贝加莱控制技术在洋山港四期全自动化码头上的应用

摘要：建设全自动化码头，是港口业发展的新趋势。洋山港四期是全球最大的智能化码头，它将成为全自动化码头的“集大成者”，而振华重工智慧集团与贝加莱的合作为这个项目的成功提供了保障。本文介绍了该项目的背景、规划和工艺目标，基于贝加莱先进控制技术和设备构建了码头自动化系统，从而实现了对桥吊、AGV卡车等码头主要设备的自动化和智能化控制。洋山港四期码头的建成和投产，标志了中国港口行业在运营模式和技术应用上实现了跨越式升级与重大变革。

关键词：洋山港四期；全自动化码头；贝加莱控制技术；桥吊；AGV卡车

项目背景

全自动化码头，是港口业发展的新趋势,也是一项较为典型的通过先进技术获得巨大经济效益与产业升级效应的项目。国内的厦门和青岛、国外的鹿特丹等港口，都在探索这一方向。

洋山港四期全自动化码头受到了国家的高度重视，它是上海全球港口物流中心的重要一环，也是上海全球航运中心建设的重要一环，因此，具有举足轻重的意义。洋山港四期是全球最大的智能化码头，它将以全球最大的规模和体量，成为全自动化码头的“集大成者”。而振华重工智慧集团与贝加莱的合作为这个项目的成功提供了保障。

该项目主要由振华重工智慧集团提供港口关键设备及整个港口的运营管理系统。基于过去在厦门港、青岛港等一系列合作的成功案例，振华重工智慧集团在该项目上继续采用了贝加莱研发的控制设备和技术，为其岸桥、自动轨道吊、AGV自动导引车等重要设备提供了配套的控制系统。在该项目中，总共有10台岸桥、40台自动轨道吊和50台AGV，而在官方展示的规划中，整个洋山港则共规划了26台岸桥，以及超过100台的大型AGV和轨道吊。

项目规划与工艺目标

洋山港四期共拥有2350米长的岸线，一次性地建成7个泊位。首期设备开港后，将形成400万标箱／年的吞吐能力。后期继续扩大规模，最终将有26台岸桥、约120台轨道吊和超过130辆自动导引运输车(AGV)投入使用，吞吐量将达到630万标箱／年。

自动化设备和技术的广泛应用，将推动港口朝着智能化的方向发展，也将极大地提高港口工人的劳动生产率并改善工作条件。以下的场景将在该项目完成后呈现出来——港口货船和码头货场上巨大的集装箱被轻轻抓起又放下，无人驾驶的电动车辆来回穿梭。以往，桥吊司机坐在高达50米的控制室里，凭肉眼和手动操作将几十吨的集装箱精准平稳地摆放到船上；如今，操作人员只需坐在中控室里，轻点鼠标就能完成这一整个过程。

码头自动化系统

2.1系统概述

洋山港四期目前已经完成调试的首批10台桥吊、40台轨道吊、50台AGV（AutomatedGuidedVehicle）将投入开港试生产，根据规划洋山港四期最终将配置26台桥吊、120台轨道吊、130台AGV。依靠这些自动化和智能化设备，洋山港四期码头作业区域实现了无人化自动装卸。

贝加莱提供了首批设备的10台桥吊PC控制器和50台AGV导航控制器，洋山港四期自动化码头系统的构成如图1所示。

图1洋山港四期码头自动化系统的构成

2.2桥吊控制系统

2.2.1基于APC-910的桥吊ACCS解决方案

APC910作为桥吊（QuayCrane）系统的单机智能控制器，运行着QCMS（QuayCraneManagementSystem）系统和ACCS（AutomaticCraneControlSystem）实时控制系统，连接着上层设备控制系统（EquipmentControlSystem，ECS）和底层电控系统（西门子PLC+驱动器），起着单机主控大脑的关键作用。

2.2.2贝加莱为其自动化系统引入新的解决方案

（1）Windows（或Linux）与Runtime并列运行

贝加莱为其自动化系统提供了一个新一代的解决方案。该解决方案允许Windows或Linux系统与贝加莱自己的实时操作系统（Runtime）并列运行。比方说，它可以使您能够在单台PC上将控制和IT应用程序结合到一起，或者可以实现一机两用，使工业PC同时兼具实时控制器和运营服务器的双重功能，将预处理数据通过OPCUA发送到上位系统和云端。

特点:

