450噸龍門吊控制系統(tǒng)分析

廖銀飛

摘 要：本文主要介紹450T龍門吊控制系統(tǒng)，主要由S7-400PLC與S120多軸驅(qū)動器等西門子產(chǎn)品集成，實(shí)現(xiàn)各種工況下的運(yùn)動控制。優(yōu)化監(jiān)控診斷功能，如大車糾偏、防撞、安全保護(hù)等，實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定節(jié)能環(huán)保目的

關(guān)鍵詞：S7400；120多軸驅(qū)動器；PROFIBUS；自動糾偏；防撞；監(jiān)控系統(tǒng)

Analysis on Control System of 450T Gantry Crane

Liao yinfei

（ cosco （Guangdong） ship yard Co. Ltd， Dongguan 523146 ）

Abstract： This thesis discusses the control system of a 450T gantry crane integrating S7-400 PLC and S120 multi-axis driver along with other Siemens products and used for motion control under various working conditions. The monitoring and diagnosis functions were optimized including bias correction， collision prevention， safety protect and so on， achieving safe， stable， energy saving and environment-friendly operation.

Key words： S7400； sinamics s120； rpofibus； auto bias correction； collision prevention； monitoring system.

1 概述

在D區(qū)船臺建造一臺450t×186m 龍門吊，用于船體分段拼裝及分段翻身，具有升降、吊運(yùn)、分段空中翻身和空中水平微量旋轉(zhuǎn)等功能。龍門吊跨度大、機(jī)構(gòu)多、系統(tǒng)復(fù)雜，經(jīng)全面科學(xué)的分析，采用成熟的新技術(shù)，保證450T龍門吊系統(tǒng)最優(yōu)化、安全、高效和節(jié)能。

450 T龍門吊由上小車起升機(jī)構(gòu)Ⅰ、Ⅱ，下小車主起升機(jī)構(gòu)Ⅲ，副起升機(jī)構(gòu)，上、下小車行走機(jī)構(gòu)，大車行走機(jī)構(gòu)和上小車鉤移機(jī)構(gòu)組成。其控制系統(tǒng)采用最新技術(shù)S120多軸驅(qū)動系統(tǒng)與S7400 PLC和分布式I/O ET200M組成，主站和從站之間采用星型光纖連接，高壓電纜卷筒供電方式，整個系統(tǒng)由西門子產(chǎn)品系統(tǒng)集成。其單線圖和網(wǎng)絡(luò)圖如圖1、圖2所示。

驅(qū)動部分由一個LCM進(jìn)線柜、一個BLM整流單元和8個逆變器組成，起升機(jī)構(gòu)采用帶編碼器速度閉環(huán)矢量控制。S120控制單元CU320負(fù)責(zé)控制和協(xié)調(diào)整個驅(qū)動系統(tǒng)中的所有模塊，采用全新通訊技術(shù)DRIVE-CLiQ 構(gòu)筑起傳動鏈接，完成各軸電流環(huán)、速度環(huán)的控制?；拘碗娫茨KBLM無回饋功能，通過接制動單元和制動電阻實(shí)現(xiàn)快速制動[1]，具有功率因數(shù)高、諧波分量小的優(yōu)勢。S120多軸驅(qū)動系統(tǒng)運(yùn)用scout軟件進(jìn)行調(diào)試與維護(hù)，利用直觀連貫的功能圖、trace波形跟蹤，能有效實(shí)時監(jiān)控參數(shù)的數(shù)據(jù)和電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

SINAMICS S120是西門子推出的全新成熟的集V/F、矢量控制及伺服控制于一體的驅(qū)動控制系統(tǒng)，采用了集中的進(jìn)線，模塊化設(shè)計(jì)，公共直流母線逆變，噪聲污染小，滿足節(jié)能環(huán)保要求，將取MASTERDRIVES 及SIMODRIVE 系列的驅(qū)動系統(tǒng)。

PLC 采用Siemens S7-400PLC系列產(chǎn)品，CPU選用443-1DP，配有Ethernet 網(wǎng)絡(luò)適配器，連接電氣房和司機(jī)室工控機(jī)。PLC 控制器與遠(yuǎn)程I/OET200M之間采用PROFIBUS通信，上、下小車和大車剛、柔腿遠(yuǎn)程I/O線路長，考慮抗干擾能力，通過光電轉(zhuǎn)換模塊OLM用光纖連接組成Profibus 通訊網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程I/O和S120驅(qū)動系統(tǒng)通信控制要求以及監(jiān)測與保護(hù)功能。PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)構(gòu)成遠(yuǎn)程分布式控制系統(tǒng)，能完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)實(shí)時采集、遠(yuǎn)程調(diào)度命令以及與數(shù)據(jù)通訊等功能。

