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一、簡介
ZR200型旋挖鉆機(jī)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(jī)械。中聯(lián)重科是我國工程機(jī)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(diǎn)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(jī)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(jì)，在相同的地層中，旋挖鉆機(jī)的成孔速度是傳統(tǒng)轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)的5～10 倍。在國外發(fā)達(dá)國家旋挖鉆機(jī)早已作為灌注樁的主要施工機(jī)種。近幾年旋挖鉆機(jī)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(jī)照片。
ZR200型旋挖鉆機(jī)的控制系統(tǒng)采用西門子S7-200系列PLC的CPU224主模塊、EM223擴(kuò)展模塊及EM222擴(kuò)展模塊各一個(gè)，實(shí)現(xiàn)對旋挖鉆機(jī)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(shí)現(xiàn)人機(jī)界面等功能。
二、控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
旋挖鉆機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、外部傳感裝置分布較多、各機(jī)構(gòu)動作邏輯性強(qiáng)，且作業(yè)時(shí)工況惡劣、機(jī)身振動強(qiáng)烈，需要設(shè)計(jì)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(shí)操作人員也需要通過清晰、直觀的人機(jī)界面對設(shè)備進(jìn)行全面的掌握與控制。
通過選型對比，設(shè)計(jì)方案上采用西門子S7-200系列PLC作為控制系統(tǒng)的核心實(shí)現(xiàn)對旋挖鉆機(jī)的全面控制、日本PROFACE 品牌GP系列液晶觸摸屏作為人機(jī)界面對話設(shè)備，與外部傳感裝置、液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成機(jī)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(jī)界面對話設(shè)備，主要進(jìn)行鉆進(jìn)深度、回轉(zhuǎn)角度的顯示、深度設(shè)置、時(shí)間校對、及實(shí)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(bào)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(shí)的主要對話界面。下圖為主作業(yè)畫面圖：
三、控制系統(tǒng)主要功能
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(yùn)算速度快、功能齊全、性能可靠、可靈活組合等特點(diǎn)，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(diǎn)介紹S7-200系列PLC在旋挖鉆機(jī)上的應(yīng)用。
1、雙向高速計(jì)數(shù)信號檢測
S7-214CPU模塊具有多路高速計(jì)數(shù)輸入檢測端口，可靈活設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)多路單向、雙向計(jì)數(shù)信號的檢測。在旋挖鉆機(jī)上應(yīng)用其雙向高速計(jì)數(shù)功能實(shí)現(xiàn)了上車回轉(zhuǎn)角度檢測、鉆頭鉆孔深度檢測。
旋挖鉆機(jī)上車部分為液壓驅(qū)動的獨(dú)立旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。在設(shè)計(jì)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(jì)數(shù)輸入端可準(zhǔn)確計(jì)算出旋挖鉆機(jī)上車的相對角度（0-360O）變化值。
同時(shí)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(shí)將高速計(jì)數(shù)器內(nèi)變量清零，可消除各種原因造成的計(jì)數(shù)誤差，保證計(jì)數(shù)的準(zhǔn)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(zhǔn)鉆頭深度零位值。在檢測運(yùn)算中計(jì)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(jī)的控制主要通過駕駛座椅左右兩個(gè)控制手柄的多個(gè)按鈕控制實(shí)現(xiàn)，通過對PLC的指令編程，可轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)按鈕信號的上升沿、下降沿、延時(shí)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(qiáng)干擾對正常信號的檢測。同時(shí)各輸入端輸入信號的濾波時(shí)間可根據(jù)需要分別設(shè)置。
旋挖鉆機(jī)各機(jī)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(jì)中對各機(jī)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(shí)PLC將通過外部傳感裝置信號控制相應(yīng)機(jī)構(gòu)立即保護(hù)動作，保護(hù)人身和設(shè)備安全。
4、實(shí)現(xiàn)對液壓執(zhí)行機(jī)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(hù)并延長內(nèi)部繼電器觸點(diǎn)的使用壽命。
5、與PROFACE 的GP系列液晶觸摸屏通訊實(shí)現(xiàn)方便、直觀的人機(jī)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(jì)算的旋挖鉆機(jī)各參數(shù)直觀的顯示在觸摸屏上，同時(shí)可直接通過觸摸屏實(shí)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(jī)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(rèn)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(diǎn)體會
西門子S7-200系列PLC在中聯(lián)重科ZR200型旋挖鉆機(jī)的應(yīng)用中，能很好的實(shí)現(xiàn)所需的各種功能，以下為總結(jié)的設(shè)計(jì)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(shí)際應(yīng)用中可滿足旋挖鉆機(jī)DC24V的供電環(huán)境下，并能承受點(diǎn)火及作業(yè)過程中的各種干擾，非常適合工程機(jī)械的柴油發(fā)動機(jī)24V電源環(huán)境；豐富的高速計(jì)數(shù)端口適合與各種傳感裝置匹配進(jìn)行信號檢測；CPU模塊內(nèi)部集成的PPI通訊接口可實(shí)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(shí)現(xiàn)通訊傳輸。
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