自动化码头远程操控技术研究

摘要：远程操控台是基于远程操控网络，实现对集装箱码头轨道吊（ARMG）和岸桥（STS）远程操控的设备。然而，远程操控设备自动化程度低是制约远程操控发展的重要因素。为了解决远程操控设备控制水平低的问题，经研究提出：通过PLC与上位机的S7通信方法，实现操控信号的采集与本地信号传输；通过网络远程穿刺技术，实现远程操控信号的远程传输；通过本地ECS系统网络对远程操控信号进行解析进而实现ARMG的运动控制。研究所形成的技术方法可为ARMG的远程操控提供一种实现方法。

关键词：远程操控台；远程操控技术；远程操控网络

引言

码头是世界航运贸易的中心，是连接国内外进出口贸易的通道。随着海内外贸易的深度融合，集装箱码头的年吞吐量与日俱增。但是，集装箱转运普遍存在重量大、系统运行复杂的特点。为了提高港口货物流转效率，荷兰鹿特丹的EUROMAX码头率先完成了集装箱码头的远程操控，并且在港口集装箱自动流转方面，取得了显著的应用效果［1］。随后，伦敦、名古屋等世界知名码头也相继开展了码头集装箱的远程操控系统应用研究。国内在码头集装箱远程操控系统技术方面的研究起步较晚。目前，青岛港已经部分实现了远程操控台对于轨道吊的远程控制。但是只能实现现场设备的简单动作，而且故障率高。受限于设备现场的信息采集反馈难及信息网络无法建立等问题，因此，国内的远程操控系统尚无法实现轨道吊的自动化控制。远程操控系统是实现控制集装箱自动化流转的关键设备。其主要以视频监控系统、编码器位移检测系统为控制依据，进而通过人机交互指令完成对ARMG的远程精确控制。在远程操控技术方面，由于主控系统的诸多限制，国内尚无法将远程控制信号与ARMG主控系统建立通信连接。而且上位系统功能薄弱，仍以显示为主且无法实现上位的闭环操控［2］。在系统集成方面，国际几大知名电气供应商提供了全套的电气解决方案，而且应用特制产品，这在技术层面阻止了远控技术的发展。在系统调试方面，电气供应商指定本公司技术人员进行项目调试，且国内技术人员无法临近现场学习。由此可见，国内集装箱码头的远程操控自动化程度普遍不高。更为关键的是，远程操控系统所用关键技术长期被国外垄断。因此，研究集装箱码头的远程操控技术，对于促进国内经济发展、提高国内港口物流科技水平、打破国外在远程操控技术领域的垄断具有重要意义。

1远程操控系统控制架构

集装箱码头作业设备实现自动化远程操控是未来集装箱码头发展的必然趋势。集装箱码头实现自动化作业，其核心系统就是设备控制系统（EquipmentControlSystem，以下简称“ECS”），ECS上接码头任务调度系统（即TOS），下接外部场桥和岸桥等设备的控制器，能够有效调度码头设备的作业任务。在远程操控领域，远程操控台作为上层通信控制系统，可产生操控指令。远控指令与TOS指令是并行的。因此，远程操控系统是以ECS控制系统为通信对象，进而建立通信控制实现远程操控的目的。远程操控系统控制信号采集控制器为西门子S319F型PLC。该型PLC集成了数字量输入模块DI、数字量输出模块DO、模拟量输入模块AI。远程操控系统可通过输入输出模块，将人机交互控制信号采集处理后，通过工业网络传输至ECS设备管理系统，进而控制ARMG／STS的运行。在具体实施过程中，BOOL开关量信息可接入DI模块，摇杆手柄的4～20mA信号可接入AI模块，指示灯及电机控制可接入DO模块。从图1可以看出，为了提高远控设备的安全性和可靠性，控制架构采用冗余PLC结构。同一时间，两台PLC同时工作，但是只有主PLC有对外通信权限。当主PLC出现故障时，备用PLC自动检测到主PLC发生故障并自动获取通信权限，进而保障通信的可靠性。

2远程操控技术

2．1远程操控系统人机交互信号

远程操控系统人机交互信号分为：按钮控制信号、触摸屏控制信号。其中，按钮信号为远程操控台板载按钮交互信号。触摸屏控制信号为TP1200软件输出信号。同时，触摸屏自身有一定的显示功能，可将PLC及数据库中信息处理并显示。

2．1．1按钮控制信号按钮控制信号可接入PLC的SM321信号输入模块，用于控制ARMG的自动或手动模式、夹爪打开、夹爪关闭、防摇打开、防摇关闭等。软件内部组态后，即可对输入点信号进行采集。采集信号为控制依据，通过程序判选择后，执行相关操作。具体程序采用功能块（FB块）编程。按钮控制信号为BOOL类型。按钮为ARMG的基本配置信号，在自动模式下，ARMG可自动完成相关信号的控制。但是，当有意外情况发生时，可通过按钮切换ARMG运行模式，并配和按钮手动将集装箱放置完成后，以空载状态进行维护等。

