多地控制装船机电气系统的应用

朱晨嵘

上海振华重工（集团）股份有限公司 上海 200125

0 引言

随着行业不断地发展，用户对装船机的使用要求也越来越高，由于散货码头环境较为恶劣，粉尘污染较大，无人化的装船机越来越受到用户的青睐，在远离码头面数公里的操作室中实现现场一样的操作状态，远离了污染区，又保证了作业效率。在装船作业接近尾声时，平舱作业又需要司机在船舱口进行操作，保证船舱无死角，无线手柄控制成为最好的舱口作业工具，集本地司机室，远程操作站，无线手柄为一体的三地控制的装船机成为各个码头所推崇的新控制模式。

1 总体设计

1.1 主机构电气驱动硬件配置

主机构包括大车机构、俯仰机构、回转机构、伸缩机构、悬臂输送带机构等。大车、俯仰、回转、伸缩均由ABB ACS880系列单传变频器驱动，通讯方式采用ProfibusDp协议，悬臂皮带由高压驱动。装船机配置2个高压变压器，主变压器为800 kVA容量，为大车、俯仰以及其他辅助电动机供电，辅助变压器为100 kVA容量，分别给回转，伸缩以及照明供电，其中该机型配置岸电接线箱，与辅助变压器主电源机械互锁，防止变电所供电故障导致设备停机，装船机可以在岸电下使臂架机构应急作业到安全位置。控制回路配置4 kVA控制变压器，可起到隔离作用。

该装船机各主机构的配置绝对值编码器，精准计算主机构的位置，具备断电保持功能。各主电动机同时配置速度编码器，实时速度反馈，做到闭环控制，使各机构更安全稳定。

该装船机各低压回路采用SND系列低压产品，照明配置漏电保护开关，接触器均配置阻容，低压进线电源及岸电总电源均配置相序检测装置，各断路器容量与用电器经过合理的选型运算及分配，以保证各个用电器的安全，同时实现较佳的经济效益。

本电气系统所搭载ABB ACS880系列变频器，其适用于各种工艺、自动化系统，满足电动机驱动应用的需求。主机构动力单线图如图1所示。

图1 主机构动力单线图

1.2 主PLC控制部分硬件配置

多地控制的装船机电气系统主要由上电气房、下尾车电气房、司机室电气房、远程操作站等组成，PLC主控制器安装在上电气房。下部电气房、司机室、远程操作站作为远程IO站。主PLC采用SND M580系列PLC，其具有灵活的拓扑结构，可以借助软件的综合集成功能方便地集成各种设施，可以将远程设备、分布式设备等集成在同一以太网通信网络段上，可通过以太网通讯背板透明访问数据，通过位于远程I/O通讯模块上的服务端口便捷地实现与人机交互界面(Human Machine Interface，HMI)的整合，具有 AS-I 总线、Modbus、Profibus、HART 等接口，与其他通用现场总线、设备通信网络进行整合。

司机室配有远程IO站和HMI，各机构设有绝对值编码器、变频器和速度编码器，高压柜采用Profibus DP通讯方式，司机室HMI通过以太网接口模块与主PLC实行数据交换。

2 软件设计

2.1 编程软件

本装船机应用SND UnityPro编程软件，对装船机进行软件设计，PLC采用STL/LAD/FBD/C等编程语言环境，这3种编程方式各有其特长，主机构驱动控制部分运用采用标准化FBD语言格式，逻辑功能采用LAD梯形图编程，FBD功能块中运用STL或C语言进行编程，程序结构采用3种编程语言相结合的方法，具备更好的可读性，构建整个程序模式切换的逻辑回路，使程序兼具标准化及个性化。

2.2 司机室触摸屏

司机室HMI画面针对司机操作习惯设计（见图2），集成所有机构限位工作状态，主画面显示各主机构状态、中控状态、主机构限位工作状态，同时可以切换各个机构单独画面，司机可以根据现场作业情况切换相应画面，观察各机构实时工作状态，该触摸屏总共可以显示装船机500余条故障报警和警告，司机可以将故障反馈，并第一时间处理。

2.3 起重机管理系统

电气房和远程操作站配置起重机管理系统（Crane Monitoring System，CMS）和起重机远程管理系统（Rmote Crane Monitoring System，RCMS），该系统针对技术人员设计，显示信息更为多样化，具有画面回放功能，故障记录功能可以对需要采样的数据进行设置，其能够按照设定的时间间隔记录到文件，供起重机维护管理时查询。RCMS设置在远程操作站，位于距离装船机约3 km的中控室，对起重机状态进行监控，技术人员无需在本地监控起重机。画面如图2所示。

