蔡詠德 高燕

摘? 要：大擺臂分流器作為行李處理系統(tǒng)的新型設備，在機場應用中非常罕見。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用和升級改造中的難點問題。文中介紹了PLC控制系統(tǒng)的硬件網(wǎng)絡配置，詳細描述大擺臂分流器的特殊電氣、程序設計、功能優(yōu)化及結構化模塊編程。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)定性和容錯性。

關鍵詞：行李處理系統(tǒng)（BHS）? 大擺臂分流器? 結構化模型? 穩(wěn)定性? 容錯性

中圖分類號：V35? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：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? 項目簡介

1.1 背景介紹

上海浦東國際機場三大國際機場之一，與北京首都國際機場、香港國際機場并稱中國三大國際航空港。上海浦東國際機場位于上海浦東長江入?？谀习兜臑I海地帶。

浦東機場一期工程1997年10月全面開工，1999年9月建成通航。為滿足上海地區(qū)航空業(yè)務量持續(xù)快速增長和建設上海航空樞紐的需要，上海國際機場股份有限公司（簡稱“上海機場”）決定投資12.23億元建設上海浦東國際機場一號航站樓（T1）改造項目。根據(jù)浦東機場總體規(guī)劃，T1航站樓將與S1衛(wèi)星廳形成一體，年旅客處理量將達到3600萬人次以上，因此必須對T1航站樓進行改造擴建。此次改造按浦東機場T1航站樓遠期年旅客吞吐量3680萬人次的運行能力設計，在不停航的情況下組織實施，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

上海浦東機場T1行李系統(tǒng)主要包括16條行李出發(fā)線、2條再值機出發(fā)線、220個值機柜臺、13條行李到達線、2套托盤式行李分揀機、6條中轉線。

（1）流程概述。

行李處理系統(tǒng)基本解決方案中簡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——國內(nèi)及國際。國內(nèi)及國際行李流僅通過到港系統(tǒng)交換行李，其后為再值機柜臺。

（2）主要子系統(tǒng)。

整個行李處理系統(tǒng)可分為下列主要系統(tǒng)：始發(fā)系統(tǒng)、值機子系統(tǒng)、值機傳送子系統(tǒng)、傾翻式托盤分揀系統(tǒng)、人工編碼子系統(tǒng)、中轉與再值機行李處理系統(tǒng)、超大行李子系統(tǒng)、到達行李處理系統(tǒng)。

（3）控制系統(tǒng)。

通過采用計算機、可編程邏輯控制器（PLC）及機電硬件的全面集成系統(tǒng)，來完成行李處理系統(tǒng)（BHS）的整體運行與控制。

計算機用于數(shù)據(jù)處理、通信及操作員連接。采用機電控制與可編程控制器來完成設備層的控制。

整個子系統(tǒng)輸送機基于“反向級聯(lián)”概念工作。這意味著下游輸送機應在上游輸送機啟動之前運行。在自動運行模式中，從分揀機到傳送線的整個系統(tǒng)按順序啟動或停止。因此，在下游輸送機停止時，上游輸送機也會停止，將在“反向級聯(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)管理運行的全面協(xié)調(diào)?？刂葡到y(tǒng)是運行的核心，包括控制整個行李處理系統(tǒng)輸送機及分揀機系統(tǒng)與整個機場系統(tǒng)連接必要的所有系統(tǒng)部件、線路及軟件。

2? 控制系統(tǒng)構成

（1）上海浦東國際機場T1航站樓行李系統(tǒng)改造工程是在充分考慮運營和維護需求的基礎上，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，每一個分組都是獨立于其他的分組控制，它有獨立的控制指令。當其中一個分組需要維護或者關閉，不會影響到其他分組的運行。每一個分組的控制都可以通過SCADA或者操作面板發(fā)送指令來控制。

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

詳細的分組如圖2所示。

（2）分組PLC控制系統(tǒng)架構。

每個分組PLC控制系統(tǒng)采用西門子PLC S7-400系列[2]，因為設備離控制柜較遠，現(xiàn)場的IO都通過總線的方式與控制柜內(nèi)CPU連接。

PLC控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結構圖如圖3所示。

3? 大擺臂分流器功能及實現(xiàn)

浦東國際機場一號航站樓采用三級安檢流程，值機后的行李進入雙通道安檢系統(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盤人工分揀，或者選擇傳送至分揀機自動分揀。該路徑選擇功能通過在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)升級改造中的關鍵設備之一。該設備的改造提升系統(tǒng)的容錯性，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目中最為特點的亮點：大擺臂分流器設備為大型設備（見圖4現(xiàn)場大擺臂分流器實物照片）單個設備長度達6米m，寬2.4m。此類大型設備在其他機場行李處理系統(tǒng)和物流系統(tǒng)中非常罕見。實際運行時分流器上可能會有多個行李，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，以便及時發(fā)現(xiàn)行李位移、堵塞現(xiàn)象。遇上兩個大擺臂分流器相鄰連續(xù)使用情況，兩路行李同時在輸送機上傳輸，跟蹤功能必不可少。由于設備局限，無法安裝編碼器，只能采用軟件計算方式，下文詳細闡述解決方案。

3.1 大擺臂機械結構及電氣設計（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構如圖5所示，其中PEC為對射式光電傳感器。擺臂輸送機位置有3臺電機控制分別是SWS、VB和TRS，SWS控制擺臂的擺進和擺出，VB控制擺臂上皮帶運行，TRS控制擺臂下方的輸送機運行，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，不會因為速度不同步而產(chǎn)生位移。擺臂通過限位開關檢測是否切換到位。

