挖掘机控制系统的PLC控制.doc

挖掘机控制系统的 plc 控制 i 摘摘 要要 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 目目 录录 1 绪 论.1 ii 1.1 课题的背景.1 1.1.1 挖掘机的发展及应用1 1.1.2 挖掘机的现状及动向1 1.1.3 挖掘机的分类2 1.1.4 plc 的发展及应用 2 1.2 课题的目的和意义.4 1.3 课题研究的主要内容.4 2 挖掘机控制系统的硬件设计.5 2.1 系统的工作原理.5 2.2 硬件设计的理论基础.5 2.2.1 plc 的工作原理 5 2.2.2 直流电机的工作原理7 2.3 plc 的选型 .8 2.4 系统的资源分配9 2.5 系统的外部接线图.10 2.6 硬件的抗干扰措施.10 3 挖掘机控制系统的软件设计.12 3.1 plc 编程语言的概述 .12 3.2 挖掘机控制系统程序的设计.13 3.2.1 自动控制的设计.13 3.2.2 手动控制的设计22 3.3 软件的抗干扰措施.24 4 人机界面的设计.25 4.1 组态软件的介绍.25 4.2 挖掘机监控系统的创建过程.26 4.2.1 挖掘机监控系统设备的连接26 4.2.2 挖掘机监控系统数据变量的设计27 4.2.3 图形画面的制作及动画连接30 4.2.4 挖掘机监控系统的脚本程序34 iii 5 挖掘机控制系统的调试.36 5.1 硬件和软件的调试.36 5.2 组态监控软件和下位机的调试36 结 论.38 致 谢.39 参考文献.40 1 1 绪绪 论论 1.1 课题的背景课题的背景 1.1.1 挖掘机的发展及应用挖掘机的发展及应用 挖掘机是用来开挖土壤的施工机械，主要用于工程建设，如：公路、桥梁、建 筑、养殖池、地下工程、抢险开挖等等，挖掘机主要特点是力气大，效率高，能完 成人力所不能完成的工程，提高工作效率。一般工程队，建筑业，抢险部门，甚至 私人（开挖养殖迟、道路、开垦）都需要挖掘机。据统计，工程施工中百分六十的 土方工程是由挖掘机来完成的。此外，挖掘机在更换工作装置后还可以进行起重， 打桩，夯土，拔桩，浇筑，安装，破碎，拆除，粉碎等多种作业。 第一台挖掘机问世至今已有 130 多年的历史，最初挖掘机是手动的，期间经历 了由蒸汽驱动，电力驱动和内燃机驱动，应用机电一体化技术的全自动液压挖掘机 等多种驱动方式的逐步发展过程。由于液压技术的应用，20 世纪 40 年代有了在拖 拉机上配装液压反铲的悬挂式挖掘机，液压技术在挖掘机上得到应用。20 世纪 50 年代初期和中期相继研制出今天人们常见的拖式全回转液压挖掘机和履带式全液压 挖掘机。初期试制的液压挖掘机是采用飞机和机床的液压技术，缺少适用于挖掘机 各种工况的液压元件，制造质量不够稳定，配套件也不齐全。从 20 世纪 60 年代起， 液压挖掘机进入推广和蓬勃发展阶段，各国挖掘机制造厂和品种增加很快，产量猛 增。1968-1970 年间，液压挖掘机产量已占挖掘机总产量的 83%，目前已接近 100%。 1.1.2 挖掘机的现状及动向挖掘机的现状及动向 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 3.5-40m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。 开发多品种、多功能、高质量及高效率的挖掘机。 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。 重视采用新技术、新工艺、 2 新结构，加快标准化、系列化、通用化发展速度。 更新设计理论，提高可靠性， 延长使用寿命。 加强对驾驶员的劳动保护，改善驾驶员的劳动条件。 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。 迅速拓展电子化、自动化技术在挖掘机上的应用。 1.1.3 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。 1.1.4 plc 的发展及应用的发展及应用 可编程序控制器是以微处理器为基础，综合计算机、通信、联网以及自动控制 技术而开发的新一代工业控制装置。可编程序控制器在我国的发展与应用已有 30 多 年的历史，现在它已经广泛应用于国民经济的各个工业生产领域，成为提高传统工 业装备水平和技术能力的重要设备和强大支柱。随着全球一体化经济的发展，努力 发展可编程序控制器在我国的大规模应用，形成具有自主知识产权的可编程序控制 器技术，应该是广大技术人员努力的方向。 