基于組態王和PLC控制的橋式起重機安全監視系統

孫 子 阿 伍， 郎 偉 濤

(中電建成都建筑工業化有限責任公司，四川 成都 610400)

1 概 述

橋式起重機多用于對工礦、鋼鐵、化工企業以及鐵路交通、港口碼頭等，為負荷以高重量為主的物料在特定空間范圍內的物料周轉。橋式起重機是現代工業生產和起重運輸中實現生產過程機械化、自動化的重要工具和設備。“橋式起重機的橋架沿鋪設在兩側高架上的軌道縱向運行，起重小車沿鋪設在橋架上的軌道橫向運行，構成一矩形的工作范圍。”[1]

筆者以用于中電建成都建筑工業化產業基地PC車間內物流周轉的橋式起重機為例進行了分析與介紹，該基地占地面積28 000 m2，共計投入13臺橋式起重機，分為5跨，每跨寬20 m，長200 m。每臺橋機的載重為10 t，該車間橋式起重機的使用主要靠人工控制，待其行進到指定地點、隨后進行物料的移位操作。由于橋式起重機的使用需要較大的空間范圍，故其位置較高，設備巡視時不免存在高空作業；同時，在一個車間內存在多達十數臺橋機，操作人員很難判定每臺設備當前的運行狀態，包括設備位置與維護時間，而且當設備發生故障時無法將信息第一時間報告給設備維修人員，存在較大的安全隱患。

為改善橋式起重機在參與生產過程中的不可視性，提高生產過程的資源信息整合，提升設備運行和管理的安全性，急需使用橋式起重機的遠程監視系統對其進行整體改進。

2 監視系統的設計原理

筆者依托中電建成都建筑工業化有限責任公司PC構件廠進行介紹。該廠以生產預制構件為主，包括疊合板、墻體、樓梯等，每日生產量為400 m2，物料的輸入與產品的運出主要依靠橋式起重機進行處理。

如圖1所示，起重機運動主要依靠大車移行裝置、小車移行裝置、吊鉤控制。“大車移行機構由大車電動機、傳動軸、減速器、車輪及制動器等部件構成，控制橋式起重機在滑觸線范圍內縱向移動。小車移行機構由小車電動機、制動器、聯軸節、減速器及車輪等部件構成。小車電動機經減速器驅動小車主動輪，拖動小車沿車間橫向寬度方向移動。提升機構由提升電動機、減速器、卷筒、制動器等部件組成。提升電動機經聯軸器、制動輪與減速器連接，減速器的輸出軸與纏繞鋼絲繩的卷筒相連接，鋼絲繩的另一端裝吊鉤，當卷筒轉動時，吊鉤即隨鋼絲繩在卷筒上的纏繞或放開而上升或下降。”[2]根據橋式起重機生產廠家提供的使用說明書得知：大車運行速度分為兩種，低速運行時為1 m/s，高速運行時為2 m/s，小車運行速度恒定為0.6 m/s，吊鉤運行長度不在該系統監視范圍內，故僅記錄吊鉤運行的開斷狀態。其運行軌跡的計算公式為：當前位置X0+低速運行速度V0×低速接通時間t0+高速運行速度V1×高速接通時間t1。其中，判定t0<2 s時為加速過程，其余均為低速運行狀態。不同的設備應考慮不同的速度模型。

圖1 橋式起重機外形圖

整個控制系統由PLC系統、組態王系統、遠程通訊模塊、傳感器協同控制，將整個生產車間內部的橋式起重機運行軌跡集中顯示于上位機上，上位機可通過ERP系統投影至遠程移動設備，其結構見圖2。

3 控制系統的硬件組成

橋式起重機均勻分布于車間內的各個部位。為實現以集成化圖像顯示橋機運行軌跡的效果，需要集中對每個橋式起重機移行機構的運行狀態進行收集并遠程傳輸。因此，在各個移行機構的制動器上加裝了電流互感器，當電動機接通時，電流互感器即有電流信號，表示移行電機正在動作。

