集裝箱裝卸橋減搖吊具電子控制裝置的設(shè)計(jì)

陳 華

（廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院湛江檢測(cè)院，廣東湛江 524000）

0 引言

隨著集裝箱運(yùn)輸船舶尺寸大幅增加，在岸邊的物流作業(yè)中，岸邊集裝箱起重機(jī)向大型化發(fā)展。集裝箱起重機(jī)在裝卸貨物時(shí)，由于整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的小車(chē)運(yùn)行速度、起升高度也相應(yīng)地提高，在產(chǎn)生振動(dòng)干擾時(shí)，吊具柔性的鋼絲繩極難控制，會(huì)導(dǎo)致吊具及集裝箱來(lái)回?cái)[動(dòng)，影響吊裝效率；操作司機(jī)為消除集裝箱橫向擺動(dòng)，需要進(jìn)行手動(dòng)操作，這一環(huán)節(jié)存在較大的難度。吊具的減搖技術(shù)己成為實(shí)現(xiàn)起重機(jī)自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)之一，開(kāi)發(fā)新型減搖技術(shù)或改進(jìn)傳統(tǒng)的減搖技術(shù)是十分重要的課題。

1 吊具搖動(dòng)原因分析

一般港口岸邊集裝箱起重機(jī)都采用柔性的鋼絲繩連接小車(chē)與吊具。在裝載作業(yè)時(shí)，小車(chē)沿路徑運(yùn)動(dòng)，鋼絲繩同吊具與小車(chē)保持相同速度運(yùn)動(dòng)，在小車(chē)制動(dòng)停止后，吊具同鋼絲繩缺乏制動(dòng)手段，會(huì)產(chǎn)生水平方向上的擺動(dòng)[1]。在對(duì)吊裝系統(tǒng)的建模分析中，其固定點(diǎn)是停止的小車(chē)，柔性繩為懸垂鋼絲繩，質(zhì)點(diǎn)為吊具，因此，單擺模型則是吊具的擺動(dòng)。通過(guò)以上分析可得，吊具勢(shì)必會(huì)發(fā)生擺動(dòng)（圖1）。

圖1 簡(jiǎn)化吊具模型

圖2 岸橋集裝箱吊裝過(guò)程

2 機(jī)械減搖吊具技術(shù)介紹

常用的吊裝裝置包括機(jī)械防搖控制系統(tǒng)和電子防搖控制系統(tǒng)兩大部分。目前，分離小車(chē)式、交叉鋼絲繩、蹺板梁式、機(jī)械阻尼—分離小車(chē)式和電子減搖裝置，是岸邊集裝箱起重機(jī)中常見(jiàn)的減搖裝置形式[2]。

3 電子防搖控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 現(xiàn)有控制方式存在的問(wèn)題

現(xiàn)有技術(shù)中的電子減搖控制方法是通過(guò)對(duì)小車(chē)加速度進(jìn)行控制，這種控制方法通過(guò)傳感器檢測(cè)吊具擺角與小車(chē)運(yùn)行加速度之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，簡(jiǎn)化吊具的模型和受力，使用拉格朗日原理和方法，對(duì)吊具系統(tǒng)展開(kāi)動(dòng)力學(xué)分析，得到小車(chē)—吊具的動(dòng)力學(xué)控制方程，控制器采用PID（比例—積分—微分）控制形式，通過(guò)對(duì)吊具擺角的實(shí)時(shí)檢測(cè)，得到小車(chē)速度切換指令的各控制參數(shù)，包括了加速度大小和方向、持續(xù)時(shí)間和維持時(shí)刻，然后將包含相應(yīng)參數(shù)的指令發(fā)送至行進(jìn)控制器，通過(guò)對(duì)相應(yīng)參數(shù)的控制、調(diào)節(jié)，干擾小車(chē)加速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)擺動(dòng)幅度的控制[3]。

