散糧橋式抓斗卸船機自動化控制系統(tǒng)研究

王云鵬 李書強 劉東輝 韓 旭

青島海西重機有限責任公司 青島 266500

0 引言

糧食作為繼煤炭和礦石之后的第三大散貨貨種，是國家發(fā)展的重要支柱。而運輸糧食是糧食流通的重要環(huán)節(jié)，直接影響著整個物流系統(tǒng)的流通效率和經(jīng)濟效益。當前港口散糧運輸迎來了快速發(fā)展期，這對港口散糧裝卸提出了更高的要求。

目前，散貨卸船機主要有橋式抓斗卸船機、鏈斗卸船機、懸鏈式鏈斗卸船機、氣力卸船機[1]等，其中橋式抓斗卸船機因具有機動性強、易維修等優(yōu)點成為港口散糧裝卸的常用卸船機械。但傳統(tǒng)橋式抓斗卸船作業(yè)需專業(yè)司機在司機室通過底窗觀察作業(yè)情況操控手柄進行抓斗入倉、抓料卸船等一系列操作，存在視覺盲區(qū)，且由于小車帶動抓斗從運行到放下的過程慣性較大，通過人工操作很難精確抓料，同時可能存在抓斗操作過程中碰撞到料艙壁的風險。因此，在滿足卸船工作需要的前提下，如何優(yōu)化抓料卸船作業(yè)流程，降低作業(yè)過程中的風險、提高作業(yè)效率、減輕司機工作強度是港口進行優(yōu)化創(chuàng)新的重要工作之一，也是提升經(jīng)濟效益和橋式抓斗卸船機實施數(shù)字化升級的重要舉措。

本文以橋式抓斗卸船機自動化控制技術(shù)為探討方向，概述了國內(nèi)散糧碼頭卸船機傳統(tǒng)裝卸及作業(yè)方式，詳述橋式抓斗卸船機自動化控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計思路，以期能為我國橋式抓斗卸船機自動化發(fā)展提供一些思路。

1 傳統(tǒng)橋式抓斗卸船機

橋式抓斗卸船機的主要構(gòu)成設(shè)備及機構(gòu)包括起升機構(gòu)、小車機構(gòu)、俯仰機構(gòu)、大車行走機構(gòu)、料斗分料裝置、其他輔助電控系統(tǒng)設(shè)備等。該機型卸船機傳統(tǒng)操作模式為：作業(yè)時，操作人員利用抓斗將船艙內(nèi)的物料抓取出來，起升機構(gòu)將抓取的物料提升至一定高度后，小車牽引至料斗的上方卸料，通過振動給料器完成漏料，再通過推桿電動機控制分料裝置將物料卸到其中一條或指定的帶式輸送機上，帶式輸送機系統(tǒng)將物料傳送至指定的物料堆放處。故橋式抓斗卸船機的卸船能力關(guān)鍵點在于抓斗抓取物料的能力和機構(gòu)運行效率[1]，實際上傳統(tǒng)橋式卸船機抓卸效率受到數(shù)個方面因素的影響：

1）船型、艙口及物料堆放位置 物料在船艙位置的增加操作難度，操作人員無法準確判斷適宜的抓取方式，頻繁發(fā)生抓取貨物過多/過少以及碰撞現(xiàn)象。

2）抓斗擺動滯后性 由于小車與抓斗之間采用柔性連接，使抓斗運動具有滯后性，增加了無效工作時間[2，3]。此外，以上因素也是造成操作員培養(yǎng)周期長、機構(gòu)損傷的主要原因。鑒于傳統(tǒng)橋式卸船機受多因素影響的情況，且近年起重機自動化技術(shù)高速發(fā)展，可通過優(yōu)化完善卸船機電氣控制系統(tǒng)來解決傳統(tǒng)卸船機使用過程中出現(xiàn)的問題，提高卸船機的作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量。

2 橋式抓斗卸船機自動化系統(tǒng)

2.1 卸船機自動化系統(tǒng)設(shè)計思路

為有效提高糧食裝卸效率，減少設(shè)備操作人員配置，降低勞動強度和人工成本，提高卸船機管理智能化水平，橋式抓斗卸船機全自動系統(tǒng)主要包括以下子系統(tǒng)。