3 多地控制电气系统

本装船机具备三地控制功能，即常规的司机室操作、3 km外远程操作、舱口无线遥控操作。由于远程站操作越发便捷安全，辅助平舱作业用无线手柄在舱口操作，3 km外远程操作、舱口无线遥控操作2种操作方式的配合使用已经可以完全替代传统意义上的司机室作业。

3.1 司机室本地操作

司机室位于门座架上，可以观察输送带及物料情况，亦可通过摄像头画面观察舱口、大车、电缆卷盘等机构工作状态，司机室座位两侧的联动台可以实现装船机的所有操作。正常生产时，选用司机室操作，司机室拥有主控权，当司机室选择本地，并通过观察触摸屏 控制合允许指示为绿色时，表示装船机准备就绪，此时按下控制合按钮，当带灯按钮为绿色指示灯时，表示装船机已处于司机室操作模式，同时司机室触摸屏司机室控制合显示绿色，其他操作站无法控制操作；当司机室选为远程操作时，其他操作站具备控制权。（装船机只允许在一个操作站进行控制操作，当一站点进行控制操作时，其他站点均失去控制权，任何站点的紧停按钮在任何时候都具有急停装船机功能）。司机室联动台布置如图3所示。

图3 司机室联动台布置图

司机室与主PLC间采用以太网进行通讯，由于司机室与电气房仅间隔20 m左右，所以电气房主PLC网口与司机室网络接口模块BMXCRA31210直接采用以太网线连接，另一网口连接型号为DT752人机界面，该人机界面尺寸为15.6 in的宽屏多点触摸屏，触摸屏编程软件为VijeoDesigner。司机室通讯图如图4所示。

图4 司机室通讯图

3.2 远程操作站操作

本装船机远程操作系统主要是在中控操作台上实现装船机单机状态的监控和远程操作功能。远程操作需要在中控远程操作台配备一名操作人员，代替原先装船机上司机室内的操作人员，其他人员不变。

在进行远程站操作时，操作人员需要通过操作台上的按钮和主令手柄操作机构动作，通过指示灯/蜂鸣器/显示屏信息监控装船机状态。

如图5所示，远程站与主PLC间采用单模光纤转以太网进行通讯，采用SND的单模子站通讯模块NRP0201，传输最大距离达到15 km，该光纤转换器通过光缆在2个或多个 Quantum EIO节点或网段之间提供通讯。每个光纤转换器都具有2个Ethernet 网络接口和2个光纤接口，上下一一对应，用于从铜芯缆线到光缆以及从光缆到铜芯缆线的介质转换。单个介质转换器的最大转发延迟为5 μs。

远程操作站控制面板集成司机室联动台的所有功能，操作台符合人体工学，可自动升降。装船机的所有摄像头画面和RCMS画面集成于6个显示器中，与司机室操控环境相同。

启动方法为：1）在装船机司机室，控制分→模式旋钮从本地选择至远程；2）在中控操作台，选择→控制合，此时，操作台控制合指示灯亮，RCMS界面上远程操作站控制合信号变绿，则启动成功。远程操作站面板布置如图6所示。

图6 远程操作站面板布置图

3.3 无线手柄操作

无线手柄可以使司机在船舱舱口实现装船的基本功能，有利于司机更好的观察船舱装船情况，更直观地控制溜筒和抛料板对船舱死角进行装船填补作业。无线手柄与主PLC采用Profibus-DP通讯方式，该系统由1个遥控发射器，1个遥控接收器组成。该系统通讯有效距离为100 m，系统工作温度为-25℃～40℃；该遥控系统性能稳定，反应迅速，抗干扰能力强。

3.3.1 无线手柄与PLC通讯功能实现

无线手柄与主PLC之间采用Profibus-DP通讯方式，通过协议转换器将以太网转成现场总线进行数据交互。Profibus 是一种与制造无关的、开放的广泛应用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他领域自动化的现场总线标准。广泛应用于其他自动化领域，如制造自动化、工艺工业自动化、建筑自动化、交通运输、电力等。

Profibus-DP用于数据链路层的高速数据传输。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。Profibus-DP 提供智能设备所需的非周期性通信功能，除了周期性的用户数据传输外，还包括组态、诊断和报警处理等。该通讯方式较好的支持第三方硬件，通过配置文件（Gerätebe Schreibungs Datei，GSD）与主PLC建立连接、收发信号，是工业控制中与第三方设备应用最多的通讯方式。无线手柄通讯示意如图7所示。

图7 无线手柄通讯示意图

3.3.2 无线控制功能软件配置及实现

在SND UnityPro软件中配置GSD文件，名称为PM125，搭载在上部电气房的PRM_Gateway网关下，地址节点为8，模块配置为16字输入，16字输出。

