智能化港口集裝箱起重機(jī)遠(yuǎn)程控制淺析

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摘要:針對智能化港口集裝箱起重機(jī)遠(yuǎn)程控制問題，以軌道式龍門起重機(jī)為對象，開發(fā)一種基于遠(yuǎn)程控制、激光掃描、定位系統(tǒng)、設(shè)備安全監(jiān)控、視頻系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)的遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)，可改善操作工人的工作環(huán)境和勞動強(qiáng)度，降低事故風(fēng)險，提高港口效率。

關(guān)鍵詞:遠(yuǎn)程控制;軌道式龍門起重機(jī);關(guān)鍵技術(shù)

1引言

與傳統(tǒng)港口相比，自動化港口是以科技手段實現(xiàn)集裝箱裝卸、水平運(yùn)輸、堆場裝卸全過程的新型港口，自設(shè)立之初就以提升效率、降低成本、提高港口管理水平為目的［1］。因此急需系列化、多品種自動化集裝箱起重機(jī)，以滿足自動化集裝箱碼頭的建設(shè)需要，實現(xiàn)堆場集裝箱的裝卸、搬運(yùn)和堆放，提高碼頭運(yùn)行效率和管理水平。以軌道式龍門起重機(jī)(以下簡稱軌道吊)為研究對象，該類型產(chǎn)品主要用于港口集裝箱的吊運(yùn)，處理堆場集裝箱的倒運(yùn)，配合集卡進(jìn)行出庫入庫等工作［2-3］。傳統(tǒng)軌道吊作業(yè)時，各機(jī)構(gòu)動作、掛箱、摘箱需要司機(jī)全程手工操控，找箱、尋庫、出入庫信息、堆場管理全部依靠人工記錄，作業(yè)效率低。為實現(xiàn)港口集裝箱運(yùn)轉(zhuǎn)的遠(yuǎn)程操控和智能轉(zhuǎn)運(yùn)，需要研發(fā)自動化軌道吊作業(yè)配套的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，在產(chǎn)品控制上解決起重機(jī)主升、大車、小車的遠(yuǎn)程定位技術(shù)問題。

2作業(yè)流程分析

對軌道吊作業(yè)流程進(jìn)行分析，將作業(yè)流程和特點(diǎn)進(jìn)行拆分(見表1)，結(jié)合現(xiàn)場無人化操作管理工況，確定作業(yè)流程所需功能，運(yùn)用定位系統(tǒng)、智能掃描系統(tǒng)、光學(xué)識別系統(tǒng)和自動化程序等手段替代現(xiàn)場人工操作的環(huán)節(jié)，進(jìn)行針對性的系統(tǒng)功能開發(fā)。

3關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)

3．1自動化管理系統(tǒng)

自動化管理系統(tǒng)框架見圖1。研發(fā)自動化管理系統(tǒng)和碼頭操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)從操作系統(tǒng)接收作業(yè)任務(wù)信息，并將完成情況反饋給操作系統(tǒng);調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)所有軌道吊的當(dāng)前忙閑狀態(tài)及在堆場中的相對位置，按照最優(yōu)方案自動分配由哪臺軌道吊執(zhí)行作業(yè)任務(wù);操作臺調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)所有操作臺當(dāng)前的忙閑狀態(tài)，自動分配操作臺對應(yīng)操作哪臺軌道吊，同時控制系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、語音系統(tǒng)等也同步切換到對應(yīng)的設(shè)備上;自動化統(tǒng)計系統(tǒng)用于統(tǒng)計自動化作業(yè)的各種數(shù)據(jù)并生成報表。

3．2輔助操作系統(tǒng)

輔助操作系統(tǒng)圖形化顯示大車、小車、起升機(jī)構(gòu)的位置信息、堆場集裝箱的輪廓信息、作業(yè)的源地址、目標(biāo)地址信息;顯示PLC的工作狀態(tài):開鎖、閉鎖、起升速度、小車速度、吊具下降減速等信息;顯示集卡到達(dá)情況，及設(shè)備作業(yè)切換提醒。

3．3起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)功能是將起重機(jī)在運(yùn)行過程中的各種實時數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)通訊采集到遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)中(見圖2)。在監(jiān)控系統(tǒng)側(cè)同時將采集的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、故障連鎖信息、工作狀態(tài)等信息進(jìn)行處理、存儲，可以遠(yuǎn)程訪問和管理。視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)高清攝像頭，可以實時跟蹤對焦視頻。系統(tǒng)與PLC接口通訊，并可以隨設(shè)備的作業(yè)工況而自動切換畫面。語音廣播系統(tǒng)通過遠(yuǎn)程操作臺語音設(shè)備和現(xiàn)場設(shè)備通過光纖或網(wǎng)線進(jìn)行通訊，點(diǎn)對點(diǎn)式廣播，并可與視頻監(jiān)控系統(tǒng)共用。

3．4基于傳感器的遠(yuǎn)程定位系統(tǒng)

起升機(jī)構(gòu)定位采用支持PＲOFINET通訊的雙絕對值編碼器冗余檢測，1只編碼器安裝在電機(jī)內(nèi)部，兼做矢量閉環(huán)信號;另1只編碼器安裝在卷筒軸側(cè)，二者相互位置校驗，定位精度可達(dá)15mm，用來實現(xiàn)起升精確定位。小車機(jī)構(gòu)定位采用線性編碼器+絕對值編碼器冗余檢測，大車機(jī)構(gòu)定位采用FLAG板和絕對值編碼器相互校驗實現(xiàn)。

