，，

（中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心 發(fā)射測試站，甘肅 酒泉 732750）

傳統(tǒng)的吊車控制系統(tǒng)大多是基于接觸器、繼電器控制[1]，且每臺吊車控制系統(tǒng)是獨立配置、獨立操控的，彼此之間無任何信息關(guān)聯(lián)。為適應(yīng)多臺吊車集中監(jiān)控和資源共享的需求，本文提出由上位機、可編程控制器（PLC）、變頻器等組成的基于Profibus-DP現(xiàn)場總線協(xié)議[2]的多臺吊車共用變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計模型。

1 吊車共用控制系統(tǒng)設(shè)計思路

吊車控制系統(tǒng)可分為前端控制系統(tǒng)和后端控制系統(tǒng)兩部分（見圖1），前端控制系統(tǒng)一般由電動機、制動器、測速編碼器、行程開關(guān)等組成，是完成吊車起升、平移動作的前端拖動控制設(shè)備；后端控制系統(tǒng)一般由上位機、PLC、變頻器、接觸器、繼電器等組成，是完成吊車各項控制功能的后臺支持設(shè)備。前端控制系統(tǒng)安裝于吊車的機械結(jié)構(gòu)上，而后端控制系統(tǒng)可安裝于吊車機械結(jié)構(gòu)上，也可以集中設(shè)置于地面控制間內(nèi)。聯(lián)系前、后端控制系統(tǒng)的橋梁是傳輸電纜，包括低壓控制電纜和高壓動力電纜。

圖1 吊車控制系統(tǒng)組成Fig.1 Crane control system composition

同一廠房內(nèi)多臺吊車如果獨立控制，則其前端控制系統(tǒng)和后端控制系統(tǒng)都需要獨立配置。由于前端控制系統(tǒng)設(shè)備安裝于吊車機械結(jié)構(gòu)上且分布于廠房的不同車間，多臺吊車之間無法共用，能實現(xiàn)共用的只能是后端控制系統(tǒng)，因此多臺吊車共用控制系統(tǒng)的設(shè)計，關(guān)鍵是設(shè)計一套后端共用的控制系統(tǒng)。吊車控制系統(tǒng)通常應(yīng)具備良好的調(diào)速性能以滿足不同的工作需求，目前吊車調(diào)速方式主要有直流調(diào)速、交流變極調(diào)速、交流變頻調(diào)速3種方式，以交流變頻調(diào)速的綜合性能最佳[3]。為使控制系統(tǒng)線路簡單、監(jiān)控直觀、功能強大，本文選擇基于上位機、下位機和交流變頻器的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)模式，其中上位機選擇工控機，下位機選擇PLC，所有通訊設(shè)備均以Profibus-DP現(xiàn)場總線協(xié)議實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通訊。工作時根據(jù)統(tǒng)一的公共指令輸入終端和分散的就近指令輸入終端輸入操作指令，由共用的核心控制部件PLC進(jìn)行邏輯運算后控制變頻器，再由變頻器驅(qū)動電動機和制動器動作，從而完成指定的吊車機構(gòu)的啟動、制動和調(diào)速，同時控制系統(tǒng)采集全部吊車的運行參數(shù)在上位機上進(jìn)行顯示，并實現(xiàn)全部數(shù)據(jù)的歸檔查詢、事件報警和故障診斷等功能。

2 共用變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計

吊車變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中上位機、PLC、變頻器等均屬于價格昂貴的設(shè)備，尤其是變頻器與吊車每個機構(gòu)一一對應(yīng)，一般數(shù)量較多，為此根據(jù)實際情況本文設(shè)計給出兩種共用控制系統(tǒng)模型，實現(xiàn)多臺吊車控制系統(tǒng)的資源共用和信息共享。

2.1 完全共用控制系統(tǒng)

如果工作流程決定了多臺吊車之間是串行工作的，即同一時刻只有一臺吊車工作，且多臺吊車之間各機構(gòu)一一對應(yīng)，或者多臺吊車中對應(yīng)的相同機構(gòu)不會同時工作，那么控制系統(tǒng)可以采用完全共用控制系統(tǒng)模型，如圖2所示。

