西门子6ES7223-1BM22-0XA8正规授权
一、简介
ZR200型旋挖钻机是湖南省长沙市长沙中联重工科技发展股份有限公司（简称中联重科）自主研制开发的一种建筑基础工程中成孔作业的施工机械。中联重科是我国工程机械制造业的企业，主要从事建筑工程、能源工程、交通工程等国家重点基础设施建设工程所需重大高新技术装备的研发制造。
中联重科ZR200型旋挖钻机是一种大口径桩基工程的高效成孔设备，采用卡特彼勒专用可拓展履带底盘、自行起落折叠桅杆、可伸缩钻杆和液压先导控制。具有自动检测孔深、垂直度自动调整、回转自动定位、彩色液晶触摸屏直接监控显示工作状态参数和防误操作的逻辑功能控制，是大口径桩基础工程的理想的成孔设备。据统计，在相同的地层中，旋挖钻机的成孔速度是传统转盘钻机的5～10 倍。在国外发达国家旋挖钻机早已作为灌注桩的主要施工机种。近几年旋挖钻机在国内已广泛应用于铁路、公路桥梁、市政建设、高层建筑等地基础钻孔灌注桩工程。右图为中联重科ZR200型旋挖钻机照片。
ZR200型旋挖钻机的控制系统采用西门子S7-200CN系列PLC的CPU224主模块、EM223扩展模块及EM222扩展模块各一个，实现对旋挖钻机液压系统电磁阀的自动控制、外部传感信号检测及与液晶触摸屏通讯实现人机界面等功能。
二、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
在制造业现代化高速发展的，生产的高效率和产品的高质量要求使得一些高精度电气系统和高性能自动控制系统应运而生，同时也使许多普通电气控制系统难以解决的问题变得相对的简单一些，并且在很大程度上增加了自动控制系统的稳定性。三菱电机有限公司目前推出的Q系列PLC以及Q系列运动控制器Q172CPUN和Q173CPUN就是专门针对需要高精度电气控制的产品。下面对Q系列PLC以及Q系列运动控制器系统和三菱驱动伺服（MR-J2S-口B）以及机械结构介绍如下:
连轴压模设备工艺
工艺简介
该设备是压模生产厂家自行开发的三轴伺服高速高精度同步连轴压模机组。但根据加工不同产品和相应的工艺以及控制精度的需要，该设备实际由5个伺服轴和1个变频主轴组成。中间3个伺服轴为连轴同步轴。在中间三轴伺服同步连轴压模机组前后分别有1个伺服放料轴和伺服收料控制轴，分别用于在自动控制过程中的放料动作和收料动作。压模的模具由变频主轴直接驱动，由于压模模具下压进行压模加工动作时，被加工的物料必须静止地保持在加工台面上才能保证加工物料的高精度和高稳定性。因此系统的生产过程中，被加工的物料动作并不是连续的;而是断续的。经过一高速高精度定位后就静止停在被加工台面上等待压模动作。这样一来加工的物料之间虽然有张力但很难被准确检测出来，这就增加了控制的难度。于是在三轴伺服同步连轴压模机组前后的伺服放料轴和伺服收料控制轴分别加了位置检测开关，用来模糊控制放料和收料之间的张力，而没有采用压力传感器来检测压力进行控制张力。其系统工艺控制图如图1:
图1 系统工艺控制图
工艺动作说明
如图1，当整个系统初启动时，变频主轴首先得到启动命令旋转起来，并负责给模具一和模具二直接提供动力驱动。在变频主轴的轴承上套轴连接了一个高速光电位置检测开关，用于检测变频主轴的旋转次数，也就说变频主轴每旋转一转，高速光电位置检测开关就给出一个高速脉冲信号给Q-PLC。Q-PLC将其传送给运动控制器。运动控制器利用这一个高速光电脉冲信号作为同步一、二、三轴的位置同步控制启动信号。进行高速同步定位控制，高速同步定位控完成后。由Q-PLC程序控制过程中输出一个定位完成信号，定位完成信号作为模具一和模具二的向下压模动作启动信号，压模动作动作完成后，模具一和模具二自动返回。等待下一个周期的到来。
系统控制部分启动时时序图
系统控制部分启动时时序图见图2所示
图2 系统控制部分启动时时序图
放料轴收料轴控制
