模型挖掘机操作的计算机监控.docx
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模型挖掘机操作的计算机监控
模型挖掘机操作的计算机监控
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姓名
指导教师
负责教师
沈阳航空航天大学
2010年6月
摘要
随着经济建设的不断发展,挖掘机的应用也越来越广泛,是土木工程中不可缺少的设备。
近年来大部分挖掘机都采用了可编程控制器控制系统来取代传统的继电器-接触器控制系统。
我们可以利用它实现远程操作,在执行危险任务时避免人员伤亡。
本文介绍了挖掘机模型的结构和控制原理,用梯形图编写程序,实现挖掘机模型左进、向左、左转、下挖、上扬、右转、前进、右退等基本动作,完成自动、手动两种操作。
该系统与传统的继电器-接触器控制系统相比,具有实时性好,维修简单、智能程度高、可靠性高等优点。
监控系统通过改变PLC中相应寄存器的状态控制挖掘机的运行;同时监控画面可以直观地反映出挖掘机的运行状况。
本文的研究有助于实现挖掘机的远程操作。
关键词:
挖掘机;监控;PLC
Computercontrolofthemodelexacvatoroperator
Abstract
Withthecontinuousdevelopmentofeconomicconstruction,theapplicationsofexcavatoraremoreandmorewidely.itisaindispensableequipmentincivilengineering.Inrecentyears,MostexcavatorsusePLCcontrolsystemtoreplacetraditionalrelay–contactorcontrolsystem.Wecanuseittoremotelyoperate.DangeroustasksintheimplementationofAvoidcasualties
Inthispaper,theconstructionandcontrolprincipleoftheexcavatormodelareintroduced.Thebasicactivitiesoftheexcavatormodelarerealied,suchasleftinto,left,turningleft,goingdownwards,goingupwards,turningrightandrightbackarebasedonloder.Andthecontrolmodesofexcavatortheautomaticandmanualoperation.Thissystemcompareswithtraditionalrelay–contactorcontrolsystem,ithasagoodreal-time,simplemaintenance,highdegreeofintelligence,highreliability.Themonitoringsystemcancontrolthemovingoftheexcavatorbychangingthestateofcorrespondingregister;atthesametime,themonitoringscreencanreflecttheoperationalstateoftheexcavatordirectly.Thestudyiswillhelptorealizetheexcavator’sremotecontrol.
Keywords:
excavator;monitoring;PLC
目录
1绪论1
1.1课题背景1
1.2PLC简介1
1.3监控组态软件简介3
1.4本案研究的任务及要求5
1.5本案研究的内容及安排5
2挖掘机控制系统总体方案论证6
2.1PLC类型的选择6
2.2监控方案的选择6
2.3通用组态软件的选择8
3PLC挖掘机控制系统的程序分析9
3.1STEP7-MicroWIN软件简介9
3.2PLC的编程语言10
3.3控制系统的程序设计10
3.4输入输出I/O点分配11
3.5主要程序分析12
3.5.1自动和手动控制程序12
3.5.2手动时每个动作的控制程序12
3.5.3自动时动作顺序的控制程序14
3.5.4PLC挖掘机控制系统分析流程图15
3.6硬件接线图的绘制16
4挖掘机监控系统的设计17
4.1组态王6.5简介17
4.2组态王6.5的组件功能17
4.3监控系统制作的前期设置及点数分配18
5调试结果及问题分析28
5.1控制系统的调试结果及问题分析28
5.2监控系统的问题分析及调试结果28
结论30
