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陳憶文 （19-）
男，湖南湘潭人，學(xué)士學(xué)位，電氣工程師，現(xiàn)就職于西門子工廠自動(dòng)化工程有限公司上海分公司起重機(jī)部門，從事電氣設(shè)計(jì)與調(diào)試工作。

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

關(guān)鍵詞：SIMOCRANE；橋吊；主從控制；起升系統(tǒng)；行走系統(tǒng)；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(jì)全球一體化的時(shí)代，在生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大的時(shí)代，在物資轉(zhuǎn)運(yùn)越來越頻繁的時(shí)代，起重機(jī)發(fā)揮著越來越重要的作用，對起重機(jī)的性能也提出了越來越高的要求。在起重機(jī)的發(fā)展歷程中，西門子一直是起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)的引領(lǐng)者和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定者。隨著對起重機(jī)系統(tǒng)性能要求日益提高，西門子開發(fā)了一套全新的起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)—SIMOCRANE。該系統(tǒng)沿襲了以往控制系統(tǒng)業(yè)已成熟的結(jié)構(gòu)模式，主要由供電系統(tǒng)、起升系統(tǒng)、行走系統(tǒng)（小車機(jī)構(gòu)，大車機(jī)構(gòu)）等組成,但電氣控制系統(tǒng)發(fā)生了較大的改進(jìn)，由PLC+SIMOTION+drive控制模式代替了原來的PLC+drive控制模式，SIMOTION可以直接控制驅(qū)動(dòng)器，且控制速度比PLC快了一個(gè)數(shù)量級(jí)，這使得驅(qū)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(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。西門子還開發(fā)了與該系統(tǒng)配套的輔助系統(tǒng)，可以無縫集成在主系統(tǒng)中，比如運(yùn)用在橋吊和卸船機(jī)中的防搖系統(tǒng)。

    本文以西門子在上海振華港機(jī)Antwerp項(xiàng)目港口起重機(jī)的電氣控制系統(tǒng)為例介紹新系統(tǒng)的構(gòu)成以及在STS中的應(yīng)用。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 硬件構(gòu)成

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

    SIMOTIN D系統(tǒng)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(qū)動(dòng)控制器。掛接驅(qū)動(dòng)器的數(shù)量根據(jù)起重機(jī)的需要而定。在Antwerp項(xiàng)目中使用了8個(gè)驅(qū)動(dòng)器，因此使用了三臺(tái)驅(qū)動(dòng)控制器。

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

    SIMOTION MultiAxes（適用于運(yùn)動(dòng)控制）；

    SIMOTION IT（適用于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的遠(yuǎn)程診斷和起重機(jī)專用功能）；

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

    SIMOCRANE系統(tǒng)只有在安裝這些授權(quán)的情況下才能正常運(yùn)行。

2.2 軟件構(gòu)成

    PLC和SIMOTION D中都已采用結(jié)構(gòu)化程序模式，不同的機(jī)構(gòu)對應(yīng)各個(gè)程序塊。用戶可按照自己的需要和習(xí)慣來編寫PLC中的程序，并通過程序與SIMOTION交換數(shù)據(jù)，從而達(dá)到向SIMOTION的下達(dá)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)作命令和速度設(shè)定值信息，并從SIMOTION取得驅(qū)動(dòng)的實(shí)時(shí)信息。

                                   圖1   STS硬件組態(tài)圖

                                    圖2   SIMOTION D系統(tǒng)組態(tài)圖

    SIMOTION D把起重機(jī)的控制劃分成幾個(gè)子部分，每一個(gè)部分負(fù)責(zé)起重機(jī)的一個(gè)機(jī)構(gòu)。各個(gè)機(jī)構(gòu)分別是：起升機(jī)構(gòu)(Hoist)，小車(Cross Travel），大車(Long Travel)，俯仰機(jī)構(gòu)(Boom)，支撐/開閉機(jī)構(gòu)(Holding and Closing Gear)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(Slewing Gear)。各個(gè)機(jī)構(gòu)程序的主要功能體現(xiàn)在二個(gè)函數(shù)庫中：Crane DCC-Library (與驅(qū)動(dòng)相關(guān))和Crane FB-Library(與流程控制相關(guān))。根據(jù)不同用途的起重機(jī)組合使用各個(gè)機(jī)構(gòu)，比如STS中就使用了起升、小車、大車、俯仰四個(gè)機(jī)構(gòu)，而RMG（軌道吊）中只須使用起升、小車、大車三個(gè)機(jī)構(gòu)。

    各個(gè)機(jī)構(gòu)的程序結(jié)構(gòu)基本如下：由三個(gè)函數(shù)組成，一個(gè)函數(shù)進(jìn)行PLC與SIMOTION  D之間的信息交換，一個(gè)函數(shù)進(jìn)行SIMOTION與SINAMICS之間的信息交換，還有一個(gè)函數(shù)進(jìn)行信息處理。

