1. 概述

由于PLC控制系統(tǒng)可靠，方便等特點，其已在集裝箱起重機上廣泛使用，目前已取代了早期的繼電器控制回路系統(tǒng)。同時由于總線系統(tǒng)的發(fā)展，PLC所需采集的各類開關(guān)，傳感器信號可以通過遠(yuǎn)程I/O站實現(xiàn)，大大節(jié)省了電纜布線成本，也節(jié)約了故障查詢時間。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：岸橋PLC程序的設(shè)計與實現(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。整個系統(tǒng)通過PROFIBUS總線將PLC主站與各遠(yuǎn)程模塊站及控制傳動機構(gòu)的變頻器相連，見如下單線圖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是整個系統(tǒng)的核心所在，它有兩個PROFIBUS總線接口，一條總線連接所有傳動機構(gòu)變頻器（變頻器由整流器與逆變器組成），這樣一來變頻器所需要的命令，運行狀態(tài)的反饋等信號均可以通過PROFIBUS通訊來實現(xiàn)。另一條總線則連接所有的I/O遠(yuǎn)程站，實現(xiàn)采集信號和輸出信號，大大節(jié)約了布線。PLC同時也帶有以太網(wǎng)接口，可以方便的與計算機連接，這樣一來工程技術(shù)人員可以通過計算機的人機界面來監(jiān)控岸橋的運行，同時該計算機也可以作為編程器，用來配置PLC硬件，修改PLC程序。

2. 岸橋PLC程序編寫

對岸橋的PLC系統(tǒng)來說，其需要控制的內(nèi)容有岸橋的起升， 大車， 小車， 俯仰這四個主要機構(gòu)的運行與輔助機構(gòu)的運行，四個主要機構(gòu)都有相同的運行過程，如下圖2-1所示：

圖2-1：岸橋主要機構(gòu)運行過程

因此在這過程中的“是否滿足運行條件”與“是否存在減速命令”是編寫岸橋PLC程序所必須清楚的情況，我們在這里必須通過工況分析，有了清楚的了解之后，才能正確的編寫程序。以下我們將以起升機構(gòu)為例，對工況進行詳細(xì)的分析。

2.1. 岸橋起升機構(gòu)工況分析

2.1.1. 岸橋起升機構(gòu)的組成

起升機構(gòu)的主要作用是通過鋼絲繩與吊具上的滑輪將吊具作上下的移動。當(dāng)?shù)蹙叩趿思b箱之后，集裝箱就可以通過起升機構(gòu)實現(xiàn)上下移動，比如將集裝箱從船艙或集裝箱卡車上提取。起升機構(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械傳動裝置，每套傳動裝置的組成如圖2-2所示：有一個交流電機聯(lián)接一個減速箱。在電機與減速箱之間的主軸上裝有一個液壓推桿盤式制動器。電機非驅(qū)動側(cè)出軸安裝有測速編碼器和超速開關(guān)。在卷筒的一側(cè)出軸上裝有一個凸輪限位開關(guān)。

