挖掘機(jī)控制系統(tǒng)的PLC控制

1、挖掘機(jī)控制系統(tǒng)的 plc 控制 i 摘摘 要要 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(lái)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(lái)越重要。本 系統(tǒng)就是通過(guò) 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(lái)。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，避免在危險(xiǎn)區(qū)域

2、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；plc 目目 錄錄 1 緒 論.1 ii 1.1 課題的背景.1 1.1.1 挖掘機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用.1 1.1.2 挖掘機(jī)的現(xiàn)狀及動(dòng)向.1 1.1.3 挖掘機(jī)的分類.2 1.1.4 plc 的發(fā)展及應(yīng)用 .2 1.2 課題的目的和意義.4 1.3 課題研究的主要內(nèi)容.4 2 挖掘機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì).5 2.1 系統(tǒng)的工作原理.5 2.2 硬件設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ).5 2.2.1 plc 的工作原理 .5 2.2.2 直流電機(jī)的工作原理.7 2.3 pl

3、c 的選型 .8 2.4 系統(tǒng)的資源分配.9 2.5 系統(tǒng)的外部接線圖.10 2.6 硬件的抗干擾措施.10 3 挖掘機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì).12 3.1 plc 編程語(yǔ)言的概述 .12 3.2 挖掘機(jī)控制系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì).13 3.2.1 自動(dòng)控制的設(shè)計(jì).13 3.2.2 手動(dòng)控制的設(shè)計(jì).22 3.3 軟件的抗干擾措施.24 4 人機(jī)界面的設(shè)計(jì).25 4.1 組態(tài)軟件的介紹.25 4.2 挖掘機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的創(chuàng)建過(guò)程.26 4.2.1 挖掘機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備的連接.26 4.2.2 挖掘機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)變量的設(shè)計(jì).27 4.2.3 圖形畫面的制作及動(dòng)畫連接.30 4.2.4 挖掘機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的腳本程序.34

4、 iii 5 挖掘機(jī)控制系統(tǒng)的調(diào)試.36 5.1 硬件和軟件的調(diào)試.36 5.2 組態(tài)監(jiān)控軟件和下位機(jī)的調(diào)試.36 結(jié) 論.38 致 謝.39 參考文獻(xiàn).40 1 1 緒緒 論論 1.1 課題的背景課題的背景 1.1.1 挖掘機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用挖掘機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用 挖掘機(jī)是用來(lái)開(kāi)挖土壤的施工機(jī)械，主要用于工程建設(shè)，如：公路、橋梁、建 筑、養(yǎng)殖池、地下工程、搶險(xiǎn)開(kāi)挖等等，挖掘機(jī)主要特點(diǎn)是力氣大，效率高，能完 成人力所不能完成的工程，提高工作效率。一般工程隊(duì)，建筑業(yè)，搶險(xiǎn)部門，甚至 私人（開(kāi)挖養(yǎng)殖遲、道路、開(kāi)墾）都需要挖掘機(jī)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，工程施工中百分六十的 土方工程是由挖掘機(jī)來(lái)完成的。此外，挖掘機(jī)在更換工

5、作裝置后還可以進(jìn)行起重， 打樁，夯土，拔樁，澆筑，安裝，破碎，拆除，粉碎等多種作業(yè)。 第一臺(tái)挖掘機(jī)問(wèn)世至今已有 130 多年的歷史，最初挖掘機(jī)是手動(dòng)的，期間經(jīng)歷 了由蒸汽驅(qū)動(dòng)，電力驅(qū)動(dòng)和內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)，應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)的全自動(dòng)液壓挖掘機(jī) 等多種驅(qū)動(dòng)方式的逐步發(fā)展過(guò)程。由于液壓技術(shù)的應(yīng)用，20 世紀(jì) 40 年代有了在拖 拉機(jī)上配裝液壓反鏟的懸掛式挖掘機(jī)，液壓技術(shù)在挖掘機(jī)上得到應(yīng)用。20 世紀(jì) 50 年代初期和中期相繼研制出今天人們常見(jiàn)的拖式全回轉(zhuǎn)液壓挖掘機(jī)和履帶式全液壓 挖掘機(jī)。初期試制的液壓挖掘機(jī)是采用飛機(jī)和機(jī)床的液壓技術(shù)，缺少適用于挖掘機(jī) 各種工況的液壓元件，制造質(zhì)量不夠穩(wěn)定，配套件也不齊全。

