6ES7321-1BP00-0AA0性能参数

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：本文针对中联重科旋挖钻机设计开发中采用的西门子S7-200CN系列PLC，介绍了S7-200CN系列PLC的主要特点及在旋挖钻机上应用的主要功能。
1 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装备的研发制造。
中联重科ZR200型旋挖钻机（如图1）是一种大口径桩基工程的成孔设备，采用卡特彼勒**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较理想的成孔设备。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、**建设、高层建筑等地基础钻孔灌注桩工程。

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—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。
2 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。

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。

3 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**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。
3.1 双向高速计数信号
S7-214CPLJ模块具有多路高速计数输入端口，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、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（0～360°）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。
3.2 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。
3.3 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名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。
3.4 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。
3.5 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。

4 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DC20.4～28.8V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。

随着近几年啤酒行业的发展，我国的啤酒产量目前已经居****。这几年国产的干包装设备像装箱机、纸箱包装机、塑料热缩膜包装机已经在啤酒生产线上广泛的使用。随着这些设备的使用现场也出现了一些相关的问题，例如包装后的产品数量不足的问题。为了解决这一问题，笔者消化吸收目前国际上的检测模式，结合我国啤酒行业的特点，给厂家设计了一套经济实用的满箱检测控制系统。



1. 满箱检测技术的应用现状

目前国内啤酒生产厂家主要是应用国外公司的满箱检测设备如德国HEUFT公司的LOGIC系列满箱检验机等。由于国外产品的价格及维护费用较高，因此就限制了其在中小企业的应用，中小企业一般安排专职人员进行检查，费时费力；而国内做这种检测设备的厂家很少，因此开发一套经济适用的满箱检测系统在国内有比较大的市场，也有利于降低企业的运营成本。



2. 设计思想和原则

（1）先进性：系统建立在充分了解国内外满箱检测技术的发展动态，吸收其经验和成果的基础上进行方案设计，使系统的技术性能和水平具有明显的先进性。

（2）可靠性：系统运行，性能稳定，可以在恶劣环境中长期稳定工作。

（3）扩展性：系统的设计容量要足够大，满足系统今后扩展的需要。

（4）经济性：系统的造价经济合理，性能价格比高。

（5）操作维护方便性：在软件方面要求界面友好，操作简便，在硬件方面要求维护检修方便。

系统完成后，可达到如下目的：

（1）能够在箱子运动的过程中准确的检测到缺瓶箱，并能够检测开箱和封箱的产品。

（2）能够检测多种箱型。在实际生产过程中主要有以下四种箱型：3×4、4×3、5×4及6×4四种箱型。为了使我们的满箱检测设备能够适应绝大多数的工作，设备应该能够在不同箱型下工作。

（3）能够精确的测量缺瓶箱的运动距离，使剔除器能够迅速无误的将缺瓶箱剔除。

（4）具有报警功能。能够在工人操作有误或设备产生故障时发出报警，从而能够及时的排除故障。



3. 系统结构和组成

满箱检测控制系统部分的硬件我们选择如下：

（1）PLC部分：选择SIEMENS的S7-200PLC CPU224；S7-200共14个输入点10个输出点；满箱所需输入点为12个，输出点是5个；因此S7-200能够充分满足，设备控制的要求。

（2）操作面板TD200：为了能够实现箱型选择和显示已检测箱子的信息，我们选择SIEMENS的TD200操作面板。我们可以通过操作面板很容易的查看和有关信息。

（3）触发器部分：触发器选择OMRON的传感器，分前触发器和后触发器共两个。

（4）检测传感器：在开箱进行检测时选用BANNER公司的传感器6只，封箱检测时选用倍加福公司的传感器6只进行检测。

（5）旋转编码器：为了精确测量缺瓶箱通过的距离，以便准确无误的剔除缺瓶箱，我们选用欧姆龙公司德旋转编码器来测量缺瓶箱通过的距离。


满箱检测硬件结构图

图 1

5．系统软件部分

软件部分是实现满箱检测功能的关键部分。

软件的基本功能如下：

（1）编制的软件应该能够配合硬件准确无误的检测到满箱和缺瓶箱，并能够准确的将缺瓶箱剔除；

（2）操作人员能够在TD200上查看已检测的箱子的信息，能够查看检测的总箱数、满箱数及缺瓶箱数；能够设定多种箱型；能够在连续出现缺瓶箱数大于设定较多连续缺瓶箱数后，自动停止检测，以便操作人员能够及时检查设备，排除可能存在的故障。

