集裝箱橋吊防搖控制措施分析

姚治軍，翟小明

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

1 集裝箱橋吊的防搖分析

集裝箱由于具有貨物裝卸效率高、貨物損差小以及全天候作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)，使其在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)于促進(jìn)我國(guó)港口經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步發(fā)展具有至關(guān)重要的影響。其中，集裝箱橋吊為集裝箱船與碼頭前沿之間用于裝卸貨物的關(guān)鍵設(shè)備，存在部分碼頭還會(huì)利用橋吊大跨徑與大后伸距直接進(jìn)行堆場(chǎng)作業(yè)，想要提高碼頭作業(yè)的綜合效率，就需要確保橋吊具有較高的裝卸能力和速度。進(jìn)行貨物裝卸時(shí)，吊具與集裝箱對(duì)位，起吊的集裝箱與船艙、集裝箱卡車(chē)的對(duì)位環(huán)節(jié)所需時(shí)間更多，直接造成工作效率的降低，一般在實(shí)際作業(yè)中均會(huì)對(duì)橋吊安裝防搖裝置。對(duì)集裝箱橋吊防搖控制進(jìn)行分析，即帶著提升荷載（空吊具或空吊具與滿(mǎn)載集裝箱）的主小車(chē)在到達(dá)預(yù)定位置后，通過(guò)減搖裝置來(lái)促使吊著的提升荷載圍繞懸吊點(diǎn)的搖擺幅度可以在規(guī)定時(shí)間內(nèi)以及規(guī)定搖擺周期內(nèi)降低到規(guī)定范圍以?xún)?nèi)。常見(jiàn)的橋吊防搖方法主要包括機(jī)械防搖與電子防搖兩種，且電子防搖方式集合了電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)較大，可以有效提高集裝箱貨物的裝卸效率，促進(jìn)貨物的快速周轉(zhuǎn)，提高碼頭經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

2 集裝箱橋吊常見(jiàn)防搖裝置

（1）機(jī)械式防搖。機(jī)械式防搖裝置是比較傳統(tǒng)的一種防搖手段，主要分為分離小車(chē)式和翹翹梁組合式兩種。在電子技術(shù)與控制技術(shù)水平不斷提高的背景下，很多港口的集裝箱橋吊不僅安裝了機(jī)械式防搖裝置，還配備了電子式防搖裝置，實(shí)用效果更佳。

（2）電子式防搖。電子式防搖裝置即與“跟鉤”動(dòng)作相似的自動(dòng)控制方式。在貨物裝卸過(guò)程中，如果吊具在懸吊重物時(shí)出現(xiàn)搖擺情況，且逐漸偏離中心位置時(shí)，電子防搖系統(tǒng)可以根據(jù)當(dāng)時(shí)加速度值的大小以及方向參數(shù)，經(jīng)過(guò)電腦的快速運(yùn)算，確保小車(chē)運(yùn)動(dòng)第2次起達(dá)到跟鉤動(dòng)作。尤其是在制動(dòng)吊具向前搖動(dòng)達(dá)到重心最高位置后，小車(chē)第2次起動(dòng)也可以達(dá)到相同位置，促使動(dòng)能逐漸轉(zhuǎn)化為貨物提高的勢(shì)能，進(jìn)而使得勢(shì)能逐漸降低，縮小橋吊的擺動(dòng)范圍，直至停止。電子式防搖集合了計(jì)算機(jī)技術(shù)與控制技術(shù)，現(xiàn)在逐漸成為主要的防搖方法。

3 集裝箱橋吊的防搖控制算法

（1）防搖控制分析。集裝箱橋吊裝卸和運(yùn)輸貨物作業(yè)中，鋼絲繩將集裝箱貨物吊起進(jìn)行水平運(yùn)動(dòng)，會(huì)出現(xiàn)搖擺晃動(dòng)的問(wèn)題，而降低作業(yè)效率。對(duì)防搖控制措施進(jìn)行分析時(shí)，可將小車(chē)速度模式作為依據(jù)，著重分析兩個(gè)階段的加速模式，達(dá)到最佳的控制效果。小車(chē)零速啟動(dòng)后運(yùn)行一段距離，達(dá)到預(yù)設(shè)目的地，速度逐漸降為零；小車(chē)勻速運(yùn)行階段，吊具擺動(dòng)角度為零，完成運(yùn)行動(dòng)作，吊具擺動(dòng)的角度為零。對(duì)集裝箱橋吊防搖控制運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)防搖控制算法，對(duì)存在的搖晃擺動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行可靠預(yù)防，提高貨物裝卸運(yùn)輸工作的速率。

