摘要：針對港口糧食碼頭25T-38M帶斗門機電氣系統(tǒng)通訊數(shù)據(jù)錯誤、中斷、不穩(wěn)定等瓶頸問題，通過技術升級改造，改善提高設備電氣通訊技術性能，解決設備通訊故障問題。升級改造采用西門子S7-1500系列PLC ，PROFINET(PN)和以太網(wǎng)傳輸，通過對電氣系統(tǒng)原理、硬件配置、軟件編程和運行測試效果等技術措施，從目前帶斗門機的運行狀態(tài)來看，設備運行過程中通訊故障得到徹底解決，整機運行性能得到顯著提升。

關鍵詞：港口；帶斗門機；電氣系統(tǒng)；通訊；PROFIBUS；以太網(wǎng)

0、引言

北部灣港防城港碼頭有限公司服務國家戰(zhàn)略大局，搶抓國家實施“一帶一路”、西部陸海新通道的戰(zhàn)略機遇，以建設“四個一流”港口、國際門戶港、國際樞紐海港為目標，致力于打造西南最大糧食集散和糧油加工基地，擁有集糧食裝卸、倉儲、加工、發(fā)運為一體的糧食專業(yè)化碼頭。

防城港作為國內主要的糧食進口港之一，糧食專業(yè)化碼頭配置了3臺25T-38M帶斗門機，于2015年底投產(chǎn)運營，主要用于大豆、玉米、油菜籽等散糧的裝卸作業(yè)，實現(xiàn)散糧從碼頭前沿直輸?shù)胶蠓酵矀}、臨港企業(yè)的全過程自動化作業(yè)，同時也兼顧傳統(tǒng)工藝汽車運輸作業(yè)，其具有作業(yè)效率高、安全可靠、環(huán)保節(jié)能和運行平穩(wěn)特點。經(jīng)過近10年的運營，目前3臺帶斗門機電氣系統(tǒng)中PLC程序有時會丟失，整機通訊頻繁出現(xiàn)信號不穩(wěn)定、中斷和數(shù)據(jù)錯誤的狀況問題，導致該機不能作業(yè)，裝卸作業(yè)能力降低，直接影響散糧裝卸船作業(yè)效率。如何提高改善帶斗門機的技術性能，成為散糧碼頭亟需解決的瓶頸問題。

1、帶斗門機電氣系統(tǒng)常見問題

1.1 GE PLC及DP接口通訊

電氣系統(tǒng)采用的GE PLC 通過 PROFIBUS-DP 接口來實現(xiàn)通訊，PROFIBUS-DP 是一種高速，且成本較低的現(xiàn)場總線，適用于自動化系統(tǒng)內分布式I/O 設備與控制器之間的通訊，DP 接口經(jīng)集電環(huán)與各個分布式 I/O 站點相互連接，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與交換。目前設備運營中存在問題如下：

（1）數(shù)據(jù)傳輸錯誤：部分I/O 信號在傳輸過程中出現(xiàn)錯誤、丟失的情況，導致控制指令執(zhí)錯誤，致使帶斗門機不能正常運行作業(yè)。

（2）通訊中斷：帶斗門機運行時，常發(fā)生通訊完全中斷的現(xiàn)象，導致PLC 無法正常控制帶斗門機各機構，以致不能正常運行作業(yè)。

（3）故障報警頻繁：由于通訊信號不穩(wěn)定，系統(tǒng)頻繁發(fā)出通訊故障報警，需維護人員前往進行修理，增加設備的生產(chǎn)停機時長。

1.2 中心集電環(huán)傳輸方式的局限性

中心集電環(huán)采用旋轉部件與靜止部件進行電氣連接，在設備運行過程中極易受到磨損、粉塵、油污、潮濕等多種環(huán)境因素的影響，導致接觸不良、信號減弱、中斷。此外，中心集電環(huán)對安裝精度有著較高要求，維護難度較大，一旦出現(xiàn)問題，排查和修復工作困難。

1.3 對碼頭裝卸作業(yè)的影響

帶斗門機不能正常生產(chǎn)作業(yè)，影響散糧船舶裝卸效率的提升，主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）降低生產(chǎn)效率：頻繁的停機事件和控制指令錯誤，導致帶斗門機不能正常作業(yè)，顯著延

長了散糧裝卸作業(yè)時間，增加綜合裝卸作業(yè)成本。

（2）增加維修成本：為解決電氣系統(tǒng)通訊故障，需投入大量的人力、物力用于維修和部件更換，增加了設備的維護成本。

（3）設備作業(yè)安全：設備故障有可能導致抓斗自動開斗和下降，造成作業(yè)現(xiàn)場人員傷亡、設備機損等事故的發(fā)生。

2、升級改造技術措施

2.1 改造設計總思路

將整機GE 90-30 系列 PLC 及分站 PLC 模塊，改造升級為西門子S7-1500 系列PLC和ET200MP 分站， PLC 主站和從站的通訊方式升級為PROFINET-PN通訊方式，PLC系統(tǒng)升級網(wǎng)絡結構示意圖見圖1。

