門座起重機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)中的安全防護(hù)技術(shù)

趙耀銘 黃 燦

1 招商局集團(tuán)有限公司 2 深圳赤灣港口發(fā)展有限公司

1 引言

門座起重機(jī)(以下簡稱門機(jī))適用于多種散雜貨物料的裝卸作業(yè)，通用性強(qiáng)，在散雜貨碼頭應(yīng)用廣泛。目前，港口門機(jī)存在自動(dòng)化程度偏低的問題，司機(jī)在碼頭前沿操作時(shí)，工作環(huán)境差、工作強(qiáng)度大、易疲勞，從而導(dǎo)致判斷力下降或操作不規(guī)范，引發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)[1]。因此，應(yīng)用門機(jī)安全防護(hù)技術(shù)，解決人工作業(yè)時(shí)存在的抓斗碰撞、物料灑漏等問題，減少人為因素造成的安全風(fēng)險(xiǎn)，提升門機(jī)作業(yè)的安全性，是散雜貨港口面臨的重要課題。

2 門機(jī)安全防護(hù)技術(shù)

針對門機(jī)存在的安全風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)用多種安全防護(hù)技術(shù)對門機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化改造，可以達(dá)到減少人為因素風(fēng)險(xiǎn)、提高作業(yè)安全性的目的。

2.1 抓斗防搖與定位

在操作過程中，抓斗從一個(gè)位置運(yùn)行到另一個(gè)位置時(shí)，由于慣性、風(fēng)力等因素會(huì)出現(xiàn)搖擺，如果不加以控制，抓斗就無法準(zhǔn)確停止在指定位置。此外，由于司機(jī)操作的熟練程度不同，抓斗追鉤操作和對斗操作效果存在較大差異，一旦司機(jī)注意力不集中或是熟練程度不足，將導(dǎo)致抓斗擺幅過大，難以準(zhǔn)確定位，極易造成抓斗與料斗、船艙蓋板、船艙壁的碰撞，甚至發(fā)生更為嚴(yán)重的安全事故。

為解決抓斗搖擺問題，需要對門機(jī)的各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝位置檢測裝置，實(shí)時(shí)獲取運(yùn)行中各機(jī)構(gòu)的位置、速度等信息。依據(jù)輸入的信息，結(jié)合環(huán)境因素，對系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算和預(yù)測，結(jié)合目標(biāo)點(diǎn)的位置信息，生成相應(yīng)的作業(yè)指令，控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)防搖和定位。

抓斗防搖的目的是消除抓斗運(yùn)動(dòng)時(shí)的搖擺角度。由于角度計(jì)算只有等效繩長這一個(gè)外部變量，所以測得精準(zhǔn)的繩長是必要的前提條件，通過加速度和力矩對角度進(jìn)行估算，再改變加速度去補(bǔ)償這個(gè)角度。

門機(jī)有360°水平回轉(zhuǎn)功能，在旋轉(zhuǎn)操作中抓斗會(huì)產(chǎn)生離心力和切向力，這2個(gè)力將導(dǎo)致多向搖晃，增大防搖定位難度。通過電機(jī)變頻器對變幅和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)速度控制，消除擺角以滿足自動(dòng)化運(yùn)行時(shí)對防搖定位系統(tǒng)的精確定位。為此，可以在變頻器內(nèi)置防搖定位功能模塊，實(shí)現(xiàn)各機(jī)構(gòu)在聯(lián)動(dòng)狀態(tài)下的自動(dòng)防搖功能。

2.2 區(qū)域防撞

區(qū)域防撞主要基于各相鄰作業(yè)門機(jī)的精準(zhǔn)定位和準(zhǔn)確位置信息，通過系統(tǒng)算法來實(shí)現(xiàn)。各門機(jī)將本機(jī)的大車位置、變幅幅度、回轉(zhuǎn)角度傳送到相鄰門機(jī)，系統(tǒng)將計(jì)算本機(jī)與相鄰門機(jī)的運(yùn)動(dòng)范圍，從而判斷是否存在作業(yè)軌跡疊加風(fēng)險(xiǎn)。如果判斷是，則系統(tǒng)報(bào)警，并向本機(jī)PLC發(fā)送指令，禁止回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)向可能發(fā)生碰撞的方向回轉(zhuǎn)。

