任建喬，蔣旻，項(xiàng)澄寧，鄭浙波

（寧波舟山港股份有限公司北侖第二集裝箱碼頭分公司，浙江 寧波 315800）

1 前言

自動(dòng)化、智能化是未來(lái)港口裝卸設(shè)備的發(fā)展方向，目前國(guó)內(nèi)主要的集裝箱港口都在積極地開展自動(dòng)化技術(shù)的研究和應(yīng)用。對(duì)于傳統(tǒng)集裝箱碼頭來(lái)說(shuō)，只能在現(xiàn)有的設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)升級(jí)改造，逐步提升自動(dòng)化水平，才是較為穩(wěn)妥的做法。寧波舟山港股份有限公司北侖第二集裝箱碼頭分公司作為一個(gè)已投產(chǎn)多年的傳統(tǒng)集裝箱碼頭來(lái)說(shuō)，也在積極地進(jìn)行探索，努力應(yīng)對(duì)未來(lái)的挑戰(zhàn)。

但碼頭自動(dòng)化的實(shí)施過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)各家自動(dòng)化廠商所采用的自動(dòng)化方案以及技術(shù)手段各不相同，造成在自動(dòng)化實(shí)施過(guò)程中存在著以下兩個(gè)問(wèn)題：

（1）每一家廠商的自動(dòng)化控制平臺(tái)都是各自開發(fā)的，沒有統(tǒng)一的規(guī)范，無(wú)法與其他廠商的系統(tǒng)相兼容，不利于系統(tǒng)的推廣且容易在碼頭造成局部壟斷。

（2）碼頭方在引入多家系統(tǒng)的情況下，因?yàn)橄到y(tǒng)間的不兼容，就會(huì)存在多個(gè)自動(dòng)化控制平臺(tái)，相互間無(wú)法通用，會(huì)造成重復(fù)投入和資源浪費(fèi)。因此非常有必要研發(fā)一套具有通用性和接口標(biāo)準(zhǔn)化的自動(dòng)化控制平臺(tái)，建立起由碼頭方自主可控的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，運(yùn)用于橋吊、龍門吊的智能化控制，實(shí)現(xiàn)不同平臺(tái)自動(dòng)化設(shè)備融合控制。同時(shí)頒布標(biāo)準(zhǔn)化的接口規(guī)范和接入規(guī)則，任何廠商的自動(dòng)化設(shè)備只要根據(jù)遵循規(guī)范和要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，就可以融入碼頭方的自動(dòng)化控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)碼頭方統(tǒng)一的管控，從而避免重復(fù)投入和資源浪費(fèi)。

2 主要研究?jī)?nèi)容

本項(xiàng)目的主要目的是研發(fā)一套具有通用性和接口標(biāo)準(zhǔn)化的自動(dòng)化控制平臺(tái)，并建立起具有寧波舟山港特色的自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大部分自動(dòng)化廠商的設(shè)計(jì)方案的兼容，充分體現(xiàn)通用性、標(biāo)準(zhǔn)化。項(xiàng)目的主要研究?jī)?nèi)容如下：

（1）進(jìn)行充分的前期調(diào)研，詳細(xì)了解各大自動(dòng)化廠商推行的自動(dòng)化控制平臺(tái)的方案特點(diǎn)，以及自動(dòng)化碼頭所使用的自動(dòng)化控制平臺(tái)的使用情況和面臨的問(wèn)題，如ABB、西門子、振華、港迪、三一等。

（2）根據(jù)我方實(shí)際情況和我方的設(shè)想，借助成熟開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)出具有通用性、可靠性、安全性、標(biāo)準(zhǔn)化的平臺(tái)架構(gòu)和總體方案，完成自動(dòng)化控制平臺(tái)的頂層設(shè)計(jì)。

（3）根據(jù)總體方案及平臺(tái)架構(gòu)，研發(fā)設(shè)計(jì)和搭建平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)，并配置服務(wù)器、核心交換機(jī)、遠(yuǎn)控操作臺(tái)等硬件，建立完整的自動(dòng)化控制平臺(tái)。