圖1 PLC系統(tǒng)升級網(wǎng)絡結構示意圖

PLC 和變頻器的通訊維持 PROFIBUS-DP 通訊方式，這兩種通訊網(wǎng)絡方式結構清晰，便于故障的判斷和處理。此外，對中心滑環(huán)進行改造，采用以太網(wǎng)滑環(huán)，以太網(wǎng)環(huán)配有兩組以上備用環(huán)，供維修人員快速判斷處理故障，也為后期碼頭帶斗門機子系統(tǒng)需升級改造做準備，從根本上解決因滑環(huán)接觸不良所導致的通訊故障問題。該通訊方式具備更高的穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾能力，能滿足帶斗門機電氣系統(tǒng)對于通訊性能的嚴格要求。

2.2 硬件配置方面

2.2.1 PLC 配置

根據(jù)帶斗門機電氣系統(tǒng)的控制要求和I/O 點數(shù)，配置西門子S7-1500 系列 PLC，S7-1500 系列 PLC 擁有強大的處理能力和較高的可靠性，能應對帶斗門機復雜的控制邏輯和高速通訊的需求。

2.2.2 通訊模塊配置

配置西門子S7-1500 DP 通訊模塊，該模塊能夠提供高速、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。同時，在控制柜內新增一臺 5 口 PN 交換機，確保 PLC 與各機構變頻器之間保留Profibus-DP 通訊控制方式，PLC 主 CPU 與分站 I/O 模塊采用 Profinet-PN 通訊控制方式，實現(xiàn)PLC 與各個分布式 I/O 站點之間的高效通訊。

2.2.3 網(wǎng)線配置

作為通訊網(wǎng)線的重要組成部分，配置符合標準西門子PROFINET 6XV1841-2A 的 8芯超 5 類帶屏蔽雙絞線纜，其具備良好的抗干擾性能和快速傳輸特性，能保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院桶踩?/span>

2.3 PLC網(wǎng)絡拓撲結構設計

CPU 作為電氣系統(tǒng)的網(wǎng)絡核心，通過網(wǎng)線與各個分布式I/O 站點、觸摸屏，經(jīng)交換機實現(xiàn)連接，確保系統(tǒng)的兼容性和穩(wěn)定性，PLC電氣系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡拓撲結構，網(wǎng)絡拓撲結構示意圖見2。

圖2 PLC網(wǎng)絡拓撲結構示意圖

3、升級改造實施過程

3.1 改造前后準備

“改造單位應當針對被改造起重機械的具體要求，制定改造方案；改造方案應當包括改造設計文件、改造工藝文件和檢驗作業(yè)指導書。” 改造前應該做好生產(chǎn)準備協(xié)調工作，改造后應做好資料歸檔工作。

3.2 設備拆除

在升級改造工作之前，應對原有的GE PLC、DP 接口模塊、中心集電環(huán)，及相關的通訊線纜等設備進行拆除，拆除過程應嚴格遵守相應設備安全操作規(guī)程，以保障設備和人員的安全。

3.3 軟、硬安裝與布線

3.3.1 PLC 及通訊模塊安裝

配置選用的西門子S7-1500 PLC 和相關通訊模塊應按圖紙要求安裝在帶斗門機電氣控制柜內，并按照圖紙規(guī)范要求進行接線和接地處理，確保連接的穩(wěn)固性和可靠性。

3.3.2 分布式I/O 站點安裝

“模擬量信號、低電平開關信號、數(shù)據(jù)通信線路用屏蔽雙絞，應單獨占用電纜管或電纜槽，不與動力電纜一起走線” 根據(jù)帶斗門機控制原理圖，下部分布式I/O 站點保持原有安裝位置，并將其安裝到位。通過網(wǎng)線將分布式I/O 站點經(jīng)中心集電環(huán)與PLC 進行連接，在布線安裝環(huán)節(jié)，應嚴格執(zhí)行工業(yè)布線規(guī)范，對網(wǎng)線進行規(guī)范敷設和固定，避免線纜受到機械磨損和電磁干擾，確保通訊線路的穩(wěn)定性和安全性。

