上海國(guó)際港務(wù)(集團(tuán))股份有限公司尚東集裝箱碼頭分公司

1 引言

隨著集裝箱船舶的大型化發(fā)展，單船運(yùn)輸及裝卸量增大，集裝箱碼頭吞吐量提升，對(duì)碼頭的裝卸生產(chǎn)效率提出了越來(lái)越高的要求。傳統(tǒng)單吊具工藝的岸邊集裝箱起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱橋吊)裝卸能力難以滿足碼頭實(shí)際需求[1]，橋吊雙吊具作業(yè)工藝受到越來(lái)越高的關(guān)注。雙吊具橋吊的出現(xiàn)，對(duì)于箱形組合的實(shí)用性及相同作業(yè)循環(huán)下作業(yè)箱量的提升，明顯優(yōu)于單吊具工藝，在國(guó)內(nèi)外碼頭已得到廣泛的應(yīng)用。

作為全球規(guī)模最大的自動(dòng)化碼頭，洋山深水港四期自動(dòng)化碼頭與傳統(tǒng)集裝箱碼頭設(shè)計(jì)不同，采用全新的碼頭布局及作業(yè)工藝，堆場(chǎng)箱區(qū)與碼頭岸線垂直，以軌道吊為作業(yè)堆場(chǎng)作業(yè)機(jī)械，自動(dòng)導(dǎo)引車(AGV)為運(yùn)輸車輛，橋吊則采用結(jié)構(gòu)新穎的雙小車橋吊作為岸邊機(jī)械。目前，13臺(tái)具備雙吊具作業(yè)工藝的橋吊也已投入實(shí)際生產(chǎn)，并已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的雙吊具作業(yè)工藝。

2 洋山深水港四期自動(dòng)化碼頭系統(tǒng)及設(shè)備概述

2.1 洋山深水港四期自動(dòng)化碼頭系統(tǒng)

系統(tǒng)架構(gòu)由TOS(Tape Operating System，生產(chǎn)管理系統(tǒng))和ECS(Equipment Control System，設(shè)備控制系統(tǒng))組成。其中，設(shè)備控制系統(tǒng)又分為QCMS(Query-side Container Crane Management System，橋吊管理系統(tǒng))、ACCS (Automatic Crane Control System，自動(dòng)化橋吊控制系統(tǒng))以及PLC控制系統(tǒng)，每臺(tái)橋吊都有獨(dú)立的設(shè)備控制系統(tǒng)。在信息流的傳輸方面，TOS和QCMS是以數(shù)據(jù)庫(kù)的事件交互形式進(jìn)行信息的傳遞，并在已設(shè)定的系統(tǒng)交互邏輯下，橋吊的每一個(gè)動(dòng)作都是TOS與QCMS之間系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的體現(xiàn)。根據(jù)作業(yè)計(jì)劃編排后的作業(yè)任務(wù)，TOS會(huì)生成相應(yīng)的橋吊作業(yè)指令，其中包括目標(biāo)抓放箱位置、橋吊作業(yè)工藝、橋吊吊具模式以及橋吊吊具尺寸，這些都是指令信息的必要條件。QCMS根據(jù)這些信息進(jìn)行任務(wù)的解析，并執(zhí)行任務(wù)。QCMS與ACCS之間通過(guò)OPC傳輸協(xié)議，對(duì)數(shù)據(jù)信息以O(shè)PC的數(shù)據(jù)點(diǎn)的形式進(jìn)行傳遞，對(duì)每一步既定的動(dòng)作，都將其標(biāo)準(zhǔn)化為OPC的傳輸點(diǎn)，并在OPC各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的信息傳遞中執(zhí)行自動(dòng)化指令的每一個(gè)步驟。ACCS與底層PLC控制系統(tǒng)之間，則是由PROFINET協(xié)議進(jìn)行傳輸。整個(gè)自動(dòng)化碼頭的橋吊控制系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

