多地控制裝船機電氣系統的應用

朱晨嶸

上海振華重工（集團）股份有限公司 上海 200125

0 引言

隨著行業不斷地發展，用戶對裝船機的使用要求也越來越高，由于散貨碼頭環境較為惡劣，粉塵污染較大，無人化的裝船機越來越受到用戶的青睞，在遠離碼頭面數公里的操作室中實現現場一樣的操作狀態，遠離了污染區，又保證了作業效率。在裝船作業接近尾聲時，平艙作業又需要司機在船艙口進行操作，保證船艙無死角，無線手柄控制成為最好的艙口作業工具，集本地司機室，遠程操作站，無線手柄為一體的三地控制的裝船機成為各個碼頭所推崇的新控制模式。

1 總體設計

1.1 主機構電氣驅動硬件配置

主機構包括大車機構、俯仰機構、回轉機構、伸縮機構、懸臂輸送帶機構等。大車、俯仰、回轉、伸縮均由ABB ACS880系列單傳變頻器驅動，通訊方式采用ProfibusDp協議，懸臂皮帶由高壓驅動。裝船機配置2個高壓變壓器，主變壓器為800 kVA容量，為大車、俯仰以及其他輔助電動機供電，輔助變壓器為100 kVA容量，分別給回轉，伸縮以及照明供電，其中該機型配置岸電接線箱，與輔助變壓器主電源機械互鎖，防止變電所供電故障導致設備停機，裝船機可以在岸電下使臂架機構應急作業到安全位置。控制回路配置4 kVA控制變壓器，可起到隔離作用。

該裝船機各主機構的配置絕對值編碼器，精準計算主機構的位置，具備斷電保持功能。各主電動機同時配置速度編碼器，實時速度反饋，做到閉環控制，使各機構更安全穩定。

該裝船機各低壓回路采用SND系列低壓產品，照明配置漏電保護開關，接觸器均配置阻容，低壓進線電源及岸電總電源均配置相序檢測裝置，各斷路器容量與用電器經過合理的選型運算及分配，以保證各個用電器的安全，同時實現較佳的經濟效益。

本電氣系統所搭載ABB ACS880系列變頻器，其適用于各種工藝、自動化系統，滿足電動機驅動應用的需求。主機構動力單線圖如圖1所示。

圖1 主機構動力單線圖

1.2 主PLC控制部分硬件配置

多地控制的裝船機電氣系統主要由上電氣房、下尾車電氣房、司機室電氣房、遠程操作站等組成，PLC主控制器安裝在上電氣房。下部電氣房、司機室、遠程操作站作為遠程IO站。主PLC采用SND M580系列PLC，其具有靈活的拓撲結構，可以借助軟件的綜合集成功能方便地集成各種設施，可以將遠程設備、分布式設備等集成在同一以太網通信網絡段上，可通過以太網通訊背板透明訪問數據，通過位于遠程I/O通訊模塊上的服務端口便捷地實現與人機交互界面(Human Machine Interface，HMI)的整合，具有 AS-I 總線、Modbus、Profibus、HART 等接口，與其他通用現場總線、設備通信網絡進行整合。

司機室配有遠程IO站和HMI，各機構設有絕對值編碼器、變頻器和速度編碼器，高壓柜采用Profibus DP通訊方式，司機室HMI通過以太網接口模塊與主PLC實行數據交換。

2 軟件設計

2.1 編程軟件

本裝船機應用SND UnityPro編程軟件，對裝船機進行軟件設計，PLC采用STL/LAD/FBD/C等編程語言環境，這3種編程方式各有其特長，主機構驅動控制部分運用采用標準化FBD語言格式，邏輯功能采用LAD梯形圖編程，FBD功能塊中運用STL或C語言進行編程，程序結構采用3種編程語言相結合的方法，具備更好的可讀性，構建整個程序模式切換的邏輯回路，使程序兼具標準化及個性化。

2.2 司機室觸摸屏

司機室HMI畫面針對司機操作習慣設計（見圖2），集成所有機構限位工作狀態，主畫面顯示各主機構狀態、中控狀態、主機構限位工作狀態，同時可以切換各個機構單獨畫面，司機可以根據現場作業情況切換相應畫面，觀察各機構實時工作狀態，該觸摸屏總共可以顯示裝船機500余條故障報警和警告，司機可以將故障反饋，并第一時間處理。

2.3 起重機管理系統

電氣房和遠程操作站配置起重機管理系統（Crane Monitoring System，CMS）和起重機遠程管理系統（Rmote Crane Monitoring System，RCMS），該系統針對技術人員設計，顯示信息更為多樣化，具有畫面回放功能，故障記錄功能可以對需要采樣的數據進行設置，其能夠按照設定的時間間隔記錄到文件，供起重機維護管理時查詢。RCMS設置在遠程操作站，位于距離裝船機約3 km的中控室，對起重機狀態進行監控，技術人員無需在本地監控起重機。畫面如圖2所示。

