1.   概述

    由于PLC控制系統(tǒng)可靠，方便等特點(diǎn)，其已在集裝箱起重機(jī)上廣泛使用，目前已取代了早期的繼電器控制回路系統(tǒng)。同時(shí)由于總線系統(tǒng)的發(fā)展，PLC所需采集的各類(lèi)開(kāi)關(guān)，傳感器信號(hào)可以通過(guò)遠(yuǎn)程I/O站實(shí)現(xiàn)，大大節(jié)省了電纜布線成本，也節(jié)約了故障查詢(xún)時(shí)間。本文主要闡述的就是岸橋控制系統(tǒng)的核心內(nèi)容設(shè)計(jì)：岸橋PLC程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

    在這套系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的主要元件PLC是采用了SIEMENS公司的S7-400作為PLC主站，ET200作為遠(yuǎn)程模塊站。整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)PROFIBUS總線將PLC主站與各遠(yuǎn)程模塊站及控制傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的變頻器相連，見(jiàn)如下單線圖1-1所示：

 圖1-1：以PLC為核心的岸橋電氣控制系統(tǒng)圖

 

圖1-1中，S7-400 PLC是整個(gè)系統(tǒng)的核心所在，它有兩個(gè)PROFIBUS總線接口，一條總線連接所有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)變頻器（變頻器由整流器與逆變器組成），這樣一來(lái)變頻器所需要的命令，運(yùn)行狀態(tài)的反饋等信號(hào)均可以通過(guò)PROFIBUS通訊來(lái)實(shí)現(xiàn)。另一條總線則連接所有的I/O遠(yuǎn)程站，實(shí)現(xiàn)采集信號(hào)和輸出信號(hào)，大大節(jié)約了布線。PLC同時(shí)也帶有以太網(wǎng)接口，可以方便的與計(jì)算機(jī)連接，這樣一來(lái)工程技術(shù)人員可以通過(guò)計(jì)算機(jī)的人機(jī)界面來(lái)監(jiān)控岸橋的運(yùn)行，同時(shí)該計(jì)算機(jī)也可以作為編程器，用來(lái)配置PLC硬件，修改PLC程序。

對(duì)岸橋的PLC系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其需要控制的內(nèi)容有岸橋的起升, 大車(chē), 小車(chē), 俯仰這四個(gè)主要機(jī)構(gòu)的運(yùn)行與輔助機(jī)構(gòu)的運(yùn)行，四個(gè)主要機(jī)構(gòu)都有相同的運(yùn)行過(guò)程，如下圖2-1所示：

 

圖2-1：岸橋主要機(jī)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程

 

因此在這過(guò)程中的“是否滿足運(yùn)行條件”與“是否存在減速命令”是編寫(xiě)岸橋PLC程序所必須清楚的情況，我們?cè)谶@里必須通過(guò)工況分析，有了清楚的了解之后，才能正確的編寫(xiě)程序。以下我們將以起升機(jī)構(gòu)為例，對(duì)工況進(jìn)行詳細(xì)的分析。

起升機(jī)構(gòu)的主要作用是通過(guò)鋼絲繩與吊具上的滑輪將吊具作上下的移動(dòng)。當(dāng)?shù)蹙叩趿思�裝箱之后，集裝箱就可以通過(guò)起升機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)，比如將集裝箱從船艙或集裝箱卡車(chē)上提取。起升機(jī)構(gòu)的組成除了吊具與鋼絲繩之外，還包括兩套并行連接的機(jī)械傳動(dòng)裝置，每套傳動(dòng)裝置的組成如圖2-2所示：有一個(gè)交流電機(jī)聯(lián)接一個(gè)減速箱。在電機(jī)與減速箱之間的主軸上裝有一個(gè)液壓推桿盤(pán)式制動(dòng)器。電機(jī)非驅(qū)動(dòng)側(cè)出軸安裝有測(cè)速編碼器和超速開(kāi)關(guān)。在卷筒的一側(cè)出軸上裝有一個(gè)凸輪限位開(kāi)關(guān)。

 