圖2 完全共用控制系統(tǒng)設(shè)計模型Fig.2 Total-sharing control system model

該共用控制系統(tǒng)模型中除了上位機、PLC可以共用一套外，同一機構(gòu)對應(yīng)的變頻器也可以實現(xiàn)共用，例如多臺吊車的主起升機構(gòu)共用一臺變頻器，副起升機構(gòu)共用1臺變頻器等。變頻器驅(qū)動的電機對象通過選擇開關(guān)進(jìn)行切換選擇，以驅(qū)動多臺吊車的其中1臺或其中1個機構(gòu)動作。此外選擇開關(guān)還要實現(xiàn)對應(yīng)電機的制動器、測速編碼器的同步切換選擇，以實現(xiàn)變頻器對制動器的控制和對編碼器的測速反饋。這種完全共用控制系統(tǒng)設(shè)備配置精簡，可以實現(xiàn)一套后端控制系統(tǒng)多臺吊車共同使用的目的。選擇開關(guān)由PLC程序控制下的中間繼電器和接觸器協(xié)同工作實現(xiàn)，為保證控制對象的唯一性，選擇開關(guān)之間應(yīng)具備互鎖關(guān)系，這種互鎖關(guān)系可以從硬件上實現(xiàn)，也可以從軟件上實現(xiàn)，但硬件實現(xiàn)起來成本高，接線復(fù)雜，檢修維護(hù)困難，而且當(dāng)選擇對象較多時選擇開關(guān)實現(xiàn)困難，可靠性不高；而通過軟件方式實現(xiàn)起來簡單易行，只需選用普通的接觸器、繼電器并編制簡單的PLC控制程序即可，可靠性高。需要指出的是，圖2中的選擇開關(guān)切換可以是聯(lián)動的，也可以是獨立的，即所有變頻器可以從一臺吊車的所有機構(gòu)同步切換至另一臺吊車的所有對應(yīng)機構(gòu)上，也可以只切換其中部分變頻器。

吊車控制時可以在后端的上位機上進(jìn)行軟件操作，通過軟件界面選擇某一臺吊車及其對應(yīng)的機構(gòu)（如主鉤、副鉤等）和速度檔位，一般由于后端遠(yuǎn)離現(xiàn)場，需要操作人員和現(xiàn)場指揮人員協(xié)同工作，適合危險現(xiàn)場人員不便靠近的情況；也可以根據(jù)需要在每臺吊車的工作現(xiàn)場設(shè)置就近手控盒，每個手控盒均通過ET200M擴展終端接入Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)，利用手控盒就近操作直觀，尤其適合精度較高的對接操作。采用完全共用控制方案時，通過軟件的安全設(shè)計要保證控制對象的唯一性，保證吊車運行中不得切換控制對象，即便操作錯誤也可以進(jìn)行報警提示和差錯屏蔽。

2.2 部分共用控制系統(tǒng)

如果多臺吊車之間并行工作，則后端控制系統(tǒng)中的變頻器不可共用，每臺吊車的每個機構(gòu)需要分別獨立配置，包括與電機配合工作的制動器、測速編碼器等也需要獨立配置，后端控制系統(tǒng)的其他設(shè)備如上位機、PLC等仍可以共用，即部分共用控制系統(tǒng)模型見圖3。工作時可在上位機上進(jìn)行集中操作控制，這需要同一名操作人員操作多臺吊車，對操作人員的要求很高，可靠性不高；可以在每臺吊車工作現(xiàn)場需設(shè)置一個近控盒，以ET200M有線接入或者通過西門子紅外鏈路模塊[4]以無線方式接入Profibus-DP總線，每臺吊車由對應(yīng)的操作人員使用近控盒操作，多臺吊車可以同時獨立工作，互不影響，便于現(xiàn)場安全。

