浮式起重機智能維護系統的設計

鄭曉娟，高華賀，相 軍，于 驍

(1. 海洋石油工程股份有限公司 天津 300452；2. 大連華銳重工集團股份有限公司 大連 116013)

0 引 言

隨著海洋油氣田開發、大型海上工程及海洋運輸等產業的興起，以浮式起重機為代表的海洋工程機械朝著全回轉、大起重噸位和高速的方向發展。為了適應浮式起重機現場復雜的工作環境，提高設備的安全性及人性化程度，使設備更好地滿足運行需求，提升操作人員和維護人員的工作效率，開發浮式起重設備的智能維護系統尤為必要。

智能維護系統是集信息科學、管理科學、現代通訊技術和電子計算機技術于一體的學科，它主要指進行信息的收集、傳送、儲存、反饋和維護功能的集成化系統，利用數據庫及其管理系統，將數據處理與管理模式結合起來，并通過分析歷史數據實現預測、控制、管理及決策等功能，為設備維護提供強有力的技術支持，實現全面的科學管理。本文以深水浮式起重機為研究對象，結合 Profibus現場總線技術優點，從系統基本結構、系統冗余、通信規劃等方面對浮式起重機智能維護系統的設計進行了探討。

1 智能維護系統的基本特點

浮式起重機智能維護系統要實現的目標包括：主副起升監控、俯仰監控、回轉監控、穩鉤等狀態監控，以及對吊機操作、運行、故障預警及報警、維護保養等的全記錄，該系統具備如下特點：

① 信息采集的自動化。浮式起重機組成包含了起升絞車、傳動部件、液壓動力站、電氣系統、中控設備、電滑環等，系統必須能實時準確地對機、電、液、傳等部分的數據進行采集，這些信號包括：A、開關量方式(機械、電子)，對現場設備運行狀態的點情況的采集；B、模擬量方式(如電流、電壓、溫度、壓力等)，對設備運行過程的線情況的采集；C、通訊方式(有線通訊與無線通訊)，對設備運行狀態與系統管理及數據共享的面情況的采集。

② 信息分析的集成化。智能維護系統對信息的分析不再局限于僅對電氣控制系統的分析，可以擴展到多層面、多系統及系統之間的信息分析。如電氣控制系統運行狀況分析，整機安全保護狀態分析，機械、傳動、液壓等系統運行狀態與檢修維護的分析，機上管理系統與地面管理系統間數據分析等。

③ 信息顯示的人性化。應具備可讀性強、操作方便、運行數據與狀態記錄直觀、自動作業管理快捷等特點，使管理界面更具人性化。

④ 信息處理的實時化。系統可對機電運行狀態進行實時監控、故障報警和提示、維護檢修提醒、信息記錄與打印作業及實現數據傳輸同步等操作。

⑤ 信息傳遞的網絡化、遠程化。系統可實現管理系統機內數據傳輸網絡化、操作站與機上管理系統數據傳輸網絡化、企業級管理系統的數據傳輸網絡化。

2 浮式起重機智能維護系統的設計

2.1 基本結構

鑒于傳統的現場層設備與控制器之間的通信采用一對一連線方式，傳輸 4-20,mA/24,VDC信號，這種通信技術信息量有限，難以實現設備之間及系統與外界之間的信息交換，從而使自控系統成為吊機中的信息孤島，嚴重制約了浮吊信息集成及其綜合自動化的實現。Profibus現場總線技術采用計算機數字化通信技術，具有擴展方便、響應時間短、抗干擾性強的特點，它能使自控系統與設備加入船體信息網絡，成為船體信息網絡底層，使船體信息溝通的覆蓋范圍一直延伸到浮吊。

圖1 網絡拓撲圖Fig.1 Network topological graph

根據以上問題，緊密結合現場實際情況以及該系統工程對 PLC網絡的高要求，為使自控系統具備高性能和高安全性，本系統采用基于Profibus總線的系統結構。為實現系統網絡構架的合理、簡單和擴展性，設計拓撲圖如圖1所示。

