智能化鏈接的工業(yè)革命正在制造業(yè)展開

伴隨人類文明的發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟應(yīng)用，從工業(yè)4.0到中國制造2025，智能化鏈接的工業(yè)革命已經(jīng)在制造業(yè)展開。

今年時值萬福樂中國公司成立15周年，喜訊之一是合作伙伴振華重工的南非子公司獲得南非國家運輸公司（Transnet）共計88臺港口跨運車的大訂單。2018年7月，振華重工全球首臺無人駕駛跨運車正式下地，在現(xiàn)代化、智能化碼頭的創(chuàng)新設(shè)計中，邁出了可喜的一步。作為智能化、數(shù)字化的配套需求，萬福樂始終為跨運車提供智能轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的液壓控制，包括硬件和軟件的配套。

作為振華重工的合作伙伴，萬福樂中國公司在過去幾年相繼為廈門港提供了現(xiàn)代化自動化碼頭的液壓系統(tǒng)，也為青島港自動化碼頭以及洋山港四期自動化碼頭的建設(shè)，提供了液壓系統(tǒng)成套。之前，碼頭集裝箱因為載荷不均衡導致起吊后發(fā)生位置偏差，容易引發(fā)失控傾翻。為了解決這個問題，這10多年來的現(xiàn)代化碼頭建設(shè)從早些年集裝箱同步控制，采用總線技術(shù)，采集4個角的實際位置，通過數(shù)字輸入到控制器，與設(shè)定值比較，從而計算出偏差信號予以糾正，實現(xiàn)同步控制，到后來的AGV小車（自動導航車），再發(fā)展到跨運車，再進步到采用無人駕駛模式，一步一步地打造出今天高度自動化的無人碼頭。

在岸橋集裝箱起重機同步控制技術(shù)落地

傾轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)可以縮短吊具與集裝箱的對箱時間，提高碼頭的裝卸效率，在岸橋中起著非常重要的作用。岸橋吊具的傾轉(zhuǎn)動作由4個油缸的不同組合實現(xiàn)，為保證集裝箱在空中的姿態(tài)和穩(wěn)定性，要求4個油缸在移動中有較高的同步精度和平穩(wěn)性。將傾轉(zhuǎn)油缸的動作組合和PID閉環(huán)控制集成到MD2控制器中，簡化了PLC中的同步程序，縮短控制的循環(huán)周期，提高了同步精度。MD2控制器通過BCD碼組合的方式通過普通I/O口接收PLC指令，簡化了通訊方式，便于配合不同PLC控制器使用。MD2控制參數(shù)可以通過PASO軟件在線修改，人機交互界面良好，提高了系統(tǒng)在不同場合的適應(yīng)性。通過實際應(yīng)用，同步精度高于±2mm，有效提高吊具傾轉(zhuǎn)控制的精度。

岸橋也稱為岸邊集裝箱起重機，自1965年誕生以來得到了飛速的發(fā)展，改變了船運和物流行業(yè)的格局，是現(xiàn)代化港口的重要組成部分。岸橋是港口的主要設(shè)備，目前正朝著大型化、智能化、低能耗的方向發(fā)展。港口的節(jié)能降耗就要從岸橋的裝卸效率入手。司機在操作岸橋的過程中，高效準確的對箱、抓箱、放箱是裝卸效率的關(guān)鍵，但在船上的集裝箱常常會出現(xiàn)方向與水平面有一定的傾斜，平面有一定的傾斜，剖面母線與碼頭軌道不平行等。這些情況的出現(xiàn)給岸橋司機對箱作業(yè)造成極大困難。因此，岸橋的吊具必須具備左右傾、前后傾、水平回轉(zhuǎn)這3大功能。

傾轉(zhuǎn)系統(tǒng)工作原理。傾轉(zhuǎn)系統(tǒng)可以使吊具在空中實現(xiàn)姿態(tài)的調(diào)整。根據(jù)安裝位置的不同，主要分為兩種：一種是獨立的系統(tǒng)安裝在吊具上;另一種是集成在防掛倉系統(tǒng)中，組成多功能掛倉液壓保護系統(tǒng)。后者不但具有防掛倉的功能，同時還具備吊具傾轉(zhuǎn)的功能，因此成為主流。多功能掛倉液壓系統(tǒng)相對于單獨掛倉液壓系統(tǒng)只是增加了油缸的長度，但要求4個油缸同步運動，這也正是傾轉(zhuǎn)控制的關(guān)鍵。

