基于PROFIBUS-DP总线控制的桥式起重机电气系统的研制

津巴布韦卡里巴南岸水电站厂房内需设计制造两台250t/50t/10t单小车桥式起重机（以下简称桥机），主要用于厂房内水轮发电机定转子及其它设备的安装和检修，水轮发电机组起吊最重部件为转子带起吊轴。转子装配（含起吊轴）重量约403.5t，需两台桥机进行同步抬吊（见下图1）。抬吊时，两桥机起升及大小车均需保持同步，所以，系统控制比较复杂。为此，通过开发桥机PROFIBUS-DP总线控制系统，可大大简化整个电气系统的线路，从而保证其控制的精度及系统运行的稳定性。

图1250t/50t/10t桥式起重机抬吊三维图

一、电气系统的设计

桥机的电气系统采用了目前国际上先进的“HMI+PLC+变频器”三级控制方式，其中HMI（人机界面）主要便于司机及维修人员掌握整机运行状态，快速查询设备故障，使整机具有良好的人机对话界面和高品质的信息处理功能。而PLC作为桥机的整个控制系统的核心，通过PLC来采集各种信号，运用PLC内部的虚拟触点来实现整机各机构的时序逻辑控制，可大大减少电气系统的硬件故障，提高了系统控制的可靠性。而变频器实现了所有传动机构启制动的平稳性，减少钢结构的冲击。整个电气系统（见下图2所示）分为：供电系统、起升系统、小车系统、大车系统、通讯及照明系统等几个部分。其中起升和大小车系统分别采用了安川变频器H1000和A1000，并通过PROFIBUS-DP现场总线与西门子PLC实现数据通讯。

图2桥机电气系统图

1.1 供电系统

桥机供电采用安全滑触线供电，电源为三相四线制交流380V，50Hz。控制电源由控制变压器T2提供AC220V的电源。小车馈电装置采用电缆滑车。总电源设有主隔离刀开关QS100，能切断桥机的所有电源，为安全检修提供了一个明显的断开点，并设有断路器QF100作短路保护，一般情况下QF100不动作，由主接触器KM10来开合动力回路。QF100中附有分励脱扣线圈，由司机室联动台上、电源控制柜上及遥控装置上的急停按钮来控制，只有在总接触器因某种原因无法正常切断电源回路的紧急情况下，才偶然使用一下分励脱扣装置。

1.2 起升机构

起升机构由主起升和副起升两套机构组成，分别由一台YZPFM315M2-8C，55kW和YZPFM315S2-8C，30kW变频电机驱动，并分别采用具有矢量控制技术的安川H1000变频器CIMR-HB4A0260和CIMR-HB4A0150调速，闭环控制。

主起升速度：

80t＜Q≤250t时0.1～1.0m/min

Q≤80t时0.1～3.5m/min

副起升速度：

15t＜Q≤50t时0.3～3.0m/min

Q≤15t时0.3～10m/min

主副起升均采用主令控制器控制，有挡位无级调速方式，每种工况上下各五挡，各挡对应的速度均可在PLC内任意设定。

1.3小车运行机构

小车运行机构由两台YZPFE132M-4，7.5kW变频电机驱动，采用具有矢量控制技术的安川A1000变频器CIMR-AB4A0072传动，闭环控制。

运行速度：0.3～20m/min，采用主令控制器控制，有挡位无级调速，速度分为前后各五挡，各挡对应的速度均可在PLC内任意设定。

1.4大车运行机构

大车运行机构由四台YZPFE132M-4，7.5kW变频电机驱动，采用具有矢量控制技术的安川A1000变频器CIMR-AB4A0165传动，闭环控制。

运行速度：0.5～25m/min，采用主令控制器控制，有挡位无级调速，速度分为左右各五挡，各挡对应的速度均可在PLC内任意设定。

1.5通讯系统

1.5.1硬件系统的设计

PROFIBUS是由西门子公司开发的一个工业控制系统的现场总线标准，主要用于过程的分布式控制。PROFIBUS家族包括PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA和PROFIBUS-FMS,其中PROFIBUS-DP使用了互联网络的第一层和第二层，这种精简的结构保证了数据的高速传输，传输速率为9.6kbps~12Mbps，特别适合PLC与现场I/O设备之间的通讯。为此，本桥机采用了PROFIBUS-DP网络控制方式，具体见图3所示。整个PROFIBUS-DP通讯系统由一个主站七个从站组成，主站为机房PLC,采用了西门子S7-300PLC(CPU-2DP),自带DP接口，它通过PROFIBUS-DP总线分别与主起升变频器、副起升变频器、小车变频器、大车变频器、小车位置检测编码器、起升位置检测编码器及司机室PLC7个从站相连接，其中主站PLC的CPU为6ES7315-2AH14-0AB0,变频器通过内置SI-P3接口卡接入PROFIBUS-DP通讯网络，编码器采用带DP接口和协议的P+F产品PVM58,司机室PLC从站是通过ET200M通讯模块接入DP总线。

图3 桥机PROFIBUS-DP硬件系统图

1.5.2软件设计

由于本桥机PLC系统采用了西门子S7-300,为此采用了编程软件STEP7V5.5,在硬件组态前首先必须在安川公司(YASGAWA)的网站中下载文件名为YASKOACF．GSD文件，并在STEP7中安装成功，同样也需要安装P+F编码器PVM58的GSD文件。这样安装GSD文件后，在