摘要：文章對(duì)起重機(jī)的電氣控制系統(tǒng)做了新設(shè)計(jì)，綜合了現(xiàn)有起重機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要注意的因素，對(duì)造船龍門起重機(jī)PLC的硬件選型、子站選型以及系統(tǒng)組態(tài)編程軟件和工控?cái)?shù)據(jù)平臺(tái)做了闡述。實(shí)踐證明，該設(shè)計(jì)龍門起重機(jī)控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，能夠有效改善龍門起重機(jī)的操控的復(fù)雜度，提高造船廠的生產(chǎn)效率以及龍門起重機(jī)的安全系數(shù)。

關(guān)鍵詞：龍門起重機(jī)；電氣控制系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)控制主站；硬件選型；子站選型 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TH213 文章編號(hào)：1009-2374（2016）25-0026-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.25.012

1 概述

造船工業(yè)近幾年發(fā)展很快，帶動(dòng)了造船龍門起重機(jī)的快速發(fā)展進(jìn)步，特別是大跨距、大噸位的大型造船龍門起重機(jī)的廣泛應(yīng)用。在現(xiàn)代化的造船企業(yè)大型造船龍門起重機(jī)主要用于船塢、船臺(tái)等的船體建造場(chǎng)地上，完成船體分段垂直升起和下降、平移行走和空中翻身等功能的吊裝任務(wù)。由于其結(jié)構(gòu)龐大，負(fù)載噸位都在幾百噸以上，所以它的電氣控制系統(tǒng)必須要精準(zhǔn)可靠。

2 起重機(jī)的電氣控制系統(tǒng)概述

大型造船龍門起重機(jī)的電氣控制系統(tǒng)是整個(gè)起重機(jī)的核心部件，其主要由邏輯控制系統(tǒng)和電力拖動(dòng)系統(tǒng)組成。其中的電力拖動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和交流異步電動(dòng)機(jī)，用以驅(qū)動(dòng)起重機(jī)的各機(jī)構(gòu)動(dòng)作；邏輯控制系統(tǒng)包括多種傳感器與工業(yè)用可編程序控制器（PLC），來維護(hù)整個(gè)系統(tǒng)的安全保護(hù)和自動(dòng)化控制。大型造船龍門起重機(jī)的電氣控制系統(tǒng)就是整臺(tái)機(jī)器的神經(jīng)中樞，它保證了起重機(jī)可以安全、平穩(wěn)運(yùn)行，完成各種動(dòng)作指令。

3 起重機(jī)的電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮因素

起重機(jī)的電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，就是控制各個(gè)機(jī)構(gòu)按照預(yù)定程序，完成造船廠各種物體負(fù)載起運(yùn)，電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)好與壞直接決定著整臺(tái)起重機(jī)能否成功投產(chǎn)，是整個(gè)大型造船龍門起重機(jī)制造的關(guān)鍵。起重機(jī)的主要機(jī)構(gòu)都是由電動(dòng)機(jī)來拖動(dòng)，起重機(jī)是使用頻繁的特種設(shè)備，在造船廠中，使用相當(dāng)頻繁，一旦起重機(jī)出現(xiàn)任何問題，將直接影響造船廠的生產(chǎn)，因此穩(wěn)定性和可靠性較高的電氣控制系統(tǒng)對(duì)于起重機(jī)而言相當(dāng)重要，也是起重機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用過程中最需要考慮的因素。筆者認(rèn)為，在電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)該注意系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性這兩個(gè)問題：（1）系統(tǒng)的穩(wěn)定性是起重機(jī)的電氣控制系統(tǒng)中首先要考慮的，只有穩(wěn)定的系統(tǒng)才能夠確保起重機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)一步地提高起重機(jī)的工作效率；（2）起重機(jī)的電氣控制系統(tǒng)的安全性是需要注意的另一個(gè)問題，起重機(jī)的安全運(yùn)行依賴于電氣控制系統(tǒng)的安全性。因此，電氣控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的時(shí)候，就需要在設(shè)計(jì)中特別考慮對(duì)軟硬件分別設(shè)置多重保護(hù)，依據(jù)起重機(jī)的安全使用規(guī)范，在電氣控制系統(tǒng)中設(shè)置相應(yīng)的保護(hù)措施。

4 起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

4.1 造船龍門起重機(jī)PLC控制系統(tǒng)的選擇

綜合考慮龍門起重機(jī)的控制系統(tǒng)，所需要注意的問題，本設(shè)計(jì)選用西門子的PLC系統(tǒng)，系統(tǒng)的安全性好、穩(wěn)定性高。

