挖掘機(jī)控制系統(tǒng)

1、挖掘機(jī)控制系統(tǒng) 沈陽航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院摘要：進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，大規(guī)模土木工程建設(shè)越來越多，這就需要大量的土石方施工機(jī)械為其服務(wù),而挖掘機(jī)作為土石方施工機(jī)械的一種, 顯得越來越重要。本系統(tǒng)就是通過 PLC 實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)實(shí)物教學(xué)模型控制。本文在介紹挖掘機(jī)的工作原理的基礎(chǔ)上，采用 PLC 對(duì)下位機(jī)進(jìn)行控制，包括硬件和軟件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了挖掘機(jī)的自動(dòng)和手動(dòng)控制，使挖掘機(jī)能夠完成預(yù)先設(shè)計(jì)好的動(dòng)作，提高工作效率，節(jié)約成本，把人從枯燥的工作中解放出來。在此設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本文采用了組態(tài)王 6.52 對(duì)挖掘機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行上位端設(shè)計(jì)，使操作人員對(duì)挖掘機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)域，避免

2、在危險(xiǎn)區(qū)域中施工造成不必要的人員傷亡。最后本系統(tǒng)采取了相應(yīng)的抗干擾措施，提高了系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，使挖掘機(jī)達(dá)到了較為理想的控制效果。關(guān)鍵詞：挖掘機(jī)；組態(tài)王；PLC1 1、緒論、緒論1.11.1、 挖掘機(jī)的發(fā)展動(dòng)態(tài)挖掘機(jī)的發(fā)展動(dòng)態(tài)挖掘機(jī)應(yīng)用面廣，使用量大，在工程機(jī)械市場(chǎng)占有很重要的地位，目前已成為工程機(jī)械第一主力機(jī),挖掘機(jī)模仿人體構(gòu)造，有大臂小臂和手腕，能扭腰旋轉(zhuǎn)和行走，具有較長(zhǎng)的臂和桿，可做空間六自由度動(dòng)作，配裝上各種工作裝置能進(jìn)行立體作業(yè)這種帶有類似人類基因的挖掘機(jī)已成為人類工程建設(shè)中的主要伙伴之一，也被稱為土建機(jī)械手，是建設(shè)機(jī)器人的代表正因?yàn)橥诰驒C(jī)通用性強(qiáng)，作業(yè)范圍廣，所以被認(rèn)為是多功能的工

3、程機(jī)械挖掘機(jī)和液壓傳動(dòng)緊密地聯(lián)系在一起，挖掘機(jī)作業(yè)動(dòng)作多，運(yùn)動(dòng)復(fù)雜多樣，所需功率大，而液壓傳動(dòng)的特點(diǎn)是功率密度大，布置簡(jiǎn)單靈活，操縱容易方便，很適合挖掘機(jī)多處需要?jiǎng)恿︱?qū)動(dòng)各種工作裝置的要求，是挖掘機(jī)理想的傳動(dòng)裝置，是挖掘機(jī)基礎(chǔ), 同時(shí)，挖掘機(jī)對(duì)液壓技術(shù)也提出了各種各樣更高層次的性能要求，推動(dòng)了液壓技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了液壓元件高壓化多樣化小型化發(fā)展從某些方面而言，挖掘機(jī)引領(lǐng)著液壓技術(shù)發(fā)展的潮流此外，挖掘機(jī)作業(yè)過程中要求高效快速，因?yàn)樽鳂I(yè)動(dòng)作的復(fù)雜性和操縱控制的困難性，只有采用先進(jìn)的電子控制才能解決，所以挖掘機(jī)又成為工程機(jī)械中采用電子技術(shù)的代表，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)液壓泵閥和馬達(dá)都要控制，從個(gè)別控制發(fā)展到全面綜

4、合控制，從人工選擇控制發(fā)展到智能自動(dòng)控制 許多的IT（信息） 技術(shù) 光測(cè)和光控技術(shù)以及遠(yuǎn)距離通訊（ CT 通信）技術(shù)等都已用于挖掘機(jī)上。1.21.2、我國(guó)挖掘機(jī)的現(xiàn)狀、我國(guó)挖掘機(jī)的現(xiàn)狀早在 1954 年我國(guó)就已開始生產(chǎn)機(jī)械式挖掘機(jī)，當(dāng)時(shí)的撫順重型機(jī)器廠(撫順挖掘機(jī)廠前身)引進(jìn)前蘇聯(lián)的機(jī)械式挖掘機(jī) W10012 和 W5012 等國(guó)際 20 世紀(jì) 3040 年代的產(chǎn)品。由于國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要，后又發(fā)展 10 余家廠生產(chǎn)，到 1966 年 12 年全國(guó)共生產(chǎn)了機(jī)械式挖掘機(jī) 3000 余臺(tái)，后又延續(xù)生產(chǎn)到八十年代初。隨著我國(guó)液壓挖掘機(jī)行業(yè)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)和國(guó)產(chǎn)液壓挖掘機(jī)產(chǎn)品的增加和性能水平的提高，