（3）能够在设备工作异常时产生相应的报警。

软件实现是通过S7-200的**编程软MicroWIN件来实现。

软件按照模块化结构进行设计，以便达到较强的移植性以及今后的功能扩展。程序是按照以下几个部分来实现上述功能的。

（1）初始化部分：确定通讯方式、高速计数器工作方式的选择、TD200功能键的初始化

（2）TD200部分：通过对消息使能位的置1和清零来控制有关信息的显示和确认。有关信息的均需要用户输入密码，以防止非法用户对信息，保检测的准确进行。

（3）检测部分：程序通过从TD200接受的信息判断当前的箱型，从触发器和光电传感器读取的信息判断当前箱子的有关信息，并经过相关处理来判断是否是满箱。并对箱数、满箱数及缺瓶箱进行计数。当检测到缺瓶箱时，高速计数器，高速计数器对来自旋转编码器的脉冲信号进行计数，判断其当前位置，到达剔除器位置时剔除器动作，剔除缺瓶箱。同时能够判断是否是连续出现缺瓶箱并能对连续出现的缺瓶箱计数，超过设定的较大连续缺瓶箱数时，自动停止检测并报警，通知操作人员进行。

满箱检测控制系统软件部分流程图如下

（一）数字量输入和输出映象区
1．输入映象寄存器（数字量输入映象区）（I）
数字量输入映象区是S7-200CPU为输入端信号状态开辟的一个存储区。输入映像寄存器的标识符为I，在每个扫描周期的开始，CPU对输入点进行采样，并将采样值存于输入映像寄存器中。
输入映像寄存器是PLC接收外部输入的开关量信号的窗口。
可以按位、字节、字、双字四种方式来存取。
（1）按“位”方式：从I0.0~I15.7，共有128点
（2）按“字节”方式：从IB0~IB15，共有16个字节
（3）按“字”方式：从IW0~IW14，共有8个字
（4）按“双字”方式：从ID0~ID12，共有4个双字
2．输出映像寄存器（Q）
数字量输出映象区是S7-200CPU为输出端信号状态开辟的一个存储区。输出映像寄存器的标识符为Q（从Q0.0~Q15.7，共有128点），在每个扫描周期的末尾，CPU将输出映像寄存器的数据传送给输出模块，再由后者驱动外部负载。
可以按位、字节、字、双字四种方式来存取。
（1）按“位”方式：从Q0.0~I15.7，共有128点
（2）按“字节”方式：从0~15，共有16个字节
（3）按“字”方式：从QW0~QW14，共有8个字
（4）按“双字”方式：从QD0~QD12，共有4个双字
说明：实际没有使用的输入端和输出端的映象区的存储单元可以作中间继电器用。
（二）模拟量输入映象区和输出映象区
1．模拟量输入映象区（AI区）
模拟量输入映象区是S7-200CPU为模拟量输入端信号开辟的一个存储区。S7-200将测得的模拟量（如温度、压力）转换成1个字长（2个字节）的数字量，模拟量输入映像寄存器用标识符（AI）、数据长度（W）及字节的起始地址表示。
从AIW0~AIW30，共有16个字，总共允许有16路模拟量输入。
说明：模拟量输入值为只读数据。
2．模拟量输出映象区（AQ区）
模拟量输出映象区是S7-200CPU为模拟量输出端信号开辟的一个存储区。S7-200将1个字长（2个字节，16位）的数字量按比例转换为电流或电压。模拟量输出映像寄存器用标识符（AQ）、数据长度（W）及字节的起始地址表示。
从AQW0~AQW30，共有16个字，总共允许有16路模拟量输出。
（三）变量存储器（V）（相当于内辅继电器）
PLC执行程序过程中，会存在一些控制过程的中间结果，这些中间数据也需要用存储器来保存。变量存储器就是根据这个实际的要求设计的。变量存储器是S7-200CPU为保存中间变量数据而建立的一个存储区，用V表示。
可以按位、字节、字、双字四种方式来存取。
（1）按“位”方式：从V0.0~I5119.7，共有40960点。CPU221、CPU222变量存储器只有2048个字节，其变量存储区只能到V2047.7位。
（2）按“字节”方式：从VB0~VB5119，共有5120个字节
（3）按“字”方式：从VW0~VW5118，共有2560个字
（4）按“双字”方式：从VD0~VD5116，共有1280个双字
（四）位存储器（M）区
PLC执行程序过程中，可能会用到一些标志位，这些标志位也需要用存储器来寄存。位存储器就是根据这个要求设计的。位存储器是S7-200CPU为保存标志位数据而建立的一个存储区，用M表示。该区虽然叫位存储器，但是其中的数据不仅可以是位、还可以是字节、字或双字。
（1）按“位”方式：从M0.0~M31.7，共有256点。
（2）按“字节”方式：从MB0~MB31，共有32个字节