6、從 20 世紀(jì) 60 年代起， 液壓挖掘機(jī)進(jìn)入推廣和蓬勃發(fā)展階段，各國(guó)挖掘機(jī)制造廠和品種增加很快，產(chǎn)量猛 增。1968-1970 年間，液壓挖掘機(jī)產(chǎn)量已占挖掘機(jī)總產(chǎn)量的 83%，目前已接近 100%。 1.1.2 挖掘機(jī)的現(xiàn)狀及動(dòng)向挖掘機(jī)的現(xiàn)狀及動(dòng)向 工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的挖掘機(jī)生產(chǎn)較早，法國(guó)、德國(guó)、美國(guó)、俄羅斯、日本是斗容量 3.5-40m單斗液壓挖掘機(jī)的主要生產(chǎn)國(guó)，從 20 世紀(jì) 80 年代開(kāi)始生產(chǎn)特大型挖掘機(jī)。 從 20 世紀(jì)后期開(kāi)始，國(guó)際上挖掘機(jī)的生產(chǎn)向大型化、微型化、多功能化、專用化和 自動(dòng)化的方向發(fā)展。 開(kāi)發(fā)多品種、多功能、高質(zhì)量及高效率的挖掘機(jī)。 迅速 發(fā)展全液壓挖掘機(jī)，不斷改進(jìn)和革新控

7、制方式，使挖掘機(jī)由簡(jiǎn)單的杠桿操縱發(fā)展到 液壓操縱、氣壓操縱、液壓伺服操縱和電氣控制、無(wú)線電遙控、電子計(jì)算機(jī)綜合程 序控制。在危險(xiǎn)地區(qū)或水下作業(yè)采用無(wú)線電操縱，利用電子計(jì)算機(jī)控制接收器和激 光導(dǎo)向相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了挖掘機(jī)作業(yè)操縱的完全自動(dòng)化。 重視采用新技術(shù)、新工藝、 2 新結(jié)構(gòu)，加快標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化發(fā)展速度。 更新設(shè)計(jì)理論，提高可靠性， 延長(zhǎng)使用壽命。 加強(qiáng)對(duì)駕駛員的勞動(dòng)保護(hù)，改善駕駛員的勞動(dòng)條件。 進(jìn)一步 改進(jìn)液壓系統(tǒng)。中、小型液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)有向變量系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的明顯趨勢(shì)。 迅速拓展電子化、自動(dòng)化技術(shù)在挖掘機(jī)上的應(yīng)用。 1.1.3 挖掘機(jī)的分類 常見(jiàn)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

8、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。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)。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。 按照用 途來(lái)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。 1.1.4 plc 的發(fā)展及應(yīng)用的發(fā)展及應(yīng)用 可編程序控制器是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合計(jì)算機(jī)、通信、聯(lián)網(wǎng)以及自動(dòng)控制 技術(shù)而開(kāi)發(fā)的新一代工業(yè)控制裝置?？删幊绦蚩刂破髟谖覈?guó)的發(fā)展與應(yīng)用已有 30 多 年的歷史，現(xiàn)在它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，成為提

9、高傳統(tǒng)工 業(yè)裝備水平和技術(shù)能力的重要設(shè)備和強(qiáng)大支柱。隨著全球一體化經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，努力 發(fā)展可編程序控制器在我國(guó)的大規(guī)模應(yīng)用，形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的可編程序控制 器技術(shù)，應(yīng)該是廣大技術(shù)人員努力的方向。 可編程序控制器問(wèn)世于 20 世紀(jì) 60 年代，當(dāng)時(shí)的可編程序控制器功能都很簡(jiǎn)單， 只有邏輯、定時(shí)、計(jì)數(shù)等功能；硬件方面用于可編程序控制器的集成電路還沒(méi)有投 入大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，cpu 以分立元件組成；存儲(chǔ)器為磁心存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)容量有限； 用戶指令一般只有二三十條，還沒(méi)有成型的編程語(yǔ)言；機(jī)型單一，沒(méi)有形成系列。 一臺(tái)可編程序控制器最多只能替代 200300 個(gè)繼電器組成的控制系統(tǒng)，在體積方面， 與現(xiàn)在的

10、可編程序控制器相比，可以說(shuō)是龐然大物。 進(jìn)入 70 年代，隨著中小規(guī)模集成電路的工業(yè)化生產(chǎn)，可編程序控制器技術(shù)得到 了較大的發(fā)展?？删幊绦蚩刂破鞴δ艹壿嬤\(yùn)算外，增加了數(shù)值運(yùn)算、計(jì)算機(jī)接口、 模擬量控制等；軟件開(kāi)發(fā)有自診斷程序，程序存儲(chǔ)開(kāi)始使用 eprom；可靠性進(jìn)一 步提高，初步形成系列，結(jié)構(gòu)上開(kāi)始有模塊式和整體式的區(qū)分，整機(jī)功能從專用向 通用過(guò)渡。 70 年代后期和 80 年代初期，微處理器技術(shù)日趨成熟，單片微處理器、半導(dǎo)體 存儲(chǔ)器進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)，大規(guī)模集成電路開(kāi)始普遍應(yīng)用?？删幊绦蚩刂破鏖_(kāi)始向多 處理器發(fā)展，使可編程序控制器的功能和處理速度大為增強(qiáng)，并具有通信和遠(yuǎn)程 i/o 3 能力，增

