集裝箱橋吊防搖切換控制的探討

易慶，劉金殿

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

我國港口業(yè)務(wù)的發(fā)展過程中，集裝箱橋吊得到了有效的應(yīng)用，在全球貿(mào)易的環(huán)境下，集裝箱橋吊面臨著較高的運(yùn)輸壓力。集裝箱橋吊是港口業(yè)務(wù)中的關(guān)鍵設(shè)備，橋吊上使用鋼絲繩連接著集裝箱，運(yùn)輸期間較容易出現(xiàn)晃動(dòng)的問題，不利于橋吊運(yùn)輸?shù)陌踩M(jìn)行，根據(jù)橋吊的運(yùn)輸狀態(tài)實(shí)行防搖切換控制，積極預(yù)防集裝箱橋吊的風(fēng)險(xiǎn)，體現(xiàn)防搖切換控制的實(shí)踐價(jià)值。

1 集裝箱橋吊防搖切換控制的算法

集裝箱橋吊防搖切換控制算法主要是從數(shù)據(jù)計(jì)算的角度，研究防搖切換控制在橋吊安全中的應(yīng)用。

（1）吊具擺角。集裝箱橋吊防搖切換控制算法中采集了吊具的擺角數(shù)據(jù)，吊具上安裝了反光板、攝像頭采集擺角圖像，圖像在攝像機(jī)處理的作用下得出了擺角數(shù)據(jù)。吊具頂架的中心處需要安裝紅外發(fā)射設(shè)備，專門收集擺角數(shù)據(jù)，還要配置紅外接收裝置，便于接收紅外發(fā)射設(shè)備中發(fā)送的擺角信息。

（2）小車位置。集裝箱橋吊小車位置是防搖切換控制算法研究的重點(diǎn)，由傳感器采集了小車的實(shí)際位置，傳感器獲取了小車位置后，還要采集吊具擺長，橋吊小車要和傳動(dòng)軸連接起來，安裝好脈沖數(shù)字編碼器，收集小車和吊具的擺長數(shù)據(jù)，編碼器把收集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行牡腜LC結(jié)構(gòu)中，便于研究防搖切換的控制。

（3）控制算法。集裝箱橋吊防搖切換控制算法中，要把采集的參數(shù)進(jìn)行初始化處理，特別處理好角頻率、運(yùn)動(dòng)周期以及橋吊切換時(shí)的加速度，從采樣時(shí)間點(diǎn)位置采集相鄰時(shí)間點(diǎn)，按照吊具擺角計(jì)算好單擺的幅值數(shù)據(jù)，根據(jù)幅值明確出單擺的運(yùn)動(dòng)方向，在采集數(shù)據(jù)中計(jì)算橋吊的最高點(diǎn)及達(dá)到最高點(diǎn)的時(shí)間點(diǎn)，獲取防搖切換的控制時(shí)間。

2 集裝箱橋吊防搖切換控制的模型

集裝箱橋吊防搖切換控制模型是研究橋吊穩(wěn)定性的有效措施，模擬了集裝箱橋吊的運(yùn)輸過程，為防搖切換控制提供了參考依據(jù)。集裝箱橋吊防搖切換控制模型中包含兩項(xiàng)內(nèi)容，具體分析如下。

（1）仿真。集裝箱橋吊防搖控制模型仿真研究時(shí)，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)仿真模擬港口集裝箱橋吊的運(yùn)輸方式，直接在仿真模型中設(shè)計(jì)防搖切換的控制措施，促使防搖切換控制能夠滿足集裝箱橋吊的穩(wěn)定性要求。仿真模型研究時(shí)輸入了橋吊吊具擺角的初始數(shù)值，初始值為0，仿真模型模擬了集裝箱橋吊小車兩個(gè)階段的運(yùn)行狀態(tài)，由仿真模型中直接輸出吊具小車的速度曲線，重點(diǎn)是小車加速狀態(tài)下的速度曲線，依照速度曲線變化再計(jì)算橋吊吊具在集裝箱運(yùn)輸過程中的擺長及水平加速度。仿真研究時(shí)吊具本身不具備初始擺角，在橋吊的運(yùn)輸期間吊具具備初始擺角條件，模型中小車的兩段速度運(yùn)行狀態(tài)下，應(yīng)解決初始擺角中的干擾問題，此時(shí)要采用橋吊防搖切換控制策略，避免集裝箱橋吊發(fā)生晃動(dòng)、擾動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）試驗(yàn)。集裝箱橋吊防搖切換控制試驗(yàn)中采用1：10的比例進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，1：10的比例應(yīng)用到集裝箱橋吊的實(shí)際尺寸控制中，把集裝箱橋吊模型應(yīng)用到試驗(yàn)平臺(tái)中。試驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)使用了ET200M系統(tǒng)，從系統(tǒng)中輸入橋吊的具體尺寸，由此準(zhǔn)確輸出橋吊的尺寸數(shù)值。試驗(yàn)研究時(shí)，橋吊吊具系統(tǒng)、集裝箱重物都具有擺角數(shù)據(jù)，橋吊小車運(yùn)輸?shù)木嚯x、起點(diǎn)、上升點(diǎn)都是試驗(yàn)研究的重點(diǎn)，利用編碼器測(cè)量、視覺系統(tǒng)，把試驗(yàn)平臺(tái)的數(shù)據(jù)輸入到集裝箱橋吊防遙切換控制的PLC中，由現(xiàn)場總線控制防搖切換控制系統(tǒng)的應(yīng)用。試驗(yàn)平臺(tái)促使PLC與工控機(jī)觸摸屏連接，防搖切換控制人員可以直接在現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)整，預(yù)防橋吊搖晃。試驗(yàn)平臺(tái)的直接目的是預(yù)防集裝箱橋吊晃動(dòng)，避免橋吊發(fā)生晃動(dòng)問題，消除橋吊運(yùn)行環(huán)境中的擾動(dòng)問題。

