自動(dòng)化岸橋電控系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)

黃志偉 馬蓉 楊育青 趙斌

(上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司,上海 200125)

0 引言

近年來,隨著信息技術(shù)的發(fā)展與集裝箱碼頭自身的需要,越來越多自動(dòng)化集裝箱碼頭建設(shè)提上了日程。在二十多年的自動(dòng)化碼頭發(fā)展過程中,以荷蘭ECT碼頭為代表的第一代自動(dòng)化碼頭,以德國CTA為代表的第二代自動(dòng)化碼頭,以及以荷蘭Euromax為代表的第三代自動(dòng)化碼頭,逐步實(shí)現(xiàn)了堆場自動(dòng)化到水平運(yùn)輸自動(dòng)化,但岸橋的自動(dòng)化一直未有突破性發(fā)展。2013年,振華重工在沙特的IPS和黃碼頭推出的3臺(tái)遠(yuǎn)程半自動(dòng)岸橋,首次成功實(shí)現(xiàn)了岸橋自動(dòng)化作業(yè)的商業(yè)運(yùn)行。這幾年,以廈門港,青島港,洋山港為代表的第四代自動(dòng)化碼頭都實(shí)現(xiàn)了岸橋的自動(dòng)化作業(yè),作業(yè)效率大幅提高,超越了人工作業(yè)效率,實(shí)現(xiàn)了真正意義上的全自動(dòng)碼頭。

1 自動(dòng)化岸橋的系統(tǒng)組成

與傳統(tǒng)岸橋相比,整個(gè)自動(dòng)化岸橋系統(tǒng)組成,除了岸橋電控系統(tǒng)外,還需要碼頭操作系統(tǒng)(TOS),岸橋設(shè)備管理系統(tǒng)(QCMS)連接,來接收自動(dòng)化作業(yè)指令,同時(shí)配備自動(dòng)化子系統(tǒng)來協(xié)同實(shí)現(xiàn)岸橋的自動(dòng)化控制功能。自動(dòng)化岸橋的系統(tǒng)組成圖1所示:

圖1 自動(dòng)化岸橋的系統(tǒng)組成Fig.1 System composition of automated quay crane

自動(dòng)化控制子系統(tǒng)包括:實(shí)現(xiàn)岸橋門架小車自動(dòng)運(yùn)行及主小車的協(xié)同控制的ACCS系統(tǒng);遠(yuǎn)程操作高清視頻顯示CCTV系統(tǒng);箱號(hào)信息識(shí)別OCR系統(tǒng),AGV檢測的APS系統(tǒng),船側(cè)障礙物掃描的SPSS系統(tǒng)等多個(gè)檢測與控制系統(tǒng)共同實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)。在效率提升方面,KPI效率分析系統(tǒng),遠(yuǎn)程操作一對多,多對多的智能分配切換控制技術(shù)等。在輔助控制方面,洋山自動(dòng)化碼頭在視覺分析與測距的應(yīng)用,模擬與真實(shí)操作隨意切換的仿真與測試技術(shù)都推動(dòng)著自動(dòng)化岸橋朝著智能化技術(shù)的發(fā)展。

自動(dòng)化岸橋電控系統(tǒng)則包括:中控遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)即ROCS系統(tǒng);防搖防扭控制系統(tǒng),半自動(dòng)與最優(yōu)路徑控制系統(tǒng)等。

2 自動(dòng)化岸橋電控系統(tǒng)

在自動(dòng)化岸橋的操作形式上,都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程操作模式,遠(yuǎn)程操作中心的遠(yuǎn)程操作臺(tái)與每臺(tái)岸橋單機(jī)之間,實(shí)現(xiàn)了一對多與多對多的操作。通常遠(yuǎn)程操作中心根據(jù)橋吊數(shù)量將配備幾個(gè)或者幾十個(gè)個(gè)操作臺(tái),所有遠(yuǎn)程操作臺(tái)的通過中控系統(tǒng)與所有岸橋進(jìn)行通訊與控制,存在于同一網(wǎng)絡(luò)里面。因此,相比與傳統(tǒng)岸橋電控系統(tǒng),我們不能簡介的將中控中心,各臺(tái)單機(jī)的電控加以獨(dú)立區(qū)別與設(shè)計(jì),而是必須整體考慮,統(tǒng)一配置與設(shè)計(jì)。如何安全、高效、智能地實(shí)現(xiàn)所有遠(yuǎn)程操作臺(tái)對不同岸橋的控制,是遠(yuǎn)程操作得以成功的一個(gè)重要環(huán)節(jié),因此在中控系統(tǒng)配置一臺(tái)中央處理器來集中處理操作臺(tái)分配成為一個(gè)相對容易實(shí)現(xiàn)的控制方式。該中央處理器同時(shí)還是一臺(tái)通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換器,負(fù)責(zé)通訊連接各種各樣的現(xiàn)場設(shè)備,通過邏輯轉(zhuǎn)換,向上提供統(tǒng)一的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)接口。

