場橋防“打保齡”技術(shù)應(yīng)用

蔡國強(qiáng)+吳海生+王朝棟

在集裝箱裝卸作業(yè)過程中，場橋吊具及其起吊集裝箱可能因起升高度不足而碰箱，造成作業(yè)箱堆及相鄰箱堆連鎖傾翻事故，此類事故類似于打保齡球，故俗稱“打保齡”。場橋“打保齡”事故輕則造成箱損，重則造成人員傷亡，后果難以預(yù)測。本文以赤灣集裝箱碼頭有限公司（以下簡稱赤灣集裝箱碼頭）和安川工控系統(tǒng)為例，介紹全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）與可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）系統(tǒng)相結(jié)合的場橋防“打保齡”技術(shù)方案。

1 場橋防“打保齡”功能設(shè)計(jì)

1.1 本貝位防“打保齡”功能設(shè)計(jì)

在場橋司機(jī)選取作業(yè)指令準(zhǔn)備作業(yè)的過程中（即從選取作業(yè)指令到開鎖成功的時(shí)間段），移動(dòng)基站軟件根據(jù)該貝位各排集裝箱堆碼高度、待作業(yè)集裝箱高度和堆場其他相關(guān)屬性計(jì)算吊具和吊具上集裝箱與本貝位集裝箱的水平和垂直距離。當(dāng)上述任一距離小于設(shè)定值時(shí)，移動(dòng)基站軟件彈出對話框提示司機(jī)，同時(shí)將上述判斷條件信息發(fā)送至PLC，由PLC進(jìn)行本貝位防“打保齡”計(jì)算，并對吊具進(jìn)行控制。

1.2 相鄰貝位防“打保齡”功能設(shè)計(jì)

當(dāng)場橋司機(jī)作業(yè)時(shí)，移動(dòng)基站軟件實(shí)時(shí)計(jì)算吊具中心位置與貝位中心線的距離。當(dāng)該距離大于設(shè)定值時(shí)，移動(dòng)基站軟件以聲音或圖標(biāo)方式提示司機(jī)，同時(shí)向PLC發(fā)送小車停止命令。此時(shí)，司機(jī)只能在GPS切換到旁路的前提下移動(dòng)小車，移動(dòng)基站軟件能夠記錄GPS旁路狀態(tài)。

1.3 異常處理功能設(shè)計(jì)

1.3.1 無線信號異常處理

由于赤灣集裝箱碼頭的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境良好且移動(dòng)基站軟件具有自動(dòng)重連功能，網(wǎng)絡(luò)斷線一般在1～內(nèi)便可恢復(fù)。除非網(wǎng)絡(luò)大面積癱瘓導(dǎo)致集裝箱碼頭操作系統(tǒng)的作業(yè)指令不能到達(dá)，無法進(jìn)行作業(yè)，否則不會出現(xiàn)移動(dòng)基站軟件集裝箱分布信息不準(zhǔn)確的情況。綜上所述，無線信號異常的情況可以不用考慮。

1.3.2 GPS異常處理

當(dāng)GPS定位精度無法達(dá)到厘米級時(shí)，移動(dòng)基站軟件將GPS故障信息發(fā)送至PLC，PLC根據(jù)信息設(shè)置按照大門字形作業(yè)。

1.3.3 8570-PLC串口通信異常處理

在通信接口設(shè)計(jì)上，在系統(tǒng)中設(shè)置自增一的消息編號和校驗(yàn)位，形成移動(dòng)基站軟件與PLC互相監(jiān)控狀態(tài)。當(dāng)PLC發(fā)現(xiàn)接口中消息編號不能有規(guī)律地自增一時(shí)，設(shè)置按照大門字形作業(yè)。

2 場橋防“打保齡”技術(shù)方案

2.1 各機(jī)構(gòu)運(yùn)行方案

在場橋目標(biāo)箱周邊一定范圍內(nèi)設(shè)置減速區(qū)、10%全速區(qū)和停止區(qū)。如圖1所示，場橋目標(biāo)箱周圍劃分為A、B、C、D、E、F等6個(gè)區(qū)域，各區(qū)域?qū)?yīng)場橋小車水平方向和垂直方向速度如表1所示。