 圖2-2：起升傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成

起升機(jī)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程控制如下：

l         PLC采集司機(jī)發(fā)出的運(yùn)行指令及速度給定指令。

l         通過(guò)PLC程序進(jìn)行邏輯判斷，判斷是否滿足“運(yùn)行允許”的情況。

l         如果PLC程序邏輯判斷滿足“運(yùn)行允許”的情況，接下來(lái)要進(jìn)行的就是起升速度的處理，其處理如下：

n         如果不存在減速運(yùn)行命令，則傳動(dòng)機(jī)構(gòu)按司機(jī)給定的速度運(yùn)行。

n         如果PLC收到減速運(yùn)行信號(hào)，PLC則將速度處理為司機(jī)給定速度的10%。

l         最終，PLC需將這些運(yùn)行命令，運(yùn)行速度通過(guò)PROFIBUS總線傳輸給變頻器，變頻器帶動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)起升機(jī)構(gòu)的運(yùn)行。

在編寫(xiě)PLC程序之前，對(duì)于I/O 變量, 由于其在原理圖上已定義, 我們可以先將其在SYMBOLS中輸入。

 

圖2-1：SYMBOLS表

 

下面我們以起升機(jī)構(gòu)為例, 編寫(xiě)一段岸橋起升運(yùn)行程序。

 

步驟一：編寫(xiě)“起升允許”程序。我們編寫(xiě)的“起升允許”程序如下圖2-2所示：   

 圖2-2：編寫(xiě) “起升允許”程序

 

 

  

 圖2-3：起升運(yùn)行命令

 

步驟三：編寫(xiě)“起升速度的控制”程序。在這段程序中：當(dāng)司機(jī)在駕駛室把控制電源合上，并發(fā)出起升命令，如果有減速命令存在，則將給定值變?yōu)樵瓉?lái)的10%，程序如下圖2-4所示。

 

      圖2-4：速度給定信號(hào)處理

 

步驟四：編寫(xiě)“起升命令與速度控制”程序。以上的程序完成了岸橋起升運(yùn)行的命令和速度給定的產(chǎn)生，最終我們就是要將這命令與速度給定通過(guò)PROFIBUS總線傳輸給變頻器，如圖2-6是調(diào)用了西門(mén)子公司功能塊庫(kù)中的一個(gè)PROFIBUS數(shù)據(jù)傳送功能塊PCD_SEND，用來(lái)傳送數(shù)據(jù)塊DB123中的16個(gè)字。。

 

圖2-5升命令與速度控制 

圖2-6總線數(shù)據(jù)傳輸

 

以上分析了岸橋起升機(jī)構(gòu)的程序編寫(xiě)，與起升機(jī)構(gòu)的程序類(lèi)似, 岸橋的大車(chē), 小車(chē), 俯仰機(jī)構(gòu)程序也要處理運(yùn)行允許, 命令與速度給定，數(shù)據(jù)傳輸?shù)取�為了使整個(gè)項(xiàng)目程序結(jié)構(gòu)清晰，我們將各個(gè)功能細(xì)分，如下圖3-14所示是：主要機(jī)構(gòu)運(yùn)行控制的功能FC，以及用于命令與速度給定傳輸?shù)腜ROFIBUS總線數(shù)據(jù)傳輸功能塊FB：

圖2－7：岸橋主要機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)功能FC

 

這些功能FC的作用如下：

l         FB22   起升/大車(chē)1#變頻器PROFIBUS總線數(shù)據(jù)傳輸

l         FB23   起升/大車(chē)2#變頻器PROFIBUS總線數(shù)據(jù)傳輸

l         FB24   小車(chē)/俯仰變頻器PROFIBUS總線數(shù)據(jù)傳輸

l         FC31  起升運(yùn)行控制

l         FC41  大車(chē)運(yùn)行控制

l         FC51  小車(chē)運(yùn)行控制

l         FC61  俯仰運(yùn)行控制

在岸橋上還有一些輔助機(jī)構(gòu)需由PLC程序來(lái)控制。這些功能FC如下圖2-8所示：

 

圖2-8：輔助機(jī)構(gòu)控制

 

這些功能FC的作用如下：

l         FC12  投光燈，空調(diào)的啟動(dòng)，停止控制。

l         FC13  風(fēng)速處理：當(dāng)風(fēng)速達(dá)到警報(bào)值時(shí)發(fā)出信號(hào)。

l         FC16  指示燈顯示：控制各個(gè)操作站的指示燈。

l         FC34  起升編碼器位置處理：判斷起升上下的停止，減速位置等。

l         FC36  負(fù)載重量處理：判斷負(fù)載是否超過(guò)額定。

l         FC54  小車(chē)編碼器位置處理：判斷小車(chē)前后的停止，減速位置等。

l         FC63  俯仰編碼器位置處理：判斷俯仰上下的停止，減速位置等。

l         FC71  吊具控制：吊具在起吊集裝箱時(shí)的控制，如吊具鎖頭的開(kāi)閉功能。

 