3 多地控制電氣系統

本裝船機具備三地控制功能，即常規的司機室操作、3 km外遠程操作、艙口無線遙控操作。由于遠程站操作越發便捷安全，輔助平艙作業用無線手柄在艙口操作，3 km外遠程操作、艙口無線遙控操作2種操作方式的配合使用已經可以完全替代傳統意義上的司機室作業。

3.1 司機室本地操作

司機室位于門座架上，可以觀察輸送帶及物料情況，亦可通過攝像頭畫面觀察艙口、大車、電纜卷盤等機構工作狀態，司機室座位兩側的聯動臺可以實現裝船機的所有操作。正常生產時，選用司機室操作，司機室擁有主控權，當司機室選擇本地，并通過觀察觸摸屏 控制合允許指示為綠色時，表示裝船機準備就緒，此時按下控制合按鈕，當帶燈按鈕為綠色指示燈時，表示裝船機已處于司機室操作模式，同時司機室觸摸屏司機室控制合顯示綠色，其他操作站無法控制操作；當司機室選為遠程操作時，其他操作站具備控制權。（裝船機只允許在一個操作站進行控制操作，當一站點進行控制操作時，其他站點均失去控制權，任何站點的緊停按鈕在任何時候都具有急停裝船機功能）。司機室聯動臺布置如圖3所示。

圖3 司機室聯動臺布置圖

司機室與主PLC間采用以太網進行通訊，由于司機室與電氣房僅間隔20 m左右，所以電氣房主PLC網口與司機室網絡接口模塊BMXCRA31210直接采用以太網線連接，另一網口連接型號為DT752人機界面，該人機界面尺寸為15.6 in的寬屏多點觸摸屏，觸摸屏編程軟件為VijeoDesigner。司機室通訊圖如圖4所示。

圖4 司機室通訊圖

3.2 遠程操作站操作

本裝船機遠程操作系統主要是在中控操作臺上實現裝船機單機狀態的監控和遠程操作功能。遠程操作需要在中控遠程操作臺配備一名操作人員，代替原先裝船機上司機室內的操作人員，其他人員不變。

在進行遠程站操作時，操作人員需要通過操作臺上的按鈕和主令手柄操作機構動作，通過指示燈/蜂鳴器/顯示屏信息監控裝船機狀態。

如圖5所示，遠程站與主PLC間采用單模光纖轉以太網進行通訊，采用SND的單模子站通訊模塊NRP0201，傳輸最大距離達到15 km，該光纖轉換器通過光纜在2個或多個 Quantum EIO節點或網段之間提供通訊。每個光纖轉換器都具有2個Ethernet 網絡接口和2個光纖接口，上下一一對應，用于從銅芯纜線到光纜以及從光纜到銅芯纜線的介質轉換。單個介質轉換器的最大轉發延遲為5 μs。

遠程操作站控制面板集成司機室聯動臺的所有功能，操作臺符合人體工學，可自動升降。裝船機的所有攝像頭畫面和RCMS畫面集成于6個顯示器中，與司機室操控環境相同。

啟動方法為：1）在裝船機司機室，控制分→模式旋鈕從本地選擇至遠程；2）在中控操作臺，選擇→控制合，此時，操作臺控制合指示燈亮，RCMS界面上遠程操作站控制合信號變綠，則啟動成功。遠程操作站面板布置如圖6所示。

圖6 遠程操作站面板布置圖

3.3 無線手柄操作

無線手柄可以使司機在船艙艙口實現裝船的基本功能，有利于司機更好的觀察船艙裝船情況，更直觀地控制溜筒和拋料板對船艙死角進行裝船填補作業。無線手柄與主PLC采用Profibus-DP通訊方式，該系統由1個遙控發射器，1個遙控接收器組成。該系統通訊有效距離為100 m，系統工作溫度為-25℃～40℃；該遙控系統性能穩定，反應迅速，抗干擾能力強。

3.3.1 無線手柄與PLC通訊功能實現

無線手柄與主PLC之間采用Profibus-DP通訊方式，通過協議轉換器將以太網轉成現場總線進行數據交互。Profibus 是一種與制造無關的、開放的廣泛應用于制造業自動化、流程工業自動化和樓宇、交通、電力等其他領域自動化的現場總線標準。廣泛應用于其他自動化領域，如制造自動化、工藝工業自動化、建筑自動化、交通運輸、電力等。

Profibus-DP用于數據鏈路層的高速數據傳輸。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發送輸出信息。Profibus-DP 提供智能設備所需的非周期性通信功能，除了周期性的用戶數據傳輸外，還包括組態、診斷和報警處理等。該通訊方式較好的支持第三方硬件，通過配置文件（Ger?tebe Schreibungs Datei，GSD）與主PLC建立連接、收發信號，是工業控制中與第三方設備應用最多的通訊方式。無線手柄通訊示意如圖7所示。

圖7 無線手柄通訊示意圖

3.3.2 無線控制功能軟件配置及實現

在SND UnityPro軟件中配置GSD文件，名稱為PM125，搭載在上部電氣房的PRM_Gateway網關下，地址節點為8，模塊配置為16字輸入，16字輸出。

