集装箱起重机吊具通信系统发展现状及改造

屈东升

随着集装箱运输在全球范围内蓬勃发展，港口集装箱装卸作业量也持续增长。作为装卸集装箱的主要工具，集装箱起重机吊具的工作状态直接影响港口集装箱作业效率;因此，提高集装箱起重机吊具的作业效率、安全性和可靠性至关重要。

1 集装箱起重机吊具主要通信系统

从早期的固定式到可伸缩式，再从固定双箱式到可移动双箱式，集装箱起重机吊具功能日益丰富，作业效率逐渐提升，技术要求也日益复杂：从最早的直線控制到需要十几个输入输出点位，再到目前需要独立的可编程逻辑控制器系统和通信系统。吊具可编程逻辑控制器系统与起重机主机系统之间有点对点和两线制两种通信模式。在点对点通信模式下：吊具通过垂缆将吊具信号和指令传输至主机可编程逻辑控制器，以实现相应的编程控制。受吊具

垂缆缆芯数量的限制，该通信模式在指令信号传输、实时监控、远程维护等功能扩展上面临瓶颈。在两线制通信模式下：吊具利用不同功能的两芯线，通过相应的通信协议将信息传输给主机，主机可编程逻辑控制器根据Profibus DP传输的数据完成相应编程。[1]目前，集装箱起重机设备中应用比较广泛的两线制通信模式主要有执行器-传感器接口（actuator-sensor interface，ASI）总线系统和控制器局域网络（controller area network，CAN）总线系统两种模式。

1.1 ASI总线系统

作为广泛应用于现代工业控制领域的分布式输入输出总线技术，ASI总线系统通过现场执行器-传感器与主站控制器双向通信的总线网络，借助相应的网关功能，实现与多种通用现场总线（如Profibus DP、Profinet及CAN等）的连接。在传统集装箱起重

机吊具通信模式下，由于可编程逻辑控制器安装在吊具上，通信系统易受吊具全天候作业和作业冲击力大等因素的影响，存在信号稳定性差、无法远程监控吊具程序、故障排查不便等问题。相比之下，集装箱起重机吊具ASI总线系统通过专用扁平电缆连接吊具信号与起重机主控系统，由布置在司机室内的吊具可编程逻辑控制器控制吊具动作，具有模块安装简便、信号传输可靠等优点，能够最大限度地降低故障率，大大提高吊具电控稳定性。[2]

1.1.1 系统结构

（1）主站模块 ASI总线主站模块相当于整个系统的“大脑”，能在1个扫描周期内完成与从站的通信任务，并能基于其内部的集成电路芯片和专用微处理器，实现数据收发、功能参数配置和系统诊断等功能。吊具ASI主站多选用西门子CP343-2模块，采用西门子 S7-300电控系统，可实现吊具ASI总线网络与起重机主机Profibus DP网络的协调和沟通，进而实现电控系统统一的有效化运作。

（2）从站模块 ASI从站模块的作用是连接现场输入输出设备。ASI总线系统户外型模块一般采用胶封结构，防护等级达到IP67，能较好地应对户外环境和较大的冲击力，故其满足集装箱起重机吊具的工况需求。目前应用较多的是易福门AC24XX系列数字量从站模块和西门子3RK1207-2BQ40-0AA3模拟量输入从站模块。

（3）ASI电源模块 ASI电源为符合ASI规范的专用30 V 直流载波电源，直接与数据线连接，在作为通信载波基础电源的同时为低功率传感器系统供电。ASI总线系统30 V 直流电源必须在对称、非接地的条件下工作。为了达到电磁兼容的要求，ASI电源正极应维持在对地+15 V，负极应维持在对地15 V，并且屏蔽线应接地。

（4）终端电阻器 为了提升通信性能和减少通信干扰，在ASI总线系统通信电缆末端安装终端电阻器。

（5）其他辅助元件 在实际应用中，用户可以结合自身实际需要配置模块连接器、底板、ASI专用电缆以及中继器和从站服务器等辅助元件。

1.1.2 系统应用效果

集装箱起重机吊具ASI总线系统布线简单，支持各种总线拓扑，采用星形连接布线方式，便于施工;相关模块和电缆使用穿刺安装方式，有助于提升安装效率，降低施工难度，节省施工时间。不过，ASI总线系统也有明显缺点：若信号传输距离超过100 m，则会因信号不稳定而导致通信质量下降。目前，随着船舶大型化趋势不断发展，集装箱起重机起升高度逐步增加，相关通信系统信号传输距离也相应增加;因此，上述缺点已成为制约ASI总线系统推广应用的瓶颈。此外，ASI总线系统模拟量信号传输较慢，若吊具系统有多路模拟量信号，则信号传输周期较长，会直接影响吊具伸缩定位精度。

1.2 CAN总线系统

CAN总线是由博世公司开发的一种现场串行通信协议总线，其最初应用于汽车领域，可以使用双绞线来传输信号。由于CAN总线使用成本低且可靠性较高，现在被广泛应用于工业测控和工业自动化领域。CAN总线系统包括物理层信令、物理介质附件和介质从属接口等3个物理层，媒体接入控制、逻辑链路控制等2个数据链路层，以及CANopen应用层。CAN总线系统的优点包括：（1）具有完整的串行数据通信机制;（2）提供实时支持;（3）信号传输速率高达1 Mb/s;（4）具有11位寻址及检错能力;（5）能通过Profibus DP和Profinet DP等网关进行转换，并能与其他通信方式进行现场总线连接。与其他现场总线系统相比，CAN总线系统通信速率较高，实现途径更为便捷，且性价比较高，目前已形成国际标准化的现场总线发展趋势。

