散貨碼頭橋式抓斗卸船機自動化改造

孫小婷，王儒超

（廣西鋼鐵集團有限公司 港務(wù)中心，廣西 防城港 538000）

0 引言

卸船機是散貨碼頭卸船時使用的大型機械，在大宗原燃料集散港口發(fā)揮著重要作用。全球貿(mào)易一體化的發(fā)展促進了全球范圍內(nèi)對散料運輸?shù)男枨?，伴隨這一發(fā)展的是港口對卸船機這類散貨卸船設(shè)備的需求[1-2]。司機人工手動操的熟練程度直接決定著卸船效率與作業(yè)安全，為了適應(yīng)港口散貨裝卸設(shè)備專業(yè)化、大型化、高效化的發(fā)展趨勢，世界各國都在大力研究，應(yīng)用信息化、自動化和智能化技術(shù)來建設(shè)和改造散貨碼頭，研制新型散貨裝卸與輸送設(shè)備，研究新型散貨作業(yè)管理與控制系統(tǒng)，從而提高港口企業(yè)的核心競爭力。

1 項目概述

1.1 項目意義

我國現(xiàn)有港機設(shè)備以人工或者半自動的操作方式為主，碼頭依賴人工作業(yè)、協(xié)作調(diào)整的生產(chǎn)作業(yè)，通常會由于操作人員經(jīng)驗不足，通訊系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞的不及時、不準(zhǔn)確等原因影響裝卸效率，使得生產(chǎn)成本較高[3]。目前散貨碼頭電氣自動化控系統(tǒng)存在的主要問題有：

（1）散貨碼頭的工藝流程較為復(fù)雜，工藝的環(huán)節(jié)繁復(fù)，控制系統(tǒng)的性能存在短板。為滿足生產(chǎn)發(fā)展的需求，生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)設(shè)備技改更新頻繁，現(xiàn)有系統(tǒng)無法完全兼容。

（2）從目前裝備備件應(yīng)用情況來看，部分電氣系統(tǒng)關(guān)鍵備件及技術(shù)依賴外企進口，如ABB、施耐德、西門子等。我國在控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)、軟硬件、綜合調(diào)度等方面與歐美發(fā)達國家仍存在較大差異。

（3）港口裝卸設(shè)備的電氣自動化控制系統(tǒng)及現(xiàn)場傳感器數(shù)據(jù)信息量大、各個系統(tǒng)模塊采用設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，故而對數(shù)據(jù)傳輸和處理性能要求較高，怎樣利用現(xiàn)有技術(shù)高效的進行數(shù)據(jù)信號傳數(shù)，在保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、有效性的同時，怎樣確保各采集系統(tǒng)間的信息共享是目前研究的熱點。

（4）系統(tǒng)運維成本高。隨著碼頭的裝卸設(shè)備及碼頭規(guī)模的擴建，控制系統(tǒng)的使用頻率和業(yè)務(wù)量逐漸增大，需不斷維護升級現(xiàn)有系統(tǒng)以提高其適用性、穩(wěn)定性，這也可能增加系統(tǒng)的維護成本[4-5]。

隨著經(jīng)濟全球化的快速發(fā)展，柳鋼原燃料采購以國際貿(mào)易為主，現(xiàn)有的散貨碼頭的自動化化水平無法滿足國際貿(mào)易快速增長的需求。國內(nèi)多地掀起了智能自動化碼頭建設(shè)的高潮，各地開始了散貨碼頭的電氣自動化的改造升級。

1.2 項目概況

柳鋼防城港基地20 萬噸碼頭泊位配置有6 臺額定生產(chǎn)能力2500 t/h、3 臺定生產(chǎn)能力1800 t/h 的橋式抓斗卸船機。卸船機自動化系統(tǒng)為ABB-AC800M。碼頭作業(yè)模式采用人工手動卸船方式，剩余艙底余料，由司機將推耙機吊入船艙進行清艙作業(yè)。

