李書(shū)強(qiáng) 韓 旭 王云鵬 周鳳敏 宋祥吉
1青島海西重機(jī)有限責(zé)任公司 青島 266530 2青島濱海學(xué)院 青島 266555
近年來(lái),國(guó)發(fā)[2016]28號(hào)文件及“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”、“21世紀(jì)海上絲綢之路”戰(zhàn)略發(fā)布[1,2],同時(shí)我國(guó)外貿(mào)總額自2018年超過(guò)30萬(wàn)億元人民幣,港口吞吐量居世界一位,促使我國(guó)港口工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)及人工智能水平隨著港口經(jīng)濟(jì)、貿(mào)易建設(shè)迎來(lái)了高速發(fā)展期,越來(lái)越多的港口企業(yè)開(kāi)始進(jìn)行自動(dòng)化/半自動(dòng)化碼頭建設(shè)或改造,國(guó)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(jìn)了工業(yè)化與信息化融合的發(fā)展,提高了港口經(jīng)濟(jì)的競(jìng)爭(zhēng)力。
在已采用自動(dòng)化/半自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)工作的港口碼頭中,自動(dòng)化/半自動(dòng)化系統(tǒng)多以起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)為主,多個(gè)輔助子系統(tǒng)為輔的架構(gòu)形式。同時(shí)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(duì)各輔助系統(tǒng)沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)致使各設(shè)備廠家的通訊接口在實(shí)際上設(shè)計(jì)存在較大的差異或新舊產(chǎn)品之間無(wú)法進(jìn)行交互,進(jìn)而導(dǎo)致港口碼頭同時(shí)存在多個(gè)網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)、交換機(jī)、服務(wù)器,出現(xiàn)港口碼頭網(wǎng)絡(luò)資源浪費(fèi)、投資成本增加,系統(tǒng)維護(hù)難度增大等現(xiàn)象[6]。因此,港口遠(yuǎn)程堆場(chǎng)輔助系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)集成不僅是各輔助系統(tǒng)簡(jiǎn)單堆疊,還應(yīng)使各輔助系統(tǒng)之間信息聯(lián)動(dòng),實(shí)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(jìn)一步完善自動(dòng)化/半自動(dòng)化碼頭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的架構(gòu)。
為了實(shí)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(fèi),在港口中控室更好的完成碼頭起重機(jī)作業(yè)的運(yùn)行和管理,應(yīng)首先對(duì)港口輔助系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用分析,明確港口對(duì)不同輔助系統(tǒng)的需求及定位;然后對(duì)各輔助系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)行網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析。
如圖1所示,港口輔助系統(tǒng)由輔助監(jiān)控和輔助運(yùn)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(chǔ),運(yùn)用現(xiàn)代先進(jìn)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(yùn)維系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)在遠(yuǎn)控室后臺(tái)可實(shí)時(shí)監(jiān)視設(shè)備的安全、運(yùn)行監(jiān)視及遠(yuǎn)程維護(hù),同時(shí)亦可以分析設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)及預(yù)警,主要包括門(mén)禁系統(tǒng)、智能潤(rùn)滑系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)等。
圖 1 港口輔助系統(tǒng)框圖
1)智能照明系統(tǒng)
根據(jù)港口堆場(chǎng)照明特點(diǎn),智能照明系統(tǒng)一般滿足燈具作業(yè)狀態(tài)100%功率運(yùn)行與非作業(yè)狀態(tài)30%功率的遠(yuǎn)程控制和電氣及高壓房的智能控制2點(diǎn)要求。
目前,常見(jiàn)智能照明控制平臺(tái)主要依托數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、運(yùn)算服務(wù)器、智能LED燈具、智能燈具控制器等設(shè)備,監(jiān)測(cè)燈具設(shè)備運(yùn)行、遠(yuǎn)程控制燈具的亮度、燈具故障推送、故障及功耗統(tǒng)計(jì);協(xié)調(diào)智能燈具控制器的運(yùn)行。其中智能燈具控制器與港口起重機(jī)PLC相連,獲取操控信息,通過(guò)解析,將控制信息下發(fā)各智能LED燈具,同時(shí)智能LED燈具也可將實(shí)時(shí)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(chǎng)作業(yè)和遠(yuǎn)程控制提供實(shí)時(shí)視頻畫(huà)面,監(jiān)控起重機(jī)作業(yè)過(guò)程,保障集裝箱裝卸作業(yè)安全、高效。起重機(jī)攝像頭一般分布在門(mén)腿、電纜卷筒、電氣房、機(jī)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(chǔ)。因此,視頻系統(tǒng)配置視頻集中管理監(jiān)控平臺(tái)服務(wù)器及千兆級(jí)交換機(jī)。
3)門(mén)禁系統(tǒng)
門(mén)禁系統(tǒng)根據(jù)不同作業(yè)工況,可分為起重機(jī)設(shè)備門(mén)禁和堆場(chǎng)門(mén)禁,兩者配合自動(dòng)化作業(yè)實(shí)時(shí)通訊交互。部署各區(qū)域的門(mén)禁系統(tǒng)同中控管理中心實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng),規(guī)范作業(yè)流程,保障自動(dòng)化作業(yè)中進(jìn)出人員安全,設(shè)備有效可靠運(yùn)行。
門(mén)禁系統(tǒng)一般基于非接觸識(shí)別感應(yīng)技術(shù),由上位機(jī)客戶端、數(shù)據(jù)庫(kù)、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(mén)禁管理系統(tǒng)。區(qū)域控制系統(tǒng)包括門(mén)禁控制部分及通訊部分,包括智能電控門(mén)鎖、感應(yīng)限位、電子安全門(mén)、應(yīng)急出門(mén)裝置、人臉識(shí)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(mén)禁系統(tǒng)分為不聯(lián)網(wǎng)門(mén)禁、485聯(lián)網(wǎng)門(mén)禁、TCP/IP門(mén)禁3種??紤]港口碼頭運(yùn)行實(shí)際情況,TCP/IP門(mén)禁更適合用于港口碼頭的工作環(huán)境,便于進(jìn)行遠(yuǎn)程控制集中管理。TCP/IP門(mén)禁通過(guò)以太網(wǎng)將電腦和控制器進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。