結(jié)合岸橋主要機(jī)構(gòu)，輔助機(jī)構(gòu)控制的功能FC，以及PROFIBUS總線通訊數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ軌KFB等，完成了岸橋PLC程序的設(shè)計(jì)。

在岸橋的PLC程序編寫(xiě)完成后，我們隨即在岸橋上進(jìn)行了調(diào)試，由此發(fā)現(xiàn)了程序的統(tǒng)一性問(wèn)題，該問(wèn)題是這樣的：我們所進(jìn)行的這個(gè)項(xiàng)目有12臺(tái)岸橋，在岸橋上，有些數(shù)據(jù)的定義需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況來(lái)定義，舉一簡(jiǎn)單的例子：

比如小車(chē)機(jī)構(gòu)位置編碼器的零位數(shù)據(jù)OFFSET，對(duì)于調(diào)試的第一臺(tái)岸橋，我們可以很容易加以這樣定義：將小車(chē)機(jī)構(gòu)行駛到最后面的終點(diǎn)位置，讀出小車(chē)在該位置時(shí)位置編碼器的讀數(shù)，以此作為小車(chē)機(jī)構(gòu)位置編碼器的零位數(shù)據(jù)OFFSET。但我們?cè)谡{(diào)試第二臺(tái)岸橋時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于機(jī)械安裝的誤差，第二臺(tái)小車(chē)機(jī)構(gòu)行駛到最后面的終點(diǎn)位置時(shí)，讀出的小車(chē)位置編碼器讀數(shù)與第一臺(tái)岸橋的數(shù)值不相同。也就是說(shuō)，我們必須將第二臺(tái)岸橋的小車(chē)機(jī)構(gòu)位置編碼器的零位數(shù)據(jù)OFFSET設(shè)置成不一樣的數(shù)據(jù)。

與此有相同問(wèn)題的數(shù)據(jù)還有諸如重量傳感器的比例系數(shù)，小車(chē)自動(dòng)停車(chē)時(shí)停車(chē)位置點(diǎn)，俯仰機(jī)構(gòu)的上升終點(diǎn)位置等等。這些問(wèn)題都產(chǎn)生了一個(gè)后果，調(diào)試結(jié)束后每臺(tái)岸橋都有對(duì)應(yīng)的PLC程序，彼此之間不統(tǒng)一。

分析這個(gè)問(wèn)題，我們?cè)O(shè)想了以下解決問(wèn)題的方法：

n         我們可以增加設(shè)計(jì)這樣一段解決問(wèn)題的“岸橋編號(hào)識(shí)別”程序：首先讓各臺(tái)岸橋編號(hào)：比如岸橋1，岸橋2。。。。。。岸橋12，PLC程序運(yùn)行“岸橋編號(hào)識(shí)別”程序來(lái)判定該岸橋的編號(hào)，如果是岸橋1，“岸橋編號(hào)識(shí)別”程序就執(zhí)行將岸橋1的數(shù)據(jù)裝載到一“共用數(shù)據(jù)塊”。

“岸橋編號(hào)識(shí)別”執(zhí)行完畢后，我們所需要的數(shù)據(jù)都在這“共用數(shù)據(jù)塊”中，之后PLC在程序運(yùn)行時(shí)，如需要用到那些各臺(tái)岸橋有差異的數(shù)據(jù)，就可以從該“共用數(shù)據(jù)塊”中讀取所需要的數(shù)據(jù)。整個(gè)過(guò)程如圖3-1所示：

            圖3-1：“岸橋編號(hào)識(shí)別”程序

 

有了以上的思路，接下來(lái)我們就著手開(kāi)始解決這個(gè)PLC程序統(tǒng)一性問(wèn)題：

l         第一步：對(duì)岸橋進(jìn)行編號(hào)：

將岸橋定義為岸橋1# 至岸橋12# ，但是如果要讓PLC能夠識(shí)別這些編號(hào)，那么我們必須設(shè)置輸入信號(hào)送給PLC，我們利用了一個(gè)備用的輸入字節(jié)IB256來(lái)定義岸橋的編號(hào)，在PLC系統(tǒng)的硬件輸入上，我們按此定義對(duì)各臺(tái)岸橋接入高電平，每臺(tái)岸橋不同，如下圖3-2所示：

 

圖3-2：對(duì)岸橋進(jìn)行編號(hào)

