小型PLC系統(tǒng)在海洋起重機(jī)控制及安全改造中的應(yīng)用

侯曉偉，王天舟，王 寧，汪 軍，張 浩，李明月，李廣越

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300457）

0 引言

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，中海油在各個(gè)海域跨越式大發(fā)展，海上平臺(tái)日漸增多，隨著時(shí)間的推移，平臺(tái)生產(chǎn)和生活相關(guān)設(shè)備的機(jī)械和電氣部件逐漸老化，這樣就增加了總體的維修成本和難度。起重機(jī)是海上平臺(tái)不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備之一，同樣也存在此類問(wèn)題，尤其是20世紀(jì)80年代的老平臺(tái)上的起重機(jī)，電氣配件基本已經(jīng)停產(chǎn)或改型，故障率居高不下，且控制功能簡(jiǎn)單，已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)在平臺(tái)生產(chǎn)作業(yè)的要求，這就勢(shì)必需要對(duì)起重機(jī)的電氣控制和安全防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造。目前大多數(shù)海上平臺(tái)起重機(jī)的電氣控制系統(tǒng)與力矩控制系統(tǒng)分別獨(dú)立運(yùn)行，且力矩系統(tǒng)太過(guò)簡(jiǎn)單，力矩控制系統(tǒng)監(jiān)控范圍偏少，不能進(jìn)行長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，監(jiān)控力度較弱，不便于后期起重機(jī)設(shè)備完整性管理。且力矩控制系統(tǒng)硬件繁多，故障率居高不下，選用的國(guó)外器件供貨周期太長(zhǎng)，通用性差且無(wú)法維修。為解決這些問(wèn)題，本文通過(guò)選擇目前主流的新型PLC控制系統(tǒng)及國(guó)產(chǎn)的傳感器，根據(jù)設(shè)備的工藝流程及控制要求重新編寫(xiě)程序，把力矩控制集成到整個(gè)系統(tǒng)中，以優(yōu)化設(shè)備的硬件組成，并提高器件的通用性及降低設(shè)備的備件庫(kù)存，提高設(shè)備的使用效率并降低故障率。

1 海洋起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)

海洋起重機(jī)電氣系統(tǒng)主要分為3大部分，分別包括動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部分、電氣邏輯控制部分及照明輔助部分。本文主要講述電氣邏輯控制系統(tǒng)部分，控制器接入諸多數(shù)字量和模擬量傳感器，采集起重機(jī)變幅及主副鉤上下限位信號(hào)、液壓油溫度信號(hào)、液壓油液位信號(hào)、回油濾器堵塞信號(hào)、動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行信號(hào)、力矩控制系統(tǒng)的重量和角度信號(hào)等，采集的信號(hào)通過(guò)控制器的內(nèi)部邏輯運(yùn)算、輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)和顯示單元，來(lái)提示駕駛員在設(shè)備安全區(qū)域工作，對(duì)設(shè)備及人員進(jìn)行有效的安全防護(hù)，保證安全生產(chǎn)作業(yè)。

2 吊機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及特點(diǎn)

2.1 PLC的選擇

PLC的選擇原則[1]：（1）計(jì)算I/O點(diǎn)數(shù)量時(shí)應(yīng)有足夠的備用余量，通常保證15%的備用量，但由于選用的控制器具備I/O模塊的擴(kuò)展功能，因此只要考慮控制器自帶I/O點(diǎn)數(shù)的最大能力，設(shè)計(jì)柜體時(shí)在控制器右側(cè)留出備用模塊的擴(kuò)展空間即可；（2）適當(dāng)?shù)拇鎯?chǔ)器容量；（3）具有數(shù)學(xué)運(yùn)算，邏輯控制和通信等功能；（4）內(nèi)部寄存器的配置和容量；（5）編程指令的種類及功能。基于這些原則，本次改造選用羅克韋爾公司旗下目前比較成熟穩(wěn)定的Miroc1400系列的1766-L32BWA控制器，該控制器具有一個(gè)RS-232/485通訊端口、一個(gè)以太網(wǎng)端口和一個(gè)非隔離的RS-232通訊端口，每個(gè)控制器有32個(gè)離散I/O點(diǎn)[2]；數(shù)字量輸入、輸出擴(kuò)展模塊采用1762-IQ8、1762-OW16；模擬量輸入擴(kuò)展模塊采用1762-IF4，這些器件能滿足起重機(jī)控制系統(tǒng)的需求，如圖1所示。