相鄰門機(jī)之間的碰撞發(fā)生在門機(jī)的交集空間內(nèi)，其碰撞方式為門機(jī)臂架與臂架間的碰撞以及臂架和機(jī)身的碰撞，因此交集區(qū)包含臂架之間和臂架與機(jī)身之間?？傮w的防撞策略是交集區(qū)只允許1臺(tái)門機(jī)進(jìn)入。如圖1所示，根據(jù)2座門機(jī)當(dāng)前狀態(tài)，能得到可能發(fā)生碰撞的區(qū)域?yàn)?個(gè)扇形重合的位置，即陰影部分，如果其中一臺(tái)門機(jī)進(jìn)入該區(qū)域，則另一臺(tái)停機(jī)等待。

圖1 區(qū)域防撞示意圖

2.3 主動(dòng)檢測防撞

通過編碼器或其他設(shè)備獲取門機(jī)的位置信息和運(yùn)動(dòng)趨勢，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出門機(jī)臂架的保護(hù)區(qū)域，并利用激光掃描儀獲取臂架周圍的障礙物位置信息，如果障礙物在臂架的保護(hù)區(qū)域內(nèi)，則系統(tǒng)判斷有碰撞的可能。

在門機(jī)的臂架兩側(cè)各安裝1臺(tái)激光掃描云臺(tái)，對臂架兩側(cè)固定區(qū)域掃描。掃描儀的垂直視場角為180°，云臺(tái)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)使水平視場角可達(dá)到任意角度，掃描儀的掃描面垂直于地面，安裝掃描儀的云臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸垂直于地面。門機(jī)全自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，云臺(tái)根據(jù)門機(jī)的回轉(zhuǎn)速度實(shí)時(shí)調(diào)整掃描方向和掃描區(qū)域?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)非運(yùn)行狀態(tài)下，激光掃描云臺(tái)的掃描面平行于臂架方向，對正前方區(qū)域進(jìn)行掃描?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以最高速向右方回轉(zhuǎn)時(shí)，右側(cè)激光掃描云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)到預(yù)先設(shè)置的最大角度，一旦檢測到障礙物，激光掃描儀自動(dòng)生成報(bào)警信息，并通過以太網(wǎng)接口將報(bào)警信號(hào)發(fā)送給本機(jī)PLC，使回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速停車。當(dāng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)反向回轉(zhuǎn)時(shí)，左側(cè)激光激光掃描云臺(tái)以同樣的方式進(jìn)行安全防護(hù)。

以門機(jī)回轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針為例，掃描儀的掃描面垂直于地面，根據(jù)實(shí)際回轉(zhuǎn)速度，掃描儀掃描面自動(dòng)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度。在當(dāng)前位置，獲取掃描儀掃描范圍內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。以門機(jī)臂架、象鼻梁、鋼絲繩、抓斗和掃描儀掃描面組成一個(gè)保護(hù)區(qū)域，統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)云個(gè)數(shù)?？紤]到掃描儀受到干擾會(huì)出現(xiàn)雜點(diǎn)，因此對點(diǎn)云個(gè)數(shù)設(shè)定一個(gè)臨界值，若點(diǎn)云個(gè)數(shù)小于這個(gè)設(shè)定的臨界值，則認(rèn)為保護(hù)區(qū)域內(nèi)是沒有障礙物的，系統(tǒng)正常運(yùn)行；若點(diǎn)云個(gè)數(shù)大于這個(gè)設(shè)定的臨界值，則認(rèn)為防護(hù)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)障礙物，此時(shí)觸發(fā)防撞報(bào)警，并將報(bào)警信號(hào)發(fā)送給PLC，控制門機(jī)停止運(yùn)行。這個(gè)保護(hù)區(qū)域考慮了不同回轉(zhuǎn)速度下的停機(jī)時(shí)間，確保門機(jī)能及時(shí)停機(jī)。

2.4 大車行走防撞

行走機(jī)構(gòu)安裝4套激光掃描儀，可實(shí)現(xiàn)對大車行走方向上人或障礙物的識(shí)別，避免發(fā)生碰撞事故。激光信號(hào)接入PLC系統(tǒng)，可以檢測14 m距離內(nèi)的障礙物，當(dāng)檢測到障礙物時(shí)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)減速停車。

