基于CAN總線的移動式港口起重機分布式電氣控制系統

張瑞峰， 高劍釗

(南通潤邦重機有限公司技術中心，江蘇南通226013)

0 引 言

隨著全球船運業的高速發展，港口碼頭集裝箱貨物及散貨吞吐量的不斷攀升，客戶對港口起重裝備的工作效率提出了更高的要求。為此，作為設備大腦的電氣控制系統的穩定可靠性直接影響到設備作業的工作效率，是市場考驗的決定性因素。而近年來港口碼頭使用日益頻繁的移動式港口起重機因其結構的特殊性，操作功能的復雜性，對電氣元件控制精度要求之高，尤其是總線設備站點之間的數據傳輸，不能在設備作業過程中，因總線故障而造成停機檢查。對比現階段港口起重領域常用的PROFIBUSDP 或Ethernet 現場總線，CAN 總線在數據通信方面更具有突出的可靠性、實時性及靈活性[1-2],其優越性主要體現在以下幾點：1)CAN 為多主站方式工作，網絡上任一節點均可在任一時刻主動地向網絡上其他節點發送信息，而不分主從；2)CAN 節點在錯誤嚴重的情況下可自動關閉輸出功能，以使總線上其他節點的操作不受影響；3)CAN 總線報文采用短幀結構，傳輸時間短，受干擾概率低，保證了數據出錯率極低；4)CAN 總線只需通過報文濾波即可實現點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接受數據，無需專門“調度”[2]。由此可見，采用CAN 總線的電氣元件設備進行MHC 的電控系統設計，硬件上確保實現整機各機構功能的分布式控制，有效地提升了整機工作的高效性。

1 設備概述

設備整體結構如圖1 所示，主要組成部分為底盤行走機構、轉臺、機器房、塔筒及臂架。MHC 是近年來廣泛應用于港口碼頭的一種多功能港口機械，主要用于集裝箱、散件貨物及各類散料的裝卸作業，憑借其靈活和多功能特點，逐漸成為了未來港口碼頭的主流產品。其顯著特點[3]表現如下：1)臂架根部鉸點位置高，有效工作幅度大，起升高度大，更便于起重機靠近船舶或堆場的貨垛，作業空間范圍大；2)采用起升鋼絲繩補償裝置，確保臂架在起落過程中吊載貨物保持水平移動。另外，變幅滑輪組裝置安裝在塔身頂部，改善了臂架受力狀況，降低了變幅機構所需功率；3)主要動力電源采用柴油發動機帶動發電機形式，同時配備有岸電電源插頭，保證設備在港口碼頭進行長時間連續裝卸作業時，若發電機出現故障，可外接至碼頭配電箱，實現全電力驅動；4)整機電氣設備全部采用的是直流24 V 供電，由機上4 節直流12 V 蓄電池組串接后提供，采用液壓系統驅動方式，具有起升、俯仰、回轉、行走及轉向等功能，下車行走共有16 個車輪組（根據實際載重調整），可以靈活自如地在碼頭移動，而不受碼頭供電電源的影響。

圖1 整機結構總圖

2 控制器介紹

MHC 設備因其高效的作業性能，起升最高速度可達120 m/min，為了對系統功能的精確控制，其各機構配套采用的馬達、液壓泵站等所用的控制比例電磁閥眾多。為此，為便于各機構功能動作的分布獨立控制，自帶多個CAN 總線通信接口及PWM/CC 輸出管腳的工程車輛用控制器成為首選核心元器件。本設備電控系統的核心元件采用的是市場上應用成熟的芬蘭EPEC5050 控制器系列，其自帶一個Ethernet 網口、4 組CAN2.0B 通信管腳及65 個I/O 管腳，可以通過以太網接口將電氣房、司機室及下車底盤控制器連接成一個小型局域網，調試人員只需一根網線即可實現隨時隨地下載或監控整機程序。另外，4 組CAN 通信口參數配置相互獨立，可以任意連接CAN通信電氣設備，不分主次，通信節點相互獨立。

其主要性能參數如下：強大的運算能力，支持浮點數運算；雙色LED 快速檢測狀態和錯誤；PWM 輸出具有高側電流反饋（不需要反饋針腳）；一個CAN 配備了2 只引腳，更易于連接電纜，線束無須分線連接。

3 系統硬件配置組態

硬件網絡拓撲圖如圖2 所示，由硬件總線拓撲圖中可以看出，系統硬件所用電氣設備全部支持CAN 總線通信，按照不同機構所實現的功能及安裝位置，整機設備配備7個控制器，分別為起升力矩控制器、變幅回轉控制器、集裝箱吊具控制器、司機室操作控制器、底盤行走控制器及左右轉向控制器，7 個控制器之間互有關聯而又相互獨立，每個控制器的CAN1 口作為設備網絡銜接的通信口，同時采用并聯式拓撲結構形式分別聯接在一條總線上，總線上的每個設備都分配了相應的節點地址和PDO 映射地址。每個機構對應的DI/DO/PWM 控制參數全部在各自控制器中進行邏輯編程設計，整機各個機構功能采用分布式控制，確保當某一個總線控制器節點丟失、通信中斷而不會導致整機網絡通信故障，其他機構可以正常工作。

