PLC 電控系統(tǒng)在起重機(jī)中的應(yīng)用

王軼之

（河北港口集團(tuán)檢測技術(shù)有限公司，河北秦皇島 066000）

0 引言

針對現(xiàn)有傳動(dòng)電控系統(tǒng)諸多缺點(diǎn)，新型電控PLC系統(tǒng)在港口起重機(jī)的應(yīng)用已成為發(fā)展趨勢與方向。PLC 用存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)也變得容易起來。更重要的是，同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。通過技術(shù)人員的不斷對新舊電控系統(tǒng)的分析、調(diào)研、論述等工作，決定將PLC 電控系統(tǒng)運(yùn)用于9 臺(tái)輪胎式門式起重機(jī)，替代傳動(dòng)電控系統(tǒng)模式。

1 通信硬件配備技術(shù)方案

某港口公司現(xiàn)有9 臺(tái)門式起重機(jī)，針對門式起重機(jī)三大主要運(yùn)行動(dòng)作：大車系統(tǒng)行走動(dòng)作由大車行走變頻器控制2 臺(tái)30 kW 變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，小車行走系統(tǒng)由小車行走變頻器控制4 臺(tái)5.5 kW 變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，起升系統(tǒng)運(yùn)行由起升系統(tǒng)變頻器控制一臺(tái)132 kW 的變頻器電機(jī)驅(qū)動(dòng)，設(shè)備整機(jī)設(shè)計(jì)容量為200 kW，具有運(yùn)行動(dòng)作負(fù)荷能力大、控制保護(hù)功能全等特點(diǎn)。

2.1 PLC 主、從站系統(tǒng)

整機(jī)控制系統(tǒng)采用西門子公司的S7-300 系列的PLC 通信系統(tǒng)布置。PLC 通信系統(tǒng)有設(shè)置在起重機(jī)駕駛室內(nèi)配電箱的主站系統(tǒng)，通過Profibus 通信電纜經(jīng)過位于主梁接線箱內(nèi)的中繼器，通信信號(hào)傳至位于起重機(jī)底梁配線箱內(nèi)的從站模塊，各個(gè)動(dòng)作信號(hào)傳送給位于底梁配電箱內(nèi)的大車變頻器、小車變頻器、起升變頻器以及各動(dòng)作條件運(yùn)行信號(hào)元件。并在滿足運(yùn)行條件下，由各自動(dòng)作的變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)來完成各系統(tǒng)的運(yùn)行。

PLC 主站系統(tǒng)布置在門式起重機(jī)司機(jī)駕駛室內(nèi)電氣柜中，其中：CPU 中央處理器采用6ES7315-2AH14-0AB0 模塊；電源采用型號(hào)為6ES7307-1EA00-0AA0模塊；數(shù)字量輸入模塊6 塊采用型號(hào)為6ES7321-1BH02-0AA0；數(shù)字量輸出模塊采用型號(hào)為2 塊6ES7322-1HH01-0AA0；通過型號(hào)為6ES7390-1AE80-0AA0 的PLC 導(dǎo)軌將各大模塊組態(tài)傳輸信號(hào)。

PLC 從站系統(tǒng)布置于底梁電氣室內(nèi)部，電氣室內(nèi)電控屏內(nèi)的模塊作為遠(yuǎn)程站點(diǎn)，其中：接口模塊采用型號(hào)為6ES7153-1AA03-0XB0 的模塊；5 塊數(shù)字量輸入模塊采用型號(hào)為6ES7321-1BH02-0AA0；2 塊數(shù)字量輸出模塊采用型號(hào)為6ES7322-1HH01-0AA0 的模塊，主要處理斷路器、接觸器、熱繼電器和底梁等機(jī)構(gòu)的限位等控制信號(hào)，機(jī)上與機(jī)下的各個(gè)機(jī)構(gòu)動(dòng)作以及各種操作信號(hào)和檢測指令信號(hào)均由PLC 統(tǒng)一處理，硬件組態(tài)如圖1 所示。

圖1 硬件組態(tài)

