1. 概述

    起重機是碼頭與港口的主要生產(chǎn)設備，起重設備的運行狀況是碼頭的管理者時(shí)刻關(guān)心的大事。使用遠程監控技術(shù)可以有效地提高故障設備修復的工作效率。它能使設備的維護修理人員在故障發(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)距離故障設備有多遠，這樣可以大大節約故障查找的時(shí)間。通過(guò)遠程監控技術(shù)甚至可以遠距離對設備進(jìn)行編程工作，這對某些緊急情況下，如備件不足時(shí)，需要對控制器進(jìn)行局部的程序修改時(shí)很有意義。

    現代的遠程監控系統與過(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)、現代通訊技術(shù)、計算機軟件等的綜合運用。計算機遠程監控系統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)被廣泛應用于許多行業(yè)和領(lǐng)域。

    在互聯(lián)網(wǎng)誕生之前，遠程監控系統的數據傳輸網(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的功率限制，遠距離難以實(shí)現；專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )覆蓋的區域范圍也有限，且建立網(wǎng)絡(luò )所需的成本較高；公用電話(huà)網(wǎng)覆蓋的地區范圍雖大，但在跨省市或國家時(shí)所產(chǎn)生的高額長(cháng)途話(huà)費，使得監控成本過(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據傳輸網(wǎng)絡(luò )而制約著(zhù)遠程監控系統在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的發(fā)展和應用?；ヂ?lián)網(wǎng)的出現以及無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)的進(jìn)步，為工業(yè)自動(dòng)化的遠程監控應用提供了堅實(shí)的基礎?；ヂ?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，除了傳輸文本數據流之外，還可以同時(shí)傳輸音頻、視頻流數據，使遠程監控的內容更加豐富、使用更加方便。更重要的是，隨著(zhù)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。

    對于港口或碼頭小范圍內的遠程監控使用局域網(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)足在全球范圍內實(shí)現遠程監控的需要。目前大部分港口都已建立了全港口范圍內的局域網(wǎng)，即使沒(méi)有，新建的費用也很有限。問(wèn)題的難點(diǎn)在于與被監控的起重機的通訊鏈路的選擇。在以前的設備中，有過(guò)各種有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)的通訊鏈路的應用，但往往在起重機交付之后遠程監控的功能也已建立完畢，今后的任何改動(dòng)都只能由系統的開(kāi)發(fā)者親自進(jìn)行，如監控范圍，地點(diǎn)的改變，用戶(hù)需增加的監控內容等。

    本文提出的NetSCADA遠程監控系統具有靈活的網(wǎng)絡(luò )構架，通過(guò)對集裝箱碼頭的輪胎吊及橋吊的遠程監控應用的實(shí)際運行考驗，具有實(shí)時(shí)、穩定、高效等特點(diǎn)。該系統使用了最新的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數據庫技術(shù)、加密技術(shù)和監控軟件組態(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)連接監控多個(gè)遠程現場(chǎng)設備。并且，在此基礎上可對設備的控制器進(jìn)行遠程調試、控制和維護等工作。

2. 系統組成和實(shí)現

    該系統的結構示意圖如下圖所示：

    圖中所示的監控站，不論是在碼頭辦公區，還是處于碼頭以外的遠地監控站，都可對該碼頭作業(yè)區的任何一臺設備進(jìn)行監控。由圖還可以看出，該系統隨著(zhù)碼頭港口的不斷發(fā)展，無(wú)論是監控點(diǎn)還是被監控點(diǎn)，系統都可以方便適應控制范圍或地點(diǎn)的變化。

    每個(gè)監控站安裝運行由海得公司開(kāi)發(fā)的NetSCADA遠程監控軟件，可以對各種型號的PLC進(jìn)行遠程監控。被監控設備可以來(lái)自不同的廠(chǎng)商，只要在PLC中定義好可監控資源表，監控站的建設與被監控設備的建設可以分別獨立進(jìn)行。