1.3 項目內(nèi)容

本工程擬對碼頭原料泊位卸船機實施技術(shù)改造，在保持原操作系統(tǒng)不變的情況下，加掛一整套智能全自動控制系統(tǒng)（包括高精度雷達、智能檢測終端等軟硬件系統(tǒng)）。同時，在地面中控室建立遠程控制中心，卸船機上無需配備司機，中控只需1 名值班員通過在人機界面設(shè)置任務(wù)參數(shù)，下達卸船指令，系統(tǒng)通過雷達自動掃描建立船艙和料堆分布三維動態(tài)數(shù)據(jù)庫，依靠智能算法，自動控制抓斗卸船機起升、開閉、小車、大車機構(gòu)運行。系統(tǒng)具備先進感知系統(tǒng)，在保證船體安全平衡的原則下精準(zhǔn)抓取、平穩(wěn)卸料，最終實現(xiàn)智能全自動控制下的卸船作業(yè)（大梁俯仰及清艙階段仍需司機手動操作）。

2 系統(tǒng)方案

抓斗卸船機智能全自動控制系統(tǒng)通過雷達掃描建立船艙內(nèi)料堆三維動態(tài)數(shù)據(jù)庫，主控單元依靠人工智能算法，自動控制抓斗卸船機起升、開閉、小車、大車機構(gòu)運行。系統(tǒng)具備先進感知系統(tǒng)，在保證船體安全平衡的原則下精準(zhǔn)抓取、平穩(wěn)卸料，最終實現(xiàn)全自動卸船作業(yè)。

卸船機上由主機構(gòu)定位系統(tǒng)（含大車定位防撞）、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、物料探測雷達系統(tǒng)、卸船機自動化系統(tǒng)、機上操作終端、地面中控系統(tǒng)等組成。地面中控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、視頻監(jiān)控大屏、操作終端、遠程操作臺組成。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

2.1 主機構(gòu)位置檢測

2.1.1 大車位置檢測及防撞

為精確檢測大車運行位置，在原有編碼器定位基礎(chǔ)上增加RFID 校驗裝置對編碼器位置進行校準(zhǔn)，位置信號接入卸船機PLC 控制系統(tǒng)，實現(xiàn)大車方向的自動定位。為避免同軌道卸船機之間的碰撞，目前卸船機門腿底部均安裝防撞激光、防撞桿及限位，接入卸船機PLC 控制系統(tǒng)，PLC 系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前速度及距離可實時計算減速點及停止點，確保相鄰卸船機的安全。

2.1.2 起升及小車位置檢測

卸船機的小車為機械差動四卷筒牽引小車，其結(jié)構(gòu)型式為：起升電機、閉合電機與小車行走電機，通過兩臺特殊設(shè)計的行星減速器組合裝配，用來驅(qū)動四只卷筒。同側(cè)的兩只卷筒分別繞出兩根鋼絲繩分別繞過橋架頭部和尾部的改向滑輪繞向抓斗小車，再通過抓斗小車上的改向滑輪固定在抓斗上。抓斗起升、閉合、小車行走所有功能都通過這四只卷筒來實現(xiàn)，通過兩臺行星減速器內(nèi)圈、外圈的差動實現(xiàn)各種動作組合。保持兩個起升卷筒不動，兩個開閉卷筒同向轉(zhuǎn)動實現(xiàn)抓斗的開閉；兩個起升卷筒和兩個開閉卷筒同向轉(zhuǎn)動實現(xiàn)抓斗的起升；兩個起升卷筒和兩個開閉卷筒反向轉(zhuǎn)動實現(xiàn)小車的運行。如圖2 所示。

圖2 機械差動四卷筒牽引小車鋼絲繩繞繩系統(tǒng)

四卷筒牽引小車系統(tǒng)的優(yōu)點為：由于只有一個抓斗小車，四根鋼絲繩，纏繞系統(tǒng)非常簡潔明了。相應(yīng)鋼絲繩用量少，磨損少，需要的滑輪也少；抓斗的起升、閉合、小車行走機構(gòu)組合在一起，只有四只卷筒，結(jié)構(gòu)非常緊湊；只有一臺小車，后大梁可縮短，整機自重減輕。目前卸船的起升、小車位置具備位置檢測功能，采用電機的增量編碼器進行計算獲取的，采用位置同步開關(guān)進行位置校驗?？梢詽M足起升在45 m 范圍內(nèi)的運行，使起升的定位精度在±20 cm 內(nèi)的精準(zhǔn)定位。在閉斗狀態(tài)下，可以在地面和料斗格柵板處進行位置校驗。位置信號接入卸船機PLC 控制系統(tǒng)，實現(xiàn)抓斗起升方向的自動定位。