2.1.1 車道上方小車減速方案

在場橋車道上方設(shè)置減速區(qū)、10%全速區(qū)和停止區(qū)。如圖2所示：空吊具從車道下放到距離地面5.0～區(qū)域?yàn)樾≤嚋p速區(qū)，下放到距離地面時(shí)小車停止，手柄回零位一次，小車全速；吊具吊箱從車道下放到距離地面7.9～區(qū)域?yàn)樾≤嚋p速區(qū)，下放到距離地面時(shí)小車停止，手柄回零位一次，小車全速。

2.1.2 水平方向小車減速方案

當(dāng)?shù)蹙咂鹕叨鹊陀谇胺较涓呒訒r(shí)，小車從水平方向距離目標(biāo)位置時(shí)開始減速，距離目標(biāo)位置時(shí)速度減至全速的10%，距離目標(biāo)位置時(shí)停止，距離目標(biāo)位置不足時(shí)保留點(diǎn)動(dòng)功能（見圖3）。當(dāng)?shù)蹙咂鹕叨雀哂谇胺较涓呒樱ㄐ≤嚭推鹕龣C(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)時(shí)為）時(shí)，小車全速。

2.1.3 垂直方向小車減速方案

當(dāng)?shù)蹙叽怪狈较蚓嚯x目標(biāo)箱時(shí)小車開始減速，距離箱頂（當(dāng)小車和起升機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)時(shí)為）時(shí)速度減至全速的10%，然后以10%全速放箱至目標(biāo)箱上（見圖4）。若吊具中心線所在集裝箱的中心線與吊具中心線的偏差小于（空箱區(qū)為），系統(tǒng)默認(rèn)此集裝箱為目標(biāo)箱，小車減速以此集裝箱為距離參照標(biāo)準(zhǔn)（見圖5）。

2.1.4 小車半速區(qū)和車道減速區(qū)設(shè)置方案

當(dāng)?shù)蹙呋虻跸涞撞烤嚯x地面不足時(shí)，小車水平方向速度設(shè)置為50%全速（見圖6）。當(dāng)?shù)蹙咂鹕叨仍谝韵聲r(shí)，小車從場地向車道行走，在接近車道時(shí)減速，在到達(dá)車道邊界時(shí)水平方向速度設(shè)置為10%全速（見圖7）。

2.1.5 負(fù)載起升速度設(shè)置方案

（1）當(dāng)?shù)蹙唛]鎖提箱起升不足時(shí)，小車慢速；吊具起升至處停止一次，手柄歸零后，負(fù)載起升全速。

（2）當(dāng)無線網(wǎng)絡(luò)信號不穩(wěn)定且GPS無信號時(shí)，終端機(jī)彈出“吊具走大門字形”對話框（見圖8），此時(shí)當(dāng)?shù)蹙哓?fù)載起升高度達(dá)時(shí)，小車才有全速，空吊具則不受影響；當(dāng)GPS信號恢復(fù)正常時(shí)，防“打保齡”功能重新啟動(dòng)，同時(shí)有對話框提示（見圖9）。

2.1.6 吊具控制方案

當(dāng)?shù)蹙叩蹂e(cuò)箱或放箱位置錯(cuò)誤時(shí)，PLC控制吊具不能轉(zhuǎn)鎖。此外，系統(tǒng)還設(shè)有大車跑偏和小車跑偏報(bào)警及禁行等功能。

