集裝箱起重機吊具通信系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及改造

屈東升

隨著集裝箱運輸在全球范圍內(nèi)蓬勃發(fā)展，港口集裝箱裝卸作業(yè)量也持續(xù)增長。作為裝卸集裝箱的主要工具，集裝箱起重機吊具的工作狀態(tài)直接影響港口集裝箱作業(yè)效率;因此，提高集裝箱起重機吊具的作業(yè)效率、安全性和可靠性至關(guān)重要。

1 集裝箱起重機吊具主要通信系統(tǒng)

從早期的固定式到可伸縮式，再從固定雙箱式到可移動雙箱式，集裝箱起重機吊具功能日益豐富，作業(yè)效率逐漸提升，技術(shù)要求也日益復(fù)雜：從最早的直線控制到需要十幾個輸入輸出點位，再到目前需要獨立的可編程邏輯控制器系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。吊具可編程邏輯控制器系統(tǒng)與起重機主機系統(tǒng)之間有點對點和兩線制兩種通信模式。在點對點通信模式下：吊具通過垂纜將吊具信號和指令傳輸至主機可編程邏輯控制器，以實現(xiàn)相應(yīng)的編程控制。受吊具

垂纜纜芯數(shù)量的限制，該通信模式在指令信號傳輸、實時監(jiān)控、遠程維護等功能擴展上面臨瓶頸。在兩線制通信模式下：吊具利用不同功能的兩芯線，通過相應(yīng)的通信協(xié)議將信息傳輸給主機，主機可編程邏輯控制器根據(jù)Profibus DP傳輸?shù)臄?shù)據(jù)完成相應(yīng)編程。[1]目前，集裝箱起重機設(shè)備中應(yīng)用比較廣泛的兩線制通信模式主要有執(zhí)行器-傳感器接口（actuator-sensor interface，ASI）總線系統(tǒng)和控制器局域網(wǎng)絡(luò)（controller area network，CAN）總線系統(tǒng)兩種模式。

1.1 ASI總線系統(tǒng)

作為廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域的分布式輸入輸出總線技術(shù)，ASI總線系統(tǒng)通過現(xiàn)場執(zhí)行器-傳感器與主站控制器雙向通信的總線網(wǎng)絡(luò)，借助相應(yīng)的網(wǎng)關(guān)功能，實現(xiàn)與多種通用現(xiàn)場總線（如Profibus DP、Profinet及CAN等）的連接。在傳統(tǒng)集裝箱起重

機吊具通信模式下，由于可編程邏輯控制器安裝在吊具上，通信系統(tǒng)易受吊具全天候作業(yè)和作業(yè)沖擊力大等因素的影響，存在信號穩(wěn)定性差、無法遠程監(jiān)控吊具程序、故障排查不便等問題。相比之下，集裝箱起重機吊具ASI總線系統(tǒng)通過專用扁平電纜連接吊具信號與起重機主控系統(tǒng)，由布置在司機室內(nèi)的吊具可編程邏輯控制器控制吊具動作，具有模塊安裝簡便、信號傳輸可靠等優(yōu)點，能夠最大限度地降低故障率，大大提高吊具電控穩(wěn)定性。[2]

1.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）主站模塊 ASI總線主站模塊相當(dāng)于整個系統(tǒng)的“大腦”，能在1個掃描周期內(nèi)完成與從站的通信任務(wù)，并能基于其內(nèi)部的集成電路芯片和專用微處理器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)、功能參數(shù)配置和系統(tǒng)診斷等功能。吊具ASI主站多選用西門子CP343-2模塊，采用西門子 S7-300電控系統(tǒng)，可實現(xiàn)吊具ASI總線網(wǎng)絡(luò)與起重機主機Profibus DP網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)和溝通，進而實現(xiàn)電控系統(tǒng)統(tǒng)一的有效化運作。

（2）從站模塊 ASI從站模塊的作用是連接現(xiàn)場輸入輸出設(shè)備。ASI總線系統(tǒng)戶外型模塊一般采用膠封結(jié)構(gòu)，防護等級達到IP67，能較好地應(yīng)對戶外環(huán)境和較大的沖擊力，故其滿足集裝箱起重機吊具的工況需求。目前應(yīng)用較多的是易福門AC24XX系列數(shù)字量從站模塊和西門子3RK1207-2BQ40-0AA3模擬量輸入從站模塊。

