西門子S7-1500 PLC和PROFINET通信網(wǎng)絡(luò)在大型門式起重機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

崔海豐 曲媛媛

（大連華銳重工起重機(jī)有限公司 大連）

Application of S7-1500 PLC and PROFINET Communication Network in Large Gantry Crane Control System

［摘要］ 隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，大型門式起重機(jī)被廣泛應(yīng)用于石化、造船、海洋工程及風(fēng)電等領(lǐng)域。本文以神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)600t門式起重機(jī)項(xiàng)目為依托，介紹了西門子SIMATIC S7-1500 PLC、PROFINET通信網(wǎng)絡(luò)、HMI、工控機(jī)等產(chǎn)品在大型門式起重機(jī)上的系統(tǒng)配置和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并通過工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)門式起重機(jī)并車聯(lián)動作業(yè)。通信技術(shù)的應(yīng)用，對起重機(jī)自動化發(fā)展及工廠智能化升級有著重要的推動意義。

［關(guān)鍵詞］ S7-1500、PROFINET、門式起重機(jī)、并車聯(lián)動

［Abstract］ With the rapid development of domestic economic construction,large-scale gantry cranes are widely used in petrochemicals industry,shipbuilding,marine engineering,and wind power.Based on the 600-ton gantry crane project of Shenhua Ningxia Coal Industry Group,this paper introduces the system configuration and network structure of Siemens SIMATIC S7-1500 PLC,PROFINET communication network,HMI,IPC(Industrial Personal Computer) and other products in large gantry crane.And through the Industrial Ethernet network to achieve the gantry crane and parallel operation.The application of communication technology is of great significance to the development of crane automation and the upgrading of factory intelligence.

［Key Words］ S7-1500、PROFINET、gantry crane、parallel operation

一、項(xiàng)目簡介

我國能源資源存在“富煤、貧油、少氣”的特點(diǎn)，煤制油項(xiàng)目對解決我國油氣資源短缺、平衡能源結(jié)構(gòu)、推動國家中長期能源發(fā)展戰(zhàn)略具有重要意義。神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)400萬t/年煤炭間接液化項(xiàng)目，是目前世界上單套投資規(guī)模最大之一、裝置最大之一、擁有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的煤炭間接液化國家示范項(xiàng)目。圖1是神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)400萬t/年煤炭間接液化項(xiàng)目投產(chǎn)后的照片。

大型壓力容器是煤炭液化工藝中的重要設(shè)備，大連華銳重工起重機(jī)有限公司為神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)生產(chǎn)的四臺600t門式起重機(jī)是制造壓力容器不可或缺的設(shè)備。圖2是起重機(jī)正在吊載壓力容器的照片。

圖1 神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)煤制油項(xiàng)目

圖2 吊載石化容器的起重機(jī)

門式起重機(jī)（以下簡稱門吊）主要用于石化容器的生產(chǎn)拼裝以及整個(gè)產(chǎn)品的吊裝發(fā)運(yùn)。此項(xiàng)目石化容器重量高達(dá)1000t、長度達(dá)50多m，因此，在產(chǎn)品發(fā)運(yùn)時(shí)，需兩臺600t門吊并機(jī)聯(lián)合抬吊作業(yè)。

西門子S7-1500 PLC系統(tǒng)與變頻調(diào)速系統(tǒng)配以PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)，恰好可以滿足對起重設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定、對位精準(zhǔn)、易于維護(hù)的使用要求。

二、控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

1.控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成

每臺門式起重機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由上位機(jī)（工控機(jī)）、SIMATIC S7-1500控制器、ET200MP從站、以太網(wǎng)交換機(jī)、ABB 880系列變頻器、絕對值編碼器等組成。控制系統(tǒng)留有Ethernet接口，提供了更好的擴(kuò)展功能，可實(shí)現(xiàn)將來智能化工廠的建設(shè)，滿足從公司管理級到現(xiàn)場設(shè)備級的直接訪問。每臺門吊的控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成見圖3。

2.SIMATIC S7-1500控制器

西門子新一代的SIMATIC S7-1500控制器帶來了諸多方面的技術(shù)革新，運(yùn)算速度和通信功能等極大提高，具有顯示調(diào)試和診斷信息，PROFINET標(biāo)準(zhǔn)接口等優(yōu)勢，為工廠的可持續(xù)發(fā)展提供了強(qiáng)有力的保障。

