橋式起重機(jī)分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周奇才，王 愷，熊肖磊，趙 炯

（同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804）

1 引言

橋式起重機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景多在生產(chǎn)車間、倉(cāng)庫(kù)和料場(chǎng)，優(yōu)點(diǎn)有操作靈活，穩(wěn)定，安全可靠等。橋式起重機(jī)是使用范圍最廣、數(shù)量最多的一種起重運(yùn)輸機(jī)械。

隨著實(shí)際作業(yè)復(fù)雜程度的加大和電子技術(shù)的發(fā)展，大量電子控制單元應(yīng)用在起重運(yùn)輸機(jī)械的控制系統(tǒng)。大規(guī)模信息數(shù)據(jù)的傳輸共享使得設(shè)備對(duì)信號(hào)控制的實(shí)時(shí)性要求提高；數(shù)量眾多的反饋信號(hào)也使得設(shè)備運(yùn)行的可靠性大大降低，加大了故障維修的難度[1]。

分布式控制系統(tǒng)通過(guò)綜合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、總線通訊技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)，集中管理、分散控制，可以解決上述問(wèn)題。關(guān)于用于工業(yè)生產(chǎn)的分布式控制，文獻(xiàn)[2]提出了一種基于羅克韋爾PLC的分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)，文獻(xiàn)[3]提出了一套基于以太網(wǎng)和PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式控制系統(tǒng)，用于70萬(wàn)噸高速線材自動(dòng)生產(chǎn)線。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于Controller Link網(wǎng)絡(luò)的環(huán)軌起重機(jī)分布式控制系統(tǒng)。

2 目的

國(guó)家“863”計(jì)劃經(jīng)過(guò)多年的探索，確定了研制智能化工程機(jī)械的目標(biāo)。《中國(guó)制造2025》提出了“智能工廠”和“智能生產(chǎn)”的目標(biāo)。作為工程機(jī)械的重要代表，起重機(jī)控制系統(tǒng)智能化、信息化的需求包括精確定位；遙控技術(shù)；智能防撞；安全監(jiān)控和故障診斷等，除此之外，實(shí)時(shí)性和安全性也是重要發(fā)展方向。

針對(duì)上述發(fā)展方向，提出一種橋式起重機(jī)分布式控制系統(tǒng)。通過(guò)分布式控制節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)起重機(jī)的控制并對(duì)起重機(jī)實(shí)時(shí)工作參數(shù)和狀態(tài)信息進(jìn)行收集，利用上位機(jī)監(jiān)控并實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面圖形化、交互式顯示。

3 分布式控制系統(tǒng)

分布式控制系統(tǒng)，每個(gè)獨(dú)立的控制單元作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)掛接在總線上，每個(gè)控制節(jié)點(diǎn)都具有檢測(cè)、計(jì)算的功能，同時(shí)又在不斷的與其他控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信[5]。分布式控制系統(tǒng)可以將設(shè)備控制、檢測(cè)、調(diào)試和管理整合起來(lái)，效率明顯提高，如圖1所示。

圖1 典型分布式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.1 Network Topology of Typical Distributed Control System

橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)分散控制、集中管理的能力，同時(shí)對(duì)抗干擾能力、可擴(kuò)展能力也提出了更高要求。因此，控制系統(tǒng)采用分布式的控制方式，上位機(jī)和各控制節(jié)點(diǎn)之間利用總線網(wǎng)絡(luò)通信。

4 分布式控制系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

橋式起重機(jī)分布式控制系統(tǒng)控制節(jié)點(diǎn)根據(jù)設(shè)計(jì)需要，包括兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制器，一個(gè)數(shù)據(jù)采集器，一個(gè)視覺(jué)監(jiān)控控制器和三個(gè)動(dòng)力控制單元組成，如圖2所示。兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制器與數(shù)據(jù)采集器均采用PLC，視頻監(jiān)控控制單元采用嵌入式系統(tǒng)。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)控制器原理圖Fig.2 Schematic Diagram of the Field Controller

4.1 現(xiàn)場(chǎng)控制器設(shè)計(jì)

電氣回路控制器需要實(shí)現(xiàn)對(duì)橋式起重機(jī)實(shí)現(xiàn)電氣化控制，保證安全、可靠。電氣回路控制器需要采集的數(shù)據(jù)有24個(gè)開關(guān)量輸入：5個(gè)整體供電開關(guān)，8個(gè)部分供電開關(guān)和10個(gè)限位開關(guān)。橋式起重機(jī)上電之后如果電氣回路狀態(tài)正常，整體供電開關(guān)和部分供電開關(guān)閉合。12個(gè)開關(guān)量輸出：當(dāng)起重機(jī)電氣回路與機(jī)構(gòu)位置正常的時(shí)候可以對(duì)制動(dòng)器、接觸器等進(jìn)行控制。通過(guò)以太網(wǎng)模塊與其他控制節(jié)點(diǎn)相連并通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)起重機(jī)電氣回路的信息交換。

