門式起重機裝卸作業(yè)半自動化系統(tǒng)設(shè)計

劉建軍，洪朝俊，高管豐

(1.中鐵集裝箱運輸有限責任公司 信息部，北京 100055；2.中鐵聯(lián)合國際集裝箱有限責任公司 信息裝備部，北京 100038)

1 國內(nèi)外運用門式起重機自動化作業(yè)概況

國內(nèi)外對門式起重機自動化作業(yè)的研究已有一段時間，但因其實現(xiàn)對內(nèi)外部條件要求高，真正的應(yīng)用并不多。目前荷蘭的鹿特丹碼頭實施了門式起重機全自動化作業(yè)，國內(nèi)僅天津五洲國際碼頭和大連港三期碼頭部分門式起重機實現(xiàn)了作業(yè)半自動化，且因各種原因，沒有大規(guī)模地投入應(yīng)用。

鐵路集裝箱中心站是鐵道部建設(shè)高效快捷貨物運輸系統(tǒng)的戰(zhàn)略舉措，采用了先進的場站管理系統(tǒng)，場站管理系統(tǒng)的設(shè)計既借鑒了國內(nèi)外鐵路、港口等相關(guān)行業(yè)的先進經(jīng)驗，也充分考慮了鐵路運輸?shù)膶嶋H需求，將先進技術(shù)手段與運輸需求相結(jié)合。鐵路集裝箱中心站的信息系統(tǒng)具有技術(shù)先進、設(shè)計靈活、智能高效、數(shù)據(jù)集成度高等特點，信息系統(tǒng)實現(xiàn)了集裝箱按箱區(qū)、箱位的圖形化動態(tài)管理，通過無線局域網(wǎng)和車載電腦實現(xiàn)了現(xiàn)場作業(yè)信息的實時反饋，使門式起重機作業(yè)流程標準化、信息實時反饋得到了保障。

除昆明鐵路集裝箱中心站采用正面吊作業(yè)模式外，其他鐵路集裝箱中心站均采用具有國際先進水平的門式起重機。其先進性體現(xiàn)在可靠、成熟、耐用、經(jīng)濟的電控傳動技術(shù)，先進的電網(wǎng)反饋技術(shù)，高效的起重機懸掛系統(tǒng)，提高司機作業(yè)安全性、起重機穩(wěn)定性的位置計算系統(tǒng) (SPS)，提高作業(yè)效率和安全性、防止設(shè)備相互碰撞的位置檢測系統(tǒng) (PDS)，實時記錄起重機故障及主要易損件維修保養(yǎng)提醒服務(wù)、減少起重機安全故障隱患的起重機管理系統(tǒng) (LCMS) 和遠程起重機管理系統(tǒng) (RCMS)。這些特點保證了門式起重機能夠?qū)崿F(xiàn)自動走行和大車、小車精確定位，為門式起重機作業(yè)半自動化創(chuàng)造了條件。

雖然門式起重機本身擁有先進的安全控制體系、便利的操作體系及先進的電控體系，但本地門式起重機管理系統(tǒng)中實時反映的大車、小車位置信息及吊具起升高度等信息只作為故障排查時的提示信息，并沒有得到深入的開發(fā)應(yīng)用。而場站管理系統(tǒng)中大部分反饋數(shù)據(jù)因沒有渠道獲得而仍由司機手工輸入，雖然軟件中提供了模糊輸入等輔助手段，仍然無法降低司機的勞動強度。因無法將信息系統(tǒng)與機械系統(tǒng)數(shù)據(jù)有效的關(guān)聯(lián)、控制、利用，司機無法實現(xiàn)電子操控定位，全憑肉眼觀察當前的集裝箱位置，作業(yè)完畢后的集裝箱位置信息也需要司機通過信息系統(tǒng)進行反饋，信息的準確性與及時性無法得到保證。

