自動化岸橋電控系統的規劃與設計

黃志偉 馬蓉 楊育青 趙斌

(上海振華重工(集團)股份有限公司,上海 200125)

0 引言

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

1 自動化岸橋的系統組成

與傳統岸橋相比,整個自動化岸橋系統組成,除了岸橋電控系統外,還需要碼頭操作系統(TOS),岸橋設備管理系統(QCMS)連接,來接收自動化作業指令,同時配備自動化子系統來協同實現岸橋的自動化控制功能。自動化岸橋的系統組成圖1所示:

圖1 自動化岸橋的系統組成Fig.1 System composition of automated quay crane

自動化控制子系統包括:實現岸橋門架小車自動運行及主小車的協同控制的ACCS系統;遠程操作高清視頻顯示CCTV系統;箱號信息識別OCR系統,AGV檢測的APS系統,船側障礙物掃描的SPSS系統等多個檢測與控制系統共同實現自動化作業。在效率提升方面,KPI效率分析系統,遠程操作一對多,多對多的智能分配切換控制技術等。在輔助控制方面,洋山自動化碼頭在視覺分析與測距的應用,模擬與真實操作隨意切換的仿真與測試技術都推動著自動化岸橋朝著智能化技術的發展。

自動化岸橋電控系統則包括:中控遠程操作系統即ROCS系統;防搖防扭控制系統,半自動與最優路徑控制系統等。

2 自動化岸橋電控系統

在自動化岸橋的操作形式上,都已經實現了遠程操作模式,遠程操作中心的遠程操作臺與每臺岸橋單機之間,實現了一對多與多對多的操作。通常遠程操作中心根據橋吊數量將配備幾個或者幾十個個操作臺,所有遠程操作臺的通過中控系統與所有岸橋進行通訊與控制,存在于同一網絡里面。因此,相比與傳統岸橋電控系統,我們不能簡介的將中控中心,各臺單機的電控加以獨立區別與設計,而是必須整體考慮,統一配置與設計。如何安全、高效、智能地實現所有遠程操作臺對不同岸橋的控制,是遠程操作得以成功的一個重要環節,因此在中控系統配置一臺中央處理器來集中處理操作臺分配成為一個相對容易實現的控制方式。該中央處理器同時還是一臺通訊協議轉換器,負責通訊連接各種各樣的現場設備,通過邏輯轉換,向上提供統一的監控數據接口。

3 PLC中央控制器(CPU)的選擇

在自動化岸橋電控設計中,對中控系統的中央控制器(CPU)必須滿足的要求有:(1)高性能:位處理速度達到ns級,背板能力百兆級,確保自動化指令執行的響應速度。(2)強大的通訊能力,支持多網段通訊。(3)開放性:支持OPC UA等通訊協議,來連接控制層和IT層,實現與上位機的通訊。通過分析與性能比較,本文以洋山自動化岸橋為例,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控制平臺博圖TIA,在全集成的自動化軟件環境中可以極大提高工程組態的效率。而且它的信號處理速度更為快速,極大縮短系統響應時間。同時S7-1500提供一種更為全面的安全保護機制,包括授權級別、模塊保護以及通信的完整性等各個方面,另一個主要的原因是,S7-1500能夠支持更多的通訊連接數量,從而解決中央控制室內操作臺數量較多的問題[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 通訊方式及通訊協議

在岸橋單機設備采用了西門子的SINAMIC高精度驅動器,PLC采用西門子安全PLC,即S7-319F作為中央控制器,遠程操作中心的中控系統與單機設備之間采用了Profinet/Profisafe的通訊協議[2]。硬件配置表及系統硬件組態結構圖3所示。

5 控制功能的實現

5.1 中控系統功能

遠程中心控制系統(ROCS)連接安裝于各操作臺的I/O,同時通過Profinet連接現場岸橋的單機控制器,它接受管理操作臺的分配指令,連接到指定的現場設備,實現通過遠程對現場設備的操控及數據交換。主要的功能包括:(1)遠程操作的管理;(2)PLC數據交互管理。

5.2 博圖TIA平臺編程

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,也采用在設備視圖中直接編輯的方式。(2)系統功能塊調用。采用在指令中調用系統功能塊Device States,實現在總線中對I/O的通訊校驗。為從實際應用出發,分別考慮了Profinet和Profibus兩種通訊方式,將其封裝進一個FB。(3)變量的訪問。其變量訪問形式有兩種,符號訪問與絕對地址訪問。博圖TIA平臺軟件中,數據塊的屬性中默認勾選優化的塊訪問,可優化訪問的數據塊沒有固定的定義結構。在聲明中,僅為數據元素分配一個符號名稱,而不分配在塊中的固定地址。這些元素將自動保存在塊的空閑內存區域中,從而在內存中不留存儲間隙,可以提高內存空間的應用率。在這些數據塊中,變量使用符號名稱進行標識,要尋址該變量,則需輸入該變量的符號名。(4)系統存儲器位的使用。圖4所示,博圖TIA平臺軟件中系統存儲器器位為CPU的屬性中自帶,調用即可,無需另外編程定義,這在應用非常便捷。

圖3 遠程控制通訊網絡圖Fig.3 Remote control communication network diagram

圖4 博圖TIA平臺中系統和時鐘存儲器Fig.4 System and clock memory in the Botu TIA platform

6 系統的測試與運行

在碼頭現場,遠程操作中心與單機設備之間采用了Profinet/Profisafe協議進行通訊,需測試與運行中控系統和單機控制系統的遠程數據交互,達到遠程操控現場設備實現岸橋自動化作業的目的。遠程控制中心包含N個遠程操作臺,每個遠程操作臺配有一個操作用觸摸屏,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,通過在遠程控制中心對它們進行操作,實現對現場指定岸橋設備的遠程操控。

遠程操作臺觸摸屏通過以太網和中控系統S7-1500控制器進行通訊,觸摸屏的命令、操作臺上主令手柄和緊停按鈕發生的動作,經中控系統控制器處理后與單機系統控制器進行數據交互,進而操控現場設備。現場設備的狀態也會實時地反饋到觸摸屏上,通過對反饋狀態的觀察,調試人員可以對現場設備的工作任務進行監控并作出進一步判斷,這樣形成一個作業循環流,實現遠程控制系統的正常管理和運作。

中控中心控制器同時監控所有起重機的運行,結合相關起重機的當前運行指令、速度和狀態,建立采用實時位置作為防撞基準,實現了整個碼頭岸橋的岸橋防撞保護設計。

7 結語

總之,與傳統岸橋以邏輯控制為主單機電控相比,自動化岸橋電控系統更是一個更大更復雜的系統,大量自動化的檢測子系統與控制系統融入到自動化岸橋控制系統中,更多的設備控制需要更為復雜的算法來實現,相互關聯的子系統也越來越復雜。與此相伴的是對維修保養也提出了更高的要求。因此,碼頭用戶與設備商也在進行新的技術提升與改進,諸如開發自運行檢測,起重機健康診斷系統,運行效率分析系統,故障智能分析系統等。相信不久的將來,我們的自動化岸橋將更加智能,效率將進一步的提升,運行成本進一步下降,自動化岸橋將成為未來現代化碼頭的主要標志。