小议IIoT在ARMG上的部署

李琪皓 陆喜兵

（上海振华重工（集团）股份有限公司，上海 200125）

1 ARMG自动化轨道吊系统简介

RMG轨道吊全称轨道式集装箱门式起重机，可以将堆场内的集装箱装卸至物流交通工具上（集装箱卡车或AGV等）。ARMG是在RMG基础上设计的全自动化设备，可以在无人操作的前提下，实现传统RMG的所有作业功能。

RMG的机电集成主要分为3个机构，包括负责将集装箱在垂直方向上提升或下降的提升机构、负责集装箱在堆场区和集卡装卸区之间传送的小车平移机构和负责RMG整机预先部署在堆场轨道上行走的大车平移机构。还有一些负责传输电缆部署的卷盘机构、负责集装箱抓取的吊具机构、整机消防报警的安防机构等各类辅助设备。

RMG本身就是一个较大型的设备集成，以全电气化RMG为例，其部署的各类马达数量在20个以上，作为传动的驱动器设备一般为5～8个，各类传感器超过200个。

ARMG自动化轨道吊系统是自动化轨道吊堆场的自动化调度和控制系统。依据行业经验，系统工作指令的入口来自港口的TOS码头任务调度，其工作内容是依据TOS的装卸需求，分配合适的ARMG设备，实现集装箱到指定位置集卡的装卸货任务，全程自动化控制。

2 ARMG自动化轨道吊的系统整体结构

（1）第一层为调度层BMS，主要功能为解析TOS输入的指令，找到合适的ARMG设备执行任务。设备主要部署在用户的远程监控中心，包括一系列的服务器设备、网络路由设备及安全、保障设备和人机交互设备。

（2）第二层为指令层ACCS，主要功能为实现ARMG设备的自动化控制，可以像人为操作一样执行集装箱的装卸任务。核心功能设备可以是一个独立部署的DCS功能的控制器，或和BCS控制器集成在同一个PLC的CPU内。

（3）第三层为执行层BCS，主要功能为实现RMG单机的各项功能。

在控制系统外，还需要独立部署一个信息系统，其主要工作内容包括收集整个系统上所有设备的信息；通过采集的信息，分析和判断其工作状态，保证整个系统的正常运行、故障分断和应急流程；设备故障触发后提出报警，依据专家系统给出处理建议；依据趋势分析判断维保周期，依据CS团队需求生成建议报告。

3 ARMG自动化轨道吊的网络部署

ARMG自动化轨道吊系统网络的物理部署如图1所示。

图1 ARMG自动化轨道吊系统网络的物理部署

BMS工作面的各服务器设备和远程部分的物联信息收集用服务器设备RCMS部署在用户的远程控制中心，ACCS和BCS工作面以及其单机网络汇聚用的汇聚交换机设备部署在现场的起重机上。

依据系统规模（RMG数量）考虑核心交换机组，系统规模不大时，依据就近原则与BMS工作面一起部署在远程控制中心；规模较大时，独立以一个信息交互中心部署。

ACCS设备的主要功能为对集装箱、集卡等对象进行识别，给BCS下发具体的操作指令。ACCS和BCS工作面的总线多以工业以太网总线为基础，区别为ACCS工作面的设备数量较少，但总线承载大量视频数据流，对总线带宽要求很高。根据指令-响应的任务类型，对实时性要求中等，总线响应要求中等。BCS工作面的设备主要为执行具体工作的机电设备，其总线对数据带宽要求中等，但设备均为实时控制，对实时性要求高，总线响应要求高。BCS和ACCS可以共享同一个控制器，但仍然会部署各自独立的网络[1]。

4 IIoT方案的设计和部署

4.1 自动化系统对设备信息的需求

早期RMG设备的主要操作员为自然人，设备信息不足时，操作员有自己的主观能动性，可以通过本地的各项检测手段判断设备的状态。RMG升级到ARMG后，原有执行机构元器件的工作状态全靠系统识别，新增自动化控制部分的设备也需要系统识别其工作状态。

自动化设备全面铺开后，为了保障人员安全，确保人际协调工作，整个自动化子系统所在物理工作区域内需要指定严格的人员流动规程。设备任务作业记录、设备维保信息等均需要由系统收集、处理、汇总成报告，通过网络汇集到远程控制中心，或直接提交至外部网络上的干系终端[2]。

