基于半自動化背景下的門機全自動智能化控制系統(tǒng)的研究

◎ 王 家

（連云港東糧碼頭有限公司，江蘇 連云港 222000）

1 研究背景

連云港東糧碼頭有限公司32泊位3臺門機半自動控制技術(shù)于2020年7月改造完成投入使用，該項技術(shù)在當時國內(nèi)門機使用尚屬首例，開創(chuàng)了門機半自動駕駛技術(shù)的先河，也為后期門機全自動智能化控制提供了技術(shù)支撐。

現(xiàn)有的半自動化控制指將門機的起升機構(gòu)、變幅機構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的控制，通過變頻器及PLC程序的編寫，實現(xiàn)了3機構(gòu)在設(shè)定情況下的自動運行，司機只需坐在駕駛室內(nèi)監(jiān)控此過程的運行情況，既降低了司機的勞動強度，也解決了抓斗落料過程中與大漏斗的碰撞及粉塵外溢問題，但是無法達到全自動化控制，其他機構(gòu)的操作仍然需要司機完成。因此，本文提出了全自動智能化控制系統(tǒng)。

全自動智能化控制系統(tǒng)基于半自動背景下的全自動智能化控制，應(yīng)用高精度定位、三維智能掃描、抓斗自動防搖、安全防撞、綜合安防監(jiān)控等技術(shù)，結(jié)合碼頭生產(chǎn)管理系統(tǒng)功能形成作業(yè)策略，可實現(xiàn)對抓斗門機的異地遠程控制、半自動控制或全自動控制的多種作業(yè)模式[1-3]。

2 研究內(nèi)容

2.1 機構(gòu)位姿檢測技術(shù)

通過絕對值編碼器、接近開關(guān)、FRID磁感應(yīng)裝置等傳感器，檢測起升、旋轉(zhuǎn)、變幅、行走4大機構(gòu)的位置狀態(tài)。

2.2 激光掃描建模技術(shù)

激光云臺掃描設(shè)備對目標區(qū)域進行數(shù)據(jù)采集， 目標區(qū)域包括船體、船舶艙口位置、船舷高度、船艙蓋板 、物料、裝卸位置等。

2.3 抓斗防搖技術(shù)

根據(jù)等效繩長等數(shù)據(jù)，結(jié)合各機構(gòu)速度，估算出偏擺角度。變頻器通過建模分析角度衰減控制，實現(xiàn)抓斗防搖。

2.4 防撞檢測技術(shù)及防入侵保護

依托各機構(gòu)的精準定位和位姿獲取，通過軟件算法實現(xiàn)軟件防撞功能?？刂葡到y(tǒng)計算本機與相鄰門機的運動趨勢，判斷是否存在碰撞的可能，并進行相應(yīng)的處理。

2.5 抓斗運行軌跡定位

通過建立抓斗的運動模型和力學分析模型，結(jié)合抓斗的運行控制程序和算法，最終實現(xiàn)抓斗的運行軌跡定位及優(yōu)化。

2.6 光纖通訊技術(shù)

通過光纖通訊，可實現(xiàn)門機與中央控制室的信息交互。同時，在電纜卷盤滑環(huán)和門機中心滑環(huán)2個節(jié)點，采用光纖滑環(huán)實現(xiàn)機上與機下的光纖通訊。

2.7 門機遠程集中控制技術(shù)

通過遠程控制系統(tǒng)，建立門機群之間的遠程控制，即在中央控制室控制門機各機構(gòu)動作和抓斗運行軌跡，實現(xiàn)1名司機操作多臺門機。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 信息管理系統(tǒng)層

信息管理系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、生產(chǎn)管理應(yīng)用服務(wù)器等設(shè)備組成，建立靈活的網(wǎng)絡(luò)管理和可靠的安全系統(tǒng)。信息管理設(shè)備層系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)，主要用于生產(chǎn)設(shè)備等子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、存貯、信息查詢、數(shù)據(jù)分析以及報表的輸出等工作。

3.2 中央控制系統(tǒng)層

中央控制系統(tǒng)是以中央控制室為中心的控制系統(tǒng)。中央控制室設(shè)置在生產(chǎn)指揮中心，控制系統(tǒng)還包括中央控制系統(tǒng)與門機控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信以及信號聯(lián)鎖控制。

3.3 自動化控制層

自動化控制層將門機控制系統(tǒng)、工藝設(shè)備流程控制、操作臺遠程控制、智能照明控制等獨立的生產(chǎn)工藝設(shè)備控制系統(tǒng)連接起來，實現(xiàn)集中自動化控制，全自動智能化控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示[4-5]。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

4 實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 機構(gòu)位姿檢測

4.1.1 起升機構(gòu)

采用多圈絕對值編碼器和電機帶增量型編碼器實現(xiàn)。

4.1.2 變幅機構(gòu)

采用在變幅齒條處安裝絕對值編碼器或變幅電機增量編碼器實現(xiàn)。

4.1.3 旋轉(zhuǎn)機構(gòu)

