岸邊橋式集裝箱起重機(jī)PLC程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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1、本文以外高橋四期集裝箱碼頭的岸邊橋式集裝箱起重機(jī)（簡(jiǎn)稱岸橋）設(shè)計(jì)為例，介紹了應(yīng)用西門子公司的S7-400系列PLC進(jìn)行岸橋PLC程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。對(duì)部分重要的子程序的編寫進(jìn)行了詳細(xì)分析，包括起重機(jī)主要機(jī)構(gòu)的程序，輔助機(jī)構(gòu)的程序。對(duì)于程序調(diào)試時(shí)所遇到的程序的統(tǒng)一性問題，本文也進(jìn)行了分析并提出了解決的辦法。最終，文章還對(duì)該P(yáng)LC程序的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析與比較。 ? 關(guān)鍵詞：岸橋，PLC ? THE DESIGN AND IMPLEMENTATION OF QUAY SIDE CONTAINER CRANE PLC PROGRAM? Abstract? With the example

2、of Quay Side Container Crane design for WAIGAOQIAO 4th container terminal, this article introduced the design and implementation of Quay Side Container Crane PLC program . It base on the hardware product of SIEMENS, which is S7 series PLC. It is analysed that how to write the program in such sub-pro

3、gram, like the program for main motion mechanical system, auxiliary system. For the problem met during the field commission, which is dealing with different data between different cranes in one program, it is been analysed and solved at last. At the end of the article, the virtues and shortness of t

4、he PLC program for this project is also been analysed. ?KEY WORDS: Quay Side Container Crane, PLC 1.?? 概述 由于PLC控制系統(tǒng)可靠，方便等特點(diǎn)，其已在集裝箱起重機(jī)上廣泛使用，目前已取代了早期的繼電器控制回路系統(tǒng)。同時(shí)由于總線系統(tǒng)的發(fā)展，PLC所需采集的各類開關(guān)，傳感器信號(hào)可以通過遠(yuǎn)程I/O站實(shí)現(xiàn)，大大節(jié)省了電纜布線成本，也節(jié)約了故障查詢時(shí)間。本文主要闡述的就是岸橋控制系統(tǒng)的核心內(nèi)容設(shè)計(jì)：岸橋PLC程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 在這套系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的主要元件PLC是采用了SIEMEN

5、S公司的S7-400作為PLC主站，ET200作為遠(yuǎn)程模塊站。整個(gè)系統(tǒng)通過PROFIBUS總線將PLC主站與各遠(yuǎn)程模塊站及控制傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的變頻器相連，見如下單線圖1-1所示： ?圖1-1：以PLC為核心的岸橋電氣控制系統(tǒng)圖 ? 圖1-1中，S7-400 PLC是整個(gè)系統(tǒng)的核心所在，它有兩個(gè)PROFIBUS總線接口，一條總線連接所有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)變頻器（變頻器由整流器與逆變器組成），這樣一來變頻器所需要的命令，運(yùn)行狀態(tài)的反饋等信號(hào)均可以通過PROFIBUS通訊來實(shí)現(xiàn)。另一條總線則連接所有的I/O遠(yuǎn)程站，實(shí)現(xiàn)采集信號(hào)和輸出信號(hào)，大大節(jié)約了布線。PLC同時(shí)也帶有以太網(wǎng)接口，可以方便的與計(jì)算機(jī)連接，

6、這樣一來工程技術(shù)人員可以通過計(jì)算機(jī)的人機(jī)界面來監(jiān)控岸橋的運(yùn)行，同時(shí)該計(jì)算機(jī)也可以作為編程器，用來配置PLC硬件，修改PLC程序。 ? 2.?? 岸橋PLC程序編寫 對(duì)岸橋的PLC系統(tǒng)來說，其需要控制的內(nèi)容有岸橋的起升, 大車, 小車, 俯仰這四個(gè)主要機(jī)構(gòu)的運(yùn)行與輔助機(jī)構(gòu)的運(yùn)行，四個(gè)主要機(jī)構(gòu)都有相同的運(yùn)行過程，如下圖2-1所示： ? ??????????????????????圖2-1：岸橋主要機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程 ? 因此在這過程中的“是否滿足運(yùn)行條件”與“是否存在減速命令”是編寫岸橋PLC程序所必須清楚的情況，我們?cè)谶@里必須通過工況分析，有了清楚的了解之后，才能正確的編寫程序。

