大擺臂分流器在行李處理系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

蔡詠德 高燕

摘? 要：大擺臂分流器作為行李處理系統(tǒng)的新型設(shè)備，在機(jī)場(chǎng)應(yīng)用中非常罕見(jiàn)。它除了具有一般分流器的分流行李功能外，還具有行李跟蹤等功能。該論文主要解決了大擺臂分流器在應(yīng)用和升級(jí)改造中的難點(diǎn)問(wèn)題。文中介紹了PLC控制系統(tǒng)的硬件網(wǎng)絡(luò)配置，詳細(xì)描述大擺臂分流器的特殊電氣、程序設(shè)計(jì)、功能優(yōu)化及結(jié)構(gòu)化模塊編程。改造后不僅滿足了系統(tǒng)功能需求，并且提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和容錯(cuò)性。

關(guān)鍵詞：行李處理系統(tǒng)（BHS）? 大擺臂分流器? 結(jié)構(gòu)化模型? 穩(wěn)定性? 容錯(cuò)性

中圖分類號(hào)：V35? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1672-3791（2019）03（a）-0012-07

Abstract： As a new type of equipment for baggage handling system， big horizontal diverter is very rare in airport applications. It not only has the function of shunting luggage of general shunt， but also has the function of luggage tracking. This paper mainly solves the difficult problems in the application and upgrading of the big horizontal diverter in baggage handling system. This paper introduces the hardware network configuration of the PLC control system， and describes in detail the special electrical and program design， function optimization and structured module programming of the swing arm shunt. The transformation not only meets the functional requirements of the system， but also improves the stability and fault tolerance of the system.

Key Words： Baggage Handling System（BHS）; Big horizontal diverter; Structure model; Stabilization; Redundancy

1? 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

1.1 背景介紹

上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)三大國(guó)際機(jī)場(chǎng)之一，與北京首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)、香港國(guó)際機(jī)場(chǎng)并稱中國(guó)三大國(guó)際航空港。上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)位于上海浦東長(zhǎng)江入海口南岸的濱海地帶。

浦東機(jī)場(chǎng)一期工程1997年10月全面開(kāi)工，1999年9月建成通航。為滿足上海地區(qū)航空業(yè)務(wù)量持續(xù)快速增長(zhǎng)和建設(shè)上海航空樞紐的需要，上海國(guó)際機(jī)場(chǎng)股份有限公司（簡(jiǎn)稱“上海機(jī)場(chǎng)”）決定投資12.23億元建設(shè)上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)一號(hào)航站樓（T1）改造項(xiàng)目。根據(jù)浦東機(jī)場(chǎng)總體規(guī)劃，T1航站樓將與S1衛(wèi)星廳形成一體，年旅客處理量將達(dá)到3600萬(wàn)人次以上，因此必須對(duì)T1航站樓進(jìn)行改造擴(kuò)建。此次改造按浦東機(jī)場(chǎng)T1航站樓遠(yuǎn)期年旅客吞吐量3680萬(wàn)人次的運(yùn)行能力設(shè)計(jì)，在不停航的情況下組織實(shí)施，涉及建筑流程改造工程和行李處理系統(tǒng)改造工程兩大部分。

1.2 行李處理系統(tǒng)BHS

上海浦東機(jī)場(chǎng)T1行李系統(tǒng)主要包括16條行李出發(fā)線、2條再值機(jī)出發(fā)線、220個(gè)值機(jī)柜臺(tái)、13條行李到達(dá)線、2套托盤(pán)式行李分揀機(jī)、6條中轉(zhuǎn)線。

（1）流程概述。

行李處理系統(tǒng)基本解決方案中簡(jiǎn)化主要行李輸送如圖1所示[1]。系統(tǒng)主要分為兩大行李流——國(guó)內(nèi)及國(guó)際。國(guó)內(nèi)及國(guó)際行李流僅通過(guò)到港系統(tǒng)交換行李，其后為再值機(jī)柜臺(tái)。

（2）主要子系統(tǒng)。

整個(gè)行李處理系統(tǒng)可分為下列主要系統(tǒng)：始發(fā)系統(tǒng)、值機(jī)子系統(tǒng)、值機(jī)傳送子系統(tǒng)、傾翻式托盤(pán)分揀系統(tǒng)、人工編碼子系統(tǒng)、中轉(zhuǎn)與再值機(jī)行李處理系統(tǒng)、超大行李子系統(tǒng)、到達(dá)行李處理系統(tǒng)。

（3）控制系統(tǒng)。

通過(guò)采用計(jì)算機(jī)、可編程邏輯控制器（PLC）及機(jī)電硬件的全面集成系統(tǒng)，來(lái)完成行李處理系統(tǒng)（BHS）的整體運(yùn)行與控制。

