STEP 7各种功能所需的SIMATIC 软件工具都集成在STEP
7中。

PC/MPI 适配器用于连接安装了STEP 7的计算机的RS-232C 接口和PLC 的MPI 接
口。

4.2挖掘机控制系统程序设计及分析
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、左进、右进、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。

手动程序流程图如图3所示。

图3 挖掘机控制系统手动程序流程图
启动
手动开关 前 进 左行 右行 下挖 上扬 后退
自动程序流程图如图4所示。

启动
前进
右进
右转
下挖
上扬
左转
左进
后退
图4 挖掘机控制系统自动程序流程图
4.2.2程序分析
当手动开关关闭,自动循环开关关闭,按下启动按钮后,挖掘机自动执行前进→右进→右转→下挖→上扬→左转→左进→后退到原点停止一套完整的动作;自动循环开关打开后,连续运行上述过程;按下急停按钮,挖掘机会立即停止工作。

当手动开关打开,可以通过不同的分控开关完成挖掘机的前进、后退、左行、右行等手动控制过程。

挖掘机控制系统的梯形图程序如附录Ⅰ所示。

5、挖掘机控制系统监控界面的设计
5.1 组态软件的概述
组态王6.53是亚控科技根据当前的自动化技术的发展趋势,面向高端自动化市场及应用,以实现企业一体化为目标开发的一套产品。

该产品以搭建战略性工业应用服务平台为目标,集成了对亚控科技自主研发的工业实时数据库的支持,可以为企业提供一个对整个生产流程进行数据汇总、分析及管理的有效平台,使企业能够及时有效的获取信息,及时的做出反应,以获得最优化的结果。

北京亚控科技发展有限公司是国内最早成立的专业自动化软件厂商,也是目前国内规模最大的专业自动化软件厂商。

从诞生到现在,亚控一直保持着较高的增长速度。

市场业绩超过了国内外的所有组态软件厂商——亚控拥有最多的中国用户。

组态王6.53是亚控科技根据当前的自动化技术的发展趋势,面向高端自动化市场及应用,以实现企业一体化为目标开发的一套产品。

该产品以搭建战略性工业应用服务平台为目标,集成了对亚控科技自主研发的工业实时数据库的支持,可以为企业提供一个对整个生产流程进行数据汇总、分析及管理的有效平台,使企业能够及时有效的获取信息,及时的做出反应,以获得最优化的结果。

组态王6.53保持了组态王早期版本的功能强大、运行稳定且使用方便的特点,并根据国内众多用户的反馈及意见,对一些功能进行了完善和扩充。

组态王6.53提供了丰富的简捷、易用的配置界面,提供大量的图形元素和图库精灵,同时也为用户创建图库精灵提供简单易用的接口;该款产品的历史曲线、温控曲线以及配方功能进行了大幅提升与改进,软件的功能性和可用性有了很大的提高。

组态王6.53集成了对数据库的支持,极大的提高了组态王的数据存储能力,能够更好的满足大点数用户对存储容量和存储速度的要求。

数据库是亚控新近推出的独立开发的工业数据库。

具有单个服务器支持高达10万点、支持256个并发客户同时存储和检索数据。

每秒检索单个变量超过30,000条记录的强大功能。

能够更好的满足高端客户对存储速度和存储容量的要求,完全满足了客户实时查看和检索历史运行数据的要求。

组态王6.53的主要功能特性:
1.可视化操作界面,真彩显示图形、支持渐进色、丰富的图库、动画连接;
2.无与伦比的动力和灵活性,拥有全面的脚本与图形动画功能;
3.可以对画面中的一部分进行保存,以便以后进行分析或打印;
4.变量导入导出功能,变量可以导出到Excel表格中,方便的对变量名称等属性进行修改,然后再导入新工程中,实现了变量的二次利用,节省了开发时间;
5.强大的分布式报警、事件处理,支持实时、历史数据的分布式保存;
6.强大的脚本语言处理,能够帮助你实现复杂的逻辑操作和与决策处理;
7.全新的WebServer架构,全面支持画面发布、实时数据发布、历史数据发布以及数据库;
8.丰富的设备支持库,支持常见的PLC设备、智能仪表、智能模块;
9.提供硬加密及软授权两种授权方式。

