浮式起重机智能维护系统的设计

摘 要：浮式起重机是海洋起重铺管船的重要设备，具有现场工作环境复杂、监控维护难度大等特点。本文结合Profibus现场总线技术的优点，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。

关键词：浮式起重机 智能维护系统 现场总线 规划

一、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、大起重吨位和高度的方向发展。为了适应浮式起重机现场复杂的工作环境，增强设备的安全性及人性化，使设备能够更好的满足运行需求，让操作员和维护人员轻松高效的工作，开展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，并通过分析过去的数据实现预测、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。

二、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性等操作。

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。

三、浮式起重机智能维护系统的设计

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的方式，传输4-20mA/24VDC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。

根据以上问题的提出，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，为做到自控系统具有高性能、高安全性，本系统采用基于Profibus总线的系统结构。为了使系统网络构架合理、简单、具有扩展性等，设计的拓扑图如图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S7-400H冗余系列PLC，下挂Profibus-DP网，并通过从站ET200M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.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的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。

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，可以通过一个开关手动地或者通过数字输出依靠CPU自动转换来实现转换。

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。

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。

PLC设备的连接通过CPU 414H-2DP模块的MPI接口连接，组成网络实现数据共享。主要完成同一个控制点控制不同PLC设备输出给现场设备的作用。PLC设备与变频器的网络连接是通过414H-2DP模块所带的PROFIBUS DP接口与变频器适配器RS485接口相连接，组成各自的网络进行数据交换，实现网络控制。主要实现吊机变频器根据一定的数学模型进行控制字与状态字的读写功能。

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，为了快速准确的把握系统状态，在任何情况下都能够通过智能维护系统简便快捷的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。

五、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（如图3）能实现了机、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，根据起重机整机及各零部件的实际运行曲线与维护保养要求，及时提醒检修人员对设备进行运行维护；再次可以提高管理水平，实现设备数据共享，各整机设备信息与工厂管理系统通过有线或无线网络系统实现数据共享，提高综合调度能力与管理水平。

参考文献

[1] 西门子.SIMATIC STEP7 V5.4编程使用手册.北京：西门子公司出版，2006.

[2] 西门子. SIMATIC Factory Automation产品样本. 北京：西门子（中国）有限公司出版，2009.

[3] 吴麒，自动控制原理与系统. 北京：国防工业出版社，1979.

项目：国家科技重大专项“深水铺管起重船及配套工程技术”（2011ZX05027-002）