圖3 部分共用控制系統(tǒng)模型Fig.3 Partial-sharing control system model

2.3 共用控制系統(tǒng)的共同問題

在矢量控制或者直接轉(zhuǎn)矩控制時為實現(xiàn)變頻器對電動機的精確控制，系統(tǒng)調(diào)試時需對電動機進(jìn)行參數(shù)辨識[5-6]并在變頻器中存儲辨識結(jié)果。采用完全共用控制方案時，由于同一臺變頻器要在不同的時間段驅(qū)動不同吊車的電機，如果多臺電機是型號、性能參數(shù)完全相同的，則只需對其中一臺進(jìn)行參數(shù)辨識和存儲即可，切換控制電機時變頻器中參數(shù)設(shè)置無須更改；如果多臺電機參數(shù)存在差異，那么切換電機前后變頻器中電機參數(shù)設(shè)置也應(yīng)該相應(yīng)改變。參數(shù)重置可以通過程序讀寫完成，目前很多變頻器（如SEW、ABB）都支持PLC讀寫內(nèi)部參數(shù)設(shè)置，以PLC與SEW變頻器通訊為例，可以設(shè)置通訊字結(jié)構(gòu)為 “Param+3PD”形式，每次可以讀寫7個字長的數(shù)據(jù)，如果一次不能讀寫完所有參數(shù)，可以在多個PLC的掃描周期中完成。因此在控制系統(tǒng)調(diào)試時先將每臺電機參數(shù)辨識的結(jié)果存儲到PLC的程序數(shù)據(jù)塊中，之后工作時根據(jù)變頻器選擇的電機對象，由程序自動將對應(yīng)的電機參數(shù)通過Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)通訊方式寫入變頻器中。由于變頻器在線切換電機時會對電網(wǎng)、電機及變頻器產(chǎn)生沖擊[7]，因此為保證吊車操作的安全性，電機切換應(yīng)在機構(gòu)處于停車狀態(tài)且關(guān)閉變頻器輸出情況下進(jìn)行，具體流程如圖4所示。

圖4 完全共用控制時電機參數(shù)的處理流程Fig.4 Handling of motor parameter with total sharing control system model

部分共用控制系統(tǒng)中由于變頻器是每個吊車機構(gòu)獨立配置的，因此不需要切換控制電機，但除了需要進(jìn)行辨識的電機參數(shù)外，變頻器中需要設(shè)置的參數(shù)多達(dá)幾百至上千個，其中涉及電機啟動制動時間、加減速斜率、電流限幅、滑差補償?shù)?，這些參數(shù)不僅影響吊車的安全運行還影響控制系統(tǒng)相關(guān)電器元件的設(shè)計選型。為了更好設(shè)置變頻器相關(guān)參數(shù)，可以利用電機參數(shù)辨識的結(jié)果并借助Matlab軟件中simpowersystems工具箱對交流異步電動機的控制進(jìn)行建模仿真[8]，仿真結(jié)果對控制系統(tǒng)設(shè)計、電器選型、變頻器參數(shù)設(shè)置可以起到良好的參考指導(dǎo)作用。

不論是采用完全共用控制系統(tǒng)還是部分共用控制系統(tǒng)，當(dāng)?shù)踯嚬ぷ鳜F(xiàn)場有防爆要求時，一律將共用控制系統(tǒng)后端設(shè)備集中置于非防爆區(qū)，與現(xiàn)場防爆區(qū)隔離開來，這樣不僅降低了對控制系統(tǒng)防爆性能要求，節(jié)約經(jīng)費，而且由于大部分控制設(shè)備集中放置于地面控制間，方便初期安裝調(diào)試和后期檢修維護(hù)。

3 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置

共用變頻調(diào)速控制系統(tǒng)采用Profibus-DP現(xiàn)場總線實現(xiàn)控制指令的發(fā)送和過程數(shù)據(jù)的采集，各通訊設(shè)備包括上位機、PLC-CPU、ET200M、變頻器之間采用屏蔽雙絞線串聯(lián)、以DP插頭接入，處于線型網(wǎng)絡(luò)的兩端設(shè)備DP插頭的終端電阻設(shè)置為“ON”，其余置于“OFF”。 由于 Profibus-DP 總線協(xié)議的物理層是RS485標(biāo)準(zhǔn)，因此當(dāng)PLC與現(xiàn)場近控終端ET200M的距離一般較遠(yuǎn)時，可加裝RS485網(wǎng)絡(luò)中繼器以延長兩節(jié)點間通訊距離，典型的兩臺吊車共用控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。雖然在通訊時PLC與其他設(shè)備之間存在主從關(guān)系，但是在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上各設(shè)備地位均等，站點通訊地址可自行分配，一般上位機地址默認(rèn)為0或1（上位機采用工控機時為0，采用觸摸屏?xí)r為1），PLC地址默認(rèn)為2，其他機構(gòu)的變頻器可以依次連續(xù)分配，RS485中繼器不占用站地址。采用西門子PLC時Profibus-DP總線協(xié)議最高通訊速率可設(shè)置為1.5 Mb/s，實際應(yīng)用時為保證網(wǎng)絡(luò)的正常運行可適當(dāng)降低通訊速率。

