自動(dòng)化碼頭遠(yuǎn)程操控技術(shù)研究

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摘要：遠(yuǎn)程操控臺(tái)是基于遠(yuǎn)程操控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)集裝箱碼頭軌道吊（ARMG）和岸橋（STS）遠(yuǎn)程操控的設(shè)備。然而，遠(yuǎn)程操控設(shè)備自動(dòng)化程度低是制約遠(yuǎn)程操控發(fā)展的重要因素。為了解決遠(yuǎn)程操控設(shè)備控制水平低的問(wèn)題，經(jīng)研究提出：通過(guò)PLC與上位機(jī)的S7通信方法，實(shí)現(xiàn)操控信號(hào)的采集與本地信號(hào)傳輸；通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程穿刺技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控信號(hào)的遠(yuǎn)程傳輸；通過(guò)本地ECS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)遠(yuǎn)程操控信號(hào)進(jìn)行解析進(jìn)而實(shí)現(xiàn)ARMG的運(yùn)動(dòng)控制。研究所形成的技術(shù)方法可為ARMG的遠(yuǎn)程操控提供一種實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程操控臺(tái)；遠(yuǎn)程操控技術(shù)；遠(yuǎn)程操控網(wǎng)絡(luò)

引言

碼頭是世界航運(yùn)貿(mào)易的中心，是連接國(guó)內(nèi)外進(jìn)出口貿(mào)易的通道。隨著海內(nèi)外貿(mào)易的深度融合，集裝箱碼頭的年吞吐量與日俱增。但是，集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)普遍存在重量大、系統(tǒng)運(yùn)行復(fù)雜的特點(diǎn)。為了提高港口貨物流轉(zhuǎn)效率，荷蘭鹿特丹的EUROMAX碼頭率先完成了集裝箱碼頭的遠(yuǎn)程操控，并且在港口集裝箱自動(dòng)流轉(zhuǎn)方面，取得了顯著的應(yīng)用效果［1］。隨后，倫敦、名古屋等世界知名碼頭也相繼開展了碼頭集裝箱的遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)應(yīng)用研究。國(guó)內(nèi)在碼頭集裝箱遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)技術(shù)方面的研究起步較晚。目前，青島港已經(jīng)部分實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程操控臺(tái)對(duì)于軌道吊的遠(yuǎn)程控制。但是只能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的簡(jiǎn)單動(dòng)作，而且故障率高。受限于設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的信息采集反饋難及信息網(wǎng)絡(luò)無(wú)法建立等問(wèn)題，因此，國(guó)內(nèi)的遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)軌道吊的自動(dòng)化控制。遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)控制集裝箱自動(dòng)化流轉(zhuǎn)的關(guān)鍵設(shè)備。其主要以視頻監(jiān)控系統(tǒng)、編碼器位移檢測(cè)系統(tǒng)為控制依據(jù)，進(jìn)而通過(guò)人機(jī)交互指令完成對(duì)ARMG的遠(yuǎn)程精確控制。在遠(yuǎn)程操控技術(shù)方面，由于主控系統(tǒng)的諸多限制，國(guó)內(nèi)尚無(wú)法將遠(yuǎn)程控制信號(hào)與ARMG主控系統(tǒng)建立通信連接。而且上位系統(tǒng)功能薄弱，仍以顯示為主且無(wú)法實(shí)現(xiàn)上位的閉環(huán)操控［2］。在系統(tǒng)集成方面，國(guó)際幾大知名電氣供應(yīng)商提供了全套的電氣解決方案，而且應(yīng)用特制產(chǎn)品，這在技術(shù)層面阻止了遠(yuǎn)控技術(shù)的發(fā)展。在系統(tǒng)調(diào)試方面，電氣供應(yīng)商指定本公司技術(shù)人員進(jìn)行項(xiàng)目調(diào)試，且國(guó)內(nèi)技術(shù)人員無(wú)法臨近現(xiàn)場(chǎng)學(xué)習(xí)。由此可見，國(guó)內(nèi)集裝箱碼頭的遠(yuǎn)程操控自動(dòng)化程度普遍不高。更為關(guān)鍵的是，遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)所用關(guān)鍵技術(shù)長(zhǎng)期被國(guó)外壟斷。因此，研究集裝箱碼頭的遠(yuǎn)程操控技術(shù)，對(duì)于促進(jìn)國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高國(guó)內(nèi)港口物流科技水平、打破國(guó)外在遠(yuǎn)程操控技術(shù)領(lǐng)域的壟斷具有重要意義。

1遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)控制架構(gòu)