（4）借助成熟的開發(fā)平臺(tái)，進(jìn)行控制平臺(tái)各個(gè)功能模塊的研發(fā)工作。

（5）實(shí)現(xiàn)至少兩家不同廠商的單機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)的接入，充分檢驗(yàn)通用化和標(biāo)準(zhǔn)化的功能。

（6）根據(jù)總體方案以及單機(jī)的實(shí)際對(duì)接情況，頒布標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)接口規(guī)范文檔和通用性強(qiáng)、安全性高的遠(yuǎn)控平臺(tái)對(duì)接規(guī)則，最終推出寧波舟山港首個(gè)具有自主可控的自動(dòng)化控制平臺(tái)。

3 基于WinCC OA自動(dòng)化控制平臺(tái)開發(fā)

3．1 控制平臺(tái)整體架構(gòu)

3．1．1 主要子系統(tǒng)構(gòu)成

自動(dòng)化控制平臺(tái)將同時(shí)連接碼頭TOS系統(tǒng)、自動(dòng)化龍門吊、遠(yuǎn)控操作臺(tái)等設(shè)備，是整個(gè)龍門吊自動(dòng)化系統(tǒng)的核心，其整體架構(gòu)如圖1所示，平臺(tái)主要分為兩大子系統(tǒng)：

圖1 控制平臺(tái)整體架構(gòu)

（1）起重機(jī)接口系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱CIS，作為連接TOS和自動(dòng)化龍門吊的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳輸系統(tǒng)，是自動(dòng)化控制平臺(tái)中最能體現(xiàn)自動(dòng)化程度的核心系統(tǒng)。

（2）遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱RCOS，作為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制自動(dòng)化龍門吊的管理系統(tǒng)，是整個(gè)龍門吊自動(dòng)化作業(yè)過(guò)程中必不可少的核心系統(tǒng)。

3．1．2 通用性設(shè)計(jì)

（1）通信協(xié)議選定。要實(shí)現(xiàn)控制平臺(tái)的通用性，首先應(yīng)最大程度地實(shí)現(xiàn)控制平臺(tái)與不同類型的單機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)之間的遠(yuǎn)程通信協(xié)議和方式的統(tǒng)一。根據(jù)架構(gòu)設(shè)計(jì)、電控設(shè)備的不同，自動(dòng)化碼頭目前所使用的通信協(xié)議和方式也各不相同，如S7通信、OPC通信、TCP通信、EtherCAT通信、Profinet通信等。

項(xiàng)目組通過(guò)調(diào)研和分析，決定采用西門子的S7通信協(xié)議和Profinet、Profisafe協(xié)議，來(lái)作為控制平臺(tái)和單機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)之間的統(tǒng)一通信協(xié)議。原因如下：①控制平臺(tái)采用的西門子WinCC OA技術(shù)，所以采用西門子的通信協(xié)議具有最好的兼容性和可靠性；②西門子的工控產(chǎn)品使用廣泛，市場(chǎng)占用率極高，已是事實(shí)上的工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)，使用此類通信協(xié)議更容易讓單機(jī)自動(dòng)化廠商所接受。

（2）接口PLC設(shè)計(jì)。為保證通信的可靠性和安全性，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)裝置，稱為接口PLC（InterFace PLC）簡(jiǎn)稱IF PLC，顧名思義就是用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的接口裝置。IF PLC作為控制平臺(tái)外設(shè)裝置，將外掛到自動(dòng)化龍門吊上，以此實(shí)現(xiàn)控制平臺(tái)和單機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)之間的S7、Profinet、Profisafe通信。自動(dòng)化系統(tǒng)可以以IF PLC為界線，有效分隔控制平臺(tái)和單機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)的功能和責(zé)任，接口PLC設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 接口PLC設(shè)計(jì)架構(gòu)

