基于CAN總線的移動(dòng)式港口起重機(jī)分布式電氣控制系統(tǒng)

張瑞峰， 高劍釗

(南通潤邦重機(jī)有限公司技術(shù)中心，江蘇南通226013)

0 引 言

隨著全球船運(yùn)業(yè)的高速發(fā)展，港口碼頭集裝箱貨物及散貨吞吐量的不斷攀升，客戶對港口起重裝備的工作效率提出了更高的要求。為此，作為設(shè)備大腦的電氣控制系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性直接影響到設(shè)備作業(yè)的工作效率，是市場考驗(yàn)的決定性因素。而近年來港口碼頭使用日益頻繁的移動(dòng)式港口起重機(jī)因其結(jié)構(gòu)的特殊性，操作功能的復(fù)雜性，對電氣元件控制精度要求之高，尤其是總線設(shè)備站點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸，不能在設(shè)備作業(yè)過程中，因總線故障而造成停機(jī)檢查。對比現(xiàn)階段港口起重領(lǐng)域常用的PROFIBUSDP 或Ethernet 現(xiàn)場總線，CAN 總線在數(shù)據(jù)通信方面更具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性及靈活性[1-2],其優(yōu)越性主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：1)CAN 為多主站方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任一時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從；2)CAN 節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下可自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響；3)CAN 總線報(bào)文采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，保證了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低；4)CAN 總線只需通過報(bào)文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接受數(shù)據(jù)，無需專門“調(diào)度”[2]。由此可見，采用CAN 總線的電氣元件設(shè)備進(jìn)行MHC 的電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，硬件上確保實(shí)現(xiàn)整機(jī)各機(jī)構(gòu)功能的分布式控制，有效地提升了整機(jī)工作的高效性。

1 設(shè)備概述

設(shè)備整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要組成部分為底盤行走機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)臺(tái)、機(jī)器房、塔筒及臂架。MHC 是近年來廣泛應(yīng)用于港口碼頭的一種多功能港口機(jī)械，主要用于集裝箱、散件貨物及各類散料的裝卸作業(yè)，憑借其靈活和多功能特點(diǎn)，逐漸成為了未來港口碼頭的主流產(chǎn)品。其顯著特點(diǎn)[3]表現(xiàn)如下：1)臂架根部鉸點(diǎn)位置高，有效工作幅度大，起升高度大，更便于起重機(jī)靠近船舶或堆場的貨垛，作業(yè)空間范圍大；2)采用起升鋼絲繩補(bǔ)償裝置，確保臂架在起落過程中吊載貨物保持水平移動(dòng)。另外，變幅滑輪組裝置安裝在塔身頂部，改善了臂架受力狀況，降低了變幅機(jī)構(gòu)所需功率；3)主要?jiǎng)恿﹄娫床捎貌裼桶l(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)形式，同時(shí)配備有岸電電源插頭，保證設(shè)備在港口碼頭進(jìn)行長時(shí)間連續(xù)裝卸作業(yè)時(shí)，若發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障，可外接至碼頭配電箱，實(shí)現(xiàn)全電力驅(qū)動(dòng)；4)整機(jī)電氣設(shè)備全部采用的是直流24 V 供電，由機(jī)上4 節(jié)直流12 V 蓄電池組串接后提供，采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式，具有起升、俯仰、回轉(zhuǎn)、行走及轉(zhuǎn)向等功能，下車行走共有16 個(gè)車輪組（根據(jù)實(shí)際載重調(diào)整），可以靈活自如地在碼頭移動(dòng)，而不受碼頭供電電源的影響。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)總圖

2 控制器介紹

MHC 設(shè)備因其高效的作業(yè)性能，起升最高速度可達(dá)120 m/min，為了對系統(tǒng)功能的精確控制，其各機(jī)構(gòu)配套采用的馬達(dá)、液壓泵站等所用的控制比例電磁閥眾多。為此，為便于各機(jī)構(gòu)功能動(dòng)作的分布獨(dú)立控制，自帶多個(gè)CAN 總線通信接口及PWM/CC 輸出管腳的工程車輛用控制器成為首選核心元器件。本設(shè)備電控系統(tǒng)的核心元件采用的是市場上應(yīng)用成熟的芬蘭EPEC5050 控制器系列，其自帶一個(gè)Ethernet 網(wǎng)口、4 組CAN2.0B 通信管腳及65 個(gè)I/O 管腳，可以通過以太網(wǎng)接口將電氣房、司機(jī)室及下車底盤控制器連接成一個(gè)小型局域網(wǎng)，調(diào)試人員只需一根網(wǎng)線即可實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地下載或監(jiān)控整機(jī)程序。另外，4 組CAN 通信口參數(shù)配置相互獨(dú)立，可以任意連接CAN通信電氣設(shè)備，不分主次，通信節(jié)點(diǎn)相互獨(dú)立。

