基于貝加萊PCC架構(gòu)的自動(dòng)化碼頭調(diào)度管理與控制系統(tǒng)

周曉霞，姚彥龍，吳洲（貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（中國）有限公司，上海 200233）

基于貝加萊PCC架構(gòu)的自動(dòng)化碼頭調(diào)度管理與控制系統(tǒng)

周曉霞，姚彥龍，吳洲（貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（中國）有限公司，上海 200233）

實(shí)現(xiàn)集裝箱碼頭裝卸設(shè)備的調(diào)度管理與自動(dòng)控制，能提高集裝箱碼頭的裝卸效率，縮短運(yùn)輸船卸貨與裝貨周期，降低物流運(yùn)輸成本。本文介紹了廈門遠(yuǎn)海集裝箱碼頭傳統(tǒng)裝卸系統(tǒng)的自動(dòng)化改造工程，著重描述了該項(xiàng)目的改造目標(biāo)和規(guī)劃、碼頭調(diào)度管理與控制系統(tǒng)（簡稱ECS）的總體架構(gòu)、系統(tǒng)的各層及其功能和ECS系統(tǒng)的軟件架構(gòu)。

集裝箱碼頭；裝卸設(shè)備；自動(dòng)化改造；調(diào)度管理與控制系統(tǒng)；軟件架構(gòu)

目前世界集裝箱碼頭多數(shù)設(shè)備陳舊、自動(dòng)化程度低、吞吐量不能適應(yīng)國際貿(mào)易量的快速增長，正處于更新與換代的生命期。

提高集裝箱碼頭的裝卸效率能縮短集裝箱運(yùn)輸船停港卸貨時(shí)間，加快貨運(yùn)周轉(zhuǎn)速度，降低物流運(yùn)輸成本，并可間接地提高集裝箱航運(yùn)公司的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也有利于促進(jìn)國際航運(yùn)和貿(mào)易的發(fā)展。

本項(xiàng)目是國內(nèi)首個(gè)利用現(xiàn)有港口條件改造建設(shè)的自動(dòng)化集裝箱碼頭，該改造方案為國內(nèi)其它類似碼頭的自動(dòng)化改造提供了有價(jià)值的借鑒，促進(jìn)了國內(nèi)集裝箱碼頭向自動(dòng)化和智能化的方向發(fā)展。

1　項(xiàng)目背景

上海振華重工集團(tuán)（ZPMC）是一家以大型機(jī)械制造為主的傳統(tǒng)型制造企業(yè)，也是世界領(lǐng)先的港口設(shè)備制造商，它有著豐富的機(jī)械設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與強(qiáng)大的生產(chǎn)制造能力，其港機(jī)設(shè)備市場占有率在世界達(dá)70%以上。ZPMC不僅為碼頭提供港口設(shè)備及其控制系統(tǒng)，而且還為其集成碼頭調(diào)度管理網(wǎng)絡(luò)。在過去幾年中，對于全集成化的碼頭調(diào)度管理與控制系統(tǒng)解決方案的需求已急劇上升。

二十一世紀(jì)，隨著信息化技術(shù)的飛速發(fā)展以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普遍應(yīng)用，各行業(yè)都在經(jīng)歷著一場驚人的變革，第三次科技革命浪潮，從根本上改變了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方式，也給各行業(yè)帶去了無限的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

就集裝箱碼頭而言，近年來，許多歐美國家的新碼頭建設(shè)都采用了一種全自動(dòng)化無人操作的模式。這種新型的碼頭設(shè)備運(yùn)行管理模式正是建立在不斷發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，不僅節(jié)省了大量的人力，更極大地提高了碼頭整體的運(yùn)轉(zhuǎn)效率。

正是看到了自動(dòng)化碼頭方案所帶來的可觀效益，國內(nèi)多個(gè)集裝箱碼頭紛紛提出采用自動(dòng)化技術(shù)來改造原有設(shè)備。在這種行業(yè)發(fā)展變革的大環(huán)境促使下，振華公司于2013年3月與廈門遠(yuǎn)海簽訂了遠(yuǎn)海集裝箱自動(dòng)化碼頭整體建設(shè)方案，共同建設(shè)國內(nèi)首個(gè)國際領(lǐng)先的全自動(dòng)化碼頭。