使用遠程通訊模塊采集移行機構運行狀態的開斷。遠程通訊模塊為IO開關量信號采集傳輸模塊，分為信號發送模塊和信號接收模塊，依靠無線遠距離無線電進行通訊，將遠程信號發送模塊與制動器的電流互感器相連接。當橋式起重機進入運行狀態、遠程信號發送模塊感受到電信號并將該電信號轉化為數字信號通過無線電傳輸的方式發送給遠程信號接收模塊。同時，遠程信號接收模塊集中安裝于PLC輸入模塊上，遠程信號接收模塊轉化接收到的數字信號并以低壓電信號開斷的形式傳輸給PLC輸入模塊。

圖2 控制系統結構圖

同時，為避免長時間橋機瞬時啟動或多次點動產生的位移誤差積累，每臺橋式起重機上均安裝有接近傳感器，在每條軌道的1/3和2/3處布置有接近傳感器的觸發點，當橋式起重機運行至觸發點位置時，接近傳感器觸發并向PLC傳遞數字信號，觸發系統的置位程序，使橋機在圖像上置位到軌道的傳感器觸發點處。

對于橋式起重機運行狀態與遠程操作端的數據交互，遠程通訊模塊除了采用LORA(即無線電)通訊模塊以外，還可以使用無線wifi，4G網絡通訊、PLC多中心通訊等。從通訊模式的比較得知使用PLC多中心通訊可極大地提高數據穩定性和準確度，但做不到無線通訊并將極大幅度地提高設計的經濟成本；無線wifi通訊模塊的每一對模塊都需要建立不同的wifi網段，防止地址沖突，在數量大的場地建設繁瑣。4G網絡通訊均以sim卡為基礎，建設成本高。綜上所述，考慮到經濟性、安全性、便捷性，此處的設計采用LORA通訊模塊，以無線電傳輸作為遠程信號傳輸的基礎。

4 控制系統的軟件組成

4.1 上位機設計

上位機采用國產組態王6.55組態軟件為操作軟件，“組態軟件，又稱組態監控軟件，SCADA(supeivisory Control and Data Acquisition，數據采集與監視控制)軟件，它是數據采集與過程控制的專用軟件。”[3]組態王6.55軟件使用C語言編輯實現運行時間保存、檢修報警、時間置位等功能。通過PROFINET通訊協議和以太網工業交換機與下位機西門子SIEMENS S7-300 PLC連接進行數據通信。通過人際交互方式實現對設備狀態的監控、生產數據的采集、故障診斷的報警和報表統計的打印等功能。

上位機共設計了三個界面，分別為主界面、總運行畫面和歷史數據報表。各界面均具有日期、界面切換的基本功能，

(1)主界面為進入系統的初始界面，除了退出按鈕以外，切換進其他界面按鈕均會先進行操作人員登錄。系統分為工程師和管理員兩種權限。工程師可以對整個組態王系統的源程序進行修改，包括圖像組態、功能設計，主要用于程序升級時使用，而管理員僅可以對報警處理、歷史數據查詢等部分應用進行操作。

(2)總運行畫面為該系統的主要觀察界面(圖3)。

圖3 總運行畫面

13臺橋式起重機均勻分布于整個界面上， 13臺橋式起重機根據軌道共分為五跨。每臺橋式起重機均有對應的編號，編號下側的橫縱坐標表示當前大車、小車距所處軌道的距離，單位為m。

由于不記錄吊鉤的運行位置，故只顯示吊鉤的運行狀態。當圖像上的小車移行機構變為綠色時表示吊鉤正在運行，紅色時表示吊鉤未運行。

同時，該界面還具有記錄橋式起重機運行時間的功能。所設計的表格記錄的是每臺橋式起重機各個移行機構的運行時間，通過PLC記錄的各機構的電流互感器開斷時間進行計算。右邊三個按鈕分別為大車檢查、小車檢查、吊鉤檢查，上位機軟件設定：當任何一臺橋式起重機中的移行機構的運行時間超過100 h(如任意一臺橋式起重機的大車移行機構超過100 h)，則大車檢查按鈕變為紅色，用以提示操作員對對應設備進行檢修。檢修完畢，操作員按下大車檢查的復位按鈕，表格中超過100 h的橋式起重機所對應的大車移行時間會置0，同時，大車檢查按鈕會恢復綠色。

