港口遠程堆場輔助系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)研究

李書強 韓 旭 王云鵬 周鳳敏 宋祥吉

1青島海西重機有限責(zé)任公司 青島 266530 2青島濱海學(xué)院 青島 266555

0 引言

近年來，國發(fā)[2016]28號文件及“絲綢之路經(jīng)濟帶”、“21世紀海上絲綢之路”戰(zhàn)略發(fā)布[1，2]，同時我國外貿(mào)總額自2018年超過30萬億元人民幣，港口吞吐量居世界一位，促使我國港口工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)及人工智能水平隨著港口經(jīng)濟、貿(mào)易建設(shè)迎來了高速發(fā)展期，越來越多的港口企業(yè)開始進行自動化/半自動化碼頭建設(shè)或改造，國內(nèi)已先后在上海港、洋山港、青島港、天津港成功建設(shè)了智能碼頭[3-5]，使工業(yè)化物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)普及度逐漸提高，促進了工業(yè)化與信息化融合的發(fā)展，提高了港口經(jīng)濟的競爭力。

在已采用自動化/半自動化控制系統(tǒng)進行生產(chǎn)工作的港口碼頭中，自動化/半自動化系統(tǒng)多以起重機電氣控制系統(tǒng)為主，多個輔助子系統(tǒng)為輔的架構(gòu)形式。同時由于港口設(shè)備多樣復(fù)雜涵蓋不同設(shè)備廠商的產(chǎn)品，且港口行業(yè)內(nèi)對各輔助系統(tǒng)沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)致使各設(shè)備廠家的通訊接口在實際上設(shè)計存在較大的差異或新舊產(chǎn)品之間無法進行交互，進而導(dǎo)致港口碼頭同時存在多個網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)、交換機、服務(wù)器，出現(xiàn)港口碼頭網(wǎng)絡(luò)資源浪費、投資成本增加，系統(tǒng)維護難度增大等現(xiàn)象[6]。因此，港口遠程堆場輔助系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)集成不僅是各輔助系統(tǒng)簡單堆疊，還應(yīng)使各輔助系統(tǒng)之間信息聯(lián)動，實現(xiàn)不同系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)資源共享。因此，輔助系統(tǒng)網(wǎng)集成絡(luò)系統(tǒng)搭建是建設(shè)智能碼頭的首要任務(wù)，需進一步完善自動化/半自動化碼頭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的架構(gòu)。

1 輔助系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)需求分析

為了實現(xiàn)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的集成，減少網(wǎng)絡(luò)資源浪費，在港口中控室更好的完成碼頭起重機作業(yè)的運行和管理，應(yīng)首先對港口輔助系統(tǒng)進行應(yīng)用分析，明確港口對不同輔助系統(tǒng)的需求及定位；然后對各輔助系統(tǒng)進行業(yè)務(wù)與功能梳理，剔除重復(fù)功能；最后基于輔助系統(tǒng)集成目標(biāo)進行網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)設(shè)計要點分析。

如圖1所示，港口輔助系統(tǒng)由輔助監(jiān)控和輔助運維2大系統(tǒng)構(gòu)成。輔助監(jiān)控系統(tǒng)即視頻系統(tǒng)，可與控制系統(tǒng)交互，滿足港口業(yè)務(wù)生產(chǎn)、監(jiān)控、存儲，運用現(xiàn)代先進的軟件工程學(xué)根據(jù)業(yè)務(wù)流程提供信息處理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，合理規(guī)范數(shù)據(jù)流。輔助運維系統(tǒng)主要負責(zé)在遠控室后臺可實時監(jiān)視設(shè)備的安全、運行監(jiān)視及遠程維護，同時亦可以分析設(shè)備的實時狀態(tài)及預(yù)警，主要包括門禁系統(tǒng)、智能潤滑系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、狀態(tài)檢測系統(tǒng)等。

圖 1 港口輔助系統(tǒng)框圖

1.1 輔助系統(tǒng)配置分析

1）智能照明系統(tǒng)

根據(jù)港口堆場照明特點，智能照明系統(tǒng)一般滿足燈具作業(yè)狀態(tài)100%功率運行與非作業(yè)狀態(tài)30%功率的遠程控制和電氣及高壓房的智能控制2點要求。

目前，常見智能照明控制平臺主要依托數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、運算服務(wù)器、智能LED燈具、智能燈具控制器等設(shè)備，監(jiān)測燈具設(shè)備運行、遠程控制燈具的亮度、燈具故障推送、故障及功耗統(tǒng)計；協(xié)調(diào)智能燈具控制器的運行。其中智能燈具控制器與港口起重機PLC相連，獲取操控信息，通過解析，將控制信息下發(fā)各智能LED燈具，同時智能LED燈具也可將實時狀態(tài)、功率、故障等信息上傳至智能燈具控制器。

