摘要：建設全自動化碼頭，是港口業(yè)發(fā)展的新趨勢。洋山港四期是全球最大的智能化碼頭，它將成為全自動化碼頭的“集大成者”，而振華重工智慧集團與貝加萊的合作為這個項目的成功提供了保障。本文介紹了該項目的背景、規(guī)劃和工藝目標，基于貝加萊先進控制技術和設備構(gòu)建了碼頭自動化系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了對橋吊、AGV卡車等碼頭主要設備的自動化和智能化控制。洋山港四期碼頭的建成和投產(chǎn)，標志了中國港口行業(yè)在運營模式和技術應用上實現(xiàn)了跨越式升級與重大變革。

關鍵詞：洋山港四期；全自動化碼頭；貝加萊控制技術；橋吊；AGV卡車

項目背景

全自動化碼頭，是港口業(yè)發(fā)展的新趨勢,也是一項較為典型的通過先進技術獲得巨大經(jīng)濟效益與產(chǎn)業(yè)升級效應的項目。國內(nèi)的廈門和青島、國外的鹿特丹等港口，都在探索這一方向。

洋山港四期全自動化碼頭受到了國家的高度重視，它是上海全球港口物流中心的重要一環(huán)，也是上海全球航運中心建設的重要一環(huán)，因此，具有舉足輕重的意義。洋山港四期是全球最大的智能化碼頭，它將以全球最大的規(guī)模和體量，成為全自動化碼頭的“集大成者”。而振華重工智慧集團與貝加萊的合作為這個項目的成功提供了保障。

該項目主要由振華重工智慧集團提供港口關鍵設備及整個港口的運營管理系統(tǒng)。基于過去在廈門港、青島港等一系列合作的成功案例，振華重工智慧集團在該項目上繼續(xù)采用了貝加萊研發(fā)的控制設備和技術，為其岸橋、自動軌道吊、AGV自動導引車等重要設備提供了配套的控制系統(tǒng)。在該項目中，總共有10臺岸橋、40臺自動軌道吊和50臺AGV，而在官方展示的規(guī)劃中，整個洋山港則共規(guī)劃了26臺岸橋，以及超過100臺的大型AGV和軌道吊。

項目規(guī)劃與工藝目標

洋山港四期共擁有2350米長的岸線，一次性地建成7個泊位。首期設備開港后，將形成400萬標箱／年的吞吐能力。后期繼續(xù)擴大規(guī)模，最終將有26臺岸橋、約120臺軌道吊和超過130輛自動導引運輸車(AGV)投入使用，吞吐量將達到630萬標箱／年。

自動化設備和技術的廣泛應用，將推動港口朝著智能化的方向發(fā)展，也將極大地提高港口工人的勞動生產(chǎn)率并改善工作條件。以下的場景將在該項目完成后呈現(xiàn)出來——港口貨船和碼頭貨場上巨大的集裝箱被輕輕抓起又放下，無人駕駛的電動車輛來回穿梭。以往，橋吊司機坐在高達50米的控制室里，憑肉眼和手動操作將幾十噸的集裝箱精準平穩(wěn)地擺放到船上；如今，操作人員只需坐在中控室里，輕點鼠標就能完成這一整個過程。

碼頭自動化系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)概述

洋山港四期目前已經(jīng)完成調(diào)試的首批10臺橋吊、40臺軌道吊、50臺AGV（AutomatedGuidedVehicle）將投入開港試生產(chǎn)，根據(jù)規(guī)劃洋山港四期最終將配置26臺橋吊、120臺軌道吊、130臺AGV。依靠這些自動化和智能化設備，洋山港四期碼頭作業(yè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了無人化自動裝卸。

貝加萊提供了首批設備的10臺橋吊PC控制器和50臺AGV導航控制器，洋山港四期自動化碼頭系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。

圖1洋山港四期碼頭自動化系統(tǒng)的構(gòu)成

橋吊控制系統(tǒng)

2.2.1基于APC-910的橋吊ACCS解決方案

APC910作為橋吊（QuayCrane）系統(tǒng)的單機智能控制器，運行著QCMS（QuayCraneManagementSystem）系統(tǒng)和ACCS（AutomaticCraneControlSystem）實時控制系統(tǒng)，連接著上層設備控制系統(tǒng)（EquipmentControlSystem，ECS）和底層電控系統(tǒng)（西門子PLC+驅(qū)動器），起著單機主控大腦的關鍵作用。

