25T-38M带斗门机电气系统升级改造技术-港口设备网

北部湾港防城港码头有限公司张越文何东京温国荣王建超

摘要：针对港口粮食码头25T-38M带斗门机电气系统通讯数据错误、中断、不稳定等瓶颈问题，通过技术升级改造，改善提高设备电气通讯技术性能，解决设备通讯故障问题。升级改造采用西门子 S7-1500 系列 PLC ，PROFINET(PN)和以太网传输，通过对电气系统原理、硬件配置、软件编程和运行测试效果等技术措施，从目前带斗门机的运行状态来看，设备运行过程中通讯故障得到彻底解决，整机运行性能得到显著提升。

关键词：港口；带斗门机；电气系统；通讯； PROFIBUS；以太网

0 引言

北部湾港防城港码头有限公司服务国家战略大局，抢抓国家实施“一带一路”、西部陆海新通道的战略机遇，以建设“四个一流”港口、国际门户港、国际枢纽海港为目标，致力于打造西南最大粮食集散和粮油加工基地，拥有集粮食装卸、仓储、加工、发运为一体的粮食专业化码头。

防城港作为国内主要的粮食进口港之一，粮食专业化码头配置了3台25T-38M带斗门机，于2015年底投产运营，主要用于大豆、玉米、油菜籽等散粮的装卸作业，实现散粮从码头前沿直输到后方筒仓、临港企业的全过程自动化作业，同时也兼顾传统工艺汽车运输作业，其具有作业效率高、安全可靠、环保节能和运行平稳特点。经过近10年的运营，目前3台带斗门机电气系统中PLC程序有时会丢失，整机通讯频繁出现信号不稳定、中断和数据错误的状况问题，导致该机不能作业，装卸作业能力降低，直接影响散粮装卸船作业效率。如何提高改善带斗门机的技术性能，成为散粮码头亟需解决的瓶颈问题。

1 带斗门机电气系统常见问题

1.1 GE PLC 及 DP 接口通讯

电气系统采用的 GE PLC 通过 PROFIBUS-DP 接口来实现通讯，PROFIBUS-DP 是一种高速，且成本较低的现场总线，适用于自动化系统内分布式 I/O 设备与控制器之间的通讯，DP 接口经集电环与各个分布式 I/O 站点相互连接，从而实现数据的传输与交换。目前设备运营中存在问题如下：

（1）数据传输错误：部分 I/O 信号在传输过程中出现错误、丢失的情况，导致控制指令执错误，致使带斗门机不能正常运行作业。

（2）通讯中断：带斗门机运行时，常发生通讯完全中断的现象，导致 PLC 无法正常控制带斗门机各机构，以致不能正常运行作业。

（3）故障报警频繁：由于通讯信号不稳定，系统频繁发出通讯故障报警，需维护人员前往进行修理，增加设备的生产停机时长。

1.2 中心集电环传输方式的局限性

中心集电环采用旋转部件与静止部件进行电气连接，在设备运行过程中极易受到磨损、粉尘、油污、潮湿等多种环境因素的影响，导致接触不良、信号减弱、中断。此外，中心集电环对安装精度有着较高要求，维护难度较大，一旦出现问题，排查和修复工作困难。

1.3 对码头装卸作业的影响

带斗门机不能正常生产作业，影响散粮船舶装卸效率的提升，主要体现在以下方面：

降低生产效率：频繁的停机事件和控制指令错误，导致带斗门机不能正常作业，显著延

长了散粮装卸作业时间，增加综合装卸作业成本。

（2）增加维修成本：为解决电气系统通讯故障，需投入大量的人力、物力用于维修和部件更换，增加了设备的维护成本。

3）设备作业安全：设备故障有可能导致抓斗自动开斗和下降，造成作业现场人员伤亡、设备机损等事故的发生。

2 升级改造技术措施

2.1 改造设计总思路

将整机 GE 90-30 系列 PLC 及分站 PLC 模块，改造升级为西门子 S7-1500 系列PLC和ET200MP 分站， PLC 主站和从站的通讯方式升级为 PROFINET-PN 通讯方式，PLC系统升级网络结构示意图见图1。

图1 PLC系统升级网络结构示意图

PLC 和变频器的通讯维持 PROFIBUS-DP 通讯方式，这两种通讯网络方式结构清晰，便于故障的判断和处理。此外，对中心滑环进行改造，采用以太网滑环，以太网环配有两组以上备用环，供维修人员快速判断处理故障，也为后期码头带斗门机子系统需升级改造做准备，从根本上解决因滑环接触不良所导致的通讯故障问题。该通讯方式具备更高的稳定性、可靠性和抗干扰能力，能满足带斗门机电气系统对于通讯性能的严格要求。

2.2 硬件配置方面

2.2.1 PLC 配置

根据带斗门机电气系统的控制要求和 I/O 点数，配置西门子 S7-1500 系列 PLC，S7-1500 系列 PLC 拥有强大的处理能力和较高的可靠性，能应对带斗门机复杂的控制逻辑和高速通讯的需求。