大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)防撞保護(hù)需滿足如下要求。

(1)大車前進(jìn)方向的跑道上有障礙物時(shí)，距14 m時(shí)可檢測到障礙物，距離12 m位置開始減速停車，距離小于6 m時(shí)緊急停車。原大車運(yùn)行方向禁止運(yùn)行(或減速動(dòng)作)，停止信號(hào)動(dòng)作后PLC系統(tǒng)可靠自鎖，不會(huì)自動(dòng)復(fù)位，遠(yuǎn)控室故障顯示屏有故障報(bào)警。

(2)激光掃描儀實(shí)時(shí)檢測設(shè)備工作狀態(tài)，設(shè)備自檢正常時(shí)，設(shè)備會(huì)輸出就緒信息，否則輸出故障報(bào)警信號(hào)。

(3)距離掃描儀透光罩5 cm內(nèi)，如果有物體存在，會(huì)引起設(shè)備遮擋報(bào)警，并觸發(fā)區(qū)域檢測功能輸出區(qū)域檢測報(bào)警信號(hào)。

(4)區(qū)域檢測無報(bào)警時(shí)輸出高電平，有報(bào)警時(shí)輸出低電平，如果掃描儀與控制系統(tǒng)的連接線路出現(xiàn)故障斷線或者接觸不良時(shí)，控制系統(tǒng)因檢測不到高電平觸發(fā)報(bào)警急停動(dòng)作。

2.5 防侵入保護(hù)

門機(jī)作為大型的工程機(jī)械裝備，其作業(yè)范圍廣，輔助人員多，需要保證碼頭面上人員安全，因此應(yīng)用視覺識(shí)別技術(shù)，通過大量現(xiàn)場樣本進(jìn)行自學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)對警戒區(qū)域內(nèi)人員的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)識(shí)別[2]。

在門機(jī)上合適位置安裝1臺(tái)警戒攝像機(jī)(球型機(jī))，攝像頭識(shí)別作業(yè)區(qū)域，并根據(jù)相關(guān)防侵入策略自動(dòng)劃定警戒區(qū)域。對警戒區(qū)域內(nèi)人員進(jìn)行識(shí)別(包括動(dòng)態(tài)和靜態(tài)識(shí)別)，只有當(dāng)警戒區(qū)域內(nèi)沒有人員時(shí)，抓斗才可以進(jìn)行卸料流程，否則等待。

通過圖像特征檢測的方式檢測出警戒區(qū)域內(nèi)的人員。當(dāng)有人員進(jìn)入或出現(xiàn)在警戒區(qū)域內(nèi)時(shí)，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。由于本方案采用的是視頻圖像處理技術(shù)，實(shí)際報(bào)警時(shí)，是人的二維目標(biāo)進(jìn)入或出現(xiàn)在設(shè)定的警戒區(qū)域中，既定目標(biāo)部分進(jìn)入或出現(xiàn)在警戒區(qū)域中也會(huì)觸發(fā)報(bào)警。

當(dāng)出現(xiàn)入侵報(bào)警時(shí)，暫停當(dāng)前作業(yè)。有2種具體情況：①抓斗在卸料點(diǎn)(料斗)上方準(zhǔn)備開斗卸料時(shí)，觸發(fā)防入侵報(bào)警，此時(shí)禁止開斗卸料，等到報(bào)警解除后自動(dòng)繼續(xù)之前的作業(yè)流程；②在開斗卸料過程中，觸發(fā)防入侵報(bào)警，則立即閉斗停止卸料，等到報(bào)警解除后自動(dòng)繼續(xù)之前的作業(yè)流程。

3 結(jié)語

基于該方案對深圳西部某港2臺(tái)25 t-35 m門座起重機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化控制系統(tǒng)改造。經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐表明，通過抓斗防搖定位、區(qū)域防撞、主動(dòng)檢測防撞、大車防撞和防入侵保護(hù)等技術(shù)的應(yīng)用，建立了一套完善的安全防護(hù)系統(tǒng)，有效提升了門機(jī)作業(yè)的安全性，消除了大部分人工作業(yè)時(shí)存在的不可控安全風(fēng)險(xiǎn)，使門機(jī)的作業(yè)更加安全可靠。