空箱堆高機電控系統PLC改造設計與實現

陳曉琴，卜素新

（1. 江蘇海事職業技術學院，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（以下簡稱堆高機）對堆場內的空集裝箱進行碼垛，這些機械有著機動靈活，操作方便等諸多優點。由于長期高強度運轉，隨著使用年限的不斷增加，這些機械設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，近年來集裝箱碼頭對碼頭機械普遍實施了先進的遠程監控管理和位置決策系統，岸橋、輪胎吊都已經并入該系統的遠程監控范圍。由于堆高機原控制系統均為工廠標配的繼電器控制方式，這些控制系統不可編程，更沒有專用監控接口，無法滿足遠程監控管理等系統的實施要求，致使堆高機至今仍游離于遠程監控管理系統之外。為了減損增效，降低維護成本，碼頭逐漸提出了對這些堆高機實施電控系統PLC改造，進而實施遠程監控管理和位置決策系統的要求。本文基于這樣的實際需求提出了一個可行性的設計方案，并在某碼頭上進行了具體運用，改造后運行效果良好，以期得到更廣泛的應用。

1 改造設計要求

由于空箱堆場異常繁忙，堆高機需長時間高強度作業，工作時機械機構震動大，干擾強，在露天環境下，經常會遇到雨淋日曬，結合系統現有的性能和優點外，提出如下三點技術要求。

1.1 新系統須采用一體化或模塊化設計，便于將來系統擴展和維護

新系統須支持先進的現場總線通訊方式和遠程通訊方式，如Profibus、工業以太網等；所有硬件均須具有高可靠性、高安全性，滿足現場操作的環境要求，如震動、雨淋、高溫等，改造后整機平均無故障運行時間不高于原機，室外安裝模塊和箱體必須考慮上述環境因素，在系統設計和安裝時采取必要防護措施；由于堆高機依靠液壓工作，作業時油污染嚴重，新系統所有線路電纜必須耐油，同時，線路布置和走向必須考慮發動機等高熱機件，線路走向須采取避讓或直接采用耐高溫電纜。

1.2 新系統須考慮本地監控

為滿足監控和調度需要，改造后的系統須增加本地監控系統(LCMS)，監控系統必須運行在工業等級計算機之上，可以監控所有PLC I/O實時狀態、設備操作狀態、實時故障狀態，完成實時和歷史趨勢曲線顯示、實時和歷史故障統計分析、歷史數據統計等主要功能，本地監控系統須采用模塊化設計，利于用戶將來的擴展；為了實現遠程數據傳輸，改造后的堆高機須增加工業等級無線接入點(AP)，該無線接入點必須兼容IEEE802.11b/g工作模式，以利用碼頭現有基站實現組網。

1.3 新系統須與遠程監控管理系統和位置決策系統并網

在中心監控室部署堆高機遠程監控系統（RCMS），實現對所有已改造堆高機的遠程監控，遠程監控系統除了完成每臺堆高機本地監控系統所有功能外，須能對全部堆高機的橫向管理和移動監控能力，最終實現與碼頭設備遠程監控管理系統和位置決策系統并網。

2 方案設計與實現

根據改造技術要求和堆高機工作實際情況，整個設計方案劃分為五個子系統，即PLC控制子系統、本地監控子系統、無線通訊子系統和遠程監控子系統，系統框圖如圖 1所示。

圖 1 系統框圖

2.1 PLC控制子系統

PLC控制子系統是整個改造的核心控制部分，經過比較和論證，本方案選用成熟穩定的GE Fanuc 9030 PLC為控制器，加掛遠程I/O，站間通訊采用Profibus工業總線。為提高控制精度和整機性能，控制子系統將引入高精度模擬量輸入模塊、高速脈沖計數模塊以及以太網通訊模塊。由于堆高機提供的工作電源為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功能。

整個控制子系統由主站、擴展站和排架站組成，每站獨立成箱。擴展站和主站分別安裝于司機室司機座椅左右兩側，形成司機室左右控制左箱，兩箱間通過機架擴展電纜連接。左箱和右箱尺寸緊湊，安裝在司機室內不影響司機進出和操作。為方便維修，左箱和右箱均設計成向外開門式，并將主要控制器件安裝在箱門內側。原司機室左側裝有一把小座椅，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，架設在新控制箱上，高度保持與原來相同水平。

改造后的系統要求可以精確測量并顯示排架起升高度，同時對起升油缸行程進行統計，為油缸定期維護提供數據依據。但堆高機原控制系統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靈敏、精度高、壽命長等優點，同時安裝簡單，調教方便，非常適合堆高機使用。

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

2.2 本地監控子系統（LCMS）

為堆高機提供強大的本地監控子系統是本改造設計方案的重點內容之一，本設計對本地監控子系統進行了完善的設計，主要實現下面五個方面的功能：

2.2.1 設備實時動態監控

該功能根據實時采集到的現場數據，以動畫形式模擬被監控設備和機構的工作狀況，如整機動作狀態、排架工作狀態、發動機工作狀態、檔位狀態、以及其他設備工作狀態等。通過實時動態監控，用戶可以快速了解到堆高機的總體工作情況，各機構工作狀態以及主要參數的實時變化等。各畫面提供了足夠詳細的信息鏈接，使用戶通過信息鏈接可以方便明確的對堆高機進行全面監控。

2.2.2 故障監控

作為本地監控系統的主要功能，本地監控子系統為故障診斷和故障排除提供了強大而靈活的支持，通過將當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、相關聯的設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

