集裝箱起重機(jī)艙蓋板平臺(tái)及其安全擺放優(yōu)化控制方法

楊雷忠

上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司 上海 200125

0 引言

隨著港口行業(yè)的不斷發(fā)展，特別是自動(dòng)化碼頭技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于碼頭前沿車道空間利用率的要求越來越高[1，2]。在裝卸集裝箱過程中，集裝箱起重機(jī)需要先將艙蓋板從船上吊至臨時(shí)擺放區(qū)，待這一排作業(yè)位的裝卸任務(wù)完成后再將艙蓋板吊回船上。一般的艙蓋板大小在13 m×10 m左右，質(zhì)量在40 t左右，體積和質(zhì)量都非常大。集裝箱起重機(jī)在一個(gè)貝位作業(yè)時(shí)，需要移出3塊左右艙蓋板，堆放在臨時(shí)區(qū)域。

傳統(tǒng)起重機(jī)的艙蓋板擺放只能堆放在地面上，對(duì)碼頭的基建和作業(yè)效率造成影響。首先，質(zhì)量和體積巨大的艙蓋板會(huì)對(duì)碼頭地面產(chǎn)生影響，艙蓋板的尖銳物會(huì)使碼頭地面形成凹痕等。其次，艙蓋板占用了碼頭的車道及作業(yè)空間，使原本緊張的車道及作業(yè)區(qū)域進(jìn)一步壓縮，特別是對(duì)于軌距小的碼頭，艙蓋板只能放置在后大梁區(qū)域，不僅占用了碼頭堆場(chǎng)及主干道，還存在安全隱患[3]。

1 集裝箱起重機(jī)艙蓋板平臺(tái)的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)集裝箱起重機(jī)的艙蓋板平臺(tái)，用來放置艙蓋板，以提高碼頭的車道的利用率。艙蓋板平臺(tái)位于集裝箱起重機(jī)的陸側(cè)下橫梁位置，利用起重機(jī)上搭載的質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)每塊艙蓋板的質(zhì)量，通過PLC進(jìn)行記錄和控制。當(dāng)艙蓋板數(shù)量或總質(zhì)量超過設(shè)定閾值后，不允許在平臺(tái)上堆放艙蓋板，以保證平臺(tái)能在設(shè)計(jì)載重量?jī)?nèi)工作。

1.1 艙蓋板平臺(tái)的機(jī)械構(gòu)成

如圖1、圖2所示，艙蓋平臺(tái)是一個(gè)矩形區(qū)域，18.6 m×11.6 m×1.5 m（長(zhǎng)×寬×厚），長(zhǎng)邊平行于起重機(jī)軌道，安裝于距離地面14.7 m處。平臺(tái)的海側(cè)長(zhǎng)邊和兩側(cè)的寬邊均設(shè)有安全欄桿。平臺(tái)的寬度方向設(shè)有艙蓋板擺放支點(diǎn)，并在中間位置對(duì)稱地安裝有2條橡膠條，以減少放置過程中的沖擊。在平臺(tái)的兩側(cè)，設(shè)有人行道，用來進(jìn)行維護(hù)工作。艙蓋板平臺(tái)的設(shè)計(jì)載重為135 t，設(shè)計(jì)放置數(shù)量不大于3塊，最大設(shè)計(jì)放置尺寸為14.2 m×12 m[4]。

圖1 艙蓋板平臺(tái)位置示意圖

圖2 艙蓋板平臺(tái)圖紙

1.2 艙蓋板平臺(tái)擺放優(yōu)化電氣控制

電氣控制是實(shí)現(xiàn)艙蓋板平臺(tái)擺放優(yōu)化的關(guān)鍵，如何在不增加成本的前提下做好擺放優(yōu)化的控制是研究的重點(diǎn)。下面通過與艙蓋板擺放相關(guān)的模式選擇、質(zhì)量檢測(cè)、自動(dòng)計(jì)數(shù)、邏輯控制及安全保護(hù)等5個(gè)方面闡述電氣控制原理。

1）模式選擇

吊具模式選擇是集裝箱起重機(jī)司機(jī)根據(jù)實(shí)際吊具下所吊物體的不同來做人為選擇的，一般可分為吊具模式（常規(guī)模式）、吊鉤模式、艙蓋板模式、維修模式等。在常規(guī)模式下，為了防止吊具以及吊具下的集裝箱與岸邊集裝箱起重機(jī)的下橫梁發(fā)生碰撞，設(shè)有下橫梁的安全保護(hù)，起升和小車只允許在距下橫梁外表面一定距離的區(qū)間內(nèi)作業(yè)。而艙蓋板平臺(tái)不包括在這個(gè)作業(yè)區(qū)間內(nèi)，只有當(dāng)司機(jī)選擇艙蓋板模式的情況下，陸側(cè)下橫梁上的艙蓋板平臺(tái)才作為作業(yè)區(qū)域，允許放置艙蓋板。