●两个操作系统并存在一台设备上

如图2所示，Windows（或Linux）系统与实时操作系统（Runtime）并存在一台设备上。

图2两个操作系统并存在一台设备上

●虚拟网络

该解决方案提供虚拟网络连接，允许应用程序在操作系统之间交换数据。就像通常的以太网接口一样，这里的数据交换使用的是标准网络协议。使用一块未分配给任何一个操作系统的预留内存区域，用来进行数据交换，以替代电缆的功能。

●最大柔性

用户可以在贝加莱的AutomationStudio集成软件开发环境中配置该解决方案，并分配硬件资源。该监管软件的配置是针对每个系统分别定义的，这样一来，就为资源的利用提供了最大的柔性。

2.2.3基于建模仿真的电子防摇系统

在这个项目中，振华重工智慧集团基于贝加莱X20系统为岸桥开发了全球最为领的先的电子防摇系统。该系统采用了先进的建模仿真技术，通过在MATLAB/Simulink软件中对整个岸桥的机械物理模型进行构建，对传感器、控制模型进行仿真，获得最优控制模型及参数，从而使得整个岸桥的速度、定位精度等指标达到了极高的水准，以满足洋山港特殊的环境需求。由于该港口狭长的特点，必须通过更为高效的集装箱吊装过程才能提高港口整体吞吐量。

图3基于建模仿真技术的岸桥机械物理模型构建

集装箱吊装过程中主要存在因曳引绳导致的摇摆和扭转两种影响吊装效率的因素，摇摆和扭转会使得吊装的货物不能快速定位并准确地停放于集装箱运输车辆上，因此，必须对其进行抑制，才能缩短整个吊装过程，从而提高单位时间内的吊装量，这将影响到码头实际的吞吐能力。基于建模仿真技术，可以开发在各种场景下影响吊装过程的路径，同时考虑障碍物、风速等因素，并构建可重复使用的稳定软件模块，这个模块在mapp中称为mappCRANE，它专门针对各种吊装过程，这个mappCRANE不但可以应用于岸桥，同样也适用于其它场合，如天车、大型履带式设备等。

另一个必须考虑的因素是对人工的消耗。由于每台岸桥的驾驶和保障往往需要多人协同，因此，能够实现自动吊装，包括与ERP中集装箱在船中的位置匹配并形成吊装过程的规划，然后由岸桥分布吊装任务并实施基于视觉的检测，然后进行快速稳定的吊装。必须考虑到现场的多种场景，包括是否需要安全区域、防止碰撞、轨迹上限制及停车等多种因素。

2.3AGV自动导航卡车控制系统

2.3.1基于X20CP1586的导航控制解决方案

AGV体现了自动化码头的亮点和特色，是整个自动化码头上最能体现智能化和无人化的重要部分。在计算机指令控制下，40多米高的桥吊会伸出长臂，准确锁住集装箱，将它们从船上抓起再放到AGV自动导航卡车上，装卸精度以毫米计。装好集装箱的AGV自动导航卡车可实现无人驾驶、自动导航、路径优化、主动避障等功能，它的导航仪就是地下埋设的61483枚磁钉，这些磁钉信号正是通过安装在AGV上的天线与贝加莱的X20CP1586进行实时通讯。

这些精确的定位和自动导航功能均基于贝加莱的X20CP1586控制器。作为运行核心算法的导航控制器，也是AGV电控系统的大脑，通过无线网络接收来自中控VMS（VehicleManagementSystem）的任务指令，采集本地环境位置信息，根据远程指令，规划最优路线，驱动底层电控，到达指定位置，贝加莱控制系统的稳定性关系到整个自动化码头系统的成败。

2.3.2开放的自动化解决方案平台

贝加莱的AutomationStudio集成软件开发平台拥有模块化架构和组织的编程环境，为AGV提供了强大的开发能力，集成了符合国际标准的IEC61131-3编程语言和功能强大的C/C++高级语言，使得智能设备的开发具有更大的灵活性。

在AutomationStudio开发平台中，现场总线设备被添加了相应的现场总线接口，可以像I/O模块一样进行配置，所具有的第三方设备导入功能为导入其它各个供应商的设备描述程序提供了统一的接口（GSD，EDS等），在AGV小车中使用了很多现场总线协议，都可以毫不费力地集成进来。

针对AGV上许多第三方网络设备，包括与中控ECS（EquipmentControlSystem）的网络通讯，AutomationStudio提供了EthernetTCP/UDP通信库，用户可以通过它创建他们自己的基于TCP/UDP的协议。

由于AGV属于移动设备，加上无人化码头的需求，远程访问和远程诊断功能是必不可少的。AutomationStudio提供了广泛的诊断工具用于读取系统信息并能优化系统，借助系统诊断管理器可以通过标准的Web访问读取广泛的目标系统信息，并支持多种主流网络协议（FTP/VNC/HTTP），实现从文件到HMI（HumanMachineInterface）的远程操作。

