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1、本文以外高桥四期集装箱码头的岸边桥式集装箱起重机（简称岸桥）设计为例，介绍了应用西门子公司的 S7-400 系列 PLC 进行岸桥 PLC 程序的设计与实现。对部分重要的子程序的编写进行了详细分析，包括起重机主要机构的程序，辅助机构的程序。对于程序调试时所遇到的程序的统一性问题，本文也进行了分析并提出了解决的办法。最终，文章还对该PLC 程序的优缺点进行了分析与比较。关键词：岸桥，PLC THE DESIGN AND IMPLEMENTATION OF QUAY SIDE CONTAINER CRANE PLC PROGRAM Abstract With the example of Quay
2、 Side Container Crane design for WAIGAOQIAO 4th container terminal, this article introduced the design and implementation of Quay Side Container Crane PLC program . It base on the hardware product of SIEMENS, which is S7 series PLC. It is analysed that how to write the program in such sub-program, l
3、ike the program for main motion mechanical system, auxiliary system. For the problem met during the field commission, which is dealing with different data between different cranes in one program, it is been analysed and solved at last. At the end of the article, the virtues and shortness of the PLC
4、program for this project is also been analysed.KEY WORDS:Quay Side Container Crane, PLC1. 概述由于 PLC 控制系统可靠，方便等特点，其已在集装箱起重机上广泛使用，目前已取代了早期的继电器控制回路系统。同时由于总线系统的发展，PLC 所需采集的各类开关，传感器信号可以通过远程 I/O 站实现，大大节省了电缆布线成本，也节约了故障查询时间。本文主要阐述的就是岸桥控制系统的核心内容设计：岸桥 PLC 程序的设计与实现。在这套系统中，控制系统的主要元件 PLC 是采用了 SIEMENS 公司的 S7-400 作
5、为 PLC 主站，ET200 作为远程模块站。整个系统通过 PROFIBUS 总线将 PLC 主站与各远程模块站及控制传动机构的变频器相连，见如下单线图 1-1 所示： 图 1-1：以 PLC 为核心的岸桥电气控制系统图图 1-1 中，S7-400 PLC 是整个系统的核心所在，它有两个 PROFIBUS 总线接口，一条总线连接所有传动机构变频器（变频器由整流器与逆变器组成），这样一来变频器所需要的命令，运行状态的反馈等信号均可以通过 PROFIBUS 通讯来实现。另一条总线则连接所有的 I/O 远程站，实现采集信号和输出信号，大大节约了布线。 PLC 同时也带有以太网接口，可以方便的与计算机
6、连接，这样一来工程技术人员可以通过计算机的人机界面来监控岸桥的运行，同时该计算机也可以作为编程器，用来配置 PLC 硬件，修改 PLC 程序。2. 岸桥 PLC 程序编写对岸桥的 PLC 系统来说，其需要控制的内容有岸桥的起升, 大车, 小车, 俯仰这四个主要机构的运行与辅助机构的运行，四个主要机构都有相同的运行过程，如下图 2-1 所示： 图 2-1：岸桥主要机构运行过程因此在这过程中的“是否满足运行条件” 与“是否存在减速命令”是编写岸桥 PLC 程序所必须清楚的情况，我们在这里必须通过工况分析，有了清楚的了解之后，才能正确的编写程序。以下我们将以起升机构为例，对工况进行详细的分析。2.1
7、. 岸桥起升机构工况分析2.1.1. 岸桥起升机构的组成起升机构的主要作用是通过钢丝绳与吊具上的滑轮将吊具作上下的移动。当吊具吊了集装箱之后，集装箱就可以通过起升机构实现上下移动，比如将集装箱从船舱或集装箱卡车上提取。起升机构的组成除了吊具与钢丝绳之外，还包括两套并行连接的机械传动装置，每套传动装置的组成如图 2-2 所示：有一个交流电机联接一个减速箱。在电机与减速箱之间的主轴上装有一个液压推杆盘式制动器。电机非驱动侧出轴安装有测速编码器和超速开关。在卷筒的一侧出轴上装有一个凸轮限位开关。 图 2-2：起升传动机构组成2.1.2. 岸桥起升机构的运行控制起升机构运行过程控制如下：l PLC 采
8、集司机发出的运行指令及速度给定指令。l 通过 PLC 程序进行逻辑判断，判断是否满足“ 运行允许”的情况。l 如果 PLC 程序逻辑判断满足“ 运行允许”的情况，接下来要进行的就是起升速度的处理，其处理如下：n 如果不存在减速运行命令，则传动机构按司机给定的速度运行。n 如果 PLC 收到减速运行信号，PLC 则将速度处理为司机给定速度的 10%。l 最终，PLC 需将这些运行命令，运行速度通过 PROFIBUS 总线传输给变频器，变频器带动电机运行，实现起升机构的运行。2.2. 程序编写2.2.1. Symbol 表的编写在编写 PLC 程序之前，对于 I/O 变量, 由于其在原理图上已定义