圖1 橋吊控制系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 洋山深水港四期自動(dòng)化碼頭橋吊設(shè)備

洋山深水港四期橋吊整體結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)橋吊區(qū)別較明顯，作業(yè)小車分為主小車和門架小車2套獨(dú)立機(jī)構(gòu)，橋吊后鞍梁處設(shè)置了作業(yè)中轉(zhuǎn)平臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱平臺(tái))。作為橋吊自動(dòng)化運(yùn)行的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，在橋吊上采用了小車TDS( Target Detection System，目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng))、SDS(Spreader Detection System，吊具檢測(cè)系統(tǒng))以及吊具自動(dòng)防搖、自動(dòng)防扭、自動(dòng)定位等相關(guān)技術(shù)。主小車主要負(fù)責(zé)對(duì)船側(cè)以及平臺(tái)的作業(yè)，橋吊遠(yuǎn)程操作員只需在船側(cè)的抓放箱過(guò)程進(jìn)行人工操作。門架小車負(fù)責(zé)對(duì)平臺(tái)以及AGV的作業(yè)，全流程自動(dòng)完成無(wú)需人工介入。同時(shí)，在門架小車發(fā)生故障等情況下，允許啟用主小車“單小車模式”的方式繼續(xù)作業(yè)。自動(dòng)化雙小車橋吊結(jié)構(gòu)見圖2。

2.3 洋山深水港四期自動(dòng)化碼頭橋吊雙吊具設(shè)備

洋山深水港四期的橋吊包含2種起升配置的橋吊，分別是雙起升橋吊(2套起升機(jī)構(gòu)，獨(dú)立驅(qū)動(dòng))和單起升橋吊(RAM剪式上架)。雙起升上架及吊具分為海陸側(cè)2部分，布置方式相同；單起升設(shè)備由2套獨(dú)立的吊具上架組成，通過(guò)上架的滑輪位移來(lái)實(shí)現(xiàn)從單雙吊具模式的模式切換。

圖2 自動(dòng)化雙小車橋吊結(jié)構(gòu)圖

(1)雙起升橋吊雙吊具結(jié)構(gòu)(見圖3)。雙起升橋吊雙吊具設(shè)備由2套獨(dú)立的起升系統(tǒng)組合而成，每套起升系統(tǒng)都有單獨(dú)的起升機(jī)構(gòu)、鋼絲繩纏繞系統(tǒng)、吊具上架。吊具上架之間通過(guò)特殊裝置連接，實(shí)現(xiàn)雙吊具同時(shí)作業(yè)，可以作平行分離、前后高低錯(cuò)位等8 種動(dòng)作[2]。這樣的設(shè)計(jì)降低了因單套起升機(jī)構(gòu)故障而導(dǎo)致整部橋吊停止作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)由于雙起升橋吊核定載荷大，適用于貨物重量過(guò)大的大件作業(yè)。

圖3 雙起升橋吊雙吊具機(jī)構(gòu)

(2)單起升橋吊雙吊具結(jié)構(gòu)(見圖4)。單起升橋吊雙吊具設(shè)備采用的是雙40 ft吊具上架系統(tǒng)，由2個(gè)獨(dú)立的吊具上架組成，在雙吊具模式下，每個(gè)吊具上架固定1對(duì)滑輪；單吊具模式下，2對(duì)滑輪都固定在1個(gè)吊具上架下。通過(guò)上架的滑輪位移來(lái)實(shí)現(xiàn)從單吊具模式到雙吊具模式的切換。不論是在哪種模式下，吊具和上架之間不需重新連接，可以有效減少切換的時(shí)間，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化切換。

圖4 單起升橋吊雙吊具機(jī)構(gòu)

3 雙吊具工藝實(shí)現(xiàn)方式

3.1 雙吊具工藝流程定義與實(shí)現(xiàn)