全自動(dòng)化集裝箱碼頭裝卸設(shè)備調(diào)度管理與控制系統(tǒng)是整個(gè)自動(dòng)化碼頭方案的關(guān)鍵所在，它的成敗直接決定了整個(gè)碼頭的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。目前世界上只有荷蘭的TBA擁有這樣的軟件產(chǎn)品和能力來承接這樣的項(xiàng)目。在這種技術(shù)完全壟斷的情況下，要研發(fā)出屬于自己的自動(dòng)化調(diào)度管理與控制系統(tǒng)對振華來說無疑是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。貝加萊基于PCC架構(gòu)的集成自動(dòng)化平臺(tái)的開放性、產(chǎn)品多樣性及其卓越的性能為振華重工提供了有力的技術(shù)保障。

2　改造目標(biāo)與項(xiàng)目規(guī)劃

2.1改造目標(biāo)

（1）完成整個(gè)自動(dòng)化碼頭系統(tǒng)的總體布局設(shè)計(jì)及系統(tǒng)集成，研發(fā)出一套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的集裝箱碼頭裝卸設(shè)備調(diào)度管理與控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)碼頭的自動(dòng)化控制和智能化、信息化管理；

（2）實(shí)現(xiàn)岸線前沿的雙小車岸橋半自動(dòng)化作業(yè)，水平運(yùn)輸區(qū)自動(dòng)引導(dǎo)小車、堆場內(nèi)自動(dòng)化軌道吊全自動(dòng)化作業(yè)；

（3）實(shí)現(xiàn)軌道吊在中控室的遠(yuǎn)程操作。

2.2項(xiàng)目規(guī)劃

廈門遠(yuǎn)海集裝箱碼頭14#和15#泊位已基本建成，擬對14#泊位建設(shè)12萬噸級(jí)集裝箱自動(dòng)化泊位，碼頭設(shè)計(jì)年吞吐量70萬TEU，泊位長度為447m，其中14#泊位為377m，部分占用15#泊位70m長度。道路堆場位于14#-15#泊位后方，占地總面積29.34 公頃，改造建設(shè)自動(dòng)化堆場和相應(yīng)的自動(dòng)化裝卸系統(tǒng)。

該項(xiàng)目系對已經(jīng)成型的常規(guī)碼頭實(shí)施自動(dòng)化改造的工程，其創(chuàng)新點(diǎn)之一是采用后方堆場與岸線平行布置，開創(chuàng)現(xiàn)有碼頭因地制宜改造升級(jí)為自動(dòng)化碼頭的新嘗試。裝卸系統(tǒng)對船作業(yè)采用雙小車岸橋?qū)崿F(xiàn)，中間水平運(yùn)輸系統(tǒng)采用自動(dòng)導(dǎo)引小車（AGV），堆場內(nèi)集裝箱作業(yè)采用自動(dòng)化軌道吊。

自動(dòng)化碼頭調(diào)度管理與控制系統(tǒng)的布局如圖1所示。

圖1 自動(dòng)化碼頭調(diào)度管理與控制系統(tǒng)的設(shè)備布局

3　管理與控制系統(tǒng)解決方案

3.1系統(tǒng)總體架構(gòu)

構(gòu)建自動(dòng)化集裝箱碼頭的裝卸設(shè)備調(diào)度管理與控制系統(tǒng)（Equipment Control System，以下簡稱ECS）是整個(gè)自動(dòng)化碼頭方案的關(guān)鍵所在，它的主要作用是取代傳統(tǒng)碼頭的司機(jī)和相關(guān)設(shè)

備終端，用電腦代替人腦，從碼頭作業(yè)計(jì)劃系統(tǒng)（TOS）取得任務(wù)后智能化地指揮設(shè)備安全、自動(dòng)、高效地把集裝箱搬運(yùn)到任務(wù)的目的位置。

在系統(tǒng)軟/硬件平臺(tái)方面，以貝加萊基于PCC架構(gòu)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)POWERLINK作為骨干數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，采用貝加萊一體化軟件開發(fā)平臺(tái)Automation Studio進(jìn)行應(yīng)用軟件開發(fā)。該碼頭調(diào)度管理與控制系統(tǒng)（ECS）的架構(gòu)如圖2所示。

圖2 自動(dòng)化碼頭調(diào)度管理與控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)

3.2系統(tǒng)分層及其功能

該系統(tǒng)從上至下分為碼頭作業(yè)計(jì)劃系統(tǒng)TOS、設(shè)備管理層ECS-MS和現(xiàn)場設(shè)備控制層ECS-ACCS，但主要是下面兩層。