5、開始全面淘汰已生產(chǎn)多年的落后、笨重的中、小型機(jī)械式挖掘機(jī)。1.3、挖掘機(jī)的分類、挖掘機(jī)的分類1.3.1、挖掘機(jī)分類一：常見的挖掘機(jī)按驅(qū)動(dòng)方式有內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)挖掘機(jī)和電力驅(qū)動(dòng)挖掘機(jī)兩種。其中電動(dòng)挖掘機(jī)主要應(yīng)用在高原缺氧與地下礦井和其它一些易燃易爆的場(chǎng)所。1.3.2、挖掘機(jī)分類二：按照行走方式的不同，挖掘機(jī)可分為履帶式挖掘機(jī)和輪式挖掘機(jī)。1.3.3、挖掘機(jī)分類三：按照傳動(dòng)方式的不同，挖掘機(jī)可分為液壓挖掘機(jī)和機(jī)械挖掘機(jī)。機(jī)械挖掘機(jī)主要用在一些大型礦山上。1.3.4、挖掘機(jī)分類四：按照用途來分，挖掘機(jī)又可以分為通用挖掘機(jī)，礦用挖掘機(jī)，船用挖掘機(jī)，特種挖掘機(jī)等不同的類別。1.41.4、PLCPLC 的發(fā)展及

6、應(yīng)用的發(fā)展及應(yīng)用長(zhǎng)期以來，PLC 始終處于工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的主戰(zhàn)場(chǎng)，為各種各樣的自動(dòng)化控制設(shè)備提供了非?？煽康目刂茟?yīng)用。其主要原因，在于它能夠?yàn)樽詣?dòng)化控制應(yīng)用提供安全可靠和比較完善的解決方案，適合于當(dāng)前工業(yè)企業(yè)對(duì)自動(dòng)化的需要。另一方面，PLC 還必須依靠其他新技術(shù)來面對(duì)市場(chǎng)份額逐漸縮小所帶來的沖擊，尤其是工業(yè) PC 所帶來的沖擊。PLC 需要解決的問題依然是新技術(shù)的采用、系統(tǒng)開放性和價(jià)格。PLC 技術(shù)展的最終趨勢(shì)仍然是人們所爭(zhēng)論的焦點(diǎn)之一。大多數(shù)人認(rèn)為，PLC 將會(huì)繼續(xù)失去市場(chǎng)份額；更有甚者認(rèn)為，在工業(yè)PC 面前，PLC 將會(huì)一步一步走向死亡；但也有一部分人相信，一些特殊工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域仍將為

7、PLC 提供一定的市場(chǎng)份額。在全球工業(yè)計(jì)算機(jī)控制領(lǐng)域，圍繞開放與再開放過程控制系統(tǒng)、開放式過程控制軟件、開放性數(shù)據(jù)通信協(xié)議，已經(jīng)發(fā)生巨大變革，幾乎到處都有 PLC，但這種趨勢(shì)也許不會(huì)繼續(xù)發(fā)展下去。隨著軟 PLC(SoftPLC)控制組態(tài)軟件技術(shù)的誕生與進(jìn)一步完善和發(fā)展，安裝有 SoftPLC 組態(tài)軟件和基于工業(yè) PC 控制系統(tǒng)的市場(chǎng)份額正在逐步得到增長(zhǎng)，這些事實(shí)使傳統(tǒng) PLC 供應(yīng)商在思想上已經(jīng)發(fā)生了戲劇性的變化，他們必須面對(duì)現(xiàn)實(shí)，在傳統(tǒng) PLC 的技術(shù)發(fā)展與提高方面作出更加開放的高姿態(tài)。對(duì)于控制軟件來講，這是 PLC 控制器的核心，PLC 供應(yīng)商正在向工業(yè)用戶提供開放式的編程組態(tài)工具軟件，而

8、且對(duì)于工業(yè)用戶表現(xiàn)得非常積極。此外，開放式通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也得到了突破，其結(jié)果是將 PLC 融入更加開放的工業(yè)控制行業(yè)。2 2、挖掘機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、挖掘機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)2.12.1、系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)的工作原理本系統(tǒng)主要是通過 PLC 實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)實(shí)物教學(xué)模型控制，通過控制四個(gè)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)的基本動(dòng)作。本系統(tǒng)能手動(dòng)完成八個(gè)基本的機(jī)械動(dòng)作，分別是前進(jìn)、后退、左拐、右拐、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、下挖、上揚(yáng)，并通過這八個(gè)基本動(dòng)作組合出一套完整的自動(dòng)挖掘過程動(dòng)作，從而模擬出現(xiàn)實(shí)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中挖掘機(jī)挖掘的整個(gè)過程。2.22.2、PLCPLC 的工作原理的工作原理可編程序控制器主要由中央處理單元（

9、CPU） 、存儲(chǔ)器（RAM/ROM） 、輸入/輸出部件（I/O 單元） 、電源和編程器幾大部分。可編程序控制器控制系統(tǒng)示意圖如圖 2.2.1 所示。CPU模塊存儲(chǔ)器輸出模塊可編程控制器選擇開關(guān) 限位開關(guān) 電磁閥編程器按鈕輸入模塊電源接觸器電源指示燈PLC控制系統(tǒng)示意圖圖3-1圖 2.2.1 PLC 控制系統(tǒng)示意圖 可編程序控制器有兩種基本的工作狀態(tài)，即運(yùn)行（RUN）狀態(tài)和停止（STOP）狀態(tài)。在運(yùn)行狀態(tài)，可編程序控制器通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實(shí)現(xiàn)控制功能。為了使可編程序控制器的輸出及時(shí)的響應(yīng)隨時(shí)可能變化的輸入信號(hào)，用戶程序不是只執(zhí)行一次，而是反復(fù)不斷地重復(fù)執(zhí)行，直至可編程序控制器停機(jī)或

