堆場(chǎng)管理仿真系統(tǒng)

（上海振華重工集團(tuán)股份有限公司，上海 200125）

1 簡(jiǎn)介

堆場(chǎng)管理是在堆場(chǎng)總體安排原則指導(dǎo)下，以保證碼頭正常作業(yè)為前提，提高碼頭工作效率為目的的一系列堆場(chǎng)策劃工作。它是碼頭生產(chǎn)作業(yè)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，包括集裝箱的進(jìn)提箱、堆場(chǎng)整理以及裝卸等有關(guān)的堆場(chǎng)策劃安排。目前，集裝箱碼頭之間的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)質(zhì)是效率的競(jìng)爭(zhēng)，任何一個(gè)碼頭要提升核心競(jìng)爭(zhēng)力，打造為世界一流的集裝箱碼頭，必須提高效率，而這在很大程度上取決于集裝箱堆場(chǎng)的管理是否合理。因此，優(yōu)秀的堆場(chǎng)管理系統(tǒng)是提高管理合理性、設(shè)備利用率和降低運(yùn)營(yíng)成本的有力手段，同時(shí)也是高效自動(dòng)化碼頭的重要組成部分之一。

自動(dòng)化碼頭的堆場(chǎng)管理已經(jīng)成為現(xiàn)代化國(guó)際樞紐港發(fā)展的必然趨勢(shì)，正得到各大港口的重視，并且已經(jīng)成為目前國(guó)際上一些公司的重點(diǎn)發(fā)展方向，目前世界已有部分堆場(chǎng)的管理達(dá)到全部網(wǎng)絡(luò)化、信息化、自動(dòng)化。而國(guó)內(nèi)大多數(shù)依然受困于技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)和資金能力等因素的限制，在運(yùn)營(yíng)模式上沒有能完全轉(zhuǎn)型為自動(dòng)化管理。

堆場(chǎng)管理仿真是開展碼頭自動(dòng)化建設(shè)過程的重要階段之一，堆場(chǎng)管理仿真系統(tǒng)則是完成這一階段工作的技術(shù)核心。本項(xiàng)目研發(fā)的堆場(chǎng)管理仿真系統(tǒng)提供包括系統(tǒng)、服務(wù)器、設(shè)備在內(nèi)的全套仿真環(huán)境，通過軟硬件結(jié)合、多子系統(tǒng)協(xié)作，以簡(jiǎn)單便捷的指令完成各項(xiàng)作業(yè)任務(wù)的執(zhí)行、暫停、終止等操作，并通過三維動(dòng)態(tài)可視化技術(shù)直觀展示作業(yè)任務(wù)全過程。

堆場(chǎng)管理仿真系統(tǒng)通過可靠高速的通訊方式聯(lián)接自動(dòng)化碼頭裝卸計(jì)劃系統(tǒng)（TOS）和起重機(jī)單機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)（ACCS），接收作業(yè)任務(wù)，控制作業(yè)指令執(zhí)行，并向反饋任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)。

堆場(chǎng)管理仿真系統(tǒng)不僅可以通過指令對(duì)各類作業(yè)任務(wù)進(jìn)行全程模擬，同時(shí)還考慮到了環(huán)境因素（如風(fēng)力等）可能對(duì)作業(yè)任務(wù)帶來(lái)的影響，有效保證了模擬作業(yè)任務(wù)的有效性和合理性，為后續(xù)工作的開展提供充足準(zhǔn)確的依據(jù)。

本系統(tǒng)提供了一個(gè)完全模擬現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境，可模擬規(guī)范作業(yè)以及管理的各個(gè)環(huán)節(jié)，有利于早期發(fā)現(xiàn)問題，節(jié)約財(cái)力物力，并為隨后的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試提供基礎(chǔ)和決策方向。

本系統(tǒng)的靈活可變性，決定了這是一款適應(yīng)公司開拓新興市場(chǎng)方針的軟件產(chǎn)品。針對(duì)不同的項(xiàng)目需求與客戶需求，可以快速修改系統(tǒng)配置以適應(yīng)新的需求。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