7、以下我們將以起升機(jī)構(gòu)為例，對(duì)工況進(jìn)行詳細(xì)的分析。 2.1. 岸橋起升機(jī)構(gòu)工況分析 2.1.1.?? 岸橋起升機(jī)構(gòu)的組成 起升機(jī)構(gòu)的主要作用是通過鋼絲繩與吊具上的滑輪將吊具作上下的移動(dòng)。當(dāng)?shù)蹙叩趿思b箱之后，集裝箱就可以通過起升機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)，比如將集裝箱從船艙或集裝箱卡車上提取。起升機(jī)構(gòu)的組成除了吊具與鋼絲繩之外，還包括兩套并行連接的機(jī)械傳動(dòng)裝置，每套傳動(dòng)裝置的組成如圖2-2所示：有一個(gè)交流電機(jī)聯(lián)接一個(gè)減速箱。在電機(jī)與減速箱之間的主軸上裝有一個(gè)液壓推桿盤式制動(dòng)器。電機(jī)非驅(qū)動(dòng)側(cè)出軸安裝有測(cè)速編碼器和超速開關(guān)。在卷筒的一側(cè)出軸上裝有一個(gè)凸輪限位開關(guān)。 ? ?圖2-2：起升傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組

8、成 2.1.2.? 岸橋起升機(jī)構(gòu)的運(yùn)行控制 起升機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程控制如下： l???????? PLC采集司機(jī)發(fā)出的運(yùn)行指令及速度給定指令。 l???????? 通過PLC程序進(jìn)行邏輯判斷，判斷是否滿足“運(yùn)行允許”的情況。 l???????? 如果PLC程序邏輯判斷滿足“運(yùn)行允許”的情況，接下來要進(jìn)行的就是起升速度的處理，其處理如下： n???????? 如果不存在減速運(yùn)行命令，則傳動(dòng)機(jī)構(gòu)按司機(jī)給定的速度運(yùn)行。 n???????? 如果PLC收到減速運(yùn)行信號(hào)，PLC則將速度處理為司機(jī)給定速度的10%。 l???????? 最終，PLC需將這些運(yùn)行命令，運(yùn)行速度通過PROFIBUS總

9、線傳輸給變頻器，變頻器帶動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)起升機(jī)構(gòu)的運(yùn)行。 2.2. 程序編寫 2.2.1.? Symbol表的編寫 在編寫PLC程序之前，對(duì)于I/O 變量, 由于其在原理圖上已定義, 我們可以先將其在SYMBOLS中輸入。 ? 圖2-1：SYMBOLS表 ? 2.2.2.? 岸橋起升運(yùn)行程序 下面我們以起升機(jī)構(gòu)為例, 編寫一段岸橋起升運(yùn)行程序。 ? 步驟一：編寫“起升允許”程序。我們編寫的“起升允許”程序如下圖2-2所示： ? ??? ???????????????????????????? 圖2-2：編寫 “起升允許”程序 ? 步驟二：編寫“起升命令控制”

10、程序。當(dāng)起升機(jī)構(gòu)滿足了“起升允許“，PLC就可以發(fā)出起升向上/下的命令。如圖2-3所示： ? ?? 圖2-3：起升運(yùn)行命令 ? 步驟三：編寫“起升速度的控制”程序。在這段程序中：當(dāng)司機(jī)在駕駛室把控制電源合上，并發(fā)出起升命令，如果有減速命令存在，則將給定值變?yōu)樵瓉淼?0%，程序如下圖2-4所示。 ? ????? 圖2-4：速度給定信號(hào)處理 ? 步驟四：編寫“起升命令與速度控制”程序。以上的程序完成了岸橋起升運(yùn)行的命令和速度給定的產(chǎn)生，最終我們就是要將這命令與速度給定通過PROFIBUS總線傳輸給變頻器，如圖2-6是調(diào)用了西門子公司功能塊庫中的一個(gè)PROFIBUS數(shù)據(jù)傳送

