李鑫

集裝箱起重機(jī)是集裝箱碼頭吊運(yùn)集裝箱的主要設(shè)備，其吊具是唯一與集裝箱直接接觸的部件。吊具長時(shí)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(jì)吊具起吊次數(shù);但在實(shí)際操作中，吊具起吊次數(shù)統(tǒng)計(jì)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。若能通過技術(shù)手段優(yōu)化吊具起吊次數(shù)統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)吊具自動識別和起吊次數(shù)自動統(tǒng)計(jì)功能，將大大節(jié)省人力，降低集裝箱碼頭運(yùn)營成本。為此，基于遠(yuǎn)程起重機(jī)管理系統(tǒng)（remote crane management system，RCMS）實(shí)施吊具智能化管理升級改造，建立全新的吊具遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)吊具自動識別和起吊次數(shù)自動統(tǒng)計(jì)功能。

1 傳統(tǒng)集裝箱起重機(jī)吊具起吊次數(shù)統(tǒng)計(jì)

方法及其弊端

在吊具起吊集裝箱的過程中，集裝箱質(zhì)量主要由吊具旋鎖承載。受制于旋鎖機(jī)構(gòu)特點(diǎn)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(shù)人員定期監(jiān)控、記錄吊具起吊次數(shù)，并在其達(dá)到一定作業(yè)量后對旋鎖進(jìn)行探傷檢測，以便根

據(jù)檢測結(jié)果確定是否更換旋鎖，但在實(shí)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(jì)旋鎖起吊次數(shù);另一方面，旋鎖起吊次數(shù)統(tǒng)計(jì)耗時(shí)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(jì)旋鎖起吊次數(shù)的計(jì)數(shù)器，但其通過脈沖信號計(jì)數(shù)，準(zhǔn)確性不高;此外，該統(tǒng)計(jì)方式需要技術(shù)人員在現(xiàn)場逐個(gè)查看計(jì)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)。現(xiàn)代化集裝箱碼頭可以應(yīng)用RCMS來統(tǒng)計(jì)起重機(jī)作業(yè)情況，但其不能全面反映每個(gè)吊具及其旋鎖的運(yùn)行情況。

2 集裝箱起重機(jī)吊具智能化管理原理

集裝箱起重機(jī)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(kuò)展性，可通過Slave模塊的不同輸入點(diǎn)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(jī)主PLC，再通過RCMS將吊具信息傳至設(shè)備運(yùn)行控制中心，由后臺程序分析吊具信息。因此，集裝箱起重機(jī)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(jì)改造：吊具自動識別改造基于吊具和起重機(jī)主PLC的優(yōu)化升級;吊具起吊次數(shù)自動統(tǒng)計(jì)改造離不開后臺統(tǒng)計(jì)軟件及RCMS的支持。

2.1 ASI雙線通信

隨著PLC在自動化領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，目前絕大部分集裝箱起重機(jī)采用PLC作為控制核心。由于集裝箱起重機(jī)自身邏輯運(yùn)算復(fù)雜且控制分布分散，單個(gè)PLC遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(luò)組態(tài)形式。吊具作為工況及運(yùn)算邏輯最為復(fù)雜的起重機(jī)部件，在設(shè)備控制組態(tài)網(wǎng)絡(luò)中往往采用獨(dú)立的PLC作為設(shè)備主控PLC的重要從站。目前應(yīng)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(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化和統(tǒng)一化的推進(jìn)以及西門子Profibus協(xié)議的開發(fā)和應(yīng)用，PLC通信的擴(kuò)展性和通用性增強(qiáng)，從而使用戶能夠方便地編輯和擴(kuò)展2個(gè)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(luò)。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(rèn)證的低層通信協(xié)議及總線控制系統(tǒng)，其實(shí)質(zhì)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(gè)Slave模塊的地址定義，以對應(yīng)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(jī)主PLC組成簡單的ASI網(wǎng)絡(luò)組態(tài)結(jié)構(gòu);通過Slave模塊的輸入輸出點(diǎn)來檢測吊具實(shí)時(shí)狀態(tài)，并輸出相應(yīng)的動作指令，驅(qū)動對應(yīng)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(shí)施邏輯分析和運(yùn)算，并與起重機(jī)主PLC實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)吊具相關(guān)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(diǎn)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(jī)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(luò)組態(tài)初始化時(shí)，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(jī)主PLC將之傳至后臺程序進(jìn)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(diǎn)，可以充分利用這些輸入點(diǎn)對吊具編碼;另一方面，由于ASI系統(tǒng)具有擴(kuò)展性，可以根據(jù)實(shí)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(guān)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(diǎn)通過一對一編碼實(shí)現(xiàn)吊具編碼與數(shù)字地址的唯一對應(yīng);同時(shí)，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(shí)質(zhì)為十進(jìn)制與二進(jìn)制數(shù)字間的轉(zhuǎn)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(gè)點(diǎn)，分別為1111。在編制吊具編碼規(guī)則時(shí)，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(diǎn)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(diǎn)數(shù)量。

