挖掘机控制系统.

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。

⑴开发多品种、多功能、高质量及高效率的挖掘机。⑵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。⑶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。

⑷更新设计理论，提高可靠性，延长使用寿命。⑸加强对驾驶员的劳动保护，改善驾驶员的劳动条件。⑹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。⑺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