基于CAN总线的移动式港口起重机分布式电气控制系统

张瑞峰， 高剑钊

(南通润邦重机有限公司技术中心，江苏南通226013)

0 引 言

随着全球船运业的高速发展，港口码头集装箱货物及散货吞吐量的不断攀升，客户对港口起重装备的工作效率提出了更高的要求。为此，作为设备大脑的电气控制系统的稳定可靠性直接影响到设备作业的工作效率，是市场考验的决定性因素。而近年来港口码头使用日益频繁的移动式港口起重机因其结构的特殊性，操作功能的复杂性，对电气元件控制精度要求之高，尤其是总线设备站点之间的数据传输，不能在设备作业过程中，因总线故障而造成停机检查。对比现阶段港口起重领域常用的PROFIBUSDP 或Ethernet 现场总线，CAN 总线在数据通信方面更具有突出的可靠性、实时性及灵活性[1-2],其优越性主要体现在以下几点：1)CAN 为多主站方式工作，网络上任一节点均可在任一时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从；2)CAN 节点在错误严重的情况下可自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响；3)CAN 总线报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出错率极低；4)CAN 总线只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接受数据，无需专门“调度”[2]。由此可见，采用CAN 总线的电气元件设备进行MHC 的电控系统设计，硬件上确保实现整机各机构功能的分布式控制，有效地提升了整机工作的高效性。

1 设备概述

设备整体结构如图1 所示，主要组成部分为底盘行走机构、转台、机器房、塔筒及臂架。MHC 是近年来广泛应用于港口码头的一种多功能港口机械，主要用于集装箱、散件货物及各类散料的装卸作业，凭借其灵活和多功能特点，逐渐成为了未来港口码头的主流产品。其显著特点[3]表现如下：1)臂架根部铰点位置高，有效工作幅度大，起升高度大，更便于起重机靠近船舶或堆场的货垛，作业空间范围大；2)采用起升钢丝绳补偿装置，确保臂架在起落过程中吊载货物保持水平移动。另外，变幅滑轮组装置安装在塔身顶部，改善了臂架受力状况，降低了变幅机构所需功率；3)主要动力电源采用柴油发动机带动发电机形式，同时配备有岸电电源插头，保证设备在港口码头进行长时间连续装卸作业时，若发电机出现故障，可外接至码头配电箱，实现全电力驱动；4)整机电气设备全部采用的是直流24 V 供电，由机上4 节直流12 V 蓄电池组串接后提供，采用液压系统驱动方式，具有起升、俯仰、回转、行走及转向等功能，下车行走共有16 个车轮组（根据实际载重调整），可以灵活自如地在码头移动，而不受码头供电电源的影响。

图1 整机结构总图

2 控制器介绍

MHC 设备因其高效的作业性能，起升最高速度可达120 m/min，为了对系统功能的精确控制，其各机构配套采用的马达、液压泵站等所用的控制比例电磁阀众多。为此，为便于各机构功能动作的分布独立控制，自带多个CAN 总线通信接口及PWM/CC 输出管脚的工程车辆用控制器成为首选核心元器件。本设备电控系统的核心元件采用的是市场上应用成熟的芬兰EPEC5050 控制器系列，其自带一个Ethernet 网口、4 组CAN2.0B 通信管脚及65 个I/O 管脚，可以通过以太网接口将电气房、司机室及下车底盘控制器连接成一个小型局域网，调试人员只需一根网线即可实现随时随地下载或监控整机程序。另外，4 组CAN 通信口参数配置相互独立，可以任意连接CAN通信电气设备，不分主次，通信节点相互独立。

其主要性能参数如下：强大的运算能力，支持浮点数运算；双色LED 快速检测状态和错误；PWM 输出具有高侧电流反馈（不需要反馈针脚）；一个CAN 配备了2 只引脚，更易于连接电缆，线束无须分线连接。

3 系统硬件配置组态

硬件网络拓扑图如图2 所示，由硬件总线拓扑图中可以看出，系统硬件所用电气设备全部支持CAN 总线通信，按照不同机构所实现的功能及安装位置，整机设备配备7个控制器，分别为起升力矩控制器、变幅回转控制器、集装箱吊具控制器、司机室操作控制器、底盘行走控制器及左右转向控制器，7 个控制器之间互有关联而又相互独立，每个控制器的CAN1 口作为设备网络衔接的通信口，同时采用并联式拓扑结构形式分别联接在一条总线上，总线上的每个设备都分配了相应的节点地址和PDO 映射地址。每个机构对应的DI/DO/PWM 控制参数全部在各自控制器中进行逻辑编程设计，整机各个机构功能采用分布式控制，确保当某一个总线控制器节点丢失、通信中断而不会导致整机网络通信故障，其他机构可以正常工作。

