RTG操作模擬器的設計應用

廈門集裝箱碼頭集團有限公司　陳瑞錦

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RTG操作模擬器的設計應用

廈門集裝箱碼頭集團有限公司陳瑞錦

該文探討輪胎式集裝箱龍門吊（簡稱“RTG”）操作模擬器的設計及應用，提出采用便攜式RTG遠程操作模擬器開展設備維修定檢，并著重介紹RTG無線操作模擬器的設計及應用情況，從而提高設備維修效率和減少操作司機加班次數。

輪胎式龍門吊 遠程操作 模擬器

0　引言

在港口集裝箱裝卸行業(yè)中，輪胎式龍門吊（以下簡稱“RTG”）是主要的堆場裝卸機械。由于設備成本高、工作效率高，RTG的維護是港口作業(yè)設備管理部門的一項重要工作任務。RTG采用了最先進的控制設備，需要有較強技術能力的技術人員進行維護保養(yǎng)與維修，也必須由受過專業(yè)及安全認證培訓的司機才能進行設備操作。這樣，經過認證的司機既要面對設備維護配合協助，也要全力保障裝卸生產。隨著生產規(guī)模的不斷加速擴大，有相應技能的司機人數出現較大缺口，設備維護水平與生產高效運行形成了一對矛盾。為解決這一問題，我們在開展RTG電控系統(tǒng)改造時設計了RTG操作維修模擬器，設想通過一個遠程控制臺（可無線接入）由維修人員隨身攜帶，根據需要操作RTG的各個機構，確保定檢達到良好的效果。

RTG操作模擬器的設計思想來源于日常維修吊具用的吊具模擬器。吊具是碼頭裝卸設備必備的關鍵部件，一般吊具故障占設備故障的比例達30%。因此，為保障吊具穩(wěn)定、可靠地運行，需要不斷地定期檢修維護、反復測試，以達到良好的工況。而從設備上換下的吊具一般通過吊具模擬器來測試工況。技術人員通過一邊操作吊具機構一邊查找發(fā)現問題，不影響裝卸作業(yè)。因此，通過設計RTG操作模擬器將司機操作聯動臺改成了可移動式，這樣它既可以作為通用型的吊具模擬器，還可以用于其他機構的動態(tài)定檢，特別是制動器調整等方面的應用。

另外，為了能較快培養(yǎng)出一批港口機電設備維護保養(yǎng)與維修的高技能技術人才，應當讓新進的技術人員有一個真實的實踐培訓環(huán)境，但由于裝卸作業(yè)繁忙、設備價格昂貴及運行費用高等問題，不可能讓新進技術人員在作業(yè)現場停機很長時間來學習設備保養(yǎng)維修技能。為此，通過一個可模擬操作的控制器來幫助他們掌握設備機構動作原理及性能調整等知識，使新員工具有一定的設備維護與維修的實踐能力。另外，著眼長遠，眼下RMG、RTG的遠程自動化操作是近年國內許多碼頭正在開展的一項主要改造項目。RTG遠程操作聯動臺通過PC，一個模擬聯動臺可實現對多臺設備的控制與操作，對將來港口自動化有著較好的技術論證作用。

1　設計思路及主要技術環(huán)節(jié)

首先，我們列出了綜合裝置的設計需求：

（1）具備充足的便攜性及連接RTG設備的穩(wěn)定快捷性。

（2）可連接不同的PLC系統(tǒng)，即支持Siemens、GE、Yaskawa等系統(tǒng)PLC的接入。

（3）具備簡潔的可操作性，能實現不同RTG操作之間動態(tài)、快速的切換。

（4）操作人員可以進行大車點動、小車起升、固定速度運行及吊具功能等動作。

（5）方便進一步擴展功能，實現一對多的無線控制操作，并對故障予以實時顯示、反饋。

根據以上所列舉的需求，進一步進行方案配置的細化及現場調研，得到如下結果：

一是便攜、穩(wěn)定、可靠性的設計。根據現場實際工作環(huán)境，RTG遠程模擬操作臺尺寸要做到盡可能小，其重量要小于10kg，還要堅固牢靠，防水防塵防油污。

二是要實現連接多種不同的PLC系統(tǒng)，應考慮在裝置內設置安裝有OPC（開放對象過程控制接口）的微型PC。

三是要實現動態(tài)快速切換所控設備，應能在模擬裝置上安裝可視的小型多功能PLC裝置。

通過以上設計，可以滿足第（4）、（5）項需求。RTG操作模擬器的具體系統(tǒng)框圖設計如圖1所示。

圖1　

參考RCMS抄表系統(tǒng)的相關配置，小型可視化PLC選取了HORNER XL7 一體機系列，它集成了I/O功能、2路以太網通信、2路串口通信、7寸屏人機交互HMI組態(tài)。微型PC選取ADVANTECH的ARK1503工控機，它體積小、接口豐富。OPC軟件有很多產品可以選擇，有Siemens simatic OPC， ABB MicroSCADA， KEPware KEPServer EX等。KEPServer Ex 運行環(huán)境要求不高，網絡傳輸延遲少，安裝方便，在ARK1503上測試安裝效果好。在模擬臺控制PLC組態(tài)平臺中選擇設備號，Horner PLC 將自動更改OPC 軟件對應設備號的IP地址，從而實現對該臺設備的監(jiān)控。整體模擬器軟件結構上數據流示意如圖2所示。

