港口集裝箱擺渡系統(tǒng)智能化實訓(xùn)裝置的開發(fā)與應(yīng)用

劉春賢 安麗紅

摘 要：在機(jī)電類專業(yè)教學(xué)過程中，由于缺乏相應(yīng)的實訓(xùn)設(shè)施，教和學(xué)舉步維艱。青島市技師學(xué)院智能制造學(xué)院制作了用PLC（可編程控制器）控制運(yùn)動設(shè)備模擬港口碼頭集裝箱自動擺渡智能裝運(yùn)教學(xué)實訓(xùn)裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)三維運(yùn)行，現(xiàn)場演示42種控制方式。該實訓(xùn)裝置2018年獲第十七屆全國技工院校實驗實訓(xùn)設(shè)備類優(yōu)秀成果評選二等獎。

關(guān)鍵詞：教學(xué)裝置 ?智能化 ?三維運(yùn)動

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，港口碼頭集裝箱裝運(yùn)正向遠(yuǎn)程控制、無人操作、自動裝運(yùn)的智能化發(fā)展。筆者學(xué)院開設(shè)的機(jī)電設(shè)備安裝與維護(hù)專業(yè)與當(dāng)?shù)馗劭诋a(chǎn)業(yè)對接，校企深入合作，產(chǎn)教高度融合。在缺乏實驗實訓(xùn)裝置的情況下，教師與企業(yè)人員一起研究設(shè)計實驗實訓(xùn)裝置，高度模擬了港口碼頭集裝箱裝運(yùn)系統(tǒng)，用PLC控制運(yùn)動設(shè)備自動擺渡送貨系統(tǒng)，實現(xiàn)直觀教學(xué)，技術(shù)創(chuàng)新性突出，具有較好的教學(xué)和實際工程推廣價值。

一、課題研究背景及主要內(nèi)容

學(xué)院機(jī)電設(shè)備安裝與維修專業(yè)結(jié)合地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和企業(yè)用工需求，確定與港口產(chǎn)業(yè)對接實施產(chǎn)教融合校企合作這一發(fā)展規(guī)劃。港口集裝箱裝運(yùn)設(shè)備的安裝、調(diào)試、維護(hù)、保養(yǎng)是學(xué)生必須掌握的一項技能。實踐教學(xué)中課程沒有專門內(nèi)容講解港口集裝箱設(shè)備，與之相關(guān)的是“工廠電氣及PLC控制技術(shù)”和“機(jī)床電氣控制線路”兩門專業(yè)核心課程中的橋式起重機(jī)內(nèi)容，教學(xué)要求用240課時進(jìn)行橋式起重機(jī)相關(guān)知識講解、控制線路操作和檢修技能訓(xùn)練。由于缺乏實訓(xùn)設(shè)備，學(xué)生基本上處于理論層面的探討和推演，對現(xiàn)代港口集裝箱無人操作自動裝運(yùn)的智能化系統(tǒng)原理不了解，更談不上操作與維修了。

為克服這一短板，教師與企業(yè)技術(shù)人員一起研制開發(fā)了實驗實訓(xùn)裝置。該裝置設(shè)置8個停車位，依據(jù)無人擺渡車的進(jìn)入順序，系統(tǒng)能夠自動快速送達(dá)集裝箱，然后擺渡車及時駛離，大大提高了效率。在實踐教學(xué)中采用該裝置模擬港口碼頭集裝箱裝運(yùn)系統(tǒng)，用PLC控制運(yùn)動設(shè)備自動擺渡送貨，學(xué)生或者企業(yè)人員可以多次反復(fù)拆裝熟練安裝過程，還可以設(shè)置故障點(diǎn)，讓學(xué)生或培訓(xùn)人員查找故障以提升檢修能力。

二、可行性方案設(shè)計及研制過程

1.研制后要達(dá)到的控制要求

設(shè)置多個停車位，可同時停靠多輛集裝箱擺渡車（該裝置設(shè)8個停車位）。用PLC作為中控系統(tǒng)，采集信號、運(yùn)算處理并發(fā)出指令，實現(xiàn)無人操作自動裝運(yùn)?？稍O(shè)立微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控集裝箱裝運(yùn)過程。采用手動、自動兩種控制方式，便于教學(xué)、培訓(xùn)。

2.項目研制方案設(shè)計思路

（1）主體設(shè)計構(gòu)想。目前未發(fā)現(xiàn)相關(guān)的實驗實訓(xùn)設(shè)備，因此在研發(fā)過程中多次實地考察，首先根據(jù)實際工作流程確定設(shè)計方案，選擇材料并進(jìn)行組裝，編寫輸入程序，調(diào)試完成后，能模擬演示自動擺渡運(yùn)動過程