3．5箱形輪廓掃描

箱形輪廓掃描系統(tǒng)在小車架上安裝3個2D掃描儀，分別掃描大車行進(jìn)方向和小車行進(jìn)方向。1號掃描儀負(fù)責(zé)掃描相鄰貝位的輪廓信息以及大車方向上障礙，2號、3號掃描儀負(fù)責(zé)掃描當(dāng)前作業(yè)貝的輪廓信息，用于計算當(dāng)前作業(yè)貝的2D最高障礙數(shù)據(jù)。3個2D掃描儀掃描數(shù)據(jù)之間進(jìn)行相互矯正，減少單一掃描系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差，同時數(shù)據(jù)集合形成3D箱形輪廓數(shù)據(jù)。

3．6目標(biāo)檢測系統(tǒng)

目標(biāo)檢測系統(tǒng)在小車架上安裝2個3D掃描儀，1號掃描儀安裝在小車架平臺海側(cè)中心線前方，掃描方向為大車行進(jìn)方向;2號掃描儀安裝在小車架平臺陸側(cè)中心線位置，掃描方向為大車行進(jìn)方向。海側(cè)掃描儀負(fù)責(zé)掃描集裝箱海側(cè)邊線，陸側(cè)掃描儀負(fù)責(zé)掃描集裝箱陸側(cè)邊線。在掃描的同時，精確測量吊具的起升高度。通過激光掃描儀能準(zhǔn)確地測量出上下箱偏差情況，相關(guān)掃描數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC，PLC按照數(shù)據(jù)極端分析精準(zhǔn)控制小車及起升機(jī)構(gòu)運(yùn)行。

3．7集卡定位系統(tǒng)

通過3D激光掃描系統(tǒng)實現(xiàn)集卡定位，集卡定位系統(tǒng)能夠滿足縱向(大車方向)及橫向(小車方向)兩個偏差數(shù)據(jù)的測量要求。應(yīng)用時自動化管理系統(tǒng)將集卡所在的通道號、集卡上是否有集裝箱、集裝箱尺寸等信息告知集卡定位系統(tǒng)，通過3D激光掃描儀檢掃描到的輪廓，計算集卡的位置，通過計算得出的位置信息顯示在顯示屏上，集卡司機(jī)根據(jù)LED顯示屏的指示，指引集卡的移動，直到集卡到達(dá)正確的停車位，確保作業(yè)的高效性。

3．8防撞系統(tǒng)

海岸設(shè)備線上，每臺設(shè)備的大車位置實時共享，單機(jī)大車位置傳輸?shù)街锌豍LC中，由PLC判斷大車所在相對位置，如果兩車之間距離小于設(shè)定的安全距離，PLC發(fā)出指令，停止大車動作，保障設(shè)備安全。

3．9自動化防搖系統(tǒng)

通過圖像采集設(shè)備實時檢測安裝在吊具上的標(biāo)定板，進(jìn)而計算出采集設(shè)備和標(biāo)定板在運(yùn)動時的偏移量和偏轉(zhuǎn)角度，并及時發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行偏移校正。運(yùn)行過程中系統(tǒng)會根據(jù)檢測到的輪廓位置判斷吊具減速以及停止位置，平滑完成運(yùn)行過程，且系統(tǒng)運(yùn)行過程按照最優(yōu)拋物線方式運(yùn)行(見圖3)。

3．10箱號和車號識別系統(tǒng)

通過在車道側(cè)安裝攝像頭從集裝箱側(cè)面分別按照20ft和40ft兩種模式識別。如果出現(xiàn)無法識別現(xiàn)象，返回人工界面通過視頻攝像頭確認(rèn)。在車道側(cè)門腿處另外增加1套ＲFID車號識別系統(tǒng)，用來讀取每輛集卡上的ＲFID射頻卡，從而實現(xiàn)集卡車號的自動識別。

4結(jié)語

與國外第一代自動化集裝箱碼頭荷蘭鹿特丹港ECT集裝箱碼頭、第二代德國漢堡港CTA碼頭，以及第三代自動化集裝箱碼頭鹿特丹港Euromax碼頭相比，本研究成果中所采用的技術(shù)手段更為先進(jìn)，其中雙編碼器冗余檢測互為校驗、箱型輪廓掃描計算二維最高障礙數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)集合形成三維箱型輪廓數(shù)據(jù)等技術(shù)處于國際技術(shù)前沿，不僅提高了港口的轉(zhuǎn)運(yùn)效率，降低了人工成本和事故風(fēng)險，而且與港口管理系統(tǒng)對接，可實現(xiàn)信息的實時關(guān)聯(lián)與記錄，方便港口管理，實現(xiàn)了自動化港口起重機(jī)遠(yuǎn)程控制關(guān)鍵技術(shù)突破。

參考文獻(xiàn)

［1］聶福全，聶雨萱，楊文莉．智慧港口集裝箱起重機(jī)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用［J］．建設(shè)機(jī)械與管理，2021(5):46-51．

［2］聶福全，王峰，聶雨萱．具有能量回收特性內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)的無齒輪起重機(jī)［J］．建設(shè)機(jī)械與管理，2021(3):124-128．

［3］聶福全，劉堯．港口超大噸位起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］．港口裝卸．2017(6):14-17．

作者:王峰 聶雨萱 聶福全 單位:河南省特種設(shè)備安全檢測研究院 安陽分院鄭州大學(xué)國際學(xué)院 河南科技學(xué)院