龐維健

（上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司，上海 200125）

目前港口岸邊集裝箱起重機(jī)的遠(yuǎn)程化、無(wú)人化、自動(dòng)化等等研究正逐漸被提上日程，振華港機(jī)已經(jīng)早早的開(kāi)展了這方面的研究。本文著重分析研究振華港機(jī)全球自動(dòng)化碼頭控制中的技術(shù)難點(diǎn)，并提出相應(yīng)的解決方案。

1 岸邊集裝箱起重機(jī)遠(yuǎn)程自動(dòng)化操作技術(shù)難點(diǎn)

1.1 船上集裝箱位置精確檢測(cè)技術(shù)

船上集裝箱精確檢測(cè)技術(shù)一直是自動(dòng)化操作技術(shù)的難題。眾所周知，世界上的船型不計(jì)其數(shù)，每條船上的集裝箱堆放情況各不相同，再加上集裝箱船壓艙的程度各不相同，導(dǎo)致了對(duì)岸邊集裝箱起重機(jī)的自動(dòng)化控制提出了非常高的要求。在岸邊集裝箱起重機(jī)自動(dòng)化控制研究中，有一個(gè)全球港機(jī)制造廠家都在研究的課題：設(shè)計(jì)一套精準(zhǔn)的位置檢測(cè)系統(tǒng)能在復(fù)雜的船型中找到需要抓取的箱子，并且設(shè)計(jì)出小車(chē)機(jī)構(gòu)和起升機(jī)構(gòu)行進(jìn)的路線(xiàn)，行進(jìn)路線(xiàn)需要能準(zhǔn)確避開(kāi)路線(xiàn)上的障礙物，并實(shí)時(shí)調(diào)整小車(chē)運(yùn)行的最大速度，保證在距離障礙物3米左右時(shí)，小車(chē)的運(yùn)行速度自動(dòng)減速到全速的10%，并且只有當(dāng)?shù)蹙呋蛘呒b箱體高于障礙物時(shí)，小車(chē)速度才會(huì)恢復(fù)。當(dāng)起升抵達(dá)目標(biāo)位置正上方時(shí)，需要對(duì)起升周?chē)O(shè)置保護(hù)范圍，當(dāng)高度抵達(dá)安全距離時(shí)，通過(guò)岸橋的自動(dòng)控制系統(tǒng)完成減速，并以此速度完成著箱。此位置檢測(cè)技術(shù)的精準(zhǔn)程度，決定了碼頭的自動(dòng)化程度，是當(dāng)今各大港口機(jī)械廠家都在爭(zhēng)相研發(fā)的技術(shù)。

1.2 高精度防搖和自動(dòng)控制技術(shù)

岸橋設(shè)備在運(yùn)行時(shí)，自身會(huì)產(chǎn)生一定的晃動(dòng)，并且由于起升機(jī)構(gòu)由鋼絲繩驅(qū)動(dòng)，在小車(chē)進(jìn)行海陸方向運(yùn)行時(shí)，根據(jù)慣性原理起升機(jī)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定的擺動(dòng)。以往在人工作業(yè)時(shí)，有經(jīng)驗(yàn)的司機(jī)會(huì)通過(guò)自行跟車(chē)，減少吊具擺動(dòng)幅度，以達(dá)到提高作業(yè)效率的目的。但是對(duì)于自動(dòng)化碼頭來(lái)說(shuō)，這就成了一個(gè)難題，如何才能在機(jī)構(gòu)高速自動(dòng)化運(yùn)行過(guò)程中完成自動(dòng)防搖，并精確的使起升機(jī)構(gòu)停在目標(biāo)位置上方。鑒于當(dāng)今遠(yuǎn)洋集裝箱船只越來(lái)越大，同時(shí)也越來(lái)越高，目前世界上最大的集裝箱船可以達(dá)到21413TEU，所以船公司對(duì)于碼頭作業(yè)效率的要求也會(huì)越來(lái)越高，自動(dòng)防搖和小車(chē)精確走位往往能直接影響碼頭的作業(yè)效率，在自動(dòng)化碼頭中這項(xiàng)技術(shù)尤為關(guān)鍵，如果控制得當(dāng)能大幅度縮減作業(yè)循環(huán)周期提高效率。因此此項(xiàng)研究技術(shù)對(duì)于碼頭自動(dòng)化控制有著重要意義，同時(shí)也是必須攻克的技術(shù)之一。

