，，

（中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心 發(fā)射測試站，甘肅 酒泉 732750）

傳統(tǒng)的吊車控制系統(tǒng)大多是基于接觸器、繼電器控制[1]，且每臺吊車控制系統(tǒng)是獨立配置、獨立操控的，彼此之間無任何信息關聯(lián)。為適應多臺吊車集中監(jiān)控和資源共享的需求，本文提出由上位機、可編程控制器（PLC）、變頻器等組成的基于Profibus-DP現(xiàn)場總線協(xié)議[2]的多臺吊車共用變頻調速控制系統(tǒng)的設計模型。

1 吊車共用控制系統(tǒng)設計思路

吊車控制系統(tǒng)可分為前端控制系統(tǒng)和后端控制系統(tǒng)兩部分（見圖1），前端控制系統(tǒng)一般由電動機、制動器、測速編碼器、行程開關等組成，是完成吊車起升、平移動作的前端拖動控制設備；后端控制系統(tǒng)一般由上位機、PLC、變頻器、接觸器、繼電器等組成，是完成吊車各項控制功能的后臺支持設備。前端控制系統(tǒng)安裝于吊車的機械結構上，而后端控制系統(tǒng)可安裝于吊車機械結構上，也可以集中設置于地面控制間內。聯(lián)系前、后端控制系統(tǒng)的橋梁是傳輸電纜，包括低壓控制電纜和高壓動力電纜。

圖1 吊車控制系統(tǒng)組成Fig.1 Crane control system composition

同一廠房內多臺吊車如果獨立控制，則其前端控制系統(tǒng)和后端控制系統(tǒng)都需要獨立配置。由于前端控制系統(tǒng)設備安裝于吊車機械結構上且分布于廠房的不同車間，多臺吊車之間無法共用，能實現(xiàn)共用的只能是后端控制系統(tǒng)，因此多臺吊車共用控制系統(tǒng)的設計，關鍵是設計一套后端共用的控制系統(tǒng)。吊車控制系統(tǒng)通常應具備良好的調速性能以滿足不同的工作需求，目前吊車調速方式主要有直流調速、交流變極調速、交流變頻調速3種方式，以交流變頻調速的綜合性能最佳[3]。為使控制系統(tǒng)線路簡單、監(jiān)控直觀、功能強大，本文選擇基于上位機、下位機和交流變頻器的變頻調速控制系統(tǒng)模式，其中上位機選擇工控機，下位機選擇PLC，所有通訊設備均以Profibus-DP現(xiàn)場總線協(xié)議實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通訊。工作時根據(jù)統(tǒng)一的公共指令輸入終端和分散的就近指令輸入終端輸入操作指令，由共用的核心控制部件PLC進行邏輯運算后控制變頻器，再由變頻器驅動電動機和制動器動作，從而完成指定的吊車機構的啟動、制動和調速，同時控制系統(tǒng)采集全部吊車的運行參數(shù)在上位機上進行顯示，并實現(xiàn)全部數(shù)據(jù)的歸檔查詢、事件報警和故障診斷等功能。

2 共用變頻調速控制系統(tǒng)設計

吊車變頻調速控制系統(tǒng)中上位機、PLC、變頻器等均屬于價格昂貴的設備，尤其是變頻器與吊車每個機構一一對應，一般數(shù)量較多，為此根據(jù)實際情況本文設計給出兩種共用控制系統(tǒng)模型，實現(xiàn)多臺吊車控制系統(tǒng)的資源共用和信息共享。

2.1 完全共用控制系統(tǒng)

如果工作流程決定了多臺吊車之間是串行工作的，即同一時刻只有一臺吊車工作，且多臺吊車之間各機構一一對應，或者多臺吊車中對應的相同機構不會同時工作，那么控制系統(tǒng)可以采用完全共用控制系統(tǒng)模型，如圖2所示。

圖2 完全共用控制系統(tǒng)設計模型Fig.2 Total-sharing control system model

該共用控制系統(tǒng)模型中除了上位機、PLC可以共用一套外，同一機構對應的變頻器也可以實現(xiàn)共用，例如多臺吊車的主起升機構共用一臺變頻器，副起升機構共用1臺變頻器等。變頻器驅動的電機對象通過選擇開關進行切換選擇，以驅動多臺吊車的其中1臺或其中1個機構動作。此外選擇開關還要實現(xiàn)對應電機的制動器、測速編碼器的同步切換選擇，以實現(xiàn)變頻器對制動器的控制和對編碼器的測速反饋。這種完全共用控制系統(tǒng)設備配置精簡，可以實現(xiàn)一套后端控制系統(tǒng)多臺吊車共同使用的目的。選擇開關由PLC程序控制下的中間繼電器和接觸器協(xié)同工作實現(xiàn)，為保證控制對象的唯一性，選擇開關之間應具備互鎖關系，這種互鎖關系可以從硬件上實現(xiàn)，也可以從軟件上實現(xiàn)，但硬件實現(xiàn)起來成本高，接線復雜，檢修維護困難，而且當選擇對象較多時選擇開關實現(xiàn)困難，可靠性不高；而通過軟件方式實現(xiàn)起來簡單易行，只需選用普通的接觸器、繼電器并編制簡單的PLC控制程序即可，可靠性高。需要指出的是，圖2中的選擇開關切換可以是聯(lián)動的，也可以是獨立的，即所有變頻器可以從一臺吊車的所有機構同步切換至另一臺吊車的所有對應機構上，也可以只切換其中部分變頻器。

