引言
“2015年我国将成为世界造船第一大国”，为了实现这个目标，国内各大船厂纷纷扩产扩能。要提高总生产能力，提高龙门吊机的吊重能力至关重要，300T、400T、800T、900T……国内各大船厂新建的龙门吊机的吊重吨位也随着我国造船行业的迅猛发展而迅速提升：造船业的春天来了！为了保证吊机安全、稳定的为生产服务，吊机需要强大、稳定、可靠的系统来控制，考虑到我公司现有的80 吨吊机采用的是GE 的PLC，技术维护人员及操作人员通过对GE 系统的长期使用，对GE PLC比较熟悉且评价甚高，新建的400 吨龙门吊机仍选用GE 系列90 -30 PL来控制。
图1 龙门吊机机构示意图
吊机技术参数如表1所示：
表1 吊机技术参数要求
系统功能要求说明
1. 概述
本吊机的电气系统主要包括上、下小车起升机构，上、下小车行走机构及大车行走等机构的控制、监测与保护，以及电源系统、照明、空调、通风、电梯等供电控制。
2. 纠偏功能
纠偏功能是本系统安全运行的一个重点内容，当吊机机行走时，刚性腿与柔性腿不同步会引起偏斜，为此设置两套自动检测偏斜装置，作同时监测偏斜和报警作用，并选择一套作为自动纠偏，以此提高自动纠偏的可靠性。在每侧大车运行机构的检测轮上各设一套多圈绝对值编码器，检测两侧行程的相对量。
● 两腿偏差<1‰大车跨距（即79m/1000=79mm）时，纠偏装置不动作。
● 1 ‰ 大车跨距（ 7 9mm）< 两腿偏差< 2 ‰ 大车跨距（158mm）时，纠偏装置自动纠偏动作但不报警。
● ±2‰大车跨距（158mm）< 两腿偏差< 3‰大车跨距（237mm）时，纠偏装置慢速纠偏动作，同时在司机室发出光报警。
● 3‰大车跨距< 两腿偏差时，大车运行停车，并只能手动纠偏，同时在司机室发出声、光报警。另一套是在柔腿端部与主梁柔性联接处装有转角保护装置，当偏斜值达到起重机跨度的3‰ 时，限位开关动作，行走机构紧急断电停车，司机通过手动操作大车运行机构进行手动纠偏，消除偏差后恢复大车运行。
另外，在上、下小车上各安装一套光电编码器，在上、下小车抬吊重物同步行走时起作用，检测上、下小车行程的相对量。行走偏差< 100mm，自动纠偏；超过100mm时，上、下小车停车，由司机进行手动纠偏—— 调整上下小车之一后，行走机构即可正常工作。大车在运行时，有声光报警，提醒人们注意安全。
3. 超负荷保护功能
● 在司机室有下列负荷显示和超负荷保护上小车吊钩Ⅰ的负荷显示和超负荷保护。上小车吊钩Ⅱ的负荷显示和超负荷保护。下小车吊钩Ⅲ的负荷显示和超负荷保护。上小车吊钩Ⅰ和Ⅱ之间吊重差的负荷显示和超负荷保护。二台小车抬吊总负荷吊钩Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ的负荷显示和超负荷保护。
● 上小车吊钩Ⅰ或Ⅱ当吊重超过144t 时报警，吊重超过168t 时，禁止起升。
● 上小车起升机构Ⅰ和Ⅱ同步升降当其中某一吊钩的载荷超过168t 时或者两个吊钩的载荷差超过60t 时只能下降，不能上升。
● 下小车吊钩Ⅲ吊重超过180t 时报警，吊重超过210t时，不能上升，只能下降。
● 上、下小车起升机构Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ同时工作，在上下小车的距离没有限定时，除具备上述三种（b、c、d）保护功能外，当总载荷超过420t 时，只能下降，不能上升。
● 当Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个主钩抬吊时，其中的一个起升机构的超负荷限制器动作时，禁止上下小车行走，只有将超负荷状态排除后才能恢复全部功能。
上小车吊钩必须尽量避免出现吊重差， 在每次挂钩时必须正确地确定重心位置，防止在工作时造成不必要的停车钢丝绳允许的最大斜拉角度，在小车运动方向10％（6°）；在大车方向为5％（3°）；下小车20t 副起升机构也设有超负荷保护装置。
4. 行程保护
起重机各运动机构均设有极限位置行程和高度限位保护。
在司机室有下列运行行程显示：
● 起重机运行偏斜显示
● 上小车运行行程显示
● 下小车运行行程显示
5. 大车行走应急停车
● 控制台设有应急停车按钮。
● 在刚性腿行走机构二端设有应急停车按钮
● 在柔性腿行走机构二端设有应急停车按钮
6. 故障显示
在司机室和电气控制室设有故障显示装置
解决方案
本吊机起升机构均采用ACC800 变频器来驱动变频电机，起升电机轴上经弹性联轴节装有光电编码器，构成矢量型闭环调速，变频器内置的Profibus 模块RPBA - 01 通讯卡经Profibus 总线与PLC 通信，PLC 通过Profibus 总线直接从装在电动机低速侧卷筒上的多圈式绝对值编码器读数，以检测起升高度，在驾驶操作时，司机通过位于司机室的联动台主令控制器给与PLC 多级调速信号来控制各起升机构的起升速度及方向。
