空箱堆高机电控系统PLC改造设计与实现

陈晓琴，卜素新

（1. 江苏海事职业技术学院，南京 211170；2. 西门子（中国）有限公司 江苏分公司，南京 210008）

0 引言

目前，我国集装箱码头普遍使用集装箱空箱堆高机（以下简称堆高机）对堆场内的空集装箱进行码垛，这些机械有着机动灵活，操作方便等诸多优点。由于长期高强度运转，随着使用年限的不断增加，这些机械设备原有控制线路逐渐老化，故障率居高不下，原控制方式渐显落后；同时，近年来集装箱码头对码头机械普遍实施了先进的远程监控管理和位置决策系统，岸桥、轮胎吊都已经并入该系统的远程监控范围。由于堆高机原控制系统均为工厂标配的继电器控制方式，这些控制系统不可编程，更没有专用监控接口，无法满足远程监控管理等系统的实施要求，致使堆高机至今仍游离于远程监控管理系统之外。为了减损增效，降低维护成本，码头逐渐提出了对这些堆高机实施电控系统PLC改造，进而实施远程监控管理和位置决策系统的要求。本文基于这样的实际需求提出了一个可行性的设计方案，并在某码头上进行了具体运用，改造后运行效果良好，以期得到更广泛的应用。

1 改造设计要求

由于空箱堆场异常繁忙，堆高机需长时间高强度作业，工作时机械机构震动大，干扰强，在露天环境下，经常会遇到雨淋日晒，结合系统现有的性能和优点外，提出如下三点技术要求。

1.1 新系统须采用一体化或模块化设计，便于将来系统扩展和维护

新系统须支持先进的现场总线通讯方式和远程通讯方式，如Profibus、工业以太网等；所有硬件均须具有高可靠性、高安全性，满足现场操作的环境要求，如震动、雨淋、高温等，改造后整机平均无故障运行时间不高于原机，室外安装模块和箱体必须考虑上述环境因素，在系统设计和安装时采取必要防护措施；由于堆高机依靠液压工作，作业时油污染严重，新系统所有线路电缆必须耐油，同时，线路布置和走向必须考虑发动机等高热机件，线路走向须采取避让或直接采用耐高温电缆。

1.2 新系统须考虑本地监控

为满足监控和调度需要，改造后的系统须增加本地监控系统(LCMS)，监控系统必须运行在工业等级计算机之上，可以监控所有PLC I/O实时状态、设备操作状态、实时故障状态，完成实时和历史趋势曲线显示、实时和历史故障统计分析、历史数据统计等主要功能，本地监控系统须采用模块化设计，利于用户将来的扩展；为了实现远程数据传输，改造后的堆高机须增加工业等级无线接入点(AP)，该无线接入点必须兼容IEEE802.11b/g工作模式，以利用码头现有基站实现组网。

1.3 新系统须与远程监控管理系统和位置决策系统并网

在中心监控室部署堆高机远程监控系统（RCMS），实现对所有已改造堆高机的远程监控，远程监控系统除了完成每台堆高机本地监控系统所有功能外，须能对全部堆高机的横向管理和移动监控能力，最终实现与码头设备远程监控管理系统和位置决策系统并网。

2 方案设计与实现

根据改造技术要求和堆高机工作实际情况，整个设计方案划分为五个子系统，即PLC控制子系统、本地监控子系统、无线通讯子系统和远程监控子系统，系统框图如图 1所示。

图 1 系统框图

2.1 PLC控制子系统

PLC控制子系统是整个改造的核心控制部分，经过比较和论证，本方案选用成熟稳定的GE Fanuc 9030 PLC为控制器，加挂远程I/O，站间通讯采用Profibus工业总线。为提高控制精度和整机性能，控制子系统将引入高精度模拟量输入模块、高速脉冲计数模块以及以太网通讯模块。由于堆高机提供的工作电源为24VDC，PLC各模块工作电压均选择24VDC级。为保护模块和控制回路，所有PLC I/O模块均为隔离型，具有外线路短路自保护功能。

