6ES7214-1BD23-0XB8厂家质保
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1. 传统的塔式起重机的控制现状
塔式起重机是我们建筑机械的关键设备，在建筑施工中起着重要作用，我们只用了五十年时间走完了国外发达国家上百年塔机发展的路程，如今已达到发达国家水平并跻身于当代国际市场.随着高层建筑发展，对施工机械提出了新的要求.于是，160TM附着式、45TM内爬式、120TM自升式等都由我国自己设计并制造;八十年代，国家建设突飞猛进，建筑用大的250TM塔机也应运而生.进入九十年代，现代化进程不断加快，国内外市场对塔机要求越来越高，众多城市大型建筑、水利、电力、桥梁等不断增加，市场的要求加快了新产品开发的力度，先后有400TM、900TM水平臂和300TM动臂式塔机[1，、2].90年代开发生产的塔机产品技术性能均显著提高，起升机构采用三速电机驱动、涡流制动、电动换挡减速箱，变幅回转采用双速电机液力联轴节驱动，或采用变频调速，有多种速度，工作平稳生产效率高.安全装置齐全，动作灵敏可靠，装有防止误操作和野蛮操作装置，可杜绝安全事故[2].
随着功率电子技术的发展，早在六十年代后期，国外就开始致力于晶闸管定子调压调速技术的开发研究.目前，该技术己进入了成熟稳定的发展应用阶段.可编程序控制器PLC引入到交流电气传动系统后[3，4]，使传动系统性能发生了质的变化.在塔式起重机实现了抓斗的自动控制和故障诊断、检测显示等，达到了新的技术高度.
由变频器构成的交流调速系统可取代直流调速系统，是随着计算机技术特别是大规模集成电路制造技术的不断发展的必然结果，符合起重机的发展趋势，适合发展大起重重量的起重机.
2. 塔式起重机PLC控制系统原理
本系统将塔式起重机控制系统由继电器控制改为PLC控制，四大机构调速均采用变频调速.塔式起重机控制系统的系统总框图如图1所示[5，8，9].
塔式起重机的起升、变幅、回转、运行电动机都需要独立运行，整个系统由6台电动机和4台变频器传动，使用一台PLC加以控制.
图1 系统总框图
运行机构的起动时间应尽量符合实际需要，起动迅速而平稳;机构的电气制动方式必须着重考虑.对不同的工况，可选择自由制动方式与强制制动方式.在运行机构正常停止时，可选用自由停止方式，其停止时间可按实际生产中的运行情况设定，以尽量满足司机操作塔式起重机的需要为主.为保证起升机构起动时具有足够大的起动转矩，可以通过设定机械制动器的打开时间、变频器的低运行频率、运行电流之间的关系，以满足机构负载特性的要求.变频器内部参数的设定能保证机构具有良好的调速精度及起制动性能，由于起升机构电机需使用脉冲编码器作为速度反馈装置.通过测量脉冲编码器的脉冲数，利用二者之差控制电机的速度，所以选择脉冲编码器及其安装时，应当考虑周全[6，7，10].
3. 系统硬件设计
电气控制系统原理图主要包括主电路和PLC外围接线图.
1.主电路共有六台电机，同时带有风机冷却装置.
2.PLC外围接线电路的I/O接线信号分别与表1中的I/O名称相对应.
表1 S7-200 I/O分配表
4. 系统软件设计
根据塔式起重机控制电路的工作原理，绘制软件流程图如图2所示.
图2 系统软件流程图
在本系统中，PLC程序设计的主要任务是接受外部开关信号（按钮、联动控制台继电器）的输入，判断当前的系统状态以及输出信号去控制接触器等器件，以完成相应的控制任务。
系统部分梯形图如图3所示.
图3 梯形图
5. 结论
本文设计的塔式起重机PLC控制系统在实验室调试以后，已成功应用于长沙某大型起重机公司，系统经过六个月的连续运行，从未发生一次故障，与传统的塔式起重机控制系统相比较，具有以下优点：
1. 使用方便;
2. 具有良好的动态调整性能;
3. 极大提高了系统的稳定性、可靠性;
4. 每年可节约维修成本1万元左右（据使用该塔机的公司粗略统计，与之前相比，经济效益每年可提高50多万元），运行效率极大地得到了提高.
经实践证明：本系统的设计是行之有效的，具有良好的应用价值.
本文创新点：对传统的继电-接触器控制的塔式起重机进行改造，设计了一套基于PLC的塔式起重机控制系统，已投入使用.实践证明：该系统使用方便，具有良好的动态调整性能,极大提高了系统的稳定性、可靠性.