2.2.2貝加萊為其自動化系統(tǒng)引入新的解決方案

（1）Windows（或Linux）與Runtime并列運行

貝加萊為其自動化系統(tǒng)提供了一個新一代的解決方案。該解決方案允許Windows或Linux系統(tǒng)與貝加萊自己的實時操作系統(tǒng)（Runtime）并列運行。比方說，它可以使您能夠在單臺PC上將控制和IT應用程序結(jié)合到一起，或者可以實現(xiàn)一機兩用，使工業(yè)PC同時兼具實時控制器和運營服務器的雙重功能，將預處理數(shù)據(jù)通過OPCUA發(fā)送到上位系統(tǒng)和云端。

特點:

兩個操作系統(tǒng)并存在一臺設備上

如圖2所示，Windows（或Linux）系統(tǒng)與實時操作系統(tǒng)（Runtime）并存在一臺設備上。

圖2兩個操作系統(tǒng)并存在一臺設備上

虛擬網(wǎng)絡

該解決方案提供虛擬網(wǎng)絡連接，允許應用程序在操作系統(tǒng)之間交換數(shù)據(jù)。就像通常的以太網(wǎng)接口一樣，這里的數(shù)據(jù)交換使用的是標準網(wǎng)絡協(xié)議。使用一塊未分配給任何一個操作系統(tǒng)的預留內(nèi)存區(qū)域，用來進行數(shù)據(jù)交換，以替代電纜的功能。

最大柔性

用戶可以在貝加萊的AutomationStudio集成軟件開發(fā)環(huán)境中配置該解決方案，并分配硬件資源。該監(jiān)管軟件的配置是針對每個系統(tǒng)分別定義的，這樣一來，就為資源的利用提供了最大的柔性。

2.2.3基于建模仿真的電子防搖系統(tǒng)

在這個項目中，振華重工智慧集團基于貝加萊X20系統(tǒng)為岸橋開發(fā)了全球最為領的先的電子防搖系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了先進的建模仿真技術，通過在MATLAB/Simulink軟件中對整個岸橋的機械物理模型進行構(gòu)建，對傳感器、控制模型進行仿真，獲得最優(yōu)控制模型及參數(shù)，從而使得整個岸橋的速度、定位精度等指標達到了極高的水準，以滿足洋山港特殊的環(huán)境需求。由于該港口狹長的特點，必須通過更為高效的集裝箱吊裝過程才能提高港口整體吞吐量。

圖3基于建模仿真技術的岸橋機械物理模型構(gòu)建

集裝箱吊裝過程中主要存在因曳引繩導致的搖擺和扭轉(zhuǎn)兩種影響吊裝效率的因素，搖擺和扭轉(zhuǎn)會使得吊裝的貨物不能快速定位并準確地停放于集裝箱運輸車輛上，因此，必須對其進行抑制，才能縮短整個吊裝過程，從而提高單位時間內(nèi)的吊裝量，這將影響到碼頭實際的吞吐能力?；诮７抡婕夹g，可以開發(fā)在各種場景下影響吊裝過程的路徑，同時考慮障礙物、風速等因素，并構(gòu)建可重復使用的穩(wěn)定軟件模塊，這個模塊在mapp中稱為mappCRANE，它專門針對各種吊裝過程，這個mappCRANE不但可以應用于岸橋，同樣也適用于其它場合，如天車、大型履帶式設備等。

另一個必須考慮的因素是對人工的消耗。由于每臺岸橋的駕駛和保障往往需要多人協(xié)同，因此，能夠?qū)崿F(xiàn)自動吊裝，包括與ERP中集裝箱在船中的位置匹配并形成吊裝過程的規(guī)劃，然后由岸橋分布吊裝任務并實施基于視覺的檢測，然后進行快速穩(wěn)定的吊裝。必須考慮到現(xiàn)場的多種場景，包括是否需要安全區(qū)域、防止碰撞、軌跡上限制及停車等多種因素。

AGV自動導航卡車控制系統(tǒng)

2.3.1基于X20CP1586的導航控制解決方案

AGV體現(xiàn)了自動化碼頭的亮點和特色，是整個自動化碼頭上最能體現(xiàn)智能化和無人化的重要部分。在計算機指令控制下，40多米高的橋吊會伸出長臂，準確鎖住集裝箱，將它們從船上抓起再放到AGV自動導航卡車上，裝卸精度以毫米計。裝好集裝箱的AGV自動導航卡車可實現(xiàn)無人駕駛、自動導航、路徑優(yōu)化、主動避障等功能，它的導航儀就是地下埋設的61483枚磁釘，這些磁釘信號正是通過安裝在AGV上的天線與貝加萊的X20CP1586進行實時通訊。

