自動化雙小車岸邊集裝箱起重機(jī)關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新研究

姚勇強

上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司

1 引言

智能化、自動化技術(shù)在港口的應(yīng)用，是建設(shè)現(xiàn)代化港口的重要內(nèi)容。在現(xiàn)代控制理論和智能控制理論基礎(chǔ)上發(fā)展成的系統(tǒng)工程理論，推動著世界主要集裝箱碼頭從傳統(tǒng)人工、半自動化碼頭向全自動化碼頭發(fā)展。隨著自動化碼頭規(guī)模的不斷擴(kuò)大與完善，未來自動化碼頭向高效、智能化碼頭的發(fā)展是必然趨勢[1]。

雙小車岸邊集裝箱起重機(jī)(以下簡稱岸橋)+自動引導(dǎo)搬運車AGV+自動化軌道式龍門起重機(jī)(以下簡稱軌道吊)的工藝流程是當(dāng)前主流自動化碼頭的裝卸設(shè)備配置，已經(jīng)成功應(yīng)用于荷蘭ETC、德國CTA、荷蘭EUROMAX和中國的青島、洋山等全自動化碼頭[2]。以自動化雙小車岸橋為研究對象，提出雙“芯”門架小車總成、“正三角形+阻尼裝置”的門架起升防搖系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)等關(guān)鍵創(chuàng)新技術(shù)，在提升單機(jī)作業(yè)效率、控制系統(tǒng)智能化和加強設(shè)備可靠性等方面實現(xiàn)技術(shù)跨越和產(chǎn)品升級。

2 主要技術(shù)參數(shù)

該自動化雙小車岸橋的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 岸橋主要技術(shù)參數(shù)

3 關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新點

3.1 總體方案的優(yōu)化選型

集裝箱起重機(jī)的前伸距超過70 m時定義為3E級岸橋。為了提高設(shè)備的裝卸船效率，經(jīng)過程序優(yōu)化匹配，將主小車速度提高到270 m/min,門架小車速度提高到130 m/min。經(jīng)過計算和現(xiàn)場測試，岸橋的作業(yè)效率大大提高，主小車單機(jī)循環(huán)105 s，門架小車單機(jī)循環(huán)65 s，效率比超過普通自動化碼頭10%。

小車方向結(jié)構(gòu)剛性的提高會大大提升主小車的作業(yè)的穩(wěn)定性，經(jīng)過有限元計算，確定了最合理的門框?qū)挾群徒孛娉叽?，在門框聯(lián)系梁和陸側(cè)門腿間設(shè)計了三角形穩(wěn)定區(qū)域(見圖1)。

圖1 門框三角形系統(tǒng)

前大梁頭部布置一套自動抗扭裝置，該抗扭裝置可動態(tài)補償因集裝箱載荷偏心、主小車運行過程中風(fēng)載引起的偏擺，提高岸橋的自動化作業(yè)效率。

自動化碼頭陸側(cè)軌道后場屬于AGV車道，岸橋設(shè)備的日常維修等工作不可以占用車道及后場區(qū)域，主機(jī)房必須布置在海陸側(cè)門腿之間。受制于碼頭軌距、前伸距、電控柜等因素，將電氣房內(nèi)設(shè)計3排柜子布置(見圖2)，有效減少了機(jī)房的迎風(fēng)面積，并且控制了起重機(jī)的上部結(jié)構(gòu)重量。

圖2 電氣房布置

3.2 雙“芯”門架小車總成研究

雙“芯”門架小車的概念是將2套完全相同的起升機(jī)構(gòu)同時布置在門架小車機(jī)房內(nèi)，2個起升減速箱在高速端設(shè)計為直交軸形式，通過一副齒式聯(lián)軸節(jié)剛性連接。門架起升電機(jī)的選型考慮了單電機(jī)在降載降速的前提下也可以工作，并且配置了1套應(yīng)急機(jī)構(gòu)，使其在任何工況下都能滿足使用要求。

