自动化集装箱码头监控系统设计

    随着经济全球化和区域经济一体化进程的加快，集装箱运输得到迅猛发展，集装箱码头面临吞吐量急剧增长的巨大压力。为提高作业效率，降低作业成本，集装箱码头开始应用自动化技术。20世纪90 年代，荷兰鹿特丹港、德国汉堡港采用内燃机驱动的GPS 导航汽车实现集装箱码头的自动化运转。但是，由于受环境条件影响，GPS 导航定位难以做到十分精确，这使集装箱的每一次吊起、放下的定位耗时长，装卸效率不高。为解决这一问题，振华重工提出取消内燃机驱动的水平运输系统和昂贵的导航系统，采用低架桥电驱动运输系统进行水平运输。

    根据振华重工提出的方案和集装箱码头实际要求，本文构建轨道式港口集装箱码头物理模型。该模型由8部分组成: 岸桥、低架桥平板车、低架桥旋转吊车、近端地面平板小车、近端场桥、远端地面平板小车、远端场桥和集卡端场桥。由此可见，集装箱码头的设备数量庞大、种类繁多，这对监控系统的可靠性和快速性提出较高的要求。

    由于PLC采用现代大规模集成电路技术和严格的生产工艺制造，内部电路采用先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。采用PLC 构成的监控系统的电气接线及开关接点数量是同等规模继电接触器系统的数百甚至数千分之一，系统故障也大大降低。OPC是对象链接和嵌入技术在过程控制方面的应用，为控制系统提供标准的数据访问。OPC是基于Windows的应用程序与现场过程控制应用之间的桥梁，能够使上位机有效、可靠、高速地从控制层中获取需要的实时数据。

    本文采用PLC构建集装箱码头模型的自动化控制系统，以S7-300系列CPU为控制主站，通过PROFIBUS-DP 总线连接3个控制从站，并运用OPC技术，通过工业以太网实现与上位机的实时通信。

1 监控系统构建

1．1监控系统网络结构的设计

    根据自动化集装箱码头监控系统的功能要求，将整个系统网络结构划分为4 层: 监控管理层、通信层、控制层和现场设备层，见图1。

(1) 监控管理层是整个自动化集装箱码头控制系统的人机交互接口，由监控计算机、智能监控设备等构成。本文采用VB 6．0编写上位机的人机交互界面，通过人机界面实现状态监控、参数设定、数据共享和报警显示等功能。

(2) 通信层。上位机通过OPC接口与OPC服务器交互，同时，OPC服务器通过工业以太网与PLC交互。

(3) 控制层的控制系统由1个主站和3个从站构成。主站采用自带PROFIBUS-DP 接口的西门子315-2 DP 的PLC 作为控制核心，通过通信模块CP343-1 实现与OPC 服务器的交互，并分配1个DI模块和1个DO模块分别作为控制台的输入和显示。采用ET200M 构建3个从站，通过每个从站各自的DI 和DO 模块对执行机构进行数据采集与控制。使用PROFIBUS-DP现场总线实现主站与从站的互连。

图1 监控系统网络结构

(4) 现场设备层包括轨道式港口集装箱码头物理模型的所有执行机构。其中，岸桥、近端地面平板小车、近端场桥、远端地面平板小车和远端场桥的行走机构采用步进电机，有利于实现定位。

1．2监控系统的组态

1．2．1主站的组态

    主站的组态见图2。在2号槽添加CPU 315-2DP 后自动引出DP 总线，设置CPU在总线上的地址为2，PROFIBUS-DP 总线的通信速率为1．5 Mbit /s;在4 号槽添加32 bit DO 模块并设置地址为QB0～QB3; 在5号槽添加32 bit DI 模块并设置地址为IB4～ IB7; 在6 号槽添加CP 343-1通信模块，实现与上位机的通信。

图2 主站的组态

1．2．2从站的组态

    图3 中以从站1 的组态为例进行说明: 采用ET200M 作为从站，设置从站1的总线地址为3; 在4号槽添加1个16 bit的DO 模块并设置地址为QB4 ～ QB5; 在5 ～ 8 号槽分别添加1 个32 bit 的DO模块并设置地址为QB6 ～ QB21; 在9 ～ 11 号槽分别添加1 个32 bit 的DI 模块IB0 ～ IB3 和IB8 ～ IB15。从站2 与3 的设置类似。

