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1. 概述

    起重機(jī)是碼頭與港口的主要生產(chǎn)設(shè)備，起重設(shè)備的運(yùn)行狀況是碼頭的管理者時(shí)刻關(guān)心的大事。使用遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)可以有效地提高故障設(shè)備修復(fù)的工作效率。它能使設(shè)備的維護(hù)修理人員在故障發(fā)生的第一時(shí)間及時(shí)了解故障信息，而不論他或她所處的地點(diǎn)距離故障設(shè)備有多遠(yuǎn)，這樣可以大大節(jié)約故障查找的時(shí)間。通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)甚至可以遠(yuǎn)距離對(duì)設(shè)備進(jìn)行編程工作，這對(duì)某些緊急情況下，如備件不足時(shí)，需要對(duì)控制器進(jìn)行局部的程序修改時(shí)很有意義。

    現(xiàn)代的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)與過(guò)去相比性能上已有了很大的提高,它是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電子技術(shù)、現(xiàn)代通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件等的綜合運(yùn)用。計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以極大地提高人們的生產(chǎn)自動(dòng)化水平和生產(chǎn)效率,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于許多行業(yè)和領(lǐng)域。

    在互聯(lián)網(wǎng)誕生之前，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)大都使用公用電話(huà)網(wǎng)和一些專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線(xiàn)傳輸受到地形和電臺(tái)的功率限制，遠(yuǎn)距離難以實(shí)現(xiàn)；專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域范圍也有限，且建立網(wǎng)絡(luò)所需的成本較高；公用電話(huà)網(wǎng)覆蓋的地區(qū)范圍雖大，但在跨省市或國(guó)家時(shí)所產(chǎn)生的高額長(zhǎng)途話(huà)費(fèi)，使得監(jiān)控成本過(guò)高，并且速度很慢。因此，一直以來(lái)，由于缺少一個(gè)覆蓋面廣、通信成本低且速度足夠快的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)而制約著遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用。互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)以及無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)的進(jìn)步，為工業(yè)自動(dòng)化的遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。互聯(lián)網(wǎng)覆蓋面廣，幾乎覆蓋了世界的各個(gè)角落；通信成本低，不存在異地通信成本差異；速度較快，除了傳輸文本數(shù)據(jù)流之外，還可以同時(shí)傳輸音頻、視頻流數(shù)據(jù)，使遠(yuǎn)程監(jiān)控的內(nèi)容更加豐富、使用更加方便。更重要的是，隨著信息高速公路的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)一步發(fā)展的潛力巨大，速度、可靠性和安全性將不斷提高。

    對(duì)于港口或碼頭小范圍內(nèi)的遠(yuǎn)程監(jiān)控使用局域網(wǎng)則更為適合，局域網(wǎng)通過(guò)增加一個(gè)網(wǎng)關(guān)可以直接與互聯(lián)網(wǎng)相連。這樣可滿(mǎn)足在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的需要。目前大部分港口都已建立了全港口范圍內(nèi)的局域網(wǎng)，即使沒(méi)有，新建的費(fèi)用也很有限。問(wèn)題的難點(diǎn)在于與被監(jiān)控的起重機(jī)的通訊鏈路的選擇。在以前的設(shè)備中，有過(guò)各種有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)的通訊鏈路的應(yīng)用，但往往在起重機(jī)交付之后遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能也已建立完畢，今后的任何改動(dòng)都只能由系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)者親自進(jìn)行，如監(jiān)控范圍，地點(diǎn)的改變，用戶(hù)需增加的監(jiān)控內(nèi)容等。

    本文提出的NetSCADA遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具有靈活的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，通過(guò)對(duì)集裝箱碼頭的輪胎吊及橋吊的遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用的實(shí)際運(yùn)行考驗(yàn)，具有實(shí)時(shí)、穩(wěn)定、高效等特點(diǎn)。該系統(tǒng)使用了最新的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、加密技術(shù)和監(jiān)控軟件組態(tài)技術(shù)，使用戶(hù)可以利用互聯(lián)網(wǎng)在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間、同時(shí)連接監(jiān)控多個(gè)遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。并且，在此基礎(chǔ)上可對(duì)設(shè)備的控制器進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)試、控制和維護(hù)等工作。

2. 系統(tǒng)組成和實(shí)現(xiàn)

    該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示：

    圖中所示的監(jiān)控站，不論是在碼頭辦公區(qū)，還是處于碼頭以外的遠(yuǎn)地監(jiān)控站，都可對(duì)該碼頭作業(yè)區(qū)的任何一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。由圖還可以看出，該系統(tǒng)隨著碼頭港口的不斷發(fā)展，無(wú)論是監(jiān)控點(diǎn)還是被監(jiān)控點(diǎn)，系統(tǒng)都可以方便適應(yīng)控制范圍或地點(diǎn)的變化。

    每個(gè)監(jiān)控站安裝運(yùn)行由海得公司開(kāi)發(fā)的NetSCADA遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件，可以對(duì)各種型號(hào)的PLC進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。被監(jiān)控設(shè)備可以來(lái)自不同的廠(chǎng)商，只要在PLC中定義好可監(jiān)控資源表，監(jiān)控站的建設(shè)與被監(jiān)控設(shè)備的建設(shè)可以分別獨(dú)立進(jìn)行。