2．1．2触摸屏控制信号触摸屏控制信号和PLC通过Profinet接口进行数据交互。触摸屏同样具备软件按钮，可实现物理按钮的功能。此外，触摸屏控制信号可将设备的状态信息反馈并显示在状态画面中。图2包含了系统的启动和停止，以及零位、STS、ARMG的选择。图3包含了设备的当前位置信息及设备的控制状态信息。

2．2远程操控系统的信号连接

2．2．1按钮和触摸屏控制命令与上位机连接按钮控制信号可通过输入模块直接将信号接入PLC，触摸屏控制命令通过PN／IE连接方式进行通信。在具体实施过程中，可将PLC变量进行定义，然后对触摸屏变量进行定义后，将两者的相关变量建立关联，即可实现触摸屏到PLC的控制信号连接。触摸屏控制信号既有BOOL类型又有Word类型。其中，Word类型可实现字符串的输入及输出，用于控制轨道吊的运行速度，行走位移等。上位机与PLC之间建立S7通信。通过S7通信指令，可开放本地服务器的IP、端口号和信号源。上位机通过读取信号源相关寄存器（如：DB3．DBX．0．0）即可获取PLC数据。

2．2．2远程通信网络的建立远程通信网络即建立本地上位机与远端计算机的跨网段通信连接。内网穿刺技术是在物理层面，建立与远端设备的虚拟公网通信连接［3］。在具体实施过程中，内网穿刺技术开源了本地计算机的IP及端口号，并可与远端计算机的IP和端口号建立虚拟映射连接。虚拟映射连接建立完毕后，即可实现网络信息的透传。

2．2．3远程视频信号的建立远程视频信号采用海康威视视频摄像机，对ARMG起重机的现场设备进行实时视频信息采集。采集的信号一部分存入本地硬盘，以便于后续取证。另一部分可通过外网，将视频信号传输至远程操控设备监控端。在具体视频信号传输过程中，海康威视提供了云服务功能。通过设置视频录像设备的IP地址连接，即可开启设备的上云功能。客户端只需要申请云视频账号，登录后扫描设备的二维码信息，即可将设备mac地址与账号建立绑定连接。通过视频数据流读取，即可将远程视频信号读取至监控画面中。

2．3远程操控系统的信号解析

远程操控系统将控制信号发送至远端ECS设备管理系统后，ECS设备管理软件可将控制信号进行本地解析，即将控制信号分解为可供ARMG运行的控制及参数信号。远程操控台可根据集装箱编号，自动获取或手动输入获取集装箱所在的贝位信息，并发送至远端ECS设备管理系统进行解析。由于贝位所在区域的集装箱信息已经存在于数据库中，而且详细录入了箱体的尺寸及重量等，因此，检索数据库可获取集装箱在堆场中的具体位置。同样，层高信息在数据库中也被记录，因此，无论集装箱处于哪一层，都可以控制吊具准确抓放集装箱。同时，数据库信息为吊具的运行路径及避障功能提供了理论避障检测依据。现场动态信息可通过远程视频信号进行观察，当有危险发生时，可按下远程操控台的急停按钮，将ARMG的所有自由度固定。待危险解除后，重新建立ARMG的连接，即可重新获取ARMG的操作权限。

3结语

远程操控系统是自动化码头的重要组成部分。ARMG的远程控制实现，可加速港口物流转运的无人化、信息化。经研究提出：通过PLC与上位机的S7通信方法，建立了IP与端口号的绑定连接，进而实现操控信号的采集与传输；通过网络远程穿刺技术，将内网设备IP和端口地址与远端外网设备IP和端口号之间建立虚拟连接的方法，进而实现远程操控信号的远程传输；通过本地ECS系统网络实现远程操控信号的解析及运行，进而实现现场ARMG的运行控制。建立起了外网控制信号到PLC的采集通信连接，并为远端ECS设备管理系统与远程操控系统建立起了通信连接，从而为ARMG的远程控制提供了通信基础。本项研究成果的取得，可为智能码头远程操控技术提供一种技术方案。并且在集装箱码头的远程操控系统发展方面具有一定的指导意义。

参考文献

［1］胡威．西门子单边访问机制在轨道吊远程操控中的应用［J］．科技与创新，2017（16）：147－148．

［2］吴萍．基于集卡到达信息的进口箱翻箱策略研究［D］．大连：大连海事大学，2015．

［3］任超．传统集装箱码头轮胎式龙门起重机远程操控技术改造方案［J］．集装箱化，2016，27（10）：20－22．

［4］张飞．无人化平台远程指挥和操控系统设计［D］．南京：南京理工大学，2008．

作者：张玉石 孙佳隆 单位：中船重工（青岛）海洋装备研究院有限责任公司