(3)歷史數據報表為所有橋式起重機從設備記錄開始一直運行的時間，如圖4所示，均以h為單位，數據使用PLC進行存儲。

圖4 歷史數據報表

除兩個切換按鈕之外，還有一個保存按鈕，可以將總運行時間以xls表格的形式存儲于指定文件夾內，用于比較不同時間段的橋機使用頻率。

同時，由于組態王6.55的運行環境為Windows 7 Ultimate SP1 X64，且支持多種控件及組件：如ActiveX控件、Windows控件、內部組件等。以任意PC設備為主機，可以通過互聯網交換機進行畫面的遠程端投視，以方便操作人員實時了解當前的運作動態。

4.2 下位機設計

下位機使用西門子STEP7 V5.5 SP4編程軟件對PLC進行編程。“西門子STEP7是用于SIMATIC S7-300/400站創建可編程邏輯控制程序的標準軟件，可使用梯形圖邏輯、功能塊圖和語句表進行編程操作。”[4]

下位機的PLC主要由主機架UR(0)和遠程通訊模塊組成，主機架安裝的模塊有PS 307 2A(電源模塊)、CPU 314(CPU模塊)、CP343-1(通訊模塊，實現PLC與上位機的通訊連接)、DI32×DC24V(數字量輸入模塊5個)、ZKD-1212SO(遠程通訊模塊，為無線電遠程I/O通信模塊，發送端安裝在橋機上遠程輸出信號，接收端連接數字量輸入模塊上使PLC遠程接受信號)。

采用PLC采集從各個橋機移行機構電流互感器得到的開斷信號，內部程序編輯以大車、小車運行時間與速度相乘，將計算結果儲存于指定的數據塊，上位機組態王通過讀取該數據塊的信息顯示畫面中橋機各個機構的位置，每秒更新畫面。

對于橋式起重機，當前的使用模式多為低速運行在小范圍內移動，當大車低速運行時間超過2 s時判定為高速移動，在實際應用中，考慮到加速度的偏差以4 s運行路程作為參考，最終運行距離為6.3 m，偏差為5%，故在每條運行軌道上安裝兩個接近傳感器用作定位點，當橋機運行到該位置時進行置位操作，將位置定位到傳感器的位置，可根據偏差度和關鍵位置使用選擇投入定位數量。

5 安全監視系統取得的應用效果

長久以來，生產過程中事故的發生多由工作人員違規操作和設備帶病運轉引起，若要減少意外事故的發生，需要建立更加安全的設備操作環境，提高工廠智能化程度，以機器取代人工從事環境惡劣的生產工作，方可達到保障安全生產的目的。

通過該橋式起重機安全監視系統的投入使用，可以使操作人員實時掌握每臺橋機的運行狀態，減少人員巡查的強度，彌補了橋式起重機在生產過程中出現故障時無法及時報警、只能在操作過程中發現故障的問題，保障了橋式起重機的安全運行；同時，該監視系統集中記錄了每臺橋機的運行時間，可以針對每臺橋機的實際使用時間進行維護保養，而非在長時間使用后集中維護，進而保障了設備的維護保養率，減少了設備維護所需投入的人力資源。比如：將按照每月對所有橋機進行維護改成對達到保養需求的橋機進行維護，減少了工作量；該系統集成了廠區內橋式起重機的運行過程并將其顯示于遠程端，可以通過ERP將整個運行界面遠程映射至設備管理層，進而實現了生產流程可視化，提高了生產安全性。

處于一般場合的起重運輸環境并未實現完全的自動化操作，對設備和工作環境的安全都存在一定的隱患。為此，通過使用組態和PLC控制系統的連接，將其運行狀態直觀表示，可以提高生產環境的數據性與可視性。同時，可以以該系統為基礎，通過對人為給予的信息實現自主收集、分析、判斷，通過可視化技術進行推理和預測，使系統的每個部分都可以自行調節為最佳結構，亦可進一步進行設備的智能化設計。

6 結 語

“工業自動化、數據化、一體化是將來所有以生產制造為主的企業要面臨的進步趨勢。”[5]筆者通過對橋式起重機的監視方法作出一種參考，使其集成顯示，在此功能上仍有許多的進步空間。該系統不僅可以用于橋式起重機，而且對任意在特定范圍內進行移動操作的設備均可實現，可為未來的智能化工廠的信息集成效果提供借鑒。