空箱堆高機(jī)電控系統(tǒng)PLC改造設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳曉琴，卜素新

（1. 江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京 211170；2. 西門子（中國）有限公司 江蘇分公司，南京 210008）

0 引言

目前，我國集裝箱碼頭普遍使用集裝箱空箱堆高機(jī)（以下簡稱堆高機(jī)）對堆場內(nèi)的空集裝箱進(jìn)行碼垛，這些機(jī)械有著機(jī)動靈活，操作方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。由于長期高強(qiáng)度運(yùn)轉(zhuǎn)，隨著使用年限的不斷增加，這些機(jī)械設(shè)備原有控制線路逐漸老化，故障率居高不下，原控制方式漸顯落后；同時(shí)，近年來集裝箱碼頭對碼頭機(jī)械普遍實(shí)施了先進(jìn)的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理和位置決策系統(tǒng)，岸橋、輪胎吊都已經(jīng)并入該系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控范圍。由于堆高機(jī)原控制系統(tǒng)均為工廠標(biāo)配的繼電器控制方式，這些控制系統(tǒng)不可編程，更沒有專用監(jiān)控接口，無法滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控管理等系統(tǒng)的實(shí)施要求，致使堆高機(jī)至今仍游離于遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)之外。為了減損增效，降低維護(hù)成本，碼頭逐漸提出了對這些堆高機(jī)實(shí)施電控系統(tǒng)PLC改造，進(jìn)而實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控管理和位置決策系統(tǒng)的要求。本文基于這樣的實(shí)際需求提出了一個(gè)可行性的設(shè)計(jì)方案，并在某碼頭上進(jìn)行了具體運(yùn)用，改造后運(yùn)行效果良好，以期得到更廣泛的應(yīng)用。

1 改造設(shè)計(jì)要求

由于空箱堆場異常繁忙，堆高機(jī)需長時(shí)間高強(qiáng)度作業(yè)，工作時(shí)機(jī)械機(jī)構(gòu)震動大，干擾強(qiáng)，在露天環(huán)境下，經(jīng)常會遇到雨淋日曬，結(jié)合系統(tǒng)現(xiàn)有的性能和優(yōu)點(diǎn)外，提出如下三點(diǎn)技術(shù)要求。

1.1 新系統(tǒng)須采用一體化或模塊化設(shè)計(jì)，便于將來系統(tǒng)擴(kuò)展和維護(hù)

新系統(tǒng)須支持先進(jìn)的現(xiàn)場總線通訊方式和遠(yuǎn)程通訊方式，如Profibus、工業(yè)以太網(wǎng)等；所有硬件均須具有高可靠性、高安全性，滿足現(xiàn)場操作的環(huán)境要求，如震動、雨淋、高溫等，改造后整機(jī)平均無故障運(yùn)行時(shí)間不高于原機(jī)，室外安裝模塊和箱體必須考慮上述環(huán)境因素，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和安裝時(shí)采取必要防護(hù)措施；由于堆高機(jī)依靠液壓工作，作業(yè)時(shí)油污染嚴(yán)重，新系統(tǒng)所有線路電纜必須耐油，同時(shí)，線路布置和走向必須考慮發(fā)動機(jī)等高熱機(jī)件，線路走向須采取避讓或直接采用耐高溫電纜。

1.2 新系統(tǒng)須考慮本地監(jiān)控

為滿足監(jiān)控和調(diào)度需要，改造后的系統(tǒng)須增加本地監(jiān)控系統(tǒng)(LCMS)，監(jiān)控系統(tǒng)必須運(yùn)行在工業(yè)等級計(jì)算機(jī)之上，可以監(jiān)控所有PLC I/O實(shí)時(shí)狀態(tài)、設(shè)備操作狀態(tài)、實(shí)時(shí)故障狀態(tài)，完成實(shí)時(shí)和歷史趨勢曲線顯示、實(shí)時(shí)和歷史故障統(tǒng)計(jì)分析、歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等主要功能，本地監(jiān)控系統(tǒng)須采用模塊化設(shè)計(jì)，利于用戶將來的擴(kuò)展；為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，改造后的堆高機(jī)須增加工業(yè)等級無線接入點(diǎn)(AP)，該無線接入點(diǎn)必須兼容IEEE802.11b/g工作模式，以利用碼頭現(xiàn)有基站實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)。

1.3 新系統(tǒng)須與遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)和位置決策系統(tǒng)并網(wǎng)

在中心監(jiān)控室部署堆高機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)（RCMS），實(shí)現(xiàn)對所有已改造堆高機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)除了完成每臺堆高機(jī)本地監(jiān)控系統(tǒng)所有功能外，須能對全部堆高機(jī)的橫向管理和移動監(jiān)控能力，最終實(shí)現(xiàn)與碼頭設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)和位置決策系統(tǒng)并網(wǎng)。