2）視頻系統(tǒng)

視頻系統(tǒng)為現(xiàn)場作業(yè)和遠程控制提供實時視頻畫面，監(jiān)控起重機作業(yè)過程，保障集裝箱裝卸作業(yè)安全、高效。起重機攝像頭一般分布在門腿、電纜卷筒、電氣房、機器房、工作面等關(guān)鍵位置，且每路視頻圖像按不低于H.264編碼格式存儲。因此，視頻系統(tǒng)配置視頻集中管理監(jiān)控平臺服務(wù)器及千兆級交換機。

3）門禁系統(tǒng)

門禁系統(tǒng)根據(jù)不同作業(yè)工況，可分為起重機設(shè)備門禁和堆場門禁，兩者配合自動化作業(yè)實時通訊交互。部署各區(qū)域的門禁系統(tǒng)同中控管理中心實時聯(lián)網(wǎng)，規(guī)范作業(yè)流程，保障自動化作業(yè)中進出人員安全，設(shè)備有效可靠運行。

門禁系統(tǒng)一般基于非接觸識別感應(yīng)技術(shù)，由上位機客戶端、數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器、主控系統(tǒng)、區(qū)域控制系統(tǒng)組成的智慧型網(wǎng)絡(luò)門禁管理系統(tǒng)。區(qū)域控制系統(tǒng)包括門禁控制部分及通訊部分，包括智能電控門鎖、感應(yīng)限位、電子安全門、應(yīng)急出門裝置、人臉識別終端、刷卡終端、聲光提示終端、顯示屏終端等。

根據(jù)聯(lián)網(wǎng)通訊方式，門禁系統(tǒng)分為不聯(lián)網(wǎng)門禁、485聯(lián)網(wǎng)門禁、TCP/IP門禁3種。考慮港口碼頭運行實際情況，TCP/IP門禁更適合用于港口碼頭的工作環(huán)境，便于進行遠程控制集中管理。TCP/IP門禁通過以太網(wǎng)將電腦和控制器進行聯(lián)網(wǎng)。

4）智能潤滑系統(tǒng)

潤滑系統(tǒng)主要在自己的PLC設(shè)定好的程序，根據(jù)注油條件發(fā)出指令控制電動潤滑泵啟動工作，繼而通過電磁閥控制每支油路的通斷并將信號反饋至潤滑電控箱實時記錄生成報表。最后將數(shù)據(jù)、報表傳輸至起重機本次控制系統(tǒng)或港口中控制服務(wù)器中。

5）狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要用于監(jiān)測起重機重要機械機構(gòu)及電氣設(shè)備運行狀態(tài)，主要監(jiān)測和獲取起重機各電氣元器件、智能儀表、PLC站等設(shè)備感知信息和起重機本地控制系統(tǒng)運行信息。該系統(tǒng)通過以太網(wǎng)并利用不同傳輸媒介進行本地/遠程傳輸，使操作人可在起重機司機室、電氣房以及港口中控室查看相應(yīng)信息并進行相應(yīng)操作。

港口中控室建立港口輔助系統(tǒng)管理平臺實現(xiàn)多個信息系統(tǒng)交互，可以增強港口業(yè)務(wù)處理效率、提高港口在行業(yè)內(nèi)的競爭能力。然而，各輔助系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及功能不同，輔助系統(tǒng)之間信息共享存在一定局限性，存在信息孤島現(xiàn)象無法進行信息交互。此外輔助系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息量隨著港口的運維不斷增長，使港口用戶需要投入更多的人力、物力、財力維護系統(tǒng)平臺。如何通過集成生產(chǎn)管理、輔助健康、輔助運維等異構(gòu)信息系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)間相互獨立和有效系統(tǒng)、消除信息孤島的需求在港口輔助系統(tǒng)應(yīng)用中愈加迫切。

根據(jù)自動化/半自動化碼頭系統(tǒng)架構(gòu)特點及港口輔助系統(tǒng)應(yīng)用分析，本文遠程堆場輔助系統(tǒng)集成設(shè)計的主要目標(biāo)有：

①電氣控制交互 與起重機電氣自動控制系統(tǒng)交互，可在港口中控室實現(xiàn)起重機運行方向、電動機運行狀態(tài)、安全聯(lián)鎖狀態(tài)、電氣開關(guān)狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)通訊狀態(tài)等信息的遠程監(jiān)測或控制，以滿足港口生產(chǎn)、監(jiān)控、存儲。