1.3 大車(chē)自動(dòng)向目標(biāo)位置移動(dòng)和確認(rèn)的控制技術(shù)

以往人工作業(yè)時(shí)，岸邊集裝箱機(jī)械大車(chē)部分的位移往往可以通過(guò)司機(jī)的點(diǎn)動(dòng)來(lái)操作，司機(jī)通過(guò)這部分操作來(lái)完成岸橋和船艙中集裝箱的對(duì)位。這部分操作可以憑借司機(jī)的肉眼完成，但隨著港口自動(dòng)化進(jìn)程的推進(jìn)，這也成了必須攻克的一項(xiàng)課題，如何才能使設(shè)備在無(wú)人控制的情況下精確的運(yùn)行至作業(yè)區(qū)域成為能否完成自動(dòng)化控制的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

2 集裝箱起重機(jī)遠(yuǎn)程自動(dòng)化操作解決方案

針對(duì)以上這些難題，振華港機(jī)和世界知名系統(tǒng)集成廠家根據(jù)各個(gè)碼頭實(shí)際作業(yè)的情況，共同研發(fā)了適合自動(dòng)化碼頭的解決方案。

2.1 目標(biāo)位置傳感器系統(tǒng)（TPSS）的應(yīng)用

目標(biāo)位置傳感器系統(tǒng)主要用于檢測(cè)目標(biāo)，岸橋小車(chē)以及起升機(jī)構(gòu)之間的相對(duì)位置，主要用于規(guī)劃自動(dòng)化岸橋的作業(yè)路徑以及對(duì)岸橋各大機(jī)構(gòu)進(jìn)行速度的控制。TPSS這個(gè)系統(tǒng)包括兩個(gè)目標(biāo)位置傳感器激光掃描儀，它們裝在小車(chē)架上，與AC500控制器通訊。這個(gè)傳感器在小車(chē)的方向上測(cè)量目標(biāo)的位置（比如一個(gè)船上堆放的集裝箱）。當(dāng)設(shè)備測(cè)量到數(shù)據(jù)后，就可以計(jì)算出吊具和目標(biāo)之間的相對(duì)位置，并規(guī)劃出機(jī)構(gòu)運(yùn)行的線(xiàn)路。TPSS系統(tǒng)在小車(chē)和大車(chē)方向上提供一個(gè)校正的參考值，以此來(lái)確保吊具或者箱子位置的最佳精度。當(dāng)從集卡上吊起集裝箱時(shí)，TPSS會(huì)讓吊具進(jìn)行自動(dòng)回轉(zhuǎn)校正，確保在著箱前吊具可以和集裝箱的偏轉(zhuǎn)位置吻合。同時(shí)TPSS也能反饋堆放的高度，在船上集裝箱堆放的位置，障礙物的高度，這取決于實(shí)際執(zhí)行的作業(yè)指令。如果目標(biāo)的外觀、高度或者位置不能被識(shí)別或者測(cè)量，TPSS會(huì)反饋錯(cuò)誤的信息并要求人工干預(yù)。同時(shí)系統(tǒng)會(huì)發(fā)一個(gè)錯(cuò)誤的信息給控制系統(tǒng)，故障能在CMS監(jiān)控屏上顯示。

