陳憶文 （19-）
男，湖南湘潭人，學(xué)士學(xué)位，電氣工程師，現就職于西門(mén)子工廠(chǎng)自動(dòng)化工程有限公司上海分公司起重機部門(mén)，從事電氣設計與調試工作。

摘要：西門(mén)子在起重機的發(fā)展中逐漸形成了對起重機電氣控制的一整套解決方案，本文介紹新一代的西門(mén)子起重機電氣控制系統及其在橋吊中的的應用。

關(guān)鍵詞：SIMOCRANE；橋吊；主從控制；起升系統；行走系統；軸；工藝

Abstract: During the progress of cranes development, Siemens makes a series solution 
to improve its capability. This paper introduces a new electrical control system of crane
 designed by Siemens and its application for STS.

Key words: SIMOCARNE; STS; Master-slave control; Hoisting system; Moving system; 
Axes; Technology

1 概述

    在經(jīng)濟全球一體化的時(shí)代，在生產(chǎn)規模不斷擴大的時(shí)代，在物資轉運越來(lái)越頻繁的時(shí)代，起重機發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越重要的作用，對起重機的性能也提出了越來(lái)越高的要求。在起重機的發(fā)展歷程中，西門(mén)子一直是起重機電氣控制系統的引領(lǐng)者和行業(yè)標準的制定者。隨著(zhù)對起重機系統性能要求日益提高，西門(mén)子開(kāi)發(fā)了一套全新的起重機電氣控制系統—SIMOCRANE。該系統沿襲了以往控制系統業(yè)已成熟的結構模式，主要由供電系統、起升系統、行走系統（小車(chē)機構，大車(chē)機構）等組成,但電氣控制系統發(fā)生了較大的改進(jìn)，由PLC+SIMOTION+drive控制模式代替了原來(lái)的PLC+drive控制模式，SIMOTION可以直接控制驅動(dòng)器，且控制速度比PLC快了一個(gè)數量級，這使得驅動(dòng)器可以更快速地跟蹤控制命令，控制器也可以更實(shí)時(shí)地監視系統運行狀態(tài)。西門(mén)子還開(kāi)發(fā)了與該系統配套的輔助系統，可以無(wú)縫集成在主系統中，比如運用在橋吊和卸船機中的防搖系統。

    本文以西門(mén)子在上海振華港機Antwerp項目港口起重機的電氣控制系統為例介紹新系統的構成以及在STS中的應用。

2 系統構成

2.1 硬件構成

    系統主要由PLC、SIMOTION D、CF卡、SINAMICS、ET200、DP通訊線(xiàn)路等構成。由于對驅動(dòng)器的控制部分功能轉移到了SIMOTION D，對PLC的要求大大降低。SIMOTION基本上處理了與驅動(dòng)器有關(guān)的所有功能，PLC主要處理外圍設備的功能和起重機的整體運行。PLC與SIMOTION D之間通過(guò)DP通訊交換信息，而SIMOTION與SINAMICS或者集成在一起，或者通過(guò)SIMOTION整合的內部通訊系統DRIVE-CLiQ交換信息。PLC與驅動(dòng)器SINAMICS之間不再直接交換信息，而是通過(guò)SIMOTION D進(jìn)行。圖1為Antwerp項目STS硬件組態(tài)圖，主系統使用了1個(gè)CPU 319F，變頻器的直流供電模塊ALM（站號40）和SIMOTION D435（站號44，45）以及其它一些外圍設備通過(guò)PROFIBUS總線(xiàn)掛接。

    SIMOTIN D系統的組態(tài)如圖2所示，集成了一個(gè)SINAMICS_Integrated再掛接了兩個(gè)SIMOTION_CX32驅動(dòng)控制器。掛接驅動(dòng)器的數量根據起重機的需要而定。在A(yíng)ntwerp項目中使用了8個(gè)驅動(dòng)器，因此使用了三臺驅動(dòng)控制器。

    CF卡中包含了固件版本信息和起重機專(zhuān)用功能以及其它相關(guān)功能的授權：

    SIMOTION MultiAxes（適用于運動(dòng)控制）；

    SIMOTION IT（適用于網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器的遠程診斷和起重機專(zhuān)用功能）；