图2 系统硬件总线拓扑图

控制器硬件配置组态界面如图3 所示，通过MultiTool软件首先添加各机构所用控制器，选择对应控制器的型号版本后，然后双击要配置机构的控制器可快速进入对总线节点地址、映射地址及I/O 管脚参数的设定。从配置界面可以清楚地看到，每个控制器管脚参数都是独立设定的，这样的配置形式为整机的分布式控制提供了强有力的硬件支持。

图3 硬件组态界面

4 系统软件设计

4.1 软件简介

整机功能动作主要有起升、回转、俯仰、行走、转向及支腿伸缩等6 个动作，支腿伸缩使用开关量控制，起升、回转、俯仰、行走、转向需要实现无级变速，从而保证各个机构动作的微动性。

该软件是在Windows下采用Codesys 软件开发的，采用的是PLC 语言（本系统使用了LDFBDSTCFC），主要用于整机运行(发动机监测、起升、回转、变幅、行走、转向、支腿伸缩)过程中的实时控制、切换与监测，通过7 个PLC (可编程控制器)建立网络拓扑结构，使用CAN 总线实现各个PLC 之间的通信，方便数据交换，增强了抗干扰能力，有效降低整机故障点。在软件中应用模块化设计，实现整机各机构分布动作控制。对于各个机构动作的压力数据、运行数据进行实时监测，确保设备的安全性、稳定性与可靠性。操作系统为Windows7 及以上。软件配置：安装Codesys 2.3。硬件配置要求：PC 机CPU 为2.0 GHz 以上，内存为2 GB 以上，硬盘为320 GB 以上，10/100 M 网卡；PLC 处理器32-Bit CPU，128 MHz；内存为8 MB ；电压为DC8.3～36.0 V。数据线：超5 类网线、Peak_USB。

图4 PLC系统集成图

4.2 软件编程

如图4、图5 所示，所有总线元器件通过CAN 总线分别与7 个PLC 进行通信，按照元件总线报文对总线元件在PLC 中进行数据解析使用，同时每个PLC 通过DI 输入端口、AI 模拟量端口采集整机控制系统的开关量信号、压力、温度等数据，经过PLC 逻辑判断后通过DO 模块、PWM/CC 模块输出至比例泵阀、马达阀、油缸等执行机构；7 个PLC 之间通过CAN1 总线端口连接通信，方便各个PLC 之间数据的传递与共享，以实现对整机控制系统的分布式控制。PLC 负责整机控制逻辑及运行状态信息的采集，PC 机负责监控信息的采集、显示、测试指令的发送，网线负责桥接PLC 与PC 机,实现对程序上/下载及实时监控。系统软件编程结构主要包括管理模块、数据处理模块、逻辑控制模块、数据显示模块，管理模块由设计帐户、调试帐户、客服帐户等3 部分组成；数据处理模块由数据采集及数据解析等2 部分组成；逻辑控制模块根据整机各机构动作要求，由数据标定、开关量控制、模拟量控制、机构参数设置等4部分组成；数据显示模块由整机运行状况显示、发动机数据显示、下车底盘数据显示、故障信息反馈及维护信息显示等组成。

图5 编程结构框图

4.3 功能块编辑

功能块按照设计功能编辑成内部数据变量输入输出的形式，当调用此功能块时只需链接至相应变量即可。输入变量统一以i_var 格式命名，输出变量统一以o_var格式命名，中间变量统一以m_var 格式命名；功能块调用如图6 所示，可以直接链接变量即可。

图6 功能块调用

5 结 论

通过一次次的项目磨合，不断地优化移动式港口起重机机型配置、调整修正编程逻辑参数，让客户最终获得更加优化的产品应用体验。经过客户现场实际使用效果反馈，基于CAN 总线的电控系统在移动式港口起重机上应用，总线的分布式数据传输优势提升了控制系统的可控性、连续性。该控制系统配置简单、可靠稳定、通用性强，有效地提升了整机的作业使用性能，保证了码头连续不间断的作业，为后续的产业化推广奠定了坚实的基础，具有广阔的市场前景。