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轮胎吊是码头装卸作业的重要设备，吊具则是轮胎吊的关键机构，直接影响轮胎吊的工作状况和码头生产效率。艾码吊具是较为常见的轮胎吊吊具，其主要型号有8100，8210和8433等[1]，其中，艾码8210型吊具是可伸缩集装箱专用吊具。艾码8210型吊具的电控系统一般采用逻辑电路板控制方式，这种控制系统存在故障排查复杂、器件维护和更换困难、备件昂贵等缺点；另外，由于设备长期受沿海大气腐蚀，电控系统和电路板故障频发，导致设备维护成本增加，码头生产效率下降。本文针对艾码8210型吊具电控系统存在的问题，根据吊具各机构运行工况和实际生产需要，设计可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制系统代替原电子逻辑板，并进行配电盘设计、布置、安装以及PLC编程、调试等，以改进控制系统技术性能。
1 工艺流程
艾码吊具由吊具泵、旋锁机构、伸缩机构、侧移辅助机构等组成。吊具泵由2台电压、功率的电机驱动2台派克液压泵，为其他机构运行提供液压动力；电机的启动和停止主要由轮胎吊AC80 PLC控制。旋锁机构的主要功能是在装卸集装箱时完成对集装箱的锁紧和释放。该装置分为开锁和闭锁状态，由电磁阀驱动开闭锁油缸，油缸通过拉杆的拖动改变锁头位置，锁头到位后由开锁和闭锁限位检测锁头状态。伸缩机构的主要功能是根据集装箱的尺寸调整吊具伸缩梁。该装置分为20英尺、40英尺、45英尺等3个工作尺寸，靠电磁阀驱动伸缩油缸，油缸通过伸缩拉杆的拖动改变伸缩梁位置；限位检测伸缩梁到位后，由进退销锁住，以免伸缩梁位置改变。侧移辅助机构能够微调吊具位置，以便司机抓箱。该机构依靠电磁阀驱动液压油缸实现动作控制，无限位检测，由司机根据需要操作。
艾码吊具可以左右平移各，左右旋转各5€埃舷乱贫鳎视糜谧靶？0英尺、40英尺和45英尺集装箱。
2 控制方案
2.1 控制系统
艾码吊具原电控系统中的电磁阀控制主要由8块逻辑电路板实现，PLC控制系统设计采用PLC替代电路板来控制吊具各机构电磁阀。由于电磁阀的工作电流较大，为保护PLC，在PLC输出点与电磁阀之间使用中间继电器，并采用独立电源为PLC和电磁阀等提供电压为的电源。
2.2 输入输出信号
（1）命令信号 命令信号指司机发出的请求信号，其经过AC80变频器和中间继电器后，由垂缆传输到吊具控制箱内；采用交流电，包括开锁、闭锁、20英尺位置、40英尺位置、45英尺位置等5种命令信号。
（2）检测信号 检测信号指吊具各机构的限位信号，采用直流电，包括左右闭锁、左右开锁、顶销信号、左右20英尺、左右40英尺、左右45英尺、左右进销、左右定位销退销、1号吊具泵运行、2号吊具泵运行等共计20种信号。
（3）电磁阀驱动信号 电磁阀驱动信号包括左右闭锁、左右开锁、左右快伸、左右慢伸、左右快缩、左右慢缩、左右定位销退销等共计14种开关信号，采用直流电。
（4）显示信号 显示信号指吊具反馈到轮胎吊司机室的信号，用于指示吊具状态和控制轮胎吊运行。该信号需将直流电转换成交流电信号，包括开锁指示、闭锁指示、左侧顶销、右侧顶销、20英尺位置、40英尺位置、45英尺位置等7种信号。
3 硬件选型和设计
3.1 PLC选型
鉴于三菱PLC具有通信简单、编程方法直观、尺寸较小、安装灵活、运算速度较快、性能稳定、价格低廉等优点，选择三菱FX2N系列PLC。
（1）数字量输入点 命令信号和检测信号输入点共计25个，考虑到20%的扩展余量因素，故选择32个，采用24 V直流电。
（2）数字量输出点 电磁阀驱动信号和显示信号输出点共计21个，考虑到20%的扩展余量因素，故选择32个，采用24 V直流电。
（3）存储容量 存储容量原则上以数字输入输出点数量的15倍加上模拟输入输出点数量的100倍作为内存总字数，并额外考虑25%的余量。据此，该系统PLC存储容量大约为862.5个字，即位。
（4）运算功能 运算功能包括数字信号的逻辑运算和计时器功能。
