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摘要:針對(duì)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(duì)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(dòng)強(qiáng)度，降低事故風(fēng)險(xiǎn)，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(dòng)化港口是以科技手段實(shí)現(xiàn)集裝箱裝卸、水平運(yùn)輸、堆場(chǎng)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(dòng)化集裝箱起重機(jī)，以滿足自動(dòng)化集裝箱碼頭的建設(shè)需要，實(shí)現(xiàn)堆場(chǎng)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(jiǎn)稱軌道吊)為研究對(duì)象，該類型產(chǎn)品主要用于港口集裝箱的吊運(yùn)，處理堆場(chǎng)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(shí)，各機(jī)構(gòu)動(dòng)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(chǎng)管理全部依靠人工記錄，作業(yè)效率低。為實(shí)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(dòng)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(duì)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(chǎng)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(shí)別系統(tǒng)和自動(dòng)化程序等手段替代現(xiàn)場(chǎng)人工操作的環(huán)節(jié)，進(jìn)行針對(duì)性的系統(tǒng)功能開發(fā)。

3關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)

3．1自動(dòng)化管理系統(tǒng)

自動(dòng)化管理系統(tǒng)框架見圖1。研發(fā)自動(dòng)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(chǎng)中的相對(duì)位置，按照最優(yōu)方案自動(dòng)分配由哪臺(tái)軌道吊執(zhí)行作業(yè)任務(wù);操作臺(tái)調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)所有操作臺(tái)當(dāng)前的忙閑狀態(tài)，自動(dòng)分配操作臺(tái)對(duì)應(yīng)操作哪臺(tái)軌道吊，同時(shí)控制系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、語音系統(tǒng)等也同步切換到對(duì)應(yīng)的設(shè)備上;自動(dòng)化統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)用于統(tǒng)計(jì)自動(dòng)化作業(yè)的各種數(shù)據(jù)并生成報(bào)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(chǎng)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(shí)時(shí)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(shí)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(chǔ)，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(shí)時(shí)跟蹤對(duì)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(dòng)切換畫面。語音廣播系統(tǒng)通過遠(yuǎn)程操作臺(tái)語音設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過光纖或網(wǎng)線進(jìn)行通訊，點(diǎn)對(duì)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(duì)值編碼器冗余檢測(cè)，1只編碼器安裝在電機(jī)內(nèi)部，兼做矢量閉環(huán)信號(hào);另1只編碼器安裝在卷筒軸側(cè)，二者相互位置校驗(yàn)，定位精度可達(dá)15mm，用來實(shí)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(duì)值編碼器冗余檢測(cè)，大車機(jī)構(gòu)定位采用FLAG板和絕對(duì)值編碼器相互校驗(yàn)實(shí)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(gè)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(hào)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(hào)、3號(hào)掃描儀負(fù)責(zé)掃描當(dāng)前作業(yè)貝的輪廓信息，用于計(jì)算當(dāng)前作業(yè)貝的2D最高障礙數(shù)據(jù)。3個(gè)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(shí)數(shù)據(jù)集合形成3D箱形輪廓數(shù)據(jù)。

3．6目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)

目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)在小車架上安裝2個(gè)3D掃描儀，1號(hào)掃描儀安裝在小車架平臺(tái)海側(cè)中心線前方，掃描方向?yàn)榇筌囆羞M(jìn)方向;2號(hào)掃描儀安裝在小車架平臺(tái)陸側(cè)中心線位置，掃描方向?yàn)榇筌囆羞M(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(shí)，精確測(cè)量吊具的起升高度。通過激光掃描儀能準(zhǔn)確地測(cè)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(shí)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(gè)偏差數(shù)據(jù)的測(cè)量要求。應(yīng)用時(shí)自動(dòng)化管理系統(tǒng)將集卡所在的通道號(hào)、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(jì)算集卡的位置，通過計(jì)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(dòng)，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(tái)設(shè)備的大車位置實(shí)時(shí)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(duì)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(dòng)作，保障設(shè)備安全。

3．9自動(dòng)化防搖系統(tǒng)

通過圖像采集設(shè)備實(shí)時(shí)檢測(cè)安裝在吊具上的標(biāo)定板，進(jìn)而計(jì)算出采集設(shè)備和標(biāo)定板在運(yùn)動(dòng)時(shí)的偏移量和偏轉(zhuǎn)角度，并及時(shí)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(huì)根據(jù)檢測(cè)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(hào)和車號(hào)識(shí)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(shí)別。如果出現(xiàn)無法識(shí)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(hào)識(shí)別系統(tǒng)，用來讀取每輛集卡上的ＲFID射頻卡，從而實(shí)現(xiàn)集卡車號(hào)的自動(dòng)識(shí)別。

4結(jié)語

與國外第一代自動(dòng)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(dòng)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(cè)互為校驗(yàn)、箱型輪廓掃描計(jì)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(xiǎn)，而且與港口管理系統(tǒng)對(duì)接，可實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)與記錄，方便港口管理，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)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(jì)［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(cè)研究院 安陽分院鄭州大學(xué)國際學(xué)院 河南科技學(xué)院