社会经济效益分析31
参考文献32
致谢33
附录Ⅰ挖掘机控制系统程序清单34
1绪论
1.1课题背景
随着社会的不断发展,技术的不断进步,挖掘机的应用也越来越广泛,在建筑工地和河流的截留等地方时常看到它的身影,它是土木工程中不可缺少的设备。
挖掘机种类很多,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。
挖掘机是土石方工程施工的主要机械之一,能在坚实的土壤和爆破后的岩石中进行挖掘作业,还可以更换各种工作装置,在建筑工程施工中得到广泛的应用。
挖掘机主要用于工程建设,例如:
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、抢险部门都需要挖掘机。
挖掘机的复杂操作运行控制是工业自动化控制技术在工程机械领域的应用。
以前大部分挖掘机采用传统的继电器-接触器控制系统。
这种系统的主要缺点是接线复杂、维修困难,控制触点易烧坏,以及可靠性和抗干扰性较差。
近十年来,由于可编程控制器控制技术发展很快,目前,大部分挖掘机都采用了可编程控制器控制系统。
当今时代,可编程控制器已成为工业自动化控制的核心。
目前在工业自动化领域中,自动化设备的应用都离不开监控系统。
使用监控系统对工业自动化生产和自动化设备应用实施监控,不仅能实时全面的了解生产和使用情况,更能使自动化设备形成统一的整体,合理调节生产和应用中的每一个环节。
即使不深入现场,也能了解设备状况,分析设备问题,并且能够记录设备的各种使用信息。
监控系统的软件开发方法非常多,了解并掌握其中的一种对我们是十分有益的。
1.2PLC简介
可编程序控制器(ProgrammableLogicController简称PLC)是当今应用最广泛的工业控制装置,是自动控制系统中的关键设备。
是综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术的一种新型的、通用的自动控制装置。
它具有功能强大、可靠性高、使用灵活方便、易于编程以及适和在工业环境下应用等多方面的优点,在工业自动化、机电一体化、传统产业技术改造等多方面的应用已经越来越成熟,已经成为现代工业控制体系中的重要支柱。
国际电工委员会(IEC)对PLC的定义是:
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存贮器,用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字的、模拟的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关设备,都应按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。
可编程控制器的主要功能有:
(1)逻辑控制功能。
用PLC的与、或、非指令取代继电器触电串联、并联和其他逻辑连接,进行开关控制。
(2)定时/计数控制功能。
用PLC提供的定时器、计数器指令实现对某种操作的定时或计数控制。
(3)顺序控制功能。
用步进指令来实现在有多道加工工序的控制中,只有前一道工序完成后,才能进行下一道工序操作的控制。
(4)数据处理功能。
PLC能进行数据传送、比较、移位、数制转换、算术运算与逻辑运算以及编码和译码等操作。
(5)A/D与D/A转换功能。
通过A/D、D/A模块完成模拟量和数字量之间的转换。
(6)运动控制功能。
通过高速计数器模块和位置控制模块等进行单轴或多轴控制。
(7)过程控制功能。
通过PLC的PID控制模块实现对温度、压力、速度、流量等物理量进行闭环控制。
(8)扩展功能。
通过连接输入输出扩展单元(即I/O扩展单元)模块来增加输入输出点数。
(9)远程控制功能。
通过远程I/O单元将分散在远距离的各种输入输出设备与PLC主机相连接,进行远程控制。
(10)通信联网功能。
通过PLC之间或主控计算机的联网,实现较大规模的系统控制。
(11)监控功能。
PLC能够监视系统运行的状态,对异常情况进行报警、显示、故障诊断以及自动终止其运行。
可编程控制器的特点:
(1)运行稳定、可靠性高、抗干扰能力强
PLC内部采用集成电路,接线大大减少;内部电路为无触点控制,元器件的寿命几乎不受限制;另外软、硬件采取了一系列提高可靠性和抗干扰性的措施,如:
掉电保护、对干扰的屏蔽和滤波、设置故障检测与自诊断程序等等,因此,运行稳定、可靠性高、抗干扰能力强。
(2)设计、使用以及维护方便
用户可以根据工程控制的要求,选择PLC主控模块和高功能模块进行灵活的配置,提高系统的性价比;若生产过程对控制功能的要求提高,则PLC可以方便的对系统进行扩充,如:
通过扩展I/O单元来增加输入输出点数,通过多台PLC之间或PLC与上位机的通信,来扩展系统的功能。
另外,利用CRT屏幕显示进行编程和监控,便于修改和调试程序,易于诊断故障,节省了维护时间。
(3)编程语言直观易学
PLC的编程面向生产过程、面向工程技术人员,PLC的编程语言采用梯形图LAD(LadderDiagram)、语句表(或称助记符语言)STL(StatementList)和功能块图FBD(FunctionBlockDiagram),方便直观、易学易懂,工程设计人员和操作人员经过简单培训很快即可掌握。
(4)与网络技术相结合
近年来,PLC得以迅速发展的一个关键因素是将网络技术和大容量、高速度信息交换技术转变为工业化产品,实现了远程控制和集散系统控制。
它将网络上层大型计算机极强的数据处理能力和管理功能与现场网络中PLC的高可靠性结合起来,形成一种新型的全分布式的计算机控制系统。
1.3监控组态软件简介
“组态”(Configuration)的概念是伴随集散型控制系统DCS的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。
在组态软件出现之前,工控领域的用户对于监控系统的设计一般通过自行或委托第三方采用高级语言编写HMI(HumanMachineinterface)应用,或者购买专用的工控系统设备配套软件。
编写HMI系统时当被控对象一旦有变动,就必须修改其控制系统的源程序,导致开发周期长,效率低,且系统的可靠性差;而专用的工控系统通常是封闭的系统,为各生产厂家独有,由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低,导致它的价格非常昂贵,用户选择余地小,同时系统是比较固化的,很难与外界进行数据交换,且其升级和增加功能都受到严重的限制,往往不能满足不同用户的需求。
组态软件的适时出现,可以解决以上相应的问题。
组态软件最早出现在80年代初,并在80年代末进入我国,然而直到1995年随着工业控制系统应用的深入以及国内计算机水平和工业自动化程度的不断提高,人们对组态软件的认识得到了进一步的深入,组态软件在国内的应用才逐渐得到了普及。
同时国内一些高科技公司也相继开发出了适合国内使用的组态软件,如北京三维力控PCAuto,亚控组态王,北京昆仑通态MCGS等。
目前国外的组态软件已经发展的较为成熟,除了监视与过程控制外,还包括用于故障诊断、分析预测以及与管理软件的接口等功能,已经达到管理层,同时其稳定性也非常高。
但是国外组态软件价格比较昂贵,往往其大而全的功能只用到一部分,却要付出全部模块的价格,性价比不高。
国内的组态软件最早取自国外进口的DCS,经过二次开发改造,设计出了适应国内需求的汉化版组态软件,在功能虽然没有很新的突破,但是在使用思路和细节方面的设计上更贴近国内用户的想法,使初学者能够更容易理解和掌握,同时其价格更为经济实惠,因此国内的组态软件得到了越来越多的应用。
通用组态软件的主要特点有延续性和可扩充性。
用通用组态软件开发的应用程序,当现场(包括硬件设备或系统结构)或用户需求发生改变时,不需作很多修改而方便地完成软件的更新和升级;封装性(易学易用)。
通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来,对于用户,不需掌握太多的编程语言技术(甚至不需要编程技术),就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能;通用性,每个用户根据工程实际情况,利用通用组态软件提供的底层设备(PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等)的I/ODriver、开放式的数据库和画面制作工具,就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程,不受行业限制。
能支持各种工控设备和常见的通信协议,并且通常提供分布式数据管理和网络功能。
组态软件包括两个基本的功能模块:
一个是配置监控设备参数的模块,通过这个模块,可以输入一个监控系统中所必需的各种设备信息,通常是以监控的点或者变量为单位,比如电压,电流,温度,空气的湿度等;另一个模块是监控图形界面的生成模块,类似于VB,VC++的窗口开发工具,可以把图形界面的特定属性关联至监控的变量上。
在此过程中,通常不需要编程。
经过以上两个模块的操作,再把组态软件切换到运行状态,就可以通过不断自动刷新的图形界面来监视系统的运行状况。
目前组态软件的应用发展十分迅速,以其自身的操作简单、构件丰富、画面美观、升级和扩展性好等优势,迅速成为设计监控系统的主流软件。
