港口集装箱摆渡系统智能化实训装置的开发与应用
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刘春贤 安丽红
摘 要：在机电类专业教学过程中，由于缺乏相应的实训设施，教和学举步维艰。青岛市技师学院智能制造学院制作了用PLC（可编程控制器）控制运动设备模拟港口码头集装箱自动摆渡智能装运教学实训装置，能够实现三维运行，现场演示42种控制方式。该实训装置2018年获第十七届全国技工院校实验实训设备类优秀成果评选二等奖。
关键词：教学装置 智能化 三维运动
近年来，随着经济社会和科学技术的快速发展，港口码头集装箱装运正向远程控制、无人操作、自动装运的智能化发展。笔者学院开设的机电设备安装与维护专业与当地港口产业对接，校企深入合作，产教高度融合。在缺乏实验实训装置的情况下，教师与企业人员一起研究设计实验实训装置，高度模拟了港口码头集装箱装运系统，用PLC控制运动设备自动摆渡送货系统，实现直观教学，技术创新性突出，具有较好的教学和实际工程推广价值。一、课题研究背景及主要内容
学院机电设备安装与维修专业结合地区经济发展和企业用工需求，确定与港口产业对接实施产教融合校企合作这一发展规划。港口集装箱装运设备的安装、调试、维护、保养是学生必须掌握的一项技能。实践教学中课程没有专门内容讲解港口集装箱设备，与之相关的是＂工厂电气及PLC控制技术＂和＂机床电气控制线路＂两门专业核心课程中的桥式起重机内容，教学要求用240课时进行桥式起重机相关知识讲解、控制线路操作和检修技能训练。由于缺乏实训设备，学生基本上处于理论层面的探讨和推演，对现代港口集装箱无人操作自动装运的智能化系统原理不了解，更谈不上操作与维修了。
为克服这一短板，教师与企业技术人员一起研制开发了实验实训装置。该装置设置8个停车位，依据无人摆渡车的进入顺序，系统能够自动快速送达集装箱，然后摆渡车及时驶离，大大提高了效率。在实践教学中采用该装置模拟港口码头集装箱装运系统，用PLC控制运动设备自动摆渡送货，学生或者企业人员可以多次反复拆装熟练安装过程，还可以设置故障点，让学生或培训人员查找故障以提升檢修能力。二、可行性方案设计及研制过程
1.研制后要达到的控制要求
设置多个停车位，可同时停靠多辆集装箱摆渡车（该装置设8个停车位）。用PLC作为中控系统，采集信号、运算处理并发出指令，实现无人操作自动装运。可设立微机监控系统，监控集装箱装运过程。采用手动、自动两种控制方式，便于教学、培训。
2.项目研制方案设计思路
（1）主体设计构想。目前未发现相关的实验实训设备，因此在研发过程中多次实地考察，首先根据实际工作流程确定设计方案，选择材料并进行组装，编写输入程序，调试完成后，能模拟演示自动摆渡运动过程
该教学实训装置设置有架体。架体内部左边紧靠框架内侧处放置有集装箱，集装箱可由另外设备导入。架体底部右边设置多个停车位，每个停车位表面设置有停车位感应开关。架体顶端设置有通过车轮可运动的横梁，横梁上面设置有通过车轮可运动的纵向滑板，纵向滑板底部通过升降绳索连接吊钩升降机构。架体上端横梁和纵向滑板正对停车位的位置设置有定位感应开关。架体外设置有无人摆渡车。
（2）工作过程构想。装置正常工作时，控制中心控制无人摆渡车进入架体内部的8个停车位中的任一个停车位，控制中心PLC通过停车位感应开关采集到摆渡车停车位置，发出指令控制纵向滑板上的升降绳索下降，吊钩吊取集装箱，升到一定高度，通过横梁、纵向滑板移向无人摆渡车的停车位置;准确地将集装箱放置在无人摆渡车上，吊钩上升至一定高度，无人摆渡车进行运输。纵向滑板、横梁自动回到原位，等待下次取料信号。
3.项目研制过程
程序设计。老师带领学生设计程序，根据8个停车位，横向、纵向、上下三维运动方式，设计程序，然后用仿真软件进行仿真。程序比较复杂，梯形图480多行近2000步程序（省略）。为便于调试和教学，设计三个层级的操作程序，即手动单步操作程序、手动单循环操作程序、自动操作程序。
（1）手动单步操作：首先要将手动、自动按钮切换至手动位置。手动单步操作需要有5个操作步骤，当有货车停靠在某一车位时，需依次手动按下并保持按下状态。第1步，按下吊钩下放按键，吊钩下放抓取集装箱，然后上升到一定高度。第2步，启动横梁和纵向滑板运行按钮，与车位相对应的感应开关检测到横梁和纵向滑板到达位置时，PLC发出指令，使横梁和纵向滑板停止移动。第3步，按下吊钩下放运行按钮，吊钩将集装箱下放，释放集装箱。第4步，需按下吊钩上升按钮，吊钩回升至一定高度。第5步，以相反的操作步骤按下横梁和纵向滑板移动按钮，使横梁和小车回到原始位置。