其主要性能參數(shù)如下：強(qiáng)大的運(yùn)算能力，支持浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算；雙色LED 快速檢測狀態(tài)和錯(cuò)誤；PWM 輸出具有高側(cè)電流反饋（不需要反饋針腳）；一個(gè)CAN 配備了2 只引腳，更易于連接電纜，線束無須分線連接。

3 系統(tǒng)硬件配置組態(tài)

硬件網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2 所示，由硬件總線拓?fù)鋱D中可以看出，系統(tǒng)硬件所用電氣設(shè)備全部支持CAN 總線通信，按照不同機(jī)構(gòu)所實(shí)現(xiàn)的功能及安裝位置，整機(jī)設(shè)備配備7個(gè)控制器，分別為起升力矩控制器、變幅回轉(zhuǎn)控制器、集裝箱吊具控制器、司機(jī)室操作控制器、底盤行走控制器及左右轉(zhuǎn)向控制器，7 個(gè)控制器之間互有關(guān)聯(lián)而又相互獨(dú)立，每個(gè)控制器的CAN1 口作為設(shè)備網(wǎng)絡(luò)銜接的通信口，同時(shí)采用并聯(lián)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式分別聯(lián)接在一條總線上，總線上的每個(gè)設(shè)備都分配了相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)地址和PDO 映射地址。每個(gè)機(jī)構(gòu)對應(yīng)的DI/DO/PWM 控制參數(shù)全部在各自控制器中進(jìn)行邏輯編程設(shè)計(jì)，整機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)功能采用分布式控制，確保當(dāng)某一個(gè)總線控制器節(jié)點(diǎn)丟失、通信中斷而不會(huì)導(dǎo)致整機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信故障，其他機(jī)構(gòu)可以正常工作。

圖2 系統(tǒng)硬件總線拓?fù)鋱D

控制器硬件配置組態(tài)界面如圖3 所示，通過MultiTool軟件首先添加各機(jī)構(gòu)所用控制器，選擇對應(yīng)控制器的型號(hào)版本后，然后雙擊要配置機(jī)構(gòu)的控制器可快速進(jìn)入對總線節(jié)點(diǎn)地址、映射地址及I/O 管腳參數(shù)的設(shè)定。從配置界面可以清楚地看到，每個(gè)控制器管腳參數(shù)都是獨(dú)立設(shè)定的，這樣的配置形式為整機(jī)的分布式控制提供了強(qiáng)有力的硬件支持。

圖3 硬件組態(tài)界面

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件簡介

整機(jī)功能動(dòng)作主要有起升、回轉(zhuǎn)、俯仰、行走、轉(zhuǎn)向及支腿伸縮等6 個(gè)動(dòng)作，支腿伸縮使用開關(guān)量控制，起升、回轉(zhuǎn)、俯仰、行走、轉(zhuǎn)向需要實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，從而保證各個(gè)機(jī)構(gòu)動(dòng)作的微動(dòng)性。

該軟件是在Windows下采用Codesys 軟件開發(fā)的，采用的是PLC 語言（本系統(tǒng)使用了LDFBDSTCFC），主要用于整機(jī)運(yùn)行(發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測、起升、回轉(zhuǎn)、變幅、行走、轉(zhuǎn)向、支腿伸縮)過程中的實(shí)時(shí)控制、切換與監(jiān)測，通過7 個(gè)PLC (可編程控制器)建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用CAN 總線實(shí)現(xiàn)各個(gè)PLC 之間的通信，方便數(shù)據(jù)交換，增強(qiáng)了抗干擾能力，有效降低整機(jī)故障點(diǎn)。在軟件中應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)整機(jī)各機(jī)構(gòu)分布動(dòng)作控制。對于各個(gè)機(jī)構(gòu)動(dòng)作的壓力數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，確保設(shè)備的安全性、穩(wěn)定性與可靠性。操作系統(tǒng)為Windows7 及以上。軟件配置：安裝Codesys 2.3。硬件配置要求：PC 機(jī)CPU 為2.0 GHz 以上，內(nèi)存為2 GB 以上，硬盤為320 GB 以上，10/100 M 網(wǎng)卡；PLC 處理器32-Bit CPU，128 MHz；內(nèi)存為8 MB ；電壓為DC8.3～36.0 V。數(shù)據(jù)線：超5 類網(wǎng)線、Peak_USB。