11、加了多種特殊功能，如浮點(diǎn)運(yùn)算、三角函數(shù)、查表、列表等，自診斷和容 錯(cuò)技術(shù)也迅速發(fā)展。 80 年代后期到 90 年代中期，隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及應(yīng)用，超大規(guī)模集 成電路、門陣列以及專用集成電路的迅速發(fā)展，可編程序控制器的 cpu 已發(fā)展為由 16 位或 32 位微處理器構(gòu)成，處理速度得到很大提高，高速計(jì)數(shù)、中斷、pid、運(yùn)動(dòng) 控制等功能引入了可編程序控制器。使得可編程序控制器能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的 各個(gè)領(lǐng)域，可編程序控制器已完全取代了傳統(tǒng)的邏輯控制裝置，模擬量?jī)x表控制裝 置和以小型機(jī)為核心的 ddc（直接數(shù)字控制）控制裝置。由于聯(lián)網(wǎng)能力增強(qiáng)，既可 和上位計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，也可以下掛 flex i/

12、o 或遠(yuǎn)程 i/o，從而組成分布式控制系統(tǒng) （dcs）已無(wú)困難。梯型圖語(yǔ)言和語(yǔ)句表語(yǔ)言完全成熟，基本上標(biāo)準(zhǔn)化，sfc（順 序功能圖）語(yǔ)言逐步普及，專用的編程器已被個(gè)人計(jì)算機(jī)和相應(yīng)編程軟件所替代， 人機(jī)界面裝置日趨完善，已能進(jìn)行對(duì)整個(gè)工廠的監(jiān)控、管理，并發(fā)展了冗余技術(shù)， 大大加強(qiáng)了可靠性。 進(jìn)入 21 世紀(jì)，可編程序控制器仍保持旺盛的發(fā)展勢(shì)頭，并不斷擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域， 如為用戶配置柔性制造系統(tǒng)（fms）和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（cims）。目前可編程 序控制器主要向兩個(gè)方向擴(kuò)展：一是綜合化控制系統(tǒng)，它已經(jīng)突破了原有的可編程 序控制器的概念，將工廠生產(chǎn)過(guò)程控制與信息管理系統(tǒng)密切結(jié)合起來(lái)，甚至向上為 me

13、s 和 erp 系統(tǒng)準(zhǔn)備了技術(shù)基礎(chǔ)，這種發(fā)展趨勢(shì)會(huì)使得舉步為艱的 erp 系統(tǒng)有了 堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，從而會(huì)帶來(lái)工業(yè)控制的一場(chǎng)變革，實(shí)現(xiàn)真正意義上的電子信息化 工廠；二是微型可編程序控制器異軍突起，體積如手掌大小，功能可覆蓋單體設(shè)備 及整個(gè)車間的控制功能，并具備聯(lián)網(wǎng)功能，這種微型化的可編程序控制器使得控制 系統(tǒng)可將觸角延伸到工廠的各個(gè)角落。隨著世界經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程的加快，在技術(shù)發(fā) 展的同時(shí)，發(fā)達(dá)國(guó)家更加注重了對(duì)可編程序控制器的知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，國(guó)際大型可 編程序控制器制造商紛紛加入了可編程序控制器的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織，他們利用許多 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)建立了符合他們經(jīng)濟(jì)利益的技術(shù)保護(hù)壁壘。 1.2 課題的目的和意義

14、課題的目的和意義 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，在遼闊的土地上正在進(jìn)行著大規(guī)模的經(jīng)濟(jì)建設(shè)，土 木工程建設(shè)越來(lái)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)是最重要 的一類土石方施工機(jī)械，所以挖掘機(jī)的重要性越來(lái)越明顯。目前，主要是通過(guò)操作 人員來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)挖掘機(jī)的控制，因此要考慮到工作環(huán)境的安全性，可靠性與工作持續(xù) 性，如果能夠自動(dòng)的控制挖掘機(jī)的工作過(guò)程，不僅節(jié)省大量的人力、物力，而且還 會(huì)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益，本系統(tǒng)就是通過(guò) plc 實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)實(shí)物教學(xué)模型控制。通過(guò) 4 控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)挖掘機(jī)的自動(dòng)和手動(dòng)控制，通過(guò)手動(dòng)控制可以使操作人員對(duì)挖掘機(jī)進(jìn) 行遠(yuǎn)程控制，使操作人員遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)域，避免在危險(xiǎn)區(qū)域中施工

15、造成不必要的人員 傷亡。通過(guò)自動(dòng)控制可以使挖掘機(jī)不知疲倦的重復(fù)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(lái)。 1.3 課題研究的主要內(nèi)容課題研究的主要內(nèi)容 本系統(tǒng)主要是采用 plc 實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)的模擬控制，研究的主要內(nèi)容如下： 在收集相關(guān)資料，學(xué)習(xí)了相關(guān)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，對(duì)挖掘機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行總 體設(shè)計(jì)。 通過(guò)對(duì) plc 選型、資源分配以及硬件電路的連接實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)控制系統(tǒng)硬件 的設(shè)計(jì)。 通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)、分析、調(diào)試、修改，最終編制出相應(yīng)的梯形圖 程序。 利用組態(tài)王對(duì)挖掘機(jī)控制系統(tǒng)上位端進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。 最后軟硬件進(jìn)行聯(lián)調(diào)，模擬運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)組態(tài)與下位機(jī)的通信。 5

