集裝箱裝卸橋仿真系統(tǒng)

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1、集裝箱裝卸橋仿真系統(tǒng) Containercranesimulationsystem CAIZhigang (Info.Eng.College,ShanghaiMaritimeUniv.,Shanghai200135,China) ：Todecreasethetrainingcostofmanipulationandmaintenanceforcontainercrane,thedesignmethodofcontainercranesimulationsystemisproposed.Consideringthepracticalityinspecificdesign,twodiffe

2、rentdrivesystemsaredesignedintheelectricalcontrolsystem,thatis,thehoistandgantryshareasetofalternatingcurrentfrequencyconversiontimingdrivingsystem,andthetrolleyandboomshareasetofdirectcurrentadjustingvoltageandtimingsystem.Inordertoimprovetheadvantageofcontrolsystem,thenetworkcommunicationmoduleisa

3、ddedintothecontrolmodule90-30PLC.Thesystemhasbeenputintopractice,anditisshownthatthesystemcanbetterhelpstudentstoimprovetheirabilityofdrivingskillsinsimulationtrainingandanalyzingandexcludingelectricequipmentmalfunctions. 0引言 隨著仿真技術的飛速發(fā)展，各種仿真訓練系統(tǒng)［1］已成為 當今重大生產(chǎn)設備或過程控制設備運行人員上崗操作和教育培 訓的必備手段，受到國內(nèi)外高度重

4、視，并已在航空航天、航海、 火力及核能發(fā)電、石油化工等許多領域得到廣泛使用.目前，仿 真訓練器已逐步成為培訓飛機、船舶和汽車等駕駛?cè)藛T的重要手 段.虛擬現(xiàn)實技術［2］近年來在技術研究領域十分活躍,它匯集 計算機圖形學、多媒體、人工智能、人機接口、傳感器、高度并 行的實時計算和人的行為學研究等多項關鍵技術，是多媒體技術 發(fā)展的更高境界，是這些技術高層次的集成和滲透，可以給用戶 更逼真的體驗. 集裝箱裝卸橋成為港口集裝箱裝卸行業(yè)的主要機械.因其采 用最先進的控制設備，成本高，故需要有較強技術能力的人員進 行駕駛及維護保養(yǎng).由于港口裝卸作業(yè)繁忙、設備昂貴及運行費 用高，不宜讓受

5、訓者在真實環(huán)境下進行實訓，所以為了降低培訓 成本，盡可能提供一個真實的實訓環(huán)境，研制1套集裝箱裝卸橋 仿真系統(tǒng)具有一定的實際意義. 集裝箱裝卸橋仿真系統(tǒng)［3］通過對橋吊、集裝箱船、集裝 箱、集卡、大海及其他港口建筑物的精確仿真，逼真地模擬裝卸 集裝箱的整個過程，并通過視覺、聽覺和觸覺等感觀反饋形式提 供逼真的碼頭現(xiàn)場環(huán)境，是虛擬現(xiàn)實技術在港口機械領域的應 用. 集裝箱裝卸橋仿真系統(tǒng)主要包含兩大部分［4］：一是駕駛 模擬器，類似于飛機駕駛仿真訓練器，通過屏幕投影和三維場景 虛擬，加以聲音模擬，使訓練人員通過操作手柄、按鈕等進行身 臨其境般的操作訓練；二是電氣控制模擬器，是基

6、于GE90-30PLC 為核心的電氣控制系統(tǒng)，完全模擬真實集裝箱裝卸橋電氣控制系 統(tǒng)，只是其控制對象的操作功率相對縮小，使訓練人員能在接近 真實的環(huán)境下進行設備維修訓練.兩者之間通過以太網(wǎng)及工業(yè)現(xiàn) 場總線進行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)操作臺與PLC及視景控制計算機之間 的數(shù)據(jù)交換.本文著重闡述該系統(tǒng)的實現(xiàn)方法. 1集裝箱裝卸橋仿真系統(tǒng)設計 國內(nèi)一些相關單位為了培訓或生產(chǎn)制造的需要，曾購買過一 些集裝箱裝卸橋的仿真設備，但均不夠完整.如上海振華港機XX 公司為了能讓電氣工程師們做一些編程及測試，在購買電氣控制 設備時，多購1套控制器及驅(qū)動器作為設計及故障處理模擬器， 同時也可以作為集裝

7、箱裝卸橋用戶方技術人員進行電氣控制設 備維護技術的短期培訓使用.這樣的模擬器設備價格比較高、占 用空間比較大，同時無法構成比較完整的集裝箱裝卸橋仿真系統(tǒng). 又如上海港職業(yè)技術學院為了培訓中職和高職學生及港口集裝 箱裝卸橋駕駛司機，投資70萬美元從新加坡購買1套虛擬集裝 箱裝卸橋駕駛模擬器，主要用以模擬集裝箱駕駛操作，但缺少與 實際裝卸橋類似的駕駛操作室及電氣控制系統(tǒng). 研制集裝箱裝卸橋仿真系統(tǒng)的目的在于盡可能地模擬實際 同時考慮系統(tǒng)的先進性及一定的擴展 余地.因為空間有限，在實驗室里無法構架集裝箱裝卸橋的鋼結(jié) 構外形，故經(jīng)相關調(diào)研后將系統(tǒng)分為兩大部分：虛擬集裝箱裝卸 橋駕

