基于贝加莱PCC架构的自动化码头调度管理与控制系统

周晓霞，姚彦龙，吴洲（贝加莱工业自动化（中国）有限公司，上海 200233）

基于贝加莱PCC架构的自动化码头调度管理与控制系统

周晓霞，姚彦龙，吴洲（贝加莱工业自动化（中国）有限公司，上海 200233）

实现集装箱码头装卸设备的调度管理与自动控制，能提高集装箱码头的装卸效率，缩短运输船卸货与装货周期，降低物流运输成本。本文介绍了厦门远海集装箱码头传统装卸系统的自动化改造工程，着重描述了该项目的改造目标和规划、码头调度管理与控制系统（简称ECS）的总体架构、系统的各层及其功能和ECS系统的软件架构。

集装箱码头；装卸设备；自动化改造；调度管理与控制系统；软件架构

目前世界集装箱码头多数设备陈旧、自动化程度低、吞吐量不能适应国际贸易量的快速增长，正处于更新与换代的生命期。

提高集装箱码头的装卸效率能缩短集装箱运输船停港卸货时间，加快货运周转速度，降低物流运输成本，并可间接地提高集装箱航运公司的经济效益，同时也有利于促进国际航运和贸易的发展。

本项目是国内首个利用现有港口条件改造建设的自动化集装箱码头，该改造方案为国内其它类似码头的自动化改造提供了有价值的借鉴，促进了国内集装箱码头向自动化和智能化的方向发展。

1　项目背景

上海振华重工集团（ZPMC）是一家以大型机械制造为主的传统型制造企业，也是世界领先的港口设备制造商，它有着丰富的机械设计经验与强大的生产制造能力，其港机设备市场占有率在世界达70%以上。ZPMC不仅为码头提供港口设备及其控制系统，而且还为其集成码头调度管理网络。在过去几年中，对于全集成化的码头调度管理与控制系统解决方案的需求已急剧上升。

二十一世纪，随着信息化技术的飞速发展以及互联网技术的普遍应用，各行业都在经历着一场惊人的变革，第三次科技革命浪潮，从根本上改变了传统产业的发展方式，也给各行业带去了无限的机遇和挑战。

就集装箱码头而言，近年来，许多欧美国家的新码头建设都采用了一种全自动化无人操作的模式。这种新型的码头设备运行管理模式正是建立在不断发展的计算机技术、自动化技术与互联网技术的基础上，不仅节省了大量的人力，更极大地提高了码头整体的运转效率。

正是看到了自动化码头方案所带来的可观效益，国内多个集装箱码头纷纷提出采用自动化技术来改造原有设备。在这种行业发展变革的大环境促使下，振华公司于2013年3月与厦门远海签订了远海集装箱自动化码头整体建设方案，共同建设国内首个国际领先的全自动化码头。

全自动化集装箱码头装卸设备调度管理与控制系统是整个自动化码头方案的关键所在，它的成败直接决定了整个码头的运行效率和稳定性。目前世界上只有荷兰的TBA拥有这样的软件产品和能力来承接这样的项目。在这种技术完全垄断的情况下，要研发出属于自己的自动化调度管理与控制系统对振华来说无疑是个巨大的挑战。贝加莱基于PCC架构的集成自动化平台的开放性、产品多样性及其卓越的性能为振华重工提供了有力的技术保障。

2　改造目标与项目规划

2.1改造目标

（1）完成整个自动化码头系统的总体布局设计及系统集成，研发出一套具有自主知识产权的集装箱码头装卸设备调度管理与控制系统，实现码头的自动化控制和智能化、信息化管理；

（2）实现岸线前沿的双小车岸桥半自动化作业，水平运输区自动引导小车、堆场内自动化轨道吊全自动化作业；

（3）实现轨道吊在中控室的远程操作。

2.2项目规划

厦门远海集装箱码头14#和15#泊位已基本建成，拟对14#泊位建设12万吨级集装箱自动化泊位，码头设计年吞吐量70万TEU，泊位长度为447m，其中14#泊位为377m，部分占用15#泊位70m长度。道路堆场位于14#-15#泊位后方，占地总面积29.34 公顷，改造建设自动化堆场和相应的自动化装卸系统。

该项目系对已经成型的常规码头实施自动化改造的工程，其创新点之一是采用后方堆场与岸线平行布置，开创现有码头因地制宜改造升级为自动化码头的新尝试。装卸系统对船作业采用双小车岸桥实现，中间水平运输系统采用自动导引小车（AGV），堆场内集装箱作业采用自动化轨道吊。

