基于WinCC OA的港口裝卸設備自動化控制平臺研究

任建喬，蔣旻，項澄寧，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

自動化、智能化是未來港口裝卸設備的發(fā)展方向，目前國內(nèi)主要的集裝箱港口都在積極地開展自動化技術(shù)的研究和應用。對于傳統(tǒng)集裝箱碼頭來說，只能在現(xiàn)有的設備基礎上進行技術(shù)升級改造，逐步提升自動化水平，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已投產(chǎn)多年的傳統(tǒng)集裝箱碼頭來說，也在積極地進行探索，努力應對未來的挑戰(zhàn)。

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

（1）每一家廠商的自動化控制平臺都是各自開發(fā)的，沒有統(tǒng)一的規(guī)范，無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，因為系統(tǒng)間的不兼容，就會存在多個自動化控制平臺，相互間無法通用，會造成重復投入和資源浪費。因此非常有必要研發(fā)一套具有通用性和接口標準化的自動化控制平臺，建立起由碼頭方自主可控的自動化控制系統(tǒng)，運用于橋吊、龍門吊的智能化控制，實現(xiàn)不同平臺自動化設備融合控制。同時頒布標準化的接口規(guī)范和接入規(guī)則，任何廠商的自動化設備只要根據(jù)遵循規(guī)范和要求進行設計，就可以融入碼頭方的自動化控制平臺，實現(xiàn)碼頭方統(tǒng)一的管控，從而避免重復投入和資源浪費。

2 主要研究內(nèi)容

本項目的主要目的是研發(fā)一套具有通用性和接口標準化的自動化控制平臺，并建立起具有寧波舟山港特色的自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)對大部分自動化廠商的設計方案的兼容，充分體現(xiàn)通用性、標準化。項目的主要研究內(nèi)容如下：

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

（2）根據(jù)我方實際情況和我方的設想，借助成熟開發(fā)平臺，設計出具有通用性、可靠性、安全性、標準化的平臺架構(gòu)和總體方案，完成自動化控制平臺的頂層設計。

（3）根據(jù)總體方案及平臺架構(gòu)，研發(fā)設計和搭建平臺網(wǎng)絡，并配置服務器、核心交換機、遠控操作臺等硬件，建立完整的自動化控制平臺。

（4）借助成熟的開發(fā)平臺，進行控制平臺各個功能模塊的研發(fā)工作。

（5）實現(xiàn)至少兩家不同廠商的單機自動化系統(tǒng)的接入，充分檢驗通用化和標準化的功能。

（6）根據(jù)總體方案以及單機的實際對接情況，頒布標準化的數(shù)據(jù)接口規(guī)范文檔和通用性強、安全性高的遠控平臺對接規(guī)則，最終推出寧波舟山港首個具有自主可控的自動化控制平臺。

3 基于WinCC OA自動化控制平臺開發(fā)

3．1 控制平臺整體架構(gòu)

3．1．1 主要子系統(tǒng)構(gòu)成

自動化控制平臺將同時連接碼頭TOS系統(tǒng)、自動化龍門吊、遠控操作臺等設備，是整個龍門吊自動化系統(tǒng)的核心，其整體架構(gòu)如圖1所示，平臺主要分為兩大子系統(tǒng)：

圖1 控制平臺整體架構(gòu)

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

（2）遠程控制系統(tǒng)，簡稱RCOS，作為實現(xiàn)遠程控制自動化龍門吊的管理系統(tǒng)，是整個龍門吊自動化作業(yè)過程中必不可少的核心系統(tǒng)。

3．1．2 通用性設計

（1）通信協(xié)議選定。要實現(xiàn)控制平臺的通用性，首先應最大程度地實現(xiàn)控制平臺與不同類型的單機自動化系統(tǒng)之間的遠程通信協(xié)議和方式的統(tǒng)一。根據(jù)架構(gòu)設計、電控設備的不同，自動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。

項目組通過調(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，來作為控制平臺和單機自動化系統(tǒng)之間的統(tǒng)一通信協(xié)議。原因如下：①控制平臺采用的西門子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，市場占用率極高，已是事實上的工業(yè)通信標準，使用此類通信協(xié)議更容易讓單機自動化廠商所接受。

（2）接口PLC設計。為保證通信的可靠性和安全性，項目組設計了一個數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)裝置，稱為接口PLC（InterFace PLC）簡稱IF PLC，顧名思義就是用于實現(xiàn)遠程通信和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的接口裝置。IF PLC作為控制平臺外設裝置，將外掛到自動化龍門吊上，以此實現(xiàn)控制平臺和單機自動化系統(tǒng)之間的S7、Profinet、Profisafe通信。自動化系統(tǒng)可以以IF PLC為界線，有效分隔控制平臺和單機自動化系統(tǒng)的功能和責任，接口PLC設計架構(gòu)如圖2所示。

圖2 接口PLC設計架構(gòu)

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

（3）數(shù)據(jù)接口設計。由于采用了S7通信協(xié)議，因此IF PLC作為S7通信的服務器，只需要準備好需要的數(shù)據(jù)即可。為方便數(shù)據(jù)的存放和管理，項目組將IF PLC上數(shù)據(jù)進行了分門類別，并設計了多個數(shù)據(jù)塊，用于存放與單機自動化系統(tǒng)交互的數(shù)據(jù)，接口數(shù)據(jù)塊說明如表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準化中的最重要的部分。

