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控制系统方案设计
旋挖钻机结构复杂、外部传感装置分布较多、各机构动作逻辑性强，且作业时工况恶劣、机身振动强烈，需要设计采用质量可靠、功能丰富的控制部件以完成其控制功能。同时操作人员也需要通过清晰、直观的人机界面对设备进行全面的掌握与控制。
通过选型对比，设计方案上采用西门子S7-200CN系列PLC作为控制系统的核心实现对旋挖钻机的全面控制、日本PROFACE 品牌GP系列液晶触摸屏作为人机界面对话设备，与外部传感装置、液压执行机构组成机电液一体化系统。下图为控制系统结构框图：
触摸屏作为人机界面对话设备，主要进行钻进深度、回转角度的显示、深度设置、时间校对、及实现有关功能切换、按钮、指示、系统调试等功能。共设有：主作业画面、参数设置画面、报警记录画面、系统调试画面。其中主作业画面是操作人员工作时的主要对话界面。下图为主作业画面图：
三、控制系统主要功能
西门子S7-200CN系列PLC是西门子公司为用户解决中小型自动化控制的主力产品。它具有运算速度快、功能齐全、性能可靠、可灵活组合等特点，在全球的中小型自动化控制领域应用非常广泛。以下重点介绍S7-200CN系列PLC在旋挖钻机上的应用。
1、双向高速计数信号检测
S7-214CPU模块具有多路高速计数输入检测端口，可灵活设计实现多路单向、双向计数信号的检测。在旋挖钻机上应用其双向高速计数功能实现了上车回转角度检测、钻头钻孔深度检测。
旋挖钻机上车部分为液压驱动的独立旋转机构。在设计中采用旋转编码器检测其转动角度，通过对编码器A、B两路脉冲信号的检测，PLC的双向高速计数输入端可准确计算出旋挖钻机上车的相对角度（0-360O）变化值。
同时PLC的复位信号输入端检测编码器的C相信号，在上车每次回转至编码器的一固定位置时将高速计数器内变量清零，可消除各种原因造成的计数误差，保证计数的准确性。
钻头钻孔深度检测的原理与上车回转角度检测基本相同，但复位信号采用按钮输入，由操作人员根据情况校准钻头深度零位值。在检测运算中计数值为钻头深度变化值。
2、左右控制手柄多路按钮信号的检测
旋挖钻机的控制主要通过驾驶座椅左右两个控制手柄的多个按钮控制实现，通过对PLC的指令编程，可转换实现按钮信号的上升沿、下降沿、延时控制等多种逻辑功能。
3、外部传感信号的检测
西门子S7-200CN系列PLC输入信号检测采用光耦隔离电流信号检测，可隔离输入信号线上因各种原因引起的非正常电气信号，电流信号检测方式可有效防止外部强干扰对正常信号的检测。同时各输入端输入信号的滤波时间可根据需要分别设置。
旋挖钻机各机构动作频繁、控制复杂，在使用中容易因误操作造成设备损坏。在设计中对各机构关键部位均安装了外部传感装置检测其状态，当出现紧急情况时PLC将通过外部传感装置信号控制相应机构立即保护动作，保护人身和设备安全。
4、实现对液压执行机构的控制
西门子S7-200CN系列PLC的继电输出模块可直接控制液压系统的直流电磁线圈，只需在电磁线圈两端并接外部抑制二极管，可较好的保护并延长内部继电器触点的使用寿命。
5、与PROFACE 的GP系列液晶触摸屏通讯实现方便、直观的人机界面对话显示。
利用214CPU模块上的485通讯接口与PROFACE 的GP系列液晶触摸屏通讯，将PLC检测计算的旋挖钻机各参数直观的显示在触摸屏上，同时可直接通过触摸屏实现对液压系统的控制和调试。
中联重科ZR200型旋挖钻机于2005年初试制成功并通过工业考核，目前该产品已批量生产并销至全国各地，得到了用户的全面认可和信赖，成为我国自主创新的新一代重要桩基设备。
四、几点体会
西门子S7-200CN系列PLC在中联重科ZR200型旋挖钻机的应用中，能很好的实现所需的各种功能，以下为总结的设计体会。
直流供电型PLC可正常工作在DC20.4V-28.8V的标称值内，实际应用中可满足旋挖钻机DC24V的供电环境下，并能承受点火及作业过程中的各种干扰，非常适合工程机械的柴油发动机24V电源环境；丰富的高速计数端口适合与各种传感装置匹配进行信号检测；CPU模块内部集成的PPI通讯接口可实现多种方式的数据通讯，与多种触摸屏端口方便的实现通讯传输
SIMATIC STEP 7 拥有良好的用户界面及强大而丰富的编程工具，能大大节省系统编程 组态的时间和费用。
系统的所有硬件都基于统一的硬件平台, 所有软件也都全部集成在 SIMATIC 程序管理器下, 具有同样统一的软件平台。
系统大量采用了新技术, 在网络配置上使用标准的PROFIBUS以及PROFIBUS DP 网络。
控制器采用SIEMENS的S7 417H冗余控制器,使用先进的事件冗余,使系统的冗余达到可无扰 切换的佳性能.
