西门子S7-1500 PLC和PROFINET通信网络在大型门式起重机控制系统中的应用
崔海丰 曲媛媛
（大连华锐重工起重机有限公司 大连）
Application of S7-1500 PLC and PROFINET Communication Network in Large Gantry Crane Control System
［摘要］ 随着国内经济建设的飞速发展，大型门式起重机被广泛应用于石化、造船、海洋工程及风电等领域。本文以神华宁夏煤业集团600t门式起重机项目为依托，介绍了西门子SIMATIC S7-1500 PLC、PROFINET通信网络、HMI、工控机等产品在大型门式起重机上的系统配置和网络结构，并通过工业以太网络实现门式起重机并车联动作业。通信技术的应用，对起重机自动化发展及工厂智能化升级有着重要的推动意义。
［关键词］ S7-1500、PROFINET、门式起重机、并车联动
［Abstract］ With the rapid development of domestic economic construction,large-scale gantry cranes are widely used in petrochemicals industry,shipbuilding,marine engineering,and wind power.Based on the 600-ton gantry crane project of Shenhua Ningxia Coal Industry Group,this paper introduces the system configuration and network structure of Siemens SIMATIC S7-1500 PLC,PROFINET communication network,HMI,IPC(Industrial Personal Computer) and other products in large gantry crane.And through the Industrial Ethernet network to achieve the gantry crane and parallel operation.The application of communication technology is of great significance to the development of crane automation and the upgrading of factory intelligence.
［Key Words］ S7-1500、PROFINET、gantry crane、parallel operation
一、项目简介
我国能源资源存在“富煤、贫油、少气”的特点，煤制油项目对解决我国油气资源短缺、平衡能源结构、推动国家中长期能源发展战略具有重要意义。神华宁夏煤业集团400万t/年煤炭间接液化项目，是目前世界上单套投资规模最大之一、装置最大之一、拥有中国自主知识产权的煤炭间接液化国家示范项目。图1是神华宁夏煤业集团400万t/年煤炭间接液化项目投产后的照片。
大型压力容器是煤炭液化工艺中的重要设备，大连华锐重工起重机有限公司为神华宁夏煤业集团生产的四台600t门式起重机是制造压力容器不可或缺的设备。图2是起重机正在吊载压力容器的照片。
图1 神华宁夏煤业集团煤制油项目
图2 吊载石化容器的起重机
门式起重机（以下简称门吊）主要用于石化容器的生产拼装以及整个产品的吊装发运。此项目石化容器重量高达1000t、长度达50多m，因此，在产品发运时，需两台600t门吊并机联合抬吊作业。
西门子S7-1500 PLC系统与变频调速系统配以PROFINET工业以太网通信技术，恰好可以满足对起重设备的运行稳定、对位精准、易于维护的使用要求。
二、控制网络系统
1.控制网络系统构成
每台门式起重机控制网络系统主要由上位机（工控机）、SIMATIC S7-1500控制器、ET200MP从站、以太网交换机、ABB 880系列变频器、绝对值编码器等组成。控制系统留有Ethernet接口，提供了更好的扩展功能，可实现将来智能化工厂的建设，满足从公司管理级到现场设备级的直接访问。每台门吊的控制网络系统构成见图3。
2.SIMATIC S7-1500控制器
西门子新一代的SIMATIC S7-1500控制器带来了诸多方面的技术革新，运算速度和通信功能等极大提高，具有显示调试和诊断信息，PROFINET标准接口等优势，为工厂的可持续发展提供了强有力的保障。
图3 控制网络系统结构图
（1）SIMATIC S7-1500 PLC主站
采用CPU 1516-3 PN/DP作为控制主站，它自身带有两个PROFINET接口和一个PROFIBUS接口,负责在预定的循环周期内与从站交换数据，发送控制指令，读取从站状态信息等；并可与上位机交换相连，用于操控和显示等。PLC主站系统硬件组成见表1。
表1 PLC主站系统硬件组成
（2）分布式I/O ET 200MP
