1.概述
大型起重機械是港口生產的主力軍，保障這些裝置的安全使用是我們技術人員的第一要務。我公司現擁有多臺軌道式龍門吊，裝置之間主要採用光電感測器及機械限位來進行保護。其中減速方面採用反光板型光電開關。它把發光器和收光器裝入同一個裝置內，在它的前方裝一塊反光板，以紅外光為載波，利用光的反射原理，採用相位式脈衝測距法完成光電控制。但這種感測器具有較多限制：
(1)氣象條件對光電測距影響較大，大霧或大雨天氣光電開關動作不靈敏。
(2)易受反光鏡或其他強光源等背景的干擾，導致誤動作。
(3)抗震干擾性差，起重機作業時的震動易導致紅外線射偏或無法接受反射光。
(4)需嚴防陽光及其他強光直射接收物鏡，避免光線經鏡頭聚焦進入機內，將部分元件燒壞。
停止方面裝置採用機械搖臂限位來實現裝置間的防撞保護。這種限位開關主要是有一個擋塊壓住限位開關的觸頭，一旦限位動作開關觸頭分開，它一般都用在一個運動物件兩個極端的位置。這種開關機械結構簡單，所以故障率比較低，使用環境要求不高，但由於其工作原理也決定了它存在以下的一些缺點：
由於是機械動作，因此會出現機械抖動，存在誤動作的可能。
(2)限位開關工作方式為機械接觸式，所以需要相應擋塊配合，時間長了若擋塊契合度不夠或搖臂等機械結構卡死，限位就失去了功能，有安全隱患。
(3)由於限位需要接觸才能動作，導致限位動作時，裝置本身已經非常接近(通常距離只有15cm)，若減速功能損壞，裝置全速接近時，即使限位開關動作緊急制動，也無法避免裝置相撞。
基於以上種種原因，我利用碼頭現有的條件，研究出了一套起重機大車防撞保護方案。此方案利用PLC和編碼器的特性，用PLC將每臺裝置連入一個網路，通過比較彼此裝置編碼器的數值來實現起重機減速和停止的保護。
2.方案設計
此方案利用PLC之間太網通訊的'功能，在地面控制中心設定一個PLC總站與所有起重機的PLC主站相連。讀取所有起重機PLC內的大車編碼器數值，然後在總站PLC內計算處理，根據計算的結果向相應的裝置傳送指令，裝置PLC利用該指令來判斷自身是否需要減速及停止。系統拓撲圖如圖1所示。
在硬體選擇方面，基於岸橋和軌道吊所使用的PLC型號，我們首先考慮了西門子S7-300系列PLC。此係列屬於中型機，其CPU作為資料計算、程式處理方面效能已經夠用，但是它只能連結32個從站。出於將來裝置擴充套件以及通訊質量方面的考慮，我們選擇了更高效能的S7-400系列PLC，它能連結64個從站，而且處理速度、通訊質量等方面均強於前者。最終我們選擇了CPU 416-2，同時還配套了相應的電源模組PS 407 4A和乙太網通訊模組CP 443-1。每臺起重機PLC均配有一個相應型號的乙太網模組，PLC之間採用乙太網方式建立通訊。由於裝置距離地面PLC站較遠，所以採用光纜傳輸，來儘量避免資料的延遲。連線好硬體線路後，接下來就是地面PLC的組態及程式編寫工作。組態後，PLC總站作為主站，其他裝置PLC作為從站共同編制入一個區域網中，每臺PLC分配一個固定的IP地址，主站與從站之間可以自由通訊。
3.方案實施
由於裝置本身自帶編碼器和乙太網模組，所以硬體方面的工作較為簡單，只需將地面PLC總站的各硬體安裝完成，並與裝置共同接入高速乙太網交換機即可。線路連線完成後在軟體端配置PLC總站，開啟西門子軟體STEP7，新建專案後在Hardware介面一一填入對應機架號的PLC模組，填好後雙擊開啟CP443-1，填入本站的IP地址，子網掩碼和閘道器，填好後編譯儲存完成硬體配置。按照以上同樣的方法在每臺裝置的硬體組態介面開啟CP模組，填入各自對應的IP地址。規定1#軌道吊IP地址為，之後每臺裝置佔用連續的兩個IP地址，依次排列。至此PLC各站點的乙太網聯網完成，通訊建立，接下來就是編寫程式進行資料採集。
Profinet模式下的S7通訊(S7-400)有SFB14和SFB15兩個系統單邊通訊功能塊，他們分別是GET(從其他CPU獲得資料)和PUT(送給其他CPU資料)。我們在主站中使用SFB14 GET從其他站CPU中採集資料，其中EN為使能端，REQ為通訊頻率的設定，ID為從站ID號，ADDR為被讀取站地址，RD為獲取資料的儲存位置，NDR為功能塊執行狀態位。一個功能塊能同時傳送4個DB塊資料，功能十分強大，每次採集的新資料直接覆蓋老資料。可以通過設定REQ來設定資料採集的頻率。
以1#、2#軌道掉為例，通過測試得出頻率設定為5Hz比較合適，即0.2s採集一次資料，主站將從站0.0為起點讀取該DB塊共64 BYTE的資料存入主站DB100中。主站CPU為每臺裝置都新建了一個DB塊，用同樣的方法依次將我們所需資料存入各裝置對應的DB塊中。通過以上方法得到我們想要的起重機的大車位置後，我們就可以使用它們來計算出相鄰兩臺裝置間的距離，從而根據距離來控制兩臺裝置的減速與停止。圖2為起重機的減速停止控制程式。
同樣我們以軌道吊為例，由於軌道吊編碼器安裝於裝置中間位置，而一臺軌道掉的長度為17m，所以我們將相鄰軌道吊的大車位置相減後再減去17m得到兩臺軌道掉防撞緩衝器之間的距離。然後通過CMP比較指令即可得到兩機的防撞保護命令，我們這裡設定的是減速30m，停止25m。當條件滿足時，有兩個線圈得電，分別為兩臺機的保護命令。命令傳送方面主站PLC採用SFB15 PUT功能將減速、停止命令傳送到對應的1#、2#軌道吊PLC中參與到程式的保護控制，最終實現了裝置的防撞功能。
最後考慮到其他因素的影響，如：通訊斷、控制命令誤動作等意外發生，我們還設定了一段通訊檢測程式。程式中主站向每個從站傳送一個CPU時鐘脈衝，從站通過檢測這個時鐘脈衝是否在規定的週期內閉合和斷開，來檢測該從站是否與主站失去連線。如果檢測到通訊斷開，從站程式會立即做出報出相應的故障，提醒司機通知維修人員前來修理。
結語
該功能應用後，解放了地面的監督人員，實現了無人監管，節省了一部分的人力，變相地提高了工作效率。同時得益於PLC的高度可靠性和程式內的通訊檢測機制，使得系統穩定可靠，實現了起重機大車減速防撞的精確控制，安全性遠遠優於以前的光電開關和機械限位。另一方面此方案的設計思想，為其他技術人員帶來全新的借鑑思路。通過此方法將原來各自之間毫無交集的起重機納入同一個區域網中，彼此之間可通過網路交換資料，實現資料共享，為起重機智慧控制帶來了無限可能。