②信息交互 各輔助系統(tǒng)數(shù)據(jù)刷新頻率應(yīng)滿足港口生產(chǎn)需求，并由信息處理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)根據(jù)工作流程合理規(guī)范數(shù)據(jù)流，以便實現(xiàn)輔助系統(tǒng)之間的信息交流，從而驅(qū)動工作流程，提高工作效率。同時信息處理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計遵從先進性、可擴展性、靈活性、規(guī)范性。

③數(shù)據(jù)溯源 通過港口輔助系統(tǒng)管理平臺實現(xiàn)信息集成，完善數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)信息可追溯，提高數(shù)據(jù)使用的方便性。

④減少數(shù)據(jù)接口 隨著異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)增加，信息數(shù)據(jù)接口也在不斷地增長，為了減少其信息匯總工作量需要通過科學(xué)的設(shè)計，合理地設(shè)置數(shù)據(jù)接口。

⑤兼容性與可擴展性 現(xiàn)起重機數(shù)量、種類隨著港口發(fā)展發(fā)生變化，故在輔助系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)研究中還應(yīng)重點考慮系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫的兼容性、可擴展性以滿足港口后期發(fā)展需求。

2 輔助系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)集成方案研究思路

2.1 輔助系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)集成方案設(shè)計

1）輔助系統(tǒng)管理平臺架構(gòu)

相較國內(nèi)外其他自動化碼頭起重機輔助子系統(tǒng)獨立通訊、獨立傳輸?shù)姆桨福疚膶o助系統(tǒng)進行異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)整合、優(yōu)化。如圖2所示，輔助系統(tǒng)管理平臺由用戶層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)采集層、感知層構(gòu)成，利用運行成熟的架構(gòu)功能，充分的滿足了輔助系統(tǒng)管理平臺的靈活、開擴展、可重復(fù)、可維護等特性。

圖 2 輔助系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)集成系統(tǒng)平臺架構(gòu)

①感知層 不同輔助系統(tǒng)通過PLC模塊、RFID、智能傳感器、智能數(shù)字儀表等感知設(shè)備對起重機機械結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)備進行全方位實時信息采集。

②數(shù)據(jù)采集層 感知層設(shè)備通過Profibus DP、以太網(wǎng)、光纖、無線通訊等通訊網(wǎng)絡(luò)將智能儀表采集的數(shù)據(jù)傳輸至相應(yīng)系統(tǒng)的交換機或服務(wù)器。

③數(shù)據(jù)存儲層 通過在港口中控室機房配置服務(wù)器建立數(shù)據(jù)中心，將數(shù)據(jù)采集層的數(shù)據(jù)流進行整合，為多臺起重機之間信息交換、管理提供數(shù)據(jù)資源。

④應(yīng)用層 輔助系統(tǒng)管理平臺通過WEB網(wǎng)頁訪問各輔助系統(tǒng)，利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對機房數(shù)據(jù)庫資源進行挖掘、分析，根據(jù)港口碼頭實際作業(yè)情況為起重機管理提供作業(yè)決策支撐。

⑤用戶層 通過港口中控室終端展示輔助系統(tǒng)管理平臺界面并顯示港口起重機實時狀態(tài)及歷史狀態(tài)，可根據(jù)港口需要設(shè)置業(yè)務(wù)管理、業(yè)務(wù)運維、歷史信息查詢等不同功能模塊。其中業(yè)務(wù)管理可根據(jù)起重機類型監(jiān)控岸邊集裝箱橋式起重機、軌道式起重機等起重機作業(yè)情況；業(yè)務(wù)運維可監(jiān)控起重機輔助系統(tǒng)運行狀態(tài)；歷史信息可通過表格、餅狀圖、柱狀圖等形式查詢/記錄設(shè)備狀態(tài)、報警記錄等數(shù)據(jù)。

2）輔助系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)集成架構(gòu)

輔助系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理平臺硬件配置主要有核心交換機、服務(wù)器、存儲設(shè)備。如圖3所示，當(dāng)起重機輔助系統(tǒng)需要遠程傳輸時，港口中控室需要設(shè)置遠程終端單元（Remote Terminal Unit，RTU）設(shè)備，即港口中控室機房安裝帶有Web訪問接口的服務(wù)器并建立數(shù)據(jù)庫，起重機上所有輔助系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)接入機房服務(wù)器，由數(shù)據(jù)收集服務(wù)軟件收集輔助系統(tǒng)信號數(shù)據(jù)并寫入數(shù)據(jù)庫。此外，Web服務(wù)器設(shè)置管理權(quán)限，在權(quán)限允許的情況下，客戶可通過Web服務(wù)器來查看和修改數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)變更后會自動下發(fā)到對應(yīng)的起重機電氣控制系統(tǒng)。

