自動化碼頭遠程操控技術研究

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摘要：遠程操控臺是基于遠程操控網絡，實現對集裝箱碼頭軌道吊（ARMG）和岸橋（STS）遠程操控的設備。然而，遠程操控設備自動化程度低是制約遠程操控發展的重要因素。為了解決遠程操控設備控制水平低的問題，經研究提出：通過PLC與上位機的S7通信方法，實現操控信號的采集與本地信號傳輸；通過網絡遠程穿刺技術，實現遠程操控信號的遠程傳輸；通過本地ECS系統網絡對遠程操控信號進行解析進而實現ARMG的運動控制。研究所形成的技術方法可為ARMG的遠程操控提供一種實現方法。

關鍵詞：遠程操控臺；遠程操控技術；遠程操控網絡

引言

碼頭是世界航運貿易的中心，是連接國內外進出口貿易的通道。隨著海內外貿易的深度融合，集裝箱碼頭的年吞吐量與日俱增。但是，集裝箱轉運普遍存在重量大、系統運行復雜的特點。為了提高港口貨物流轉效率，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方面，取得了顯著的應用效果［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應用研究。國內在碼頭集裝箱遠程操控系統技術方面的研究起步較晚。目前，青島港已經部分實現了遠程操控臺對于軌道吊的遠程控制。但是只能實現現場設備的簡單動作，而且故障率高。受限于設備現場的信息采集反饋難及信息網絡無法建立等問題，因此，國內的遠程操控系統尚無法實現軌道吊的自動化控制。遠程操控系統是實現控制集裝箱自動化流轉的關鍵設備。其主要以視頻監控系統、編碼器位移檢測系統為控制依據，進而通過人機交互指令完成對ARMG的遠程精確控制。在遠程操控技術方面，由于主控系統的諸多限制，國內尚無法將遠程控制信號與ARMG主控系統建立通信連接。而且上位系統功能薄弱，仍以顯示為主且無法實現上位的閉環操控［2］。在系統集成方面，國際幾大知名電氣供應商提供了全套的電氣解決方案，而且應用特制產品，這在技術層面阻止了遠控技術的發展。在系統調試方面，電氣供應商指定本公司技術人員進行項目調試，且國內技術人員無法臨近現場學習。由此可見，國內集裝箱碼頭的遠程操控自動化程度普遍不高。更為關鍵的是，遠程操控系統所用關鍵技術長期被國外壟斷。因此，研究集裝箱碼頭的遠程操控技術，對于促進國內經濟發展、提高國內港口物流科技水平、打破國外在遠程操控技術領域的壟斷具有重要意義。

1遠程操控系統控制架構

集裝箱碼頭作業設備實現自動化遠程操控是未來集裝箱碼頭發展的必然趨勢。集裝箱碼頭實現自動化作業，其核心系統就是設備控制系統（EquipmentControlSystem，以下簡稱“ECS”），ECS上接碼頭任務調度系統（即TOS），下接外部場橋和岸橋等設備的控制器，能夠有效調度碼頭設備的作業任務。在遠程操控領域，遠程操控臺作為上層通信控制系統，可產生操控指令。遠控指令與TOS指令是并行的。因此，遠程操控系統是以ECS控制系統為通信對象，進而建立通信控制實現遠程操控的目的。遠程操控系統控制信號采集控制器為西門子S319F型PLC。該型PLC集成了數字量輸入模塊DI、數字量輸出模塊DO、模擬量輸入模塊AI。遠程操控系統可通過輸入輸出模塊，將人機交互控制信號采集處理后，通過工業網絡傳輸至ECS設備管理系統，進而控制ARMG／STS的運行。在具體實施過程中，BOOL開關量信息可接入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，為了提高遠控設備的安全性和可靠性，控制架構采用冗余PLC結構。同一時間，兩臺PLC同時工作，但是只有主PLC有對外通信權限。當主PLC出現故障時，備用PLC自動檢測到主PLC發生故障并自動獲取通信權限，進而保障通信的可靠性。

