岸邊集裝箱起重機(jī)防撞系統(tǒng)分析與研究

上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司 梁 明

隨著岸橋大型化，智能化的發(fā)展，其防撞系統(tǒng)也需要不斷升級(jí)。本文對(duì)各種常規(guī)岸橋防撞系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，詳細(xì)介紹了激光掃描傳感器的在岸橋防撞系統(tǒng)的應(yīng)用。

岸邊集裝箱起重機(jī)（以下簡稱岸橋）防撞系統(tǒng)包括大梁防撞系統(tǒng)和大車防撞系統(tǒng)。功能是在大車運(yùn)行過程中，保護(hù)大梁機(jī)構(gòu)和大車機(jī)構(gòu)不與障礙物碰撞。隨著船舶和岸橋大型化的發(fā)展，大梁和大車車道數(shù)量不斷增加，船桅桿或雷達(dá)越來越高，同時(shí)作業(yè)的船舶、集卡數(shù)量越來越多，碰撞風(fēng)險(xiǎn)都大大增加。而司機(jī)在司機(jī)室很難準(zhǔn)確判斷障礙物情況，就需要岸橋防撞系統(tǒng)發(fā)揮作用，避免碰撞事故。岸橋防撞系統(tǒng)在不斷發(fā)展升級(jí)，從機(jī)械、感應(yīng)限位發(fā)展到激光掃描傳感器（以下簡稱激光限位），防撞性能不斷提高。

1 大梁防撞系統(tǒng)

1.1 采用防撞鋼絲

圖1 大梁防撞鋼絲

如圖1所示，前大梁兩側(cè)安裝防撞鋼絲，與大梁外側(cè)面平行，兩者間距1896mm，當(dāng)大車運(yùn)行時(shí)，防撞鋼絲碰到了障礙物后，端部張緊架的彈簧會(huì)帶動(dòng)限位擋塊動(dòng)作，岸橋電控PLC接受到限位信號(hào)后停止大車運(yùn)行，避免大梁碰撞。優(yōu)點(diǎn)是安裝調(diào)試簡單；缺點(diǎn)是保護(hù)距離太短，沒有減速功能。

1.2 采用激光限位

常規(guī)采用SICK品牌的LMS511-11100 Lite的激光限位，掃描角度可達(dá)到190°，測量有效距離0.5m-80m。工作原理是利用發(fā)出激光通過按一定速率旋轉(zhuǎn)的三棱鏡折射形成一個(gè)扇形面域，根據(jù)需要設(shè)置面域的保護(hù)區(qū)域，當(dāng)有障礙物時(shí)，系統(tǒng)檢測到激光能量發(fā)生衰減后輸出信號(hào)可以由高電平直流24V變?yōu)榈碗娖街绷?V（也可以軟件設(shè)置由低電平變?yōu)楦唠娖剑?。常?guī)項(xiàng)目要求有減速、停止、污染報(bào)警等功能信號(hào)，LMS511信號(hào)輸出點(diǎn)有3個(gè)，可用于減速、停止以及污染報(bào)警信號(hào)。常規(guī)的安裝形式有大梁上平面斜角度度安裝、大梁下平面水平安裝、海側(cè)立柱安裝等。

圖2 大梁上平面斜角度安裝

按照標(biāo)書要求，大車速度常規(guī)為60m/min（1m/s），加減速0.17m/s2，根據(jù)公式可計(jì)算得出減速、停止距離，其中Vt為末速度，Vo為初速度，a為減速度。大車從全速到減速10%的距離S=(0.12-12)/(-2×0.17)≈2.91m，大車從減速10%到停止的距離S=(02-0.12)/(-2×0.17)≈0.03m。根據(jù)計(jì)算出的減速、停止最小安全距離，以及激光限位有0.5m盲區(qū)等特性，再考慮安裝位置的因素，大梁常規(guī)保護(hù)區(qū)域在水平方向上距離設(shè)置為減速8m，停止4m，滿足安全要求。