（3）ASI電源模塊 ASI電源為符合ASI規(guī)范的專用30 V 直流載波電源，直接與數(shù)據(jù)線連接，在作為通信載波基礎(chǔ)電源的同時為低功率傳感器系統(tǒng)供電。ASI總線系統(tǒng)30 V 直流電源必須在對稱、非接地的條件下工作。為了達到電磁兼容的要求，ASI電源正極應(yīng)維持在對地+15 V，負極應(yīng)維持在對地15 V，并且屏蔽線應(yīng)接地。

（4）終端電阻器 為了提升通信性能和減少通信干擾，在ASI總線系統(tǒng)通信電纜末端安裝終端電阻器。

（5）其他輔助元件 在實際應(yīng)用中，用戶可以結(jié)合自身實際需要配置模塊連接器、底板、ASI專用電纜以及中繼器和從站服務(wù)器等輔助元件。

1.1.2 系統(tǒng)應(yīng)用效果

集裝箱起重機吊具ASI總線系統(tǒng)布線簡單，支持各種總線拓撲，采用星形連接布線方式，便于施工;相關(guān)模塊和電纜使用穿刺安裝方式，有助于提升安裝效率，降低施工難度，節(jié)省施工時間。不過，ASI總線系統(tǒng)也有明顯缺點：若信號傳輸距離超過100 m，則會因信號不穩(wěn)定而導(dǎo)致通信質(zhì)量下降。目前，隨著船舶大型化趨勢不斷發(fā)展，集裝箱起重機起升高度逐步增加，相關(guān)通信系統(tǒng)信號傳輸距離也相應(yīng)增加;因此，上述缺點已成為制約ASI總線系統(tǒng)推廣應(yīng)用的瓶頸。此外，ASI總線系統(tǒng)模擬量信號傳輸較慢，若吊具系統(tǒng)有多路模擬量信號，則信號傳輸周期較長，會直接影響吊具伸縮定位精度。

1.2 CAN總線系統(tǒng)

CAN總線是由博世公司開發(fā)的一種現(xiàn)場串行通信協(xié)議總線，其最初應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，可以使用雙絞線來傳輸信號。由于CAN總線使用成本低且可靠性較高，現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于工業(yè)測控和工業(yè)自動化領(lǐng)域。CAN總線系統(tǒng)包括物理層信令、物理介質(zhì)附件和介質(zhì)從屬接口等3個物理層，媒體接入控制、邏輯鏈路控制等2個數(shù)據(jù)鏈路層，以及CANopen應(yīng)用層。CAN總線系統(tǒng)的優(yōu)點包括：（1）具有完整的串行數(shù)據(jù)通信機制;（2）提供實時支持;（3）信號傳輸速率高達1 Mb/s;（4）具有11位尋址及檢錯能力;（5）能通過Profibus DP和Profinet DP等網(wǎng)關(guān)進行轉(zhuǎn)換，并能與其他通信方式進行現(xiàn)場總線連接。與其他現(xiàn)場總線系統(tǒng)相比，CAN總線系統(tǒng)通信速率較高，實現(xiàn)途徑更為便捷，且性價比較高，目前已形成國際標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)場總線發(fā)展趨勢。

目前，集裝箱起重機吊具大多采用CANopen總線系統(tǒng)，其實質(zhì)為架構(gòu)在CAN上的高層通信協(xié)議，包括通信子協(xié)議和設(shè)備子協(xié)議，常被應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，即在CAN的基礎(chǔ)上再定義用戶層。集裝箱起重機吊具可編程邏輯控制器一般配置2個以上CAN通信端口：一個用于吊具自身CAN通信系統(tǒng)，另一個用于起重機通信模塊系統(tǒng)。

1.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）控制器 控制器也稱主站，其作為CANopen系統(tǒng)的指揮中樞，負責(zé)與從站通信，具備功能參數(shù)配置、數(shù)據(jù)收發(fā)和系統(tǒng)診斷等功能?？刂破髦饕捎嬎闾幚硇酒?nèi)存、輸入輸出點、CANopen通信端口等組成。集裝箱起重機吊具選用的控制器多為易福門CR0020、CR0505、CR0032系列控制器。

（2）CAN模塊 模塊也稱從站，CANopen系統(tǒng)可以并聯(lián)多個從站。主站與從站通過CanH和CanL通信電纜連接。通信電纜可使用普通電纜，但在與動力電纜一起敷設(shè)時須選用帶屏蔽層的電纜。集裝箱起重機吊具選用的從站多為易福門CR9056、CR9058系列從站。單個易福門CR系列從站最多可掛載16個輸入輸出接口，即每個從站最多可以接入8個輸入和8個輸出物理量信號，并同時支持開關(guān)量和模擬量信號輸入。