引言：现在国内一些大型钢厂使用钳型吊在均热炉上方吊装冷热钢坯，温度高、金属粉尘多、负载重、震动大，因而对电控设备的要求高。我国现有的钳型吊一般采用的是直流滑道串电阻调速，虽控制电路比较简单，但是切换电阻由于高度频繁的切换使开关故障率高，能耗大，且速度调节非平滑，运行不稳定。上世纪90年代诸多厂家曾采用直接可控硅控制对钳型吊进行过技术改造，但均因为现场环境恶劣而达不到理想的效果。在对钳型吊的设备进行了深入的研究的基础上，我们对钳型吊的的电气设备进行了全数字智能控制改造试验，运行到目前为止达到了预期的目的。该技术对钳型吊的全部改造是切实可行的，通过对全国各大钢铁企业的调查，该技术在全国是首创，处于国内水平。
一、钳型吊全数字改造方案
1、总体规划
舞阳钢铁公司轧钢厂钳型吊原为6KV/170V通过固定整流成220V直流,引上滑道,再送往钳型吊控制柜。各机构通过串接电阻分段调速，电机正反向及各段速度通过司机室的主令控制器驱动各段主接触器及中继来实现。该方法接触器多，电阻多，且接触器频繁操作故障率高，能耗大，已经严重影响生产。全数字改造的整体思想是：在钳型吊上直接安装直流调速装置，所有逻辑控制由PLC完成。具体总规划如下：
（1）、将整流变压器更换为6KV/380V整流变压器，容量通过计算采用1000KVA，与原相同用两台一用一备。
（2）、滑道由原来的两条增加一条为三条，通过控制柜内的总开关将三相380V电源送到控制柜母排。
（3）、取消原所有的接触器，调速电阻，制动电阻。通过调节全数字直流调速装置输出电压调速。
（4）、司机室的各机构的主令控制器开关信号全部直接送入PLC，再由PLC综合编程通过PLC输出点直接控制直流装置。
（5）、主钩设置紧急提升功能。当主钩控制器故障或主电源断电时，由司机室启动紧急提升开关，紧急提升装置将主钩提起，紧急提升装置由辅助滑电道供电。
（6）、装在司机室的主令开关，各种功能开关保留原状，将大车事故行走改为主钩紧急提升。其余开关全部进PLC。
2、数字直流调速装置的选型
由于钳型吊在均热炉上方吊装冷热钢坯，温度高、金属粉尘大、负载重、震动大。因而对电控设备的要求高，我们选用了英国Control Techniques （简称CT）公司的Mentor II全数字直流调速装置，它采用微处理器核心，操作指令及运行参数可由面板或串型口输入，设定及修改，并受三级保密字保护，所有模拟输入及大多数数字量输入用户可自编程。串行口采用RS485，易于多机联网，与上位机及其它设备形成自动化网络，还提供各种选件加强系统功能，如带自动弱磁的磁场控制模块，用于恒功率应用时的弱磁控制，有BASIC语言编程的单片机处理模块及智能多文字用户接口等，结构紧凑，可靠性高。
这里选用的是英国Control Techniques公司的全数字式直流电机驱动器M550R，输出电流范围25A～1850A。其分单象和四象限两种配置。单向驱动器仅能实现正向运行，四象限驱动器是完全可逆的。这两种配置的驱动器均能对电机的速度和转矩进行全面控制，四象限驱动器可对正反向运行进行全面控制。它的基本工作原理还是控制电枢的端电压从而控制送入电机的电流，从而达到调速的目的。
3、PLC的选型
PLC在性能上比继电控制逻辑优异，PLC可靠性高,抗干扰能力强，在硬件和软件两个方面还采用可屏蔽、滤波、隔离、故障诊断和自动恢复等措施，其平均无故障时间达到（3～5） ×104 h 以上;PLC编程直观、简单，采用了一种面向控制过程的梯形图语言;PLC适应性好，它是通过程序实现控制的。
在本设计方案中，采用三菱微型可编程控制器—FX2N-128MR。
二、控制方法
由于钳型吊的工作部件比较复杂，包括主钩、副钩、大车、小车、夹钳回转及开闭等，对这些电机都要求有4级速度变换和正反向切换。现在以主钩系统为例，说明实现上述要求的控制方法。
图1是直流调速装置Mentor II的速度给定选择图，图1中，01.17 为速度给定1; 01.18 为速度给定2; 01.19 为速度给定3;01.20为 速度给定4（4个给定速度在Mentor II菜单上设定）;01.12为正反向选择。
图1：Mentor II的速度给定选择图
我们用PLC的输出控制，如图2所示