11、功能塊PCD_SEND，用來傳送數(shù)據(jù)塊DB123中的16個(gè)字。。 ? 圖2-5升命令與速度控制? ???????圖2-6總線數(shù)據(jù)傳輸 ? 2.2.3.?? 岸橋主要機(jī)構(gòu)程序?qū)?yīng)的功能FC（Function） 以上分析了岸橋起升機(jī)構(gòu)的程序編寫，與起升機(jī)構(gòu)的程序類似, 岸橋的大車, 小車, 俯仰機(jī)構(gòu)程序也要處理運(yùn)行允許, 命令與速度給定，數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。為了使整個(gè)項(xiàng)目程序結(jié)構(gòu)清晰，我們將各個(gè)功能細(xì)分，如下圖3-14所示是：主要機(jī)構(gòu)運(yùn)行控制的功能FC，以及用于命令與速度給定傳輸?shù)腜ROFIBUS總線數(shù)據(jù)傳輸功能塊FB： ? 圖2－7：岸橋主要機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)功能FC ? 這些功能

12、FC的作用如下： l???????? FB22?? 起升/大車1#變頻器PROFIBUS總線數(shù)據(jù)傳輸 l???????? FB23?? 起升/大車2#變頻器PROFIBUS總線數(shù)據(jù)傳輸 l???????? FB24?? 小車/俯仰變頻器PROFIBUS總線數(shù)據(jù)傳輸 l???????? FC31? 起升運(yùn)行控制 l???????? FC41? 大車運(yùn)行控制 l???????? FC51? 小車運(yùn)行控制 l???????? FC61? 俯仰運(yùn)行控制 2.2.4.?岸橋輔助機(jī)構(gòu)的運(yùn)行程序 在岸橋上還有一些輔助機(jī)構(gòu)需由PLC程序來控制。這些功能FC如下圖2-8所示： ? 圖2-8

13、：輔助機(jī)構(gòu)控制 ? 這些功能FC的作用如下： l???????? FC12? 投光燈，空調(diào)的啟動(dòng)，停止控制。 l???????? FC13? 風(fēng)速處理：當(dāng)風(fēng)速達(dá)到警報(bào)值時(shí)發(fā)出信號(hào)。 l???????? FC16? 指示燈顯示：控制各個(gè)操作站的指示燈。 l???????? FC34? 起升編碼器位置處理：判斷起升上下的停止，減速位置等。 l???????? FC36? 負(fù)載重量處理：判斷負(fù)載是否超過額定。 l???????? FC54? 小車編碼器位置處理：判斷小車前后的停止，減速位置等。 l???????? FC63? 俯仰編碼器位置處理：判斷俯仰上下的停止，減速位置

14、等。 l???????? FC71? 吊具控制：吊具在起吊集裝箱時(shí)的控制，如吊具鎖頭的開閉功能。 ? 結(jié)合岸橋主要機(jī)構(gòu)，輔助機(jī)構(gòu)控制的功能FC，以及PROFIBUS總線通訊數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ軌KFB等，完成了岸橋PLC程序的設(shè)計(jì)。 ? 3.?? PLC程序的統(tǒng)一性問題 3.1. PLC程序統(tǒng)一性問題的發(fā)現(xiàn) 在岸橋的PLC程序編寫完成后，我們隨即在岸橋上進(jìn)行了調(diào)試，由此發(fā)現(xiàn)了程序的統(tǒng)一性問題，該問題是這樣的：我們所進(jìn)行的這個(gè)項(xiàng)目有12臺(tái)岸橋，在岸橋上，有些數(shù)據(jù)的定義需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況來定義，舉一簡(jiǎn)單的例子： 比如小車機(jī)構(gòu)位置編碼器的零位數(shù)據(jù)OFFSET，對(duì)于調(diào)試的第一臺(tái)岸橋，

