基于遠(yuǎn)控技術(shù)的岸邊集裝箱起重機(jī)

姚宇宏

上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司 上海 200125

0 引言

目前，國內(nèi)岸邊集裝箱起重機(jī)（以下簡稱岸橋）的位置控制精度相對比較差，特別是大小車均采用編碼器定位，必然會造成較大累計位置誤差。在大小車的全行程中，通常只配置一個同步點，位置的校準(zhǔn)效果也很差，完全依靠起重機(jī)司機(jī)的操作技能手動調(diào)整大車、小車、起升機(jī)構(gòu)的位置完成對箱作業(yè)。隨著科技的進(jìn)步和創(chuàng)新，岸橋作為集裝箱碼頭關(guān)鍵裝卸設(shè)備，性能得到了快速提升，逐漸變得簡單化、精準(zhǔn)化、智能化。岸橋司機(jī)室內(nèi)的作業(yè)環(huán)境較差，噪聲大，作業(yè)空間狹窄，極易得職業(yè)病。基于此，國內(nèi)集裝箱碼頭正在尋求一種新的解決方案，于是近年來國內(nèi)外港口領(lǐng)域已相繼涌現(xiàn)了一些配備遠(yuǎn)程控制技術(shù)的岸橋的自動化碼頭，而且一些碼頭開始將老舊岸橋改造成遠(yuǎn)程控制岸橋。

1 岸橋的遠(yuǎn)程控制流程

岸橋的遠(yuǎn)程控制是將司機(jī)從岸橋司機(jī)室內(nèi)解放出來，將岸橋操控臺放在地面的遠(yuǎn)程控制室內(nèi)。該方案不僅解決了岸橋控制精度差的問題，同時還配備有電子防搖、防扭、前大梁防撞和大車防撞、高清視覺CCTV等系統(tǒng)。遠(yuǎn)程控制方式由司機(jī)在遠(yuǎn)程控制室內(nèi)選擇地面集卡車道或貝位，并發(fā)出Pick Up 或Set Down 指令，岸橋PLC 根據(jù)收到的指令確定大車、小車、起升等的目標(biāo)位置，以及吊具的姿態(tài)信息，并將這些信息發(fā)送給岸橋，岸橋即可根據(jù)指令逐一定位目標(biāo)位置 ，并經(jīng)岸橋防搖和防扭后完成裝卸。岸橋遠(yuǎn)程控制流程圖如圖1所示。

圖1 岸橋遠(yuǎn)程控制流程圖

圖2 大車BTG 的系統(tǒng)圖

2 大小車位置精準(zhǔn)定位的硬件組成及測量原理

2.1 大車位置精準(zhǔn)定位

通常岸橋在大車車輪上安裝一個絕對值編碼器以測量大車的位置，但在長距離運行后編碼器的累計誤差通常會很大。大車位置只能作為參考，仍需依靠司機(jī)室手動調(diào)整大車來匹配集卡或貝位；而遠(yuǎn)程控制岸橋采用了位置測量精度很高的BTG 測量系統(tǒng)，其精度可達(dá)到毫米級別。

大車位置BTG 測量系統(tǒng)由BTG 天線、若干磁釘和車輪增量編碼器（HTL）組成。這套系統(tǒng)采用RFID 射頻技術(shù)，每個磁釘用于存儲磁釘所在的絕對位置，當(dāng)天線經(jīng)過磁釘?shù)纳戏綍r就能讀出磁釘?shù)慕^對位置信息，大車的位置即可由該磁釘?shù)慕^對位置和磁釘相對天線的中心位置信息計算出來。

在國內(nèi)某遠(yuǎn)程控制的岸橋上就采用了BTG 測量系統(tǒng)裝置，其中包括RFM100 天線、磁釘和車輪器編碼器，定位精度為2 mm。當(dāng)RFM100 系統(tǒng)天線編碼經(jīng)過磁釘上方時，可對測量范圍內(nèi)的磁釘充電，讀出磁釘里面存儲的絕對位置編碼，并計算出相對天線中心的位置以及計算出大車的絕對位置。同時，岸橋PLC 通過將大車絕對位置寫入大車車輪增量編碼器以同步位置信息。這套BTG 系統(tǒng)通過多次位置同步大車位置信息，從而提高了位置測量的精度，而普通岸橋在大車全行程中通常只同步1 次，導(dǎo)致位置校準(zhǔn)效果較差。BTG 系統(tǒng)組成如圖 2 所示。