1.2.1 大梁上平面斜角度安裝

如圖2所示，激光限位安裝在大梁中部上平面，大梁下平面以下0.8m為保護(hù)拖令、拖鏈、滑觸線等相關(guān)機(jī)構(gòu)，同時(shí)根據(jù)激光限位安裝高度1.1m和大梁高度1.8m，以及上面計(jì)算得出的8m和4m的減速、停止距離，計(jì)算出激光限位的安裝角度，角度θ≈47.23°，同時(shí)計(jì)算出在激光限位保護(hù)面域上待設(shè)置的停止距離C≈5.5m，減速距離C+C1≈11m，這些是保護(hù)面域的寬度參數(shù)，長度參數(shù)為前大梁端部到鉸點(diǎn)的距離。

圖3 大梁平面下水平安裝

1.2.2 大梁下平面水平安裝

如圖3所示，激光限位安裝在大梁中部下平面以下0.8m，原理同上，激光限位減速、停止設(shè)置距離為8m和4m。同上長度參數(shù)為前大梁端部到鉸點(diǎn)的距離。此安裝支架為輕型合金材質(zhì)，便于安裝調(diào)試。

1.2.3 海側(cè)立柱安裝

圖4 海側(cè)立柱安裝

如圖4所示，激光限位安裝在鉸點(diǎn)附近左右海陸側(cè)立柱上，激光限位安裝在大梁下平面0.8m以下位置，激光限位減速、停止設(shè)置距離為8m和4m，同上長度參數(shù)為前大梁端部到鉸點(diǎn)的距離，配有維修平臺(tái)。

1.2.4 特殊區(qū)域保護(hù)

激光限位方便應(yīng)用于特殊區(qū)域保護(hù)，比如碼頭岸線非直線，有夾角，兩臺(tái)岸橋在夾角處有碰撞風(fēng)險(xiǎn)，可在機(jī)房周圍等合適位置安裝，防止岸橋碰撞。

1.3 AOS502大梁防撞系統(tǒng)

為提高防撞系統(tǒng)安全等級(jí)，個(gè)別岸橋采用AOS502系統(tǒng)，該系統(tǒng)由1個(gè)控制器FX3-CPU0、2個(gè)IO模塊FX3-XTIO、2個(gè)激光限位LMS511-10100S02等組成。FX3-CPU0模塊具備存儲(chǔ)功能，每一個(gè)FX3-XTIO模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)激光限位，AOS系統(tǒng)與激光限位和岸橋電控PLC之間的通訊傳輸都是用IO模塊的輸入、輸出數(shù)字量信號(hào)，即激光限位自身的輸出信號(hào)作為輸入信號(hào)進(jìn)入XTIO模塊，同時(shí)XTIO模塊的輸出信號(hào)將發(fā)送給岸橋主控PLC的IO模塊。從電氣房到激光限位電源、IO信號(hào)線通過填料函進(jìn)線到AOS系統(tǒng)專配的接線盒，接線盒出來三根自帶預(yù)安裝的M12插頭線，和激光限位的電源、IO、通訊接口對(duì)插。

1.3.1 激光限位SOPAS調(diào)試軟件設(shè)置

（1）在Field設(shè)置3個(gè)面域，F(xiàn)ield1為Stop停止保護(hù)面域，關(guān)聯(lián)Stopout1和Stop-out2；Field2為Test自檢測面域，關(guān)聯(lián)Test-out1和Test-out2；Field3為Slowdown減速保護(hù)面域，關(guān)聯(lián)Slowdown-out3。污染點(diǎn)默認(rèn)用Out6。自檢測面域設(shè)置要求不能和停止面域干涉，左右兩個(gè)大梁激光限位通常選擇各自對(duì)應(yīng)的立柱為參照物，若立柱由于相對(duì)角度或者油漆光澤等原因不合適，可在激光限位附件單獨(dú)安裝一個(gè)參照物。

