摘要：針對港口糧食碼頭25T-38M帶斗門機(jī)電氣系統(tǒng)通訊數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、中斷、不穩(wěn)定等瓶頸問題，通過技術(shù)升級改造，改善提高設(shè)備電氣通訊技術(shù)性能，解決設(shè)備通訊故障問題。升級改造采用西門子S7-1500系列PLC ，PROFINET(PN)和以太網(wǎng)傳輸，通過對電氣系統(tǒng)原理、硬件配置、軟件編程和運(yùn)行測試效果等技術(shù)措施，從目前帶斗門機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)來看，設(shè)備運(yùn)行過程中通訊故障得到徹底解決，整機(jī)運(yùn)行性能得到顯著提升。

關(guān)鍵詞：港口；帶斗門機(jī)；電氣系統(tǒng)；通訊；PROFIBUS；以太網(wǎng)

0、引言

北部灣港防城港碼頭有限公司服務(wù)國家戰(zhàn)略大局，搶抓國家實(shí)施“一帶一路”、西部陸海新通道的戰(zhàn)略機(jī)遇，以建設(shè)“四個(gè)一流”港口、國際門戶港、國際樞紐海港為目標(biāo)，致力于打造西南最大糧食集散和糧油加工基地，擁有集糧食裝卸、倉儲、加工、發(fā)運(yùn)為一體的糧食專業(yè)化碼頭。

防城港作為國內(nèi)主要的糧食進(jìn)口港之一，糧食專業(yè)化碼頭配置了3臺25T-38M帶斗門機(jī)，于2015年底投產(chǎn)運(yùn)營，主要用于大豆、玉米、油菜籽等散糧的裝卸作業(yè)，實(shí)現(xiàn)散糧從碼頭前沿直輸?shù)胶蠓酵矀}、臨港企業(yè)的全過程自動化作業(yè)，同時(shí)也兼顧傳統(tǒng)工藝汽車運(yùn)輸作業(yè)，其具有作業(yè)效率高、安全可靠、環(huán)保節(jié)能和運(yùn)行平穩(wěn)特點(diǎn)。經(jīng)過近10年的運(yùn)營，目前3臺帶斗門機(jī)電氣系統(tǒng)中PLC程序有時(shí)會丟失，整機(jī)通訊頻繁出現(xiàn)信號不穩(wěn)定、中斷和數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的狀況問題，導(dǎo)致該機(jī)不能作業(yè)，裝卸作業(yè)能力降低，直接影響散糧裝卸船作業(yè)效率。如何提高改善帶斗門機(jī)的技術(shù)性能，成為散糧碼頭亟需解決的瓶頸問題。

1、帶斗門機(jī)電氣系統(tǒng)常見問題

1.1 GE PLC及DP接口通訊

電氣系統(tǒng)采用的GE PLC 通過 PROFIBUS-DP 接口來實(shí)現(xiàn)通訊，PROFIBUS-DP 是一種高速，且成本較低的現(xiàn)場總線，適用于自動化系統(tǒng)內(nèi)分布式I/O 設(shè)備與控制器之間的通訊，DP 接口經(jīng)集電環(huán)與各個(gè)分布式 I/O 站點(diǎn)相互連接，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與交換。目前設(shè)備運(yùn)營中存在問題如下：

（1）數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤：部分I/O 信號在傳輸過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤、丟失的情況，導(dǎo)致控制指令執(zhí)錯(cuò)誤，致使帶斗門機(jī)不能正常運(yùn)行作業(yè)。

（2）通訊中斷：帶斗門機(jī)運(yùn)行時(shí)，常發(fā)生通訊完全中斷的現(xiàn)象，導(dǎo)致PLC 無法正?？刂茙Ф烽T機(jī)各機(jī)構(gòu)，以致不能正常運(yùn)行作業(yè)。

（3）故障報(bào)警頻繁：由于通訊信號不穩(wěn)定，系統(tǒng)頻繁發(fā)出通訊故障報(bào)警，需維護(hù)人員前往進(jìn)行修理，增加設(shè)備的生產(chǎn)停機(jī)時(shí)長。