可编程序控制器问世于 20 世纪 60 年代，当时的可编程序控制器功能都很简单， 只有逻辑、定时、计数等功能；硬件方面用于可编程序控制器的集成电路还没有投 入大规模工业化生产，cpu 以分立元件组成；存储器为磁心存储器，存储容量有限； 用户指令一般只有二三十条，还没有成型的编程语言；机型单一，没有形成系列。 一台可编程序控制器最多只能替代 200300 个继电器组成的控制系统，在体积方面， 与现在的可编程序控制器相比，可以说是庞然大物。 进入 70 年代，随着中小规模集成电路的工业化生产，可编程序控制器技术得到 了较大的发展。可编程序控制器功能除逻辑运算外，增加了数值运算、计算机接口、 模拟量控制等；软件开发有自诊断程序，程序存储开始使用 eprom；可靠性进一 步提高，初步形成系列，结构上开始有模块式和整体式的区分，整机功能从专用向 通用过渡。 70 年代后期和 80 年代初期，微处理器技术日趋成熟，单片微处理器、半导体 存储器进入工业化生产，大规模集成电路开始普遍应用。可编程序控制器开始向多 处理器发展，使可编程序控制器的功能和处理速度大为增强，并具有通信和远程 i/o 3 能力，增加了多种特殊功能，如浮点运算、三角函数、查表、列表等，自诊断和容 错技术也迅速发展。 80 年代后期到 90 年代中期，随着计算机和网络技术的普及应用，超大规模集 成电路、门阵列以及专用集成电路的迅速发展，可编程序控制器的 cpu 已发展为由 16 位或 32 位微处理器构成，处理速度得到很大提高，高速计数、中断、pid、运动 控制等功能引入了可编程序控制器。使得可编程序控制器能够满足工业生产过程的 各个领域，可编程序控制器已完全取代了传统的逻辑控制装置，模拟量仪表控制装 置和以小型机为核心的 ddc（直接数字控制）控制装置。由于联网能力增强，既可 和上位计算机联网，也可以下挂 flex i/o 或远程 i/o，从而组成分布式控制系统 （dcs）已无困难。梯型图语言和语句表语言完全成熟，基本上标准化，sfc（顺 序功能图）语言逐步普及，专用的编程器已被个人计算机和相应编程软件所替代， 人机界面装置日趋完善，已能进行对整个工厂的监控、管理，并发展了冗余技术， 大大加强了可靠性。 进入 21 世纪，可编程序控制器仍保持旺盛的发展势头，并不断扩大其应用领域， 如为用户配置柔性制造系统（fms）和计算机集成制造系统（cims）。目前可编程 序控制器主要向两个方向扩展：一是综合化控制系统，它已经突破了原有的可编程 序控制器的概念，将工厂生产过程控制与信息管理系统密切结合起来，甚至向上为 mes 和 erp 系统准备了技术基础，这种发展趋势会使得举步为艰的 erp 系统有了 坚实的技术基础，从而会带来工业控制的一场变革，实现真正意义上的电子信息化 工厂；二是微型可编程序控制器异军突起，体积如手掌大小，功能可覆盖单体设备 及整个车间的控制功能，并具备联网功能，这种微型化的可编程序控制器使得控制 系统可将触角延伸到工厂的各个角落。随着世界经济一体化进程的加快，在技术发 展的同时，发达国家更加注重了对可编程序控制器的知识产权的保护，国际大型可 编程序控制器制造商纷纷加入了可编程序控制器的国际标准化组织，他们利用许多 技术标准建立了符合他们经济利益的技术保护壁垒。 1.2 课题的目的和意义课题的目的和意义 随着我国经济的高速发展，在辽阔的土地上正在进行着大规模的经济建设，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,而挖掘机是最重要 的一类土石方施工机械，所以挖掘机的重要性越来越明显。目前，主要是通过操作 人员来实现对挖掘机的控制，因此要考虑到工作环境的安全性，可靠性与工作持续 性，如果能够自动的控制挖掘机的工作过程，不仅节省大量的人力、物力，而且还 会带来可观的经济效益，本系统就是通过 plc 实现挖掘机实物教学模型控制。通过 4 控制器实现对挖掘机的自动和手动控制，通过手动控制可以使操作人员对挖掘机进 行远程控制，使操作人员远离危险区域，避免在危险区域中施工造成不必要的人员 伤亡。通过自动控制可以使挖掘机不知疲倦的重复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。 1.3 课题研究的主要内容课题研究的主要内容 本系统主要是采用 plc 实现挖掘机的模拟控制，研究的主要内容如下： 在收集相关资料，学习了相关理论知识的基础上，对挖掘机控制系统进行总 体设计。 通过对 plc 选型、资源分配以及硬件电路的连接实现挖掘机控制系统硬件 的设计。 通过对系统进行程序的设计、分析、调试、修改，最终编制出相应的梯形图 程序。 