（5）输入电源 输入电源为24 V直流电。
基于上述要求，最终选定三菱FX2N-64MR-D型PLC，采用直流输入电源，输入点和输出点各32个，最大存储位。
3.2 电 源
PLC控制系统采用原逻辑电路板控制系统电源。型号为SL20；输入端为三相交流电，电压，电流；输出端为直流电，主要提供给吊具电磁阀、限位机构和PLC。
3.3 电气信号流程
PLC控制系统电气信号流程见图1，采用绘图软件PCsELcad绘制设计电控原理图。
3.4 电控盘
根据电控原理图，制作艾码吊具PLC控制系统的电控系统（见图2）。
4 软件设计
采用三菱PLC编程软件GX Developer Version 7 开发PLC控制系统程序，操作系统为Windows 2000 SP4，程序结构主要功能块包括开闭锁功能块、伸缩功能块和侧移功能块（见图3）。
4.1 开闭锁功能块程序
4.1.1 开闭锁工作原理
吊具接到司机命令（开锁或闭锁）请求后，检测吊具顶销到位和吊具工作尺寸位置，旋锁开始动作到请求位置；检测锁头到位后将信号反馈到司机室，动作结束。
4.1.2 开闭锁程序流程
PLC控制系统开闭锁程序流程（以闭锁为例）如图4所示。
4.1.3 创新功能
在作业过程中，开闭锁限位自检模式会出现开锁和闭锁灯同时亮的情况，导致操作人员难以判断吊具的开闭锁状态。PLC控制系统通过程序实现自动显示开闭锁限位状态的功能，便于维修人员检修，对码头生产和人员安全起到一定保障作用。 4.2 伸缩功能块程序
4.2.1 伸缩工作原理
艾码吊具具有慢伸和慢缩功能，伸缩到位后，退销油缸控制金属销插入工字箱梁和伸缩梁的圆孔内，将伸缩梁定位。伸缩梁受到外力作用时，吊具尺寸不会发生改变。要改变吊具尺寸，需要将插入伸缩梁和工字箱梁圆孔内的金属销退出来，然后吊具才能进行伸缩动作。以40英尺缩20英尺为例：初始状态的吊具在40英尺位置，接到20英尺位置指令（脉冲信号）后，吊具左右两侧做退销动作，进销限位关断；检测退销到位后，左右两侧的快缩和慢缩同时得电，吊具做快缩动作；吊具离开40英尺位置后，40英尺限位断开，当吊具接近20英尺位置时，左右两侧的快缩阀和退销阀失电，慢缩阀继续得电，进销动作；油缸将销顶在伸缩梁上，吊具缓慢缩进（以免吊具进销后产生巨大冲击），直到缩至20英尺定位孔；进销到位，进销限位闭合，吊具缩动作结束。
4.2.2 伸缩程序流程
PLC控制系统伸缩程序流程如图5所示。
4.2.3 创新功能
PLC控制系统不允许吊具长时间伸缩，以免吊具在伸缩过程中卡塞后继续动作，从而起到保护吊具泵、油阀和油管的作用。
5 联机和测试
三菱FX2N PLC编程口使用圆8针通信口，通信形式为串行通信。程序下载时，将PLC电源开关调至“OFF”状态，打开对应的吊具程序，选择“PLC写入”选项。程序下载结束后，将PLC电源开关调至“ON”状态，选择“监视写入”模式即可在线观看吊具运行状态，同时可对程序进行在线修改，修改后须将程序变换后再保存。
测试系统时，首先在模拟操作台上对硬件线路和程序功能进行测试，然后在吊具上进行程序伸缩功能测试，最后在轮胎吊上进行程序全部功能测试和调试，经过空载试车、重载试车后正式投入使用。
测试结果表明，PLC控制系统不仅能够实现吊具的开闭锁、定位伸缩和侧移功能，而且能够实现开闭锁限位自检模式等新功能；系统性能稳定，故障率低，能为码头生产提供可靠保障。
6 结束语
轮胎吊艾码吊具PLC控制系统利用PLC软件程序系统取代集成电路板的硬件控制系统，有助于降低设备故障率，提高设备运行的稳定性和可靠性；同时，该系统抛弃昂贵的艾码逻辑控制板，大大降低维修成本，在吊具控制系统中具有良好的推广价值和应用前景。目前，该控制系统已成功应用于青岛前湾集装箱码头的18台艾码吊具上。与原逻辑电路板控制系统相比，PLC控制系统每年可为每台艾码吊具节约维修成本元人民币，增收利润约元人民币。
参考文献：
[1] 李琳，徐笑梅，程文明，等. 集装箱吊具的型式和应用[J]. 铁道货运，2003（1）：33-36.