遙控控制器需要實(shí)現(xiàn)遙控器信號(hào)的采集和對(duì)動(dòng)力控制單元進(jìn)行控制。動(dòng)力回路控制器需要采集的數(shù)據(jù)有19 個(gè)數(shù)字量輸入，全部為遙控器輸入信號(hào)，遙控手柄的移動(dòng)控制主起升、大車、小車運(yùn)動(dòng)方向和速度。3個(gè)開關(guān)量輸出控制大小車風(fēng)機(jī)的開關(guān)和故障復(fù)位。主起升、大車、小車速度各分為四個(gè)檔位，遙控器收集檔位和電機(jī)轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在有關(guān)寄存器中，通過(guò)以太網(wǎng)模塊與其他控制節(jié)點(diǎn)相連并通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息交換，最終使得動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的要求。

4.2 數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)

橋式起重機(jī)大都工作在環(huán)境復(fù)雜、惡劣的環(huán)境，將起重機(jī)當(dāng)前運(yùn)行所處的狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并將監(jiān)測(cè)信息上傳到監(jiān)控中心儲(chǔ)存、分析，對(duì)起重機(jī)的安全作業(yè)來(lái)說(shuō)意義重大。結(jié)合國(guó)標(biāo)要求，起重機(jī)監(jiān)控參數(shù)8種：起重量、起升高度/下降深度、運(yùn)行行程、操作指令、工作時(shí)間、累計(jì)工作時(shí)間、工作循環(huán)、吊裝貨物在廠房的位置；起重機(jī)監(jiān)控狀態(tài)5種：起升機(jī)構(gòu)制動(dòng)器開閉、門限位、機(jī)構(gòu)之間的運(yùn)行連鎖、軌道運(yùn)行機(jī)構(gòu)安全信號(hào)、超速保護(hù)。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)狀態(tài)量，如表1所示。數(shù)據(jù)采集器原理圖，如圖3所示。

表1 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)狀態(tài)量Tab.1 System Monitoring Status

圖3 數(shù)據(jù)采集器原理圖Fig.3 Schematic Diagram of the Data Collector

選擇二線制的拉式傳感器、激光測(cè)距傳感器和絕對(duì)值旋轉(zhuǎn)編碼器，通過(guò)模擬量輸入模塊或接口與數(shù)據(jù)采集器相連，數(shù)據(jù)采集器將收集的模擬量信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信息存儲(chǔ)并通過(guò)總線網(wǎng)絡(luò)分享；起升機(jī)構(gòu)制動(dòng)和主起升、大車、小車連鎖保護(hù)信號(hào)是數(shù)字量，通過(guò)數(shù)字量輸入接口或者模塊與數(shù)據(jù)采集器相連；通過(guò)以太網(wǎng)模塊與其他控制節(jié)點(diǎn)相連并通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息交換。

4.3 動(dòng)力控制單元設(shè)計(jì)

動(dòng)力控制單元需要通過(guò)讀取、識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)控制器收集的信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)主起升、大車、小車等機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度的控制。動(dòng)力控制單元由變頻器和電動(dòng)機(jī)組成，通過(guò)讀取控制器PLC內(nèi)部相關(guān)寄存器的內(nèi)容并實(shí)現(xiàn)變頻器頻率的改變，進(jìn)而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。通過(guò)以太網(wǎng)模塊與其他控制節(jié)點(diǎn)相連并通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息交換和現(xiàn)場(chǎng)控制器對(duì)動(dòng)力的控制。

4.4 視頻監(jiān)控控制單元設(shè)計(jì)

由于數(shù)據(jù)采集器只對(duì)一些重要、敏感的參數(shù)（起重量、運(yùn)行行程等），可以滿足生產(chǎn)車間層級(jí)的監(jiān)控要求。然而，企業(yè)層級(jí)監(jiān)控除了監(jiān)控參數(shù)以外還需要較為全面、直觀的生產(chǎn)車間的信息來(lái)進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃和全面的預(yù)控管理。結(jié)合國(guó)標(biāo)和監(jiān)控需要，設(shè)計(jì)一個(gè)視頻監(jiān)控控制單元，對(duì)吊點(diǎn)位置進(jìn)行視頻監(jiān)控并可以在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心顯示、監(jiān)控，如圖4所示。

