楊育青 曹雪東

岸邊集裝箱起重機(jī)（以下簡稱“岸橋”）是集裝箱碼頭的主要裝卸設(shè)備。在單起升單吊具岸橋作業(yè)過程中，主小車作業(yè)時間長于門架小車作業(yè)時間，導(dǎo)致主小車與門架小車難以協(xié)同作業(yè)，從而對岸橋作業(yè)效率提升產(chǎn)生不利影響。為此，很多自動化集裝箱碼頭采用單起升雙吊具岸橋。單起升雙吊具岸橋的優(yōu)點(diǎn)是能夠同時作業(yè)4個20英尺集裝箱或2個40英尺集裝箱，作業(yè)效率較高，但存在以下缺點(diǎn)：（1）雙吊具之間連接柔軟，無法應(yīng)對前后或左右偏載工況;（2）單吊具作業(yè)模式與雙吊具作業(yè)模式的切換時間較長;（3）在雙吊具作業(yè)模式下，吊具載荷不得超過額定起升載荷（一般為65 t）。與單起升雙吊具岸橋相比，雙起升岸橋采用雙起升雙吊具結(jié)構(gòu)，不僅作業(yè)效率較高，而且不存在單起升雙吊具岸橋的上述缺點(diǎn)，能夠較好地滿足自動化集裝箱碼頭作業(yè)需求;但在應(yīng)用過程中，需要確保吊具防搖防扭控制系統(tǒng)的可靠性和靈活性。本文針對自動化集裝箱碼頭雙起升岸橋作業(yè)工況，設(shè)計雙起升岸橋吊具防搖防扭控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)雙起升岸橋吊具在雙起升、海側(cè)單起升和陸側(cè)單起升等作業(yè)模式下的防搖防扭和半自動控制功能，從而為雙起升岸橋在不同工況下的高效作業(yè)提供保障。

1 雙起升岸橋吊具防搖防扭控制系統(tǒng)主要功能

雙起升岸橋吊具有雙起升、海側(cè)單起升（陸側(cè)起升錨定）和陸側(cè)單起升（海側(cè)起升錨定）等作業(yè)模式。為了滿足雙起升岸橋遠(yuǎn)程自動化操作要求，在上述作業(yè)模式下，雙起升岸橋吊具防搖防扭控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備以下功能。

（1）防搖功能，即吊具在1.5個搖擺周期內(nèi)的搖擺幅度不超過50 mm。防搖功能的實(shí)現(xiàn)原理如下：在小車架上安裝電荷耦合器件相機(jī)（以下簡稱“相機(jī)”），并在吊具上架上安裝帶有紅外線泛光燈的反射板（以下簡稱“反射板”）;相機(jī)實(shí)時測定反射板的相對位置和搖擺角度，并將吊具下的集裝箱狀態(tài)實(shí)時反饋給吊具防搖防扭控制系統(tǒng);吊具防搖防扭控制系統(tǒng)控制小車的運(yùn)行速度和加速度，從而消除因小車加速和制動而引起的負(fù)載擺動。

（2）防扭功能，即吊具在1.5個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的旋轉(zhuǎn)角度不超過1啊7瑯すδ艿氖迪衷砣縵攏旱蹙叻酪》瑯た刂葡低懲ü嗷？反射板裝置測定吊具偏轉(zhuǎn)角度，并根據(jù)吊具偏轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)前大梁或后大梁多功能液壓站的油缸，實(shí)現(xiàn)吊具前后傾角度、左右傾角度和旋轉(zhuǎn)角度的自動調(diào)節(jié)，從而使吊具始終保持在系統(tǒng)設(shè)定的角度位置。

（3）半自動控制功能，即控制小車和起升機(jī)構(gòu)沿規(guī)劃路徑安全、平穩(wěn)、高速、精準(zhǔn)地移動至目標(biāo)位置，并且定位誤差不超過30 mm。半自動控制功能的實(shí)現(xiàn)原理如下：吊具防搖防扭控制系統(tǒng)利用相機(jī)-反射板裝置反饋的信息，結(jié)合岸橋載荷的起始位置、目標(biāo)位置及障礙物分布情況，根據(jù)設(shè)定的預(yù)測模型，自動生成最優(yōu)規(guī)劃路徑，并控制岸橋載荷從起始位置沿規(guī)劃路徑安全、平穩(wěn)、高速、精準(zhǔn)地移動至目標(biāo)位置，從而實(shí)現(xiàn)裝卸作業(yè)自動化。

2 雙起升岸橋吊具防搖防扭控制系統(tǒng)硬件配置

為了滿足雙起升岸橋遠(yuǎn)程自動化操作要求，雙起升岸橋吊具防搖防扭控制系統(tǒng)必須兼顧不同的作業(yè)模式。經(jīng)過反復(fù)研究，最終形成以兩套獨(dú)立的相機(jī)-反射板裝置為主的硬件配置方案：一套安裝在岸橋陸側(cè)起升機(jī)構(gòu)上，用于在雙起升和陸側(cè)單起升作業(yè)模式下實(shí)現(xiàn)吊具防搖防扭功能;另一套安裝在岸橋海側(cè)起升機(jī)構(gòu)上，用于在海側(cè)單起升作業(yè)模式下實(shí)現(xiàn)吊具防搖防扭功能。如圖1所示：相機(jī)采用不銹鋼罩殼，焦距為25 mm，工作溫度為 25～50癈;反射板表面為黑白相間的田字形，大小為500 mm？500 mm。

