集装箱场地吊控制系统仿真
摘要
本论文项目属于上海海事大学航运仿真中心港口仿真实验室的建设课题，课题来源于交通部重点实验室资助项目，本人参与了此项目的研究并撰写了此论文。
集装箱场地吊是港口集装箱堆场上广泛采用的大型装卸机电设备，研究其控制系统的仿真，并对仿真的场地吊进行网络化远程监控，目的是利用现代化的网络监控手段时刻了解港机设备当前的运行状况，提高港口装卸作业自动化水平，增强安全性，同时降低维护成本，增加效益，提升港口企业社会影响力和竞争力。另外，在实验室的教学科研中可使学生对集装箱场地吊有直观的认识，缩短培训时间。
本文第二章，对集装箱场地吊结构、参数和电气单线图等进行了说明，作为理论基础，建模部分介绍了场地吊的运行控制模型、转速控制模型和电机模型及负载特性。
第三章论述了网络化场地吊的两种仿真构架，分别是PLC控制设备半实物化仿真和纯软件化仿真，并进一步讨论了逻辑控制框图及场地吊设备主要运行机构仿真控制流程图。
第四章较详细地论述了集装箱场地吊控制系统的PLC程序设计。编程过程中采用了模块化程序思想，主程序运行时调用各子程序，共同完成集装箱场地吊的控制、设备模拟和信号自动发生三大部分功能。此外，较详细阐释了具有典型性的几段PLC梯形图程序。
第五章介绍了PLC人机界面和触摸屏的基本概念，采用Digital公司的ProPB3编制场地吊的触摸屏本地监控程序的过程，步骤主要包括绘制相应操控界面和进行地址关联分配，并利用所提供的tag等完成动画制作，最后简单说明了触摸屏与PLC的连接。
第六章在阐述了设备远程监控系统的实现方式和发展趋势的基础上，提出了采用组态软件InTouch进行集装箱场地吊远程监控的解决方案，并详尽说明了利用组态软件开发场地吊远程监控程序的方法和内容，包括界面组织、动画链接、数据连接与通信、系统故障报警与趁势图等。对实现过程中遇到并解决的软硬件之间通讯等问题也做了一些说明。
通过以上实践，基本实现了预定目标，对集装箱场地吊的仿真开发和网络化监控有了一定的经验和认识，希望所做工作对现有的生产改造有一定的意义与价值。
This paper belongs to the projects that Port Simulation Laboratory of Marine Simulation Center (MSC) in Shanghai Maritime University (SMU) undertakes. These projects are sponsored by Ministry of Communications. And I participated in these projects.
Rubber Tyred Gantry Cranes (RTGs) are widely used good-sized loading and unloading equipments in stack yard of ports. The purpose in developing the simulation software is to monitor and control RTGs using modern remote monitoring and control methods via network, to know the running state of RTGs, to improve safety and the automation of container-loading and unloading. Furthermore, port enterprises can reap the benefit of the software, for instance, lowering cost of maintenance, raising productivity and improving their competitive abilities. Besides, the college students can have a perceptual knowledge of RTGs in our Port Simulation Laboratory tutorial.
In Chapter II, the structure, parameters and electric single-line graph of RTGs is introduced. The modeling part, as academic base, deduces the running control model, rotate speed control model, motor model and its load characteristics.
Chapter III focuses on two methods for monitoring and controlling RTGs remotely via network, i.e. PLC controlled semi-object simulation and whole software simulation. Further discussion about logic control block diagram and the control flow charts of RTGs' main organs are presented later.
Chapter IV gives details of programming for the control systems of RTGs using GE PLC. Modularization designing is applied. The main program calls subprograms to accomplish functions of three major parts that are logic control, device simulation and signal generator. And several typical PLC ladder programs are explained in details.