2 自動糾偏系統(tǒng)

因剛、柔腿負(fù)載不同、電機(jī)參數(shù)差異和軌道等因素的存在，大車起動、制動及行走時會導(dǎo)致大梁偏斜。450 T龍門吊跨度186 M，糾偏是龍門吊制造的難點(diǎn)和重點(diǎn)。450 T龍門吊采用在剛?cè)嵬葟膭虞喐靼惭b一套HUEBNER絕對值編碼器檢測偏移量，增量型編碼器和感應(yīng)磁塊做校正裝置，設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)，由PLC 運(yùn)算計(jì)數(shù)，調(diào)整柔腿速度，實(shí)現(xiàn)同步，達(dá)到自動糾偏，在柔性鉸再輔助兩個FSG線形傳感器和極限糾偏限位，起多重保護(hù)作用。當(dāng)剛、柔腿運(yùn)行行程偏差達(dá)到起重機(jī)跨度的1‰（180 mm）時，開始自動進(jìn)行糾偏。當(dāng)起重機(jī)剛、柔腿兩側(cè)的運(yùn)行行程偏差達(dá)到起重機(jī)跨度的2‰～3‰（350 mm～560 mm）時，大車降速糾偏，并發(fā)出相應(yīng)的警示；當(dāng)起重機(jī)剛、柔腿兩側(cè)的運(yùn)行行程偏差大于起重機(jī)跨度的3‰（560 mm）時，大車自動停車，并在司機(jī)室發(fā)出報警信號。司機(jī)通過手動操作柔腿運(yùn)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行手動糾偏，消除偏差并查處誤差原因后恢復(fù)大車運(yùn)行。

3 大車防撞系統(tǒng)

450 T龍門起重機(jī)與200 T龍門吊同軌道，作業(yè)時有相撞危險，我們采用設(shè)置兩套德國SICK公司DMT10-2-1211防撞保護(hù)裝置，防止事故保證起重機(jī)安全。其控制原理：當(dāng)大車機(jī)構(gòu)運(yùn)行時，兩臺起重機(jī)距離≤設(shè)定安全距離S1時一個開關(guān)量的信號進(jìn)PLC系統(tǒng)，此時控制兩臺起重機(jī)減速并發(fā)出聲光報警，提醒操作人員兩臺起重機(jī)已經(jīng)接近。當(dāng)兩臺起重機(jī)距離≤設(shè)定危險距離S2時停止，同時設(shè)置極限位，同時在監(jiān)控系統(tǒng)上實(shí)時顯示兩臺龍門吊實(shí)際距離。防撞保護(hù)裝置不受天氣、環(huán)境和另—臺起重機(jī)是否在工作狀態(tài)的影響，保證兩臺起重機(jī)以最快的速度相接近時，能停止在安全距離以外。

4 安全保護(hù)及顯示

滿足分段抬吊翻身工況要求，各吊鉤設(shè)置有負(fù)荷顯示、超負(fù)荷保護(hù)和高度顯示。 上小車吊鉤I 和II 之間吊重差保護(hù)，其中某一吊環(huán)的載荷超過210 t 時或者兩個吊環(huán)的載荷差超過100 t 時只能下降，不能上升；二臺小車抬吊吊鉤I+II+III總負(fù)荷顯示和保護(hù)，上下小車的距離沒有限定，當(dāng)總載荷超過472 t 時，只能下降，不能上升。而其中的一個吊鉤超負(fù)荷限制器動作時，禁止上下小車行走，只有將超負(fù)荷狀態(tài)排除后才能恢復(fù)全部功能。

5 監(jiān)控系統(tǒng)