图3 从站的组态

2 PLC程序设计

2．1程序结构

    主程序包括: 应急程序、各机构自动装卸船程序、各机构点动程序、各机构复位到初始点程序等14个子程序; 自动装卸船和手动装卸船2个流程;63 个数据处理模块。

    图4 中: OB1 为主程序模块; FB3 ～ FB8 为自动装卸船子程序模块; FB9 为机构复位到初始点子程序模块; FC1 ～ FC7 为各机构点动子程序模块;DB1 ～ DB63模块为各机构对应的数据处理模块。

图4 程序模块

    本文以岸桥自动装卸船子程序和低架桥旋转吊自动装卸船子程序为例描述系统的控制流程。

2．2岸桥自动装卸船子程序

    岸桥的自动装卸船子程序包括自动卸船作业流程和自动装船作业流程，见图5。根据监控管理层给出的任务，岸桥自动选择作业流程。岸桥状态标志M103 = 0 表示岸桥处于空闲状态，M103 = 1 表示岸桥处于工作状态。岸桥上有前、后2 辆小车和1 个中转平台，通过中转平台，前、后2 辆小车可以同时工作，这有利于提高装卸效率。

    自动卸船时，岸桥运行到卸船点，由前小车把集装箱从船上吊至岸桥中转平台，岸桥运行至低架桥平板车上方，再由后小车把集装箱从中转平台吊至低架桥平板车上。自动装船流程与自动卸船流程相反: 岸桥运行至低架桥平板车上方，由后小车将集装箱吊至岸桥中转平台，岸桥运行至装船点，再由前小车把集装箱吊至装船点。

图5 岸桥自动装卸船子程序

2．3低架桥旋转吊自动装卸船子程序

    根据监控管理层给出的任务，低架桥旋转吊自动在卸船作业流程和装船作业流程间选择，见图6。读取M105的值即可读取低架桥旋转吊的当前状态，低架桥旋转吊工作时M105 = 1，低架桥旋转吊空闲时M105 = 0。

低架桥旋转吊进行自动卸船时，从低架桥平板车上提起集装箱，待低架桥平板车完全离开低架桥旋转吊下方时，再下降至低架桥下方，顺时针旋转90°后将集装箱放至近端地面平板小车上。低架桥旋转吊自动装船流程与自动卸船流程相反。

图6 低架桥旋转吊自动装卸船子程序

3 上位机的人机界面设计

    在VB 6．0的环境下，运用OPC技术，设计自动化集装箱码头的监控界面。监控界面主要由4 大部分组成: 任务计划界面、运行界面、电气状态界面和报警记录界面。其中，电气状态界面包括岸桥、低架桥平板车、低架桥旋转吊、近端场桥、近端地面平板车、远端场桥、远端地面平板车和集卡端场桥对应的8 个状态显示界面。本文以任务计划界面和近端场桥的状态显示界面为例介绍人机界面。

3．1任务计划界面

    为实现集装箱码头的自动化运转，在实时监控程序中设计任务计划界面。通过该界面可完成集装箱码头装卸船任务计划( 包括自动运行和手动运行的任务计划) 的制订。图7显示自动运行任务计划的制订: 线路1 的任务配置为自动卸船，把集装箱从第1 区的1 号卸船点运送至堆箱区; 线路2 的任务配置为自动装船，把集装箱从3号集卡运送至第2区的1 号装船点; 线路3 的任务配置为自动卸船，把集装箱从第3区的2号卸船点运送至6号集卡上。

图7 任务计划界面

3．2地面平板小车电气状态界面

    图8 为地面平板小车电气状态界面。地面平板小车的电气状态以指示灯、方向标志、文字等形式直观地显示出来。图中: 1 和5 号地面平板小车正在进行卸船; 3 和9 号地面平板小车正在进行装船; 6号地面平板小车正在与低架桥旋转吊交接集装箱; 12号地面平板小车正在与集卡端场桥交接集装箱。

图8 地面平板小车电气状态界面

4 结束语

    根据振华重工提出的方案和集装箱码头实际要求，构建轨道式港口集装箱码头物理模型。在该模型的基础上，采用上位机和PLC 设计自动化集装箱码头的监控系统: 一方面，运用Step 7编程软件编写控制系统主站组态、从站组态和控制程序，实现自动卸船、自动装船、各机构的点动控制、机构复位、异常处理以及应急处理等; 另一方面，运用VB 6．0，结合OPC 技术，设计自动化集装箱码头的监控界面。该界面和控制程序已在轨道式港口集装箱码头物理模型中应用，经过运行证明是合理的。这种监控系统的设计方式不仅可以在模型上应用，而且可以移植到实际控制系统中。