龙门起重机电气控制系统的设计与研究

摘要：文章对起重机的电气控制系统做了新设计，综合了现有起重机控制系统设计需要注意的因素，对造船龙门起重机PLC的硬件选型、子站选型以及系统组态编程软件和工控数据平台做了阐述。实践证明，该设计龙门起重机控制系统性能稳定，能够有效改善龙门起重机的操控的复杂度，提高造船厂的生产效率以及龙门起重机的安全系数。

关键词：龙门起重机；电气控制系统；网络控制主站；硬件选型；子站选型 文献标识码：A

中图分类号：TH213 文章编号：1009-2374（2016）25-0026-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.25.012

1 概述

造船工业近几年发展很快，带动了造船龙门起重机的快速发展进步，特别是大跨距、大吨位的大型造船龙门起重机的广泛应用。在现代化的造船企业大型造船龙门起重机主要用于船坞、船台等的船体建造场地上，完成船体分段垂直升起和下降、平移行走和空中翻身等功能的吊装任务。由于其结构庞大，负载吨位都在几百吨以上，所以它的电气控制系统必须要精准可靠。

2 起重机的电气控制系统概述

大型造船龙门起重机的电气控制系统是整个起重机的核心部件，其主要由逻辑控制系统和电力拖动系统组成。其中的电力拖动系统包括驱动系统和交流异步电动机，用以驱动起重机的各机构动作；逻辑控制系统包括多种传感器与工业用可编程序控制器（PLC），来维护整个系统的安全保护和自动化控制。大型造船龙门起重机的电气控制系统就是整台机器的神经中枢，它保证了起重机可以安全、平稳运行，完成各种动作指令。

3 起重机的电气控制系统的设计考虑因素

起重机的电气控制系统的设计目标，就是控制各个机构按照预定程序，完成造船厂各种物体负载起运，电气控制系统的设计好与坏直接决定着整台起重机能否成功投产，是整个大型造船龙门起重机制造的关键。起重机的主要机构都是由电动机来拖动，起重机是使用频繁的特种设备，在造船厂中，使用相当频繁，一旦起重机出现任何问题，将直接影响造船厂的生产，因此稳定性和可靠性较高的电气控制系统对于起重机而言相当重要，也是起重机控制系统设计使用过程中最需要考虑的因素。笔者认为，在电气控制系统设计的时候，应该注意系统的稳定性和安全性这两个问题：（1）系统的稳定性是起重机的电气控制系统中首先要考虑的，只有稳定的系统才能够确保起重机安全稳定运行，进一步地提高起重机的工作效率；（2）起重机的电气控制系统的安全性是需要注意的另一个问题，起重机的安全运行依赖于电气控制系统的安全性。因此，电气控制系统在设计的时候，就需要在设计中特别考虑对软硬件分别设置多重保护，依据起重机的安全使用规范，在电气控制系统中设置相应的保护措施。

4 起重机电气控制系统的设计方案

4.1 造船龙门起重机PLC控制系统的选择

综合考虑龙门起重机的控制系统，所需要注意的问题，本设计选用西门子的PLC系统，系统的安全性好、稳定性高。

4.1.1 控制系统的主站硬件选型。考虑到造船龙门起重机控制系统对安全性和稳定性的要求，同时考虑控制系统中主站、变频器和编码器等各个组件之间的通讯要求，本设计的PLC系统选用西门子公司生产的SIMATIC 57-400系列PLC。

所述SIMATIC 57-400由于具备功能升级的CPU以及各种种类齐全的功能模板，因此在龙门起重机控制系统中使用，能够使用户非常方便地搭建出最佳解决方案，进而满足龙门起重机控制系统的自动化的要求。随着龙门起重机控制任务的增多，可随时根据需要进行升级，且不需要额外增加其他的模板。所以本设计中的SIMATIC 57-400能适合自动化工程中的各种应用场合，可使控制系统设计更加灵活，满足不同的应用需求。

4.1.2 SIMATIC 57-400PLC系统的组成。根据图1所述的PLC的组成框图，下面介绍SIMATIC 57-400 PLC的主要模板构成：（1）电源模板，优秀的电源模板，能够使整个系统更加稳定，电源模板的设计是整个SIMATIC 57-400的关键点所在，主要是为S7-400提供SVDC或24VDC的电源；（2）中央处理单元，中央处理单元是整个SIMATIC 57-400的核心所在；（3）数据输出/输入，数据的输入输出主要应用于龙门起重机控制系统的DI以及在电机、继电器等所有的DO；（4）光纤链路模块，能够提高PLC系统的整体抗干扰能力，使主站和子站之间的通信连接更加稳定。

