小議IIoT在ARMG上的部署

李琪皓 陸喜兵

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200125）

1 ARMG自動化軌道吊系統(tǒng)簡介

RMG軌道吊全稱軌道式集裝箱門式起重機，可以將堆場內(nèi)的集裝箱裝卸至物流交通工具上（集裝箱卡車或AGV等）。ARMG是在RMG基礎(chǔ)上設(shè)計的全自動化設(shè)備，可以在無人操作的前提下，實現(xiàn)傳統(tǒng)RMG的所有作業(yè)功能。

RMG的機電集成主要分為3個機構(gòu)，包括負責(zé)將集裝箱在垂直方向上提升或下降的提升機構(gòu)、負責(zé)集裝箱在堆場區(qū)和集卡裝卸區(qū)之間傳送的小車平移機構(gòu)和負責(zé)RMG整機預(yù)先部署在堆場軌道上行走的大車平移機構(gòu)。還有一些負責(zé)傳輸電纜部署的卷盤機構(gòu)、負責(zé)集裝箱抓取的吊具機構(gòu)、整機消防報警的安防機構(gòu)等各類輔助設(shè)備。

RMG本身就是一個較大型的設(shè)備集成，以全電氣化RMG為例，其部署的各類馬達數(shù)量在20個以上，作為傳動的驅(qū)動器設(shè)備一般為5～8個，各類傳感器超過200個。

ARMG自動化軌道吊系統(tǒng)是自動化軌道吊堆場的自動化調(diào)度和控制系統(tǒng)。依據(jù)行業(yè)經(jīng)驗，系統(tǒng)工作指令的入口來自港口的TOS碼頭任務(wù)調(diào)度，其工作內(nèi)容是依據(jù)TOS的裝卸需求，分配合適的ARMG設(shè)備，實現(xiàn)集裝箱到指定位置集卡的裝卸貨任務(wù)，全程自動化控制。

2 ARMG自動化軌道吊的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

（1）第一層為調(diào)度層BMS，主要功能為解析TOS輸入的指令，找到合適的ARMG設(shè)備執(zhí)行任務(wù)。設(shè)備主要部署在用戶的遠程監(jiān)控中心，包括一系列的服務(wù)器設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備及安全、保障設(shè)備和人機交互設(shè)備。

（2）第二層為指令層ACCS，主要功能為實現(xiàn)ARMG設(shè)備的自動化控制，可以像人為操作一樣執(zhí)行集裝箱的裝卸任務(wù)。核心功能設(shè)備可以是一個獨立部署的DCS功能的控制器，或和BCS控制器集成在同一個PLC的CPU內(nèi)。

（3）第三層為執(zhí)行層BCS，主要功能為實現(xiàn)RMG單機的各項功能。

在控制系統(tǒng)外，還需要獨立部署一個信息系統(tǒng)，其主要工作內(nèi)容包括收集整個系統(tǒng)上所有設(shè)備的信息；通過采集的信息，分析和判斷其工作狀態(tài)，保證整個系統(tǒng)的正常運行、故障分?jǐn)嗪蛻?yīng)急流程；設(shè)備故障觸發(fā)后提出報警，依據(jù)專家系統(tǒng)給出處理建議；依據(jù)趨勢分析判斷維保周期，依據(jù)CS團隊需求生成建議報告。

3 ARMG自動化軌道吊的網(wǎng)絡(luò)部署

ARMG自動化軌道吊系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的物理部署如圖1所示。

圖1 ARMG自動化軌道吊系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的物理部署

BMS工作面的各服務(wù)器設(shè)備和遠程部分的物聯(lián)信息收集用服務(wù)器設(shè)備RCMS部署在用戶的遠程控制中心，ACCS和BCS工作面以及其單機網(wǎng)絡(luò)匯聚用的匯聚交換機設(shè)備部署在現(xiàn)場的起重機上。

依據(jù)系統(tǒng)規(guī)模（RMG數(shù)量）考慮核心交換機組，系統(tǒng)規(guī)模不大時，依據(jù)就近原則與BMS工作面一起部署在遠程控制中心；規(guī)模較大時，獨立以一個信息交互中心部署。

