基于OPC技术的自动化集装箱码头监控系统设计

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　　摘 要：为实现集装箱码头的自动化运转，运用Visual Basic 6.0软件开发平台，设计自动化集装箱码头实时监控系统.该系统通过工业以太网，结合开放式过程控制（OLE for Process Control，OPC）技术，实现上位机与S7-300 PLC的实时通信.经过集装箱码头装卸系统仿真模型实际运行验证，该实时监控系统达到设计目标，且具有稳定性和可靠性.
　　关键词：开放式过程控制； S7-300； 以太网； Visual Basic 6.0； 集装箱码头
　　中图分类号：U656.135； TP277.3文献标志码：A
　　
　　Design of automatic container terminal monitoring system
　　based on OPC technology
　　ZHANG Ning, XUE Shilong, CHEN Jiamin, CAO Jinhu
　　(Logistics Engineering College, Shanghai Maritime Univ., Shanghai 201306, China)
　　Abstract： To realize the automation of container terminal operation, a real-time monitoring system of automatic container terminal is designed based on the software development platform of Visual Basic 6.0. The OLE for Process Control (OPC) technology is used to realize the real-time communication between PC and S7-300 PLC through the industrial Ethernet. The actual operation of the container terminal model shows that the real-time monitoring system has achieved the design target，and is of stability and reliability.
　　Key words： OLE for process control; S7-300; Ethernet; Visual Basic 6.0; container terminal
　　
　　0 引 言
　　近年来，全球集装箱运输量大幅度提高，集装箱码头面临通过能力不足、服务水平不高和营运成本过高的压力.同时，集装箱码头的自动化运转技术、设备和控制软件得到重视和发展，实用性不断增强.越来越多的人意识到集装箱码头的自动化运转是稳定可靠地提高码头通过能力和服务水平、降低营运成本的可行且有效的方法之一.［1］自动化集装箱码头设计包含的内容很多，其中实时监控系统是必不可少的一部分.
　　由上海振华重工（集团）股份有限公司（ZPMC）提出的自动化集装箱码头装卸系统，大致可分为6个组成部分：高效岸边集装箱起重机、自动化立体轨道电动小车传送系统、轨道式龙门集装箱起重机、装卸设备调度和协调控制系统、码头装卸运作计划系统和设备远程控制和智能维护系统等.由此可见，集装箱码头的现场设备数量大、种类多，这对现场设备的开放性和交互性提出很高的要求.因此, 如何解决上位机与现场设备之间的实时通信是自动化集装箱码头监控系统开发的重点之一.
　　工业以太网作为一项比较成熟的技术正向自动化控制领域逐步渗透，用于实现现场设备和监控层之间的通信.与目前的现场总线相比，以太网具有应用广泛、成本低廉、通信速率高、软硬件资源丰富、可持续发展潜力大等诸多特点［2］；同时具有强大的开放性，能方便地与管理系统集成，实现现场设备的远程监控.开放式过程控制（OLE for Process Control,OPC）技术是一种连接硬件装置或软件数据库等数据源与过程控制客户应用程序之间的标准化的接口协议，它可以显著地增强过程控制领域中的控制系统、现场设备、管理应用程序之间的互操作性，为实时综合监测系统的开发提供一条高效、可靠的新途径.［3］
　　本文设计的自动化集装箱码头监控系统，采用SIMATIC NET软件组态OPC服务器，运用Visual Basic(VB)6.0开发OPC服务器的客户端应用程序，通过OPC技术和工业以太网实现上位机与西门子S7-300之间的数据交互.
　　1 自动化集装箱码头监控系统组成
　　系统设计以ZPMC集装箱码头装卸系统仿真模型为对象.仿真模型采用PC机作为上位机进行集中监控，以西门子S7-300 PLC分散控制集装箱码头现场设备.
　　1.1 硬件配置
　　硬件主要有：PC机、PS307电源模块、CPU315-2 DP CPU模块、DO 32xDC 输出模块、DI 32xDC输入模块、CP343- 1以太网通信模块和网络双绞线等.
　　CPU与PLC通信使用以太网通信处理器CP343-1模块.系统设计采用TCP/IP以太网总线，PC机上安装普通网卡，PC与PLC间用普通网络双绞线连接.