放料轴和收料轴则采用速度控制，放料轴检测到物带在检测一位置时，则启动速度控制，当放料轴检测到物带在检测二位置时，则停止速度控制。收料轴也采用速度控制，收料轴检测到物带在检测二位置时，则启动速度控制，当放料轴检测到物带在检测一位置时，则停止速度控制。利用这样方式可以不考虑放料和收料轴的半径的改变。
系统硬件配置
该系统采用了三菱公司的Q系列PLC（Q02CPU）和MOTION运动控制器（Q172CPUN）作为整个系统的电气控制部分。Q02CPU主要用于协调整个控制程序的运行和管理，Q172CPUN运动控制器作为系统的运动控制处理器，协调和控制整个系统的运动定位控制。A970GOT-TBA-CH人机界面主要用于控制数据的输入和显示。如图3所示。
图3 系统硬件配置图
伺服放大器采用了三菱电机MR-J2S-40B，该伺服放大器具有SSCNET高速串行总线通讯完全同步功能，控制器和伺服放大器之间的通讯循环时间长为0.888ms。这样一来可以确保整个系统的高速响应和控制精度。
Q系列的运动控制器的功能
Q系列的运动控制器采用运动SFC专用编程软件编程，如图4所示。该软件采用流程图形式编程。编程介面形象、直观、易懂。十分适合初学者使用。并且其功能强大。主要分为实模式和虚模式二种形式。
图4 SFC专用编程软件系统配置图
实模式
实模式下提供了6种原点回归方式:
近点DOG型;计数型;数据设置型;DOG支架型;停止器停止型;限位开关混合型。
另外在实模式下还有各轴JOG操作功能以及多种速度控制功能和多种定位控制功能，并且实现多四轴插补控制。
虚模式
虚模式下提供了多种传递模块和输出模块。其中传递模块有以下四种:
齿轮输入模块;离合器输入模块;变速机输入模块;变速齿轮输入模块。
输出模块有以下四种:
滚简输出模块;滚珠丝杆输出模块; 回转台输出模块;凸轮输出模块。
在虚模式下可以设置虚模电机进行多轴同步控制。其控制图如如图5所示:
图5 三轴同步虚模式机械控制图
图5中V.1电机为虚拟电机。可以通过虚模式程式对其进行速度控制和定位控制，从而实现其虚轴上的3个电机的高速高精度同步控制。
在Q系列运动控制器的SFC专用编程软件编程过程中实模式和虚模式很容易地被用户切换。可以灵活地现实多功能的复杂控制。
调试和用户反馈
当客户将电气设备和机械设备安装完毕后，经检查无接线错误后次上电，伺服电机动作并不是很理想，个别电机有轻微的抖动。可以用SETUP161E调试软件进行细致的调试。增加其滤波功能，提高伺服电机的响应频率。确保整个系统高速、稳定地运行。
电梯运行的舒适性取决于其运行过程中加速度a和加速度变化率p的大小，过大的加速度或加速度变化率会造成乘客的不适感。同时，为保证电梯的运行效率，a、p的值不宜过小。能保证a、p佳取值的电梯运行曲线称为电梯的理想运行曲线。电梯运行的理想曲线（图1） 应是抛物线-直线综合速度曲线，即电梯的加、减过程由抛物线和直线构成。电梯给定曲线是否理想，直接影响实际的运行曲线。
一、东洋电梯速度曲线的产生方法
东洋电梯采用的方法是阶梯-滤波方式，和一般电梯的起、制动方式一样，起动受时间控制（称为时间原则），制动受距离控制（称为距离原则）。先通过电阻分压产生阶梯给定电压U，阶梯电压的顺序由继电器的触点控制。每一阶梯的保持时间，就是对应继电器常开触点吸合的时间，这一时间由延时电路实现。制动过程由对应减速距离的选层器凸轮触点和门区内的磁感应开关控制。起动过程分12级，制动过程为13级。这是为了在起动时有足够的起动转矩，而将级给定电压设置得较高。制动时，为保证平层精度，后一级要小一些。阶梯电压产生后，送到滤波电路，经滤波输出后，产生平滑的速度给定曲线。
采用硬件电路实现的速度曲线产生方法，由于采用继电器逻辑控制，不仅可靠性不理想，而且存在下述问题：（1）受分级电压级数的限制，不易使曲线达到理想；（2）调试困难；（3）加速过程采用由小到大的阶梯给定顺序，引起电梯起动时的冲击。这一问题是由于在电梯起动瞬间克服了机械静磨擦力后，给定电压没能随磨擦力的减小而及时降低造成。此外，在减速过程中，轿厢位置信号取自机械选层器，减速点及每级减速距离的精度也受到限制。
