堆場管理仿真系統

（上海振華重工集團股份有限公司，上海 200125）

1 簡介

堆場管理是在堆場總體安排原則指導下，以保證碼頭正常作業為前提，提高碼頭工作效率為目的的一系列堆場策劃工作。它是碼頭生產作業的一個重要環節，包括集裝箱的進提箱、堆場整理以及裝卸等有關的堆場策劃安排。目前，集裝箱碼頭之間的競爭實質是效率的競爭，任何一個碼頭要提升核心競爭力，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的管理是否合理。因此，優秀的堆場管理系統是提高管理合理性、設備利用率和降低運營成本的有力手段，同時也是高效自動化碼頭的重要組成部分之一。

自動化碼頭的堆場管理已經成為現代化國際樞紐港發展的必然趨勢，正得到各大港口的重視，并且已經成為目前國際上一些公司的重點發展方向，目前世界已有部分堆場的管理達到全部網絡化、信息化、自動化。而國內大多數依然受困于技術、經驗和資金能力等因素的限制，在運營模式上沒有能完全轉型為自動化管理。

堆場管理仿真是開展碼頭自動化建設過程的重要階段之一，堆場管理仿真系統則是完成這一階段工作的技術核心。本項目研發的堆場管理仿真系統提供包括系統、服務器、設備在內的全套仿真環境，通過軟硬件結合、多子系統協作，以簡單便捷的指令完成各項作業任務的執行、暫停、終止等操作，并通過三維動態可視化技術直觀展示作業任務全過程。

堆場管理仿真系統通過可靠高速的通訊方式聯接自動化碼頭裝卸計劃系統（TOS）和起重機單機自動控制系統（ACCS），接收作業任務，控制作業指令執行，并向反饋任務執行狀態。

堆場管理仿真系統不僅可以通過指令對各類作業任務進行全程模擬，同時還考慮到了環境因素（如風力等）可能對作業任務帶來的影響，有效保證了模擬作業任務的有效性和合理性，為后續工作的開展提供充足準確的依據。

本系統提供了一個完全模擬現場的環境，可模擬規范作業以及管理的各個環節，有利于早期發現問題，節約財力物力，并為隨后的現場測試提供基礎和決策方向。

本系統的靈活可變性，決定了這是一款適應公司開拓新興市場方針的軟件產品。針對不同的項目需求與客戶需求，可以快速修改系統配置以適應新的需求。

2 系統結構

堆場管理仿真系統通過可靠高速的通訊方式聯接自動化碼頭裝卸計劃系統（TOS）和起重機單機自動控制系統（ACCS），接收作業任務，控制作業指令執行，并向反饋任務執行狀態。系統架構如圖1所示。

仿真系統包括：起重機單機自動控制層（ACL），起重機單機自動控制系統（ACCS），邏輯控制器（Basic Control）和起重機遠程監控系統（RCMS）。

圖1 系統結構圖

2.1 起重機單機自動控制層（ACL）

每個堆場部署1-2臺ARMG，每臺ARMG配備一個ACL系統，ACL從TOS接口獲取作業任務，校驗任務，與同堆場的另外一個ACL協調，根據雙方的任務數據和設備狀態數據生成安全、高效、協作的任務作業指令發送到ARMG執行，執行過程中對任務數據和設備狀態數據的變動及時做出合理的調整，并將任務執行結果向TOS反饋，并記錄任務執行過程中的要求的各種運行數據。ACL運行在工控機上，與起重機單機自動控制系統（ACCS）通過OPC進行數據交互。

2.2 起重機單機自動控制系統（ACCS）

每臺ARMG配備一個ACCS系統，ACCS從ACL獲得ARMG的動作指令，并將指令進行分析、分解，生成各個機構的運動命令，通過信號點控制邏輯控制器（Basic Control）進行相應的動作控制。其主要功能包括實時運動控制，ACL指令解析，ARMG工作模式控制，大車、小車、起升和吊具等機構運動路徑規劃，安全控制（包括大車防撞保護，設備自身安全保護和基于業務需求的安全防護規則），異常處理（包括故障和維修時的處理機制），設備狀態監控并反饋到上層控制系統以及設備運行日志記錄。ACCS運行在B&R高性能工業PLC上，通過ProfiNet連接邏輯控制器（Basic Control），通過POWERLINK連接堆場安全控制模塊，通過以太網連接ACL。