狀態輸出為

1.HandleWirelessSignalLoss 無線手柄通訊信號丟失

2.控制輸入：

3.WirelessHandle_EmergStop 無線手柄緊停

4.WirelessHandle_Lock 無線手柄鎖定

5.WirelessHandle_SlewingRight 無線手柄回轉向右

6.WirelessHandle_SlewingLeft 無線手柄回轉向左

7.WirelessHandle_StretchBackward 無線手柄臂架伸縮向后

8.WirelessHandle_StretchForward 無線手柄臂架伸縮向前

9.WirelessHandle_ChuteStretchUp 無線手柄溜筒向上

10.WirelessHandle_ChuteStretchDown 無線手柄溜筒向下

11.WirelessHandle_MoveHouseFinish 無線手柄移倉完成

12.WirelessHandle_MoveWareHouseReq 無線手柄移倉請求

13.WirelessHandle_BoomBeltStopReq 無線手柄懸臂皮帶停止請求

14.WirelessHandle_BoomBeltStartReq 無線手柄懸臂皮帶啟動請求

15.WirelessHandle_ChuteSwingBack 無線手柄溜筒擺動向后請求

16.WirelessHandle_ChuteSwingFor 無線手柄溜筒擺動向前請求

17.WirelessHandle_LatchUpDown 無線手柄抬鉤/落鉤請求

18.WirelessHandle_TotalFlowReset 無線手柄累積量清零

19.WirelessHandle_AlarmReq 無線手柄聲光報警請求

20.WirelessHandle_ControlOnReq 無線手柄控制合請求

21.WirelessHandle_ControlOffReq 無線手柄控制斷請求

22.WirelessHandle_FaultReset 無線手柄故障請求

23.WirelessHandle_Chute90Degree 無線手柄溜筒垂直請求

24.WirelessHandle_FloodLightOnReq 無線手柄投光燈開啟/關閉

25.WirelessHandle_SparyOnReq 無線手柄噴淋啟動/停止

該手柄以1個狀態輸入控制裝船機因無線手柄信號丟失做保護停機使用，23個狀態輸入作為無線手柄對裝船機的指令，滿足駕駛員在船艙口對裝船機各個主機構的控制，進行平艙作業，使裝船效率更高，船艙利用率更高。

4 系統優勢

1）操作作業環境改善 傳統裝船機司機在司機室操作裝船機，現場作業環境很差，粉塵較多，影響作業人員身心健康，遠程操作站可安裝于裝船機15 km范圍內的任何地方，并將裝船機所有攝像頭信號傳輸至遠程操作站，操作環境與司機室相同同時避免環境污染對操作人員的傷害。

2）現場無人化 目前許多碼頭用戶追求現場作業的無人化，減少作業現場用人成本，避免現場作業人員的危險情況的發生，由于是大型機械設備作業現場，無人化的生產環境可以大大增加操作人員的安全，遠程站實現無人化碼頭的作業要求。

3）增加裝船利用率 本操作系統配置無線手柄功能，司機在船艙口完成平艙作業，裝船無死角，船艙使用效率更高。

4）應用范圍廣 目前多地控制已在多個碼頭進行使用，用戶在中控室中安裝遠程操作站，對堆場、碼頭面的所有設備均可進行遠程無人化作業，作業效率與司機室操作相同。

5 系統應用總結

多地控制裝船機在傳統裝船機的基礎上增加遠程操作站，無線手柄功能，使用戶在選擇上更多樣化，司機作業環境更加人性化，裝船效率最大化，該控制系統具有以下特點。

1）具備遠程操作功能，采用光纖子站模塊NRP0201，采用單模光纖，最大傳輸距離為15 km，并將整機攝像頭畫面全部傳輸至遠程站，不影響司機操作習慣的同時為司機創造更好的工作環境，作業現場無人化。

2）該系統具有無線手柄功能，采用DP通訊方式，通訊有效距離達到100 m，滿足艙口作業距離要求，司機在艙口平艙作業時，更容易觀察到船艙死角，從而使裝船效率更高。

3）主PLC采用SND Modicon580系列PLC，為整機電氣系統提供了穩定的網絡，更高的安全性。

4）各操作站均配置起重機管理系統，分別在司機室、上部電氣房、遠程操作站配置起重機管理系統，無線手柄顯示屏也可顯示故障，起重機管理系統記錄和提示報警信息、參數設定、顯示起重機運行的參數，并且能夠記錄起重機的操作記錄用以數據分析。

5）電氣系統所搭載的 ABBACS880 系列變頻器滿足電動機驅動應用的需求，適用于各種工藝，自動化系統。

6）本裝船機程序采用STL/LAD/FBD/C等編程語言，具有很高的可讀性，各主機構的采用功能塊編寫，標準化程度高。

7）本裝船機系統各主機構配置絕對值編碼器和速度編碼器，可提供更好的位置判斷和速度反饋，使電氣控制上更安全可靠。