基于組態(tài)王和PLC控制的橋式起重機(jī)安全監(jiān)視系統(tǒng)

孫 子 阿 伍， 郎 偉 濤

(中電建成都建筑工業(yè)化有限責(zé)任公司，四川 成都 610400)

1 概 述

橋式起重機(jī)多用于對(duì)工礦、鋼鐵、化工企業(yè)以及鐵路交通、港口碼頭等，為負(fù)荷以高重量為主的物料在特定空間范圍內(nèi)的物料周轉(zhuǎn)。橋式起重機(jī)是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和起重運(yùn)輸中實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程機(jī)械化、自動(dòng)化的重要工具和設(shè)備?！皹蚴狡鹬貦C(jī)的橋架沿鋪設(shè)在兩側(cè)高架上的軌道縱向運(yùn)行，起重小車(chē)沿鋪設(shè)在橋架上的軌道橫向運(yùn)行，構(gòu)成一矩形的工作范圍。”[1]

筆者以用于中電建成都建筑工業(yè)化產(chǎn)業(yè)基地PC車(chē)間內(nèi)物流周轉(zhuǎn)的橋式起重機(jī)為例進(jìn)行了分析與介紹，該基地占地面積28 000 m2，共計(jì)投入13臺(tái)橋式起重機(jī)，分為5跨，每跨寬20 m，長(zhǎng)200 m。每臺(tái)橋機(jī)的載重為10 t，該車(chē)間橋式起重機(jī)的使用主要靠人工控制，待其行進(jìn)到指定地點(diǎn)、隨后進(jìn)行物料的移位操作。由于橋式起重機(jī)的使用需要較大的空間范圍，故其位置較高，設(shè)備巡視時(shí)不免存在高空作業(yè)；同時(shí)，在一個(gè)車(chē)間內(nèi)存在多達(dá)十?dāng)?shù)臺(tái)橋機(jī)，操作人員很難判定每臺(tái)設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，包括設(shè)備位置與維護(hù)時(shí)間，而且當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)無(wú)法將信息第一時(shí)間報(bào)告給設(shè)備維修人員，存在較大的安全隱患。

為改善橋式起重機(jī)在參與生產(chǎn)過(guò)程中的不可視性，提高生產(chǎn)過(guò)程的資源信息整合，提升設(shè)備運(yùn)行和管理的安全性，急需使用橋式起重機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行整體改進(jìn)。

2 監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理

筆者依托中電建成都建筑工業(yè)化有限責(zé)任公司PC構(gòu)件廠進(jìn)行介紹。該廠以生產(chǎn)預(yù)制構(gòu)件為主，包括疊合板、墻體、樓梯等，每日生產(chǎn)量為400 m2，物料的輸入與產(chǎn)品的運(yùn)出主要依靠橋式起重機(jī)進(jìn)行處理。

如圖1所示，起重機(jī)運(yùn)動(dòng)主要依靠大車(chē)移行裝置、小車(chē)移行裝置、吊鉤控制?！按筌?chē)移行機(jī)構(gòu)由大車(chē)電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)軸、減速器、車(chē)輪及制動(dòng)器等部件構(gòu)成，控制橋式起重機(jī)在滑觸線范圍內(nèi)縱向移動(dòng)。小車(chē)移行機(jī)構(gòu)由小車(chē)電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器、聯(lián)軸節(jié)、減速器及車(chē)輪等部件構(gòu)成。小車(chē)電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速器驅(qū)動(dòng)小車(chē)主動(dòng)輪，拖動(dòng)小車(chē)沿車(chē)間橫向?qū)挾确较蛞苿?dòng)。提升機(jī)構(gòu)由提升電動(dòng)機(jī)、減速器、卷筒、制動(dòng)器等部件組成。提升電動(dòng)機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器、制動(dòng)輪與減速器連接，減速器的輸出軸與纏繞鋼絲繩的卷筒相連接，鋼絲繩的另一端裝吊鉤，當(dāng)卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，吊鉤即隨鋼絲繩在卷筒上的纏繞或放開(kāi)而上升或下降?！盵2]根據(jù)橋式起重機(jī)生產(chǎn)廠家提供的使用說(shuō)明書(shū)得知：大車(chē)運(yùn)行速度分為兩種，低速運(yùn)行時(shí)為1 m/s，高速運(yùn)行時(shí)為2 m/s，小車(chē)運(yùn)行速度恒定為0.6 m/s，吊鉤運(yùn)行長(zhǎng)度不在該系統(tǒng)監(jiān)視范圍內(nèi)，故僅記錄吊鉤運(yùn)行的開(kāi)斷狀態(tài)。其運(yùn)行軌跡的計(jì)算公式為：當(dāng)前位置X0+低速運(yùn)行速度V0×低速接通時(shí)間t0+高速運(yùn)行速度V1×高速接通時(shí)間t1。其中，判定t0<2 s時(shí)為加速過(guò)程，其余均為低速運(yùn)行狀態(tài)。不同的設(shè)備應(yīng)考慮不同的速度模型。