（1）設(shè)備管理層ECS-MS

設(shè)備管理層主要負(fù)責(zé)接收來自碼頭生產(chǎn)管理系統(tǒng)（也稱碼頭作業(yè)計(jì)劃系統(tǒng)）TOS的作業(yè)任務(wù)，統(tǒng)籌調(diào)度并管理各類設(shè)備，并將指令發(fā)送給設(shè)備控制層。ECS-MS按照作業(yè)設(shè)備不同，具體劃分為岸橋管理系統(tǒng)（Quay Crane Management System，以下簡稱QCMS）、車輛管理系統(tǒng)（Vehicle Management System，簡稱以下簡稱VMS）、堆場管理系統(tǒng)（Block Management System，以下簡稱BMS；也稱軌道吊管理系統(tǒng)，其縮寫為ACMS）；

? 岸橋管理系統(tǒng)：主要負(fù)責(zé)合理調(diào)度前后小車安全作業(yè)，實(shí)現(xiàn)門架小車全自動(dòng)作業(yè)；

? 車輛管理系統(tǒng)：主要負(fù)責(zé)調(diào)度堆場中所有的自動(dòng)化引導(dǎo)小車（AGV），并保證其有序、高效地完成水平運(yùn)輸作業(yè)任務(wù)；

? 堆場管理系統(tǒng)：主要負(fù)責(zé)合理調(diào)度堆垛中的ARMG設(shè)備安全自動(dòng)作業(yè)。

（2）設(shè)備控制層ECS-ACCS

ECS的另外一個(gè)部分，是下層的設(shè)備控制層ECS-ACCS（Automated Crane Control System，以下簡稱ACCS），它是作用在單臺(tái)設(shè)備上的設(shè)備控制系統(tǒng)，接收來自ECS-MS的指令，并將指令拆分成具體的執(zhí)行步驟和參數(shù)，將命令發(fā)送給最底層的硬件層。按照設(shè)備不同，ECS-ACCS包括了岸橋機(jī)上自動(dòng)控制系統(tǒng)（QC ACCS）、AGV自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)（AGV Navigation System，以下簡稱AGV NS）、軌道吊機(jī)上自動(dòng)控制系統(tǒng)（ARMG ACCS）。

現(xiàn)場控制層包括對24臺(tái)自動(dòng)軌道吊的控制，對3臺(tái)自動(dòng)橋吊的控制和對18臺(tái)自動(dòng)導(dǎo)航小車的控制。

3.3堆場自動(dòng)化作業(yè)控制系統(tǒng)

堆場自動(dòng)化控制系統(tǒng)框圖如圖3所示，主要實(shí)現(xiàn)調(diào)度堆場中的ARMG設(shè)備的安全自動(dòng)化作業(yè)和對24臺(tái)軌道吊的自動(dòng)控制。

圖3 ARMG(自動(dòng)軌道吊)系統(tǒng)框圖

3.4岸橋自動(dòng)化作業(yè)控制系統(tǒng)

岸橋自動(dòng)化控制系統(tǒng)框圖如圖4所示，主要負(fù)責(zé)調(diào)度橋吊的安全自動(dòng)化作業(yè)，實(shí)現(xiàn)對3臺(tái)自動(dòng)橋吊的控制。

圖4 QC(橋吊)系統(tǒng)框圖

3.5自動(dòng)引導(dǎo)小車指揮控制系統(tǒng)

主要負(fù)責(zé)堆場中18臺(tái)自動(dòng)化導(dǎo)航小車（AGV）的調(diào)度，并保證其有序、高效地完成水平運(yùn)輸作業(yè)任務(wù)。

3.6基于X20 PCC和Ethernet POWERLINK的硬件系統(tǒng)

貝加萊的X20控制系統(tǒng)和Ethernet POWERLINK所提供的性能、開放性和強(qiáng)大功能，在上海振華重工電氣有限公司選擇貝加萊作為其自動(dòng)化合作伙伴的過程中起到了決定性的作用。

本系統(tǒng)的各級(jí)控制器均選用X20系列，主干通訊網(wǎng)采用了冗余POWERLINK網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)內(nèi)部及控制系統(tǒng)與管理系統(tǒng)之間的連接。

為了集成基于SCADA的碼頭管理系統(tǒng)，ZPMC還采用了一些開放的標(biāo)準(zhǔn)，并且通過POWERLINK連接該系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)還可通過POWERLINK實(shí)現(xiàn)與OPC客戶端服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通信，這種標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)交換對于碼頭管理系統(tǒng)而言擁有顯著的優(yōu)勢。POWERLINK為碼頭控制塔提供了快速且實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸通道。