吊車控制時可以在后端的上位機上進行軟件操作，通過軟件界面選擇某一臺吊車及其對應的機構（如主鉤、副鉤等）和速度檔位，一般由于后端遠離現(xiàn)場，需要操作人員和現(xiàn)場指揮人員協(xié)同工作，適合危險現(xiàn)場人員不便靠近的情況；也可以根據(jù)需要在每臺吊車的工作現(xiàn)場設置就近手控盒，每個手控盒均通過ET200M擴展終端接入Profibus-DP網(wǎng)絡，利用手控盒就近操作直觀，尤其適合精度較高的對接操作。采用完全共用控制方案時，通過軟件的安全設計要保證控制對象的唯一性，保證吊車運行中不得切換控制對象，即便操作錯誤也可以進行報警提示和差錯屏蔽。

2.2 部分共用控制系統(tǒng)

如果多臺吊車之間并行工作，則后端控制系統(tǒng)中的變頻器不可共用，每臺吊車的每個機構需要分別獨立配置，包括與電機配合工作的制動器、測速編碼器等也需要獨立配置，后端控制系統(tǒng)的其他設備如上位機、PLC等仍可以共用，即部分共用控制系統(tǒng)模型見圖3。工作時可在上位機上進行集中操作控制，這需要同一名操作人員操作多臺吊車，對操作人員的要求很高，可靠性不高；可以在每臺吊車工作現(xiàn)場需設置一個近控盒，以ET200M有線接入或者通過西門子紅外鏈路模塊[4]以無線方式接入Profibus-DP總線，每臺吊車由對應的操作人員使用近控盒操作，多臺吊車可以同時獨立工作，互不影響，便于現(xiàn)場安全。

圖3 部分共用控制系統(tǒng)模型Fig.3 Partial-sharing control system model

2.3 共用控制系統(tǒng)的共同問題

在矢量控制或者直接轉矩控制時為實現(xiàn)變頻器對電動機的精確控制，系統(tǒng)調試時需對電動機進行參數(shù)辨識[5-6]并在變頻器中存儲辨識結果。采用完全共用控制方案時，由于同一臺變頻器要在不同的時間段驅動不同吊車的電機，如果多臺電機是型號、性能參數(shù)完全相同的，則只需對其中一臺進行參數(shù)辨識和存儲即可，切換控制電機時變頻器中參數(shù)設置無須更改；如果多臺電機參數(shù)存在差異，那么切換電機前后變頻器中電機參數(shù)設置也應該相應改變。參數(shù)重置可以通過程序讀寫完成，目前很多變頻器（如SEW、ABB）都支持PLC讀寫內部參數(shù)設置，以PLC與SEW變頻器通訊為例，可以設置通訊字結構為 “Param+3PD”形式，每次可以讀寫7個字長的數(shù)據(jù)，如果一次不能讀寫完所有參數(shù)，可以在多個PLC的掃描周期中完成。因此在控制系統(tǒng)調試時先將每臺電機參數(shù)辨識的結果存儲到PLC的程序數(shù)據(jù)塊中，之后工作時根據(jù)變頻器選擇的電機對象，由程序自動將對應的電機參數(shù)通過Profibus-DP網(wǎng)絡通訊方式寫入變頻器中。由于變頻器在線切換電機時會對電網(wǎng)、電機及變頻器產(chǎn)生沖擊[7]，因此為保證吊車操作的安全性，電機切換應在機構處于停車狀態(tài)且關閉變頻器輸出情況下進行，具體流程如圖4所示。

圖4 完全共用控制時電機參數(shù)的處理流程Fig.4 Handling of motor parameter with total sharing control system model

部分共用控制系統(tǒng)中由于變頻器是每個吊車機構獨立配置的，因此不需要切換控制電機，但除了需要進行辨識的電機參數(shù)外，變頻器中需要設置的參數(shù)多達幾百至上千個，其中涉及電機啟動制動時間、加減速斜率、電流限幅、滑差補償?shù)龋@些參數(shù)不僅影響吊車的安全運行還影響控制系統(tǒng)相關電器元件的設計選型。為了更好設置變頻器相關參數(shù)，可以利用電機參數(shù)辨識的結果并借助Matlab軟件中simpowersystems工具箱對交流異步電動機的控制進行建模仿真[8]，仿真結果對控制系統(tǒng)設計、電器選型、變頻器參數(shù)設置可以起到良好的參考指導作用。