整个控制子系统由主站、扩展站和排架站组成，每站独立成箱。扩展站和主站分别安装于司机室司机座椅左右两侧，形成司机室左右控制左箱，两箱间通过机架扩展电缆连接。左箱和右箱尺寸紧凑，安装在司机室内不影响司机进出和操作。为方便维修，左箱和右箱均设计成向外开门式，并将主要控制器件安装在箱门内侧。原司机室左侧装有一把小座椅，用户要求保留此座椅，新控制箱安装后，小座椅将用支架支起，架设在新控制箱上，高度保持与原来相同水平。

改造后的系统要求可以精确测量并显示排架起升高度，同时对起升油缸行程进行统计，为油缸定期维护提供数据依据。但堆高机原控制系统没有排架起升高度测量传感器，为此，方案中为PLC控制子系统引入了无直接接触的室外超声波式传感器，该超声波传感器具有反应灵敏、精度高、寿命长等优点，同时安装简单，调教方便，非常适合堆高机使用。

由于吊具控制信号较多，且与司机室主站间距离较远，因此单独设置了排架站和排架控制箱。排架控制箱采用不锈钢外壳，控制箱整体亦经过防水防尘和防震特别设计，以适应室外工作环境和现场工作需要。排架控制箱安装于排架左侧，可以随排架一同升降。控制箱内安装远程I/O、Profibus分站专用通讯模块，配以24VDC电源模块和数字量输入模块和数字量输出模块。由于排架有大量的伸缩、倾转等动作，排架控制箱与主站间的Profibus通讯电缆选用了进口高柔性总线电缆。

2.2 本地监控子系统（LCMS）

为堆高机提供强大的本地监控子系统是本改造设计方案的重点内容之一，本设计对本地监控子系统进行了完善的设计，主要实现下面五个方面的功能：

2.2.1 设备实时动态监控

该功能根据实时采集到的现场数据，以动画形式模拟被监控设备和机构的工作状况，如整机动作状态、排架工作状态、发动机工作状态、档位状态、以及其他设备工作状态等。通过实时动态监控，用户可以快速了解到堆高机的总体工作情况，各机构工作状态以及主要参数的实时变化等。各画面提供了足够详细的信息链接，使用户通过信息链接可以方便明确的对堆高机进行全面监控。

2.2.2 故障监控

作为本地监控系统的主要功能，本地监控子系统为故障诊断和故障排除提供了强大而灵活的支持，通过将当前故障和历史故障有效组织，方便了用户查询和分析；通过故障的链接功能，用户可以方便灵活的查看诸如故障描述信息、相关联的设备或器件以及可能的原因等，某些紧急故障提供原理图和PLC梯形逻辑链接信息。

2.2.3 在线编程

本地监控系统部署了在线编程功能，维修人员可以运行本地监控的同时，打开PLC的编程软件，在权限许可范围内，进行在线监视、强制、在线编辑和程序上传下载等操作。

2.2.4 历史数据统计

通过历史数据统计功能，用户可以查看故障历史、操作历史、工作计时计数统计，这些数据可以按时、日、周、月、年等时间间隔查询，形成报表。

2.2.5 倒车摄像

本地监控子系统融入了倒车摄像画面，为方便司机操作，本地监控子系统增加了对倒车画面的水平镜像翻转、亮度调整、对比度调整、色彩调整等功能。

2.3 无线通讯子系统

无线通讯子系统为本地与远程间通讯建立了物理桥梁。码头现有专为生产、调度部署的IEEE802.11b模式无线网络，为与该网络兼容，新加装的AP必须支持IEEE802.11b工作模式。兼容码头现有无线网络的一个关键问题是信号漫游问题。码头无线网络由不同品牌的基站组成，由于移动性，堆高机可能会经常在几个基站间穿梭，这就要求堆高机的无线AP必须能解决该问题。

经过对不同型号产品的测试，本方案选择基于IEEE802.11b标准的电信级室外无线AP。该AP采用全天候防水、防尘全密封设计，拥有超强的免维护性，具有多级安全保护，分离式天线和以太网供电能力，可提供11M带宽。