這些精確的定位和自動導航功能均基于貝加萊的X20CP1586控制器。作為運行核心算法的導航控制器，也是AGV電控系統(tǒng)的大腦，通過無線網(wǎng)絡接收來自中控VMS（VehicleManagementSystem）的任務指令，采集本地環(huán)境位置信息，根據(jù)遠程指令，規(guī)劃最優(yōu)路線，驅(qū)動底層電控，到達指定位置，貝加萊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性關系到整個自動化碼頭系統(tǒng)的成敗。

2.3.2開放的自動化解決方案平臺

貝加萊的AutomationStudio集成軟件開發(fā)平臺擁有模塊化架構(gòu)和組織的編程環(huán)境，為AGV提供了強大的開發(fā)能力，集成了符合國際標準的IEC61131-3編程語言和功能強大的C/C++高級語言，使得智能設備的開發(fā)具有更大的靈活性。

在AutomationStudio開發(fā)平臺中，現(xiàn)場總線設備被添加了相應的現(xiàn)場總線接口，可以像I/O模塊一樣進行配置，所具有的第三方設備導入功能為導入其它各個供應商的設備描述程序提供了統(tǒng)一的接口（GSD，EDS等），在AGV小車中使用了很多現(xiàn)場總線協(xié)議，都可以毫不費力地集成進來。

針對AGV上許多第三方網(wǎng)絡設備，包括與中控ECS（EquipmentControlSystem）的網(wǎng)絡通訊，AutomationStudio提供了EthernetTCP/UDP通信庫，用戶可以通過它創(chuàng)建他們自己的基于TCP/UDP的協(xié)議。

由于AGV屬于移動設備，加上無人化碼頭的需求，遠程訪問和遠程診斷功能是必不可少的。AutomationStudio提供了廣泛的診斷工具用于讀取系統(tǒng)信息并能優(yōu)化系統(tǒng)，借助系統(tǒng)診斷管理器可以通過標準的Web訪問讀取廣泛的目標系統(tǒng)信息，并支持多種主流網(wǎng)絡協(xié)議（FTP/VNC/HTTP），實現(xiàn)從文件到HMI（HumanMachineInterface）的遠程操作。

圖4示出了工程軟件開發(fā)工具與實時網(wǎng)絡的接口。

圖4工程軟件開發(fā)工具與實時網(wǎng)絡接口

2.3.3基于模型的導航控制算法開發(fā)

在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)時代，建模、仿真和虛擬調(diào)試等概念正在迅速成為自動化技術開發(fā)過程中的標準程序。無縫聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)工具、前所未有的靈活性和高效的資源管理，都有助于優(yōu)化開發(fā)流程，使項目更快得以實施和運行。

AutomationStudioTargetforSimulink為MATLAB/Simulink自動代碼生成到貝加萊目標系統(tǒng)提供了一個接口。MATLAB?/Simulink?和AutomationStudio仿真和開發(fā)工具使您從開發(fā)模型到生成高質(zhì)量的程序代碼僅需花費幾分鐘時間。支持C、C++和結(jié)構(gòu)文本（IEC61131-3中指定的）語言。使用MATLAB?和Simulink?的基于模型開發(fā)不僅提高了生產(chǎn)質(zhì)量，而且還縮短了開發(fā)時間。

圖5與貝加萊系統(tǒng)100%兼容的標準任務

由于洋山港四期自動化碼頭工程的龐大及復雜性，在設計調(diào)試AGV導航算法時，AutomationStudio軟件開發(fā)平臺實現(xiàn)了虛擬調(diào)試環(huán)境，可以通過TCP/IP將目標系統(tǒng)連接到Simulink模型，并在運行時雙向交換數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可以直接在Simulink模型中提供給目標系統(tǒng)（例如，使用“范圍”或“顯示”）或從Simulink模型中寫入目標系統(tǒng)（例如，使用Simulink“增益”或“常量”塊）。

總體來說，貝加萊為岸橋、自動軌道吊、AGV提供了控制系統(tǒng)，通過中央調(diào)度系統(tǒng)，AGV接受來自其所下發(fā)的路徑及路徑速度等信息，控制其路徑準確定位抵達指令位置，而這些繁忙的工作現(xiàn)場，貝加萊X20系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，以及對環(huán)境的適應力都是整個港口穩(wěn)定工作的保障。

