西门子SIMOCRANE起重机控制平台防摇系统升级应用

邱涛 谢晓涵

西门子SIMOCRANE起重机控制平台采用“逻辑控制器+运动控制器+驱动器”组合系统[1-2]，目前广泛应用于桥吊、卸船机等港口起重机。该平台集成的防摇控制功能可以解决桥吊吊具在运行过程中因重心漂移而产生的扭摆状态复杂多变等问题，有助于实现桥吊装卸作业自动化。[3]西门子公司于2019年推出SIMOCRANE起重机控制平台第3代产品（V3.0），其中包含升级后的防摇系统第3代版本（以下简称“新版本”）。新版本防摇系统针对桥吊自动化作业工况实施诸多改进，以提升自动化作业的可靠性和安全性。宁波梅东集装箱码头有限公司（以下简称“宁波梅东集装箱码头”）于2020年第四季度完成对既有设备的SIMOCRANE起重机控制平台防摇系统升级和调试。

1 新版本西门子SIMOCRANE起重机控制平台防摇系统控制特性

1.1 抑制小车在目标位置附近超调

随着集装箱船舶持续向大型化发展，桥吊最大起升高度不断提高，目前宁波梅东集装箱码头6号和7号泊位桥吊的轨上起升高度已达52 m。当吊具从较高位置随小车联动下降至目标位置附近时，由于钢丝绳不断放出，小车运行方向的减速效果减弱，容易导致小车超调。升级后的西门子SIMOCRANE起重机控制平台防摇系统针对这一工况实施优化，能够显著抑制小车在目标位置附近超调（见图1），有效减少人工修正工作量，从而降低碰撞事故发生概率，提升桥吊作业效率和安全性。

1.2 半自动模式下路径重算

受船舶稳心高度变化、潮水涨落等因素影响，桥吊在自动化作业过程中需要持续探测船上集装箱及其他附属结构的空间位置信息。这些信息在系统中形成二维障碍物模型，系统依据模型来规划最优路径，并控制集装箱沿规划路径安全、平稳、高速、精准地移动至目标位置。

系统升级前，由于原控制器的算力无法满足数据实时更新需求，加之船型扫描系统存在一定误差，系统区分用于避障的障碍物轮廓和用于半自动运行的障碍物轮廓，并在抓放箱结束后的人工操作阶段传送障碍物数据。该方案存在以下问题：一是数据传输窗口期通常较短，时间限制使传输数据量受到影响，导致障碍物轮廓精度不足;二是桥吊司机可能需要等待数据传送结束后才能执行下一步操作，从而对作业效率产生一定影响。

升级后的西门子SIMOCRANE起重机控制平台防摇系统允许在半自动模式下传送数据，并在运动中重新计算路径，从而有效提升系统设计灵活性：只要通过合理的逻辑设计将数据传送过程控制在安全范围内（如吊具上升阶段），就可以大大延长障碍物数据传输窗口期，从而提高障碍物扫描精度，实现更好的控制性能。

1.3 人工模式与半自动模式流畅切换

系统升级后，桥吊司机可以人工启动小车，并在空中切换至半自动运行模式，这对于效率要求较高的码头而言非常实用。传统设计无法实现上述操作，其原因在于：小车启动后，吊具晃动加剧，从而使吊具控制产生明显顿挫，甚至可能使控制特性发散，此时，桥吊司机需要先拉高起升机构，确认集装箱已经脱离船舶或拖车且进入摄像头可探测范围后，才能将运行模式切换至半自动模式。升级后的西门子SIMOCRANE起重机控制平台防摇系统针对这一工况实施优化（见图2），使得人工模式可以流畅地切换至半自动模式，从而大大提升桥吊司机操作的灵活性。

1.4 允许设置不同路径特性

不同码头对效率与安全之间的平衡考量不同，并且桥吊司机监护设备自动运行的效率和方式存在差异，导致各码头对设备自动化运行路径规划的需求不同。[4]针对陆侧起升机构开始下降时的小车位置、船岸间的保护间隔等问题，升级后的西门子SIMO- CRANE起重机控制平台防摇系统允许通过设定参数或调整轨迹，在符合码头作业安全标准的情况下，以更激进的路径选择实现更短的作业循环时间。