2.2 小車位置精準(zhǔn)定位

小車位置定位與大車位置定位相似，小車運行速度快且行程較短。BTG 測量系統(tǒng)由BTG 天線RFM050、若干磁釘和小車車輪編碼器組成。天線安裝在小車結(jié)構(gòu)上，并跟隨小車一起運行，磁釘安裝在黑色支架上，每根支架配有2 個磁釘，并固定在大梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)測。圖3是BTG RFM050 安裝實物圖。

圖3 小車上BTG 的安裝實物圖

2.3 小車BTG 的調(diào)試原理

國外某HCT 項目的BTG 系統(tǒng)天線采用RFM050 型號，通訊采用Profinet 方式，岸橋電控為ABB 的電控系統(tǒng)。打開ABB 的工程軟件Automation Builder，并切換到Profinet 頁，通過SCAN 到未知設(shè)備，分別配置設(shè)備名稱和設(shè)備IP 地址。

1）測量磁釘在大梁上的實際位置

如圖4 所示，先測量磁釘?shù)奈锢砦恢脭?shù)據(jù)，從后大梁緩沖器開始測量，分別為Buffer-01、Buffer-02、Buffer-03、……，并記錄測量數(shù)值，如表1 所示。

表1 磁釘測量數(shù)值表

圖4 磁釘測量位置示意圖

2）打開BTG Programming Tool，將測量數(shù)值轉(zhuǎn)化為表2 所示磁釘位置編碼，并編碼工具將編碼寫入對應(yīng)的磁釘。

表2 磁釘編碼信息

當(dāng)小車前后運行時，BTG 天線每經(jīng)過一個磁釘就會讀出磁釘內(nèi)的位置編碼，并解碼成位置信息。然后，岸橋PLC再計算出小車的絕對位置，并寫入車輪編碼器。小車BTG 系統(tǒng)天線每經(jīng)過一個磁釘就同步1 次小車車輪編碼器的位置信息。岸橋PLC 計算出小車位置的公式為

式中：ABS_POStransponder為BTG 天線的中心位置，依靠絕對值編碼器讀數(shù)；REL_POStransponder為檢測到的測定磁釘相對于天線中的偏移位置。

3 起升高度的精確定位以及吊具姿態(tài)定位

3.1 起升高度目標(biāo)位置的精準(zhǔn)定位

HCT 岸橋采用了ABB 的船型掃描儀，該船型掃描儀由1 個帶有激光測距的攝像機(jī)TPS unit 組成，安裝在小車海側(cè)的中心線上，其功能是通過攝像機(jī)掃描船上的集裝箱外形，形成一條集裝箱的輪廓線。岸橋PLC 控制系統(tǒng)根據(jù)這條輪廓線設(shè)定起升目標(biāo)高度并完成集裝箱裝卸，進(jìn)而設(shè)定防撞保護(hù)以限制小車速度防止碰撞。圖5 為船型掃描安裝方式示意圖。

圖5 船型掃描安裝方式示意圖

1）船型掃描儀（SPS）計算船艙上集裝箱高度

當(dāng)小車初次經(jīng)過船上時，先定義起升高度的安全運行路徑，即通過檢測吊具到集裝箱頂部的距離，以確定小車可以運行的安全路徑，如圖6 所示。小車每次經(jīng)過船艙都會掃描測量船上集裝箱的輪廓，在集裝箱裝卸過程中，只要岸橋的吊具發(fā)生開鎖或閉鎖動作，SPS 會立即更新船艙上現(xiàn)有集裝箱的高度，如圖7 所示。

圖6 設(shè)定安全軌跡

圖7 小車運行過程中測試集裝箱的高度

當(dāng)?shù)蹙咴诩b箱之間或船艙內(nèi)時，SPS 會根據(jù)集裝箱的高度設(shè)置防撞保護(hù)，小車自動減速，避免發(fā)生碰撞。

2）集卡掃描（VAS）計算集卡上集裝箱高度

HCT 岸橋采用了ABB 的集卡掃描儀，該集卡掃描儀（VAS）由1 個帶有激光測距的攝像機(jī)TPS unit 組成，原理與船型掃描儀(SPS)相同。集卡掃描儀通常安裝在中梁的右側(cè)，能精確掃描出集卡上集裝箱的高度輪廓，岸橋PLC 即可根據(jù)集裝箱的輪廓計算出起升的目標(biāo)高度。

3.2 吊具在小車方向的位置定位及吊具姿態(tài)

