西門子SIMOCRANE起重機控制平臺防搖系統(tǒng)升級應用

邱濤 謝曉涵

西門子SIMOCRANE起重機控制平臺采用“邏輯控制器+運動控制器+驅動器”組合系統(tǒng)[1-2]，目前廣泛應用于橋吊、卸船機等港口起重機。該平臺集成的防搖控制功能可以解決橋吊吊具在運行過程中因重心漂移而產生的扭擺狀態(tài)復雜多變等問題，有助于實現(xiàn)橋吊裝卸作業(yè)自動化。[3]西門子公司于2019年推出SIMOCRANE起重機控制平臺第3代產品（V3.0），其中包含升級后的防搖系統(tǒng)第3代版本（以下簡稱“新版本”）。新版本防搖系統(tǒng)針對橋吊自動化作業(yè)工況實施諸多改進，以提升自動化作業(yè)的可靠性和安全性。寧波梅東集裝箱碼頭有限公司（以下簡稱“寧波梅東集裝箱碼頭”）于2020年第四季度完成對既有設備的SIMOCRANE起重機控制平臺防搖系統(tǒng)升級和調試。

1 新版本西門子SIMOCRANE起重機控制平臺防搖系統(tǒng)控制特性

1.1 抑制小車在目標位置附近超調

隨著集裝箱船舶持續(xù)向大型化發(fā)展，橋吊最大起升高度不斷提高，目前寧波梅東集裝箱碼頭6號和7號泊位橋吊的軌上起升高度已達52 m。當?shù)蹙邚妮^高位置隨小車聯(lián)動下降至目標位置附近時，由于鋼絲繩不斷放出，小車運行方向的減速效果減弱，容易導致小車超調。升級后的西門子SIMOCRANE起重機控制平臺防搖系統(tǒng)針對這一工況實施優(yōu)化，能夠顯著抑制小車在目標位置附近超調（見圖1），有效減少人工修正工作量，從而降低碰撞事故發(fā)生概率，提升橋吊作業(yè)效率和安全性。

1.2 半自動模式下路徑重算

受船舶穩(wěn)心高度變化、潮水漲落等因素影響，橋吊在自動化作業(yè)過程中需要持續(xù)探測船上集裝箱及其他附屬結構的空間位置信息。這些信息在系統(tǒng)中形成二維障礙物模型，系統(tǒng)依據(jù)模型來規(guī)劃最優(yōu)路徑，并控制集裝箱沿規(guī)劃路徑安全、平穩(wěn)、高速、精準地移動至目標位置。

系統(tǒng)升級前，由于原控制器的算力無法滿足數(shù)據(jù)實時更新需求，加之船型掃描系統(tǒng)存在一定誤差，系統(tǒng)區(qū)分用于避障的障礙物輪廓和用于半自動運行的障礙物輪廓，并在抓放箱結束后的人工操作階段傳送障礙物數(shù)據(jù)。該方案存在以下問題：一是數(shù)據(jù)傳輸窗口期通常較短，時間限制使傳輸數(shù)據(jù)量受到影響，導致障礙物輪廓精度不足;二是橋吊司機可能需要等待數(shù)據(jù)傳送結束后才能執(zhí)行下一步操作，從而對作業(yè)效率產生一定影響。

升級后的西門子SIMOCRANE起重機控制平臺防搖系統(tǒng)允許在半自動模式下傳送數(shù)據(jù)，并在運動中重新計算路徑，從而有效提升系統(tǒng)設計靈活性：只要通過合理的邏輯設計將數(shù)據(jù)傳送過程控制在安全范圍內（如吊具上升階段），就可以大大延長障礙物數(shù)據(jù)傳輸窗口期，從而提高障礙物掃描精度，實現(xiàn)更好的控制性能。

1.3 人工模式與半自動模式流暢切換

系統(tǒng)升級后，橋吊司機可以人工啟動小車，并在空中切換至半自動運行模式，這對于效率要求較高的碼頭而言非常實用。傳統(tǒng)設計無法實現(xiàn)上述操作，其原因在于：小車啟動后，吊具晃動加劇，從而使吊具控制產生明顯頓挫，甚至可能使控制特性發(fā)散，此時，橋吊司機需要先拉高起升機構，確認集裝箱已經(jīng)脫離船舶或拖車且進入攝像頭可探測范圍后，才能將運行模式切換至半自動模式。升級后的西門子SIMOCRANE起重機控制平臺防搖系統(tǒng)針對這一工況實施優(yōu)化（見圖2），使得人工模式可以流暢地切換至半自動模式，從而大大提升橋吊司機操作的靈活性。

1.4 允許設置不同路徑特性

不同碼頭對效率與安全之間的平衡考量不同，并且橋吊司機監(jiān)護設備自動運行的效率和方式存在差異，導致各碼頭對設備自動化運行路徑規(guī)劃的需求不同。[4]針對陸側起升機構開始下降時的小車位置、船岸間的保護間隔等問題，升級后的西門子SIMO- CRANE起重機控制平臺防搖系統(tǒng)允許通過設定參數(shù)或調整軌跡，在符合碼頭作業(yè)安全標準的情況下，以更激進的路徑選擇實現(xiàn)更短的作業(yè)循環(huán)時間。

