ZR200型旋挖鉆機(jī)是湖南省長(zhǎng)沙市長(zhǎng)沙中聯(lián)重工科技發(fā)展股份有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)中聯(lián)重科）自主研制開(kāi)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(guó)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(guó)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(zhuān)用可拓展履帶底盤(pán)、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(dòng)檢測(cè)孔深、垂直度自動(dòng)調(diào)整、回轉(zhuǎn)自動(dòng)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)工程的比較理想的成孔設(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(pán)鉆機(jī)的5～10倍。在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)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(mén)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(duì)旋挖鉆機(jī)液壓系統(tǒng)電磁閥的自動(dòng)控制、外部傳感信號(hào)檢測(cè)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(dòng)作邏輯性強(qiáng)，且作業(yè)時(shí)工況惡劣、機(jī)身振動(dòng)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(guò)清晰、直觀的人機(jī)界面對(duì)設(shè)備進(jìn)行全面的掌握與控制。

    通過(guò)選型對(duì)比，設(shè)計(jì)方案上采用西門(mén)子S7-200系列PLC作為控制系統(tǒng)的核心實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)話(huà)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(duì)話(huà)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(duì)、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(huà)面、參數(shù)設(shè)置畫(huà)面、報(bào)警記錄畫(huà)面、系統(tǒng)調(diào)試畫(huà)面。其中主作業(yè)畫(huà)面是操作人員工作時(shí)的主要對(duì)話(huà)界面。下圖為主作業(yè)畫(huà)面圖：

    三、控制系統(tǒng)主要功能

    西門(mén)子S7-200系列PLC是西門(mén)子公司為用戶(hù)解決中小型自動(dòng)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(dòng)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(hào)檢測(cè)

    S7-214CPU模塊具有多路高速計(jì)數(shù)輸入檢測(cè)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(hào)的檢測(cè)。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(chē)回轉(zhuǎn)角度檢測(cè)、鉆頭鉆孔深度檢測(cè)。

    旋挖鉆機(jī)上車(chē)部分為液壓驅(qū)動(dòng)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(cè)其轉(zhuǎn)動(dòng)角度，通過(guò)對(duì)編碼器A、B兩路脈沖信號(hào)的檢測(cè)，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(chē)的相對(duì)角度（0-360O）變化值。

    同時(shí)PLC的復(fù)位信號(hào)輸入端檢測(cè)編碼器的C相信號(hào)，在上車(chē)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(cè)的原理與上車(chē)回轉(zhuǎn)角度檢測(cè)基本相同，但復(fù)位信號(hào)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(cè)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(hào)的檢測(cè)

    旋挖鉆機(jī)的控制主要通過(guò)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(guò)對(duì)PLC的指令編程，可轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)按鈕信號(hào)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(hào)的檢測(cè)

    西門(mén)子S7-200系列PLC輸入信號(hào)檢測(cè)采用光耦隔離電流信號(hào)檢測(cè)，可隔離輸入信號(hào)線(xiàn)上因各種原因引起的非正常電氣信號(hào)，電流信號(hào)檢測(cè)方式可有效防止外部強(qiáng)干擾對(duì)正常信號(hào)的檢測(cè)。同時(shí)各輸入端輸入信號(hào)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(dòng)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(duì)各機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部位均安裝了外部傳感裝置檢測(cè)其狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)PLC將通過(guò)外部傳感裝置信號(hào)控制相應(yīng)機(jī)構(gòu)立即保護(hù)動(dòng)作，保護(hù)人身和設(shè)備安全。

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