基于Modbus的碼頭智能脫纜鉤系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張圣康

（連云港遠(yuǎn)洋流體裝卸設(shè)備有限公司，江蘇連云港222062）

基于Modbus的碼頭智能脫纜鉤系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張圣康

（連云港遠(yuǎn)洋流體裝卸設(shè)備有限公司，江蘇連云港222062）

基于Modbus協(xié)議的碼頭智能脫纜鉤系統(tǒng)使用測力銷對脫纜鉤的纜繩拉力進(jìn)行測量，通過現(xiàn)場PLC控制柜將拉力值使用Modbus協(xié)議傳給上位機(jī)。上位機(jī)使用VB 2008編寫監(jiān)控軟件，對拉力值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并完成遠(yuǎn)程控制脫纜鉤脫放，有效提高了船舶靠岸作業(yè)的穩(wěn)定性和可靠性。

Modbus；碼頭；脫纜鉤；纜繩拉力；VB；PLC

隨著我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速的發(fā)展，大型開敞式碼頭進(jìn)入高速發(fā)展階段，碼頭系泊船舶的安全監(jiān)控與自動化水平日益受到業(yè)界的關(guān)注［1］。當(dāng)船舶靠岸進(jìn)行裝卸作業(yè)時(shí)，受到海洋環(huán)境中的風(fēng)、浪、流的影響產(chǎn)生一定量的偏移，嚴(yán)重的會造成纜繩斷裂，損壞輸油臂等岸上設(shè)施等事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染。為了保證船舶靠岸時(shí)的安全性，需要對船舶系纜的纜繩拉力進(jìn)行監(jiān)測以及設(shè)計(jì)緊急情況下的自動脫纜。因此，智能脫纜鉤系統(tǒng)兼具纜繩拉力實(shí)時(shí)監(jiān)控報(bào)警和遠(yuǎn)程纜繩脫放兩大功能。而該文旨在介紹一種碼頭用智能脫纜鉤系統(tǒng)，給出脫纜鉤系統(tǒng)的基本原理，描述現(xiàn)場PLC控制柜將拉力值使用Modbus協(xié)議傳給上位機(jī)的實(shí)現(xiàn)方法等。

1　智能脫纜鉤系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

智能脫纜鉤系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示，在碼頭現(xiàn)場，脫纜鉤的絞盤電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和脫纜電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的電氣控制主要由PLC完成，此外PLC還要接收測力銷傳來的纜繩拉力模擬信號，進(jìn)行模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換，以及脫纜鉤狀態(tài)信號—脫鉤狀態(tài)、系纜狀態(tài)等的采集。每臺脫纜鉤對應(yīng)的PLC將采集的指令、數(shù)值、狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息通過Modbus協(xié)議傳給中控室的監(jiān)控主機(jī)，進(jìn)行處理后顯示輸出。中控室的監(jiān)控主機(jī)將控制指令、報(bào)警信號等數(shù)據(jù)信息通過Modbus協(xié)議傳給每臺脫纜鉤對應(yīng)的PLC.脫纜鉤進(jìn)行脫纜操作時(shí)，可以采用手動脫纜、電控柜按鈕現(xiàn)場脫纜和監(jiān)控主機(jī)遠(yuǎn)程脫纜來完成。可以在上位機(jī)進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)拉力值高于最大值或小于最小值時(shí)進(jìn)行報(bào)警。上位機(jī)監(jiān)控軟件可以將拉力值、系統(tǒng)報(bào)警、操作記錄等信息保存到電腦的數(shù)據(jù)庫中，方便以后查閱使用。

圖1　系統(tǒng)總體框圖

2　Modbus通信

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，涉及到了主機(jī)與PLC之間的通信問題，為了保證系統(tǒng)在工業(yè)條件下的穩(wěn)定性和可靠性，采用了使用較為廣泛的Modbus通信協(xié)議。Modbus協(xié)議只定義了設(shè)備能夠識別和使用的消息結(jié)構(gòu)和命令應(yīng)答機(jī)制，沒有規(guī)定物理層，故可以方便地在任何網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行通信［3］。標(biāo)準(zhǔn)的Modbus口是使用RJ45或端子排形式的基于RS-485的串行鏈路，它定義了連接口的針腳、電纜、信號線、傳輸波特率、奇偶校驗(yàn)，控制器能直接組網(wǎng)［4］。

智能脫纜鉤系統(tǒng)中，采用RS485通信作為物理層，通信介質(zhì)采用屏蔽雙絞線，波特率為9600kps，8位數(shù)據(jù)位，奇校驗(yàn)，1位停止位。采用Modbus-RTU作為傳輸模式，監(jiān)控主機(jī)作為Modbus中的主站發(fā)起數(shù)據(jù)請求，脫纜鉤控制柜中的PLC作為從站對主站的請求進(jìn)行響應(yīng)。其中，通信的主要信息傳輸數(shù)據(jù)的格式如表1所示。

