一種門座起重機(jī)自動(dòng)化作業(yè)控制系統(tǒng)

許鎮(zhèn)杰

廣州港工程管理有限公司

1 引言

門座起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱門機(jī))通用性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)性高，可配合吊鉤、抓斗以及集裝箱吊具完成多種貨物裝卸工作，廣泛應(yīng)用于港口生產(chǎn)作業(yè)。然而門機(jī)自動(dòng)化作業(yè)水平低、高強(qiáng)度人工作業(yè)以及操作不規(guī)范等因素，易導(dǎo)致駕駛員身體健康受損、貨物灑漏、環(huán)境污染等問題。

結(jié)合散雜貨港口工作環(huán)境及自動(dòng)化作業(yè)功能需求，從起重機(jī)定位、安全防護(hù)、遠(yuǎn)程控制角度出發(fā)，完成門機(jī)自動(dòng)化作業(yè)方案的設(shè)計(jì)，可監(jiān)測(cè)管理散雜貨港口多臺(tái)門機(jī)，對(duì)加快散雜貨港口自動(dòng)化發(fā)展具有一定意義。

2 自動(dòng)化作業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

常規(guī)門機(jī)需要通過駕駛員對(duì)貨物種類形狀及貨物在裝卸過程中起重機(jī)的起升高度、變幅幅度、回轉(zhuǎn)角度進(jìn)行人工判斷。為提高門機(jī)裝卸效率，推進(jìn)智能港口的建設(shè)，根據(jù)散雜貨港口門機(jī)工況和設(shè)備特點(diǎn)，主要實(shí)現(xiàn)門機(jī)自動(dòng)作業(yè)及半自動(dòng)化作業(yè)兩大功能，并以此為基礎(chǔ)詳細(xì)介紹半自動(dòng)化作業(yè)、自動(dòng)化作業(yè)及遠(yuǎn)程控制作業(yè)的工作流程及系統(tǒng)配置方案。

2.1 半自動(dòng)化作業(yè)控制系統(tǒng)功能要求

門機(jī)在半自動(dòng)化作業(yè)時(shí)，由駕駛員手動(dòng)標(biāo)定起升安全高度和料斗位置，起重機(jī)主機(jī)控制系統(tǒng)記錄相應(yīng)位置信息，同時(shí)駕駛員通過主令手柄手動(dòng)選擇取料點(diǎn)并控制吊具落到物料上，然后選擇半自動(dòng)控制模式，此時(shí)半自動(dòng)控制系統(tǒng)控制起升、變幅和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)行，平穩(wěn)地將吊具移動(dòng)至目標(biāo)位置上方并自動(dòng)進(jìn)行吊具下放、歸位控制。此外，為保證作業(yè)安全，半自動(dòng)作業(yè)下駕駛員可隨時(shí)手動(dòng)介入起重機(jī)控制，當(dāng)起重機(jī)主機(jī)控制系統(tǒng)檢測(cè)到駕駛員手動(dòng)介入時(shí)立即解除半自動(dòng)化作業(yè)模式，進(jìn)入到手動(dòng)操作模式。

2.2 自動(dòng)化作業(yè)控制系統(tǒng)功能要求

傳統(tǒng)門機(jī)通過增配吊具防搖定位系統(tǒng)、行走定位系統(tǒng)、安全防撞系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)門機(jī)自動(dòng)化作業(yè)。門機(jī)在自動(dòng)化作業(yè)時(shí)，駕駛員在中控室可以通過觸摸屏界面上選定作業(yè)船舶型號(hào)、作業(yè)物料代號(hào)、作業(yè)目標(biāo)量、裝卸場(chǎng)地等信息，使起重機(jī)可按照指定的作業(yè)量，在裝料船只和卸料位置間往復(fù)自動(dòng)作業(yè)，或通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)門機(jī)必要作業(yè)區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

為滿足門機(jī)自動(dòng)化控制的需求，除主機(jī)電氣控制系統(tǒng)外，起重機(jī)還配置1臺(tái)自動(dòng)化控制柜，用于獲取各機(jī)構(gòu)位姿以實(shí)現(xiàn)防撞、防搖等功能。該自動(dòng)化控制系統(tǒng)與主機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