ET 200MP是一种经济，灵活，性能卓越的小型分布式I/O设备，分布在驾驶室、小车及大车两个门腿的接线箱内，将以上各部位的操作指令、限位开关状态等信息通过IM155-5接口模块与PROFINET总线连接，传输给PLC主站，从而极大节省了布线安装及维护成本。分布式I/O ET 200MP子站组成见表2。
表2 ET 200MP子站硬件组成
3.现场I/O设备
变频器、绝对值编码器、监控系统主机、上位机（工控机）、HMI等现场设备为PROFINET工业以太网的网络节点。
（1）变频器
每台门吊有6台ABB 880系列变频器，每台变频器通过FENA-11型PROFINET接口模块，接入工业以太网。其中，主起升机构由两台变频器分别驱动两台电动机组成，刚性连接，两台变频器之间通过自身的XD2D接口连接，实现转矩主从控制，达到转矩均衡。
大车两台变频器分别驱动刚腿、挠腿电动机，当两门腿运行不同步时，自动纠偏控制。
（2）绝对值编码器
门吊各机构均装有带PROFINET接口的绝对值编码器，实时测量机构的运行位置，保证两机构高同步性的联动运行。
（3）起重机安全监控管理系统
监控系统主机、工控机和HMI经PRIFINET接口，连接至PROFINET，读取CPU数据，构成了起重机安全监控管理系统，满足GB/T 28264—2017《起重机械 安全监控管理系统》，显示实时状态、历史曲线、报警查询、故障追溯及设备保养等功能，为起重机日常维护、寿命评估和事故判定提供数据支持，极大提高了起重机的安全性能。起重机安全监控管理系统见图4。
三、工业以太网通信网络
鉴于大吨位、大跨度门吊的结构形式及两台门吊并车联动运行要求，采用基于工业以太网的新一代自动化总线标准——PRIFINET通信网络，具有通信速率快，抗干扰性强等优势。
1.单台门吊PLC控制网络系统
每台门吊PLC控制网络系统以SIMATIC S7-1500作为主站，将4个ET 200MP分布式I/O设备、变频器、编码器、HMI、工控机等集成到PROFINET中。每台门吊的PLC网络组态见图5。
2.两台门吊PLC之间的通信网络系统
图4 起重机安全监控管理系统图
图5 PLC网络组态图
当吊运长度较长或重量超出起重机额定起重能力的产品时，需要一名驾驶员同时控制两台起重机并车协同联动作业。本项目两台600t门吊采用两根线径为62.5/125μm多模玻璃光纤互连至彼此刚腿的以太网交换机上，实现两车PLC之间的冗余通信。光纤通信既解决了远距离传输的信号衰减问题，又避免了电磁干扰情况。
并车时，驾驶员可在主车上（或从车上）操作主令控制器同时控制两台600t门吊相应机构运行；也可单独控制主车或从车运行。两台门吊CPU之间的网络组态见图6。
图6 两台门吊CPU之间的网络组态图
在网络组态中，首先设置两个CPU分别为对方的I/O设备，并连接至对方通信网络中，其次在“IO控制器中的地址”和“智能设备中的地址”中，设置好相应地址，即可完成两个CPU之间的数据交换，两车CPU之间的通信设置见图7。
图7 两车CPU之间的通信设置图
并车作业时，主车CPU需读取主车和从车的状态信号，来完成主车的逻辑控制（以主车主起升上升一档为例，见图8）；而从车CPU读取主车的控制指令和状态信号，再结合从车的状态信号，完成从车的逻辑控制。同时，从车CPU读取主车各机构上绝对值编码器的数值，与从车相应的编码器进行比较，逻辑运算后完成速度跟随，确保两车机构的同步运行。
图8 主车主起升上升一档程序段
四、项目运行
此项目4台600t门吊的交付使用引起当地政府和新闻媒体的极大关注，是西北地区吊载能力最大、跨度最长、控制系统配置最高的起重机，被誉为“西北第一吊”。600t门吊投入使用以来，性能良好、运行稳定、操作便捷，深受使用单位的好评。
五、应用体会
煤液化反应器的单筒拼装和整体发运工序，均要求起重机具有极高的定位精度和同步精度。以往此类门吊的电控系统通常采用SIMATIC S7-400H PLC，配以PROFIBUS-DP总线网络，但PROFIBUS-DP网络通信速率为1.5Mbit/s时，标称通信距离仅为200m。通信速率和通信距离两者无法兼顾，造成门吊控制精度不高，定位不精确，且偶尔会出现通信故障，造成设备停机，严重影响了工厂生产效率。
此项目首次采用西门子SIMATIC S7-1500控制器，配以先进的、通信速率高达100Mbit/s的PROFINET实时通信网络，实现了起重机±5mm的高精度定位和±20mm的两车同步精度，彻底解决了通信速率、通信距离以及通信干扰问题。事实证明，将西门子公司新一代的SIMATIC产品引入起重机电控系统中，对起重机自动化的发展及工厂智能化的升级有着深远的推动意义。
此外，西门子公司完善的技术文档、专业的服务热线，为设备的现场调试提供有力的保障，极大缩短了调试周期。
参考文献
［1］ 吴昊罡，潘彦宏，步超.智能起重机的控制系统与关键技术［J］.起重运输机械，2018(5)：69-72.
［2］ 崔坚.西门子工业网络通信指南：上册［M］.北京：机械工业出版社，2004.
［3］ 曲媛媛，崔海丰.基于S7-400H、PROFIBUS-DP总线及以太网总线的起重机控制网络系统［J］.起重运输机械，2014(9)：75-77.