Cảng biển tự động hóa là cảng mà cẩu bãi, xe chở container giữa cầu tàu và bãi, cùng cổng ra vào chạy không người lái dưới điều phối của hệ thống điều hành cảng (TOS); người vận hành ngồi trong phòng điều khiển từ xa xử lý thao tác khó và ngoại lệ. Bốn cảng thường được nhắc đến làm mẫu là Rotterdam Maasvlakte II (Hà Lan), Thượng Hải Dương Sơn giai đoạn IV (Trung Quốc), Tuas (Singapore) và Hamburg Altenwerder (Đức). Bài này mô tả đặc điểm kỹ thuật công khai của từng cảng, không đi vào số liệu sản lượng, rồi rút ra năm hạng mục cảng Việt Nam áp dụng được với bến hiện hữu và loại thiết bị tại chỗ cho mỗi hạng mục.
1. Bốn mô hình cảng biển tự động hóa trên thế giới
Bốn cảng dưới đây dùng chung một kiến trúc: cẩu bờ STS bốc dỡ tàu có người điều khiển từ xa, xe tự hành chở container từ cầu tàu vào bãi, cẩu bãi chạy ray tự động xếp và lấy container, cổng OCR ở phía đất liền, và TOS điều phối toàn bộ. Khác nhau nằm ở loại xe tự hành, cách bố trí bãi và mức độ dùng năng lượng điện.
| Cảng | Đặc điểm kỹ thuật công khai | Hạng mục rút ra được |
|---|---|---|
| Rotterdam Maasvlakte II (bến APM Terminals MVII và RWG, vận hành từ 2015) | Cẩu bờ điều khiển từ xa từ phòng trong nhà; xe tự hành AGV chạy điện ắc quy chở container giữa cầu tàu và bãi; cẩu bãi ASC (automated stacking crane, cẩu xếp tự động chạy ray) xếp bãi vuông góc cầu tàu; xe tải ngoài nhận container ở đầu bãi phía đất liền, không vào bãi | Tách hẳn khu xe ngoài và khu thiết bị tự động; cẩu bờ điều khiển từ xa |
| Thượng Hải Dương Sơn giai đoạn IV (vận hành từ cuối 2017) | Bến nước sâu tự động quy mô lớn; thiết bị cẩu bờ, cẩu bãi và AGV do ZPMC chế tạo; AGV dẫn đường bằng thẻ từ chôn dưới nền và thay ắc quy tự động; cẩu bãi chạy ray tự động; TOS và hệ thống điều khiển thiết bị do phía cảng tự phát triển | Điều khiển thiết bị và TOS thống nhất một hệ; dẫn đường xe bằng thẻ từ dưới nền |
| Singapore Tuas (giai đoạn 1 vận hành từ 2022, xây theo nhiều giai đoạn) | Cảng mới xây trên nền lấn biển, quy hoạch để gom toàn bộ hoạt động container của Singapore về một nơi; AGV chạy điện, cẩu bãi tự động, cẩu bờ điều khiển từ xa; hệ thống điều hành và phân tích dữ liệu tập trung; thiết kế cho cả kết nối với tàu và hệ thống hải quan điện tử | Quy hoạch tự động hóa từ đầu thay vì cải tạo; dữ liệu tập trung một nền tảng |
| Hamburg Altenwerder CTA (vận hành từ 2002, cảng tự động sớm nhất trong nhóm) | AGV chở container giữa cầu tàu và bãi, thế hệ sau chuyển sang chạy điện ắc quy; mỗi khối bãi có hai cẩu chạy ray tự động cỡ khác nhau vượt qua nhau được; xe tải ngoài giao nhận tại đầu bãi; đường sắt nối thẳng vào cảng với cẩu ray riêng | Hai cẩu một khối bãi để tăng thông lượng; nối đường sắt vào cảng |
Điểm chung dễ bỏ qua: cả bốn cảng đều là bến xây mới hoặc quy hoạch lại toàn bộ, không phải bến cũ lắp thêm máy. Bãi cho cẩu ASC vuông góc cầu tàu và đường chạy AGV cần mặt bằng riêng, có rào, không cho xe ngoài vào. Đây là lý do cảng Việt Nam với bến hiện hữu dùng cẩu RTG và xe đầu kéo nên chọn hạng mục khác, nêu ở mục 3. Khái niệm chung về các lớp hệ thống của một cảng thông minh đã có trong bài cảng biển thông minh là gì.