2.3 遠(yuǎn)程作業(yè)控制系統(tǒng)功能要求

門機(jī)的電氣控制系統(tǒng)可與碼頭控制系統(tǒng)相互兼容，并需提供至少以下2種接入方式到碼頭控制系統(tǒng)，使遠(yuǎn)程作業(yè)控制系統(tǒng)與半自動(dòng)作業(yè)控制系統(tǒng)相互配合：

(1)通過硬線方式就近接入到轉(zhuǎn)運(yùn)站現(xiàn)場(chǎng)PLC分站，具體信號(hào)點(diǎn)根據(jù)最終調(diào)試需求以及散雜貨港口需求進(jìn)行調(diào)整。

(2)通過單模光纖或無線傳輸裝置接入到碼頭控制系統(tǒng)，與碼頭控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

此外，駕駛員可利用中控室遠(yuǎn)程操作臺(tái)進(jìn)行一對(duì)一遠(yuǎn)控作業(yè)。遠(yuǎn)程操作臺(tái)上布置了遠(yuǎn)程操作所需的按鈕、操作手柄、顯示屏、語(yǔ)音通話設(shè)備以及其他配件。遠(yuǎn)程操作臺(tái)具有以下基本功能：

(1)遠(yuǎn)程操作臺(tái)所采用的手柄、按鈕、觸摸屏等符合工業(yè)控制的等級(jí)要求。操作臺(tái)的高度合適，并可根據(jù)操作人員需求調(diào)整，各操作部件及顯示屏幕的布置要緊湊，并且便于駕駛員操作，符合長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)作業(yè)需要。

(2)遠(yuǎn)程操作臺(tái)上設(shè)置有急停按鈕，當(dāng)出現(xiàn)特殊情況時(shí)，能立即停止門機(jī)所有動(dòng)作，進(jìn)入鎖定狀態(tài)等待人工干預(yù)。

(3)遠(yuǎn)程操作臺(tái)配置UPS(Uninterruptible Power Supply,不間斷電源)，當(dāng)供電電源突然斷電時(shí)，UPS可持續(xù)為中控室供電，使操作員能夠完成當(dāng)前作業(yè)指令并停機(jī)，保存當(dāng)前數(shù)據(jù)。

(4)遠(yuǎn)程操作臺(tái)配置可在空閑時(shí)選擇脫機(jī)，脫離工作狀態(tài)。

2.4 散雜貨港口作業(yè)環(huán)境及設(shè)計(jì)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

門機(jī)自動(dòng)化作業(yè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、安裝和施工工藝均應(yīng)滿足港口所在地氣候及環(huán)境條件的特點(diǎn)，所有的控制箱/柜、低壓元器件均符合現(xiàn)場(chǎng)的防腐、防塵、防雷電、防漏電、防暴雨、防臺(tái)風(fēng)等的要求。門機(jī)自動(dòng)化作業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 門機(jī)自動(dòng)化作業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

3 自動(dòng)化作業(yè)控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 定位系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)散雜貨碼頭多臺(tái)門機(jī)自動(dòng)化作業(yè)要求，需在起重機(jī)主要機(jī)構(gòu)配置定位檢測(cè)系統(tǒng)，單門機(jī)定位系統(tǒng)硬件配置見表2。

表2 單門機(jī)定位系統(tǒng)硬件配置

(1)起升機(jī)構(gòu)定位檢測(cè)：裝配絕對(duì)值編碼器、增量型編碼器以實(shí)現(xiàn)對(duì)起升高度距離的計(jì)算。

(2)變幅機(jī)構(gòu)定位檢測(cè)：裝配絕對(duì)值編碼器、增量型編碼器以實(shí)現(xiàn)對(duì)變幅角度的計(jì)算，并在臂架鉸點(diǎn)處安裝傾角傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)變幅角度數(shù)據(jù)的校驗(yàn)。