以卸船作業(yè)為例，集裝箱由主小車卸至平臺(tái)后，待工人拆裝鎖鈕作業(yè)以及系統(tǒng)的OCR功能識(shí)別確認(rèn)后，門架小車完成從平臺(tái)到AGV的余下作業(yè)。雙吊具系統(tǒng)模塊通過(guò)對(duì)船型結(jié)構(gòu)以及船圖信息的識(shí)別判斷，安排雙吊具作業(yè)工藝。在發(fā)送雙吊具任務(wù)后， TOS自動(dòng)生成雙吊具作業(yè)工藝的橋吊作業(yè)任務(wù)， ECS根據(jù)任務(wù)內(nèi)容生成相應(yīng)的機(jī)械作業(yè)指令。TOS與ECS之間定義接口及字段后采用事件交互的方式交互，且裝卸船工況略不相同。在過(guò)程中監(jiān)控主小車、平臺(tái)及門架小車，保證作業(yè)效率，避免主小車等待。整個(gè)信息流轉(zhuǎn)交互過(guò)程準(zhǔn)確、高效、穩(wěn)定。雙吊具卸船主小車信息流程見圖5。

圖5 雙吊具卸船主小車信息流程

雙吊具卸船門架小車信息流程見圖6。

圖6 雙吊具卸船門架小車信息流程

3.2 平臺(tái)管控及中轉(zhuǎn)平臺(tái)放箱工藝

在正常作業(yè)流程中，無(wú)論是裝還是卸，集裝箱須經(jīng)過(guò)中轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)行拆裝鎖鈕作業(yè)以及OCR信息確認(rèn)。因此，合理調(diào)度主小車和門架小車對(duì)平臺(tái)的作業(yè)時(shí)機(jī)，可大大減少橋吊和AGV的等待時(shí)間，有效提升橋吊裝卸的作業(yè)效率。綜合考慮各類箱型以及工況后，在程序上制定了一系列優(yōu)化條件。

3.2.1 單吊具模式主要規(guī)則

(1)主小車對(duì)平臺(tái)的抓放箱申請(qǐng)優(yōu)先允許，門架未占用平臺(tái)。

(2)門架占用平臺(tái)或只有單個(gè)空臺(tái)座、平臺(tái)需要拆裝鎖鈕，主小車不允許進(jìn)入平臺(tái)，至中轉(zhuǎn)平臺(tái)海側(cè)安全位置等待。

(3)主小車占用平臺(tái)或只有單個(gè)空臺(tái)座、平臺(tái)需要拆裝鎖鈕，門架小車不允許進(jìn)入平臺(tái)，至中轉(zhuǎn)平臺(tái)陸側(cè)安全位置等待。

(4)主小車重載，門架占用平臺(tái)或只有單空臺(tái)座、平臺(tái)需要拆裝鎖鈕，小車運(yùn)行至中轉(zhuǎn)平臺(tái)海側(cè)安全位置等待。

3.2.2 雙吊具模式主要規(guī)則

(1)主小車雙吊具模式平臺(tái)放箱，海陸側(cè)平臺(tái)必須雙空。

(2)主小車雙吊具模式平臺(tái)抓箱，海陸側(cè)吊具必須雙空。

(3)主小車雙吊具模式單吊具作業(yè)，平臺(tái)抓放箱，海側(cè)吊具抓放海側(cè)平臺(tái)，陸側(cè)吊具抓放陸側(cè)平臺(tái)。

(4)其他同單吊具規(guī)則。

3.3 指令發(fā)送層面與單機(jī)設(shè)備執(zhí)行的操作方式

橋吊雙吊具工藝的指令發(fā)送和設(shè)備操作遵循流程的設(shè)定。任務(wù)生成之后，設(shè)備層面的操作方式改變，即從本地控制轉(zhuǎn)變?yōu)檫h(yuǎn)程控制，遠(yuǎn)程操作員通過(guò)CCTV實(shí)時(shí)畫面及設(shè)備人機(jī)交互界面進(jìn)行實(shí)際操作。