1.2 中心集電環(huán)傳輸方式的局限性

中心集電環(huán)采用旋轉(zhuǎn)部件與靜止部件進(jìn)行電氣連接，在設(shè)備運(yùn)行過程中極易受到磨損、粉塵、油污、潮濕等多種環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致接觸不良、信號減弱、中斷。此外，中心集電環(huán)對安裝精度有著較高要求，維護(hù)難度較大，一旦出現(xiàn)問題，排查和修復(fù)工作困難。

1.3 對碼頭裝卸作業(yè)的影響

帶斗門機(jī)不能正常生產(chǎn)作業(yè)，影響散糧船舶裝卸效率的提升，主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）降低生產(chǎn)效率：頻繁的停機(jī)事件和控制指令錯(cuò)誤，導(dǎo)致帶斗門機(jī)不能正常作業(yè)，顯著延

長了散糧裝卸作業(yè)時(shí)間，增加綜合裝卸作業(yè)成本。

（2）增加維修成本：為解決電氣系統(tǒng)通訊故障，需投入大量的人力、物力用于維修和部件更換，增加了設(shè)備的維護(hù)成本。

（3）設(shè)備作業(yè)安全：設(shè)備故障有可能導(dǎo)致抓斗自動開斗和下降，造成作業(yè)現(xiàn)場人員傷亡、設(shè)備機(jī)損等事故的發(fā)生。

2、升級改造技術(shù)措施

2.1 改造設(shè)計(jì)總思路

將整機(jī)GE 90-30 系列 PLC 及分站 PLC 模塊，改造升級為西門子S7-1500 系列PLC和ET200MP 分站， PLC 主站和從站的通訊方式升級為PROFINET-PN通訊方式，PLC系統(tǒng)升級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 PLC系統(tǒng)升級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

PLC 和變頻器的通訊維持 PROFIBUS-DP 通訊方式，這兩種通訊網(wǎng)絡(luò)方式結(jié)構(gòu)清晰，便于故障的判斷和處理。此外，對中心滑環(huán)進(jìn)行改造，采用以太網(wǎng)滑環(huán)，以太網(wǎng)環(huán)配有兩組以上備用環(huán)，供維修人員快速判斷處理故障，也為后期碼頭帶斗門機(jī)子系統(tǒng)需升級改造做準(zhǔn)備，從根本上解決因滑環(huán)接觸不良所導(dǎo)致的通訊故障問題。該通訊方式具備更高的穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾能力，能滿足帶斗門機(jī)電氣系統(tǒng)對于通訊性能的嚴(yán)格要求。

2.2 硬件配置方面

2.2.1 PLC 配置

根據(jù)帶斗門機(jī)電氣系統(tǒng)的控制要求和I/O 點(diǎn)數(shù)，配置西門子S7-1500 系列 PLC，S7-1500 系列 PLC 擁有強(qiáng)大的處理能力和較高的可靠性，能應(yīng)對帶斗門機(jī)復(fù)雜的控制邏輯和高速通訊的需求。

2.2.2 通訊模塊配置

配置西門子S7-1500 DP 通訊模塊，該模塊能夠提供高速、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)，在控制柜內(nèi)新增一臺 5 口 PN 交換機(jī)，確保 PLC 與各機(jī)構(gòu)變頻器之間保留Profibus-DP 通訊控制方式，PLC 主 CPU 與分站 I/O 模塊采用 Profinet-PN 通訊控制方式，實(shí)現(xiàn)PLC 與各個(gè)分布式 I/O 站點(diǎn)之間的高效通訊。

2.2.3 網(wǎng)線配置

作為通訊網(wǎng)線的重要組成部分，配置符合標(biāo)準(zhǔn)西門子PROFINET 6XV1841-2A 的 8芯超 5 類帶屏蔽雙絞線纜，其具備良好的抗干擾性能和快速傳輸特性，能保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院桶踩?/span>