1）智能定位及船艙掃描系統(tǒng) 通過加裝位置傳感器實現(xiàn)卸船機各主要運動機構(gòu)的精確定位，完成抓取動作的精確性；通過激光掃描系統(tǒng)建立船艙的三維數(shù)據(jù)及多點定位技術(shù)獲取空間定位數(shù)據(jù)，形成船艙糧食堆塊模型；根據(jù)糧食堆塊模型，結(jié)合模型數(shù)據(jù)研究最佳自動卸料過程，優(yōu)化過程操作。

2）自動抓取路徑策略 綜合考慮糧食卸船的實際需求和操作工人的實際經(jīng)驗，研究適合常規(guī)糧食卸船的全自動抓、放料的路徑優(yōu)化策略，以提高裝卸效率。

3）遠程視頻安全監(jiān)控系統(tǒng) 通過在合適的位置合理設(shè)計布置監(jiān)控攝像頭，給遠控司機提供足夠的操作觀察視角，與主控系統(tǒng)實現(xiàn)交互以滿足生產(chǎn)、監(jiān)控、存儲需求。

2.1 卸船機自動化系統(tǒng)框架

卸船機自動化系統(tǒng)主要包括驅(qū)動機構(gòu)的定位、船舶和物料信息采集處理、視頻監(jiān)控、自動控制、安全防護等，其系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 卸船機自動化系統(tǒng)框架圖

1）驅(qū)動機構(gòu)定位 通過編碼器、測距等完成位置計算實現(xiàn)定位，主要包括起升機構(gòu)、小車機構(gòu)、大車機構(gòu)以及司機室定位。

2）船舶、物料信息采集 通過掃描儀、攝像頭進行數(shù)據(jù)信息采集并進行處理分析，主要有卸船機的狀態(tài)信息（CMS系統(tǒng)）、船型掃描、3D成像。

3）視頻監(jiān)控 負責卸船機各機構(gòu)在運行過程中安全狀態(tài)的監(jiān)控。

4）自動控制 通過信息采集及處理，結(jié)合控制策略完成自動控制動作和路徑優(yōu)化。主要包括機構(gòu)自動定位控制、抓斗姿態(tài)控制、路徑優(yōu)化等。

5）安全防護 根據(jù)定位信息、姿態(tài)等信息，完成安全校驗和姿態(tài)控制，確保自動化運行過程中的安全性，主要有大梁防撞、大車防撞、抓斗防撞等。

2.3 卸船機自動化系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 自動定位系統(tǒng)

橋式抓斗卸船機自動定位技術(shù)主要依靠絕對值編碼器、線性編碼器、雷達以及激光測距等，卸船機通過在起升機構(gòu)、小車機構(gòu)、大車機構(gòu)以及司機室配置絕對值編碼器，并由絕對值編碼器提前測算規(guī)劃出目標位置，從而計算出各機構(gòu)的運行速度及加減速時間，最終實現(xiàn)卸船機的平穩(wěn)定位。而自動定位技術(shù)應(yīng)注意以下要點：

1）主機構(gòu)絕對值編碼器安裝位置 起升機構(gòu)在卷筒端部安裝U-ONE絕對值編碼器，該編碼器具有較強的抗干擾能力，其精密設(shè)計在很大程度上提高了工作過程中機構(gòu)運行的可靠性以及運行位置的精確定位。

大車機構(gòu)、小車機構(gòu)和司機室絕對值編碼器可安裝在驅(qū)動輪上或驅(qū)動輪電動機端部，但后者安裝方式需要注意齒輪比。也可采用線性編碼器、激光測距或磁釘定位方式，如圖2、圖3分別是絕對值編碼器的實物以及在卸船機中的位置。

圖2 絕對值編碼器形式

圖3 絕對值編碼器安裝形式

為解決絕對值編碼器計數(shù)偏差問題，本文在大車機構(gòu)安裝激光測距儀用于實時校驗大車的行進位置，在小車及司機室的關(guān)鍵位置配置校正限位，通過校正限位進行校正、糾偏以降低自動定位系統(tǒng)的誤差。