2 方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)改造技術(shù)要求和堆高機(jī)工作實(shí)際情況，整個(gè)設(shè)計(jì)方案劃分為五個(gè)子系統(tǒng)，即PLC控制子系統(tǒng)、本地監(jiān)控子系統(tǒng)、無線通訊子系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖 1所示。

圖 1 系統(tǒng)框圖

2.1 PLC控制子系統(tǒng)

PLC控制子系統(tǒng)是整個(gè)改造的核心控制部分，經(jīng)過比較和論證，本方案選用成熟穩(wěn)定的GE Fanuc 9030 PLC為控制器，加掛遠(yuǎn)程I/O，站間通訊采用Profibus工業(yè)總線。為提高控制精度和整機(jī)性能，控制子系統(tǒng)將引入高精度模擬量輸入模塊、高速脈沖計(jì)數(shù)模塊以及以太網(wǎng)通訊模塊。由于堆高機(jī)提供的工作電源為24VDC，PLC各模塊工作電壓均選擇24VDC級。為保護(hù)模塊和控制回路，所有PLC I/O模塊均為隔離型，具有外線路短路自保護(hù)功能。

整個(gè)控制子系統(tǒng)由主站、擴(kuò)展站和排架站組成，每站獨(dú)立成箱。擴(kuò)展站和主站分別安裝于司機(jī)室司機(jī)座椅左右兩側(cè)，形成司機(jī)室左右控制左箱，兩箱間通過機(jī)架擴(kuò)展電纜連接。左箱和右箱尺寸緊湊，安裝在司機(jī)室內(nèi)不影響司機(jī)進(jìn)出和操作。為方便維修，左箱和右箱均設(shè)計(jì)成向外開門式，并將主要控制器件安裝在箱門內(nèi)側(cè)。原司機(jī)室左側(cè)裝有一把小座椅，用戶要求保留此座椅，新控制箱安裝后，小座椅將用支架支起，架設(shè)在新控制箱上，高度保持與原來相同水平。

改造后的系統(tǒng)要求可以精確測量并顯示排架起升高度，同時(shí)對起升油缸行程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，為油缸定期維護(hù)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。但堆高機(jī)原控制系統(tǒng)沒有排架起升高度測量傳感器，為此，方案中為PLC控制子系統(tǒng)引入了無直接接觸的室外超聲波式傳感器，該超聲波傳感器具有反應(yīng)靈敏、精度高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)安裝簡單，調(diào)教方便，非常適合堆高機(jī)使用。

由于吊具控制信號較多，且與司機(jī)室主站間距離較遠(yuǎn)，因此單獨(dú)設(shè)置了排架站和排架控制箱。排架控制箱采用不銹鋼外殼，控制箱整體亦經(jīng)過防水防塵和防震特別設(shè)計(jì)，以適應(yīng)室外工作環(huán)境和現(xiàn)場工作需要。排架控制箱安裝于排架左側(cè)，可以隨排架一同升降。控制箱內(nèi)安裝遠(yuǎn)程I/O、Profibus分站專用通訊模塊，配以24VDC電源模塊和數(shù)字量輸入模塊和數(shù)字量輸出模塊。由于排架有大量的伸縮、傾轉(zhuǎn)等動作，排架控制箱與主站間的Profibus通訊電纜選用了進(jìn)口高柔性總線電纜。

2.2 本地監(jiān)控子系統(tǒng)（LCMS）

為堆高機(jī)提供強(qiáng)大的本地監(jiān)控子系統(tǒng)是本改造設(shè)計(jì)方案的重點(diǎn)內(nèi)容之一，本設(shè)計(jì)對本地監(jiān)控子系統(tǒng)進(jìn)行了完善的設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)下面五個(gè)方面的功能：

2.2.1 設(shè)備實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)控

該功能根據(jù)實(shí)時(shí)采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，以動畫形式模擬被監(jiān)控設(shè)備和機(jī)構(gòu)的工作狀況，如整機(jī)動作狀態(tài)、排架工作狀態(tài)、發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)、檔位狀態(tài)、以及其他設(shè)備工作狀態(tài)等。通過實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)控，用戶可以快速了解到堆高機(jī)的總體工作情況，各機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)以及主要參數(shù)的實(shí)時(shí)變化等。各畫面提供了足夠詳細(xì)的信息鏈接，使用戶通過信息鏈接可以方便明確的對堆高機(jī)進(jìn)行全面監(jiān)控。