效益分析

隨著集裝箱船的大型化，集裝箱碼頭面臨吞吐量急劇增加的巨大壓力。加之勞動力成本增加和勞動力資源匱乏，以及環(huán)保理念深入人心，高效節(jié)能的自動化碼頭成為發(fā)展趨勢，而科學技術的進步則為自動化碼頭的發(fā)展帶來了新的機遇。

洋山港四期也是全球綜合自動化程度最高的碼頭，之所以決定要把洋山港四期建成全自動化碼頭，是因為這里的集裝箱泊位長度是2350米，而寬度只有500米。對于傳統(tǒng)碼頭來說非常狹窄，如果按照傳統(tǒng)方式，最大作業(yè)能力也就只有500萬標準箱，而如果設計成為無人碼頭，則吞吐量可以提升25%，達到630萬標準箱。

海側(cè)的岸橋全部是自動化遠程操控，在陸側(cè)使用的軌道吊也實現(xiàn)了自動著箱，海側(cè)軌道吊全部是雙箱自動化軌道吊，自動化雙箱軌道吊，配合自動化雙箱岸橋作業(yè)，可盡快釋放岸線空間，提高碼頭的使用率，能夠提升50%的工作效率，洋山港四期作業(yè)效率將來會達到40箱/小時，遠超人工碼頭的作業(yè)效率，實現(xiàn)減少70%的人工。

洋山港四期還在亞洲港口中首次自動導引車（AGV，AutomatedGuidedVehicle）自動換電系統(tǒng)，按照設計，更換電池全程只需6分鐘，電池充滿電僅需2小時，整個充電過程零排放，可節(jié)省能耗40%以上。

此外，自動化碼頭還能24小時不間斷作業(yè)，保證操作工人人身安全，工作環(huán)境也得到極大改善。

結(jié)束語

洋山港四期碼頭的建成和投產(chǎn)，標志著中國港口行業(yè)在運營模式和技術應用上實現(xiàn)了里程碑式的跨越升級與重大變革，更為上海港進一步鞏固港口集裝箱貨物吞吐能力世界第一地位、加速躋身世界航運中心前列提供了全新動力。

業(yè)內(nèi)專家認為，“貝加萊公司的橋式起重機和AGV控制技術成功應用于洋山港四期的全球綜合自動化程度最高的碼頭，表明了該公司自動化控制技術達到了很高水平，其設備控制技術在洋山港的成功應用，對建設智能港口、實現(xiàn)無人化自動裝卸提供了經(jīng)驗和借鑒”。

圖6洋山港四期碼頭全貌

參考文獻

[1]貝加萊為港口貨物裝卸區(qū)提供整套控制方案.

[2]未來的自動化港口物流.

[3]基于貝加萊PCC架構(gòu)的自動化碼頭調(diào)度管理與控制系統(tǒng).

作者簡介

周曉霞，女，1966年出生，甘肅省天水市人，本科，高級政工師。88年12月至2007年10月在國企從事宣傳工作，2007年11月至今在貝加萊工業(yè)自動化（中國）有限公司市場部負責市場支持等工作。

吳洲，男，1985年出生，江蘇啟東人，碩士，資深工程師。2010年12月至今在貝加萊工業(yè)自動化（中國）有限公司技術部負責新能源業(yè)務和港機（自動化碼頭）業(yè)務拓展工作。

關于貝加萊

貝加萊是一個總部位于奧地利并擁有遍布全球分支機構(gòu)的創(chuàng)新驅(qū)動型自動化企業(yè)，2017年7月，貝加萊成為ABB集團全球機器與工廠自動化業(yè)務單元。作為全球工業(yè)自動化領域的領導者，貝加萊融合了前沿技術與先進的工程能力，為各個產(chǎn)業(yè)客戶提供機器與工廠自動化、運動控制、HMI以及集成安全技術的完整解決方案。通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信標準如OPCUA、POWERLINK和openSAFETY以及貝加萊強大的AutomationStudio軟件開發(fā)環(huán)境，貝加萊不斷重新定義自動化工程的未來。貝加萊保持持續(xù)的創(chuàng)新精神，為客戶提供更為簡化以及超出預期的工業(yè)自動化領域前沿技術與方案。