采用從動齒輪轉(zhuǎn)軸和多圈絕對值編碼器或電感式接近開關(guān)實現(xiàn)（如圖2）。

圖2 三機構(gòu)初始檢測位置圖

4.1.4 行走機構(gòu)

采用行走自由輪和多圈絕對值編碼器或RFID磁感應(yīng)裝置實現(xiàn)，全自動智能化控制系統(tǒng)各機構(gòu)安裝檢測裝置示意圖如圖3。

圖3 各機構(gòu)安裝檢測裝置示意圖

4.2 激光掃描建模

通過安裝在司機室附近和象鼻梁頭部的Sick 3611激光掃描儀，對場景進行掃描，然后對獲取到的點云數(shù)據(jù)進行處理，通過算法提取所需信息，然后將信息通過傳輸協(xié)議傳遞到PLC，控制系統(tǒng)執(zhí)行自動化作業(yè)流程。

Sick 3611激光掃描儀為360°2D掃描模式，為實現(xiàn)3D建模，需要添加一個軸的運動，合成3D結(jié)果，完成場景建模。為此，掃描儀模塊的硬件架構(gòu)為激光掃描儀和伺服電機云臺。通過伺服控制器精確控制云臺的旋轉(zhuǎn)角度，利用歐式變換矩陣計算方法，將掃描儀獲得的每一幀掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到全局坐標系下。激光掃描的結(jié)果數(shù)據(jù)經(jīng)過坐標轉(zhuǎn)換、特征提取后，將作為卸船策略的依據(jù)。

4.3 抓斗防搖技術(shù)

閉環(huán)控制：采用傳感器實時采集抓斗的搖擺角度和角速度，反饋給控制系統(tǒng)，通過控制機構(gòu)加速度，將抓斗擺動角度限制到最小，達到防搖的目的。

開環(huán)控制：采用最優(yōu)控制、增益調(diào)節(jié)、自適應(yīng)控制度、狀態(tài)反饋等現(xiàn)代控制方式，建立數(shù)學模型。通過有效繩長、給定速度、反饋速度等，估算出抓斗搖擺角度，從而進行防搖控制（如圖4）。

圖4 抓斗防搖控制流程圖

4.4 防撞檢測技術(shù)及安全防護

4.4.1 被動防撞檢測

依托各機構(gòu)的精準定位和位姿獲取，通過軟件算法實現(xiàn)軟件防撞功能?？刂葡到y(tǒng)計算本機與相鄰門機的運動趨勢，判斷是否存在碰撞的可能，并進行相應(yīng)的處理（如圖5）。

圖5 被動防撞檢測示意圖

4.4.2 主動防撞檢測

依托檢測裝置來實現(xiàn)，通過檢測裝置實時監(jiān)測防碰撞區(qū)域內(nèi)的障礙物情況，當有障礙物入侵時發(fā)出報警信息，生成控制指令，通過控制系統(tǒng)進行主動防碰撞處理（如圖6）。

圖6 主動防撞檢測示意圖

4.4.3 大車行走防撞

在行走機構(gòu)支腿上安裝4臺激光掃描儀，可檢測14 m距離內(nèi)的障礙物。實現(xiàn)大車行走方向上的區(qū)域防護（如圖7）。

圖7 大車行走防撞示意圖

4.4.4 防侵入保護

在門機合適位置安裝1臺警戒式攝像球機，攝像頭識別大漏斗，并根據(jù)相關(guān)策略自動劃定警戒區(qū)域。當檢測到警戒區(qū)域內(nèi)沒有人員時（包括動態(tài)和靜態(tài)識別），抓斗方可執(zhí)行抓料和卸料流程作業(yè)，否則將等待，直到檢測現(xiàn)場無人員時再作業(yè)。

4.5 抓斗運行軌跡定位

抓斗在料斗上方精確定位后，開斗揚塵最小，可實現(xiàn)除塵、靜電料斗內(nèi)開斗放料，抓斗的運行只要依靠起升、變幅、旋轉(zhuǎn)3大機構(gòu)的運行定位來實現(xiàn)。

4.5.1 起升機構(gòu)設(shè)定

門機起升設(shè)計的最大速度為60 m/min，即1 m/s，加、減速時間為3 s。根據(jù)1/2（V×T）,可以算出起升機構(gòu)從最大速到0速的滑行距離為1.5 m，即從離設(shè)定位置1.5 m的位置給0速，可以正好達到設(shè)定位置。若設(shè)定起升目標值為18.8 m，抓料高度時距離為h，運行時間即為t=（18.8-1.5-h）。

4.5.2 變幅機構(gòu)設(shè)定

門機變幅機構(gòu)的設(shè)計速度為45 m/min，即0.75 m/s，加、減速時間為3 s，因此想達到最大速度最少要2.25 m（2×1/2×V×T）的運行距離。