4)智能潤(rùn)滑系統(tǒng)
潤(rùn)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(dòng)潤(rùn)滑泵啟動(dòng)工作,繼而通過(guò)電磁閥控制每支油路的通斷并將信號(hào)反饋至潤(rùn)滑電控箱實(shí)時(shí)記錄生成報(bào)表。最后將數(shù)據(jù)、報(bào)表傳輸至起重機(jī)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(cè)系統(tǒng)
狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要用于監(jiān)測(cè)起重機(jī)重要機(jī)械機(jī)構(gòu)及電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),主要監(jiān)測(cè)和獲取起重機(jī)各電氣元器件、智能儀表、PLC站等設(shè)備感知信息和起重機(jī)本地控制系統(tǒng)運(yùn)行信息。該系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)并利用不同傳輸媒介進(jìn)行本地/遠(yuǎn)程傳輸,使操作人可在起重機(jī)司機(jī)室、電氣房以及港口中控室查看相應(yīng)信息并進(jìn)行相應(yīng)操作。
港口中控室建立港口輔助系統(tǒng)管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)信息系統(tǒng)交互,可以增強(qiáng)港口業(yè)務(wù)處理效率、提高港口在行業(yè)內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)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(wú)法進(jìn)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(yùn)維不斷增長(zhǎng),使港口用戶需要投入更多的人力、物力、財(cái)力維護(hù)系統(tǒng)平臺(tái)。如何通過(guò)集成生產(chǎn)管理、輔助健康、輔助運(yùn)維等異構(gòu)信息系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間相互獨(dú)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(dòng)化/半自動(dòng)化碼頭系統(tǒng)架構(gòu)特點(diǎn)及港口輔助系統(tǒng)應(yīng)用分析,本文遠(yuǎn)程堆場(chǎng)輔助系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)有:
①電氣控制交互 與起重機(jī)電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)交互,可在港口中控室實(shí)現(xiàn)起重機(jī)運(yùn)行方向、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、安全聯(lián)鎖狀態(tài)、電氣開(kāi)關(guān)狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)通訊狀態(tài)等信息的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)或控制,以滿足港口生產(chǎn)、監(jiān)控、存儲(chǔ)。
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(shí)現(xiàn)輔助系統(tǒng)之間的信息交流,從而驅(qū)動(dòng)工作流程,提高工作效率。同時(shí)信息處理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遵從先進(jìn)性、可擴(kuò)展性、靈活性、規(guī)范性。
③數(shù)據(jù)溯源 通過(guò)港口輔助系統(tǒng)管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)信息集成,完善數(shù)據(jù)信息,實(shí)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(zhǎng),為了減少其信息匯總工作量需要通過(guò)科學(xué)的設(shè)計(jì),合理地設(shè)置數(shù)據(jù)接口。
⑤兼容性與可擴(kuò)展性 現(xiàn)起重機(jī)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(diǎn)考慮系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)的兼容性、可擴(kuò)展性以滿足港口后期發(fā)展需求。
1)輔助系統(tǒng)管理平臺(tái)架構(gòu)
相較國(guó)內(nèi)外其他自動(dòng)化碼頭起重機(jī)輔助子系統(tǒng)獨(dú)立通訊、獨(dú)立傳輸?shù)姆桨?,本文?duì)輔助系統(tǒng)進(jìn)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(tái)由用戶層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、數(shù)據(jù)采集層、感知層構(gòu)成,利用運(yùn)行成熟的架構(gòu)功能,充分的滿足了輔助系統(tǒng)管理平臺(tái)的靈活、開(kāi)擴(kuò)展、可重復(fù)、可維護(hù)等特性。
圖 2 輔助系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)集成系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)
①感知層 不同輔助系統(tǒng)通過(guò)PLC模塊、RFID、智能傳感器、智能數(shù)字儀表等感知設(shè)備對(duì)起重機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)備進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)信息采集。
②數(shù)據(jù)采集層 感知層設(shè)備通過(guò)Profibus DP、以太網(wǎng)、光纖、無(wú)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(jī)或服務(wù)器。
③數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層 通過(guò)在港口中控室機(jī)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(jìn)行整合,為多臺(tái)起重機(jī)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(tái)通過(guò)WEB網(wǎng)頁(yè)訪問(wèn)各輔助系統(tǒng),利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)機(jī)房數(shù)據(jù)庫(kù)資源進(jìn)行挖掘、分析,根據(jù)港口碼頭實(shí)際作業(yè)情況為起重機(jī)管理提供作業(yè)決策支撐。