10、切換到 STOP 工作狀態(tài)。除了執(zhí)行用戶程序之外，在每次循環(huán)過程中，可編程序控制器還要完成內(nèi)部處理、通信處理等工作，一次循環(huán)可分為5 個(gè)階段如圖 2.2.2 所示。RUNSTOP內(nèi)部處理通信服務(wù)輸入處理程序執(zhí)行輸出處理圖 2.2.2 掃描過程可編程序控制器的這種周而復(fù)始的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式。由于計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令的速度極高，從外部輸入輸出關(guān)系來看，處理過程似乎是同時(shí)完成的。在內(nèi)部處理階段，可編程序控制器檢查 CPU 模塊內(nèi)部的硬件是否正常，將監(jiān)控定時(shí)器復(fù)位，以及完成一些其它的內(nèi)部工作。在通信服務(wù)階段，可編程序控制器與其它的帶微處理器的智能裝置通信，響應(yīng)編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)

11、容。當(dāng)可編程序控制器處于停止（STOP）狀態(tài)時(shí)，只執(zhí)行以上的操作?？删幊绦蚩刂破魈幱谶\(yùn)行（RUN）狀態(tài)時(shí)，還要執(zhí)行另外三個(gè)階段的操作。在可編程序控制器的存儲(chǔ)器中，設(shè)置了一片區(qū)域用來存放輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的狀態(tài)，它們分別稱為輸入映像寄存器和輸出映像寄存器?？删幊绦蚩刂破魈菪螆D中別的編程元件對(duì)應(yīng)的映像存儲(chǔ)器統(tǒng)稱為元件映像寄存器。在輸入處理階段，可編程序控制器把所有外部輸入電路的接通/斷開（ON/OFF）狀態(tài)讀入輸入映像寄存器。外接的輸入觸點(diǎn)電路接通時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸入映像寄存器為“1”狀態(tài)，梯形圖中對(duì)應(yīng)的輸入繼電器的常開觸點(diǎn)接通，常閉觸點(diǎn)斷開。外接的輸入觸點(diǎn)電路斷開時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸入映像寄存器為“0”狀態(tài)，

12、梯形圖中對(duì)應(yīng)的輸入繼電器的常開觸點(diǎn)斷開，常閉觸點(diǎn)接通。在程序執(zhí)行階段，外部輸入信號(hào)的變化不影響輸入映像寄存器的狀態(tài)，輸入信號(hào)變化了的狀態(tài)只能在下一個(gè)掃描周期的輸入處理階段被讀入?？删幊绦蚩刂破鞯挠脩舫绦蛴腥舾蓷l指令組成，指令在存儲(chǔ)器中按序號(hào)順序排列。在沒有跳轉(zhuǎn)指令時(shí)，CPU 從第一條指令開始，逐條順序地執(zhí)行用戶程序，直到用戶程序結(jié)束。在執(zhí)行指令時(shí)，從輸入映像寄存器或別的元件映像寄存器中將有關(guān)編程元件的“0”/“1”狀態(tài)讀出來，并根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應(yīng)的邏輯運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果寫入到對(duì)應(yīng)的元件映像寄存器中，因此，各編程元件的映像寄存器（輸入映像寄存器除外）的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而變化。在輸出處理階段，C

13、PU 將輸出映像寄存器的“0”/“1”狀態(tài)傳送輸出鎖存器。梯形圖中輸出繼電器的線圈“通電”時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出映像寄存器為“1”狀態(tài)。信號(hào)經(jīng)輸出模塊隔離和功率放大后，繼電器型輸出模塊中對(duì)應(yīng)的硬件繼電器的線圈通電，其常開觸點(diǎn)閉合，使外部負(fù)載通電工作。若梯形圖中輸出繼電器的線圈“斷電” ，對(duì)應(yīng)的輸出映像寄存器為“0”態(tài)，在輸出處理階段后，繼電器輸出模塊中對(duì)應(yīng)的硬件繼電器的線圈斷電，其常開觸點(diǎn)斷開，外部負(fù)載斷電，停止工作。2.32.3、PLCPLC 的選型的選型S7-200 系列是一類可編程邏輯控制器(Micro PLC)。這一系列產(chǎn)品可以滿足多種多樣的自動(dòng)化控制需要，S7-200 Micro PLC 具

14、有緊湊的設(shè)計(jì)、良好的擴(kuò)展能力、低廉的價(jià)格以及強(qiáng)大的指令，使得 S7-200 近乎完美地滿足小規(guī)模的控制要求。緊湊的結(jié)構(gòu)、低廉的成本以及功能強(qiáng)大的指令集使得 S7-200 PLC 成為各種小型控制任務(wù)理想的解決方案。S7-200 產(chǎn)品的多樣化以及基于 Windows 的編程工具，能夠更加靈活地完成自動(dòng)化任務(wù)。S7-200 的用戶程序包括了位邏輯、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器、復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算以及其它模塊通訊等指令內(nèi)容，從而使它能夠監(jiān)視輸入狀態(tài)，改變輸出狀態(tài)以達(dá)到控制目的。緊湊的結(jié)構(gòu)、靈活的配置和強(qiáng)大的指令集使 S7-200 成為本系統(tǒng)的理想解決方案。S7-200 出色表現(xiàn)在極高的可靠性，極豐富的指令集，易于掌握，

15、便捷的操作，豐富的內(nèi)置集成功能，實(shí)時(shí)特性，強(qiáng)勁的通訊能力，豐富的擴(kuò)展模塊和自由端口模式通信功能，最大可以擴(kuò)展到248點(diǎn)數(shù)字量I/O或35路模擬量I/O，最多有30多KB程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。S7-200 有 5 種 CPU 模塊分別是：221、222、224、224XP、226，根據(jù)系統(tǒng)的需要所以選用 CPU224 的主機(jī)模塊。CPU224 是具有較強(qiáng)控制功能的控制器，14 入/10 出數(shù)字量，6 個(gè)高速計(jì)數(shù)器，6 路 30kHz 單相高速計(jì)數(shù)器，4 路 20kHz雙相高速計(jì)數(shù)器。2.42.4、系統(tǒng)的資源分配、系統(tǒng)的資源分配 根據(jù)系統(tǒng)的需要，輸入點(diǎn) 10個(gè)分別是I0.0、I0.1、I0.2、I0