16、 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) 2.1 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(guò) plc 實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)實(shí)物教學(xué)模型控制，通過(guò)控制四個(gè)直流電機(jī) 的正反轉(zhuǎn)來(lái)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(guò)這八個(gè)基本動(dòng)作組 合出一套完整的自動(dòng)挖掘過(guò)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(guò)程。 2.2 硬件設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)硬件設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ) 2.2.1 plc 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（cpu）、存儲(chǔ)器（ram/rom）、輸入/ 輸出部件（i/o 單元）、電源

17、和編程器幾大部分?？删幊绦蚩刂破骺刂葡到y(tǒng)示意圖如 圖 2.1 所示。 cpu模塊 存儲(chǔ)器 輸 出 模 塊 可編程控制器 選擇開(kāi)關(guān) 限位開(kāi)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 2.1 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(guò)執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來(lái)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)或切換到 stop 工作狀態(tài)。除了執(zhí)行用

18、戶程序之外，在每次循環(huán)過(guò)程中，可編程序控制器還要 6 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 所示。 run stop 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 掃描過(guò)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(lái)看，處理過(guò)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)容。當(dāng)可編

19、程序控制器處于停止（stop） 狀態(tài)時(shí)，只執(zhí)行以上的操作。可編程序控制器處于運(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(lái)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(kāi)（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(kāi)觸點(diǎn)接通，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)。外接的輸 入觸點(diǎn)電路斷開(kāi)時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸入映像寄存器為“0

20、”狀態(tài)，梯形圖中對(duì)應(yīng)的輸入繼電 器的常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，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。 可編程序控制器的用戶程序有若干條指令組成，指令在存儲(chǔ)器中按序號(hào)順序排 列。在沒(méi)有跳轉(zhuǎn)指令時(shí)，cpu 從第一條指令開(kāi)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(lái)，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 7 寄存器除外）的內(nèi)容隨著程序的

21、執(zhí)行而變化。 在輸出處理階段，cpu 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(kāi)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(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，外部負(fù)載斷電，停止工作。 2.2.2 直流電機(jī)的工作原理直流電機(jī)的工作原理 今天的挖掘機(jī)占絕大部分的是全液壓全回轉(zhuǎn)挖掘機(jī)。液壓挖掘機(jī)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、 液壓系統(tǒng)、工作裝置、行

22、走裝置和電氣控制等部分組成。液壓系統(tǒng)由液壓泵、控制 閥、液壓缸、液壓馬達(dá)、管路、油箱等組成。電氣控制系統(tǒng)包括監(jiān)控盤、發(fā)動(dòng)機(jī)控 制系統(tǒng)、泵控制系統(tǒng)、各類傳感器、電磁閥等。挖掘機(jī)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓泵等組 成的，發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，通過(guò)分配器將液壓油分配到各條臂和行走中。 本系統(tǒng)主要內(nèi)容是通過(guò) plc 控制挖掘機(jī)模型，該模型的動(dòng)力系統(tǒng)是小型直流電 機(jī)。 直流電機(jī)是電機(jī)的主要類型之一。一臺(tái)直流電機(jī)即可作為發(fā)電機(jī)使用，也可作 為電動(dòng)機(jī)使用，由于其具有良好的調(diào)速性能，在許多調(diào)速性能要求較高的場(chǎng)合，仍 得到廣泛使用。直流電機(jī)的工作原理如圖 2.3 所示。 圖 2.3 直流電機(jī)的工作原理圖 直流電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩

23、部分組成，其間有一定的氣隙。其構(gòu)造的主要特點(diǎn)是 具有一個(gè)帶換向器的電樞。直流電機(jī)的定子由機(jī)座、主磁極、換向磁極、前后端蓋 和刷架等部件組成。其中主磁極是產(chǎn)生直流電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的主要部件，由永磁體或 帶有直流勵(lì)磁繞組的疊片鐵心構(gòu)成。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子則由電樞、換向器（又稱整流 8 子）和轉(zhuǎn)軸等部件構(gòu)成。其中電樞由電樞鐵心和電樞繞組兩部分組成。電樞鐵心由 硅鋼片疊成， 在其外圓處均勻分布著齒槽，電樞繞組則嵌置于這些槽中。換向器是一種機(jī)械 整流部件。由換向片疊成圓筒形后，以金屬夾件或塑料成型為一個(gè)整體。各換向片 間互相絕緣。換向器質(zhì)量對(duì)運(yùn)行可靠性有很大影響。 當(dāng)原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電樞繞組在主磁極 n、s 之間旋轉(zhuǎn)

24、時(shí)，電樞繞組上感生出電動(dòng) 勢(shì)，經(jīng)電刷、換向器裝置整流為直流后，引向外部負(fù)載（或電網(wǎng)），對(duì)外供電，此 時(shí)電機(jī)作直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行。如用外部直流電源，經(jīng)電刷換向器裝置將直流電流引向 電樞繞組，則此電流與主磁極 n、s 產(chǎn)生的磁場(chǎng)互相作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子與連 接于其上的機(jī)械負(fù)載工作，此時(shí)電機(jī)作直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。 2.3 plc 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