两对冗余控制器和上位机之间采用冗余的PROFIBUS光纤环网进行通讯,确保网络在任意一点的断开都不会影响网络的正常工作.同时由于使用光纤网络,增强了系统通讯的抗干扰能力.
上位机采用SIEMENS的专用SCADA系统WinCC作为人机接口,WinCC和PLC间的通讯为冗余,任何一台控制器停机都不会影响上位机的监控功能,并实现无扰切换.
ET200M分布式I/O卡件和控制器之间使用冗余的PRFIBUS-DP网络,任何一个控制器的停机或I/O接口卡件的损坏都不会影响系统对I/O的访问.
两对冗余控制器之间的通讯也采用了冗余的通讯方式,任何1个控制器或通讯卡件的停机都不会影响通讯的正常运行.
系统实现了对所有相关设备的启停监视,并配以相应的报表功能,使系统状况一目了然.
使用事件记录系统,使重要的报警故障得以**记录.
系统开放性强，使用OPC或ODBC技术使系统很容易连接到企业管理网，可与常见的办公软件进行数据交换，可大幅度地降低工程设计，维护费用。
由于广泛地采取了冗余技术,使系统的可靠性得到了充分保证.
97年太钢引进的法国二十辊轧机、冷热不锈带钢退火线、光亮线等新装备，是扩大不锈钢生产能力、发展民族工业、增强不锈钢市场竞争能力，扩大不锈钢市场占有份额的重要举措。冷轧煤气混合加压站，是太钢不锈带钢退火线的配套设施，有加压机3台，气源为高炉煤气、焦炉煤气；由于生产线工况不稳而造成用量大幅度频繁波动；同时由于气源管网方面的状况较差，高炉煤气压力波动范围3～10Kpa，焦炉煤气压力波动范围1.5～6.5KPa；其波动有时频率很快，仅靠仪表调节产生震荡、用人工调节措手不及；经常出现长时间的低压，造成混压困难，使得保压力保不了热值，保热值保不了压力，甚至造成高炉煤气蝶阀关闭、机前负压的险兆。不稳的气源、多变的用户，使处于中间环节的冷轧煤气混合加压站成为矛盾的集中点和保障不锈钢生产质量的关键。原设计的仪表调节系统根本无法满足生产要求。
太钢于1999年6月成立了项目攻关组，经过几个月的艰辛努力，采用先进的德国西门子SIMATICS7300PLC、德国UNI公司热值仪、德国西门子变频技术，投入了全过程自动控制，实现了混合煤气热值、加压机后压力双稳定的目标，确保了不锈钢的正常生产，节能效益非常可观。
1 系统概要
改造后的系统构成复杂，仅调节阀就有九个，此外还要增加变频器，由计算机控制切换调节三台风机转速；增加热值仪，串级调节高焦配比。采用德国西门子S7-300 PLC可编程控制 器和 台湾研华IPC 610工控机构成DCS系统。S7-300PLC可编程控制器作为下位来实现所有信号的采集、运算、调节，其特点是：模块化、无排风结构、易于实现分布、运行可靠、。CP5611卡为 S7300PLC与工控机的通讯接口卡。RS485物理结构和187.5K的波特率，传输距离可达50m，使用中继器可达9100m。
2 控制原理
本系统含四个调节回路：
2.1 热值调节
热值是用户气源的主要质量指标之一。
冷轧煤气混合加压站以高炉煤气为主气，它不可控制，取决于用户用量；焦炉煤气为辅气，要求控制其两道阀门,使高、焦配比约4：1，折合热值1350大卡。
2.1.1 “高焦限幅”辅热值
本回路为一串级、交叉限幅调节系统。以热值调节为主环，焦炉煤气流量调节为副环，加入了高焦煤气流量单交叉限幅。焦炉煤气流量的设定值不单单取决于热值调节器输出信号MV，而且受到高炉煤气流量的瞬时值的限制，即按高、焦理论配比值求出应配焦炉煤气流量值，乘以1.05和0.95作为MV的上、下限幅值MH1、ML1。
