数字化时代下远程集装箱起重机调试优化研究

朱人平

（上海振华重工（集团）股份有限公司长兴分公司，上海 201913）

在港口集装箱起重机的施工过程当中，系统调试项目是一个特别重要的环节。然而，传统的调试模式未发生变化。当集装箱起重机的电梯发生故障时，调试工程师就只能通过登船扶梯走到约60 m 高的PLC 控制室进行调试。这个过程不仅耗时耗力，而且需要承担很高的安全风险。调试工程师还可能遇到金属粉尘、油漆异味、临时安装的工艺平台及组装不完善的安全防护栏杆等安全隐患。为了提高调试作业工作效率和安全性，产生了探索新的调试方法和技术的需求。因此，集装箱起重机的远程调试方法显得尤为重要。通过网络连接，将被调试的设备与调试设备相连，实现远程调试，不仅可以提高调试效率，还可以保障调试工程师的安全。但是在使用远程调试工具时，需注意网络连接的稳定性和安全性，以免造成不必要的损失。

假如同一个项目的多台集装箱起重机不能实现安装临时走廊的状况，工程师便需要多次上下，既浪费时间又消耗体力。为了完成工作任务，他们只能被迫加班。电子控制室和计算机室相邻，噪音、烟雾和其他干扰因素不可避免。在这种传统调试工作模式下，由于处在恶劣的工作环境下，再加上调试工程师较长时间暴露在高频的辐射氛围中，一定程度会对其健康造成严重的伤害。这进而会导致调试工程师辞职，增加了调试人才库的难度。尤其是各个项目的责任工程师会因各种不可控因素无法在第一时间赶到集装箱起重机的调试现场，会造成调试人力极度短缺的状况，因此，有必要探索新的调试方法和技术，提高调试过程的效率和安全性。本文通过现有已经成熟的网络、视频、通信等技术，将集装箱起重机上的PLC 数据、工控机数据、视频图像数据等内容通过无线链路传输至远端的中央控制室（简称“中控室”），调试工程师在中控室处理问题，分析数据，再结合传统调试技术形成一种兼顾高效、新型、安全的调试方法和技术。

1 远程调试方法及子系统组成

该集装箱起重机远程调试方法主要由视频图像监控及工控机控制系统组成，子系统由远距离对讲、单兵设备及紧急停止安全保护三大系统组成。

1.1 视频图像监控及工控机控制系统

视频图像监控及工控机控制系统主要由工控机、自带拾音器的摄像机、路由器、POE 交换机、NVR 硬盘录像机、5G 终端接入设备、PC 客户端、管理服务器、高清解码器、LCD 拼接大屏和核心交换机组成。具体的方案组成如图1 所示，其主要分为3 部分，分别为集装箱起重机端、5G 信号传输和中控室端。

图1 视频图像监控及工控机控制系统结构图

1.1.1 集装箱起重机端

集装箱起重机端整体采用数字方案，视频图像全部以数字形式传输，数据具有较高的兼容性、抗干扰性及安全性。视频图像监控主要由视频采集和视频存储2 个系统来实现。视频采集由摄像机来完成，其被科学地布置在集装箱起重机各机构旁，使其视角能更高概率地覆盖各个部位。从调试需求出发，特别针对集装箱起重机上的视觉死角，视频图像监控子系统需要选用高清晰度的摄像机，可以将摄像机所观察到的场景显示得更加清晰，对监控区域进行全天候不间断监控，通过接入5G 网络的摄像机所采集的视频数据可供用户方随时随地查看，且不受时间、地域等因素限制，通过每个摄像机分配的IP 地址，用户方可在任何一个有网络覆盖的地方查看。自带拾音功能的摄像机可以协助调试工程师判断现场机构的运作状态，检查是否有异响，再配以NVR 硬盘录像机，实现了视频在本地存储的功能，目的在于保证视频存储平台的高质量服务。为确保集装箱起重机整个网络的安全，使用了一种无须接入公共网络即可使用的远程控制软件。要访问工控机，首先要完成远程登录IP 地址的设置，并且安装定制的远程工业控制软件。为了工作方便起见，远程工业控制软件的访问权限也可以考虑设置为固定密码，当然也可以设置为随机密码，以获得更大的安全性。每次访问前，集装箱起重机码头必须配合工作人员将随机密码通知到中控室的调试工程师。若调试工程师想要访问集装箱起重机的工业控制计算机，他们需要将所访问的集装箱起重机工业控制计算机的IP 地址和访问密码输入到中央控制室的PC 端远程控制软件后台，即可登录操控集装箱起重机上的工控机，从而实现对电控系统PLC 程序参数的修改。