計(jì)算機(jī)用于數(shù)據(jù)處理、通信及操作員連接。采用機(jī)電控制與可編程控制器來(lái)完成設(shè)備層的控制。

整個(gè)子系統(tǒng)輸送機(jī)基于“反向級(jí)聯(lián)”概念工作。這意味著下游輸送機(jī)應(yīng)在上游輸送機(jī)啟動(dòng)之前運(yùn)行。在自動(dòng)運(yùn)行模式中，從分揀機(jī)到傳送線的整個(gè)系統(tǒng)按順序啟動(dòng)或停止。因此，在下游輸送機(jī)停止時(shí)，上游輸送機(jī)也會(huì)停止，將在“反向級(jí)聯(lián)”模式中向回傳送狀態(tài)信息。

控制系統(tǒng)管理著行李處理系統(tǒng)中所有輸送及數(shù)據(jù)管理運(yùn)行的全面協(xié)調(diào)。控制系統(tǒng)是運(yùn)行的核心，包括控制整個(gè)行李處理系統(tǒng)輸送機(jī)及分揀機(jī)系統(tǒng)與整個(gè)機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)連接必要的所有系統(tǒng)部件、線路及軟件。

2? 控制系統(tǒng)構(gòu)成

（1）上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)T1航站樓行李系統(tǒng)改造工程是在充分考慮運(yùn)營(yíng)和維護(hù)需求的基礎(chǔ)上，集成SCADA和安全系統(tǒng)。

系統(tǒng)被劃分成許多的PLC 區(qū)域分組，每一個(gè)分組都是獨(dú)立于其他的分組控制，它有獨(dú)立的控制指令。當(dāng)其中一個(gè)分組需要維護(hù)或者關(guān)閉，不會(huì)影響到其他分組的運(yùn)行。每一個(gè)分組的控制都可以通過(guò)SCADA或者操作面板發(fā)送指令來(lái)控制。

PLC控制系統(tǒng)總共被分為24個(gè)分組。分為值機(jī)線（1～16），中轉(zhuǎn)線及人工編碼（17～22）和到港（25，26）。

詳細(xì)的分組如圖2所示。

（2）分組PLC控制系統(tǒng)架構(gòu)。

每個(gè)分組PLC控制系統(tǒng)采用西門(mén)子PLC S7-400系列[2]，因?yàn)樵O(shè)備離控制柜較遠(yuǎn)，現(xiàn)場(chǎng)的IO都通過(guò)總線的方式與控制柜內(nèi)CPU連接。

PLC控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

3? 大擺臂分流器功能及實(shí)現(xiàn)

浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)一號(hào)航站樓采用三級(jí)安檢流程，值機(jī)后的行李進(jìn)入雙通道安檢系統(tǒng)，安檢信息系統(tǒng)與行李輸送系統(tǒng)相互配合分揀可疑行李至行李開(kāi)檢位置。安檢安全的行李被輸送至行李分揀大廳。根據(jù)系統(tǒng)資源分配，選擇將行李分揀至轉(zhuǎn)盤(pán)人工分揀，或者選擇傳送至分揀機(jī)自動(dòng)分揀。該路徑選擇功能通過(guò)在SCADA上切換大擺臂分流器方向?qū)崿F(xiàn)。

其中大擺臂分流器的改造為系統(tǒng)升級(jí)改造中的關(guān)鍵設(shè)備之一。該設(shè)備的改造提升系統(tǒng)的容錯(cuò)性，并且確保行李輸送路徑能夠穩(wěn)定輸送至分揀系統(tǒng)。改造大擺臂分流器是此次改造項(xiàng)目中最為特點(diǎn)的亮點(diǎn)：大擺臂分流器設(shè)備為大型設(shè)備（見(jiàn)圖4現(xiàn)場(chǎng)大擺臂分流器實(shí)物照片）單個(gè)設(shè)備長(zhǎng)度達(dá)6米m，寬2.4m。此類大型設(shè)備在其他機(jī)場(chǎng)行李處理系統(tǒng)和物流系統(tǒng)中非常罕見(jiàn)。實(shí)際運(yùn)行時(shí)分流器上可能會(huì)有多個(gè)行李，因此大擺臂分流器具有一般分流器的分流行李功能外，必須還具有行李跟蹤功能，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)行李位移、堵塞現(xiàn)象。遇上兩個(gè)大擺臂分流器相鄰連續(xù)使用情況，兩路行李同時(shí)在輸送機(jī)上傳輸，跟蹤功能必不可少。由于設(shè)備局限，無(wú)法安裝編碼器，只能采用軟件計(jì)算方式，下文詳細(xì)闡述解決方案。