圖1 橋式起重機(jī)外形圖

整個(gè)控制系統(tǒng)由PLC系統(tǒng)、組態(tài)王系統(tǒng)、遠(yuǎn)程通訊模塊、傳感器協(xié)同控制，將整個(gè)生產(chǎn)車(chē)間內(nèi)部的橋式起重機(jī)運(yùn)行軌跡集中顯示于上位機(jī)上，上位機(jī)可通過(guò)ERP系統(tǒng)投影至遠(yuǎn)程移動(dòng)設(shè)備，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

3 控制系統(tǒng)的硬件組成

橋式起重機(jī)均勻分布于車(chē)間內(nèi)的各個(gè)部位。為實(shí)現(xiàn)以集成化圖像顯示橋機(jī)運(yùn)行軌跡的效果，需要集中對(duì)每個(gè)橋式起重機(jī)移行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行收集并遠(yuǎn)程傳輸。因此，在各個(gè)移行機(jī)構(gòu)的制動(dòng)器上加裝了電流互感器，當(dāng)電動(dòng)機(jī)接通時(shí)，電流互感器即有電流信號(hào)，表示移行電機(jī)正在動(dòng)作。

使用遠(yuǎn)程通訊模塊采集移行機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)的開(kāi)斷。遠(yuǎn)程通訊模塊為IO開(kāi)關(guān)量信號(hào)采集傳輸模塊，分為信號(hào)發(fā)送模塊和信號(hào)接收模塊，依靠無(wú)線遠(yuǎn)距離無(wú)線電進(jìn)行通訊，將遠(yuǎn)程信號(hào)發(fā)送模塊與制動(dòng)器的電流互感器相連接。當(dāng)橋式起重機(jī)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)、遠(yuǎn)程信號(hào)發(fā)送模塊感受到電信號(hào)并將該電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)通過(guò)無(wú)線電傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送給遠(yuǎn)程信號(hào)接收模塊。同時(shí)，遠(yuǎn)程信號(hào)接收模塊集中安裝于PLC輸入模塊上，遠(yuǎn)程信號(hào)接收模塊轉(zhuǎn)化接收到的數(shù)字信號(hào)并以低壓電信號(hào)開(kāi)斷的形式傳輸給PLC輸入模塊。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

同時(shí)，為避免長(zhǎng)時(shí)間橋機(jī)瞬時(shí)啟動(dòng)或多次點(diǎn)動(dòng)產(chǎn)生的位移誤差積累，每臺(tái)橋式起重機(jī)上均安裝有接近傳感器，在每條軌道的1/3和2/3處布置有接近傳感器的觸發(fā)點(diǎn)，當(dāng)橋式起重機(jī)運(yùn)行至觸發(fā)點(diǎn)位置時(shí)，接近傳感器觸發(fā)并向PLC傳遞數(shù)字信號(hào)，觸發(fā)系統(tǒng)的置位程序，使橋機(jī)在圖像上置位到軌道的傳感器觸發(fā)點(diǎn)處。

