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 输入地址分配表表2 输出地址分配表输出地址定义输入地址定义Q0.0 前进Q0.4 上扬Q0.1 右转Q0.5 下挖Q0.2 右进Q0.6 左进Q0.3 左转Q0.7 后退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①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。

②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。

③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。

④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。