TPSS在不同的工作工況下也可以用于以下檢測(cè)項(xiàng)目。

（1）堆放高度的驗(yàn)證。在船上箱區(qū)內(nèi)或者在車(chē)道內(nèi)著箱前，TPSS會(huì)檢測(cè)實(shí)際目標(biāo)的高度，然后在著箱前修正最終的高度。這個(gè)程度保證吊具會(huì)按照預(yù)設(shè)的著箱速度來(lái)到目標(biāo)上，而不會(huì)有長(zhǎng)距離的慢速。如果檢測(cè)的實(shí)際高度與目標(biāo)的高度差別很大，那么設(shè)備就會(huì)減速并停止運(yùn)行，同時(shí)系統(tǒng)就會(huì)報(bào)錯(cuò)，然后岸橋停止自動(dòng)化操作并向遠(yuǎn)程操作臺(tái)尋求幫助。

（2）集裝箱尺寸的驗(yàn)證。在吊起集裝箱之前，系統(tǒng)已經(jīng)對(duì)集裝箱的長(zhǎng)度進(jìn)行了檢查，來(lái)驗(yàn)證吊具的尺寸是否和作業(yè)指令中的目標(biāo)集裝箱相匹配。這個(gè)檢查針對(duì)所有自動(dòng)化吊箱作業(yè)，在船上箱區(qū)內(nèi)或者在車(chē)道內(nèi)著箱前，以此信息來(lái)和碼頭的TOS系統(tǒng)和吊具自身數(shù)據(jù)信息進(jìn)行比對(duì)，以此來(lái)保證集裝箱尺寸的準(zhǔn)確性。

（3）著箱驗(yàn)證。為了驗(yàn)證正在著箱作業(yè)的箱子是否在公差范圍內(nèi)，TPSS會(huì)在小車(chē)方向上檢查要被放下去的集裝箱和下面那個(gè)已經(jīng)開(kāi)鎖的集裝箱之間的差別。這個(gè)檢查針對(duì)每一次的自動(dòng)化抓箱和放箱操作，以保證集裝箱任何的移位或因故意堆放不齊所導(dǎo)致堆放的不穩(wěn)定。如果有錯(cuò)誤發(fā)生，會(huì)觸發(fā)著箱的自動(dòng)“重置”功能來(lái)解決問(wèn)題。如果三次嘗試都不能解決問(wèn)題，將會(huì)要求遠(yuǎn)程操作臺(tái)的協(xié)助。

（4）集裝箱型號(hào)的驗(yàn)證。TPSS會(huì)特別識(shí)別以下幾種型號(hào)的集裝箱：常規(guī)的20'，40'或者45'長(zhǎng)，8'6或者9'6高的集裝箱。

2.2 帶載位置傳感系統(tǒng)（LPS）

帶載位置傳感系統(tǒng)在岸橋上主要用于精確的自動(dòng)防搖控制，以此來(lái)減少設(shè)備單次循環(huán)作業(yè)的周期，提高作業(yè)效率。帶載位置傳感器（LPS），包括一個(gè)裝在小車(chē)架上的接收器以及兩個(gè)裝在吊具上架上的發(fā)射器。LPS是測(cè)量XP—Y坐標(biāo)（大車(chē)和小車(chē)方向）以及吊具傾轉(zhuǎn)、平移、回轉(zhuǎn)的相關(guān)位置。從LPS可以得到起升，小車(chē)，大車(chē)位置的信息。

以下主要因素可能會(huì)影響到吊具位置的精確計(jì)算：（1）扭轉(zhuǎn)大車(chē)結(jié)構(gòu)要根據(jù)帶載的重量，小車(chē)的位置，風(fēng)速，室外溫度等等。（2）在X，Y，Z坐標(biāo)上大車(chē)軌道的偏差或傾斜。

