自動化碼頭遠程操控技術(shù)研究
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摘要：遠程操控臺是基于遠程操控網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對集裝箱碼頭軌道吊（ARMG）和岸橋（STS）遠程操控的設(shè)備。然而，遠程操控設(shè)備自動化程度低是制約遠程操控發(fā)展的重要因素。為了解決遠程操控設(shè)備控制水平低的問題，經(jīng)研究提出：通過PLC與上位機的S7通信方法，實現(xiàn)操控信號的采集與本地信號傳輸；通過網(wǎng)絡(luò)遠程穿刺技術(shù)，實現(xiàn)遠程操控信號的遠程傳輸；通過本地ECS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)對遠程操控信號進行解析進而實現(xiàn)ARMG的運動控制。研究所形成的技術(shù)方法可為ARMG的遠程操控提供一種實現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞：遠程操控臺；遠程操控技術(shù)；遠程操控網(wǎng)絡(luò)
引言
碼頭是世界航運貿(mào)易的中心，是連接國內(nèi)外進出口貿(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)運普遍存在重量大、系統(tǒng)運行復(fù)雜的特點。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程操控，并且在港口集裝箱自動流轉(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程操控系統(tǒng)應(yīng)用研究。國內(nèi)在碼頭集裝箱遠程操控系統(tǒng)技術(shù)方面的研究起步較晚。目前，青島港已經(jīng)部分實現(xiàn)了遠程操控臺對于軌道吊的遠程控制。但是只能實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的簡單動作，而且故障率高。受限于設(shè)備現(xiàn)場的信息采集反饋難及信息網(wǎng)絡(luò)無法建立等問題，因此，國內(nèi)的遠程操控系統(tǒng)尚無法實現(xiàn)軌道吊的自動化控制。遠程操控系統(tǒng)是實現(xiàn)控制集裝箱自動化流轉(zhuǎn)的關(guān)鍵設(shè)備。其主要以視頻監(jiān)控系統(tǒng)、編碼器位移檢測系統(tǒng)為控制依據(jù)，進而通過人機交互指令完成對ARMG的遠程精確控制。在遠程操控技術(shù)方面，由于主控系統(tǒng)的諸多限制，國內(nèi)尚無法將遠程控制信號與ARMG主控系統(tǒng)建立通信連接。而且上位系統(tǒng)功能薄弱，仍以顯示為主且無法實現(xiàn)上位的閉環(huán)操控［2］。在系統(tǒng)集成方面，國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)人員進行項目調(diào)試，且國內(nèi)技術(shù)人員無法臨近現(xiàn)場學(xué)習(xí)。由此可見，國內(nèi)集裝箱碼頭的遠程操控自動化程度普遍不高。更為關(guān)鍵的是，遠程操控系統(tǒng)所用關(guān)鍵技術(shù)長期被國外壟斷。因此，研究集裝箱碼頭的遠程操控技術(shù)，對于促進國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展、提高國內(nèi)港口物流科技水平、打破國外在遠程操控技術(shù)領(lǐng)域的壟斷具有重要意義。
1遠程操控系統(tǒng)控制架構(gòu)
集裝箱碼頭作業(yè)設(shè)備實現(xiàn)自動化遠程操控是未來集裝箱碼頭發(fā)展的必然趨勢。集裝箱碼頭實現(xiàn)自動化作業(yè)，其核心系統(tǒng)就是設(shè)備控制系統(tǒng)（EquipmentControlSystem，以下簡稱“ECS”），ECS上接碼頭任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)（即TOS），下接外部場橋和岸橋等設(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)。在遠程操控領(lǐng)域，遠程操控臺作為上層通信控制系統(tǒng)，可產(chǎn)生操控指令。遠控指令與TOS指令是并行的。因此，遠程操控系統(tǒng)是以ECS控制系統(tǒng)為通信對象，進而建立通信控制實現(xiàn)遠程操控的目的。遠程操控系統(tǒng)控制信號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。遠程操控系統(tǒng)可通過輸入輸出模塊，將人機交互控制信號采集處理后，通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)傳輸至ECS設(shè)備管理系統(tǒng)，進而控制ARMG／STS的運行。在具體實施過程中，BOOL開關(guān)量信息可接入DI模塊，搖桿手柄的4～20mA信號可接入AI模塊，指示燈及電機控制可接入DO模塊。從圖1可以看出，為了提高遠控設(shè)備的安全性和可靠性，控制架構(gòu)采用冗余PLC結(jié)構(gòu)。同一時間，兩臺PLC同時工作，但是只有主PLC有對外通信權(quán)限。當(dāng)主PLC出現(xiàn)故障時，備用PLC自動檢測到主PLC發(fā)生故障并自動獲取通信權(quán)限，進而保障通信的可靠性。
2遠程操控技術(shù)
2．1遠程操控系統(tǒng)人機交互信號
遠程操控系統(tǒng)人機交互信號分為：按鈕控制信號、觸摸屏控制信號。其中，按鈕信號為遠程操控臺板載按鈕交互信號。觸摸屏控制信號為TP1200軟件輸出信號。同時，觸摸屏自身有一定的顯示功能，可將PLC及數(shù)據(jù)庫中信息處理并顯示。