圖2-2：起升傳動機構(gòu)組成

2.1.2. 岸橋起升機構(gòu)的運行控制

起升機構(gòu)運行過程控制如下：

l PLC采集司機發(fā)出的運行指令及速度給定指令。

l 通過PLC程序進行邏輯判斷，判斷是否滿足“運行允許”的情況。

l 如果PLC程序邏輯判斷滿足“運行允許”的情況，接下來要進行的就是起升速度的處理，其處理如下：

n 如果不存在減速運行命令，則傳動機構(gòu)按司機給定的速度運行。

n 如果PLC收到減速運行信號，PLC則將速度處理為司機給定速度的10%。

l 最終，PLC需將這些運行命令，運行速度通過PROFIBUS總線傳輸給變頻器，變頻器帶動電機運行，實現(xiàn)起升機構(gòu)的運行。

2.2. 程序編寫

2.2.1. Symbol表的編寫

在編寫PLC程序之前，對于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

2.2.2. 岸橋起升運行程序

下面我們以起升機構(gòu)為例， 編寫一段岸橋起升運行程序。

步驟一：編寫“起升允許”程序。我們編寫的“起升允許”程序如下圖2-2所示：

圖2-2：編寫 “起升允許”程序

步驟二：編寫“起升命令控制”程序。當(dāng)起升機構(gòu)滿足了“起升允許“，PLC就可以發(fā)出起升向上/下的命令。如圖2-3所示：

圖2-3：起升運行命令

步驟三：編寫“起升速度的控制”程序。在這段程序中：當(dāng)司機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)樵瓉淼?0%，程序如下圖2-4所示。

圖2-4：速度給定信號處理

步驟四：編寫“起升命令與速度控制”程序。以上的程序完成了岸橋起升運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PROFIBUS總線傳輸給變頻器，如圖2-6是調(diào)用了西門子公司功能塊庫中的一個PROFIBUS數(shù)據(jù)傳送功能塊PCD_SEND，用來傳送數(shù)據(jù)塊DB123中的16個字。。

圖2-5升命令與速度控制

圖2-6總線數(shù)據(jù)傳輸

2.2.3. 岸橋主要機構(gòu)程序?qū)?yīng)的功能FC（Function）

以上分析了岸橋起升機構(gòu)的程序編寫，與起升機構(gòu)的程序類似， 岸橋的大車， 小車， 俯仰機構(gòu)程序也要處理運行允許， 命令與速度給定，數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。為了使整個項目程序結(jié)構(gòu)清晰，我們將各個功能細(xì)分，如下圖3-14所示是：主要機構(gòu)運行控制的功能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：岸橋主要機構(gòu)對應(yīng)功能FC

這些功能FC的作用如下：

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

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

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

l FC31 起升運行控制

l FC41 大車運行控制

l FC51 小車運行控制

l FC61 俯仰運行控制

2.2.4. 岸橋輔助機構(gòu)的運行程序

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

圖2-8：輔助機構(gòu)控制

這些功能FC的作用如下：

l FC12 投光燈，空調(diào)的啟動，停止控制。

l FC13 風(fēng)速處理：當(dāng)風(fēng)速達(dá)到警報值時發(fā)出信號。

l FC16 指示燈顯示：控制各個操作站的指示燈。

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)載是否超過額定。

l FC54 小車編碼器位置處理：判斷小車前后的停止，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的控制，如吊具鎖頭的開閉功能。

結(jié)合岸橋主要機構(gòu)，輔助機構(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。

3. PLC程序的統(tǒng)一性問題

3.1. PLC程序統(tǒng)一性問題的發(fā)現(xiàn)

在岸橋的PLC程序編寫完成后，我們隨即在岸橋上進行了調(diào)試，由此發(fā)現(xiàn)了程序的統(tǒng)一性問題，該問題是這樣的：我們所進行的這個項目有12臺岸橋，在岸橋上，有些數(shù)據(jù)的定義需根據(jù)現(xiàn)場的實際情況來定義，舉一簡單的例子：

比如小車機構(gòu)位置編碼器的零位數(shù)據(jù)OFFSET，對于調(diào)試的第一臺岸橋，我們可以很容易加以這樣定義：將小車機構(gòu)行駛到最后面的終點位置，讀出小車在該位置時位置編碼器的讀數(shù)，以此作為小車機構(gòu)位置編碼器的零位數(shù)據(jù)OFFSET。但我們在調(diào)試第二臺岸橋時發(fā)現(xiàn)，由于機械安裝的誤差，第二臺小車機構(gòu)行駛到最后面的終點位置時，讀出的小車位置編碼器讀數(shù)與第一臺岸橋的數(shù)值不相同。也就是說，我們必須將第二臺岸橋的小車機構(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)。