图2：PLC的输出控制
在图2中， Y20为正反向切换，Y21、Y22为速度切换，其速度表如表1：
表1 主钩速度表
图2中的M26、M27、M28分别对应直流调速装置Mentor II的TB3-26、TB3-27、TB3-28接线端，而TB3-26、TB3-27、TB3-28分别对应数字量输入端 08.16;08.17;08.18，我们只要令08.16=01.12;08.17=01.14;08.18=01.15，就可以实现用PLC的输出来控制电机的正反向和速度切换。
另外，当主钩控制器故障或主电源断电时，由司机室启动紧急提升开关，紧急提升装置将主钩提起，紧急提升装置由辅助滑电道供电。
三、变压器的选择
表2 舞阳钢铁公司轧钢厂钳型吊所用到的动力设备
一台钳型吊电机总容量Pe为565KW，由供电手册查得轧钢厂吊车需要系数为Kx=0.35， =0.5; =1.73，大有功计算负荷P30为197.8kW，由此可得大视在计算负荷S30为395.6kV﹒A，按2.5倍过载考虑我们选用1000kV﹒A的变压器两台，一备一用。变压器为整流变压器6KV/380V。两个高压开关不变，变压器安装在原变压器位置。
结论：
经过近一年的设备运行，到目前为止达到了预期的目的。本系统为数字系统;硬件结构简单;性能稳定;抗高温、抗粉尘、抗震动;平滑调节运行稳定;基于该技术所研制的设备正在申请国家专利。
本文作者创新点：该系统节约能源;提高作业率。其直接经济效益可观，该技术不仅可以在全国钳型吊上应用，还可以推广至其他大型吊车，其市场前景十分广阔。
现代船舶设备系统的日趋高性能化、结构模块化。船舶机舱监测系统在远洋船舶中是一个必备的系统，其关系到远洋船舶安全、可靠运行。它能准确可靠地监视机舱内各种动力设备的运行状态及运行参数。运行设备发生故障时，能自动发出声光报警信号并进行报警打印记录。它还能定时地把有关运行参数进行打印制表。在自动化机舱中，设备的运行状态、运行参数值及故障报警状态都集中控制室的监视屏上，轮机人员不必到机舱去巡视，就能在集中控制室内能了解到所有设备的运行状态及其参数值，从而可以减轻轮机管理人员的劳动强度，改善工作条件，及时发现设备的运行故障，提高设备运行的可靠性。
为此，本文介绍了基于PLC控制的远洋船舶机舱监测系统，并开发了一套组态环境下的监测软件。
2 系统介绍
远洋船舶设备由主机系统、净油机系统、油柜系统、空压机系统、舵机系统、锅炉系统、废油焚化炉、发电机组、应急发电机系统以及泵等设备子系统组成，每一个设备都是24小时不间断运行，例如主机，主机系统是船舶的心脏，必须保证主机在航行期间可靠、稳定运行。在此期间，监测系统要求时刻监测主机系统的转速、冷却水温度、燃油进出口温度、滑油进出口温度以及主机排气温度等，这些参数涉及到4-20mA、600℃以上的温度信号和600℃以下的温度信号，信号种类繁多，增加了系统的复杂度。其系统组成框架如图1所示。
图1 机舱监测报警系统组成
各种类型的传感器（开关量、4-20mA、PT100、热电阻等）采集各类信号，并不停地将这些信号送入显示单元（微机LCD），在显示屏上显示各个监测通道的当前值;一旦有监测发生越限情况，报警信号就被送入延伸报警控制单元、打印记录单元及警报器控制单元，其中打印记录单元可以即时打印发生报警的各参数值;警报器控制单元启动集控室和机舱的扬声器，以此提示轮机管理人员;同时，起动延伸报警装置，并在公共场所、轮机长房间、值班轮机员房间等输出声光报警信号;在驾驶台的报警监视屏上也有声光提示信号输出。
主电源和应急电源都具有自检功能;在系统发生报警后，可以在集控室应答，消声消闪。
3 硬件实现
该套监视系统包括对一台14缸的主机、三台发电机、一台锅炉、一套焚烧炉、两套空压机和一套舵机的主要工况参数显示和参数检测报警、及其它设备的运行状态指示。系统共检测118个模拟量，128个开关量。为此采用了S7-200CN PLC 226作为系统总控制器，并扩展7个16I/O的EM223 CN数字量模块，模拟量采集模块采用研华ADAM与PLC通过485总线通;监测上位机采用了研华嵌入式工控机UNO-2160，通过PPI方式组成一个网络，实现对船舶机舱设备的实时监测。其系统架构图，如图2所示。
