PLC通信技術在起重機械大車防撞中的應用

夏杰

摘 要：本文針對目前我公司起重機械在大車防撞方面所存在的問題，以PLC及編碼器為依據，設計了一套大車防撞程序分別應用于岸橋和軌道吊上，取得了良好的效果。此應用增強了設備的安全性能，保證了公司安全生產的順利進行。本文為港口起重機械安全保護方面提供了借鑒，其他港口由此可引出更多新的思路。

關鍵詞：起重機；大車防撞；PLC通信；編碼器；精確控制

中圖分類號：TH215 文獻標識碼：A

1.概述

大型起重機械是港口生產的主力軍，保障這些設備的安全使用是我們技術人員的第一要務。我公司現擁有多臺軌道式龍門吊，設備之間主要采用光電傳感器及機械限位來進行保護。其中減速方面采用反光板型光電開關。它把發光器和收光器裝入同一個裝置內，在它的前方裝一塊反光板，以紅外光為載波，利用光的反射原理，采用相位式脈沖測距法完成光電控制。但這種傳感器具有較多限制：

（1）氣象條件對光電測距影響較大，大霧或大雨天氣光電開關動作不靈敏。

（2）易受反光鏡或其他強光源等背景的干擾，導致誤動作。

（3）抗震干擾性差，起重機作業時的震動易導致紅外線射偏或無法接受反射光。

（4）需嚴防陽光及其他強光直射接收物鏡，避免光線經鏡頭聚焦進入機內，將部分元件燒壞。

停止方面設備采用機械搖臂限位來實現設備間的防撞保護。這種限位開關主要是有一個擋塊壓住限位開關的觸頭，一旦限位動作開關觸頭分開，它一般都用在一個運動物件兩個極端的位置。這種開關機械結構簡單，所以故障率比較低，使用環境要求不高，但由于其工作原理也決定了它存在以下的一些缺點：

由于是機械動作，因此會出現機械抖動，存在誤動作的可能。

（2）限位開關工作方式為機械接觸式，所以需要相應擋塊配合，時間長了若擋塊契合度不夠或搖臂等機械結構卡死，限位就失去了功能，有安全隱患。

（3）由于限位需要接觸才能動作，導致限位動作時，設備本身已經非常接近（通常距離只有15cm），若減速功能損壞，設備全速接近時，即使限位開關動作緊急制動，也無法避免設備相撞。

基于以上種種原因，我利用碼頭現有的條件，研究出了一套起重機大車防撞保護方案。此方案利用PLC和編碼器的特性，用PLC將每臺設備連入一個網絡，通過比較彼此設備編碼器的數值來實現起重機減速和停止的保護。

2.方案設計

此方案利用PLC之間太網通信的功能，在地面控制中心設置一個PLC總站與所有起重機的PLC主站相連。讀取所有起重機PLC內的大車編碼器數值，然后在總站PLC內計算處理，根據計算的結果向相應的設備發送指令，設備PLC利用該指令來判斷自身是否需要減速及停止。系統拓撲圖如圖1所示。

在硬件選擇方面，基于岸橋和軌道吊所使用的PLC型號，我們首先考慮了西門子S7-300系列PLC。此系列屬于中型機，其CPU作為數據計算、程序處理方面性能已經夠用，但是它只能鏈接32個從站。出于將來設備擴展以及通信質量方面的考慮，我們選擇了更高性能的S7-400系列PLC，它能鏈接64個從站，而且處理速度、通信質量等方面均強于前者。最終我們選擇了CPU 416-2，同時還配套了相應的電源模塊PS 407 4A和以太網通信模塊CP 443-1。每臺起重機PLC均配有一個相應型號的以太網模塊，PLC之間采用以太網方式建立通信。由于設備距離地面PLC站較遠，所以采用光纜傳輸，來盡量避免數據的延遲。連接好硬件線路后，接下來就是地面PLC的組態及程序編寫工作。組態后，PLC總站作為主站，其他設備PLC作為從站共同編制入一個局域網中，每臺PLC分配一個固定的IP地址，主站與從站之間可以自由通信。