1）吊具的位置通常用LPS 系統(tǒng)測量

如圖8 所示，HCT 岸橋上的LPS 由安裝于小車架的紅外測距攝像機(jī)LPSX11 和安裝于上架紅外反射板LMH100 組成。小車架的攝像機(jī)通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將反射板的物理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為相機(jī)的坐標(biāo)系，從而測出吊具相對小車位置的偏移量，故岸橋PLC 能根據(jù)小車位置和吊具相對小車的偏移量計算出吊具在小車方向的位置。

圖8 LPS 元件組成圖

2）吊具姿態(tài)

岸橋在裝卸集裝箱過程中，LPS 攝像機(jī)可測量T1、T2、L1、L2、S1、S2等變化值，計算出吊具的傾斜和旋轉(zhuǎn)角度，如圖9 所示。

圖9 吊具的傾轉(zhuǎn)角度

①Trim 角度的計算公式為

式中：T3為吊具長度方向2 個鎖銷中心線之間的距離。

②List 角度的計算公式為

式中：L3為吊具寬度方向2 個鎖銷中心線之間的距離。

③Skew 角度的計算公式為

式中：S3為吊具長度方向2 個吊具鎖銷中心線之間的距離。

當(dāng)?shù)蹙咴诤y船艙上裝卸集裝箱時，岸橋PLC 將記憶吊具的傾轉(zhuǎn)角度。每當(dāng)?shù)蹙呋氐胶y時，吊具會自動回到吊具記憶的傾轉(zhuǎn)角度，從而大大地提高了作業(yè)效率。

4 遠(yuǎn)程控制岸橋?qū)嶋H作業(yè)效果分析

4.1 遠(yuǎn)程岸橋司機(jī)操作情況

1）岸橋司機(jī)不能像傳統(tǒng)作業(yè)模式隨時了解岸橋周邊的整體環(huán)境信息，而要通過遠(yuǎn)控操控臺上方的多面顯示器通過反復(fù)切換界面了解全部情況，會出現(xiàn)感知上的滯后效果。

2）建議可以優(yōu)化顯示界面，集成同屏顯示多角度現(xiàn)場畫面，模擬岸橋司機(jī)室現(xiàn)場感知。另外，增加遠(yuǎn)控司機(jī)室的遠(yuǎn)控操作技能。

4.2 遠(yuǎn)程控制岸橋的效率分析

遠(yuǎn)控控制系統(tǒng)不僅增加了岸橋的定位精度，同時也要考慮提高作業(yè)的效率和安全。提高作業(yè)效率主要從以下2 方面改進(jìn)。

1）吊具防搖功能的作用

影響集裝箱岸橋裝卸效率的主要因素有小車運行及停車后，吊具和集裝箱會在一定范圍內(nèi)擺動，等待吊具穩(wěn)定會延長單箱作業(yè)時間。為了提高岸橋生產(chǎn)效率，電子防搖LPS 就能解決這一難題。主控PLC 通過LPS 系統(tǒng)獲得吊具的位置，控制小車的運行速度以便跟隨吊具的速度而達(dá)到同步運行、同步停車，從而有效地控制吊具的擺動幅度，且無需考慮傳統(tǒng)作業(yè)模式下岸橋司機(jī)因防搖啟動時眩暈的情況。

HCT 岸橋采用了ABB 的LPS 防搖系統(tǒng)，該系統(tǒng)由安裝在小車架上的紅外測距攝像機(jī)LPSX11 和安裝在上架上紅外反射板LMH100 組成。

2）吊具的防扭功能的作用

當(dāng)起升吊具較低而鋼絲繩較長時，岸橋吊具通常會發(fā)生晃動，影響作業(yè)效率。若增加防扭機(jī)構(gòu)就能提高效率，該機(jī)構(gòu)可通過逆向作用力使吊具快速穩(wěn)定，從而提高作業(yè)效率。目前，使用較多的前大梁頭部增加防扭裝置，每套裝置由電動機(jī)、減速器、螺桿驅(qū)動機(jī)構(gòu)、限位等部件組成，這種裝置具有反應(yīng)時間短、定位精準(zhǔn)等特點。

另一種防扭方式是將小車架上的固定滑輪組變更為滑移模式，滑輪組的移動由變頻電動機(jī)控制，這方式的缺點是滑輪滑動時產(chǎn)生的摩擦力很大，增加了維修次數(shù)和成本。目前，遠(yuǎn)控岸橋的平均作業(yè)效率還不是很高，遠(yuǎn)控司機(jī)需要加強作業(yè)培訓(xùn)。然而，隨著遠(yuǎn)控技術(shù)和其他自動化技術(shù)（如信息物理系統(tǒng)CPS 和光學(xué)字符識別OCR）的成熟，遠(yuǎn)程岸橋作業(yè)效率有望趕上并超越傳統(tǒng)作業(yè)也效率。