3.1 大擺臂機(jī)械結(jié)構(gòu)及電氣設(shè)計(jì)（硬件）

大擺臂分流器的電氣和控制屬于此次改造。大擺臂分流器的基本結(jié)構(gòu)如圖5所示，其中PEC為對(duì)射式光電傳感器。擺臂輸送機(jī)位置有3臺(tái)電機(jī)控制分別是SWS、VB和TRS，SWS控制擺臂的擺進(jìn)和擺出，VB控制擺臂上皮帶運(yùn)行，TRS控制擺臂下方的輸送機(jī)運(yùn)行，其中TRS速度要等于VB速度的水平方向分速度。行李在擺臂擺出狀態(tài)下輸送，不會(huì)因?yàn)樗俣炔煌蕉a(chǎn)生位移。擺臂通過(guò)限位開(kāi)關(guān)檢測(cè)是否切換到位。

當(dāng)擺臂在里面的情況，Section01簡(jiǎn)稱S1傳輸過(guò)來(lái)的行李會(huì)傳輸?shù)絊3;S2傳輸至大擺臂的行李會(huì)傳輸?shù)絊4。大擺臂下面的輸送機(jī)成為S0。當(dāng)擺臂切換到外側(cè)的時(shí)候，S1和S2的行李將匯流傳遞至S3。

因此，行李1在兩端輸送機(jī)交接的位置，如果S3狀態(tài)是可以接收行李的，而S4是不能接收行李的。則對(duì)于S0來(lái)說(shuō)，也是不能向下游繼續(xù)傳輸行李的。因?yàn)閷?duì)于光電開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)是不能區(qū)分出行李是在輸送機(jī)內(nèi)側(cè)還是外側(cè)輸送，系統(tǒng)都是認(rèn)為在大擺臂分流器上。如圖5來(lái)說(shuō)，程序認(rèn)為大擺臂分流器的下游也是不能接收行李的，從而導(dǎo)致系統(tǒng)停止，系統(tǒng)的容錯(cuò)能力降低。同時(shí)為了避免在S1→S2和S2→S4同時(shí)運(yùn)行的時(shí)候，由于共用光電開(kāi)關(guān)而導(dǎo)致的擺臂下方輸送機(jī)的頻繁啟動(dòng)和停止，將末端的光電開(kāi)關(guān)進(jìn)行了改造，如圖6所示，改造后系統(tǒng)能區(qū)分出行李是在內(nèi)側(cè)還是在外側(cè)輸送，提高了體統(tǒng)的容錯(cuò)能力。

3.2 模塊化設(shè)計(jì)大擺臂分流器功能（軟件）

該項(xiàng)目采用西門(mén)子S7-416-2DP作為控制主站。西門(mén)子STL語(yǔ)言具有語(yǔ)言精練，執(zhí)行效率高，并且編程靈活等特點(diǎn)[3]。該項(xiàng)目充分結(jié)合STL語(yǔ)言的特點(diǎn)，建立大擺臂分流器的各項(xiàng)功能模型，并將各功能塊之間的接口相互聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)整個(gè)大擺臂分流器的控制功能。

從圖7大擺臂分流器輸送機(jī)功能模塊關(guān)系圖中看出跟蹤模塊、位置信息、速度最為關(guān)鍵。行李會(huì)在大擺臂上平行輸送，為精確行李在輸送機(jī)上的位置，需要建立兩個(gè)不同輸送過(guò)程。因此在共同的輸送機(jī)速度模塊的基礎(chǔ)上，建立兩個(gè)平行運(yùn)行的跟蹤模型。

程序是在OB1中運(yùn)行，CPU的最小掃描周期為OB的掃描周期[4]，系統(tǒng)默認(rèn)掃描周期變量#OB_PREV_CYCLE為程序執(zhí)行提供最小的采樣周期△t（k）（程序執(zhí)行的時(shí)候，掃描周期是在動(dòng)態(tài)變化），其中k為從系統(tǒng)啟動(dòng)之后的掃描周期序列，根據(jù)設(shè)定的速度換算成掃描周期相同時(shí)間單位速度，得到每一個(gè)掃描周期輸送機(jī)運(yùn)行的距離△s（k）：

減速過(guò)程：速度從穩(wěn)態(tài)速度逐漸減速至0，結(jié)合光電開(kāi)關(guān)位置可以測(cè)量得到減速距離Sdec，根據(jù)公式可以得知，其中V為穩(wěn)態(tài)速度。在得知減速時(shí)間之后，假設(shè)減速過(guò)程為線性變化過(guò)程即減速度為恒定值，則adec=V/tdec。