15、我們可以很容易加以這樣定義：將小車機(jī)構(gòu)行駛到最后面的終點(diǎn)位置，讀出小車在該位置時(shí)位置編碼器的讀數(shù)，以此作為小車機(jī)構(gòu)位置編碼器的零位數(shù)據(jù)OFFSET。但我們?cè)谡{(diào)試第二臺(tái)岸橋時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于機(jī)械安裝的誤差，第二臺(tái)小車機(jī)構(gòu)行駛到最后面的終點(diǎn)位置時(shí)，讀出的小車位置編碼器讀數(shù)與第一臺(tái)岸橋的數(shù)值不相同。也就是說，我們必須將第二臺(tái)岸橋的小車機(jī)構(gòu)位置編碼器的零位數(shù)據(jù)OFFSET設(shè)置成不一樣的數(shù)據(jù)。 與此有相同問題的數(shù)據(jù)還有諸如重量傳感器的比例系數(shù)，小車自動(dòng)停車時(shí)停車位置點(diǎn)，俯仰機(jī)構(gòu)的上升終點(diǎn)位置等等。這些問題都產(chǎn)生了一個(gè)后果，調(diào)試結(jié)束后每臺(tái)岸橋都有對(duì)應(yīng)的PLC程序，彼此之間不統(tǒng)一。 3.2. 解決PLC程序統(tǒng)

16、一性問題的分析 分析這個(gè)問題，我們?cè)O(shè)想了以下解決問題的方法： n???????? 我們可以增加設(shè)計(jì)這樣一段解決問題的“岸橋編號(hào)識(shí)別”程序：首先讓各臺(tái)岸橋編號(hào)：比如岸橋1，岸橋2。。。。。。岸橋12，PLC程序運(yùn)行“岸橋編號(hào)識(shí)別”程序來判定該岸橋的編號(hào)，如果是岸橋1，“岸橋編號(hào)識(shí)別”程序就執(zhí)行將岸橋1的數(shù)據(jù)裝載到一“共用數(shù)據(jù)塊”。 “岸橋編號(hào)識(shí)別”執(zhí)行完畢后，我們所需要的數(shù)據(jù)都在這“共用數(shù)據(jù)塊”中，之后PLC在程序運(yùn)行時(shí)，如需要用到那些各臺(tái)岸橋有差異的數(shù)據(jù)，就可以從該“共用數(shù)據(jù)塊”中讀取所需要的數(shù)據(jù)。整個(gè)過程如圖3-1所示： ??????????? 圖3-1：“岸橋編號(hào)識(shí)別”程序

17、? 3.3. PLC程序統(tǒng)一性問題的處理 有了以上的思路，接下來我們就著手開始解決這個(gè)PLC程序統(tǒng)一性問題： l???????? 第一步：對(duì)岸橋進(jìn)行編號(hào)： 將岸橋定義為岸橋1# 至岸橋12# ，但是如果要讓PLC能夠識(shí)別這些編號(hào)，那么我們必須設(shè)置輸入信號(hào)送給PLC，我們利用了一個(gè)備用的輸入字節(jié)IB256來定義岸橋的編號(hào)，在PLC系統(tǒng)的硬件輸入上，我們按此定義對(duì)各臺(tái)岸橋接入高電平，每臺(tái)岸橋不同，如下圖3-2所示： ? ???????? 位（BIT） ? 岸橋編號(hào) ? 7 ? 6 ? 5 ? 4 ? 3 ? 2 ? 1 ? 0 岸橋1# 0

18、 0 0 0 0 0 0 1 岸橋2# 0 0 0 0 0 0 1 0 岸橋3# 0 0 0 0 0 0 1 1 岸橋4# 0 0 0 0 0 1 0 0 岸橋5# 0 0 0 0 0 1 0 1 岸橋6# 0 0 0 0 0 1 1 0 岸橋7# 0 0 0 0 0 1 1 1 岸橋8# 0 0 0 0 1 0 0 0 岸橋9# 0 0 0 0 1 0 0 1 岸橋10# 0 0 0 0 1 0 1 0 岸橋11#

19、0 0 0 0 1 0 1 1 岸橋12# 0 0 0 0 1 1 0 0 圖3-2：對(duì)岸橋進(jìn)行編號(hào) ? ? l???????? 在程序中為每臺(tái)岸橋設(shè)置一個(gè)DB數(shù)據(jù)塊（DATABASE），分別為DB201~DB212，分別對(duì)應(yīng)岸橋1~12的數(shù)據(jù)，如下圖3-3所示： ? 圖3-3：岸橋1~12數(shù)據(jù)塊 ? l???????? 編寫“岸橋編號(hào)識(shí)別”程序：創(chuàng)建一功能FC74用于處理不同岸橋編號(hào)識(shí)別，然后將對(duì)應(yīng)岸橋的數(shù)據(jù)塊DB20X數(shù)據(jù)傳輸給一共用數(shù)據(jù)塊DB74。如下圖3-4所示：當(dāng)岸橋編號(hào)CRANEID是2的時(shí)候，將岸橋2的數(shù)據(jù)塊DB202的44個(gè)字