（2）激光限位已經(jīng)預(yù)設(shè)了8個(gè)Evaluation case，常規(guī)岸橋只需用5個(gè)，即按照序號(hào)依次為Stop-out1、Test-out2、Stop-out2、Testout1、Slowdown-out3。Stop-out1和Test-out2通過Input1設(shè)置為低電平有效（Active low），Stop-out2和Test-out1通過Input1設(shè)置為高電平有效（Active High），Slowdown-out3的Input設(shè)置為不關(guān)聯(lián)（Not Relevant）。同時(shí)在Digital Input里面設(shè)置logic為Active High，在Digital Output里面設(shè)置logic為Active Low。

1.3.2 工作原理

（1）停止。見圖5，F(xiàn)X3-XTIO模塊輸出點(diǎn)Q4周期性的發(fā)送變化的直流電壓信號(hào)（高電平24V和低電平0V不斷變換）給激光限位的輸入點(diǎn)Input1，激光限位的輸出點(diǎn)就根據(jù)Input1對(duì)應(yīng)的激活狀態(tài)選擇對(duì)應(yīng)的輸出點(diǎn)。當(dāng)正常狀態(tài)即停止面域無障礙物，自檢測面域檢測到參照物時(shí)，Input1為高電平24V時(shí)，此時(shí)Output1輸出Testout1為0V，Output2輸出Stop-out2為24V；Input1為低電平0V時(shí)，此時(shí)Output1輸出Stop-out1為24V，Output2輸出Test-out2為0V，激光限位的Output1和2對(duì)應(yīng)的是IO模塊FX3-XTIO的Input1和2，此時(shí)FX3-XTIO的Input1和2在高、低電平不斷切換，控制器FX3-CPU0程序判斷此時(shí)停止面域無障礙物，屬于正常狀態(tài)，XTIO模塊的Q1保持輸出24V到岸橋電控PLC模塊（電控PLC認(rèn)為有高電平24V為正常狀態(tài)）。當(dāng)停止面域有障礙物或者檢測面域檢測不到參照物時(shí)，XTIO模塊的Q1輸出0V，電控PLC接收到了停止信號(hào)，停止大車運(yùn)行。

（2）減速。減速面域在無障礙物的正常狀態(tài)下，激光限位的Q3為24V，對(duì)應(yīng)到XTIO模塊I3為24V，XTIO模塊Q2根據(jù)I3直接輸出24V給電控PLC模塊，電控PLC認(rèn)為有高電平24V為正常狀態(tài)。當(dāng)減速面域有障礙物時(shí)，激光限位的Q3由24V變?yōu)榈?V，XTIO模塊輸入點(diǎn)I3、輸出點(diǎn)Q2變?yōu)?V，電控PLC接收到減速信號(hào)，控制大車減速。

（3）污染。激光限位有自檢測鏡面污染的功能，當(dāng)無污染正常狀態(tài)下，激光限位輸出點(diǎn)Q6為24V，對(duì)應(yīng)到XTIO模塊I6為24V，如圖5所示，兩個(gè)污染信號(hào)XTIO1、XTIO2模塊點(diǎn)I6通過程序與門處理后，由XTIO2模塊的Q3點(diǎn)輸出污染信號(hào)給電控PLC，即正常狀態(tài)2個(gè)I6都為24V時(shí)，Q3為24V，非正常狀態(tài)只要有1個(gè)I6變?yōu)?V，XTIO2模塊的Q3就變?yōu)?V，此時(shí)電控PLC認(rèn)為0V有鏡面污染，通過CMS顯示污染報(bào)警，維修人員可查看XTIO1、XTIO2模塊I6的狀態(tài)來判斷哪一個(gè)激光限位鏡面需要清洗。XTIO1模塊的Q3用于輸出檢測故障信號(hào)。

圖5 AOS502系統(tǒng)圖

2 大車防撞系統(tǒng)