相機(jī)-反射板裝置的安裝要求如下：反射板位于吊具中心位置，相機(jī)與反射板的連線與小車架垂直。此外，需要注意的是：如果兩套相機(jī)-反射板裝置完全相同，那么在雙起升作業(yè)模式下，陸側(cè)相機(jī)會檢測到兩塊反射板的數(shù)據(jù)，并因此而獲得錯誤信息。為了避免相機(jī)檢測到相鄰吊具的反射板，將安裝于海側(cè)吊具上的反射板旋轉(zhuǎn)90啊S捎詵瓷滸灞礱嫖詘紫嗉淶奶鎰中危瓷滸逍？0昂蠹純尚緯尚履0濉T詒甓ㄏ嗷問保山煌滄拔恢玫姆瓷滸迥0宥ㄒ邐煌J劍傭苊饉鶘饕的J較侶講嘞嗷奔觳獾攪嬌櫸瓷滸宓奈侍狻？

3 雙起升岸橋吊具防搖防扭控制系統(tǒng)軟件應(yīng)用

雙起升岸橋吊具防搖防扭控制系統(tǒng)開發(fā)基于SIMATIC-SIMOTION-SINAMICS平臺。通過調(diào)節(jié)相機(jī)的曝光度和視角識別反射板的狀態(tài)信息，并由SIMOCRANE CenSOR采集相機(jī)-反射板裝置的反饋信號。在SIMOCRANE中開發(fā)吊具防搖防扭功能。單起升岸橋吊具防搖防扭控制技術(shù)研究已較為完善，本文僅闡述雙起升岸橋吊具防搖防扭控制系統(tǒng)與單起升岸橋吊具防搖防扭控制系統(tǒng)在軟件應(yīng)用方面的不同之處。

（1）雖然雙起升岸橋配備兩套相機(jī)-反射板裝置，但只有一個SIMOTION控制器。在不同作業(yè)模式下，SIMOTION控制器在同一時刻只控制一套相機(jī)-反射板裝置;因此，為兩個相機(jī)分別設(shè)置相互獨(dú)立的參數(shù)，由SIMATIC中的控制邏輯判斷當(dāng)前的作業(yè)模式并發(fā)送至SIMOTION控制器，并由SIMOTION控制器切換工作相機(jī)（見圖2）。除了在軟件上實(shí)現(xiàn)相機(jī)切換外，還通過設(shè)置相機(jī)選擇開關(guān)，在硬件上確保SIMOTION控制器在同一時刻只讀取一套相機(jī)-反射板裝置的反饋數(shù)據(jù)，即：在雙起升作業(yè)模式下，控制系統(tǒng)切換至陸側(cè)相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)連接;在海側(cè)單起升作業(yè)模式下，控制系統(tǒng)切換至海側(cè)相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)連接;在陸側(cè)單起升作業(yè)模式下，控制系統(tǒng)切換至陸側(cè)相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)連接。此外，在雙起升作業(yè)模式下，當(dāng)陸側(cè)相機(jī)-反射板裝置發(fā)生故障時，海側(cè)相機(jī)-反射板裝置可作為冗余裝置，確保雙起升作業(yè)正常進(jìn)行，從而大大提高雙起升岸橋作業(yè)的可靠性。

（2）由于雙起升岸橋海側(cè)上架液壓分離油缸的最大行程為1.1 m，在雙起升作業(yè)模式下，油缸伸縮可能造成吊具扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致相機(jī)與反射板之間存在一定夾角。如果這一夾角被誤判為因負(fù)載晃動而引起的夾角，那么吊具防搖防扭控制就會出現(xiàn)誤差，并且吊具起升高度越高，誤差就越大。為此，在控制算法中引入分離油缸編碼器的反饋值，將其作為偏轉(zhuǎn)角度的偏移量進(jìn)行調(diào)整，從而避免產(chǎn)生上述問題。

（3）在半自動控制過程中，由于不同作業(yè)模式下的起升機(jī)構(gòu)不同，除了切換相機(jī)外，還需要切換起升高度和弱磁控制。控制原則如下：在雙起升和陸側(cè)單起升作業(yè)模式下，采用陸側(cè)起升機(jī)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)計算;在海側(cè)單起升作業(yè)模式下，采用海側(cè)起升機(jī)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)計算。

4 結(jié)束語

雙起升岸橋吊具防搖防扭控制系統(tǒng)將兩套相機(jī)-反射板裝置應(yīng)用于同一臺雙起升岸橋上，并由一個SIMOTION控制器控制，需要解決硬件組態(tài)、參數(shù)切換、安裝位置調(diào)整和相機(jī)參數(shù)設(shè)定等問題。振華團(tuán)隊(duì)在項(xiàng)目實(shí)踐過程中成功解決上述問題，為后來攻克雙起升岸橋吊具因重心漂移而產(chǎn)生的易受環(huán)境影響、扭擺狀態(tài)復(fù)雜多變、難以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制等問題打下堅實(shí)基礎(chǔ)。隨著時代發(fā)展，傳統(tǒng)集裝箱碼頭的自動化改造是大勢所趨。雙起升岸橋吊具防搖防扭控制系統(tǒng)除了應(yīng)用于新建自動化集裝箱碼頭外，也可為傳統(tǒng)集裝箱碼頭自動化升級改造提供解決方案。

（編輯：張敏 收稿日期：2020-06-16）