表1　數(shù)據(jù)格式

例如：（1）.讀取11號從站的8個輸出信號的主站發(fā)送的數(shù)據(jù)為：

11號從站表示從站號為0B，讀取輸出信號表示讀取PLC輸出線圈功能碼為01，PLC內(nèi)置的輸出腳地址從0開始，讀取數(shù)量為8，可以得到輸出數(shù)據(jù)。若系統(tǒng)運(yùn)行正常，11號從站通信設(shè)置正確，返回?cái)?shù)據(jù)格式將與主站請求數(shù)據(jù)格式一致為：

表明系統(tǒng)Modbus主從站之間通信建立成功。

（2）.讀取11號從站的從地址0起始1個寄存器數(shù)據(jù)的主站發(fā)送數(shù)據(jù)為：

0B 03 0000 0001 84A0從站返回?cái)?shù)據(jù)為：0B 03 02 2000 3985

經(jīng)過分析之后可以得到11號從站寄存器中的數(shù)據(jù)為（16進(jìn)制）：2000.

（3）.將11號從站的Q0.2輸出線圈置為1，主站發(fā)送數(shù)據(jù)為：

0B 05 0002 FF00 4B2D從站返回?cái)?shù)據(jù)為：0B 05 0002 00FF FB2C

表示寫入線圈成功。

根據(jù)上述示例編寫主站讀寫程序，實(shí)現(xiàn)主站與分站的通信。根據(jù)分站數(shù)量按固定時(shí)間間隔循環(huán)讀取發(fā)送數(shù)據(jù)。

3　脫纜鉤電控柜設(shè)計(jì)

整個系統(tǒng)的電路控制部分的PLC采用羅克韋爾Micrologix 1100系列中的1763-L16BWA，此款PLC內(nèi)含有：6點(diǎn)普通24VDC輸入，4點(diǎn)高速24VDC輸入，6點(diǎn)隔離繼電器輸出和2點(diǎn)模擬量輸入，并且自帶6個按鍵和LCD文本顯示，可以用于在現(xiàn)場顯示纜繩拉力值，脫纜鉤控制柜的主要框圖如圖2所示。

圖2　脫纜鉤控制柜的主要框圖

測力銷測量的纜繩拉力范圍為0～150 t，對應(yīng)電流量輸出為4～20 mA，由PLC內(nèi)置的模擬量測量進(jìn)行信號采集，PLC會將采集信號進(jìn)行模擬量到數(shù)字量的處理并且與纜繩拉力對應(yīng)值進(jìn)行換算，其中，4～20 mA對應(yīng)模擬量輸入的采集數(shù)值為6400～32000，對應(yīng)纜繩拉力范圍為0～150 t，進(jìn)行換算之后將對應(yīng)的纜繩拉力值（拉力量程為：0～150 t）由文本顯示器進(jìn)行顯示，并且與上位機(jī)進(jìn)行Modbus協(xié)議通信。除此之外，PLC還要完成絞盤電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制和脫纜電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的輸出控制以及報(bào)警輸出等基本操作。

電氣控制實(shí)現(xiàn)相對簡單，主要為交流異步電動機(jī)控制和PLC接線、編程，這里不再附圖說明。參照PLC廠家提供的相應(yīng)手冊即可完成。

4　上位機(jī)設(shè)計(jì)

智能脫纜鉤監(jiān)控系統(tǒng)的上位機(jī)顯示程序采用Visual Basic 2008軟件開發(fā)平臺，對快速脫纜鉤系統(tǒng)中的6臺脫纜鉤、12個鉤體的纜繩拉力監(jiān)測、遠(yuǎn)程脫放和報(bào)警予以顯示。監(jiān)控系統(tǒng)主要包含7個主要顯示窗體，以主頁面為中心窗體向外擴(kuò)展。主要的窗體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　上位機(jī)監(jiān)控軟件頁面

（1）登錄頁面：由于本系統(tǒng)是受保護(hù)的，因此設(shè)定了登陸頁面，需要持有相應(yīng)的用戶名和密碼才能進(jìn)入監(jiān)控主頁面。根據(jù)登錄人員不同，系統(tǒng)設(shè)置了不同的登錄權(quán)限。權(quán)限低的人員可以使用的功能較少，權(quán)限高的人員可以使用的功能較多。

（2）主監(jiān)控頁面：整個監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵，監(jiān)控頁面分為以下幾個部分：A.標(biāo)題欄、B.功能按鍵區(qū)、C.接船圖示區(qū)、D.纜繩拉力圖示區(qū)、E.報(bào)警狀態(tài)欄、F.遠(yuǎn)程脫放按鍵、G.停泊船號修改、H.通信狀態(tài)、I.系統(tǒng)消息顯示區(qū)。

（3）報(bào)警設(shè)置頁面：主要對系統(tǒng)的顯示和報(bào)警閥值進(jìn)行設(shè)置。頁面主要分為：A.標(biāo)題欄、B.接船圖示、C.顯示標(biāo)示、D.上下限報(bào)警值、E.按鍵、F.狀態(tài)欄。

