挖掘机控制系统培训课件.doc
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1、精品文档挖掘机控制系统 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
2、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;PLC1、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,
3、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
4、 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3040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
5、: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
6、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
7、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
8、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。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
9、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
10、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,响应编程器键入的命令,更新编程器的显示内容。当可编程序控制器处于停止(STOP)状态时,只执行以上的操作。可编程序控制器处于运行(RUN)状态时,还要执行另外三个阶段的操作。在可编程序控制器的存储器中,设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态,它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。可编程序控制器梯形图中别的编程元件对应的映像存储器统称为元件映像寄存器。在输入处理阶段,可编程序控制器把所有外部输入电路的接通/断开(ON/OFF)状态读入输入映像寄存器。外接的输入触点电路接通时,对应的输入映像寄存器为“1”状态,梯
11、形图中对应的输入继电器的常开触点接通,常闭触点断开。外接的输入触点电路断开时,对应的输入映像寄存器为“0”状态,梯形图中对应的输入继电器的常开触点断开,常闭触点接通。在程序执行阶段,外部输入信号的变化不影响输入映像寄存器的状态,输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入。可编程序控制器的用户程序有若干条指令组成,指令在存储器中按序号顺序排列。在没有跳转指令时,CPU从第一条指令开始,逐条顺序地执行用户程序,直到用户程序结束。在执行指令时,从输入映像寄存器或别的元件映像寄存器中将有关编程元件的“0”/“1”状态读出来,并根据指令的要求执行相应的逻辑运算,运算结果写入到对应的元件
12、映像寄存器中,因此,各编程元件的映像寄存器(输入映像寄存器除外)的内容随着程序的执行而变化。在输出处理阶段,CPU将输出映像寄存器的“0”/“1”状态传送输出锁存器。梯形图中输出继电器的线圈“通电”时,对应的输出映像寄存器为“1”状态。信号经输出模块隔离和功率放大后,继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电,其常开触点闭合,使外部负载通电工作。若梯形图中输出继电器的线圈“断电”,对应的输出映像寄存器为“0”态,在输出处理阶段后,继电器输出模块中对应的硬件继电器的线圈断电,其常开触点断开,外部负载断电,停止工作。2.3、PLC的选型S7-200系列是一类可编程逻辑控制器(Micro PLC)
13、。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成为本系统的理想解决方案。S
14、7-200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。2.4、系统的资源分配 根据系统的需要,输入点10个分别是I0.0、I0.1、I0.2、
15、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2.4.1和2.4.2所示。 输入地址定义输入地址定义I0.0下挖按钮I0.5后退按钮I0.1上扬按钮I0.6右转按钮I0.2左拐按钮I0.7左转按钮I0.3右拐按钮I1.0手动控制开关I0.4前进按钮I1.1自动控制开关 表2.4.1 输入地址分配表 输出地址 定义输入地址定义Q0.0 后退Q0.4左拐Q0.1 前进Q0.5右拐Q0.2 下挖Q0.6右转Q0.3 上扬Q0.7左转表2.4.2 输出地址分配表2.5
16、、系统的外部接线图通过控制盒连接S7-200,然后操作控制盒来控制挖掘机,如图2.5所示。图2.5 外部接线图2.6、硬件的抗干扰措施 随着工业设备自动化控制技术的发展,可编程序控制器(PLC)在工业设备控制中的应用越来越广泛。PLC控制系统的可靠性直接影响到企业的安全生产和经济运行,系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。自动化系统所使用的各种类型PLC中,有的是集中安装在控制室,有的是安装在生产现场和各电机设备上,它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中。要提高PLC控制系统可靠性,一方面要求PLC生产厂家提高设备的抗干扰能力,另一方面要求应用部门在工程设计、安装施工和
17、使用维护中引起高度重视,多方配合才能完善解决问题,有效地增强系统的抗干扰性能。 屏蔽:对电源变压器、中央处理器、编程器等主要部件,采用导电、导磁性良好的材料进行屏蔽处理,以防止外界干扰信号的影响。 滤波:对供电系统计输入线路采用多种形式的滤波处理,以消除和抑制高频干扰信号,也削弱了模块间的相互影响。 电源调整与保护:电源波动造成电压畸变或毛刺,将对PLC及I/O模块产生不良影响。对微处理器核心部件所需要的5V电源采用多级滤波处理,并用集成电压调整器进行调整,以适应交流电网的波动和过电压、欠电压的影响。尽量使电源线平行走线,电源线对地呈低阻抗,以减少电源噪声干扰。其屏蔽层接地方式不同,对干扰抑制
18、效果不一样,一般次级线圈不能接地。输入、输出线应用双绞线且屏蔽层应可靠接地,以抑制共摸干扰。 隔离:在微处理器与I/O电路之间,采用光电隔离措施,有效地把他们隔离开来,以防外部的干扰信号及地线环路中产生的噪声电信号通过公共地线进入PLC本机,从而影响其正常工作。3.挖掘机控制系统的软件设计3.1 PLC编程语言的概述3.1.1、 PLC编程语言的种类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
19、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
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