基于實(shí)時(shí)位置和速度的自動(dòng)化軌道式龍門(mén)起重機(jī)防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

譚興福 蔣進(jìn)軍 劉春明

上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司

1 引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)越來(lái)越多碼頭在建或計(jì)劃建設(shè)自動(dòng)化碼頭或自動(dòng)化堆場(chǎng)。由于軌道式龍門(mén)起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)軌道吊)運(yùn)行平穩(wěn)、定位準(zhǔn)、作業(yè)效率高等優(yōu)點(diǎn)，堆場(chǎng)主要以軌道吊來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)。自動(dòng)化軌道吊主要分為懸臂式軌道吊和非懸臂式軌道吊2種，懸臂式軌道吊在堆場(chǎng)各個(gè)貝位都可以進(jìn)行進(jìn)出箱作業(yè)，非懸臂式軌道吊的堆場(chǎng)只能在堆場(chǎng)的兩端進(jìn)行進(jìn)出箱作業(yè)。這種結(jié)構(gòu)的堆場(chǎng)要求大車(chē)運(yùn)行速度快，現(xiàn)有軌道吊最大運(yùn)行速度已超過(guò)4 m/s，因此軌道吊之間的防撞保護(hù)特別重要。

傳統(tǒng)碼頭的防撞主要依靠司機(jī)眼睛觀(guān)察、機(jī)械層防撞、電控層防撞來(lái)實(shí)現(xiàn)。機(jī)械層防撞通過(guò)安裝在大車(chē)端部的緩沖器實(shí)現(xiàn)，如果2臺(tái)軌道吊相撞，緩沖器會(huì)吸收軌道吊的部分動(dòng)能，減少?zèng)_擊。電控層防撞是在軌道吊上安裝雷達(dá)、激光、超聲波甚至視覺(jué)[1]等測(cè)距傳感器，并在傳感器內(nèi)設(shè)定減速距離x1和停止距離x2，傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)前方狀況。當(dāng)傳感器檢測(cè)到前方x1范圍內(nèi)有障礙物時(shí)，發(fā)出1個(gè)減速信號(hào)并反饋給PLC，PLC收到傳感器減速信號(hào)后控制軌道吊低速(額定速度的10%)運(yùn)行。現(xiàn)有的電控層防撞起作用后，只能低速運(yùn)行，如果應(yīng)用在自動(dòng)化碼頭上，會(huì)嚴(yán)重影響效率，為了提高效率并保證安全性，需要從多個(gè)層面進(jìn)行防撞設(shè)計(jì)。

2 自動(dòng)化軌道吊防撞設(shè)計(jì)

自動(dòng)化堆場(chǎng)由多個(gè)層級(jí)的系統(tǒng)共同實(shí)現(xiàn)，主要有碼頭操作系統(tǒng)(TOS)、堆場(chǎng)管理系統(tǒng)、軌道吊自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備層等組成。自動(dòng)化堆場(chǎng)運(yùn)行時(shí)，堆場(chǎng)管理系統(tǒng)從TOS獲取作業(yè)任務(wù)，并將任務(wù)下發(fā)至軌道吊自動(dòng)控制系統(tǒng)，軌道吊自動(dòng)控制系統(tǒng)控制設(shè)備運(yùn)行至作業(yè)位置，并進(jìn)行自動(dòng)抓放箱操作。與傳統(tǒng)堆場(chǎng)相比，自動(dòng)化堆場(chǎng)增加了軌道吊自動(dòng)控制系統(tǒng)和堆場(chǎng)管理系統(tǒng)，減少了軌道吊司機(jī)及調(diào)度人員。為了保證軌道吊安全運(yùn)行，這2個(gè)系統(tǒng)都需要增加防撞功能。