1.5 檢測數(shù)據(jù)傳送和可視化調試功能更豐富

升級后的西門子SIMOCRANE起重機控制平臺防搖系統(tǒng)提供更為豐富的可視化功能，新增功能包括允許通過監(jiān)控軟件查看自動化運行區(qū)域、安全凈空高度、進入點、規(guī)劃路徑經(jīng)由點等信息，從而幫助工程人員預測和回溯設備自動運行工況。此外，升級后的系統(tǒng)監(jiān)控軟件提供更多的日志功能，并優(yōu)化長時追蹤功能，從而能更好地記錄和診斷問題。相比之下，系統(tǒng)升級前，操作人員只能看到簡易的障礙物分布和軌跡，操作前需要進行較多的推測和分析。

2 新版本西門子SIMOCRANE起重機控制平臺防搖系統(tǒng)升級應用

寧波梅東集裝箱碼頭橋吊配備防搖系統(tǒng)第2代版本（以下簡稱“舊版本”），可以在將舊版本防搖系統(tǒng)升級為新版本防搖系統(tǒng)后，通過更新固件和程序的方式兼容新版本的特性，從而使得系統(tǒng)能夠在實際應用中支持一些前沿的新功能應用。例如，在陸側自動著箱功能應用中，新版本防搖系統(tǒng)可以提供更為詳細的防搖攝像數(shù)據(jù)，優(yōu)化吊具扭動姿態(tài)檢測性能，從而改進著箱動作時機，提高著箱成功率。新版本防搖系統(tǒng)基本可以兼容舊版本防搖系統(tǒng)的用戶程序，在后續(xù)使用中只須逐步調試新特性即可;因此，升級過程對橋吊作業(yè)影響較小。

2.1 更新固件和組態(tài)

升級后的西門子SIMOCRANE起重機控制平臺防搖系統(tǒng)要求SIMOTION運動控制器安裝V5.2以上版本固件，配套的SINAMICS驅動器固件也需要更新至V5.1HF1以上版本。相關固件可以通過更新記憶卡數(shù)據(jù)的方式實現(xiàn)升級，升級后的授權仍然有效。運動控制器升級后，可編程邏輯控制器內的應用組態(tài)發(fā)生變化，增加輸入/輸出點位來傳輸數(shù)據(jù)，并通過S7組態(tài)生成新的電子設備數(shù)據(jù)庫文件，即可正確識別硬件配置。

2.2 更新運動控制器程序依賴庫

防搖程序運行依賴運動控制器程序擴展庫Addon Library，更新該擴展庫以提供更多功能模塊;同時，在SIMOTION軟件中增加新版數(shù)據(jù)中心橋接庫，以便重新編譯發(fā)生變化的程序。

2.3 更新可編程邏輯控制器程序

升級后的西門子SIMOCRANE起重機控制平臺防搖系統(tǒng)的參數(shù)列表有所變化，需要添加新增參數(shù)，才能使可編程邏輯控制器正確識別參數(shù);此外，還須調整防搖程序（一般為FC99程序）和專用的調用功能模塊FB990或FB995，增加擴展功能占用的數(shù)據(jù)范圍調用模塊，并更新這些功能模塊調用參數(shù)。上述工作完成后，既有的用戶程序便可在新版本防搖系統(tǒng)上運行，并可以通過監(jiān)視可編程邏輯控制器上防搖系統(tǒng)通信模塊對應的數(shù)據(jù)模塊來確認用戶程序是否按照預期執(zhí)行。此外，可以安裝新版防搖調試軟件（SIMOCRANE CeCOMM V4.4.2.0）來監(jiān)視和調試防搖系統(tǒng)，實現(xiàn)對可視化調試新特性的應用。

3 結束語

升級后的西門子SIMOCRANE起重機控制平臺防搖系統(tǒng)具備優(yōu)秀的自動化控制特性并提供豐富的吊具狀態(tài)信息，不僅有助于提升橋吊自動化作業(yè)效率，而且能為自動著箱等定制化需求提供良好的軟件基礎。重要的是，這些新功能通過在原有設備基礎上實施軟件升級的方式便可實現(xiàn)，能夠為碼頭節(jié)約大量設備采購成本，提升碼頭綜合效益。

參考文獻：

[1] 王立俊，陳萍. 西門子Simocrane在雙40英尺橋吊上的應用[J]. 電氣自動化，2010，32（6）：35-37.

[2] 陸俊杰. 淺談西門子控制系統(tǒng)在港口岸橋上的應用[J]. 中國新通信，2015，17（23）：77-78.

[3] 楊育青，曹雪東. 雙起升岸邊集裝箱起重機吊具防搖防扭控制系統(tǒng)設計[J]. 集裝箱化，2020，31（8）：15-17.

[4] 蔣安波. 西門子新一代起重機電控系統(tǒng)Simocrane在卸船機上的應用[J]. 中國港口，2012（4）：63.

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2021-03-15）