基于中控去中心化的港口起重机分布式远控系统*

陈 操 杨希成

上海振华重工(集团)股份有限公司

1 引言

自动化、智能化是港口码头的发展趋势,集装箱堆场门式起重机(以下简称场桥)在堆场内作业已经基本实现自动化,但是作业中的一些异常情况以及与外来集卡的交互作业,需要人工观察并通过远程操作台及时介入[1]。

传统场桥中心化远控方案,主要包括RCCS(Remote Center Control System,中控控制系统)和ROCS(Remote Operation Control System,中控软件分配系统)。RCCS作为主站连接每个远程操作台IO从站以及每台单机PLC从站,接收ROCS分配的任务,将选中的操作台和指定的设备进行任务绑定。ROCS负责采集ACCS的实时运行状态以及通过RCCS采集远程操作台的使用情况,与数据显示终端(DataView)交互处理操作台登入登出信息。当有设备产生跳台需求或者DataView发起主动连接时,ROCS分配任务给RCCS,将选中的操作台与需要人工介入的ACCS进行一对一任务绑定。

中心化远控方案架构比较简单,在自动化码头中运用时间久,在规模不大的情况下比较稳定。然而日益增多的设备数量及操作台数量,造成传统中心化远控方案的中心节点的负荷越来越大,如有新操作台或新单机接入,则需要对ROCS与RCCS工程进行修改配置,重新下载,造成中控的短时停机与重启[2]。一旦这2个中心有一个宕机,会造成整个远控系统瘫痪。面对这种情况,码头提出去中心化的需求,ROCS、RCCS被分布式决策方案代替,每个ROS(Remote Operator Station,远程操作站)和每台ACCS(Automatic Crane Control System,起重机自动控制系统)都将是一个独立决策体,在避免中心化系统方案弊端的同时实现原有的远控功能。

2 建设方案

2.1 系统架构

分布式系统主要包括ACCS、单机PLC、ROS以及通信网络。其中ACCS和单机PLC部署在场桥设备上,ACCS和单机PLC系统可以单独运行在不同PLC上,也可以运行在同一PLC上;远程操作台PLC部署在中控室的每个远程操作台上,运行ROS程序。ROS和场桥设备多对多配置,比例约为1∶3。

单机PLC与ROS之间通过Profinet通信实现实时控制,单机PLC作为主站,ROS作为Profinet的从站,单机PLC将所有远程操作台PLC作为Profinet的从站加入硬件配置中。相邻单机PLC之间进行TCP(Transmission Control Protocol,传输控制协议)通信。ACCS与ROS之间通过TCP、UDP(User Datagram Protocol,用户数据报协议)通信。ROS和CCTV(Closed Circuit Television,视频监控)、DataView、起重机远程管理系统(RCMS)进行交互。

2.1.1 设备端

ACCS和单机PLC都运行在同一PLC中,PLC采用西门子CPU 1517,2个Profinet接口X1、X2,X1有2个RJ45端口,X2有1个RJ45端口,1个Profibus DP接口。其中X1端口和DP端口用于与机器上设备进行内部通信,X2端口与ROS通信,包括Profinet、TCP、UDP通信。另外还通过X2口与相邻场桥单机PLC进行TCP通信。

2.1.2 操作台端

ROS PLC采用西门子CPU 1513,包含1个Profinet接口,2个RJ45端口。ROS通过该接口与单机PLC进行Profinet通信,并且和ACCS进行TCP、UDP通信。ROS通过S7和CCTV交互,通过OPC UA和DataView、RCMS进行交互。另外,ROS PLC可拓展输入、输出模块,与操作台硬件连接。

2.1.3 通讯网络

单机PLC与ROS之间进行Profinet通信来实现实时控制,平时没有操作台任务时不激活从站通信,若有远程任务需要远程连接通信时,则单机PLC激活对应ROSPLC从站,建立Profinet通信。系统间交换机等网络设备需要支持Profinet通信,由于Profinet不能跨网段通信,需要将单机PLC的X2通信端口IP地址和ROS的通信端口IP地址划分在同一网段内。另外由于ROS与ACCS之间存在UDP组播通信,所以ROS与ACCS之间的交换机等网络设备需要开启组播协议。