图2 基于PLC船舶机舱监测系统框架图
本系统在监视与报警工作时，所有开关量模块都通过西门子S7-200CN PLC扩展模块EM223 CN采集输入，三类模拟量4-20mA、600℃以上的温度信号和600℃以下的温度信号通过ADAM采集输入，在通过485总线送入西门子S7-200CN PLC，在PLC中集中处理，然后送到上位机和其他设备，如指示灯，扬声器等。 此外，外部按钮可以发出指令通过西门子S7-200CN PLC发出控制命令，启动、停止各类泵等相应的设备。
作为一个远洋运行船舶必不可少的系统，其主要具备以下功能：
（1） 故障报警：当系统检测到故障时，系统发出声光报警，在应答后，系统停止声音输出，指示灯平光;消除报警后，指示灯灭。
（2） 参数显示与报警的指示：在系统的软件界面上可以查阅当前被监测的参数值，并以不同颜色显示正常与否的参数。
（3） 打印记录：系统接有一个报警记录打印机，当产生报警时，系统同时启动打印机，打印当前的报警，便于轮机管理人员查阅，与航海日志的记录。
（4） 延时报警：当产生温度或液位等报警时，系统延时几秒后，输出报警，便于误报警。
（5） 闭锁报警：该功能用于检修系统时，能够单个检查。
（6） 延伸报警：系统可将报警信息延伸到各个轮机员的房间，将报警信息传送给相关的轮机管理人员。
（7） 失职报警：当发生报警后，一段时间内没有轮机人员去应答，系统就会产生全船报警，以提醒值班人员的失职。
（8） 功能试验：系统具有自检功能。
4 监测系统软件实现
在西门子S7-200CN PLC中实现的控制逻辑流程图，如图3所示。
图3 船舶机舱监测系统控制逻辑流程图
系统监测软件采用以bbbbbbs平台，在组态王的开发环境下实现的。组态王具有可视化操作界面，丰富的图库、高度灵活的动画连接;拥有全面的脚本与图形动画功能可以对画面中的一部分进行保存，以便以后进行分析或打印变量导入导出功能，支持实时、历史数据的分布式保存强大的脚本语言处理，全面支持画面发布、实时数据发布、历史数据发布以及数据库数据的发布方便的配方处理，丰富的设备支持库，支持常见的PLC设备、智能仪表、智能模块的功能特点。
本系统软件具有如下功能：
（1） 参数列表显示，按序或分组显示所有机舱参数条目。包括参数序号、名称、当前值、单位、上限值、下限值以及报警状态。 并可以翻屏连续显示。
（2） 参数图表显示，以虚拟仪表形式显示主/辅机有关参数。关于主机的排气温度、冷却水温度等;关于辅机的有发电机组有关的压力和温度等。
（3） 曲线显示，将有关参数分实时和历史曲线分别描述，其中实时曲线随着时间的推移在界面上描写出一条相应数值的曲线;而历史曲线能让操作员随时可以查看某一参数过去2天内的参数变化情况，即可以复现其2天内的工况。
（4） 报警查询功能是，当某一监测点发生越限报警时，系统自动弹出报警窗口，并能在该窗口中查询到该监测点的相关情况。
（5） 用户管理功能，本系统共设三类用户，分别是系统管理员用户、轮机长用户和操作员用户。其中系统管理员用户是给机务老轨等公司管理级操作使用的，其操作权限为大，可以设置轮机长用户和操作员用户，修改相关参数，如报警上下限;轮机长用户是给船舶老轨操作使用，其操作权限为其次，也可修改相关参数;操作员用户是给船舶一般的值班轮机员使用，其无法修改有关参数和设置用户，权限低。
5 结论
本系统主控制器采用了西门子S7 200CN PLC，其紧凑的结构，良好的扩展性能，强大的指令功能，利用485标准的通信口进行信息传送, 并自行设计相应接口而组成的船舶机舱巡回监测报警系统充分应用了该微型PLC的硬件资源，发挥了其软件优势。输入输出采用差动方式，提高了抗干扰能力，同时，主机和多台终端可以全部并联在一对双绞线上进行多机通讯，节省了传输线，所以本系统小但功能齐全，稳定性好。为用户带来极大的方便;在近两年的实际运行中未出现故障，为船舶的安全、可靠的航运起到了非常重要的作用，同时也为航运公司带来了巨大经济效益。
本文设计的船舶机舱监测报警系统适用于各种远洋船舶，经实际的运行表明，该系统性能稳定可靠，完全满足远洋船舶的要求，有较高的推广价值。