2.2.2 故障監(jiān)控

作為本地監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能，本地監(jiān)控子系統(tǒng)為故障診斷和故障排除提供了強(qiáng)大而靈活的支持，通過將當(dāng)前故障和歷史故障有效組織，方便了用戶查詢和分析；通過故障的鏈接功能，用戶可以方便靈活的查看諸如故障描述信息、相關(guān)聯(lián)的設(shè)備或器件以及可能的原因等，某些緊急故障提供原理圖和PLC梯形邏輯鏈接信息。

2.2.3 在線編程

本地監(jiān)控系統(tǒng)部署了在線編程功能，維修人員可以運(yùn)行本地監(jiān)控的同時(shí)，打開PLC的編程軟件，在權(quán)限許可范圍內(nèi)，進(jìn)行在線監(jiān)視、強(qiáng)制、在線編輯和程序上傳下載等操作。

2.2.4 歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

通過歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能，用戶可以查看故障歷史、操作歷史、工作計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)，這些數(shù)據(jù)可以按時(shí)、日、周、月、年等時(shí)間間隔查詢，形成報(bào)表。

2.2.5 倒車攝像

本地監(jiān)控子系統(tǒng)融入了倒車攝像畫面，為方便司機(jī)操作，本地監(jiān)控子系統(tǒng)增加了對倒車畫面的水平鏡像翻轉(zhuǎn)、亮度調(diào)整、對比度調(diào)整、色彩調(diào)整等功能。

2.3 無線通訊子系統(tǒng)

無線通訊子系統(tǒng)為本地與遠(yuǎn)程間通訊建立了物理橋梁。碼頭現(xiàn)有專為生產(chǎn)、調(diào)度部署的IEEE802.11b模式無線網(wǎng)絡(luò)，為與該網(wǎng)絡(luò)兼容，新加裝的AP必須支持IEEE802.11b工作模式。兼容碼頭現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)關(guān)鍵問題是信號漫游問題。碼頭無線網(wǎng)絡(luò)由不同品牌的基站組成，由于移動性，堆高機(jī)可能會經(jīng)常在幾個(gè)基站間穿梭，這就要求堆高機(jī)的無線AP必須能解決該問題。

經(jīng)過對不同型號產(chǎn)品的測試，本方案選擇基于IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)的電信級室外無線AP。該AP采用全天候防水、防塵全密封設(shè)計(jì)，擁有超強(qiáng)的免維護(hù)性，具有多級安全保護(hù)，分離式天線和以太網(wǎng)供電能力，可提供11M帶寬。

該AP的漫游支持和重新關(guān)聯(lián)技術(shù)，能解決漫游以及信號聯(lián)接問題。當(dāng)堆高機(jī)在幾個(gè)基站間穿梭時(shí)，無線信號隨著堆高機(jī)遠(yuǎn)離先前基站而減弱，或者先前基站可能因?yàn)榱髁刻呋蚋蓴_太大而變得擁堵，如果當(dāng)前基站信號強(qiáng)度低于某個(gè)數(shù)值，出錯(cuò)率太高，AP將掃描其他可用基站，如果能找到信號更強(qiáng)或出錯(cuò)率更低的基站，AP將自動切換到該基站的通道，然后開始協(xié)商端口的使用，這一切都在很短的時(shí)間內(nèi)完成。通過基站切換，基站間能夠?qū)⒇?fù)載互相平衡，從而提高其他無線客戶端的性能。通過設(shè)置無線AP，可以實(shí)現(xiàn)堆高機(jī)在整個(gè)堆場范圍內(nèi)穿梭作業(yè)，而無線信號始終保持高質(zhì)量聯(lián)接。

2.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)

將堆高機(jī)納入港口現(xiàn)有的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對堆高機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和位置決策，是堆高機(jī)電控系統(tǒng)PLC改造的重要要求，也是現(xiàn)代港口管理的趨勢。遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)是本地監(jiān)控系統(tǒng)和現(xiàn)場設(shè)備的中心站，遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成將來可能同時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)十甚至上百臺堆高機(jī)，因此，遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)分別部署在兩臺高性能服務(wù)器上，采用冗余熱備方式，為用戶提供更穩(wěn)定的系統(tǒng)架構(gòu)、足夠的數(shù)據(jù)庫容量和足夠的網(wǎng)絡(luò)訪問能力。

遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)除具有本地監(jiān)控子系統(tǒng)的所有功能外，更具備功能強(qiáng)大和完善的歷史數(shù)據(jù)庫，該歷史數(shù)據(jù)庫能記錄的數(shù)據(jù)包括：每臺堆高機(jī)整機(jī)工作時(shí)間累計(jì)，各機(jī)構(gòu)的工作時(shí)間累計(jì)，集裝箱操作記錄，設(shè)備和器件的工作次數(shù)、工作時(shí)間統(tǒng)計(jì)，故障歷史，歷史趨勢等重要信息。歷史數(shù)據(jù)庫還提供了必要的數(shù)據(jù)庫自動管理功能，如，數(shù)據(jù)定期自動備份，過期歷史紀(jì)錄自動刪除等功能。

3 方案實(shí)施效果

本設(shè)計(jì)方案既完全滿足堆高機(jī)改造前提出的改造要求，在擁有了全新的控制方式后，亦具備了大量的先進(jìn)特性，主要特性體現(xiàn)如下：

3.1 控制更精確，操縱更平穩(wěn)

由于采用了先進(jìn)的PLC控制方式，控制較原機(jī)更精確，維護(hù)更方便，為將來系統(tǒng)擴(kuò)展打下了基礎(chǔ)。加強(qiáng)了的水溫、機(jī)油油溫、機(jī)油壓力、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、傳動軸轉(zhuǎn)速、排架高度等數(shù)據(jù)顯示和存儲功能，使司機(jī)可以更清楚的了解整機(jī)的當(dāng)前工況；改進(jìn)的自動檔駕駛功能使行車更平穩(wěn)，節(jié)能更突出；參數(shù)可調(diào)的能力使每臺堆高機(jī)都有與本身特性相匹配的參數(shù)，整機(jī)性能得以大幅提升。

3.2 操作更安全，運(yùn)行更穩(wěn)定

系統(tǒng)各類保護(hù)和聯(lián)鎖功能得到加強(qiáng)，確保設(shè)備安全和運(yùn)行穩(wěn)定。改造后控制系統(tǒng)的各類聯(lián)鎖、保護(hù)功能得到了完善，如發(fā)動機(jī)的啟動保護(hù)、啟動時(shí)間間隔保護(hù)、發(fā)動機(jī)怠速保護(hù)、水位保護(hù)、機(jī)油油溫保護(hù)、機(jī)油壓力保護(hù)等；變速箱的行走超速保護(hù)、倒車保護(hù)、掛檔保護(hù)、換檔保護(hù)、剎車系統(tǒng)壓力保護(hù)、波箱壓力保護(hù)等；排架的開閉鎖保護(hù)、開閉鎖信號保護(hù)、著箱信號保護(hù)、20尺40尺信號保護(hù)、起降保護(hù)、側(cè)移及伸縮保護(hù)、起升的超重保護(hù)等。這些聯(lián)鎖、 保護(hù)功能有效防止了司機(jī)由于誤操作給設(shè)備造成的損耗，降低了故障率，提高了操作的安全性和運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3.3 操控和維護(hù)更靈活

為提高緊急情況下的操控和維護(hù)靈活性，新系統(tǒng)增加了旁路功能，如著陸允許旁路、起升允許旁路、下降允許旁路、接近開關(guān)常通旋鎖允許旁路等，旁路功能設(shè)置在本地子監(jiān)控畫面上，只允許有特殊權(quán)限的用戶操作。

3.4 監(jiān)控維護(hù)得到質(zhì)的提升

實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的報(bào)警功能，狀態(tài)監(jiān)視功能，新增的鎖箱計(jì)數(shù)、排架運(yùn)動行程計(jì)數(shù)、總重量計(jì)數(shù)等統(tǒng)計(jì)功能，使堆高機(jī)的綜合管理水平上了一個(gè)新臺階。強(qiáng)大的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，使工程師對堆高機(jī)實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控成為可能，先進(jìn)的故障處理能力，使故障排除更容易，維護(hù)計(jì)劃更具針對性。本地和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的引入，大大提高了堆高機(jī)管理效率，維護(hù)成本卻顯著降低。

4 結(jié)論

集裝箱碼頭使用集裝箱空箱堆高機(jī)對堆場內(nèi)的空集裝箱進(jìn)行碼垛，隨著使用年限的增加，原有線路逐漸老化，故障率居高不下；同時(shí)，由于碼頭對堆場機(jī)械普遍實(shí)施先進(jìn)的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理和位置決策系統(tǒng)，但現(xiàn)有堆高機(jī)原控制系統(tǒng)無法滿足實(shí)施要求，需進(jìn)行電控系統(tǒng)PLC改造。本文以集裝箱空箱堆高機(jī)電控系統(tǒng)PLC改造為例，給出了改造方案，介紹了該類型機(jī)械的電氣改造情況。改造后達(dá)到了預(yù)期目的，堆高機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控和位置決策得以進(jìn)一步實(shí)施，這對碼頭設(shè)備實(shí)現(xiàn)更高級的管理具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

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