    被監控的起重設備的PLC控制器必須有以太網(wǎng)接口，在被監控的龍門(mén)吊或岸邊吊的控制房?jì)劝惭b無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋的RJ45接口和設備上的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)與安裝在起重機頂部的全向天線(xiàn)相連接。在辦公區的主控樓安裝一套AP8000無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)集線(xiàn)器，它通過(guò)饋線(xiàn)與安裝在樓頂的全向天線(xiàn)相連接。這樣，PLC的數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)信號與控制室的局域網(wǎng)交換數據，通訊速率達11M。從而避免了架設專(zhuān)用通訊線(xiàn)路。被監控設備上的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)的監控計算機共用同一個(gè)局域網(wǎng)段的IP地址，如同在辦公區的局域網(wǎng)內增加了新成員。位于辦公區局域網(wǎng)內的任何一臺計算機都能夠對作業(yè)區的設備進(jìn)行數據交換。辦公區的聯(lián)網(wǎng)計算機必須安裝NetSCADA中心遠程監控軟件，方可實(shí)施對作業(yè)區的所有起重設備進(jìn)行在線(xiàn)監控。如果辦公區的局域網(wǎng)有接入INTERNET的設備，如ADSL、ISDN等，NetSCADA中心遠程監控軟件就可以安裝在任何地點(diǎn)，任何一臺能夠接入INTERNET的電腦上，可進(jìn)行真正意義上的實(shí)時(shí)遠程監控。

    NetSCADA中心遠程監控軟件是專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的用于局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)的遠程監控軟件，使用了最新的網(wǎng)絡(luò )通訊技術(shù)，數據加密技術(shù)，數據庫技術(shù)及其訪(fǎng)問(wèn)接口技術(shù)，以及工控組態(tài)軟件技術(shù)，并應用軟件組件技術(shù)和軟件開(kāi)發(fā)工具將各單項技術(shù)集成在一起，構建了該大型軟件系統。它可根據用戶(hù)的不同要求開(kāi)發(fā)監控功能，并具有完善的組態(tài)功能。以下是該系統所使用的關(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)是數據傳輸方法）：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?？梢詫⑻捉幼挚醋鞑煌鳈C間的進(jìn)程進(jìn)行雙向通信的端點(diǎn)，它構成了在單個(gè)主機內及整個(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 )上傳遞數據，即通信的兩端分別是Client端和Server端。由Client端向Server端發(fā)出連接請求，Server端監聽(tīng)并響應Client端的連接請求，建立連接后，即可實(shí)現數據在Client端和Server端的雙向傳輸。
    （3） 數據庫訪(fǎng)問(wèn)接口ODBC和DAO
    ODBC是Open Database Connectivity（開(kāi)放式數據庫連通性）縮寫(xiě)，可能是使用最廣泛的關(guān)系型數據庫訪(fǎng)問(wèn)接口。它是一種底層接口，特點(diǎn)是高效靈活，但比較復雜，且只能訪(fǎng)問(wèn)關(guān)系型數據庫。

    DAO是Data Access Object（數據訪(fǎng)問(wèn)對象）的縮寫(xiě)，它是一種底層接口，是主要針對Access數據庫Jet引擎開(kāi)發(fā)的一種數據庫訪(fǎng)問(wèn)接口，用于訪(fǎng)問(wèn)Access數據庫比較高效，但訪(fǎng)問(wèn)其他數據庫則比較慢。
    （4） COM技術(shù)
    COM是由Microsoft公司提出的組件標準，它不僅定義了組件程序之間進(jìn)行交互的標準，并且也提供了組件程序運行所需的環(huán)境。在COM標準中，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，被稱(chēng)為進(jìn)程內組件（in-process component）；也可以是一個(gè)可執行程序，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)組件對象，因為COM是以對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)，通信的雙方應該是組件對象，也叫做COM對象，而組件程序（或稱(chēng)做COM程序）是提供COM對象的代碼載體。
    （5） OPC標準與OPC驅動(dòng)
    OPC是OLE for Process Control（過(guò)程控制領(lǐng)域的對象鏈接嵌入）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)議標準，用以推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的不同廠(chǎng)家或不同設備間的通訊互連或數據交換與訪(fǎng)問(wèn)。

    在實(shí)施的案例中，被監控的起重機的控制器采用的是GE9030系列PLC，監控中心計算機使用TCP/IP MODBUS協(xié)議與之通訊，結果令人滿(mǎn)意，得到用戶(hù)的認可。

3、系統特點(diǎn)