3．1．3 通信連接

龍門吊自動化控制平臺有以下通信連接，硬件通信連接如圖3所示。

圖3 硬件通信連接

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

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

（3）遠控操作系統(tǒng)RCOS與起重機接口系統(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)庫的形式。

（4）遠控操作臺RCS與單機自動化系統(tǒng)的通信連接：需要對自動化龍門吊進行遠程操作時，從遠控操作臺RCS發(fā)送到單機自動化系統(tǒng)的IO數(shù)據(jù)具有更高的實時性、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Profisafe協(xié)議通信，如手柄零位信號、急停開關等。遠控操作臺上的視頻和語音等通信連接則采用常規(guī)的TCP或UDP通信。龍門吊自動化控制平臺系統(tǒng)通信架構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制平臺通信架構(gòu)

3．2 起重機接口系統(tǒng)CIS

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

圖5 CIS軟件結(jié)構(gòu)

3．3 遠程控制系統(tǒng)RCOS

RCOS是實現(xiàn)遠控操作臺RCS遠程控制自動化龍門吊的管理系統(tǒng)，負責當龍門吊自動作業(yè)無法繼續(xù)時的人工介入操作，單機自動化系統(tǒng)需要司機通過遠控操作臺RCS進行人工介入時，將會向RCOS發(fā)出跳臺申請，RCOS在接收到申請后，將根據(jù)當前遠控操作臺RCS的空閑情況，及時分配遠控操作臺RCS與單機自動化系統(tǒng)進行一對一連接，通過激活接口PLC上相應的分站組態(tài)，在兩者之間建立基于Profinet、Profisafe的DP主從通信，實現(xiàn)實時、安全的遠程控制。

遠程操作系統(tǒng)RCOS是在西門子公司的RCOS平臺基礎上深度開發(fā)的。西門子RCOS平臺是基于SIL3安全認證的WinCC OA組態(tài)軟件二次開發(fā)而成，具有安全性高、通用性強、接口標準化等特點，其軟件界面如圖6所示。

圖6 RCOS軟件界面

3．4 遠控操作臺RCS

遠控操作臺RCS采用了人機工程學設計，具有舒適、美觀的特點，配置有可實現(xiàn)遠程操作的主令手柄、各類按鈕和指示燈，同時配置了安裝有RCOS客戶端的工控機，如圖7所示。遠控操作臺RCS桌面上配置了三個監(jiān)控屏和一個觸摸屏，采用三上一下的組合方式，如圖8所示。

圖7 RCS遠控操作臺

圖8 RCS遠控操作界面

RCOS客戶端運行于RCS工控機上，將在屏幕上顯示三大部分內(nèi)容，供遠控操作司機遠控操作時觀看，其中包括：

（1）2個屏幕提供現(xiàn)場實時視頻畫面，根據(jù)運行場景的不同，最多顯示8個視頻畫面。

（2）1個屏幕提供綁定自動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個屏幕提供自動化作業(yè)相關的信息。

3．5 標準化接口規(guī)范和接入要求

標準化是本次項目的核心內(nèi)容，所以在自動化控制平臺研發(fā)設計的過程中。項目組一直秉承著一切面向標準化的理念，充分利用西門子RCOS平臺的數(shù)據(jù)定義內(nèi)容，編制出了符合公司實際情況和要求的標準化的接口規(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 標準化接口規(guī)范和接入規(guī)則

（1）自動化控制平臺架構(gòu)介紹。

（2）控制平臺所需的硬件標準要求，含IF PLC、交換機、RCS布局、視頻相機品牌、語音系統(tǒng)、RCS操作臺等。

（3）開發(fā)IF PLC的對接標準程序。

（4）RCOS相關的接口定義表。

（5）CIS相關的接口定義表。

（6）RCS視頻顯示布局和切換標準。

4 自動化控制平臺應用成果

2021年7月，首批根據(jù)自動化控制平臺的接口規(guī)范和接入規(guī)則，配置了IF PLC的武漢港迪、西門子兩家的單機自動化系統(tǒng)成功接入控制平臺，并成功實現(xiàn)了遠程操作和自動化作業(yè)。尤其是武漢港迪的單機自動化系統(tǒng)的成功接入，充分證明了第三方單機自動化系統(tǒng)接入平臺的可行性，同時也驗證了控制平臺的通用性設計，完全達到了項目的設計目的。

在2022年，公司新采購的三臺有振華公司生產(chǎn)的自動化龍門吊也將對接控制平臺，成為第三家對接控制平臺的單機自動化系統(tǒng)，屆時將進一步驗證通用性。

5 創(chuàng)新亮點

龍門吊自動化控制平臺應用了當前最先進的網(wǎng)絡技術(shù)、工控技術(shù)和計算機技術(shù)，可實現(xiàn)對龍門吊遠程操控和生產(chǎn)作業(yè)流程的自動化、智能化控制，主要具有如下亮點。

（1）國內(nèi)首創(chuàng)，控制平臺由碼頭方主導開發(fā)，自主可控，在國內(nèi)尚屬于首次，具有首創(chuàng)性。

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

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

（4）高安全性，遠控操作臺與自動化龍門吊之間的通信采用了高實時性、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，同時平臺的開發(fā)軟件WinCC OA是唯一獲得SIL3安全認證的軟件產(chǎn)品，具有安全穩(wěn)定的特性。

（5）控制平臺具有強大的數(shù)據(jù)處理能力和擴展性，可支持100臺自動化龍門吊和35臺操作臺的數(shù)據(jù)處理，并具備后期升級能力。

6 結(jié)語

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

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