4.1.1 控制系統(tǒng)的主站硬件選型?？紤]到造船龍門起重機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)安全性和穩(wěn)定性的要求，同時(shí)考慮控制系統(tǒng)中主站、變頻器和編碼器等各個(gè)組件之間的通訊要求，本設(shè)計(jì)的PLC系統(tǒng)選用西門子公司生產(chǎn)的SIMATIC 57-400系列PLC。

所述SIMATIC 57-400由于具備功能升級(jí)的CPU以及各種種類齊全的功能模板，因此在龍門起重機(jī)控制系統(tǒng)中使用，能夠使用戶非常方便地搭建出最佳解決方案，進(jìn)而滿足龍門起重機(jī)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化的要求。隨著龍門起重機(jī)控制任務(wù)的增多，可隨時(shí)根據(jù)需要進(jìn)行升級(jí)，且不需要額外增加其他的模板。所以本設(shè)計(jì)中的SIMATIC 57-400能適合自動(dòng)化工程中的各種應(yīng)用場(chǎng)合，可使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加靈活，滿足不同的應(yīng)用需求。

4.1.2 SIMATIC 57-400PLC系統(tǒng)的組成。根據(jù)圖1所述的PLC的組成框圖，下面介紹SIMATIC 57-400 PLC的主要模板構(gòu)成：（1）電源模板，優(yōu)秀的電源模板，能夠使整個(gè)系統(tǒng)更加穩(wěn)定，電源模板的設(shè)計(jì)是整個(gè)SIMATIC 57-400的關(guān)鍵點(diǎn)所在，主要是為S7-400提供SVDC或24VDC的電源；（2）中央處理單元，中央處理單元是整個(gè)SIMATIC 57-400的核心所在；（3）數(shù)據(jù)輸出/輸入，數(shù)據(jù)的輸入輸出主要應(yīng)用于龍門起重機(jī)控制系統(tǒng)的DI以及在電機(jī)、繼電器等所有的DO；（4）光纖鏈路模塊，能夠提高PLC系統(tǒng)的整體抗干擾能力，使主站和子站之間的通信連接更加穩(wěn)定。

4.1.3 控制系統(tǒng)的子站硬件選型。造船龍門起重機(jī)的機(jī)構(gòu)相對(duì)較多，且由于其體積較大，因此為了更好地實(shí)現(xiàn)控制，設(shè)置多個(gè)遠(yuǎn)程子站輔助控制。

經(jīng)過綜合考慮，本設(shè)計(jì)決定選用ET200M I/O站作為系統(tǒng)的子站。

ET200M I/O子站，主要由IM153接口模塊和可編程序等模塊組成，各個(gè)模塊之間，可根據(jù)實(shí)際使用的需要進(jìn)行自由組合，因此ET200M I/O子站靈活性高，且更容易和主站相互配合。

4.1.4 遠(yuǎn)程I/O站的硬件配置的選型。結(jié)合電氣控制系統(tǒng)主站的配置要求，本設(shè)計(jì)對(duì)遠(yuǎn)程I/O站配置選型如下：（1）上小車遠(yuǎn)程I/O子站設(shè)計(jì)。其主要作用是，保證上小車內(nèi)機(jī)構(gòu)信號(hào)的穩(wěn)定性以及信號(hào)采集的穩(wěn)定性；（2）下小車VO子站設(shè)計(jì)。下小車VO子站的設(shè)計(jì)主要是針對(duì)下小車的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，重點(diǎn)在于保障下小車內(nèi)各個(gè)機(jī)構(gòu)信號(hào)采集和傳輸?shù)姆€(wěn)定性；（3）大車剛性腿和大車柔性腿的遠(yuǎn)程I/O子站設(shè)計(jì)。主要是針對(duì)大車剛性腿和大車柔性腿的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，重點(diǎn)在于保障各個(gè)機(jī)構(gòu)信號(hào)采集和傳輸?shù)姆€(wěn)定性；（4）司機(jī)室的子站設(shè)計(jì)。司機(jī)通過司機(jī)室的子站模塊輸入各種控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)主站和子站之間的信號(hào)交互；（5）編碼器子站設(shè)計(jì)。造船龍門起重機(jī)設(shè)置的絕對(duì)值編碼器子站主要包括的編碼器以及功能如下：上小車1#、上小車2#和下小車主起升位置的編碼器，主要設(shè)計(jì)目的是，檢測(cè)各自起升點(diǎn)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最終為糾偏程序提供相應(yīng)的參考數(shù)據(jù)和糾偏依據(jù)。

上小車、下小車和大車柔性腿編碼器的主要設(shè)計(jì)目的是：通過檢測(cè)各自的運(yùn)行點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集，為糾偏程序模塊提供數(shù)據(jù)參考。