堆場(chǎng)管理仿真系統(tǒng)通過可靠高速的通訊方式聯(lián)接自動(dòng)化碼頭裝卸計(jì)劃系統(tǒng)（TOS）和起重機(jī)單機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)（ACCS），接收作業(yè)任務(wù)，控制作業(yè)指令執(zhí)行，并向反饋任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

仿真系統(tǒng)包括：起重機(jī)單機(jī)自動(dòng)控制層（ACL），起重機(jī)單機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)（ACCS），邏輯控制器（Basic Control）和起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)（RCMS）。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 起重機(jī)單機(jī)自動(dòng)控制層（ACL）

每個(gè)堆場(chǎng)部署1-2臺(tái)ARMG，每臺(tái)ARMG配備一個(gè)ACL系統(tǒng)，ACL從TOS接口獲取作業(yè)任務(wù)，校驗(yàn)任務(wù)，與同堆場(chǎng)的另外一個(gè)ACL協(xié)調(diào)，根據(jù)雙方的任務(wù)數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)生成安全、高效、協(xié)作的任務(wù)作業(yè)指令發(fā)送到ARMG執(zhí)行，執(zhí)行過程中對(duì)任務(wù)數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的變動(dòng)及時(shí)做出合理的調(diào)整，并將任務(wù)執(zhí)行結(jié)果向TOS反饋，并記錄任務(wù)執(zhí)行過程中的要求的各種運(yùn)行數(shù)據(jù)。ACL運(yùn)行在工控機(jī)上，與起重機(jī)單機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)（ACCS）通過OPC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

2.2 起重機(jī)單機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)（ACCS）

每臺(tái)ARMG配備一個(gè)ACCS系統(tǒng)，ACCS從ACL獲得ARMG的動(dòng)作指令，并將指令進(jìn)行分析、分解，生成各個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)命令，通過信號(hào)點(diǎn)控制邏輯控制器（Basic Control）進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作控制。其主要功能包括實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制，ACL指令解析，ARMG工作模式控制，大車、小車、起升和吊具等機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃，安全控制（包括大車防撞保護(hù)，設(shè)備自身安全保護(hù)和基于業(yè)務(wù)需求的安全防護(hù)規(guī)則），異常處理（包括故障和維修時(shí)的處理機(jī)制），設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控并反饋到上層控制系統(tǒng)以及設(shè)備運(yùn)行日志記錄。ACCS運(yùn)行在B&R高性能工業(yè)PLC上，通過ProfiNet連接邏輯控制器（Basic Control），通過POWERLINK連接堆場(chǎng)安全控制模塊，通過以太網(wǎng)連接ACL。

2.3 邏輯控制器（Basic Control）

每臺(tái)ARMG配備一個(gè)邏輯控制器，它接收ACCS的控制信號(hào)，并將信號(hào)處理轉(zhuǎn)換為控制繼電器，變頻機(jī)，馬達(dá)等電氣設(shè)備的I/O點(diǎn)，同時(shí)在運(yùn)行過程中提供安全保護(hù)，包括斷電保護(hù)，緊停保護(hù)，起升過速保護(hù)和大車、小車、起升超程保護(hù)和超載保護(hù)。邏輯控制器分為主控CPU和分布式I/O模塊。CPU采用SIEMENS SIMATIC S7-300F，I/O模塊采用SIEMENS SIMATIC ET-200M，它通過ProfiNet連接ACCS和仿真器。