（编辑：曹莉琼 收稿日期：2013-06-18）
1 工艺流程
艾码吊具由吊具泵、旋锁机构、伸缩机构、侧移辅助机构等组成。吊具泵由2台电压、功率的电机驱动2台派克液压泵，为其他机构运行提供液压动力；电机的启动和停止主要由轮胎吊AC80 PLC控制。旋锁机构的主要功能是在装卸集装箱时完成对集装箱的锁紧和释放。该装置分为开锁和闭锁状态，由电磁阀驱动开闭锁油缸，油缸通过拉杆的拖动改变锁头位置，锁头到位后由开锁和闭锁限位检测锁头状态。伸缩机构的主要功能是根据集装箱的尺寸调整吊具伸缩梁。该装置分为20英尺、40英尺、45英尺等3个工作尺寸，靠电磁阀驱动伸缩油缸，油缸通过伸缩拉杆的拖动改变伸缩梁位置；限位检测伸缩梁到位后，由进退销锁住，以免伸缩梁位置改变。侧移辅助机构能够微调吊具位置，以便司机抓箱。该机构依靠电磁阀驱动液压油缸实现动作控制，无限位检测，由司机根据需要操作。
艾码吊具可以左右平移各，左右旋转各5€埃舷乱贫鳎视糜谧靶？0英尺、40英尺和45英尺集装箱。
2 控制方案
2.1 控制系统
艾码吊具原电控系统中的电磁阀控制主要由8块逻辑电路板实现，PLC控制系统设计采用PLC替代电路板来控制吊具各机构电磁阀。由于电磁阀的工作电流较大，为保护PLC，在PLC输出点与电磁阀之间使用中间继电器，并采用独立电源为PLC和电磁阀等提供电压为的电源。
2.2 输入输出信号
（1）命令信号 命令信号指司机发出的请求信号，其经过AC80变频器和中间继电器后，由垂缆传输到吊具控制箱内；采用交流电，包括开锁、闭锁、20英尺位置、40英尺位置、45英尺位置等5种命令信号。
（2）检测信号 检测信号指吊具各机构的限位信号，采用直流电，包括左右闭锁、左右开锁、顶销信号、左右20英尺、左右40英尺、左右45英尺、左右进销、左右定位销退销、1号吊具泵运行、2号吊具泵运行等共计20种信号。
（3）电磁阀驱动信号 电磁阀驱动信号包括左右闭锁、左右开锁、左右快伸、左右慢伸、左右快缩、左右慢缩、左右定位销退销等共计14种开关信号，采用直流电。
（4）显示信号 显示信号指吊具反馈到轮胎吊司机室的信号，用于指示吊具状态和控制轮胎吊运行。该信号需将直流电转换成交流电信号，包括开锁指示、闭锁指示、左侧顶销、右侧顶销、20英尺位置、40英尺位置、45英尺位置等7种信号。
3 硬件选型和设计
3.1 PLC选型
鉴于三菱PLC具有通信简单、编程方法直观、尺寸较小、安装灵活、运算速度较快、性能稳定、价格低廉等优点，选择三菱FX2N系列PLC。
（1）数字量输入点 命令信号和检测信号输入点共计25个，考虑到20%的扩展余量因素，故选择32个，采用24 V直流电。
（2）数字量输出点 电磁阀驱动信号和显示信号输出点共计21个，考虑到20%的扩展余量因素，故选择32个，采用24 V直流电。
（3）存储容量 存储容量原则上以数字输入输出点数量的15倍加上模拟输入输出点数量的100倍作为内存总字数，并额外考虑25%的余量。据此，该系统PLC存储容量大约为862.5个字，即位。
（4）运算功能 运算功能包括数字信号的逻辑运算和计时器功能。
（5）输入电源 输入电源为24 V直流电。
基于上述要求，最终选定三菱FX2N-64MR-D型PLC，采用直流输入电源，输入点和输出点各32个，最大存储位。
3.2 电 源
PLC控制系统采用原逻辑电路板控制系统电源。型号为SL20；输入端为三相交流电，电压，电流；输出端为直流电，主要提供给吊具电磁阀、限位机构和PLC。
3.3 电气信号流程
PLC控制系统电气信号流程见图1，采用绘图软件PCsELcad绘制设计电控原理图。