20、節(jié)傳輸?shù)焦灿脭?shù)據(jù)塊DB74中。 ? 圖3-4：“岸橋編號(hào)識(shí)別”程序 ? l???????? PLC讀取共用數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)：PLC可以任意讀取共用數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)就是對(duì)應(yīng)相應(yīng)岸橋的數(shù)據(jù)，如下圖3-5所示程序： ? 圖3-5：讀取“共用數(shù)據(jù)塊DB74”數(shù)據(jù)程序 ? 由此，我們通過程序的修改完全解決了PLC程序統(tǒng)一性的問題，使該P(yáng)LC程序更加完善，可靠。 4.?? 應(yīng)用與結(jié)果分析 4.1. PLC程序在岸橋上的應(yīng)用情況 4.1.1.? 實(shí)際應(yīng)用情況 我們將該P(yáng)LC程序應(yīng)用于外高橋四期集裝箱碼頭前六臺(tái)岸橋設(shè)備（整個(gè)項(xiàng)目共十二臺(tái)）六臺(tái)岸橋開始投入使用并成功地使用至

21、今，根據(jù)碼頭工程部工程師的反映，該程序運(yùn)行得非常可靠，從未出現(xiàn)過由于程序原因造成的故障，而且整個(gè)程序運(yùn)行速度快，思路清晰，易于理解，變量名通俗易記，對(duì)岸橋的監(jiān)控，故障查詢方便。同時(shí)，由碼頭合資方馬士基船務(wù)公司聘請(qǐng)的外方咨詢公司對(duì)該程序也進(jìn)行了鑒定并予以肯定。 4.2. 與其他岸橋PLC程序的比較 在本程序的開發(fā)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中，我們也參考比較了GE，ABB等一些著名電控供應(yīng)商的岸橋PLC程序：相比而言，我們的PLC程序有如下優(yōu)點(diǎn)： l???????? 合理地采用主程序調(diào)用子程序的結(jié)構(gòu)，這樣的好處是： n???????? 整個(gè)程序思路清晰：各個(gè)主要機(jī)構(gòu)的控制，各個(gè)輔助機(jī)構(gòu)的控制，都有相應(yīng)的子

22、程序，即功能FC來實(shí)現(xiàn)。最終這些功能FC在主程序OB1中調(diào)用。 n???????? 對(duì)岸橋的監(jiān)控方便，快捷：用戶如果想查找到監(jiān)控的某一裝置，比如需查看指示燈，那只要找到“指示燈”這一功能FC，將其打開，不用花很多時(shí)間就能找到，大大縮短了查找時(shí)間。 l???????? 整個(gè)程序的變量名采用縮寫，通俗易懂，加上變量附帶的注釋，方便了碼頭工程人員對(duì)程序的掌握，而且工程人員很容易記住一些常用的變量名，如起升上升允許的變量命是HUPPRM是HOIST UP PERMIT的縮寫，在熟悉了變量名后，可利用PLC軟件SIMATIC MANAGER自帶的查找功能（GO TO LOCATION），很快找到該變量對(duì)應(yīng)的程序行，進(jìn)一步縮短查找時(shí)間。 l???????? 程序的編寫采用PLC特有的“梯形圖”語言，十分直觀?！疤菪螆D”語言是一種類型繼電器圖紙表示方法的語言，對(duì)電氣工程技術(shù)人員來說具有親切感，看程序就象查看原理圖一樣，更容易理解。 l???????? 整個(gè)程序簡(jiǎn)潔，實(shí)用，使用嵌套少。在程序編寫思想上較多地考慮利于用戶監(jiān)控， 查找與理解，而不是單純從我們?cè)鯓泳帉懛奖愕慕嵌瘸霭l(fā)。