25、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，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，

26、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。 2.4 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、i0.3、i0.4、i0.5、i0.6、i0.7、i1.0、i1.1，輸

27、出點(diǎn) 8 個(gè)分 9 別是 q0.0、q0.1、q0.2、q0.3、q0.4、q0.5、q0.6、q0.7 。i/o 分配如表 2.1 和 2.2 所示。 表 2.1 輸入地址分配表 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(kāi)關(guān) i0.4 前進(jìn)按鈕 i1.1 自動(dòng)控制開(kāi)關(guān) 表 2.2 輸出地址分配表 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) 2.5 系統(tǒng)的外

28、部接線圖系統(tǒng)的外部接線圖 通過(guò)控制盒連接 s7-200，然后操作控制盒來(lái)控制挖掘機(jī)，如圖 2.4 所示。 10 圖 2.4 外部接線圖 2.6 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(lái)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 生產(chǎn)廠

29、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(wèn)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(guò)電壓、欠電壓的影響。盡量使

30、電源 11 線平行走線，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(kāi)來(lái)，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(guò)公共地線進(jìn)入 plc 本機(jī)，從而影響其正常工作。 12 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) 3.1 plc 編程語(yǔ)言的概述編程語(yǔ)言的概述 plc 編程語(yǔ)言的種類 plc 編程語(yǔ)言的種類主要包括三種：梯形圖、語(yǔ)句表和功能塊圖。 梯形圖：梯形圖是通過(guò)連線把 pl

31、c 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(kāi)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(lái)連接 指令組的。梯形圖編程，因?yàn)樗庇^易懂。 語(yǔ)句表：s7 系列 plc 將指令表稱為語(yǔ)句表。plc 的指令是一種與微機(jī)的匯編語(yǔ) 言中的指令相似的助記符表達(dá)式，由指令組成的程序叫

32、做指令表程序或語(yǔ)句表程序。 語(yǔ)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(yǔ)言，有數(shù)字電路基礎(chǔ)的人 很容易掌握。該編程語(yǔ)言用類似與門、或門的方框來(lái)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)。 plc 編程語(yǔ)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(guò)程 使用匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言編寫程序，要完成編輯

33、、編譯和連接三個(gè)過(guò)程，而使 用編程語(yǔ)言，只需要編輯一個(gè)過(guò)程，其余由系統(tǒng)軟件自動(dòng)完成，整個(gè)編輯過(guò)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 13 軟件開(kāi)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(lái)表示，它沿用二進(jìn)制邏輯元件圖形符號(hào)來(lái)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，一般也參照梯形圖或邏輯元件

34、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(wú)論是匯編程序，還是高級(jí)語(yǔ)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

35、動(dòng)作由八個(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。 3.2.1 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 所示。 14 開(kāi)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 3.1 挖掘機(jī)自動(dòng)控制圖 程序設(shè)計(jì)及分析： 15 從網(wǎng)絡(luò) 1 到網(wǎng)絡(luò) 6 的程序可知： 自動(dòng)控制開(kāi)關(guān) i1.1 導(dǎo)通，延時(shí)定時(shí)器 t37、t38 開(kāi)始計(jì)時(shí)。

36、t37 在 3 秒后導(dǎo)通， 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。 16 從網(wǎng)絡(luò) 7 的程序可知： m21.1 導(dǎo)通，q0.1 輸出，挖掘機(jī)前進(jìn) 5 秒。 從網(wǎng)絡(luò) 8 到網(wǎng)絡(luò) 9 的程序可知： m21.2 導(dǎo)通，q0.1 和 q0.5 同時(shí)輸出，挖掘機(jī)右拐。 17 從網(wǎng)絡(luò) 10 到網(wǎng)絡(luò) 11 的程序可知： m21.3 導(dǎo)通，t40 開(kāi)始計(jì)時(shí)，2 秒后導(dǎo)通，q0.7 輸出，挖掘機(jī)左轉(zhuǎn)。 從網(wǎng)絡(luò) 12 到網(wǎng)絡(luò) 13 的程序可知： m21.4 導(dǎo)通，t41 開(kāi)始計(jì)時(shí)，

37、1 秒后導(dǎo)通，q0.2 輸出，挖掘機(jī)下挖。 18 從網(wǎng)絡(luò) 14 到網(wǎng)絡(luò) 15 的程序可知： m21.5 導(dǎo)通，t42 開(kāi)始計(jì)時(shí)，2 秒后導(dǎo)通，q0.6 輸出，挖掘機(jī)右轉(zhuǎn)。 從網(wǎng)絡(luò) 16 的程序可知： m21.6 導(dǎo)通，q0.0 輸出，挖掘機(jī)后退。 19 從網(wǎng)絡(luò) 17 到網(wǎng)絡(luò) 18 的程序可知： m21.7 導(dǎo)通，q0.1 和 q0.4 同時(shí)輸出，挖掘機(jī)左拐。 從網(wǎng)絡(luò) 14 到網(wǎng)絡(luò) 15 的程序可知： m25.1 導(dǎo)通，t42 開(kāi)始計(jì)時(shí)，2 秒后導(dǎo)通，q0.6 輸出，挖掘機(jī)右轉(zhuǎn)。 20 從網(wǎng)絡(luò) 18 到網(wǎng)絡(luò) 19 的程序可知： m25.2 導(dǎo)通，t43 開(kāi)始計(jì)時(shí)，1 秒后導(dǎo)通，q0.3 輸出，挖

