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基于PLC和组态王的高效自动化集装箱码头监控系统设计

作者：曹金虎, 薛士龙, 陈加敏, 张宁 来源：《上海海事大学学报》2011年第02期

摘要：针对高效自动化集装箱码头物理仿真模型的控制点多、监控界面设计复杂等缺陷，由西门子公司的S7-300可编程逻辑控制器和组态王6.53软件设计一套改进的控制系统.系统的硬件部分包括实物模型部分和系统控制部分（S7-300 PLC），系统控制部分由上位机监控系统和下位机控制系统构成.整个网络采用两层网络拓扑结构，上层为通信监控，底层为

PROFIBUS-DP现场总线.软件部分包括用于为下位机组态、编程以及调试的STEP-7和用于监控界面设计的组态王6.53.实验测试表明，该仿真模型监控系统运行良好、稳定可靠. 关键词：S7-300 PLC； 组态王； 监控； PROFIBUS-DP； 自动化集装箱码头 中图分类号：U656.135; TP273.5 文献标志码：

Design of efficient automatic container terminal monitoring system based on PLC and KingView

CAO Jinhu, XUE Shilong, CHEN Jiamin, ZHANG Ning

(Logistics Engineering College, Shanghai Maritime Univ., Shanghai 201306, China)

Abstract： As the physical simulation model of efficient automatic container terminal has defects such as too many control points and complicated design of monitoring interface, an improved control system based on S7-300 Programmable Logic Controller (PLC) of Siemens and KingView 6.53 is designed. The hardware part of the system includes physical model and system control part (S7-300 PLC). The system control part consists of upper computer monitoring system and lower computer control system. Two-layer network topology is used in the entire network. The upper layer is communication monitoring, and the under stratum is PROFIBUS-DP field bus. The software part includes STEP-7 which is used for lower computer configuration, programming, debugging and

that the simulation

Key words： S7-300 PLC; KingView; monitoring; PROFIBUS-DP; automatic container terminal

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0 引 言

高效自动化集装箱码头相对于传统集装箱码头而提出.随着科技的进步，传统集装箱码头表现出越来越多的不足之处.在劳动力成本昂贵和熟练劳动力匮乏的地区，自动化运转的集装箱码头备受关注.英国泰晤士港、日本川崎港以及荷兰鹿特丹港纷纷规划建设自动化集装箱码头.［1］高效自动化集装箱码头的设计运行一方面可以节约高昂的投资成本；另一方面可以大幅提高港口的装卸效率，以满足现代码头的大型化、高效化需要.另外，码头用机电一体化取代传统的内燃驱动方式，使整个系统更加节能、环保，更适应现代化集装箱码头的发展需求.［2］

集装箱码头建设投入大、复杂性高，投入运行之前须反复测试.高效自动化集装箱码头物理仿真模型正是针对这种需要设计的测试平台. 1 控制系统硬件构建 1.1 控制系统组成

高效自动化集装箱码头物理仿真模型按照实际装卸码头等比例缩小而成.系统硬件由实物模型部分和作为系统控制部分的S7-300可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)构成.实物模型部分配备1艘船舶、3台双向移动岸桥、6台近端场桥、6台远端场桥、6台固定吊、6辆集卡以及多台立体轨道电动平板小车等，其水平和垂直的总体布局见图1.本设计根据实物模型机构的分布以及控制点数量，选用CPU 315-2 DP的S7-300 PLC，该CPU带有PROFIBUS-DP接口.S7-300 PLC通过总线接口连接3个从站，以进行相应控制.

1—岸桥；2—低架旋转吊；3—低架平板小车；4—近端场桥； 5—远端场桥；6—地面平板小车；7—固定吊；8—集卡； 9—岸桥双小车

通过控制系统，装卸过程可根据控制命令的不同，执行不同的计划任务.岸桥(上海振华重工(集团)股份有限公司自主研制的双40英尺箱双小车岸边集装箱起重机)可以双向移动，前后双小车以中转平台为连接点实现联动，使码头前沿岸桥的生产效率大大提高.上位机发出装船或卸船命令后，相应机构便开始执行.根据需要，整个装卸过程既可单路进行，也可多路同时进行.系统结构见图2.

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控制系统由上位机监控系统和下位机PLC控制系统2部分构成.整个网络采用2层网络拓扑结构：上层为通信监控，用于上位机与下位机之间的通信；底层为PROFIBUS-DP现场总线，用于PLC主站与3个从站之间的通信.从站选用PROFIBUS-DP分布式I/O ET 200M，控制3台岸桥、6台近端场桥、6台远端场桥、各平板小车以及起重小车等.上位机与下位机的数据通信通过多点接口MPI实现.［3-4］

S7-300 PLC的主要硬件配置为：中央处理单元选用CPU 315-2 DP；电源模块选用1块PS 307 2 A，以提供系统电源；数字量输入模块选用11块SM 321 DI 32×24 V；数字量输出模块选用11块SM 322 DO 32×DC 24 V/0.5 A，3块SM 322 DO 16×DC 24 V/0.5 A；接口模块选用3块IM 153-1，用于与从站的链接.

根据实际硬件的配置，在STEP 7中进行硬件组态.［5］必须根据实际的硬件型号和数量完成组态，否则会出现错误.S7-300的硬件组态见图3. 2 控制系统软件设计

这部分包括用于为下位机组态、编程及调试的STEP-7和用于监控界面设计的组态王6.53软件.

2.1 程序设计

硬件组态后，在STEP-7的SIMATIC Manager下编写程序.由于系统的外部控制信号点数多、机构多，各个机构既有独立性，又有相关性，因此系统进行模块化程序设计［6］，采用自然语言的梯形图编程，将每个机构编写成功能块FC或功能块FB，这样既增加程序的可读性，又减少重复编写的工作量.同时，编写异常处理程序，对系统可能存在的紧急情况和故障进行判断和处理.组织块OBl是主程序循环块，程序执行OBl块时调用功能块FC和功能块FB，以实现不同的功能.整个程序流程分为装船过程和卸船过程.以其中一路远端堆场箱区装船流程为例，得到装船程序执行的流程图，见图4.卸船流程为装船流程的逆过程. 2.2 监控界面设计

上位机软件采用国内先进的组态王6.53软件编写.其为运行在

组态方式和数据链接功能，可充分利用Windows的图形编辑功能构图4 装船流程

成监控画面，人机界面设计简单.工业现场的状况能以动画的形式反映在屏幕上，既可以在现场、也可以在司机室实时动态地了解现场状况，操作者发布的指令也能迅速送达现场.该软件还有先进的报警、报表和事件管理功能.因此，用其构造监控系统能大大缩短开发时间.［7-8］

上的全

中文界面的组态软件，采用多线程和COM组件等新技术，具有丰富的设备驱动程序、灵活的