基于控制器局域网络总线的吊具电控系统优化

钟王森　计延春　伍隽

湛江港国际集装箱码头有限公司现有7台岸桥，其中3～7号岸桥使用振华重工标准控制器局域网络（controller area network，CAN）移动式双箱吊具。与普通伸缩式吊具相比，移动式双箱吊具的作业效率更高且功能更强大，可同时装卸2个20英尺集装箱并可灵活调整箱距，以适应集装箱堆场、平板拖车和集装箱船对20英尺集装箱箱距的要求;此外，移动式双箱吊具增加中锁单元，主要具有中锁平移、挂钩脱钩、中锁上下、开锁闭锁等功能。在现场作业中，岸桥移动式双箱吊具挂钩脱钩装置易发故障。为了对吊具实施维修，维修人员须爬到箱面上，在有限的空间里手动操作电磁阀开锁，加之码头作业环境复杂多变，导致吊具维修工作难度较大，维修人员作业风险较高。鉴于此，湛江港国际集装箱码头有限公司技术部对基于CAN总线的吊具电控系统进行优化，以达到方便维修、保障维修作业安全的目的。

1 基于CAN总线的吊具电控系统优化方案

1.1 外围机构

1.1.1 液压站

液压站安装于吊具底梁内部，为吊具提供动力，具体参数如下：电动机功率为7.5 kW;采用电压为380～480 V、频率为50～60 Hz的三相交流电源;防护等级为IP55。

1.1.2 电磁阀

吊具电磁阀包括单双箱伸缩电磁阀、开闭锁电磁阀、中锁上下电磁阀和导板上下电磁阀等。电磁阀由电气逻辑控制，执行相应的吊具动作，包括单双箱伸缩动作、开闭锁动作等。吊具伸缩动作靠电动机驱动链条并带动2根推杆来实现。吊具执行伸缩动作时，根据位置信号切断伸缩电磁阀动作，确保伸缩定位准确。

1.1.3 限位开关

吊具锁销箱中安装开闭锁限位（单出杆形式），中间圆形感应块安装于开闭锁油缸推杆上，随着开闭锁动作触发相应的开闭锁限位信号，并将开闭锁状态实时反馈至吊具主控系统。顶销位于开闭锁锁头旁，每个锁头对应1个顶销和限位。当吊具着箱后，4个（双箱对应8个）顶销限位触发信号，并将顶销信号传至主控系统。只有当4个（双箱对应8个）顶销的信号全部反馈成功后，主控系统才允许吊具执行开闭锁动作。

挂钩限位安装在吊具底梁内侧，与挂钩相邻，其作用是判断吊具是否到达进双箱挂钩的位置。在单箱模式切换为双箱模式的过程中，挂钩限位感应反馈定位准确后执行挂钩动作。挂钩装置共有2组，匹配伸缩梁结构，用于连接中部移动架与单箱伸缩梁。在吊具单箱作业状态下，须确保挂钩装置完全抬起。中锁上限位共有4个，安装在吊具中锁箱中，用于感应中锁机构是否保持在上位置（即单箱位置）。

1.2 CAN总线通信系统

从开放式系统互联参考模型的角度来看，CAN只定义了物理层和数据链接层，而未定义应用层，因此需要高层协议来定义。CAN总线应用层协议是基于CAN的高层通信协议。CANopen是在CAN总线应用层协议基础上开发的使用CAN总线应用层协议的通信和服务协议子集。

1.2.1 CANopen控制器 IFM CR0505

控制器IFM CR0505是整个吊具通信系统的“大脑”，负责收集各个模块的信号，执行逻辑运算，并與吊具电控系统通信。CANopen控制器IFM CR0505电气参数如图1所示。

1.2.2 扩展模块 CR2032

扩展模块CR2032是吊具通信系统的输入输出模块，负责收集吊具外围各种开关和传感器信号，并通过数字式或模拟式输出控制吊具的各个执行机构。扩展节点的工作状态可以通过对应点的工作指示灯来判断，扩展模块的工作状态可以通过电源指示灯和通信指示灯来判断。每个扩展模块均带有拨码盘，用来设定模块节点号和波特率。扩展模块CR2032电气参数如图2所示。

1.2.3 IFM EC2087模块

IFM EC2087模块负责将 CAN 总线信号转换成过程现场总线（PROFIBUS）信号，具体参数如下：采用电压为10～32 V的直流电源;防护等级为IP67;过电压防护设置为可承受36 V直流电 10 s。

1.2.4 系统网络拓扑结构

移动式双箱吊具把各个扩展模块的 CAN 总线信号汇集在CR0505模块，然后通过吊具垂缆传输到司机室，再通过IFM EC2087模块将CAN总线信号转换成PROFIBUS信号后传送至安川控制器;经过控制器运算后，最终通过 PROFIBUS 模块将执行动作指令经IFM EC2087模块转换后传送到吊具各执行元件。基于CAN总线的移动式双箱吊具系统网络拓扑结构如图3所示。

2 基于CAN总线的吊具电控系统优化前后吊具工况对比

2.1 优化前吊具工况

基于CAN总线的吊具电控系统优化前，吊具双箱模式切换为单箱模式流程如图4所示。吊具挂钩信号条件为：所有挂钩限位得电，所有脱钩限位均不得电，系统延时300 ms后发送挂钩信号。

基于CAN总线的吊具电控系统优化前，吊具中锁开锁流程如图5所示。吊具单箱信号条件为同时有中锁上信号和脱钩信号，吊具双箱信号条件为同时有中锁下信号和挂钩信号。

2.2 优化后吊具工况

修改程序，增加挂钩旁路信号（见图6）。现场作业时，吊具振动容易导致脱钩、挂钩油缸内泄、挂脱钩开关损坏等，从而造成挂钩信号丢失。增加挂钩旁路信号后，当出现挂钩信号丢失故障时，维修人员可以通过打开挂钩旁路旋钮开关，向吊具系统发送双箱模式正常信号，从而达到正常开锁的目的。吊具开锁后，维修人员可在地面对吊具实施检修，还可通过选择挂钩旁路信号将双箱模式切换成单箱模式。

3 结束语

基于CAN总线的吊具电控系统优化效果显著，不仅解决了吊具维修不便的问题，而且提升吊具维修作业安全性。此外，对基于CAN总线的吊具电控系统实施优化改造，有利于加深相关专业人员对岸桥吊具整体作业工艺流程的认识，提高其创造性解决吊具故障的能力。

（编辑：曹莉琼 收稿日期：2022-01-11）EAD71427-029B-4DF2-A467-5DAF60BD4D02