2.2 場橋防“打保齡”程序編寫

2.2.1 程序組成

場橋防“打保齡”程序主要由場橋GPS定位及各機(jī)構(gòu)定位控制程序組成，主要程序段如圖10所示。

2.2.2 控制流程及定位

2.2.2.1 控制流程

場橋防“打保齡”控制流程如圖11所示。

2.2.2.2 場橋定位及控制

（1）大車定位及控制 大車主要是靠安裝在場橋小車頂?shù)腉PS天線定位，集裝箱碼頭操作系統(tǒng)將場橋位置信息發(fā)送至場橋PLC，由其運(yùn)算確定場橋位置。當(dāng)同場地場橋跑大車控制條件為“系統(tǒng)發(fā)送運(yùn)行方向有場橋”時(shí)，運(yùn)行場橋在距離障礙場橋時(shí)開始減速，距離時(shí)速度減至為全速的20%，距離時(shí)停止。

（2）起升定位及控制 場橋運(yùn)行到目標(biāo)箱位的相應(yīng)貝位，通過集裝箱碼頭操作系統(tǒng)將目標(biāo)箱位信息發(fā)送給PLC，由其根據(jù)起升編碼器計(jì)算吊具高度，并結(jié)合GPS控制起升機(jī)構(gòu)（吊具）運(yùn)行。

（3）小車定位及控制 場橋運(yùn)行到目標(biāo)箱位的相應(yīng)貝位，通過集裝箱碼頭操作系統(tǒng)將目標(biāo)箱位信息發(fā)送給PLC，由其根據(jù)小車編碼器計(jì)算小車位置，并結(jié)合GPS控制小車運(yùn)行。

（4）吊具控制 PLC根據(jù)GPS定位信息及集裝箱碼頭操作系統(tǒng)發(fā)送的目標(biāo)箱位進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而控制吊具動(dòng)作：當(dāng)?shù)蹙叩蹂e(cuò)集裝箱時(shí)，其不能閉鎖；當(dāng)?shù)蹙叻畔湮恢缅e(cuò)誤時(shí)，其不能開鎖。

3 場橋防“打保齡”功能測試

在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境下，移動(dòng)基站軟件將集裝箱分布、GPS定位等信息發(fā)送至PLC，實(shí)現(xiàn)場橋防“打保齡”功能。相同工況、不同操作方式下場橋作業(yè)20個(gè)集裝箱所用時(shí)間及單箱平均作業(yè)時(shí)間分別如表2和表3所示。

（1）與沒降頻率走大門字形作業(yè)模式相比，沒降頻率且?guī)PS防“打保齡”功能作業(yè)模式下的空箱卸箱平均單箱作業(yè)快，空箱裝箱平均單箱作業(yè)快，重箱卸箱平均單箱作業(yè)快，重箱裝箱平均單箱作業(yè)快10 s。

（2）與降頻率且?guī)PS防“打保齡”功能的作業(yè)模式相比，沒降頻率且?guī)PS防“打保齡”功能作業(yè)模式下的空箱卸箱平均單箱作業(yè)快，空箱裝箱平均單箱作業(yè)快，重箱卸箱平均單箱作業(yè)快，重箱裝箱平均單箱作業(yè)快。

（3）與降頻率走大門字形作業(yè)模式相比，沒降頻率走大門字形作業(yè)模式下的空箱卸箱平均單箱作業(yè)快，空箱裝箱平均單箱作業(yè)快，重箱卸箱平均單箱作業(yè)快，重箱裝箱平均單箱作業(yè)快。

（4）與降頻率走大門字形作業(yè)模式相比，沒降頻率且?guī)PS防“打保齡”功能作業(yè)模式下的空箱卸箱平均單箱作業(yè)快，空箱裝箱平均單箱作業(yè)快，重箱卸箱平均單箱作業(yè)快，重箱裝箱平均單箱作業(yè)快20 s。

4 場橋防“打保齡”技術(shù)應(yīng)用效益

根據(jù)計(jì)算：場橋帶GPS防“打保齡”功能作業(yè)模式與走門字形作業(yè)模式相比可節(jié)約作業(yè)時(shí)間約/TEU；按場橋每年作業(yè)集裝箱500萬TEU及吊1個(gè)集裝箱耗電約2.3 kW h且耗時(shí)120 s計(jì)算，場橋帶GPS防“打保齡”功能作業(yè)模式每年可以節(jié)約成本143.75萬元人民幣。

