自動化岸橋負載自動防搖防扭系統(tǒng)設計及應用

摘 要：為保障自動化岸橋運行過程的安全、準確、高效，利用紅外定位、圖像處理技術、系統(tǒng)聯(lián)動技術等先進技術，設計開發(fā)自動化岸橋負載自動防搖防扭系統(tǒng)。通過檢測安裝在負載上的紅外結構光源位置，計算出吊具空間位置和姿態(tài)信息，并將這些信息發(fā)送給控制系統(tǒng)，系統(tǒng)可以控制岸橋吊具更加快速、準確、有效的工作。系統(tǒng)在天津港已得到成功應用，對保障天津港自動化岸橋正常作業(yè)起到至關重要的作用。

關鍵詞：港口;岸橋;自動化;紅外定位;圖像處理;吊具檢測系統(tǒng)（SDS，Spreader Detection System）;可編程邏輯器件（PLC，Programmable Logic Controlle）;防扭控制器

中圖分類號：U653.921 文獻標識碼：A

0 背景

近年來，隨著集裝箱碼頭自動化設備的大范圍投入使用，自動化岸橋在使用過程中的各種關鍵性技術也為技術人員關注的重點。

自動化岸橋在作業(yè)過程中小車、大車需要相對于水平面進行前后及左右的移動，在移動過程中岸橋所帶吊具會產生鐘擺運動，司機需根據擺動幅度進行反復控制車速來保持吊具平穩(wěn)。碼頭作業(yè)環(huán)境復雜，受氣候尤其是風影響較大，另外集裝箱內所裝貨物有一定的偏載概率，在吊具相對水平面進行垂直運動時會造成吊具及其負載產生扭動，司機需要頻繁調節(jié)旋轉，以達到穩(wěn)定吊具的目的。

為解決上述問題、提高岸橋自動化程度、減少司機工作強度，需要對岸橋防搖防扭系統(tǒng)進行設計升級。

1 系統(tǒng)要求

1.1 硬件部署及要求

（1）岸橋小車架上安裝一個攝像機。（2）岸橋吊架上安裝三個紅外光源。（3）岸橋前首防扭改造電動滾珠絲杠推桿。（4）攝像機調節(jié)箱安裝在小車平臺上，并垂直向下正對著吊具上的中間紅外燈。（5）攝像機安裝在攝像機調節(jié)箱內，用于調節(jié)攝像機角度。（6）紅外光源安裝要特別注意吊具上的安裝位置，避免旁邊物體的對光源的干擾，比光源高的物體要在長度方向和寬度方向都要保持15 cm以上的間隙。

1.2 軟件功能要求

系統(tǒng)軟件應具備如下功能：

工作距離在3～60 m之間;角度方位±11度;測量頻率40 Hz。

（1）檢測吊具沿小車方向的偏移量。由于岸橋吊具在小車運行過程中會產生前后晃動，造成吊具與小車無法在一條垂直線上，系統(tǒng)會根據其偏移量來控制小車速度，以達到偏移量在±10 mm內。

（2）檢測吊具沿大車方向的偏移量。由于岸橋吊具在大車運行過程中會產生左右晃動，造成吊具與大車無法在一條垂直線上，系統(tǒng)會根據其偏移量來控制大車速度，以達到偏移量在±20 mm內。

（3）檢測吊具高度。系統(tǒng)檢測吊具高度，與岸橋自帶編碼器進行校驗，將誤差控制在±50 mm內。

（4）檢測吊具擺動角度。由于碼頭作業(yè)環(huán)境復雜，受天氣影響較大，系統(tǒng)檢測因風帶來的吊具擺動幅度，將擺動幅度控制在0.1度左右。

1.3 硬件安裝及調節(jié)