上、下小车行走及大车行走（刚、柔性腿）机构均采用ACS800 变频器用“一拖多”的方式来驱动变频电机，各电机采用各自的热继来进行过载保护，变频器通讯卡通过Profibus 总线与PLC 通信，为了保证上、下小车行走及大车行走（刚、柔性腿）同步运行，故在检测轮上装有编码器作行走长度检测以达到上、下小车行走及大车行走刚柔腿分别同步。全机控制系统网络结构图如图2所示。
图2 控制系统网络结构总图
各机构PLC，小车行走、起升变频器，大车行走变频器及各行走、起升编码器组成各节点Profibus -DP 网络，各节点信号经光电转换器转换，通过光纤传输通信。
为了既能使各机构的动作完美的同步运行，并在发生通讯中断时通过本地CPU快速响应来提高整机的安全可靠性，及尽可能的减少系统布线，本吊机采用GE 系列90-30 的多CPU系统来进行控制，PLC 模块选型表如表2 所示：
表2 控制系统PLC模块选型表
电气房PLC 与上小车PLC、下小车PLC、刚腿PLC、柔腿PLC 及两个司机室的远程分站组成以太网通讯，各PLC间要通信，首先各PLC站以太网（Ethernet）模块要设定固定的IP 地址，其中电气房PLC 的以太网IP 地址在CPU模块（IC693CPU364）里设置；两个司机室PLC 的IP 地址在远程以太网接口模块（IC693NIU004）里设置；上、下小车及刚、柔腿PLC 的IP 地址均在其独立的以太网模块（IC693CMM321）里设置。电气房主PLC 对其它各机构PLC读写信息都采用COMMREQ 通信指令来实现，指令梯形图如图3所示。
图3 通信指令梯形图
上小车PLC、下小车PLC、刚腿PLC、柔腿PLC 与各相应变频器及编码器组成Profibus -DP 网。Profibus 是一种国际化，开放式，不依赖于设备生产商的现场总线标准，广泛应用于各种自动化控制领域，Profibus -D 是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I /O通信。
GE 90-30 系列很好的支持Profibus -DP 协议，且通过了“PTO”认证，如上面PLC模块选型表所示，本系统的Profibus -DP 网采用IC693PBM200 为主设备，变频器、编码器为从设备，从设备没有访问总线的权限，只有主设备要求数据时，从设备才能通过总线接收或发送信息给主设备。以上小车为例，IC693PBM200 主、从站硬件配置图如左图4所示。
图4 控上小车IC693PBM200 主、从站硬件配置图
当IC693PBM200 模块需要调用某变频器及编码器的信息时，相应变频器或编码器的信息通过Prof ibus-DP总线发送给主设备。
另外，在1#、2#司机室内设有触摸屏，驾驶员可通过触摸屏看到吊机各机构的运行状态，既直观又方便。在电气系统出现故障时通过触摸屏故障显示可以迅速判断故障所在，以便及时地排除故障，恢复生产。纠偏功能的实现要实现纠偏，首先要获得大车刚、柔腿偏差编码器测量之差值，指令梯形图如图5所示。
图5 大车刚柔腿偏差值获取指令梯形图
本吊机中大车刚、柔腿安装绝对值编码器的跟随轮的直径为326mm，周长为326×3.14159=1024mm，大车跨度79m 的千分之一即79mm 对应编码器的圈数为：79÷1024 = 0.077圈。其对应的绝对值编码器的变化量为：0.077×8192 = 631，然后将大车刚、柔腿偏差编码器测量之差值与相应的数值范围进行比较，以“大车柔腿相对于刚腿偏左或偏右差千分之一至千分之二”情况为例，即大车柔腿编码器相对于刚腿编码器的变化量为631 至631×2 = 1262 时，自动纠偏不报警。指令梯形图如图6 所示。
图6 大车刚柔腿偏差比较
应用总结
本吊机设置了两个司机室，两司机室完全独立，各自配备一套远程以太网接口模块（IC693NIU004）及触摸屏来显示和恢复故障，当其中一个司机室网络发生故障时，可通过联动台立即换用另一个司机室来操作，以免影响生产，将故障给用户带来的损失降到最低，使吊机能够不间断的投入生产。司机室与其它PLC站控制网络示意图如图7所示。
图7 双司机室远程控制网络示意图
这里要注意的是GE 系列90-30 PL 的NIU 模块必须安装在底板的CPU槽中。另外，考虑到大车行走的惯性很大，当刚、柔腿发生故障时，不能立即零速抱闸停车，而要通过司机室手柄操作停车；上、下小车行走如出现故障则应立即零速抱闸停车，这些功能都可以通过GE 编程软件Proficy Machine Edition轻松实现。部分产品现场图片如图8如示。
图8 现场产品图
采用多CPU 系统有它的优点，当然也有弊端，比如：由于网络各节点相互独立，在调试和维护时如果某网络节点程序丢失，该节点IP 地址一旦丢失，就不能再对该节点进行远程控制，调试或维护人员需要到相应网络节点位置重新上传程序才能恢复该节点的通信功能。为了最大程度的保证系统生产的安全性、稳定性，编程调试人员需要对程序进行严密的筹划，要实现网络节点各CPU同步操作，保证控制上的时序一致也要求程序编写必须要严谨。
至今，该吊机已经投入生产两个月左右，整个控制系统运行稳定，吊机操作人员也很快的掌握了该系统的使用操作，整个船坞吊机单次吊重能力由原来的80 吨上升至400 吨，预计船坞周期将缩短近一半， 造船能力也将实现质的飞跃！