在司機(jī)室和電氣房系統(tǒng)分別配置1臺工控機(jī)、 Coro2 Duo T5500 1、66 GHz CPU、512 m RAM 80G 硬盤、17英寸TFT 彩顯，通過Ethernet 網(wǎng)絡(luò)適配器，采用TCP/IP 協(xié)議與PLC連接，實(shí)現(xiàn)基于Win CC 開發(fā)CMS對龍門起重機(jī)連續(xù)的實(shí)時監(jiān)控，提供快速、詳細(xì)的故障記錄及報告，狀態(tài)監(jiān)控和系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄，可以由連接的打印機(jī)打印。Simatic WinCC 是西門子公司基于PC的人機(jī)界面軟件，模塊化的結(jié)構(gòu)[2]， 具有良好的開放性和靈活性， 是在生產(chǎn)自動化過程中解決可視化和控制任務(wù)的工業(yè)技術(shù)系統(tǒng)。其圖形顯示、信息歸檔和高速可靠的數(shù)據(jù)傳送功能不僅方便操作人員， 同時方便設(shè)備維護(hù)人員分析和解決故障。

另外配備完善的、高清晰度工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)，整個系統(tǒng)共設(shè)有 8 部自動變焦攝像頭、4 部定焦攝像頭。攝像頭均為彩色。司機(jī)室內(nèi)設(shè)有2 臺17”彩色平板監(jiān)視器，可通過設(shè)在各處的攝像頭觀察吊車的運(yùn)行情況。操作人員可通過控制鍵盤控制攝像裝置的變焦和旋轉(zhuǎn)以及監(jiān)視畫面切換，可實(shí)現(xiàn)多畫面或單畫面顯示。配備數(shù)字硬盤錄像機(jī)，將視頻信號接進(jìn)數(shù)字硬盤錄像機(jī)進(jìn)行錄像，以備后續(xù)的查看。視頻信號傳輸距離較遠(yuǎn)，所有監(jiān)視器監(jiān)控圖像通過光纖網(wǎng)絡(luò)傳至地面站。光纖是目前遠(yuǎn)距離傳輸實(shí)時性最好的媒介，系統(tǒng)噪聲小、非線性失真小。另外抗干擾性能強(qiáng)，基本上不受外界溫度變化的影響，保證監(jiān)控系統(tǒng)畫面質(zhì)量以及視頻信號的穩(wěn)定性。

6 龍門吊調(diào)試

有先進(jìn)硬件保障，龍門吊調(diào)試和程序設(shè)計(jì)對安全穩(wěn)定起到關(guān)鍵性的作用。不僅要實(shí)現(xiàn)基本的控制功能，還要滿足工況要求，保證安全運(yùn)行。

（1）電氣糾偏取決于編碼器反饋值準(zhǔn)確性，而編碼器在實(shí)際運(yùn)行中不可避免存在打滑現(xiàn)象，會造成反饋值誤差并累積。行走機(jī)構(gòu)絕對值編碼器沒有采用安裝在檢測輪的方式而是通過軟連接安裝在從動輪上，避開因軌道面高低和檢測輪自重問題的缺陷， 減少打滑等造成的誤差因數(shù)，再通過磁感應(yīng)塊和增量型編碼器校準(zhǔn)清零，不僅提高檢測精度和自動化程度，同時減輕司機(jī)疲勞度。手動糾偏把大于3%偏差信號聯(lián)鎖起來防止操作人員出現(xiàn)誤操作，把正車調(diào)成偏車。

（2）450 T龍門吊控制網(wǎng)絡(luò)采用西門子S7-400及分布式I/0系統(tǒng)，主站和從站之間采用PROFIBUS通信。通信網(wǎng)絡(luò)可能在運(yùn)行過程中某處因某種原因而中斷，我們采用脈沖發(fā)送和接收判斷通信是否正常。如果某路通信異常，相應(yīng)的機(jī)構(gòu)立即安全停車，通信正常后恢復(fù)到初始安全狀態(tài)保證系統(tǒng)安全。光纖鏈路模塊由獨(dú)立電源供電，在硬件加于保證，減少干擾，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

（3） 大車應(yīng)急停車為軟停車，防止大車運(yùn)行中緊急停車導(dǎo)致傾覆，即必須在大車運(yùn)行速度減到一定值后剎車才能抱閘，此功能在電氣控制程序和控制線路中實(shí)現(xiàn)，保證應(yīng)急停車可靠穩(wěn)定。

7 結(jié)束語

450 T龍門吊控制系統(tǒng)借助西門子先進(jìn)技術(shù)，結(jié)合我司發(fā)展規(guī)劃和生產(chǎn)需求，使整個系統(tǒng)合理、安全、穩(wěn)定，保證了系統(tǒng)先進(jìn)性和環(huán)保節(jié)能。

參考文獻(xiàn)

[1] S120驅(qū)動器&伺服電機(jī)選型手冊， 2008.01

[2] SIMATIC WinCC 產(chǎn)品概覽