2）抓斗位置及姿態(tài)的檢測 在小車帶動抓斗運行至物料準確位置后，為了減少抓斗的晃動和偏離角度，提高作業(yè)效率，還需完成抓斗位置及姿態(tài)的檢測。在卸船機司機室的底部安裝2臺帶激光的雷達和高清攝像頭，用于對抓斗的實時掃描和識別，并結(jié)合小車絕對值編碼器測算出抓斗的位置。同時在司機室底部安裝1臺高清攝像頭，對抓斗運行狀態(tài)進行連續(xù)的抓拍，將抓拍的實時數(shù)據(jù)傳輸至后臺進行數(shù)據(jù)、圖像的處理，進而完成對抓斗姿態(tài)和位置的分析。及時糾正抓斗作業(yè)過程中的偏離角度，通過數(shù)據(jù)反饋形成閉環(huán)控制，減少抓斗晃動，從而避免抓斗在作業(yè)過程中出現(xiàn)與船艙碰撞的情況。

2.3.2 掃描系統(tǒng)

1）船艙掃描系統(tǒng) 船型掃描系統(tǒng)主要由三維激光掃描儀、數(shù)據(jù)采集控制器等構(gòu)成。司機室底部安裝激光掃描儀并對船艙口和艙內(nèi)物料進行掃描，利用掃描儀和大數(shù)據(jù)處理對司機室位置建立位置坐標系，計算得出船艙口及物料位置信息，由后臺軟件對計算數(shù)據(jù)進行仿真處理，形成艙口、料堆的三維圖像（如圖4所示）。同時由防搖系統(tǒng)的輔助配合對抓料區(qū)域進行安全、精準定位。

圖4 船艙和物料實物以及船型掃描圖像

坐標系建立作為船型掃描系統(tǒng)的基礎(chǔ)，獲取足夠的位置信息是建立坐標系的前提，掃描儀獲取的數(shù)據(jù)信息包括以下位置：

①船艙位置 呈方形框的部分為掃描儀得到的船艙口位置，包括艙口邊緣上的點與艙口四角頂點，內(nèi)部底層部分為艙內(nèi)物料分布情況。

②船艙邊緣 船型掃描系統(tǒng)應(yīng)同時帶有船艙邊緣檢測的功能，能識別和區(qū)分船艙艙蓋開啟、關(guān)閉或部分開啟的狀態(tài)，以及計算出船舶的傾斜角度。通過船艙邊緣檢測的功能，中控室操作人員可準確判斷出船艙口與物料的位置，從而操控抓斗精確抓取物料。工作效率得到了保證，同時降低了現(xiàn)場作業(yè)人員工作強度，減少生產(chǎn)管理過程中產(chǎn)生的成本，明顯提升了自動化水平和卸船機的卸船效率。

數(shù)據(jù)采集控制器負責采集、存儲船型、天氣等數(shù)據(jù)信息，記錄風力和風向?qū)Υ摶蝿拥挠绊?。同時根據(jù)不同的船型和天氣情況，從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取不同的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集控制器主要由智能三維數(shù)據(jù)采集和處理軟件完成，軟件中的成像服務(wù)器用于收集、處理云數(shù)據(jù)，并生成3D圖像。智能三維掃描數(shù)據(jù)采集和處理軟件可自動計算出最佳抓料點，通過采集獲取船艙及物料點的信息，計算出相應(yīng)位置；將位置信息及3D圖像的基本信息傳遞給主控PLC，并將該動作轉(zhuǎn)化為PLC的控制指令。數(shù)據(jù)采集處理、三維成像系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)實時傳輸交換，進而讓小車帶動抓斗平穩(wěn)、精確運行至最佳抓取物料位置并完成抓料卸船作業(yè)。

2）料斗掃描系統(tǒng) 料斗是橋式卸船機流通物料的重要組成部分，料斗內(nèi)物料的流動狀態(tài)直接影響帶式輸送機和抓斗工作效率，為及時判別料斗是否存在堵料情況，本文在料斗及帶式輸送機上加裝超聲波傳感器及攝像頭以實時觀察物料流通狀態(tài)及聯(lián)鎖保護。