3 集裝箱橋吊防搖切換控制的設(shè)計(jì)

（1）設(shè)計(jì)路徑。集裝箱裝載、橋吊運(yùn)輸期間均可發(fā)生搖晃問題，遙控的風(fēng)險(xiǎn)性比較高，容易在集裝箱運(yùn)輸期間發(fā)生安全事故，在集裝箱橋吊運(yùn)輸期間施行防搖切換控制，保護(hù)好集裝箱橋吊運(yùn)輸?shù)陌踩?。集裝箱橋吊運(yùn)輸?shù)穆窂皆O(shè)計(jì)是防搖切換控制的首要內(nèi)容，主要是為集裝箱橋吊運(yùn)輸提供穩(wěn)定的路徑。路徑設(shè)計(jì)的方法有：①集裝箱橋吊向水平方向運(yùn)輸時(shí)，橋吊小車運(yùn)輸了一段距離后，記錄吊具的實(shí)際擺長數(shù)據(jù)，橋吊上升的階段中集裝箱的狀態(tài)由靜止改為運(yùn)動(dòng)，從垂直的方向上進(jìn)行運(yùn)輸，當(dāng)橋吊向上運(yùn)輸即將碰到障礙物時(shí)，需要適當(dāng)提升橋吊的速度，促使橋吊達(dá)到最大的運(yùn)輸速度；②集裝箱橋吊起升的路徑中，橋吊移動(dòng)后在水平、垂直的方向上改變了位移狀態(tài)，集裝箱橋吊從上升到水平位移的過程中，采用最大的運(yùn)輸速度和最大的加速度，促使集裝箱能夠跨過橋吊過程中的障礙物，運(yùn)輸中水平位移要始終保持高于障礙物的高度；③集裝箱橋吊運(yùn)輸為完全水平移動(dòng)路徑時(shí)，橋吊運(yùn)輸選擇了最大的速度，橋吊機(jī)械器件決定了吊具小車的運(yùn)輸速度，根據(jù)集裝箱現(xiàn)場的情況，設(shè)計(jì)好橋吊的運(yùn)輸速度；④集裝箱橋吊運(yùn)輸完成后，要與運(yùn)輸期間的路徑相反完成運(yùn)輸，待橋吊小車運(yùn)輸?shù)街付ㄎ灰坪蟀炎畲笏俣冉档偷?；⑤吊具小車持續(xù)性下降的過程中，如果全部是垂直下降，速度也要降低到0。集裝箱橋吊的路徑設(shè)計(jì)能夠預(yù)防晃動(dòng)問題，橋吊運(yùn)輸集裝箱的過程中，按照指定的路徑運(yùn)輸有利于實(shí)現(xiàn)防搖切換控制，完善橋吊運(yùn)輸?shù)倪^程及環(huán)境。

（2）最優(yōu)設(shè)計(jì)。最優(yōu)設(shè)計(jì)在集裝箱防搖切換控制中，可以有效預(yù)防晃動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，在集裝箱橋吊防搖控制時(shí)，準(zhǔn)確記錄橋吊中小車的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，安排最優(yōu)設(shè)計(jì)與控制方法，在最優(yōu)設(shè)計(jì)中直接導(dǎo)出最優(yōu)時(shí)間段，以此來預(yù)防橋吊晃動(dòng)。上文表述了集裝箱橋吊運(yùn)輸?shù)?種狀態(tài)，如果集裝箱橋吊處于理想的狀態(tài)，橋吊小車運(yùn)輸時(shí)具有防搖控制的規(guī)則，實(shí)際橋吊小車會(huì)受到不同因素的干擾，導(dǎo)致橋吊發(fā)生了搖晃問題。當(dāng)集裝箱橋吊運(yùn)輸有晃動(dòng)問題時(shí)，此時(shí)按照最優(yōu)設(shè)計(jì)的要求，可把運(yùn)輸速度降低到0，或者促使橋吊小車保持勻速運(yùn)行的狀態(tài)，保證橋吊的擺動(dòng)為0，有利于集裝箱防搖切換控制的最優(yōu)性。