二、速度曲线产生方法的改造
本方法是利用PLC扩展功能模块-D/A模块实现的，事先将数字化的理想速度曲线存入PLC寄存器，程序运行时，通过查表方式写入D/A，由D/A转换成模拟量后将理想曲线输出。本文选用的富士可编程控制器FLEX-PC的NB-AXY4-11型模拟输入输出模块，分别有两路8位A/D和D/A。
1.加速给定曲线的产生
8位D/A输出0～5V/0～10V，对应数字值为16进制数00～FF，共255级。东洋电梯加速实践在2.5～3秒之间。按保守值计算，电梯加速过程中每次查表的时间间隔不宜超过10ms。
由于电梯逻辑控制部分程序大，而PLC运行采用周期扫描机制，因而采用通常的查表方法，每次查表的指令时间间隔过长，不能满足给定曲线的精度要求。在PLC运行过程中，其CPU与各设备之间的信息交换、用户程序的执行、信号采集、控制量的输出等操作都是按照固定的顺序以循环扫描的方式进行的，每个循环都要对所有功能进行查询、判断和操作。这种顺序和格式不能人为改变。通常一个扫描周期，基本要完成六个步骤的工作，包括运行监视、与编程器交换信息、与数字处理器交换信息、与通讯处理器交换信息、执行用户程序和输入输出接口服务等。在一个周期内，CPU对整个用户程序只执行一遍。这种机制有其方便的一面，但实时性差。过长的扫描时间，直接影响系统对信号响应的效果，在保证控制功能的前提下，大限度地缩短CPU的周期扫描时间是一个很复杂的问题。一般只能从用户程序执行时间短采取方法。电梯逻辑控制部分的程序扫描时间已超过10ms，尽管采取了一些减少程序扫描时间的办法，但仍无法将扫描时间降到10ms以下。同时，制动段曲线采用按距离原则，每段距离到的响应时间也不宜超过10ms。为满足系统的实时性要求，本文在速度曲线的产生方式中，采用中断方法，从而有效地克服了PLC扫描机制的限制。
本文采用的NBI-P56PLC有三种中断功能：（1）外部中断；（2）高速计数内部中断；（3）定周期中断。前两种中断各有8个中断点，后一种有4个中断点。在程序中采用了后面两种中断方式。起动过程采用定周期中断，制动过程采用高速计数内部中断。中断服务程序放在主程序后，运行状态检测、运行保护、内选外呼等逻辑控制均在主程序中实现。而运行条件的判断、运行模式的选择、查表等与运行曲线产生有关的程序放在中断服务程序中。
起动加速运行由定周期中断服务程序完成。这种中断不能由程序进行开关，一旦设定，就一直按设定时间间隔循环中断，所以，起动运行条件需放在中断服务程序中，在不满足运行条件时，中断即返回。
高速计数中断可由相应的内部继电器进行开关，因而运行条件判别可放在主程序中，当运行条件满足时，将相应中断打开。本课题采用0号计数器，对应现行值地址D0000，设定值地址D0008，现在值预置数据地址D0010，设定值预置继电器M326，现在值预置继电器M327，中断指示器为I1100，中断接受EI/DI继电器M0323。程序框图如图2 所示。
2.减速制动曲线的产生
为保证制动过程的完成，需在主程序中进行制动条件判断和减速点确定。在减速点确定之前，电梯一直处于加速或稳速运行过程中。加速过程由固定周期中断完成，加速到对应模式的大值之后，加速程序运行条件不再满足，每次中断后，不再执行加速程序，直接从中断返回。电梯以对应模式的大值运行，在该模式减速点到后，产生高速计数中断，执行减速服务程序。在该中断服务程序中修改计数器设定值的条件，保证下次中断执行。采用D/A方法的减速程序框图如图3 所示。
在PLC的内部寄存器中，减速曲线表的数值由大到小排列，每次中断都执行一次“表指针加1”操作，则下一次中断的查表值将小于本次中断的查表值。门区和平层区的判断均由外部信号给出，以保证减速过程的可靠性。
三、结论
采用PLC软件控制产生电梯速度给定曲线的方法，可简化硬件系统、提高可靠性、减少故障率，并能改善舒适性、提高平层精度。用PLC实现数字方法产生电梯速度给定曲线时，应用中断技术，可较好地克服PLC扫描运行机制对速度曲线的影响，提高实时性
