隨著經(jīng)濟全球化和區(qū)域經(jīng)濟一體化進程的加快，集裝箱運輸?shù)玫窖该桶l(fā)展，集裝箱碼頭面臨吞吐量急劇增長的巨大壓力。為提高作業(yè)效率，降低作業(yè)成本，集裝箱碼頭開始應用自動化技術(shù)。20世紀90 年代，荷蘭鹿特丹港、德國漢堡港采用內(nèi)燃機驅(qū)動的GPS 導航汽車實現(xiàn)集裝箱碼頭的自動化運轉(zhuǎn)。但是，由于受環(huán)境條件影響，GPS 導航定位難以做到十分精確，這使集裝箱的每一次吊起、放下的定位耗時長，裝卸效率不高。為解決這一問題，振華重工提出取消內(nèi)燃機驅(qū)動的水平運輸系統(tǒng)和昂貴的導航系統(tǒng)，采用低架橋電驅(qū)動運輸系統(tǒng)進行水平運輸。

    根據(jù)振華重工提出的方案和集裝箱碼頭實際要求，本文構(gòu)建軌道式港口集裝箱碼頭物理模型。該模型由8部分組成: 岸橋、低架橋平板車、低架橋旋轉(zhuǎn)吊車、近端地面平板小車、近端場橋、遠端地面平板小車、遠端場橋和集卡端場橋。由此可見，集裝箱碼頭的設備數(shù)量龐大、種類繁多，這對監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和快速性提出較高的要求。

    由于PLC采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)和嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采用先進的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。采用PLC 構(gòu)成的監(jiān)控系統(tǒng)的電氣接線及開關接點數(shù)量是同等規(guī)模繼電接觸器系統(tǒng)的數(shù)百甚至數(shù)千分之一，系統(tǒng)故障也大大降低。OPC是對象鏈接和嵌入技術(shù)在過程控制方面的應用，為控制系統(tǒng)提供標準的數(shù)據(jù)訪問。OPC是基于Windows的應用程序與現(xiàn)場過程控制應用之間的橋梁，能夠使上位機有效、可靠、高速地從控制層中獲取需要的實時數(shù)據(jù)。

    本文采用PLC構(gòu)建集裝箱碼頭模型的自動化控制系統(tǒng)，以S7-300系列CPU為控制主站，通過PROFIBUS-DP 總線連接3個控制從站，并運用OPC技術(shù)，通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)與上位機的實時通信。

1 監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建

1．1監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的設計

    根據(jù)自動化集裝箱碼頭監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求，將整個系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)劃分為4 層: 監(jiān)控管理層、通信層、控制層和現(xiàn)場設備層，見圖1。

(1) 監(jiān)控管理層是整個自動化集裝箱碼頭控制系統(tǒng)的人機交互接口，由監(jiān)控計算機、智能監(jiān)控設備等構(gòu)成。本文采用VB 6．0編寫上位機的人機交互界面，通過人機界面實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)設定、數(shù)據(jù)共享和報警顯示等功能。

(2) 通信層。上位機通過OPC接口與OPC服務器交互，同時，OPC服務器通過工業(yè)以太網(wǎng)與PLC交互。

(3) 控制層的控制系統(tǒng)由1個主站和3個從站構(gòu)成。主站采用自帶PROFIBUS-DP 接口的西門子315-2 DP 的PLC 作為控制核心，通過通信模塊CP343-1 實現(xiàn)與OPC 服務器的交互，并分配1個DI模塊和1個DO模塊分別作為控制臺的輸入和顯示。采用ET200M 構(gòu)建3個從站，通過每個從站各自的DI 和DO 模塊對執(zhí)行機構(gòu)進行數(shù)據(jù)采集與控制。使用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線實現(xiàn)主站與從站的互連。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

(4) 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(gòu)。其中，岸橋、近端地面平板小車、近端場橋、遠端地面平板小車和遠端場橋的行走機構(gòu)采用步進電機，有利于實現(xiàn)定位。

1．2監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)

1．2．1主站的組態(tài)

    主站的組態(tài)見圖2。在2號槽添加CPU 315-2DP 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1．5 Mbit /s;在4 號槽添加32 bit DO 模塊并設置地址為QB0～QB3; 在5號槽添加32 bit DI 模塊并設置地址為IB4～ IB7; 在6 號槽添加CP 343-1通信模塊，實現(xiàn)與上位機的通信。

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)為例進行說明: 采用ET200M 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 bit的DO 模塊并設置地址為QB4 ～ QB5; 在5 ～ 8 號槽分別添加1 個32 bit 的DO模塊并設置地址為QB6 ～ QB21; 在9 ～ 11 號槽分別添加1 個32 bit 的DI 模塊IB0 ～ IB3 和IB8 ～ IB15。從站2 與3 的設置類似。

圖3 從站的組態(tài)

2 PLC程序設計

2．1程序結(jié)構(gòu)

    主程序包括: 應急程序、各機構(gòu)自動裝卸船程序、各機構(gòu)點動程序、各機構(gòu)復位到初始點程序等14個子程序; 自動裝卸船和手動裝卸船2個流程;63 個數(shù)據(jù)處理模塊。

    圖4 中: OB1 為主程序模塊; FB3 ～ FB8 為自動裝卸船子程序模塊; FB9 為機構(gòu)復位到初始點子程序模塊; FC1 ～ FC7 為各機構(gòu)點動子程序模塊;DB1 ～ DB63模塊為各機構(gòu)對應的數(shù)據(jù)處理模塊。