1.5 检测数据传送和可视化调试功能更丰富

升级后的西门子SIMOCRANE起重机控制平台防摇系统提供更为丰富的可视化功能，新增功能包括允许通过监控软件查看自动化运行区域、安全净空高度、进入点、规划路径经由点等信息，从而帮助工程人员预测和回溯设备自动运行工况。此外，升级后的系统监控软件提供更多的日志功能，并优化长时追踪功能，从而能更好地记录和诊断问题。相比之下，系统升级前，操作人员只能看到简易的障碍物分布和轨迹，操作前需要进行较多的推测和分析。

2 新版本西门子SIMOCRANE起重机控制平台防摇系统升级应用

宁波梅东集装箱码头桥吊配备防摇系统第2代版本（以下简称“旧版本”），可以在将旧版本防摇系统升级为新版本防摇系统后，通过更新固件和程序的方式兼容新版本的特性，从而使得系统能够在实际应用中支持一些前沿的新功能应用。例如，在陆侧自动着箱功能应用中，新版本防摇系统可以提供更为详细的防摇摄像数据，优化吊具扭动姿态检测性能，从而改进着箱动作时机，提高着箱成功率。新版本防摇系统基本可以兼容旧版本防摇系统的用户程序，在后续使用中只须逐步调试新特性即可;因此，升级过程对桥吊作业影响较小。

2.1 更新固件和组态

升级后的西门子SIMOCRANE起重机控制平台防摇系统要求SIMOTION运动控制器安装V5.2以上版本固件，配套的SINAMICS驱动器固件也需要更新至V5.1HF1以上版本。相关固件可以通过更新记忆卡数据的方式实现升级，升级后的授权仍然有效。运动控制器升级后，可编程逻辑控制器内的应用组态发生变化，增加输入/输出点位来传输数据，并通过S7组态生成新的电子设备数据库文件，即可正确识别硬件配置。

2.2 更新运动控制器程序依赖库

防摇程序运行依赖运动控制器程序扩展库Addon Library，更新该扩展库以提供更多功能模块;同时，在SIMOTION软件中增加新版数据中心桥接库，以便重新编译发生变化的程序。

2.3 更新可编程逻辑控制器程序

升级后的西门子SIMOCRANE起重机控制平台防摇系统的参数列表有所变化，需要添加新增参数，才能使可编程逻辑控制器正确识别参数;此外，还须调整防摇程序（一般为FC99程序）和专用的调用功能模块FB990或FB995，增加扩展功能占用的数据范围调用模块，并更新这些功能模块调用参数。上述工作完成后，既有的用户程序便可在新版本防摇系统上运行，并可以通过监视可编程逻辑控制器上防摇系统通信模块对应的数据模块来确认用户程序是否按照预期执行。此外，可以安装新版防摇调试软件（SIMOCRANE CeCOMM V4.4.2.0）来监视和调试防摇系统，实现对可视化调试新特性的应用。

3 结束语

升级后的西门子SIMOCRANE起重机控制平台防摇系统具备优秀的自动化控制特性并提供丰富的吊具状态信息，不仅有助于提升桥吊自动化作业效率，而且能为自动着箱等定制化需求提供良好的软件基础。重要的是，这些新功能通过在原有设备基础上实施软件升级的方式便可实现，能够为码头节约大量设备采购成本，提升码头综合效益。

参考文献：

[1] 王立俊，陈萍. 西门子Simocrane在双40英尺桥吊上的应用[J]. 电气自动化，2010，32（6）：35-37.

[2] 陆俊杰. 浅谈西门子控制系统在港口岸桥上的应用[J]. 中国新通信，2015，17（23）：77-78.

[3] 楊育青，曹雪东. 双起升岸边集装箱起重机吊具防摇防扭控制系统设计[J]. 集装箱化，2020，31（8）：15-17.

[4] 蒋安波. 西门子新一代起重机电控系统Simocrane在卸船机上的应用[J]. 中国港口，2012（4）：63.

（编辑：曹莉琼 收稿日期：2021-03-15）