廈門集裝箱碼頭集團(tuán)有限公司　陳瑞錦

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RTG操作模擬器的設(shè)計(jì)應(yīng)用

廈門集裝箱碼頭集團(tuán)有限公司陳瑞錦

該文探討輪胎式集裝箱龍門吊（簡(jiǎn)稱“RTG”）操作模擬器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用，提出采用便攜式RTG遠(yuǎn)程操作模擬器開展設(shè)備維修定檢，并著重介紹RTG無線操作模擬器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用情況，從而提高設(shè)備維修效率和減少操作司機(jī)加班次數(shù)。

輪胎式龍門吊 遠(yuǎn)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(jiǎn)稱“RTG”）是主要的堆場(chǎng)裝卸機(jī)械。由于設(shè)備成本高、工作效率高，RTG的維護(hù)是港口作業(yè)設(shè)備管理部門的一項(xiàng)重要工作任務(wù)。RTG采用了最先進(jìn)的控制設(shè)備，需要有較強(qiáng)技術(shù)能力的技術(shù)人員進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)與維修，也必須由受過專業(yè)及安全認(rèn)證培訓(xùn)的司機(jī)才能進(jìn)行設(shè)備操作。這樣，經(jīng)過認(rèn)證的司機(jī)既要面對(duì)設(shè)備維護(hù)配合協(xié)助，也要全力保障裝卸生產(chǎn)。隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷加速擴(kuò)大，有相應(yīng)技能的司機(jī)人數(shù)出現(xiàn)較大缺口，設(shè)備維護(hù)水平與生產(chǎn)高效運(yùn)行形成了一對(duì)矛盾。為解決這一問題，我們?cè)陂_展RTG電控系統(tǒng)改造時(shí)設(shè)計(jì)了RTG操作維修模擬器，設(shè)想通過一個(gè)遠(yuǎn)程控制臺(tái)（可無線接入）由維修人員隨身攜帶，根據(jù)需要操作RTG的各個(gè)機(jī)構(gòu)，確保定檢達(dá)到良好的效果。

RTG操作模擬器的設(shè)計(jì)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(shè)備必備的關(guān)鍵部件，一般吊具故障占設(shè)備故障的比例達(dá)30%。因此，為保障吊具穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行，需要不斷地定期檢修維護(hù)、反復(fù)測(cè)試，以達(dá)到良好的工況。而從設(shè)備上換下的吊具一般通過吊具模擬器來測(cè)試工況。技術(shù)人員通過一邊操作吊具機(jī)構(gòu)一邊查找發(fā)現(xiàn)問題，不影響裝卸作業(yè)。因此，通過設(shè)計(jì)RTG操作模擬器將司機(jī)操作聯(lián)動(dòng)臺(tái)改成了可移動(dòng)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(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)定檢，特別是制動(dòng)器調(diào)整等方面的應(yīng)用。

另外，為了能較快培養(yǎng)出一批港口機(jī)電設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)與維修的高技能技術(shù)人才，應(yīng)當(dāng)讓新進(jìn)的技術(shù)人員有一個(gè)真實(shí)的實(shí)踐培訓(xùn)環(huán)境，但由于裝卸作業(yè)繁忙、設(shè)備價(jià)格昂貴及運(yùn)行費(fèi)用高等問題，不可能讓新進(jìn)技術(shù)人員在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)停機(jī)很長(zhǎng)時(shí)間來學(xué)習(xí)設(shè)備保養(yǎng)維修技能。為此，通過一個(gè)可模擬操作的控制器來幫助他們掌握設(shè)備機(jī)構(gòu)動(dòng)作原理及性能調(diào)整等知識(shí)，使新員工具有一定的設(shè)備維護(hù)與維修的實(shí)踐能力。另外，著眼長(zhǎng)遠(yuǎn)，眼下RMG、RTG的遠(yuǎn)程自動(dòng)化操作是近年國(guó)內(nèi)許多碼頭正在開展的一項(xiàng)主要改造項(xiàng)目。RTG遠(yuǎn)程操作聯(lián)動(dòng)臺(tái)通過PC，一個(gè)模擬聯(lián)動(dòng)臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)設(shè)備的控制與操作，對(duì)將來港口自動(dòng)化有著較好的技術(shù)論證作用。

1　設(shè)計(jì)思路及主要技術(shù)環(huán)節(jié)

首先，我們列出了綜合裝置的設(shè)計(jì)需求：

（1）具備充足的便攜性及連接RTG設(shè)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(jiǎn)潔的可操作性，能實(shí)現(xiàn)不同RTG操作之間動(dòng)態(tài)、快速的切換。