8、駛室和集裝箱裝卸橋仿真電氣控制系統(tǒng). 1．1虛擬集裝箱裝卸橋駕駛室設計 虛擬集裝箱裝卸橋駕駛室主要由駕駛操作室及虛擬視景投 影設備組成.其中駕駛操作室的構成與實際的基本一致，包括操 縱聯(lián)動臺及相關操作信號指示裝置.虛擬視景投影設備由3臺視 景控制計算機及2臺投影機組成，用于提供前視景和下視景.虛 擬集裝箱裝卸橋駕駛室示意圖見圖1. 因為虛擬集裝箱裝卸橋駕駛操作室由國內(nèi)專業(yè)生產(chǎn)集裝箱 裝卸橋的公司制作生產(chǎn)，內(nèi)部設備及環(huán)境完全與真實系統(tǒng)一致， 與相似類型的集裝箱裝卸橋駕駛模擬器比較，具有更加真實的操 作訓練環(huán)境. 這里采用兩個方向的虛擬視景投影，與同類集裝箱裝卸橋仿 真訓練

9、駕駛模擬器相比，具有更多的視景信息，可以提供更真實 的操作訓練視景. 考慮到軟件的生產(chǎn)成本因素及系統(tǒng)的研制周期問題，駕駛操 作室虛擬視景的制作委托上海海軍航空兵某部設計完成.主要方 法是先用攝像機從外高橋港區(qū)獲取集裝箱裝卸橋生產(chǎn)過程的原 始圖像，再用OpenGV歆件制作成計算機虛擬視景投影，然后由 PLC中的位置數(shù)據(jù)對虛擬視景的圖像運動進行控制 1 ． 2 集裝箱裝卸橋仿真電氣控制系統(tǒng)設計 為了考慮設備的實用性和先進性，在集裝箱裝卸橋仿真電氣 控制系統(tǒng)設計時對4大機構的驅(qū)動系統(tǒng)做適當調(diào)整.一般情況 下，兩臺驅(qū)動系統(tǒng)要么均為直流驅(qū)動器，要么均為交流驅(qū)動器. [5]而在設

10、計的電氣控制系統(tǒng)中采用兩類不同的驅(qū)動系統(tǒng)[6]， 即起升與大車共用1套交流變頻調(diào)速驅(qū)動器，小車與臂架俯仰共 用1套直流調(diào)速驅(qū)動器.這樣調(diào)整的目的在于，訓練學員既能認 識直流驅(qū)動器的驅(qū)動特性和控制方法，也能認識交流變頻器的驅(qū) 動特性和控制方法. 為了提高仿真設備的性價比，同時考慮仿真設備的先進性， 在交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中增加能量逆變裝置，借此可以模擬在 集裝箱起升與下降時的負載特性.[5]在控制器的選擇上，考慮 到國內(nèi)大多數(shù)集裝箱裝卸橋的使用情況，控制計算機PLC采用美 國GE公司生產(chǎn)的90-30PLC.同樣為了提高控制系統(tǒng)的先進性， 在90-30PLC的I/。模塊擴展時增

11、加網(wǎng)絡通信模塊，可以實現(xiàn) 局域網(wǎng)通信及Internet通信.目前，部分集裝箱碼頭的集裝箱裝 卸橋正發(fā)展為網(wǎng)絡系統(tǒng)維護，即只要在技術人員的辦公室或家 中，就能通過網(wǎng)絡了解某臺集裝箱裝卸橋的設備運行情況，能更 有效地進行設備的維護. 在電氣控制系統(tǒng)中安裝電氣控制設備管理器，用1個裝在控 制柜面板上的觸摸屏與PLC通信，讀取集裝箱裝卸橋電氣控制系 統(tǒng)的有關數(shù)據(jù)信息，并進行處理顯示，能較直觀地分析集裝箱裝 卸橋的運行情況，如驅(qū)動器電流、有關檢測點的故障情況等. 為了能讓訓練學員進行電氣控制設備維護和故障排除的實 訓，用50臺計算機與電氣控制系統(tǒng)的PLC進行聯(lián)網(wǎng).這樣既能進行現(xiàn)場教學

12、，也能讓任意1位學員連接到PLC上，從PLC中調(diào)出程序進行故障分析和處理.對于PLC編程軟件，選用Microsoft公司專為GE公司開發(fā)的Versapro軟件.與以前使用的LogicMaster軟件相比該軟件具有更好的界面，并能在 Win98/Win2000/WinNT下運行，具有更強大的網(wǎng)絡通信功能. 綜合考慮集裝箱裝卸橋仿真電氣控制系統(tǒng)的實用性、性價 比、先進性和可擴展性等因素，將集裝箱裝卸橋仿真電氣控制系 統(tǒng)配置成以下幾個部分：(1)配電柜；(2)起升/大車控制柜； (3)小車/俯仰控制柜；(4)吊具控制柜；(5)PLC柜；(6)繼 電器柜；(7)駕駛座控制器；(8)故障模擬