由于這些因素的誤差大，需要被調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)高度一致的精確著箱。而這些調(diào)整需要通過(guò)TPSS來(lái)測(cè)量。LPS在傾斜度和平移上測(cè)量所吊重物的傾斜度和平移量取決于非對(duì)稱(chēng)的載荷分布和鋼絲繩的調(diào)整，還有當(dāng)把一個(gè)集裝箱放到另一個(gè)集裝箱上時(shí)，由于大梁的傾斜所導(dǎo)致的錯(cuò)誤。利用一個(gè)頂部標(biāo)記（這就是一個(gè)LPS發(fā)射器要高于另一個(gè)發(fā)射器的原因），這樣LPS就能夠精確地測(cè)量重物的傾斜度和平移量，從而決定了重物底部的位置。這個(gè)位置在自動(dòng)化岸橋控制系統(tǒng)中運(yùn)用，可以確保著箱時(shí)的準(zhǔn)確性。LPS良好的校正對(duì)集裝箱能否堆放到準(zhǔn)確的位置啟著至關(guān)重要的作用。在碼頭場(chǎng)地確定的位置上準(zhǔn)確地安裝一個(gè)RIG裝置，利用LPS的參考標(biāo)記，它能自動(dòng)地校正LPS。在同一個(gè)場(chǎng)區(qū)內(nèi)的岸橋使用同一個(gè)參考位置對(duì)LPS進(jìn)行校正，可以大大提高箱子堆放的精度。岸橋移動(dòng)到RIG校正裝置位置時(shí)，校正過(guò)程開(kāi)始。然后，操作員在CMS上按一個(gè)按鈕觸發(fā)校正。這個(gè)參考標(biāo)記同樣可以給TPSS進(jìn)行校正。這樣能保證TPSS和LPS精確測(cè)量的一致性。在調(diào)試過(guò)程中，當(dāng)?shù)蹙呋蛘哐b在吊具上架上的LPS的反射板被替換，就需要手動(dòng)進(jìn)行校正工作。

2.3 大車(chē)RFID定位技術(shù)

大車(chē)位置檢測(cè)采用RFID技術(shù)。在軌道吊兩側(cè)各安裝一套Gotting傳感器與地面對(duì)應(yīng)的地方安裝磁釘（Transponder）用于位置檢測(cè)。同時(shí)，安裝磁鐵限位用于大車(chē)位置校驗(yàn)。磁釘安裝要求需要在港口土建時(shí)進(jìn)行。

（1）磁釘在地面每隔5米布置一個(gè)，磁釘測(cè)量誤差控制在1cm以?xún)?nèi)。磁釘周?chē)钌?00mm半徑范圍內(nèi)，深度100mm內(nèi)不能有金屬層，保證磁釘能被有效的檢測(cè)出來(lái)。

（2）若采用螺栓固定方式，則螺栓扭矩不超過(guò)4Nm(?！っ?，墊片的直徑不超過(guò)18mm。

（3）配合98780型號(hào)天線(xiàn)，磁釘?shù)纳媳砻婧吞炀€(xiàn)之間間距為75mm。

（4）磁釘可正常工作的溫度范圍是：-20度～60度，作業(yè)時(shí)的溫度不得超過(guò)影響磁釘性能的最高溫度（80度）。

3 結(jié)語(yǔ)

振華港機(jī)的自動(dòng)化港口機(jī)械設(shè)備目前已經(jīng)基本都配備了目標(biāo)位置傳感器系統(tǒng)（TPSS），帶載位置傳感系統(tǒng)（LPS）以及大車(chē)RFID定位系統(tǒng)，這些系統(tǒng)對(duì)提高港口機(jī)械的自動(dòng)化程度有著舉足輕重的作用，在上海洋山港、青島港等國(guó)內(nèi)知名自動(dòng)化碼頭這些系統(tǒng)已經(jīng)投入了實(shí)際使用，在經(jīng)過(guò)不斷地完善和升級(jí)之后，這些系統(tǒng)在自動(dòng)化碼頭正在發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，這些港口機(jī)械自動(dòng)化控制系統(tǒng)將會(huì)拓展更廣闊的市場(chǎng)。