由于POWERLINK為用戶提供了完全自由的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥x擇，因此它還可以完美地適應(yīng)港口地形和布局的獨(dú)特需求。只需通過網(wǎng)絡(luò)電纜簡單連接新的站點(diǎn)就可以輕松地處理碼頭未來的任意擴(kuò)展。一個(gè)單獨(dú)的X20系統(tǒng)甚至可以采集連接現(xiàn)有設(shè)備的PROFIBUS數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為POWERLINK數(shù)據(jù)，并且有效地將其集成到碼頭管理系統(tǒng)中。

由于軌道式龍門起重機(jī)采用貝加萊自動(dòng)化技術(shù)，如X20控制系統(tǒng)和開放實(shí)時(shí)的POWERLINK協(xié)議。如果數(shù)據(jù)是在站點(diǎn)之間通過光纜傳送，那么它可以覆蓋距離長達(dá)兩公里。這意味著POWERLINK有助于實(shí)施擴(kuò)張性的系統(tǒng)，如實(shí)時(shí)精確的集裝箱碼頭。多個(gè)玻璃纖維HUB模塊都集中在一個(gè)中央控制塔中，它們接收來自軌道式龍門起重機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到主服務(wù)器中。

4 ECS的應(yīng)用軟件系統(tǒng)

按照碼頭和設(shè)備以及功能需求的不同，開發(fā)了相應(yīng)的管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)軟件。

根據(jù)上述系統(tǒng)框架，基于貝加萊平臺(tái)有3套控制程序，分別為ARMG（自動(dòng)軌道吊）、QC（橋吊）和AGV（自動(dòng)導(dǎo)航小車）。

4.1軟件系統(tǒng)架構(gòu)

該ECS系統(tǒng)的軟件架構(gòu)如圖5所示。

ECS的應(yīng)用軟件分為計(jì)劃管理層、設(shè)備管理層和設(shè)備控制層三層，前者對應(yīng)于自動(dòng)化碼頭生產(chǎn)管理系統(tǒng)TOS，后兩者分別對應(yīng)于裝卸設(shè)備調(diào)度管理系統(tǒng)ECS-MS與控制系統(tǒng)ECS-ACCS。

圖5 ECS系統(tǒng)的軟件架構(gòu)

4.2軟件特點(diǎn)

（1）高性能的港口管理

進(jìn)港船舶在停靠碼頭之前會(huì)電子申報(bào)其貨物。該數(shù)據(jù)是在一個(gè)預(yù)定系統(tǒng)中被采集的。這使控制塔中的操作人員可以建立一個(gè)物流計(jì)劃并且為船舶提供閘門和存儲(chǔ)位置等相關(guān)信息。該系統(tǒng)還簡化了由軌道式龍門起重機(jī)輸送集裝箱的運(yùn)動(dòng)軌跡。集裝箱在被軌道式龍門起重機(jī)吊起之前會(huì)在堆場中被放置在其指定的存儲(chǔ)位置上。

（2）基于MATLAB的防搖擺和防碰撞控制算法

防搖擺和防碰撞是從堆場中的存儲(chǔ)位置裝卸標(biāo)準(zhǔn)化集裝箱的兩個(gè)重要的控制功能。這些功能對于確保安全且高效的物流運(yùn)作是必不可少的。因此ZPMC依賴于MATLAB/Simulink建立了這些任務(wù)的模型，并開發(fā)了專門的控制算法，在提高運(yùn)輸速度的情況下最大限度地減少晃動(dòng)。

MATLAB/Simulink和Automation Studio之間的無縫工作流程使其將生成的程序代碼集成到Automation Studio項(xiàng)目中去變得比較容易。X20系統(tǒng)的處理能力為仿真控制器提供了極快的循環(huán)周期。

（3）Automation Studio能支持高級(jí)語言編程

除了集成MATLAB/Simulink功能之外，Automation Studio還能夠處理高級(jí)語言編程，這也被證明是貝加萊解決方案成功的關(guān)鍵因素之一。創(chuàng)建自定義庫的靈活性允許ZPMC可以利用自己的封裝技術(shù)，并提供標(biāo)準(zhǔn)化的軟件模塊，實(shí)現(xiàn)高效重復(fù)使用。

