龍門起重機電氣控制系統的設計與研究

摘要：文章對起重機的電氣控制系統做了新設計，綜合了現有起重機控制系統設計需要注意的因素，對造船龍門起重機PLC的硬件選型、子站選型以及系統組態編程軟件和工控數據平臺做了闡述。實踐證明，該設計龍門起重機控制系統性能穩定，能夠有效改善龍門起重機的操控的復雜度，提高造船廠的生產效率以及龍門起重機的安全系數。

關鍵詞：龍門起重機；電氣控制系統；網絡控制主站；硬件選型；子站選型 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH213 文章編號：1009-2374（2016）25-0026-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.25.012

1 概述

造船工業近幾年發展很快，帶動了造船龍門起重機的快速發展進步，特別是大跨距、大噸位的大型造船龍門起重機的廣泛應用。在現代化的造船企業大型造船龍門起重機主要用于船塢、船臺等的船體建造場地上，完成船體分段垂直升起和下降、平移行走和空中翻身等功能的吊裝任務。由于其結構龐大，負載噸位都在幾百噸以上，所以它的電氣控制系統必須要精準可靠。

2 起重機的電氣控制系統概述

大型造船龍門起重機的電氣控制系統是整個起重機的核心部件，其主要由邏輯控制系統和電力拖動系統組成。其中的電力拖動系統包括驅動系統和交流異步電動機，用以驅動起重機的各機構動作；邏輯控制系統包括多種傳感器與工業用可編程序控制器（PLC），來維護整個系統的安全保護和自動化控制。大型造船龍門起重機的電氣控制系統就是整臺機器的神經中樞，它保證了起重機可以安全、平穩運行，完成各種動作指令。

3 起重機的電氣控制系統的設計考慮因素

起重機的電氣控制系統的設計目標，就是控制各個機構按照預定程序，完成造船廠各種物體負載起運，電氣控制系統的設計好與壞直接決定著整臺起重機能否成功投產，是整個大型造船龍門起重機制造的關鍵。起重機的主要機構都是由電動機來拖動，起重機是使用頻繁的特種設備，在造船廠中，使用相當頻繁，一旦起重機出現任何問題，將直接影響造船廠的生產，因此穩定性和可靠性較高的電氣控制系統對于起重機而言相當重要，也是起重機控制系統設計使用過程中最需要考慮的因素。筆者認為，在電氣控制系統設計的時候，應該注意系統的穩定性和安全性這兩個問題：（1）系統的穩定性是起重機的電氣控制系統中首先要考慮的，只有穩定的系統才能夠確保起重機安全穩定運行，進一步地提高起重機的工作效率；（2）起重機的電氣控制系統的安全性是需要注意的另一個問題，起重機的安全運行依賴于電氣控制系統的安全性。因此，電氣控制系統在設計的時候，就需要在設計中特別考慮對軟硬件分別設置多重保護，依據起重機的安全使用規范，在電氣控制系統中設置相應的保護措施。

4 起重機電氣控制系統的設計方案

4.1 造船龍門起重機PLC控制系統的選擇

綜合考慮龍門起重機的控制系統，所需要注意的問題，本設計選用西門子的PLC系統，系統的安全性好、穩定性高。

4.1.1 控制系統的主站硬件選型?？紤]到造船龍門起重機控制系統對安全性和穩定性的要求，同時考慮控制系統中主站、變頻器和編碼器等各個組件之間的通訊要求，本設計的PLC系統選用西門子公司生產的SIMATIC 57-400系列PLC。

所述SIMATIC 57-400由于具備功能升級的CPU以及各種種類齊全的功能模板，因此在龍門起重機控制系統中使用，能夠使用戶非常方便地搭建出最佳解決方案，進而滿足龍門起重機控制系統的自動化的要求。隨著龍門起重機控制任務的增多，可隨時根據需要進行升級，且不需要額外增加其他的模板。所以本設計中的SIMATIC 57-400能適合自動化工程中的各種應用場合，可使控制系統設計更加靈活，滿足不同的應用需求。

4.1.2 SIMATIC 57-400PLC系統的組成。根據圖1所述的PLC的組成框圖，下面介紹SIMATIC 57-400 PLC的主要模板構成：（1）電源模板，優秀的電源模板，能夠使整個系統更加穩定，電源模板的設計是整個SIMATIC 57-400的關鍵點所在，主要是為S7-400提供SVDC或24VDC的電源；（2）中央處理單元，中央處理單元是整個SIMATIC 57-400的核心所在；（3）數據輸出/輸入，數據的輸入輸出主要應用于龍門起重機控制系統的DI以及在電機、繼電器等所有的DO；（4）光纖鏈路模塊，能夠提高PLC系統的整體抗干擾能力，使主站和子站之間的通信連接更加穩定。

4.1.3 控制系統的子站硬件選型。造船龍門起重機的機構相對較多，且由于其體積較大，因此為了更好地實現控制，設置多個遠程子站輔助控制。

經過綜合考慮，本設計決定選用ET200M I/O站作為系統的子站。

ET200M I/O子站，主要由IM153接口模塊和可編程序等模塊組成，各個模塊之間，可根據實際使用的需要進行自由組合，因此ET200M I/O子站靈活性高，且更容易和主站相互配合。