該教學(xué)實訓(xùn)裝置設(shè)置有架體。架體內(nèi)部左邊緊靠框架內(nèi)側(cè)處放置有集裝箱，集裝箱可由另外設(shè)備導(dǎo)入。架體底部右邊設(shè)置多個停車位，每個停車位表面設(shè)置有停車位感應(yīng)開關(guān)。架體頂端設(shè)置有通過車輪可運(yùn)動的橫梁，橫梁上面設(shè)置有通過車輪可運(yùn)動的縱向滑板，縱向滑板底部通過升降繩索連接吊鉤升降機(jī)構(gòu)。架體上端橫梁和縱向滑板正對停車位的位置設(shè)置有定位感應(yīng)開關(guān)。架體外設(shè)置有無人擺渡車。

（2）工作過程構(gòu)想。裝置正常工作時，控制中心控制無人擺渡車進(jìn)入架體內(nèi)部的8個停車位中的任一個停車位，控制中心PLC通過停車位感應(yīng)開關(guān)采集到擺渡車停車位置，發(fā)出指令控制縱向滑板上的升降繩索下降，吊鉤吊取集裝箱，升到一定高度，通過橫梁、縱向滑板移向無人擺渡車的停車位置;準(zhǔn)確地將集裝箱放置在無人擺渡車上，吊鉤上升至一定高度，無人擺渡車進(jìn)行運(yùn)輸?？v向滑板、橫梁自動回到原位，等待下次取料信號。

3.項目研制過程

程序設(shè)計。老師帶領(lǐng)學(xué)生設(shè)計程序，根據(jù)8個停車位，橫向、縱向、上下三維運(yùn)動方式，設(shè)計程序，然后用仿真軟件進(jìn)行仿真。程序比較復(fù)雜，梯形圖480多行近2000步程序（省略）。為便于調(diào)試和教學(xué)，設(shè)計三個層級的操作程序，即手動單步操作程序、手動單循環(huán)操作程序、自動操作程序。

（1）手動單步操作：首先要將手動、自動按鈕切換至手動位置。手動單步操作需要有5個操作步驟，當(dāng)有貨車?？吭谀骋卉囄粫r，需依次手動按下并保持按下狀態(tài)。第1步，按下吊鉤下放按鍵，吊鉤下放抓取集裝箱，然后上升到一定高度。第2步，啟動橫梁和縱向滑板運(yùn)行按鈕，與車位相對應(yīng)的感應(yīng)開關(guān)檢測到橫梁和縱向滑板到達(dá)位置時，PLC發(fā)出指令，使橫梁和縱向滑板停止移動。第3步，按下吊鉤下放運(yùn)行按鈕，吊鉤將集裝箱下放，釋放集裝箱。第4步，需按下吊鉤上升按鈕，吊鉤回升至一定高度。第5步，以相反的操作步驟按下橫梁和縱向滑板移動按鈕，使橫梁和小車回到原始位置。

（2）手動單循環(huán)：首先要將手動、自動按鈕切換至手動位置。當(dāng)有貨車停靠在某一車位時，需手動按下啟動按鍵，按下動作完成后，可松開按鍵，吊鉤下放抓取集裝箱，然后上升到一定高度，橫梁和縱向滑板運(yùn)行，車位相對應(yīng)的感應(yīng)開關(guān)檢測到橫梁和縱向滑板到位時，PLC發(fā)出指令，使橫梁和縱向滑板停止移動，電機(jī)驅(qū)動吊鉤下放集裝箱，然后吊鉤返回至一定高度，橫梁和縱向滑板也返回到原始位置。當(dāng)再有貨車?？寇囄粫r，需再次按下啟動按鈕，實現(xiàn)下一個循環(huán)的工作過程。

（3）自動控制：首先要將手動、自動按鈕切換至自動位置。當(dāng)有貨車?？吭谀骋煌＼囄粫r，系統(tǒng)檢測到停車信號，反饋給控制中心，經(jīng)PLC處理，發(fā)出指令，吊鉤下放抓取集裝箱。當(dāng)集裝箱上升至一定高度時，橫梁和縱向滑板拖動貨物按照一定規(guī)律移動至貨車所對應(yīng)的感應(yīng)開關(guān)區(qū)域，吊鉤將貨物放下;放下后回升至一定高度，橫梁和縱向滑板啟動，回到原位，等待下次取料信號。

4.校企人員會商

為充分體現(xiàn)教學(xué)裝置的實用性，學(xué)校還邀請企業(yè)技術(shù)人員對方案進(jìn)行會商。對企業(yè)技術(shù)人員提出的問題，我們作了相應(yīng)修改補(bǔ)充，然后設(shè)計了控制面板，選定了元件和設(shè)備。主體構(gòu)架由學(xué)生參與繪制圖紙。組裝調(diào)試是一個比較復(fù)雜的過程。此項工作在老師的指導(dǎo)下充分發(fā)揮學(xué)生的積極性，順利完成。