2.3 邏輯控制器（Basic Control）

每臺ARMG配備一個邏輯控制器，它接收ACCS的控制信號，并將信號處理轉換為控制繼電器，變頻機，馬達等電氣設備的I/O點，同時在運行過程中提供安全保護，包括斷電保護，緊停保護，起升過速保護和大車、小車、起升超程保護和超載保護。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 堆場安全控制（Safety）

一個堆場配備一個堆場安全控制模塊，在單個獨立堆場的系統仿真環境中，一般只需要一個Safety模塊。在馬士基Vado項目上，該模塊負責兩臺ARMG之間的防撞保護；負責管理兩個交換區的車道狀態，包括跨運車的車道占用情況，ARMG的車道占用情況，集裝箱的貝位占用情況，車道激活狀態以及車道紅綠燈狀態；負責處理ARMG車道占用申請；負責管理四個冷藏箱區的狀態，包括箱區人數統計，箱區內ARMG狀態和警鈴警燈報警狀態；負責處理ARMG箱區占用申請；負責處理門禁進入申請。此模塊運行在一臺安全PLC上，通過POWERLINK連接ACCS，通過OPC與觸摸屏交互，獲取跨運車和人員的狀態，并將車道紅綠燈，冷藏區警鈴警燈，門禁允許進入標志等信息反饋到觸摸屏上。

2.5 變流器和馬達仿真器

負責接收邏輯控制器給出的I/O信號指令，模擬ARMG各主要電氣部件的動作，并將狀態反饋給邏輯控制器。仿真器的使用替代了真實的設備，使得系統在實驗室環境中運行成為可能。該模塊部署在PLC上，通過ProfiNet與兩臺邏輯控制器連接。

2.6 觸摸屏

圖2 觸摸屏運行截圖

負責顯示ARMG各運行機構狀態，包括大車、小車位置，起升高度，吊具尺寸，開閉鎖狀態和導板狀態等，顯示交換區車道紅綠燈狀態，交換區車道跨運車占用情況，冷藏區警鈴警燈狀態以及門禁進入鎖定狀態；

查看ARMG運行參數，包括大車，小車和起升的最大速度，加速度，動作范圍等信息；提供設置并查看交換區內跨運車數量、位置，冷藏區人員數量、位置，ARMG帶箱箱重和現場風速等信息的人機交互界面；提供控制交換區跨運車進出，門禁人員進出的人機交互界面；提供ARMG操作控制界面，包括控制開合，遠程/本地模式選擇，設備緊停，故障復位，機構旁路以及大車，小車，起升和吊具等機構的動作控制操作。該控制功能代替了遠程操作臺和遙控手柄的功能，實現了模擬ARMG在非自動控制情況下作業或進行故障處理的能力。

2.7 3D Terminal View三維堆場圖像顯示

圖3 3D Terminal View運行截圖

3D Terminal View通過3D動態可視化方式展示指令完成過程，可以依據用戶需求選取不同設備，并任意變換顯示角度以方便查看。該界面通過OPC獲取并實時顯示多個堆場內ARMG的狀態，包括大車，小車，起升和吊具的位置，通過動畫展現它們的運動過程。此外該界面展示了堆場的整體結構和貝位、列位規劃；通過訪問OPC點，它可以展示交換區內的跨運車以及冷藏區內人員的分布情況，在大車運動過程中會顯示ARMG的鎖閉區，幫助分析大車防撞的策略；通過訪問數據庫，它可以展示堆場內集裝箱的分布情況，幫助了解任務進程。獲得與現場真實環境相當的感官體驗。

2.8 RCMS

負責監視ARMG各機構的運行狀態，顯示設備故障信息并提供歷史故障記錄統計功能。相較于觸摸屏，能更加詳細的描述設備的實時狀態信息和故障信息，幫助電氣控制系統和ACCS系統的開發調試人員方便的發現問題，定位問題，解決問題。

3 仿真過程

3.1 準備工作

首先開啟系統上述各個模塊，確保互相連接正常，數據交互正常。隨后檢查系統運行參數是否按照項目測試用例要求進行配置，包括ARMG大車，小車和起升的最大速度，加速度等數值。將設備調整到測試要求的初始狀態，包括大車，小車位置，起升高度，吊具開閉鎖狀態和吊具尺寸等數值，堆場內和交換區的集裝箱分布。在進行ACL的調試前需要清理數據庫中的殘余數據。