2. Yêu cầu kỹ thuật của thiết bị trong cảng biển tự động hóa
Ở cảng tự động hóa, thiết bị điện tử nằm ở ba nơi: trên cẩu và xe (rung, nguồn dao động), tại cổng và tủ ngoài trời (nóng, muối), và trong phòng điều khiển từ xa (điều kiện văn phòng nhưng cần độ trễ thấp). Bảng dưới là tiêu chí cho phần thiết bị mua riêng ngoài gói của hãng cẩu.
| Tiêu chí | Trên cẩu ASC, RTG, STS | Cổng OCR, tủ ngoài trời | Phòng điều khiển từ xa |
|---|---|---|---|
| Dải nhiệt hoạt động | −20 đến 70 °C; tủ điện trên cẩu nóng hơn không khí | −20 đến 70 °C trong tủ; màn hình kiosk đọc được dưới nắng | 0–40 °C, có điều hòa |
| Rung, sốc | Rung theo IEC 60068-2-64 hoặc MIL-STD-810G, sốc IEC 60068-2-27; ổ SSD hoặc NVMe; không quạt | Rung nhẹ, va chạm xe | Không yêu cầu |
| Bụi, ẩm, muối | IP65 cho camera và hộp nối; đầu nối chịu hơi muối | IP65 cho thiết bị ngoài tủ; tủ có lọc bụi | Không yêu cầu |
| Nguồn điện | 9–36 V DC hoặc 24 V DC, chịu sụt áp; cảm biến chìa khóa cho máy trên xe có tài xế; nguồn kép cho switch | 24 V DC từ tủ hoặc 220 V AC qua bộ nguồn công nghiệp; UPS cho barie và camera | UPS; nguồn kép cho máy chủ TOS |
| Cổng kết nối | LAN tới PLC cẩu; COM cho cảm biến gió, tải; khe SIM cho 4G dự phòng; PoE cho camera gàu | 4–6 COM, DIO cách ly cho barie, vòng từ, bảng LED; PoE hoặc nhiều LAN cho camera; 10 GbE cho máy chủ OCR | Nhiều màn hình, mạng dự phòng, độ trễ video thấp |
| Chứng chỉ | CE; EN 50155 khi cảng yêu cầu chuẩn đường sắt cho cẩu ray | CE, FCC; UL, CB cho thiết bị lắp tủ | CE |
| Vận hành | 24/7, watchdog, tự bật khi có điện, quản trị từ xa | 24/7 không người trực, watchdog | Chạy liên tục, sao lưu, phân quyền |
Phần điều khiển chuyển động của cẩu, AGV và hệ thống chống va chạm là của hãng thiết bị, không nên ghép máy tính bên ngoài vào. Máy tính công nghiệp mua riêng phục vụ ba việc: thu dữ liệu vận hành từ PLC cẩu, chạy OCR và điều khiển làn ở cổng, hiển thị và điều khiển ở trạm từ xa. Loại xe tự hành và cách dẫn đường trong nhà máy, gần với AGV cảng, được giải thích trong bài xe tự hành AGV là gì.
3. Năm hạng mục cảng Việt Nam áp dụng được và thiết bị tại chỗ
Bến container ở Việt Nam phần lớn dùng cẩu bờ STS có người lái, cẩu bãi RTG chạy lốp và xe đầu kéo nội bộ có tài xế. Từ bốn mô hình trên, năm hạng mục dưới đây làm được trên bến hiện hữu, xếp theo thứ tự chi phí tăng dần.
- Cổng OCR không nhân viên và lệnh giao nhận điện tử. Cả bốn cảng đều tách xe ngoài khỏi khu tự động bằng cổng OCR. Thiết bị: mỗi làn một máy điều khiển làn nhiều COM và DIO, một máy chủ OCR dùng chung, switch PoE cho camera. Đây là hạng mục cho kết quả sớm nhất.
- Định vị xe đầu kéo nội bộ và giao lệnh trên màn hình. Thay cho AGV dẫn đường bằng thẻ từ, bến hiện hữu gắn GPS và màn hình lên xe có tài xế; TOS biết vị trí xe để ghép lệnh. Thiết bị: máy gắn xe hoặc tablet gắn giá, nguồn 9–36 V DC, GPS, Wi-Fi công nghiệp.