與此有相同問題的數(shù)據(jù)還有諸如重量傳感器的比例系數(shù)，小車自動停車時停車位置點，俯仰機構(gòu)的上升終點位置等等。這些問題都產(chǎn)生了一個后果，調(diào)試結(jié)束后每臺岸橋都有對應(yīng)的PLC程序，彼此之間不統(tǒng)一。

3.2. 解決PLC程序統(tǒng)一性問題的分析

分析這個問題，我們設(shè)想了以下解決問題的方法：

n 我們可以增加設(shè)計這樣一段解決問題的“岸橋編號識別”程序：首先讓各臺岸橋編號：比如岸橋1，岸橋2。。。。。。岸橋12，PLC程序運行“岸橋編號識別”程序來判定該岸橋的編號，如果是岸橋1，“岸橋編號識別”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”。

“岸橋編號識別”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在程序運行時，如需要用到那些各臺岸橋有差異的數(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)。整個過程如圖3-1所示：

圖3-1：“岸橋編號識別”程序

3.3. PLC程序統(tǒng)一性問題的處理

有了以上的思路，接下來我們就著手開始解決這個PLC程序統(tǒng)一性問題：

l 第一步：對岸橋進行編號：

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

位（BIT）

岸橋編號

7

6

5

4

3

2

1

0

岸橋1#00000001

岸橋2#00000010

岸橋3#00000011

岸橋4#00000100

岸橋5#00000101

岸橋6#00000110

岸橋7#00000111

岸橋8#00001000

岸橋9#00001001

岸橋10#00001010

岸橋11#00001011

岸橋12#00001100

圖3-2：對岸橋進行編號

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

圖3-3：岸橋1~12數(shù)據(jù)塊

l 編寫“岸橋編號識別”程序：創(chuàng)建一功能FC74用于處理不同岸橋編號識別，然后將對應(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CRANEID是2的時候，將岸橋2的數(shù)據(jù)塊DB202的44個字節(jié)傳輸?shù)焦灿脭?shù)據(jù)塊DB74中。

圖3-4：“岸橋編號識別”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，我們通過程序的修改完全解決了PLC程序統(tǒng)一性的問題，使該PLC程序更加完善，可靠。

4. 應(yīng)用與結(jié)果分析

4.1. PLC程序在岸橋上的應(yīng)用情況

4.1.1. 實際應(yīng)用情況

我們將該PLC程序應(yīng)用于外高橋四期集裝箱碼頭前六臺岸橋設(shè)備（整個項目共十二臺）六臺岸橋開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，該程序運行得非?？煽?，從未出現(xiàn)過由于程序原因造成的故障，而且整個程序運行速度快，思路清晰，易于理解，變量名通俗易記，對岸橋的監(jiān)控，故障查詢方便。同時，由碼頭合資方馬士基船務(wù)公司聘請的外方咨詢公司對該程序也進行了鑒定并予以肯定。

4.2. 與其他岸橋PLC程序的比較

在本程序的開發(fā)設(shè)計和實現(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：

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 整個程序思路清晰：各個主要機構(gòu)的控制，各個輔助機構(gòu)的控制，都有相應(yīng)的子程序，即功能FC來實現(xiàn)。最終這些功能FC在主程序OB1中調(diào)用。

n 對岸橋的監(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，不用花很多時間就能找到，大大縮短了查找時間。

l 整個程序的變量名采用縮寫，通俗易懂，加上變量附帶的注釋，方便了碼頭工程人員對程序的掌握，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，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），很快找到該變量對應(yīng)的程序行，進一步縮短查找時間。

l 程序的編寫采用PLC特有的“梯形圖”語言，十分直觀?！疤菪螆D”語言是一種類型繼電器圖紙表示方法的語言，對電氣工程技術(shù)人員來說具有親切感，看程序就象查看原理圖一樣，更容易理解。

l 整個程序簡潔，實用，使用嵌套少。在程序編寫思想上較多地考慮利于用戶監(jiān)控， 查找與理解，而不是單純從我們怎樣編寫方便的角度出發(fā)。

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