對(duì)于橋式起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)與遠(yuǎn)程操作端的數(shù)據(jù)交互，遠(yuǎn)程通訊模塊除了采用LORA(即無(wú)線電)通訊模塊以外，還可以使用無(wú)線wifi，4G網(wǎng)絡(luò)通訊、PLC多中心通訊等。從通訊模式的比較得知使用PLC多中心通訊可極大地提高數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度，但做不到無(wú)線通訊并將極大幅度地提高設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)成本；無(wú)線wifi通訊模塊的每一對(duì)模塊都需要建立不同的wifi網(wǎng)段，防止地址沖突，在數(shù)量大的場(chǎng)地建設(shè)繁瑣。4G網(wǎng)絡(luò)通訊均以sim卡為基礎(chǔ)，建設(shè)成本高。綜上所述，考慮到經(jīng)濟(jì)性、安全性、便捷性，此處的設(shè)計(jì)采用LORA通訊模塊，以無(wú)線電傳輸作為遠(yuǎn)程信號(hào)傳輸?shù)幕A(chǔ)。

4 控制系統(tǒng)的軟件組成

4.1 上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用國(guó)產(chǎn)組態(tài)王6.55組態(tài)軟件為操作軟件，“組態(tài)軟件，又稱組態(tài)監(jiān)控軟件，SCADA(supeivisory Control and Data Acquisition，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制)軟件，它是數(shù)據(jù)采集與過(guò)程控制的專用軟件。”[3]組態(tài)王6.55軟件使用C語(yǔ)言編輯實(shí)現(xiàn)運(yùn)行時(shí)間保存、檢修報(bào)警、時(shí)間置位等功能。通過(guò)PROFINET通訊協(xié)議和以太網(wǎng)工業(yè)交換機(jī)與下位機(jī)西門(mén)子SIEMENS S7-300 PLC連接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。通過(guò)人際交互方式實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控、生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、故障診斷的報(bào)警和報(bào)表統(tǒng)計(jì)的打印等功能。

上位機(jī)共設(shè)計(jì)了三個(gè)界面，分別為主界面、總運(yùn)行畫(huà)面和歷史數(shù)據(jù)報(bào)表。各界面均具有日期、界面切換的基本功能，

(1)主界面為進(jìn)入系統(tǒng)的初始界面，除了退出按鈕以外，切換進(jìn)其他界面按鈕均會(huì)先進(jìn)行操作人員登錄。系統(tǒng)分為工程師和管理員兩種權(quán)限。工程師可以對(duì)整個(gè)組態(tài)王系統(tǒng)的源程序進(jìn)行修改，包括圖像組態(tài)、功能設(shè)計(jì)，主要用于程序升級(jí)時(shí)使用，而管理員僅可以對(duì)報(bào)警處理、歷史數(shù)據(jù)查詢等部分應(yīng)用進(jìn)行操作。

(2)總運(yùn)行畫(huà)面為該系統(tǒng)的主要觀察界面(圖3)。

圖3 總運(yùn)行畫(huà)面

13臺(tái)橋式起重機(jī)均勻分布于整個(gè)界面上， 13臺(tái)橋式起重機(jī)根據(jù)軌道共分為五跨。每臺(tái)橋式起重機(jī)均有對(duì)應(yīng)的編號(hào)，編號(hào)下側(cè)的橫縱坐標(biāo)表示當(dāng)前大車(chē)、小車(chē)距所處軌道的距離，單位為m。

由于不記錄吊鉤的運(yùn)行位置，故只顯示吊鉤的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)圖像上的小車(chē)移行機(jī)構(gòu)變?yōu)榫G色時(shí)表示吊鉤正在運(yùn)行，紅色時(shí)表示吊鉤未運(yùn)行。