利用组态王对挖掘机控制系统上位端进行实时监控。 最后软硬件进行联调，模拟运行，并实现组态与下位机的通信。 5 2 挖掘机控制系统的硬件设计挖掘机控制系统的硬件设计 2.1 系统的工作原理系统的工作原理 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 硬件设计的理论基础硬件设计的理论基础 2.2.1 plc 的工作原理的工作原理 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 2.1 所示。 cpu模块 存储器 输 出 模 块 可编程控制器 选择开关 限位开关 电磁阀 编程器 按钮 输 入 模 块 电源 接触器 电源 指示灯 plc控制系统示意图图3-1 图 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 6 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 所示。 run stop 内部处理 通信服务 输入处理 程序执行 输出处理 图 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映像寄存器中，因此，各编程元件的映像寄存器（输入映像 7 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。 2.2.2 直流电机的工作原理直流电机的工作原理 今天的挖掘机占绝大部分的是全液压全回转挖掘机。液压挖掘机主要由发动机、 液压系统、工作装置、行走装置和电气控制等部分组成。液压系统由液压泵、控制 阀、液压缸、液压马达、管路、油箱等组成。电气控制系统包括监控盘、发动机控 制系统、泵控制系统、各类传感器、电磁阀等。挖掘机主要由发动机和液压泵等组 成的，发动机提供动力，通过分配器将液压油分配到各条臂和行走中。 本系统主要内容是通过 plc 控制挖掘机模型，该模型的动力系统是小型直流电 机。 直流电机是电机的主要类型之一。一台直流电机即可作为发电机使用，也可作 为电动机使用，由于其具有良好的调速性能，在许多调速性能要求较高的场合，仍 得到广泛使用。直流电机的工作原理如图 2.3 所示。 图 2.3 直流电机的工作原理图 直流电机由定子和转子两部分组成，其间有一定的气隙。其构造的主要特点是 具有一个带换向器的电枢。直流电机的定子由机座、主磁极、换向磁极、前后端盖 和刷架等部件组成。其中主磁极是产生直流电机气隙磁场的主要部件，由永磁体或 带有直流励磁绕组的叠片铁心构成。直流电机的转子则由电枢、换向器（又称整流 8 子）和转轴等部件构成。其中电枢由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。电枢铁心由 硅钢片叠成， 在其外圆处均匀分布着齿槽，电枢绕组则嵌置于这些槽中。换向器是一种机械 整流部件。由换向片叠成圆筒形后，以金属夹件或塑料成型为一个整体。各换向片 间互相绝缘。换向器质量对运行可靠性有很大影响。 当原动机驱动电枢绕组在主磁极 n、s 之间旋转时，电枢绕组上感生出电动 势，经电刷、换向器装置整流为直流后，引向外部负载（或电网），对外供电，此 时电机作直流发电机运行。如用外部直流电源，经电刷换向器装置将直流电流引向 电枢绕组，则此电流与主磁极 n、s 产生的磁场互相作用，产生转矩，驱动转子与连 接于其上的机械负载工作，此时电机作直流电动机运行。 2.3 plc 的选型的选型 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 理想解决方案。 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。 2.4 系统的资源分配系统的资源分配 根据系统的需要，输入点 10 个分别是 i0.0、i0.1、i0.2、i0.3、i0.4、i0.5、i0.6、i0.7、i1.0、i1.1，输出点 8 个分 9 别是 q0.0、q0.1、q0.2、q0.3、q0.4、q0.5、q0.6、q0.7 。i/o 分配如表 2.1 和 2.2 所示。 表 2.1 输入地址分配表 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 2.2 输出地址分配表 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 2.5 系统的外部接线图系统的外部接线图 通过控制盒连接 s7-200，然后操作控制盒来控制挖掘机，如图 2.4 所示。 