4.1.4 遠程I/O站的硬件配置的選型。結合電氣控制系統主站的配置要求，本設計對遠程I/O站配置選型如下：（1）上小車遠程I/O子站設計。其主要作用是，保證上小車內機構信號的穩定性以及信號采集的穩定性；（2）下小車VO子站設計。下小車VO子站的設計主要是針對下小車的內部結構進行設計，重點在于保障下小車內各個機構信號采集和傳輸的穩定性；（3）大車剛性腿和大車柔性腿的遠程I/O子站設計。主要是針對大車剛性腿和大車柔性腿的內部結構進行設計，重點在于保障各個機構信號采集和傳輸的穩定性；（4）司機室的子站設計。司機通過司機室的子站模塊輸入各種控制指令，實現對主站和子站之間的信號交互；（5）編碼器子站設計。造船龍門起重機設置的絕對值編碼器子站主要包括的編碼器以及功能如下：上小車1#、上小車2#和下小車主起升位置的編碼器，主要設計目的是，檢測各自起升點，然后進行數據傳輸，最終為糾偏程序提供相應的參考數據和糾偏依據。

上小車、下小車和大車柔性腿編碼器的主要設計目的是：通過檢測各自的運行點數據的采集，為糾偏程序模塊提供數據參考。

4.2 編程與組態軟件分析與應用

根據本設計所選PLC的類型，本設計選擇STEP7作為電氣控制系統以及相應的配置軟件的編程程序，經過綜合考慮，選用西門子的WinCC組態軟件。WinCC組態軟件更便于進行模塊化編程，將PLC各功能分別用FC或FB實現，同時本設計編制了觸摸屏程序、WinCC程序和故障處理程序。采用STEP 7編程軟件進行PLC系統的編程，在STEP 7中，可用項目來管理一個自動化系統的硬件和軟件。

4.3 生產實時數據平臺軟件

本設計選擇WinCC系統，作為工控設計平臺，WinCC系統作為IEMENS和Microsoft公司共同研發的過程可視化系統。WinCC系統的優勢在于擁有Web的瀏覽器功能，能夠使工控設計平臺，在使用的過程中，管理人員完整觀察起重機的所有的運行動態畫面，更方便從中調度

指揮。

STEP 7編程軟件選用。STEP 7編程軟件主要運用在SIMATIC S7、M7、C7中，是編程以及參數設置的標準工具。采用STEP 7編程軟件，更便于使用項目去管理整個電氣控制系統的軟硬件，SIMATIC管理器可以更加方便地對項目集中管理，且可以瀏覽SIMATICS7、M7、C7和WinCC的數據。

STEP 7編程軟件的功能包括硬件的配置、參數的設置以及編程、運行和診斷功能等。在STEP7編程軟件中，可以方便地使用鼠標選中對象進行編輯，且所有功能均具備在線幫助功能，使用更加便捷。

4.4 現場總線的硬件選型

綜合PLC系統的通信要求、通信速率、通信距離以及系統的數據響應要求，同時考慮網絡覆蓋、抗干擾能力和容錯能力等各種因素，本設計系統在現場總線的硬件選型中，決定采用分布式現場總線的結構，采用PROFIBUS-DP通信方式，本設計分布式現場總線結構，相比較其他結構，更便于實現以及維護擴充。

5 結語

大型造船龍門起重機的電氣控制系統就是整臺機器的神經中樞，它保證了起重機可以安全、平穩運行，完成各種動作指令。經過實踐證明，本設計龍門起重機控制系統，性能穩定，能夠有效改善龍門起重機的操控的復雜度，提高造船廠的生產效率以及龍門起重機的安全系數，具有實際意義

參考文獻

[1] 向明新.B220（2×6M）龍門刨床電氣控制系統的改

進設計[D].西安科技大學，2006.

[2] 徐俊.龍門起重機電氣控制系統的設計與研究[D].武

漢理工大學，2007.

[3] 郭寶才.岸邊集裝箱橋吊電氣控制系統的研究[D].上

海交通大學，2009.

[4] 肖雄亮.300T-112M造船龍門起重機設計與主梁優化

[D].湖南大學，2010.

[5] 王吉明.造船龍門起重機電氣控制系統的設計與應用

[D].華東理工大學，2011.

[6] 畢凱.基于組態軟件和無線網絡的起重機遠程監控系

統的設計[D].大連理工大學，2014.

[7] 鞠俊.大型造船龍門起重機電氣控制系統設計[D].大

連理工大學，2014.

[8] 程成.抓斗式卸船機電氣控制系統研究與設計[D].華

東理工大學，2012.

[9] 李海洋.起重機電氣控制系統及上車布局優化的設計

與實現[D].大連海事大學，2012.

[10] 羅憲君.履帶式起重機整車電氣系統設計[D].山東

大學，2012.

作者簡介：趙翔（1983-），男，四川成都人，中鐵巖鋒成都科技有限公司電氣工程師，研究方向：電氣控制。

（責任編輯：黃銀芳）