2．1．1按鈕控制信號按鈕控制信號可接入PLC的SM321信號輸入模塊，用于控制ARMG的自動或手動模式、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，即可對輸入點信號進行采集。采集信號為控制依據(jù)，通過程序判選擇后，執(zhí)行相關(guān)操作。具體程序采用功能塊（FB塊）編程。按鈕控制信號為BOOL類型。按鈕為ARMG的基本配置信號，在自動模式下，ARMG可自動完成相關(guān)信號的控制。但是，當(dāng)有意外情況發(fā)生時，可通過按鈕切換ARMG運行模式，并配和按鈕手動將集裝箱放置完成后，以空載狀態(tài)進行維護等。
2．1．2觸摸屏控制信號觸摸屏控制信號和PLC通過Profinet接口進行數(shù)據(jù)交互。觸摸屏同樣具備軟件按鈕，可實現(xiàn)物理按鈕的功能。此外，觸摸屏控制信號可將設(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遠程操控系統(tǒng)的信號連接
2．2．1按鈕和觸摸屏控制命令與上位機連接按鈕控制信號可通過輸入模塊直接將信號接入PLC，觸摸屏控制命令通過PN／IE連接方式進行通信。在具體實施過程中，可將PLC變量進行定義，然后對觸摸屏變量進行定義后，將兩者的相關(guān)變量建立關(guān)聯(lián)，即可實現(xiàn)觸摸屏到PLC的控制信號連接。觸摸屏控制信號既有BOOL類型又有Word類型。其中，Word類型可實現(xiàn)字符串的輸入及輸出，用于控制軌道吊的運行速度，行走位移等。上位機與PLC之間建立S7通信。通過S7通信指令，可開放本地服務(wù)器的IP、端口號和信號源。上位機通過讀取信號源相關(guān)寄存器（如：DB3．DBX．0．0）即可獲取PLC數(shù)據(jù)。
2．2．2遠程通信網(wǎng)絡(luò)的建立遠程通信網(wǎng)絡(luò)即建立本地上位機與遠端計算機的跨網(wǎng)段通信連接。內(nèi)網(wǎng)穿刺技術(shù)是在物理層面，建立與遠端設(shè)備的虛擬公網(wǎng)通信連接［3］。在具體實施過程中，內(nèi)網(wǎng)穿刺技術(shù)開源了本地計算機的IP及端口號，并可與遠端計算機的IP和端口號建立虛擬映射連接。虛擬映射連接建立完畢后，即可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息的透傳。
2．2．3遠程視頻信號的建立遠程視頻信號采用?？低曇曨l攝像機，對ARMG起重機的現(xiàn)場設(shè)備進行實時視頻信息采集。采集的信號一部分存入本地硬盤，以便于后續(xù)取證。另一部分可通過外網(wǎng)，將視頻信號傳輸至遠程操控設(shè)備監(jiān)控端。在具體視頻信號傳輸過程中，?？低曁峁┝嗽品?wù)功能。通過設(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?？蛻舳酥恍枰暾堅埔曨l賬號，登錄后掃描設(shè)備的二維碼信息，即可將設(shè)備mac地址與賬號建立綁定連接。通過視頻數(shù)據(jù)流讀取，即可將遠程視頻信號讀取至監(jiān)控畫面中。
2．3遠程操控系統(tǒng)的信號解析
遠程操控系統(tǒng)將控制信號發(fā)送至遠端ECS設(shè)備管理系統(tǒng)后，ECS設(shè)備管理軟件可將控制信號進行本地解析，即將控制信號分解為可供ARMG運行的控制及參數(shù)信號。遠程操控臺可根據(jù)集裝箱編號，自動獲取或手動輸入獲取集裝箱所在的貝位信息，并發(fā)送至遠端ECS設(shè)備管理系統(tǒng)進行解析。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)庫中，而且詳細錄入了箱體的尺寸及重量等，因此，檢索數(shù)據(jù)庫可獲取集裝箱在堆場中的具體位置。同樣，層高信息在數(shù)據(jù)庫中也被記錄，因此，無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，數(shù)據(jù)庫信息為吊具的運行路徑及避障功能提供了理論避障檢測依據(jù)?，F(xiàn)場動態(tài)信息可通過遠程視頻信號進行觀察，當(dāng)有危險發(fā)生時，可按下遠程操控臺的急停按鈕，將ARMG的所有自由度固定。待危險解除后，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
遠程操控系統(tǒng)是自動化碼頭的重要組成部分。ARMG的遠程控制實現(xiàn)，可加速港口物流轉(zhuǎn)運的無人化、信息化。經(jīng)研究提出：通過PLC與上位機的S7通信方法，建立了IP與端口號的綁定連接，進而實現(xiàn)操控信號的采集與傳輸；通過網(wǎng)絡(luò)遠程穿刺技術(shù)，將內(nèi)網(wǎng)設(shè)備IP和端口地址與遠端外網(wǎng)設(shè)備IP和端口號之間建立虛擬連接的方法，進而實現(xiàn)遠程操控信號的遠程傳輸；通過本地ECS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程操控信號的解析及運行，進而實現(xiàn)現(xiàn)場ARMG的運行控制。建立起了外網(wǎng)控制信號到PLC的采集通信連接，并為遠端ECS設(shè)備管理系統(tǒng)與遠程操控系統(tǒng)建立起了通信連接，從而為ARMG的遠程控制提供了通信基礎(chǔ)。本項研究成果的取得，可為智能碼頭遠程操控技術(shù)提供一種技術(shù)方案。并且在集裝箱碼頭的遠程操控系統(tǒng)發(fā)展方面具有一定的指導(dǎo)意義。
參考文獻
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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