圖2　

Horner PLC系統(tǒng)部分負責采集聯動臺 I/O數據，通過PLC與PC之間的通信收發(fā)交互2個DWORD （RTG通信接收控制字）。RTG PLC與KEPserver Ex OPC通信收發(fā)2 個DWORD：

系統(tǒng)以CIMPLICITY 軟件作為控制平臺。CIMPLICITY軟件安裝在 ARK1503主機上，后臺設置 OPC 及CIMPLICITY自動運行，負責讀取模擬臺 PLC數據，通過PC將數據傳遞到RTG主控制PLC中。讀取RTG PLC數據，通過PC將數據傳遞到模擬臺控制PLC中。

其次，配置簡易版的RTG操作模擬器。RTG操作模擬器面板上選取安裝有可視化多功能的HORNER PLC，以及控制需要的所有指令開關、信息反饋用的所有指示燈系列，如圖3所示。

圖3　

由于模擬臺空間限制，Horner PLC提供HMI（人機界面）組態(tài)功能，輔助模擬臺顯示，指示燈功能（由于指示燈不夠，由可視PLC系統(tǒng)提供頁面組態(tài)輔助顯示），IP 地址顯示（系統(tǒng)提供聯動臺PLC，控制PC，RTG操作PLC IP地址），故障顯示功能（系統(tǒng)提供聯動臺PLC—控制PC通信故障，RTG操作PLC與控制PC通信故障顯示），如圖4所示。界面通過Crane ID，可輸入設備號的控件按鈕進行操作對象的IP地址切換。人機界面右下角設計系統(tǒng)關機控件按鈕，使安裝有OPC的微型工控機能正常通過響應關機指令而關閉。

圖4　

目前設備定檢通常有4個技術人員參與，2人負責機械檢查，2人進行電氣設備整修保養(yǎng)。在不運行設備的時候即不需要司機配合情況時為靜態(tài)檢查，檢查項目包括設備外觀檢查、筋構件檢查、發(fā)動機保養(yǎng)、吊具緊固、輪胎、蓄電池等。許多靜態(tài)檢查發(fā)現的問題也可能需要司機參與配合。而在設備定檢時，許多動態(tài)檢查項目則需要司機全程配合檢修，比如，鋼絲繩潤滑檢測、吊具功能檢查、轉場機構、聯動臺、電氣限位工況、軸承、滑輪等項目。而電氣方面要求做到設備各個機構操作運行的完整測試，定檢人員有時需要兼顧操作及狀態(tài)監(jiān)視。因此，操作模擬器有必要設置定檢環(huán)節(jié)。

2　運行安全設計

模擬器操作安全是模擬器裝置設計非常重要的環(huán)節(jié)。操作安全上，需考慮包括司機操作及模擬器操作的并列運行和切換、設備故障的處理、通訊狀態(tài)檢測、信號延遲問題等。由圖2可知，原RTG主PLC的運行程序必須相應進行修改，以適應有模擬器加入控制的狀態(tài)。在RTG下方原緊急停止按鈕旁安裝一個防護級別的模擬器操作及駕駛室操作選擇開關，采用模擬器控制時將開關選定相應位置即可。在 RTG PLC中，設計并列運行的機構控制運行指令進行切換運行，如圖5所示。

圖5　

模擬器具備移動功能，因此需要設計無線連接，即使用Wifi操作。該模擬臺設計有兩種通信連接模式：（1）網線直接連接；（2）通過無線方式連接。選用 2個非工業(yè)級、型號TL-MR12U、帶后備電源功能的無線路由器，一個設備直接接在原RTG已有的CMS及PLC網絡中，另一個設備連接到模擬器的HORNER PLC網絡中。其中一臺設備采用AP模式，另一臺采用中繼模式，在RTG小車頂使用模擬器時，連接原RCMS的網絡；在地面時，連接新裝的TL-MR12U裝置。由于無線網絡難免存在通訊信號強弱的問題，需要在RTG主PLC程序中編寫相應的檢測程序，進行通訊狀態(tài)的識別及處理，以保障數據通訊延遲在一定的限度內，確保指令與動作的一致和實時性。圖6是其中一段主要的程序段，用于檢測通訊延遲情況，原理是利用設計的專用通訊數據實時累加在一個完整的發(fā)送和接收過程前后進行比較，其累加差值應保持在一個相對確定的范圍。

圖6　

當然還有其他許多安全設計，均體現在兩個PLC程序的編寫上。比如，模擬臺操作指令初始狀態(tài)的檢測、設備故障的處理等等，都有相應的程序加以優(yōu)化和保護。

3　結論及展望

設計用于輪胎式龍門吊的移動操作模擬器可以有效減少參與配合維修的RTG司機人數，降低司機加班時間，并有效提高設備維修定檢的質量。RTG操作模擬器的設計使用，在充分考慮安全性的基礎上，避免繁瑣復雜的人工往返操作，降低了勞動強度。當前，半自動化及全自動化無人操作堆場改造已成為國際趨勢，它能很好解決晝夜操作對碼頭平衡效率的要求，對于提高集裝箱堆場和設備的利用率、降低運營成本起到非常重要的作用。RTG模擬器的測試及應用能較好地為未來進一步在 RTG上使用集裝箱碼頭自動化無人操作技術提供很好的技術儲備。

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