自动化码头调度管理与控制系统的布局如图1所示。

图1 自动化码头调度管理与控制系统的设备布局

3　管理与控制系统解决方案

3.1系统总体架构

构建自动化集装箱码头的装卸设备调度管理与控制系统（Equipment Control System，以下简称ECS）是整个自动化码头方案的关键所在，它的主要作用是取代传统码头的司机和相关设

备终端，用电脑代替人脑，从码头作业计划系统（TOS）取得任务后智能化地指挥设备安全、自动、高效地把集装箱搬运到任务的目的位置。

在系统软/硬件平台方面，以贝加莱基于PCC架构的自动化控制系统为基础，以实时工业以太网POWERLINK作为骨干数据通信网络，采用贝加莱一体化软件开发平台Automation Studio进行应用软件开发。该码头调度管理与控制系统（ECS）的架构如图2所示。

图2 自动化码头调度管理与控制系统的总体架构

3.2系统分层及其功能

该系统从上至下分为码头作业计划系统TOS、设备管理层ECS-MS和现场设备控制层ECS-ACCS，但主要是下面两层。

（1）设备管理层ECS-MS

设备管理层主要负责接收来自码头生产管理系统（也称码头作业计划系统）TOS的作业任务，统筹调度并管理各类设备，并将指令发送给设备控制层。ECS-MS按照作业设备不同，具体划分为岸桥管理系统（Quay Crane Management System，以下简称QCMS）、车辆管理系统（Vehicle Management System，简称以下简称VMS）、堆场管理系统（Block Management System，以下简称BMS；也称轨道吊管理系统，其缩写为ACMS）；

• 岸桥管理系统：主要负责合理调度前后小车安全作业，实现门架小车全自动作业；

• 车辆管理系统：主要负责调度堆场中所有的自动化引导小车（AGV），并保证其有序、高效地完成水平运输作业任务；

• 堆场管理系统：主要负责合理调度堆垛中的ARMG设备安全自动作业。

（2）设备控制层ECS-ACCS

ECS的另外一个部分，是下层的设备控制层ECS-ACCS（Automated Crane Control System，以下简称ACCS），它是作用在单台设备上的设备控制系统，接收来自ECS-MS的指令，并将指令拆分成具体的执行步骤和参数，将命令发送给最底层的硬件层。按照设备不同，ECS-ACCS包括了岸桥机上自动控制系统（QC ACCS）、AGV自动导航系统（AGV Navigation System，以下简称AGV NS）、轨道吊机上自动控制系统（ARMG ACCS）。

现场控制层包括对24台自动轨道吊的控制，对3台自动桥吊的控制和对18台自动导航小车的控制。

3.3堆场自动化作业控制系统

堆场自动化控制系统框图如图3所示，主要实现调度堆场中的ARMG设备的安全自动化作业和对24台轨道吊的自动控制。

图3 ARMG(自动轨道吊)系统框图

3.4岸桥自动化作业控制系统

岸桥自动化控制系统框图如图4所示，主要负责调度桥吊的安全自动化作业，实现对3台自动桥吊的控制。

图4 QC(桥吊)系统框图

3.5自动引导小车指挥控制系统

主要负责堆场中18台自动化导航小车（AGV）的调度，并保证其有序、高效地完成水平运输作业任务。

3.6基于X20 PCC和Ethernet POWERLINK的硬件系统

贝加莱的X20控制系统和Ethernet POWERLINK所提供的性能、开放性和强大功能，在上海振华重工电气有限公司选择贝加莱作为其自动化合作伙伴的过程中起到了决定性的作用。

本系统的各级控制器均选用X20系列，主干通讯网采用了冗余POWERLINK网络，实现控制系统内部及控制系统与管理系统之间的连接。

为了集成基于SCADA的码头管理系统，ZPMC还采用了一些开放的标准，并且通过POWERLINK连接该系统。SCADA系统还可通过POWERLINK实现与OPC客户端服务器之间的数据通信，这种标准化的数据交换对于码头管理系统而言拥有显著的优势。POWERLINK为码头控制塔提供了快速且实时的数据传输通道。

由于POWERLINK为用户提供了完全自由的网络拓扑选择，因此它还可以完美地适应港口地形和布局的独特需求。只需通过网络电缆简单连接新的站点就可以轻松地处理码头未来的任意扩展。一个单独的X20系统甚至可以采集连接现有设备的PROFIBUS数据，将其转换为POWERLINK数据，并且有效地将其集成到码头管理系统中。