4.2 編程與組態(tài)軟件分析與應(yīng)用

根據(jù)本設(shè)計(jì)所選PLC的類型，本設(shè)計(jì)選擇STEP7作為電氣控制系統(tǒng)以及相應(yīng)的配置軟件的編程程序，經(jīng)過綜合考慮，選用西門子的WinCC組態(tài)軟件。WinCC組態(tài)軟件更便于進(jìn)行模塊化編程，將PLC各功能分別用FC或FB實(shí)現(xiàn)，同時(shí)本設(shè)計(jì)編制了觸摸屏程序、WinCC程序和故障處理程序。采用STEP 7編程軟件進(jìn)行PLC系統(tǒng)的編程，在STEP 7中，可用項(xiàng)目來管理一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的硬件和軟件。

4.3 生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平臺(tái)軟件

本設(shè)計(jì)選擇WinCC系統(tǒng)，作為工控設(shè)計(jì)平臺(tái)，WinCC系統(tǒng)作為IEMENS和Microsoft公司共同研發(fā)的過程可視化系統(tǒng)。WinCC系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于擁有Web的瀏覽器功能，能夠使工控設(shè)計(jì)平臺(tái)，在使用的過程中，管理人員完整觀察起重機(jī)的所有的運(yùn)行動(dòng)態(tài)畫面，更方便從中調(diào)度

指揮。

STEP 7編程軟件選用。STEP 7編程軟件主要運(yùn)用在SIMATIC S7、M7、C7中，是編程以及參數(shù)設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)工具。采用STEP 7編程軟件，更便于使用項(xiàng)目去管理整個(gè)電氣控制系統(tǒng)的軟硬件，SIMATIC管理器可以更加方便地對(duì)項(xiàng)目集中管理，且可以瀏覽SIMATICS7、M7、C7和WinCC的數(shù)據(jù)。

STEP 7編程軟件的功能包括硬件的配置、參數(shù)的設(shè)置以及編程、運(yùn)行和診斷功能等。在STEP7編程軟件中，可以方便地使用鼠標(biāo)選中對(duì)象進(jìn)行編輯，且所有功能均具備在線幫助功能，使用更加便捷。

4.4 現(xiàn)場(chǎng)總線的硬件選型

綜合PLC系統(tǒng)的通信要求、通信速率、通信距離以及系統(tǒng)的數(shù)據(jù)響應(yīng)要求，同時(shí)考慮網(wǎng)絡(luò)覆蓋、抗干擾能力和容錯(cuò)能力等各種因素，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)總線的硬件選型中，決定采用分布式現(xiàn)場(chǎng)總線的結(jié)構(gòu)，采用PROFIBUS-DP通信方式，本設(shè)計(jì)分布式現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)，相比較其他結(jié)構(gòu)，更便于實(shí)現(xiàn)以及維護(hù)擴(kuò)充。

5 結(jié)語

大型造船龍門起重機(jī)的電氣控制系統(tǒng)就是整臺(tái)機(jī)器的神經(jīng)中樞，它保證了起重機(jī)可以安全、平穩(wěn)運(yùn)行，完成各種動(dòng)作指令。經(jīng)過實(shí)踐證明，本設(shè)計(jì)龍門起重機(jī)控制系統(tǒng)，性能穩(wěn)定，能夠有效改善龍門起重機(jī)的操控的復(fù)雜度，提高造船廠的生產(chǎn)效率以及龍門起重機(jī)的安全系數(shù)，具有實(shí)際意義

參考文獻(xiàn)

[1] 向明新.B220（2×6M）龍門刨床電氣控制系統(tǒng)的改

進(jìn)設(shè)計(jì)[D].西安科技大學(xué)，2006.

[2] 徐俊.龍門起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].武

漢理工大學(xué)，2007.

[3] 郭寶才.岸邊集裝箱橋吊電氣控制系統(tǒng)的研究[D].上

海交通大學(xué)，2009.

[4] 肖雄亮.300T-112M造船龍門起重機(jī)設(shè)計(jì)與主梁優(yōu)化

[D].湖南大學(xué)，2010.

[5] 王吉明.造船龍門起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

[D].華東理工大學(xué)，2011.

[6] 畢凱.基于組態(tài)軟件和無線網(wǎng)絡(luò)的起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系

統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].大連理工大學(xué)，2014.

[7] 鞠俊.大型造船龍門起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].大

連理工大學(xué)，2014.

[8] 程成.抓斗式卸船機(jī)電氣控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].華

東理工大學(xué)，2012.

[9] 李海洋.起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)及上車布局優(yōu)化的設(shè)計(jì)

與實(shí)現(xiàn)[D].大連海事大學(xué)，2012.

[10] 羅憲君.履帶式起重機(jī)整車電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].山東

大學(xué)，2012.

作者簡(jiǎn)介：趙翔（1983-），男，四川成都人，中鐵巖鋒成都科技有限公司電氣工程師，研究方向：電氣控制。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）