2.4 堆場(chǎng)安全控制（Safety）

一個(gè)堆場(chǎng)配備一個(gè)堆場(chǎng)安全控制模塊，在單個(gè)獨(dú)立堆場(chǎng)的系統(tǒng)仿真環(huán)境中，一般只需要一個(gè)Safety模塊。在馬士基Vado項(xiàng)目上，該模塊負(fù)責(zé)兩臺(tái)ARMG之間的防撞保護(hù)；負(fù)責(zé)管理兩個(gè)交換區(qū)的車道狀態(tài)，包括跨運(yùn)車的車道占用情況，ARMG的車道占用情況，集裝箱的貝位占用情況，車道激活狀態(tài)以及車道紅綠燈狀態(tài)；負(fù)責(zé)處理ARMG車道占用申請(qǐng)；負(fù)責(zé)管理四個(gè)冷藏箱區(qū)的狀態(tài)，包括箱區(qū)人數(shù)統(tǒng)計(jì)，箱區(qū)內(nèi)ARMG狀態(tài)和警鈴警燈報(bào)警狀態(tài)；負(fù)責(zé)處理ARMG箱區(qū)占用申請(qǐng)；負(fù)責(zé)處理門禁進(jìn)入申請(qǐng)。此模塊運(yùn)行在一臺(tái)安全PLC上，通過POWERLINK連接ACCS，通過OPC與觸摸屏交互，獲取跨運(yùn)車和人員的狀態(tài)，并將車道紅綠燈，冷藏區(qū)警鈴警燈，門禁允許進(jìn)入標(biāo)志等信息反饋到觸摸屏上。

2.5 變流器和馬達(dá)仿真器

負(fù)責(zé)接收邏輯控制器給出的I/O信號(hào)指令，模擬ARMG各主要電氣部件的動(dòng)作，并將狀態(tài)反饋給邏輯控制器。仿真器的使用替代了真實(shí)的設(shè)備，使得系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中運(yùn)行成為可能。該模塊部署在PLC上，通過ProfiNet與兩臺(tái)邏輯控制器連接。

2.6 觸摸屏

圖2 觸摸屏運(yùn)行截圖

負(fù)責(zé)顯示ARMG各運(yùn)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)，包括大車、小車位置，起升高度，吊具尺寸，開閉鎖狀態(tài)和導(dǎo)板狀態(tài)等，顯示交換區(qū)車道紅綠燈狀態(tài)，交換區(qū)車道跨運(yùn)車占用情況，冷藏區(qū)警鈴警燈狀態(tài)以及門禁進(jìn)入鎖定狀態(tài)；

查看ARMG運(yùn)行參數(shù)，包括大車，小車和起升的最大速度，加速度，動(dòng)作范圍等信息；提供設(shè)置并查看交換區(qū)內(nèi)跨運(yùn)車數(shù)量、位置，冷藏區(qū)人員數(shù)量、位置，ARMG帶箱箱重和現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速等信息的人機(jī)交互界面；提供控制交換區(qū)跨運(yùn)車進(jìn)出，門禁人員進(jìn)出的人機(jī)交互界面；提供ARMG操作控制界面，包括控制開合，遠(yuǎn)程/本地模式選擇，設(shè)備緊停，故障復(fù)位，機(jī)構(gòu)旁路以及大車，小車，起升和吊具等機(jī)構(gòu)的動(dòng)作控制操作。該控制功能代替了遠(yuǎn)程操作臺(tái)和遙控手柄的功能，實(shí)現(xiàn)了模擬ARMG在非自動(dòng)控制情況下作業(yè)或進(jìn)行故障處理的能力。

2.7 3D Terminal View三維堆場(chǎng)圖像顯示

圖3 3D Terminal View運(yùn)行截圖

3D Terminal View通過3D動(dòng)態(tài)可視化方式展示指令完成過程，可以依據(jù)用戶需求選取不同設(shè)備，并任意變換顯示角度以方便查看。該界面通過OPC獲取并實(shí)時(shí)顯示多個(gè)堆場(chǎng)內(nèi)ARMG的狀態(tài)，包括大車，小車，起升和吊具的位置，通過動(dòng)畫展現(xiàn)它們的運(yùn)動(dòng)過程。此外該界面展示了堆場(chǎng)的整體結(jié)構(gòu)和貝位、列位規(guī)劃；通過訪問OPC點(diǎn)，它可以展示交換區(qū)內(nèi)的跨運(yùn)車以及冷藏區(qū)內(nèi)人員的分布情況，在大車運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)顯示ARMG的鎖閉區(qū)，幫助分析大車防撞的策略；通過訪問數(shù)據(jù)庫(kù)，它可以展示堆場(chǎng)內(nèi)集裝箱的分布情況，幫助了解任務(wù)進(jìn)程。獲得與現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)環(huán)境相當(dāng)?shù)母泄袤w驗(yàn)。

