西門子S7-200系列PLC在旋挖鉆機上的應(yīng)用

一、簡介

ZR200型旋挖鉆機是湖南省長沙市長沙中聯(lián)重工科技發(fā)展股份有限公司（簡稱中聯(lián)重科）自主研制開發(fā)的一種建筑基礎(chǔ)工程中成孔作業(yè)的施工機械。中聯(lián)重科是我國工程機械制造業(yè)的龍頭企業(yè)，主要從事建筑工程、能源工程、交通工程等國家重點基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程所需重大高新技術(shù)裝備的研發(fā)制造。

中聯(lián)重科ZR200型旋挖鉆機是一種大口徑樁基工程的高效成孔設(shè)備，采用卡特彼勒專用可拓展履帶底盤、自行起落折疊桅桿、可伸縮鉆桿和液壓先導(dǎo)控制。具有自動檢測孔深、垂直度自動調(diào)整、回轉(zhuǎn)自動定位、彩色液晶觸摸屏直接監(jiān)控顯示工作狀態(tài)參數(shù)和防誤操作的邏輯功能控制，是大口徑樁基礎(chǔ)工程的最理想的成孔設(shè)備。據(jù)統(tǒng)計，在相同的地層中，旋挖鉆機的成孔速度是傳統(tǒng)轉(zhuǎn)盤鉆機的5～10 倍。在國外發(fā)達國家旋挖鉆機早已作為灌注樁的主要施工機種。近幾年旋挖鉆機在國內(nèi)已廣泛應(yīng)用于鐵路、公路橋梁、市政建設(shè)、高層建筑等地基礎(chǔ)鉆孔灌注樁工程。右圖為中聯(lián)重科ZR200型旋挖鉆機照片。

ZR200型旋挖鉆機的控制系統(tǒng)采用西門子S7-200系列PLC的CPU224主模塊、EM223擴展模塊及EM222擴展模塊各一個，實現(xiàn)對旋挖鉆機液壓系統(tǒng)電磁閥的自動控制、外部傳感信號檢測及與液晶觸摸屏通訊實現(xiàn)人機界面等功能。

二、控制系統(tǒng)方案設(shè)計

旋挖鉆機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、外部傳感裝置分布較多、各機構(gòu)動作邏輯性強，且作業(yè)時工況惡劣、機身振動強烈，需要設(shè)計采用質(zhì)量可靠、功能豐富的控制部件以完成其控制功能。同時操作人員也需要通過清晰、直觀的人機界面對設(shè)備進行全面的掌握與控制。

通過選型對比，設(shè)計方案上采用西門子S7-200系列PLC作為控制系統(tǒng)的核心實現(xiàn)對旋挖鉆機的全面控制、日本PROFACE 品牌GP系列液晶觸摸屏作為人機界面對話設(shè)備，與外部傳感裝置、液壓執(zhí)行機構(gòu)組成機電液一體化系統(tǒng)。下圖為控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖：

觸摸屏作為人機界面對話設(shè)備，主要進行鉆進深度、回轉(zhuǎn)角度的顯示、深度設(shè)置、時間校對、及實現(xiàn)有關(guān)功能切換、按鈕、指示、系統(tǒng)調(diào)試等功能。共設(shè)有：主作業(yè)畫面、參數(shù)設(shè)置畫面、報警記錄畫面、系統(tǒng)調(diào)試畫面。其中主作業(yè)畫面是操作人員工作時的主要對話界面。下圖為主作業(yè)畫面圖：

西門子S7-200系列PLC是西門子公司為用戶解決中小型自動化控制的主力產(chǎn)品。它具有運算速度快、功能齊全、性能可靠、可靈活組合等特點，在全球的中小型自動化控制領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。以下重點介紹S7-200系列PLC在旋挖鉆機上的應(yīng)用。

1、雙向高速計數(shù)信號檢測

S7-214CPU模塊具有多路高速計數(shù)輸入檢測端口，可靈活設(shè)計實現(xiàn)多路單向、雙向計數(shù)信號的檢測。在旋挖鉆機上應(yīng)用其雙向高速計數(shù)功能實現(xiàn)了上車回轉(zhuǎn)角度檢測、鉆頭鉆孔深度檢測。