為確?？墒褂冒踩阅芨叩腜rofisafe通信協(xié)議，控制平臺(tái)的IF PLC將選用西門子最新型的S7-156F安全型PLC。該型PLC具有強(qiáng)悍的性能，單機(jī)自動(dòng)化廠商也可直接采用IF PLC作為單機(jī)自動(dòng)化控制器，做到自動(dòng)化控制器和數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)裝置二合為一，從而降低成本。

（3）數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)。由于采用了S7通信協(xié)議，因此IF PLC作為S7通信的服務(wù)器，只需要準(zhǔn)備好需要的數(shù)據(jù)即可。為方便數(shù)據(jù)的存放和管理，項(xiàng)目組將IF PLC上數(shù)據(jù)進(jìn)行了分門類別，并設(shè)計(jì)了多個(gè)數(shù)據(jù)塊，用于存放與單機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)交互的數(shù)據(jù)，接口數(shù)據(jù)塊說(shuō)明如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)接口

數(shù)據(jù)塊內(nèi)的數(shù)據(jù)覆蓋了絕大部分自動(dòng)化交互所需要的信息，這些數(shù)據(jù)的含義、在數(shù)據(jù)塊內(nèi)的排序以及類型定義則是標(biāo)準(zhǔn)化中的最重要的部分。

3．1．3 通信連接

龍門吊自動(dòng)化控制平臺(tái)有以下通信連接，硬件通信連接如圖3所示。

圖3 硬件通信連接

（1）遠(yuǎn)控操作系統(tǒng)RCOS與單機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)的通信連接：RCOS系統(tǒng)為軟件系統(tǒng)，安裝于上位機(jī)內(nèi)，兩者通信采用西門子S7通信。

（2）起重機(jī)接口系統(tǒng)CIS與單機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)的通信連接：CIS系統(tǒng)為軟件系統(tǒng)，安裝與上位機(jī)內(nèi)，兩者通信采用西門子S7通信。

（3）遠(yuǎn)控操作系統(tǒng)RCOS與起重機(jī)接口系統(tǒng)CIS的通信連接：兩者通信采用常規(guī)TCP通信，數(shù)據(jù)交互采用共享數(shù)據(jù)庫(kù)的形式。

（4）遠(yuǎn)控操作臺(tái)RCS與單機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)的通信連接：需要對(duì)自動(dòng)化龍門吊進(jìn)行遠(yuǎn)程操作時(shí)，從遠(yuǎn)控操作臺(tái)RCS發(fā)送到單機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)的IO數(shù)據(jù)具有更高的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和安全性要求，因此兩者間的通信采用了Profinet、Profisafe協(xié)議通信，常規(guī)的IO數(shù)據(jù)通過(guò)Profinet協(xié)議通信，如開閉鎖命令、手柄命令等；具有安全保障要求的數(shù)據(jù)則通過(guò)Profisafe協(xié)議通信，如手柄零位信號(hào)、急停開關(guān)等。遠(yuǎn)控操作臺(tái)上的視頻和語(yǔ)音等通信連接則采用常規(guī)的TCP或UDP通信。龍門吊自動(dòng)化控制平臺(tái)系統(tǒng)通信架構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制平臺(tái)通信架構(gòu)

3．2 起重機(jī)接口系統(tǒng)CIS

CIS負(fù)責(zé)碼頭TOS系統(tǒng)和自動(dòng)化龍門吊之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳輸，可以高效處理自動(dòng)化相關(guān)各種數(shù)據(jù)，包括自動(dòng)化龍門吊的位置、狀態(tài)，集卡車號(hào)識(shí)別信息，集裝箱箱號(hào)識(shí)別信息，集裝箱堆場(chǎng)堆存信息，自動(dòng)化龍門吊作業(yè)和調(diào)度指令，指令完成狀態(tài)信息等等，是自動(dòng)化龍門吊獲取作業(yè)指令信息的唯一來(lái)源，CIS軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 CIS軟件結(jié)構(gòu)