3.4 电控盘
根据电控原理图，制作艾码吊具PLC控制系统的电控系统（见图2）。
4 软件设计
采用三菱PLC编程软件GX Developer Version 7 开发PLC控制系统程序，操作系统为Windows 2000 SP4，程序结构主要功能块包括开闭锁功能块、伸缩功能块和侧移功能块（见图3）。
4.1 开闭锁功能块程序
4.1.1 开闭锁工作原理
吊具接到司机命令（开锁或闭锁）请求后，检测吊具顶销到位和吊具工作尺寸位置，旋锁开始动作到请求位置；检测锁头到位后将信号反馈到司机室，动作结束。
4.1.2 开闭锁程序流程
PLC控制系统开闭锁程序流程（以闭锁为例）如图4所示。
4.1.3 创新功能
在作业过程中，开闭锁限位自检模式会出现开锁和闭锁灯同时亮的情况，导致操作人员难以判断吊具的开闭锁状态。PLC控制系统通过程序实现自动显示开闭锁限位状态的功能，便于维修人员检修，对码头生产和人员安全起到一定保障作用。 4.2 伸缩功能块程序
4.2.1 伸缩工作原理
艾码吊具具有慢伸和慢缩功能，伸缩到位后，退销油缸控制金属销插入工字箱梁和伸缩梁的圆孔内，将伸缩梁定位。伸缩梁受到外力作用时，吊具尺寸不会发生改变。要改变吊具尺寸，需要将插入伸缩梁和工字箱梁圆孔内的金属销退出来，然后吊具才能进行伸缩动作。以40英尺缩20英尺为例：初始状态的吊具在40英尺位置，接到20英尺位置指令（脉冲信号）后，吊具左右两侧做退销动作，进销限位关断；检测退销到位后，左右两侧的快缩和慢缩同时得电，吊具做快缩动作；吊具离开40英尺位置后，40英尺限位断开，当吊具接近20英尺位置时，左右两侧的快缩阀和退销阀失电，慢缩阀继续得电，进销动作；油缸将销顶在伸缩梁上，吊具缓慢缩进（以免吊具进销后产生巨大冲击），直到缩至20英尺定位孔；进销到位，进销限位闭合，吊具缩动作结束。
4.2.2 伸缩程序流程
PLC控制系统伸缩程序流程如图5所示。
4.2.3 创新功能
PLC控制系统不允许吊具长时间伸缩，以免吊具在伸缩过程中卡塞后继续动作，从而起到保护吊具泵、油阀和油管的作用。
5 联机和测试
三菱FX2N PLC编程口使用圆8针通信口，通信形式为串行通信。程序下载时，将PLC电源开关调至“OFF”状态，打开对应的吊具程序，选择“PLC写入”选项。程序下载结束后，将PLC电源开关调至“ON”状态，选择“监视写入”模式即可在线观看吊具运行状态，同时可对程序进行在线修改，修改后须将程序变换后再保存。
测试系统时，首先在模拟操作台上对硬件线路和程序功能进行测试，然后在吊具上进行程序伸缩功能测试，最后在轮胎吊上进行程序全部功能测试和调试，经过空载试车、重载试车后正式投入使用。
测试结果表明，PLC控制系统不仅能够实现吊具的开闭锁、定位伸缩和侧移功能，而且能够实现开闭锁限位自检模式等新功能；系统性能稳定，故障率低，能为码头生产提供可靠保障。
6 结束语
轮胎吊艾码吊具PLC控制系统利用PLC软件程序系统取代集成电路板的硬件控制系统，有助于降低设备故障率，提高设备运行的稳定性和可靠性；同时，该系统抛弃昂贵的艾码逻辑控制板，大大降低维修成本，在吊具控制系统中具有良好的推广价值和应用前景。目前，该控制系统已成功应用于青岛前湾集装箱码头的18台艾码吊具上。与原逻辑电路板控制系统相比，PLC控制系统每年可为每台艾码吊具节约维修成本元人民币，增收利润约元人民币。
参考文献：
[1] 李琳，徐笑梅，程文明，等. 集装箱吊具的型式和应用[J]. 铁道货运，2003（1）：33-36.
（编辑：曹莉琼 收稿日期：2013-06-18）