橋式抓斗卸船機智能控制系統(tǒng)研究

黃志平，王博強，孟懷鋒

（國能常州發(fā)電有限公司，江蘇 常州 213034）

隨著信息時代的到來，設(shè)備控制的智能化將成為必然趨勢。作為碼頭卸船的主要器械，當前的橋式抓斗卸船機控制手段自動化程度不高，部分作業(yè)還需手動控制，無法適應(yīng)信息時代的要求，其在卸貨時往往存在3個問題：一是司機室對卸貨系統(tǒng)不能正?？刂?；二是副司機室對放貨不能準確操控；三是斗門開閉和角度調(diào)節(jié)尚需人工控制，亟需引入智能控制技術(shù)。

1 橋式抓斗卸船機智能技術(shù)

（1）自動定位技術(shù)。橋式抓斗卸船機傳統(tǒng)的定位技術(shù)通常是編碼器定位，這種方式的誤差概率較大，只有配合標定位置程序誤差才能降低，但在應(yīng)用中仍會影響定位的精度，不利于卸船作業(yè)效率提高。智能定位技術(shù)能有效滿足精度方面的要求，甚至能達到毫米或微米級別，定位的準確性相當高，在定位質(zhì)量和效率上與傳統(tǒng)技術(shù)形成鮮明對比。

（2）激光自動掃描技術(shù)。主要原理是用距離檢測飛行時間，即掃描儀射出激光到被掃貨物表面光束再反射回掃描儀這一過程所用的時間，再計算掃描儀與反射點之間的距離，利用雙軸驅(qū)動三維掃描相關(guān)貨物。橋式抓斗卸船機應(yīng)采用3D掃描技術(shù)，在卸船過程中，3D掃描儀在艙內(nèi)、艙口自動掃描，測出掃描儀與艙內(nèi)、艙口貨物表面之間的精確距離。百米之內(nèi)一般都能檢測，且掃描頻率高、數(shù)據(jù)更新快，能隨著船舶的位置變化瞬時呈現(xiàn)出掃描圖像，再通過計算機高速處理掃描信息，進而及時掌握橋式抓斗卸船機的工作情況。

（3）三維圖像虛擬成像技術(shù)。該技術(shù)主要是配合激光自動掃描系統(tǒng)使用，激光掃描數(shù)據(jù)獲得后要傳輸?shù)酱搩?nèi)的圖形處理器中，主要傳輸?shù)氖歉鞣N角度掃描物體收到的距離值。這些數(shù)據(jù)主要應(yīng)用于控制系統(tǒng)完成某些控制工作，但應(yīng)用前需利用三維圖像虛擬成像技術(shù)對其重構(gòu)，采用處理軟件對艙內(nèi)物料、甲板和船艙面等虛擬出三維輪廓圖形，為保證圖像虛擬的精度，再結(jié)合掃描數(shù)據(jù)加以修改和調(diào)整。三維圖像虛擬成像技術(shù)不但能監(jiān)控掃描儀的工作狀態(tài)，還能抓取掃描結(jié)果的關(guān)鍵信息點，以完善卸船機的智能系統(tǒng)。

（4）定位導(dǎo)航技術(shù)。卸船機在卸船時有很大的慣性，為提高工作質(zhì)量和效率，應(yīng)對這種慣性加以控制，準確定位抓斗的位置選取抓料點，保證最佳抓料量，這也能防止抓斗出現(xiàn)晃動造成碰撞事故。抓斗定位導(dǎo)航程序的關(guān)鍵是慣性導(dǎo)航，由無限通信和陀螺儀組成，抓斗中的陀螺儀利用接口輸出抓斗的海拔和位置，并通過通信技術(shù)無線傳輸至駕駛室無線接收端，進而計算抓斗的精確位置，以得出抓斗的最佳抓取點。

2 智能控制作業(yè)方案

（1）檢測垂直方向作業(yè)范圍。自動卸船系統(tǒng)工作時，司機需要確認小車回程的位置點，方法是把抓斗放在煤上標注，再根據(jù)船艙的深度確定垂直作業(yè)時抓斗的擺動范圍。在智能控制中采用激光雷達為傳感器檢測距離，不用抓斗改變位置就能確定小車回程的位置點。激光雷達是在光波段工作的一種新雷達系統(tǒng)，具有射束窄、單色性好等特點，測距能力相當精確，精度能達到毫米。與普通的毫米波、微波雷達相比，具有波長短、測距精度高、重量輕、體積小等優(yōu)勢，它將激光用來測量回波距離，快速形成距離信息，并將其作為小車的初始回程的位置點，再根據(jù)船艙的深度確定垂直方向作業(yè)的范圍。

（2）檢測水平方向作業(yè)范圍。卸船的傳統(tǒng)過程是由駕駛員目測船的倉位，依據(jù)抓斗在船艙岸側(cè)內(nèi)的位置確定X，依據(jù)抓斗在船艙海側(cè)內(nèi)的位置確定Y，并將參數(shù)錄入系統(tǒng)以確定水平方向抓斗的擺動范圍。抓斗通常抓取的貨物是單一的，以煤為例說明。作業(yè)現(xiàn)場船體和煤炭顏色差異較大，鋼板和煤炭的紋理也是不同，基于此，將煤的顏色、紋理通過圖像識別存儲于計算機。卸船機的前梁裝有采集圖像的裝置，船到岸后利用攝像頭采集船和煤的識別圖像，計算機再比較圖像的紋理和顏色，設(shè)定作業(yè)區(qū)域為紋理和顏色在標準值范圍內(nèi)的部分，以區(qū)分船和煤的構(gòu)造。卸船機工作時，船身要隨貨重和潮水出現(xiàn)高低變化，結(jié)合透視知識，成像時會存在遠小近大的問題，所以不能把圖像識別當作直接處理依據(jù)。碼頭高度與卸船機高度一定時，通過激光雷達對高度予以確認，并確認出垂直方向的起始坐標，所拍的圖像處理時采用網(wǎng)格等分法，若高度出現(xiàn)變化，抓斗涉及的圖像面積就相應(yīng)變化，計算出各工作狀態(tài)高度，確定抓斗工作范圍的空間。全程中伴隨著下降的煤層，不斷識別水平方向抓斗的范圍，并適時進行修正，努力減少船身和抓斗的誤碰撞。