圖1 控制器及模塊

2.2 觸摸屏的選擇

根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際需求，需通過(guò)觸摸屏對(duì)起重機(jī)的工作狀況及參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和顯示。選用無(wú)擴(kuò)展功能及不帶鍵盤的PanelView Plus 6-600終端2711P-T6C20D8即可，采用專用的以太網(wǎng)線1585J-M8TBJM-4與PLC連接以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。PLC與觸摸屏通訊后，PLC將起重機(jī)工作數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)狀態(tài)傳送至觸摸屏進(jìn)行顯示，方便起重機(jī)司機(jī)及設(shè)備管理人員進(jìn)行操作、數(shù)據(jù)采集及導(dǎo)出處理、參數(shù)設(shè)置、報(bào)表輸出及查詢等。

2.3 MicroLogix 1400系列PLC和2711P-T6C20D8觸摸屏的主要特點(diǎn)

（1）配置靈活，MicroLogix 1400系列PLC的用戶內(nèi)存為20 kB，可以滿足起重機(jī)控制的需求。

（2）高速處理能力，基于時(shí)間或事件觸發(fā)的數(shù)據(jù)記錄能力，能將控制器數(shù)據(jù)記錄在一個(gè)單獨(dú)的內(nèi)存中，可以用做以后趨勢(shì)顯示及報(bào)警時(shí)的狀態(tài)分析。

（3）信號(hào)可選，MicroLogix 1400系列PLC具有高性能輸入/輸出擴(kuò)展能力，最多可帶7個(gè)輸入/輸出模塊。

（4）多級(jí)口令保護(hù)，能有效防止無(wú)關(guān)人員對(duì)程序進(jìn)行篡改。

（5）2711P-T6C20D8觸摸屏采用直流24 V供電，屏幕尺寸為5.7 in的彩色TFT顯示屏，同樣具有RS-232/485及以太網(wǎng)端口以用來(lái)和PLC通信（本系統(tǒng)采用以太網(wǎng)通訊即可）。存儲(chǔ)容量為512 MB非易失性閃存和256 MB RAM。具備兩個(gè)USB端口具有的安全數(shù)字（SD）卡槽可熱插拔，卡槽支持1784-SDx SD卡，用于傳輸文件、升級(jí)固件或記錄數(shù)據(jù)[3-4]。

（6）2711P-T6C20D8觸摸屏所有終端均運(yùn)行Win?dows CE 6.0操作系統(tǒng)（OS），具備滿足大多數(shù)用戶需求的OS功能，每個(gè)終端上會(huì)預(yù)先裝載并激活6.10或者更高版本的FactoryTalk View Machine Edition（Runtime）軟件，HMI畫(huà)面及數(shù)據(jù)可以通過(guò)此軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

3 吊機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)特點(diǎn)及程序設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

運(yùn)行于Miroc1400系列的1766-L32BWA控制器相配套的編程軟件為RSLogix500，它是針對(duì)包括Mi?croLogix?處理器，32位Windows操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)的梯形圖編程軟件。通過(guò)RSLogix500編寫(xiě)的程序可與觸摸屏畫(huà)面程序兼容[5-6]。其主要特點(diǎn)如下：

（1）是一款方便靈活的梯形圖編輯器，用戶在書(shū)寫(xiě)程序時(shí)可專心于應(yīng)用程序的邏輯功能，而不用特地注意語(yǔ)法的對(duì)錯(cuò)；

（2）拖-放式的編程功能，用戶能夠在數(shù)據(jù)文件之間快速移動(dòng)數(shù)據(jù)元素，在子程序和工程之間可快速移動(dòng)梯級(jí)，或者在一個(gè)工程內(nèi)的梯級(jí)之間快速移動(dòng)指令；

（3）尋址向?qū)Х绞娇梢苑奖愕妮斎氲刂?，減少按鍵錯(cuò)誤；

（4）查詢和替換功能，能夠快速改變特定地址或者符號(hào)的數(shù)值；

（5）其用戶數(shù)據(jù)監(jiān)視功能，能夠獨(dú)立顯示數(shù)據(jù)元素，從而方便觀察它們之間的相互作用；

（6）軟件可以為監(jiān)視和顯示過(guò)程數(shù)據(jù)提供趨勢(shì)圖和柱狀圖功能；

（7）SLC庫(kù)用于保存和恢復(fù)部分梯形圖邏輯，從而方便在任何羅克韋爾自動(dòng)化SLC編程軟件之間使用；

（8）比較工具可以通過(guò)圖形化的方式顯示工程的差異。

3.2 控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)主要集中在對(duì)吊機(jī)各極限狀況下的保護(hù)，工藝主要包含以下幾個(gè)方面。

（1）液壓油溫度調(diào)節(jié)