本地監控系統部署了在線編程功能，維修人員可以運行本地監控的同時，打開PLC的編程軟件，在權限許可范圍內，進行在線監視、強制、在線編輯和程序上傳下載等操作。

2.2.4 歷史數據統計

通過歷史數據統計功能，用戶可以查看故障歷史、操作歷史、工作計時計數統計，這些數據可以按時、日、周、月、年等時間間隔查詢，形成報表。

2.2.5 倒車攝像

本地監控子系統融入了倒車攝像畫面，為方便司機操作，本地監控子系統增加了對倒車畫面的水平鏡像翻轉、亮度調整、對比度調整、色彩調整等功能。

2.3 無線通訊子系統

無線通訊子系統為本地與遠程間通訊建立了物理橋梁。碼頭現有專為生產、調度部署的IEEE802.11b模式無線網絡，為與該網絡兼容，新加裝的AP必須支持IEEE802.11b工作模式。兼容碼頭現有無線網絡的一個關鍵問題是信號漫游問題。碼頭無線網絡由不同品牌的基站組成，由于移動性，堆高機可能會經常在幾個基站間穿梭，這就要求堆高機的無線AP必須能解決該問題。

經過對不同型號產品的測試，本方案選擇基于IEEE802.11b標準的電信級室外無線AP。該AP采用全天候防水、防塵全密封設計，擁有超強的免維護性，具有多級安全保護，分離式天線和以太網供電能力，可提供11M帶寬。

該AP的漫游支持和重新關聯技術，能解決漫游以及信號聯接問題。當堆高機在幾個基站間穿梭時，無線信號隨著堆高機遠離先前基站而減弱，或者先前基站可能因為流量太高或干擾太大而變得擁堵，如果當前基站信號強度低于某個數值，出錯率太高，AP將掃描其他可用基站，如果能找到信號更強或出錯率更低的基站，AP將自動切換到該基站的通道，然后開始協商端口的使用，這一切都在很短的時間內完成。通過基站切換，基站間能夠將負載互相平衡，從而提高其他無線客戶端的性能。通過設置無線AP，可以實現堆高機在整個堆場范圍內穿梭作業，而無線信號始終保持高質量聯接。

2.4 遠程監控子系統

將堆高機納入港口現有的遠程控制系統，實現對堆高機的遠程監控和位置決策，是堆高機電控系統PLC改造的重要要求，也是現代港口管理的趨勢。遠程監控子系統是本地監控系統和現場設備的中心站，遠程監控子系統被設計成將來可能同時監控數十甚至上百臺堆高機，因此，遠程監控子系統分別部署在兩臺高性能服務器上，采用冗余熱備方式，為用戶提供更穩定的系統架構、足夠的數據庫容量和足夠的網絡訪問能力。

遠程監控子系統除具有本地監控子系統的所有功能外，更具備功能強大和完善的歷史數據庫，該歷史數據庫能記錄的數據包括：每臺堆高機整機工作時間累計，各機構的工作時間累計，集裝箱操作記錄，設備和器件的工作次數、工作時間統計，故障歷史，歷史趨勢等重要信息。歷史數據庫還提供了必要的數據庫自動管理功能，如，數據定期自動備份，過期歷史紀錄自動刪除等功能。

3 方案實施效果

本設計方案既完全滿足堆高機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特性，主要特性體現如下：

3.1 控制更精確，操縱更平穩

由于采用了先進的PLC控制方式，控制較原機更精確，維護更方便，為將來系統擴展打下了基礎。加強了的水溫、機油油溫、機油壓力、發動機轉速、傳動軸轉速、排架高度等數據顯示和存儲功能，使司機可以更清楚的了解整機的當前工況；改進的自動檔駕駛功能使行車更平穩，節能更突出；參數可調的能力使每臺堆高機都有與本身特性相匹配的參數，整機性能得以大幅提升。

3.2 操作更安全，運行更穩定

系統各類保護和聯鎖功能得到加強，確保設備安全和運行穩定。改造后控制系統的各類聯鎖、保護功能得到了完善，如發動機的啟動保護、啟動時間間隔保護、發動機怠速保護、水位保護、機油油溫保護、機油壓力保護等；變速箱的行走超速保護、倒車保護、掛檔保護、換檔保護、剎車系統壓力保護、波箱壓力保護等；排架的開閉鎖保護、開閉鎖信號保護、著箱信號保護、20尺40尺信號保護、起降保護、側移及伸縮保護、起升的超重保護等。這些聯鎖、 保護功能有效防止了司機由于誤操作給設備造成的損耗，降低了故障率，提高了操作的安全性和運行的穩定性。

3.3 操控和維護更靈活

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

3.4 監控維護得到質的提升

實時準確的報警功能，狀態監視功能，新增的鎖箱計數、排架運動行程計數、總重量計數等統計功能，使堆高機的綜合管理水平上了一個新臺階。強大的監控網絡，使工程師對堆高機實施遠程監控成為可能，先進的故障處理能力，使故障排除更容易，維護計劃更具針對性。本地和遠程監控系統的引入，大大提高了堆高機管理效率，維護成本卻顯著降低。

4 結論

集裝箱碼頭使用集裝箱空箱堆高機對堆場內的空集裝箱進行碼垛，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，由于碼頭對堆場機械普遍實施先進的遠程監控管理和位置決策系統，但現有堆高機原控制系統無法滿足實施要求，需進行電控系統PLC改造。本文以集裝箱空箱堆高機電控系統PLC改造為例，給出了改造方案，介紹了該類型機械的電氣改造情況。改造后達到了預期目的，堆高機遠程監控和位置決策得以進一步實施，這對碼頭設備實現更高級的管理具有重要現實意義。

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