38、掘機(jī)上揚(yáng)。 從網(wǎng)絡(luò) 10 到網(wǎng)絡(luò) 11 的程序可知： m25.3 導(dǎo)通，t40 開(kāi)始計(jì)時(shí)，2 秒后導(dǎo)通，q0.7 輸出，挖掘機(jī)左轉(zhuǎn)。 21 從網(wǎng)絡(luò) 16 的程序可知： m25.4 導(dǎo)通，q0.0 輸出，挖掘機(jī)后退。 從網(wǎng)絡(luò) 8 到網(wǎng)絡(luò) 9 的程序可知： m25.5 導(dǎo)通，t39 開(kāi)始計(jì)時(shí)，2.8 秒后導(dǎo)通，q0.5 輸出，挖掘機(jī)右拐。 22 從網(wǎng)絡(luò) 16 的程序可知： m25.6 導(dǎo)通，q0.0 輸出，挖掘機(jī)后退。 3.2.2 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 所示。 開(kāi)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)

39、圖 3.2 手動(dòng)控制圖 m23.4 導(dǎo)通手動(dòng)控制開(kāi)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 輸出，挖掘機(jī)后退。按下 i0.3，m23.4 導(dǎo)通，q0.5 輸出， 23 挖掘機(jī)右拐。按下 i0.3，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.

40、0 導(dǎo)通，q0.7 輸出， 挖掘機(jī)左轉(zhuǎn)。 其相關(guān)的程序?yàn)椋?24 3.3 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(guò) 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 plc 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(lái)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(guò)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。

41、25 4 人機(jī)界面的設(shè)計(jì)人機(jī)界面的設(shè)計(jì) 4.1 組態(tài)軟件的介紹組態(tài)軟件的介紹 組態(tài)就是用應(yīng)用軟件中提供的工具、方法，完成工程中某一具體任務(wù)的過(guò)程。 與硬件生產(chǎn)相對(duì)照，組態(tài)與組裝類似。如要組裝一臺(tái)電腦，事先提供了各種型號(hào)的 主板、機(jī)箱、電源、cpu、顯示器、硬盤、光驅(qū)等，我們的工作就是用這些部件拼湊 成自己需要的電腦。當(dāng)然軟件中的組態(tài)要比硬件的組裝有更大的發(fā)揮空間，因?yàn)樗?一般要比硬件中的“部件”更多，而且每個(gè)“部件”都很靈活，因?yàn)檐洸考加袃?nèi) 部屬性，通過(guò)改變屬性可以改變其規(guī)格（如大小、性狀、顏色等）。 在組態(tài)概念出 現(xiàn)之前，要實(shí)現(xiàn)某一任務(wù)，都是通過(guò)編寫程序（如使用 basic,c,fortr

42、an 等）來(lái)實(shí) 現(xiàn)的。編寫程序不但工作量大、周期長(zhǎng)，而且容易犯錯(cuò)誤，不能保證工期。組態(tài)軟 件的出現(xiàn)，解決了這個(gè)問(wèn)題。對(duì)于過(guò)去需要幾個(gè)月的工作，通過(guò)組態(tài)幾天就可以完 成。 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。其實(shí)在其他行業(yè)也有組態(tài)的概 念，人們只是不這么叫而已。如 autocad，photoshop，辦公軟件(powerpoint)都存 在相似的操作，即用軟件提供的工具來(lái)形成自己的作品，并以數(shù)據(jù)文件保存作品， 而不是執(zhí)行程序。組態(tài)形成

43、的數(shù)據(jù)只有其制造工具或其他專用工具才能識(shí)別。但是 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。組態(tài)工具的解釋引 擎，要根據(jù)這些組態(tài)結(jié)果實(shí)時(shí)運(yùn)行。從表面上看，組態(tài)工具的運(yùn)行程序就是執(zhí)行自 己特定的任務(wù)。雖然說(shuō)組態(tài)就是不需要編寫程序就能完成特定的應(yīng)用。但是為了提 供一些靈活性，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(yǔ)言，有的甚至支持 vb。在當(dāng)今工控領(lǐng)域，一些常用的大型組態(tài)軟件主要有： wincc，ifix，intouch，組態(tài)王，力控等。 組態(tài)王開(kāi)發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件是新型的工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)正以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)軟、 硬件平臺(tái)構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)，