该AP的漫游支持和重新关联技术，能解决漫游以及信号联接问题。当堆高机在几个基站间穿梭时，无线信号随着堆高机远离先前基站而减弱，或者先前基站可能因为流量太高或干扰太大而变得拥堵，如果当前基站信号强度低于某个数值，出错率太高，AP将扫描其他可用基站，如果能找到信号更强或出错率更低的基站，AP将自动切换到该基站的通道，然后开始协商端口的使用，这一切都在很短的时间内完成。通过基站切换，基站间能够将负载互相平衡，从而提高其他无线客户端的性能。通过设置无线AP，可以实现堆高机在整个堆场范围内穿梭作业，而无线信号始终保持高质量联接。

2.4 远程监控子系统

将堆高机纳入港口现有的远程控制系统，实现对堆高机的远程监控和位置决策，是堆高机电控系统PLC改造的重要要求，也是现代港口管理的趋势。远程监控子系统是本地监控系统和现场设备的中心站，远程监控子系统被设计成将来可能同时监控数十甚至上百台堆高机，因此，远程监控子系统分别部署在两台高性能服务器上，采用冗余热备方式，为用户提供更稳定的系统架构、足够的数据库容量和足够的网络访问能力。

远程监控子系统除具有本地监控子系统的所有功能外，更具备功能强大和完善的历史数据库，该历史数据库能记录的数据包括：每台堆高机整机工作时间累计，各机构的工作时间累计，集装箱操作记录，设备和器件的工作次数、工作时间统计，故障历史，历史趋势等重要信息。历史数据库还提供了必要的数据库自动管理功能，如，数据定期自动备份，过期历史纪录自动删除等功能。

3 方案实施效果

本设计方案既完全满足堆高机改造前提出的改造要求，在拥有了全新的控制方式后，亦具备了大量的先进特性，主要特性体现如下：

3.1 控制更精确，操纵更平稳

由于采用了先进的PLC控制方式，控制较原机更精确，维护更方便，为将来系统扩展打下了基础。加强了的水温、机油油温、机油压力、发动机转速、传动轴转速、排架高度等数据显示和存储功能，使司机可以更清楚的了解整机的当前工况；改进的自动档驾驶功能使行车更平稳，节能更突出；参数可调的能力使每台堆高机都有与本身特性相匹配的参数，整机性能得以大幅提升。

3.2 操作更安全，运行更稳定

系统各类保护和联锁功能得到加强，确保设备安全和运行稳定。改造后控制系统的各类联锁、保护功能得到了完善，如发动机的启动保护、启动时间间隔保护、发动机怠速保护、水位保护、机油油温保护、机油压力保护等；变速箱的行走超速保护、倒车保护、挂档保护、换档保护、刹车系统压力保护、波箱压力保护等；排架的开闭锁保护、开闭锁信号保护、着箱信号保护、20尺40尺信号保护、起降保护、侧移及伸缩保护、起升的超重保护等。这些联锁、 保护功能有效防止了司机由于误操作给设备造成的损耗，降低了故障率，提高了操作的安全性和运行的稳定性。

3.3 操控和维护更灵活

为提高紧急情况下的操控和维护灵活性，新系统增加了旁路功能，如着陆允许旁路、起升允许旁路、下降允许旁路、接近开关常通旋锁允许旁路等，旁路功能设置在本地子监控画面上，只允许有特殊权限的用户操作。

3.4 监控维护得到质的提升

实时准确的报警功能，状态监视功能，新增的锁箱计数、排架运动行程计数、总重量计数等统计功能，使堆高机的综合管理水平上了一个新台阶。强大的监控网络，使工程师对堆高机实施远程监控成为可能，先进的故障处理能力，使故障排除更容易，维护计划更具针对性。本地和远程监控系统的引入，大大提高了堆高机管理效率，维护成本却显著降低。

4 结论

集装箱码头使用集装箱空箱堆高机对堆场内的空集装箱进行码垛，随着使用年限的增加，原有线路逐渐老化，故障率居高不下；同时，由于码头对堆场机械普遍实施先进的远程监控管理和位置决策系统，但现有堆高机原控制系统无法满足实施要求，需进行电控系统PLC改造。本文以集装箱空箱堆高机电控系统PLC改造为例，给出了改造方案，介绍了该类型机械的电气改造情况。改造后达到了预期目的，堆高机远程监控和位置决策得以进一步实施，这对码头设备实现更高级的管理具有重要现实意义。

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