    SIMOTION Crane Basic Technology(用于“crane DCC-Library”中的功能)。

    SIMOCRANE系統只有在安裝這些授權的情況下才能正常運行。

2.2 軟件構成

    PLC和SIMOTION D中都已采用結構化程序模式，不同的機構對應各個(gè)程序塊。用戶(hù)可按照自己的需要和習慣來(lái)編寫(xiě)PLC中的程序，并通過(guò)程序與SIMOTION交換數據，從而達到向SIMOTION的下達驅動(dòng)的動(dòng)作命令和速度設定值信息，并從SIMOTION取得驅動(dòng)的實(shí)時(shí)信息。

                                   圖1   STS硬件組態(tài)圖

                                    圖2   SIMOTION D系統組態(tài)圖

    SIMOTION D把起重機的控制劃分成幾個(gè)子部分，每一個(gè)部分負責起重機的一個(gè)機構。各個(gè)機構分別是：起升機構(Hoist)，小車(chē)(Cross Travel），大車(chē)(Long Travel)，俯仰機構(Boom)，支撐/開(kāi)閉機構(Holding and Closing Gear)，回轉機構(Slewing Gear)。各個(gè)機構程序的主要功能體現在二個(gè)函數庫中：Crane DCC-Library (與驅動(dòng)相關(guān))和Crane FB-Library(與流程控制相關(guān))。根據不同用途的起重機組合使用各個(gè)機構，比如STS中就使用了起升、小車(chē)、大車(chē)、俯仰四個(gè)機構，而RMG（軌道吊）中只須使用起升、小車(chē)、大車(chē)三個(gè)機構。

    各個(gè)機構的程序結構基本如下：由三個(gè)函數組成，一個(gè)函數進(jìn)行PLC與SIMOTION  D之間的信息交換，一個(gè)函數進(jìn)行SIMOTION與SINAMICS之間的信息交換，還有一個(gè)函數進(jìn)行信息處理。

3 硬件系統組態(tài)

3.1 PLC的組態(tài)

    在硬件組態(tài)視窗中選擇一個(gè)需要的PLC CPU模塊，例如Antwerp項目選擇CPU 319F模塊，插入相應的I/O模塊，然后構建一個(gè)由PROFIBUS總線(xiàn)組成的系統，再把需要使用的外部設備及其I/O模塊掛接在總線(xiàn)上，將SIMOTION D及其組件組態(tài)為一個(gè)DP智能從站。圖3所示為Antwerp項目硬件組態(tài)，從中可以看到，這個(gè)系統除CPU及其包括擴展的I/O模塊（ET200）和組態(tài)好的SIMOTION D站外，還有絕對值編碼器、高壓信息檢測表、起重機狀態(tài)信息顯示表、重量測量系統、總線(xiàn)信息交換器等設備。

                                   圖3   硬件組態(tài)示意圖

3.2 SIMOTION D的組態(tài)

    SIMOTION D的組態(tài)過(guò)程是先組態(tài)SINAMICS控制器，然后組態(tài)SINAMICS驅動(dòng)軸，最后組態(tài)SIMOTION工藝軸。下面以Antwerp項目驅動(dòng)器的設置為例進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明：在SCOUT軟件中，如圖4(a)所示，先在控制器SINAMICS下插入驅動(dòng)器（Insert drive）,然后按照提示一步一步對驅動(dòng)器的類(lèi)型（伺服還是矢量），控制模式，所接入的電機型號，所接入的編碼器型號，通訊格式等進(jìn)行設置。設置好后系統會(huì )生成一個(gè)完整的驅動(dòng)系統。然后，按此步驟設置好其它的驅動(dòng)系統。每一個(gè)SINAMICS控制器最多可以配置4個(gè)驅動(dòng)。在A(yíng)ntwerp項目中總共使用了三個(gè)SINAMICS控制器，一個(gè)是集成在SIMOTION D中的，另兩個(gè)通過(guò)DRIVE-CLiQ接入SIMOTION D控制器。這三個(gè)控制器總共配置了八個(gè)驅動(dòng)軸，如圖4(b)所示為其中的一個(gè)控制器配置的三個(gè)驅動(dòng)軸。配置好后可以通過(guò)SINAMICS下的Topology查看該控制器及其所連接的設備的拓撲結構圖。
        

                 (a)                                                 (b)
     
 
                 (c)                                                 (d)