44、它具有適應(yīng)性強(qiáng)、開(kāi)放性好、易 于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。通?？梢园堰@樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、 管理層三個(gè)層次結(jié)構(gòu)。其中監(jiān)控層對(duì)下連接控制層，對(duì)上連接管理層，它不但實(shí)現(xiàn) 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，且在自動(dòng)控制系統(tǒng)中完成上傳下達(dá)、組態(tài)開(kāi)發(fā)的重要作 用。尤其考慮三方面問(wèn)題：畫面、數(shù)據(jù)、動(dòng)畫。通過(guò)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)要求及實(shí)現(xiàn)功能的 26 分析，采用組態(tài)王對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。組態(tài)軟件也為試驗(yàn)者提供了可視化監(jiān)控畫 面，有利于試驗(yàn)者實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。而且，它能充分利用 windows 的圖形編輯功能， 方便地構(gòu)成監(jiān)控畫面，并以動(dòng)畫方式顯示控制設(shè)備的狀態(tài)，具有報(bào)警窗口、實(shí)時(shí)趨 勢(shì)曲線等，可便利的生成各種報(bào)表。它

45、還具有豐富的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和靈活的組態(tài)方 式、數(shù)據(jù)鏈接功能。因此本系統(tǒng)選擇組態(tài)王來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)挖掘機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。組態(tài) 王（kingview）軟件包括組態(tài)王工程瀏覽器、開(kāi)發(fā)系統(tǒng)和運(yùn)行系統(tǒng)三個(gè)部份。 工程瀏覽器（projmak）是一個(gè)具有集成開(kāi)發(fā)的環(huán)境。在工程瀏覽器中可以創(chuàng)建 工程，并對(duì)工程進(jìn)行管理?？梢圆榭垂こ痰母鱾€(gè)組成部分，完成構(gòu)造數(shù)據(jù)庫(kù)、定義 外部設(shè)備等工作。 開(kāi)發(fā)系統(tǒng)（touchmak）是應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)環(huán)境。在這個(gè)環(huán)境中完成設(shè)計(jì)畫面、 動(dòng)畫連接等工作。touchmak 具有先進(jìn)完善的圖形生成功能；數(shù)據(jù)庫(kù)中有多種數(shù)據(jù)類 型，能合理地抽象控制對(duì)象的特性；對(duì)變量報(bào)警、趨勢(shì)曲線、過(guò)程記錄、安全防范 等

46、重要功能都有簡(jiǎn)單的操作辦法。 運(yùn)行系統(tǒng)（touchview）是組態(tài)王軟件的實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境。在 touchmak 中建立的 圖形畫面只有在 touchivew 中才能運(yùn)行。touchview 從工業(yè)控制對(duì)象中采集數(shù)據(jù)， 并記錄在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中。它還負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)的變化用動(dòng)畫的方式形象地表示出來(lái)，同 時(shí)完成變量報(bào)警、操作記錄、趨勢(shì)曲線等監(jiān)視功能，并生成歷史數(shù)據(jù)文件。畫面的 “開(kāi)發(fā)系統(tǒng)”和“運(yùn)行系統(tǒng)”由“工程瀏覽器”調(diào)用，且兩個(gè)系統(tǒng)可以獨(dú)立于“工 程瀏覽器”工作。 4.2 挖掘機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的創(chuàng)建過(guò)程挖掘機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的創(chuàng)建過(guò)程 4.2.1 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

47、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(kāi)發(fā)環(huán)境中定義外部設(shè)備。本系統(tǒng)的設(shè)備連接過(guò)程如下： 在組態(tài)王工程瀏覽器樹形目錄中，選擇設(shè)備 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

48、與 plc 的通信 27 地址保持一致，在本系統(tǒng)調(diào)試的過(guò)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)置是否正確，確認(rèn)無(wú)誤后，單擊“完成”。 創(chuàng)建好的窗口如圖 4.1 所示。 圖 4.1 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)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(kù)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(kù)為核心，所以說(shuō)數(shù)據(jù)庫(kù)是連接上位 機(jī)和下位機(jī)的橋梁。數(shù)據(jù)庫(kù)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

49、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)纱箢悾咀兞坑址譃閮?nèi)存變量和 i/o 變量?jī)煞N?！癷/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，就是說(shuō)在組態(tài)王系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)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(lái)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(guò)程的 中間變量，就可以設(shè)置

50、成“內(nèi)存變量”?；绢愋偷淖兞恳部梢园凑諗?shù)據(jù)類型分為 28 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(guò)定義數(shù)據(jù)詞典來(lái)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所示。 圖 4.2 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：

51、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 29 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 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

52、：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：1000 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) 30 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

53、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 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 組態(tài)王的監(jiān)控過(guò)程主要是通過(guò)主畫面來(lái)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 4.4 所示和“主畫面”如圖 4.5 所示。通過(guò)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 4.3 所示。 31 圖 4.3 屬性設(shè)置圖 圖 4.4 登陸界面 32 圖 4.5 主畫面 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(kù)變量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這樣，工業(yè) 現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，