2遠程操控技術

2．1遠程操控系統人機交互信號

遠程操控系統人機交互信號分為：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及數據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、夾爪關閉、防搖打開、防搖關閉等。軟件內部組態后，即可對輸入點信號進行采集。采集信號為控制依據，通過程序判選擇后，執行相關操作。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可自動完成相關信號的控制。但是，當有意外情況發生時，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接口進行數據交互。觸摸屏同樣具備軟件按鈕，可實現物理按鈕的功能。此外，觸摸屏控制信號可將設備的狀態信息反饋并顯示在狀態畫面中。圖2包含了系統的啟動和停止，以及零位、STS、ARMG的選擇。圖3包含了設備的當前位置信息及設備的控制狀態信息。

2．2遠程操控系統的信號連接

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，將兩者的相關變量建立關聯，即可實現觸摸屏到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，可開放本地服務器的IP、端口號和信號源。上位機通過讀取信號源相關寄存器（如：DB3．DBX．0．0）即可獲取PLC數據。

2．2．2遠程通信網絡的建立遠程通信網絡即建立本地上位機與遠端計算機的跨網段通信連接。內網穿刺技術是在物理層面，建立與遠端設備的虛擬公網通信連接［3］。在具體實施過程中，內網穿刺技術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，即可實現網絡信息的透傳。

2．2．3遠程視頻信號的建立遠程視頻信號采用海康威視視頻攝像機，對ARMG起重機的現場設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，以便于后續取證。另一部分可通過外網，將視頻信號傳輸至遠程操控設備監控端。在具體視頻信號傳輸過程中，海康威視提供了云服務功能。通過設置視頻錄像設備的IP地址連接，即可開啟設備的上云功能。客戶端只需要申請云視頻賬號，登錄后掃描設備的二維碼信息，即可將設備mac地址與賬號建立綁定連接。通過視頻數據流讀取，即可將遠程視頻信號讀取至監控畫面中。

2．3遠程操控系統的信號解析

遠程操控系統將控制信號發送至遠端ECS設備管理系統后，ECS設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運行的控制及參數信號。遠程操控臺可根據集裝箱編號，自動獲取或手動輸入獲取集裝箱所在的貝位信息，并發送至遠端ECS設備管理系統進行解析。由于貝位所在區域的集裝箱信息已經存在于數據庫中，而且詳細錄入了箱體的尺寸及重量等，因此，檢索數據庫可獲取集裝箱在堆場中的具體位置。同樣，層高信息在數據庫中也被記錄，因此，無論集裝箱處于哪一層，都可以控制吊具準確抓放集裝箱。同時，數據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。現場動態信息可通過遠程視頻信號進行觀察，當有危險發生時，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的操作權限。

3結語

遠程操控系統是自動化碼頭的重要組成部分。ARMG的遠程控制實現，可加速港口物流轉運的無人化、信息化。經研究提出：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，進而實現操控信號的采集與傳輸；通過網絡遠程穿刺技術，將內網設備IP和端口地址與遠端外網設備IP和端口號之間建立虛擬連接的方法，進而實現遠程操控信號的遠程傳輸；通過本地ECS系統網絡實現遠程操控信號的解析及運行，進而實現現場ARMG的運行控制。建立起了外網控制信號到PLC的采集通信連接，并為遠端ECS設備管理系統與遠程操控系統建立起了通信連接，從而為ARMG的遠程控制提供了通信基礎。本項研究成果的取得，可為智能碼頭遠程操控技術提供一種技術方案。并且在集裝箱碼頭的遠程操控系統發展方面具有一定的指導意義。

參考文獻

［1］胡威．西門子單邊訪問機制在軌道吊遠程操控中的應用［J］．科技與創新，2017（16）：147－148．

［2］吳萍．基于集卡到達信息的進口箱翻箱策略研究［D］．大連：大連海事大學，2015．

［3］任超．傳統集裝箱碼頭輪胎式龍門起重機遠程操控技術改造方案［J］．集裝箱化，2016，27（10）：20－22．

［4］張飛．無人化平臺遠程指揮和操控系統設計［D］．南京：南京理工大學，2008．

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任公司