許鎮(zhèn)杰

廣州港工程管理有限公司

1 引言

門座起重機(以下簡稱門機)通用性強、機動性高，可配合吊鉤、抓斗以及集裝箱吊具完成多種貨物裝卸工作，廣泛應用于港口生產(chǎn)作業(yè)。然而門機自動化作業(yè)水平低、高強度人工作業(yè)以及操作不規(guī)范等因素，易導致駕駛員身體健康受損、貨物灑漏、環(huán)境污染等問題。

結(jié)合散雜貨港口工作環(huán)境及自動化作業(yè)功能需求，從起重機定位、安全防護、遠程控制角度出發(fā)，完成門機自動化作業(yè)方案的設(shè)計，可監(jiān)測管理散雜貨港口多臺門機，對加快散雜貨港口自動化發(fā)展具有一定意義。

2 自動化作業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計框架

常規(guī)門機需要通過駕駛員對貨物種類形狀及貨物在裝卸過程中起重機的起升高度、變幅幅度、回轉(zhuǎn)角度進行人工判斷。為提高門機裝卸效率，推進智能港口的建設(shè)，根據(jù)散雜貨港口門機工況和設(shè)備特點，主要實現(xiàn)門機自動作業(yè)及半自動化作業(yè)兩大功能，并以此為基礎(chǔ)詳細介紹半自動化作業(yè)、自動化作業(yè)及遠程控制作業(yè)的工作流程及系統(tǒng)配置方案。

2.1 半自動化作業(yè)控制系統(tǒng)功能要求

門機在半自動化作業(yè)時，由駕駛員手動標定起升安全高度和料斗位置，起重機主機控制系統(tǒng)記錄相應位置信息，同時駕駛員通過主令手柄手動選擇取料點并控制吊具落到物料上，然后選擇半自動控制模式，此時半自動控制系統(tǒng)控制起升、變幅和回轉(zhuǎn)機構(gòu)運行，平穩(wěn)地將吊具移動至目標位置上方并自動進行吊具下放、歸位控制。此外，為保證作業(yè)安全，半自動作業(yè)下駕駛員可隨時手動介入起重機控制，當起重機主機控制系統(tǒng)檢測到駕駛員手動介入時立即解除半自動化作業(yè)模式，進入到手動操作模式。

2.2 自動化作業(yè)控制系統(tǒng)功能要求

傳統(tǒng)門機通過增配吊具防搖定位系統(tǒng)、行走定位系統(tǒng)、安全防撞系統(tǒng)等實現(xiàn)門機自動化作業(yè)。門機在自動化作業(yè)時，駕駛員在中控室可以通過觸摸屏界面上選定作業(yè)船舶型號、作業(yè)物料代號、作業(yè)目標量、裝卸場地等信息，使起重機可按照指定的作業(yè)量，在裝料船只和卸料位置間往復自動作業(yè)，或通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)對門機必要作業(yè)區(qū)域進行實時監(jiān)控。

為滿足門機自動化控制的需求，除主機電氣控制系統(tǒng)外，起重機還配置1臺自動化控制柜，用于獲取各機構(gòu)位姿以實現(xiàn)防撞、防搖等功能。該自動化控制系統(tǒng)與主機控制系統(tǒng)進行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

2.3 遠程作業(yè)控制系統(tǒng)功能要求

門機的電氣控制系統(tǒng)可與碼頭控制系統(tǒng)相互兼容，并需提供至少以下2種接入方式到碼頭控制系統(tǒng)，使遠程作業(yè)控制系統(tǒng)與半自動作業(yè)控制系統(tǒng)相互配合：

(1)通過硬線方式就近接入到轉(zhuǎn)運站現(xiàn)場PLC分站，具體信號點根據(jù)最終調(diào)試需求以及散雜貨港口需求進行調(diào)整。

(2)通過單模光纖或無線傳輸裝置接入到碼頭控制系統(tǒng)，與碼頭控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通訊。

此外，駕駛員可利用中控室遠程操作臺進行一對一遠控作業(yè)。遠程操作臺上布置了遠程操作所需的按鈕、操作手柄、顯示屏、語音通話設(shè)備以及其他配件。遠程操作臺具有以下基本功能：

(1)遠程操作臺所采用的手柄、按鈕、觸摸屏等符合工業(yè)控制的等級要求。操作臺的高度合適，并可根據(jù)操作人員需求調(diào)整，各操作部件及顯示屏幕的布置要緊湊，并且便于駕駛員操作，符合長時間連續(xù)作業(yè)需要。