10 图 2.4 外部接线图 2.6 硬件的抗干扰措施硬件的抗干扰措施 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 11 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。 12 3 挖掘机控制系统的软件设计挖掘机控制系统的软件设计 3.1 plc 编程语言的概述编程语言的概述 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 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。 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。 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 13 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。 较复杂的算术运算、定时计数等，一般也参照梯形图或逻辑元件图给予表示，虽然 象征性不如逻辑运算部分，但也很受用户欢迎。 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。 强化的调试手段 无论是汇编程序，还是高级语言程序调试，都是令编辑人员头疼的事，而 plc 的程序调试提供了完备的条件，使用编程器，利用 plc 和编程器上的按键、显示和 内部编辑、调试、监控等，并在软件支持下，使诊断和调试操作都很简单。 3.2 挖掘机控制系统程序的设计挖掘机控制系统程序的设计 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；第二部分为手动控制。 3.2.1 自动控制的设计自动控制的设计 本系统自动动作依次为：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，最终回到起始位置，如图 3.2 所示。 14 开始 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 图 3.1 挖掘机自动控制图 程序设计及分析： 15 从网络 1 到网络 6 的程序可知： 自动控制开关 i1.1 导通，延时定时器 t37、t38 开始计时。t37 在 3 秒后导通， 此时 m0.0 导通，将 m21.0 的数值移入移位寄存器中，m21.1 为该寄存器的最低位端； 将 m22.0 的数值移入移位寄存器中，m25.1 为该寄存器的最低位端。 16 从网络 7 的程序可知： m21.1 导通，q0.1 输出，挖掘机前进 5 秒。 从网络 8 到网络 9 的程序可知： m21.2 导通，q0.1 和 q0.5 同时输出，挖掘机右拐。 17 从网络 10 到网络 11 的程序可知： m21.3 导通，t40 开始计时，2 秒后导通，q0.7 输出，挖掘机左转。 从网络 12 到网络 13 的程序可知： m21.4 导通，t41 开始计时，1 秒后导通，q0.2 输出，挖掘机下挖。 18 从网络 14 到网络 15 的程序可知： m21.5 导通，t42 开始计时，2 秒后导通，q0.6 输出，挖掘机右转。 从网络 16 的程序可知： m21.6 导通，q0.0 输出，挖掘机后退。 19 从网络 17 到网络 18 的程序可知： m21.7 导通，q0.1 和 q0.4 同时输出，挖掘机左拐。 从网络 14 到网络 15 的程序可知： m25.1 导通，t42 开始计时，2 秒后导通，q0.6 输出，挖掘机右转。 20 从网络 18 到网络 19 的程序可知： m25.2 导通，t43 开始计时，1 秒后导通，q0.3 输出，挖掘机上扬。 从网络 10 到网络 11 的程序可知： m25.3 导通，t40 开始计时，2 秒后导通，q0.7 输出，挖掘机左转。 21 从网络 16 的程序可知： m25.4 导通，q0.0 输出，挖掘机后退。 从网络 8 到网络 9 的程序可知： m25.5 导通，t39 开始计时，2.8 秒后导通，q0.5 输出，挖掘机右拐。 22 从网络 16 的程序可知： m25.6 导通，q0.0 输出，挖掘机后退。 3.2.2 手动控制的设计手动控制的设计 本系统的手动动作可实现对挖掘机的手动控制，如图 3.2 所示。 