54、比如時(shí)間的變化等，當(dāng)它們發(fā)生變化時(shí)，通過(guò) i/o 接口，將引起實(shí)時(shí) 數(shù)據(jù)庫(kù)中變量的變化。 圖形對(duì)象可以按動(dòng)畫連接的要求改變顏色、尺寸、位置、填充百分?jǐn)?shù)等。一個(gè) 圖形對(duì)象又可以同時(shí)定義多個(gè)連接。把這些動(dòng)畫連接組合起來(lái)，應(yīng)用程序?qū)⒊尸F(xiàn)出 令人難以想象的動(dòng)畫效果。 挖掘機(jī)模型的移動(dòng)連接 首先雙擊挖掘機(jī)模型，彈出動(dòng)畫連接界面，點(diǎn)擊水平移動(dòng)，在彈出的水平移動(dòng) 連接對(duì)話框中點(diǎn)擊問(wèn)號(hào)，在本站點(diǎn)選擇預(yù)先設(shè)置好的變量名“本站點(diǎn)車”，點(diǎn)擊 確定；點(diǎn)擊垂直移動(dòng)，在彈出的垂直移動(dòng)連接對(duì)話框中點(diǎn)擊問(wèn)號(hào)，在本站點(diǎn)選擇預(yù) 先設(shè)置好的變量名“本站點(diǎn)車 1”，點(diǎn)擊確定。 33 圖 4.6 挖掘機(jī)垂直移動(dòng)連接設(shè)置界面 報(bào)警燈閃爍

55、 在工具箱中選擇“打開(kāi)圖庫(kù)”，在彈出的圖庫(kù)管理器的指示燈中選擇所需要的 報(bào)警燈。點(diǎn)擊選擇好的指示燈，定義報(bào)警燈變量名，點(diǎn)擊對(duì)話框中的問(wèn)號(hào)，在本站 點(diǎn)中選擇預(yù)先設(shè)置好的變量名“本站點(diǎn)前進(jìn)”，點(diǎn)擊確定，這樣報(bào)警燈就可以報(bào) 警了。其他七個(gè)報(bào)警燈以此類推。 圖 4.7 指示燈界面 字體閃爍 點(diǎn)擊需要閃爍的文字，選擇文本色，在彈出的對(duì)話框中點(diǎn)擊問(wèn)號(hào)，為文本色選 擇預(yù)先設(shè)置好的變量名“本站點(diǎn)字體顏色”， 在文本色屬性中，點(diǎn)擊增加，輸 入文字需要閃爍的時(shí)間和文字顏色，點(diǎn)擊確定，這樣指示燈就可閃爍了。 34 圖 4.8 字體閃爍界面 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

56、如下 if(本站點(diǎn)前進(jìn)=1) ；當(dāng)前進(jìn)信號(hào)為 1 時(shí) 本站點(diǎn)車=本站點(diǎn)車+10; ；車前進(jìn) 10 if(本站點(diǎn)后退=1) ；當(dāng)后退信號(hào)為 1 時(shí) 本站點(diǎn)車=本站點(diǎn)車-10; ；車后退 10 if(本站點(diǎn)右拐=1) ；當(dāng)右拐信號(hào)為 1 時(shí) 本站點(diǎn)車 1=本站點(diǎn)車 1+10; ；車向上移動(dòng) 10 if(本站點(diǎn)左拐=1) ；當(dāng)左拐信號(hào)為 1 時(shí) 本站點(diǎn)車 1=本站點(diǎn)車 1-10; ；車向下移動(dòng) 10 if(本站點(diǎn)下挖=1) ；當(dāng)下挖信號(hào)為 1 時(shí) 本站點(diǎn)挖斗=本站點(diǎn)挖斗+5; ；挖斗向下移動(dòng) 5 if(本站點(diǎn)上揚(yáng)=1) ；當(dāng)上揚(yáng)信號(hào)為 1 時(shí) 本站點(diǎn)挖斗=本站點(diǎn)挖斗-5; ；挖斗上揚(yáng) 5 35 字體

57、顏色=字體顏色+10; ；字體顏色按照設(shè)定時(shí)間依次變化顏 色 if (字體顏色=100) ；如果時(shí)間到 100 字體顏色=0; ；字體顏色從 0 開(kāi)始循環(huán) 系統(tǒng)登陸界面程序如下 字體顏色=字體顏色+20; ；字體顏色按照設(shè)定時(shí)間依次變化顏 色 if (字體顏色=100) ；如果時(shí)間到 100 字體顏色=0; ；字體顏色從 0 開(kāi)始循環(huán) if(本站點(diǎn)$用戶名!=無(wú)) ；點(diǎn)擊“登錄系統(tǒng)”，輸入密碼 showpicture(挖掘機(jī)); ；密碼正確，畫面將會(huì)切換到主畫面 36 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 5.1 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)置如圖的參數(shù)設(shè)置如圖 5.1 所示。所示。 圖 5.1 plc 參數(shù)設(shè)置 在對(duì)硬件和軟件調(diào)試過(guò)程中，需要對(duì)延時(shí)定時(shí)器設(shè)置時(shí)間，開(kāi)始時(shí)挖掘機(jī)反應(yīng) 時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，并且設(shè)置的時(shí)間是所有動(dòng)作都執(zhí)行