2.8 RCMS

負(fù)責(zé)監(jiān)視ARMG各機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)，顯示設(shè)備故障信息并提供歷史故障記錄統(tǒng)計(jì)功能。相較于觸摸屏，能更加詳細(xì)的描述設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息和故障信息，幫助電氣控制系統(tǒng)和ACCS系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試人員方便的發(fā)現(xiàn)問題，定位問題，解決問題。

3 仿真過程

3.1 準(zhǔn)備工作

首先開啟系統(tǒng)上述各個(gè)模塊，確?；ハ噙B接正常，數(shù)據(jù)交互正常。隨后檢查系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)是否按照項(xiàng)目測(cè)試用例要求進(jìn)行配置，包括ARMG大車，小車和起升的最大速度，加速度等數(shù)值。將設(shè)備調(diào)整到測(cè)試要求的初始狀態(tài)，包括大車，小車位置，起升高度，吊具開閉鎖狀態(tài)和吊具尺寸等數(shù)值，堆場(chǎng)內(nèi)和交換區(qū)的集裝箱分布。在進(jìn)行ACL的調(diào)試前需要清理數(shù)據(jù)庫(kù)中的殘余數(shù)據(jù)。

圖4 RCMS運(yùn)行截圖

3.2 啟動(dòng)仿真

通過TOS或數(shù)據(jù)庫(kù)訪問工具將任務(wù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)ACL讀取到新任務(wù)后就會(huì)將作業(yè)指令發(fā)送到ACCS，繼而由ACCS控制邏輯控制器帶動(dòng)設(shè)備仿真器進(jìn)行動(dòng)作。此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的仿真開始正常運(yùn)作。

3.3 仿真控制

在系統(tǒng)運(yùn)行過程中可以通過點(diǎn)擊觸摸屏上交換區(qū)和冷藏區(qū)的設(shè)置界面，控制交換區(qū)車道跨運(yùn)車占用情況，交換區(qū)箱分布情況和冷藏區(qū)人員分布情況，以滿足不同測(cè)試工況要求。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異?；蚱渌枰斯そ槿氲那闆r下，可以通過觸摸屏操作設(shè)備動(dòng)作，完成故障處理，人工抓放箱，緊停安全控制等工況流程的測(cè)試。

3.4 過程監(jiān)控

除了各個(gè)模塊自身的日志記錄和數(shù)據(jù)監(jiān)控功能外，本仿真系統(tǒng)提供了觸摸屏，三維堆場(chǎng)圖像顯示器和RCMS等圖形化界面，幫助開發(fā)調(diào)試人員可以更快捷直觀地查看當(dāng)前系統(tǒng)和各子系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

4 仿真目的

4.1 ACL仿真

由于ACL是上層控制系統(tǒng)，脫離于實(shí)際設(shè)備，在本系統(tǒng)中可以完全使用項(xiàng)目正式ACL程序版本。因此本仿真系統(tǒng)可以用作ACL的實(shí)驗(yàn)室開發(fā)測(cè)試環(huán)境，包括與TOS接口，與ACCS接口的測(cè)試以及對(duì)于程序自身不同業(yè)務(wù)流程的工況測(cè)試。減少因?yàn)樵O(shè)備問題而影響ACL調(diào)試進(jìn)度的可能性，提高開發(fā)效率，縮短ACL現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間，進(jìn)而節(jié)省軟件開發(fā)調(diào)試成本。