ACCS設(shè)備的主要功能為對集裝箱、集卡等對象進行識別，給BCS下發(fā)具體的操作指令。ACCS和BCS工作面的總線多以工業(yè)以太網(wǎng)總線為基礎(chǔ)，區(qū)別為ACCS工作面的設(shè)備數(shù)量較少，但總線承載大量視頻數(shù)據(jù)流，對總線帶寬要求很高。根據(jù)指令-響應(yīng)的任務(wù)類型，對實時性要求中等，總線響應(yīng)要求中等。BCS工作面的設(shè)備主要為執(zhí)行具體工作的機電設(shè)備，其總線對數(shù)據(jù)帶寬要求中等，但設(shè)備均為實時控制，對實時性要求高，總線響應(yīng)要求高。BCS和ACCS可以共享同一個控制器，但仍然會部署各自獨立的網(wǎng)絡(luò)[1]。

4 IIoT方案的設(shè)計和部署

4.1 自動化系統(tǒng)對設(shè)備信息的需求

早期RMG設(shè)備的主要操作員為自然人，設(shè)備信息不足時，操作員有自己的主觀能動性，可以通過本地的各項檢測手段判斷設(shè)備的狀態(tài)。RMG升級到ARMG后，原有執(zhí)行機構(gòu)元器件的工作狀態(tài)全靠系統(tǒng)識別，新增自動化控制部分的設(shè)備也需要系統(tǒng)識別其工作狀態(tài)。

自動化設(shè)備全面鋪開后，為了保障人員安全，確保人際協(xié)調(diào)工作，整個自動化子系統(tǒng)所在物理工作區(qū)域內(nèi)需要指定嚴(yán)格的人員流動規(guī)程。設(shè)備任務(wù)作業(yè)記錄、設(shè)備維保信息等均需要由系統(tǒng)收集、處理、匯總成報告，通過網(wǎng)絡(luò)匯集到遠程控制中心，或直接提交至外部網(wǎng)絡(luò)上的干系終端[2]。

4.2 IIoT部署的方案

常規(guī)項目的信息收集屬于次級輔助功能型子系統(tǒng)。

常規(guī)項目信息收集部署如圖2所示。

圖2 常規(guī)項目信息收集部署

在單機上配置一臺工業(yè)計算機，部署LCMS本地信息系統(tǒng)，依據(jù)用戶要求采集一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。整個網(wǎng)絡(luò)只存在于單機且信號不超過5 000條目，一般采用最簡單的OPC DA協(xié)議，將關(guān)系數(shù)據(jù)庫簡單部署在LCMS上。用戶覺得必要時，直接在LCMS上檢索相關(guān)信息。

OPC DA（OLE for Process Control Data Access）是OPC基金設(shè)定的一種實時數(shù)據(jù)訪問規(guī)范，定義了數(shù)據(jù)交換，包括值、時間和質(zhì)量信息。OPC DA與OPC AE、OPC HAD一起搭建起整個OPC經(jīng)典架構(gòu)OPC CLASSIC。

OPC UA是OPC組織2008年發(fā)布的定義了OPC統(tǒng)一架構(gòu)的新標(biāo)準(zhǔn)，將OPC Classic規(guī)范的所有功能集成到一個可擴展的框架中，獨立于平臺并且面向服務(wù)。UA的發(fā)布是對OPC CLASSIC的較大擴展，主要體現(xiàn)在三個方面：

（1）OS平臺的兼容性。

OPC DA局限在COM/DCOM技術(shù)中，OPC UA不再依賴原有的COM/DCOM技術(shù)框架，RPC服務(wù)不再是必選項，可以在HTTP/SOAP和WEB服務(wù)中尋找解決方案。OPC UA可以在各種OS平臺實現(xiàn)，不單純依賴WINDOWS平臺。