因此，將信息系統(tǒng)與門式起重機機械系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)通訊關(guān)系，將兩者的相關(guān)數(shù)據(jù)進行有效的關(guān)聯(lián)、控制、利用，通過底層通訊協(xié)議將車載電腦與門式起重機半自動控制器、PLC 的 CPU 模塊有機結(jié)合實現(xiàn)裝卸作業(yè)半自動化具有重要的現(xiàn)實意義。

2 門式起重機半自動化作業(yè)方案設(shè)計

2.1 門式起重機半自動化作業(yè)

鐵路集裝箱中心站場站裝卸作業(yè)實現(xiàn)門式起重機全自動化有較大的難度，主要難點在于：列車到達后定位較為困難；集裝箱卡車提/送箱時停車有較大的隨意性；全自動作業(yè)對場站建設(shè)也有嚴格的標準要求，需要配備平板小車、集裝箱卡車、安裝集裝箱卡車定位系統(tǒng)等。因此實現(xiàn)全自動化作業(yè)需要增加較多的輔助設(shè)施，成本較高。所以將基于門式起重機司機在司機室作業(yè)的前提下開展門式起重機的半自動化工程作為初期建設(shè)的目標。

門式起重機半自動化作業(yè)指除了提、落集裝箱及開、閉鎖4個動作考慮到安全因素仍然由司機手工操作外，其他如通過作業(yè)指令中源箱位與目標箱位自動控制門式起重機大車、小車運行及吊具起升，門式起重機司機落箱解鎖后自動反饋落箱箱位等工作均由半自動系統(tǒng)完成。這樣不僅能夠減輕司機的工作強度，還可以避免司機人為反饋可能帶來的差錯。

2.2 門式起重機半自動化作業(yè)方案設(shè)計

2.2.1 實現(xiàn)門式起重機半自動化需要具備必要條件

（1）門式起重機具備大車、小車、吊具位置檢測系統(tǒng)和速度控制系統(tǒng)，并且大車、小車、吊具實際位置與電控系統(tǒng)中記錄一致。

（2）門式起重機的可編程控制器 (PLC) 提供通用接口可編程控制。

（3）先進的信息系統(tǒng)指導(dǎo)作業(yè)。

2.2.2 集裝箱中心站門式起重機作業(yè)的標準動作

（1）搬移。將箱區(qū)內(nèi)的集裝箱從原位置搬移至指定位置。

（2）裝車。將箱區(qū)內(nèi)的集裝箱從原位置裝入列車。

（3）卸車。將列車上的集裝箱搬入箱區(qū)。

（4）提箱。將箱區(qū)內(nèi)的集裝箱從原位置裝入集裝箱卡車。

（5）送箱。將集裝箱卡車上的集裝箱搬入箱區(qū)。

（6）移動大車。門式起重機大車從當前位置到指定位置的自動運行。.

2.2.3 門式起重機半自動作業(yè)實現(xiàn)過程

要實現(xiàn)6種動作的半自動運行，首先場站系統(tǒng)需獲取操作指令，根據(jù)指令分類，向門式起重機半自動控制器發(fā)送約定消息，半自動控制器根據(jù)消息，分解動作類別、源位置、目標位置的相對坐標后，傳給PLC，PLC 執(zhí)行指令并實時反饋。

集裝箱中心站門式起重機所有作業(yè)均為司機在場站信息系統(tǒng)指導(dǎo)下的標準作業(yè)，而門式起重機PLC的CPU 模塊也能控制門式起重機的所有動作并提供標準通訊接口，但要實現(xiàn)門式起重機半自動化還需要解決2個關(guān)鍵問題，其一是場站管理系統(tǒng)如何與PLC中CPU 模塊通訊及交換數(shù)據(jù)；其二是場站系統(tǒng)每一動作操作指令的目標值為箱位或集裝箱卡車、列車號，并非 PLC 能夠讀懂的坐標位置。

解決方案為利用門式起重機已有的工業(yè)級以太網(wǎng)及串口服務(wù)器，安裝起重機械智能化中樞管理系統(tǒng)(稱之為半自動控制器)，其作用是通過串口與車載電腦通訊，將場站信息系統(tǒng)發(fā)來的指令信息轉(zhuǎn)化為門式起重機讀得懂的命令并按此運行，并每隔 200 ms 通過監(jiān)視 PLC 獲取門式起重機運行情況，及時將節(jié)點信息反饋給場站管理系統(tǒng)。