圖2 系統硬件總線拓撲圖

控制器硬件配置組態界面如圖3 所示，通過MultiTool軟件首先添加各機構所用控制器，選擇對應控制器的型號版本后，然后雙擊要配置機構的控制器可快速進入對總線節點地址、映射地址及I/O 管腳參數的設定。從配置界面可以清楚地看到，每個控制器管腳參數都是獨立設定的，這樣的配置形式為整機的分布式控制提供了強有力的硬件支持。

圖3 硬件組態界面

4 系統軟件設計

4.1 軟件簡介

整機功能動作主要有起升、回轉、俯仰、行走、轉向及支腿伸縮等6 個動作，支腿伸縮使用開關量控制，起升、回轉、俯仰、行走、轉向需要實現無級變速，從而保證各個機構動作的微動性。

該軟件是在Windows下采用Codesys 軟件開發的，采用的是PLC 語言（本系統使用了LDFBDSTCFC），主要用于整機運行(發動機監測、起升、回轉、變幅、行走、轉向、支腿伸縮)過程中的實時控制、切換與監測，通過7 個PLC (可編程控制器)建立網絡拓撲結構，使用CAN 總線實現各個PLC 之間的通信，方便數據交換，增強了抗干擾能力，有效降低整機故障點。在軟件中應用模塊化設計，實現整機各機構分布動作控制。對于各個機構動作的壓力數據、運行數據進行實時監測，確保設備的安全性、穩定性與可靠性。操作系統為Windows7 及以上。軟件配置：安裝Codesys 2.3。硬件配置要求：PC 機CPU 為2.0 GHz 以上，內存為2 GB 以上，硬盤為320 GB 以上，10/100 M 網卡；PLC 處理器32-Bit CPU，128 MHz；內存為8 MB ；電壓為DC8.3～36.0 V。數據線：超5 類網線、Peak_USB。

圖4 PLC系統集成圖

4.2 軟件編程

如圖4、圖5 所示，所有總線元器件通過CAN 總線分別與7 個PLC 進行通信，按照元件總線報文對總線元件在PLC 中進行數據解析使用，同時每個PLC 通過DI 輸入端口、AI 模擬量端口采集整機控制系統的開關量信號、壓力、溫度等數據，經過PLC 邏輯判斷后通過DO 模塊、PWM/CC 模塊輸出至比例泵閥、馬達閥、油缸等執行機構；7 個PLC 之間通過CAN1 總線端口連接通信，方便各個PLC 之間數據的傳遞與共享，以實現對整機控制系統的分布式控制。PLC 負責整機控制邏輯及運行狀態信息的采集，PC 機負責監控信息的采集、顯示、測試指令的發送，網線負責橋接PLC 與PC 機,實現對程序上/下載及實時監控。系統軟件編程結構主要包括管理模塊、數據處理模塊、邏輯控制模塊、數據顯示模塊，管理模塊由設計帳戶、調試帳戶、客服帳戶等3 部分組成；數據處理模塊由數據采集及數據解析等2 部分組成；邏輯控制模塊根據整機各機構動作要求，由數據標定、開關量控制、模擬量控制、機構參數設置等4部分組成；數據顯示模塊由整機運行狀況顯示、發動機數據顯示、下車底盤數據顯示、故障信息反饋及維護信息顯示等組成。

圖5 編程結構框圖

4.3 功能塊編輯

功能塊按照設計功能編輯成內部數據變量輸入輸出的形式，當調用此功能塊時只需鏈接至相應變量即可。輸入變量統一以i_var 格式命名，輸出變量統一以o_var格式命名，中間變量統一以m_var 格式命名；功能塊調用如圖6 所示，可以直接鏈接變量即可。

圖6 功能塊調用

5 結 論

通過一次次的項目磨合，不斷地優化移動式港口起重機機型配置、調整修正編程邏輯參數，讓客戶最終獲得更加優化的產品應用體驗。經過客戶現場實際使用效果反饋，基于CAN 總線的電控系統在移動式港口起重機上應用，總線的分布式數據傳輸優勢提升了控制系統的可控性、連續性。該控制系統配置簡單、可靠穩定、通用性強，有效地提升了整機的作業使用性能，保證了碼頭連續不間斷的作業，為后續的產業化推廣奠定了堅實的基礎，具有廣闊的市場前景。