2.2 系统功能实现

远控作业任务主要分为主动连接、任务跳台和选台、查看与转移。主动连接通过ROS发起,在DataView上人为选中需要连接的设备并主动介入;任务跳台通过ACCS发起,当设备无法继续自动作业需要人工干预时,ACCS选取合适的空闲ROS交由人工介入处理;查看通过ROS发起,在DataView上人为选中需要查看的设备进行作业观察;任务转移通过ROS发起,对当前ROS所连接的远程作业任务不予处理并转移给其他ROS进行处理。当ROS与单机PLC绑定连接时,ROS通知CCTV切屏至对应设备的监控画面,将操作台控制命令发送给单机PLC进行实时操控,并将设备的工作状态信息显示在操作台指示灯及DataView界面上。

电信运营商信息化业务的竞争力在于服务流程的特殊性。服务流程不是具体工作，也不是完全的人工或机器。中国电信运营商信息化业务的工作流程一般是技术人员和网络资源的配合，其中的可调性非常强。而电信运营商信息化业务与其它领域的交叉区很广，信息化的全球趋势越来越明显，社会全面接受并融化信息化的时间是可以预期的[2]。信息资源的大范围运用加速了全球信息化的进程，也提高了工业科技的水平。各方面的信息化与电信运营商信息化业务互相刺激，形成新的社会电信运营商结构。网络平台的开发和技术的提升改变了传统的信息交换模式，新的信息交换模式带来的新的时代潮流。

2.2.1 主动连接

司机在操作台DataView上人工选择连接某一设备,ROS接收到DataView主动连接命令,校验命令无误后,ROS作为TCP Client主动与该设备ACCS建立通信,将主动连接设备的请求发送至该设备ACCS。此时ROS进入等待连接状态,该ROS不再接受其他设备的连接请求。ACCS收到主动连接请求,若设备远程连接状态为空闲且ACCS工作模式不为本地模式,则允许连接;若不满足条件则不做处理,ROS根据ACCS反馈的设备状态,取消主动连接申请,断开TCP连接,反馈DataView主动连接失败。

若ACCS允许主动连接,ACCS发送命令让单机PLC激活对应操作台Profinet通信。Profinet连接成功并且通过单机PLC反馈回来的ROS状态无异常,则设备远程连接状态变为已连接状态。若单机PLC反馈回来的ROS编号等状态异常,则ACCS远程连接状态变为错误连接;ROS接收单机PLC发送的机器号等状态异常,也转变为错误连接状态,进入异常处理流程。

Profinet连接成功建立并且无误后,ROS进入预连接状态。预连接状态下司机在操作台上点击接收按钮,ROS进入连接状态。此时设备ACCS工作模式不变,若机器产生跳台需求或者需要手柄介入,则ACCS工作模式切换到远程手动或者远程监控。若在DataView上取消预连接,ROS发送取消Profinet连接命令给单机PLC,单机PLC取消激活Profinet连接。解绑成功后,ROS恢复空闲状态。

操作台释放后,若无故障则ACCS工作模式恢复自动,连接状态变为空闲;若还有故障则连接状态变为待人工介入状态,继续任务跳台流程。

2.2.2 任务跳台和选台功能

设备故障、远程监控或者半自动任务,此时ACCS连接状态变为待人工介入,ACCS触发智能选台功能,在考虑ROS是否空闲的同时兼顾ROS之间的任务均衡分配,合理选中远程操作台。若ROS同时接收到多个ACCS跳台申请,则根据设备等待时间和任务紧迫程度进行选择,反馈给ACCS该场桥设备是否被选中。若不允许进一步连接,则ACCS断开TCP连接,继续查询其他ROS是否可跳台。

ROS同意跳台后,变为等待连接状态,ACCS允许进一步连接后,通知单机PLC激活对应远程操作台Profinet通信。Profinet连接成功并且通过单机PLC反馈回来的ROS状态无异常,则ACCS状态变为已连接状态。若单机PLC反馈回来的ROS编号等状态异常,则ACCS连接状态变为错误连接;ROS接收单机PLC发送的机器号等状态异常,也转变为错误连接状态,进入异常处理流程。

