港口集裝箱擺渡系統智能化實訓裝置的開發與應用

劉春賢 安麗紅

摘 要：在機電類專業教學過程中，由于缺乏相應的實訓設施，教和學舉步維艱。青島市技師學院智能制造學院制作了用PLC（可編程控制器）控制運動設備模擬港口碼頭集裝箱自動擺渡智能裝運教學實訓裝置，能夠實現三維運行，現場演示42種控制方式。該實訓裝置2018年獲第十七屆全國技工院校實驗實訓設備類優秀成果評選二等獎。

關鍵詞：教學裝置 ?智能化 ?三維運動

近年來，隨著經濟社會和科學技術的快速發展，港口碼頭集裝箱裝運正向遠程控制、無人操作、自動裝運的智能化發展。筆者學院開設的機電設備安裝與維護專業與當地港口產業對接，校企深入合作，產教高度融合。在缺乏實驗實訓裝置的情況下，教師與企業人員一起研究設計實驗實訓裝置，高度模擬了港口碼頭集裝箱裝運系統，用PLC控制運動設備自動擺渡送貨系統，實現直觀教學，技術創新性突出，具有較好的教學和實際工程推廣價值。

一、課題研究背景及主要內容

學院機電設備安裝與維修專業結合地區經濟發展和企業用工需求，確定與港口產業對接實施產教融合校企合作這一發展規劃。港口集裝箱裝運設備的安裝、調試、維護、保養是學生必須掌握的一項技能。實踐教學中課程沒有專門內容講解港口集裝箱設備，與之相關的是“工廠電氣及PLC控制技術”和“機床電氣控制線路”兩門專業核心課程中的橋式起重機內容，教學要求用240課時進行橋式起重機相關知識講解、控制線路操作和檢修技能訓練。由于缺乏實訓設備，學生基本上處于理論層面的探討和推演，對現代港口集裝箱無人操作自動裝運的智能化系統原理不了解，更談不上操作與維修了。

為克服這一短板，教師與企業技術人員一起研制開發了實驗實訓裝置。該裝置設置8個停車位，依據無人擺渡車的進入順序，系統能夠自動快速送達集裝箱，然后擺渡車及時駛離，大大提高了效率。在實踐教學中采用該裝置模擬港口碼頭集裝箱裝運系統，用PLC控制運動設備自動擺渡送貨，學生或者企業人員可以多次反復拆裝熟練安裝過程，還可以設置故障點，讓學生或培訓人員查找故障以提升檢修能力。

二、可行性方案設計及研制過程

1.研制后要達到的控制要求

設置多個停車位，可同時停靠多輛集裝箱擺渡車（該裝置設8個停車位）。用PLC作為中控系統，采集信號、運算處理并發出指令，實現無人操作自動裝運。可設立微機監控系統，監控集裝箱裝運過程。采用手動、自動兩種控制方式，便于教學、培訓。

2.項目研制方案設計思路

（1）主體設計構想。目前未發現相關的實驗實訓設備，因此在研發過程中多次實地考察，首先根據實際工作流程確定設計方案，選擇材料并進行組裝，編寫輸入程序，調試完成后，能模擬演示自動擺渡運動過程

該教學實訓裝置設置有架體。架體內部左邊緊靠框架內側處放置有集裝箱，集裝箱可由另外設備導入。架體底部右邊設置多個停車位，每個停車位表面設置有停車位感應開關。架體頂端設置有通過車輪可運動的橫梁，橫梁上面設置有通過車輪可運動的縱向滑板，縱向滑板底部通過升降繩索連接吊鉤升降機構。架體上端橫梁和縱向滑板正對停車位的位置設置有定位感應開關。架體外設置有無人擺渡車。

（2）工作過程構想。裝置正常工作時，控制中心控制無人擺渡車進入架體內部的8個停車位中的任一個停車位，控制中心PLC通過停車位感應開關采集到擺渡車停車位置，發出指令控制縱向滑板上的升降繩索下降，吊鉤吊取集裝箱，升到一定高度，通過橫梁、縱向滑板移向無人擺渡車的停車位置;準確地將集裝箱放置在無人擺渡車上，吊鉤上升至一定高度，無人擺渡車進行運輸。縱向滑板、橫梁自動回到原位，等待下次取料信號。

3.項目研制過程

程序設計。老師帶領學生設計程序，根據8個停車位，橫向、縱向、上下三維運動方式，設計程序，然后用仿真軟件進行仿真。程序比較復雜，梯形圖480多行近2000步程序（省略）。為便于調試和教學，設計三個層級的操作程序，即手動單步操作程序、手動單循環操作程序、自動操作程序。

（1）手動單步操作：首先要將手動、自動按鈕切換至手動位置。手動單步操作需要有5個操作步驟，當有貨車停靠在某一車位時，需依次手動按下并保持按下狀態。第1步，按下吊鉤下放按鍵，吊鉤下放抓取集裝箱，然后上升到一定高度。第2步，啟動橫梁和縱向滑板運行按鈕，與車位相對應的感應開關檢測到橫梁和縱向滑板到達位置時，PLC發出指令，使橫梁和縱向滑板停止移動。第3步，按下吊鉤下放運行按鈕，吊鉤將集裝箱下放，釋放集裝箱。第4步，需按下吊鉤上升按鈕，吊鉤回升至一定高度。第5步，以相反的操作步驟按下橫梁和縱向滑板移動按鈕，使橫梁和小車回到原始位置。