起重機械智能化中樞管理系統(tǒng)與場站系統(tǒng)通過發(fā)送“數(shù)據(jù)包”進行通訊，“數(shù)據(jù)包”結(jié)構(gòu)定義為：[命令名 | 參數(shù)； ……(參數(shù)可以有多個，參數(shù)與參數(shù)之間由“；”號分割) ] 校驗碼，命令名及說明見表1。

起重機械智能化中樞管理系統(tǒng)通過PLC廠家提供的自定義通訊協(xié)議主動寫入或讀取相關(guān)參數(shù)。場站系統(tǒng)獲取操作指令，根據(jù)指令分類向半自動控制器發(fā)送約定消息，半自動控制器根據(jù)消息分解動作類別、源位置、目標位置的相對坐標后傳給PLC，PLC執(zhí)行指令并實時反饋，指令流如圖1所示。

表1 指令說明

通過閉合簡便的指令流設(shè)計，場站系統(tǒng)的指令就能轉(zhuǎn)變?yōu)殚T式起重機的機械運動。圖2為半自動系統(tǒng)實施后的門式起重機操縱流程圖，從圖中可知，以往繁雜的移動大車、小車工作已由信息系統(tǒng)指揮門式起重機自動完成，司機可以將精力集中在與場調(diào)溝通及吊具開閉鎖的操作，而大部分移動、定位工作已被準確、快捷的半自動走行完成。

3 實施效果

2011年4月，重慶鐵路集裝箱中心站按照設(shè)計方案開始門式起重機作業(yè)半自動化系統(tǒng)試點。目前4臺門式起重機全部實現(xiàn)了作業(yè)半自動化。運行結(jié)果表明，門式起重機作業(yè)半自動化系統(tǒng)有以下優(yōu)點。

（1）降低門式起重機司機作業(yè)勞動強度。在整個裝卸流程中只需重點關(guān)注起吊和落箱時的作業(yè)動作，大車、小車行走無需人工干預(yù)。

（2）提高作業(yè)的準確度。門式起重機定位系統(tǒng)在門式起重機大梁中間同步點處對小車位置進行校正，每 25 m 處通過地面定位板對門式起重機大車位置進行校正，保證了門式起重機大車、小車能準確定位。在堆場內(nèi)主箱區(qū)作業(yè)時，準確性高，門式起重機司機基本無需或?qū)Φ蹙哌M行橫轉(zhuǎn)等微調(diào)干預(yù)即可。列車、集裝箱卡車因停位不準確等原因需要門式起重機司機手工干預(yù)，但隨著管理水平的提高及培訓(xùn)的加強，誤差基本在可控范圍內(nèi)。

（3）箱位反饋自動、及時。在門式起重機司機解鎖后，門式起重機系統(tǒng)自動反饋集裝箱的箱位，避免人工核實和延遲反饋帶來的錯誤和延時，并能有效地解決集裝箱堆場實際數(shù)據(jù)與信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)不一致問題。

（4）提高裝卸作業(yè)安全。門式起重機司機在工作中不需要長時間關(guān)注大車、小車的行走，更多的精力放在裝卸作業(yè)上，有利于安全生產(chǎn)。

4 結(jié)束語

門式起重機作業(yè)半自動化系統(tǒng)的實施開創(chuàng)了鐵路集裝箱裝卸作業(yè)智能化的先河。目前該系統(tǒng)已在重慶、成都、武漢鐵路集裝箱中心站成功實施。本方案立足實際，投資小、實施周期短、穩(wěn)定性高，用較小的成本換取了較大的效益，減輕了門式起重機司機的工作強度，提高了集裝箱裝卸作業(yè)效率和集裝箱周轉(zhuǎn)率。

圖1 半自動化指令流

圖2 門式起重機操縱流程圖