圖5 兩臺吊車共用變頻調(diào)速控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.5 Network topology structure of two cranes with variable frequency speed regulation system

4 監(jiān)控軟件開發(fā)

共用控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件根據(jù)吊車完成的工作內(nèi)容和性能指標(biāo)需求進(jìn)行開發(fā)，需開發(fā)PLC控制程序和上位機監(jiān)控程序兩個模塊，其中PLC程序接受上位機的控制指令并完成所有變頻器的通訊控制，同時采集變頻器、行程開關(guān)、吊重等狀態(tài)信息并存儲于數(shù)據(jù)塊中；上位機主動讀取PLC的程序數(shù)據(jù)塊進(jìn)行顯示、存儲、診斷等。其中PLC采用西門子S7-300/400系列時利用STEP 7軟件開發(fā)，因多臺吊車多個機構(gòu)的動作均可以簡化為電機的不同速度正反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)，控制功能相同，PLC編程時可采用多重背景功能塊和多重背景數(shù)據(jù)塊，可使程序結(jié)構(gòu)清晰、調(diào)用簡單，調(diào)試方便；由于PLC主程序的掃描速度非?？?，掃描周期一般不超過100 ms，因此對于控制系統(tǒng)中的實時性要求高的數(shù)字量和變化不快的模擬量應(yīng)區(qū)別對待，不僅可以降低PLC不必要的負(fù)荷，還可以大大減小上位機的數(shù)據(jù)存儲量。上位機選擇工控機時，需要加裝CP5611網(wǎng)卡以接入Profibus-DP網(wǎng)，并利用西門子組態(tài)軟件WinCC開發(fā)相應(yīng)的監(jiān)控程序[9]；上位機如果選擇觸摸屏，則無需網(wǎng)卡可以直接通過DP插頭接入現(xiàn)場總線，監(jiān)控程序通過西門子ProTool或WinCC Flexiable軟件開發(fā)即可[10]。監(jiān)控軟件開發(fā)一般經(jīng)過需求分析、設(shè)計說明、詳細(xì)設(shè)計、系統(tǒng)測試等工程化環(huán)節(jié)[11]，合格后可以交付使用。通過PLC控制、上位機操作，不僅可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)吊車操作，還可以在上位機上開發(fā)強大的多臺吊車監(jiān)控功能，如實現(xiàn)趨勢顯示、狀態(tài)提醒、行程預(yù)警、自動定位運行、故障診斷等功能，還可以通過上位機向上一級監(jiān)控中心上傳全部監(jiān)控數(shù)據(jù)。多臺吊車共用控制系統(tǒng)的監(jiān)控軟件只需一套且集中一處安裝，可以有效避免多臺吊車多處安裝時產(chǎn)生的軟件版本錯誤、參數(shù)設(shè)置錯誤等不利問題發(fā)生，提高設(shè)備操作可靠性。

5 結(jié)論

本文提出了多臺吊車共用控制系統(tǒng)設(shè)計思想，在采用Profibus-DP現(xiàn)場總線協(xié)議基礎(chǔ)上，設(shè)計了2種基于上位機和西門子PLC的共用變頻調(diào)速控制系統(tǒng)模型，并說明了系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)組成、參數(shù)配置方法及監(jiān)控程序的開發(fā)過程。實際應(yīng)用表明基于現(xiàn)場總線的共用變頻調(diào)速控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)擴展性好，在保證吊車工作安全性和可靠性前提下可以實現(xiàn)多臺吊車的軟硬件資源共享，節(jié)約系統(tǒng)初期建設(shè)成本和后期維護(hù)保養(yǎng)費用，提高設(shè)備安全運行效率和自動化信息化程度。

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