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(shù)的飛速發(fā)展，各種仿真訓(xùn)練系統(tǒng)［1］已成為 當(dāng)今重大生產(chǎn)設(shè)備或過程控制設(shè)備運行人員上崗操作和教育培 訓(xùn)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(lǐng)域得到廣泛使用.目前，仿 真訓(xùn)練器已逐步成為培訓(xùn)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(shù)［2］近年來在技術(shù)研究領(lǐng)域十分活躍,它匯集 計算機圖形學(xué)、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(xué)研究等多項關(guān)鍵技術(shù)，是多媒體技術(shù) 發(fā)展的更高境界，是這些技術(shù)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(shè)備，成本高，故需要有較強技術(shù)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(shè)備昂貴及運行費 用高，不宜讓受

5、訓(xùn)者在真實環(huán)境下進行實訓(xùn)，所以為了降低培訓(xùn) 成本，盡可能提供一個真實的實訓(xùn)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(shù)在港口機械領(lǐng)域的應(yīng) 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(xùn)練器，通過屏幕投影和三維場景 虛擬，加以聲音模擬，使訓(xùn)練人員通過操作手柄、按鈕等進行身 臨其境般的操作訓(xùn)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(xùn)練人員能在接近 真實的環(huán)境下進行設(shè)備維修訓(xùn)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(shè)計 國內(nèi)一些相關(guān)單位為了培訓(xùn)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(shè)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(shè)備時，多購1套控制器及驅(qū)動器作為設(shè)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(shù)人員進行電氣控制設(shè) 備維護技術(shù)的短期培訓(xùn)使用.這樣的模擬器設(shè)備價格比較高、占 用空間比較大，同時無法構(gòu)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(shù)學(xué)院為了培訓(xùn)中職和高職學(xué)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(gòu)架集裝箱裝卸橋的鋼結(jié) 構(gòu)外形，故經(jīng)相關(guān)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(shè)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(shè)備組成.其中駕駛操作室的構(gòu)成與實際的基本一致，包括操 縱聯(lián)動臺及相關(guān)操作信號指示裝置.虛擬視景投影設(shè)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(shè)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(xùn)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(xùn)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(xùn)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(shè)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(shè)計 為了考慮設(shè)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(shè)計時對4大機構(gòu)的驅(qū)動系統(tǒng)做適當(dāng)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(shè)

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(xùn)練學(xué)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(shè)備的性價比，同時考慮仿真設(shè)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(luò)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(luò)系統(tǒng)維護，即只要在技術(shù)人員的辦公室或家 中，就能通過網(wǎng)絡(luò)了解某臺集裝箱裝卸橋的設(shè)備運行情況，能更 有效地進行設(shè)備的維護. 在電氣控制系統(tǒng)中安裝電氣控制設(shè)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(guān)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(guān)檢測點的故障情況等. 為了能讓訓(xùn)練學(xué)員進行電氣控制設(shè)備維護和故障排除的實 訓(xùn)，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(xué)

12、，也能讓任意1位學(xué)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(luò)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(gòu)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(yīng)用控制系統(tǒng)中，每個通信接口可以獨立地為其他設(shè)備如PLC網(wǎng)絡(luò)、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(shè)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(yīng)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(luò)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(gòu)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(luò)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(luò)中進行重復(fù)組態(tài). CIMPLICITY軟件具有從PLC等設(shè)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(shè)備，通過第三方軟件如VB或VC+同樣可以從中獲得設(shè)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(shù)實現(xiàn)的.使用DDEW以實現(xiàn)應(yīng)用程序之間數(shù)據(jù)的相互發(fā) 送，讓用戶的應(yīng)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(xùn)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(xùn)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(dāng)訓(xùn)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(guān)電氣設(shè)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(shè)備投入使用 的1年多中，已經(jīng)有多批學(xué)員進行實際操作訓(xùn)練，主要是有針對 性地進行集裝箱裝卸橋的駕駛模擬訓(xùn)練及電氣設(shè)備故障分析與 排除實踐，學(xué)員的實踐操作能力有了很大提高.