圖4 程序模塊

    本文以岸橋自動裝卸船子程序和低架橋旋轉(zhuǎn)吊自動裝卸船子程序為例描述系統(tǒng)的控制流程。

2．2岸橋自動裝卸船子程序

    岸橋的自動裝卸船子程序包括自動卸船作業(yè)流程和自動裝船作業(yè)流程，見圖5。根據(jù)監(jiān)控管理層給出的任務，岸橋自動選擇作業(yè)流程。岸橋狀態(tài)標志M103 = 0 表示岸橋處于空閑狀態(tài)，M103 = 1 表示岸橋處于工作狀態(tài)。岸橋上有前、后2 輛小車和1 個中轉(zhuǎn)平臺，通過中轉(zhuǎn)平臺，前、后2 輛小車可以同時工作，這有利于提高裝卸效率。

    自動卸船時，岸橋運行到卸船點，由前小車把集裝箱從船上吊至岸橋中轉(zhuǎn)平臺，岸橋運行至低架橋平板車上方，再由后小車把集裝箱從中轉(zhuǎn)平臺吊至低架橋平板車上。自動裝船流程與自動卸船流程相反: 岸橋運行至低架橋平板車上方，由后小車將集裝箱吊至岸橋中轉(zhuǎn)平臺，岸橋運行至裝船點，再由前小車把集裝箱吊至裝船點。

圖5 岸橋自動裝卸船子程序

2．3低架橋旋轉(zhuǎn)吊自動裝卸船子程序

    根據(jù)監(jiān)控管理層給出的任務，低架橋旋轉(zhuǎn)吊自動在卸船作業(yè)流程和裝船作業(yè)流程間選擇，見圖6。讀取M105的值即可讀取低架橋旋轉(zhuǎn)吊的當前狀態(tài)，低架橋旋轉(zhuǎn)吊工作時M105 = 1，低架橋旋轉(zhuǎn)吊空閑時M105 = 0。

低架橋旋轉(zhuǎn)吊進行自動卸船時，從低架橋平板車上提起集裝箱，待低架橋平板車完全離開低架橋旋轉(zhuǎn)吊下方時，再下降至低架橋下方，順時針旋轉(zhuǎn)90°后將集裝箱放至近端地面平板小車上。低架橋旋轉(zhuǎn)吊自動裝船流程與自動卸船流程相反。

圖6 低架橋旋轉(zhuǎn)吊自動裝卸船子程序

3 上位機的人機界面設計

    在VB 6．0的環(huán)境下，運用OPC技術(shù)，設計自動化集裝箱碼頭的監(jiān)控界面。監(jiān)控界面主要由4 大部分組成: 任務計劃界面、運行界面、電氣狀態(tài)界面和報警記錄界面。其中，電氣狀態(tài)界面包括岸橋、低架橋平板車、低架橋旋轉(zhuǎn)吊、近端場橋、近端地面平板車、遠端場橋、遠端地面平板車和集卡端場橋?qū)? 個狀態(tài)顯示界面。本文以任務計劃界面和近端場橋的狀態(tài)顯示界面為例介紹人機界面。

3．1任務計劃界面

    為實現(xiàn)集裝箱碼頭的自動化運轉(zhuǎn)，在實時監(jiān)控程序中設計任務計劃界面。通過該界面可完成集裝箱碼頭裝卸船任務計劃( 包括自動運行和手動運行的任務計劃) 的制訂。圖7顯示自動運行任務計劃的制訂: 線路1 的任務配置為自動卸船，把集裝箱從第1 區(qū)的1 號卸船點運送至堆箱區(qū); 線路2 的任務配置為自動裝船，把集裝箱從3號集卡運送至第2區(qū)的1 號裝船點; 線路3 的任務配置為自動卸船，把集裝箱從第3區(qū)的2號卸船點運送至6號集卡上。

圖7 任務計劃界面

3．2地面平板小車電氣狀態(tài)界面

    圖8 為地面平板小車電氣狀態(tài)界面。地面平板小車的電氣狀態(tài)以指示燈、方向標志、文字等形式直觀地顯示出來。圖中: 1 和5 號地面平板小車正在進行卸船; 3 和9 號地面平板小車正在進行裝船; 6號地面平板小車正在與低架橋旋轉(zhuǎn)吊交接集裝箱; 12號地面平板小車正在與集卡端場橋交接集裝箱。

圖8 地面平板小車電氣狀態(tài)界面

4 結(jié)束語

    根據(jù)振華重工提出的方案和集裝箱碼頭實際要求，構(gòu)建軌道式港口集裝箱碼頭物理模型。在該模型的基礎上，采用上位機和PLC 設計自動化集裝箱碼頭的監(jiān)控系統(tǒng): 一方面，運用Step 7編程軟件編寫控制系統(tǒng)主站組態(tài)、從站組態(tài)和控制程序，實現(xiàn)自動卸船、自動裝船、各機構(gòu)的點動控制、機構(gòu)復位、異常處理以及應急處理等; 另一方面，運用VB 6．0，結(jié)合OPC 技術(shù)，設計自動化集裝箱碼頭的監(jiān)控界面。該界面和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。這種監(jiān)控系統(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。