(2)遠程操作臺上設(shè)置有急停按鈕，當出現(xiàn)特殊情況時，能立即停止門機所有動作，進入鎖定狀態(tài)等待人工干預。

(3)遠程操作臺配置UPS(Uninterruptible Power Supply,不間斷電源)，當供電電源突然斷電時，UPS可持續(xù)為中控室供電，使操作員能夠完成當前作業(yè)指令并停機，保存當前數(shù)據(jù)。

(4)遠程操作臺配置可在空閑時選擇脫機，脫離工作狀態(tài)。

2.4 散雜貨港口作業(yè)環(huán)境及設(shè)計執(zhí)行標準

門機自動化作業(yè)控制系統(tǒng)的設(shè)計、制造、安裝和施工工藝均應滿足港口所在地氣候及環(huán)境條件的特點，所有的控制箱/柜、低壓元器件均符合現(xiàn)場的防腐、防塵、防雷電、防漏電、防暴雨、防臺風等的要求。門機自動化作業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計執(zhí)行標準見表1。

表1 門機自動化作業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計執(zhí)行標準

3 自動化作業(yè)控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 定位系統(tǒng)

為實現(xiàn)散雜貨碼頭多臺門機自動化作業(yè)要求，需在起重機主要機構(gòu)配置定位檢測系統(tǒng)，單門機定位系統(tǒng)硬件配置見表2。

表2 單門機定位系統(tǒng)硬件配置

(1)起升機構(gòu)定位檢測：裝配絕對值編碼器、增量型編碼器以實現(xiàn)對起升高度距離的計算。

(2)變幅機構(gòu)定位檢測：裝配絕對值編碼器、增量型編碼器以實現(xiàn)對變幅角度的計算，并在臂架鉸點處安裝傾角傳感器實現(xiàn)對變幅角度數(shù)據(jù)的校驗。

(3)回轉(zhuǎn)機構(gòu)定位檢測：裝配絕對值編碼器、增量型編碼器以實現(xiàn)對回轉(zhuǎn)角度的計算，通過接近開關(guān)實現(xiàn)對絕對值編碼器的零位校正。

(4)行走機構(gòu)定位檢測：裝配絕對值編碼器以實現(xiàn)對起重機行走位置的計算，利用RFID磁釘實現(xiàn)對絕對值編碼器數(shù)據(jù)的校準。裝配北斗差分定位系統(tǒng)裝置輔助行走機構(gòu)定位檢測，北斗差分定位系統(tǒng)由起重機上安裝的移動站、港口固定位置的地面基站、中控室后臺應用服務器及上位機終端操作系統(tǒng)組成(見圖1)。移動基站用于獲取行走機構(gòu)數(shù)據(jù)，采集單機行走位置及速度信息；地面基站提供精度校正功能，共享多臺起重機行走定位。

圖1 北斗差分定位系統(tǒng)框圖

(5)激光掃描技術(shù)：通過裝配激光掃描儀實時掃描建模系統(tǒng)識別貨垛形狀、貨位高低、船舶艙口位置，以設(shè)定裝卸料位置的坐標；三位圖像處理軟件負責整合、計算掃描儀采集到的數(shù)據(jù)，從而形成三維圖像，實時監(jiān)控門機自動化作業(yè)。

3.2 安全防護系統(tǒng)

3.2.1 防撞系統(tǒng)

行走機構(gòu)防撞系統(tǒng)設(shè)為三級防護，依次為減速、停止、極限限位，信號接入起重機主機電氣控制系統(tǒng)中，當檢測到障礙物時可以實現(xiàn)自動減速停車，語音提示軌道附近的人員和車輛離開軌道走行區(qū)域，同時在中控室顯示屏顯示故障報警并進行閉鎖保護。此外，還可在行走機構(gòu)前后方向安裝攝像頭及毫米波雷達裝置，擴大監(jiān)測范圍，以防止外來人員或車輛誤闖起重機行走區(qū)域。

臂架防撞系統(tǒng)，主要依托各機的精準定位和準確的位姿獲取，通過軟件算法實現(xiàn)。在港口空間有限情況下，起重機臂架前端兩側(cè)之間存在重合區(qū)域易造成碰撞風險(見圖2)。