（2）防搖控制算法。①吊具擺角采集。在集裝箱橋吊處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，通過(guò)反光板與攝像頭組成傳感器，來(lái)對(duì)吊具擺角圖像進(jìn)行可靠收集，待攝像機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行處理后，便可得到吊具擺角的數(shù)據(jù)。吊具頂架中心位置安裝有紅外發(fā)射裝置，用于輔助收集擺角的信息，同時(shí)配合可編程智能紅外接收裝置使用，能夠全面且可靠的完成小車(chē)擺角信息。②小車(chē)位置采集。算法研究的要點(diǎn)就是采集小車(chē)位置，一般可選擇傳感器采集小車(chē)位置信息，確定對(duì)應(yīng)位置的吊具擺長(zhǎng)信息?？煽窟B接橋吊小車(chē)以及傳動(dòng)軸兩部分，對(duì)系統(tǒng)安裝脈沖數(shù)字編碼器，用于收集小車(chē)位置信息與吊具擺長(zhǎng)信息。而安裝的脈沖數(shù)字編碼器則可以將收集到的全部信息傳輸給PLC模塊，作為位置信息編碼值計(jì)算的依據(jù)。一般在計(jì)算吊具擺長(zhǎng)數(shù)據(jù)時(shí)，可以直接通過(guò)小車(chē)和地面垂直間距將吊具高度去除即可。③防搖切換控制算法。將攝像頭安裝到橋吊小車(chē)上，對(duì)小車(chē)運(yùn)動(dòng)的圖像信息進(jìn)行采集，確定其相位位移。以攝像機(jī)所得圖像信息作為依據(jù)，結(jié)合橋吊吊具的相對(duì)位置，便可計(jì)算得到小車(chē)的單擺數(shù)據(jù)，完成數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建。從橋吊小車(chē)位移的角度進(jìn)行分析，吊具在達(dá)到擺動(dòng)的最高位置后，對(duì)橋吊小車(chē)速度進(jìn)行切換處理，控制吊具最高點(diǎn)與小車(chē)位置和處置位置相同，避免出現(xiàn)搖擺晃動(dòng)的情況。對(duì)橋吊小車(chē)單擺的原理進(jìn)行分析，當(dāng)?shù)蹙咛幱谧罡唿c(diǎn)時(shí)，存在一定搖擺晃動(dòng)的幾率。在處置距離完全重合后，便可徹底消除吊具搖晃的問(wèn)題，基于防搖切換控制算法進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定在吊具處于最高位置前，完成小車(chē)自身工作速度的有效切換，通過(guò)速度模式來(lái)消除橋吊晃動(dòng)的問(wèn)題。④防搖控制算法步驟。為提高集裝箱吊運(yùn)以及裝卸活動(dòng)的可靠性與高效性，研究設(shè)計(jì)集裝箱橋吊防搖控制系統(tǒng)，對(duì)采樣周期、角頻率、切換加速度等各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)置。確定相鄰采樣的時(shí)間點(diǎn)，將吊具擺角作為依據(jù)，明確單擺幅度數(shù)值與實(shí)際方向，并將提前采集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息作為基礎(chǔ)分析，計(jì)算吊具到達(dá)最高位置的時(shí)間進(jìn)，然后在該時(shí)間內(nèi)切換小車(chē)速度。另外，還需要確定小車(chē)加速的持續(xù)時(shí)間，計(jì)算得到防搖切換的時(shí)間點(diǎn)，達(dá)到預(yù)期的防搖控制效果。