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

    該遠程監控系統邏輯上分為4個(gè)部分：監控現場(chǎng)端（即被監控設備）、監控中心端(分布于各地的監控站)、IP交換服務(wù)器和互聯(lián)網(wǎng)接入設備，見(jiàn)圖2。簡(jiǎn)要說(shuō)明各部分的作用如下：
    監控現場(chǎng)：除了可以和現場(chǎng)設備控制層一起組成獨立的現場(chǎng)監控系統之外，也負責與遠程監控中心交互，協(xié)助中心完成設備的遠程監控任務(wù)，一般是計算機或PLC等；
    監控中心：運行NetSCADA軟件的計算機，負責對多臺現場(chǎng)設備進(jìn)行集中管理，監測在線(xiàn)設備狀態(tài)，排除設備故障；可遠程提取現場(chǎng)故障數據和歷史數據并進(jìn)行分析；
    IP交換服務(wù)器：負責完成具有相同標識的監控現場(chǎng)和監控中心之間的IP交換任務(wù)，使得被監控端不需要申請固定的IP地址；
    互聯(lián)網(wǎng)接入設備：負責將監控現場(chǎng)和監控中心接入互聯(lián)網(wǎng)，可以是Modem、ISDN、ADSL、網(wǎng)關(guān)或其他可用的上網(wǎng)設備。

4．總結

    通過(guò)在不同碼頭的橋吊、龍門(mén)吊的現場(chǎng)測試，確定無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的安裝方式，保證了一定距離內數據傳輸的完全暢通。包括全向天線(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)測試了基于以太網(wǎng)的OPC驅動(dòng)性能，保證了數據傳輸的正確率。

    在主控機房可直接監控作業(yè)區的起重設備的工作情況，無(wú)線(xiàn)信號能覆蓋整個(gè)碼頭和堆場(chǎng)。
    （1） 遠程監控中心可對碼頭的任何一臺起重設備進(jìn)行實(shí)時(shí)監控；
    （2） 遠程監控中心可對分散的多個(gè)現場(chǎng)進(jìn)行組織管理；
    （3） 遠程監控中心在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)接入互聯(lián)網(wǎng)之后均能對設備的運行狀態(tài)進(jìn)行在線(xiàn)監測，必要時(shí)可對故障設備進(jìn)行遠程診斷，排除故障使設備恢復正常運行；
    （4） 現場(chǎng)設備出現運行故障及時(shí)向遠程監控中心報警；
    （5） 存儲設備運行歷史數據，并可供現場(chǎng)和遠程用戶(hù)查詢(xún)、分析和打??；
    （6） 當報警發(fā)生時(shí)，不僅可以記錄報警信息，還能記錄與每條報警信息關(guān)聯(lián)的前m秒后n秒的變量數據，便于對報警原因進(jìn)行深入分析。

[參考資料]

[1]黎洪生，何嶺松，史鐵林等，基于B/S的遠程故障診斷專(zhuān)家系統研究，武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報，1999，第21卷第4期，P39―41
[2]季立明，王太勇，基于Internet的遠程監測診斷系統的設計與實(shí)現，微型電腦應用，2000，第3期，P9―11
[3]史金飛，洪著(zhù)財，黃仁等，基于Web界面的分布式質(zhì)量控制系統研究，東南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2000，第30卷第1期，P84―87
[4] 陳堅，陳偉等，Visual C++網(wǎng)絡(luò )高級編程，北京，人民郵電出版社，2001，P1―4，P17―18
[5]（美）匿名，網(wǎng)絡(luò )安全技術(shù)內幕，第2版，北京，機械工業(yè)出版社，2000，P27―35
[6]韓兆兵，李小進(jìn)，方海英等，Visual C++6.0網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)技術(shù)，北京，人民郵電出版社，1999，P1―9
[7]（美）Thomas Lee，Joseph Davies, Microsoft Windows 2000 TCP/IP 協(xié)議和服務(wù)技術(shù)參考，北京，人民郵電出版社，2000,P63―116，P177―190
[8]徐治，互聯(lián)網(wǎng)數據傳輸的加密方法，程序員，2001，第8期，P94―95
[9]潘愛(ài)民，COM原理與應用，北京，清華大學(xué)出版社，1999，P1―2，P12―17
[10]（美）Don Box，COM本質(zhì)論，北京，中國電力出版社，2001，P1―166
[11]（美）David S.Platt，深入理解COM+，北京，清華大學(xué)出版社，2000，P1―45
[12]（美）Mikey Williams，Windows2000編程技術(shù)內幕，第2版，北京，機械工業(yè)出版社，2000，P76―89，P248―252
[13]（美）Eugene Olafsen，Kenn Scribner，K.David White etc. MFC Visual C++6編程技術(shù)內幕，北京，機械工業(yè)出版社，2000，P225―230