目前，集装箱起重机吊具大多采用CANopen总线系统，其实质为架构在CAN上的高层通信协议，包括通信子协议和设备子协议，常被应用于嵌入式系统，即在CAN的基础上再定义用户层。集装箱起重机吊具可编程逻辑控制器一般配置2个以上CAN通信端口：一个用于吊具自身CAN通信系统，另一个用于起重机通信模块系统。

1.2.1 系统结构

（1）控制器 控制器也称主站，其作为CANopen系统的指挥中枢，负责与从站通信，具备功能参数配置、数据收发和系统诊断等功能。控制器主要由计算处理芯片、内存、输入输出点、CANopen通信端口等组成。集装箱起重机吊具选用的控制器多为易福门CR0020、CR0505、CR0032系列控制器。

（2）CAN模块 模块也称从站，CANopen系统可以并联多个从站。主站与从站通过CanH和CanL通信电缆连接。通信电缆可使用普通电缆，但在与动力电缆一起敷设时须选用带屏蔽层的电缆。集装箱起重机吊具选用的从站多为易福门CR9056、CR9058系列从站。单个易福门CR系列從站最多可挂载16个输入输出接口，即每个从站最多可以接入8个输入和8个输出物理量信号，并同时支持开关量和模拟量信号输入。

（3）CANopen电源模块 CANopen系统无须配置专用电源模块，采用普通24 V电源模块即可。

（4）CANopen系统电阻 集装箱起重机吊具本身的CANopen系统在最远端2个从站的CanH与CanL通信电缆之间各挂载1个120电阻器，从而使得整个CANopen系统CanH与CanL通信电缆之间的总电阻为60。同理，吊具可编程逻辑控制器与起重机端通信模块之间CANopen系统的电阻也为60。

（5）其他辅助元件 CANopen系统无需其他辅助元件。另外，只要符合CANopen通信协议的系统均可挂载到该系统上使用，其中包括远程状态检测系统等。

1.2.2 系统应用效果

CAN总线系统采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中工作，具有物理层稳定、实时性强、传输距离远、抗电磁干扰能力强、使用成本低等优点。CAN总线系统采用分模块运行模式，各个模块同时运行，具有可靠的检错和错误处理机制：当发送的信号遭到破坏时，可自动重发，并且节点在错误严重的情况下可自动退出总线，避免总线因个别节点错误而“死锁”，从而极大地提高集装箱起重机吊具工作安全性和可靠性。此外，CAN总线系统线缆敷设简单，线芯数量较少，突破吊具原有垂缆线芯的限制，实现模拟量信号传输，大大丰富吊具功能。不过，需要注意的是，电动吊具的变频电机控制对CAN总线通信干扰较大，虽然可通过屏蔽和接地等措施减少干扰，但并不能从根本上解决问题。可见，CAN总线系统针对集装箱起重机吊具各种工况的抗干扰能力仍有提升空间。[3]

2 集装箱起重机吊具通信系统改造

随着港口集装箱起重机及其配套吊具的更新换代，越来越多的吊具采用CAN总线系统，而ASI总线系统因其传输距离较短、抗干扰能力较差、模拟量信号传输较慢等缺点而逐渐被市场淘汰。针对部分集装箱码头现有的ASI总线系统吊具，目前主要有以下改造方案：（1）将ASI总线模式吊具改造为CAN总线模式吊具，同时改造起重机司机室相关通信设备，该方案适用于原有吊具均为ASI总线模式的优化改造;（2）改造起重机司机室相关通信设备，通过增加专用网关和修改主控程序等，实现ASI和CAN两种总线模式吊具在同一起重机上的互换使用，该方案适用于拥有两种总线模式吊具的集装箱码头，或者目前在用ASI总线模式吊具，但近期需要陆续更换新的CAN总线模式吊具的集装箱码头。集装箱码头应结合其集装箱起重机现有状况、在用吊具通信模式、近期是否采购新吊具等因素综合考虑，选择最适合自身实际的吊具通信系统改造方案。

3 结束语

当前，随着自动化集装箱码头建设的兴起，集装箱起重机吊具相关技术也逐步革新，市场已经出现配备光纤的吊具垂缆，但其存在价格较高、使用寿命较短等缺点。随着无线通信技术、工业以太网的快速发展，尤其是工业无线技术的逐步应用，预计在不久的将来，集装箱吊具与起重机主机之间的通信模式会逐步优化和完善。

参考文献：

[1] 储惠宁，汤金海. 集装箱吊具PLC、通信总线设计选型以及发展展望[J]. 科学与信息化，2018（16）：66-67.

[2] 王旭刚，杨碧洲. ASI总线控制系统在双箱集装箱吊具中的应用[J]. 信息周刊，2019（5）：15.

[3] 钱晓青，吴春峰. CAN 总线技术在ZPMC集装箱吊具上的应用[J]. 工程技术，2017，30（3）：96.

（编辑：曹莉琼 收稿日期：2020-02-13）