3 PLC中央控制器(CPU)的選擇

在自動(dòng)化岸橋電控設(shè)計(jì)中,對中控系統(tǒng)的中央控制器(CPU)必須滿足的要求有:(1)高性能:位處理速度達(dá)到ns級(jí),背板能力百兆級(jí),確保自動(dòng)化指令執(zhí)行的響應(yīng)速度。(2)強(qiáng)大的通訊能力,支持多網(wǎng)段通訊。(3)開放性:支持OPC UA等通訊協(xié)議,來連接控制層和IT層,實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通訊。通過分析與性能比較,本文以洋山自動(dòng)化岸橋?yàn)槔?選擇了西門子SIMATIC S7-1500系列的CPU1517-3,其能夠集成到西門子工業(yè)控制平臺(tái)博圖TIA,在全集成的自動(dòng)化軟件環(huán)境中可以極大提高工程組態(tài)的效率。而且它的信號(hào)處理速度更為快速,極大縮短系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。同時(shí)S7-1500提供一種更為全面的安全保護(hù)機(jī)制,包括授權(quán)級(jí)別、模塊保護(hù)以及通信的完整性等各個(gè)方面,另一個(gè)主要的原因是,S7-1500能夠支持更多的通訊連接數(shù)量,從而解決中央控制室內(nèi)操作臺(tái)數(shù)量較多的問題[1]。S7-1500系列性能圖2所示:

圖2 S7-1500系列性能Fig.2 S7-1500 series performance

4 通訊方式及通訊協(xié)議

在岸橋單機(jī)設(shè)備采用了西門子的SINAMIC高精度驅(qū)動(dòng)器,PLC采用西門子安全PLC,即S7-319F作為中央控制器,遠(yuǎn)程操作中心的中控系統(tǒng)與單機(jī)設(shè)備之間采用了Profinet/Profisafe的通訊協(xié)議[2]。硬件配置表及系統(tǒng)硬件組態(tài)結(jié)構(gòu)圖3所示。

5 控制功能的實(shí)現(xiàn)

5.1 中控系統(tǒng)功能

遠(yuǎn)程中心控制系統(tǒng)(ROCS)連接安裝于各操作臺(tái)的I/O,同時(shí)通過Profinet連接現(xiàn)場岸橋的單機(jī)控制器,它接受管理操作臺(tái)的分配指令,連接到指定的現(xiàn)場設(shè)備,實(shí)現(xiàn)通過遠(yuǎn)程對現(xiàn)場設(shè)備的操控及數(shù)據(jù)交換。主要的功能包括:(1)遠(yuǎn)程操作的管理;(2)PLC數(shù)據(jù)交互管理。

5.2 博圖TIA平臺(tái)編程

相對于STEP 7,在用TIA編程中,有一些功能更加的靈活方便[3]。(1)變量的編輯。變量的編輯除了在變量編輯窗口外,也采用在設(shè)備視圖中直接編輯的方式。(2)系統(tǒng)功能塊調(diào)用。采用在指令中調(diào)用系統(tǒng)功能塊Device States,實(shí)現(xiàn)在總線中對I/O的通訊校驗(yàn)。為從實(shí)際應(yīng)用出發(fā),分別考慮了Profinet和Profibus兩種通訊方式,將其封裝進(jìn)一個(gè)FB。(3)變量的訪問。其變量訪問形式有兩種,符號(hào)訪問與絕對地址訪問。博圖TIA平臺(tái)軟件中,數(shù)據(jù)塊的屬性中默認(rèn)勾選優(yōu)化的塊訪問,可優(yōu)化訪問的數(shù)據(jù)塊沒有固定的定義結(jié)構(gòu)。在聲明中,僅為數(shù)據(jù)元素分配一個(gè)符號(hào)名稱,而不分配在塊中的固定地址。這些元素將自動(dòng)保存在塊的空閑內(nèi)存區(qū)域中,從而在內(nèi)存中不留存儲(chǔ)間隙,可以提高內(nèi)存空間的應(yīng)用率。在這些數(shù)據(jù)塊中,變量使用符號(hào)名稱進(jìn)行標(biāo)識(shí),要尋址該變量,則需輸入該變量的符號(hào)名。(4)系統(tǒng)存儲(chǔ)器位的使用。圖4所示,博圖TIA平臺(tái)軟件中系統(tǒng)存儲(chǔ)器器位為CPU的屬性中自帶,調(diào)用即可,無需另外編程定義,這在應(yīng)用非常便捷。