2.2 PLC 主站、從站通信系統(tǒng)

主站、從站之間的通信信號(hào)傳送依靠西門子PLC 通信協(xié)議Profibus 通信電纜，由主站通信DP 模塊接口，通過帶有RS485 的Profibus 通信電纜與從站的通信DP模塊接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送與交換[1]。由于門式起重機(jī)的長度約23 m，通信電纜自駕駛室引出至底梁配電室的通信長度約為100 m，且由于整機(jī)設(shè)計(jì)容量較大，并與動(dòng)力電纜并列布置于電纜槽與電纜拖纜槽內(nèi)，動(dòng)力電纜電流會(huì)干擾到通信信號(hào)，為延展通信信號(hào)及增強(qiáng)信號(hào)的抗干擾能力，在起重機(jī)主梁接線箱內(nèi)部增設(shè)型號(hào)為6ES7972-0AA01-0XA0 的通信Profibus 中繼模塊。

2.3 PC 終端顯示屏系統(tǒng)

為增強(qiáng)PLC 系統(tǒng)的運(yùn)行程序信號(hào)、電氣系統(tǒng)狀態(tài)、故障的檢測、故障記錄、運(yùn)行指令等可視化，在司機(jī)室內(nèi)部增設(shè)便于設(shè)備操作人員與技術(shù)人員操控的PC終端顯示器。通過PLC 模塊MPI 通信接口及電纜連接PC 終端顯示器，完成便于操控的人機(jī)對話效果，監(jiān)控運(yùn)行界面如圖2 所示。

圖2 監(jiān)控運(yùn)行界面

2.4 運(yùn)行程序監(jiān)控電腦

針對設(shè)備技術(shù)員對PLC 運(yùn)行程序的編制、檢測調(diào)整，在底梁電氣室增設(shè)1 臺(tái)工業(yè)電腦，通過Profibus 通信電纜連接與PLC 從站通信模塊接口進(jìn)行數(shù)據(jù)程序的傳送，將PLC 內(nèi)部運(yùn)行程序通過電腦中的STEP7 編程軟件實(shí)現(xiàn)程序運(yùn)行在線監(jiān)控、程序調(diào)整等功能。

2.5 PLC 外部數(shù)字信號(hào)輸入、輸出系統(tǒng)

起重機(jī)操作信號(hào)是通過外部電氣原器件操作，控制PLC 數(shù)字模塊的輸入模塊的站點(diǎn)。通過CPU 內(nèi)部的梯形圖進(jìn)行邏輯計(jì)算后，通過輸出模塊的站點(diǎn)實(shí)現(xiàn)外部信號(hào)的輸出動(dòng)作。

3 PLC 運(yùn)行軟件與程序系統(tǒng)

利用西門子PLC 編程軟件中的STEP7 軟件，針對程序編程軟件進(jìn)行控制程序的邏輯編制與運(yùn)算處理。

（1）結(jié)合門式起重機(jī)的使用運(yùn)行動(dòng)作、條件、輸出等邏輯控制信號(hào)，在STEP7 軟件中完成主站、從站、變頻器的參數(shù)設(shè)定與邏輯程序編制。

（2）將每個(gè)單獨(dú)模塊的運(yùn)行程序編制完成后，通過STEP7 通信截面完成PLC 主站、從站、大車行走變頻器站點(diǎn)、小車運(yùn)行變頻器站點(diǎn)、起升運(yùn)行變頻站點(diǎn)組態(tài)至Profibus-DP 通信系統(tǒng)。

（3）信號(hào)輸入、輸出系統(tǒng)。PLC 外部操作設(shè)備傳輸動(dòng)作信號(hào)直接傳送給PLC 數(shù)字量輸入模塊編程完成的信號(hào)對應(yīng)數(shù)字量站點(diǎn)。然后PLC 通過內(nèi)部邏輯程序的計(jì)算分析后，通過數(shù)字量信號(hào)直接輸出給外部執(zhí)行單元，進(jìn)行動(dòng)作的運(yùn)行控制（圖3）。