2）質(zhì)量檢測(cè)

集裝箱起重機(jī)為了能夠判斷所吊物體是否在設(shè)計(jì)的載重量程內(nèi)，會(huì)配有質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)。質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)主要由輸出為4～20 mA模擬量信號(hào)的質(zhì)量傳感器組成，安裝在起重機(jī)前大梁頭部，可檢測(cè)出吊具上每個(gè)角的質(zhì)量，通過PLC處理后得出所吊物體的質(zhì)量。通過質(zhì)量設(shè)定，可做到單角、單邊、偏載、超載等安全保護(hù)。當(dāng)物體的質(zhì)量超過設(shè)定值后，起重機(jī)不能進(jìn)行上升動(dòng)作。利用這個(gè)系統(tǒng)，PLC可對(duì)艙蓋板的質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)并記錄，以保護(hù)艙蓋板平臺(tái)能在設(shè)計(jì)質(zhì)量范圍內(nèi)進(jìn)行工作。

3）自動(dòng)計(jì)數(shù)

為了減少人為計(jì)數(shù)的工作量，降低因人為因素而造成的失誤概率，利用PLC對(duì)艙蓋板的數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)，其中的關(guān)鍵問題在于如何判斷艙蓋板數(shù)量的變化。集裝箱起重機(jī)的小車都配有增量編碼器和絕對(duì)值編碼器，可準(zhǔn)確地獲取小車的實(shí)時(shí)位置[5]。PLC可設(shè)定海陸側(cè)位置的臨界點(diǎn)，當(dāng)小車位置大于臨界點(diǎn)時(shí)，判定小車在海側(cè)；當(dāng)小車位置小于臨界點(diǎn)時(shí)，判定小車在陸側(cè)。另外，也可通過小車位置值的大小變化來判斷小車是從海側(cè)往陸側(cè)開，還是從陸側(cè)往海側(cè)開。在判斷小車的運(yùn)動(dòng)方向后，結(jié)合質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)讀取的信息以及吊具的開閉鎖狀態(tài)，進(jìn)而判斷起重機(jī)是在往平臺(tái)上放艙蓋板，還是從平臺(tái)上取艙蓋板：在艙蓋板模式下，吊具閉鎖后小車從海側(cè)往陸側(cè)開時(shí)系統(tǒng)判定為往平臺(tái)上放艙蓋板，小車從陸側(cè)往海側(cè)開時(shí)系統(tǒng)判定為從平臺(tái)上取艙蓋板，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)艙蓋板平臺(tái)上現(xiàn)有艙蓋板數(shù)量進(jìn)行自動(dòng)計(jì)數(shù)。

4）邏輯控制

控制的主要邏輯是從船艙取艙蓋板往平臺(tái)上放時(shí)有2個(gè)約束條件，一是艙蓋板的數(shù)量不得多于3塊，二是放置的艙蓋板的總質(zhì)量不能超過設(shè)計(jì)質(zhì)量135 t。因此，每次是否允許在平臺(tái)上放艙蓋板的依據(jù)都要保證滿足這2個(gè)約束條件。

一般情況下，司機(jī)在空吊具情況下選擇艙蓋板模式開始作業(yè)，此時(shí)后大梁艙蓋板平臺(tái)上尚未堆放艙蓋板。每次艙蓋板堆放到艙蓋板平臺(tái)前，都要進(jìn)行艙蓋板平臺(tái)上總質(zhì)量Wtotal與第X次吊起的艙蓋板質(zhì)量Wx之和是否超過了最大設(shè)計(jì)質(zhì)量Wmax的比較，并判斷X是否大于3。第X次吊起的艙蓋板質(zhì)量從吊具閉鎖后穩(wěn)定的最大質(zhì)量讀取L0。如果艙蓋板平臺(tái)上的總質(zhì)量與第X次吊起的艙蓋板質(zhì)量超過了最大設(shè)計(jì)質(zhì)量，或X＞3，則禁止繼續(xù)在艙蓋板平臺(tái)上放置艙蓋板，并發(fā)出警報(bào)。如果不滿足上述終止條件，則允許放艙蓋板。之后艙蓋板平臺(tái)上的總質(zhì)量為第X次艙蓋板質(zhì)量之和，計(jì)數(shù)X+1，繼續(xù)循環(huán)操作，直到滿足終止條件。邏輯圖如圖3所示。