图4示出了工程软件开发工具与实时网络的接口。

图4工程软件开发工具与实时网络接口

2.3.3基于模型的导航控制算法开发

在工业物联网时代，建模、仿真和虚拟调试等概念正在迅速成为自动化技术开发过程中的标准程序。无缝联网的开发工具、前所未有的灵活性和高效的资源管理，都有助于优化开发流程，使项目更快得以实施和运行。

AutomationStudioTargetforSimulink为MATLAB/Simulink自动代码生成到贝加莱目标系统提供了一个接口。MATLAB®/Simulink®和AutomationStudio仿真和开发工具使您从开发模型到生成高质量的程序代码仅需花费几分钟时间。支持C、C++和结构文本（IEC61131-3中指定的）语言。使用MATLAB®和Simulink®的基于模型开发不仅提高了生产质量，而且还缩短了开发时间。

图5与贝加莱系统100%兼容的标准任务

由于洋山港四期自动化码头工程的庞大及复杂性，在设计调试AGV导航算法时，AutomationStudio软件开发平台实现了虚拟调试环境，可以通过TCP/IP将目标系统连接到Simulink模型，并在运行时双向交换数据。数据可以直接在Simulink模型中提供给目标系统（例如，使用“范围”或“显示”）或从Simulink模型中写入目标系统（例如，使用Simulink“增益”或“常量”块）。

总体来说，贝加莱为岸桥、自动轨道吊、AGV提供了控制系统，通过中央调度系统，AGV接受来自其所下发的路径及路径速度等信息，控制其路径准确定位抵达指令位置，而这些繁忙的工作现场，贝加莱X20系统的稳定可靠，以及对环境的适应力都是整个港口稳定工作的保障。

3效益分析

随着集装箱船的大型化，集装箱码头面临吞吐量急剧增加的巨大压力。加之劳动力成本增加和劳动力资源匮乏，以及环保理念深入人心，高效节能的自动化码头成为发展趋势，而科学技术的进步则为自动化码头的发展带来了新的机遇。

洋山港四期也是全球综合自动化程度最高的码头，之所以决定要把洋山港四期建成全自动化码头，是因为这里的集装箱泊位长度是2350米，而宽度只有500米。对于传统码头来说非常狭窄，如果按照传统方式，最大作业能力也就只有500万标准箱，而如果设计成为无人码头，则吞吐量可以提升25%，达到630万标准箱。

海侧的岸桥全部是自动化远程操控，在陆侧使用的轨道吊也实现了自动着箱，海侧轨道吊全部是双箱自动化轨道吊，自动化双箱轨道吊，配合自动化双箱岸桥作业，可尽快释放岸线空间，提高码头的使用率，能够提升50%的工作效率，洋山港四期作业效率将来会达到40箱/小时，远超人工码头的作业效率，实现减少70%的人工。

洋山港四期还在亚洲港口中首次自动导引车（AGV，AutomatedGuidedVehicle）自动换电系统，按照设计，更换电池全程只需6分钟，电池充满电仅需2小时，整个充电过程零排放，可节省能耗40%以上。

此外，自动化码头还能24小时不间断作业，保证操作工人人身安全，工作环境也得到极大改善。

4结束语

洋山港四期码头的建成和投产，标志着中国港口行业在运营模式和技术应用上实现了里程碑式的跨越升级与重大变革，更为上海港进一步巩固港口集装箱货物吞吐能力世界第一地位、加速跻身世界航运中心前列提供了全新动力。

业内专家认为，“贝加莱公司的桥式起重机和AGV控制技术成功应用于洋山港四期的全球综合自动化程度最高的码头，表明了该公司自动化控制技术达到了很高水平，其设备控制技术在洋山港的成功应用，对建设智能港口、实现无人化自动装卸提供了经验和借鉴”。

图6洋山港四期码头全貌

参考文献

[1]贝加莱为港口货物装卸区提供整套控制方案.

[2]未来的自动化港口物流.

[3]基于贝加莱PCC架构的自动化码头调度管理与控制系统.

作者简介

周晓霞，女，1966年出生，甘肃省天水市人，本科，高级政工师。88年12月至2007年10月在国企从事宣传工作，2007年11月至今在贝加莱工业自动化（中国）有限公司市场部负责市场支持等工作。

吴洲，男，1985年出生，江苏启东人，硕士，资深工程师。2010年12月至今在贝加莱工业自动化（中国）有限公司技术部负责新能源业务和港机（自动化码头）业务拓展工作。

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