根據(jù)公開(kāi)報(bào)道，現(xiàn)有技術(shù)中電子防搖存在的問(wèn)題是，吊具運(yùn)行中的擺長(zhǎng)變化對(duì)防搖控制的影響較大。如圖2 所示，吊具從A到F 點(diǎn)的運(yùn)行過(guò)程中，B 到F 點(diǎn)之間為主要的防搖控制段，而其中的C 到D 點(diǎn)的吊具鋼絲長(zhǎng)度，將其作為吊具實(shí)際擺長(zhǎng)，以不變量的形式存在，而變量則是B 到C 點(diǎn)和D 到E 點(diǎn)的吊具擺長(zhǎng)，因?yàn)榈蹙邤[長(zhǎng)和擺動(dòng)周期息息相關(guān)。

經(jīng)研究的一種集裝箱岸邊橋吊防搖控制方法，當(dāng)升降吊具時(shí)，防搖控制器實(shí)時(shí)獲取傳感器采集并轉(zhuǎn)換得到的小車(chē)速度、小車(chē)位置、吊具起升速度、吊具擺長(zhǎng)和吊具擺角的參數(shù)，防搖控制器將吊具的擺動(dòng)角度與預(yù)設(shè)值比對(duì)，當(dāng)擺動(dòng)角度大于預(yù)設(shè)值時(shí)，防搖控制器根據(jù)吊具擺長(zhǎng)或擺長(zhǎng)變化量所落入的判斷區(qū)間，選取與判斷區(qū)間相對(duì)應(yīng)的控制模型與擺長(zhǎng)代表值[4]。在選取過(guò)后，防搖控制器會(huì)通過(guò)吊具擺動(dòng)角度與擺長(zhǎng)代表值，對(duì)小車(chē)調(diào)速參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，在算出實(shí)際結(jié)果后，將其提供給行走控制器，實(shí)現(xiàn)小車(chē)加速，進(jìn)而抑制吊具的擺動(dòng)角度實(shí)現(xiàn)防搖控制。

3.2 防搖控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

集裝箱吊裝裝置硬件部分包括小車(chē)、吊具等機(jī)械部分；控制部分分別使用PLC（可編程控制器）作為防搖控制器和小車(chē)行走控制器；對(duì)于集裝箱搖擺數(shù)據(jù)的采集使用高速相機(jī)和固定在吊具上的反光板；其他數(shù)據(jù)采集傳感器還包括行走絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器和起升絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器[5]。

3.3 防搖控制系統(tǒng)的信號(hào)采集

防搖控制系統(tǒng)實(shí)際工作中涉及到以下5 個(gè)信號(hào)參數(shù)，分別是：吊具擺長(zhǎng)、擺角、起升速度、小車(chē)速度、位置，以上測(cè)量信號(hào)會(huì)用到行走絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器、起升絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器和由智能相機(jī)、反光板等組成的機(jī)器視覺(jué)傳感器測(cè)量，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線向防搖控制器傳輸，最終進(jìn)行運(yùn)算及控制。實(shí)時(shí)測(cè)量吊具擺角用到傳感器，提高防搖控制效果，且不會(huì)受到重物初始狀態(tài)的干擾，若有風(fēng)力等不良因素的干擾，也能做出補(bǔ)償調(diào)節(jié)。機(jī)器視覺(jué)傳感器包括在小車(chē)底部安裝的高速相機(jī)和在吊具上安裝的反光板等組成，吊具與集裝箱前后擺動(dòng)時(shí)，視覺(jué)傳感器系統(tǒng)將檢測(cè)到的圖像傳至控制器通訊接口，經(jīng)過(guò)算法處理后，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)吊具的準(zhǔn)確擺動(dòng)角度[6]。

3.4 動(dòng)力學(xué)建模過(guò)程

在對(duì)減搖系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng)控制時(shí)，首先需要針對(duì)簡(jiǎn)化后的模型建立其動(dòng)力學(xué)模型，得到相應(yīng)的控制方程。其次，要清楚影響質(zhì)點(diǎn)系的條件，選擇廣義坐標(biāo)代表動(dòng)力學(xué)方程，最終得到運(yùn)動(dòng)微分方程，即拉格朗日方程。

建模過(guò)程選取的廣義坐標(biāo)分別為小車(chē)滾筒角位移（φ1）、起升滾筒角位移（φ2）和集裝箱擺角（θ）。根據(jù)上述符號(hào)變量，可寫(xiě)出減搖裝置的動(dòng)能與勢(shì)能（懸掛吊繩處為零勢(shì)能點(diǎn)）。