（2）手動單循環：首先要將手動、自動按鈕切換至手動位置。當有貨車停靠在某一車位時，需手動按下啟動按鍵，按下動作完成后，可松開按鍵，吊鉤下放抓取集裝箱，然后上升到一定高度，橫梁和縱向滑板運行，車位相對應的感應開關檢測到橫梁和縱向滑板到位時，PLC發出指令，使橫梁和縱向滑板停止移動，電機驅動吊鉤下放集裝箱，然后吊鉤返回至一定高度，橫梁和縱向滑板也返回到原始位置。當再有貨車停靠車位時，需再次按下啟動按鈕，實現下一個循環的工作過程。

（3）自動控制：首先要將手動、自動按鈕切換至自動位置。當有貨車停靠在某一停車位時，系統檢測到停車信號，反饋給控制中心，經PLC處理，發出指令，吊鉤下放抓取集裝箱。當集裝箱上升至一定高度時，橫梁和縱向滑板拖動貨物按照一定規律移動至貨車所對應的感應開關區域，吊鉤將貨物放下;放下后回升至一定高度，橫梁和縱向滑板啟動，回到原位，等待下次取料信號。

4.校企人員會商

為充分體現教學裝置的實用性，學校還邀請企業技術人員對方案進行會商。對企業技術人員提出的問題，我們作了相應修改補充，然后設計了控制面板，選定了元件和設備。主體構架由學生參與繪制圖紙。組裝調試是一個比較復雜的過程。此項工作在老師的指導下充分發揮學生的積極性，順利完成。

然后編制了PLC輸入輸出分配表，設計了PLC接線圖和順序功能圖，順序功能圖共分為三部分：公用程序、手動程序、自動程序。其中公用程序完成對手動、自動程序進行調用。選用輸入點X24是否得電來表示手動、自動工作的狀態，為“1”時表示自動狀態，為“0”時表示手動狀態。在自動程序中，選用X0～X7分別表示8個停車位。

三、項目研制后的運行性能

教學實踐證明，該實驗實訓裝置在教學及培訓中自動和手動控制比較完善，能夠實現三維控制，配合位置控制、時間控制等控制方式20多種，現場演示呈現形式40多種。對于機電、電氣專業的“電動機繼電控制線路線路安裝與維修”“工廠電氣及PLC控制技術”和“機床電氣控制線路安裝與維修”三門專業核心課程的絕大多數控制方式可用此裝置模擬運行，實驗實訓設施得以節省，學生的學習興趣得到很大程度的激發。在學習過程中，學生既動腦又動手，擺脫紙上談兵的困境，教學質量顯著提高。這種方式對特種行業的門式、橋式起重機操作員、維修員培養培訓有實質性幫助，具有很好的推廣價值。

四、項目應用成效分析

1.產教融合，滿足教學需要，服務企業員工培訓

筆者學校現有機電設備安裝與調試、機電一體化等專業。該設備現場呈現了大部分控制方式，特別是與港口集裝箱裝運系統高度融合。該教學裝置既為教師日常教學、學生實訓提供保證，同時也為相關企業員工培訓提供服務。

2.師生動手，提高科研能力和創新能力

該實驗實訓教學裝置源于教學實踐，得于教學研究。身處教學和實訓一線的一體化教師在長期教學實踐中急教學實訓之急，憂學生學習之憂，深知學生需要提升哪些方面的能力，也總結出通過什么方式和渠道讓學生快速地掌握專業知識、提升技能水平。港口擺渡系統智能化實訓裝置的開發與應用就是基于教、學、用三個層面的需要。設計和制作教具不是一個人能完成的，它需要過硬的技術、熟練的技巧和豐富經驗。

創新是一個民族的靈魂，同時是一切事業發展的原動力。這就要求教師有強烈的事業心，有奉獻精神，有創新意識，同時要有較高的專業水平，豐富的教學和實踐經驗，要有較強的動手能力和較強的分析問題、解決問題的能力。筆者學院大學生技師班里有一批善于動腦勤于動手的學生。在實訓教學裝置研制過程中，我們讓這些學生加入到研制團隊，他們的積極性很高，常常廢寢忘食。通過參與實訓裝置的研制活動， 學生自信心增強了，激發了學習興趣，鞏固了專業知識，啟迪了創新思維，提高了動手能力;更重要的是陶冶了愛科學、愛勞動的情操，提升了綜合職業素養，提高了綜合職業能力。這是人生的一筆寶貴財富。

五、小結

傳統的港口集裝箱裝運是通過操作人員操作桁車的凸輪控制器來實現的，效率低，容易出現配合不協調等問題。該設計有效解決了上述問題。整個裝運過程采用PLC來實現自動控制系統運行，效率高，縮短運輸車輛在碼頭的停泊時間，降低了裝卸和運輸成本。

在研制過程中，產教融合、校企合作，師生的動手能力和創新能力得到提升，在學校、企業、社會中應用效果良好。隨著教育教學改革的不斷深入，該設備也會不斷進行升級改造，補充新內容和功能滿足日常教學和技能人員的工作和學習需要。

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（作者單位：青島市技師學院）