3.方案實施

由于設備本身自帶編碼器和以太網模塊，所以硬件方面的工作較為簡單，只需將地面PLC總站的各硬件安裝完成，并與設備共同接入高速以太網交換機即可。線路連接完成后在軟件端配置PLC總站，打開西門子軟件STEP7，新建項目后在Hardware界面一一填入對應機架號的PLC模塊，填好后雙擊打開CP443-1，填入本站的IP地址10.169.115.250，子網掩碼255.255.255.0和網關10.169.115.254，填好后編譯保存完成硬件配置。按照以上同樣的方法在每臺設備的硬件組態界面打開CP模塊，填入各自對應的IP地址。規定1#軌道吊IP地址為10.169.115.51，之后每臺設備占用連續的兩個IP地址，依次排列。至此PLC各站點的以太網聯網完成，通信建立，接下來就是編寫程序進行數據采集。

Profinet模式下的S7通信（S7-400）有SFB14和SFB15兩個系統單邊通信功能塊，他們分別是GET（從其他CPU獲得數據）和PUT（送給其他CPU數據）。我們在主站中使用SFB14 GET從其他站CPU中采集數據，其中EN為使能端，REQ為通信頻率的設置，ID為從站ID號，ADDR為被讀取站地址，RD為獲取數據的保存位置，NDR為功能塊運行狀態位。一個功能塊能同時傳送4個DB塊數據，功能十分強大，每次采集的新數據直接覆蓋老數據。可以通過設置REQ來設置數據采集的頻率。

以1#、2#軌道掉為例，通過測試得出頻率設置為5Hz比較合適，即0.2s采集一次數據，主站將從站DB95.DBX0.0為起點讀取該DB塊共64 BYTE的數據存入主站DB100中。主站CPU為每臺設備都新建了一個DB塊，用同樣的方法依次將我們所需數據存入各設備對應的DB塊中。通過以上方法得到我們想要的起重機的大車位置后，我們就可以使用它們來計算出相鄰兩臺設備間的距離，從而根據距離來控制兩臺設備的減速與停止。圖2為起重機的減速停止控制程序。

同樣我們以軌道吊為例，由于軌道吊編碼器安裝于設備中間位置，而一臺軌道掉的長度為17m，所以我們將相鄰軌道吊的大車位置相減后再減去17m得到兩臺軌道掉防撞緩沖器之間的距離。然后通過CMP比較指令即可得到兩機的防撞保護命令，我們這里設置的是減速30m，停止25m。當條件滿足時，有兩個線圈得電，分別為兩臺機的保護命令。命令發送方面主站PLC采用SFB15 PUT功能將減速、停止命令發送到對應的1#、2#軌道吊PLC中參與到程序的保護控制，最終實現了設備的防撞功能。

最后考慮到其他因素的影響，如：通信斷、控制命令誤動作等意外發生，我們還設置了一段通信檢測程序。程序中主站向每個從站發送一個CPU時鐘脈沖，從站通過檢測這個時鐘脈沖是否在規定的周期內閉合和斷開，來檢測該從站是否與主站失去連接。如果檢測到通信斷開，從站程序會立即做出報出相應的故障，提醒司機通知維修人員前來修理。

結語

該功能應用后，解放了地面的監督人員，實現了無人監管，節省了一部分的人力，變相地提高了工作效率。同時得益于PLC的高度可靠性和程序內的通信檢測機制，使得系統穩定可靠，實現了起重機大車減速防撞的精確控制，安全性遠遠優于以前的光電開關和機械限位。另一方面此方案的設計思想，為其他技術人員帶來全新的借鑒思路。通過此方法將原來各自之間毫無交集的起重機納入同一個局域網中，彼此之間可通過網絡交換數據，實現數據共享，為起重機智能控制帶來了無限可能。

參考文獻

[1]廖常初.通信PLC編程及應用通信第3版[M].北京：機械工業出版社，2008.