赤灣集裝箱碼頭自2008年應(yīng)用場橋防“打保齡”技術(shù)以來，場橋作業(yè)安全性和效率大大提升。截至2014年6月，赤灣集裝箱碼頭場橋在帶GPS防“打保齡”功能作業(yè)模式下“打保齡”事故率為0。總之，場橋GPS防“打保齡”技術(shù)不僅有利于提高碼頭作業(yè)效率，節(jié)約生產(chǎn)成本，而且有助于降低司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)事故率，對保障碼頭作業(yè)安全具有積極作用。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2014-08-28）

（3）小車定位及控制 場橋運(yùn)行到目標(biāo)箱位的相應(yīng)貝位，通過集裝箱碼頭操作系統(tǒng)將目標(biāo)箱位信息發(fā)送給PLC，由其根據(jù)小車編碼器計(jì)算小車位置，并結(jié)合GPS控制小車運(yùn)行。

（4）吊具控制 PLC根據(jù)GPS定位信息及集裝箱碼頭操作系統(tǒng)發(fā)送的目標(biāo)箱位進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而控制吊具動(dòng)作：當(dāng)?shù)蹙叩蹂e(cuò)集裝箱時(shí)，其不能閉鎖；當(dāng)?shù)蹙叻畔湮恢缅e(cuò)誤時(shí)，其不能開鎖。

3 場橋防“打保齡”功能測試

在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境下，移動(dòng)基站軟件將集裝箱分布、GPS定位等信息發(fā)送至PLC，實(shí)現(xiàn)場橋防“打保齡”功能。相同工況、不同操作方式下場橋作業(yè)20個(gè)集裝箱所用時(shí)間及單箱平均作業(yè)時(shí)間分別如表2和表3所示。

（1）與沒降頻率走大門字形作業(yè)模式相比，沒降頻率且?guī)PS防“打保齡”功能作業(yè)模式下的空箱卸箱平均單箱作業(yè)快，空箱裝箱平均單箱作業(yè)快，重箱卸箱平均單箱作業(yè)快，重箱裝箱平均單箱作業(yè)快10 s。

（2）與降頻率且?guī)PS防“打保齡”功能的作業(yè)模式相比，沒降頻率且?guī)PS防“打保齡”功能作業(yè)模式下的空箱卸箱平均單箱作業(yè)快，空箱裝箱平均單箱作業(yè)快，重箱卸箱平均單箱作業(yè)快，重箱裝箱平均單箱作業(yè)快。

（3）與降頻率走大門字形作業(yè)模式相比，沒降頻率走大門字形作業(yè)模式下的空箱卸箱平均單箱作業(yè)快，空箱裝箱平均單箱作業(yè)快，重箱卸箱平均單箱作業(yè)快，重箱裝箱平均單箱作業(yè)快。

（4）與降頻率走大門字形作業(yè)模式相比，沒降頻率且?guī)PS防“打保齡”功能作業(yè)模式下的空箱卸箱平均單箱作業(yè)快，空箱裝箱平均單箱作業(yè)快，重箱卸箱平均單箱作業(yè)快，重箱裝箱平均單箱作業(yè)快20 s。

4 場橋防“打保齡”技術(shù)應(yīng)用效益

根據(jù)計(jì)算：場橋帶GPS防“打保齡”功能作業(yè)模式與走門字形作業(yè)模式相比可節(jié)約作業(yè)時(shí)間約/TEU；按場橋每年作業(yè)集裝箱500萬TEU及吊1個(gè)集裝箱耗電約2.3 kW h且耗時(shí)120 s計(jì)算，場橋帶GPS防“打保齡”功能作業(yè)模式每年可以節(jié)約成本143.75萬元人民幣。

