PLC通信技术在起重机械大车防撞中的应用

夏杰

摘 要：本文针对目前我公司起重机械在大车防撞方面所存在的问题，以PLC及编码器为依据，设计了一套大车防撞程序分别应用于岸桥和轨道吊上，取得了良好的效果。此应用增强了设备的安全性能，保证了公司安全生产的顺利进行。本文为港口起重机械安全保护方面提供了借鉴，其他港口由此可引出更多新的思路。

关键词：起重机；大车防撞；PLC通信；编码器；精确控制

中图分类号：TH215 文献标识码：A

1.概述

大型起重机械是港口生产的主力军，保障这些设备的安全使用是我们技术人员的第一要务。我公司现拥有多台轨道式龙门吊，设备之间主要采用光电传感器及机械限位来进行保护。其中减速方面采用反光板型光电开关。它把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，以红外光为载波，利用光的反射原理，采用相位式脉冲测距法完成光电控制。但这种传感器具有较多限制：

（1）气象条件对光电测距影响较大，大雾或大雨天气光电开关动作不灵敏。

（2）易受反光镜或其他强光源等背景的干扰，导致误动作。

（3）抗震干扰性差，起重机作业时的震动易导致红外线射偏或无法接受反射光。

（4）需严防阳光及其他强光直射接收物镜，避免光线经镜头聚焦进入机内，将部分元件烧坏。

停止方面设备采用机械摇臂限位来实现设备间的防撞保护。这种限位开关主要是有一个挡块压住限位开关的触头，一旦限位动作开关触头分开，它一般都用在一个运动物件两个极端的位置。这种开关机械结构简单，所以故障率比较低，使用环境要求不高，但由于其工作原理也决定了它存在以下的一些缺点：

由于是机械动作，因此会出现机械抖动，存在误动作的可能。

（2）限位开关工作方式为机械接触式，所以需要相应挡块配合，时间长了若挡块契合度不够或摇臂等机械结构卡死，限位就失去了功能，有安全隐患。

（3）由于限位需要接触才能动作，导致限位动作时，设备本身已经非常接近（通常距离只有15cm），若减速功能损坏，设备全速接近时，即使限位开关动作紧急制动，也无法避免设备相撞。

基于以上种种原因，我利用码头现有的条件，研究出了一套起重机大车防撞保护方案。此方案利用PLC和编码器的特性，用PLC将每台设备连入一个网络，通过比较彼此设备编码器的数值来实现起重机减速和停止的保护。

2.方案设计

此方案利用PLC之间太网通信的功能，在地面控制中心设置一个PLC总站与所有起重机的PLC主站相连。读取所有起重机PLC内的大车编码器数值，然后在总站PLC内计算处理，根据计算的结果向相应的设备发送指令，设备PLC利用该指令来判断自身是否需要减速及停止。系统拓扑图如图1所示。

在硬件选择方面，基于岸桥和轨道吊所使用的PLC型号，我们首先考虑了西门子S7-300系列PLC。此系列属于中型机，其CPU作为数据计算、程序处理方面性能已经够用，但是它只能链接32个从站。出于将来设备扩展以及通信质量方面的考虑，我们选择了更高性能的S7-400系列PLC，它能链接64个从站，而且处理速度、通信质量等方面均强于前者。最终我们选择了CPU 416-2，同时还配套了相应的电源模块PS 407 4A和以太网通信模块CP 443-1。每台起重机PLC均配有一个相应型号的以太网模块，PLC之间采用以太网方式建立通信。由于设备距离地面PLC站较远，所以采用光缆传输，来尽量避免数据的延迟。连接好硬件线路后，接下来就是地面PLC的组态及程序编写工作。组态后，PLC总站作为主站，其他设备PLC作为从站共同编制入一个局域网中，每台PLC分配一个固定的IP地址，主站与从站之间可以自由通信。

3.方案实施

由于设备本身自带编码器和以太网模块，所以硬件方面的工作较为简单，只需将地面PLC总站的各硬件安装完成，并与设备共同接入高速以太网交换机即可。线路连接完成后在软件端配置PLC总站，打开西门子软件STEP7，新建项目后在Hardware界面一一填入对应机架号的PLC模块，填好后双击打开CP443-1，填入本站的IP地址10.169.115.250，子网掩码255.255.255.0和网关10.169.115.254，填好后编译保存完成硬件配置。按照以上同样的方法在每台设备的硬件组态界面打开CP模块，填入各自对应的IP地址。规定1#轨道吊IP地址为10.169.115.51，之后每台设备占用连续的两个IP地址，依次排列。至此PLC各站点的以太网联网完成，通信建立，接下来就是编写程序进行数据采集。

Profinet模式下的S7通信（S7-400）有SFB14和SFB15两个系统单边通信功能块，他们分别是GET（从其他CPU获得数据）和PUT（送给其他CPU数据）。我们在主站中使用SFB14 GET从其他站CPU中采集数据，其中EN为使能端，REQ为通信频率的设置，ID为从站ID号，ADDR为被读取站地址，RD为获取数据的保存位置，NDR为功能块运行状态位。一个功能块能同时传送4个DB块数据，功能十分强大，每次采集的新数据直接覆盖老数据。可以通过设置REQ来设置数据采集的频率。

以1#、2#轨道掉为例，通过测试得出频率设置为5Hz比较合适，即0.2s采集一次数据，主站将从站DB95.DBX0.0为起点读取该DB块共64 BYTE的数据存入主站DB100中。主站CPU为每台设备都新建了一个DB块，用同样的方法依次将我们所需数据存入各设备对应的DB块中。通过以上方法得到我们想要的起重机的大车位置后，我们就可以使用它们来计算出相邻两台设备间的距离，从而根据距离来控制两台设备的减速与停止。图2为起重机的减速停止控制程序。

同样我们以轨道吊为例，由于轨道吊编码器安装于设备中间位置，而一台轨道掉的长度为17m，所以我们将相邻轨道吊的大车位置相减后再减去17m得到两台轨道掉防撞缓冲器之间的距离。然后通过CMP比较指令即可得到两机的防撞保护命令，我们这里设置的是减速30m，停止25m。当条件满足时，有两个线圈得电，分别为两台机的保护命令。命令发送方面主站PLC采用SFB15 PUT功能将减速、停止命令发送到对应的1#、2#轨道吊PLC中参与到程序的保护控制，最终实现了设备的防撞功能。

最后考虑到其他因素的影响，如：通信断、控制命令误动作等意外发生，我们还设置了一段通信检测程序。程序中主站向每个从站发送一个CPU时钟脉冲，从站通过检测这个时钟脉冲是否在规定的周期内闭合和断开，来检测该从站是否与主站失去连接。如果检测到通信断开，从站程序会立即做出报出相应的故障，提醒司机通知维修人员前来修理。

结语

该功能应用后，解放了地面的监督人员，实现了无人监管，节省了一部分的人力，变相地提高了工作效率。同时得益于PLC的高度可靠性和程序内的通信检测机制，使得系统稳定可靠，实现了起重机大车减速防撞的精确控制，安全性远远优于以前的光电开关和机械限位。另一方面此方案的设计思想，为其他技术人员带来全新的借鉴思路。通过此方法将原来各自之间毫无交集的起重机纳入同一个局域网中，彼此之间可通过网络交换数据，实现数据共享，为起重机智能控制带来了无限可能。

参考文献

[1]廖常初.通信PLC编程及应用通信第3版[M].北京：机械工业出版社，2008.