(3)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)定位檢測(cè)：裝配絕對(duì)值編碼器、增量型編碼器以實(shí)現(xiàn)對(duì)回轉(zhuǎn)角度的計(jì)算，通過接近開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)絕對(duì)值編碼器的零位校正。

(4)行走機(jī)構(gòu)定位檢測(cè)：裝配絕對(duì)值編碼器以實(shí)現(xiàn)對(duì)起重機(jī)行走位置的計(jì)算，利用RFID磁釘實(shí)現(xiàn)對(duì)絕對(duì)值編碼器數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)。裝配北斗差分定位系統(tǒng)裝置輔助行走機(jī)構(gòu)定位檢測(cè)，北斗差分定位系統(tǒng)由起重機(jī)上安裝的移動(dòng)站、港口固定位置的地面基站、中控室后臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器及上位機(jī)終端操作系統(tǒng)組成(見圖1)。移動(dòng)基站用于獲取行走機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)，采集單機(jī)行走位置及速度信息；地面基站提供精度校正功能，共享多臺(tái)起重機(jī)行走定位。

圖1 北斗差分定位系統(tǒng)框圖

(5)激光掃描技術(shù)：通過裝配激光掃描儀實(shí)時(shí)掃描建模系統(tǒng)識(shí)別貨垛形狀、貨位高低、船舶艙口位置，以設(shè)定裝卸料位置的坐標(biāo)；三位圖像處理軟件負(fù)責(zé)整合、計(jì)算掃描儀采集到的數(shù)據(jù)，從而形成三維圖像，實(shí)時(shí)監(jiān)控門機(jī)自動(dòng)化作業(yè)。

3.2 安全防護(hù)系統(tǒng)

3.2.1 防撞系統(tǒng)

行走機(jī)構(gòu)防撞系統(tǒng)設(shè)為三級(jí)防護(hù)，依次為減速、停止、極限限位，信號(hào)接入起重機(jī)主機(jī)電氣控制系統(tǒng)中，當(dāng)檢測(cè)到障礙物時(shí)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)減速停車，語(yǔ)音提示軌道附近的人員和車輛離開軌道走行區(qū)域，同時(shí)在中控室顯示屏顯示故障報(bào)警并進(jìn)行閉鎖保護(hù)。此外，還可在行走機(jī)構(gòu)前后方向安裝攝像頭及毫米波雷達(dá)裝置，擴(kuò)大監(jiān)測(cè)范圍，以防止外來人員或車輛誤闖起重機(jī)行走區(qū)域。

臂架防撞系統(tǒng)，主要依托各機(jī)的精準(zhǔn)定位和準(zhǔn)確的位姿獲取，通過軟件算法實(shí)現(xiàn)。在港口空間有限情況下，起重機(jī)臂架前端兩側(cè)之間存在重合區(qū)域易造成碰撞風(fēng)險(xiǎn)(見圖2)。

圖2 臂架重合區(qū)域分析

該臂架防撞設(shè)為兩級(jí)防護(hù)，第一級(jí)為基于傳感器的防碰撞系統(tǒng)，第二級(jí)為基于機(jī)器視覺的防碰撞預(yù)測(cè)系統(tǒng)。

基于傳感器的防撞系統(tǒng)，主要由導(dǎo)軌式測(cè)距儀、傾角傳感器、回轉(zhuǎn)定位模塊及其校準(zhǔn)模塊等構(gòu)成。為檢測(cè)臂架兩側(cè)有無障礙物及障礙物的距離，各門機(jī)將本機(jī)的行走機(jī)構(gòu)位置、變幅幅度、回轉(zhuǎn)角度等數(shù)據(jù)發(fā)送到防撞系統(tǒng)微控制單元，即MCU芯片，從而建立各門機(jī)運(yùn)動(dòng)模型，計(jì)算相鄰門機(jī)之間的運(yùn)動(dòng)范圍，并判斷出臂架之間是否會(huì)存在作業(yè)區(qū)域重疊。若存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)，則防撞系統(tǒng)報(bào)警，并向起重機(jī)主機(jī)電氣控制系統(tǒng)發(fā)送禁止左/右回轉(zhuǎn)指令。