液壓油溫度由溫度傳感器檢測(cè)，檢測(cè)的信號(hào)經(jīng)過(guò)PLC控制器算出實(shí)際溫度值并顯示在觸摸屏上[7]，當(dāng)液壓油溫度小于10℃時(shí)，液壓油加熱器自動(dòng)開(kāi)始工作，液壓油加熱工作時(shí)，指示燈亮，液壓油加熱到20℃（可以在觸摸屏設(shè)定或根據(jù)起重機(jī)所處海域?qū)嶋H環(huán)境設(shè)定）時(shí)，溫控器動(dòng)作，停止加熱。液壓油加熱器亦可將選擇開(kāi)關(guān)置于“手動(dòng)”模式，此時(shí)液壓油加熱器不受油溫限制，合上開(kāi)關(guān)時(shí)開(kāi)始加熱，反之停止。當(dāng)液壓油溫度大于40℃時(shí)（同樣可以在觸摸屏設(shè)定或根據(jù)起重機(jī)所處海域?qū)嶋H環(huán)境設(shè)定），液壓油冷卻器自動(dòng)開(kāi)始工作，液壓油冷卻器工作時(shí)，指示燈亮，液壓油冷卻至35℃（可以在觸摸屏設(shè)定或根據(jù)起重機(jī)所處海域?qū)嶋H環(huán)境設(shè)定）時(shí)，停止冷卻。液壓油冷卻器亦可將選擇開(kāi)關(guān)置于“手動(dòng)”，此時(shí)，液壓油冷卻器不受溫度及油溫限制，合上開(kāi)關(guān)時(shí)開(kāi)始冷卻，反之停止。

（2）力矩控制系統(tǒng)

力矩控制系統(tǒng)是整個(gè)吊機(jī)安全防護(hù)系統(tǒng)的核心部分，當(dāng)?shù)踺d大于90%額定負(fù)載時(shí)，預(yù)報(bào)警，黃色預(yù)警燈閃爍；吊載為100%額定負(fù)載時(shí)，報(bào)警，紅色報(bào)警燈常亮；吊載為110%額定負(fù)載時(shí)，報(bào)警，紅色警報(bào)燈常亮，蜂鳴器發(fā)出連續(xù)報(bào)警聲，超力矩保護(hù)動(dòng)作，吊鉤不能上升，變幅不能下降。按下“強(qiáng)制按鈕”，吊鉤仍能上升、下降，變幅仍能上升、下降，但此時(shí)報(bào)警（指示燈＋鳴音器）。起重機(jī)的吊載重量、變幅角度和工作半徑等數(shù)據(jù)通過(guò)觸摸屏進(jìn)行顯示和記錄。起重機(jī)的吊臂角度和跨度不是純粹的余弦函數(shù)，如圖2所示。

圖2 起重機(jī)角度、跨度

主鉤跨度Y1是根據(jù)吊機(jī)吊臂的結(jié)構(gòu)參數(shù)及X-AXIS（角度弧度值）按照公式計(jì)算得出的[8-9]，其公式如下：

式中：E為起重機(jī)回轉(zhuǎn)中心到吊臂后絞點(diǎn)的水平距離；C為主鉤部分的全部吊臂長(zhǎng)度；A為X-AXIS（角度分度值）；A1為吊臂頭部主鉤起升滑輪中心到吊臂水平中心線的垂直距離。

副鉤跨度Y2是根據(jù)吊機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)及X-AXIS（角度弧度值）按照公式計(jì)算得出的，其公式如下：

式中：D為副鉤部分的全部吊臂長(zhǎng)度；A2為吊臂頭部副鉤起升滑輪中心到吊臂水平中心線的垂直距離；B2為吊臂頭部付鉤起升滑輪半徑。

（3）其他報(bào)警功能

其他報(bào)警功能包括液壓油濾器堵塞、液壓油低油位、高油溫，達(dá)到報(bào)警值時(shí)相應(yīng)的指示燈和蜂鳴器工作，當(dāng)?shù)蹉^及吊臂到達(dá)上或下限位時(shí)，除了相應(yīng)的指示燈和蜂鳴器工作外，對(duì)應(yīng)的電磁閥工作，且及時(shí)控制液壓油路進(jìn)行有效關(guān)斷，進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)自我保護(hù)功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

海洋平臺(tái)起重機(jī)是石油平臺(tái)的核心設(shè)備之一，其運(yùn)行情況與石油平臺(tái)的生產(chǎn)和生活緊密相關(guān)，因此設(shè)備良好可靠地運(yùn)行十分重要。PLC控制器是起重機(jī)控制系統(tǒng)的核心部分，也是整個(gè)硬件系統(tǒng)的重要組成，能快速完成外界信號(hào)的全面接收，并通過(guò)內(nèi)部的程序代碼和計(jì)算方法，完成輸入信號(hào)的分析處理，并實(shí)時(shí)向外部發(fā)出控制信號(hào)，以及時(shí)高效地驅(qū)動(dòng)指示燈、電磁閥、繼電器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)確保起重機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。本系統(tǒng)可提高起重機(jī)的主動(dòng)安全防護(hù)性能，大大降低設(shè)備的故障率，為海洋石油平臺(tái)的生活和生產(chǎn)保駕護(hù)航。