同時(shí)，該界面還具有記錄橋式起重機(jī)運(yùn)行時(shí)間的功能。所設(shè)計(jì)的表格記錄的是每臺(tái)橋式起重機(jī)各個(gè)移行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行時(shí)間，通過(guò)PLC記錄的各機(jī)構(gòu)的電流互感器開(kāi)斷時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。右邊三個(gè)按鈕分別為大車(chē)檢查、小車(chē)檢查、吊鉤檢查，上位機(jī)軟件設(shè)定：當(dāng)任何一臺(tái)橋式起重機(jī)中的移行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行時(shí)間超過(guò)100 h(如任意一臺(tái)橋式起重機(jī)的大車(chē)移行機(jī)構(gòu)超過(guò)100 h)，則大車(chē)檢查按鈕變?yōu)榧t色，用以提示操作員對(duì)對(duì)應(yīng)設(shè)備進(jìn)行檢修。檢修完畢，操作員按下大車(chē)檢查的復(fù)位按鈕，表格中超過(guò)100 h的橋式起重機(jī)所對(duì)應(yīng)的大車(chē)移行時(shí)間會(huì)置0，同時(shí)，大車(chē)檢查按鈕會(huì)恢復(fù)綠色。

(3)歷史數(shù)據(jù)報(bào)表為所有橋式起重機(jī)從設(shè)備記錄開(kāi)始一直運(yùn)行的時(shí)間，如圖4所示，均以h為單位，數(shù)據(jù)使用PLC進(jìn)行存儲(chǔ)。

圖4 歷史數(shù)據(jù)報(bào)表

除兩個(gè)切換按鈕之外，還有一個(gè)保存按鈕，可以將總運(yùn)行時(shí)間以xls表格的形式存儲(chǔ)于指定文件夾內(nèi)，用于比較不同時(shí)間段的橋機(jī)使用頻率。

同時(shí)，由于組態(tài)王6.55的運(yùn)行環(huán)境為Windows 7 Ultimate SP1 X64，且支持多種控件及組件：如ActiveX控件、Windows控件、內(nèi)部組件等。以任意PC設(shè)備為主機(jī)，可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行畫(huà)面的遠(yuǎn)程端投視，以方便操作人員實(shí)時(shí)了解當(dāng)前的運(yùn)作動(dòng)態(tài)。

4.2 下位機(jī)設(shè)計(jì)

下位機(jī)使用西門(mén)子STEP7 V5.5 SP4編程軟件對(duì)PLC進(jìn)行編程?！拔鏖T(mén)子STEP7是用于SIMATIC S7-300/400站創(chuàng)建可編程邏輯控制程序的標(biāo)準(zhǔn)軟件，可使用梯形圖邏輯、功能塊圖和語(yǔ)句表進(jìn)行編程操作。”[4]

下位機(jī)的PLC主要由主機(jī)架UR(0)和遠(yuǎn)程通訊模塊組成，主機(jī)架安裝的模塊有PS 307 2A(電源模塊)、CPU 314(CPU模塊)、CP343-1(通訊模塊，實(shí)現(xiàn)PLC與上位機(jī)的通訊連接)、DI32×DC24V(數(shù)字量輸入模塊5個(gè))、ZKD-1212SO(遠(yuǎn)程通訊模塊，為無(wú)線電遠(yuǎn)程I/O通信模塊，發(fā)送端安裝在橋機(jī)上遠(yuǎn)程輸出信號(hào)，接收端連接數(shù)字量輸入模塊上使PLC遠(yuǎn)程接受信號(hào))。

采用PLC采集從各個(gè)橋機(jī)移行機(jī)構(gòu)電流互感器得到的開(kāi)斷信號(hào)，內(nèi)部程序編輯以大車(chē)、小車(chē)運(yùn)行時(shí)間與速度相乘，將計(jì)算結(jié)果儲(chǔ)存于指定的數(shù)據(jù)塊，上位機(jī)組態(tài)王通過(guò)讀取該數(shù)據(jù)塊的信息顯示畫(huà)面中橋機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)的位置，每秒更新畫(huà)面。

