塔式起重機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)

劉新航　張宇

摘要：塔式起重機(jī)是建筑行業(yè)中廣泛使用的重要設(shè)備之一。很大一部分塔式起重機(jī)仍使用傳統(tǒng)的繼電器硬接線電氣控制系統(tǒng)。繼電器硬接線控制雖然成本低，但動(dòng)作時(shí)有沖擊，加上起重機(jī)是一種頻繁起停的位能性承載設(shè)備，使得這種控制系統(tǒng)壽命一般都比較短，維護(hù)投入大；此外這種控制系統(tǒng)致命的缺點(diǎn)是無法進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算[1]。本文基于一臺(tái)塔式起重機(jī)系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)的電氣控制的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行設(shè)計(jì)、軟硬件配置及系統(tǒng)功能方面的詳細(xì)闡述。

關(guān)鍵詞：PLC 冗余 Profibus-DP 組態(tài)王

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2015）04-0008-01

1 引言

塔式起重機(jī)是承載貴重物品的塔式起重機(jī)，是對(duì)電氣控制系統(tǒng)的工作精度和可靠性以及運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)性提出了更高的要求。為此，我們需要一種能夠滿足經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、節(jié)能的高度自動(dòng)化系統(tǒng)，其冗余及故障安全功能的可編程控制器是必須的要求。西門子SIMATIC H系統(tǒng)將發(fā)生中斷的單元自動(dòng)切換到備用單元的方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的不中斷工作，通過部件的冗余實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高可靠性[2]，即硬冗余。我們選用的是西門子414-4H系列硬冗余PLC，保證系統(tǒng)在單臺(tái)CPU故障的狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)無擾切換。

2 設(shè)備構(gòu)成

該塔式起重機(jī)安裝在距離地面約80米高的建筑頂部，主要作用是吊裝貴重物品。要求是故障率低，動(dòng)作快速平穩(wěn)，在任何時(shí)刻都不能停機(jī)，并且需要具備程控和本地控制兩種方式，同時(shí)配有視頻監(jiān)控和本地操作單元。塔式起重機(jī)由五個(gè)機(jī)構(gòu)組成，分別是主起升、副起升、旋轉(zhuǎn)、變幅和配重系統(tǒng)，每個(gè)機(jī)構(gòu)均為多檔位控制，且采用兩臺(tái)同規(guī)格變頻器進(jìn)行熱備?；究刂颇Ｊ椒譃樽詣?dòng)和手動(dòng)兩種，自動(dòng)模式下，根據(jù)起升機(jī)構(gòu)吊裝的載荷以及所處的位置，配重機(jī)構(gòu)隨之調(diào)整以保證系統(tǒng)平衡。

3 系統(tǒng)描述

3.1 控制系統(tǒng)

PLC系統(tǒng)采用西門子S7-414-4H系列冗余型PLC，具備一套冗余的以太網(wǎng)接口，一套MPI/DP接口和一套DP接口，冗余的總線上有三個(gè)支持冗余連接的遠(yuǎn)程站IM153-2，以及1臺(tái)電力監(jiān)測(cè)儀和10臺(tái)Vacon變頻器。需要指出的是，這里的S7-400H冗余系統(tǒng)的IO擴(kuò)展采用的是Y-Link的解決方案，即采用DP/DP Coupler模塊，掛接兩套冗余的S7-300系列IO擴(kuò)展模塊，通過在DP/DP Coupler上的地址分配（在硬件上通過撥碼設(shè)置），以達(dá)到以較低成本完成S7-400H冗余系統(tǒng)的擴(kuò)展模塊冗余的目的[3]。設(shè)備層之間的通訊采用Profibus-DP冗余鏈路，關(guān)聯(lián)的設(shè)備包括工控機(jī)、CPU、本地從站、遠(yuǎn)程從站、電力監(jiān)測(cè)儀表、驅(qū)動(dòng)變頻器和五臺(tái)近控箱接駁點(diǎn)。設(shè)備層數(shù)據(jù)經(jīng)由工業(yè)交換機(jī)，通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)降厍诰W(wǎng)中。系統(tǒng)硬件配置圖和框架接口圖如圖1所示：

