岸边集装箱起重机小车通信系统改造探索

       一、小车通信系统故障概述
       日照港集装箱发展有限公司拥有四台岸边集装箱起重机小车移动通信系统，其中，系统主要是对滑触线供电和电力载波通信的方式实现控制信号的有效传输，进而确保小车的动力供给，并对数据传输进行有效地控制。但是，在实际使用过程中，受故障的影响而导致控制电源经常断开或者是运行机构出现急刹的问题，而在故障显示屏中显示了多种故障提示。另外，电气房和司机室PLC218 通信模块的RX 与TX 指示灯会出现异常的闪烁情况。
       由于控制电源断开，所以，岸桥小车以及起升机构会在实际运行的过程中发生紧急刹车的问题，就会导致甩箱碰撞或是起升钢丝绳受到损坏等多种事故，进而增加司机的心理压力。根据实际调查与统计发现，小车通信类型的故障，其发生不具有一定的规律，且频度也不固定。如果故障频繁，则每班次会出现3～10 次左右。在这种情况下，该公司装卸生产与设备的安全受到极大的威胁，严重影响其装卸工作的质量与效率。
       二、岸边集装箱起重机小车通信系统的改造方案解构
       1、系统故障的具体原因
       导致控制电源突然断开的主要原因就是程序通信的检测存在问题，而这同样也是岸桥电气控制系统在规避设备失控方面所采取的自我保护方式。其中，岸桥安川电控系统主要是对通信故障检测程序来对小车通信进行相应的检测，而为了能够有效地避免小车等运行机构出现失控的情况，会在PLC 间设置相应的通信检测程序。这样一来，就能够在若干检测点的作用下，确保小车的PLC 和主PLC 间通信的可靠程度控制在允许的范围之内。
       通信故障的原因主要有以下三个方面：其一，电力载波通信系统本身的抗干扰能力比较薄弱，所以，很容易受到外界或者是线路上谐波的严重干扰；其二，由于电力载波通信的传输速率相对缓慢，所以，很难满足光缆传输的速度；其三，安川电控系统PLC CP-218 模块是以太网通信模块，所以，针对数据冗余的设计、抗干扰能力以及响应速度等方面尚未满足控制系统所提出的具体要求。为此，在实际运行的过程中，设备发生通信故障的几率有所提高。
       2、小车通信系统的改造思路以及技术方案内容
       通信系统在工业控制中的应用，需要具备一定的实时性与可靠性，而这也同样是对系统质量进行评判的具体指标。经过相关分析已经明确了通信系统改造的具体目标。第一，对通信模式进行改变。其中，将载波通信方案完全摒弃，由于无法采用光缆等有线方式，所以最终选择无线通信方案。与此同时，无线通信方式一定要具备抗干扰的能力，进而有效地满足控制系统的通信需求，与港口的无线环境相吻合。第二，经过改造的系统不能够使用安川CP-218 这一以太网模块，而是要采用工业现场的总线方式。在这种情况下，可以采用安川CP-215 以及CP-216模块接口对数据信息进行传输。
       以上是小车通信系统的具体改造思路，而针对上述想法，可以提出相应的改造架构，并研发新型系统，将其应用在设备改造当中。新型系统将CP-215 总线接入以及无线跳频技术作为重要基础，有效地弥补了之前系统存在的不足之处，实现了改造的具体要求。而在实际应用过程中，改造以后的系统在运行方面更加平稳，而且不存在通信故障。
        
       图1 表示的是经过改造以后的系统原理图。小车通信系统在改造以后，采用的是电气房CP-317PLC 加载CP-215 的模块，与此同时，在光纤和后大梁无线系统的连接作用下，充分利用无线编码空中传输和小车无线系统通信，将其接入到司机室PLC215 总线当中，进而完成传输数据的主要目的。其中， 215 总线通信的优先级是最高队列等级，而且实际的通信效率和PLC 扫描周期并无联系。相比较于原有系统，其应用层的组成部分是CP-218，通过以太网实现透明传输。但是，经由改造以后，系统数据在交换方面突显出可靠性以及实时性的特征，而且数据传输的速率不超过100ms。而对于后大梁和司机室间无线传输，系统则能够对可变功率以及跳频扩频技术予以灵活地应用。其中，发射的最大功率只有200mW，而双向数据带宽为4Mb/s。另外，射频发射与接收，甚至是转发都是在同一块板的内部实现高度集成，且实际的灵敏度已经达到了-108dBm。
       3、改造方案中的技术创新
       （1）自适应跳频技术的有效应用
       在对系统进行改造的过程中，灵活地应用了可变功率与跳频扩频技术（常应用于军事领域）其抗干扰能力极强，且具有明显的高传输保密性能。其中，该技术的频率控制在2.4～2.4835GHz 范围内，与此同时，在实现频率自适应的基础上同样将功率自适应控制在1～200mW之间。针对跳频通信而言，通过接收方来分析并检测通信链路，明确被干扰的频点，指出可以运用跳频的频率集，进而在反馈通道的帮助下及时向发射方反馈，以保证后大梁与司机室之间的双向链路可以与信道的变化相适应。基于此，将被干扰的频率全部删除，并且在不存在干扰的状态之下，在队列当中添加频点，与此同时，向发送方通知，进而使用全新频点对旧频点序列进行及时地替换。
       （2）总线数据接入目标的实现
       小车通信系统在改造之前，其两端所采用的是CP-218 模块与安川系统相连接。但是，因为该模块自身工业以太网特性缺失，所以，控制回路数据优先级以及实时性效果并不明显。而经由改造以后的系统，实现了Memobus 站与215 总线的直接接入，所以，与原有的以太网透明传输方式相比，后者并不需要调用相关指令，而且实际的通信效率和PLC 扫描周期并不存在关系，一定程度上增强了数据的传输效率。
       （3）系统免维护的特性明显
       弥补了原有载波通信系统通信质量的问题，将滑触线系统的小维护量与运行成本不高的优势保留下来。将平板主线当作重要载体，并且被安装于岸桥小车和后大梁中，而天线的壳体所使用的则是工业级别的PVC 材质。在完成安装以后不需要维护，在恶劣环境中的适应力极强。
       小车通信系统在改造以后，延时情况有所减少，能够将其控制在30～100ms 之间。基于此，通过对自适应跳频技术的应用，系统本身的抗同频干扰能力不断增强，且数据的同步速度逐渐增加。当小车通信系统处于电磁环境当中，其无线通信不会中断，且设备作业的安全性有所提升。不仅能够弥补设备之前系统存在的缺点，同时还能够节省设备制造的成本，所以，逐渐成为岸边集装箱起重机小车通信系统未来的发展趋势。
       作者：许文彬   单位：上海振华重工（集团）股份有限公司