（3）智能處理。為了提高卸船效率，防止出現(xiàn)少抓、空抓現(xiàn)象，要讓司機憑借經(jīng)驗每次修正小車的起升位置和回程點，這是智能卸船中要解決的難點。作業(yè)區(qū)確認時要結(jié)合計算機識別圖像的技術(shù)和激光雷達測出的高度值，用數(shù)組標記該范圍的二維坐標，并標記坐標的具體高度值。另外，利用數(shù)學(xué)軟件將高度垂直方向的信息轉(zhuǎn)為用顏色變化的圖像信號，以便監(jiān)控人員在監(jiān)控室查看該信息。卸船自動流程啟動后，激光雷達精確采集作業(yè)高度數(shù)據(jù)，利用大梁安裝的攝像頭，確定水平、垂直方向的范圍，在作業(yè)范圍內(nèi)設(shè)大梁下方作原點，建立直角坐標系，其坐標表示采用二維數(shù)組；作業(yè)區(qū)間每個點的垂直高度均由激光雷達獲取，該值被記在坐標系的數(shù)組里，數(shù)組也是作業(yè)區(qū)域的數(shù)字模型，其轉(zhuǎn)為圖像顏色才能被監(jiān)控使用。若從數(shù)組選擇極大值范圍進行作業(yè)，抓斗將關(guān)閉其上周移向漏斗位置。二次作業(yè)時，攝像頭和激光雷達重復(fù)信息采集操作確定工作范圍。

3 卸船作業(yè)智能控制改進方案

（1）改進設(shè)計。因為司機不能觀測卸料輔助系統(tǒng)運行情況，放料操作若要安全須掌握相關(guān)實時動態(tài)，根據(jù)情況在船艙顯示屏增加信息和數(shù)據(jù)提示是較為高效便捷的方法。司機室也要增放卸料裝置的24h監(jiān)控高清屏，保證獲取定量定性信息的完整實時。需目測的料斗門開啟程度、給料器角度及面板顯示的給料器變頻頻率，是操作輔助機構(gòu)時司機要用的信息，分別需要轉(zhuǎn)為百分比（100%為全開）、實際度數(shù)（最大為10°）、實際頻率3個數(shù)值，斗門和給料器角度均由電動推桿驅(qū)動，由于存在最大最小極限值，所以不用其他測量器件，只要增加傳感器即可。結(jié)合實際推桿工況，采用直線位移類型傳感器應(yīng)該能滿足需求，同時，可增加PLC模擬模塊及有關(guān)程序，并對船艙源程序進行編輯。至于監(jiān)控需新增四攝像頭，全方位監(jiān)控地面皮帶、料斗范圍、機房整體、料斗上部，另外，破拱料斗的船倉壁振動器在司機及副司機室均安裝操作按鈕，控制主要由非變頻器執(zhí)行，且無法調(diào)速，因此不用另加數(shù)字設(shè)備顯示。改進的主要技術(shù)是數(shù)字化的應(yīng)用及編程技術(shù)的升級。

（2）編程調(diào)試。把給料機斗門開合與振動角度調(diào)節(jié)的軌跡設(shè)為傳感器最終位置與模擬輸入的模型。一是斗門開關(guān)。推桿和開閉程度呈線性關(guān)系，根據(jù)斗門上下2個極限點由傳感器測出的模擬值（V上，V下）和開閉程度區(qū)間（0，100），確定兩點位置（V上，100）、（V下，0），再確定軌跡的偏移及增益，具體開閉程度的計算根據(jù)運動區(qū)域內(nèi)任意坐標。二是調(diào)節(jié)給料機的角度。角度和推桿的關(guān)系是非線性的，曲線可看作無數(shù)段直線組成，利用測量把0～10°的角度范圍分成兩部分，就能達到精度要求。0°、10°分別對應(yīng)著推桿的極限位，利用測量角度儀器將中點5°測量時記下傳感器的顯示值。設(shè)這3個度數(shù)時，推桿的傳感器顯示值分別為 A0、A5、A10，根據(jù)(A0，0)、(A5，5)、(A10，10)3點確定2條直線，進而從運動區(qū)域內(nèi)任意坐標算出真實角度。

（3）方案實施

安裝硬件。一是安裝直線位移傳感器，用于開閉斗門、調(diào)節(jié)給料機角度，將抱箍和角鋼分別綁定在給料器角度和漏斗門的推桿上。二是安裝監(jiān)控設(shè)備。為讓司機便于了解情況，在卸料系統(tǒng)上下部、地面皮帶機、機房上都安裝攝像頭，還要在司機室配備監(jiān)視器用來回放畫面，單獨或同時顯示4處位置的監(jiān)控。

調(diào)試程序。利用PLC調(diào)試，要結(jié)合傳感器的工況，定好是否取反及取反過程的偏移量，因為算法能按推桿的極限位上下自動調(diào)整，傳感器的輸入值也相應(yīng)上下校正，即運動軌跡能自動調(diào)整和更新，因此，使用中不用定期校正調(diào)試。