集裝箱起重機吊具智能化管理升級改造

李鑫

集裝箱起重機是集裝箱碼頭吊運集裝箱的主要設備，其吊具是唯一與集裝箱直接接觸的部件。吊具長時間在壓力和震動環(huán)境下工作，故障率和更換頻率較高;因此，大多數(shù)集裝箱碼頭配置吊具數(shù)量較多，這給吊具管理工作帶來一定挑戰(zhàn)。為了確保吊裝作業(yè)安全，需要統(tǒng)計吊具起吊次數(shù);但在實際操作中，吊具起吊次數(shù)統(tǒng)計費時費力。若能通過技術手段優(yōu)化吊具起吊次數(shù)統(tǒng)計，實現(xiàn)吊具自動識別和起吊次數(shù)自動統(tǒng)計功能，將大大節(jié)省人力，降低集裝箱碼頭運營成本。為此，基于遠程起重機管理系統(tǒng)（remote crane management system，RCMS）實施吊具智能化管理升級改造，建立全新的吊具遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)吊具自動識別和起吊次數(shù)自動統(tǒng)計功能。

1 傳統(tǒng)集裝箱起重機吊具起吊次數(shù)統(tǒng)計

方法及其弊端

在吊具起吊集裝箱的過程中，集裝箱質量主要由吊具旋鎖承載。受制于旋鎖機構特點及其金屬特性，吊具旋鎖起吊次數(shù)及其使用壽命有限。一般情況下，技術人員定期監(jiān)控、記錄吊具起吊次數(shù)，并在其達到一定作業(yè)量后對旋鎖進行探傷檢測，以便根

據(jù)檢測結果確定是否更換旋鎖，但在實際操作中存在以下問題：一方面，由于吊具更換頻繁，難以精確統(tǒng)計旋鎖起吊次數(shù);另一方面，旋鎖起吊次數(shù)統(tǒng)計耗時耗力，并且容易出現(xiàn)漏記、誤記等問題。雖然吊具電箱配備統(tǒng)計旋鎖起吊次數(shù)的計數(shù)器，但其通過脈沖信號計數(shù)，準確性不高;此外，該統(tǒng)計方式需要技術人員在現(xiàn)場逐個查看計數(shù)器，工作量較大，加之碼頭吊具數(shù)量眾多，很難全面比較吊具作業(yè)箱量與旋鎖起吊次數(shù)?，F(xiàn)代化集裝箱碼頭可以應用RCMS來統(tǒng)計起重機作業(yè)情況，但其不能全面反映每個吊具及其旋鎖的運行情況。

2 集裝箱起重機吊具智能化管理原理

集裝箱起重機吊具大多采用執(zhí)行器-傳感器接口（actuator-sensor interface，ASI）雙線通信方式，其具有一定可擴展性，可通過Slave模塊的不同輸入點為吊具編碼;吊具可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）自動識別編碼后將信息傳至起重機主PLC，再通過RCMS將吊具信息傳至設備運行控制中心，由后臺程序分析吊具信息。因此，集裝箱起重機吊具智能化管理升級改造可分為吊具自動識別改造和吊具起吊次數(shù)自動統(tǒng)計改造：吊具自動識別改造基于吊具和起重機主PLC的優(yōu)化升級;吊具起吊次數(shù)自動統(tǒng)計改造離不開后臺統(tǒng)計軟件及RCMS的支持。

2.1 ASI雙線通信

隨著PLC在自動化領域的廣泛應用，目前絕大部分集裝箱起重機采用PLC作為控制核心。由于集裝箱起重機自身邏輯運算復雜且控制分布分散，單個PLC遠遠不能滿足其控制和組態(tài)要求，故大多采用“一主多從”的PLC網(wǎng)絡組態(tài)形式。吊具作為工況及運算邏輯最為復雜的起重機部件，在設備控制組態(tài)網(wǎng)絡中往往采用獨立的PLC作為設備主控PLC的重要從站。目前應用較為廣泛的NSL公司生產(chǎn)的RAM品牌吊具使用西門子S7-300系列PLC。隨著電氣自動化領域標準化和統(tǒng)一化的推進以及西門子Profibus協(xié)議的開發(fā)和應用，PLC通信的擴展性和通用性增強，從而使用戶能夠方便地編輯和擴展2個PLC間的通信內(nèi)容和信息。