该控制思想一则使焦炉煤气流量调节器的调节量不至于过大，从而使高焦配比值在小范围内波动；二则使主环调节器不至于产生调节饱和，加快了滞后较大的主环的动态响应，改善了系统的调节品质。
对热值仪信号故障也有保护性，在实际的运行中，我们发现工人有时忘记了给热值仪过滤器排水，使煤气入口压力太低，燃烧不够，造成仪表信号显示偏低很多，即使焦炉煤气阀开到大，也不可能把热值调至“正常”，但此时热值调节器输出信号受到高炉煤气流量的交叉限幅，故在此三个信号中，终以上限值为焦炉煤气流量调节器的设定值，从而使焦炉煤气流量调节阀被约束在了一定的阀位，终使混合煤气热值波动稳定在一定范围内。
2.1.2 “双阀同控”避“瓶颈”
原设计一阀自动、另一阀手动，实际上两阀都在手动方式，因而常常顾此失彼，致使南、北阀位相差太大；若采用两路单独的调节器，二阀阀位更加混乱,当系统工况变化较大时，其中一阀就会成为调节的“瓶颈”；若采用双调节器进行调节，二阀各自进行动作，虽能使系统在某一阀位组合状态下稳定，但有可能造成二阀阀位相差太大，同样可导致“瓶颈”的现象。
对此采用单台调节器串调双阀的控制方案，即在计算机中设置一台软调节器，其输出信号给到两台手操器，同时带动两台电动蝶阀。为防止二阀同时动作造成超调，将两手操器内的死区设置的有所差别，当调节器输出要求的阀位信号与实际阀位反馈信号出现偏差时，死区小的手操器（电动调节阀）首先动作，若偏差不大时，就能纠正过来；当调节量不够时，偏差增大，死区大的手操器（电动调节阀）也动作，加大调节力度，使系统迅速回到稳定状态上。当系统出现较大偏差时，常会出现同时超出二者死区范围的现象，则二阀一同动作，使偏差迅速减小到一定范围，此时大死区的电动调节阀停止动作，剩余的小偏差靠死区小的调节阀来进一步精调到位。
本控制思想避免了上述两种调节方法的弊端，使操作人员对两个阀位“知其一即知其二”，无须高度紧张地频繁操作，既提高了调节品质，又减少了工人劳动强度。
2.2 混压调节
混压调节表面上看来于用户的要求“无关”，实际中却扮演非常重要的角色，它既影响热值、又影响加压机后压力。可以说，混压调节不好，则热值调节、加压机后压力调节都无从谈起。
2.2.1 “水涨船高”调混压
本回路为一串级随动调节系统。在控制回路中建立数学模型，煤气混合压力的设定值随着高、焦气源的压力波动而自动计算设定，同时又加以上下限幅，使工艺操作变得更加合理。从热值的稳定方面来看，机前混压能够随高、焦煤气压力波动而适时适度地调整，保证了焦炉煤气能够按所需的量顺利配入；从加压机后压力的稳定方面来看，机前压力变化范围不至于太宽，减少了对加压机后出口压力调节的干扰。混压调节就是控制高炉煤气的两道阀门，为了避免“瓶颈”，同样如上所述，也采用了一台软调节器控制两台电动调节阀的方式，减少对机后出口压力调节的干扰。
2.3 加压机后压力（变频）调节
加压机后压力是用户气源的主要质量指标之二。
本回路为一定值单回路调节系统。其设定值为13.5Kpa,当加压机后出口压力升高/降低时，增大/减小变频器的输出频率，从而改变加压机的转速，以“变”求“稳”。
在计算机和变频器上都设置了低运行频率，从而保证出口压不至于太低，也保证了自带油泵能够给出足够的油压油量，以免烧坏轴瓦。这两个频率运行下限是保证加压机设备安全、用户正常生产的两道防线。
2.4 加压机后压力（泄放）调节
这是加压机后压力调节的另一手段。
本回路为一定值单回路调节系统，其设定值为14KPa，当加压机后出口压力升高/降低时，增大/减小泄压阀的开度，以“泄”求“稳”。
2.4.1 变频、泄放“双管齐下”稳压力