（4）碼頭軟件系統(tǒng)具備熱備冗余功能和車輛的無線通訊冗余功能。

（5）雙小車岸橋平臺(tái)安全控制算法；

（6）實(shí)時(shí)監(jiān)控及中控遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)；

（7）3D仿真分析系統(tǒng)；

（8）自動(dòng)化碼頭軟件系統(tǒng)熱備的冗余方式；

（9）車輛自動(dòng)識(shí)別和門禁管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了無人值守的閘口自動(dòng)管理模式；

（10）大型起重機(jī)機(jī)械設(shè)備目標(biāo)定位、激光掃描系統(tǒng)；

（11）AGV車輛自動(dòng)導(dǎo)航及定位技術(shù)；

（12）車輛的無線通訊冗余技術(shù)。

6　效益分析

6.1經(jīng)濟(jì)效益

目前世界集裝箱碼頭多數(shù)設(shè)備陳舊、自動(dòng)化程度低、吞吐量不能適應(yīng)國際貿(mào)易量的快速增長，正處于更新與換代的生命期，亟待改進(jìn)、擴(kuò)建、新建。該項(xiàng)目中研發(fā)的核心技術(shù)成果——集裝箱自動(dòng)化碼頭裝卸設(shè)備調(diào)度管理與控制系統(tǒng)的實(shí)施，充分展現(xiàn)了近年來振華公司在工業(yè)智能化方面所做出的不懈努力。它結(jié)合了自動(dòng)化、信息化、工業(yè)智能化等當(dāng)今世界領(lǐng)先技術(shù)，產(chǎn)品附加值高，它的成功應(yīng)用將引起各方關(guān)注。

6.2社會(huì)效益

由于采用了智能化調(diào)度、自動(dòng)化監(jiān)控，使倒箱率減少，全系統(tǒng)作業(yè)效率提高，碼頭營運(yùn)效率也隨之提高，從而增加了碼頭運(yùn)營商的經(jīng)濟(jì)效益。

此外，由于集裝箱碼頭裝卸效率提高，縮短了集裝箱運(yùn)輸船停港卸貨時(shí)間，加快了集裝箱貨運(yùn)周轉(zhuǎn)速度，降低物流運(yùn)輸成本，可間接地增加集裝箱航運(yùn)公司經(jīng)濟(jì)收益，有利促進(jìn)國際貿(mào)易和社會(huì)發(fā)展，為打造國際航運(yùn)中心起到積極推動(dòng)作用。

7　結(jié)束語

本項(xiàng)目是國內(nèi)第一個(gè)利用現(xiàn)有港口條件改造建設(shè)的自動(dòng)化集裝箱碼頭，該方案不但降低了工程改造的成本，同時(shí)也為國內(nèi)其他類似項(xiàng)目的自動(dòng)化改造提供了豐富的經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)了國內(nèi)集裝箱碼頭向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。

5　系統(tǒng)特點(diǎn)及技術(shù)創(chuàng)新

該系統(tǒng)包含以下各項(xiàng)主要基于軟件的技術(shù)創(chuàng)新：

（1）碼頭岸線平行于堆場布置的AGV車輛調(diào)度方案；

（2）AGV車輛的最優(yōu)路徑規(guī)劃算法；

（3）AGV車輛選派與防撞避讓的控制算法；

（4）堆場軌道式起重機(jī)的最優(yōu)路徑調(diào)度方法；

B & R’s PCC Architecture based Dispatching Management and Automatic Control System of Container Terminal

Dispatching management and automatic control for the load and unload equipment of container terminal have many benefits, such as improving the efficiency in loading and unloading, shortening the unloading and loading period of cargo ship, and reducing the cost of logistics transportation. The automation renovation project for the traditional load and unload system of Xiamen Ocean Gate Container Terminal is introduced in this paper. The author describes in emphasis the reforming goal and planning of the project, the overall architecture of the dispatching management and automatic control system (abbreviated as ECS) for the terminal. Moreover, the information and functions of each layer in the system and the software architecture of ECS are also introduced.

Container terminal; Load and unload equipment; Automation renovation; Dispatching management and automatic control system; Software architecture

B

1003-0492（2016）05-0104-04

TP273

周曉霞（1966-），女，現(xiàn)就職于貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（中國）有限公司，任市場部媒體專員。

姚彥龍（1980-），男，現(xiàn)就職于貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（中國）有限公司，任銷售經(jīng)理。