3．3 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)RCOS

RCOS是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)控操作臺(tái)RCS遠(yuǎn)程控制自動(dòng)化龍門吊的管理系統(tǒng)，負(fù)責(zé)當(dāng)龍門吊自動(dòng)作業(yè)無(wú)法繼續(xù)時(shí)的人工介入操作，單機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)需要司機(jī)通過(guò)遠(yuǎn)控操作臺(tái)RCS進(jìn)行人工介入時(shí)，將會(huì)向RCOS發(fā)出跳臺(tái)申請(qǐng)，RCOS在接收到申請(qǐng)后，將根據(jù)當(dāng)前遠(yuǎn)控操作臺(tái)RCS的空閑情況，及時(shí)分配遠(yuǎn)控操作臺(tái)RCS與單機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行一對(duì)一連接，通過(guò)激活接口PLC上相應(yīng)的分站組態(tài)，在兩者之間建立基于Profinet、Profisafe的DP主從通信，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、安全的遠(yuǎn)程控制。

遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)RCOS是在西門子公司的RCOS平臺(tái)基礎(chǔ)上深度開發(fā)的。西門子RCOS平臺(tái)是基于SIL3安全認(rèn)證的WinCC OA組態(tài)軟件二次開發(fā)而成，具有安全性高、通用性強(qiáng)、接口標(biāo)準(zhǔn)化等特點(diǎn)，其軟件界面如圖6所示。

圖6 RCOS軟件界面

3．4 遠(yuǎn)控操作臺(tái)RCS

遠(yuǎn)控操作臺(tái)RCS采用了人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)，具有舒適、美觀的特點(diǎn)，配置有可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作的主令手柄、各類按鈕和指示燈，同時(shí)配置了安裝有RCOS客戶端的工控機(jī)，如圖7所示。遠(yuǎn)控操作臺(tái)RCS桌面上配置了三個(gè)監(jiān)控屏和一個(gè)觸摸屏，采用三上一下的組合方式，如圖8所示。

圖7 RCS遠(yuǎn)控操作臺(tái)

圖8 RCS遠(yuǎn)控操作界面

RCOS客戶端運(yùn)行于RCS工控機(jī)上，將在屏幕上顯示三大部分內(nèi)容，供遠(yuǎn)控操作司機(jī)遠(yuǎn)控操作時(shí)觀看，其中包括：

（1）2個(gè)屏幕提供現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)視頻畫面，根據(jù)運(yùn)行場(chǎng)景的不同，最多顯示8個(gè)視頻畫面。

（2）1個(gè)屏幕提供綁定自動(dòng)化龍門吊的各種狀態(tài)信息，如圖9所示。

圖9 龍門吊狀態(tài)信息

（3）1個(gè)屏幕提供自動(dòng)化作業(yè)相關(guān)的信息。

3．5 標(biāo)準(zhǔn)化接口規(guī)范和接入要求

標(biāo)準(zhǔn)化是本次項(xiàng)目的核心內(nèi)容，所以在自動(dòng)化控制平臺(tái)研發(fā)設(shè)計(jì)的過(guò)程中。項(xiàng)目組一直秉承著一切面向標(biāo)準(zhǔn)化的理念，充分利用西門子RCOS平臺(tái)的數(shù)據(jù)定義內(nèi)容，編制出了符合公司實(shí)際情況和要求的標(biāo)準(zhǔn)化的接口規(guī)范和接入規(guī)則，并向第三方公布，如圖10所示，主要內(nèi)容有：

圖10 標(biāo)準(zhǔn)化接口規(guī)范和接入規(guī)則

（1）自動(dòng)化控制平臺(tái)架構(gòu)介紹。

（2）控制平臺(tái)所需的硬件標(biāo)準(zhǔn)要求，含IF PLC、交換機(jī)、RCS布局、視頻相機(jī)品牌、語(yǔ)音系統(tǒng)、RCS操作臺(tái)等。