In Chapter V, the concepts of PLC Human Machine Interface (HMI) and Touch Panel (TP), which are followed by the steps in making the local monitoring interfaces using TP software ProPB3, are brought forward firstly. These steps include control interface drawing, PLC address allotting, and animation making, etc.
After introducing the history and trend of remote monitoring and control systems, Chapter VI puts forward the remote monitoring and control projects for RTGs using configuration software InTouch. To develop the software, we took the following steps: being familiar with necessary application software, organizing the whole system, constructing the interfaces and making the relevant linkage. What is more, the alarm interface, trend graphs, communications
with database and PLC are also considered. And the solving of some problems we encountered is illustrated too.
Finally, we basically achieved our aim and acquired the relevant knowledge. I believe the simulation software has much meaning in technical renovation to port enterprises.
Bao Qinglong (Power Electronics and Drives) Directed by Prof. Gu Wei and Prof. Chu Jianxin
集装箱场地吊是港口集装箱堆场上广泛采用的大型装卸机电设备，研究其控制系统的仿真，并对仿真的场地吊进行网络化远程监控，目的是利用现代化的网络监控手段时刻了解港机设备当前的运行状况，提高港口装卸作业自动化水平，增强安全性，同时降低维护成本，增加效益，提升港口企业社会影响力和竞争力。另外，在实验室的教学科研中可使学生对集装箱场地吊有直观的认识，缩短培训时间。
本文第二章，对集装箱场地吊结构、参数和电气单线图等进行了说明，作为理论基础，建模部分介绍了场地吊的运行控制模型、转速控制模型和电机模型及负载特性。
第三章论述了网络化场地吊的两种仿真构架，分别是PLC控制设备半实物化仿真和纯软件化仿真，并进一步讨论了逻辑控制框图及场地吊设备主要运行机构仿真控制流程图。
第四章较详细地论述了集装箱场地吊控制系统的PLC程序设计。编程过程中采用了模块化程序思想，主程序运行时调用各子程序，共同完成集装箱场地吊的控制、设备模拟和信号自动发生三大部分功能。此外，较详细阐释了具有典型性的几段PLC梯形图程序。
第五章介绍了PLC人机界面和触摸屏的基本概念，采用Digital公司的ProPB3编制场地吊的触摸屏本地监控程序的过程，步骤主要包括绘制相应操控界面和进行地址关联分配，并利用所提供的tag等完成动画制作，最后简单说明了触摸屏与PLC的连接。
第六章在阐述了设备远程监控系统的实现方式和发展趋势的基础上，提出了采用组态软件InTouch进行集装箱场地吊远程监控的解决方案，并详尽说明了利用组态软件开发场地吊远程监控程序的方法和内容，包括界面组织、动画链接、数据连接与通信、系统故障报警与趁势图等。对实现过程中遇到并解决的软硬件之间通讯等问题也做了一些说明。
通过以上实践，基本实现了预定目标，对集装箱场地吊的仿真开发和网络化监控有了一定的经验和认识，希望所做工作对现有的生产改造有一定的意义与价值。
This paper belongs to the projects that Port Simulation Laboratory of Marine Simulation Center (MSC) in Shanghai Maritime University (SMU) undertakes. These projects are sponsored by Ministry of Communications. And I participated in these projects.
Rubber Tyred Gantry Cranes (RTGs) are widely used good-sized loading and unloading equipments in stack yard of ports. The purpose in developing the simulation software is to monitor and control RTGs using modern remote monitoring and control methods via network, to know the running state of RTGs, to improve safety and the automation of container-loading and unloading. Furthermore, port enterprises can reap the benefit of the software, for instance, lowering cost of maintenance, raising productivity and improving their competitive abilities. Besides, the college students can have a perceptual knowledge of RTGs in our Port Simulation Laboratory tutorial.
In Chapter II, the structure, parameters and electric single-line graph of RTGs is introduced. The modeling part, as academic base, deduces the running control model, rotate speed control model, motor model and its load characteristics.