集裝箱碼頭作業(yè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化遠(yuǎn)程操控是未來(lái)集裝箱碼頭發(fā)展的必然趨勢(shì)。集裝箱碼頭實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)，其核心系統(tǒng)就是設(shè)備控制系統(tǒng)（EquipmentControlSystem，以下簡(jiǎn)稱“ECS”），ECS上接碼頭任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)（即TOS），下接外部場(chǎng)橋和岸橋等設(shè)備的控制器，能夠有效調(diào)度碼頭設(shè)備的作業(yè)任務(wù)。在遠(yuǎn)程操控領(lǐng)域，遠(yuǎn)程操控臺(tái)作為上層通信控制系統(tǒng)，可產(chǎn)生操控指令。遠(yuǎn)控指令與TOS指令是并行的。因此，遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)是以ECS控制系統(tǒng)為通信對(duì)象，進(jìn)而建立通信控制實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控的目的。遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)控制信號(hào)采集控制器為西門子S319F型PLC。該型PLC集成了數(shù)字量輸入模塊DI、數(shù)字量輸出模塊DO、模擬量輸入模塊AI。遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)可通過(guò)輸入輸出模塊，將人機(jī)交互控制信號(hào)采集處理后，通過(guò)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)傳輸至ECS設(shè)備管理系統(tǒng)，進(jìn)而控制ARMG／STS的運(yùn)行。在具體實(shí)施過(guò)程中，BOOL開關(guān)量信息可接入DI模塊，搖桿手柄的4～20mA信號(hào)可接入AI模塊，指示燈及電機(jī)控制可接入DO模塊。從圖1可以看出，為了提高遠(yuǎn)控設(shè)備的安全性和可靠性，控制架構(gòu)采用冗余PLC結(jié)構(gòu)。同一時(shí)間，兩臺(tái)PLC同時(shí)工作，但是只有主PLC有對(duì)外通信權(quán)限。當(dāng)主PLC出現(xiàn)故障時(shí)，備用PLC自動(dòng)檢測(cè)到主PLC發(fā)生故障并自動(dòng)獲取通信權(quán)限，進(jìn)而保障通信的可靠性。

2遠(yuǎn)程操控技術(shù)

2．1遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)人機(jī)交互信號(hào)

遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)人機(jī)交互信號(hào)分為：按鈕控制信號(hào)、觸摸屏控制信號(hào)。其中，按鈕信號(hào)為遠(yuǎn)程操控臺(tái)板載按鈕交互信號(hào)。觸摸屏控制信號(hào)為TP1200軟件輸出信號(hào)。同時(shí)，觸摸屏自身有一定的顯示功能，可將PLC及數(shù)據(jù)庫(kù)中信息處理并顯示。

2．1．1按鈕控制信號(hào)按鈕控制信號(hào)可接入PLC的SM321信號(hào)輸入模塊，用于控制ARMG的自動(dòng)或手動(dòng)模式、夾爪打開、夾爪關(guān)閉、防搖打開、防搖關(guān)閉等。軟件內(nèi)部組態(tài)后，即可對(duì)輸入點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行采集。采集信號(hào)為控制依據(jù)，通過(guò)程序判選擇后，執(zhí)行相關(guān)操作。具體程序采用功能塊（FB塊）編程。按鈕控制信號(hào)為BOOL類型。按鈕為ARMG的基本配置信號(hào)，在自動(dòng)模式下，ARMG可自動(dòng)完成相關(guān)信號(hào)的控制。但是，當(dāng)有意外情況發(fā)生時(shí)，可通過(guò)按鈕切換ARMG運(yùn)行模式，并配和按鈕手動(dòng)將集裝箱放置完成后，以空載狀態(tài)進(jìn)行維護(hù)等。

2．1．2觸摸屏控制信號(hào)觸摸屏控制信號(hào)和PLC通過(guò)Profinet接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。觸摸屏同樣具備軟件按鈕，可實(shí)現(xiàn)物理按鈕的功能。此外，觸摸屏控制信號(hào)可將設(shè)備的狀態(tài)信息反饋并顯示在狀態(tài)畫面中。圖2包含了系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止，以及零位、STS、ARMG的選擇。圖3包含了設(shè)備的當(dāng)前位置信息及設(shè)備的控制狀態(tài)信息。

2．2遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)的信號(hào)連接

2．2．1按鈕和觸摸屏控制命令與上位機(jī)連接按鈕控制信號(hào)可通過(guò)輸入模塊直接將信號(hào)接入PLC，觸摸屏控制命令通過(guò)PN／IE連接方式進(jìn)行通信。在具體實(shí)施過(guò)程中，可將PLC變量進(jìn)行定義，然后對(duì)觸摸屏變量進(jìn)行定義后，將兩者的相關(guān)變量建立關(guān)聯(lián)，即可實(shí)現(xiàn)觸摸屏到PLC的控制信號(hào)連接。觸摸屏控制信號(hào)既有BOOL類型又有Word類型。其中，Word類型可實(shí)現(xiàn)字符串的輸入及輸出，用于控制軌道吊的運(yùn)行速度，行走位移等。上位機(jī)與PLC之間建立S7通信。通過(guò)S7通信指令，可開放本地服務(wù)器的IP、端口號(hào)和信號(hào)源。上位機(jī)通過(guò)讀取信號(hào)源相關(guān)寄存器（如：DB3．DBX．0．0）即可獲取PLC數(shù)據(jù)。