（2）手动单循环：首先要将手动、自动按钮切换至手动位置。当有货车停靠在某一车位时，需手动按下启动按键，按下动作完成后，可松开按键，吊钩下放抓取集装箱，然后上升到一定高度，横梁和纵向滑板运行，车位相对应的感应开关检测到横梁和纵向滑板到位时，PLC发出指令，使横梁和纵向滑板停止移动，电机驱动吊钩下放集装箱，然后吊钩返回至一定高度，横梁和纵向滑板也返回到原始位置。当再有货车停靠车位时，需再次按下启动按钮，实现下一个循环的工作过程。
（3）自动控制：首先要将手动、自动按钮切换至自动位置。当有货车停靠在某一停车位时，系统检测到停车信号，反馈给控制中心，经PLC处理，发出指令，吊钩下放抓取集装箱。当集装箱上升至一定高度时，横梁和纵向滑板拖动货物按照一定规律移动至货车所对应的感应开关区域，吊钩将货物放下;放下后回升至一定高度，横梁和纵向滑板启动，回到原位，等待下次取料信号。
4.校企人员会商
为充分体现教学装置的实用性，学校还邀请企业技术人员对方案进行会商。对企业技术人员提出的问题，我们作了相应修改补充，然后设计了控制面板，选定了元件和设备。主体构架由学生参与绘制图纸。组装调试是一个比较复杂的过程。此项工作在老师的指导下充分发挥学生的积极性，顺利完成。
然后编制了PLC输入输出分配表，设计了PLC接线图和顺序功能图，顺序功能图共分为三部分：公用程序、手动程序、自动程序。其中公用程序完成对手动、自动程序进行调用。选用输入点X24是否得电来表示手动、自动工作的状态，为＂1＂时表示自动状态，为＂0＂时表示手动状态。在自动程序中，选用X0～X7分别表示8个停车位。三、项目研制后的运行性能
教学实践证明，该实验实训装置在教学及培训中自动和手动控制比较完善，能够实现三维控制，配合位置控制、时间控制等控制方式20多种，现场演示呈现形式40多种。对于机电、电气专业的＂电动机继电控制线路线路安装与维修＂＂工厂电气及PLC控制技术＂和＂机床电气控制线路安装与维修＂三门专业核心课程的绝大多数控制方式可用此装置模拟运行，实验实训设施得以节省，学生的学习兴趣得到很大程度的激发。在学习过程中，学生既动脑又动手，摆脱纸上谈兵的困境，教学质量显著提高。这种方式对特种行业的门式、桥式起重机操作员、维修员培养培训有实质性帮助，具有很好的推广价值。四、项目应用成效分析
1.产教融合，满足教学需要，服务企业员工培训
笔者学校现有机电设备安装与调试、机电一体化等专业。该设备现场呈现了大部分控制方式，特别是与港口集装箱装运系统高度融合。该教学装置既为教师日常教学、学生实训提供保证，同时也为相关企业员工培训提供服务。
2.师生动手，提高科研能力和创新能力
该实验实训教学装置源于教学实践，得于教学研究。身处教学和实训一线的一体化教师在长期教学实践中急教学实训之急，忧学生学习之忧，深知学生需要提升哪些方面的能力，也总结出通过什么方式和渠道让学生快速地掌握专业知识、提升技能水平。港口摆渡系统智能化实训装置的开发与应用就是基于教、学、用三个层面的需要。设计和制作教具不是一个人能完成的，它需要过硬的技术、熟练的技巧和丰富经验。
创新是一个民族的灵魂，同时是一切事业发展的原动力。这就要求教师有强烈的事业心，有奉献精神，有创新意识，同时要有较高的专业水平，丰富的教学和实践经验，要有较强的动手能力和较强的分析问题、解决问题的能力。笔者学院大学生技师班里有一批善于动脑勤于动手的学生。在实训教学装置研制过程中，我们让这些学生加入到研制团队，他们的积极性很高，常常废寝忘食。通过参与实训装置的研制活动， 学生自信心增强了，激发了学习兴趣，巩固了专业知识，启迪了创新思维，提高了动手能力;更重要的是陶冶了爱科学、爱劳动的情操，提升了综合职业素养，提高了综合职业能力。这是人生的一笔宝贵财富。五、小结
传统的港口集装箱装运是通过操作人员操作桁车的凸轮控制器来实现的，效率低，容易出现配合不协调等问题。该设计有效解决了上述问题。整个装运过程采用PLC来实现自动控制系统运行，效率高，缩短运输车辆在码头的停泊时间，降低了装卸和运输成本。
在研制过程中，产教融合、校企合作，师生的动手能力和创新能力得到提升，在学校、企业、社会中应用效果良好。随着教育教学改革的不断深入，该设备也会不断进行升级改造，补充新内容和功能满足日常教学和技能人员的工作和学习需要。
参考文献：
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