變幅的計算公式：實時位置減去設(shè)定位置得到位置差（S1-S2=S）。

根據(jù)半自動的調(diào)試試驗，很短的運行距離達不到很好的防搖效果，因此在程序上做了限制，若變幅小于18 m時，不允許啟動自動控制技術(shù)（門機變幅12 m～39 m，料斗的位置約在變幅13.8 m處）。S<2.25 m工況不存在。

當S>2.25 m時，加減速的滑行距離為2.25 m，因此勻速運行的時間為：t1=（S-2.25）/0.75。但是變幅的防搖周期為8.31 s，因此，變幅運行時在t1+8.31 s后，給0速。在開始運行到t1+8.31 s的時刻給最大速度50 Hz/m。

4.5.3 旋轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)定

旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的速度為1.5轉(zhuǎn)/min，即9°/S，旋轉(zhuǎn)的加、減速時間為8.31 s?？紤]到防搖效果，現(xiàn)場設(shè)定的最大速度分了4個檔，分別為40 Hz/m、30 Hz/m、20 Hz/m、10 Hz/m。

若要達到40 Hz/m,需要的最小旋轉(zhuǎn)角度差為4/5×9×8.31，也就是59.8°。

若要達到30 Hz/m,最小的旋轉(zhuǎn)角度為44.9°。

若要達到20 Hz/m,最小的旋轉(zhuǎn)角度為29.9°。

若要達到10 Hz/m,最小的旋轉(zhuǎn)角度為14.9°。根據(jù)角度差可以選擇最大速度。

旋轉(zhuǎn)勻速運行時間（以40 Hz/m為例）：t2=[(θ-59.8) ×5]/（9×4），旋轉(zhuǎn)的運行時間為：8.31+t2，在開始運行到8.31+t2這段時間給40 Hz/m的速度，過了8.31+t2時間后給0速。

4.6 門機遠程集中控制技術(shù)

遠程自動化控制是整個門機自動化系統(tǒng)的核心，通過各門機控制系統(tǒng)采集本機的運行信息和數(shù)據(jù)，借助可靠的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，可以將信息和數(shù)據(jù)匯總到中控室，再通過服務(wù)器 PC 上的自動控制程序、組態(tài)軟件對操控臺的各種指令進行處理，將處理結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給各門機控制系統(tǒng)，執(zhí)行相應(yīng)的命令（如圖8）。

圖8 門機全自動控制系統(tǒng)簡圖

通過多機協(xié)同作業(yè)策略和智能化控制算法，實現(xiàn)多機調(diào)度或協(xié)同作業(yè)，并在系統(tǒng)作業(yè)過程中通過可靠的安全防撞系統(tǒng)和措施，保障多機協(xié)同作業(yè)的安全可靠。

4.7 全自動控制流程

中央控制室操作人員檢查各機構(gòu)情況及現(xiàn)場安全狀況，操作門機到指定位置后，設(shè)定相關(guān)參數(shù)，然后進行自動化操作，按照圖9進行。

圖9 全自動控制流程簡介圖

5 預期效果

5.1 提升綜合效率

采用門機全自動智能化控制系統(tǒng)，可降低門機作業(yè)效率對司機專業(yè)技術(shù)水平的依賴程度，在減輕門機司機疲勞的同時，規(guī)范操作流程、實現(xiàn)卸船作業(yè)標準操作，從而提升門機作業(yè)效率的穩(wěn)定性。

5.2 減員增效

通過實現(xiàn)門機的全自動智能化控制，可大幅降低門機司機的勞動強度。例如，若有3臺門機，門機司機可以從每個班4人3臺門機減少到3人3臺門機，按照3大班制測算，全年節(jié)約人工成本約30萬元，達到優(yōu)化作業(yè)，降低能耗的目的。

5.3 提升智能化水平

門機作為散貨碼頭工藝設(shè)備重要的組成部分，實現(xiàn)門機操作全自動智能化，為下一步散貨碼頭全流程自動化邁出了關(guān)鍵一步，為智慧港口建設(shè)貢獻技術(shù)支撐。

5.4 提升安全性能

自動化作業(yè)可降低人為因素風險，降低由于司機疲勞或操作失誤導致的安全風險，提升門機作業(yè)的安全化水平，提高運行安全可靠性；減少設(shè)備抖動、晃動對金屬結(jié)構(gòu)的影響。同時，可減少揚塵，提高環(huán)境保護能力。

6 推廣應(yīng)用

門機全自動化控制技術(shù)的應(yīng)用對于散貨碼頭具有重大意義，解決了傳統(tǒng)門機作業(yè)中的難點和痛點，具有極大的推廣價值。門機作為港口傳統(tǒng)設(shè)備，借助智能技術(shù)，使司機走出駕駛室，可實現(xiàn)適應(yīng)復雜工況的無人化作業(yè)。隨著散貨碼頭各設(shè)備智能化升級、各系統(tǒng)間的整合，今后將改變傳統(tǒng)散貨碼頭作業(yè)模式，實現(xiàn)散貨碼頭全智能化技術(shù)，在安全、可控、高效、節(jié)能、環(huán)保等各方面邁上一個新的臺階。