3 硬件系統(tǒng)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(xiàng)目選擇CPU 319F模塊，插入相應(yīng)的I/O模塊，然后構(gòu)建一個(gè)由PROFIBUS總線組成的系統(tǒng)，再把需要使用的外部設(shè)備及其I/O模塊掛接在總線上，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(xiàng)目硬件組態(tài)，從中可以看到，這個(gè)系統(tǒng)除CPU及其包括擴(kuò)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(jī)狀態(tài)信息顯示表、重量測量系統(tǒng)、總線信息交換器等設(shè)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)過程是先組態(tài)SINAMICS控制器，然后組態(tài)SINAMICS驅(qū)動(dòng)軸，最后組態(tài)SIMOTION工藝軸。下面以Antwerp項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)器的設(shè)置為例進(jìn)行簡單說明：在SCOUT軟件中，如圖4(a)所示，先在控制器SINAMICS下插入驅(qū)動(dòng)器（Insert drive）,然后按照提示一步一步對驅(qū)動(dòng)器的類型（伺服還是矢量），控制模式，所接入的電機(jī)型號(hào)，所接入的編碼器型號(hào)，通訊格式等進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置好后系統(tǒng)會(huì)生成一個(gè)完整的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。然后，按此步驟設(shè)置好其它的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。每一個(gè)SINAMICS控制器最多可以配置4個(gè)驅(qū)動(dòng)。在Antwerp項(xiàng)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(qū)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(qū)動(dòng)軸。配置好后可以通過SINAMICS下的Topology查看該控制器及其所連接的設(shè)備的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
        

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

                                  圖4   SIMOTION D 組態(tài)示意圖

    驅(qū)動(dòng)軸配置好后再配置工藝軸，將配置好的驅(qū)動(dòng)都連接到適當(dāng)?shù)墓に囕S上，SIMOTION通過對工藝軸的控制來控制驅(qū)動(dòng)。如圖4(c)所示，在AXES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(shè)置軸的類型（直線軸還是旋轉(zhuǎn)軸）（電氣軸、壓力軸還是虛軸），電機(jī)類型（標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)還是直線電機(jī)），軸測量系統(tǒng)所使用的單位（如長度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(qū)動(dòng)軸，通訊格式，使用哪個(gè)編碼器及編碼器類型等。設(shè)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(nèi)容在配置結(jié)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Antwerp項(xiàng)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(shè)置其它工藝軸。例如實(shí)現(xiàn)主-從控制的軸。

4 控制結(jié)構(gòu)

    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(jī)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(jié)構(gòu)。

    每一個(gè)工藝軸都對應(yīng)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(zhí)行周期較長，它和PLC通訊；另一個(gè)程序執(zhí)行周期較短，它和SINAMICS通訊，并設(shè)一個(gè)單獨(dú)的MCC單元對當(dāng)前軸的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。在這些程序中，根據(jù)控制的需求調(diào)用庫“Crane FB-Library”中的功能塊。

    除了小車、大車和主從力矩控制中的從機(jī)，所有工藝軸的結(jié)構(gòu)基本相同。但不管怎樣都是在MCC 程序中調(diào)用其他功能塊（庫中的功能塊），且調(diào)用結(jié)構(gòu)形式相同。下面以在Antwerp項(xiàng)目中起升和大車的單元結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行說明。

                                    圖5   慢周期起升機(jī)MCC程序結(jié)構(gòu)

                                     圖6   慢周期大車機(jī)構(gòu)MCC程序結(jié)構(gòu)

    圖5所示為慢周期起升機(jī)構(gòu)MCC程序的結(jié)構(gòu)，圖6所示為慢周期大車機(jī)構(gòu)MCC程序的結(jié)構(gòu)。可以看出，兩個(gè)單元結(jié)構(gòu)略有不同。

    各功能塊的作用：

    Receive S7: 從SIMATIC S7接收數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)會(huì)在DCC中進(jìn)一步處理。

    Control Axis: 設(shè)置驅(qū)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(jī)編碼器和外部編碼器的實(shí)際速度。其結(jié)果在DCC中繼續(xù)處理。

    Operation Mode: 管理操作模式和執(zhí)行運(yùn)動(dòng)指令。

    Error Priority: 讀取工藝對象、驅(qū)動(dòng)對象和功能塊的故障和報(bào)警。

    Send S7: SIMOTION發(fā)送數(shù)據(jù)到SIMATIC S7。

    圖7為快周期各機(jī)構(gòu)MCC程序的結(jié)構(gòu)，各個(gè)機(jī)構(gòu)的單元結(jié)構(gòu)都是一樣的。

    各功能塊的作用：

    Receive Sinamics: 讀取驅(qū)動(dòng)器的數(shù)據(jù)到SIMOTION。

    Send to Sinamics: SIMOTION發(fā)送數(shù)據(jù)到驅(qū)動(dòng)器。

    DCC單元的功能：根據(jù)各種條件計(jì)算速度、加速度、計(jì)算最終發(fā)送到驅(qū)動(dòng)器的數(shù)據(jù)。

                                    圖7   快周期各機(jī)構(gòu)MCC程序結(jié)構(gòu)

5 附加功能及發(fā)展

    為了適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展和起重機(jī)的新要求，在系統(tǒng)中附加了一些輔助的功能，將來可能成為基本功能，如防搖系統(tǒng)。隨著時(shí)代的發(fā)展，將來可能有更多更好的功能加入其中，比如起重機(jī)自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)，模式識(shí)別功能。不久的將來，起重機(jī)控制系統(tǒng)功能必將更加強(qiáng)大和完善。



參考文獻(xiàn)

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