4.1.3 控制系统的子站硬件选型。造船龙门起重机的机构相对较多，且由于其体积较大，因此为了更好地实现控制，设置多个远程子站辅助控制。

经过综合考虑，本设计决定选用ET200M I/O站作为系统的子站。

ET200M I/O子站，主要由IM153接口模块和可编程序等模块组成，各个模块之间，可根据实际使用的需要进行自由组合，因此ET200M I/O子站灵活性高，且更容易和主站相互配合。

4.1.4 远程I/O站的硬件配置的选型。结合电气控制系统主站的配置要求，本设计对远程I/O站配置选型如下：（1）上小车远程I/O子站设计。其主要作用是，保证上小车内机构信号的稳定性以及信号采集的稳定性；（2）下小车VO子站设计。下小车VO子站的设计主要是针对下小车的内部结构进行设计，重点在于保障下小车内各个机构信号采集和传输的稳定性；（3）大车刚性腿和大车柔性腿的远程I/O子站设计。主要是针对大车刚性腿和大车柔性腿的内部结构进行设计，重点在于保障各个机构信号采集和传输的稳定性；（4）司机室的子站设计。司机通过司机室的子站模块输入各种控制指令，实现对主站和子站之间的信号交互；（5）编码器子站设计。造船龙门起重机设置的绝对值编码器子站主要包括的编码器以及功能如下：上小车1#、上小车2#和下小车主起升位置的编码器，主要设计目的是，检测各自起升点，然后进行数据传输，最终为纠偏程序提供相应的参考数据和纠偏依据。

上小车、下小车和大车柔性腿编码器的主要设计目的是：通过检测各自的运行点数据的采集，为纠偏程序模块提供数据参考。

4.2 编程与组态软件分析与应用

根据本设计所选PLC的类型，本设计选择STEP7作为电气控制系统以及相应的配置软件的编程程序，经过综合考虑，选用西门子的WinCC组态软件。WinCC组态软件更便于进行模块化编程，将PLC各功能分别用FC或FB实现，同时本设计编制了触摸屏程序、WinCC程序和故障处理程序。采用STEP 7编程软件进行PLC系统的编程，在STEP 7中，可用项目来管理一个自动化系统的硬件和软件。

4.3 生产实时数据平台软件

本设计选择WinCC系统，作为工控设计平台，WinCC系统作为IEMENS和Microsoft公司共同研发的过程可视化系统。WinCC系统的优势在于拥有Web的浏览器功能，能够使工控设计平台，在使用的过程中，管理人员完整观察起重机的所有的运行动态画面，更方便从中调度

指挥。

STEP 7编程软件选用。STEP 7编程软件主要运用在SIMATIC S7、M7、C7中，是编程以及参数设置的标准工具。采用STEP 7编程软件，更便于使用项目去管理整个电气控制系统的软硬件，SIMATIC管理器可以更加方便地对项目集中管理，且可以浏览SIMATICS7、M7、C7和WinCC的数据。

STEP 7编程软件的功能包括硬件的配置、参数的设置以及编程、运行和诊断功能等。在STEP7编程软件中，可以方便地使用鼠标选中对象进行编辑，且所有功能均具备在线帮助功能，使用更加便捷。

4.4 现场总线的硬件选型

综合PLC系统的通信要求、通信速率、通信距离以及系统的数据响应要求，同时考虑网络覆盖、抗干扰能力和容错能力等各种因素，本设计系统在现场总线的硬件选型中，决定采用分布式现场总线的结构，采用PROFIBUS-DP通信方式，本设计分布式现场总线结构，相比较其他结构，更便于实现以及维护扩充。

5 结语

大型造船龙门起重机的电气控制系统就是整台机器的神经中枢，它保证了起重机可以安全、平稳运行，完成各种动作指令。经过实践证明，本设计龙门起重机控制系统，性能稳定，能够有效改善龙门起重机的操控的复杂度，提高造船厂的生产效率以及龙门起重机的安全系数，具有实际意义

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作者简介：赵翔（1983-），男，四川成都人，中铁岩锋成都科技有限公司电气工程师，研究方向：电气控制。

（责任编辑：黄银芳）