2.2.2 通讯模块配置

配置西门子 S7-1500 DP 通讯模块，该模块能够提供高速、稳定的数据传输。同时，在控制柜内新增一台 5 口 PN 交换机，确保 PLC 与各机构变频器之间保留 Profibus-DP 通讯控制方式， PLC 主 CPU 与分站 I/O 模块采用 Profinet-PN 通讯控制方式，实现 PLC 与各个分布式 I/O 站点之间的高效通讯。

2.2.3 网线配置

作为通讯网线的重要组成部分，配置符合标准西门子 PROFINET 6XV1841-2A 的 8芯超 5 类带屏蔽双绞线缆，其具备良好的抗干扰性能和快速传输特性，能保障数据传输的可靠性和安全。

2.3 PLC网络拓扑结构设计

CPU 作为电气系统的网络核心，通过网线与各个分布式 I/O 站点、触摸屏，经交换机实现连接，确保系统的兼容性和稳定性，PLC电气系统采用星型网络拓扑结构，网络拓扑结构示意图见2。

图2 PLC网络拓扑结构示意图

3 升级改造实施过程

3.1 改造前后准备

“改造单位应当针对被改造起重机械的具体要求，制定改造方案；改造方案应当包括改造设计文件、改造工艺文件和检验作业指导书。”改造前应该做好生产准备协调工作，改造后应做好资料归档工作。

3.2 设备拆除

在升级改造工作之前，应对原有的 GE PLC、DP 接口模块、中心集电环，及相关的通讯线缆等设备进行拆除，拆除过程应严格遵守相应设备安全操作规程，以保障设备和人员的安全。

3.3 软、硬安装与布线

3.3.1 PLC 及通讯模块安装

配置选用的西门子 S7-1500 PLC 和相关通讯模块应按图纸要求安装在带斗门机电气控制柜内，并按照图纸规范要求进行接线和接地处理，确保连接的稳固性和可靠性。

3.3.2 分布式 I/O 站点安装

“模拟量信号、低电平开关信号、数据通信线路用屏蔽双绞，应单独占用电缆管或电缆槽，不与动力电缆一起走线”根据带斗门机控制原理图，下部分布式 I/O 站点保持原有安装位置，并将其安装到位。通过网线将分布式 I/O 站点经中心集电环与PLC 进行连接，在布线安装环节，应严格执行工业布线规范，对网线进行规范敷设和固定，避免线缆受到机械磨损和电磁干扰，确保通讯线路的稳定性和安全性。

3.4 软件编程与调试

3.4.1 PLC 程序、触摸屏、CMS程序编写

依据带斗门机的控制逻辑和工艺要求，运用西门子编程软件（Portal） S7-1500 PLC 编写控制程序。在程序编写过程中，应充分考量系统的稳定性、可靠性和安全性，采用科学合理的编程方法和算法，确保升级后带斗门机各项安全技术性能稳定，操作方式不宜改变，原有的触摸屏和CMS程序做相应编写和更新。

3.4.2 通讯程序调试

完成 PLC 程序编写后，针对通讯程序进行调试，通过发送和接收测试数据，检查通讯的稳定性和准确性。同时，通过诊断功能，对通讯故障进行模拟和监测，验证故障处理程序的有效性和可靠性。

3.4.3 系统联调

完成 PLC 程序和通讯程序调试后，应进行整机电气系统联调测试，将带斗门机的各个机构与 PLC 控制程序进行协同调试，全面检查系统的整体性能和控制精度，确保带斗门机能稳定、精准地运行，故障记录等信息应在触摸屏和CMS系统显示。

4 升级改造试运行与优化

电气系统联调完成后，应对带斗门机进行试运行，试运行阶段应密切关注系统的运行状态，收集运行相关数据，对发现的问题进行优化和改进。通过持续不断的优化和调整，带斗门机电气系统安全技术性能得到提升，通讯数据传输错误、中断和信号不稳定故障彻底解决，故障停机时间大幅缩短，散粮货物装卸作业效率显著提升，设备装卸综合成本得到大幅降低。

5 带斗门机关键技术要点及解决方案

5.1 抗干扰措施

在沿海港口码头，电磁干扰是影响码头装卸设备通讯稳定性的关键因素之一。为增强带斗门机电气系统抗干扰能力，采取了以下技术措施：

（1）合理布线：通讯网线增加金属软管，且与动力线缆分开进行敷设，并保持适当的距离，最大程度避免动力线缆产生的电磁场对通讯网线造成干扰。

（2）屏蔽接地：对通讯网线实施屏蔽处理，将屏蔽层可靠接地，减少外界电磁干扰的不良影响。

（3）安装滤波器：在 PLC 和分布式 I/O 站点的电源输入端，安装高性能滤波器，有效过滤掉电源中的干扰信号，保障设备的稳定运行。

5.2 通讯网络故障诊断与恢复

进一步编写完善 PLC 程序诊断功能，当通讯故障发生时，诊断程序能迅速、精准地定位故障点，采取有效的措施进行恢复。如，当某个分布式 I/O 站点通讯中断时，PLC 会自动尝试重新建立连接；若多次尝试仍无法恢复通讯，会立即在故障显示屏发出报警信号；经优化后，程序能够避免当某个分站出现通讯中断时不影响主站运行。