故障模式下操作台点击释放按钮后,ROS发送释放命令给单机PLC,单机PLC取消激活Profinet连接并且转发释放命令给ACCS。解绑成功后,ROS恢复空闲状态。若设备无故障则ACCS工作模式恢复自动,连接状态变为空闲;若还有故障则连接状态变为待人工介入状态,继续任务跳台流程。再次查询操作台时,优先查询之前连接操作台是否空闲,若操作台不空闲则查询其他ROS。

远程监控或者半自动模式下,远程任务完成,ROS根据单机PLC转发的ACCS工作状态信息变化,发送释放命令给单机PLC,单机PLC取消激活Profinet连接。解绑成功后,ROS恢复空闲状态,ACCS远程连接状态恢复空闲。

半自动模式下在远程任务过程中,若发生故障则不转移ROS,继续保持单机PLC与该ROS之间的Profinet连接,保证同一个远程任务的操作连贯性。

2.2.3 查看与任务转移

ROS发起查看设备请求给ACCS,若设备已被某一ROS连接,并且没有其他ROS查看的情况下,允许查看,若不满足条件则不允许查看。ACCS接收到结束查看命令,或者ROS与单机PLC之间Profinet连接断开,ACCS回复ROS结束查看。

ROS发起任务转移,此时设备绑定连接ROSA作业,选择将设备转移到ROS B进行绑定。ACCS收到ROS A的转移请求后查询ROS B状态,若ROS B允许连接,则设备单机PLC先与ROSA解绑,再与ROSB绑定;若ROSB不允许连接,则ACCS回复ROSA拒绝转移,DataView上显示转移失败。

2.2.4 ROS与CCTV/DataView/RCMS交互

每个操作台电脑上的CCTV软件通过S7通信方式与该操作台ROS进行交互。当操作台与某一设备绑定连接时,单机PLC通过Profinet将该场桥设备的编号、位置、切屏模式等信息发给ROS,ROS转发给该操作台CCTV软件,从而实现画面切换和部分设备信息显示。

DataView将登录登出信息发送给ROS,并通过OPC UA通信方式与该操作台ROS进行交互。当操作台与某一设备绑定连接时,单机PLC通过Profinet将该设备信息发送给ROS,ROS转发给该操作台DataView软件,显示设备当前信息。另外ROS还将部分DataView操作命令结合操作台手柄、按钮等命令发送给单机PLC。

RCMS还和所有ROS通过OPC UA通信方式进行交互,将操作台状态显示在RCMS上,RCMS还可以根据这些信息进行操作台作业统计。另外ROS接收RCMS部分设置信息,可以设置某个操作台只接收选中的部分场桥设备的跳台任务,或者执行连续作业模式。

2.2.5 大车防撞

传统场桥设备之间的大车防撞,是通过RCCS和所有场桥单机PLC通信,获取所有设备的大车位置、大车速度等信息后,再将相邻设备信息分发给所有设备来实现的。分布式方案中堆场管理系统下发左右相邻机器号至设备ACCS,ACCS再转发给单机PLC,单机PLC通过TCP IP方式和相邻机器的单机PLC通信。单机PLC将左、右相邻机器大车位置、大车速度等信息发给本机ACCS,单机PLC和ACCS根据相邻大车位置、大车速度等信息实现大车防撞保护功能。

2.3 测试结果

在某码头对分布式远控系统进行实施测试。其中场桥设备14台,ROS5台,ROS与ACCS通过UDP组播、单播的方式互相传递状态信息,并通过TCP申请建立连接,申请通过后PLC采用激活Profinet从站的方式与ROS连接实现远程作业。远控系统至今稳定运行,各个ROS与ACCS相互独立运行,互不影响。现场采集了1周时间内2台ROS的作业统计(见图1)。

图1 ROS2、ROS3作业情况统计

3 结语

分布式远控简化了远控系统的整体架构,将原有的软件系统的功能融合至更加稳定可靠的自动化控制系统中,可节省硬件、设计和调试等成本,提升远控系统的稳定性、扩展性、兼容性,充分满足码头用户对于分布式远控的应用需求。