旋挖鉆機上車部分為液壓驅(qū)動的獨立旋轉(zhuǎn)機構(gòu)。在設(shè)計中采用旋轉(zhuǎn)編碼器檢測其轉(zhuǎn)動角度，通過對編碼器A、B兩路脈沖信號的檢測，PLC的雙向高速計數(shù)輸入端可準確計算出旋挖鉆機上車的相對角度（0-360^O）變化值。

同時PLC的復(fù)位信號輸入端檢測編碼器的C相信號，在上車每次回轉(zhuǎn)至編碼器的一固定位置時將高速計數(shù)器內(nèi)變量清零，可消除各種原因造成的計數(shù)誤差，保證計數(shù)的準確性。

鉆頭鉆孔深度檢測的原理與上車回轉(zhuǎn)角度檢測基本相同，但復(fù)位信號采用按鈕輸入，由操作人員根據(jù)情況校準鉆頭深度零位值。在檢測運算中計數(shù)值為鉆頭深度變化值。

2、左右控制手柄多路按鈕信號的檢測

旋挖鉆機的控制主要通過駕駛座椅左右兩個控制手柄的多個按鈕控制實現(xiàn)，通過對PLC的指令編程，可轉(zhuǎn)換實現(xiàn)按鈕信號的上升沿、下降沿、延時控制等多種邏輯功能。

3、外部傳感信號的檢測

西門子S7-200系列PLC輸入信號檢測采用光耦隔離電流信號檢測，可隔離輸入信號線上因各種原因引起的非正常電氣信號，電流信號檢測方式可有效防止外部強干擾對正常信號的檢測。同時各輸入端輸入信號的濾波時間可根據(jù)需要分別設(shè)置。

旋挖鉆機各機構(gòu)動作頻繁、控制復(fù)雜，在使用中容易因誤操作造成設(shè)備損壞。在設(shè)計中對各機構(gòu)關(guān)鍵部位均安裝了外部傳感裝置檢測其狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時PLC將通過外部傳感裝置信號控制相應(yīng)機構(gòu)立即保護動作，保護人身和設(shè)備安全。

4、實現(xiàn)對液壓執(zhí)行機構(gòu)的控制

西門子S7-200系列PLC的繼電輸出模塊可直接控制液壓系統(tǒng)的直流電磁線圈，只需在電磁線圈兩端并接外部抑制二極管，可較好的保護并延長內(nèi)部繼電器觸點的使用壽命。

5、與PROFACE 的GP系列液晶觸摸屏通訊實現(xiàn)方便、直觀的人機界面對話顯示。

利用214CPU模塊上的485通訊接口與PROFACE 的GP系列液晶觸摸屏通訊，將PLC檢測計算的旋挖鉆機各參數(shù)直觀的顯示在觸摸屏上，同時可直接通過觸摸屏實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)的控制和調(diào)試。

中聯(lián)重科ZR200型旋挖鉆機于2005年初試制成功并通過工業(yè)考核，目前該產(chǎn)品已批量生產(chǎn)并銷至全國各地，得到了用戶的全面認可和信賴，成為我國自主創(chuàng)新的新一代重要樁基設(shè)備。

四、幾點體會

西門子S7-200系列PLC在中聯(lián)重科ZR200型旋挖鉆機的應(yīng)用中，能很好的實現(xiàn)所需的各種功能，以下為總結(jié)的設(shè)計體會。

直流供電型PLC可正常工作在DC20.4V-28.8V的標(biāo)稱值內(nèi)，實際應(yīng)用中可滿足旋挖鉆機DC24V的供電環(huán)境下，并能承受點火及作業(yè)過程中的各種干擾，非常適合工程機械的柴油發(fā)動機24V電源環(huán)境；豐富的高速計數(shù)端口適合與各種傳感裝置匹配進行信號檢測；CPU模塊內(nèi)部集成的PPI通訊接口可實現(xiàn)多種方式的數(shù)據(jù)通訊，與多種觸摸屏端口方便的實現(xiàn)通訊傳輸。