基于機(jī)器視覺防碰撞預(yù)測(cè)系統(tǒng)，主要采用激光掃描儀的動(dòng)態(tài)掃描數(shù)據(jù)，首先建立與臂架識(shí)別測(cè)距相關(guān)的坐標(biāo)系；然后建立與之對(duì)應(yīng)的激光雷達(dá)坐標(biāo)，利用微控制單元進(jìn)行雷達(dá)數(shù)據(jù)處理及傳感器信息融合；最后考慮起重機(jī)工作環(huán)境、駕駛員操作習(xí)慣以及制動(dòng)影響等因素建立安全距離模型，從而形成預(yù)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。

3.2.2 吊具防搖定位系統(tǒng)

當(dāng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，吊具會(huì)產(chǎn)生變幅方向的離心力，導(dǎo)致回轉(zhuǎn)及變幅兩方向上的慣性疊加到一起，大大增加了吊具防搖定位難度，故吊具防搖系統(tǒng)是門機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)的關(guān)鍵。

為了滿足門機(jī)自動(dòng)化作業(yè)對(duì)吊具防搖定位系統(tǒng)精度和實(shí)時(shí)性的要求，采用內(nèi)置防搖定位功能模塊的回轉(zhuǎn)變頻器實(shí)現(xiàn)吊具防搖定位功能，以變頻器防搖控制為基礎(chǔ)，在吊具安裝航姿參考系統(tǒng)模塊，將吊具姿態(tài)角(俯仰角、橫滾角、航向角)、三維加速度、三維角速度實(shí)時(shí)傳輸至起重機(jī)主機(jī)電氣控制系統(tǒng)，在控制程序內(nèi)進(jìn)行吊具運(yùn)動(dòng)分析，使其與變頻器形成閉環(huán)防搖控制[1]。首先利用起升絕對(duì)指編碼器獲取實(shí)時(shí)高度并計(jì)算吊具擺動(dòng)角度，然后通過變幅絕對(duì)值編碼器及回轉(zhuǎn)絕對(duì)值編碼器進(jìn)行角度校準(zhǔn)，最后利用鐘擺原理，通過修改發(fā)給起重機(jī)主機(jī)電氣控制系統(tǒng)的速度命令信號(hào)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)限制擺動(dòng)功能，由此對(duì)吊具進(jìn)行相應(yīng)的加速或減速操作以抵消擺角，使得本系統(tǒng)具備各機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)狀態(tài)下的自動(dòng)防搖功能。

3.2.3 起重機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與健康管理系統(tǒng)

狀態(tài)監(jiān)測(cè)與健康管理系統(tǒng)由各低壓電氣元器件、智能潤(rùn)滑系統(tǒng)、力矩限制器系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警及消防系統(tǒng)等構(gòu)成[2]，各外圍系統(tǒng)可根據(jù)起重機(jī)相應(yīng)結(jié)構(gòu)或功能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲取機(jī)構(gòu)運(yùn)行方向、電機(jī)溫度控制、網(wǎng)絡(luò)通訊等狀態(tài)信息，并通過Profinet DP、以太網(wǎng)、單模光纖或無線傳輸裝置傳輸至門機(jī)主機(jī)PLC系統(tǒng)、CMS管理系統(tǒng)以及中控室RCMS管理系統(tǒng)，從而形成完整的數(shù)據(jù)信息庫(kù)，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、狀態(tài)回放、故障信息收集、故障查詢等管理功能并生成相應(yīng)的文檔信息(見圖3)。

圖3 門機(jī)外圍系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集典型框架圖

4 結(jié)語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)門機(jī)遠(yuǎn)程操作且自動(dòng)化作業(yè)效率達(dá)到人工作業(yè)效率的90%的目標(biāo)，根據(jù)門機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)運(yùn)行、吊具工況等特點(diǎn)，分析了門機(jī)自動(dòng)化作業(yè)控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，為推動(dòng)門機(jī)遠(yuǎn)程自動(dòng)化作業(yè)建設(shè)提供實(shí)踐參考依據(jù)，具有較好的推廣前景。