2.4 吊具起吊次數(shù)自動統(tǒng)計(jì)原理

吊具自動識別功能的實(shí)質(zhì)是：為吊具設(shè)置固定的Slave模塊輸入信息，并將吊具唯一標(biāo)識碼錄入吊具PLC;吊具PLC將吊具對應(yīng)的地址碼發(fā)送至起重機(jī)主PLC及RCMS中的PLC;RCMS獲取起重機(jī)與吊具的對應(yīng)關(guān)系，自動將吊具信息錄入系統(tǒng)中對應(yīng)的吊具名錄下的數(shù)據(jù)庫。吊具旋鎖起吊計(jì)數(shù)功能通過RCMS和相關(guān)服務(wù)軟件來實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)代化集裝箱碼

頭配備先進(jìn)的RCMS，可實(shí)時(shí)監(jiān)控起重機(jī)工況和起重機(jī)主PLC程序。大多數(shù)起重機(jī)的主PLC與吊具PLC并不是同一品牌，兩者之間只能通過Profibus進(jìn)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(jì)功能需要借助信息數(shù)據(jù)傳導(dǎo)來實(shí)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(jī)主PLC;然后，起重機(jī)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(wù)程序;最后，控制中心后臺服務(wù)程序通過基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析處理，獲得吊具起吊次數(shù)等數(shù)據(jù)。技術(shù)人員定期調(diào)取后臺服務(wù)程序數(shù)據(jù)以獲取吊具起吊次數(shù)，從而為設(shè)備管理提供數(shù)據(jù)支持。

3 集裝箱起重機(jī)吊具智能化管理升級改造注意事項(xiàng)

（1）注意核實(shí)吊具編碼，避免出現(xiàn)不同吊具使用同一編碼的情況;同時(shí)，嚴(yán)謹(jǐn)設(shè)計(jì)吊具編碼規(guī)則，確保吊具編碼與吊具一一對應(yīng)及吊具編碼的唯一性。

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

（3）在RCMS中增加吊具識別編碼實(shí)時(shí)校驗(yàn)程序，實(shí)現(xiàn)吊具編碼異常實(shí)時(shí)提醒功能，從而方便維修人員和技術(shù)人員維護(hù)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(diǎn);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(yīng)優(yōu)先選擇加裝Slave模塊的改造方案。

4 集裝箱起重機(jī)吊具智能化管理升級改造效果

在集裝箱起重機(jī)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(shè)備運(yùn)行控

制中心后臺服務(wù)軟件升級的基礎(chǔ)之上。技術(shù)人員可以軟件升級為契機(jī)，充分利用控制中心后臺服務(wù)軟件的統(tǒng)計(jì)分析功能，對吊具使用時(shí)長、工作臺時(shí)、吊具起吊次數(shù)等進(jìn)行全面統(tǒng)計(jì)，并針對每個(gè)吊具建立實(shí)時(shí)臺賬;此外，控制中心后臺軟件還可與機(jī)務(wù)管理軟件結(jié)合，實(shí)現(xiàn)保養(yǎng)提醒功能。機(jī)務(wù)管理軟件是機(jī)務(wù)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的技術(shù)支持，可以通過引入吊具數(shù)據(jù)，擴(kuò)展機(jī)務(wù)系統(tǒng)功能，例如：在后臺服務(wù)程序統(tǒng)計(jì)吊具起吊次數(shù)的同時(shí)設(shè)定警示參數(shù)值，以提醒技術(shù)人員及時(shí)安排保養(yǎng)和檢查。

5 結(jié)束語

隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，集裝箱起重機(jī)的自動化水平越來越高，從而對碼頭技術(shù)人員和維保人員提出更高要求。現(xiàn)代化集裝箱碼頭設(shè)備管理人員應(yīng)當(dāng)充分利用自動化管理軟件，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，科學(xué)分析數(shù)據(jù)和管理設(shè)備，以降低設(shè)備故障率，縮短設(shè)備維修時(shí)間，減少設(shè)備保養(yǎng)成本，提高設(shè)備運(yùn)行可靠性。未來，隨著控制器局域網(wǎng)絡(luò)總線技術(shù)及大數(shù)據(jù)在集裝箱碼頭設(shè)備管理中的廣泛應(yīng)用，集裝箱起重機(jī)等設(shè)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）