（4）操作人員可以進(jìn)行大車點(diǎn)動(dòng)、小車起升、固定速度運(yùn)行及吊具功能等動(dòng)作。

（5）方便進(jìn)一步擴(kuò)展功能，實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的無線控制操作，并對(duì)故障予以實(shí)時(shí)顯示、反饋。

根據(jù)以上所列舉的需求，進(jìn)一步進(jìn)行方案配置的細(xì)化及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，得到如下結(jié)果：

一是便攜、穩(wěn)定、可靠性的設(shè)計(jì)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作環(huán)境，RTG遠(yuǎn)程模擬操作臺(tái)尺寸要做到盡可能小，其重量要小于10kg，還要堅(jiān)固牢靠，防水防塵防油污。

二是要實(shí)現(xiàn)連接多種不同的PLC系統(tǒng)，應(yīng)考慮在裝置內(nèi)設(shè)置安裝有OPC（開放對(duì)象過程控制接口）的微型PC。

三是要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)快速切換所控設(shè)備，應(yīng)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(shè)計(jì)，可以滿足第（4）、（5）項(xiàng)需求。RTG操作模擬器的具體系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1　

參考RCMS抄表系統(tǒng)的相關(guān)配置，小型可視化PLC選取了HORNER XL7 一體機(jī)系列，它集成了I/O功能、2路以太網(wǎng)通信、2路串口通信、7寸屏人機(jī)交互HMI組態(tài)。微型PC選取ADVANTECH的ARK1503工控機(jī)，它體積小、接口豐富。OPC軟件有很多產(chǎn)品可以選擇，有Siemens simatic OPC， ABB MicroSCADA， KEPware KEPServer EX等。KEPServer Ex 運(yùn)行環(huán)境要求不高，網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲少，安裝方便，在ARK1503上測(cè)試安裝效果好。在模擬臺(tái)控制PLC組態(tài)平臺(tái)中選擇設(shè)備號(hào)，Horner PLC 將自動(dòng)更改OPC 軟件對(duì)應(yīng)設(shè)備號(hào)的IP地址，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)該臺(tái)設(shè)備的監(jiān)控。整體模擬器軟件結(jié)構(gòu)上數(shù)據(jù)流示意如圖2所示。

圖2　

Horner PLC系統(tǒng)部分負(fù)責(zé)采集聯(lián)動(dòng)臺(tái) I/O數(shù)據(jù)，通過PLC與PC之間的通信收發(fā)交互2個(gè)DWORD （RTG通信接收控制字）。RTG PLC與KEPserver Ex OPC通信收發(fā)2 個(gè)DWORD：

系統(tǒng)以CIMPLICITY 軟件作為控制平臺(tái)。CIMPLICITY軟件安裝在 ARK1503主機(jī)上，后臺(tái)設(shè)置 OPC 及CIMPLICITY自動(dòng)運(yùn)行，負(fù)責(zé)讀取模擬臺(tái) PLC數(shù)據(jù)，通過PC將數(shù)據(jù)傳遞到RTG主控制PLC中。讀取RTG PLC數(shù)據(jù)，通過PC將數(shù)據(jù)傳遞到模擬臺(tái)控制PLC中。

其次，配置簡(jiǎn)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(guān)、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(tái)空間限制，Horner PLC提供HMI（人機(jī)界面）組態(tài)功能，輔助模擬臺(tái)顯示，指示燈功能（由于指示燈不夠，由可視PLC系統(tǒng)提供頁(yè)面組態(tài)輔助顯示），IP 地址顯示（系統(tǒng)提供聯(lián)動(dòng)臺(tái)PLC，控制PC，RTG操作PLC IP地址），故障顯示功能（系統(tǒng)提供聯(lián)動(dòng)臺(tái)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(shè)備號(hào)的控件按鈕進(jìn)行操作對(duì)象的IP地址切換。人機(jī)界面右下角設(shè)計(jì)系統(tǒng)關(guān)機(jī)控件按鈕，使安裝有OPC的微型工控機(jī)能正常通過響應(yīng)關(guān)機(jī)指令而關(guān)閉。