Chapter III focuses on two methods for monitoring and controlling RTGs remotely via network, i.e. PLC controlled semi-object simulation and whole software simulation. Further discussion about logic control block diagram and the control flow charts of RTGs' main organs are presented later.
Chapter IV gives details of programming for the control systems of RTGs using GE PLC. Modularization designing is applied. The main program calls subprograms to accomplish functions of three major parts that are logic control, device simulation and signal generator. And several typical PLC ladder programs are explained in details.
In Chapter V, the concepts of PLC Human Machine Interface (HMI) and Touch Panel (TP), which are followed by the steps in making the local monitoring interfaces using TP software ProPB3, are brought forward firstly. These steps include control interface drawing, PLC address allotting, and animation making, etc.
After introducing the history and trend of remote monitoring and control systems, Chapter VI puts forward the remote monitoring and control projects for RTGs using configuration software InTouch. To develop the software, we took the following steps: being familiar with necessary application software, organizing the whole system, constructing the interfaces and making the relevant linkage. What is more, the alarm interface, trend graphs, communications
with database and PLC are also considered. And the solving of some problems we encountered is illustrated too.
Finally, we basically achieved our aim and acquired the relevant knowledge. I believe the simulation software has much meaning in technical renovation to port enterprises.
Bao Qinglong (Power Electronics and Drives) Directed by Prof. Gu Wei and Prof. Chu Jianxin
引文
[1] Agostino Bruzzone, Robert Signorile. Simulation and Genetic Algorithms for Ship Planning and Shipyard Layout. Simulation, 1998
[2] Michael R. Nevins, Charles M. Macal, Richard J. Love, etc. Simulation, Animation and Visualization of Seaport Operations. Simulation, 1998
[3] D. Casadei. FOC and DTC:Two Viable Schemes for Induction Motors Torque Control. IEEE Transactions On Industrial Electronics, 2003, NO. 1
[4] PLC instruct training. GE Fanuc, 1999年
[5] GE Fanuc Automation．系列90—30和90—20可编程序控制器参考手册．GFK-0467C，1992
[6] InTouch Protocol Guide. Wonderware公司
[7] InTouch参考指南．Wonderware公司
[8] InTouch用户指南．Wonderware公司
[9] GP编辑软件V6.0手册，Digital公司
[10] 吴重光．仿真技术．化学工业出版社，2000年