當(dāng)恒定減速度的條件下，減速過(guò)程的數(shù)學(xué)模型為：v（k）=V-adec×△t（k-1）。因此在減速過(guò)程中每一個(gè)掃描周期輸送機(jī)運(yùn)行距離為：

西門(mén)子STEP7編程軟件中STL提供了豐富數(shù)學(xué)運(yùn)算指令，以實(shí)現(xiàn)上述數(shù)學(xué)模型的運(yùn)算[5]。

速度模塊的運(yùn)算為跟蹤模塊提供了速度信息[6]，因此在程序中定義了兩個(gè)相同結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)塊，數(shù)據(jù)塊的結(jié)構(gòu)分為兩部分，第一部分為輸送機(jī)的狀態(tài)信息，主要包括速度運(yùn)算值、輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、在輸送機(jī)上的行李數(shù)量等;第二部分為輸送機(jī)上的行李的位置跟蹤信息。

跟蹤信息的定義方式如下：首先定義一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的內(nèi)容如下。

位置信息：Position：INT;行李在輸送機(jī)上的位置，以起始位置作為0點(diǎn)。

物理信息：Infor_Phyisical：INT;行李的物理信息，主要是行李的頭尾信息，主要是通過(guò)光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)得到。

數(shù)據(jù)信息：Link：INT;數(shù)據(jù)信息主要表示行李可能包括的信息，主要是行李條碼信息。

基于上述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義N個(gè)數(shù)組。N大于輸送機(jī)上所能存放的最大行李數(shù)的2倍。

當(dāng)輸送機(jī)上的檢測(cè)元器件（光電開(kāi)關(guān)）檢測(cè)到行李經(jīng)過(guò)輸送機(jī)上的某一位置，則會(huì)在該位置寫(xiě)入物理信息，然后位置信息就會(huì)根據(jù)速度值不斷更新。位置更新，主要采用西門(mén)子指針運(yùn)算[7]，具體的程序如下：

經(jīng)過(guò)不斷調(diào)試，根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型編寫(xiě)的程序能精確描述行李在大擺臂分流器上傳送過(guò)程，跟蹤數(shù)據(jù)塊中的位置信息和物理信息為數(shù)據(jù)塊中的其他狀態(tài)變量判斷提供準(zhǔn)確的邏輯條件判斷，比如：輸送機(jī)當(dāng)前是否運(yùn)行在穩(wěn)態(tài)速度，行李是否在大擺臂分流器與輸送機(jī)之間傳遞。

將該模型復(fù)用于圖4～圖6中的每一個(gè)輸送機(jī)，跟蹤數(shù)據(jù)塊作為每一節(jié)輸送機(jī)的背景狀態(tài)數(shù)據(jù)塊，并基于行李輸送路徑建立輸送機(jī)背景跟蹤數(shù)據(jù)塊之間的鏈路關(guān)系。通過(guò)這種鏈路關(guān)系能夠?qū)崿F(xiàn)更加復(fù)雜功能，主要包括：S2經(jīng)過(guò)大擺臂傳遞至S3輸送機(jī)的分流功能;S1和S2同時(shí)導(dǎo)入的合流功能等。這些復(fù)雜功能使得BHS系統(tǒng)路徑選擇功能得以實(shí)現(xiàn)。

該項(xiàng)目從模型建立至編程語(yǔ)言的實(shí)現(xiàn)，充分證明西門(mén)子STL語(yǔ)言具有系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型可程序化性能，并為后續(xù)類似項(xiàng)目提供了參考范本。

4? 項(xiàng)目運(yùn)行

2016年年初上海浦東機(jī)場(chǎng)1號(hào)航站樓行李處理系統(tǒng)改造完畢，已通過(guò)第三方和行業(yè)驗(yàn)收。目前系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，準(zhǔn)備迎接6月份上海迪士尼樂(lè)園開(kāi)業(yè)時(shí)大客流考驗(yàn)。

5? 應(yīng)用體會(huì)

該項(xiàng)目是在確保航站樓不停航的前提下進(jìn)行施工。軟件開(kāi)發(fā)以完善的技術(shù)文檔為支撐，緊密結(jié)合西門(mén)子STL語(yǔ)言的特點(diǎn)，構(gòu)建良好的軟件架構(gòu)，使得開(kāi)發(fā)的功能塊具有很好的復(fù)用性，降低程序編寫(xiě)的成本，并使得系統(tǒng)具有很好的可維護(hù)性。STL程序執(zhí)行效率高，并能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)算過(guò)程，靈活多樣;做出來(lái)的塊具有很好的復(fù)用性。

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