3.4 軟件編程與調試

3.4.1 PLC 程序、觸摸屏、CMS程序編寫

依據(jù)帶斗門機的控制邏輯和工藝要求，運用西門子編程軟件（Portal） S7-1500 PLC 編寫控制程序。在程序編寫過程中，應充分考量系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和安全性，采用科學合理的編程方法和算法，確保升級后帶斗門機各項安全技術性能穩(wěn)定，操作方式不宜改變，原有的觸摸屏和CMS程序做相應編寫和更新。

3.4.2 通訊程序調試

完成PLC 程序編寫后，針對通訊程序進行調試，通過發(fā)送和接收測試數(shù)據(jù)，檢查通訊的穩(wěn)定性和準確性。同時，通過診斷功能，對通訊故障進行模擬和監(jiān)測，驗證故障處理程序的有效性和可靠性。

3.4.3 系統(tǒng)聯(lián)調

完成PLC 程序和通訊程序調試后，應進行整機電氣系統(tǒng)聯(lián)調測試，將帶斗門機的各個機構與PLC 控制程序進行協(xié)同調試，全面檢查系統(tǒng)的整體性能和控制精度，確保帶斗門機能穩(wěn)定、精準地運行，故障記錄等信息應在觸摸屏和CMS系統(tǒng)顯示。

4、升級改造試運行與優(yōu)化

電氣系統(tǒng)聯(lián)調完成后，應對帶斗門機進行試運行，試運行階段應密切關注系統(tǒng)的運行狀態(tài)，收集運行相關數(shù)據(jù)，對發(fā)現(xiàn)的問題進行優(yōu)化和改進。通過持續(xù)不斷的優(yōu)化和調整，帶斗門機電氣系統(tǒng)安全技術性能得到提升，通訊數(shù)據(jù)傳輸錯誤、中斷和信號不穩(wěn)定故障徹底解決，故障停機時間大幅縮短，散糧貨物裝卸作業(yè)效率顯著提升，設備裝卸綜合成本得到大幅降低。

5、帶斗門機關鍵技術要點及解決方案

5.1 抗干擾措施

在沿海港口碼頭，電磁干擾是影響碼頭裝卸設備通訊穩(wěn)定性的關鍵因素之一。為增強帶斗門機電氣系統(tǒng)抗干擾能力，采取了以下技術措施：

（1）合理布線：通訊網(wǎng)線增加金屬軟管，且與動力線纜分開進行敷設，并保持適當?shù)木嚯x，最大程度避免動力線纜產(chǎn)生的電磁場對通訊網(wǎng)線造成干擾。

（2）屏蔽接地：對通訊網(wǎng)線實施屏蔽處理，將屏蔽層可靠接地，減少外界電磁干擾的不良影響。

（3）安裝濾波器：在PLC 和分布式 I/O 站點的電源輸入端，安裝高性能濾波器，有效過濾掉電源中的干擾信號，保障設備的穩(wěn)定運行。

5.2 通訊網(wǎng)絡故障診斷與恢復

進一步編寫完善PLC 程序診斷功能，當通訊故障發(fā)生時，診斷程序能迅速、精準地定位故障點，采取有效的措施進行恢復。如，當某個分布式I/O 站點通訊中斷時，PLC 會自動嘗試重新建立連接；若多次嘗試仍無法恢復通訊，會立即在故障顯示屏發(fā)出報警信號；經(jīng)優(yōu)化后，程序能夠避免當某個分站出現(xiàn)通訊中斷時不影響主站運行。

6、結語

港口糧食碼頭25T-38M帶斗門機在運營一段時間后，電氣系統(tǒng)會出現(xiàn)通訊數(shù)據(jù)錯誤、中斷、不穩(wěn)定等瓶頸問題，導致帶斗門機不能正常運行，嚴重影響糧食碼頭船舶生產(chǎn)作業(yè)。通過對帶斗門機進行技術升級改造，運用創(chuàng)新性關鍵技術要點，將原有電氣控制系統(tǒng)升級改造為西門子S7-1500 系列 PLC ，通訊方式升級改造為PROFINET(PN)和以太網(wǎng)傳輸，解決了原系統(tǒng)通訊不穩(wěn)定、故障頻發(fā)造成的整機技術性能下降問題，同時，帶斗門機的散糧裝卸作業(yè)效率得到顯著提升，船舶綜合裝卸成本得到大幅降低。

隨著港口裝卸設備自動化技術和人工智能的發(fā)展，帶斗門機控制將朝著智能化、網(wǎng)絡化和集成化的方向邁進，在后續(xù)運營過程中，應密切關注新技術的應用動態(tài)，不斷優(yōu)化系統(tǒng)性能，進一步提升帶斗門機的自動化水平和裝卸作業(yè)效率，助力港口糧食碼頭裝卸作業(yè)高效、安全、環(huán)保運行。

作者：北部灣港防城港碼頭有限公司 張越文 何東京 溫國榮 王建超

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