（3）防遙控制器。防搖控制器是集裝箱橋吊防搖切換控制中的重要設(shè)備，防搖控制器的設(shè)計(jì)具有穩(wěn)定性的要求，橋吊運(yùn)輸中運(yùn)用防搖控制器實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定性，也可以在橋吊小車切換速度時(shí)，控制吊具的運(yùn)行狀態(tài)，最大化的降低橋吊搖晃。防遙控制器在集裝箱橋吊的防搖切換控制設(shè)計(jì)中，根據(jù)橋吊吊具擺長的變化狀態(tài)，控制好橋吊擺長的總變化量，直接在防搖控制器中設(shè)計(jì)成2個(gè)區(qū)段，區(qū)段變化保持連續(xù)狀態(tài)，在區(qū)間中得出橋吊定量擺長的數(shù)據(jù)信息，從變量區(qū)間中判斷集裝箱橋吊的實(shí)際擺長，同時(shí)記錄下實(shí)際擺長的變化量，以便根據(jù)實(shí)際情況落實(shí)防遙控制器中的切換方法。在防遙控制器中，變量范圍的選擇要以集裝箱橋吊的實(shí)際情況為主，變量選擇的范圍一定要適度，盡量不要超出變量規(guī)定的范圍，確保防搖控制器與模型設(shè)計(jì)的匹配性。

4 集裝箱橋吊防搖切換控制的方法

集裝箱橋吊防搖切換控制中采用了以下幾點(diǎn)方法，用于提高橋吊在集裝箱運(yùn)輸中的安全性。

首先集裝箱橋吊運(yùn)輸時(shí)，需要把吊具角度引起的擺動(dòng)信號(hào)直接輸入到防搖系統(tǒng)內(nèi)，促使防搖控制可以根據(jù)橋吊的實(shí)際擺動(dòng)信號(hào)進(jìn)行有效的處理，全面把控集裝箱橋吊遙控，即使在雙閉環(huán)的狀態(tài)中，集裝箱橋吊也能完成防搖切換控制，維護(hù)集裝箱橋吊的穩(wěn)定運(yùn)輸。

第二在防搖切換控制方法中，充分結(jié)合集裝箱橋吊遙控的案例，設(shè)置好防搖切換的控制規(guī)則，規(guī)范好防搖控制中的靈活切換方式。在集裝箱橋吊防搖切換控制中采用了不同類型的模型，根據(jù)橋吊運(yùn)行的實(shí)際狀態(tài)施行防搖切換控制，避免橋吊出現(xiàn)搖晃的風(fēng)險(xiǎn)。

第三集裝箱橋吊防搖控制措施中運(yùn)用了試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆治龇椒?，模擬橋吊在集裝箱中的運(yùn)輸方式，為防搖控制措施提供規(guī)范的算法，目的是在橋吊的全程運(yùn)輸過程中實(shí)現(xiàn)有效的控制，促使橋吊吊具擺動(dòng)時(shí)的角度數(shù)據(jù)不能超出安全規(guī)定的范圍，提升橋吊防搖的可靠性。

第四集裝箱橋吊在運(yùn)輸集裝箱的過程中，集裝箱從運(yùn)輸起始位置要制定位置的過程中，吊具容易發(fā)生過大的波動(dòng)，波動(dòng)范圍處于-0．01～0．01rad中時(shí)，可以處理集裝箱橋吊的擺動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，強(qiáng)調(diào)集裝箱橋吊運(yùn)輸?shù)陌踩?，提高防搖切換的有效性。

5 結(jié)語

在集裝箱橋吊防搖切換控制的研究中，首先要注意算法和模型，了解了防搖切換控制的根本之后，再安排設(shè)計(jì)與方法的應(yīng)用，以便在集裝箱橋吊中實(shí)現(xiàn)防搖切換控制，預(yù)防橋吊晃動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。集裝箱橋吊的防搖切換控制方法能夠降低港口運(yùn)輸?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)，有效控制和完善橋吊運(yùn)輸?shù)倪^程，表明防搖切換控制的重要性。

[1]倪青亮,瞿俊杰,劉韓臣．集裝箱橋吊防搖控制措施[J]．設(shè)備管理與維修 ,2017,(11)：94-96．

[2]付主木,高愛云,費(fèi)樹岷,普邑．集裝箱橋吊多模型參考切換雙閉環(huán)防搖控制[J]．機(jī)械工程學(xué)報(bào),2011,47(23)：161-166．