圖3 控制邏輯圖

根據(jù)碼頭實(shí)際情況，完成一個(gè)貝位的裝卸后就將艙蓋板全部放回船艙，以免后續(xù)再返回來對(duì)該貝位進(jìn)行操作。由此，從平臺(tái)上取艙蓋板的邏輯比放艙蓋板的邏輯相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要考慮質(zhì)量和數(shù)量的限制，只需將取走的艙蓋板數(shù)量和質(zhì)量在系統(tǒng)中減去即可。

5）安全保護(hù)

安全是生產(chǎn)中的首要問題，在有了基本的邏輯控制后，還要考慮到相關(guān)的安全問題，在程序中做好安全保護(hù)，以免造成可預(yù)見的事故。艙蓋板的體積和質(zhì)量都很大，如果按照正常的最大速度進(jìn)行操作，艙蓋板可能會(huì)在裝卸過程中產(chǎn)生劇烈晃動(dòng)，穩(wěn)定性很差，有發(fā)生安全事故的隱患。為了艙蓋板能平穩(wěn)地吊起和放下，并盡可能減少在裝卸過程中的晃動(dòng)，當(dāng)選擇艙蓋板模式后，起重機(jī)小車和起升速度都被限制為最大速度的50%，從而避免較大的晃動(dòng)幅度，司機(jī)依舊可通過自己的判斷在限定速度內(nèi)來進(jìn)行速度控制。

另外，當(dāng)司機(jī)從船艙吊起艙蓋板后，若未將起升機(jī)構(gòu)提升到適當(dāng)?shù)母叨仍僖苿?dòng)小車，會(huì)使艙蓋板與海側(cè)下橫梁發(fā)生碰撞而造成嚴(yán)重?fù)p失。為此，在程序控制中設(shè)置了相關(guān)保護(hù)，以防此類事故的發(fā)生。當(dāng)?shù)跗鸫撋系呐撋w板后，起升機(jī)構(gòu)要上升到高于下橫梁上表面3 m后才允許移動(dòng)小車。

還有，當(dāng)司機(jī)選擇艙蓋板模式后，司機(jī)室外的電笛會(huì)自動(dòng)開啟，警示起重機(jī)下方的人和車不要在小車運(yùn)行路徑內(nèi)停留。

2 優(yōu)化的擺放控制操作步驟

司機(jī)在司機(jī)室內(nèi)的控制面板上選擇艙蓋板模式后，小車和起升機(jī)構(gòu)的速度限制在最大速度的50%。此時(shí)，司機(jī)操作起重機(jī)吊起船上的艙蓋板，艙蓋板質(zhì)量會(huì)通過起重機(jī)質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)記錄到PLC中。在起升高度高于下橫梁上表面3 m后小車緩慢后退，移動(dòng)到艙蓋板平臺(tái)正上方，將艙蓋板緩慢下放，置于艙蓋板平臺(tái)上。當(dāng)艙蓋板平臺(tái)上放置有3塊艙蓋板時(shí)，或當(dāng)艙蓋板平臺(tái)上的艙蓋板質(zhì)量加上已吊起的艙蓋板質(zhì)量之和大于設(shè)定閾值時(shí)，則不允許繼續(xù)在平臺(tái)上堆放艙蓋板。

當(dāng)司機(jī)切換到吊具模式后，小車和起升機(jī)構(gòu)的速度限制解除，并保留現(xiàn)有艙蓋板平臺(tái)上的艙蓋板數(shù)量的數(shù)值，司機(jī)可正常進(jìn)行集裝箱的裝卸作業(yè)。

當(dāng)前貝位的作業(yè)任務(wù)結(jié)束后，司機(jī)再次切換到艙蓋板模式，將艙蓋板裝回船上，此次對(duì)艙蓋板平臺(tái)上艙蓋板的總質(zhì)量和數(shù)量進(jìn)行反向計(jì)數(shù)，直到清零。

3 結(jié)語(yǔ)

該型具有艙蓋板平臺(tái)的集裝箱起重機(jī)，將艙蓋板的堆放位置由地面改到艙蓋板平臺(tái)上，極大地節(jié)省了地面空間，保證了車道的利用率，提高了碼頭的作業(yè)效率，為一些空間緊張的碼頭提供了一個(gè)很好的解決方案，具有積極的實(shí)際意義和廣泛的應(yīng)用前景。利用起重機(jī)已有的質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)和PLC的邏輯控制，很好地解決稱重、計(jì)數(shù)、邏輯控制、安全保護(hù)等問題，無(wú)需額外增加質(zhì)量傳感器、布置電纜線路等，電氣控制成本極低。