浮式起重机智能维护系统的设计

2014-05-14郑晓娟高华贺

天津科技 2014年4期

郑晓娟，高华贺，相军，于骁

(1. 海洋石油工程股份有限公司天津 300452；2. 大连华锐重工集团股份有限公司大连 116013)

0 引言

随着海洋油气田开发、大型海上工程及海洋运输等产业的兴起，以浮式起重机为代表的海洋工程机械朝着全回转、大起重吨位和高速的方向发展。为了适应浮式起重机现场复杂的工作环境，提高设备的安全性及人性化程度，使设备更好地满足运行需求，提升操作人员和维护人员的工作效率，开发浮式起重设备的智能维护系统尤为必要。

智能维护系统是集信息科学、管理科学、现代通讯技术和电子计算机技术于一体的学科，它主要指进行信息的收集、传送、储存、反馈和维护功能的集成化系统，利用数据库及其管理系统，将数据处理与管理模式结合起来，并通过分析历史数据实现预测、控制、管理及决策等功能，为设备维护提供强有力的技术支持，实现全面的科学管理。本文以深水浮式起重机为研究对象，结合 Profibus现场总线技术优点，从系统基本结构、系统冗余、通信规划等方面对浮式起重机智能维护系统的设计进行了探讨。

1 智能维护系统的基本特点

浮式起重机智能维护系统要实现的目标包括：主副起升监控、俯仰监控、回转监控、稳钩等状态监控，以及对吊机操作、运行、故障预警及报警、维护保养等的全记录，该系统具备如下特点：

① 信息采集的自动化。浮式起重机组成包含了起升绞车、传动部件、液压动力站、电气系统、中控设备、电滑环等，系统必须能实时准确地对机、电、液、传等部分的数据进行采集，这些信号包括：A、开关量方式(机械、电子)，对现场设备运行状态的点情况的采集；B、模拟量方式(如电流、电压、温度、压力等)，对设备运行过程的线情况的采集；C、通讯方式(有线通讯与无线通讯)，对设备运行状态与系统管理及数据共享的面情况的采集。

② 信息分析的集成化。智能维护系统对信息的分析不再局限于仅对电气控制系统的分析，可以扩展到多层面、多系统及系统之间的信息分析。如电气控制系统运行状况分析，整机安全保护状态分析，机械、传动、液压等系统运行状态与检修维护的分析，机上管理系统与地面管理系统间数据分析等。

③ 信息显示的人性化。应具备可读性强、操作方便、运行数据与状态记录直观、自动作业管理快捷等特点，使管理界面更具人性化。

④ 信息处理的实时化。系统可对机电运行状态进行实时监控、故障报警和提示、维护检修提醒、信息记录与打印作业及实现数据传输同步等操作。

⑤ 信息传递的网络化、远程化。系统可实现管理系统机内数据传输网络化、操作站与机上管理系统数据传输网络化、企业级管理系统的数据传输网络化。

2 浮式起重机智能维护系统的设计

2.1 基本结构

鉴于传统的现场层设备与控制器之间的通信采用一对一连线方式，传输 4-20,mA/24,VDC信号，这种通信技术信息量有限，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换，从而使自控系统成为吊机中的信息孤岛，严重制约了浮吊信息集成及其综合自动化的实现。Profibus现场总线技术采用计算机数字化通信技术，具有扩展方便、响应时间短、抗干扰性强的特点，它能使自控系统与设备加入船体信息网络，成为船体信息网络底层，使船体信息沟通的覆盖范围一直延伸到浮吊。

图1 网络拓扑图Fig.1 Network topological graph

根据以上问题，紧密结合现场实际情况以及该系统工程对 PLC网络的高要求，为使自控系统具备高性能和高安全性，本系统采用基于Profibus总线的系统结构。为实现系统网络构架的合理、简单和扩展性，设计拓扑图如图1所示。