（1）三個紅外燈安裝在吊具上，攝像機調節(jié)箱安裝在小車平臺上，并垂直向下正對著吊具上的中間紅外燈。

（2）攝像機調節(jié)箱安裝于小車平臺上，其內安裝攝像機，用于調節(jié)攝像機角度，確保攝像機的安裝角度是正確的，方向判斷標準：先跟ACCS確定好大小車方向，如果攝像機看到的大車左中右以及小車前后和人眼實際看到的大車左中右以及小車前后一致，說明方向是正確的。

將吊具放到25 m高度。打開攝像機調節(jié)箱，首先調節(jié)攝像機前后方向，再調節(jié)攝像機左右方向，打開系統(tǒng)軟件，并將圖片顯示以及像素顯示打開，將中間燈像素坐標調到（1 020±10，540±10）內，允許誤差10個像素，通過旋轉另一個方向使中間圓的圓心和圖像中心重合，攝像機調整完畢。

（3）岸橋前首防扭改造電動滾珠絲杠推桿，傳統(tǒng)的岸橋前首防扭使用梯形絲杠，因使用中頻繁受力，梯形絲杠的磨損非常大，改造后采用四套滾珠絲杠作為防扭的驅動形式，安裝在岸橋前首，分別控制四根主卷鋼絲繩，在防扭時每兩根鋼絲繩相對運動，達到防扭效果，系統(tǒng)軟件控制防扭裝置每兩套間進行相對工作。

2 系統(tǒng)設計

自動化岸橋負載自動防扭系統(tǒng)是通過攝像機檢測安裝在負載上的紅外結構光源位置，計算出吊具空間位置和姿態(tài)信息，通過以太網與電氣房中的工控機進行數(shù)據傳輸，再通過工控機對數(shù)據進行處理，并將處理所得數(shù)據通過串口通信模式傳給PLC，PLC發(fā)出指令來控制前首四套滾珠絲杠動作，來實現(xiàn)防扭效果。

防扭控制器是系統(tǒng)的關鍵。根據不同的控制對象及防扭目標，進行自動防扭的設計，包括系統(tǒng)建模、系統(tǒng)參數(shù)辨識、控制器率選擇、控制參數(shù)調整。它與SDS、PLC及防扭執(zhí)行機構通信，實時獲取吊具旋轉角度、岸橋運行狀態(tài)，在不同的小車起升位置、不同吊具尺寸、不同帶載情況下，調節(jié)執(zhí)行機構實現(xiàn)防扭功能。

3 系統(tǒng)應用情況

岸橋負載自動防扭系統(tǒng)在天津港遠控自動化改造后，順利實施，穩(wěn)定運行。遠控司機工作強度大大下降。整套系統(tǒng)在岸橋運控生產過程中，起到了關鍵作用，為后期更多的岸橋改造提供了參考標準，為其他碼頭遠控改造提供了參考案例。

4 結語

岸橋起重機吊具、小車懸掛部分是一個強耦合、大滯后的非線性時變系統(tǒng)，且作業(yè)過程中鋼絲繩變長特性，使得常規(guī)方法難以有效控制吊具姿態(tài)。本系統(tǒng)安裝吊具位置檢測傳感器SDS，用于實時檢測獲取吊具的旋轉角度信息;自動防扭控制器，接收SDS反饋的吊具旋轉信息及其他狀態(tài)，通過相應的控制算法來控制電機調節(jié)速度和方向，控制前大梁滾珠絲杠的移動，從而調整上架鋼絲繩的相對長度，從而實現(xiàn)吊具動態(tài)防扭補償?shù)哪康?。自動化岸橋負載自動防扭系統(tǒng)將更好的操作體驗、更智能的應用發(fā)展方向發(fā)展，將更進一步優(yōu)化岸橋遠控作業(yè)能力。

參考文獻：

[1]李奇，韓浩.岸橋新型遠程操控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].港口裝卸，2015（3）：8-10.

[2]中國港口協(xié)會.岸邊集裝箱起重機遠程控制系統(tǒng)技術條件：T/CPHA 1-2018[S].

作者簡介：劉廣昭（1992—），男，河北獻縣人，本科，初級，研究方向：港口自動化。