2.3.3 遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)

遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)在卸船機運行過程中也起到至關(guān)重要的輔助作用，視頻監(jiān)控系統(tǒng)在卸船機上不同監(jiān)控點位安裝的攝像頭，用于觀察各個監(jiān)控點位的工作狀態(tài)和周圍環(huán)境以實現(xiàn)視頻監(jiān)控全面覆蓋，且視頻監(jiān)控信息均通過光纖或無線通訊的形式傳輸?shù)街锌厥曳?wù)器，并在中控室設(shè)置多臺視頻監(jiān)控顯示器進行多方位顯示，以便于操作人員依靠視頻圖像獲取現(xiàn)場的實時信息。此外，在中控室遠程操作臺設(shè)置視頻控制主令，用于縮放攝像畫面對現(xiàn)場環(huán)境精準捕捉。

2.3.4 自動抓取、路徑優(yōu)化策略

自動抓取路徑策略，根據(jù)船型掃描系統(tǒng)的艙內(nèi)掃描數(shù)據(jù)建立有效物料分布區(qū)域的矩陣數(shù)據(jù)模型；將船艙中心位置作為初始抓取選擇點，系統(tǒng)以步進的方式驅(qū)動小車逐步向海陸側(cè)移動；將船艙物料根據(jù)高度數(shù)據(jù)進行分層處理，在當前抓斗高度下，系統(tǒng)以分層分列分點順序進行步進抓取；將物料表最上層作為初始抓取點選擇層，在當前小車方向上，系統(tǒng)根據(jù)抓斗的尺寸預(yù)設(shè)若干抓取點進行抓取，當物料分布平均高度小于某個閾值的點，系統(tǒng)驅(qū)動大車移動，換一列繼續(xù)抓斗工作，直至該層所有輪廓高度皆小于初始高度的閾值[4，5]。

抓斗由船艙口中央進入艙口，降落到選擇好的抓取點，抓取料完成后從船艙口中央上升出艙口，確保安全的前提下以弧線最優(yōu)路徑完成起升小車行走、卸料、返回整個路徑過程，再進行下一次的抓取循環(huán)，抓斗離開船艙口后以最優(yōu)路徑實現(xiàn)悠斗飛行卸料到料斗并重新返回船艙，從而大大提高卸船效率，如圖5所示。

圖5 抓斗抓料路徑

2.3.5 安全防護

橋式抓斗卸船機主要包括電動機、制動器、變壓器、開關(guān)柜、驅(qū)動柜等重要設(shè)備，因此本文還利用斷路器、繼電器等電氣元器件與重要電氣設(shè)備建立聯(lián)鎖關(guān)系以形成安全保護回路。

此外，還通過在關(guān)鍵位置布置機械限位建立極限保護以防止電氣聯(lián)鎖保護失效。機械限位布置為：

1）起升機構(gòu)和俯仰機構(gòu) 在卷筒端部安裝凸輪限位，根據(jù)機型設(shè)計對凸輪限位進行標定以實現(xiàn)起升/俯仰機構(gòu)的減速、停止、極限保護。

2）行走機構(gòu) 在前部大梁兩側(cè)和行走方向臺車上安裝激光掃描儀，通過激光檢測大梁和行走前方物體，當物體進入激光掃描儀的安全區(qū)域時觸發(fā)報警信號，電控系統(tǒng)報警提示操作員減速或停止運行，確保運行過程中與船舶保持安全距離，以及避免行走路徑上發(fā)生碰撞。

3 結(jié)語

本文簡述了散糧碼頭傳統(tǒng)橋式抓斗卸船機的機構(gòu)組成及工作狀態(tài)，基于傳統(tǒng)橋式抓斗卸船機探討了卸船機自動化控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，主要包括自動定位系統(tǒng)、船型掃描系統(tǒng)、遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計以及自動抓取、路徑優(yōu)化策略的研究。橋式抓斗卸船機自動化控制系統(tǒng)可有效提升設(shè)備的工作效率，節(jié)約了船舶在港口停留的時間，同時也節(jié)約了人力、物力等資源，改善了操作人員的工作環(huán)境。