1.1.2 5G 信号传输

由于集装箱起重机实时监控的高要求高标准，依据主流行业准则，4K 和8K 视频的传输速率至少要12~40 Mbps 和48~160 Mbps。此时，4G 网络不能满足所需技术要求。因此，需要提高超高清视频的传输效率。5G 传输速率是4G 网络速率的10 倍以上，网络速度快使用户有了更好的体验。因为5G 的网络响应时间是1 ms，约是4G 网络的1/10，几乎可以达到准实时的水平。又因为切片技术可以把物理网络切片成若干个虚拟网络，能适应于各种场景。在同一5G 网络中，应用网络可以确保集装箱起重机设备中画面传输质量，延迟不会受到其他5G 用户影响。而且由于5G 网络良好的承载能力可以成为解决这一场景需求的非常有效的解决手段。集装箱起重机端和中央控制室端是通过路由器和中央控制室的EG 网关建立IPsec VPN隧道。中央控制室的交换机通过中央控制室的EG 网关进入IPsec VPN 隧道，再从中央控制室端传输到5G信号基站。集装箱起重机端的5G 终端接入设备接收5G 基站发出的信号，再从5G 终端出隧道到用户设备（UE）。该方法能有效提高超高清视频的传输效率，满足网络流量、存储空间和回程延迟的技术要求，最终连上集装箱起重机端的交换机。

1.1.3 中控室端

中央控制室采用视频管理子系统，主要由5G 终端进行设备接入、路由器、管理服务器、高清解码器和核心交换机组成。5G 终端将中央控制室设备和集装箱起重机的设备接入5G 网络，由管理服务器管理设备。高清解码器对码头区发回的编码数字视频进行解码操作。安装有监控平台服务软件的PC 客户端可以集中管理视频图像，延迟低，响应速度快。可以控制和查看整个系统的所有前端录像数据，并配有高清解码器，实现在液晶拼接屏上多屏显示功能。这使得相关技术人员可以直观地了解岸桥的实时情况，及时进行指挥调度。

1.2 远距离对讲系统及单兵设备

1.2.1 远距离对讲系统

传统的集装箱起重机调试工作模式转为远程调试后，原有的对讲机联络方式已无法实现超远距离的沟通需求，一种信号好、速度快、长距离沟通的通信方式变得极为重要。远距离通信对讲的示意图如图2 所示。

图2 远距离通信对讲的示意图

图2 描述了不需要网络的长距离通信内部通信系统。通过使用信号基站，对讲机可以像公共网络一样快速运行，提供稳定、清晰和灵活的对讲机功能，并实现长距离公共网络通信。该系统通过提供全媒体和可视化功能，超越了只能进行语音通信的原始对讲机的局限性。无论是文本对话、语音对讲、照片上传，甚至视频对话，都可以实时将现场情况提交给调度平台。当生产现场出现调试需求时，可以通过调度平台以及服务器组将中央控制室的对讲设备和集装箱起重机组合在一起。专业的配合人员随后可以带着对讲设备到中控室的调试工程师那里进行远距离低延时的通信。

1.2.2 单兵设备

当集装箱起重机发生故障，需要远程调试时，工程师就需要对故障现象进行观察或检查电气元件的状态。而这需要能够传输实时信息（如视频图像）的设备。单兵设备（智能眼镜）的使用示意图如图3 所示。

