自動化集裝箱碼頭控制系統(tǒng)的研究

陳加敏，薛士龍，張寧，曹金虎

（上海海事大學物流工程學院，上海 200135）

0 引言

在當前低碳經(jīng)濟時代，全新的自動化碼頭模式代表了港口裝卸機械的先進發(fā)展方向，為低碳經(jīng)濟時代集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)的發(fā)展開辟了新途徑[1]，在港口建立效率高、投資經(jīng)濟的碼頭自動化系統(tǒng)成為世界各國在21世紀的一個研究熱點。上世紀90年代在荷蘭鹿特丹港、德國漢堡港相繼建成了自動化碼頭系統(tǒng)，實現(xiàn)了集裝箱碼頭的自動化運轉。但是現(xiàn)存的自動化碼頭的水平運輸均采用內(nèi)燃機驅(qū)動的自動導航汽車，導致了自動化碼頭投資巨大，不易于推廣。為了解決港口自動化碼頭的現(xiàn)存問題，行業(yè)內(nèi)提出采用低架橋電驅(qū)動運輸系統(tǒng)取代內(nèi)燃機驅(qū)動的自動導航汽車方案，降低成本。基于此方案和實際集裝箱碼頭要求，本文構建了軌道式港口集裝箱碼頭物理模型，并以此模型為研究平臺，從而有利于節(jié)約成本，加快研發(fā)周期，同時為此設計的控制系統(tǒng)以及編寫的控制程序不僅可以運用在模型上，而且可以有效地移植到實際港口自動化碼頭裝卸系統(tǒng)中。

港口集裝箱碼頭物理模型總共由8部分組成：岸橋、低架橋平板小車、低架橋旋轉吊車、近端地面平板小車、近端場橋、遠端地面平板小車、遠端場橋、集卡端場橋。由此可見，集裝箱碼頭的現(xiàn)場設備數(shù)量大、種類多。若使現(xiàn)場設備能夠可靠、安全地運轉，那么對控制系統(tǒng)的抗干擾能力及處理、控制程序的邏輯關系等都提出了很高的要求。

隨著微電子、微機和控制技術的不斷推新，PLC已發(fā)展成為一種多功能、智能化的綜合控制器[2]。它具有結構緊湊、維護方便、運行穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強等特點，在工業(yè)控制領域得到了廣泛的應用。本文采用西門子S7-300系列CPU為315-2DP的PLC構建港口集裝箱碼頭物理模型的自動化控制系統(tǒng)，采用SIMATICSTEP7編程軟件，組態(tài)PLC的輸入輸出以及編寫模型的自動運行程序，該程序成功地運用在軌道式港口集裝箱碼頭物理模型中。

1 系統(tǒng)的構建

1.1 控制系統(tǒng)的設計

系統(tǒng)網(wǎng)絡結構如圖1所示，系統(tǒng)自上而下可分為3個層次：

圖1 網(wǎng)絡結構

1.1.1 監(jiān)控管理層

監(jiān)控室操作人員可以使用監(jiān)控PC機發(fā)送控制命令，通過PC機對現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)信息進行計算分析，通過監(jiān)控界面觀察執(zhí)行機構的工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的實時監(jiān)控。

1.1.2 控制層

控制系統(tǒng)選用自帶PROFIBUS-DP接口的CPU315-2DP的PLC作為系統(tǒng)的主站，主站中分配1個DI模塊和1個D0模塊作為控制臺的輸入與顯示，并通過以太網(wǎng)與上位機進行實時通訊，通過DP總線連接3個DP從站。從站1主要針對系統(tǒng)的岸橋區(qū)所有機構（包括岸橋、低架橋平板小車、低架橋旋轉吊車）進行數(shù)據(jù)采集與控制。從站2主要針對系統(tǒng)的近端區(qū)所有機構（包括近端地面平板小車、近端場橋）進行數(shù)據(jù)采集與控制。從站3主要針對系統(tǒng)的遠端區(qū)所有機構（包括遠端地面平板小車、遠端場橋、集卡端場橋）進行數(shù)據(jù)采集與控制。

1.1.3 現(xiàn)場設備層

現(xiàn)場設備層包括軌道式港口集裝箱碼頭物理模型的所有執(zhí)行機構。其中，岸橋、近端地面平板小車、近端場橋、遠端地面平板小車、遠端場橋的行走機構均采用步進電機，有利于實現(xiàn)定位。

1.2 控制系統(tǒng)的組態(tài)

1.2.1 主站的組態(tài)

如圖2，在2號槽添加CPU315-2DP后自動引出DP總線，設置CPU在總線上的地址為2，PROFIBUS-DP總線的通信速率為1.5Mbps，在4號槽添加32位D0模塊設置地址為QB0-QB3，在5號槽添加32位DI模塊設置地址為IB4-IB7，在6號槽添加CP343-1通信模塊實現(xiàn)與上位機的通訊。

圖2 主站的組態(tài)

1.2.2 從站的組態(tài)

圖3中以從站1的組態(tài)為例對從站的組態(tài)進行說明：采用ET-200M作為從站，設置從站1的總線地址為3，在4號槽添加1個16點的D0模塊并設置地址為QB4-QB5，在5號槽至8號槽分別添加1個32點的D0模塊并設置地址為QB6-QB21，在9號槽至11號槽分別添加1個32點的DI模塊IB0-IB3、IB8-IB15。從站2、3的設置類似。