- Cẩu RTG bán tự động và điều khiển từ xa. Rotterdam và Tuas điều khiển cẩu bờ từ phòng; với bến Việt Nam, bước vừa sức là cải tạo RTG sang bán tự động, người vận hành ở trạm từ xa. Thiết bị: gói của hãng cẩu cộng máy thu dữ liệu chịu rung trên cẩu, switch nguồn kép, màn hình công nghiệp ở trạm.
- Thu dữ liệu vận hành thiết bị về một nền tảng. Tuas và Dương Sơn gom dữ liệu cẩu, xe, cổng về một hệ; bến Việt Nam làm được bằng máy thu dữ liệu đặt trên từng cẩu và tủ dãy container lạnh, gửi về máy chủ qua mạng quang và 4G dự phòng.
- Quy hoạch khối bãi mới cho cẩu chạy ray tự động. Chỉ khi mở rộng bến hoặc xây bến mới: bãi vuông góc cầu tàu, xe ngoài giao nhận ở đầu bãi như Rotterdam và Hamburg. Thiết bị điều khiển đi theo gói của hãng cẩu; máy tính công nghiệp mua riêng vẫn là ba nhóm nêu ở mục 2.
| Hạng mục | Học từ cảng | Máy tính công nghiệp tại chỗ | Dòng máy gợi ý |
|---|---|---|---|
| 1. Cổng OCR, lệnh điện tử | Cả bốn cảng | Máy điều khiển làn; máy chủ OCR | Advantech ARK-2121F cho làn; Cincoze DS-1300 cho máy chủ OCR |
| 2. Định vị xe, giao lệnh trên màn hình | Dương Sơn, Rotterdam (thay AGV bằng xe có tài xế) | Máy gắn xe, tablet gắn giá | Cincoze DS-1300 với mô-đun cảm biến chìa khóa; tablet công nghiệp |
| 3. RTG bán tự động, điều khiển từ xa | Rotterdam, Tuas | Máy thu dữ liệu trên cẩu; màn hình trạm từ xa | Cincoze DS-1300; màn hình công nghiệp độ sáng cao |
| 4. Dữ liệu vận hành về một nền tảng | Tuas, Dương Sơn | Máy thu dữ liệu DIN-rail tại cẩu, tủ dãy lạnh | Advantech ARK-2121F, UNO-1372G |
| 5. Khối bãi cẩu ray tự động | Rotterdam, Hamburg | Theo gói hãng cẩu; máy thu dữ liệu | Cincoze DS-1300 đạt EN 50155 phần EN 50121-3-2 |
Vị trí lắp và điều kiện từng vị trí trong toàn cảng và kho được xếp trong bài máy tính công nghiệp cho cảng và kho vận; bài này chỉ chọn máy cho năm hạng mục trên.
4. Ví dụ áp dụng mô hình cảng biển tự động hóa vào bến hiện hữu
Bến container nước sâu làm hạng mục 1 và 4. Bài toán: cổng sáu làn ghi số container bằng tay, dữ liệu vận hành của tám cẩu STS và mười hai RTG chỉ có trong PLC từng cẩu, không tổng hợp được số chu kỳ và thời gian dừng. Thiết bị: mỗi làn cổng một máy hộp không quạt Advantech ARK-2121F nối barie, bảng LED, intercom qua cổng COM và vòng từ qua DI/DO cách ly; một máy chủ Cincoze DS-1300 chạy OCR nhận camera qua mô-đun PoE; trên mỗi cẩu một máy thu dữ liệu đọc PLC qua LAN, gửi về máy chủ qua mạng quang, khe SIM cho 4G dự phòng. Kết quả kỳ vọng: cổng chạy không nhân viên tại làn, có ảnh bốn mặt container mỗi lượt; số chu kỳ, thời gian chờ xe dưới cẩu và mã lỗi từng cẩu hiện trên một bảng theo ca.