不論是采用完全共用控制系統(tǒng)還是部分共用控制系統(tǒng)，當?shù)踯嚬ぷ鳜F(xiàn)場有防爆要求時，一律將共用控制系統(tǒng)后端設備集中置于非防爆區(qū)，與現(xiàn)場防爆區(qū)隔離開來，這樣不僅降低了對控制系統(tǒng)防爆性能要求，節(jié)約經(jīng)費，而且由于大部分控制設備集中放置于地面控制間，方便初期安裝調試和后期檢修維護。

3 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡配置

共用變頻調速控制系統(tǒng)采用Profibus-DP現(xiàn)場總線實現(xiàn)控制指令的發(fā)送和過程數(shù)據(jù)的采集，各通訊設備包括上位機、PLC-CPU、ET200M、變頻器之間采用屏蔽雙絞線串聯(lián)、以DP插頭接入，處于線型網(wǎng)絡的兩端設備DP插頭的終端電阻設置為“ON”，其余置于“OFF”。 由于 Profibus-DP 總線協(xié)議的物理層是RS485標準，因此當PLC與現(xiàn)場近控終端ET200M的距離一般較遠時，可加裝RS485網(wǎng)絡中繼器以延長兩節(jié)點間通訊距離，典型的兩臺吊車共用控制系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結構如圖5所示。雖然在通訊時PLC與其他設備之間存在主從關系，但是在網(wǎng)絡結構上各設備地位均等，站點通訊地址可自行分配，一般上位機地址默認為0或1（上位機采用工控機時為0，采用觸摸屏時為1），PLC地址默認為2，其他機構的變頻器可以依次連續(xù)分配，RS485中繼器不占用站地址。采用西門子PLC時Profibus-DP總線協(xié)議最高通訊速率可設置為1.5 Mb/s，實際應用時為保證網(wǎng)絡的正常運行可適當降低通訊速率。

圖5 兩臺吊車共用變頻調速控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結構Fig.5 Network topology structure of two cranes with variable frequency speed regulation system

4 監(jiān)控軟件開發(fā)

共用控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件根據(jù)吊車完成的工作內容和性能指標需求進行開發(fā)，需開發(fā)PLC控制程序和上位機監(jiān)控程序兩個模塊，其中PLC程序接受上位機的控制指令并完成所有變頻器的通訊控制，同時采集變頻器、行程開關、吊重等狀態(tài)信息并存儲于數(shù)據(jù)塊中；上位機主動讀取PLC的程序數(shù)據(jù)塊進行顯示、存儲、診斷等。其中PLC采用西門子S7-300/400系列時利用STEP 7軟件開發(fā)，因多臺吊車多個機構的動作均可以簡化為電機的不同速度正反轉旋轉，控制功能相同，PLC編程時可采用多重背景功能塊和多重背景數(shù)據(jù)塊，可使程序結構清晰、調用簡單，調試方便；由于PLC主程序的掃描速度非?？?，掃描周期一般不超過100 ms，因此對于控制系統(tǒng)中的實時性要求高的數(shù)字量和變化不快的模擬量應區(qū)別對待，不僅可以降低PLC不必要的負荷，還可以大大減小上位機的數(shù)據(jù)存儲量。上位機選擇工控機時，需要加裝CP5611網(wǎng)卡以接入Profibus-DP網(wǎng)，并利用西門子組態(tài)軟件WinCC開發(fā)相應的監(jiān)控程序[9]；上位機如果選擇觸摸屏，則無需網(wǎng)卡可以直接通過DP插頭接入現(xiàn)場總線，監(jiān)控程序通過西門子ProTool或WinCC Flexiable軟件開發(fā)即可[10]。監(jiān)控軟件開發(fā)一般經(jīng)過需求分析、設計說明、詳細設計、系統(tǒng)測試等工程化環(huán)節(jié)[11]，合格后可以交付使用。通過PLC控制、上位機操作，不僅可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)吊車操作，還可以在上位機上開發(fā)強大的多臺吊車監(jiān)控功能，如實現(xiàn)趨勢顯示、狀態(tài)提醒、行程預警、自動定位運行、故障診斷等功能，還可以通過上位機向上一級監(jiān)控中心上傳全部監(jiān)控數(shù)據(jù)。多臺吊車共用控制系統(tǒng)的監(jiān)控軟件只需一套且集中一處安裝，可以有效避免多臺吊車多處安裝時產(chǎn)生的軟件版本錯誤、參數(shù)設置錯誤等不利問題發(fā)生，提高設備操作可靠性。

5 結論

本文提出了多臺吊車共用控制系統(tǒng)設計思想，在采用Profibus-DP現(xiàn)場總線協(xié)議基礎上，設計了2種基于上位機和西門子PLC的共用變頻調速控制系統(tǒng)模型，并說明了系統(tǒng)控制網(wǎng)絡的結構組成、參數(shù)配置方法及監(jiān)控程序的開發(fā)過程。實際應用表明基于現(xiàn)場總線的共用變頻調速控制系統(tǒng)網(wǎng)絡擴展性好，在保證吊車工作安全性和可靠性前提下可以實現(xiàn)多臺吊車的軟硬件資源共享，節(jié)約系統(tǒng)初期建設成本和后期維護保養(yǎng)費用，提高設備安全運行效率和自動化信息化程度。

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