（3）CANopen電源模塊 CANopen系統(tǒng)無須配置專用電源模塊，采用普通24 V電源模塊即可。

（4）CANopen系統(tǒng)電阻 集裝箱起重機吊具本身的CANopen系統(tǒng)在最遠端2個從站的CanH與CanL通信電纜之間各掛載1個120電阻器，從而使得整個CANopen系統(tǒng)CanH與CanL通信電纜之間的總電阻為60。同理，吊具可編程邏輯控制器與起重機端通信模塊之間CANopen系統(tǒng)的電阻也為60。

（5）其他輔助元件 CANopen系統(tǒng)無需其他輔助元件。另外，只要符合CANopen通信協(xié)議的系統(tǒng)均可掛載到該系統(tǒng)上使用，其中包括遠程狀態(tài)檢測系統(tǒng)等。

1.2.2 系統(tǒng)應(yīng)用效果

CAN總線系統(tǒng)采用雙線串行通信方式，檢錯能力強，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作，具有物理層穩(wěn)定、實時性強、傳輸距離遠、抗電磁干擾能力強、使用成本低等優(yōu)點。CAN總線系統(tǒng)采用分模塊運行模式，各個模塊同時運行，具有可靠的檢錯和錯誤處理機制：當(dāng)發(fā)送的信號遭到破壞時，可自動重發(fā)，并且節(jié)點在錯誤嚴重的情況下可自動退出總線，避免總線因個別節(jié)點錯誤而“死鎖”，從而極大地提高集裝箱起重機吊具工作安全性和可靠性。此外，CAN總線系統(tǒng)線纜敷設(shè)簡單，線芯數(shù)量較少，突破吊具原有垂纜線芯的限制，實現(xiàn)模擬量信號傳輸，大大豐富吊具功能。不過，需要注意的是，電動吊具的變頻電機控制對CAN總線通信干擾較大，雖然可通過屏蔽和接地等措施減少干擾，但并不能從根本上解決問題。可見，CAN總線系統(tǒng)針對集裝箱起重機吊具各種工況的抗干擾能力仍有提升空間。[3]

2 集裝箱起重機吊具通信系統(tǒng)改造

隨著港口集裝箱起重機及其配套吊具的更新?lián)Q代，越來越多的吊具采用CAN總線系統(tǒng)，而ASI總線系統(tǒng)因其傳輸距離較短、抗干擾能力較差、模擬量信號傳輸較慢等缺點而逐漸被市場淘汰。針對部分集裝箱碼頭現(xiàn)有的ASI總線系統(tǒng)吊具，目前主要有以下改造方案：（1）將ASI總線模式吊具改造為CAN總線模式吊具，同時改造起重機司機室相關(guān)通信設(shè)備，該方案適用于原有吊具均為ASI總線模式的優(yōu)化改造;（2）改造起重機司機室相關(guān)通信設(shè)備，通過增加專用網(wǎng)關(guān)和修改主控程序等，實現(xiàn)ASI和CAN兩種總線模式吊具在同一起重機上的互換使用，該方案適用于擁有兩種總線模式吊具的集裝箱碼頭，或者目前在用ASI總線模式吊具，但近期需要陸續(xù)更換新的CAN總線模式吊具的集裝箱碼頭。集裝箱碼頭應(yīng)結(jié)合其集裝箱起重機現(xiàn)有狀況、在用吊具通信模式、近期是否采購新吊具等因素綜合考慮，選擇最適合自身實際的吊具通信系統(tǒng)改造方案。

3 結(jié)束語

當(dāng)前，隨著自動化集裝箱碼頭建設(shè)的興起，集裝箱起重機吊具相關(guān)技術(shù)也逐步革新，市場已經(jīng)出現(xiàn)配備光纖的吊具垂纜，但其存在價格較高、使用壽命較短等缺點。隨著無線通信技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)的快速發(fā)展，尤其是工業(yè)無線技術(shù)的逐步應(yīng)用，預(yù)計在不久的將來，集裝箱吊具與起重機主機之間的通信模式會逐步優(yōu)化和完善。

參考文獻：

[1] 儲惠寧，湯金海. 集裝箱吊具PLC、通信總線設(shè)計選型以及發(fā)展展望[J]. 科學(xué)與信息化，2018（16）：66-67.

[2] 王旭剛，楊碧洲. ASI總線控制系統(tǒng)在雙箱集裝箱吊具中的應(yīng)用[J]. 信息周刊，2019（5）：15.

[3] 錢曉青，吳春峰. CAN 總線技術(shù)在ZPMC集裝箱吊具上的應(yīng)用[J]. 工程技術(shù)，2017，30（3）：96.

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2020-02-13）