用户的需求促使组态软件的功能不断完善,组态软件是提供更强大的分布式环境下的组态功能、扩展能力强、支持OPC等工业标准、控制能力强、并通过互联网进行访问的开发式系统。
随着新的技术不断的应用到组态软件中,组态软件会向更多的应用领域拓展和渗透。
1.4本案研究的任务及要求
目前采用PLC编程来控制挖掘机模型的运行以及利用上位机与PLC之间的通信来实现对挖掘机运行情况的实时监控是具有很强的现实意义的。
本课题提出的基于PLC的挖掘机控制与监控其主要任务及要求有:
(1)控制:
深入研究基于PLC的挖掘机控制系统的工作特点以及一般原理并分析其主要功能的实现方法,编写PLC程序。
(2)基于监控组态软件开发挖掘机运动实时监控系统的HMI(人机界面)。
并通过PPI协议利用组态软件采集现场数据并发送到上位机中,监视挖掘机运行时的实时工作情况。
1.5本案研究的内容及安排
本文对基于PLC的挖掘机控制与监控的设计进行了详细的介绍,共分五章。
第一章简要介绍了整个课题的研究背景、目的以及整个任务的要求安排;第二章是针对此次课题的任务进行方案论证;第三章具体阐述了基于PLC的挖掘机控制系统的设计。
。
第四章具体阐述了基于组态软件的挖掘机监控系统的设计,包括定义变量,制作挖掘机的监控界面,对监控界面的图形对象进行动画连接。
第五章是针对系统调试的结果进行了具体的分析和说明。
2挖掘机控制系统总体方案论证
2.1PLC类型的选择
目前,PLC的生产厂家和品种很多,其中著名的厂商有:
美国的AB(ALLENBRADLY)公司、通用电气公司等。
欧洲有德国的西门子(SIEMENS)公司,法国的TE公司等。
日本有OMRON(欧姆龙)、三菱、富士等公司。
其中在我国市场占有较大份额的分别是西门子公司、欧姆龙公司以及三菱公司。
本次课题研究的PLC四层电梯控制模型系统的设计,输入输出点数较少,仅需小型PLC即可,另外根据实验室的实际情况,决定此PLC四层电梯控制系统采用西门子S7-200系列PLC设计完成。
西门子S7-200系列PLC体型小,方便携带。
S7-200的核心部件是CPU(即中央处理单元)。
S7-200CPU将一个微处理器、一个集成电源和若干个数字量I/O点集成在一个紧凑的封装中。
西门子自身提供各种型号的CPU,以适应各种应用的要求。
不同类型的CPU具有不同的规格参数。
目前提供的S7-200CPU有:
CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP和CPU226。
该系列产品具有以下特点:
(1)PLC的核心CPU芯片已经升级到Intel80486,甚至采用Pentium处理器。
(2)采用模块化紧凑设计,可按积木式结构进行系统配置,功能扩展非常灵活方便。
(3)以极快的速度处理自动化控制任务。
(4)有很强的网络功能,可用多个PLC,按照工艺或控制方式连接成工业网络,构成完整的生产过程控制系统,即可实现总线联网也可实现点对点通讯。
(5)在软件方面,允许在WINDOWS操作平台下,使用相关的程序软件包、标准的办公室软件和工业通讯网络软件,可以使用C++等高级语言环境。
编程工具更为开放,人机界面十分友好。
2.2监控方案的选择
目前,PLC和上位机的通信方式主要有以下几种:
(1)购买目前通用的上位机组态软件,如组态王软件、WinCC等,以实现PLC和上位机之间的通信。
(2)利用VC++编程,实现PLC和上位机之间的通信。
(3)通过PLC开发商提供的系统协议和网络适配器,构成特定公司产品的内部网络,其通信协议不公开。
PLC与上位机之间的通信必须使用开发商提供的上位机组态软件,并采用支持相应协议的外部设备。
前两种方法是目前比较常用的PLC与上位机通信的方法,而且第三种方法其显示画面和功能往往难以满足不同用户的需求,所以仅就对前两种方法进行比较选择。
1.对比分析与结论
使用VC++和通用组态软件都可以实现监控功能、制作出上位机监控系统。
通过对比发现:
(1)使用VC++编程制作的监控画面不能使监控画面十分逼真完美,而且由于VC++的画图功能有限,制作一个简单的监控画面也十分困难,只有采用第三方软件先画出图形,再使用VC++调用该图形的方法。
而使用通用组态软件制作界面将比VC++简单,通用组态软件有强大的界面制作系统,可制作各种复杂形状及色彩的图形,这将使监控界面生动形象且十分人性化。
(2)使用VC++制作挖掘机模型运行的动画效果十分繁琐复杂且制作出来的动画也无法达到令人满意的逼真效果。
使用通用组态软件制作监控系统中的动画也比VC++简单,通用组态软件有图形动画连接功能,无须复杂的编成即可制作出形象的监控动画。
(3)使用VC++和PLC进行通信最终达到监控数据的过程十分复杂。