2.1 光電限位

常規(guī)采用施耐德Osiris XUK1ARCNL2限位，并配置反光板，測量有效距離0m-10m，輸出1個(gè)數(shù)字量信號(hào)，用于減速，停止則通過感應(yīng)或者機(jī)械限位完成。

2.2 超聲波限位

常規(guī)采用倍加福超聲波限位UC6000-30GM-E6-V1，測量有效距離2m-8m，可設(shè)置2個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)，用于減速、停止功能。由于兩個(gè)相向的超聲波限位會(huì)有干擾，所以設(shè)計(jì)時(shí)兩臺(tái)岸橋之間錯(cuò)開安裝，一個(gè)安裝在海側(cè)行走、一個(gè)安裝在陸側(cè)行走。

2.3 激光限位

大車行走和船舷常規(guī)采用SICK品牌的LMS111-10100的激光限位，掃描角度可達(dá)到270°，測量有效距離0.5m-20m。

（1）如圖6所示，大車行走機(jī)構(gòu)4個(gè)角分別裝有1個(gè)激光限位，限位的減速、停止面域的寬度設(shè)置由大車行走機(jī)構(gòu)邊界來定，特別要注意登機(jī)斜梯、大車卷盤導(dǎo)纜架等機(jī)構(gòu)保護(hù)。根據(jù)上面計(jì)算的安全減速距離2.91m，安全停止距離0.03m，相鄰岸橋全速對(duì)撞所需安全距離S=2.91×2+0.9×2≈7.6m，0.9m為激光限位到大車緩沖器的距離。綜合考慮激光限位有0.5m盲區(qū)特性和安裝位置，大車保護(hù)區(qū)域在水平方向上設(shè)置距離為9m減速，4m停止，滿足安全要求。

圖6 大車行走激光限位

（2）如圖7所示，船舷激光限位一般安裝在海側(cè)下橫梁海側(cè)面中間位置，用于避免大車運(yùn)行過程中與船舷等障礙物的碰撞，保護(hù)面域可根據(jù)激光限位和碼頭海側(cè)邊界上方連線來設(shè)置，注意連線避開大車卷盤導(dǎo)纜架、纜繩樁等，通過微調(diào)激光限位角度仍無法避免障礙物的情況下，可增加限位支架的長度。以岸橋大車海側(cè)行走兩個(gè)緩沖器端部之間距離為27m為例，以激光限位為中心，向左右各伸長13.5m形成的面域?yàn)橥Ｖ姑嬗?，向左右各伸長16.5m形成的面域?yàn)闇p速面域。

圖7 船舷激光限位

2.4 AOS104大車防撞系統(tǒng)

AOS104系統(tǒng)工作原理同AOS502系統(tǒng)，大車四個(gè)角防撞系統(tǒng)由1個(gè)控制器FX3-CPU0、2個(gè)IO模塊FX3-XTIO、4個(gè)激光限位LMS111-10100S01等組成。船舷防撞系統(tǒng)由1個(gè)控制器FX3-CPU0、1個(gè)IO模塊FX3-XTIO、1個(gè)激光限位LMS111-10100S01等組成。

2.5 新型激光限位

為了增加大車行走激光限位保護(hù)范圍，個(gè)別項(xiàng)目已創(chuàng)新采用SICK品牌的MRS1104C-111011的三維激光限位，掃描角度水平可達(dá)到275°，垂直可達(dá)到7.5°（4個(gè)層面角度總和），測量有效距離0.2m-64m。此限位可發(fā)射4個(gè)層面，每2個(gè)層面之間的夾角為2.5°，形成一個(gè)立體的保護(hù)面域，較大提高檢測障礙物的可靠性，應(yīng)用空間廣闊。

結(jié)語：隨著岸橋自動(dòng)化的發(fā)展，對(duì)防撞系統(tǒng)提出了越來越高的要求，本文通過介紹分析岸橋的各種防撞系統(tǒng)特性，展現(xiàn)了防撞技術(shù)的發(fā)展升級(jí)，以供相關(guān)技術(shù)人員借鑒。