S7-200PLC應用于同軌道多臺橋式起重機安全防撞功能

李文明

摘要：本文詳細介紹了利用西門子S7-200PLC及EM231模擬量采集模塊和激光測距模塊組成的一套起重機之間安全距離檢測系統的設計方法及實施策略，應用于同軌道的橋式起重機運行時的安全防撞功能，降低由于人為因素導致起重機之間的相互碰撞風險。

關鍵詞：S7-200 EM231 激光測距 安全距離

中圖分類號： TH21 文獻標識碼： A

一、項目背景

某大型重工鑄造企業的鍛造分廠分為鍛造車間與熱處理車間；該分廠主要產品為大型鑄鍛件，需要將大型合金坯料加熱至1100攝氏度以上，再通過鍛壓機鍛壓成各種形狀。存在著工序較多，單個工件比較重（介于50-400T之間），連續式生產，作業現場溫度較高，起重吊裝工作量大等特點。該分廠在每個車間每個單跨至少有3臺通用橋式起重機在同軌道上運行，由于受到各種因素影響，尤其是在深夜班以及生產任務比較繁忙時，司機由于疲勞或者視角死區的因素，不能及時準確判斷與相鄰的起重機運行的安全距離，曾經在熱處理車間夜班期間發生過兩臺起重機相撞的事故，事故雖然沒有造成任何損失，但是對該廠的安全生產起到了警示作用，該分廠的鍛造車間作業現場經常需要吊裝溫度高度1100攝氏度，重量動輒上百噸的工件，一旦發生碰撞事故，后果不堪設想。對全分廠在用起重機檢查后發現有的起重機因為年代比較久，其安全防撞裝置采用的還是機械式防撞臂，且其上的大多數的限位開關已經不起作用，一些近年安裝的起重機雖然裝有防撞裝置，但因為各種原因并沒有投入使用。為了避免類似事故的再次發生，消除該安全隱患，該企業經研究后決定將在運的凡是單跨至少有兩臺橋式起重機的全部加裝（或改裝）一套激光安全距離檢測控制系統。

二、控制系統的架構

由于該廠在用的橋式起重機的由于出廠時間的差別以及各廠家的控制系統選用不一致，有的控制系統采用的西門子S7-200系列的PLC，有的采用日本三菱FX2N系列PLC，有的采用的老式的接觸器控制方式。經過討論后，本著經濟性、可靠性、易維護性的原則。對于使用PLC控制的起重機，其安全距離檢測系統利用原PLC，針對每一臺橋式起重機，只需要增加對應的模擬量采集模塊和激光測距模塊；對于沒有采用PLC控制的起重機，加裝一臺西門子S7-200系列PLC及對應的模擬量采集模塊和激光測距模塊。本文主要介紹采用S7-200PLC的安全距離檢測控制系統。其系統結構如圖1所示：

圖1 系統架構圖

由于在生產作業過程中，高溫大型鑄鍛件的吊裝要求比較高，當工件從爐窯出爐后需要盡快吊裝至鍛壓機進行鍛壓塑形作業，起重機的司機在專注吊裝作業過程中由于視角以及其他因素的影響往往很難兼顧到注意相鄰起重機的安全距離。該安全距離檢測系統的目的就是將安全距離的控制由司機人為觀察改為系統自動檢測控制。將激光測距模塊分別安裝于橋式起重機的左右橫梁，其檢測到的相鄰起重機或者其他障礙物的距離數據通過4-20mA信號傳送給西門子模擬量數據檢測模塊（EM231），經CPU運算處理后與安全設定值進行比較；根據不同的比較結果，該安全距離檢測系統設計了兩個距離安全值，第一個值即所謂的大車換速距離值，即當激光測距模塊檢測到相鄰兩臺橋式起重機無論左右側距離小于等于6米時，則觸發一個減速信號將起重機大車的運行速度減小至低速狀態，并發出聲光警示信號提示雙方司機。第二個值則是安全距離極限值，當激光測距模塊檢測到起重機無論左右側距離進一步減小至3米時，觸發信號直接停止起重機大車的運行；從而保證同軌道工作的起重機能夠安全運行，避免由于起重機司機由于忙于操作而忽略相鄰起重機的距離而導致安全事故發生。如圖2所示：

由于該分廠鍛造車間與熱處理車間各有兩跨生產線。針對各跨生產線的起重機吊裝重量的不同，上述的兩個安全距離值各有不同。在熱處理車間因為吊裝工件噸位較小，其值分別設定為;大車換速距離值為4米，安全距離極限值為2米。

三、控制程序

由于西門子S7-200PLC沒有現成的模擬量數據處理函數，所以需要將模擬量模塊檢測到的原始數據進行數學轉換。其過程如圖3所示。

圖3 PLC程序結構圖

因為西門子S7-200PLC的模擬量模塊EM231默認讀取的模擬量信號為0-20mA在CPU內部轉換數據對應為0-32000。本系統中，激光測距模塊的量程值為0.3-30米,輸出信號經由內部饋電裝置變送為4-20mA信號。所以，在系統中，首先要切除掉4mA以下的數據，即測量通道的工程值數據(AIW2和AIW4)需要減掉6400.為了程序中計算方便，本系統將激光測距值進一步轉換為0-100的數值。對應公式為：X1/100=(AIW2-6400)/(32000-6400);X2/100=(AIW4-6400)/(32000-6400).

程序中VD20，VD36分別對應轉換后的激光測距模塊采集的起重機左側距離值和右側距離值。當VD20中的數值（即起重機大車左側距離）和VD36（即起重機大車右側距離）小于等于20（即實際距離 6米）時，觸發強制減速信號。當VD20中的數值（即起重機大車左側距離）和VD36（即起重機大車右側距離）小于等于10（即實際距離 3米）時，觸發大車停止信號。

對于控制系統采用了PLC起重機，只需將上述程序中的換速信號和停止信號直接作用于原控制程序中的大車換速信號輸出點和大車停止信號輸出點。而對于沒有采用PLC控制的起重機，在新增加一套小型PLC控制單元外，對大車的交流接觸器進行了更換，換速信號和停止信號輸出至交流接觸器的繼電器輔助接點，從而控制大車的運行動作。

四、總結

該安全距離檢測控制系統充分體現了西門子PLC簡單可靠，成本低廉的優越性。投入運行后，大大減輕了起重機司機作業時的安全風險，將原來的安全預控措施由人來執行改為電氣控制動作。且該項目充分發掘利用了原PLC的剩余處理能力，業主單位僅花費了很少的資金就解決了生產過程中的一大安全隱患。

參考文獻：

1.GB/T3811-2008起重機設計規范

2.張青、王曉偉、張瑞軍.起重機構造與使用維修手冊.化學工業出版社.2011

3.SIMATIC S7-200可編程控制器系統手冊.2005