16、.3、I0.4、I0.5、I0.6、I0.7、I1.0、I1.1，輸出點(diǎn)8個(gè)分別是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。 輸入地址定義輸入地址定義I0.0下挖按鈕I0.5后退按鈕I0.1上揚(yáng)按鈕I0.6右轉(zhuǎn)按鈕I0.2左拐按鈕I0.7左轉(zhuǎn)按鈕I0.3右拐按鈕I1.0手動(dòng)控制開關(guān)I0.4前進(jìn)按鈕I1.1自動(dòng)控制開關(guān) 表 2.4.1 輸入地址分配表 輸出地址 定義輸入地址定義Q0.0 后退Q0.4左拐Q0.1 前進(jìn)Q0.5右拐Q0.2 下挖Q0.6右轉(zhuǎn)Q0.3 上揚(yáng)Q0.7左轉(zhuǎn)表 2.4.2 輸出地址分配表2.5

17、2.5、系統(tǒng)的外部接線圖、系統(tǒng)的外部接線圖通過控制盒連接 S7-200，然后操作控制盒來控制挖掘機(jī)，如圖 2.5 所示。圖 2.5 外部接線圖2.62.6、硬件的抗干擾措施、硬件的抗干擾措施 隨著工業(yè)設(shè)備自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展，可編程序控制器(PLC)在工業(yè)設(shè)備控制中的應(yīng)用越來越廣泛。PLC 控制系統(tǒng)的可靠性直接影響到企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，系統(tǒng)的抗干擾能力是關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。自動(dòng)化系統(tǒng)所使用的各種類型 PLC 中，有的是集中安裝在控制室，有的是安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和各電機(jī)設(shè)備上，它們大多處在強(qiáng)電電路和強(qiáng)電設(shè)備所形成的惡劣電磁環(huán)境中。要提高 PLC 控制系統(tǒng)可靠性，一方面要求 PLC 生

18、產(chǎn)廠家提高設(shè)備的抗干擾能力，另一方面要求應(yīng)用部門在工程設(shè)計(jì)、安裝施工和使用維護(hù)中引起高度重視，多方配合才能完善解決問題，有效地增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性能。 屏蔽:對(duì)電源變壓器、中央處理器、編程器等主要部件，采用導(dǎo)電、導(dǎo)磁性良好的材料進(jìn)行屏蔽處理，以防止外界干擾信號(hào)的影響。 濾波:對(duì)供電系統(tǒng)計(jì)輸入線路采用多種形式的濾波處理，以消除和抑制高頻干擾信號(hào)，也削弱了模塊間的相互影響。 電源調(diào)整與保護(hù):電源波動(dòng)造成電壓畸變或毛刺，將對(duì) PLC 及 I/O 模塊產(chǎn)生不良影響。對(duì)微處理器核心部件所需要的5V 電源采用多級(jí)濾波處理，并用集成電壓調(diào)整器進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)交流電網(wǎng)的波動(dòng)和過電壓、欠電壓的影響。盡量使電源線平

19、行走線，電源線對(duì)地呈低阻抗，以減少電源噪聲干擾。其屏蔽層接地方式不同，對(duì)干擾抑制效果不一樣，一般次級(jí)線圈不能接地。輸入、輸出線應(yīng)用雙絞線且屏蔽層應(yīng)可靠接地，以抑制共摸干擾。 隔離:在微處理器與 I/O 電路之間，采用光電隔離措施，有效地把他們隔離開來，以防外部的干擾信號(hào)及地線環(huán)路中產(chǎn)生的噪聲電信號(hào)通過公共地線進(jìn)入 PLC 本機(jī)，從而影響其正常工作。3.3.挖掘機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)挖掘機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)3.13.1 PLCPLC 編程語言的概述編程語言的概述.1、 PLCPLC 編程語言的種類編程語言的種類PLC 編程語言的種類主要包括三種：梯形圖、語句表和功能塊圖。梯形圖：梯

20、形圖是通過連線把 PLC 指令的梯形圖符號(hào)連接在一起的連通圖，用以表達(dá)所使用的 PLC 指令及其前后順序，它與電氣原理圖很相似。它的連線有兩種：一為母線，另一為內(nèi)部橫豎線。內(nèi)部橫豎線把一個(gè)個(gè)梯形圖符號(hào)指令連成一個(gè)指令組，這個(gè)指令組一般總是從裝載（LD）指令開始，必要時(shí)再繼以若干個(gè)輸入指令（含 LD 指令） ，以建立邏輯條件。最后為輸出類指令，實(shí)現(xiàn)輸出控制，或?yàn)閿?shù)據(jù)控制、流程控制、通訊處理、監(jiān)控工作等指令，以進(jìn)行相應(yīng)的工作。母線是用來連接指令組的。梯形圖編程，因?yàn)樗庇^易懂。語句表：S7 系列 PLC 將指令表稱為語句表。PLC 的指令是一種與微機(jī)的匯編語言中的指令相似的助記符表達(dá)式，由指令組成