圖3 遠(yuǎn)程控制通訊網(wǎng)絡(luò)圖Fig.3 Remote control communication network diagram

圖4 博圖TIA平臺(tái)中系統(tǒng)和時(shí)鐘存儲(chǔ)器Fig.4 System and clock memory in the Botu TIA platform

6 系統(tǒng)的測試與運(yùn)行

在碼頭現(xiàn)場,遠(yuǎn)程操作中心與單機(jī)設(shè)備之間采用了Profinet/Profisafe協(xié)議進(jìn)行通訊,需測試與運(yùn)行中控系統(tǒng)和單機(jī)控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互,達(dá)到遠(yuǎn)程操控現(xiàn)場設(shè)備實(shí)現(xiàn)岸橋自動(dòng)化作業(yè)的目的。遠(yuǎn)程控制中心包含N個(gè)遠(yuǎn)程操作臺(tái),每個(gè)遠(yuǎn)程操作臺(tái)配有一個(gè)操作用觸摸屏,配置I/O模塊、主令手柄及緊停按鈕,在對其功能測試完成后,通過在遠(yuǎn)程控制中心對它們進(jìn)行操作,實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場指定岸橋設(shè)備的遠(yuǎn)程操控。

遠(yuǎn)程操作臺(tái)觸摸屏通過以太網(wǎng)和中控系統(tǒng)S7-1500控制器進(jìn)行通訊,觸摸屏的命令、操作臺(tái)上主令手柄和緊停按鈕發(fā)生的動(dòng)作,經(jīng)中控系統(tǒng)控制器處理后與單機(jī)系統(tǒng)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,進(jìn)而操控現(xiàn)場設(shè)備?，F(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)也會(huì)實(shí)時(shí)地反饋到觸摸屏上,通過對反饋狀態(tài)的觀察,調(diào)試人員可以對現(xiàn)場設(shè)備的工作任務(wù)進(jìn)行監(jiān)控并作出進(jìn)一步判斷,這樣形成一個(gè)作業(yè)循環(huán)流,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的正常管理和運(yùn)作。

中控中心控制器同時(shí)監(jiān)控所有起重機(jī)的運(yùn)行,結(jié)合相關(guān)起重機(jī)的當(dāng)前運(yùn)行指令、速度和狀態(tài),建立采用實(shí)時(shí)位置作為防撞基準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)了整個(gè)碼頭岸橋的岸橋防撞保護(hù)設(shè)計(jì)。

7 結(jié)語

總之,與傳統(tǒng)岸橋以邏輯控制為主單機(jī)電控相比,自動(dòng)化岸橋電控系統(tǒng)更是一個(gè)更大更復(fù)雜的系統(tǒng),大量自動(dòng)化的檢測子系統(tǒng)與控制系統(tǒng)融入到自動(dòng)化岸橋控制系統(tǒng)中,更多的設(shè)備控制需要更為復(fù)雜的算法來實(shí)現(xiàn),相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)也越來越復(fù)雜。與此相伴的是對維修保養(yǎng)也提出了更高的要求。因此,碼頭用戶與設(shè)備商也在進(jìn)行新的技術(shù)提升與改進(jìn),諸如開發(fā)自運(yùn)行檢測,起重機(jī)健康診斷系統(tǒng),運(yùn)行效率分析系統(tǒng),故障智能分析系統(tǒng)等。相信不久的將來,我們的自動(dòng)化岸橋?qū)⒏又悄?效率將進(jìn)一步的提升,運(yùn)行成本進(jìn)一步下降,自動(dòng)化岸橋?qū)⒊蔀槲磥憩F(xiàn)代化碼頭的主要標(biāo)志。