Bến sông cải tạo RTG sang bán tự động và điều khiển từ xa. Bài toán: bốn RTG cần bốn lái cẩu mỗi ca, thiếu người ca đêm, cabin cao rung lắc. Thiết bị: gói cải tạo của hãng cẩu gồm định vị gàu, chống lắc, camera gàu; trên cẩu thêm máy Cincoze DS-1300 chịu rung theo MIL-STD-810G làm máy thu dữ liệu và cầu nối mạng, switch nguồn kép; trạm từ xa hai vị trí với màn hình công nghiệp. Kết quả kỳ vọng: hai người vận hành theo dõi bốn cẩu, thao tác di chuyển gàu tự động, người can thiệp ở thao tác hạ container; nhật ký cẩu ghi tự động về TOS.
Chọn thiết bị cho cảng biển tự động hóa
Với máy chủ OCR, máy trên cẩu và máy gắn xe, chọn trong danh mục máy tính nhúng Cincoze. Cincoze DS-1300 có CPU Xeon hoặc Core i9/i7/i5/i3 thế hệ 10, 2 LAN Gigabit và tùy chọn 2 LAN 10 GbE, khe M.2 cho SSD NVMe, 3 khe mini PCIe với 2 khay SIM, mô-đun CFM tùy chọn cho PoE hoặc cảm biến chìa khóa, dải nhiệt −40 đến 70 °C với CPU 35 W, đạt MIL-STD-810G và EN 50155 phần EN 50121-3-2. Với máy điều khiển làn cổng và máy thu dữ liệu tủ ngoài trời, chọn trong danh mục máy tính công nghiệp không quạt: Advantech ARK-2121F có Celeron J1900 4 nhân, 6 cổng COM RS-232/422/485, 4 DI và 4 DO cách ly 3 kV, 2 LAN Gigabit, nguồn 9–36 V DC, dải nhiệt −20 đến 70 °C khi dùng SSD/RAM nhiệt rộng, watchdog, khe mini PCIe kèm khay SIM, lắp DIN-rail. Nếu chưa rõ hạng mục của mình cần dải nhiệt, mức rung hay số cổng nào, dùng công cụ chọn máy theo điều kiện lắp đặt: nhập vị trí lắp, nguồn điện và các cổng cần nối, công cụ lọc ra các dòng đáp ứng để đối chiếu trước khi hỏi báo giá.
Câu hỏi thường gặp về cảng biển tự động hóa
Cảng biển tự động hóa và cảng biển thông minh có giống nhau không?
Không. Cảng tự động hóa thay người vận hành bằng máy ở cẩu, xe và cổng; cảng thông minh là cảng điều phối bằng dữ liệu thời gian thực, có thể còn nhiều khâu do người làm. Bốn cảng trong bài vừa tự động hóa vừa thông minh, nhưng cảng Việt Nam nên làm phần thông minh trước vì rẻ hơn và dùng được ngay.
Cảng Việt Nam có nên đầu tư AGV chở container như Rotterdam hay Dương Sơn không?
Chỉ khi xây bến mới với bãi quy hoạch cho cẩu chạy ray và sản lượng đủ lớn. Bến hiện hữu dùng xe đầu kéo có tài xế và cẩu RTG thì hạng mục hợp lý hơn là định vị xe, giao lệnh trên màn hình và cẩu RTG bán tự động; AGV cần mặt bằng riêng, hệ thống dẫn đường và trạm sạc mà bến cũ không có.
Máy tính công nghiệp ở cảng biển tự động hóa mua theo gói của hãng cẩu hay mua riêng?
Phần điều khiển chuyển động của cẩu và AGV đi theo gói của hãng thiết bị. Phần mua riêng là máy điều khiển làn cổng, máy chủ OCR, máy thu dữ liệu vận hành, màn hình trạm điều khiển từ xa và switch mạng; các phần này chọn theo dải nhiệt, số cổng và mức rung tại vị trí lắp.
Cảng tự động hóa có cần chuẩn EN 50155 cho thiết bị trên cẩu không?
EN 50155 là chuẩn thiết bị điện tử trên phương tiện đường sắt; một số cảng yêu cầu chuẩn này cho thiết bị lắp trên cẩu chạy ray vì điều kiện rung và nguồn tương tự. Không phải yêu cầu bắt buộc chung; nếu hồ sơ dự án nêu thì chọn máy có ghi rõ phần EN 50155 đạt, ví dụ EN 50121-3-2 về tương thích điện từ.