2.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

卸船機視頻監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)在全自動條件下的視頻監(jiān)控輔助功能。在以下關(guān)鍵操作位置固定高清攝像頭，采集的視頻信號匯總至機房電氣室內(nèi)視頻系統(tǒng)機柜，信號再經(jīng)電纜卷筒內(nèi)的光纖備用通道傳輸至中控室，顯示在監(jiān)控大屏幕上。

（1）在卸船機大梁海側(cè)位置的高清攝像頭，面向下安裝，視角覆蓋下面船艙范圍，主要用于觀察抓斗在船艙內(nèi)的抓卸料操作。

（2）在卸船機大梁陸側(cè)卸料斗的上方位置的高清攝像頭，視角覆蓋整個卸料區(qū)域范圍，主要用于觀察抓斗的卸料姿態(tài)和卸料效果。

（3）在卸船機大車前方左右兩側(cè)位置的高清攝像頭，觀察大車前進時碼頭工作面狀況。

（4）在卸船機大車后方左右兩側(cè)位置的高清攝像頭，觀察大車后退時碼頭工作面狀況。

（5）在卸船機卸料斗出口附近的高清攝像頭，視角覆蓋料斗出口及閘門，主要用于觀察出料狀況。

（6）其他位置新增的高清攝像頭：運行皮帶前側(cè)、運行皮帶后測、電纜卷盤側(cè)，分倉前側(cè)，分倉后側(cè)，低壓電氣房側(cè)，高壓電氣房側(cè)。

2.3 物料探測雷達系統(tǒng)

激光雷達掃描系統(tǒng)沿卸船機大梁方向，在船艙上方兩側(cè)位置安裝掃描云臺，如圖3 所示。云臺采用正交安裝方式，可以對船只進行兩個垂直方向的掃描，由于兩個云臺安裝在船只上方兩側(cè)，在掃描的時候能夠更多的掃描到船艙口內(nèi)測的料堆情況?；蛘卟捎迷谒緳C駕駛室平臺下方安裝一臺掃描云臺，根據(jù)船體尺寸移動駕駛室至合適位置，保證掃描云臺能夠更多的掃描到船艙口內(nèi)側(cè)料堆情況。

圖3 掃描雷達安裝位置

在作業(yè)前通過行走大車，雷達能夠?qū)ο路酱摷拔锪戏植甲龈采w式掃描 建立料堆三維模型；抓斗小車每次向料斗卸料時，激光雷達開始實時掃描船艙料堆形狀，刷新料堆輪廓，提供下次抓斗抓取的數(shù)據(jù)坐標(biāo)。

2.4 卸船機自動化系統(tǒng)

新增一臺自動化控制柜，配置西門子1500PLC和工控機，用于實現(xiàn)自動作業(yè)相關(guān)功能。新增的PLC通過profinet 與原主機控制系統(tǒng)ABB-AC800M PLC進行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，新增的工控機用于激光掃描建模和控制算法。激光掃描儀通過以太網(wǎng)接入工控機。

3 自動流程及控制策略

3.1 自動工藝流程

操作員在中控室操作終端界面中，設(shè)置船艙寬度、深度及艙口數(shù)據(jù)、大車移動閾值等幾個作業(yè)參數(shù)后，將對應(yīng)卸船機的操作模式切換為全自動模式，系統(tǒng)即開始自動卸船：

（1）系統(tǒng)通過大車自動移動實現(xiàn)對下方船艙和物料的覆蓋掃描，將其輪廓信息三維成像、建模，經(jīng)過分析計算將料堆與船艙剝離開來，并根據(jù)智能連續(xù)取料策略算法形成最優(yōu)化卸船作業(yè)方案，人工核對掃描數(shù)據(jù)后生成作業(yè)任務(wù)。