9、, 我们可以先将其在SYMBOLS 中输入。图 2-1：SYMBOLS 表2.2.2. 岸桥起升运行程序下面我们以起升机构为例, 编写一段岸桥起升运行程序。步骤一：编写“起升允许”程序。我们编写的“起升允许” 程序如下图 2-2 所示：图 2-2：编写 “起升允许”程序步骤二：编写“起升命令控制”程序。当起升机构满足了“起升允许“，PLC 就可以发出起升向上/下的命令。如图 2-3 所示： 图 2-3：起升运行命令步骤三：编写“起升速度的控制”程序。在这段程序中：当司机在驾驶室把控制电源合上，并发出起升命令，如果有减速命令存在，则将给定值变为原来的 10%，程序如下图 2-4 所示。图 2-4
10、：速度给定信号处理步骤四：编写“起升命令与速度控制”程序。以上的程序完成了岸桥起升运行的命令和速度给定的产生，最终我们就是要将这命令与速度给定通过 PROFIBUS 总线传输给变频器，如图 2-6 是调用了西门子公司功能块库中的一个 PROFIBUS 数据传送功能块PCD_SEND，用来传送数据块 DB123 中的 16 个字。图 2-5 升命令与速度控制 图 2-6 总线数据传输2.2.3. 岸桥主要机构程序对应的功能 FC（Function）以上分析了岸桥起升机构的程序编写，与起升机构的程序类似, 岸桥的大车, 小车, 俯仰机构程序也要处理运行允许, 命令与速度给定，数据传输等。为了使整个
11、项目程序结构清晰，我们将各个功能细分，如下图 3-14 所示是：主要机构运行控制的功能 FC，以及用于命令与速度给定传输的 PROFIBUS 总线数据传输功能块 FB：图 27：岸桥主要机构对应功能 FC这些功能 FC 的作用如下：l FB22 起升 /大车 1#变频器 PROFIBUS 总线数据传输l FB23 起升 /大车 2#变频器 PROFIBUS 总线数据传输l FB24 小车 /俯仰变频器 PROFIBUS 总线数据传输l FC31 起升运行控制l FC41 大车运行控制l FC51 小车运行控制l FC61 俯仰运行控制2.2.4. 岸桥辅助机构的运行程序在岸桥上还有一些辅助机构
12、需由 PLC 程序来控制。这些功能 FC 如下图 2-8 所示：图 2-8：辅助机构控制这些功能 FC 的作用如下：l FC12 投光灯，空调的启动，停止控制。l FC13 风速处理：当风速达到警报值时发出信号。l FC16 指示灯显示：控制各个操作站的指示灯。l FC34 起升编码器位置处理：判断起升上下的停止，减速位置等。l FC36 负载重量处理：判断负载是否超过额定。l FC54 小车编码器位置处理：判断小车前后的停止，减速位置等。l FC63 俯仰编码器位置处理：判断俯仰上下的停止，减速位置等。l FC71 吊具控制：吊具在起吊集装箱时的控制，如吊具锁头的开闭功能。 结合岸桥主要机构
13、，辅助机构控制的功能 FC，以及 PROFIBUS 总线通讯数据传输的功能块 FB 等，完成了岸桥 PLC 程序的设计。3. PLC 程序的统一性问题3.1. PLC 程序统一性问题的发现在岸桥的 PLC 程序编写完成后，我们随即在岸桥上进行了调试，由此发现了程序的统一性问题，该问题是这样的：我们所进行的这个项目有 12 台岸桥，在岸桥上，有些数据的定义需根据现场的实际情况来定义，举一简单的例子：比如小车机构位置编码器的零位数据 OFFSET，对于调试的第一台岸桥，我们可以很容易加以这样定义：将小车机构行驶到最后面的终点位置，读出小车在该位置时位置编码器的读数，以此作为小车机构位置编码器的零位
14、数据 OFFSET。但我们在调试第二台岸桥时发现，由于机械安装的误差，第二台小车机构行驶到最后面的终点位置时，读出的小车位置编码器读数与第一台岸桥的数值不相同。也就是说，我们必须将第二台岸桥的小车机构位置编码器的零位数据 OFFSET 设置成不一样的数据。与此有相同问题的数据还有诸如重量传感器的比例系数，小车自动停车时停车位置点，俯仰机构的上升终点位置等等。这些问题都产生了一个后果，调试结束后每台岸桥都有对应的 PLC 程序，彼此之间不统一。3.2. 解决 PLC 程序统一性问题的分析分析这个问题，我们设想了以下解决问题的方法：n 我们可以增加设计这样一段解决问题的“岸桥编号识别” 程序：首先
15、让各台岸桥编号：比如岸桥 1，岸桥 2。岸桥 12，PLC 程序运行“ 岸桥编号识别”程序来判定该岸桥的编号，如果是岸桥 1，“岸桥编号识别” 程序就执行将岸桥 1 的数据装载到一“共用数据块”。“岸桥编号识别” 执行完毕后，我们所需要的数据都在这“共用数据块” 中，之后 PLC 在程序运行时，如需要用到那些各台岸桥有差异的数据，就可以从该“共用数据块”中读取所需要的数据。整个过程如图 3-1 所示： 图 3-1：“ 岸桥编号识别”程序3.3. PLC 程序统一性问题的处理有了以上的思路，接下来我们就着手开始解决这个 PLC 程序统一性问题：l 第一步：对岸桥进行编号：将岸桥定义为岸桥 1# 至岸桥 12# ，但是如果要让 PLC 能够识别这些编号，那么我们必须设置输入信号送给 PLC，我们利用了一个备用的输入字节 IB256 来定义岸桥的编号，在PLC 系统的硬件输入上，我们按此定义对各台岸桥接入高电平，每台岸桥不同，如下图 3-2 所示：位（BIT）岸桥编号76543210岸桥 1# 0 0 0 0 0 0 0 1岸桥 2# 0 0 0 0 0 0 1 0岸桥 3# 0 0 0 0 0 0 1 1岸桥 4# 0 0 0
