陳曉琴，卜素新

（1. 江蘇海事職業(yè)技術(shù)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(nèi)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(yōu)點。由于長期高強度運轉(zhuǎn)，隨著使用年限的不斷增加，這些機械設(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，近年來集裝箱碼頭對碼頭機械普遍實施了先進的遠程監(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)的遠程監(jiān)控范圍。由于堆高機原控制系統(tǒng)均為工廠標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，無法滿足遠程監(jiān)控管理等系統(tǒng)的實施要求，致使堆高機至今仍游離于遠程監(jiān)控管理系統(tǒng)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(tǒng)PLC改造，進而實施遠程監(jiān)控管理和位置決策系統(tǒng)的要求。本文基于這樣的實際需求提出了一個可行性的設(shè)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(yīng)用。

1 改造設(shè)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(yè)，工作時機械機構(gòu)震動大，干擾強，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)點外，提出如下三點技術(shù)要求。

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

新系統(tǒng)須支持先進的現(xiàn)場總線通訊方式和遠程通訊方式，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(huán)境因素，在系統(tǒng)設(shè)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(yè)時油污染嚴重，新系統(tǒng)所有線路電纜必須耐油，同時，線路布置和走向必須考慮發(fā)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(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)必須運行在工業(yè)等級計算機之上，可以監(jiān)控所有PLC I/O實時狀態(tài)、設(shè)備操作狀態(tài)、實時故障狀態(tài)，完成實時和歷史趨勢曲線顯示、實時和歷史故障統(tǒng)計分析、歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計等主要功能，本地監(jiān)控系統(tǒng)須采用模塊化設(shè)計，利于用戶將來的擴展；為了實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸，改造后的堆高機須增加工業(yè)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(xiàn)有基站實現(xiàn)組網(wǎng)。

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

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

2 方案設(shè)計與實現(xiàn)

根據(jù)改造技術(shù)要求和堆高機工作實際情況，整個設(shè)計方案劃分為五個子系統(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、高速脈沖計數(shù)模塊以及以太網(wǎng)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(tǒng)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(cè)，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(nèi)不影響司機進出和操作。為方便維修，左箱和右箱均設(shè)計成向外開門式，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，同時對起升油缸行程進行統(tǒng)計，為油缸定期維護提供數(shù)據(jù)依據(jù)。但堆高機原控制系統(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，同時安裝簡單，調(diào)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(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，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通訊電纜選用了進口高柔性總線電纜。

2.2 本地監(jiān)控子系統(tǒng)（LCMS）

為堆高機提供強大的本地監(jiān)控子系統(tǒng)是本改造設(shè)計方案的重點內(nèi)容之一，本設(shè)計對本地監(jiān)控子系統(tǒng)進行了完善的設(shè)計，主要實現(xiàn)下面五個方面的功能：

2.2.1 設(shè)備實時動態(tài)監(jiān)控

該功能根據(jù)實時采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，以動畫形式模擬被監(jiān)控設(shè)備和機構(gòu)的工作狀況，如整機動作狀態(tài)、排架工作狀態(tài)、發(fā)動機工作狀態(tài)、檔位狀態(tài)、以及其他設(shè)備工作狀態(tài)等。通過實時動態(tài)監(jiān)控，用戶可以快速了解到堆高機的總體工作情況，各機構(gòu)工作狀態(tài)以及主要參數(shù)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(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(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，維修人員可以運行本地監(jiān)控的同時，打開PLC的編程軟件，在權(quán)限許可范圍內(nèi)，進行在線監(jiān)視、強制、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

通過歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能，用戶可以查看故障歷史、操作歷史、工作計時計數(shù)統(tǒng)計，這些數(shù)據(jù)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(jiān)控子系統(tǒng)融入了倒車攝像畫面，為方便司機操作，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，堆高機可能會經(jīng)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(jīng)過對不同型號產(chǎn)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(shè)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(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(shù)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(xié)商端口的使用，這一切都在很短的時間內(nèi)完成。通過基站切換，基站間能夠?qū)⒇撦d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，可以實現(xiàn)堆高機在整個堆場范圍內(nèi)穿梭作業(yè)，而無線信號始終保持高質(zhì)量聯(lián)接。

2.4 遠程監(jiān)控子系統(tǒng)

將堆高機納入港口現(xiàn)有的遠程控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對堆高機的遠程監(jiān)控和位置決策，是堆高機電控系統(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，遠程監(jiān)控子系統(tǒng)被設(shè)計成將來可能同時監(jiān)控數(shù)十甚至上百臺堆高機，因此，遠程監(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：每臺堆高機整機工作時間累計，各機構(gòu)的工作時間累計，集裝箱操作記錄，設(shè)備和器件的工作次數(shù)、工作時間統(tǒng)計，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，過期歷史紀錄自動刪除等功能。

3 方案實施效果

本設(shè)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(xiàn)如下：

3.1 控制更精確，操縱更平穩(wěn)

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(tǒng)擴展打下了基礎(chǔ)。加強了的水溫、機油油溫、機油壓力、發(fā)動機轉(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(wěn)，節(jié)能更突出；參數(shù)可調(diào)的能力使每臺堆高機都有與本身特性相匹配的參數(shù)，整機性能得以大幅提升。

3.2 操作更安全，運行更穩(wěn)定

系統(tǒng)各類保護和聯(lián)鎖功能得到加強，確保設(shè)備安全和運行穩(wěn)定。改造后控制系統(tǒng)的各類聯(lián)鎖、保護功能得到了完善，如發(fā)動機的啟動保護、啟動時間間隔保護、發(fā)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(tǒng)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(cè)移及伸縮保護、起升的超重保護等。這些聯(lián)鎖、 保護功能有效防止了司機由于誤操作給設(shè)備造成的損耗，降低了故障率，提高了操作的安全性和運行的穩(wěn)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(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)控維護得到質(zhì)的提升

實時準確的報警功能，狀態(tài)監(jiān)視功能，新增的鎖箱計數(shù)、排架運動行程計數(shù)、總重量計數(shù)等統(tǒng)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(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，使工程師對堆高機實施遠程監(jiān)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(jiān)控系統(tǒng)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(jié)論

集裝箱碼頭使用集裝箱空箱堆高機對堆場內(nèi)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(jiān)控管理和位置決策系統(tǒng)，但現(xiàn)有堆高機原控制系統(tǒng)無法滿足實施要求，需進行電控系統(tǒng)PLC改造。本文以集裝箱空箱堆高機電控系統(tǒng)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(jiān)控和位置決策得以進一步實施，這對碼頭設(shè)備實現(xiàn)更高級的管理具有重要現(xiàn)實意義。

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