從圖1的網絡拓撲圖可以看出，浮吊控制系統采用了西門子 S7-400,H冗余系列 PLC，下掛 Profibus-DP網，并通過從站ET200,M將輔助機構和液壓站控制信號接入控制網絡，真正實現了“集中管理，分散控制”的目的。同時，全數字化通信模式的抗干擾能力強、測量控制精確度高，借助數字雙向傳輸的特點和先進的設備管理軟件，可實現參數遠程設定，采集豐富的儀表信息，有利于設備故障診斷，改善管理狀況。通過工業以太網與基礎級的 PLC相連，并依靠控制模型和數據庫對控制系統實施指導、管理和跟蹤。WinCC人機界面可顯示運行圖、棒圖、趨勢圖、報警、設定等畫面和圖表，與上位機構成了一個集中管理、分散控制的自動控制系統。

2.2 系統冗余設計

圖 2中，箭頭表示為故障 CPU，需要使用一個PLC的DQ點通過繼電器來控制兩個中繼器的供電，HMI連接到哪個CPU上是由中繼器的電源切換來決定的。只需要使用一個繼電器，其中一個中繼器的電源接到繼電器的常開點，另一個中繼器的電源接到繼電器的常閉點上，PLC的DQ控制是通過系統功能塊SFC51來讀取冗余系統的系統信息。通過兩個中繼器將操作面板連接到控制器，一個或更多操作面板和每一個 S7-400H的子系統連接到一個單獨的MPI/PROFIBUS段。中繼器用來將其分為多個單獨的段。

圖2 冗余CPU切換示意連接圖Fig.2 Connection diagram of reluctant CPU switchover

S7-400H操作系統進行的兩個子控制器之間的數據比較確保了轉換后兩個子系統內的數據是相同的。通過操作面板，每一次輸入時，操作系統實際上同時在兩個 S7-400H系統中“分發”數據，電源可以通過“轉換開關”連接到中繼器上去。這就意味著在任意一個時刻只能有一個中繼器和電源相連，可以通過開關手動轉換或者通過數字輸出依靠CPU自動轉換。

2.3 通訊功能

過程或現場通訊(Profibus-DP)用于將執行器和傳感器連接到自動化系統、HMI或管理系統。執行器和傳感器可經過 CPU上的集成接口，或經過接口模塊，接口子模板及通訊處理器連接到 Profibus中。當執行器和傳感器分布在很大范圍內，裝在機器上和設備內(如在現場層)，以及他們在站內(如ET200)至少以大于等于 16點輸入、輸出成組組合時采用Profibus DP。

2.4 系統規劃

該系統的上位機(WinCC操作站)與PLC設備之間的數據交換，通過工業以太網利用光纖切換模塊、WinCC操作站通訊卡、PLC通訊模塊通過TCP/IP協議來實現連接。主要完成現場實時數據的采集線性化與顯示，PLC部分參數的調整與修改以及重要數據的報警以及網絡的擴展性等問題的解決。

主站PLC通過IM153-2模塊與從站ET200M之間實現冗余PROFIBUS DP網絡通訊，將現場分布復雜且繁多的模擬量先采集至現場的從站 ET200M，然后通過一根 DP網線傳送至主站并接受主站的控制信號，這樣大大節約了現場施工的難度可以縮短施工時間，同時節約大量電纜和占用主站的模板，可以節約30%的設備費用。

由于該系統作為監控系統，為了快速準確地把握系統狀態，在任何情況下都能夠通過智能維護系統簡便快捷地查找到所需要的信息，操作站軟件為WinCC軟件，網絡平臺為Windows XP，WinCC自帶數據庫，并提供監控畫面和 PLC組態工具。S7組態軟件為 STEP7(5.4SP)，內嵌西門子過程設備管理軟件PDM。

3 結 論

本文從系統基本結構、系統冗余、通信規劃等方面對浮式起重機智能維護系統的設計進行了探討。該系統(見圖 3)實現了機、電、液、傳結構的全面覆蓋，具備良好的人機界面、遠程傳遞、遠程診斷及維護等功能，將有助于故障的系統分析和經驗積累，實現實時故障預警與快速的指揮調度，減少不必要的人員與時間浪費，大大提高設備的使用效率；其次可以方便維護保養，提供定期檢修維護信息；再次可以提高管理水平，實現設備數據共享，提高綜合調度能力與管理水平。

圖3 系統主頁面Fig.3 System homepage

［1］ 西門子. SIMATIC STEP7 V5. 4編程使用手冊[M]. 北京：西門子(中國)有限公司出版，2006.

［2］ 西門子. SIMATIC Factory Automation產品樣本[M].北京：西門子(中國)有限公司出版，2009.

［3］ 吳麒. 自動控制原理與系統[M]. 北京：國防工業出版社，1979.