　　1.2 系统的网络结构
　　系统自上而下可以分为4个层次：
　　（1）监控管理层. 运用PC机对现场数据信息进行监控.集控室工作人员向现场设备发送控制命令，并通过监控界面实时观察现场设备的状态信息及集装箱的工作进程.
　　（2）通信层.上位机通过OPC接口与OPC服务器交互，即通过OPC接口调用服务器提供的方法，同时OPC服务器通过连接点方式发送数据给OPC客户端；OPC服务器通过工业以太网与现场设备交互，即对现场设备S7-300进行读写操作.
　　（3）现场控制层.通过S7-300进行现场智能信息采集，其外接模拟量输入(或输出)、开关信号输入(或输出)等接点的主要作用是对监控对象(即集装箱码头的现场设备)进行各种控制和数据采集，并将采集的数据上传给上位机；上位机即监控计算机采用普通网卡通过工业以太网与CP343-1通信.
　　（4）现场设备层.包括自动化集装箱码头装卸系统的所有现场设备，通过过程现场总线与PLC相连.
　　系统网络结构见图1.
　　图1 系统网络结构
　　2 自动化集装箱码头监控系统程序设计2.1 OPC服务器简介
　　OPC服务器主要由服务器对象、组对象、项对象、数据存储区和TCP/IP通信接口组成［4］，其组成结构见图2.
　　图2 OPC服务器结构
　　OPC数据访问提供从数据源读取和写入特定数据的手段，从而实现对现场设备特定执行机构的监控.一个OPC对象具有一个作为子对象的OPC组集合对象，在该对象里可以添加多个OPC组.每个OPC组对象都具有一个作为子对象的OPC项集合对象，在该对象里可以添加多个OPC对象(即标签).
　　2.2 OPC服务器与S7-300连接通信的组态
　　为通过工业以太网用OPC技术实现PC机与S7-300的实时通信，必须在设计OPC应用程序前完成OPC服务器与S7-300连接通信的组态，其目的就是通过工业以太网建立OPC服务器与S7-300的连接，只有建立连接以后开发的OPC应用程序才有效.
　　在SIMATIC NET和STEP 7软件环境下，可完成OPC服务器与S7-300连接通信的硬件组态，主要包括：配置PC站的硬件机架；配置控制台（Configuration Console）的使用与设置；在STEP 7中组态PC Station；组态下载；数据通信的测试――OPC Scout.［5］
　　2.3 OPC应用程序设计
　　OPC规范规定同步和异步两种通信方式.集装箱码头现场设备的数量和种类较多，因此集装箱码头监控系统可以存储大量数据、允许多客户访问同一OPC服务器且具有较高的效率.基于上述考虑，系统设计采用异步通信方式.
　　VB应用程序设计所使用的可视化集成开发环境，具有简单易学、易于掌握、功能强大、界面丰富等特点.因此，采用VB进行OPC应用程序设计，具体步骤［6］如下：
　　（1）在VB中建立新工程或项目，引用OPCDAAuoto.DLL文件，并选择OPC Automation 2.0.只有引用OPCDAAuoto.DLL后，才能在程序中创建服务器对象，然后进行一系列操作.
　　（2）在程序中定义全局变量, 包括OPC服务器、组集合、标签集合、服务器句柄、事务标志符和取消标志符等，并在声明中加上“WithEvents”语句使被声明的对象变量引用可以响应事件.
　　（3）连接OPC服务器并建立OPC组.
　　（4）添加OPC项标志符.项标志符的数量与自动化集装箱码头监控系统相应界面实际需访问的S7-300变量数量相一致，并一一对应.
　　（5）用定时器事件周期性地调用异步写事件，传送数据信息给S7-300控制的现场设备，完成对自动化集装箱码头现场设备的控制.
　　（6）调用DataChange事件,对现场设备变化的数据信息进行相应处理，并将所需结果直观地显示于监控界面.
　　（7）断开OPC服务器，结束通信.
　　由于代码可反复使用，以上各步功能的实现均采用子程序编写.OPC客户端通过OPC应用程序访问OPC服务器数据的过程［7］见图3.