（2）系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前料堆形狀特征以及重量分布，大車自動移動至軟件計算出的最優(yōu)抓料點，自動控制抓斗抓料、閉斗、提升，沿系統(tǒng)自動規(guī)劃的最優(yōu)回程路徑，控制抓斗和小車運行至卸料斗上方開斗卸料，然后系統(tǒng)控制抓斗再返回船艙內(nèi)下一個最優(yōu)抓料點繼續(xù)抓料，完成一次抓卸料循環(huán)。

（3）在每個循環(huán)中，當(dāng)抓斗遠離船艙后，雷達自動掃描當(dāng)前抓取過的煤堆表面，實時刷新料堆輪廓并更新到整個料堆數(shù)據(jù)庫中。同時能夠?qū)Υw上浮、傾斜產(chǎn)生的數(shù)據(jù)變更進行實時補償。

（4）系統(tǒng)周而復(fù)始，按照分層剝?nèi)?、平衡卸船的策略，自動完成卸船任?wù)。艙底剩余少量余煤，由司機手工清艙。

操作員在中控室遠程監(jiān)控系統(tǒng)全自動運行，如出現(xiàn)異常情況，可隨時通過點按操作臺上卸船機急停按鈕，系統(tǒng)立即從自動模式切換回手動操作模式，保障系統(tǒng)安全；當(dāng)異常情況處理完畢后，操作員可點擊“流程繼續(xù)”按鈕，系統(tǒng)切回自動模式，從剛才的斷點處接續(xù)，繼續(xù)自動卸船作業(yè)。

3.2 射斗策略

由于船艙口過小，為了能夠抓取更多的料，在抓斗擺幅過程中開始下降到船艙內(nèi)，當(dāng)擺幅到達最大時，抓斗接觸料堆進行抓取。在自動作業(yè)模式下，無法完成這個過程，為了能夠抓取更多的料，對于船艙口小的取料，通常采用的方法是先將抓斗降至艙內(nèi)，再將小車向艙壁移動，最多是半個抓斗的位置，或略小一些。

3.3 最優(yōu)路徑

卸船機的主要作用機構(gòu)是抓斗升降及小車平移，只有這兩個機構(gòu)同時進行移動才是最快的效率。在保證安全的前提下，不發(fā)生碰撞盡量實現(xiàn)同時作業(yè)，這就需要考慮機構(gòu)行程的軌跡，因此通過建立坐標(biāo)系，結(jié)合防搖系統(tǒng)進行最優(yōu)路徑規(guī)劃，最終輸出路徑坐標(biāo)點，控制小車及抓斗的位置，來提高整體作業(yè)效率及流暢性。

3.4 防搖定位

防搖系統(tǒng)的算法有很多，通常分為開環(huán)算法和閉環(huán)算法。

開環(huán)算法：最普遍的就是雙脈沖前饋防搖擺控制（Double pulsecontrol），也有稱為Posicast control 或Cancellation control。最典型的應(yīng)用如ABB 的傳動系統(tǒng)，這種算法理論上不支持擺長變化（小車移動時，抓斗升降變化）控制。

閉環(huán)算法：西門子、萊納、佰能等，這種算法在擺長發(fā)生變化時，能夠進行補償防搖效果。

為了實現(xiàn)最優(yōu)路徑，就需要采用變擺長的方式，因此閉環(huán)算法更適合卸船機的應(yīng)用。

3.5 控制接口

卸船機的原系統(tǒng)功能比較完善，因此所有控制功能及功能連鎖以原系統(tǒng)為主新增系統(tǒng)為輔。接口采用Profinet 協(xié)議通訊，通訊主要內(nèi)容如下：

（1）遠程操作控制選擇；

（2）大車、小車、起升采用啟動指令+速度給定；

（3）抓斗開閉指令控制；

（4）卸船機的位置些信息；

（5）卸船主要報警信息。

4 結(jié)語

抓斗卸船機無人駕駛系統(tǒng)投用后，使司機脫離駕駛室的同時還可在遠程進行必要的操作，不僅極大地降低了卸船機司機的勞動強度，還提高了卸船的安全性。同時，該系統(tǒng)可自動計算最佳抓取點和最優(yōu)抓取路徑，有效避免煤料撒落的情況，從而減輕了碼頭污染和資源浪費等問題。