4 集裝箱橋吊防搖控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）規(guī)劃路徑。對(duì)集裝箱從集卡裝載到船艙整個(gè)過(guò)程橋吊運(yùn)行工作進(jìn)行分析，可將其劃分為5個(gè)階段，如圖1所示。AB段表示第1階段，在此過(guò)程中集裝箱開(kāi)始從靜止啟動(dòng)，逐漸從初始點(diǎn)A點(diǎn)提升到達(dá)B點(diǎn)位置，達(dá)到最大的提升速度；BC為集裝箱繼續(xù)提升的第2階段，最終達(dá)到最高點(diǎn)C位置，小車(chē)由靜止改變?yōu)榧铀龠\(yùn)行狀態(tài)，C點(diǎn)保持最大的運(yùn)行速度，且集裝箱處于該位置時(shí)與吊具同時(shí)高于所有的障礙物。第3階段為水平移動(dòng)端CD，小車(chē)維持最大運(yùn)行速度，并且機(jī)械器件會(huì)對(duì)小車(chē)的最大速度產(chǎn)生限制。第4階段為下移動(dòng)段DE，小車(chē)速度逐漸減為零，且集裝箱下降到達(dá)E點(diǎn)，E點(diǎn)具有最大下降速度。EF為集裝箱與吊具下降的第5階段，集裝箱速度逐漸減為零，最終會(huì)停留在F點(diǎn)。

圖1 集裝箱起重機(jī)系統(tǒng)傳輸示意圖

圖2 雙環(huán)切換防搖控制系統(tǒng)

（2）防搖控制器設(shè)計(jì)。以某固定擺長(zhǎng)模型為例，應(yīng)用防搖切換控制技術(shù)。對(duì)吊具達(dá)到最高點(diǎn)前整個(gè)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)，可以利用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)達(dá)到目的，對(duì)小車(chē)速度進(jìn)行切換，保證在吊具到達(dá)最高位置后可以與小車(chē)保持在統(tǒng)一的垂直線(xiàn)上，進(jìn)而不會(huì)出現(xiàn)橋吊搖晃的問(wèn)題。其中，吊具相對(duì)于小車(chē)單擺數(shù)學(xué)模型為：φ(t)=Acos(wt+φ0)，其中φ(t)表示吊具擺角；w表示單擺角頻率表示某一模型下的平均擺長(zhǎng)；A表示單擺幅值。

其中，t’表示采樣時(shí)間，t’=t2-t1；t1，t2表示相鄰采樣時(shí)間；φ0表示初始相位。計(jì)算后可以確定小車(chē)以相同加速度持續(xù)加速與減速時(shí)間：

吊具在A～F點(diǎn)運(yùn)行過(guò)程中，只有C～D點(diǎn)吊具擺長(zhǎng)不變，AC與DF階段中吊具擺長(zhǎng)會(huì)不斷變化?；诜治隹纱_定，吊具擺長(zhǎng)和吊具單擺運(yùn)動(dòng)擺動(dòng)周期關(guān)聯(lián)密切，擺長(zhǎng)是影響控制系統(tǒng)加速時(shí)間數(shù)值計(jì)算結(jié)果的重要因素之一。如圖2所示，采用雙閉環(huán)防搖控制系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)確定為小車(chē)行走控制器，外環(huán)則為防搖控制器，u1表示小車(chē)控制輸入，u2表示起升電動(dòng)機(jī)控制輸入，ur表示外部擾動(dòng)造成的吊具擺角變化，σ表示事件驅(qū)動(dòng)切換的規(guī)則。即確定在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)檢測(cè)到吊具擺角φ超過(guò)設(shè)定的最大允許值后，即φ＞φmax，則防搖控制器啟動(dòng)；相反吊具擺角φ≤φmax時(shí)，防搖控制器不啟動(dòng)。

5 結(jié)語(yǔ)

集裝箱橋吊搖動(dòng)晃動(dòng)是必須要解決的問(wèn)題，對(duì)提高貨物裝卸的綜合效率具有重要意義，應(yīng)選擇合適的防搖裝置，并配置可靠穩(wěn)定的防搖控制系統(tǒng)，減少橋吊作業(yè)時(shí)搖動(dòng)問(wèn)題的發(fā)生。

[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(ài)云,費(fèi)樹(shù)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．