劉新航　張宇

摘要：塔式起重機是建筑行業(yè)中廣泛使用的重要設備之一。很大一部分塔式起重機仍使用傳統(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，但動作時有沖擊，加上起重機是一種頻繁起停的位能性承載設備，使得這種控制系統(tǒng)壽命一般都比較短，維護投入大；此外這種控制系統(tǒng)致命的缺點是無法進行數(shù)據(jù)運算[1]。本文基于一臺塔式起重機系統(tǒng)，對該系統(tǒng)的電氣控制的實現(xiàn)，進行設計、軟硬件配置及系統(tǒng)功能方面的詳細闡述。

關鍵詞：PLC 冗余 Profibus-DP 組態(tài)王

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2015）04-0008-01

1 引言

塔式起重機是承載貴重物品的塔式起重機，是對電氣控制系統(tǒng)的工作精度和可靠性以及運行時的平穩(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、環(huán)保、節(jié)能的高度自動化系統(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)生中斷的單元自動切換到備用單元的方法實現(xiàn)系統(tǒng)的不中斷工作，通過部件的冗余實現(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CPU故障的狀態(tài)下，實現(xiàn)無擾切換。

2 設備構成

該塔式起重機安裝在距離地面約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，動作快速平穩(wěn)，在任何時刻都不能停機，并且需要具備程控和本地控制兩種方式，同時配有視頻監(jiān)控和本地操作單元。塔式起重機由五個機構組成，分別是主起升、副起升、旋轉(zhuǎn)、變幅和配重系統(tǒng)，每個機構均為多檔位控制，且采用兩臺同規(guī)格變頻器進行熱備。基本控制模式分為自動和手動兩種，自動模式下，根據(jù)起升機構吊裝的載荷以及所處的位置，配重機構隨之調(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支持冗余連接的遠程站IM153-2，以及1臺電力監(jiān)測儀和10臺Vacon變頻器。需要指出的是，這里的S7-400H冗余系統(tǒng)的IO擴展采用的是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擴展模塊，通過在DP/DP Coupler上的地址分配（在硬件上通過撥碼設置），以達到以較低成本完成S7-400H冗余系統(tǒng)的擴展模塊冗余的目的[3]。設備層之間的通訊采用Profibus-DP冗余鏈路，關聯(lián)的設備包括工控機、CPU、本地從站、遠程從站、電力監(jiān)測儀表、驅(qū)動變頻器和五臺近控箱接駁點。設備層數(shù)據(jù)經(jīng)由工業(yè)交換機，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手動/程序控制（臺控手動/程控）和近控制點控制（近控），由控制臺上的按鈕進行選切。近控模式基于吊裝貴重物品時，操作人員應處于最佳觀測點操作的理念，分別在建筑物本地的一層、六層、七層、八層和九層設五個近控接駁點。操作人員手持近控盒（SIMATIC MP177），將連接線與接駁點連接，站在接駁點附近的觀測點上，進行手動控制。當近控盒連接到接駁點上后，操作臺對其進行確認并使能該近控盒的控制功能，并封鎖其他接駁點。出于安全層面的考慮，近控模式中，主副起升機構的運行檔位僅為五檔。在臺控手動模式下，吊裝系統(tǒng)所有的動作均由操作臺的按鈕來實現(xiàn)。除了整個系統(tǒng)的運行狀態(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。在臺控程控模式下，吊裝系統(tǒng)的動作通過選擇軟件中預設的任務組自動執(zhí)行。預設組可以由有權限的使用者進行添加、修改、保存和執(zhí)行，在選擇預設組后，在預覽窗口中出現(xiàn)相應的動作預覽。

3.2 驅(qū)動系統(tǒng)

塔式起重機作為一種搬運與起升設備，對起升機構的要求是：起、停運行平穩(wěn)，不溜鉤，能夠空鉤高速運行，以便提高效率。回轉(zhuǎn)機構具有較大的慣性沖擊，啟動過快造成的沖擊大，停車和打反轉(zhuǎn)都不允許過快過急，否則不僅運轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，還會損壞機構[4]。為了保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，本系統(tǒng)采用Vacon變頻器作為驅(qū)動單元，并且每一機構均采取一運一備的配置方式。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，并且其特有的機械抱閘應用宏允許變頻器在四個象限工作、200%力矩起動，且起動次數(shù)頻繁，完全滿足本系統(tǒng)的要求。所有機構均采用編碼器測量與限位點測量相結合的方式，配合負載的重量反饋，在自動模式下進行聯(lián)動，保證吊裝系統(tǒng)的安全。

4 結語

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

參考文獻

[1]張禮華.PLC在塔式起重機電氣控制上的應用[J].南京工業(yè)職業(yè)技術學院學報，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)中的應用[J].電氣開關，2007.