對(duì)于橋式起重機(jī)，當(dāng)前的使用模式多為低速運(yùn)行在小范圍內(nèi)移動(dòng)，當(dāng)大車(chē)低速運(yùn)行時(shí)間超過(guò)2 s時(shí)判定為高速移動(dòng)，在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到加速度的偏差以4 s運(yùn)行路程作為參考，最終運(yùn)行距離為6.3 m，偏差為5%，故在每條運(yùn)行軌道上安裝兩個(gè)接近傳感器用作定位點(diǎn)，當(dāng)橋機(jī)運(yùn)行到該位置時(shí)進(jìn)行置位操作，將位置定位到傳感器的位置，可根據(jù)偏差度和關(guān)鍵位置使用選擇投入定位數(shù)量。

5 安全監(jiān)視系統(tǒng)取得的應(yīng)用效果

長(zhǎng)久以來(lái)，生產(chǎn)過(guò)程中事故的發(fā)生多由工作人員違規(guī)操作和設(shè)備帶病運(yùn)轉(zhuǎn)引起，若要減少意外事故的發(fā)生，需要建立更加安全的設(shè)備操作環(huán)境，提高工廠智能化程度，以機(jī)器取代人工從事環(huán)境惡劣的生產(chǎn)工作，方可達(dá)到保障安全生產(chǎn)的目的。

通過(guò)該橋式起重機(jī)安全監(jiān)視系統(tǒng)的投入使用，可以使操作人員實(shí)時(shí)掌握每臺(tái)橋機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，減少人員巡查的強(qiáng)度，彌補(bǔ)了橋式起重機(jī)在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)故障時(shí)無(wú)法及時(shí)報(bào)警、只能在操作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)故障的問(wèn)題，保障了橋式起重機(jī)的安全運(yùn)行；同時(shí)，該監(jiān)視系統(tǒng)集中記錄了每臺(tái)橋機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，可以針對(duì)每臺(tái)橋機(jī)的實(shí)際使用時(shí)間進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，而非在長(zhǎng)時(shí)間使用后集中維護(hù)，進(jìn)而保障了設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)率，減少了設(shè)備維護(hù)所需投入的人力資源。比如：將按照每月對(duì)所有橋機(jī)進(jìn)行維護(hù)改成對(duì)達(dá)到保養(yǎng)需求的橋機(jī)進(jìn)行維護(hù)，減少了工作量；該系統(tǒng)集成了廠區(qū)內(nèi)橋式起重機(jī)的運(yùn)行過(guò)程并將其顯示于遠(yuǎn)程端，可以通過(guò)ERP將整個(gè)運(yùn)行界面遠(yuǎn)程映射至設(shè)備管理層，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)流程可視化，提高了生產(chǎn)安全性。

處于一般場(chǎng)合的起重運(yùn)輸環(huán)境并未實(shí)現(xiàn)完全的自動(dòng)化操作，對(duì)設(shè)備和工作環(huán)境的安全都存在一定的隱患。為此，通過(guò)使用組態(tài)和PLC控制系統(tǒng)的連接，將其運(yùn)行狀態(tài)直觀表示，可以提高生產(chǎn)環(huán)境的數(shù)據(jù)性與可視性。同時(shí)，可以以該系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)人為給予的信息實(shí)現(xiàn)自主收集、分析、判斷，通過(guò)可視化技術(shù)進(jìn)行推理和預(yù)測(cè)，使系統(tǒng)的每個(gè)部分都可以自行調(diào)節(jié)為最佳結(jié)構(gòu)，亦可進(jìn)一步進(jìn)行設(shè)備的智能化設(shè)計(jì)。

6 結(jié) 語(yǔ)

“工業(yè)自動(dòng)化、數(shù)據(jù)化、一體化是將來(lái)所有以生產(chǎn)制造為主的企業(yè)要面臨的進(jìn)步趨勢(shì)?！盵5]筆者通過(guò)對(duì)橋式起重機(jī)的監(jiān)視方法作出一種參考，使其集成顯示，在此功能上仍有許多的進(jìn)步空間。該系統(tǒng)不僅可以用于橋式起重機(jī)，而且對(duì)任意在特定范圍內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)操作的設(shè)備均可實(shí)現(xiàn)，可為未來(lái)的智能化工廠的信息集成效果提供借鑒。