（4）日志查詢頁面：主要是對系統(tǒng)存儲的拉力值進(jìn)行相應(yīng)的查詢。該頁面主要組成部分為：A.標(biāo)題欄、B.查詢結(jié)果、C.狀態(tài)欄、D.查詢條件。

（5）用戶管理頁面：用于管理登錄系統(tǒng)各管理員的用戶名、密碼和優(yōu)先級修改。

（6）通信設(shè)置頁面：主要用于與PLC通信的主要參數(shù)設(shè)置，包括:通信口、波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位和停止位。

（7）關(guān)于頁面：主要顯示本系統(tǒng)的主要信息和相應(yīng)的保護(hù)信息。

上述頁面的細(xì)節(jié)效果設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)方式這里不作描述。

對于主機(jī)，與PLC進(jìn)行的Modbus協(xié)議的通信經(jīng)過RS-485/RS-232轉(zhuǎn)換模塊之后，VB 2008需要處理的是主機(jī)COM口傳來的串口數(shù)據(jù)。VB進(jìn)行串口數(shù)據(jù)處理主要通過使用串口通信的控件，VB 2008編程開發(fā)工具中，.NET Framework 2.0類庫包含了SerialPort類，可以替代之前的MSComm控件完成與PLC的串口通信。在進(jìn)行Modbus協(xié)議串口通信時(shí)，在VB程序中首先要設(shè)置通信的COM口、波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)和停止位，然后打開串口，發(fā)送讀取數(shù)據(jù)指令，等待接收數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后關(guān)閉串口連接。VB程序中與PLC進(jìn)行通信的主要流程圖如圖4所示。

圖4　VB程序中與PLC進(jìn)行通信的主要流程圖

上位機(jī)程序中，除了與PLC進(jìn)行Modbus通信之外，還涉及了數(shù)據(jù)庫的相關(guān)操作，包括將纜繩拉力信息、報(bào)警信息和脫纜操作進(jìn)行存儲和查詢，主要使用VB中的ADODC控件連接SQL Server數(shù)據(jù)庫。細(xì)節(jié)請參照微軟公司發(fā)布的相關(guān)幫助文件。

安裝該系統(tǒng)的智能脫纜鉤通過測試并應(yīng)用于濰坊西港區(qū)壽光作業(yè)區(qū)1#、2#、3#液化品泊位。從2013年使用至今，業(yè)主反饋良好并于2015年訂購了第二批安裝該系統(tǒng)的智能脫纜鉤。

5　結(jié)束語

智能脫纜鉤監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)用Modbus協(xié)議，實(shí)現(xiàn)在中控室對碼頭現(xiàn)場纜繩拉力遠(yuǎn)程監(jiān)控，保證了船舶靠岸時(shí)的穩(wěn)定性和安全性。本文對系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了基本清楚的敘述，希望對其他的技術(shù)人員有參考價(jià)值；由于作者水平和文章篇幅的限制，相關(guān)實(shí)現(xiàn)描述并不十分詳細(xì)，也希望其他的技術(shù)人員提出更多的補(bǔ)充或是更好的實(shí)現(xiàn)方式。

［1］王平福，邱占芝，劉春玲，等.碼頭系泊監(jiān)控系統(tǒng)的可視化設(shè)計(jì)方案［J］.中國科技論文，2008，3（2）：131-135.

［2］傅洪深.碼頭安全監(jiān)控系統(tǒng)在港口工程中的應(yīng)用［J］.水運(yùn)工程，2008，（07）：85-90.

［3］汪獻(xiàn)忠，劉巍，呂運(yùn)朋.基于Modbus協(xié)議的工業(yè)智能通訊模塊的設(shè)計(jì)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2006，（06）：47-49.

［4］郎學(xué)政，許同樂，李中華.基于Modbus協(xié)議的PLC在自動供水監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2013，（2）：62-64.

［5］魏余芳，和凌志.現(xiàn)場總線在工業(yè)控制中的應(yīng)用［J］.自動化信息，1999，（4）：2-5.

The Design and Implementation of Intelligent Release Hook System based on Modbus Protocol

ZHANG Sheng-kang
（Lianyungang Ocean Liquid Loading&Unloading Machine Co.，Ltd.，Lianyungang Jiangsu 222062，China）

The intelligent release hook system based on Modbus protocol use force sensors to measure the mooring load of release hook，transmit data to PC by PLC based on Modbus protocol.The PC use VB 2008 to design monitoring software to on-line monitor the force，and control the release hook remotely，improved the stability and reliability of the ship drawing alongside working effectively.

modbus；wharf；release hook；mooring Load；VB；PLC

TP277

A

1672-545X（2016）08-0114-03

2016-05-08

張圣康（1982-），男，江蘇徐州人，工程師，工程碩士，研究方向：碼頭靠泊、流體裝卸設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)與自動化，設(shè)備故障監(jiān)測等。