13、控制屏；(9)交流變 頻調(diào)速電動機、交流發(fā)電機、制動器及編碼器；(10)直流調(diào)壓 調(diào)速電動機、制動器及編碼器. 集裝箱裝卸橋仿真系統(tǒng)結(jié)構見圖2. 2集裝箱裝卸橋仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信 這里將GE的90-30PLC作為數(shù)據(jù)交換的中心計算機，它提供一個專門用于工業(yè)現(xiàn)場總線通信的高性能通信協(xié)議處理模塊 CMM內(nèi)置兩個獨立RS-232和RS-422串行通信接口，在大多數(shù)PLC應用控制系統(tǒng)中，每個通信接口可以獨立地為其他設備如PLC網(wǎng)絡、直流電機驅(qū)動器、交流電機驅(qū)動器等提供控制數(shù)據(jù)通信.GE90-30的CMMI塊支持4種通信協(xié)議：CCMSNPSNP-X 和RTUB議.這里選用CMM1、議，它支

14、持兩種通信模式：對等模 式和主從模式.對等模式即點對點，只允許兩種通信設備共用1 根通信線路，且雙方均可作為初始化方.主從模式 (Master-Slave)用于多點通信，即1個主單元，1個或多個從 單元，只有主單元才可作為初始化方.這里系統(tǒng)采用點對點通信 模式，用于實現(xiàn)駕駛臺的操作信號采集PLC模塊與90-30主機之 間的數(shù)據(jù)交換. 為了使視景計算機的圖像動作與電氣系統(tǒng)中限位狀態(tài)及電 動機的轉(zhuǎn)速等保持高度一致性，同時為了滿足較高的響應速度， 視景計算機無法從PLC的RS-232和RS-422串行通信接口獲取實時控制數(shù)據(jù)，因此在90-30PLC的I/O模塊擴展時增加網(wǎng)絡通信模塊

15、CMM321ETHINTER可以使用TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)PLC局域網(wǎng)及Interent通信. 由于用高級編程語言VB或VC+痔通過TCP/IP協(xié)議直接從PLC讀取數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行解析比較困難，這里采用GE的專用 工業(yè)控制組態(tài)軟件CIMPLICITY作為獲取PLC控制數(shù)據(jù)的橋梁，再由VB6.0與CIMPLICITY建立動態(tài)數(shù)據(jù)交換鏈接，實現(xiàn)視景控 制計算機從PLC獲取控制數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)通信流程結(jié)構見圖3. CIMPLICITY軟件為GEFanuc基于MicrosoftWindowsNT 的工業(yè)控制組態(tài)軟件，在GE系列PLC產(chǎn)品的各個層次上都具有網(wǎng)絡互聯(lián)能力，能夠獲得各個層次的系統(tǒng)集成，而不

16、必在1個網(wǎng)絡中進行重復組態(tài). CIMPLICITY軟件具有從PLC等設備中采集I/O及寄存器數(shù) 據(jù)狀態(tài)，并能將這些數(shù)據(jù)提供給計算機顯示屏幕及其他工業(yè)控制 設備，通過第三方軟件如VB或VC+同樣可以從中獲得設備的I/O及寄存器數(shù)據(jù). CIMPLICITY工控軟件與VB數(shù)據(jù)交換是利用Windows環(huán)境中 DD豉術實現(xiàn)的.使用DDEW以實現(xiàn)應用程序之間數(shù)據(jù)的相互發(fā) 送，讓用戶的應用程序自動接收來自發(fā)送端的數(shù)據(jù).這里VB作為 接收端程序，而CIMPLICITY作為源端數(shù)據(jù)發(fā)送程序. 集裝箱裝卸橋駕駛訓練模擬器并非純粹依賴于計算機圖像 處理，它與電氣控制訓練模擬器相結(jié)合，使視景計算機實

17、際上處 于被動接收數(shù)據(jù)的地位.當訓練人員在操縱集裝箱裝卸橋駕駛模 擬器的操縱桿時，操縱桿的動作數(shù)據(jù)不是直接傳入視景計算機， 而是將動作數(shù)據(jù)傳向PLC并驅(qū)動相關電氣設備動作，如電動機的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，所以視景控制計算機必須從PLC中獲取集裝箱裝卸橋電氣控制模擬器的實際動作數(shù)據(jù).PLC通過局域網(wǎng)把數(shù)據(jù)發(fā)送 到主控制計算機，這樣視景控制計算機只要通過局域網(wǎng)從主控制 計算機獲取數(shù)據(jù)即可.3結(jié)束語 集裝箱裝卸橋仿真系統(tǒng)現(xiàn)已投入實際使用，在設備投入使用 的1年多中，已經(jīng)有多批學員進行實際操作訓練，主要是有針對 性地進行集裝箱裝卸橋的駕駛模擬訓練及電氣設備故障分析與 排除實踐，學員的實踐操作能力有了很大提高.