开始 按下选择 控制按钮 前进 后退 左拐 右拐 左转 右转 下挖 上扬 图 3.2 手动控制图 m23.4 导通手动控制开关 i1.0 导通，m23.0 导通，按下 i0.4，m23.1 导通， q0.1 输出，挖掘机前进。按下 i0.2，m23.2 导通，q0.4 输出，挖掘机左拐。按下 i0.5，m23.3 导通，q0.0 输出，挖掘机后退。按下 i0.3，m23.4 导通，q0.5 输出， 23 挖掘机右拐。按下 i0.3，q0.5 输出，挖掘机右拐。按下 i0.0，m23.5 导通，q0.2 输出，挖掘机下挖。按下 i0.1，m23.6 导通，q0.3 输出，挖掘机上扬。按下 i0.6，m23.7 导通，q0.6 输出，挖掘机右转。按下 i0.7，m24.0 导通，q0.7 输出， 挖掘机左转。 其相关的程序为： 24 3.3 软件的抗干扰措施软件的抗干扰措施 故障诊断:系统软件定期地检测外界环境，如掉电、欠电压、锂电池电压过 低及强干扰信号等，以便及时反映和处理。 信号保护和恢复:当偶尔性故障发生时，不破坏 plc 内部的信息，一旦故障 现象消失，就可以恢复正常，继续原来的工作。 设置警戒时钟 wdt:如果程序循环扫描执行时间超过了 wdt 规定的时间，预 示了程序进入死循环，立即报警。 加强对程序的检查和校验:一旦程序有错，立即报警，并停止执行程序。 对程序及动态数据进行电池后备:当停电时利用后备电池供电，保持有关信 息和状态数据不丢失。 25 4 人机界面的设计人机界面的设计 4.1 组态软件的介绍组态软件的介绍 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。 与硬件生产相对照，组态与组装类似。如要组装一台电脑，事先提供了各种型号的 主板、机箱、电源、cpu、显示器、硬盘、光驱等，我们的工作就是用这些部件拼凑 成自己需要的电脑。当然软件中的组态要比硬件的组装有更大的发挥空间，因为它 一般要比硬件中的“部件”更多，而且每个“部件”都很灵活，因为软部件都有内 部属性，通过改变属性可以改变其规格（如大小、性状、颜色等）。 在组态概念出 现之前，要实现某一任务，都是通过编写程序（如使用 basic,c,fortran 等）来实 现的。编写程序不但工作量大、周期长，而且容易犯错误，不能保证工期。组态软 件的出现，解决了这个问题。对于过去需要几个月的工作，通过组态几天就可以完 成。 组态软件是有专业性的。一种组态软件只能适合某种领域的应用。组态的概念 最早出现在工业计算机控制中。如 dcs(集散控制系统)组态，plc（可编程控制器） 梯形图组态。人机界面生成软件就叫工控组态软件。其实在其他行业也有组态的概 念，人们只是不这么叫而已。如 autocad，photoshop，办公软件(powerpoint)都存 在相似的操作，即用软件提供的工具来形成自己的作品，并以数据文件保存作品， 而不是执行程序。组态形成的数据只有其制造工具或其他专用工具才能识别。但是 不同之处在于，工业控制中形成的组态结果是用在实时监控的。组态工具的解释引 擎，要根据这些组态结果实时运行。从表面上看，组态工具的运行程序就是执行自 己特定的任务。虽然说组态就是不需要编写程序就能完成特定的应用。但是为了提 供一些灵活性，组态软件也提供了编程手段，一般都是内置编译系统，提供类 basic 语言，有的甚至支持 vb。在当今工控领域，一些常用的大型组态软件主要有： wincc，ifix，intouch，组态王，力控等。 组态王开发监控系统软件是新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、 硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统，它具有适应性强、开放性好、易 于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、 管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现 对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作 用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的 26 分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画 面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用 windows 的图形编辑功能， 方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋 势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方 式、数据链接功能。