21、的程序叫做指令表程序或語句表程序。語句表比較適合熟悉 PLC 和邏輯程序設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)豐富的程序員使用。功能塊圖：這是一種類似于數(shù)字邏輯門電路的編程語言，有數(shù)字電路基礎(chǔ)的人很容易掌握。該編程語言用類似與門、或門的方框來表示邏輯運(yùn)算關(guān)系，方框的左側(cè)為邏輯運(yùn)算的輸入變量，右側(cè)為輸出變量，輸入、輸出端的小圓圈表示“非”運(yùn)算，方框被“導(dǎo)線”連接在一起，信號(hào)自左向右流動(dòng)。.2、PLCPLC 編程語言的特點(diǎn)編程語言的特點(diǎn) 簡(jiǎn)化的程序結(jié)構(gòu)PLC 的程序結(jié)構(gòu)通常很簡(jiǎn)單，典型的為塊式結(jié)構(gòu)，不同塊完成不同的功能，使程序的調(diào)試者對(duì)整個(gè)程序的控制功能和控制順序有清晰的概念。 簡(jiǎn)化應(yīng)用軟件生成過程使用匯編語

22、言和高級(jí)語言編寫程序，要完成編輯、編譯和連接三個(gè)過程，而使用編程語言，只需要編輯一個(gè)過程，其余由系統(tǒng)軟件自動(dòng)完成，整個(gè)編輯過程都在人機(jī)對(duì)話下進(jìn)行的，不要求用戶有高深的軟件設(shè)計(jì)能力。 圖形式指令結(jié)構(gòu)程序由圖形方式表達(dá)，指令由不同的圖形符號(hào)組成，易于理解和記憶。系統(tǒng)的軟件開發(fā)者已把工業(yè)控制中所需的獨(dú)立運(yùn)算功能編制成象征性圖形，用戶根據(jù)自己的需要把這些圖形進(jìn)行組合，并填入適當(dāng)?shù)膮?shù)。在邏輯運(yùn)算部分，幾乎所有的廠家都采用類似于繼電器控制電路的梯形圖，很容易接受。如西門子公司還采用控制系統(tǒng)流程圖來表示，它沿用二進(jìn)制邏輯元件圖形符號(hào)來表達(dá)控制關(guān)系，很直觀易懂。較復(fù)雜的算術(shù)運(yùn)算、定時(shí)計(jì)數(shù)等，一般也參照梯形圖

23、或邏輯元件圖給予表示，雖然象征性不如邏輯運(yùn)算部分，但也很受用戶歡迎。 明確的變量常數(shù)圖形符相當(dāng)于操作碼，規(guī)定了運(yùn)算功能，操作數(shù)由用戶填人，如：K400，T120 等。PLC 中的變量和常數(shù)以及其取值范圍有明確規(guī)定，由產(chǎn)品型號(hào)決定，可查閱產(chǎn)品目錄手冊(cè)。 強(qiáng)化的調(diào)試手段無論是匯編程序，還是高級(jí)語言程序調(diào)試，都是令編輯人員頭疼的事，而 PLC 的程序調(diào)試提供了完備的條件，使用編程器，利用 PLC 和編程器上的按鍵、顯示和內(nèi)部編輯、調(diào)試、監(jiān)控等，并在軟件支持下，使診斷和調(diào)試操作都很簡(jiǎn)單。3.2 挖掘機(jī)控制系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)挖掘機(jī)控制系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)自動(dòng)控制部分設(shè)計(jì)了一套完整的機(jī)械動(dòng)作，這一套完整的動(dòng)作

24、由八個(gè)基本的機(jī)械動(dòng)作組成：前進(jìn)、后退、左拐、右拐、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、下挖、上揚(yáng)。本系統(tǒng)分為兩個(gè)部分：第一部分為自動(dòng)控制；第二部分為手動(dòng)控制。.1 自動(dòng)控制的設(shè)計(jì)自動(dòng)控制的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)自動(dòng)動(dòng)作依次為：挖掘機(jī)前進(jìn)，右拐前進(jìn)，左轉(zhuǎn)，下挖，右轉(zhuǎn)，后退，左拐前進(jìn)，右轉(zhuǎn)，上揚(yáng)，左轉(zhuǎn)，后退，右拐，后退，最終回到起始位置，如圖 3.2.1 所示。開始前進(jìn)右拐前進(jìn)左轉(zhuǎn)下挖右轉(zhuǎn)后退左拐前進(jìn)右轉(zhuǎn)上揚(yáng)左轉(zhuǎn)后退右拐后退圖 3.2.1 挖掘機(jī)自動(dòng)控制圖程序設(shè)計(jì)及分析：程序設(shè)計(jì)及分析：從網(wǎng)絡(luò) 1 到網(wǎng)絡(luò) 6 的程序可知：自動(dòng)控制開關(guān) I1.1 導(dǎo)通，延時(shí)定時(shí)器 T37、T38 開始計(jì)時(shí)。T37 在 1.5 秒后導(dǎo)通

25、，此時(shí) M0.0 導(dǎo)通，將 M21.0 的數(shù)值移入移位寄存器中，M21.1 為該寄存器的最低位端；將 M22.0 的數(shù)值移入移位寄存器中，M25.1 為該寄存器的最低位端。.2 手動(dòng)控制的設(shè)計(jì)手動(dòng)控制的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的手動(dòng)動(dòng)作可實(shí)現(xiàn)對(duì)挖掘機(jī)的手動(dòng)控制，如圖 3.2.2 所示。開始 按下選擇控制按鈕 前進(jìn) 后退 左拐 右拐 左轉(zhuǎn) 右轉(zhuǎn) 下挖 上揚(yáng)圖 3.2.2 手動(dòng)控制圖手動(dòng)控制開關(guān) I1.0 導(dǎo)通，M23.0 導(dǎo)通，按下 I0.4，M23.1 導(dǎo)通，Q0.1 輸出，挖掘機(jī)前進(jìn)。按下 I0.2，M23.2 導(dǎo)通，Q0.4 輸出，挖掘機(jī)左拐。按下I0.5，M23.3 導(dǎo)通，Q0.0 輸