然后編制了PLC輸入輸出分配表，設(shè)計了PLC接線圖和順序功能圖，順序功能圖共分為三部分：公用程序、手動程序、自動程序。其中公用程序完成對手動、自動程序進(jìn)行調(diào)用。選用輸入點(diǎn)X24是否得電來表示手動、自動工作的狀態(tài)，為“1”時表示自動狀態(tài)，為“0”時表示手動狀態(tài)。在自動程序中，選用X0～X7分別表示8個停車位。

三、項目研制后的運(yùn)行性能

教學(xué)實踐證明，該實驗實訓(xùn)裝置在教學(xué)及培訓(xùn)中自動和手動控制比較完善，能夠?qū)崿F(xiàn)三維控制，配合位置控制、時間控制等控制方式20多種，現(xiàn)場演示呈現(xiàn)形式40多種。對于機(jī)電、電氣專業(yè)的“電動機(jī)繼電控制線路線路安裝與維修”“工廠電氣及PLC控制技術(shù)”和“機(jī)床電氣控制線路安裝與維修”三門專業(yè)核心課程的絕大多數(shù)控制方式可用此裝置模擬運(yùn)行，實驗實訓(xùn)設(shè)施得以節(jié)省，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得到很大程度的激發(fā)。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生既動腦又動手，擺脫紙上談兵的困境，教學(xué)質(zhì)量顯著提高。這種方式對特種行業(yè)的門式、橋式起重機(jī)操作員、維修員培養(yǎng)培訓(xùn)有實質(zhì)性幫助，具有很好的推廣價值。

四、項目應(yīng)用成效分析

1.產(chǎn)教融合，滿足教學(xué)需要，服務(wù)企業(yè)員工培訓(xùn)

筆者學(xué)?，F(xiàn)有機(jī)電設(shè)備安裝與調(diào)試、機(jī)電一體化等專業(yè)。該設(shè)備現(xiàn)場呈現(xiàn)了大部分控制方式，特別是與港口集裝箱裝運(yùn)系統(tǒng)高度融合。該教學(xué)裝置既為教師日常教學(xué)、學(xué)生實訓(xùn)提供保證，同時也為相關(guān)企業(yè)員工培訓(xùn)提供服務(wù)。

2.師生動手，提高科研能力和創(chuàng)新能力

該實驗實訓(xùn)教學(xué)裝置源于教學(xué)實踐，得于教學(xué)研究。身處教學(xué)和實訓(xùn)一線的一體化教師在長期教學(xué)實踐中急教學(xué)實訓(xùn)之急，憂學(xué)生學(xué)習(xí)之憂，深知學(xué)生需要提升哪些方面的能力，也總結(jié)出通過什么方式和渠道讓學(xué)生快速地掌握專業(yè)知識、提升技能水平。港口擺渡系統(tǒng)智能化實訓(xùn)裝置的開發(fā)與應(yīng)用就是基于教、學(xué)、用三個層面的需要。設(shè)計和制作教具不是一個人能完成的，它需要過硬的技術(shù)、熟練的技巧和豐富經(jīng)驗。

創(chuàng)新是一個民族的靈魂，同時是一切事業(yè)發(fā)展的原動力。這就要求教師有強(qiáng)烈的事業(yè)心，有奉獻(xiàn)精神，有創(chuàng)新意識，同時要有較高的專業(yè)水平，豐富的教學(xué)和實踐經(jīng)驗，要有較強(qiáng)的動手能力和較強(qiáng)的分析問題、解決問題的能力。筆者學(xué)院大學(xué)生技師班里有一批善于動腦勤于動手的學(xué)生。在實訓(xùn)教學(xué)裝置研制過程中，我們讓這些學(xué)生加入到研制團(tuán)隊，他們的積極性很高，常常廢寢忘食。通過參與實訓(xùn)裝置的研制活動， 學(xué)生自信心增強(qiáng)了，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，鞏固了專業(yè)知識，啟迪了創(chuàng)新思維，提高了動手能力;更重要的是陶冶了愛科學(xué)、愛勞動的情操，提升了綜合職業(yè)素養(yǎng)，提高了綜合職業(yè)能力。這是人生的一筆寶貴財富。

五、小結(jié)

傳統(tǒng)的港口集裝箱裝運(yùn)是通過操作人員操作桁車的凸輪控制器來實現(xiàn)的，效率低，容易出現(xiàn)配合不協(xié)調(diào)等問題。該設(shè)計有效解決了上述問題。整個裝運(yùn)過程采用PLC來實現(xiàn)自動控制系統(tǒng)運(yùn)行，效率高，縮短運(yùn)輸車輛在碼頭的停泊時間，降低了裝卸和運(yùn)輸成本。

在研制過程中，產(chǎn)教融合、校企合作，師生的動手能力和創(chuàng)新能力得到提升，在學(xué)校、企業(yè)、社會中應(yīng)用效果良好。隨著教育教學(xué)改革的不斷深入，該設(shè)備也會不斷進(jìn)行升級改造，補(bǔ)充新內(nèi)容和功能滿足日常教學(xué)和技能人員的工作和學(xué)習(xí)需要。

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（作者單位：青島市技師學(xué)院）