集装箱装卸桥仿真系统.docx

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1、集装箱装卸桥仿真系统 摘 要：为了降低集装箱装卸桥操作与维护的培训成本，提出集装箱装卸桥仿真系统的设计方法. 考虑到好用性，设计的电气限制系统采纳两类不同的驱动系统，即起升与大车共用1套沟通变频调速驱动系统，小车与臂架俯仰共用1套直流调压调速驱动系统. 为了提高限制系统的先进性，在90-30 PLC的限制模块中增加网络通讯模块，可以实现网络通讯. 该系统已投入运用，实践表明可以很好地帮助学员提高驾驶仿真训练以及分析与解除电气设备故障的实力. 关键词：港口； 集装箱； 装卸桥； 仿真； 电气限制； PLC 中图分类号：U653.929； TP391.9 文献标记码：A Container cra

2、ne simulation system CAI Zhigang ( Info. Eng. College, Shanghai Maritime Univ., Shanghai 200135, China ) Abstract： To decrease the training cost of manipulation and maintenance for container crane, the design method of container crane simulation system is proposed. Considering the practicality in sp

3、ecific design, two different drive systems are designed in the electrical control system, that is, the hoist and gantry share a set of alternating current frequency conversion timing driving system, and the trolley and boom share a set of direct current adjusting voltage and timing system. In order

4、to improve the advantage of control system, the network communication module is added into the control module 90-30 PLC. The system has been put into practice, and it is shown that the system can better help students to improve their ability of driving skills in simulation training and analyzing and

5、 excluding electric equipment malfunctions. Key words： port; container; crane; simulation ; electrical control; PLC 0 引 言 随着仿真技术的飞速发展，各种仿真训练系统1已成为当今重大生产设备或过程限制设备运行人员上岗操作和教化培训的必备手段，受到国内外高度重视，并已在航空航天、航海、火力及核能发电、石油化工等很多领域得到广泛运用.目前，仿真训练器已逐步成为培训飞机、船舶和汽车等驾驶人员的重要手段.虚拟现实技术2近年来在技术探讨领域非常活跃,它汇合计算机图形学、多媒体、人工智能、

6、人机接口、传感器、高度并行的实时计算和人的行为学探讨等多项关键技术，是多媒体技术发展的更高境界，是这些技术高层次的集成和渗透，可以给用户更逼真的体验. 集装箱装卸桥成为港口集装箱装卸行业的主要机械.因其采纳最先进的限制设备，成本高，故须要有较强技术实力的人员进行驾驶及维护保养.由于港口装卸作业繁忙、设备昂贵及运行费用高，不宜让受训者在真实环境下进行实训，所以为了降低培训成本，尽可能供应一个真实的实训环境，研制1套集装箱装卸桥仿真系统具有肯定的实际意义. 集装箱装卸桥仿真系统3通过对桥吊、集装箱船、集装箱、集卡、大海及其他港口建筑物的精确仿真，逼真地模拟装卸集装箱的整个过程，并通过视觉、听觉和触

7、觉等感观反馈形式供应逼真的码头现场环境，是虚拟现实技术在港口机械领域的应用. 集装箱装卸桥仿真系统主要包含两大部分4：一是驾驶模拟器，类似于飞机驾驶仿真训练器，通过屏幕投影和三维场景虚拟，加以声音模拟，使训练人员通过操作手柄、按钮等进行身临其境般的操作训练；二是电气限制模拟器，是基于GE 90-30 PLC为核心的电气限制系统，完全模拟真实集装箱装卸桥电气限制系统，只是其限制对象的操作功率相对缩小，使训练人员能在接近真实的环境下进行设备修理训练.两者之间通过以太网及工业现场总线进行数据通信，实现操作台与PLC及视景限制计算机之间的数据交换.本文着重阐述该系统的实现方法. 1 集装箱装卸桥仿真系

8、统设计 国内一些相关单位为了培训或生产制造的须要，曾购买过一些集装箱装卸桥的仿真设备，但均不够完整.如上海振华港机股份有限公司为了能让电气工程师们做一些编程及测试，在购买电气限制设备时，多购1套限制器及驱动器作为设计及故障处理模拟器，同时也可以作为集装箱装卸桥用户方技术人员进行电气限制设备维护技术的短期培训运用.这样的模拟器设备价格比较高、占用空间比较大，同时无法构成比较完整的集装箱装卸桥仿真系统.又如上海港职业技术学院为了培训中职和高职学生及港口集装箱装卸桥驾驶司机，投资73万美元从新加坡购买1套虚拟集装箱装卸桥驾驶模拟器，主要用以模拟集装箱驾驶操作，但缺少与实际装卸桥类似的驾驶操作室及电气