由于轨道式龙门起重机采用贝加莱自动化技术，如X20控制系统和开放实时的POWERLINK协议。如果数据是在站点之间通过光缆传送，那么它可以覆盖距离长达两公里。这意味着POWERLINK有助于实施扩张性的系统，如实时精确的集装箱码头。多个玻璃纤维HUB模块都集中在一个中央控制塔中，它们接收来自轨道式龙门起重机的实时数据，并将数据转发到主服务器中。

4 ECS的应用软件系统

按照码头和设备以及功能需求的不同，开发了相应的管理系统和控制系统软件。

根据上述系统框架，基于贝加莱平台有3套控制程序，分别为ARMG（自动轨道吊）、QC（桥吊）和AGV（自动导航小车）。

4.1软件系统架构

该ECS系统的软件架构如图5所示。

ECS的应用软件分为计划管理层、设备管理层和设备控制层三层，前者对应于自动化码头生产管理系统TOS，后两者分别对应于装卸设备调度管理系统ECS-MS与控制系统ECS-ACCS。

图5 ECS系统的软件架构

4.2软件特点

（1）高性能的港口管理

进港船舶在停靠码头之前会电子申报其货物。该数据是在一个预定系统中被采集的。这使控制塔中的操作人员可以建立一个物流计划并且为船舶提供闸门和存储位置等相关信息。该系统还简化了由轨道式龙门起重机输送集装箱的运动轨迹。集装箱在被轨道式龙门起重机吊起之前会在堆场中被放置在其指定的存储位置上。

（2）基于MATLAB的防摇摆和防碰撞控制算法

防摇摆和防碰撞是从堆场中的存储位置装卸标准化集装箱的两个重要的控制功能。这些功能对于确保安全且高效的物流运作是必不可少的。因此ZPMC依赖于MATLAB/Simulink建立了这些任务的模型，并开发了专门的控制算法，在提高运输速度的情况下最大限度地减少晃动。

MATLAB/Simulink和Automation Studio之间的无缝工作流程使其将生成的程序代码集成到Automation Studio项目中去变得比较容易。X20系统的处理能力为仿真控制器提供了极快的循环周期。

（3）Automation Studio能支持高级语言编程

除了集成MATLAB/Simulink功能之外，Automation Studio还能够处理高级语言编程，这也被证明是贝加莱解决方案成功的关键因素之一。创建自定义库的灵活性允许ZPMC可以利用自己的封装技术，并提供标准化的软件模块，实现高效重复使用。

（4）码头软件系统具备热备冗余功能和车辆的无线通讯冗余功能。

（5）双小车岸桥平台安全控制算法；

（6）实时监控及中控远程操作系统；

（7）3D仿真分析系统；

（8）自动化码头软件系统热备的冗余方式；

（9）车辆自动识别和门禁管理系统，实现了无人值守的闸口自动管理模式；

（10）大型起重机机械设备目标定位、激光扫描系统；

（11）AGV车辆自动导航及定位技术；

（12）车辆的无线通讯冗余技术。

6　效益分析

6.1经济效益

目前世界集装箱码头多数设备陈旧、自动化程度低、吞吐量不能适应国际贸易量的快速增长，正处于更新与换代的生命期，亟待改进、扩建、新建。该项目中研发的核心技术成果——集装箱自动化码头装卸设备调度管理与控制系统的实施，充分展现了近年来振华公司在工业智能化方面所做出的不懈努力。它结合了自动化、信息化、工业智能化等当今世界领先技术，产品附加值高，它的成功应用将引起各方关注。

6.2社会效益

由于采用了智能化调度、自动化监控，使倒箱率减少，全系统作业效率提高，码头营运效率也随之提高，从而增加了码头运营商的经济效益。

此外，由于集装箱码头装卸效率提高，缩短了集装箱运输船停港卸货时间，加快了集装箱货运周转速度，降低物流运输成本，可间接地增加集装箱航运公司经济收益，有利促进国际贸易和社会发展，为打造国际航运中心起到积极推动作用。

7　结束语

本项目是国内第一个利用现有港口条件改造建设的自动化集装箱码头，该方案不但降低了工程改造的成本，同时也为国内其他类似项目的自动化改造提供了丰富的经验，促进了国内集装箱码头向自动化、智能化方向发展。

5　系统特点及技术创新

该系统包含以下各项主要基于软件的技术创新：

（1）码头岸线平行于堆场布置的AGV车辆调度方案；

（2）AGV车辆的最优路径规划算法；

（3）AGV车辆选派与防撞避让的控制算法；

（4）堆场轨道式起重机的最优路径调度方法；

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

周晓霞（1966-），女，现就职于贝加莱工业自动化（中国）有限公司，任市场部媒体专员。

姚彦龙（1980-），男，现就职于贝加莱工业自动化（中国）有限公司，任销售经理。