因此本系统选择组态王来实现对挖掘机控制系统的设计。组态 王（kingview）软件包括组态王工程浏览器、开发系统和运行系统三个部份。 工程浏览器（projmak）是一个具有集成开发的环境。在工程浏览器中可以创建 工程，并对工程进行管理。可以查看工程的各个组成部分，完成构造数据库、定义 外部设备等工作。 开发系统（touchmak）是应用程序的开发环境。在这个环境中完成设计画面、 动画连接等工作。touchmak 具有先进完善的图形生成功能；数据库中有多种数据类 型，能合理地抽象控制对象的特性；对变量报警、趋势曲线、过程记录、安全防范 等重要功能都有简单的操作办法。 运行系统（touchview）是组态王软件的实时运行环境。在 touchmak 中建立的 图形画面只有在 touchivew 中才能运行。touchview 从工业控制对象中采集数据， 并记录在实时数据库中。它还负责把数据的变化用动画的方式形象地表示出来，同 时完成变量报警、操作记录、趋势曲线等监视功能，并生成历史数据文件。画面的 “开发系统”和“运行系统”由“工程浏览器”调用，且两个系统可以独立于“工 程浏览器”工作。 4.2 挖掘机监控系统的创建过程挖掘机监控系统的创建过程 4.2.1 挖掘机监控系统设备的连接挖掘机监控系统设备的连接 在计算机外部设备硬件连接好后，为了实现组态王和外部设备的实时数据通讯， 必须在组态王的开发环境中定义外部设备。本系统的设备连接过程如下： 在组态王工程浏览器树形目录中，选择设备 com1，在右边的工作区出现了 “新建”图标，双击此“新建”图标，弹出“设备配置向导”对话框，在“设备” 下的子项中默认列出的项目表示组态王和外部设备几种常用的通讯方式， dde、plc，智能仪表，智能模块，板卡，变频器。 在上述对话框双击 plc 选择西门子提供的 s7200 系列的 ppi 项。 为 s7200 设备指定逻辑名称 s7200。 为设备选择连接的串口为 com1。 为了保证组态王与 plc 能够通信上，所以组态王的通信地址要与 plc 的通信 27 地址保持一致，在本系统调试的过程中，plc 的通信地址为 18，因此此处填写设备 地址为 18。 设置通信故障恢复参数，默认参数。 检查各项设置是否正确，确认无误后，单击“完成”。 创建好的窗口如图 4.1 所示。 图 4.1 创建好的窗口 4.2.2 挖掘机监控系统数据变量的设计挖掘机监控系统数据变量的设计 数据库是“组态王”最核心的部分。在 touchvew 运行时，现场的挖掘机要以动 画的形式显示在屏幕上，这些都是以实时数据库为核心，所以说数据库是连接上位 机和下位机的桥梁。数据库中变量的集合形象地称为“数据辞典”，数据词典记录 了所有用户可以使用的数据变量的详细信息。数据词典中的变量可以分为基本变量 类型和特殊变量两大类，基本变量又分为内存变量和 i/o 变量两种。“i/o 变量” 指的是组态王与外部设备或其它应用程序交换的变量。这种数据交换是双向的、动 态的，就是说在组态王系统运行过程中，每当 i/o 变量的值改变时，该值就会自动 写入外部设备或远程应用程序；每当外部设备或远程应用程序中的值改变时，组态 王系统中的变量值也会自动改变。所以，那些从下位机采集来的数据、发送给下位 机的指令，比如前进按钮、后退按钮等变量，都需要设置成“i/o 变量”。那些不 需要和外部设备或其它应用程序交换，只在组态王内使用的变量，比如计算过程的 中间变量，就可以设置成“内存变量”。基本类型的变量也可以按照数据类型分为 28 离散型、实型、整型和字符串型。 内存离散变量、i/o离散变量 内存实型变量、i/o实型变量 内存整数变量、i/o整数变量 内存字符串型变量、i/o字符串型变量 本系统共需设置12个实时数据，主要是通过定义数据词典来实现。在工程浏览 器树型目录中选择“数据词典”，在右侧双击“新建”图标，弹出“变量属性”对话 框，如图4.2所示。 