圖3 控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（1）SIMATIC S7-1500 PLC主站

采用CPU 1516-3 PN/DP作為控制主站，它自身帶有兩個(gè)PROFINET接口和一個(gè)PROFIBUS接口,負(fù)責(zé)在預(yù)定的循環(huán)周期內(nèi)與從站交換數(shù)據(jù)，發(fā)送控制指令，讀取從站狀態(tài)信息等；并可與上位機(jī)交換相連，用于操控和顯示等。PLC主站系統(tǒng)硬件組成見表1。

表1 PLC主站系統(tǒng)硬件組成

（2）分布式I/O ET 200MP

ET 200MP是一種經(jīng)濟(jì)，靈活，性能卓越的小型分布式I/O設(shè)備，分布在駕駛室、小車及大車兩個(gè)門腿的接線箱內(nèi)，將以上各部位的操作指令、限位開關(guān)狀態(tài)等信息通過IM155-5接口模塊與PROFINET總線連接，傳輸給PLC主站，從而極大節(jié)省了布線安裝及維護(hù)成本。分布式I/O ET 200MP子站組成見表2。

表2 ET 200MP子站硬件組成

3.現(xiàn)場I/O設(shè)備

變頻器、絕對值編碼器、監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)、上位機(jī)（工控機(jī)）、HMI等現(xiàn)場設(shè)備為PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

（1）變頻器

每臺門吊有6臺ABB 880系列變頻器，每臺變頻器通過FENA-11型PROFINET接口模塊，接入工業(yè)以太網(wǎng)。其中，主起升機(jī)構(gòu)由兩臺變頻器分別驅(qū)動兩臺電動機(jī)組成，剛性連接，兩臺變頻器之間通過自身的XD2D接口連接，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩主從控制，達(dá)到轉(zhuǎn)矩均衡。

大車兩臺變頻器分別驅(qū)動剛腿、撓腿電動機(jī)，當(dāng)兩門腿運(yùn)行不同步時(shí)，自動糾偏控制。

（2）絕對值編碼器

門吊各機(jī)構(gòu)均裝有帶PROFINET接口的絕對值編碼器，實(shí)時(shí)測量機(jī)構(gòu)的運(yùn)行位置，保證兩機(jī)構(gòu)高同步性的聯(lián)動運(yùn)行。

（3）起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)、工控機(jī)和HMI經(jīng)PRIFINET接口，連接至PROFINET，讀取CPU數(shù)據(jù)，構(gòu)成了起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)，滿足GB/T 28264—2017《起重機(jī)械 安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》，顯示實(shí)時(shí)狀態(tài)、歷史曲線、報(bào)警查詢、故障追溯及設(shè)備保養(yǎng)等功能，為起重機(jī)日常維護(hù)、壽命評估和事故判定提供數(shù)據(jù)支持，極大提高了起重機(jī)的安全性能。起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)見圖4。

三、工業(yè)以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)

鑒于大噸位、大跨度門吊的結(jié)構(gòu)形式及兩臺門吊并車聯(lián)動運(yùn)行要求，采用基于工業(yè)以太網(wǎng)的新一代自動化總線標(biāo)準(zhǔn)——PRIFINET通信網(wǎng)絡(luò)，具有通信速率快，抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)勢。

1.單臺門吊PLC控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

每臺門吊PLC控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以SIMATIC S7-1500作為主站，將4個(gè)ET 200MP分布式I/O設(shè)備、變頻器、編碼器、HMI、工控機(jī)等集成到PROFINET中。每臺門吊的PLC網(wǎng)絡(luò)組態(tài)見圖5。

2.兩臺門吊PLC之間的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

圖4 起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)圖

圖5 PLC網(wǎng)絡(luò)組態(tài)圖

當(dāng)?shù)踹\(yùn)長度較長或重量超出起重機(jī)額定起重能力的產(chǎn)品時(shí)，需要一名駕駛員同時(shí)控制兩臺起重機(jī)并車協(xié)同聯(lián)動作業(yè)。本項(xiàng)目兩臺600t門吊采用兩根線徑為62.5/125μm多模玻璃光纖互連至彼此剛腿的以太網(wǎng)交換機(jī)上，實(shí)現(xiàn)兩車PLC之間的冗余通信。光纖通信既解決了遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男盘査p問題，又避免了電磁干擾情況。