圖3 從站的組態(tài)

2 控制系統(tǒng)的程序設計

2.1 程序結構

主程序中包括了應急程序、各個機構自動裝船程序、各個機構自動卸船程序、各個機構點動程序、各個機構復位到初始點程序14個子程序，包括自動裝船、自動卸船、手動裝船、手動卸船4個流程，包括63個數(shù)據(jù)處理模塊。圖4中0B1為主程序模塊，F(xiàn)B3至FB8為自動卸船和自動裝船子程序模塊。FB9為機構復位到初始點子程序模塊，F(xiàn)C1至FC7為所有機構點動子程序模塊，DB1至DB63模塊為各個機構對應的數(shù)據(jù)處理模塊。

圖4 程序模塊

本文以自動卸船子程序以及自動裝船子程序為例來描述系統(tǒng)的控制流程。

2.2 自動卸船子程序

如圖5所示，控制主站根據(jù)監(jiān)控管理層給出的任務，自動規(guī)劃路徑、確定堆箱順序。岸橋區(qū)自動卸船的作業(yè)流程包括岸橋上的前小車將集裝箱從船上吊至岸橋中轉平臺，岸橋運行至低架平板小車上方，岸橋上的后小車將集裝箱從中轉平臺吊至低架平板小車上，由低架平板小車送至低架旋轉吊車上，再通過低架旋轉吊車送至近端地面平板小車上，其中，岸橋與岸橋上的后小車同時運行，有利于提高卸船效率。

圖5 自動卸船子程序

岸橋自動卸船的作業(yè)流程結束后，進入近端區(qū)自動卸船的作業(yè)流程，它包括近端地面平板小車將集裝箱從岸橋區(qū)送至堆場區(qū)，再由近端場橋卸至相應的堆箱位置。

如果需要將集裝箱送到集裝箱卡車上，程序進入遠端區(qū)自動卸船的作業(yè)流程，它包括遠端場橋把集裝箱送至遠端地面平板小車上，由地面平板小車送至集卡端場橋上，再通過集卡端場橋送至集裝箱卡車上。

2.3 自動裝船子程序

如圖6所示，控制主站根據(jù)監(jiān)控管理層給出的任務，自動規(guī)劃路徑、確定堆箱順序。如果任務是從集裝箱卡車上裝船，程序進入遠端區(qū)自動裝船作業(yè)流程、近端區(qū)自動裝船作業(yè)流程、岸橋區(qū)自動裝船作業(yè)流程。如果任務是從堆場區(qū)裝船，程序直接進入近端區(qū)自動裝船作業(yè)流程、岸橋區(qū)自動裝船作業(yè)流程。裝船的作業(yè)流程是卸船作業(yè)流程的一個相反過程，在這不再詳細描述。

圖6 自動裝船子程序

2.4 異常處理程序

除了自動卸船程序、自動裝船程序，本文還編寫了異常處理程序。它包括異常分析程序、系統(tǒng)啟動異常處理程序、通訊故障處理程序、設備故障處理程序等。尤其是在裝卸過程中如果規(guī)劃的路徑上有設備出現(xiàn)故障，主程序會立即調(diào)用異常分析程序判斷故障類型、判定故障等級、分析故障原因并產(chǎn)生故障信息，產(chǎn)生的故障信息通過OPC服務器立即傳入監(jiān)控計算機并發(fā)出警報，自動主程序會立即調(diào)用異常處理程序，自動執(zhí)行異常處理相關操作。

3 結論

本文根據(jù)低架橋電驅(qū)動運輸系統(tǒng)取代內(nèi)燃機驅(qū)動的自動導航汽車的方案和實際集裝箱碼頭要求，構建了軌道式港口集裝箱碼頭物理模型，并以此模型為研究平臺實現(xiàn)了高效集裝箱裝卸系統(tǒng)的自動化控制。采用西門子S7-300系列CPU315-2DP的PLC和PROFIBUS現(xiàn)場總線技術設計了自動化集裝箱碼頭控制系統(tǒng)。運用Step7編程軟件對控制系統(tǒng)進行主站組態(tài)、從站組態(tài)和控制程序編寫，程序?qū)崿F(xiàn)了自動卸船、自動裝船、各個機構的點動控制、機構復位、異常處理以及應急處理等。該控制程序已在軌道式港口集裝箱碼頭物理模型中應用，經(jīng)過運行證明是合理的。這種控制系統(tǒng)的設計方式不僅可以在模型上應用，而且可以移植到實際控制系統(tǒng)中。

[1] 吳星.首個全電動綠色集裝箱碼頭將落戶曹妃甸[J].中國遠洋航務，2010（2）：23.

[2] 周平.具有網(wǎng)絡鏈接功能的PLC在港口起重機上的應用[J].武漢交通科技大學學報，2000，24（5）：509-511.

[3] 齊亮，李眾.可編程控制器在港口集裝箱裝卸橋小車中的應用[J].電氣傳動自動化，2005，27（2）：38-40.

[4] 于穎，王玉.基于S7-300PLC的西門子自動化實驗室[J].實驗室研究與探索，2008，27（8）：254-256.

[5] 李軍，張春龍.談PLC自動化控制系統(tǒng)優(yōu)化設計[J].中國新技術新產(chǎn)品，2010（2）：121.

[6] 郭澤宜.PLC在工業(yè)自動化中的應用[J].科技資訊，2009（21）：86.