2．2．2遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)的建立遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)即建立本地上位機(jī)與遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)的跨網(wǎng)段通信連接。內(nèi)網(wǎng)穿刺技術(shù)是在物理層面，建立與遠(yuǎn)端設(shè)備的虛擬公網(wǎng)通信連接［3］。在具體實(shí)施過(guò)程中，內(nèi)網(wǎng)穿刺技術(shù)開源了本地計(jì)算機(jī)的IP及端口號(hào)，并可與遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)的IP和端口號(hào)建立虛擬映射連接。虛擬映射連接建立完畢后，即可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息的透?jìng)鳌?/p>

2．2．3遠(yuǎn)程視頻信號(hào)的建立遠(yuǎn)程視頻信號(hào)采用?？低曇曨l攝像機(jī)，對(duì)ARMG起重機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻信息采集。采集的信號(hào)一部分存入本地硬盤，以便于后續(xù)取證。另一部分可通過(guò)外網(wǎng)，將視頻信號(hào)傳輸至遠(yuǎn)程操控設(shè)備監(jiān)控端。在具體視頻信號(hào)傳輸過(guò)程中，海康威視提供了云服務(wù)功能。通過(guò)設(shè)置視頻錄像設(shè)備的IP地址連接，即可開啟設(shè)備的上云功能。客戶端只需要申請(qǐng)?jiān)埔曨l賬號(hào)，登錄后掃描設(shè)備的二維碼信息，即可將設(shè)備mac地址與賬號(hào)建立綁定連接。通過(guò)視頻數(shù)據(jù)流讀取，即可將遠(yuǎn)程視頻信號(hào)讀取至監(jiān)控畫面中。

2．3遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)的信號(hào)解析

遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)將控制信號(hào)發(fā)送至遠(yuǎn)端ECS設(shè)備管理系統(tǒng)后，ECS設(shè)備管理軟件可將控制信號(hào)進(jìn)行本地解析，即將控制信號(hào)分解為可供ARMG運(yùn)行的控制及參數(shù)信號(hào)。遠(yuǎn)程操控臺(tái)可根據(jù)集裝箱編號(hào)，自動(dòng)獲取或手動(dòng)輸入獲取集裝箱所在的貝位信息，并發(fā)送至遠(yuǎn)端ECS設(shè)備管理系統(tǒng)進(jìn)行解析。由于貝位所在區(qū)域的集裝箱信息已經(jīng)存在于數(shù)據(jù)庫(kù)中，而且詳細(xì)錄入了箱體的尺寸及重量等，因此，檢索數(shù)據(jù)庫(kù)可獲取集裝箱在堆場(chǎng)中的具體位置。同樣，層高信息在數(shù)據(jù)庫(kù)中也被記錄，因此，無(wú)論集裝箱處于哪一層，都可以控制吊具準(zhǔn)確抓放集裝箱。同時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)信息為吊具的運(yùn)行路徑及避障功能提供了理論避障檢測(cè)依據(jù)。現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)信息可通過(guò)遠(yuǎn)程視頻信號(hào)進(jìn)行觀察，當(dāng)有危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)，可按下遠(yuǎn)程操控臺(tái)的急停按鈕，將ARMG的所有自由度固定。待危險(xiǎn)解除后，重新建立ARMG的連接，即可重新獲取ARMG的操作權(quán)限。

3結(jié)語(yǔ)

遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)是自動(dòng)化碼頭的重要組成部分。ARMG的遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)，可加速港口物流轉(zhuǎn)運(yùn)的無(wú)人化、信息化。經(jīng)研究提出：通過(guò)PLC與上位機(jī)的S7通信方法，建立了IP與端口號(hào)的綁定連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)操控信號(hào)的采集與傳輸；通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程穿刺技術(shù)，將內(nèi)網(wǎng)設(shè)備IP和端口地址與遠(yuǎn)端外網(wǎng)設(shè)備IP和端口號(hào)之間建立虛擬連接的方法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控信號(hào)的遠(yuǎn)程傳輸；通過(guò)本地ECS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控信號(hào)的解析及運(yùn)行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)ARMG的運(yùn)行控制。建立起了外網(wǎng)控制信號(hào)到PLC的采集通信連接，并為遠(yuǎn)端ECS設(shè)備管理系統(tǒng)與遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)建立起了通信連接，從而為ARMG的遠(yuǎn)程控制提供了通信基礎(chǔ)。本項(xiàng)研究成果的取得，可為智能碼頭遠(yuǎn)程操控技術(shù)提供一種技術(shù)方案。并且在集裝箱碼頭的遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)發(fā)展方面具有一定的指導(dǎo)意義。

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作者：張玉石 孫佳隆 單位：中船重工（青島）海洋裝備研究院有限責(zé)任公司