3.3.1 雙吊具作業(yè)指令發(fā)送流程

(1)系統(tǒng)自動(dòng)生產(chǎn)任務(wù)或人工通過(guò)船舶監(jiān)控界面發(fā)送任務(wù)。

(2)若人工發(fā)送，可選擇目標(biāo)貝位后，安排作業(yè)工藝(需在安排工藝時(shí)注意高平箱積載、奇偶數(shù)作業(yè)列等情況)。

(3)生成后的船圖箱圖標(biāo)系統(tǒng)會(huì)標(biāo)記出圓形標(biāo)記，為雙吊具作業(yè)工藝，即可安排作業(yè)工藝并發(fā)送任務(wù)。

(4)橋吊遠(yuǎn)程操作臺(tái)收到指令后，設(shè)備交互界面提示遠(yuǎn)程操作員切換雙吊具模式，即可進(jìn)行實(shí)際作業(yè)。

3.3.2 雙吊具作業(yè)設(shè)備操作過(guò)程

(1)小車位置移動(dòng)至軌內(nèi)或后大梁，主小車吊具收縮至20 ft；吊具起升至設(shè)定高度(30～35 m)，并確認(rèn)吊具防搖功能是否開啟。

(2)人機(jī)交互界面切換至“吊具操作界面”，點(diǎn)擊界面“吊具上架操作”按鍵，進(jìn)入相關(guān)頁(yè)面。

(3)在“吊具上架操作” 界面中點(diǎn)擊“自動(dòng)運(yùn)行至吊具切換框”。

(4)在“吊具上架操作” 界面中點(diǎn)擊Ram上架單、雙自動(dòng)切換。

(5)進(jìn)入自動(dòng)切換后，主小車位置在單吊具中心位置與雙吊具中心位置之間切換，小車移動(dòng)速度小于2%，移動(dòng)時(shí)間約為20 s，待該鍵常暗后，即已完成單、雙吊具切換。

(6)完成切換后，遠(yuǎn)程操作員確認(rèn)設(shè)備監(jiān)控頁(yè)面與人機(jī)交互界面信息及雙吊具信號(hào)是否正常。

4 洋山深水港四期自動(dòng)化碼頭橋吊雙吊具可支持工況

雙吊具可支持的工況如下：

(1)海陸側(cè)等高作業(yè)。海陸側(cè)吊具在抓放2個(gè)相同高度的集裝箱，進(jìn)行裝卸船作業(yè)。

(2)海陸側(cè)高低箱作業(yè)。海陸側(cè)任一吊具抓放2個(gè)不同高度的集裝箱(如2.9 m和2.6 m兩個(gè)集裝箱)。

(3)雙吊具模式單吊作業(yè)。在設(shè)備允許海陸側(cè)高低差范圍內(nèi)，雙吊具模式，僅用海側(cè)或陸側(cè)吊具抓放一個(gè)集裝箱，另一吊具在作業(yè)工作中處于空載狀態(tài)?？汕袚Q任一吊具的開閉鎖選擇。

目前自動(dòng)化碼頭的雙小車橋吊可支持多種不同箱形組合及雙吊具模式單側(cè)作業(yè)，箱形組合見表1。

表1 雙吊具作業(yè)箱形組合

5 結(jié)語(yǔ)

洋山深水港四期自動(dòng)化碼頭的雙吊具作業(yè)工藝經(jīng)過(guò)一年多的系統(tǒng)開發(fā)、設(shè)備調(diào)試及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)程序交互，機(jī)械設(shè)備功能穩(wěn)定，操作技能穩(wěn)步提升。雙吊具工藝使用以來(lái)，累計(jì)完成2萬(wàn)UNIT，效率提升50%以上，充分證明了雙吊具作業(yè)在提升自動(dòng)化碼頭作業(yè)效率的作用。