状态输出为

1.HandleWirelessSignalLoss 无线手柄通讯信号丢失

2.控制输入：

3.WirelessHandle_EmergStop 无线手柄紧停

4.WirelessHandle_Lock 无线手柄锁定

5.WirelessHandle_SlewingRight 无线手柄回转向右

6.WirelessHandle_SlewingLeft 无线手柄回转向左

7.WirelessHandle_StretchBackward 无线手柄臂架伸缩向后

8.WirelessHandle_StretchForward 无线手柄臂架伸缩向前

9.WirelessHandle_ChuteStretchUp 无线手柄溜筒向上

10.WirelessHandle_ChuteStretchDown 无线手柄溜筒向下

11.WirelessHandle_MoveHouseFinish 无线手柄移仓完成

12.WirelessHandle_MoveWareHouseReq 无线手柄移仓请求

13.WirelessHandle_BoomBeltStopReq 无线手柄悬臂皮带停止请求

14.WirelessHandle_BoomBeltStartReq 无线手柄悬臂皮带启动请求

15.WirelessHandle_ChuteSwingBack 无线手柄溜筒摆动向后请求

16.WirelessHandle_ChuteSwingFor 无线手柄溜筒摆动向前请求

17.WirelessHandle_LatchUpDown 无线手柄抬钩/落钩请求

18.WirelessHandle_TotalFlowReset 无线手柄累积量清零

19.WirelessHandle_AlarmReq 无线手柄声光报警请求

20.WirelessHandle_ControlOnReq 无线手柄控制合请求

21.WirelessHandle_ControlOffReq 无线手柄控制断请求

22.WirelessHandle_FaultReset 无线手柄故障请求

23.WirelessHandle_Chute90Degree 无线手柄溜筒垂直请求

24.WirelessHandle_FloodLightOnReq 无线手柄投光灯开启/关闭

25.WirelessHandle_SparyOnReq 无线手柄喷淋启动/停止

该手柄以1个状态输入控制装船机因无线手柄信号丢失做保护停机使用，23个状态输入作为无线手柄对装船机的指令，满足驾驶员在船舱口对装船机各个主机构的控制，进行平舱作业，使装船效率更高，船舱利用率更高。

4 系统优势

1）操作作业环境改善 传统装船机司机在司机室操作装船机，现场作业环境很差，粉尘较多，影响作业人员身心健康，远程操作站可安装于装船机15 km范围内的任何地方，并将装船机所有摄像头信号传输至远程操作站，操作环境与司机室相同同时避免环境污染对操作人员的伤害。

2）现场无人化 目前许多码头用户追求现场作业的无人化，减少作业现场用人成本，避免现场作业人员的危险情况的发生，由于是大型机械设备作业现场，无人化的生产环境可以大大增加操作人员的安全，远程站实现无人化码头的作业要求。

3）增加装船利用率 本操作系统配置无线手柄功能，司机在船舱口完成平舱作业，装船无死角，船舱使用效率更高。

4）应用范围广 目前多地控制已在多个码头进行使用，用户在中控室中安装远程操作站，对堆场、码头面的所有设备均可进行远程无人化作业，作业效率与司机室操作相同。

5 系统应用总结

多地控制装船机在传统装船机的基础上增加远程操作站，无线手柄功能，使用户在选择上更多样化，司机作业环境更加人性化，装船效率最大化，该控制系统具有以下特点。

1）具备远程操作功能，采用光纤子站模块NRP0201，采用单模光纤，最大传输距离为15 km，并将整机摄像头画面全部传输至远程站，不影响司机操作习惯的同时为司机创造更好的工作环境，作业现场无人化。

2）该系统具有无线手柄功能，采用DP通讯方式，通讯有效距离达到100 m，满足舱口作业距离要求，司机在舱口平舱作业时，更容易观察到船舱死角，从而使装船效率更高。

3）主PLC采用SND Modicon580系列PLC，为整机电气系统提供了稳定的网络，更高的安全性。

4）各操作站均配置起重机管理系统，分别在司机室、上部电气房、远程操作站配置起重机管理系统，无线手柄显示屏也可显示故障，起重机管理系统记录和提示报警信息、参数设定、显示起重机运行的参数，并且能够记录起重机的操作记录用以数据分析。

5）电气系统所搭载的 ABBACS880 系列变频器满足电动机驱动应用的需求，适用于各种工艺，自动化系统。

6）本装船机程序采用STL/LAD/FBD/C等编程语言，具有很高的可读性，各主机构的采用功能块编写，标准化程度高。

7）本装船机系统各主机构配置绝对值编码器和速度编码器，可提供更好的位置判断和速度反馈，使电气控制上更安全可靠。