2.3 PLC網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

CPU 作為電氣系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)核心，通過網(wǎng)線與各個(gè)分布式I/O 站點(diǎn)、觸摸屏，經(jīng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)連接，確保系統(tǒng)的兼容性和穩(wěn)定性，PLC電氣系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖見2。

圖2 PLC網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

3、升級改造實(shí)施過程

3.1 改造前后準(zhǔn)備

“改造單位應(yīng)當(dāng)針對被改造起重機(jī)械的具體要求，制定改造方案；改造方案應(yīng)當(dāng)包括改造設(shè)計(jì)文件、改造工藝文件和檢驗(yàn)作業(yè)指導(dǎo)書?！?改造前應(yīng)該做好生產(chǎn)準(zhǔn)備協(xié)調(diào)工作，改造后應(yīng)做好資料歸檔工作。

3.2 設(shè)備拆除

在升級改造工作之前，應(yīng)對原有的GE PLC、DP 接口模塊、中心集電環(huán)，及相關(guān)的通訊線纜等設(shè)備進(jìn)行拆除，拆除過程應(yīng)嚴(yán)格遵守相應(yīng)設(shè)備安全操作規(guī)程，以保障設(shè)備和人員的安全。

3.3 軟、硬安裝與布線

3.3.1 PLC 及通訊模塊安裝

配置選用的西門子S7-1500 PLC 和相關(guān)通訊模塊應(yīng)按圖紙要求安裝在帶斗門機(jī)電氣控制柜內(nèi)，并按照圖紙規(guī)范要求進(jìn)行接線和接地處理，確保連接的穩(wěn)固性和可靠性。

3.3.2 分布式I/O 站點(diǎn)安裝

“模擬量信號、低電平開關(guān)信號、數(shù)據(jù)通信線路用屏蔽雙絞，應(yīng)單獨(dú)占用電纜管或電纜槽，不與動力電纜一起走線” 根據(jù)帶斗門機(jī)控制原理圖，下部分布式I/O 站點(diǎn)保持原有安裝位置，并將其安裝到位。通過網(wǎng)線將分布式I/O 站點(diǎn)經(jīng)中心集電環(huán)與PLC 進(jìn)行連接，在布線安裝環(huán)節(jié)，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行工業(yè)布線規(guī)范，對網(wǎng)線進(jìn)行規(guī)范敷設(shè)和固定，避免線纜受到機(jī)械磨損和電磁干擾，確保通訊線路的穩(wěn)定性和安全性。

3.4 軟件編程與調(diào)試

3.4.1 PLC 程序、觸摸屏、CMS程序編寫

依據(jù)帶斗門機(jī)的控制邏輯和工藝要求，運(yùn)用西門子編程軟件（Portal） S7-1500 PLC 編寫控制程序。在程序編寫過程中，應(yīng)充分考量系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和安全性，采用科學(xué)合理的編程方法和算法，確保升級后帶斗門機(jī)各項(xiàng)安全技術(shù)性能穩(wěn)定，操作方式不宜改變，原有的觸摸屏和CMS程序做相應(yīng)編寫和更新。

3.4.2 通訊程序調(diào)試

完成PLC 程序編寫后，針對通訊程序進(jìn)行調(diào)試，通過發(fā)送和接收測試數(shù)據(jù)，檢查通訊的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。同時(shí)，通過診斷功能，對通訊故障進(jìn)行模擬和監(jiān)測，驗(yàn)證故障處理程序的有效性和可靠性。

3.4.3 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)

完成PLC 程序和通訊程序調(diào)試后，應(yīng)進(jìn)行整機(jī)電氣系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試，將帶斗門機(jī)的各個(gè)機(jī)構(gòu)與PLC 控制程序進(jìn)行協(xié)同調(diào)試，全面檢查系統(tǒng)的整體性能和控制精度，確保帶斗門機(jī)能穩(wěn)定、精準(zhǔn)地運(yùn)行，故障記錄等信息應(yīng)在觸摸屏和CMS系統(tǒng)顯示。