    被監(jiān)控的起重設(shè)備的PLC控制器必須有以太網(wǎng)接口，在被監(jiān)控的龍門(mén)吊或岸邊吊的控制房?jī)?nèi)安裝無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋的RJ45接口和設(shè)備上的PLC控制器以太網(wǎng)模塊的RJ45端口使用以太網(wǎng)線(xiàn)相連接，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋通過(guò)饋線(xiàn)與安裝在起重機(jī)頂部的全向天線(xiàn)相連接。在辦公區(qū)的主控樓安裝一套AP8000無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)集線(xiàn)器，它通過(guò)饋線(xiàn)與安裝在樓頂?shù)娜蛱炀€(xiàn)相連接。這樣，PLC的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)信號(hào)與控制室的局域網(wǎng)交換數(shù)據(jù)，通訊速率達(dá)11M。從而避免了架設(shè)專(zhuān)用通訊線(xiàn)路。被監(jiān)控設(shè)備上的PLC控制器通過(guò)無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)網(wǎng)橋和AP8000無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)集線(xiàn)器與其他聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控計(jì)算機(jī)共用同一個(gè)局域網(wǎng)段的IP地址，如同在辦公區(qū)的局域網(wǎng)內(nèi)增加了新成員。位于辦公區(qū)局域網(wǎng)內(nèi)的任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)都能夠?qū)ψ鳂I(yè)區(qū)的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。辦公區(qū)的聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)必須安裝NetSCADA中心遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件，方可實(shí)施對(duì)作業(yè)區(qū)的所有起重設(shè)備進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)控。如果辦公區(qū)的局域網(wǎng)有接入INTERNET的設(shè)備，如ADSL、ISDN等，NetSCADA中心遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件就可以安裝在任何地點(diǎn)，任何一臺(tái)能夠接入INTERNET的電腦上，可進(jìn)行真正意義上的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

    NetSCADA中心遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件是專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的用于局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件，使用了最新的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，數(shù)據(jù)加密技術(shù)，數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)及其訪(fǎng)問(wèn)接口技術(shù)，以及工控組態(tài)軟件技術(shù)，并應(yīng)用軟件組件技術(shù)和軟件開(kāi)發(fā)工具將各單項(xiàng)技術(shù)集成在一起，構(gòu)建了該大型軟件系統(tǒng)。它可根據(jù)用戶(hù)的不同要求開(kāi)發(fā)監(jiān)控功能，并具有完善的組態(tài)功能。以下是該系統(tǒng)所使用的關(guān)鍵技術(shù)：
    （1） TCP/IP協(xié)議：
    TCP/IP主要是指用于Internet的兩種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（或者說(shuō)是數(shù)據(jù)傳輸方法）：傳輸控制協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)互連協(xié)議。然而，TCP/IP只是稱(chēng)為T(mén)CP/IP協(xié)議包中的許多協(xié)議中的兩種，而完整的TCP/IP協(xié)議包則包含了許多其他常用的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議如地址解析協(xié)議（ARP）、文件傳輸協(xié)議（FTP）、超文本傳輸協(xié)議（HTTP）等。
    （2） 套接字（Socket）技術(shù)
    套接字是通信的基石，是支持TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信的基本操作單元。可以將套接字看作不同主機(jī)間的進(jìn)程進(jìn)行雙向通信的端點(diǎn)，它構(gòu)成了在單個(gè)主機(jī)內(nèi)及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)間的編程界面。套接字存在于通信域中，通信域是為了處理一般的線(xiàn)程通過(guò)套接字通信而引進(jìn)的一種抽象概念。套接字一般都采用Client/Server模型在網(wǎng)絡(luò)上傳遞數(shù)據(jù)，即通信的兩端分別是Client端和Server端。由Client端向Server端發(fā)出連接請(qǐng)求，Server端監(jiān)聽(tīng)并響應(yīng)Client端的連接請(qǐng)求，建立連接后，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在Client端和Server端的雙向傳輸。
    （3） 數(shù)據(jù)庫(kù)訪(fǎng)問(wèn)接口ODBC和DAO
    ODBC是Open Database Connectivity（開(kāi)放式數(shù)據(jù)庫(kù)連通性）縮寫(xiě)，可能是使用最廣泛的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)訪(fǎng)問(wèn)接口。它是一種底層接口，特點(diǎn)是高效靈活，但比較復(fù)雜，且只能訪(fǎng)問(wèn)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)。