从图1的网络拓扑图可以看出，浮吊控制系统采用了西门子 S7-400,H冗余系列 PLC，下挂 Profibus-DP网，并通过从站ET200,M将辅助机构和液压站控制信号接入控制网络，真正实现了“集中管理，分散控制”的目的。同时，全数字化通信模式的抗干扰能力强、测量控制精确度高，借助数字双向传输的特点和先进的设备管理软件，可实现参数远程设定，采集丰富的仪表信息，有利于设备故障诊断，改善管理状况。通过工业以太网与基础级的 PLC相连，并依靠控制模型和数据库对控制系统实施指导、管理和跟踪。WinCC人机界面可显示运行图、棒图、趋势图、报警、设定等画面和图表，与上位机构成了一个集中管理、分散控制的自动控制系统。

2.2 系统冗余设计

图 2中，箭头表示为故障 CPU，需要使用一个PLC的DQ点通过继电器来控制两个中继器的供电，HMI连接到哪个CPU上是由中继器的电源切换来决定的。只需要使用一个继电器，其中一个中继器的电源接到继电器的常开点，另一个中继器的电源接到继电器的常闭点上，PLC的DQ控制是通过系统功能块SFC51来读取冗余系统的系统信息。通过两个中继器将操作面板连接到控制器，一个或更多操作面板和每一个 S7-400H的子系统连接到一个单独的MPI/PROFIBUS段。中继器用来将其分为多个单独的段。

图2 冗余CPU切换示意连接图Fig.2 Connection diagram of reluctant CPU switchover

S7-400H操作系统进行的两个子控制器之间的数据比较确保了转换后两个子系统内的数据是相同的。通过操作面板，每一次输入时，操作系统实际上同时在两个 S7-400H系统中“分发”数据，电源可以通过“转换开关”连接到中继器上去。这就意味着在任意一个时刻只能有一个中继器和电源相连，可以通过开关手动转换或者通过数字输出依靠CPU自动转换。

2.3 通讯功能

过程或现场通讯(Profibus-DP)用于将执行器和传感器连接到自动化系统、HMI或管理系统。执行器和传感器可经过 CPU上的集成接口，或经过接口模块，接口子模板及通讯处理器连接到 Profibus中。当执行器和传感器分布在很大范围内，装在机器上和设备内(如在现场层)，以及他们在站内(如ET200)至少以大于等于 16点输入、输出成组组合时采用Profibus DP。

2.4 系统规划

该系统的上位机(WinCC操作站)与PLC设备之间的数据交换，通过工业以太网利用光纤切换模块、WinCC操作站通讯卡、PLC通讯模块通过TCP/IP协议来实现连接。主要完成现场实时数据的采集线性化与显示，PLC部分参数的调整与修改以及重要数据的报警以及网络的扩展性等问题的解决。

主站PLC通过IM153-2模块与从站ET200M之间实现冗余PROFIBUS DP网络通讯，将现场分布复杂且繁多的模拟量先采集至现场的从站 ET200M，然后通过一根 DP网线传送至主站并接受主站的控制信号，这样大大节约了现场施工的难度可以缩短施工时间，同时节约大量电缆和占用主站的模板，可以节约30%的设备费用。

由于该系统作为监控系统，为了快速准确地把握系统状态，在任何情况下都能够通过智能维护系统简便快捷地查找到所需要的信息，操作站软件为WinCC软件，网络平台为Windows XP，WinCC自带数据库，并提供监控画面和 PLC组态工具。S7组态软件为 STEP7(5.4SP)，内嵌西门子过程设备管理软件PDM。

3 结论

本文从系统基本结构、系统冗余、通信规划等方面对浮式起重机智能维护系统的设计进行了探讨。该系统(见图 3)实现了机、电、液、传结构的全面覆盖，具备良好的人机界面、远程传递、远程诊断及维护等功能，将有助于故障的系统分析和经验积累，实现实时故障预警与快速的指挥调度，减少不必要的人员与时间浪费，大大提高设备的使用效率；其次可以方便维护保养，提供定期检修维护信息；再次可以提高管理水平，实现设备数据共享，提高综合调度能力与管理水平。