圖4　

目前設(shè)備定檢通常有4個(gè)技術(shù)人員參與，2人負(fù)責(zé)機(jī)械檢查，2人進(jìn)行電氣設(shè)備整修保養(yǎng)。在不運(yùn)行設(shè)備的時(shí)候即不需要司機(jī)配合情況時(shí)為靜態(tài)檢查，檢查項(xiàng)目包括設(shè)備外觀檢查、筋構(gòu)件檢查、發(fā)動(dòng)機(jī)保養(yǎng)、吊具緊固、輪胎、蓄電池等。許多靜態(tài)檢查發(fā)現(xiàn)的問題也可能需要司機(jī)參與配合。而在設(shè)備定檢時(shí)，許多動(dòng)態(tài)檢查項(xiàng)目則需要司機(jī)全程配合檢修，比如，鋼絲繩潤(rùn)滑檢測(cè)、吊具功能檢查、轉(zhuǎn)場(chǎng)機(jī)構(gòu)、聯(lián)動(dòng)臺(tái)、電氣限位工況、軸承、滑輪等項(xiàng)目。而電氣方面要求做到設(shè)備各個(gè)機(jī)構(gòu)操作運(yùn)行的完整測(cè)試，定檢人員有時(shí)需要兼顧操作及狀態(tài)監(jiān)視。因此，操作模擬器有必要設(shè)置定檢環(huán)節(jié)。

2　運(yùn)行安全設(shè)計(jì)

模擬器操作安全是模擬器裝置設(shè)計(jì)非常重要的環(huán)節(jié)。操作安全上，需考慮包括司機(jī)操作及模擬器操作的并列運(yùn)行和切換、設(shè)備故障的處理、通訊狀態(tài)檢測(cè)、信號(hào)延遲問題等。由圖2可知，原RTG主PLC的運(yùn)行程序必須相應(yīng)進(jìn)行修改，以適應(yīng)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(gè)防護(hù)級(jí)別的模擬器操作及駕駛室操作選擇開關(guān)，采用模擬器控制時(shí)將開關(guān)選定相應(yīng)位置即可。在 RTG PLC中，設(shè)計(jì)并列運(yùn)行的機(jī)構(gòu)控制運(yùn)行指令進(jìn)行切換運(yùn)行，如圖5所示。

圖5　

模擬器具備移動(dòng)功能，因此需要設(shè)計(jì)無線連接，即使用Wifi操作。該模擬臺(tái)設(shè)計(jì)有兩種通信連接模式：（1）網(wǎng)線直接連接；（2）通過無線方式連接。選用 2個(gè)非工業(yè)級(jí)、型號(hào)TL-MR12U、帶后備電源功能的無線路由器，一個(gè)設(shè)備直接接在原RTG已有的CMS及PLC網(wǎng)絡(luò)中，另一個(gè)設(shè)備連接到模擬器的HORNER PLC網(wǎng)絡(luò)中。其中一臺(tái)設(shè)備采用AP模式，另一臺(tái)采用中繼模式，在RTG小車頂使用模擬器時(shí)，連接原RCMS的網(wǎng)絡(luò)；在地面時(shí)，連接新裝的TL-MR12U裝置。由于無線網(wǎng)絡(luò)難免存在通訊信號(hào)強(qiáng)弱的問題，需要在RTG主PLC程序中編寫相應(yīng)的檢測(cè)程序，進(jìn)行通訊狀態(tài)的識(shí)別及處理，以保障數(shù)據(jù)通訊延遲在一定的限度內(nèi)，確保指令與動(dòng)作的一致和實(shí)時(shí)性。圖6是其中一段主要的程序段，用于檢測(cè)通訊延遲情況，原理是利用設(shè)計(jì)的專用通訊數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)累加在一個(gè)完整的發(fā)送和接收過程前后進(jìn)行比較，其累加差值應(yīng)保持在一個(gè)相對(duì)確定的范圍。

圖6　

當(dāng)然還有其他許多安全設(shè)計(jì)，均體現(xiàn)在兩個(gè)PLC程序的編寫上。比如，模擬臺(tái)操作指令初始狀態(tài)的檢測(cè)、設(shè)備故障的處理等等，都有相應(yīng)的程序加以優(yōu)化和保護(hù)。

3　結(jié)論及展望

設(shè)計(jì)用于輪胎式龍門吊的移動(dòng)操作模擬器可以有效減少參與配合維修的RTG司機(jī)人數(shù)，降低司機(jī)加班時(shí)間，并有效提高設(shè)備維修定檢的質(zhì)量。RTG操作模擬器的設(shè)計(jì)使用，在充分考慮安全性的基礎(chǔ)上，避免繁瑣復(fù)雜的人工往返操作，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。當(dāng)前，半自動(dòng)化及全自動(dòng)化無人操作堆場(chǎng)改造已成為國(guó)際趨勢(shì)，它能很好解決晝夜操作對(duì)碼頭平衡效率的要求，對(duì)于提高集裝箱堆場(chǎng)和設(shè)備的利用率、降低運(yùn)營(yíng)成本起到非常重要的作用。RTG模擬器的測(cè)試及應(yīng)用能較好地為未來進(jìn)一步在 RTG上使用集裝箱碼頭自動(dòng)化無人操作技術(shù)提供很好的技術(shù)儲(chǔ)備。

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