控制模式分為操作臺(tái)手動(dòng)/程序控制（臺(tái)控手動(dòng)/程控）和近控制點(diǎn)控制（近控），由控制臺(tái)上的按鈕進(jìn)行選切。近控模式基于吊裝貴重物品時(shí)，操作人員應(yīng)處于最佳觀測(cè)點(diǎn)操作的理念，分別在建筑物本地的一層、六層、七層、八層和九層設(shè)五個(gè)近控接駁點(diǎn)。操作人員手持近控盒（SIMATIC MP177），將連接線與接駁點(diǎn)連接，站在接駁點(diǎn)附近的觀測(cè)點(diǎn)上，進(jìn)行手動(dòng)控制。當(dāng)近控盒連接到接駁點(diǎn)上后，操作臺(tái)對(duì)其進(jìn)行確認(rèn)并使能該近控盒的控制功能，并封鎖其他接駁點(diǎn)。出于安全層面的考慮，近控模式中，主副起升機(jī)構(gòu)的運(yùn)行檔位僅為五檔。在臺(tái)控手動(dòng)模式下，吊裝系統(tǒng)所有的動(dòng)作均由操作臺(tái)的按鈕來實(shí)現(xiàn)。除了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)總覽之外，還包括諸如歷史記錄查詢，部件壽命查詢等功能。在臺(tái)控程控模式下，吊裝系統(tǒng)的動(dòng)作通過選擇軟件中預(yù)設(shè)的任務(wù)組自動(dòng)執(zhí)行。預(yù)設(shè)組可以由有權(quán)限的使用者進(jìn)行添加、修改、保存和執(zhí)行，在選擇預(yù)設(shè)組后，在預(yù)覽窗口中出現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作預(yù)覽。

3.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

塔式起重機(jī)作為一種搬運(yùn)與起升設(shè)備，對(duì)起升機(jī)構(gòu)的要求是：起、停運(yùn)行平穩(wěn)，不溜鉤，能夠空鉤高速運(yùn)行，以便提高效率。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)具有較大的慣性沖擊，啟動(dòng)過快造成的沖擊大，停車和打反轉(zhuǎn)都不允許過快過急，否則不僅運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，還會(huì)損壞機(jī)構(gòu)[4]。為了保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，本系統(tǒng)采用Vacon變頻器作為驅(qū)動(dòng)單元，并且每一機(jī)構(gòu)均采取一運(yùn)一備的配置方式。Vacon NX系列變頻器能夠通過編碼器反饋形成閉環(huán)矢量控制，并且其特有的機(jī)械抱閘應(yīng)用宏允許變頻器在四個(gè)象限工作、200%力矩起動(dòng)，且起動(dòng)次數(shù)頻繁，完全滿足本系統(tǒng)的要求。所有機(jī)構(gòu)均采用編碼器測(cè)量與限位點(diǎn)測(cè)量相結(jié)合的方式，配合負(fù)載的重量反饋，在自動(dòng)模式下進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，保證吊裝系統(tǒng)的安全。

4 結(jié)語

本塔式起重機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行五年多以來，無一起重大事故，電氣供配電系統(tǒng)及自動(dòng)化控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，有效地降低了危險(xiǎn)性，取得了十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益，在類似行業(yè)具有很高的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]張禮華.PLC在塔式起重機(jī)電氣控制上的應(yīng)用[J].南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004（9）.

[2]西門子冗余系統(tǒng)指南[M].Siemens AG，2008.1.

[3]通過DP/DP Coupler連接S7-300DP CPU到S7-400H冗余系統(tǒng)[M].Siemens AG，2008.7.

[4]高宇，宗鳴，孫一丹.Vacon變頻器在塔吊控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電氣開關(guān)，2007.