圖4 RCMS運行截圖

3.2 啟動仿真

通過TOS或數據庫訪問工具將任務導入數據庫。當ACL讀取到新任務后就會將作業指令發送到ACCS，繼而由ACCS控制邏輯控制器帶動設備仿真器進行動作。此時整個系統的仿真開始正常運作。

3.3 仿真控制

在系統運行過程中可以通過點擊觸摸屏上交換區和冷藏區的設置界面，控制交換區車道跨運車占用情況，交換區箱分布情況和冷藏區人員分布情況，以滿足不同測試工況要求。當系統發生異常或其他需要人工介入的情況下，可以通過觸摸屏操作設備動作，完成故障處理，人工抓放箱，緊停安全控制等工況流程的測試。

3.4 過程監控

除了各個模塊自身的日志記錄和數據監控功能外，本仿真系統提供了觸摸屏，三維堆場圖像顯示器和RCMS等圖形化界面，幫助開發調試人員可以更快捷直觀地查看當前系統和各子系統的運行狀況。

4 仿真目的

4.1 ACL仿真

由于ACL是上層控制系統，脫離于實際設備，在本系統中可以完全使用項目正式ACL程序版本。因此本仿真系統可以用作ACL的實驗室開發測試環境，包括與TOS接口，與ACCS接口的測試以及對于程序自身不同業務流程的工況測試。減少因為設備問題而影響ACL調試進度的可能性，提高開發效率，縮短ACL現場調試時間，進而節省軟件開發調試成本。

4.2 ACCS仿真

本系統中除了類似TDS，SDS等檢測模塊不具備實驗室條件下進行仿真外，可以測試大部分ACCS功能模塊，包括與ACL接口，與邏輯控制器接口的測試以及對于程序自身不同業務流程的工況測試。在實驗室條件下也可進行主要功能的開發和程序邏輯驗證，提前程序開發開始時間，加快開發和調試進度，縮短ACCS現場調試時間，節省開發調試成本。

4.3 堆場安全控制仿真

本系統通過觸摸屏的輸入，模擬了交換區，冷藏區和門禁系統的狀態，使得堆場安全控制模塊可以擺脫實際現場設施，在仿真系統環境下進行開發測試，驗證程序邏輯，提前程序開發開始時間，加快開發和調試進度，縮短ACCS現場調試時間，節省開發調試成本。

4.4 邏輯控制器仿真

在自動化堆場系統中，邏輯控制器是最接近于底層設備的模塊。通常系統調試只能在現場通過連接真實設備來完成。得益于變流器和馬達的仿真器，邏輯控制器也可以進行程序測試，測試與ACCS的接口，驗證部分控制邏輯。提前程序開發開始時間，加快開發和調試進度，縮短現場調試時間，節省開發調試成本。

4.5 系統性能仿真

除了提供對各子系統的測試環境，本系統另一個主要作用是展示自動化堆場系統的總體性能，包括任務執行效率，各個工況下的設備執行情況，與客戶一起驗證設備運動和安全控制機制是否滿足業務需求，以便盡早發現問題，調整設計思路，甚至于幫助客戶調整港口業務規則，及時修改需求設計，減少返工成本。

5 結束語

本堆場管理仿真系統提供了觸摸屏，變流器和馬達仿真器，3D Terminal View和RCMS作為外部條件參數輸入和內部運行狀態輸出界面為包括ACL，ACCS，堆場安全控制模塊和邏輯控制模塊在內的各子系統提供仿真測試環境。在實驗室環境，沒有真實設備的條件下也能進行大部分功能的開發和測試，縮短現場調試時間，降低調試過程中的危險，提高調試效率，降低調試成本。通過整體系統性能的仿真，統計設備運行效率，在開發前期能夠盡早的發現設計層面上的系統缺陷，推進整體項目進度。本系統已經使用于意大利Vado自動化碼頭，獲得用戶好評。未來將會推廣到更多項目，包括：馬士基摩洛哥Tangiers TM2碼頭12臺雙小車橋吊項目等。本系統的研發完成，支持了公司現有項目的需求，并且作為領頭羊填補了國內此類軟件類型的塊空白。

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