450吨龙门吊控制系统分析

廖银飞

摘 要：本文主要介绍450T龙门吊控制系统，主要由S7-400PLC与S120多轴驱动器等西门子产品集成，实现各种工况下的运动控制。优化监控诊断功能，如大车纠偏、防撞、安全保护等，实现安全稳定节能环保目的

关键词：S7400；120多轴驱动器；PROFIBUS；自动纠偏；防撞；监控系统

Analysis on Control System of 450T Gantry Crane

Liao yinfei

（ cosco （Guangdong） ship yard Co. Ltd， Dongguan 523146 ）

Abstract： This thesis discusses the control system of a 450T gantry crane integrating S7-400 PLC and S120 multi-axis driver along with other Siemens products and used for motion control under various working conditions. The monitoring and diagnosis functions were optimized including bias correction， collision prevention， safety protect and so on， achieving safe， stable， energy saving and environment-friendly operation.

Key words： S7400； sinamics s120； rpofibus； auto bias correction； collision prevention； monitoring system.

1 概述

在D区船台建造一台450t×186m 龙门吊，用于船体分段拼装及分段翻身，具有升降、吊运、分段空中翻身和空中水平微量旋转等功能。龙门吊跨度大、机构多、系统复杂，经全面科学的分析，采用成熟的新技术，保证450T龙门吊系统最优化、安全、高效和节能。

450 T龙门吊由上小车起升机构Ⅰ、Ⅱ，下小车主起升机构Ⅲ，副起升机构，上、下小车行走机构，大车行走机构和上小车钩移机构组成。其控制系统采用最新技术S120多轴驱动系统与S7400 PLC和分布式I/O ET200M组成，主站和从站之间采用星型光纤连接，高压电缆卷筒供电方式，整个系统由西门子产品系统集成。其单线图和网络图如图1、图2所示。

驱动部分由一个LCM进线柜、一个BLM整流单元和8个逆变器组成，起升机构采用带编码器速度闭环矢量控制。S120控制单元CU320负责控制和协调整个驱动系统中的所有模块，采用全新通讯技术DRIVE-CLiQ 构筑起传动链接，完成各轴电流环、速度环的控制。基本型电源模块BLM无回馈功能，通过接制动单元和制动电阻实现快速制动[1]，具有功率因数高、谐波分量小的优势。S120多轴驱动系统运用scout软件进行调试与维护，利用直观连贯的功能图、trace波形跟踪，能有效实时监控参数的数据和电机的运行状态。

SINAMICS S120是西门子推出的全新成熟的集V/F、矢量控制及伺服控制于一体的驱动控制系统，采用了集中的进线，模块化设计，公共直流母线逆变，噪声污染小，满足节能环保要求，将取MASTERDRIVES 及SIMODRIVE 系列的驱动系统。

PLC 采用Siemens S7-400PLC系列产品，CPU选用443-1DP，配有Ethernet 网络适配器，连接电气房和司机室工控机。PLC 控制器与远程I/OET200M之间采用PROFIBUS通信，上、下小车和大车刚、柔腿远程I/O线路长，考虑抗干扰能力，通过光电转换模块OLM用光纤连接组成Profibus 通讯网，实现对远程I/O和S120驱动系统通信控制要求以及监测与保护功能。PROFIBUS现场总线技术构成远程分布式控制系统，能完成现场数据实时采集、远程调度命令以及与数据通讯等功能。

2 自动纠偏系统

因刚、柔腿负载不同、电机参数差异和轨道等因素的存在，大车起动、制动及行走时会导致大梁偏斜。450 T龙门吊跨度186 M，纠偏是龙门吊制造的难点和重点。450 T龙门吊采用在刚柔腿从动轮各安装一套HUEBNER绝对值编码器检测偏移量，增量型编码器和感应磁块做校正装置，设置基准点，由PLC 运算计数，调整柔腿速度，实现同步，达到自动纠偏，在柔性铰再辅助两个FSG线形传感器和极限纠偏限位，起多重保护作用。当刚、柔腿运行行程偏差达到起重机跨度的1‰（180 mm）时，开始自动进行纠偏。当起重机刚、柔腿两侧的运行行程偏差达到起重机跨度的2‰～3‰（350 mm～560 mm）时，大车降速纠偏，并发出相应的警示；当起重机刚、柔腿两侧的运行行程偏差大于起重机跨度的3‰（560 mm）时，大车自动停车，并在司机室发出报警信号。司机通过手动操作柔腿运行机构进行手动纠偏，消除偏差并查处误差原因后恢复大车运行。

