S7-200PLC应用于同轨道多台桥式起重机安全防撞功能

李文明

摘要：本文详细介绍了利用西门子S7-200PLC及EM231模拟量采集模块和激光测距模块组成的一套起重机之间安全距离检测系统的设计方法及实施策略，应用于同轨道的桥式起重机运行时的安全防撞功能，降低由于人为因素导致起重机之间的相互碰撞风险。

关键词：S7-200 EM231 激光测距 安全距离

中图分类号： TH21 文献标识码： A

一、项目背景

某大型重工铸造企业的锻造分厂分为锻造车间与热处理车间；该分厂主要产品为大型铸锻件，需要将大型合金坯料加热至1100摄氏度以上，再通过锻压机锻压成各种形状。存在着工序较多，单个工件比较重（介于50-400T之间），连续式生产，作业现场温度较高，起重吊装工作量大等特点。该分厂在每个车间每个单跨至少有3台通用桥式起重机在同轨道上运行，由于受到各种因素影响，尤其是在深夜班以及生产任务比较繁忙时，司机由于疲劳或者视角死区的因素，不能及时准确判断与相邻的起重机运行的安全距离，曾经在热处理车间夜班期间发生过两台起重机相撞的事故，事故虽然没有造成任何损失，但是对该厂的安全生产起到了警示作用，该分厂的锻造车间作业现场经常需要吊装温度高度1100摄氏度，重量动辄上百吨的工件，一旦发生碰撞事故，后果不堪设想。对全分厂在用起重机检查后发现有的起重机因为年代比较久，其安全防撞装置采用的还是机械式防撞臂，且其上的大多数的限位开关已经不起作用，一些近年安装的起重机虽然装有防撞装置，但因为各种原因并没有投入使用。为了避免类似事故的再次发生，消除该安全隐患，该企业经研究后决定将在运的凡是单跨至少有两台桥式起重机的全部加装（或改装）一套激光安全距离检测控制系统。

二、控制系统的架构

由于该厂在用的桥式起重机的由于出厂时间的差别以及各厂家的控制系统选用不一致，有的控制系统采用的西门子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触器控制方式。经过讨论后，本着经济性、可靠性、易维护性的原则。对于使用PLC控制的起重机，其安全距离检测系统利用原PLC，针对每一台桥式起重机，只需要增加对应的模拟量采集模块和激光测距模块；对于没有采用PLC控制的起重机，加装一台西门子S7-200系列PLC及对应的模拟量采集模块和激光测距模块。本文主要介绍采用S7-200PLC的安全距离检测控制系统。其系统结构如图1所示：

图1 系统架构图

由于在生产作业过程中，高温大型铸锻件的吊装要求比较高，当工件从炉窑出炉后需要尽快吊装至锻压机进行锻压塑形作业，起重机的司机在专注吊装作业过程中由于视角以及其他因素的影响往往很难兼顾到注意相邻起重机的安全距离。该安全距离检测系统的目的就是将安全距离的控制由司机人为观察改为系统自动检测控制。将激光测距模块分别安装于桥式起重机的左右横梁，其检测到的相邻起重机或者其他障碍物的距离数据通过4-20mA信号传送给西门子模拟量数据检测模块（EM231），经CPU运算处理后与安全设定值进行比较；根据不同的比较结果，该安全距离检测系统设计了两个距离安全值，第一个值即所谓的大车换速距离值，即当激光测距模块检测到相邻两台桥式起重机无论左右侧距离小于等于6米时，则触发一个减速信号将起重机大车的运行速度减小至低速状态，并发出声光警示信号提示双方司机。第二个值则是安全距离极限值，当激光测距模块检测到起重机无论左右侧距离进一步减小至3米时，触发信号直接停止起重机大车的运行；从而保证同轨道工作的起重机能够安全运行，避免由于起重机司机由于忙于操作而忽略相邻起重机的距离而导致安全事故发生。如图2所示：

由于该分厂锻造车间与热处理车间各有两跨生产线。针对各跨生产线的起重机吊装重量的不同，上述的两个安全距离值各有不同。在热处理车间因为吊装工件吨位较小，其值分别设定为;大车换速距离值为4米，安全距离极限值为2米。

三、控制程序

由于西门子S7-200PLC没有现成的模拟量数据处理函数，所以需要将模拟量模块检测到的原始数据进行数学转换。其过程如图3所示。

图3 PLC程序结构图

因为西门子S7-200PLC的模拟量模块EM231默认读取的模拟量信号为0-20mA在CPU内部转换数据对应为0-32000。本系统中，激光测距模块的量程值为0.3-30米,输出信号经由内部馈电装置变送为4-20mA信号。所以，在系统中，首先要切除掉4mA以下的数据，即测量通道的工程值数据(AIW2和AIW4)需要减掉6400.为了程序中计算方便，本系统将激光测距值进一步转换为0-100的数值。对应公式为：X1/100=(AIW2-6400)/(32000-6400);X2/100=(AIW4-6400)/(32000-6400).

程序中VD20，VD36分别对应转换后的激光测距模块采集的起重机左侧距离值和右侧距离值。当VD20中的数值（即起重机大车左侧距离）和VD36（即起重机大车右侧距离）小于等于20（即实际距离 6米）时，触发强制减速信号。当VD20中的数值（即起重机大车左侧距离）和VD36（即起重机大车右侧距离）小于等于10（即实际距离 3米）时，触发大车停止信号。

对于控制系统采用了PLC起重机，只需将上述程序中的换速信号和停止信号直接作用于原控制程序中的大车换速信号输出点和大车停止信号输出点。而对于没有采用PLC控制的起重机，在新增加一套小型PLC控制单元外，对大车的交流接触器进行了更换，换速信号和停止信号输出至交流接触器的继电器辅助接点，从而控制大车的运行动作。

四、总结

该安全距离检测控制系统充分体现了西门子PLC简单可靠，成本低廉的优越性。投入运行后，大大减轻了起重机司机作业时的安全风险，将原来的安全预控措施由人来执行改为电气控制动作。且该项目充分发掘利用了原PLC的剩余处理能力，业主单位仅花费了很少的资金就解决了生产过程中的一大安全隐患。

参考文献：

1.GB/T3811-2008起重机设计规范

2.张青、王晓伟、张瑞军.起重机构造与使用维修手册.化学工业出版社.2011

3.SIMATIC S7-200可编程控制器系统手册.2005