5 遠(yuǎn)程系統(tǒng)控制中的難點以及解決辦法

5.1 大小車定位精度的提高增加維修難度

HCT 岸橋PLC 設(shè)置了常規(guī)的BTG 故障檢測，實時監(jiān)控BTG 磁釘?shù)臓顟B(tài)。當(dāng)檢測到丟失一個磁釘信號時會報預(yù)警，丟失2 個磁釘信號才會顯示故障。因此，當(dāng)有預(yù)警出現(xiàn)時，需要安排維修檢查，而小車BTG 系統(tǒng)安裝在振動的小車結(jié)構(gòu)上，經(jīng)常會出現(xiàn)這類故障。

1）BTG 故障檢查和解決方案

首先檢查磁釘和BTG 天線之間的檢測距離是否發(fā)生變化并超出了允許范圍，然后檢查磁釘是否已經(jīng)損壞和失效。如圖10 所示，可通過CMS 波形記錄功能同時記錄和比較小車BTG 編碼器位置和小車卷筒編碼器位置，通過對比判斷BTG 編碼器波形是否連續(xù)和發(fā)生畸變來判斷磁釘信號丟失和損壞。

圖10 小車BTG 監(jiān)控圖

如圖11 所示，ABB 的功能軟件Automation Builder可記錄變量的波形，圖中的綠色曲線表示BTG 位置，紅色曲線表示小車卷筒編碼器位置。小車卷筒編碼器的位置一直是連續(xù)的，可通過檢測BTG 編碼器的位置是否連續(xù)來判定磁釘是否丟失。如果發(fā)生畸變，這可以確定該位置的磁釘沒有檢測到。

圖11 BTG 和絕對值編碼器位置對比

5.2 激光測距攝像機(jī)鏡頭易污染

船型掃描儀SPS、集卡掃描儀VAS、LPS 都采用激光測距攝像機(jī)，攝像機(jī)鏡頭容易污染，需要定期的清潔攝像機(jī)鏡頭。船舶在裝卸作業(yè)過程中，船舶水平漂移量和垂直高度都會發(fā)生變化。如果不做調(diào)整，就增加了作業(yè)難度。解決方法是SPS 船型掃描儀通過實時測量集裝的高度的方式來捕捉這些外部變化因素。另外，只要大車位置變動，就會使老舊的安全路徑全部失效，需要重新掃描船艙上集裝箱的輪廓并設(shè)定安全路徑。

6 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中的視覺輔助系統(tǒng)

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中司機(jī)遠(yuǎn)離現(xiàn)場岸橋，必須借助強大的CCTV 系統(tǒng)代替人眼觀察場地和集裝箱周圍環(huán)境。HCT 岸橋上最重要監(jiān)控點是安裝于小車架的3 個攝像機(jī)具有自動變焦功能，能自動跟隨吊具并實時顯示畫面。如圖12 所示，攝像機(jī)62 監(jiān)控吊具的陸側(cè)面，攝像機(jī)63 監(jiān)控吊具的海側(cè)面，攝像機(jī)61 自動跟隨吊具運行。HCT 岸橋上的攝像機(jī)監(jiān)控還包括監(jiān)控大梁俯仰功能的攝像機(jī)、大車軌道攝像機(jī)以及監(jiān)控整個岸橋下整個作業(yè)面的攝像機(jī)。隨著遠(yuǎn)控岸橋的不斷發(fā)展，有些岸橋還增加了監(jiān)控吊具開閉鎖的攝像機(jī)。

圖12 HCT 岸橋監(jiān)控吊具攝像機(jī)

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)具有強大的視覺監(jiān)視系統(tǒng)，不僅能輔助司機(jī)操作吊具裝卸船，還可根據(jù)需要自由切換到俯仰和大車運行的畫面，且只需發(fā)送簡單的指令即可完成集裝箱的裝卸。圖13 為 某自動化項目的遠(yuǎn)程控制臺。

圖13 某自動化項目遠(yuǎn)程控制臺

7 結(jié)語

隨著集裝箱碼頭自動化和智能化的發(fā)展，RIFD 射頻TG 位置測量、LPS 和TPS 激光測距攝像機(jī)、高清CCTV 視覺系統(tǒng)正廣泛應(yīng)用于岸橋，遠(yuǎn)程控制岸橋技術(shù)也將迎來更廣闊的市場，近年來已有越來越多的港口采用了遠(yuǎn)控岸橋作為集裝箱裝卸設(shè)備。