[11] 徐庚保，曾莲芝．论仿真技术的重点和其中的热点与难点．计算机仿真，2003年2月
[12] 陈理荣．数学建模导论．北京邮电大学出版社，1999年
[13] 黄有方，史建民，赵婉莹等．大型港口设备的现代电控系统的远程诊断技术．上海海运学院学报，2000年12月
[14] 黄有方，史建民，徐子奇．港口设备远程监控系统中的若干技术问题．港口装卸，2001年第1期(总第135期)
[15] 顾绳谷．电机及拖动基础．机械工业出版社．1992年
[16] 陈伯时．电力拖动自动控制系统(第二版)．机械工业出版社，1991年
[17] 余洲生．港口装卸机械(第二版)．人民交通出版社，1993年
[18] 由清育．港口装卸机械电气传动与控制．港口装卸杂志社，1990年
[19] 刘競成．交流调速系统．上海交通大学出版社，1984年
[20] 张云，孙晓峰．DCS与PLC之间的数据通讯．石油化工自动化，2001年
[21] 刘广，邢建春．计算机与PLC通信中的数据处理．工业控制计算机，2003年2月
[22] 李薇．自动控制系统网络和现场总线技术．机床电器，1999年
[23] 刘燕．触摸屏与PLC的通信与连接．自动化与仪器仪表，2002年4月
[24] 周建华．变电站仿真系统中的实时通讯应用研究．电工技术杂志，2002年
[25] 殷华文．工业控制网络设计技术．自动化仪表，2002年
[26] 魏震、贾青．可编程控制器之间的以太网通信．自动化仪表，2003年
[27] 张连义，叶长春，李迅波．PLC网络与计算机网络连接的应用．实用测试技术，2002年
[28] 陈大庆．工业触摸屏与可编程控制器的实时通讯。青岛建筑工程学院学报，1999年
[29] 许桂华．触摸屏的技术特征．现代通信，2000年6月
[30] 杨骏、刘光汉．触模屏结合可编程控制器的应用．机电工程，1997年
[31] 廖廷常，方彦军．基于PROFIBUS现场总线的控制系统通信互连．控制工程，2002年
[32] 蒋国仁．港口起重机械．大连海事大学出版社，1995年
[33] 杨长骇，傅东明．起重机械．机械工业出版社，1989年
[34] 袁志耕．集装箱码头．中国纺织大学出版社，1998年
[35] 冯建新等．基于网络的设备远程监控系统的设计与实现．东北大学学报，2002年7月
[36] 曹礼明．如何选择企业级网络设备管理系统。电力系统通信，2002年10月
[37] 马国华．监控组态软件及其应用．清华大学出版社，2001年8月
[38] 姚伟荣．InTouch组态监控软件及其应用．邮电设计技术，1996年第3期
[39] 交通部水运司．港口起重运输机械管理手册．人民交通出版社，2002年10月
[40] 吴敦海．装卸桥电控与操作仿真系统．水运管理，2002年7月
[41] 阳宪惠．现场总线技术及应用．北京：清华大学出版社，1999
[42] 何衍庆，余金寿．集散控制系统原理与应用．化学工业出版社
[43] 魏欣，林叶春．基于Intouch平台集装箱装卸桥监控系统的开发．工业控制计算机，2004年5月
[44] 林伟．浅谈组态软件发展趁势．自动化博览，2003年1月
[45] 苏文源，宋执环．一些基于InTouch的工业控制软件设计技巧．自动化仪表，2002年第23卷第6期
[46] 张煜，张新艳，王少梅．仿真技术在港口集装箱装卸作业中的应用．武汉交通科技大学学报，2000年12月
[47] 张煜，王少梅，朱金生．仿真建模技术在集装箱装卸桥中的应用．武汉理工大学学报，2001年12月
[48] 张广渊，胡俊辉，王春莉．工业以太网与现场总线的融合．机械设计与制造，2003年6月
[49] 李琳，徐笑梅，程文明等．集装箱吊具的型式和应用．铁道货运，2003年第1期
[50] 杨静蕾，丁以中．集装箱码头设备配置的模拟研究．系统仿真学报，2003年8月
[51] 龚京忠，李国喜，张涛等．基于对象建模的PLC通用仿真系统．制造业自动化，2000年4月
[52] 黎洪生，李赵，周登科等．基于PLC和组态软件的分布式监控系统设计．武汉理工大学学报，2002年3期
[53] 陈祥光，薛锦诚．远程通信技术在计算机监控系统中的应用．微型机与应用，2000年4月
[2] Michael R. Nevins, Charles M. Macal, Richard J. Love, etc. Simulation, Animation and Visualization of Seaport Operations. Simulation, 1998
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[46] 张煜，张新艳，王少梅．仿真技术在港口集装箱装卸作业中的应用．武汉交通科技大学学报，2000年12月
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[48] 张广渊，胡俊辉，王春莉．工业以太网与现场总线的融合．机械设计与制造，2003年6月
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[50] 杨静蕾，丁以中．集装箱码头设备配置的模拟研究．系统仿真学报，2003年8月
[51] 龚京忠，李国喜，张涛等．基于对象建模的PLC通用仿真系统．制造业自动化，2000年4月
[52] 黎洪生，李赵，周登科等．基于PLC和组态软件的分布式监控系统设计．武汉理工大学学报，2002年3期
[53] 陈祥光，薛锦诚．远程通信技术在计算机监控系统中的应用．微型机与应用，2000年4月
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