9、限制系统. 研制集装箱装卸桥仿真系统的目的在于尽可能地模拟实际的集装箱装卸桥应用环境，同时考虑系统的先进性及肯定的扩展余地.因为空间有限，在试验室里无法构架集装箱装卸桥的钢结构外形，故经相关调研后将系统分为两大部分：虚拟集装箱装卸桥驾驶室和集装箱装卸桥仿真电气限制系统. 11 虚拟集装箱装卸桥驾驶室设计 虚拟集装箱装卸桥驾驶室主要由驾驶操作室及虚拟视景投影设备组成.其中驾驶操作室的构成与实际的基本一样，包括操纵联动台及相关操作信号指示装置.虚拟视景投影设备由3台视景限制计算机及2台投影机组成，用于供应前视景和下视景.虚拟集装箱装卸桥驾驶室示意图见图1. 因为虚拟集装箱装卸桥驾驶操作室由国内专业

10、生产集装箱装卸桥的公司制作生产，内部设备及环境完全与真实系统一样，与相像类型的集装箱装卸桥驾驶模拟器比较，具有更加真实的操作训练环境. 这里采纳两个方向的虚拟视景投影，与同类集装箱装卸桥仿真训练驾驶模拟器相比，具有更多的视景信息，可以供应更真实的操作训练视景. 考虑到软件的生产成本因素及系统的研制周期问题，驾驶操作室虚拟视景的制作托付上海海军航空兵某部设计完成.主要方法是先用摄像机从外高桥港区获得集装箱装卸桥生产过程的原始图像，再用OpenGVS软件制作成计算机虚拟视景投影，然后由PLC中的位置数据对虚拟视景的图像运动进行限制. 12 集装箱装卸桥仿真电气限制系统设计 为了考虑设备的好用性和先

11、进性，在集装箱装卸桥仿真电气限制系统设计时对4大机构的驱动系统做适当调整.一般状况下，两台驱动系统要么均为直流驱动器，要么均为沟通驱动器.5而在设计的电气限制系统中采纳两类不同的驱动系统6，即起升与大车共用1套沟通变频调速驱动器，小车与臂架俯仰共用1套直流调速驱动器.这样调整的目的在于，训练学员既能相识直流驱动器的驱动特性和限制方法，也能相识沟通变频器的驱动特性和限制方法. 为了提高仿真设备的性价比，同时考虑仿真设备的先进性，在沟通变频调速限制系统中增加能量逆变装置，借此可以模拟在集装箱起升与下降时的负载特性.5在限制器的选择上，考虑到国内大多数集装箱装卸桥的运用状况，限制计算机PLC采纳美国

12、GE公司生产的90-30 PLC.同样为了提高限制系统的先进性，在90-30 PLC的/模块扩展时增加网络通信模块，可以实现局域网通信及Internet通信.目前，部分集装箱码头的集装箱装卸桥正发展为网络系统维护，即只要在技术人员的办公室或家中，就能通过网络了解某台集装箱装卸桥的设备运行状况，能更有效地进行设备的维护. 在电气限制系统中安装电气限制设备管理器，用1个装在限制柜面板上的触摸屏与PLC通信，读取集装箱装卸桥电气限制系统的有关数据信息，并进行处理显示，能较直观地分析集装箱装卸桥的运行状况，如驱动器电流、有关检测点的故障状况等. 为了能让训练学员进行电气限制设备维护和故障解除的实训，用

13、50台计算机与电气限制系统的PLC进行联网.这样既能进行现场教学，也能让随意1位学员连接到PLC上，从PLC中调出程序进行故障分析和处理.对于PLC编程软件，选用Microsoft公司专为GE公司开发的Versapro软件.与以前运用的Logic Master软件相比该软件具有更好的界面，并能在Win101/Win2000/WinNT下运行，具有更强大的网络通信功能. 综合考虑集装箱装卸桥仿真电气限制系统的好用性、性价比、先进性和可扩展性等因素，将集装箱装卸桥仿真电气限制系统配置成以下几个部分：(1) 配电柜；(2) 起升/大车限制柜；(3) 小车/俯仰限制柜；(4) 吊具限制柜；(5) PL