（2）信息包容性。

OPC DA對數(shù)據(jù)包裝的要求具體、數(shù)據(jù)格式死板。在網(wǎng)絡(luò)中，給予OPC DA傳輸?shù)臄?shù)據(jù)條目一般不超過20 000個Tag。在OPC UA中，對數(shù)據(jù)接口采取統(tǒng)一的規(guī)范要求，減少了數(shù)據(jù)解析的復(fù)雜度，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?。一般采用OPC UA框架標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)器，可解析條目數(shù)達到10萬條。

（3）數(shù)據(jù)安全性。

OPC UA定義了整個架構(gòu)中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)范、防火墻搭建方式、信息簽名格式、身份認證標(biāo)識、傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。整個網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)器和客戶機在接入網(wǎng)絡(luò)時，數(shù)據(jù)傳輸按照UA框架以其可以接受的協(xié)議進行工作，很大限度提高了整個網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的安全性。

當(dāng)RMG升級為整個ARMG堆場處理系統(tǒng)后，有必要部署覆蓋全局的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)IIoT。整機需要采集的信號比以前多，單機信息條目接近1萬條，逼近OPC DA的極限；OPC DA只能部署在WINDOWS平臺上，可移植性和兼容性較差，無法適應(yīng)越來越繁復(fù)的新要求。最新的方案是使用OPC UA架構(gòu)替換OPC DA架構(gòu)，以起重機單機信息收集用服務(wù)器CMS作為平臺建立OPC UA服務(wù)器，與搭載OPC UA客戶端用IIoT通訊模塊的各類傳感器和基礎(chǔ)設(shè)備一起，搭建具備設(shè)備信息實時量化、壽命分析、狀態(tài)監(jiān)測等功能的數(shù)據(jù)平臺。

系統(tǒng)中的各子節(jié)點支持OPC UA的IoT設(shè)備時，直接通過OPC UA采集數(shù)據(jù)。否則仍通過總線獲取其基本工作狀態(tài)，在BCS 或ACCS 進行初步識別和分析；LCMS 通過BUFFER IO驅(qū)動技術(shù)和ACCS以及BCS通訊，采集數(shù)據(jù)。

OPC UA服務(wù)器和客戶端的部署如圖3所示。

圖3 OPC UA服務(wù)器和客戶端的部署

BMS端絕大部分支持OPC UA CLIENT的部署，極少數(shù)設(shè)備無法部署，通過在RCMS工業(yè)計算機上加裝數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，采集后數(shù)據(jù)匯總在RCMS上。

4.3 IIoT網(wǎng)絡(luò)中最新的方案及發(fā)展方向

OPC UA具有跨平臺兼容性的優(yōu)勢，未來的OPC UA SERVER會直接部署到BCS上，本地的工業(yè)計算機可以弱化到一個監(jiān)控窗口的輸出設(shè)備作用。在遠程控制中心，分布部署在RCMS里的各OPC UA SERVER已經(jīng)接近極限，建設(shè)集群式核心服務(wù)器組、配置企業(yè)級私有云將是另一個主要發(fā)展方向。

5 結(jié)語

隨著勞動力成本進一步上升，大量的基礎(chǔ)工作逐步被自動化設(shè)備替代。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)IIoT作為物聯(lián)網(wǎng)IoT的一個重要分支，其實際部署和應(yīng)用正在蓬勃開展，變化日新月異。隨著5G技術(shù)的發(fā)展，利用5G替代現(xiàn)有物理光纖網(wǎng)絡(luò)的布局是新的課題?，F(xiàn)有5G標(biāo)準(zhǔn)的雙向傳輸帶寬不對稱，對IIoT在碼頭的展開部署提出了問題，解決這個問題是短期未來的重要攻關(guān)課題。隨著各OPC UA子節(jié)點的下沉式部署，布局在本地的服務(wù)器的環(huán)境搭建將會是另一個難點，可以利用邊緣算法解決服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫的搭建，但隨之而來的網(wǎng)絡(luò)安全策略更新需要設(shè)計人員回到總體方案，從全局的角度重新分析并思考。