圖3 軌道吊A內(nèi)程序流程圖

2.1 堆場(chǎng)管理系統(tǒng)防撞分析

堆場(chǎng)管理系統(tǒng)的防撞是指堆場(chǎng)管理系統(tǒng)在給軌道吊自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)送任務(wù)時(shí)，防止出現(xiàn)軌道吊交叉作業(yè)或一臺(tái)軌道吊跨越另外一臺(tái)軌道吊的情況。如果TOS發(fā)送交叉作業(yè)或跨越作業(yè)等任務(wù)，堆場(chǎng)管理系統(tǒng)應(yīng)通過(guò)合理分配任務(wù)或驅(qū)趕另一臺(tái)軌道吊等操作，防止軌道吊發(fā)生碰撞。如圖1所示，軌道吊A、B都在36貝位左側(cè)，如果堆場(chǎng)管理系統(tǒng)直接給軌道吊A發(fā)送去36貝位作業(yè)的指令，就可能會(huì)導(dǎo)致軌道吊A和B相撞，因此堆場(chǎng)管理系統(tǒng)會(huì)先將軌道吊B驅(qū)趕到46貝位，然后讓軌道吊A去36貝位作業(yè)，保證作業(yè)安全。

圖1 調(diào)度層防撞圖

2.2 2臺(tái)軌道吊位置交互的實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)控制系統(tǒng)的防撞是一種基于自身大車(chē)位置、相鄰大車(chē)位置和速度的防撞。為了能夠讓軌道吊A、B實(shí)時(shí)獲取對(duì)方的位置和速度，添加了一個(gè)中轉(zhuǎn)PLC(見(jiàn)圖2)，軌道吊A、B將自己的大車(chē)位置和速度發(fā)送給中轉(zhuǎn)PLC，中轉(zhuǎn)PLC將A的大車(chē)位置和速度發(fā)送給軌道吊B，將B的大車(chē)位置和速度發(fā)送給軌道吊A，這樣軌道吊A、B的自動(dòng)控制系統(tǒng)就可以獲取對(duì)方的位置及速度。

圖2 軌道吊大車(chē)位置速度流向圖

2.3 基于位置的自動(dòng)控制系統(tǒng)防撞的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)一臺(tái)軌道吊收到另外一臺(tái)軌道吊大車(chē)位置之后，為了實(shí)現(xiàn)安全可靠且對(duì)作業(yè)效率影響小的防撞，需要對(duì)防撞系統(tǒng)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。將防撞的工況分為1臺(tái)軌道吊向靜止軌道吊運(yùn)行、2臺(tái)軌道吊相向運(yùn)行、2臺(tái)軌道吊同向運(yùn)行3種情況，分別研究這3種情況防撞的實(shí)現(xiàn)。

2.3.1 一臺(tái)軌道吊向靜止軌道吊運(yùn)行時(shí)防撞

假設(shè)軌道吊B靜止不動(dòng)，軌道吊A向B運(yùn)行，并且軌道吊A的大車(chē)位置比軌道吊B大。如果軌道吊A停止時(shí)，2臺(tái)軌道吊之間距離大于等于W，則軌道吊A的運(yùn)行速度不能大于VA_safe，VA_safe計(jì)算公式如下：

(1)

式中，VA_safe表示軌道吊A經(jīng)防撞限制后輸出給驅(qū)動(dòng)器的速度給定；Vset為自動(dòng)控制系統(tǒng)或手柄的速度給定；sA為軌道吊A的實(shí)時(shí)大車(chē)位置；sB為軌道吊B的實(shí)時(shí)大車(chē)位置；a為大車(chē)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的減速度，一般同一堆場(chǎng)內(nèi)的2臺(tái)軌道吊減速度相同。

由于VA_safe是根據(jù)勻減速運(yùn)動(dòng)公式計(jì)算得出的，因此軌道吊A停下來(lái)時(shí)與軌道吊B的距離應(yīng)該為W。具體控制流程見(jiàn)圖3。

2.3.2 2臺(tái)軌道吊相向運(yùn)行防撞實(shí)現(xiàn)

前提條件同上，當(dāng)2臺(tái)軌道吊相向運(yùn)行時(shí)，由于另外一臺(tái)軌道吊在運(yùn)行，因此不能直接使用另外一臺(tái)機(jī)的大車(chē)位置，要將另外一臺(tái)軌道吊大車(chē)的速度考慮進(jìn)去。因此為了保證2臺(tái)軌道吊相向運(yùn)行時(shí)停止距離大于等于W，軌道吊A的速度給定應(yīng)小于等于VA_safe，VA_safe計(jì)算公式如下：