通常，泄放调节器的设定值高于变频调节器的设定值，一般情况下，变频器“全权负责”系统的调节，而泄放阀处于关闭的“休闲”状态。当用户突然大减量，造成出口压骤然升高，变频的调节速度不足以使出口压迅速降下来时（即出口压超过14KPa），泄放回路立即参与调节。 泄放回路比例带、积分时间都设得很小，因而，动作很快，与变频“双管齐下”，可使压力迅速降下来，保证了用户气源压力稳定，避免了以前类似情况下加压机进入喘振的可能，保障了设备安全。
在调节过程中，绝不会出现既保持加压机转速较高，又使泄放开启一定高度的“稳定平衡”状态。――这就是将设定值设得不同的奥妙所在。
,本系统在控制思想和软件编制上有许多新颖的特点：
(1)小偏差小动作、大偏差大动作，既加快了响应速度，又提高了调节精度。
(2)两阀在调节过程中，不会造成“瓶颈”现象。阀位死区大的南阀阀位“阶 段”性地跟踪死区小的北阀阀位。当偏差产生时，北阀“有错必纠”，南阀对北阀在调节中所累计的阀位变化不会坐视不管，而是“该出手时就出手”，大力度地“调一把”（当北阀阀位调到一定开度时效果就不显著了，此时取决于南阀的开度）。
(3)不怕“死机”、掉电保变频
软件多次调试后，寻找出一种方法，使得无论主机死机或PLC死机，或二者中任一掉电，或二者都掉电，变频器都运行在其保护下限频率上，加压机不会停机，保证了用户的正常生产。
(4)简单可靠易“倒机”
通过软件的巧妙设计，使加压机的切换变得非常简单：将变频器输出频率下调为零，此时原运行的加压机处于停止状态，电流很小，可拉掉其刀开关，并马上再合上另一台备用加压机的刀开关，因变频器未停，3～4分钟即可调频加速到工作状态。当然二者切换期间，需关照冷轧关小烧嘴。
3 系统软件
控制系统在WIN98环境下运行，组态软件为STEP7 V5.0及Kingview5.0。
系统利用组态软件Kingview5.0的驱动程序与下位S7-300PLC进行 数据通讯， 包括数据 采集和发送数据/指令；下位S7-300PLC则通过 MPI卡与 上位计算机交换数据，每一个驱动程序都是一个COM对象，这种方式使通讯程序和组态软件构成一个完整的系统，保证了系统高效率地运行。
4 系统画面
系统监控操作画面多达20多屏，包括：方便工人操作的监控画面和为软件工程师提供接口的整定画面；形象直观的模拟画面；易于统计抄表的参数画面；便于追查事故原因的历史趋势画面；提供技术分析信息的实时曲线画面等等。
画面分为两大类：操作员画面、工程师画面
操作员画面向操作人员提供了各种数据、曲线、功能键，显示内容丰富鲜明、操作简捷可靠。系统中画面的组态编制有很多新颖之处，其中模拟画面中九个调节阀的阀位均可以从画面中翻板示意的角度来得知，并在阀旁边给出了三位有效数字（一位小数）的百分开度，形象、准确地反映了现场阀门的实际开度，使操作人员感到熟悉亲切；系统共有三台加压机，通常开1备2，为了准确反映各加压机的运转情况，该画面中设置了加压机动态旋转叶片，运转的加压机其叶片在旋转，备用的加压机无叶片显示，故操作人员可以清晰明了的看到三台加压机的开备情况；因加压机的转速与变频频率成正比，所以加压机中的旋转叶片的转速随变频器的频率大小而改变，频率大时，旋转叶片转速大；频率小时，旋转叶片转速小，动态显示十分逼真；在整个系统管网的各个控制点均有相应的采集数字显示，真实的反映了各个控制点的瞬时值，画面中三大管道走向明了，主体设备位置确切，工作状态形象生动，各种参数“就地显示”，整个系统运行工况集于一屏，一目了然，实为操作员、技术员所喜爱的主画面之一。
工程师画面：为软件工程师提供了进行系统整定的良好界面，是工程师在调节中进行参数修改和设定的重要环境，也是自控系统的核心。