當擺臂在里面的情況，Section01簡稱S1傳輸過來的行李會傳輸?shù)絊3;S2傳輸至大擺臂的行李會傳輸?shù)絊4。大擺臂下面的輸送機成為S0。當擺臂切換到外側的時候，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。則對于S0來說，也是不能向下游繼續(xù)傳輸行李的。因為對于光電開關來說，系統(tǒng)是不能區(qū)分出行李是在輸送機內(nèi)側還是外側輸送，系統(tǒng)都是認為在大擺臂分流器上。如圖5來說，程序認為大擺臂分流器的下游也是不能接收行李的，從而導致系統(tǒng)停止，系統(tǒng)的容錯能力降低。同時為了避免在S1→S2和S2→S4同時運行的時候，由于共用光電開關而導致的擺臂下方輸送機的頻繁啟動和停止，將末端的光電開關進行了改造，如圖6所示，改造后系統(tǒng)能區(qū)分出行李是在內(nèi)側還是在外側輸送，提高了體統(tǒng)的容錯能力。

3.2 模塊化設計大擺臂分流器功能（軟件）

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

從圖7大擺臂分流器輸送機功能模塊關系圖中看出跟蹤模塊、位置信息、速度最為關鍵。行李會在大擺臂上平行輸送，為精確行李在輸送機上的位置，需要建立兩個不同輸送過程。因此在共同的輸送機速度模塊的基礎上，建立兩個平行運行的跟蹤模型。

程序是在OB1中運行，CPU的最小掃描周期為OB的掃描周期[4]，系統(tǒng)默認掃描周期變量#OB_PREV_CYCLE為程序執(zhí)行提供最小的采樣周期△t（k）（程序執(zhí)行的時候，掃描周期是在動態(tài)變化），其中k為從系統(tǒng)啟動之后的掃描周期序列，根據(jù)設定的速度換算成掃描周期相同時間單位速度，得到每一個掃描周期輸送機運行的距離△s（k）：

減速過程：速度從穩(wěn)態(tài)速度逐漸減速至0，結合光電開關位置可以測量得到減速距離Sdec，根據(jù)公式可以得知，其中V為穩(wěn)態(tài)速度。在得知減速時間之后，假設減速過程為線性變化過程即減速度為恒定值，則adec=V/tdec。

當恒定減速度的條件下，減速過程的數(shù)學模型為：v（k）=V-adec×△t（k-1）。因此在減速過程中每一個掃描周期輸送機運行距離為：

西門子STEP7編程軟件中STL提供了豐富數(shù)學運算指令，以實現(xiàn)上述數(shù)學模型的運算[5]。

速度模塊的運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相同結構的數(shù)據(jù)塊，數(shù)據(jù)塊的結構分為兩部分，第一部分為輸送機的狀態(tài)信息，主要包括速度運算值、輸送機運行狀態(tài)、在輸送機上的行李數(shù)量等;第二部分為輸送機上的行李的位置跟蹤信息。

跟蹤信息的定義方式如下：首先定義一個數(shù)據(jù)結構，結構的內(nèi)容如下。

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

物理信息：Infor_Phyisical：INT;行李的物理信息，主要是行李的頭尾信息，主要是通過光電開關檢測得到。

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)結構定義N個數(shù)組。N大于輸送機上所能存放的最大行李數(shù)的2倍。

當輸送機上的檢測元器件（光電開關）檢測到行李經(jīng)過輸送機上的某一位置，則會在該位置寫入物理信息，然后位置信息就會根據(jù)速度值不斷更新。位置更新，主要采用西門子指針運算[7]，具體的程序如下：

經(jīng)過不斷調(diào)試，根據(jù)上述數(shù)學模型編寫的程序能精確描述行李在大擺臂分流器上傳送過程，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)變量判斷提供準確的邏輯條件判斷，比如：輸送機當前是否運行在穩(wěn)態(tài)速度，行李是否在大擺臂分流器與輸送機之間傳遞。

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

該項目從模型建立至編程語言的實現(xiàn)，充分證明西門子STL語言具有系統(tǒng)數(shù)學模型可程序化性能，并為后續(xù)類似項目提供了參考范本。

4? 項目運行

2016年年初上海浦東機場1號航站樓行李處理系統(tǒng)改造完畢，已通過第三方和行業(yè)驗收。目前系統(tǒng)運行情況良好，準備迎接6月份上海迪士尼樂園開業(yè)時大客流考驗。

5? 應用體會

該項目是在確保航站樓不停航的前提下進行施工。軟件開發(fā)以完善的技術文檔為支撐，緊密結合西門子STL語言的特點，構建良好的軟件架構，使得開發(fā)的功能塊具有很好的復用性，降低程序編寫的成本，并使得系統(tǒng)具有很好的可維護性。STL程序執(zhí)行效率高，并能實現(xiàn)復雜運算過程，靈活多樣;做出來的塊具有很好的復用性。

參考文獻

[1] Brian Edwards.The Modern Airport Terminal[M].London：Francis e-Library，2005.

[2] Yu Huiqun，Xu Chunmei.Design and Implementaion of the Key Technologies for Baggage Handling Control System[A].International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation[C].IEEE，2010：958-961.

[3] S7-400產(chǎn)品目錄ST70_3C[Z].

[4] SIEMENS工業(yè)通訊產(chǎn)品目錄IKPI2011[Z].

[5] S7-400指令列表 CPU 412、414、416、417[Z].

[6] SIMATIC用STEP7編程手冊[Z].

[7] 劉華波，何文雪，王雪.西門子S7-300/400PLC編程與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.