(2)

(3)

軌道吊B的速度給定應(yīng)小于等于VB_safe，VB_safe計(jì)算公式如下：

(4)

(5)

式中，VA_safe、VB_safe表示軌道吊A、B經(jīng)防撞限制后輸出給驅(qū)動(dòng)器的速度給定；sA、vA為軌道吊A的實(shí)時(shí)大車(chē)位置和速度；sB、vB為軌道吊B的實(shí)時(shí)大車(chē)位置和速度；SA和SB為軌道吊A、B做勻減速運(yùn)動(dòng)停下來(lái)時(shí)的位置。

以軌道吊A為例，在軌道吊A的PLC內(nèi)，防撞流程見(jiàn)圖4。

圖4 軌道吊A內(nèi)程序流程圖

2.3.3 2臺(tái)軌道吊同向運(yùn)行防撞實(shí)現(xiàn)

設(shè)軌道吊A、B往同一個(gè)方向運(yùn)行，假定堆場(chǎng)里面只有2臺(tái)機(jī)，由于B的運(yùn)行方向沒(méi)有軌道吊，以堆場(chǎng)的邊界對(duì)軌道吊B速度進(jìn)行限制。因此軌道吊B的速度限制為：

(6)

式中，Smin為軌道吊B運(yùn)行到堆場(chǎng)最端部時(shí)的大車(chē)位置。

對(duì)于軌道吊A，要保證其停下來(lái)時(shí)與B的距離在W，根據(jù)勻減速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的公式可有：

(7)

(8)

但是考慮到當(dāng)軌道吊B發(fā)生緊急停車(chē)事件時(shí)，會(huì)通過(guò)制動(dòng)器報(bào)閘減速，此時(shí)其減速度一般大于a。如果軌道吊A的限制速度還是按照式(7)、(8)來(lái)確定就可能導(dǎo)致追尾。因此當(dāng)軌道吊A、B同向運(yùn)行時(shí)，應(yīng)加大式(8)中a的數(shù)值，現(xiàn)取a為無(wú)窮大，即SB=sB。因此式(7)可修改為：

(9)

3 防撞的優(yōu)化

3.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)防撞的優(yōu)化

在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，2臺(tái)軌道吊停下來(lái)的距離比W小0.1～0.2 cm。自動(dòng)化堆場(chǎng)存在2臺(tái)大車(chē)緩沖器相距不足1 m作業(yè)的工況，要求大車(chē)防撞的停止距離非常精確。經(jīng)過(guò)分析，由于軌道吊A、B的大車(chē)位置和速度交換要經(jīng)過(guò)多次網(wǎng)絡(luò)匯聚和光電轉(zhuǎn)換，同時(shí)PLC中程序處理也需要一定時(shí)間，因此存在較大延時(shí)。

為了測(cè)試鏈路中的延時(shí)，在軌道吊A的PLC中產(chǎn)生一個(gè)固定周期的脈沖，發(fā)送給軌道吊B，軌道吊B收到該脈沖后回傳給軌道吊A，在軌道吊A的PLC上對(duì)比產(chǎn)生的脈沖和收到的脈沖之間的時(shí)間間隔，即可大體估算出數(shù)據(jù)傳輸和程序處理導(dǎo)致的延時(shí)。經(jīng)測(cè)試，軌道吊A產(chǎn)生脈沖與收到脈沖之間相差160 ms，因此鏈路延時(shí)τ為80 ms左右。

由于延時(shí)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)e-τs比較難以分析，因此對(duì)其進(jìn)行傅里葉展開(kāi)：

(10)

當(dāng)延時(shí)時(shí)間比較小時(shí)，可忽略高階項(xiàng)。因此e-τs可簡(jiǎn)化為：

(11)