⑤用戶層 通過(guò)港口中控室終端展示輔助系統(tǒng)管理平臺(tái)界面并顯示港口起重機(jī)實(shí)時(shí)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(yùn)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(jī)類型監(jiān)控岸邊集裝箱橋式起重機(jī)、軌道式起重機(jī)等起重機(jī)作業(yè)情況;業(yè)務(wù)運(yùn)維可監(jiān)控起重機(jī)輔助系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài);歷史信息可通過(guò)表格、餅狀圖、柱狀圖等形式查詢/記錄設(shè)備狀態(tài)、報(bào)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(tái)硬件配置主要有核心交換機(jī)、服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備。如圖3所示,當(dāng)起重機(jī)輔助系統(tǒng)需要遠(yuǎn)程傳輸時(shí),港口中控室需要設(shè)置遠(yuǎn)程終端單元(Remote Terminal Unit,RTU)設(shè)備,即港口中控室機(jī)房安裝帶有Web訪問(wèn)接口的服務(wù)器并建立數(shù)據(jù)庫(kù),起重機(jī)上所有輔助系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接入機(jī)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(hào)數(shù)據(jù)并寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)。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(guò)Web服務(wù)器來(lái)查看和修改數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)變更后會(huì)自動(dòng)下發(fā)到對(duì)應(yīng)的起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)。
圖 3 輔助系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)集成拓?fù)鋱D
1)網(wǎng)絡(luò)級(jí)同構(gòu)方案
首先利用網(wǎng)絡(luò)級(jí)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(jí)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(chǎng)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)??紤]到TCP/IP協(xié)議是最基本的通信協(xié)議,在開(kāi)放性、數(shù)據(jù)傳輸率、傳輸介質(zhì)、結(jié)構(gòu)拓?fù)?、遠(yuǎn)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(tái)上。如圖3所示,碼頭終端設(shè)備通過(guò)以太網(wǎng)、光纖或其他傳輸介質(zhì)使起重機(jī)本地操作站可通過(guò)以太網(wǎng)直接并入遠(yuǎn)程站管的管理體系網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程管理[7]。
2)接口級(jí)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(duì)輔助系統(tǒng)進(jìn)行接口級(jí)同構(gòu)以解決網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議差異性問(wèn)題[8,9]。目前接口級(jí)同構(gòu)常用網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換方式(Network DDENet,DDE)、開(kāi)放式數(shù)據(jù)庫(kù)連接方式(Open DataBase Connectivity,ODBC)以及應(yīng)用于過(guò)程控制的OLE方式(OLE for Process Control,OPC)。其中OPC方式具有本地和遠(yuǎn)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(duì)軟硬件進(jìn)行有效分離,并將港口信號(hào)按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)與SCADA、HMI等連接,不需要重復(fù)開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)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(wèn)題。
3)VLAN劃分方案
實(shí)際上,多臺(tái)起重機(jī)、不同輔助設(shè)備網(wǎng)絡(luò)集成過(guò)程主要有以下問(wèn)題:
①域名相同問(wèn)題 一般港口現(xiàn)場(chǎng),同一輔助系統(tǒng)的域名相同,若將多臺(tái)起重機(jī)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(wèn)題。
②廣播風(fēng)暴 當(dāng)起重機(jī)數(shù)量過(guò)多時(shí),會(huì)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(wèn)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(wèn)題,港口中控室機(jī)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(tái)起重相同輔助系統(tǒng)運(yùn)行在單獨(dú)虛擬服務(wù)器上,共用由相同VPN路由構(gòu)成的地址空間,進(jìn)而在相同VPN路由下根據(jù)起重機(jī)數(shù)量為不同起重機(jī)分配IP地址。
圖 4 VLAN劃分方案構(gòu)成圖
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(tái)上,實(shí)現(xiàn)了港口堆場(chǎng)輔助系統(tǒng)遠(yuǎn)程集中管控設(shè)計(jì)。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(yùn)行1 a,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用表明,基于網(wǎng)絡(luò)級(jí)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(tái)起重機(jī)輔助系統(tǒng)集成的需求,真正實(shí)現(xiàn)了輔助系統(tǒng)的高效安全運(yùn)行、集成監(jiān)控與管理。
同時(shí),本文研究的港口遠(yuǎn)程堆場(chǎng)輔助系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)方案的設(shè)計(jì),具有優(yōu)良的性能價(jià)格比,提高了港口起重機(jī)生產(chǎn)過(guò)程綜合管理能力及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力,可對(duì)港口遠(yuǎn)程堆場(chǎng)起重機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架設(shè)計(jì)發(fā)展提供借鑒。