圖2 臂架重合區(qū)域分析

該臂架防撞設(shè)為兩級防護，第一級為基于傳感器的防碰撞系統(tǒng)，第二級為基于機器視覺的防碰撞預測系統(tǒng)。

基于傳感器的防撞系統(tǒng)，主要由導軌式測距儀、傾角傳感器、回轉(zhuǎn)定位模塊及其校準模塊等構(gòu)成。為檢測臂架兩側(cè)有無障礙物及障礙物的距離，各門機將本機的行走機構(gòu)位置、變幅幅度、回轉(zhuǎn)角度等數(shù)據(jù)發(fā)送到防撞系統(tǒng)微控制單元，即MCU芯片，從而建立各門機運動模型，計算相鄰門機之間的運動范圍，并判斷出臂架之間是否會存在作業(yè)區(qū)域重疊。若存在碰撞風險，則防撞系統(tǒng)報警，并向起重機主機電氣控制系統(tǒng)發(fā)送禁止左/右回轉(zhuǎn)指令。

基于機器視覺防碰撞預測系統(tǒng)，主要采用激光掃描儀的動態(tài)掃描數(shù)據(jù)，首先建立與臂架識別測距相關(guān)的坐標系；然后建立與之對應的激光雷達坐標，利用微控制單元進行雷達數(shù)據(jù)處理及傳感器信息融合；最后考慮起重機工作環(huán)境、駕駛員操作習慣以及制動影響等因素建立安全距離模型，從而形成預測報警系統(tǒng)。

3.2.2 吊具防搖定位系統(tǒng)

當回轉(zhuǎn)機構(gòu)運動時，吊具會產(chǎn)生變幅方向的離心力，導致回轉(zhuǎn)及變幅兩方向上的慣性疊加到一起，大大增加了吊具防搖定位難度，故吊具防搖系統(tǒng)是門機實現(xiàn)自動化作業(yè)的關(guān)鍵。

為了滿足門機自動化作業(yè)對吊具防搖定位系統(tǒng)精度和實時性的要求，采用內(nèi)置防搖定位功能模塊的回轉(zhuǎn)變頻器實現(xiàn)吊具防搖定位功能，以變頻器防搖控制為基礎(chǔ)，在吊具安裝航姿參考系統(tǒng)模塊，將吊具姿態(tài)角(俯仰角、橫滾角、航向角)、三維加速度、三維角速度實時傳輸至起重機主機電氣控制系統(tǒng)，在控制程序內(nèi)進行吊具運動分析，使其與變頻器形成閉環(huán)防搖控制[1]。首先利用起升絕對指編碼器獲取實時高度并計算吊具擺動角度，然后通過變幅絕對值編碼器及回轉(zhuǎn)絕對值編碼器進行角度校準，最后利用鐘擺原理，通過修改發(fā)給起重機主機電氣控制系統(tǒng)的速度命令信號，實現(xiàn)連續(xù)限制擺動功能，由此對吊具進行相應的加速或減速操作以抵消擺角，使得本系統(tǒng)具備各機構(gòu)聯(lián)動狀態(tài)下的自動防搖功能。

3.2.3 起重機狀態(tài)監(jiān)測與健康管理系統(tǒng)

狀態(tài)監(jiān)測與健康管理系統(tǒng)由各低壓電氣元器件、智能潤滑系統(tǒng)、力矩限制器系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、火災報警及消防系統(tǒng)等構(gòu)成[2]，各外圍系統(tǒng)可根據(jù)起重機相應結(jié)構(gòu)或功能進行數(shù)據(jù)采集，獲取機構(gòu)運行方向、電機溫度控制、網(wǎng)絡(luò)通訊等狀態(tài)信息，并通過Profinet DP、以太網(wǎng)、單模光纖或無線傳輸裝置傳輸至門機主機PLC系統(tǒng)、CMS管理系統(tǒng)以及中控室RCMS管理系統(tǒng)，從而形成完整的數(shù)據(jù)信息庫，使系統(tǒng)實現(xiàn)狀態(tài)實時監(jiān)測、狀態(tài)回放、故障信息收集、故障查詢等管理功能并生成相應的文檔信息(見圖3)。

圖3 門機外圍系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集典型框架圖

4 結(jié)語

為實現(xiàn)門機遠程操作且自動化作業(yè)效率達到人工作業(yè)效率的90%的目標，根據(jù)門機機械結(jié)構(gòu)、機構(gòu)運行、吊具工況等特點，分析了門機自動化作業(yè)控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，為推動門機遠程自動化作業(yè)建設(shè)提供實踐參考依據(jù)，具有較好的推廣前景。