　　图3 访问OPC服务器数据的过程
　　自动化集装箱码头监控系统通过调用上述OPC应用程序即可实现上位机与S7-300的实时通信，在此基础上即可利用VB设计自动化集装箱码头的实时监控界面.
　　2.4 实时监控程序设计
　　集装箱码头装卸系统仿真模型中的被监控对象主要有岸桥、低桥小车、低桥旋转吊、地面平板小车、场桥、远端场桥等6部分，每部分均包含几个不同的执行机构，需要实时监控.在各执行机构的相应位置都安装有传感器，这些传感器的信号就是监控系统需要实时采集的数据信息.相对应于6个组成部分，监控系统设计6个状态显示界面，且每个界面囊括各部分对应的各执行机构.监控系统主界面见图4.
　　图4 监控系统主界面
　　集装箱自动化码头监控系统实现自动化运行首先需要确定待操作集装箱的位置、集装箱待执行的操作任务（装载或卸载）以及集装箱的运行路线等信息.因此，在该实时监控程序中设计任务计划界面，供工作人员制定任务计划.任务计划经确定后通过调用异步写事件完成对集装箱码头装卸系统中相应现场设备的控制，从而使集装箱码头装卸系统自动完成指定的任务计划.对集装箱码头装卸系统的运行和停止操作也采用相同的控制方式.
　　集装箱码头装卸系统仿真模型中被监控对象的信息是不断变化的，因此系统需要较高的实时性.而OPC技术和工业以太网的通信具有较高的数据传送性能，同时利用DataChange事件采集数据信息便可以实现实时的动态数据交换，从而实现对集装箱码头装卸系统的实时监测.最后，将监测的数据信息即执行机构的运行状态，如运行方向、运行位置和执行机构的电气状态以及集装箱的所在位置等，在各监控界面中以指示灯、方向标志和文字等形式直观地显示出来，图5为岸桥状态显示界面.
　　图5 岸桥状态显示界面
　　此外，集装箱码头装卸系统中报警信息的采集和保存也非常重要.工作人员可以根据报警及时消除故障，还可以根据历史报警信息对故障进行详细分析.因此，在实时监控程序中对重要的监测点设计 报警判断子程序，当监测的执行机构出现异常情况时，该监测点自动报警并将报警信息显示在报警记录界面中，见图6.
　　图6 报警记录界面
　　点击该界面中的“打印预览”按钮，将显示打印预览界面，单击工具栏中的“打印”按钮，就可以打印出以往的报警情况.报警显示界面允许工作人员根据实际操作经验选择性地删除不重要的报警信息，从而为重要的报警信息节约存储空间.
　　3 结 论
　　采用OPC技术设计自动化集装箱码头实时监控系统.该系统运用VB 6.0作为软件开发平台，通过以太网实现上位机与S7-300 PLC的实时通信.经集装箱码头装卸系统仿真模型实际运行验证，该监控系统具有稳定性、可靠性和实时性.按照上述方案运用VB软件所设计的监控平台还可应用于其他工业控制设备，在工业自动化控制系统中具有一定的应用价值.
　　
　　参考文献：
　　［1］彭传圣. 汉堡港的自动化集装箱码头［J］. 集装箱化, 2005, 16(2): 21-23.
　　［2］钱晓江.基于工业以太网的船舶集成网络平台［J］.上海海事大学学报，2007，28(2)：48-52.
　　［3］叶银忠.OPC技术与过程监测系统开发［J］.上海海运学院学报，2001，22(3)：205-209.
　　［4］蒋近. 基于OPC 技术的监控主站实时数据传输［J］. 电力自动化设备, 2008, 28(9): 97-100.
　　［5］郭会娟. OPC 技术在小型监控系统中的应用［J］. 微计算机信息, 2009, 25(5-1): 55-64.
　　［6］张俊彪. 基于OPC Server的PC与S7-300 / 400 的通信［J］. 电力自动化设备, 2007, 27(4): 83-86.
　　［7］胡忠德. 基于OPC 技术的数据采集系统［J］. 自动化技术与应用, 2008, 27(11): 42-48.
　　(编辑 贾裙平)
　　
　　注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

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