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陳憶文 （19-）
男，湖南湘潭人，學士學位，電氣工程師，現就職于西門子工廠自動化工程有限公司上海分公司起重機部門，從事電氣設計與調試工作。

摘要：西門子在起重機的發展中逐漸形成了對起重機電氣控制的一整套解決方案，本文介紹新一代的西門子起重機電氣控制系統及其在橋吊中的的應用。

關鍵詞：SIMOCRANE；橋吊；主從控制；起升系統；行走系統；軸；工藝

Abstract: During the progress of cranes development, Siemens makes a series solution 
to improve its capability. This paper introduces a new electrical control system of crane
 designed by Siemens and its application for STS.

Key words: SIMOCARNE; STS; Master-slave control; Hoisting system; Moving system; 
Axes; Technology

1 概述

    在經濟全球一體化的時代，在生產規模不斷擴大的時代，在物資轉運越來越頻繁的時代，起重機發揮著越來越重要的作用，對起重機的性能也提出了越來越高的要求。在起重機的發展歷程中，西門子一直是起重機電氣控制系統的引領者和行業標準的制定者。隨著對起重機系統性能要求日益提高，西門子開發了一套全新的起重機電氣控制系統—SIMOCRANE。該系統沿襲了以往控制系統業已成熟的結構模式，主要由供電系統、起升系統、行走系統（小車機構，大車機構）等組成,但電氣控制系統發生了較大的改進，由PLC+SIMOTION+drive控制模式代替了原來的PLC+drive控制模式，SIMOTION可以直接控制驅動器，且控制速度比PLC快了一個數量級，這使得驅動器可以更快速地跟蹤控制命令，控制器也可以更實時地監視系統運行狀態。西門子還開發了與該系統配套的輔助系統，可以無縫集成在主系統中，比如運用在橋吊和卸船機中的防搖系統。

    本文以西門子在上海振華港機Antwerp項目港口起重機的電氣控制系統為例介紹新系統的構成以及在STS中的應用。

2 系統構成

2.1 硬件構成

    系統主要由PLC、SIMOTION D、CF卡、SINAMICS、ET200、DP通訊線路等構成。由于對驅動器的控制部分功能轉移到了SIMOTION D，對PLC的要求大大降低。SIMOTION基本上處理了與驅動器有關的所有功能，PLC主要處理外圍設備的功能和起重機的整體運行。PLC與SIMOTION D之間通過DP通訊交換信息，而SIMOTION與SINAMICS或者集成在一起，或者通過SIMOTION整合的內部通訊系統DRIVE-CLiQ交換信息。PLC與驅動器SINAMICS之間不再直接交換信息，而是通過SIMOTION D進行。圖1為Antwerp項目STS硬件組態圖，主系統使用了1個CPU 319F，變頻器的直流供電模塊ALM（站號40）和SIMOTION D435（站號44，45）以及其它一些外圍設備通過PROFIBUS總線掛接。

    SIMOTIN D系統的組態如圖2所示，集成了一個SINAMICS_Integrated再掛接了兩個SIMOTION_CX32驅動控制器。掛接驅動器的數量根據起重機的需要而定。在Antwerp項目中使用了8個驅動器，因此使用了三臺驅動控制器。

    CF卡中包含了固件版本信息和起重機專用功能以及其它相關功能的授權：

    SIMOTION MultiAxes（適用于運動控制）；

    SIMOTION IT（適用于網絡服務器的遠程診斷和起重機專用功能）；

    SIMOTION Crane Basic Technology(用于“crane DCC-Library”中的功能)。

    SIMOCRANE系統只有在安裝這些授權的情況下才能正常運行。

2.2 軟件構成

    PLC和SIMOTION D中都已采用結構化程序模式，不同的機構對應各個程序塊。用戶可按照自己的需要和習慣來編寫PLC中的程序，并通過程序與SIMOTION交換數據，從而達到向SIMOTION的下達驅動的動作命令和速度設定值信息，并從SIMOTION取得驅動的實時信息。

                                   圖1   STS硬件組態圖

                                    圖2   SIMOTION D系統組態圖

    SIMOTION D把起重機的控制劃分成幾個子部分，每一個部分負責起重機的一個機構。各個機構分別是：起升機構(Hoist)，小車(Cross Travel），大車(Long Travel)，俯仰機構(Boom)，支撐/開閉機構(Holding and Closing Gear)，回轉機構(Slewing Gear)。各個機構程序的主要功能體現在二個函數庫中：Crane DCC-Library (與驅動相關)和Crane FB-Library(與流程控制相關)。根據不同用途的起重機組合使用各個機構，比如STS中就使用了起升、小車、大車、俯仰四個機構，而RMG（軌道吊）中只須使用起升、小車、大車三個機構。

    各個機構的程序結構基本如下：由三個函數組成，一個函數進行PLC與SIMOTION  D之間的信息交換，一個函數進行SIMOTION與SINAMICS之間的信息交換，還有一個函數進行信息處理。

3 硬件系統組態

3.1 PLC的組態

    在硬件組態視窗中選擇一個需要的PLC CPU模塊，例如Antwerp項目選擇CPU 319F模塊，插入相應的I/O模塊，然后構建一個由PROFIBUS總線組成的系統，再把需要使用的外部設備及其I/O模塊掛接在總線上，將SIMOTION D及其組件組態為一個DP智能從站。圖3所示為Antwerp項目硬件組態，從中可以看到，這個系統除CPU及其包括擴展的I/O模塊（ET200）和組態好的SIMOTION D站外，還有絕對值編碼器、高壓信息檢測表、起重機狀態信息顯示表、重量測量系統、總線信息交換器等設備。