赤灣集裝箱碼頭自2008年應(yīng)用場橋防“打保齡”技術(shù)以來，場橋作業(yè)安全性和效率大大提升。截至2014年6月，赤灣集裝箱碼頭場橋在帶GPS防“打保齡”功能作業(yè)模式下“打保齡”事故率為0。總之，場橋GPS防“打保齡”技術(shù)不僅有利于提高碼頭作業(yè)效率，節(jié)約生產(chǎn)成本，而且有助于降低司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)事故率，對保障碼頭作業(yè)安全具有積極作用。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2014-08-28）

（3）小車定位及控制 場橋運(yùn)行到目標(biāo)箱位的相應(yīng)貝位，通過集裝箱碼頭操作系統(tǒng)將目標(biāo)箱位信息發(fā)送給PLC，由其根據(jù)小車編碼器計(jì)算小車位置，并結(jié)合GPS控制小車運(yùn)行。

（4）吊具控制 PLC根據(jù)GPS定位信息及集裝箱碼頭操作系統(tǒng)發(fā)送的目標(biāo)箱位進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而控制吊具動(dòng)作：當(dāng)?shù)蹙叩蹂e(cuò)集裝箱時(shí)，其不能閉鎖；當(dāng)?shù)蹙叻畔湮恢缅e(cuò)誤時(shí)，其不能開鎖。

3 場橋防“打保齡”功能測試

在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境下，移動(dòng)基站軟件將集裝箱分布、GPS定位等信息發(fā)送至PLC，實(shí)現(xiàn)場橋防“打保齡”功能。相同工況、不同操作方式下場橋作業(yè)20個(gè)集裝箱所用時(shí)間及單箱平均作業(yè)時(shí)間分別如表2和表3所示。

（1）與沒降頻率走大門字形作業(yè)模式相比，沒降頻率且?guī)PS防“打保齡”功能作業(yè)模式下的空箱卸箱平均單箱作業(yè)快，空箱裝箱平均單箱作業(yè)快，重箱卸箱平均單箱作業(yè)快，重箱裝箱平均單箱作業(yè)快10 s。

（2）與降頻率且?guī)PS防“打保齡”功能的作業(yè)模式相比，沒降頻率且?guī)PS防“打保齡”功能作業(yè)模式下的空箱卸箱平均單箱作業(yè)快，空箱裝箱平均單箱作業(yè)快，重箱卸箱平均單箱作業(yè)快，重箱裝箱平均單箱作業(yè)快。

（3）與降頻率走大門字形作業(yè)模式相比，沒降頻率走大門字形作業(yè)模式下的空箱卸箱平均單箱作業(yè)快，空箱裝箱平均單箱作業(yè)快，重箱卸箱平均單箱作業(yè)快，重箱裝箱平均單箱作業(yè)快。

（4）與降頻率走大門字形作業(yè)模式相比，沒降頻率且?guī)PS防“打保齡”功能作業(yè)模式下的空箱卸箱平均單箱作業(yè)快，空箱裝箱平均單箱作業(yè)快，重箱卸箱平均單箱作業(yè)快，重箱裝箱平均單箱作業(yè)快20 s。

4 場橋防“打保齡”技術(shù)應(yīng)用效益

根據(jù)計(jì)算：場橋帶GPS防“打保齡”功能作業(yè)模式與走門字形作業(yè)模式相比可節(jié)約作業(yè)時(shí)間約/TEU；按場橋每年作業(yè)集裝箱500萬TEU及吊1個(gè)集裝箱耗電約2.3 kW h且耗時(shí)120 s計(jì)算，場橋帶GPS防“打保齡”功能作業(yè)模式每年可以節(jié)約成本143.75萬元人民幣。

赤灣集裝箱碼頭自2008年應(yīng)用場橋防“打保齡”技術(shù)以來，場橋作業(yè)安全性和效率大大提升。截至2014年6月，赤灣集裝箱碼頭場橋在帶GPS防“打保齡”功能作業(yè)模式下“打保齡”事故率為0。總之，場橋GPS防“打保齡”技術(shù)不僅有利于提高碼頭作業(yè)效率，節(jié)約生產(chǎn)成本，而且有助于降低司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)事故率，對保障碼頭作業(yè)安全具有積極作用。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2014-08-28）