“左旋”“右旋”動作的產(chǎn)生原理是位于小車上的起升鋼絲繩前后滑輪的間距比吊具上的前后滑輪的間距大，所以吊具上前后兩根鋼絲繩之間形成一個三角形的夾角，兩根鋼絲繩分別有一個向前、向后的分力。

傾轉(zhuǎn)控制與實現(xiàn)。吊具的傾轉(zhuǎn)控制關(guān)鍵是4個油缸的同步。通常采用的方法是主控PLC通過比例放大器控制比例閥，從而控制4個油缸的運動。油缸高精度的同步需要閉環(huán)控制，因此油缸中安裝位移傳感器來檢測位置。

主控PLC控制整個岸橋的各個動作，檢測所有設(shè)備的運轉(zhuǎn)情況，這些自然增加了程序的運行周期，同時各種中斷程序的調(diào)用也會增加程序周期的不確定性。采用主控PLC執(zhí)行同步閉環(huán)控制的時候會影響同步精度。同步控制程序?qū)帉憽⒄{(diào)試有較高的要求，因此主控PLC中的同步控制經(jīng)常會出現(xiàn)振蕩、油缸竄動等現(xiàn)象。這些對于懸在空中40噸的集裝箱來說影響是巨大的，如果產(chǎn)生共振，結(jié)果將是災(zāi)難性的。

對于傾轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的同步控制應(yīng)該由單獨的控制子站來完成，子站接收主站的控制指令，同時將運行狀態(tài)傳遞給主站。傾轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)除了完成傾轉(zhuǎn)油缸運動的同步控制外，還要實現(xiàn)遠程就地控制的切換，這樣岸橋維修的時候就可以在后大梁上直接對傾轉(zhuǎn)油缸進行控制。岸橋傾轉(zhuǎn)控制子站還要可以對油缸的零位自由設(shè)定，并且當油缸在任意狀態(tài)下可以通過油缸復(fù)位的指令使所有油缸同時回到零位。針對這些要求在MD2控制器的基礎(chǔ)上針對傾轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)開發(fā)了MD2AA同步控制器。MD2AA控制比例閥的8個比例電磁鐵S1～S8實現(xiàn)對吊具的控制。

無人駕駛跨運車將有廣闊市場前景

跨運車最早是1913年由Harry B.Ross發(fā)明的，用于運送木材。隨著集裝箱海運業(yè)的發(fā)展，集裝箱跨運車（Container Straddle Carrier）在20世紀60 年代出現(xiàn)，并逐漸活躍于各大港口。跨運車是將水平短距離運輸、集裝箱堆碼和對集卡進行裝卸融為一體的機械設(shè)備，實現(xiàn)了取、放、送、運一機多用，相比于門架式搬運機和輪胎式起重機，其機動性、靈活性更好。在貨物港口、集裝箱碼頭、物流場站和中轉(zhuǎn)站堆場等得到廣泛應(yīng)用。近年來混合動力、無人駕駛跨運車迅速發(fā)展，為港口的節(jié)能減排和智能化發(fā)展帶來新的動力。

集裝箱跨運車被廣泛應(yīng)用于許多國家的貨物港口、集裝箱碼頭。在歐美國家的大型集裝箱碼頭，如荷蘭鹿特丹港及阿姆斯特丹港、美國洛杉磯港、法國濱海福斯港和勒弗爾港、英國的利物浦港、北愛爾蘭的貝爾法斯特港等都有廣泛應(yīng)用。

國際市場上目前主要廠商有卡爾瑪（Kalmar）、諾爾（Noell ，2009年被科尼收購）、科尼（Knonecranes， 2015年與特雷克斯合并）和特雷克斯（Terex）、維美德公司（Valmet）和利勃海爾（Liebherr）等幾家企業(yè)。產(chǎn)品主要有6輪和8輪兩種，6輪一般是堆一過一，8輪一般是堆一過二，或堆一過三，主要用于短中途集裝箱運輸，跨運車能更快捷地完成岸邊集裝箱起重機作業(yè)和更高效地完成陸側(cè)作業(yè)，故深受各運營商的青睞。

國內(nèi)的振華重工（ZMPC）于2018年發(fā)布了能夠無人駕駛的集裝箱跨運車，有6輪和8輪兩種，首次采用液壓控制獨立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，該智能型跨運車無需預(yù)埋磁釘，可自主探測集裝箱，并對其進行轉(zhuǎn)箱、跨箱和放箱操作。

