基于控制器局域網絡總線的吊具電控系統優化

鐘王森　計延春　伍雋

湛江港國際集裝箱碼頭有限公司現有7臺岸橋，其中3～7號岸橋使用振華重工標準控制器局域網絡（controller area network，CAN）移動式雙箱吊具。與普通伸縮式吊具相比，移動式雙箱吊具的作業效率更高且功能更強大，可同時裝卸2個20英尺集裝箱并可靈活調整箱距，以適應集裝箱堆場、平板拖車和集裝箱船對20英尺集裝箱箱距的要求;此外，移動式雙箱吊具增加中鎖單元，主要具有中鎖平移、掛鉤脫鉤、中鎖上下、開鎖閉鎖等功能。在現場作業中，岸橋移動式雙箱吊具掛鉤脫鉤裝置易發故障。為了對吊具實施維修，維修人員須爬到箱面上，在有限的空間里手動操作電磁閥開鎖，加之碼頭作業環境復雜多變，導致吊具維修工作難度較大，維修人員作業風險較高。鑒于此，湛江港國際集裝箱碼頭有限公司技術部對基于CAN總線的吊具電控系統進行優化，以達到方便維修、保障維修作業安全的目的。

1 基于CAN總線的吊具電控系統優化方案

1.1 外圍機構

1.1.1 液壓站

液壓站安裝于吊具底梁內部，為吊具提供動力，具體參數如下：電動機功率為7.5 kW;采用電壓為380～480 V、頻率為50～60 Hz的三相交流電源;防護等級為IP55。

1.1.2 電磁閥

吊具電磁閥包括單雙箱伸縮電磁閥、開閉鎖電磁閥、中鎖上下電磁閥和導板上下電磁閥等。電磁閥由電氣邏輯控制，執行相應的吊具動作，包括單雙箱伸縮動作、開閉鎖動作等。吊具伸縮動作靠電動機驅動鏈條并帶動2根推桿來實現。吊具執行伸縮動作時，根據位置信號切斷伸縮電磁閥動作，確保伸縮定位準確。

1.1.3 限位開關

吊具鎖銷箱中安裝開閉鎖限位（單出桿形式），中間圓形感應塊安裝于開閉鎖油缸推桿上，隨著開閉鎖動作觸發相應的開閉鎖限位信號，并將開閉鎖狀態實時反饋至吊具主控系統。頂銷位于開閉鎖鎖頭旁，每個鎖頭對應1個頂銷和限位。當吊具著箱后，4個（雙箱對應8個）頂銷限位觸發信號，并將頂銷信號傳至主控系統。只有當4個（雙箱對應8個）頂銷的信號全部反饋成功后，主控系統才允許吊具執行開閉鎖動作。

掛鉤限位安裝在吊具底梁內側，與掛鉤相鄰，其作用是判斷吊具是否到達進雙箱掛鉤的位置。在單箱模式切換為雙箱模式的過程中，掛鉤限位感應反饋定位準確后執行掛鉤動作。掛鉤裝置共有2組，匹配伸縮梁結構，用于連接中部移動架與單箱伸縮梁。在吊具單箱作業狀態下，須確保掛鉤裝置完全抬起。中鎖上限位共有4個，安裝在吊具中鎖箱中，用于感應中鎖機構是否保持在上位置（即單箱位置）。

1.2 CAN總線通信系統

從開放式系統互聯參考模型的角度來看，CAN只定義了物理層和數據鏈接層，而未定義應用層，因此需要高層協議來定義。CAN總線應用層協議是基于CAN的高層通信協議。CANopen是在CAN總線應用層協議基礎上開發的使用CAN總線應用層協議的通信和服務協議子集。

1.2.1 CANopen控制器 IFM CR0505

控制器IFM CR0505是整個吊具通信系統的“大腦”，負責收集各個模塊的信號，執行邏輯運算，并與吊具電控系統通信。CANopen控制器IFM CR0505電氣參數如圖1所示。

1.2.2 擴展模塊 CR2032

擴展模塊CR2032是吊具通信系統的輸入輸出模塊，負責收集吊具外圍各種開關和傳感器信號，并通過數字式或模擬式輸出控制吊具的各個執行機構。擴展節點的工作狀態可以通過對應點的工作指示燈來判斷，擴展模塊的工作狀態可以通過電源指示燈和通信指示燈來判斷。每個擴展模塊均帶有撥碼盤，用來設定模塊節點號和波特率。擴展模塊CR2032電氣參數如圖2所示。

1.2.3 IFM EC2087模塊

IFM EC2087模塊負責將 CAN 總線信號轉換成過程現場總線（PROFIBUS）信號，具體參數如下：采用電壓為10～32 V的直流電源;防護等級為IP67;過電壓防護設置為可承受36 V直流電 10 s。

1.2.4 系統網絡拓撲結構

移動式雙箱吊具把各個擴展模塊的 CAN 總線信號匯集在CR0505模塊，然后通過吊具垂纜傳輸到司機室，再通過IFM EC2087模塊將CAN總線信號轉換成PROFIBUS信號后傳送至安川控制器;經過控制器運算后，最終通過 PROFIBUS 模塊將執行動作指令經IFM EC2087模塊轉換后傳送到吊具各執行元件。基于CAN總線的移動式雙箱吊具系統網絡拓撲結構如圖3所示。

2 基于CAN總線的吊具電控系統優化前后吊具工況對比

2.1 優化前吊具工況

基于CAN總線的吊具電控系統優化前，吊具雙箱模式切換為單箱模式流程如圖4所示。吊具掛鉤信號條件為：所有掛鉤限位得電，所有脫鉤限位均不得電，系統延時300 ms后發送掛鉤信號。

基于CAN總線的吊具電控系統優化前，吊具中鎖開鎖流程如圖5所示。吊具單箱信號條件為同時有中鎖上信號和脫鉤信號，吊具雙箱信號條件為同時有中鎖下信號和掛鉤信號。

2.2 優化后吊具工況

修改程序，增加掛鉤旁路信號（見圖6）。現場作業時，吊具振動容易導致脫鉤、掛鉤油缸內泄、掛脫鉤開關損壞等，從而造成掛鉤信號丟失。增加掛鉤旁路信號后，當出現掛鉤信號丟失故障時，維修人員可以通過打開掛鉤旁路旋鈕開關，向吊具系統發送雙箱模式正常信號，從而達到正常開鎖的目的。吊具開鎖后，維修人員可在地面對吊具實施檢修，還可通過選擇掛鉤旁路信號將雙箱模式切換成單箱模式。

3 結束語

基于CAN總線的吊具電控系統優化效果顯著，不僅解決了吊具維修不便的問題，而且提升吊具維修作業安全性。此外，對基于CAN總線的吊具電控系統實施優化改造，有利于加深相關專業人員對岸橋吊具整體作業工藝流程的認識，提高其創造性解決吊具故障的能力。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2022-01-11）EAD71427-029B-4DF2-A467-5DAF60BD4D02