4.2 IIoT部署的方案

常规项目的信息收集属于次级辅助功能型子系统。

常规项目信息收集部署如图2所示。

图2 常规项目信息收集部署

在单机上配置一台工业计算机，部署LCMS本地信息系统，依据用户要求采集一些基础数据。整个网络只存在于单机且信号不超过5 000条目，一般采用最简单的OPC DA协议，将关系数据库简单部署在LCMS上。用户觉得必要时，直接在LCMS上检索相关信息。

OPC DA（OLE for Process Control Data Access）是OPC基金设定的一种实时数据访问规范，定义了数据交换，包括值、时间和质量信息。OPC DA与OPC AE、OPC HAD一起搭建起整个OPC经典架构OPC CLASSIC。

OPC UA是OPC组织2008年发布的定义了OPC统一架构的新标准，将OPC Classic规范的所有功能集成到一个可扩展的框架中，独立于平台并且面向服务。UA的发布是对OPC CLASSIC的较大扩展，主要体现在三个方面：

（1）OS平台的兼容性。

OPC DA局限在COM/DCOM技术中，OPC UA不再依赖原有的COM/DCOM技术框架，RPC服务不再是必选项，可以在HTTP/SOAP和WEB服务中寻找解决方案。OPC UA可以在各种OS平台实现，不单纯依赖WINDOWS平台。

（2）信息包容性。

OPC DA对数据包装的要求具体、数据格式死板。在网络中，给予OPC DA传输的数据条目一般不超过20 000个Tag。在OPC UA中，对数据接口采取统一的规范要求，减少了数据解析的复杂度，提高了数据传输的效率。一般采用OPC UA框架标准的服务器，可解析条目数达到10万条。

（3）数据安全性。

OPC UA定义了整个架构中的数据结构规范、防火墙搭建方式、信息签名格式、身份认证标识、传输协议标准。整个网络中的服务器和客户机在接入网络时，数据传输按照UA框架以其可以接受的协议进行工作，很大限度提高了整个网络中数据的安全性。

当RMG升级为整个ARMG堆场处理系统后，有必要部署覆盖全局的工业物联网IIoT。整机需要采集的信号比以前多，单机信息条目接近1万条，逼近OPC DA的极限；OPC DA只能部署在WINDOWS平台上，可移植性和兼容性较差，无法适应越来越繁复的新要求。最新的方案是使用OPC UA架构替换OPC DA架构，以起重机单机信息收集用服务器CMS作为平台建立OPC UA服务器，与搭载OPC UA客户端用IIoT通讯模块的各类传感器和基础设备一起，搭建具备设备信息实时量化、寿命分析、状态监测等功能的数据平台。

系统中的各子节点支持OPC UA的IoT设备时，直接通过OPC UA采集数据。否则仍通过总线获取其基本工作状态，在BCS 或ACCS 进行初步识别和分析；LCMS 通过BUFFER IO驱动技术和ACCS以及BCS通讯，采集数据。

OPC UA服务器和客户端的部署如图3所示。

图3 OPC UA服务器和客户端的部署

BMS端绝大部分支持OPC UA CLIENT的部署，极少数设备无法部署，通过在RCMS工业计算机上加装数据采集卡实现数据采集，采集后数据汇总在RCMS上。

4.3 IIoT网络中最新的方案及发展方向

OPC UA具有跨平台兼容性的优势，未来的OPC UA SERVER会直接部署到BCS上，本地的工业计算机可以弱化到一个监控窗口的输出设备作用。在远程控制中心，分布部署在RCMS里的各OPC UA SERVER已经接近极限，建设集群式核心服务器组、配置企业级私有云将是另一个主要发展方向。

5 结语

随着劳动力成本进一步上升，大量的基础工作逐步被自动化设备替代。工业物联网IIoT作为物联网IoT的一个重要分支，其实际部署和应用正在蓬勃开展，变化日新月异。随着5G技术的发展，利用5G替代现有物理光纤网络的布局是新的课题。现有5G标准的双向传输带宽不对称，对IIoT在码头的展开部署提出了问题，解决这个问题是短期未来的重要攻关课题。随着各OPC UA子节点的下沉式部署，布局在本地的服务器的环境搭建将会是另一个难点，可以利用边缘算法解决服务器和数据库的搭建，但随之而来的网络安全策略更新需要设计人员回到总体方案，从全局的角度重新分析并思考。