門架小車采用正三角形鋼絲繩纏繞方式(見圖3)，取消了傳統(tǒng)門架小車在小車機(jī)房內(nèi)設(shè)置的12個滑輪，極大地提升了門架機(jī)房內(nèi)的維修空間和維修安全性；同時可避免在過短范圍內(nèi)的正反向轉(zhuǎn)換，增加鋼絲繩的使用壽命。

圖3 門架鋼絲繩纏繞系統(tǒng)

傳統(tǒng)門架小車結(jié)構(gòu)門腿設(shè)計采用一剛一柔，該設(shè)計在制作和安裝過程中對柔性腿的工藝加固，不僅破壞油漆，而且占用基地外場時間超過1周以上。經(jīng)過調(diào)研和分析，本項目創(chuàng)新采用雙剛性腿設(shè)計，一側(cè)采用帶輪緣車輪和水平輪裝置，另一側(cè)釋放自由度采用光踏面車輪加剛性安全防托槽裝置來實現(xiàn)。

3.3 防搖系統(tǒng)

基于16繩鋼絲繩布置研究，開發(fā)出“正三角形+阻尼裝置”布置的防搖系統(tǒng)，通過在小車方向增加組正嚙合的齒輪副來提升在搖擺過程中的阻尼系數(shù)，提升門架小車在小車方向的防搖性能。經(jīng)過測試，起升高度離地4 m的工況下，小車全速停止的最大擺幅約350 mm，經(jīng)過2個周期后擺幅減小約90 mm，擺動周期大約3 s，防搖性能優(yōu)異。

3.4 中轉(zhuǎn)平臺集裝箱鎖銷智能可視監(jiān)測系統(tǒng)

該系統(tǒng)實現(xiàn)了對集裝箱鎖銷狀態(tài)的檢測和實時鎖頭定位，能夠在非工作區(qū)域為中轉(zhuǎn)平臺鎖銷工人提供可視界面，直觀清晰地掌握中轉(zhuǎn)平臺處集裝箱鎖銷的實際情況。系統(tǒng)檢測范圍可覆蓋全系鎖銷，且硬件檢測限位能應(yīng)對將來可能出現(xiàn)的不同尺寸的鎖銷，只需修改檢測PLC程序即可。

系統(tǒng)所具有的自檢測功能和自動化操作系統(tǒng)還可實現(xiàn)聯(lián)鎖功能。且由于碼頭工作環(huán)境相對較為惡劣，提高監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性就尤為重要。本系統(tǒng)采用抗干擾光柵作為主要傳感器，可以更高效的抑制例如振動、雨水、陽光、灰塵等一系列外界因素導(dǎo)致的誤報及錯報。因此可以節(jié)省大量人力成本和時間成本，提高整體作業(yè)水平和安全水平，防止各類由于鎖銷未拆除而導(dǎo)致的嚴(yán)重后果。

3.5 主小車自動抓放箱作業(yè)

隨著集裝箱船發(fā)展的大型化，岸橋的起升高度也越來越高，目前的主流配置都已經(jīng)超過50 m起升高度，大長繩情況下吊具搖擺以及防扭控制難度非常高。為了更加精準(zhǔn)的實現(xiàn)主小車自動抓放箱作業(yè)，在主吊具上架布置2塊防搖反射板(見圖4)，通過新的識別算法，可以獲取精度以及穩(wěn)定性更高的吊具狀態(tài)信息，實現(xiàn)吊具和自動引導(dǎo)搬運車AGV的精確對位。

圖4 雙反射板布置

3.6 岸橋智能控制系統(tǒng)

在控制系統(tǒng)中引入智能體概念，進(jìn)行一系列創(chuàng)新設(shè)計，有效提高雙小車岸橋在實際作業(yè)過程中的裝卸效率。在實際生產(chǎn)作業(yè)過程中，將會有多套自動化系統(tǒng)同時工作，實現(xiàn)互相冗余備份，這將大大減少司機(jī)的手動介入操作。同時，門架小車的手動介入將與之兼容，自動化軌道吊遠(yuǎn)程操作員可以同時處理軌道吊和岸橋門架小車的異常，使岸橋主小車司機(jī)可專注于對船的作業(yè)中，岸橋?qū)χ修D(zhuǎn)平臺以及對AGV的作業(yè)實現(xiàn)全自動化。