吊具與PLC之間大多采用ASI雙線通信方式，即吊具上的Slave模塊與吊具PLC組成ASI通信組態(tài)網(wǎng)絡。ASI系統(tǒng)是西門子與易福門聯(lián)合開發(fā)并由國際電工委員會認證的低層通信協(xié)議及總線控制系統(tǒng)，其實質是由PLC配合ASI總線組態(tài)而成的簡單的嵌入式自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將PLC從站簡化為僅接收指令和反饋信號的Slave模塊，并通過2根直流電纜為Slave模塊提供電源和載波信號。硬件方面：PLC和ASI控制器與不同功能的Slave模塊組成不同組態(tài)，并且ASI控制器與Slave模塊之間主要依靠雙線通信。在組態(tài)工作過程中，ASI控制器首先檢測每個Slave模塊的地址定義，以對應程序中的地址配置文件，完成系統(tǒng)初始化。

2.2 吊具自動識別原理

吊具系統(tǒng)工作原理如下：將Slave模塊安裝在吊具的不同位置（見圖1），與起重機主PLC組成簡單的ASI網(wǎng)絡組態(tài)結構;通過Slave模塊的輸入輸出點來檢測吊具實時狀態(tài)，并輸出相應的動作指令，驅動對應的液壓電磁閥，由液壓系統(tǒng)控制吊具動作;吊具PLC對吊具輸入信號和輸出指令實施邏輯分析和運算，并與起重機主PLC實時通信，實現(xiàn)吊具相關指令和信息的接收和反饋等功能。

吊具自動識別原理如下：通過Slave模塊的輸入點對吊具編碼，吊具PLC讀取輸入信息后將數(shù)據(jù)傳送至起重機主PLC，完成吊具識別。這表明，在每次更換吊具或吊具PLC對ASI網(wǎng)絡組態(tài)初始化時，吊具PLC通過讀取吊具編碼信息獲取吊具工作狀態(tài)，并通過起重機主PLC將之傳至后臺程序進行信息處理。一方面，吊具Slave模塊有一定數(shù)量的備用輸入點，可以充分利用這些輸入點對吊具編碼;另一方面，由于ASI系統(tǒng)具有擴展性，可以根據(jù)實際情況增加Slave模塊數(shù)量。此外，改變吊具PLC信息錄入程序，以方便識別和讀取吊具編碼信息。吊具編碼輸入信息和程序不參與吊具控制，不影響吊具正常作業(yè)，從而確保吊具作業(yè)的安全性和可靠性。

2.3 吊具編碼規(guī)則

Slave模塊只有“有輸入”和“無輸入”兩種狀態(tài)，可通過采集開關量輔以不同數(shù)位的排列組合完成吊具編碼。吊具Slave模塊輸入點通過一對一編碼實現(xiàn)吊具編碼與數(shù)字地址的唯一對應;同時，利用吊具PLC識別Slave模塊信息，即可將吊具編碼錄入吊具PLC系統(tǒng)。吊具編碼規(guī)則實質為十進制與二進制數(shù)字間的轉換問題，例如：編碼為15的吊具在ASI系統(tǒng)編碼中僅需要4個點，分別為1111。在編制吊具編碼規(guī)則時，為了更好地區(qū)分岸橋吊具與場橋吊具，可以選擇固定的輸入點來區(qū)分吊具類型。吊具編碼規(guī)則可以概括為

2X 2

式中：N為岸橋或場橋吊具數(shù)量;X為需要的Slave模塊輸入點數(shù)量。

2.4 吊具起吊次數(shù)自動統(tǒng)計原理

吊具自動識別功能的實質是：為吊具設置固定的Slave模塊輸入信息，并將吊具唯一標識碼錄入吊具PLC;吊具PLC將吊具對應的地址碼發(fā)送至起重機主PLC及RCMS中的PLC;RCMS獲取起重機與吊具的對應關系，自動將吊具信息錄入系統(tǒng)中對應的吊具名錄下的數(shù)據(jù)庫。吊具旋鎖起吊計數(shù)功能通過RCMS和相關服務軟件來實現(xiàn)。現(xiàn)代化集裝箱碼