圖4 視頻監(jiān)控控制單元系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Hardware Structure Diagram of the Video Surveillance Control Unit System

視頻監(jiān)控控制單元需要滿足圖像采集、處理與傳輸?shù)囊蟆D像的采集功能由工業(yè)攝像頭和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)。圖像的處理過(guò)程需要SDRAM、Flash 作為儲(chǔ)存單元，作為Flash 的組成部分，NAND Flash、NOR Flash用來(lái)存儲(chǔ)初始化代碼、嵌入式操作系統(tǒng)軟件有關(guān)內(nèi)容與用戶應(yīng)用程序；SDRAM用來(lái)加載嵌入式操作系統(tǒng)軟件，執(zhí)行代碼等。圖像的傳輸需要本地監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控、顯示，本地監(jiān)控采用以太網(wǎng)控制器接入工業(yè)以太網(wǎng)總線，利用上位機(jī)實(shí)現(xiàn)；遠(yuǎn)程監(jiān)控采用GPRS模塊與企業(yè)管理層的Web服務(wù)器相連。

5 分布式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分析與仿真

橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)連接圖，如圖5所示。針對(duì)橋式起重機(jī)分布式控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，將系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)歸類為三種：實(shí)時(shí)周期性數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)非周期性數(shù)據(jù)、非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)[6～7]，三種數(shù)據(jù)的定義和參數(shù)配置如下：

圖5 橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)連接圖Fig.5 Bridge Crane Control System Connection Diagram

（1）實(shí)時(shí)周期性數(shù)據(jù)：這類數(shù)據(jù)主要包括監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與傳感器信息，對(duì)周期性和實(shí)時(shí)性要求較高。數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度設(shè)為定長(zhǎng)576bit，數(shù)據(jù)發(fā)送周期為4ms；（2）實(shí)時(shí)非周期性數(shù)據(jù)：這類數(shù)據(jù)的產(chǎn)生包括故障報(bào)警信號(hào)、緊急操作等，具有突發(fā)性，對(duì)實(shí)時(shí)性也有著較高的要求。將實(shí)時(shí)非周期性數(shù)據(jù)做如下設(shè)定：數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度符合指數(shù)分布，均值為576bit；發(fā)送周期符合指數(shù)分布，均值為30ms；（3）非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)：這類數(shù)據(jù)主要包括視頻監(jiān)控信息，對(duì)實(shí)時(shí)性幾乎沒(méi)有要求。對(duì)非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)做如下設(shè)定：數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度符合指數(shù)分布，均值為3200bit；發(fā)送周期符合指數(shù)分布，均值為25ms。

建立模型，交換機(jī)上連接8個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)，呈星型拓?fù)洹７抡鏁r(shí)間設(shè)為20min，鏈路傳輸速率設(shè)為100Mbps，在上述條件下仿真，查看橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸情況和時(shí)延。網(wǎng)絡(luò)層模型，如圖6所示。

仿真結(jié)果，如圖7 所示。在100Mbps 速率下實(shí)時(shí)周期性數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)非周期性數(shù)據(jù)端到端的平均時(shí)延分別穩(wěn)定在0.045ms、0.027ms，控制信號(hào)平均時(shí)延較低；非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)端到端平均時(shí)延穩(wěn)定在0.062ms，對(duì)于監(jiān)控信號(hào)等傳輸時(shí)延較低，可以滿足橋式起重機(jī)控制要求[8]。鏈路的吞吐量穩(wěn)定的時(shí)候可以達(dá)到2.2×106bit/s，100Mbps速率下端到端平均時(shí)延僅為0.0495ms，比工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常用的現(xiàn)場(chǎng)總線吞吐量大，傳輸速度快[9]。

圖7 100Mpbs速率下網(wǎng)絡(luò)仿真效果Fig.7 Network Simulation Effect at 100Mpbs Rate

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)橋式起重機(jī)的特點(diǎn)與智能化需求設(shè)計(jì)了分布式控制系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)控制節(jié)點(diǎn)和通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析。結(jié)論如下：

（1）所設(shè)計(jì)的分布式控制系統(tǒng)可以滿足起重機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)分散管理，集中控制的要求。

（2）通過(guò)設(shè)計(jì)分布式控制系統(tǒng)控制節(jié)點(diǎn)，可以智能化控制起重機(jī)并為公司企業(yè)管理層提供起重機(jī)現(xiàn)場(chǎng)工作狀態(tài)的有關(guān)數(shù)據(jù)。

（3）分布式控制網(wǎng)絡(luò)通信的延時(shí)和控制節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通信延時(shí)很低，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性得到了保證。