圖3 控制程序

4 應(yīng)用情況與實(shí)施情況

隨著某港口公司業(yè)務(wù)量的不斷增加，新型電控系統(tǒng)的9 臺(tái)門式起重機(jī)自全部投入使用，整體電氣系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好。PLC 電控系統(tǒng)具有自檢系統(tǒng)完善、信號(hào)傳輸穩(wěn)定可靠、故障率低、故障處理效率高等優(yōu)點(diǎn)，PLC 電控系統(tǒng)使得起重機(jī)操作人員在操作設(shè)備的過程中，通過PC 顯示器，實(shí)時(shí)了解起重機(jī)的擋位運(yùn)行狀態(tài)、車輛速度運(yùn)行狀態(tài)、各分系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)等檢測。更加便于設(shè)備的操作，提高設(shè)備的運(yùn)行可靠度、安全度等優(yōu)點(diǎn)，從而更容易實(shí)現(xiàn)人機(jī)完美配合的狀態(tài)[2]。

（1）設(shè)備日常點(diǎn)檢與計(jì)劃檢修過程。由于PLC 可以通過內(nèi)部的檢測進(jìn)行自行檢測整個(gè)的電氣系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。設(shè)備操作人員可以通過PC 顯示器與檢測運(yùn)行按鈕，快速掌握起重機(jī)整機(jī)的運(yùn)行程序的正常與否。

（2）在設(shè)備的故障處理方面。針對PLC 系統(tǒng)具有超強(qiáng)的自測故障的功能與故障復(fù)位功能，PLC 系統(tǒng)主站與從站之間是通過一根Profibus 通信電纜由高空的小車系統(tǒng)直接通信到設(shè)備的底梁電氣系統(tǒng)的從站室內(nèi)，運(yùn)行安全、可靠性非常高、故障率大大降低，大幅提升起重機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)使用率。PLC 控制采用集成化控制，各斷路器、接觸器、熱繼電器、底梁機(jī)構(gòu)的限位等操作信號(hào)和檢測指令信號(hào)均由PLC 系統(tǒng)統(tǒng)一處理，對于電控系統(tǒng)的邏輯運(yùn)算控制方面不受到外部因素的任何影響。針對各站點(diǎn)之間的信號(hào)傳送的抗干擾能力，主要是通過PLC 通信電纜帶有抗干擾屏蔽層與信號(hào)中繼器系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的抗干擾性能，使得起重機(jī)整機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定性極大的提升[3]。

（3）備品備件庫存與損耗減少。相對與傳統(tǒng)的電控系統(tǒng)，主要是各繼電器、接觸器、熱繼電器、限位器等電氣原件的通斷來實(shí)現(xiàn)電氣控制，新型起重機(jī)電控系統(tǒng)采用PLC 控制系統(tǒng)的優(yōu)勢之一，在于復(fù)雜的電氣原理主要是利用PLC 的CPU 模塊內(nèi)部邏輯程序進(jìn)行高速的計(jì)算與分析進(jìn)行指令的控制。使得PLC 外部電氣原件的故障降低、庫存?zhèn)浼亢透鼡Q外部電氣原件的工作量減少，大幅減輕設(shè)備一線的設(shè)備管理工作量[4]。

5 結(jié)束語

新型電控系統(tǒng)PLC 技術(shù)應(yīng)用于門式起重機(jī)的運(yùn)行成功，使得起重機(jī)設(shè)備在日常吊裝貨物過程自動(dòng)化與智能化程度更高、電控信號(hào)通信更穩(wěn)定、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)更加安全、設(shè)備性能提高。新型電控系統(tǒng)門式起重機(jī)在貨物的吊裝業(yè)務(wù)中，能夠全面提升門式起重機(jī)貨物的吊裝效率、作業(yè)安全性。使得該港口公司的吊裝設(shè)備技術(shù)一直能夠引領(lǐng)周邊物流吊裝業(yè)，并不斷引來周邊物流企業(yè)的技術(shù)人員的學(xué)習(xí)與效仿。先進(jìn)的設(shè)備技術(shù)不斷的贏得更多前來合作的鋼材客戶，營業(yè)收入穩(wěn)步提升，綜合服務(wù)水平顯著提高，新型電控系統(tǒng)PLC 系統(tǒng)應(yīng)用于門式起重機(jī)中的成功使得設(shè)備性能、作業(yè)安全、吊裝效率提高，營業(yè)收入增多，運(yùn)行成本降低，使得該公司在物流吊裝行業(yè)符合市場化經(jīng)濟(jì)的發(fā)展節(jié)奏，具備更高的市場競爭力。