一、簡介
ZR200型旋挖鑽機是湖南省長沙市長沙中聯重工科技發展股份有限公司（簡稱中聯重科）自主研製開發的一種建築基礎工程中成孔作業的施工機械。中聯重科是我國工程機械製造業的龍頭企業，主要從事建築工程、能源工程、交通工程等國家重點基礎設施建設工程所需重大高新技術裝備的研發製造。
中聯重科ZR200型旋挖鑽機是一種大口徑樁基工程的高效成孔設備，采用卡特彼勒專用可拓展履帶底盤、自行起落折疊桅杆、可伸縮鑽杆和液壓先導控製。具有自動檢測孔深、垂直度自動調整、回轉自動定位、彩色液晶觸摸屏直接監控顯示工作狀態參數和防誤操作的邏輯功能控製，是大口徑樁基礎工程的最理想的成孔設備。據統計，在相同的地層中，旋挖鑽機的成孔速度是傳統轉盤鑽機的5～10倍。在國外發達國家旋挖鑽機早已作為灌注樁的主要施工機種。近幾年旋挖鑽機在國內已廣泛應用於鐵路、公路橋梁、市政建設、高層建築等地基礎鑽孔灌注樁工程。右圖為中聯重科ZR200型旋挖鑽機照片。
ZR200型旋挖鑽機的控製係統采用西門子S7-200係列plc的CPU224主模塊、EM223擴展模塊及EM222擴展模塊各一個，實現對旋挖鑽機液壓係
統電磁閥的自動控製、外部傳感信號檢測及與液晶觸摸屏通訊實現人機界麵等功能。
二、控製係統方案設計
旋挖鑽機結構複雜、外部傳感裝置分布較多、各機構動作邏輯性強，且作業時工況惡劣、機身振動強烈，需要設計采用質量可靠、功能豐富的控製部件以完成其控製功能。同時操作人員也需要通過清晰、直觀的人機界麵對設備進行全麵的掌握與控製。
通過選型對比，設計方案上采用西門子S7-200係列PLC作為控製係統的核心實現對旋挖鑽機的全麵控製、日本PROFACE品牌GP係列液晶觸摸屏作為人機界麵對話設備，與外部傳感裝置、液壓執行機構組成機電液一體化係統。下圖為控製係統結構框圖：
觸摸屏作為人機界麵對話設備，主要進行鑽進深度、回轉角度的顯示、深度設置、時間校對、及實現有關功能切換、按鈕、指示、係統調試等功能。共設有：主作業畫麵、參數設置畫麵、報警記錄畫麵、係統調試畫麵。其中主作業畫麵是操作人員工作時的主要對話界麵。下圖為主作業畫麵圖：
三、控製係統主要功能
西門子S7-200係列PLC是西門子公司為用戶解決中小型自動化控製的主力產品。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製領域應用非常廣泛。以下重點介紹S7-200係列PLC在旋挖鑽機上的應用。
1、雙向高速計數信號檢測
S7-214CPU模塊具有多路高速計數輸入檢測端口，可靈活設計實現多路單向、雙向計數信號的檢測。在旋挖鑽機上應用其雙向高速計數功能實現了上車回轉角度檢測、鑽頭鑽孔深度檢測。
旋挖鑽機上車部分為液壓驅動的獨立旋轉機構。在設計中采用旋轉編碼器檢測其轉動角度，通過對編碼器A、B兩路脈衝信號的檢測，PLC的雙向高速計數輸入端可準確計算出旋挖鑽機上車的相對角度（0-360O）變化值。
同時PLC的複位信號輸入端檢測編碼器的C相信號，在上車每次回轉至編碼器的一固定位置時將高速計數器內變量清零，可消除各種原因造成的計數誤差，保證計數的準確性。
鑽頭鑽孔深度檢測的原理與上車回轉角度檢測基本相同，但複位信號采用按鈕輸入，由操作人員根據情況校準鑽頭深度零位值。在檢測運算中計數值為鑽頭深度變化值。
2、左右控製手柄多路按鈕信號的檢測
旋挖鑽機的控製主要通過駕駛座椅左右兩個控製手柄的多個按鈕控製實現，通過對PLC的指令編程，可轉換實現按鈕信號的上升沿、下降沿、延時控製等多種邏輯功能。
3、外部傳感信號的檢測
西門子S7-200係列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幹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需要分別設置。
旋挖鑽機各機構動作頻繁、控製複雜，在使用中容易因誤操作造成設備損壞。在設計中對各機構關鍵部位均安裝了外部傳感裝置檢測其狀態，當出現緊急情況時PLC將通過外部傳感裝置信號控製相應機構立即保護動作，保護人身和設備安全。
4、實現對液壓執行機構的控製
西門子S7-200係列PLC的繼電輸出模塊可直接控製液壓係統的直流電磁線圈，隻需在電磁線圈兩端並接外部抑製二極管，可較好的保護並延長內部繼電器觸點的使用壽命。
5、與PROFACE的GP係列液晶觸摸屏通訊實現方便、直觀的人機界麵對話顯示。
利用214CPU模塊上的485通訊接口與PROFACE的GP係列液晶觸摸屏通訊，將PLC檢測計算的旋挖鑽機各參數直觀的顯示在觸摸屏上，同時可直接通過觸摸屏實現對液壓係統的控製和調試。
plc在中聯重科ZR200型旋挖鑽機的應用中，能很好的實現所需的各種功能，以下為總結的設計體會。
直流供電型PLC可正常工作在DC20.4V-28.8V的標稱值內，實際應用中可滿足旋挖鑽機DC24V的供電環境下，並能承受點火及作業過程中的各種幹擾，非常適合工程機械的柴油發動機24V電源環境；豐富的高速計數端口適合與各種傳感裝置匹配進行信號檢測；CPU模塊內部集成的PPI通訊接口可實現多種方式的數據通訊，與多種觸摸屏端口方便的實現通訊傳輸。