頭配備先進的RCMS，可實時監(jiān)控起重機工況和起重機主PLC程序。大多數(shù)起重機的主PLC與吊具PLC并不是同一品牌，兩者之間只能通過Profibus進行數(shù)據(jù)通信，RCMS無法直接獲取吊具PLC信息。鑒于此，吊具起吊次數(shù)自動統(tǒng)計功能需要借助信息數(shù)據(jù)傳導來實現(xiàn)（見圖2）：首先，吊具PLC將采集的吊具編碼和吊具動作信號傳至起重機主PLC;然后，起重機主PLC將吊具動作指令及經(jīng)吊具PLC傳輸?shù)牡蹙邉幼餍畔⒑偷蹙呔幋a通過無線以太網(wǎng)傳送至控制中心后臺服務程序;最后，控制中心后臺服務程序通過基礎數(shù)據(jù)分析處理，獲得吊具起吊次數(shù)等數(shù)據(jù)。技術人員定期調(diào)取后臺服務程序數(shù)據(jù)以獲取吊具起吊次數(shù)，從而為設備管理提供數(shù)據(jù)支持。

3 集裝箱起重機吊具智能化管理升級改造注意事項

（1）注意核實吊具編碼，避免出現(xiàn)不同吊具使用同一編碼的情況;同時，嚴謹設計吊具編碼規(guī)則，確保吊具編碼與吊具一一對應及吊具編碼的唯一性。

（2）加強對ASI和Slave模塊輸入點的日常保養(yǎng)。輸入點不參與吊具運行，故輸入點故障不能直觀地從吊具運行中反映出來，但卻會對后續(xù)吊具作業(yè)產(chǎn)生嚴重影響;因此，有必要加強對Slave模塊的日常檢查，以保證基礎數(shù)據(jù)錄入的準確性。

（3）在RCMS中增加吊具識別編碼實時校驗程序，實現(xiàn)吊具編碼異常實時提醒功能，從而方便維修人員和技術人員維護吊具編碼及其識別程序。

（4）在吊具自動識別系統(tǒng)硬件配置方面，出于成本考慮，可以使用吊具上空余的ASI輸入點;但由于控制信號與吊具識別信號使用同一模塊存在相互干擾的隱患，應優(yōu)先選擇加裝Slave模塊的改造方案。

4 集裝箱起重機吊具智能化管理升級改造效果

在集裝箱起重機吊具智能化升級改造過程中，吊具自動識別改造建立在硬件改造和設備運行控

制中心后臺服務軟件升級的基礎之上。技術人員可以軟件升級為契機，充分利用控制中心后臺服務軟件的統(tǒng)計分析功能，對吊具使用時長、工作臺時、吊具起吊次數(shù)等進行全面統(tǒng)計，并針對每個吊具建立實時臺賬;此外，控制中心后臺軟件還可與機務管理軟件結合，實現(xiàn)保養(yǎng)提醒功能。機務管理軟件是機務系統(tǒng)運轉的技術支持，可以通過引入吊具數(shù)據(jù)，擴展機務系統(tǒng)功能，例如：在后臺服務程序統(tǒng)計吊具起吊次數(shù)的同時設定警示參數(shù)值，以提醒技術人員及時安排保養(yǎng)和檢查。

5 結束語

隨著自動化技術的發(fā)展，集裝箱起重機的自動化水平越來越高，從而對碼頭技術人員和維保人員提出更高要求。現(xiàn)代化集裝箱碼頭設備管理人員應當充分利用自動化管理軟件，結合實踐經(jīng)驗，科學分析數(shù)據(jù)和管理設備，以降低設備故障率，縮短設備維修時間，減少設備保養(yǎng)成本，提高設備運行可靠性。未來，隨著控制器局域網(wǎng)絡總線技術及大數(shù)據(jù)在集裝箱碼頭設備管理中的廣泛應用，集裝箱起重機等設備管理將迎來智能化飛躍發(fā)展。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2020-04-04）