（3）開發(fā)IF PLC的對(duì)接標(biāo)準(zhǔn)程序。

（4）RCOS相關(guān)的接口定義表。

（5）CIS相關(guān)的接口定義表。

（6）RCS視頻顯示布局和切換標(biāo)準(zhǔn)。

4 自動(dòng)化控制平臺(tái)應(yīng)用成果

2021年7月，首批根據(jù)自動(dòng)化控制平臺(tái)的接口規(guī)范和接入規(guī)則，配置了IF PLC的武漢港迪、西門子兩家的單機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)成功接入控制平臺(tái)，并成功實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程操作和自動(dòng)化作業(yè)。尤其是武漢港迪的單機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)的成功接入，充分證明了第三方單機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)接入平臺(tái)的可行性，同時(shí)也驗(yàn)證了控制平臺(tái)的通用性設(shè)計(jì)，完全達(dá)到了項(xiàng)目的設(shè)計(jì)目的。

在2022年，公司新采購(gòu)的三臺(tái)有振華公司生產(chǎn)的自動(dòng)化龍門吊也將對(duì)接控制平臺(tái)，成為第三家對(duì)接控制平臺(tái)的單機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)，屆時(shí)將進(jìn)一步驗(yàn)證通用性。

5 創(chuàng)新亮點(diǎn)

龍門吊自動(dòng)化控制平臺(tái)應(yīng)用了當(dāng)前最先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、工控技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)龍門吊遠(yuǎn)程操控和生產(chǎn)作業(yè)流程的自動(dòng)化、智能化控制，主要具有如下亮點(diǎn)。

（1）國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，控制平臺(tái)由碼頭方主導(dǎo)開發(fā)，自主可控，在國(guó)內(nèi)尚屬于首次，具有首創(chuàng)性。

（2）高通用性，通過(guò)IF PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)，徹底解決了不同自動(dòng)化系統(tǒng)之間難以相互聯(lián)通的問(wèn)題。

（3）高靈活性，IF PLC本身作為性能強(qiáng)勁的PLC系統(tǒng)，除了作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)外，還可以被用于自動(dòng)化控制器或單機(jī)基礎(chǔ)PLC，單機(jī)自動(dòng)化廠商可以根據(jù)自有特點(diǎn)靈活配置，充分體現(xiàn)了靈活性。

（4）高安全性，遠(yuǎn)控操作臺(tái)與自動(dòng)化龍門吊之間的通信采用了高實(shí)時(shí)性、高安全性的Profinet和Profisafe通信協(xié)議，可以充分保障通信的安全性，同時(shí)平臺(tái)的開發(fā)軟件WinCC OA是唯一獲得SIL3安全認(rèn)證的軟件產(chǎn)品，具有安全穩(wěn)定的特性。

（5）控制平臺(tái)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和擴(kuò)展性，可支持100臺(tái)自動(dòng)化龍門吊和35臺(tái)操作臺(tái)的數(shù)據(jù)處理，并具備后期升級(jí)能力。

6 結(jié)語(yǔ)

龍門吊自動(dòng)化改造是集裝箱碼頭智能化改造項(xiàng)目的重要環(huán)節(jié)，自動(dòng)化控制平臺(tái)又是龍門吊自動(dòng)化系統(tǒng)的上層核心大腦。掌握控制平臺(tái)就意味著掌握自動(dòng)化項(xiàng)目開發(fā)的主動(dòng)權(quán)，從而避免龍門吊自動(dòng)化系統(tǒng)和控制平臺(tái)被一家廠商所壟斷的情況，消除了一個(gè)碼頭存在多個(gè)互不兼容、無(wú)法整合的遠(yuǎn)程控制平臺(tái)的隱患，避免了后期維護(hù)的麻煩。

自動(dòng)控制平臺(tái)已初步搭建完成，并已具備使用能力，但是要成為一個(gè)成熟的平臺(tái)還需要更多地改進(jìn)和迭代，因此需要我們繼續(xù)努力，不斷地去研究和探索。