并車時(shí)，駕駛員可在主車上（或從車上）操作主令控制器同時(shí)控制兩臺600t門吊相應(yīng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行；也可單獨(dú)控制主車或從車運(yùn)行。兩臺門吊CPU之間的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)見圖6。

圖6 兩臺門吊CPU之間的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)圖

在網(wǎng)絡(luò)組態(tài)中，首先設(shè)置兩個(gè)CPU分別為對方的I/O設(shè)備，并連接至對方通信網(wǎng)絡(luò)中，其次在“IO控制器中的地址”和“智能設(shè)備中的地址”中，設(shè)置好相應(yīng)地址，即可完成兩個(gè)CPU之間的數(shù)據(jù)交換，兩車CPU之間的通信設(shè)置見圖7。

圖7 兩車CPU之間的通信設(shè)置圖

并車作業(yè)時(shí)，主車CPU需讀取主車和從車的狀態(tài)信號，來完成主車的邏輯控制（以主車主起升上升一檔為例，見圖8）；而從車CPU讀取主車的控制指令和狀態(tài)信號，再結(jié)合從車的狀態(tài)信號，完成從車的邏輯控制。同時(shí)，從車CPU讀取主車各機(jī)構(gòu)上絕對值編碼器的數(shù)值，與從車相應(yīng)的編碼器進(jìn)行比較，邏輯運(yùn)算后完成速度跟隨，確保兩車機(jī)構(gòu)的同步運(yùn)行。

圖8 主車主起升上升一檔程序段

四、項(xiàng)目運(yùn)行

此項(xiàng)目4臺600t門吊的交付使用引起當(dāng)?shù)卣托侣劽襟w的極大關(guān)注，是西北地區(qū)吊載能力最大、跨度最長、控制系統(tǒng)配置最高的起重機(jī)，被譽(yù)為“西北第一吊”。600t門吊投入使用以來，性能良好、運(yùn)行穩(wěn)定、操作便捷，深受使用單位的好評。

五、應(yīng)用體會

煤液化反應(yīng)器的單筒拼裝和整體發(fā)運(yùn)工序，均要求起重機(jī)具有極高的定位精度和同步精度。以往此類門吊的電控系統(tǒng)通常采用SIMATIC S7-400H PLC，配以PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡(luò)，但PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)通信速率為1.5Mbit/s時(shí)，標(biāo)稱通信距離僅為200m。通信速率和通信距離兩者無法兼顧，造成門吊控制精度不高，定位不精確，且偶爾會出現(xiàn)通信故障，造成設(shè)備停機(jī)，嚴(yán)重影響了工廠生產(chǎn)效率。

此項(xiàng)目首次采用西門子SIMATIC S7-1500控制器，配以先進(jìn)的、通信速率高達(dá)100Mbit/s的PROFINET實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了起重機(jī)±5mm的高精度定位和±20mm的兩車同步精度，徹底解決了通信速率、通信距離以及通信干擾問題。事實(shí)證明，將西門子公司新一代的SIMATIC產(chǎn)品引入起重機(jī)電控系統(tǒng)中，對起重機(jī)自動化的發(fā)展及工廠智能化的升級有著深遠(yuǎn)的推動意義。

此外，西門子公司完善的技術(shù)文檔、專業(yè)的服務(wù)熱線，為設(shè)備的現(xiàn)場調(diào)試提供有力的保障，極大縮短了調(diào)試周期。

參考文獻(xiàn)

［1］ 吳昊罡，潘彥宏，步超.智能起重機(jī)的控制系統(tǒng)與關(guān)鍵技術(shù)［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，2018(5)：69-72.

［2］ 崔堅(jiān).西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信指南：上冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［3］ 曲媛媛，崔海豐.基于S7-400H、PROFIBUS-DP總線及以太網(wǎng)總線的起重機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，2014(9)：75-77.