26、出，挖掘機(jī)后退。按下 I0.3，M23.4 導(dǎo)通，Q0.5 輸出，挖掘機(jī)右拐。按下 I0.3，M23.4 導(dǎo)通，Q0.5 輸出，挖掘機(jī)右拐。按下I0.0，M23.5 導(dǎo)通，Q0.2 輸出，挖掘機(jī)下挖。按下 I0.1，M23.6 導(dǎo)通，Q0.3 輸出，挖掘機(jī)上揚(yáng)。按下 I0.6，M23.7 導(dǎo)通，Q0.6 輸出，挖掘機(jī)右轉(zhuǎn)。按下I0.7，M24.0 導(dǎo)通，Q0.7 輸出，挖掘機(jī)左轉(zhuǎn)。其相關(guān)的程序?yàn)椋?.33.3 軟件的抗干擾措施軟件的抗干擾措施 故障診斷:系統(tǒng)軟件定期地檢測(cè)外界環(huán)境，如掉電、欠電壓、鋰電池電壓過低及強(qiáng)干擾信號(hào)等，以便及時(shí)反映和處理。 信號(hào)保護(hù)和恢復(fù):當(dāng)偶爾性故障發(fā)生時(shí)，不破壞 P

27、LC 內(nèi)部的信息，一旦故障現(xiàn)象消失，就可以恢復(fù)正常，繼續(xù)原來的工作。 設(shè)置警戒時(shí)鐘 WDT:如果程序循環(huán)掃描執(zhí)行時(shí)間超過了 WDT 規(guī)定的時(shí)間，預(yù)示了程序進(jìn)入死循環(huán)，立即報(bào)警。 加強(qiáng)對(duì)程序的檢查和校驗(yàn):一旦程序有錯(cuò)，立即報(bào)警，并停止執(zhí)行程序。 對(duì)程序及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行電池后備:當(dāng)停電時(shí)利用后備電池供電，保持有關(guān)信息和狀態(tài)數(shù)據(jù)不丟失。4 4、人機(jī)界面的設(shè)計(jì)、人機(jī)界面的設(shè)計(jì)4.14.1、組態(tài)軟件的介紹、組態(tài)軟件的介紹組態(tài)軟件，又稱組態(tài)監(jiān)控軟件系統(tǒng)軟件。譯自英文 SCADA,即 Supervisory Control and Data Acquisition（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制） 。它是指一些數(shù)據(jù)采集與

28、過程控制的專用軟件。它們處在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。組態(tài)軟件的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，可以應(yīng)用于電力系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、石油、化工等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過程控制等諸多領(lǐng)域。在電力系統(tǒng)以及電氣化鐵道上又稱遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)(RTU System,Remote Terminal Unit)。組態(tài)軟件在國(guó)內(nèi)是一個(gè)約定俗成的概念，并沒有明確的定義，它可以理解為“組態(tài)式監(jiān)控軟件” 。 “組態(tài)（Configure） ”的含義是“配置” 、 “設(shè)定” 、 “設(shè)置”等意思，是指用戶通過類似“搭積木”的簡(jiǎn)單方式來完成自己所

29、需要的軟件功能，而不需要編寫計(jì)算機(jī)程序，也就是所謂的“組態(tài)” 。它有時(shí)候也稱為“二次開發(fā)” ，組態(tài)軟件就稱為“二次開發(fā)平臺(tái)” 。 “監(jiān)控（Supervisory Control） ” ，即“監(jiān)視和控制” ，是指通過計(jì)算機(jī)信號(hào)對(duì)自動(dòng)化設(shè)備或過程進(jìn)行監(jiān)視、控制和管理。組態(tài)軟件是有專業(yè)性的。一種組態(tài)軟件只能適合某種領(lǐng)域的應(yīng)用。組態(tài)的概念最早出現(xiàn)在工業(yè)計(jì)算機(jī)控制中，如：DCS(集散控制系統(tǒng)）組態(tài)、PLC（可編程控制器）梯形圖組態(tài)；人機(jī)界面生成軟件就叫工控組態(tài)軟件。在其他行業(yè)也有組態(tài)的概念，如 AutoCAD，PhotoShop 等。不同之處在于，工業(yè)控制中形成的組態(tài)結(jié)果是用在實(shí)時(shí)監(jiān)控的。從表面上看，組

30、態(tài)工具的運(yùn)行程序就是執(zhí)行自己特定的任務(wù)。工控組態(tài)軟件也提供了編程手段，一般都是內(nèi)置編譯系統(tǒng)，提供類 BASIC 語言，有的支持 VB，現(xiàn)在有的組態(tài)軟件甚至支持 C#高級(jí)語言。組態(tài)軟件大都支持各種主流工控設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，并且通常應(yīng)提供分布式數(shù)據(jù)管理和網(wǎng)絡(luò)功能。對(duì)應(yīng)于原有的 HMI（人機(jī)接口軟件，Human Machine Interface）的概念，組態(tài)軟件還是一個(gè)使用戶能快速建立自己的 HMI 的軟件工具或開發(fā)環(huán)境。在組態(tài)軟件出現(xiàn)之前，工控領(lǐng)域的用戶通過手工或委托第三方編寫 HMI 應(yīng)用，開發(fā)時(shí)間長(zhǎng)，效率低，可靠性差；或者購(gòu)買專用的工控系統(tǒng)，通常是封閉的系統(tǒng)，選擇余地小，往往不能滿足需求，