14、C柜；(6) 继电器柜；(7) 驾驶座限制器；(8) 故障模拟限制屏；(9) 沟通变频调速电动机、沟通发电机、制动器及编码器；(10) 直流调压调速电动机、制动器及编码器. 集装箱装卸桥仿真系统结构见图2. 2 集装箱装卸桥仿真系统的数据通信 这里将GE的90-30 PLC作为数据交换的中心计算机，它供应一个特地用于工业现场总线通信的高性能通信协议处理模块CMM，内置两个独立RS-232和RS-422串行通信接口，在大多数PLC应用限制系统中，每个通信接口可以独立地为其他设备如PLC网络、直流电机驱动器、沟通电机驱动器等供应限制数据通信.GE 90-30的CMM模块支持4种通信协议：CCM，S

15、NP，SNP-X和RTU协议.这里选用CMM协议，它支持两种通信模式：对等模式和主从模式.对等模式即点对点，只允许两种通信设备共用1根通信线路，且双方均可作为初始化方.主从模式用于多点通信，即1个主单元，1个或多个从单元，只有主单元才可作为初始化方.这里系统采纳点对点通信模式，用于实现驾驶台的操作信号采集PLC模块与90-30主机之间的数据交换. 为了使视景计算机的图像动作与电气系统中限位状态及电动机的转速等保持高度一样性，同时为了满意较高的响应速度，视景计算机无法从PLC的RS-232和RS-422串行通信接口获得实时限制数据，因此在90-30 PLC的/模块扩展时增加网络通信模块CMM32

16、1 ETHINTER，可以运用TCP/IP协议实现PLC局域网及Interent通信. 由于用高级编程语言VB或VC+等通过TCP/IP协议干脆从PLC读取数据并对数据进行解析比较困难，这里采纳GE 的专用工业限制组态软件CIMPLICITY作为获得PLC限制数据的桥梁，再由VB 6.0与CIMPLICITY建立动态数据交换链接，实现视景限制计算机从PLC获得限制数据.数据通信流程结构见图3. CIMPLICITY软件为GE Fanuc基于Microsoft Windows NT的工业限制组态软件，在GE系列PLC产品的各个层次上都具有网络互联实力，能够获得各个层次的系统集成，而不必在1个网络

17、中进行重复组态. CIMPLICITY软件具有从PLC等设备中采集I/O及寄存器数据状态，并能将这些数据供应给计算机显示屏幕及其他工业限制设备，通过第三方软件如VB或VC+同样可以从中获得设备的I/O及寄存器数据. CIMPLICITY工控软件与VB数据交换是利用Windows环境中DDE技术实现的.运用DDE可以实现应用程序之间数据的相互发送，让用户的应用程序自动接收来自发送端的数据.这里VB作为接收端程序，而CIMPLICITY作为源端数据发送程序. 集装箱装卸桥驾驶训练模拟器并非纯粹依靠于计算机图像处理，它与电气限制训练模拟器相结合，使视景计算机事实上处于被动接收数据的地位.当训练人员在

18、操纵集装箱装卸桥驾驶模拟器的操纵杆时，操纵杆的动作数据不是干脆传入视景计算机，而是将动作数据传向PLC并驱动相关电气设备动作，如电动机的正转或反转，所以视景限制计算机必需从PLC中获得集装箱装卸桥电气限制模拟器的实际动作数据.PLC通过局域网把数据发送到主限制计算机，这样视景限制计算机只要通过局域网从主限制计算机获得数据即可.3 结束语 集装箱装卸桥仿真系统现已投入实际运用，在设备投入运用的1年多中，已经有多批学员进行实际操作训练，主要是有针对性地进行集装箱装卸桥的驾驶模拟训练及电气设备故障分析与解除实践，学员的实践操作实力有了很大提高. 参考文献： 1 李剑, 梁岗, 王重华. 集装箱装卸桥

19、仿真训练系统通信功能的实现J. 上海海运学院学报, 2002, 23(3): 58-61. 2 苌道方, 宓为建. 基于Vega 的虚拟现实系统漫游引擎J. 计算机协助工程, 2022, 15(2): 31-33. 3 王重华, 郝晋兵, 梁岗, 等. 集装箱桥吊仿真训练系统中碰撞模型的建立与实现J.上海海运学院学报, 2003, 24(2): 142-145. 4 蔡志刚. 集装箱装卸桥电气限制系统仿真J. 试验室探讨与探究, 2022(11): 34-36. 5 黄立培, 张学. 变频器应用技术及电动机调速M 北京: 人民邮电出版社, 19101. 6 陈伯时, 陈敏逊. 沟通调速系统M 北京: 机械工业出版社, 19101. (编辑 廖粤新) 第10页 共10页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页