 

 

l         在程序中為每臺(tái)岸橋設(shè)置一個(gè)DB數(shù)據(jù)塊（DATABASE），分別為DB201~DB212，分別對(duì)應(yīng)岸橋1~12的數(shù)據(jù)，如下圖3-3所示：

 

l         編寫(xiě)“岸橋編號(hào)識(shí)別”程序：創(chuàng)建一功能FC74用于處理不同岸橋編號(hào)識(shí)別，然后將對(duì)應(yīng)岸橋的數(shù)據(jù)塊DB20X數(shù)據(jù)傳輸給一共用數(shù)據(jù)塊DB74。如下圖3-4所示：當(dāng)岸橋編號(hào)CRANEID是2的時(shí)候，將岸橋2的數(shù)據(jù)塊DB202的44個(gè)字節(jié)傳輸?shù)焦灿脭?shù)據(jù)塊DB74中。

 

圖3-4：“岸橋編號(hào)識(shí)別”程序

 

l         PLC讀取共用數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)：PLC可以任意讀取共用數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)就是對(duì)應(yīng)相應(yīng)岸橋的數(shù)據(jù)，如下圖3-5所示程序：

 

圖3-5：讀取“共用數(shù)據(jù)塊DB74”數(shù)據(jù)程序

 

由此，我們通過(guò)程序的修改完全解決了PLC程序統(tǒng)一性的問(wèn)題，使該P(yáng)LC程序更加完善，可靠。

 

我們將該P(yáng)LC程序應(yīng)用于外高橋四期集裝箱碼頭前六臺(tái)岸橋設(shè)備（整個(gè)項(xiàng)目共十二臺(tái)）六臺(tái)岸橋開(kāi)始投入使用并成功地使用至今，根據(jù)碼頭工程部工程師的反映，該程序運(yùn)行得非常可靠，從未出現(xiàn)過(guò)由于程序原因造成的故障，而且整個(gè)程序運(yùn)行速度快，思路清晰，易于理解，變量名通俗易記，對(duì)岸橋的監(jiān)控，故障查詢(xún)方便。同時(shí)，由碼頭合資方馬士基船務(wù)公司聘請(qǐng)的外方咨詢(xún)公司對(duì)該程序也進(jìn)行了鑒定并予以肯定。

在本程序的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中，我們也參考比較了GE，ABB等一些著名電控供應(yīng)商的岸橋PLC程序：相比而言，我們的PLC程序有如下優(yōu)點(diǎn)：

l         合理地采用主程序調(diào)用子程序的結(jié)構(gòu)，這樣的好處是：

n         整個(gè)程序思路清晰：各個(gè)主要機(jī)構(gòu)的控制，各個(gè)輔助機(jī)構(gòu)的控制，都有相應(yīng)的子程序，即功能FC來(lái)實(shí)現(xiàn)。最終這些功能FC在主程序OB1中調(diào)用。

n         對(duì)岸橋的監(jiān)控方便，快捷：用戶如果想查找到監(jiān)控的某一裝置，比如需查看指示燈，那只要找到“指示燈”這一功能FC，將其打開(kāi)，不用花很多時(shí)間就能找到，大大縮短了查找時(shí)間。

l         整個(gè)程序的變量名采用縮寫(xiě)，通俗易懂，加上變量附帶的注釋?zhuān)�方便了碼頭工程人員對(duì)程序的掌握，而且工程人員很容易記住一些常用的變量名，如起升上升允許的變量命是HUPPRM是HOIST UP PERMIT的縮寫(xiě)，在熟悉了變量名后，可利用PLC軟件SIMATIC MANAGER自帶的查找功能（GO TO LOCATION），很快找到該變量對(duì)應(yīng)的程序行，進(jìn)一步縮短查找時(shí)間。

l         程序的編寫(xiě)采用PLC特有的“梯形圖”語(yǔ)言，十分直觀。“梯形圖”語(yǔ)言是一種類(lèi)型繼電器圖紙表示方法的語(yǔ)言，對(duì)電氣工程技術(shù)人員來(lái)說(shuō)具有親切感，看程序就象查看原理圖一樣，更容易理解。

l         整個(gè)程序簡(jiǎn)潔，實(shí)用，使用嵌套少。在程序編寫(xiě)思想上較多地考慮利于用戶監(jiān)控， 查找與理解，而不是單純從我們?cè)鯓泳帉?xiě)方便的角度出發(fā)。