為了減小或消除延時(shí)對(duì)系統(tǒng)的影響，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正。零極點(diǎn)對(duì)消在控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛而成熟，因此采用零極點(diǎn)對(duì)消方法對(duì)位置環(huán)節(jié)進(jìn)行校正。在傳遞函數(shù)的分子項(xiàng)乘以1+τs進(jìn)行校正，從而消除系統(tǒng)延時(shí)產(chǎn)生的影響。

3.2 防撞傳感器應(yīng)用的優(yōu)化

以廈門(mén)遠(yuǎn)海自動(dòng)化堆場(chǎng)為例，該堆場(chǎng)軌道吊大車(chē)的最大速度為4 m/s，減速時(shí)間為12 s，軌道吊上都裝有防撞傳感器。當(dāng)2臺(tái)軌道吊相向運(yùn)行時(shí)，從全速減速到停止，2臺(tái)軌道吊的滑行距離為48 m。因此軌道吊防撞傳感器減速距離x1必須要大于W+48 m。當(dāng)兩臺(tái)軌道吊相距W+48 m，其中一臺(tái)軌道吊收到要往另外一臺(tái)軌道吊方向移動(dòng)40 m的作業(yè)任務(wù)時(shí)，根據(jù)傳統(tǒng)防撞方案，此時(shí)防撞減速信號(hào)已動(dòng)作，大車(chē)只能以10%的速度運(yùn)行，軌道吊移動(dòng)40 m距離至少需要100 s，效率非常低。

自動(dòng)化控制系統(tǒng)由于有位置層防撞，因此將防撞減速信號(hào)的作用修改為判斷2臺(tái)軌道吊位置是否準(zhǔn)確，即防撞傳感器減速信號(hào)作用時(shí)，校驗(yàn)2臺(tái)軌道吊的大車(chē)位置，如果2臺(tái)軌道吊距離在W+48 m左右，則采用位置防撞保護(hù)；如果2臺(tái)軌道吊距離大于W+48 m則表示其中一臺(tái)軌道吊位置出錯(cuò)或者感應(yīng)到其他障礙物，需要立即減速，并報(bào)出故障。

4 自動(dòng)控制系統(tǒng)防撞測(cè)試及結(jié)論

經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)防撞進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試場(chǎng)地見(jiàn)圖5，要求軌道吊A、B停止時(shí)距離為18 m。測(cè)試時(shí)軌道吊A的起始位置為400 m，目標(biāo)位置為250 m。軌道吊B的起始位置為200 m，目標(biāo)位置為350 m，最大速度為4 m/s，軌道吊A往B側(cè)運(yùn)行時(shí)位置變小，速度為負(fù)。測(cè)試曲線(xiàn)見(jiàn)圖6和圖7。

由圖6可以看出軌道吊A停在了292.813 m處，軌道吊B停在了274.818 m處，最后2臺(tái)軌道吊之間相距17.995 m。

通過(guò)圖6、圖7可以看出，2臺(tái)機(jī)相距較遠(yuǎn)時(shí)，速度給定為全速，當(dāng)距離值小到一定程度后自動(dòng)控制系統(tǒng)的位置防撞功能起作用，限制2臺(tái)軌道吊的速度，直至2臺(tái)軌道吊之間位置小于18 m時(shí)停止。通過(guò)測(cè)試證明自動(dòng)控制系統(tǒng)的位置防撞起到了保護(hù)作用，2臺(tái)軌道吊停止時(shí)的距離與設(shè)定的防撞距離W近似相等，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

圖5 防撞測(cè)試軌道吊及環(huán)境

圖6 軌道吊A、B的實(shí)時(shí)位置

圖7 軌道吊A、B的速度反饋

5 結(jié)語(yǔ)

基于實(shí)時(shí)位置和速度的自動(dòng)化軌道吊防撞系統(tǒng)通過(guò)算法設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了3種工況下的軌道吊防撞速度控制，并通過(guò)優(yōu)化解決了系統(tǒng)延時(shí)和運(yùn)行效率較低的弊端，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，能夠成功實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化堆場(chǎng)的軌道吊防撞，可在碼頭自動(dòng)化建設(shè)中推廣運(yùn)用。