                                  圖4   SIMOTION D 組態(tài)示意圖

    驅動(dòng)軸配置好后再配置工藝軸，將配置好的驅動(dòng)都連接到適當的工藝軸上，SIMOTION通過(guò)對工藝軸的控制來(lái)控制驅動(dòng)。如圖4(c)所示，在A(yíng)XES下插入軸（Insert axis）,然后選擇控制模式（速度、位置、同步），然后按照提示一步一步設置軸的類(lèi)型（直線(xiàn)軸還是旋轉軸）（電氣軸、壓力軸還是虛軸），電機類(lèi)型（標準電機還是直線(xiàn)電機），軸測量系統所使用的單位（如長(cháng)度m、mm、km、ft等，時(shí)間s、min、h等，加速度m/s等，加加速度，角度等），編=碼器測量方式，選擇驅動(dòng)軸，通訊格式，使用哪個(gè)編碼器及編碼器類(lèi)型等。設置好后一個(gè)軸就配置好了。注意在這個(gè)配置之后有些內容在配置結束以后是不能更改的，例如控制模式，編碼器測量方式。如果一定要改，只能刪掉工藝軸并重新配置。在A(yíng)ntwerp項目中總共配置了八個(gè)工藝軸軸，如圖4(d)所示。在SIMOTION D中，還可以設置其它工藝軸。例如實(shí)現主-從控制的軸。

4 控制結構

    工藝軸配置好后，下一步就是如何控制這些軸。只要這些軸按照要求動(dòng)作，就完成了起重機的相關(guān)功能。例如對起升工藝軸的控制就完成了起升功能。下面看看工藝軸的結構。

    每一個(gè)工藝軸都對應一個(gè)MCC單元和DCC單元。每一個(gè)MCC 單元中都具有兩個(gè)MCC程序。一個(gè)程序執行周期較長(cháng)，它和PLC通訊；另一個(gè)程序執行周期較短，它和SINAMICS通訊，并設一個(gè)單獨的MCC單元對當前軸的狀態(tài)進(jìn)行監控。在這些程序中，根據控制的需求調用庫“Crane FB-Library”中的功能塊。

    除了小車(chē)、大車(chē)和主從力矩控制中的從機，所有工藝軸的結構基本相同。但不管怎樣都是在MCC 程序中調用其他功能塊（庫中的功能塊），且調用結構形式相同。下面以在A(yíng)ntwerp項目中起升和大車(chē)的單元結構為例進(jìn)行說(shuō)明。

                                    圖5   慢周期起升機MCC程序結構

                                     圖6   慢周期大車(chē)機構MCC程序結構

    圖5所示為慢周期起升機構MCC程序的結構，圖6所示為慢周期大車(chē)機構MCC程序的結構?？梢钥闯?，兩個(gè)單元結構略有不同。

    各功能塊的作用：

    Receive S7: 從SIMATIC S7接收數據。這些數據會(huì )在DCC中進(jìn)一步處理。

    Control Axis: 設置驅動(dòng)對象和工藝對象中的控制字和狀態(tài)字。

    Traction Control: 讀取電機編碼器和外部編碼器的實(shí)際速度。其結果在DCC中繼續處理。

    Operation Mode: 管理操作模式和執行運動(dòng)指令。

    Error Priority: 讀取工藝對象、驅動(dòng)對象和功能塊的故障和報警。

    Send S7: SIMOTION發(fā)送數據到SIMATIC S7。

    圖7為快周期各機構MCC程序的結構，各個(gè)機構的單元結構都是一樣的。

    各功能塊的作用：

    Receive Sinamics: 讀取驅動(dòng)器的數據到SIMOTION。

    Send to Sinamics: SIMOTION發(fā)送數據到驅動(dòng)器。

    DCC單元的功能：根據各種條件計算速度、加速度、計算最終發(fā)送到驅動(dòng)器的數據。

                                    圖7   快周期各機構MCC程序結構

5 附加功能及發(fā)展

    為了適應技術(shù)的發(fā)展和起重機的新要求，在系統中附加了一些輔助的功能，將來(lái)可能成為基本功能，如防搖系統。隨著(zhù)時(shí)代的發(fā)展，將來(lái)可能有更多更好的功能加入其中，比如起重機自動(dòng)運行系統，模式識別功能。不久的將來(lái)，起重機控制系統功能必將更加強大和完善。



參考文獻

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[2] 潘愛(ài)華. 起重機起升機構電動(dòng)機的應用[J]. 起重運輸機械，2007(7).