图3 单兵设备（智能眼镜）的使用示意图

图3 展现了集装箱起重机端的合作人员如何通过佩戴智能眼镜来共同协助进行调试工作。现场视频通过智能眼镜以第一人称视角实时广播到中央控制室，与此同时，工作人员还可以通过视频、声音、文字和图像等沟通手段来与调试工程师进行交流。现场互动也会实时直接存储在AI 智能眼镜平台上，然后通过后台处理将结果反馈给佩戴智能眼镜的工作人员。集装箱起重机遇到技术问题，需要专家进行远程技术支持时，调试工程师可以使用远程控制软件访问集装箱起重机的工控机进行远程调试。该方法能有效提高调试过程的效率和安全性，减轻调试工程师的工作量。如果无法提供实时的故障状态会导致专家的判断出现错误，影响解决处理故障的效率。引入单兵设备后，在现场的施工人员，可将故障状态通过单兵设备实时传给远端，远端的专家可以直接给予指导，第一时间排除故障，合理利用专家资源，节约企业成本。在生产过程中，监管人员和用户还可以通过单兵设备的音视频无死角实现远程监管和巡检。这将大幅度缩短报验时间，也会有利于现场人员迅速开展下一道工序工作，从而提供基本的技术支持，降低了上下机的疲劳强度和安全风险。该方法能有效提高调试效率和安全性，减轻调试工程师的工作量，提高调试质量。

1.3 紧急停止安全保护系统

急停按钮安装在起重机操作台上，按钮常闭触点串联形成一个常闭的硬件回路电路。到最后回路会连接安全继电器，实现急停保护系统中的保护功能。当再次需要触发急停保护时，只需要按下任意急停按钮开关，常闭回路断开使安全继电器触发，集装箱起重机便无法控制和操作。然而，该系统的局限性是须在集装箱起重机上操作才可以触发。为了提高安全性，需要探索实现远程紧急停车保护的新技术和新方法。为了保证集装箱起重机远程调试的安全和稳定性，既要进行紧急停止保护系统的远程控制，还要实现集装箱起重机急停系统的正常工作，可将工业继电器的辅助触点接入原硬件回路中。远程紧急停止安全保护系统装置示意图和触发安全继电器的紧急停止保护系统硬件回路图示，分别如图4、图5 所示。

图4 远程紧急停止安全保护系统装置示意图

图5 触发安全继电器的紧急停止保护系统硬件回路图示

根据图4，智能插头的输入端通电，智能插头通过网络接入设备接入网络（该网络是为图1 中的5G 终端接入设备提供的）。此时，智能插头配置后，输出端不通电，专业的工业继电器也不会通电，a 和c 端点的常闭接口触点状态始终闭合状态不变。最后整体硬件回路接到安全继电器上。当急停保护系统需要远程激活时，输出端的电源由智能插头软件远程打开，然后由智能插头向工业继电器供电。当工业继电器得电，端子a点和c 点间常闭接口触点就会断开。图5 中远程紧急停止的常闭触点会出现断开现象，并且与安全继电器串联的硬件电路也会发生断开现象。因此，不能实现安全继电器的正常触发条件，直接会导致集装箱起重机出现无法控制关闭和操作机构不能正常工作的问题。而该方法就能有效提高集装箱起重机的安全性，减少调试工程师的工作量。这种设计主要针对紧急停止保护系统的安全性，若继续使用控制智能插座断开输出电源的方式，那么在工业继电器不得电时常开触点接入硬件回路的方式中，一旦出现智能插座在接入网络时出现断网现象或智能插座输入端异常断电或意外断电的情况，紧急停止保护系统就会出现高频次被触发的紧急状况，进而影响紧停保护系统的稳定性。

2 结束语

集装箱起重机远程调试的处理方法，对解决集装箱起重机制造阶段调试工程师数量不足的问题具有重要意义。升级调试资源的最优组合配置，可以提高调试工作的效率，不仅能够降低调试成本，而且还可以改善工作环境，进而大大降低调试过程中所产生的安全风险。一种解决方案是在中央控制室远程操作工业计算机。但是，这种方法易受到网络的限制。如果对于网络安全和网络完全有切实的保障，调试工程师就不再需要去集装箱起重机生产基地现场作业。他们就可以通过外部网络系统直接在家里实现集装箱起重机在调试时所需的技术支持和保障。该方法可以有效提高调试过程的效率和安全性，减轻调试工程师的工作量，提高调试质量。