4.2 ACCS仿真

本系統(tǒng)中除了類似TDS，SDS等檢測(cè)模塊不具備實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行仿真外，可以測(cè)試大部分ACCS功能模塊，包括與ACL接口，與邏輯控制器接口的測(cè)試以及對(duì)于程序自身不同業(yè)務(wù)流程的工況測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)室條件下也可進(jìn)行主要功能的開發(fā)和程序邏輯驗(yàn)證，提前程序開發(fā)開始時(shí)間，加快開發(fā)和調(diào)試進(jìn)度，縮短ACCS現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間，節(jié)省開發(fā)調(diào)試成本。

4.3 堆場(chǎng)安全控制仿真

本系統(tǒng)通過觸摸屏的輸入，模擬了交換區(qū)，冷藏區(qū)和門禁系統(tǒng)的狀態(tài)，使得堆場(chǎng)安全控制模塊可以擺脫實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施，在仿真系統(tǒng)環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)測(cè)試，驗(yàn)證程序邏輯，提前程序開發(fā)開始時(shí)間，加快開發(fā)和調(diào)試進(jìn)度，縮短ACCS現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間，節(jié)省開發(fā)調(diào)試成本。

4.4 邏輯控制器仿真

在自動(dòng)化堆場(chǎng)系統(tǒng)中，邏輯控制器是最接近于底層設(shè)備的模塊。通常系統(tǒng)調(diào)試只能在現(xiàn)場(chǎng)通過連接真實(shí)設(shè)備來(lái)完成。得益于變流器和馬達(dá)的仿真器，邏輯控制器也可以進(jìn)行程序測(cè)試，測(cè)試與ACCS的接口，驗(yàn)證部分控制邏輯。提前程序開發(fā)開始時(shí)間，加快開發(fā)和調(diào)試進(jìn)度，縮短現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間，節(jié)省開發(fā)調(diào)試成本。

4.5 系統(tǒng)性能仿真

除了提供對(duì)各子系統(tǒng)的測(cè)試環(huán)境，本系統(tǒng)另一個(gè)主要作用是展示自動(dòng)化堆場(chǎng)系統(tǒng)的總體性能，包括任務(wù)執(zhí)行效率，各個(gè)工況下的設(shè)備執(zhí)行情況，與客戶一起驗(yàn)證設(shè)備運(yùn)動(dòng)和安全控制機(jī)制是否滿足業(yè)務(wù)需求，以便盡早發(fā)現(xiàn)問題，調(diào)整設(shè)計(jì)思路，甚至于幫助客戶調(diào)整港口業(yè)務(wù)規(guī)則，及時(shí)修改需求設(shè)計(jì)，減少返工成本。

5 結(jié)束語(yǔ)

本堆場(chǎng)管理仿真系統(tǒng)提供了觸摸屏，變流器和馬達(dá)仿真器，3D Terminal View和RCMS作為外部條件參數(shù)輸入和內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)輸出界面為包括ACL，ACCS，堆場(chǎng)安全控制模塊和邏輯控制模塊在內(nèi)的各子系統(tǒng)提供仿真測(cè)試環(huán)境。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，沒有真實(shí)設(shè)備的條件下也能進(jìn)行大部分功能的開發(fā)和測(cè)試，縮短現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間，降低調(diào)試過程中的危險(xiǎn)，提高調(diào)試效率，降低調(diào)試成本。通過整體系統(tǒng)性能的仿真，統(tǒng)計(jì)設(shè)備運(yùn)行效率，在開發(fā)前期能夠盡早的發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)層面上的系統(tǒng)缺陷，推進(jìn)整體項(xiàng)目進(jìn)度。本系統(tǒng)已經(jīng)使用于意大利Vado自動(dòng)化碼頭，獲得用戶好評(píng)。未來(lái)將會(huì)推廣到更多項(xiàng)目，包括：馬士基摩洛哥Tangiers TM2碼頭12臺(tái)雙小車橋吊項(xiàng)目等。本系統(tǒng)的研發(fā)完成，支持了公司現(xiàn)有項(xiàng)目的需求，并且作為領(lǐng)頭羊填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)此類軟件類型的塊空白。

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