岸橋作業(yè)過程中，兩部小車以及鎖銷工都需要對中轉(zhuǎn)平臺進(jìn)行操作，系統(tǒng)根據(jù)不同工況分配了不同的優(yōu)先級，始終確保安全、高效。此外，還提供Strict以及Lax兩套安全控制策略給到用戶選擇。其中，Strict策略確保安全至上，嚴(yán)格確保鎖銷工始終處于安全位置；而Lax策略則允許空吊具去往鎖銷工的非作業(yè)側(cè)臺座作業(yè)，適當(dāng)提高一些設(shè)備工作效率。

3.7 箱門狀態(tài)檢測及箱號識別

在中轉(zhuǎn)平臺以及左右聯(lián)系梁上安裝了10個相機(jī)，創(chuàng)新性地增加了對雙20 ft箱中間箱門的檢測相機(jī)；同時采用OCR(Optical Character Recognition,光學(xué)字符識別)相機(jī)，在吊具帶著集裝箱前往中轉(zhuǎn)平臺的過程中就可以檢測出箱門打開的情況，可在一定程度上避免箱門砸到中轉(zhuǎn)平臺的意外事故。在中轉(zhuǎn)平臺的海側(cè)通道和陸側(cè)通道各設(shè)置1個廣角相機(jī)，并配上補光燈，通過多次白天和夜間的調(diào)試以及算法優(yōu)化后，箱號識別系統(tǒng)和箱門狀態(tài)識別系統(tǒng)的檢測識別率已經(jīng)達(dá)到98%。

3.8 智能鋼絲繩潤滑系統(tǒng)

鋼絲繩智能潤滑采用電磁泵供油，供油頻率間隔可調(diào)，單次潤滑排量更小更精確，且控制系統(tǒng)能夠根據(jù)鋼絲繩的運動情況記錄時間，進(jìn)行更精確的定時加油，避免傳統(tǒng)的固定時間的加油方式，實現(xiàn)潤滑的時效性。鋼絲繩智能潤滑的每個潤滑點均獨立控制和監(jiān)控，能夠?qū)崿F(xiàn)多點隨意組合、單點單控定量供油、智能監(jiān)控、遠(yuǎn)程集中記錄管理。系統(tǒng)還可通過遠(yuǎn)程通訊監(jiān)控實時監(jiān)測各潤滑站的工作情況，在第一時間了解各潤滑站的工作進(jìn)度。

鋼絲繩智能潤滑系統(tǒng)與傳統(tǒng)潤滑方法相比可提高工效近5倍，節(jié)省潤滑油2/3，降低維護(hù)費3倍左右，延長了抽油機(jī)軸承的使用壽命，并且具有簡單、易安裝、易操作、安全、清潔等特點。該系統(tǒng)有助于減少人工成本的支出，可以彌補原有人工潤滑作業(yè)時產(chǎn)生的缺漏現(xiàn)象。

3.9 智能照明系統(tǒng)

智能照明系統(tǒng)跟傳統(tǒng)照明相比，在對燈光的控制方面更加的智能和便捷。智能照明系統(tǒng)采用多種智能控制，如定時、遠(yuǎn)程、集中管理等方式對燈具進(jìn)行開關(guān)、亮度管理，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能環(huán)保、智慧智能的效果?？紤]自動化碼頭的整體設(shè)計簡潔和節(jié)能性,取消了傳統(tǒng)碼頭標(biāo)配的碼頭高桿燈,將岸邊照明全部轉(zhuǎn)移到岸橋上，可通過碼頭實際作業(yè)場景進(jìn)行光照度調(diào)整。通過信息化、自動化的系統(tǒng)建設(shè)，結(jié)合智慧燈具，提高了碼頭照明效果，改變了傳統(tǒng)依托人工現(xiàn)場調(diào)控和巡檢排查故障的方式，大大節(jié)省了人力和維修成本。