图 4.2 定义变量图 本系统的参数设置如下： 变量名：前进 变量名：后退 变量类型：i/o离散 变量类型：i/o离散 连接设备：s7200 连接设备：s7200 寄存器：q0.1 寄存器：q0.0 数据类型：bit 数据类型：bit 采集频率：1000 采集频率：1000 读写属性：只读 读写属性：只读 29 变量名：左拐 变量名：右拐 变量类型：i/o离散 变量类型：i/o离散 连接设备：s7200 连接设备：s7200 寄存器：q0.4 寄存器：q0.5 数据类型：bit 数据类型：bit 采集频率：1000 采集频率：1000 读写属性：只读 读写属性：只读 变量名：左转 变量名：右转 变量类型：i/o离散 变量类型：i/o离散 连接设备：s7200 连接设备：s7200 寄存器：q0.7 寄存器：q0.6 数据类型：bit 数据类型：bit 采集频率：1000 采集频率：1000 读写属性：只读 读写属性：只读 变量名：下挖 变量名：上扬 变量类型：i/o离散 变量类型：i/o离散 连接设备：s7200 连接设备：s7200 寄存器：q0.2 寄存器：q0.3 数据类型：bit 数据类型：bit 采集频率：1000 采集频率：1000 读写属性：只读 读写属性：只读 变量名：车 变量名：车1 变量类型：内存整数 变量类型：内存整数 30 变化灵敏度：0 变化灵敏度：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 变量名：挖斗 变量名：字体颜色 变量类型：内存整数 变量类型：内存整数 变化灵敏度：0 变化灵敏度：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 4.2.3 图形画面的制作及动画连接图形画面的制作及动画连接 设计画面 组态王的监控过程主要是通过主画面来实现的。本工程创建了两个画面，分别 是“登陆界面”如图 4.4 所示和“主画面”如图 4.5 所示。通过编辑脚本程序，点击 “登陆界面”中的登录系统按钮，输入设置好的密码就可进入“主画面” 。属性设置 如图 4.3 所示。 31 图 4.3 属性设置图 图 4.4 登陆界面 32 图 4.5 主画面 动画连接 所谓“动画连接”就是建立画面的图素与数据库变量的对应关系。这样，工业 现场的数据，比如时间的变化等，当它们发生变化时，通过 i/o 接口，将引起实时 数据库中变量的变化。 图形对象可以按动画连接的要求改变颜色、尺寸、位置、填充百分数等。一个 图形对象又可以同时定义多个连接。把这些动画连接组合起来，应用程序将呈现出 令人难以想象的动画效果。 挖掘机模型的移动连接 首先双击挖掘机模型，弹出动画连接界面，点击水平移动，在弹出的水平移动 连接对话框中点击问号，在本站点选择预先设置好的变量名“本站点车”，点击 确定；点击垂直移动，在弹出的垂直移动连接对话框中点击问号，在本站点选择预 先设置好的变量名“本站点车 1”，点击确定。 33 图 4.6 挖掘机垂直移动连接设置界面 报警灯闪烁 在工具箱中选择“打开图库”，在弹出的图库管理器的指示灯中选择所需要的 报警灯。点击选择好的指示灯，定义报警灯变量名，点击对话框中的问号，在本站 点中选择预先设置好的变量名“本站点前进”，点击确定，这样报警灯就可以报 警了。其他七个报警灯以此类推。 图 4.7 指示灯界面 字体闪烁 点击需要闪烁的文字，选择文本色，在弹出的对话框中点击问号，为文本色选 择预先设置好的变量名“本站点字体颜色”， 在文本色属性中，点击增加，输 入文字需要闪烁的时间和文字颜色，点击确定，这样指示灯就可闪烁了。 34 图 4.8 字体闪烁界面 4.2.4 挖掘机监控系统的脚本程序挖掘机监控系统的脚本程序 系统主画面程序如下 if(本站点前进=1) ；当前进信号为 1 时 本站点车=本站点车+10; ；车前进 10 if(本站点后退=1) ；当后退信号为 1 时 本站点车=本站点车-10; ；车后退 10 if(本站点右拐=1) ；当右拐信号为 1 时 本站点车 1=本站点车 1+10; ；车向上移动 10 if(本站点左拐=1) ；当左拐信号为 1 时 本站点车 1=本站点车 1-10; ；车向下移动 10 if(本站点下挖=1) ；当下挖信号为 1 时 本站点挖斗=本站点挖斗+5; ；挖斗向下移动 5 if(本站点上扬=1) ；当上扬信号为 1 时 本站点挖斗=本站点挖斗-5; ；挖斗上扬 5 35 字体颜色=字体颜色+10; ；字体颜色按照设定时间依次变化颜 色 if (字体颜色=100) ；如果时间到 100 字体颜色=0; ；字体颜色从 0 开始循环 系统登陆界面程序如下 字体颜色=字体颜色+20; ；字体颜色按照设定时间依次变化颜 色 if (字体颜色=100) ；如果时间到 100 字体颜色=0; ；字体颜色从 0 开始循环 if(本站点$用户名!=“无“) ；点击“登录系统”，输入密码 showpicture(“挖掘机“); ；密码正确，画面将会切换到主画面 36 5 挖掘机控制系统的调试挖掘机控制系统的调试 5.1 硬件和软件的调试硬件和软件的调试 编程软件与编程软件与 plc