31、很難與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，升級(jí)和增加功能都受到嚴(yán)重的限制。組態(tài)軟件的出現(xiàn)使用戶可以利用組態(tài)軟件的功能，構(gòu)建一套最適合自己的應(yīng)用系統(tǒng)。隨著它的快速發(fā)展，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、實(shí)時(shí)控制、SCADA、通訊及聯(lián)網(wǎng)、開放數(shù)據(jù)接口、對(duì) I/O 設(shè)備的廣泛支持已經(jīng)成為它的主要內(nèi)容，監(jiān)控組態(tài)軟件將會(huì)不斷被賦予新的內(nèi)容。4.24.2、挖掘機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的創(chuàng)建過程挖掘機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的創(chuàng)建過程.1、挖掘機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備的連接挖掘機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備的連接在計(jì)算機(jī)外部設(shè)備硬件連接好后，為了實(shí)現(xiàn)組態(tài)王和外部設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊，必須在組態(tài)王的開發(fā)環(huán)境中定義外部設(shè)備。本系統(tǒng)的設(shè)備連接過程如下： 在組態(tài)王工程瀏覽器樹形目錄中，選擇設(shè)備

32、COM1，在右邊的工作區(qū)出現(xiàn)了“新建”圖標(biāo)，雙擊此“新建”圖標(biāo)，彈出“設(shè)備配置向?qū)А睂?duì)話框，在“設(shè)備”下的子項(xiàng)中默認(rèn)列出的項(xiàng)目表示組態(tài)王和外部設(shè)備幾種常用的通訊方式，DDE、PLC，智能儀表，智能模塊，板卡，變頻器。 在上述對(duì)話框雙擊 PLC 選擇西門子提供的 S7200 系列的 PPI 項(xiàng)。 為 S7200 設(shè)備指定邏輯名稱 s7200。 為設(shè)備選擇連接的串口為 COM1。 為了保證組態(tài)王與 PLC 能夠通信上，所以組態(tài)王的通信地址要與 PLC 的通信地址保持一致，在本系統(tǒng)調(diào)試的過程中，PLC 的通信地址為 18，因此此處填寫設(shè)備地址為 18。 設(shè)置通信故障恢復(fù)參數(shù)，默認(rèn)參數(shù)。 檢查各項(xiàng)設(shè)置

33、是否正確，確認(rèn)無誤后，單擊“完成” 。創(chuàng)建好的窗口如圖 4.2.1 所示。 圖 4.2.1 創(chuàng)建好的窗口4.2.2 挖掘機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)變量的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫是“組態(tài)王”最核心的部分。在 TouchVew 運(yùn)行時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)的挖掘機(jī)要以動(dòng)畫的形式顯示在屏幕上，這些都是以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫為核心，所以說數(shù)據(jù)庫是連接上位機(jī)和下位機(jī)的橋梁。數(shù)據(jù)庫中變量的集合形象地稱為“數(shù)據(jù)辭典” ，數(shù)據(jù)詞典記錄了所有用戶可以使用的數(shù)據(jù)變量的詳細(xì)信息。數(shù)據(jù)詞典中的變量可以分為基本變量類型和特殊變量?jī)纱箢?，基本變量又分為?nèi)存變量和 I/O 變量?jī)煞N?！癐/O 變量”指的是組態(tài)王與外部設(shè)備或其它應(yīng)用程序交換的變量。這種數(shù)據(jù)交換是雙向的、動(dòng)態(tài)的

34、，就是說在組態(tài)王系統(tǒng)運(yùn)行過程中，每當(dāng) I/O 變量的值改變時(shí)，該值就會(huì)自動(dòng)寫入外部設(shè)備或遠(yuǎn)程應(yīng)用程序；每當(dāng)外部設(shè)備或遠(yuǎn)程應(yīng)用程序中的值改變時(shí)，組態(tài)王系統(tǒng)中的變量值也會(huì)自動(dòng)改變。所以，那些從下位機(jī)采集來的數(shù)據(jù)、發(fā)送給下位機(jī)的指令，比如前進(jìn)按鈕、后退按鈕等變量，都需要設(shè)置成“I/O 變量” 。那些不需要和外部設(shè)備或其它應(yīng)用程序交換，只在組態(tài)王內(nèi)使用的變量，比如計(jì)算過程的中間變量，就可以設(shè)置成“內(nèi)存變量” ?；绢愋偷淖兞恳部梢园凑諗?shù)據(jù)類型分為離散型、實(shí)型、整型和字符串型。 內(nèi)存離散變量、I/O 離散變量 內(nèi)存實(shí)型變量、I/O 實(shí)型變量 內(nèi)存整數(shù)變量、I/O 整數(shù)變量 內(nèi)存字符串型變量、I/O 字符

35、串型變量本系統(tǒng)共需設(shè)置 12 個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，主要是通過定義數(shù)據(jù)詞典來實(shí)現(xiàn)。在工程瀏覽器樹型目錄中選擇“數(shù)據(jù)詞典” ，在右側(cè)雙擊“新建”圖標(biāo)，彈出“變量屬性”對(duì)話框，如圖 4.2.2 所示。圖 4.2.2 定義變量圖本系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置如下：變量名：前進(jìn) 變量名：后退變量類型：I/O 離散 變量類型：I/O 離散連接設(shè)備：s7200 連接設(shè)備：s7200寄存器：Q0.1 寄存器：Q0.0數(shù)據(jù)類型：Bit 數(shù)據(jù)類型：Bit采集頻率：1000 采集頻率：1000讀寫屬性：只讀 讀寫屬性：只讀變量名：左拐 變量名：右拐 變量類型：I/O 離散 變量類型：I/O 離散連接設(shè)備：s7200 連接設(shè)備：s7200