    DAO是Data Access Object（數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)對(duì)象）的縮寫(xiě)，它是一種底層接口，是主要針對(duì)Access數(shù)據(jù)庫(kù)Jet引擎開(kāi)發(fā)的一種數(shù)據(jù)庫(kù)訪(fǎng)問(wèn)接口，用于訪(fǎng)問(wèn)Access數(shù)據(jù)庫(kù)比較高效，但訪(fǎng)問(wèn)其他數(shù)據(jù)庫(kù)則比較慢。
    （4） COM技術(shù)
    COM是由Microsoft公司提出的組件標(biāo)準(zhǔn)，它不僅定義了組件程序之間進(jìn)行交互的標(biāo)準(zhǔn)，并且也提供了組件程序運(yùn)行所需的環(huán)境。在COM標(biāo)準(zhǔn)中，一個(gè)組件程序也被稱(chēng)為一個(gè)模塊，它可以是一個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，被稱(chēng)為進(jìn)程內(nèi)組件（in-process component）；也可以是一個(gè)可執(zhí)行程序，被稱(chēng)為進(jìn)程外組件（out-of-process component）。一個(gè)組件程序可以包含一個(gè)或多個(gè)組件對(duì)象，因?yàn)镃OM是以對(duì)象為基本單位的模型，所以在程序與程序之間進(jìn)行通信時(shí)，通信的雙方應(yīng)該是組件對(duì)象，也叫做COM對(duì)象，而組件程序（或稱(chēng)做COM程序）是提供COM對(duì)象的代碼載體。
    （5） OPC標(biāo)準(zhǔn)與OPC驅(qū)動(dòng)
    OPC是OLE for Process Control（過(guò)程控制領(lǐng)域的對(duì)象鏈接嵌入）的縮寫(xiě)，是OPC Foundation組織開(kāi)發(fā)的一套用于過(guò)程控制的OLE/COM接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，用以推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的不同廠(chǎng)家或不同設(shè)備間的通訊互連或數(shù)據(jù)交換與訪(fǎng)問(wèn)。

    在實(shí)施的案例中，被監(jiān)控的起重機(jī)的控制器采用的是GE9030系列PLC，監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)使用TCP/IP MODBUS協(xié)議與之通訊，結(jié)果令人滿(mǎn)意，得到用戶(hù)的認(rèn)可。

3、系統(tǒng)特點(diǎn)

    基于互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)早已有之，目前應(yīng)用較多的是Web Server方式，應(yīng)用上有很大的限制。本系統(tǒng)與之有較大的區(qū)別，兩種方式的主要區(qū)別見(jiàn)表一。

    該遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)邏輯上分為4個(gè)部分：監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)端（即被監(jiān)控設(shè)備）、監(jiān)控中心端(分布于各地的監(jiān)控站)、IP交換服務(wù)器和互聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備，見(jiàn)圖2。簡(jiǎn)要說(shuō)明各部分的作用如下：
    監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)：除了可以和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制層一起組成獨(dú)立的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)之外，也負(fù)責(zé)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心交互，協(xié)助中心完成設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控任務(wù)，一般是計(jì)算機(jī)或PLC等；
    監(jiān)控中心：運(yùn)行NetSCADA軟件的計(jì)算機(jī)，負(fù)責(zé)對(duì)多臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行集中管理，監(jiān)測(cè)在線(xiàn)設(shè)備狀態(tài)，排除設(shè)備故障；可遠(yuǎn)程提取現(xiàn)場(chǎng)故障數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析；
    IP交換服務(wù)器：負(fù)責(zé)完成具有相同標(biāo)識(shí)的監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)和監(jiān)控中心之間的IP交換任務(wù)，使得被監(jiān)控端不需要申請(qǐng)固定的IP地址；
    互聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備：負(fù)責(zé)將監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)和監(jiān)控中心接入互聯(lián)網(wǎng)，可以是Modem、ISDN、ADSL、網(wǎng)關(guān)或其他可用的上網(wǎng)設(shè)備。

4．總結(jié)

    通過(guò)在不同碼頭的橋吊、龍門(mén)吊的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，確定無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的安裝方式，保證了一定距離內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐耆珪惩ā０ㄈ蛱炀€(xiàn)的安裝位置、饋線(xiàn)的走線(xiàn)方式以及AP8000，網(wǎng)橋的安裝位置等。

    同時(shí)測(cè)試了基于以太網(wǎng)的OPC驅(qū)動(dòng)性能，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_率。

    在主控機(jī)房可直接監(jiān)控作業(yè)區(qū)的起重設(shè)備的工作情況，無(wú)線(xiàn)信號(hào)能覆蓋整個(gè)碼頭和堆場(chǎng)。
    （1） 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心可對(duì)碼頭的任何一臺(tái)起重設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；
    （2） 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心可對(duì)分散的多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組織管理；
    （3） 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)接入互聯(lián)網(wǎng)之后均能對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，必要時(shí)可對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷，排除故障使設(shè)備恢復(fù)正常運(yùn)行；
    （4） 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備出現(xiàn)運(yùn)行故障及時(shí)向遠(yuǎn)程監(jiān)控中心報(bào)警；
    （5） 存儲(chǔ)設(shè)備運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)，并可供現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程用戶(hù)查詢(xún)、分析和打印；
    （6） 當(dāng)報(bào)警發(fā)生時(shí)，不僅可以記錄報(bào)警信息，還能記錄與每條報(bào)警信息關(guān)聯(lián)的前m秒后n秒的變量數(shù)據(jù)，便于對(duì)報(bào)警原因進(jìn)行深入分析。

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