圖4 PLC系統(tǒng)集成圖

4.2 軟件編程

如圖4、圖5 所示，所有總線元器件通過CAN 總線分別與7 個(gè)PLC 進(jìn)行通信，按照元件總線報(bào)文對總線元件在PLC 中進(jìn)行數(shù)據(jù)解析使用，同時(shí)每個(gè)PLC 通過DI 輸入端口、AI 模擬量端口采集整機(jī)控制系統(tǒng)的開關(guān)量信號(hào)、壓力、溫度等數(shù)據(jù)，經(jīng)過PLC 邏輯判斷后通過DO 模塊、PWM/CC 模塊輸出至比例泵閥、馬達(dá)閥、油缸等執(zhí)行機(jī)構(gòu)；7 個(gè)PLC 之間通過CAN1 總線端口連接通信，方便各個(gè)PLC 之間數(shù)據(jù)的傳遞與共享，以實(shí)現(xiàn)對整機(jī)控制系統(tǒng)的分布式控制。PLC 負(fù)責(zé)整機(jī)控制邏輯及運(yùn)行狀態(tài)信息的采集，PC 機(jī)負(fù)責(zé)監(jiān)控信息的采集、顯示、測試指令的發(fā)送，網(wǎng)線負(fù)責(zé)橋接PLC 與PC 機(jī),實(shí)現(xiàn)對程序上/下載及實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)軟件編程結(jié)構(gòu)主要包括管理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、邏輯控制模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊，管理模塊由設(shè)計(jì)帳戶、調(diào)試帳戶、客服帳戶等3 部分組成；數(shù)據(jù)處理模塊由數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)解析等2 部分組成；邏輯控制模塊根據(jù)整機(jī)各機(jī)構(gòu)動(dòng)作要求，由數(shù)據(jù)標(biāo)定、開關(guān)量控制、模擬量控制、機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)置等4部分組成；數(shù)據(jù)顯示模塊由整機(jī)運(yùn)行狀況顯示、發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)顯示、下車底盤數(shù)據(jù)顯示、故障信息反饋及維護(hù)信息顯示等組成。

圖5 編程結(jié)構(gòu)框圖

4.3 功能塊編輯

功能塊按照設(shè)計(jì)功能編輯成內(nèi)部數(shù)據(jù)變量輸入輸出的形式，當(dāng)調(diào)用此功能塊時(shí)只需鏈接至相應(yīng)變量即可。輸入變量統(tǒng)一以i_var 格式命名，輸出變量統(tǒng)一以o_var格式命名，中間變量統(tǒng)一以m_var 格式命名；功能塊調(diào)用如圖6 所示，可以直接鏈接變量即可。

圖6 功能塊調(diào)用

5 結(jié) 論

通過一次次的項(xiàng)目磨合，不斷地優(yōu)化移動(dòng)式港口起重機(jī)機(jī)型配置、調(diào)整修正編程邏輯參數(shù)，讓客戶最終獲得更加優(yōu)化的產(chǎn)品應(yīng)用體驗(yàn)。經(jīng)過客戶現(xiàn)場實(shí)際使用效果反饋，基于CAN 總線的電控系統(tǒng)在移動(dòng)式港口起重機(jī)上應(yīng)用，總線的分布式數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)勢提升了控制系統(tǒng)的可控性、連續(xù)性。該控制系統(tǒng)配置簡單、可靠穩(wěn)定、通用性強(qiáng)，有效地提升了整機(jī)的作業(yè)使用性能，保證了碼頭連續(xù)不間斷的作業(yè)，為后續(xù)的產(chǎn)業(yè)化推廣奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，具有廣闊的市場前景。