36、寄存器：Q0.4 寄存器：Q0.5數(shù)據(jù)類型：Bit 數(shù)據(jù)類型：Bit采集頻率：1000 采集頻率：1000讀寫屬性：只讀 讀寫屬性：只讀變量名：左轉(zhuǎn) 變量名：右轉(zhuǎn)變量類型：I/O 離散 變量類型：I/O 離散連接設(shè)備：s7200 連接設(shè)備：s7200寄存器：Q0.7 寄存器：Q0.6數(shù)據(jù)類型：Bit 數(shù)據(jù)類型：Bit采集頻率：1000 采集頻率：1000讀寫屬性：只讀 讀寫屬性：只讀變量名：下挖 變量名：上揚(yáng)變量類型：I/O 離散 變量類型：I/O 離散連接設(shè)備：s7200 連接設(shè)備：s7200寄存器：Q0.2 寄存器：Q0.3數(shù)據(jù)類型：Bit 數(shù)據(jù)類型：Bit采集頻率：1000 采集頻率：1

37、000讀寫屬性：只讀 讀寫屬性：只讀變量名：車 變量名：車 1變量類型：內(nèi)存整數(shù) 變量類型：內(nèi)存整數(shù)變化靈敏度：0 變化靈敏度：0最小值：0 最小值：0初始值：0 初始值：0最大值：999999999 最大值：999999999變量名：挖斗 變量名：字體顏色變量類型：內(nèi)存整數(shù) 變量類型：內(nèi)存整數(shù)變化靈敏度：0 變化靈敏度：0最小值：0 最小值：0初始值：0 初始值：0最大值：999999999 最大值：99999999.3 圖形畫面的制作及動(dòng)畫連接圖形畫面的制作及動(dòng)畫連接 設(shè)計(jì)畫面設(shè)計(jì)畫面組態(tài)王的監(jiān)控過程主要是通過主畫面來實(shí)現(xiàn)的。本工程創(chuàng)建了兩個(gè)畫面，分別是“登陸界面”如圖

38、4.2.2 所示和“主畫面”如圖 4.2.3 所示。通過編輯腳本程序，點(diǎn)擊“登陸界面”中的登錄系統(tǒng)按鈕，輸入設(shè)置好的密碼就可進(jìn)入“主畫面” 。屬性設(shè)置如圖 4.2.1 所示。 圖 4.2.1 屬性設(shè)置圖 4.2.2 登陸界面圖 4.2.3 主畫面 動(dòng)畫連接動(dòng)畫連接所謂“動(dòng)畫連接”就是建立畫面的圖素與數(shù)據(jù)庫變量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這樣，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，比如時(shí)間的變化等，當(dāng)它們發(fā)生變化時(shí)，通過 I/O 接口，將引起實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中變量的變化如圖 4.2.4。 圖 4.2.4 報(bào)警畫面4.2.4 挖掘機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的腳本程序挖掘機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的腳本程序系統(tǒng)主畫面程序如下：系統(tǒng)主畫面程序如下：if(本站點(diǎn)手自動(dòng)=1)if

39、(本站點(diǎn)啟動(dòng)=1)本站點(diǎn)T=本站點(diǎn)T+1;if(本站點(diǎn)T0&本站點(diǎn)T2&本站點(diǎn)T12&本站點(diǎn)T22&本站點(diǎn)T32&本站點(diǎn)T42&本站點(diǎn)T52&本站點(diǎn)T62&本站點(diǎn)T72)本站點(diǎn)啟動(dòng)=0;本站點(diǎn)T=0;本站點(diǎn)前進(jìn)=0;本站點(diǎn)后退=0;本站點(diǎn)右行=0;本站點(diǎn)左行=0;本站點(diǎn)上揚(yáng)=0;本站點(diǎn)下挖=0;本站點(diǎn)挖掘機(jī) X=0;本站點(diǎn)挖掘機(jī) Y=0;本站點(diǎn)挖掘機(jī)抓手=0;if(本站點(diǎn)前進(jìn)=1)本站點(diǎn)挖掘機(jī) X=本站點(diǎn)挖掘機(jī) X+10;if(本站點(diǎn)后退=1)本站點(diǎn)挖掘機(jī) X=本站點(diǎn)挖掘機(jī) X-10;if(本站點(diǎn)右行=1)本站點(diǎn)挖掘機(jī) Y=本站點(diǎn)挖掘機(jī) Y+10;if(本站點(diǎn)左行=1)本站點(diǎn)挖掘機(jī) Y=本站點(diǎn)挖掘機(jī) Y-10;if(本站點(diǎn)上揚(yáng)=1)本站點(diǎn)挖掘機(jī)抓手=本站點(diǎn)挖掘機(jī)抓手-20;if(本站點(diǎn)下挖=1)本站點(diǎn)挖掘機(jī)抓手=本站點(diǎn)挖掘機(jī)抓手+20;5 挖掘機(jī)控制系統(tǒng)的調(diào)試挖掘機(jī)控制系統(tǒng)的調(diào)試5.15.1、硬件和軟件的調(diào)試、硬件和軟件的調(diào)試編程軟件與編程軟件與 PLC 的參數(shù)設(shè)置如圖的