摘要：針對港口糧食碼頭25T-38M帶斗門機電氣系統通訊數據錯誤、中斷、不穩定等瓶頸問題，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)和以太網傳輸，通過對電氣系統原理、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；通訊；PROFIBUS；以太網

0、引言

北部灣港防城港碼頭有限公司服務國家戰略大局，搶抓國家實施“一帶一路”、西部陸海新通道的戰略機遇，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、發運為一體的糧食專業化碼頭。

防城港作為國內主要的糧食進口港之一，糧食專業化碼頭配置了3臺25T-38M帶斗門機，于2015年底投產運營，主要用于大豆、玉米、油菜籽等散糧的裝卸作業，實現散糧從碼頭前沿直輸到后方筒倉、臨港企業的全過程自動化作業，同時也兼顧傳統工藝汽車運輸作業，其具有作業效率高、安全可靠、環保節能和運行平穩特點。經過近10年的運營，目前3臺帶斗門機電氣系統中PLC程序有時會丟失，整機通訊頻繁出現信號不穩定、中斷和數據錯誤的狀況問題，導致該機不能作業，裝卸作業能力降低，直接影響散糧裝卸船作業效率。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、帶斗門機電氣系統常見問題

1.1 GE PLC及DP接口通訊

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

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

（2）通訊中斷：帶斗門機運行時，常發生通訊完全中斷的現象，導致PLC 無法正?？刂茙Ф烽T機各機構，以致不能正常運行作業。

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

1.2 中心集電環傳輸方式的局限性

中心集電環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，中心集電環對安裝精度有著較高要求，維護難度較大，一旦出現問題，排查和修復工作困難。

1.3 對碼頭裝卸作業的影響

帶斗門機不能正常生產作業，影響散糧船舶裝卸效率的提升，主要體現在以下方面：

（1）降低生產效率：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，顯著延

長了散糧裝卸作業時間，增加綜合裝卸作業成本。

（2）增加維修成本：為解決電氣系統通訊故障，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）設備作業安全：設備故障有可能導致抓斗自動開斗和下降，造成作業現場人員傷亡、設備機損等事故的發生。

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系統升級網絡結構示意圖見圖1。

圖1 PLC系統升級網絡結構示意圖

PLC 和變頻器的通訊維持 PROFIBUS-DP 通訊方式，這兩種通訊網絡方式結構清晰，便于故障的判斷和處理。此外，對中心滑環進行改造，采用以太網滑環，以太網環配有兩組以上備用環，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需升級改造做準備，從根本上解決因滑環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定性、可靠性和抗干擾能力，能滿足帶斗門機電氣系統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

根據帶斗門機電氣系統的控制要求和I/O 點數，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、穩定的數據傳輸。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PLC 與各個分布式 I/O 站點之間的高效通訊。

2.2.3 網線配置

作為通訊網線的重要組成部分，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，能保障數據傳輸的可靠性和安全。

2.3 PLC網絡拓撲結構設計

CPU 作為電氣系統的網絡核心，通過網線與各個分布式I/O 站點、觸摸屏，經交換機實現連接，確保系統的兼容性和穩定性，PLC電氣系統采用星型網絡拓撲結構，網絡拓撲結構示意圖見2。

圖2 PLC網絡拓撲結構示意圖

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指導書。” 改造前應該做好生產準備協調工作，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，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，并按照圖紙規范要求進行接線和接地處理，確保連接的穩固性和可靠性。

3.3.2 分布式I/O 站點安裝

“模擬量信號、低電平開關信號、數據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。通過網線將分布式I/O 站點經中心集電環與PLC 進行連接，在布線安裝環節，應嚴格執行工業布線規范，對網線進行規范敷設和固定，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，應充分考量系統的穩定性、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，通過發送和接收測試數據，檢查通訊的穩定性和準確性。同時，通過診斷功能，對通訊故障進行模擬和監測，驗證故障處理程序的有效性和可靠性。

3.4.3 系統聯調

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

4、升級改造試運行與優化

電氣系統聯調完成后，應對帶斗門機進行試運行，試運行階段應密切關注系統的運行狀態，收集運行相關數據，對發現的問題進行優化和改進。通過持續不斷的優化和調整，帶斗門機電氣系統安全技術性能得到提升，通訊數據傳輸錯誤、中斷和信號不穩定故障徹底解決，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定性的關鍵因素之一。為增強帶斗門機電氣系統抗干擾能力，采取了以下技術措施：

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

（2）屏蔽接地：對通訊網線實施屏蔽處理，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，保障設備的穩定運行。

5.2 通訊網絡故障診斷與恢復

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出報警信號；經優化后，程序能夠避免當某個分站出現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，電氣系統會出現通訊數據錯誤、中斷、不穩定等瓶頸問題，導致帶斗門機不能正常運行，嚴重影響糧食碼頭船舶生產作業。通過對帶斗門機進行技術升級改造，運用創新性關鍵技術要點，將原有電氣控制系統升級改造為西門子S7-1500 系列 PLC ，通訊方式升級改造為PROFINET(PN)和以太網傳輸，解決了原系統通訊不穩定、故障頻發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展，帶斗門機控制將朝著智能化、網絡化和集成化的方向邁進，在后續運營過程中，應密切關注新技術的應用動態，不斷優化系統性能，進一步提升帶斗門機的自動化水平和裝卸作業效率，助力港口糧食碼頭裝卸作業高效、安全、環保運行。

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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