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表2所示。

表2数据词典的定义
数据对象类型PLC地址解释说明
I00 I\O离散I0.0 启动
I01 I\O离散I0.1 停止
I02 I\O离散I0.2 手\自动
I03 I\O离散I0.3 登录
Q00 I\O离散Q0.0 前进
Q01 I\O离散Q0.1 右进
Q02 I\O离散Q0.2 右转
Q03 I\O离散Q0.3 后退
Q04 I\O离散Q0.4 左进
Q05 I\O离散Q0.5 左转
Q06 I\O离散Q0.6 下挖
Q07 I\O离散Q0.7 上扬
T 内存整型秒
Turn1 内存整型挖斗
moveX 内存整型X
moveY 内存整型Y
5.3 用户界面的制作
挖掘机控制系统的欢迎界面如图5所示,监控系统界面如图6所示。

图5 挖掘机控制系统的欢迎界面
图6 挖掘机控制系统监控系统界面
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\启动==1)
{\\本站点\秒=\\本站点\秒+1;}
if(\\本站点\秒>0&&\\本站点\秒<=7)
{\\本站点\前进=1;}
if(\\本站点\秒>7&&\\本站点\秒<=10)
{\\本站点\前进=0;
\\本站点\右进=1;}
if(\\本站点\秒>10&&\\本站点\秒<=13)
{\\本站点\右进=0;
\\本站点\下挖=1;}
if(\\本站点\秒>13&&\\本站点\秒<=16) {\\本站点\下挖=0;
\\本站点\上扬=1;}
if(\\本站点\秒>16&&\\本站点\秒<=19) {\\本站点\上扬=0;
\\本站点\左进=1;}
if(\\本站点\秒>19&&\\本站点\秒<=26) {\\本站点\左进=0;
\\本站点\后退=1;}
if(\\本站点\秒>26)
{\\本站点\后退=0;
\\本站点\秒=0;}
if(\\本站点\前进==1)
\\本站点\X=\\本站点\X+5;
if(\\本站点\后退==1)
\\本站点\X=\\本站点\X-5;
if(\\本站点\下挖==1)
\\本站点\挖斗=\\本站点\挖斗+5;
if(\\本站点\上扬==1)
\\本站点\挖斗=\\本站点\挖斗-5;
if(\\本站点\右进==1)
\\本站点\Y=\\本站点\Y+5;
if(\\本站点\左进==1)
\\本站点\Y=\\本站点\Y-5;
if(\\本站点\停止==1)
{\\本站点\前进=0;
\\本站点\右进=0;
\\本站点\右转=0;
\\本站点\后退=0;
\\本站点\左进=0;
\\本站点\左转=0;
\\本站点\下挖=0;
\\本站点\上扬=0;
\\本站点\X=0;
\\本站点\Y=0;
\\本站点\挖斗=0;
\\本站点\秒=0;
\\本站点\启动=0;
\\本站点\停止=0;}
6、程序调试
本次课设,我利用了顺序功能图进行PLC编程,中间串联起保停电路来实现课设要求现象。

因为实验器材有限,无法用挖掘机进行实验,所以用LED 小灯来表示挖掘机电机的正反转,实现了实验要求。

在整个程序的设计调试中,还一直存在一个问题,我在所有功能都实现后发现手动控制部分将开关换成按钮后,应用起保停电路会与前面程序发生冲突,影响输出结果。

在询问老师和自己查阅资料后,我运用了子程序模块解决了这一问题。

7、实验体会
通过这次应用PLC来实现挖掘机的控制系统的设计,使我对PLC的理解和运用有了更深一步地认识,同时锻炼了自己的动手实践能力,使书本上的理论知识能够和实际应用相结合,锻炼了我的综合运用所学专业基础知识的能力,以及解决实际工程问题的能力,同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平,通过这样的实践课设,使我真正的掌握了一些可以在以后工作中使用的本领技能。

通过这次课程设计也让我认识到了合作的重要作用,在课设中我会遇到各种各样的问题,有的通过查阅资料解决,但有些就需要老师和同学的帮助。

这次课设让我受益匪浅,我也在课设中不断学习进步,不断地挑战自己。

参考文献
[1] 赵相宾.可编程控制器技术与应用系统设计.机械工业出版社,2002,7
[2] 廖常初.PLC编程及应用.机械工业出版社,2005,3
[3] 胡学林.可编程控制器原理及应用.电子工业出版社,2007,1
[4]梁延东.电梯控制技术 .中国建筑工业出版社, 2008: 42-44
[5]常晓玲.电器控制系统与可编程控制器.机械工业出版, 2008: 78-80
附录1 程序梯形图挖掘机控制系统梯形图
自动控制
手动控制。

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