3.10 智能振動監(jiān)測系統(tǒng)

智能振動監(jiān)測系統(tǒng)可通過查看時域波形、頻譜分析波形對設(shè)備關(guān)鍵零部件振動數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計算，軟件可生成相應(yīng)報警。通過智能震動檢測系統(tǒng)，在無需人力檢測的情況下全方位了解機(jī)器的工作情況和運動機(jī)構(gòu)的情況。通過互聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)在遠(yuǎn)程實時監(jiān)控機(jī)構(gòu)狀態(tài)，更全面知曉機(jī)構(gòu)的振動參數(shù)。對比分析現(xiàn)場測量值與ISO振動速度值標(biāo)準(zhǔn)，從而精準(zhǔn)定位故障點。

3.11 岸橋一體化維護(hù)系統(tǒng)

系統(tǒng)用戶工作界面通過瀏覽器來實現(xiàn)(見圖5)，極少部分事務(wù)邏輯在前端(Browser)實現(xiàn)，主要事務(wù)邏輯在服務(wù)器端(Server)實現(xiàn)，形成3層結(jié)構(gòu)。針對自動化雙起升岸橋的監(jiān)控需求，系統(tǒng)實現(xiàn)了多源數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲和展示功能，包括設(shè)備的工作狀態(tài)、自動化作業(yè)任務(wù)信息、通訊信息、振動檢測系統(tǒng)狀態(tài)、自動化子系統(tǒng)狀態(tài)、輔助操作等內(nèi)容。系統(tǒng)可提供畫面的歷史回放和數(shù)據(jù)的查詢功能，提供設(shè)備的歷史狀態(tài)的追溯功能，方便工程師排查故障。使用ECharts框架展示設(shè)備的效率分析以及故障分析的數(shù)據(jù)結(jié)果。系統(tǒng)增加了豐富的遠(yuǎn)程設(shè)置功能，加以嚴(yán)格的用戶權(quán)限控制，降低了電控工程師、自動化工程師的調(diào)試成本，也為用戶今后在設(shè)備運維階段提供了高效的輔助手段。

圖5 岸橋維護(hù)系統(tǒng)界面

3.12 電控冗余和備份要求

為了滿足用戶對設(shè)備效率及作業(yè)穩(wěn)定性的需求，采用了多項冗余機(jī)構(gòu)以確保設(shè)備緊張且出現(xiàn)故障時碼頭仍能達(dá)到基本的作業(yè)能力。主起升電機(jī)與大車電機(jī)可互相切換，以保證作業(yè)時即使出現(xiàn)驅(qū)動重大故障時也能實現(xiàn)對集裝箱持續(xù)吊裝。其他機(jī)構(gòu)如主小車、俯仰以及門架小車也具備冗余控制功能，大大提高了整體設(shè)備應(yīng)對突發(fā)情況時的應(yīng)變能力。

4 效益分析

雙“芯”門架小車的配套件成本比傳統(tǒng)單卷筒布置的門架小車降低10%，初步統(tǒng)計每臺機(jī)可節(jié)約14萬元。雙“芯”門架小車的制造、總裝時間比傳統(tǒng)門架小車減少2周，可節(jié)約人工成本6.5萬人民幣，并且大大釋放了制作基地的場地堆放能力。

智能一體化系統(tǒng)將集裝箱岸橋自動化作業(yè)平均故障間隔時間增加100%；智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用，可縮短自動化調(diào)試周期2周時間；電控冗余系統(tǒng)的介入，理論上可降低設(shè)備故障率50%；集裝箱箱號識別率達(dá)到98%，雙箱中間箱門狀態(tài)識別率達(dá)到95%。

5 結(jié)語

通過對雙小車岸橋總體布置和關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新研究，提升了設(shè)備的自動化效率，并且在控制系統(tǒng)上實現(xiàn)了部分智能化功能，可為今后自動化集裝箱碼頭設(shè)備的更新發(fā)展提供參考。