全自動控制門座式起重機

供稿/南京港機重工制造有限公司 張?？?潘 磊

采編/鄒鐵漢 張韋微

為了適應(yīng)港口散貨裝卸設(shè)備專業(yè)化、大型化、高效化的發(fā)展趨勢,世界各國都在大力研究,應(yīng)用信息化、自動化和智能化技術(shù)來建設(shè)和改造散貨碼頭,南京港機重工制造有限公司通過研制新型散貨裝卸與輸送設(shè)備,研究新型散貨作業(yè)管理與控制系統(tǒng),從而提高企業(yè)的核心競爭力。

門座式起重機在全自動模式下，通過預(yù)置在本機自動化系統(tǒng)PLC中的全自動程序，借助激光掃描系統(tǒng)對船艙口及艙內(nèi)物料的掃描檢測，控制抓斗定點抓取物料，抓取物料后，控制起升、變幅、旋轉(zhuǎn)三機構(gòu)運行，在抓斗移動的過程中，防搖定位系統(tǒng)啟動確保抓斗平穩(wěn)無搖擺，準確到達料斗的上方，在運行的過程中有效避免與船艙、船舷、相鄰門機的碰撞，整個循環(huán)卸料過程中，司機可以不進行干預(yù)。

在清艙作業(yè)的工況下，可以采取半自動模式，由司機手動選擇取料點并控制抓斗落到取料點物料上，然后激活半自動控制，此時半自動控制系統(tǒng)接管起升、變幅和回轉(zhuǎn)機構(gòu)的控制權(quán)，實現(xiàn)抓斗的閉斗、起升、減幅、回轉(zhuǎn)、在料斗上方卸料，然后自動原路返回到船艙的上方。在半自動作業(yè)過程中司機可隨時手動介入控制，半自動控制在檢測到司機手動介入時立即解除。

目標掃描及特征提取

為了實現(xiàn)門機自動化作業(yè)，系統(tǒng)直接對前端激光掃描傳感器獲取的數(shù)據(jù)進行分析，得出作業(yè)的關(guān)鍵信息，控制系統(tǒng)進而直接調(diào)度執(zhí)行機構(gòu)，進行精確的定位、裝卸等操作。

對于貨船來說，通常需要對船體的主要特征進行精確識別和定位，例如船舷高度、艙口位置、物料高度等信息。通過伺服控制器精確控制云臺的旋轉(zhuǎn)角度，利用歐式變換矩陣計算方法，將掃描儀獲得的每一幀掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到全局坐標系下。激光掃描的結(jié)果數(shù)據(jù)經(jīng)過坐標轉(zhuǎn)換、特征提取后，將作為卸船策略的依據(jù)。

安全防碰撞

為了實現(xiàn)散貨碼頭裝卸設(shè)備自動化，需要實時監(jiān)控設(shè)備運行路線上是否存在其他設(shè)備等障礙物，并在有障礙物的情況下自動采取合理的避障措施，以保證安全生產(chǎn)。通過在裝卸設(shè)備相應(yīng)位置安裝直接檢測裝置，如雷達。利用雷達直接監(jiān)控視場范圍內(nèi)的障礙物情況，后臺算法只需簡單處理數(shù)據(jù)，就可將相關(guān)信息直接傳給控制系統(tǒng)，實施防碰撞措施。

抓斗防搖定位技術(shù)

由于門座式起重機有360°旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，在旋轉(zhuǎn)方向上會產(chǎn)生變幅方向的離心力，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)方向上的搖晃與變幅方向上的搖晃疊加到一起，增大了防搖定位難度。為了滿足自動化運行對防搖定位系統(tǒng)精度和實時性的要求，需要通過變頻器對變幅和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)進行實時速度控制，從而消除擺角。為了達到最佳的防搖控制效果，采用最優(yōu)控制、增益調(diào)節(jié)、自適應(yīng)控制、狀態(tài)反饋現(xiàn)代控制方法，建立數(shù)學(xué)模型。通過有效繩長、給定速度、反饋速度等估算出抓斗搖擺角度，從而進行防搖控制，實現(xiàn)抓斗精準定位。

防搖原理系統(tǒng)圖

作業(yè)規(guī)劃算法

根據(jù)艙口范圍和設(shè)定的安全裕度，可以將艙內(nèi)物料分割出來。根據(jù)設(shè)定的執(zhí)行步長，將物料區(qū)域分為M*N的棋盤格，然后對每個棋盤格內(nèi)的點云高度（Z向）進行統(tǒng)計，確定該網(wǎng)格內(nèi)點云的平均高度。初始作業(yè)先執(zhí)行高度優(yōu)先策略，通過判斷網(wǎng)格之間的高度差，選取高點網(wǎng)格進行抓取，直到各網(wǎng)格之間高度差滿足設(shè)定值，判定物料表面基本平整。

判定物料表面基本平整后，按照Z字形取料策略逐層進行取料，3D激光掃描建模系統(tǒng)單次掃描建模后，將單層作業(yè)所有劃分的網(wǎng)格坐標提供給PLC，PLC按照預(yù)設(shè)的取料策略依次到網(wǎng)格取料，單層取完后發(fā)送指令給3D激光掃描建模系統(tǒng)，再次啟動掃描建模，獲取下一層作業(yè)所需網(wǎng)格坐標，以此循環(huán)直至自動作業(yè)結(jié)束。

物料區(qū)域網(wǎng)格劃分示意圖

劃分網(wǎng)格及Z字形取料路徑

全自動門機作業(yè)效率達到熟練司機操作水平的90%以上，改善了司機的工作環(huán)境，大幅降低門機司機勞動強度，極大提升了門機作業(yè)的本質(zhì)安全化水平，為下一步散貨碼頭全流程自動化打下了堅實的基礎(chǔ)。