圖 3 輔助系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)集成拓撲圖

2.2 輔助系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)要點分析

1）網(wǎng)絡(luò)級同構(gòu)方案

首先利用網(wǎng)絡(luò)級同構(gòu)的思想解決輔助系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的異構(gòu)性。目前網(wǎng)絡(luò)級同構(gòu)化方法主要有集散控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)（Distributed Control System，DCS）、現(xiàn)場總線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)（Fieldbus Control System，F(xiàn)CS）、以太網(wǎng)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。考慮到TCP/IP協(xié)議是最基本的通信協(xié)議，在開放性、數(shù)據(jù)傳輸率、傳輸介質(zhì)、結(jié)構(gòu)拓撲、遠程技術(shù)應(yīng)用等方面均優(yōu)于DCS以及FCS，本文利用網(wǎng)卡、以太網(wǎng)模塊等硬件將所有輔助子系統(tǒng)統(tǒng)一到基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)服務(wù)平臺上。如圖3所示，碼頭終端設(shè)備通過以太網(wǎng)、光纖或其他傳輸介質(zhì)使起重機本地操作站可通過以太網(wǎng)直接并入遠程站管的管理體系網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場的遠程管理[7]。

2）接口級同構(gòu)方案

當(dāng)輔助系統(tǒng)構(gòu)建統(tǒng)一以太網(wǎng)系統(tǒng)后，還需對輔助系統(tǒng)進行接口級同構(gòu)以解決網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議差異性問題[8，9]。目前接口級同構(gòu)常用網(wǎng)絡(luò)動態(tài)數(shù)據(jù)交換方式（Network DDENet，DDE）、開放式數(shù)據(jù)庫連接方式（Open DataBase Connectivity，ODBC）以及應(yīng)用于過程控制的OLE方式（OLE for Process Control，OPC）。其中OPC方式具有本地和遠程2種設(shè)置，可以滿足不同距離下的數(shù)據(jù)交換需求，且可以對軟硬件進行有效分離，并將港口信號按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)與SCADA、HMI等連接，不需要重復(fù)開發(fā)驅(qū)動程序即可讀取任何帶有OPC接口設(shè)備的數(shù)據(jù)，從而解決了港口工業(yè)控制的信息孤島問題。

3）VLAN劃分方案

實際上，多臺起重機、不同輔助設(shè)備網(wǎng)絡(luò)集成過程主要有以下問題：

①域名相同問題 一般港口現(xiàn)場，同一輔助系統(tǒng)的域名相同，若將多臺起重機輔助系統(tǒng)集成在一起，首先應(yīng)考慮如何避免相同域名通訊問題。

②廣播風(fēng)暴 當(dāng)起重機數(shù)量過多時，會造成廣播風(fēng)暴導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能下降甚至癱瘓。故輔助系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)研究還應(yīng)考慮如何解決廣播風(fēng)暴問題。

由上所述，本文采用VLAN劃分技術(shù)，如圖4所示，按照軟件成熟穩(wěn)定性原則并考慮輔助子系統(tǒng)兼容性問題，港口中控室機房管理服務(wù)器虛擬出滿足不同輔助系統(tǒng)所需的虛擬服務(wù)器。即多臺起重相同輔助系統(tǒng)運行在單獨虛擬服務(wù)器上，共用由相同VPN路由構(gòu)成的地址空間，進而在相同VPN路由下根據(jù)起重機數(shù)量為不同起重機分配IP地址。

圖 4 VLAN劃分方案構(gòu)成圖

3 結(jié)語

本文基于以太網(wǎng)及OPC技術(shù)將不同系統(tǒng)的輔助設(shè)備統(tǒng)一集成在以TCP/IP協(xié)議為基礎(chǔ)的以太網(wǎng)平臺上，實現(xiàn)了港口堆場輔助系統(tǒng)遠程集中管控設(shè)計。目前該輔助系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)經(jīng)搭建接入某港口中控室網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)運行1 a，通過現(xiàn)場實際應(yīng)用表明，基于網(wǎng)絡(luò)級同構(gòu)與VLAN劃分技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)方案可適應(yīng)港口多臺起重機輔助系統(tǒng)集成的需求，真正實現(xiàn)了輔助系統(tǒng)的高效安全運行、集成監(jiān)控與管理。

同時，本文研究的港口遠程堆場輔助系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)方案的設(shè)計，具有優(yōu)良的性能價格比，提高了港口起重機生產(chǎn)過程綜合管理能力及市場競爭能力，可對港口遠程堆場起重機網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架設(shè)計發(fā)展提供借鑒。