                                   圖3   硬件組態示意圖

3.2 SIMOTION D的組態

    SIMOTION D的組態過程是先組態SINAMICS控制器，然后組態SINAMICS驅動軸，最后組態SIMOTION工藝軸。下面以Antwerp項目驅動器的設置為例進行簡單說明：在SCOUT軟件中，如圖4(a)所示，先在控制器SINAMICS下插入驅動器（Insert drive）,然后按照提示一步一步對驅動器的類型（伺服還是矢量），控制模式，所接入的電機型號，所接入的編碼器型號，通訊格式等進行設置。設置好后系統會生成一個完整的驅動系統。然后，按此步驟設置好其它的驅動系統。每一個SINAMICS控制器最多可以配置4個驅動。在Antwerp項目中總共使用了三個SINAMICS控制器，一個是集成在SIMOTION D中的，另兩個通過DRIVE-CLiQ接入SIMOTION D控制器。這三個控制器總共配置了八個驅動軸，如圖4(b)所示為其中的一個控制器配置的三個驅動軸。配置好后可以通過SINAMICS下的Topology查看該控制器及其所連接的設備的拓撲結構圖。
        

                 (a)                                                 (b)
     
 
                 (c)                                                 (d)

                                  圖4   SIMOTION D 組態示意圖

    驅動軸配置好后再配置工藝軸，將配置好的驅動都連接到適當的工藝軸上，SIMOTION通過對工藝軸的控制來控制驅動。如圖4(c)所示，在AXES下插入軸（Insert axis）,然后選擇控制模式（速度、位置、同步），然后按照提示一步一步設置軸的類型（直線軸還是旋轉軸）（電氣軸、壓力軸還是虛軸），電機類型（標準電機還是直線電機），軸測量系統所使用的單位（如長度m、mm、km、ft等，時間s、min、h等，加速度m/s等，加加速度，角度等），編=碼器測量方式，選擇驅動軸，通訊格式，使用哪個編碼器及編碼器類型等。設置好后一個軸就配置好了。注意在這個配置之后有些內容在配置結束以后是不能更改的，例如控制模式，編碼器測量方式。如果一定要改，只能刪掉工藝軸并重新配置。在Antwerp項目中總共配置了八個工藝軸軸，如圖4(d)所示。在SIMOTION D中，還可以設置其它工藝軸。例如實現主-從控制的軸。

4 控制結構

    工藝軸配置好后，下一步就是如何控制這些軸。只要這些軸按照要求動作，就完成了起重機的相關功能。例如對起升工藝軸的控制就完成了起升功能。下面看看工藝軸的結構。

    每一個工藝軸都對應一個MCC單元和DCC單元。每一個MCC 單元中都具有兩個MCC程序。一個程序執行周期較長，它和PLC通訊；另一個程序執行周期較短，它和SINAMICS通訊，并設一個單獨的MCC單元對當前軸的狀態進行監控。在這些程序中，根據控制的需求調用庫“Crane FB-Library”中的功能塊。

    除了小車、大車和主從力矩控制中的從機，所有工藝軸的結構基本相同。但不管怎樣都是在MCC 程序中調用其他功能塊（庫中的功能塊），且調用結構形式相同。下面以在Antwerp項目中起升和大車的單元結構為例進行說明。

                                    圖5   慢周期起升機MCC程序結構

                                     圖6   慢周期大車機構MCC程序結構

    圖5所示為慢周期起升機構MCC程序的結構，圖6所示為慢周期大車機構MCC程序的結構。可以看出，兩個單元結構略有不同。

    各功能塊的作用：

    Receive S7: 從SIMATIC S7接收數據。這些數據會在DCC中進一步處理。

    Control Axis: 設置驅動對象和工藝對象中的控制字和狀態字。

    Traction Control: 讀取電機編碼器和外部編碼器的實際速度。其結果在DCC中繼續處理。

    Operation Mode: 管理操作模式和執行運動指令。

    Error Priority: 讀取工藝對象、驅動對象和功能塊的故障和報警。

    Send S7: SIMOTION發送數據到SIMATIC S7。

    圖7為快周期各機構MCC程序的結構，各個機構的單元結構都是一樣的。

    各功能塊的作用：

    Receive Sinamics: 讀取驅動器的數據到SIMOTION。

    Send to Sinamics: SIMOTION發送數據到驅動器。

    DCC單元的功能：根據各種條件計算速度、加速度、計算最終發送到驅動器的數據。

                                    圖7   快周期各機構MCC程序結構

5 附加功能及發展

    為了適應技術的發展和起重機的新要求，在系統中附加了一些輔助的功能，將來可能成為基本功能，如防搖系統。隨著時代的發展，將來可能有更多更好的功能加入其中，比如起重機自動運行系統，模式識別功能。不久的將來，起重機控制系統功能必將更加強大和完善。



參考文獻

[1] 賈大山. 2000~2010年沿海港口建設投資與適應性特點[J]. 中國港口，2008(3).

[2] 潘愛華. 起重機起升機構電動機的應用[J]. 起重運輸機械，2007(7).