然后利用拉格朗日定理建立方程，其中L 為拉格朗日常量，L=T+V，Qi為廣義力。

將（1）式代入到（2）式中，可以推導(dǎo)出系統(tǒng)模型的運(yùn)動(dòng)方程式（3），根據(jù)物理關(guān)系可以得到表達(dá)式（4）。

將（4）式關(guān)系代入到運(yùn)動(dòng)方程（3）中，做進(jìn)一步化簡(jiǎn)得到式（5）。

在大多數(shù)實(shí)際情況下，集裝箱擺角θ 并不顯著，可近似認(rèn)為其足夠?。╯inθ≈0，cosθ≈1），進(jìn)一步對(duì)（5）式做出簡(jiǎn)化，得到了系統(tǒng)的控制方程式（6）。

根據(jù)所得控制方程，可確定控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，所設(shè)計(jì)的控制流程圖如圖3 所示，u1代表小車(chē)的控制輸入，代表電機(jī)的控制，代表來(lái)自外界的擾動(dòng)。當(dāng)小車(chē)和吊具在起升段AB、起升移動(dòng)段BC、下降移動(dòng)段DE 和下降段EF 中，此刻由于吊具擺長(zhǎng)變化，當(dāng)系統(tǒng)受到外界干擾時(shí)（如風(fēng)擾），若控制系統(tǒng)采用固定的控制模型，會(huì)造成模型匹配錯(cuò)誤，對(duì)小車(chē)加速度的反饋計(jì)算不正常，影響到防搖效果，此時(shí)需要采用多控制模型切換的防搖控制方法，系統(tǒng)根據(jù)擺長(zhǎng)的變化量自動(dòng)判斷選用不同擺長(zhǎng)的吊具模型（M1，M2，…Mn），多種擺長(zhǎng)的吊具模型對(duì)小車(chē)進(jìn)行反饋。

3.5 防搖控制系統(tǒng)工作原理

將小車(chē)及其吊具從岸邊的集裝箱卡車(chē)底盤(pán)向貨輪的運(yùn)行過(guò)程A～F 劃分成起升段AB、起升移動(dòng)段BC、水平移動(dòng)段CD、下降移動(dòng)段DE 以及下降段EF 等5 個(gè)階段。如果吊具擺角θ≤θmax（θmax為吊具最大允許擺角），防搖控制器不啟動(dòng)；反之，一旦檢測(cè)到吊具擺角θ＞θmax，則防搖控制器啟動(dòng)，自動(dòng)切換到防搖控制程序。防搖控制器使用固定控制模型，對(duì)小車(chē)速度、位置、吊具起升速度、擺長(zhǎng)及擺角進(jìn)行傳送，最終實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)?？刂颇Ｐ褪怯脕?lái)根據(jù)吊具擺角與擺長(zhǎng)計(jì)算小車(chē)速度控制參數(shù)的小車(chē)—吊具數(shù)學(xué)模型[7]。

在小車(chē)水平運(yùn)動(dòng)、吊具起升運(yùn)動(dòng)與外界干擾擺動(dòng)下，造成吊具擺角θ 產(chǎn)生平衡梁式減搖裝置相應(yīng)的變化，通過(guò)視覺(jué)傳感器測(cè)量到θ 變化，送入防搖控制器中，然后根據(jù)擺長(zhǎng)長(zhǎng)度產(chǎn)生的相應(yīng)變化，選取控制模型，通過(guò)實(shí)際計(jì)算，求得小車(chē)調(diào)速參數(shù)，同時(shí)向小車(chē)行走控制器發(fā)出信號(hào)，在接受到信號(hào)后實(shí)施速度的調(diào)節(jié)[8]。

4 結(jié)論

通過(guò)岸橋吊裝集裝箱減搖吊具機(jī)械與電子裝置的設(shè)計(jì)和分析，得到了多種機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)于防搖效果的對(duì)比，并提出了一種可切換的多控制模型的電子防搖控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)集裝箱吊具搖擺角度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)小車(chē)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)給出反饋，以達(dá)到抗振減搖的效果。

圖3 小車(chē)反饋控制