跨運車適用于在碼頭與堆場內(nèi)部中短途運輸，由門形車架、動力單元、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、集裝箱吊具與液壓轉(zhuǎn)向、制動系統(tǒng)等組成。其以門形車架跨在集裝箱上，由裝有集裝箱吊具的升降系統(tǒng)吊起集裝箱，進行搬運堆碼。同時，跨運車還能夠直接在集卡上抓箱或落箱。因此，它比集裝箱龍門起重機具有更大的機動性?？邕\車一般可將集裝箱堆碼3至4層高。由于具有機動靈活、效率高、穩(wěn)定性好等特點，跨運車在國外碼頭已被廣泛使用。對于許多中型碼頭而言，以跨運車為基礎(chǔ)的裝卸運輸系統(tǒng)較為高效。

8 輪跨運車可以向前、向后、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)行駛，轉(zhuǎn)向為每輪獨立轉(zhuǎn)向，具有阿克曼轉(zhuǎn)向（AM）、蟹行轉(zhuǎn)向（CM）4、前輪轉(zhuǎn)向（FM）、后輪轉(zhuǎn)向（RM）4種轉(zhuǎn)向模式。

2018 年，為振華重工配套的8 輪跨運車。

跨運車的獨立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用液壓控制，由萬福樂整套提供。包含轉(zhuǎn)向控制器、方向盤編碼器、各輪角度編碼器、比例換向閥、壓力傳感器等。轉(zhuǎn)向控制器和車輛控制器之間采用CAN總線通訊，同時輔助I/O點進行安全校驗。轉(zhuǎn)向控制器與方向盤編碼器之間采用兩路CAN總線連接，保證足夠的安全冗余。轉(zhuǎn)向控制器按照相應(yīng)的轉(zhuǎn)向模式發(fā)出控制信號，控制對應(yīng)的比例閥，驅(qū)動油缸動作。各輪角度編碼器符合SIL II標準，通過一路單獨的CAN總線將位置信息反饋給轉(zhuǎn)向控制器，實現(xiàn)閉環(huán)控制，從而保證各輪高精度的獨立轉(zhuǎn)向。

港口內(nèi)集裝箱的水平運輸大體上分為兩類，一為跨運車，二為集卡。在歐美集裝箱碼頭采用跨運車的比較多，在國內(nèi)碼頭以集卡和AGV為主。振華重工研發(fā)的無人駕駛跨運車，放棄了磁釘定位的方式。采用全新的多傳感器融合技術(shù)，通過衛(wèi)星信號和視覺辨識環(huán)境信息實現(xiàn)定位，自主導航避障和路徑規(guī)劃。當多輛跨運車在同一區(qū)域中作業(yè)時，可以合理優(yōu)化路徑，充分發(fā)揮效能，實現(xiàn)集裝箱在港口封閉區(qū)域內(nèi)高效運輸和裝卸，為智能無人化碼頭推廣奠定了基礎(chǔ)。2019年3月瑞典8臺8輪跨運車項目合同的正式簽訂，標志著全球自動化碼頭產(chǎn)品家族中又一個全新產(chǎn)品落地。該跨運車整機采用模塊化設(shè)計裝配，柴電混合動力，輪邊同步電機驅(qū)動，獨立轉(zhuǎn)向，可在自動、人工駕駛模式下切換，定位精準度和控制水平居世界前列。

目前，有4000多臺跨運車在全球1000多座集裝箱碼頭中運營，海外港口中半數(shù)以上使用跨運車作業(yè)，多數(shù)為人工駕駛，無人駕駛跨運車所占的比例小于5%。隨著智能無人跨運車的批量生產(chǎn)，單機成本大大降低。預(yù)計未來跨運車的自動化率將達到20%。隨著智能制造的發(fā)展，無人駕駛的跨運車將會有更為廣闊的市場前景。

鄧凌生簡介：

瑞士萬福樂中國區(qū)CEO、總裁、高級工程師

1991年發(fā)表論文《多繩絞車液壓制動系統(tǒng)》

2003年發(fā)表論文《驚濤小舟電液伺服模擬系統(tǒng)》

2003年，上海音樂廳平移工程，頂升和平移液壓系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計和設(shè)備運行現(xiàn)場指揮

2010年被授予“中國經(jīng)濟百名杰出人物”

2012年被授予“中國經(jīng)濟新領(lǐng)軍人物”

2013 年發(fā)表論文《MD2控制器在岸橋傾轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用》

2019年被授予“國際先鋒職業(yè)經(jīng)理人”