挖掘机控制系统..

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；PLC

1、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30－40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。PLC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/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2.2.1所示。

按钮

电源电源

PLC 控制系统示意图

图3-1

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。

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