4、升級改造試運(yùn)行與優(yōu)化

電氣系統(tǒng)聯(lián)調(diào)完成后，應(yīng)對帶斗門機(jī)進(jìn)行試運(yùn)行，試運(yùn)行階段應(yīng)密切關(guān)注系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，收集運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)，對發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。通過持續(xù)不斷的優(yōu)化和調(diào)整，帶斗門機(jī)電氣系統(tǒng)安全技術(shù)性能得到提升，通訊數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤、中斷和信號不穩(wěn)定故障徹底解決，故障停機(jī)時(shí)間大幅縮短，散糧貨物裝卸作業(yè)效率顯著提升，設(shè)備裝卸綜合成本得到大幅降低。

5、帶斗門機(jī)關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)及解決方案

5.1 抗干擾措施

在沿海港口碼頭，電磁干擾是影響碼頭裝卸設(shè)備通訊穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一。為增強(qiáng)帶斗門機(jī)電氣系統(tǒng)抗干擾能力，采取了以下技術(shù)措施：

（1）合理布線：通訊網(wǎng)線增加金屬軟管，且與動力線纜分開進(jìn)行敷設(shè)，并保持適當(dāng)?shù)木嚯x，最大程度避免動力線纜產(chǎn)生的電磁場對通訊網(wǎng)線造成干擾。

（2）屏蔽接地：對通訊網(wǎng)線實(shí)施屏蔽處理，將屏蔽層可靠接地，減少外界電磁干擾的不良影響。

（3）安裝濾波器：在PLC 和分布式 I/O 站點(diǎn)的電源輸入端，安裝高性能濾波器，有效過濾掉電源中的干擾信號，保障設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

5.2 通訊網(wǎng)絡(luò)故障診斷與恢復(fù)

進(jìn)一步編寫完善PLC 程序診斷功能，當(dāng)通訊故障發(fā)生時(shí)，診斷程序能迅速、精準(zhǔn)地定位故障點(diǎn)，采取有效的措施進(jìn)行恢復(fù)。如，當(dāng)某個(gè)分布式I/O 站點(diǎn)通訊中斷時(shí)，PLC 會自動嘗試重新建立連接；若多次嘗試仍無法恢復(fù)通訊，會立即在故障顯示屏發(fā)出報(bào)警信號；經(jīng)優(yōu)化后，程序能夠避免當(dāng)某個(gè)分站出現(xiàn)通訊中斷時(shí)不影響主站運(yùn)行。

6、結(jié)語

港口糧食碼頭25T-38M帶斗門機(jī)在運(yùn)營一段時(shí)間后，電氣系統(tǒng)會出現(xiàn)通訊數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、中斷、不穩(wěn)定等瓶頸問題，導(dǎo)致帶斗門機(jī)不能正常運(yùn)行，嚴(yán)重影響糧食碼頭船舶生產(chǎn)作業(yè)。通過對帶斗門機(jī)進(jìn)行技術(shù)升級改造，運(yùn)用創(chuàng)新性關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)，將原有電氣控制系統(tǒng)升級改造為西門子S7-1500 系列 PLC ，通訊方式升級改造為PROFINET(PN)和以太網(wǎng)傳輸，解決了原系統(tǒng)通訊不穩(wěn)定、故障頻發(fā)造成的整機(jī)技術(shù)性能下降問題，同時(shí)，帶斗門機(jī)的散糧裝卸作業(yè)效率得到顯著提升，船舶綜合裝卸成本得到大幅降低。

隨著港口裝卸設(shè)備自動化技術(shù)和人工智能的發(fā)展，帶斗門機(jī)控制將朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化的方向邁進(jìn)，在后續(xù)運(yùn)營過程中，應(yīng)密切關(guān)注新技術(shù)的應(yīng)用動態(tài)，不斷優(yōu)化系統(tǒng)性能，進(jìn)一步提升帶斗門機(jī)的自動化水平和裝卸作業(yè)效率，助力港口糧食碼頭裝卸作業(yè)高效、安全、環(huán)保運(yùn)行。

作者：北部灣港防城港碼頭有限公司 張?jiān)轿?何東京 溫國榮 王建超

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