要在VC++中编程实现串口通讯,同时要了解西门子S7-200系列PLC的通信协议以及通信数据的记录方式,再以此协议及通信方式向VC++传送数据,而VC++中的控制指令也要以相同的方法发送到PLC中,这期间还要解决采样时间问题。
所以使用VC++编写上位机监控程序实现起来将会十分复杂而且可能达不到预期的效果。
而使用通用组态软件实现与PLC通信及发送/接受数据无须向VC++一样编写复杂的通信程序,只需在制作中选定相关选项及设定相关参数,软件就会十分智能的实现通信过程,监控软件与PLC的通信将变得十分方便。
通过以上分析,在制作监控系统时,使用通用组态软件将比VC++简单得多且起点高、效果好,制作出来的监控软件将十分的形象,使人能轻松了解电梯的运行状况。
同时,关于使用通用组态软件制作的监控程序的稳定性与可靠性问题,据资料显示,现代的工业自动化及其他自动化应用领域的监控程序100%使用专业的监控组态软件制作,其稳定性与可靠性无需质疑。
制作一个实际的工程项目的要求就是稳定可靠同时力求制作与运行简单,使用繁杂的手段制作功能相同的软件没有任何意义。
所以在此选定使用通用组态软件制作挖掘机上位机监控程序。
在此过程中,还将了解学习到通用组态软件的相关知识,丰富自己的视野。
2.3通用组态软件的选择
国际上著名的监控组态软件相当多,例如美国Intellution公司的FIX与iFIX、美国Wonderware公司的Intouch、美国通用电气公司的Cimplicity、德国西门子公司的WinCC等等。
在中国,经过十几年的发展,也出现了一些监控组态软件,比较著名的有亚控公司的组态王、力控组态软件、昆仑通态软件等。
这些通用组态软件都能实现挖掘机模型上位机监控功能并且简单易行。
使用国际著名的组态软件如Intouch将使笔者的视野更开阔,同时能够了解学习到通用组态领域最前沿的技术与成果。
但由于第一次接触和使用通用组态软件,对于它本身了解的并不十分详细。
而国外的监控组态软件在国内使用的并不多,技术资料很少,而且软件本身也不易得到。
同时挖掘机模型上位机监控程序是比较简单的监控程序,使用国产的通用组态软件完全可以实现,所以选用国内厂商出品的监控组态软件
在选择国内众多的监控组态软件时,选择了亚控公司开发的组态王6.5软件,它是国内著名的通用组态软件,实际工程应用数量相当庞大,显示出它的性能稳定可靠且功能强大,应用组态王软件开发挖掘机模型的实时监控系统,会对自动化监控应用有一次初步的了解并学习到十分成熟和前沿的监控手段。
3PLC挖掘机控制系统的程序分析
3.1STEP7-MicroWIN软件简介
STEP7-MicroWIN编程软件是德国西门子公司为其生产的S7-200系列PLC而设计、推出的编程、调试和监控阮件。
其编程界面和帮助文档大部分已汉化,为用户实现开发、编程和监控程序提供了良好的界面。
STEP7-MicroWIN编程软件为用户提供了3种程序编辑器:
梯形图、指令表和功能块图编辑器,同时还提供了完善的在线帮助功能,非常方便用户获取需要的帮助信息。
S7-200PLC内部如图3.1所示。
图3.1S7-200PLC内部结构
1.STEP7-MicroWIN的主要功能
STEP7-MicroWIN提供了2种编程方式:
梯形图方式和助记符方式。
(1)梯形图方式:
当用户选择梯形图方式后,可在编程区的左侧用鼠标点击梯形图的编程符号,并拖至编程区中进行梯形图编程。
如果需要也可以将梯形图形式的PLC程序转换为助记符形式的PLC程序。
(2)助记符方式:
在主菜单中点击视图按钮,在下拉菜单中选取助记符或在工具栏中点击助记符图标就进入了助记符编程方式。
如果需要,也可以将助记符语言所编写的程序转换为梯形图程序。
STEP7-MicroWIN具有一般Windows 应用软件都有的编辑功能,可以对程序进行编辑、存盘、拷贝、新建和打开等。
在主菜单中点击文件按钮就可以在下拉菜单中选择打印功能,也可以在工具栏中选择打印按钮进行打印程序。
当PLC程序编好并经检查无误后可以通过RS-232C通信电缆将已编制好的程序下载到S7-200系列PLC中,同样计算机也可以从S7-200系列PLC读取程序或数据。
监视功能是指将正在运行的PLC的数据通过与计算机相连的通信电缆送在至计算机屏幕显示。
监视的方式可以有梯形图程序监视、助记符程序监视和数据监视。
3.2PLC的编程语言
与个人计算机相比,PLC的硬件、软件的体系结构都是封闭的而不是开放的。
各厂家PLC的变成语言和指令系统的功能和表达方式也不一致,有的甚至有相当大的差异,因此各厂家的PLC互不兼容。
IEC(国际电工委员会)是为电子技术的所有领域制定全球标准的世界性组织。
IEC于19
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