（3）按“字”方式：从MW0~MW30，共有16个字
（4）按“双字”方式：从MD0~MD28，共有8个双字
（五）顺序控制继电器区（S）
PLC执行程序过程中，可能会用到顺序控制。顺序控制继电器就是根据顺序控制的特点和要求设计的。顺序控制继电器区是S7-200CPU为顺序控制继电器的数据而建立的一个存储区，用S表示。在顺序控制过程中，用于组织步进过程的控制。
可以按位、字节、字、双字四种方式来存取。
（1）按“位”方式：从S0.0~S31.7，共有256点。
（2）按“字节”方式：从SB0~SB31，共有32个字节
（3）按“字”方式：从SW0~SW30，共有16个字
（4）按“双字”方式：从SD0~SD28，共有8个双字
（六）局部存储器区（L）（相当于内辅继电器）
S7-200PLC有64个字节的局部存储器，其中60个可以用作暂时存储器或者给子程序传递参数。
局部存储器和变量存储器很相似，主要区别是变量存储器是全局有效的，而局部存储器是局部有效的。全局是指同一个存储器可以被任何程序存取（例如，主程序、子程序或中断程序）。局部是指导存储器区和特定的程序相关联。
几种程序之间不能互访。
局部存储器区是S7-200CPU为局部变量数据建立的一个存储区，用L表示。该区域的数据可以用位、字节、字、双字四种方式来存取。
（1）按“位”方式：从L0.0~L63.7，共有512点。
（2）按“字节”方式：从LB0~LB63，共有64个字节
（3）按“字”方式：从LW0~LW62，共有32个字
（4）按“双字”方式：从LD0~LD60，共有16个双字
（七）定时器存储器区（T）
PLC在工作中少不了需要计时，定时器就是实现PLC具有计时功能的计时设备。定时器的编号：
T0、T1、……、T255
S7-200有256个定时器。
（八）计数器存储器区（C）
PLC在工作中有时不仅需要计时，还可能需要计数功能。计数器就是PLC具有计数功能的计数设备。
计数器的编号：
C0、C1、……、C255
（九）高速计数器区（HSC）
高速计数器用来累计比CPU扫描速率更快的事件。S7-200各个高速计数器不仅计数频达30kHz。
S7-200各个高速计数器有32位带符号整数计数器的当前值。若要存取高速计数器的值，则必须给出高速计数器的，即高速计数器的编号。
高速计数器的编号为：HSC0、HSC1、……、HSC5。
S7-200有6个高速计数器。其中CPU221和CPU222仅有4个高速计数器（HSC0、HSC3、HSC4、HSC5）
（十）累加器区（AC）
累加器是可以像存储器那样进行读/写的设备。例如，可以用累加器向子程序传递参数，或从子程序返回参数，以及用来存储计算的中间数据。
S7-200CPU提供了4个32位累加器（AC0、AC1、AC2、AC3）。
可以按字节、字或双字来存取累加器数据中的数据。但是，以字节形式读/写累加器中的数据时，只能读/写累加器32位数据中的较低8位数据。如果是以字的形式读/写累加器中的数据，只能读/写累加器32位数据中的低16位数据。只有采取双字的形式读/写累加器中的数据时，才能一次读写全部32位数据。
因为PLC的运算功能是离不开累加器的。因此不有像占用其他存储器那样占用累加器。
（十一）特殊存储器区（SM）
特殊存储器是S7-200PLC为CPU和用户程序之间传递信息的媒介。它们可以反映CPU在运行中的各种状态信息，用户可以根据这些信息来判断机器工作状态，从而确定用户程序该做什么，不该做什么。这些特殊信息也需要用存储器来寄存。特殊存储器就是根据这个要求设计的。
1．特殊存储器区
它是S7-200PLC为保存自身工作状态数据而建立的一个存储区，用SM表示。特殊存储器区的数据有些是可读可写的，有一些是只读的。特殊存储器区的数据可以是位，也可是字节、字或双字。
（1）按“位”方式：从SM0.0~SM179.7，共有1440点。
（2）按“字节”方式：从SM0~SM179，共有180个字节
（3）按“字”方式：从SMW0~SMW178，共有90个字
（4）按“双字”方式：从SMD0~SMD176，共有45个双字
说明：特殊存储器区的头30个字节为只读区。
2．常用的特殊继电器及其功能
特殊存储器用于CPU与用户之间交换信息，例如SM0.0一直为“1”状态，SM0.1仅在执行用户程序的**个扫描周期为“1”状态。SM0.4和SM0.5分别提供周期为1min和1s的时钟脉冲。SM1.0、 SM1.1和 SM1.2分别是零标志、溢出标志和负数标志。