3 大车防撞系统

450 T龙门起重机与200 T龙门吊同轨道，作业时有相撞危险，我们采用设置两套德国SICK公司DMT10-2-1211防撞保护装置，防止事故保证起重机安全。其控制原理：当大车机构运行时，两台起重机距离≤设定安全距离S1时一个开关量的信号进PLC系统，此时控制两台起重机减速并发出声光报警，提醒操作人员两台起重机已经接近。当两台起重机距离≤设定危险距离S2时停止，同时设置极限位，同时在监控系统上实时显示两台龙门吊实际距离。防撞保护装置不受天气、环境和另—台起重机是否在工作状态的影响，保证两台起重机以最快的速度相接近时，能停止在安全距离以外。

4 安全保护及显示

满足分段抬吊翻身工况要求，各吊钩设置有负荷显示、超负荷保护和高度显示。 上小车吊钩I 和II 之间吊重差保护，其中某一吊环的载荷超过210 t 时或者两个吊环的载荷差超过100 t 时只能下降，不能上升；二台小车抬吊吊钩I+II+III总负荷显示和保护，上下小车的距离没有限定，当总载荷超过472 t 时，只能下降，不能上升。而其中的一个吊钩超负荷限制器动作时，禁止上下小车行走，只有将超负荷状态排除后才能恢复全部功能。

5 监控系统

在司机室和电气房系统分别配置1台工控机、 Coro2 Duo T5500 1、66 GHz CPU、512 m RAM 80G 硬盘、17英寸TFT 彩显，通过Ethernet 网络适配器，采用TCP/IP 协议与PLC连接，实现基于Win CC 开发CMS对龙门起重机连续的实时监控，提供快速、详细的故障记录及报告，状态监控和系统运行数据记录，可以由连接的打印机打印。Simatic WinCC 是西门子公司基于PC的人机界面软件，模块化的结构[2]， 具有良好的开放性和灵活性， 是在生产自动化过程中解决可视化和控制任务的工业技术系统。其图形显示、信息归档和高速可靠的数据传送功能不仅方便操作人员， 同时方便设备维护人员分析和解决故障。

另外配备完善的、高清晰度工业电视监控系统，整个系统共设有 8 部自动变焦摄像头、4 部定焦摄像头。摄像头均为彩色。司机室内设有2 台17”彩色平板监视器，可通过设在各处的摄像头观察吊车的运行情况。操作人员可通过控制键盘控制摄像装置的变焦和旋转以及监视画面切换，可实现多画面或单画面显示。配备数字硬盘录像机，将视频信号接进数字硬盘录像机进行录像，以备后续的查看。视频信号传输距离较远，所有监视器监控图像通过光纤网络传至地面站。光纤是目前远距离传输实时性最好的媒介，系统噪声小、非线性失真小。另外抗干扰性能强，基本上不受外界温度变化的影响，保证监控系统画面质量以及视频信号的稳定性。

6 龙门吊调试

有先进硬件保障，龙门吊调试和程序设计对安全稳定起到关键性的作用。不仅要实现基本的控制功能，还要满足工况要求，保证安全运行。

（1）电气纠偏取决于编码器反馈值准确性，而编码器在实际运行中不可避免存在打滑现象，会造成反馈值误差并累积。行走机构绝对值编码器没有采用安装在检测轮的方式而是通过软连接安装在从动轮上，避开因轨道面高低和检测轮自重问题的缺陷， 减少打滑等造成的误差因数，再通过磁感应块和增量型编码器校准清零，不仅提高检测精度和自动化程度，同时减轻司机疲劳度。手动纠偏把大于3%偏差信号联锁起来防止操作人员出现误操作，把正车调成偏车。

（2）450 T龙门吊控制网络采用西门子S7-400及分布式I/0系统，主站和从站之间采用PROFIBUS通信。通信网络可能在运行过程中某处因某种原因而中断，我们采用脉冲发送和接收判断通信是否正常。如果某路通信异常，相应的机构立即安全停车，通信正常后恢复到初始安全状态保证系统安全。光纤链路模块由独立电源供电，在硬件加于保证，减少干扰，提高系统稳定性。

（3） 大车应急停车为软停车，防止大车运行中紧急停车导致倾覆，即必须在大车运行速度减到一定值后刹车才能抱闸，此功能在电气控制程序和控制线路中实现，保证应急停车可靠稳定。

7 结束语

450 T龙门吊控制系统借助西门子先进技术，结合我司发展规划和生产需求，使整个系统合理、安全、稳定，保证了系统先进性和环保节能。

参考文献

[1] S120驱动器&伺服电机选型手册， 2008.01

[2] SIMATIC WinCC 产品概览