上海國際港務(集團)股份有限公司尚東集裝箱碼頭分公司

1 引言

自動化岸邊集裝箱起重機(以下簡稱岸橋)是自動化碼頭的核心設備。與傳統(tǒng)岸橋不同，自動化岸橋需接收上層指令，根據(jù)指令狀態(tài)執(zhí)行作業(yè)流程。自動化岸橋能自動完成大部分作業(yè)流程，操作者只需介入設備無法自動完成的部分。但在設備運行過程中，任何不穩(wěn)定因素都將打斷指令的執(zhí)行，增加額外處理時間，影響設備作業(yè)效率。為此提高設備穩(wěn)定性，減少額外處理時間，成為自動化碼頭設備管理核心問題[1]。

設備的生產運行狀態(tài)，與設備的調試過程管理有著很大的關系[2]。洋山深水港四期自動化岸橋在執(zhí)行各個自動化指令時，面臨碼頭復雜的環(huán)境狀況：多變的風速影響著設備吊具的穩(wěn)定性；晝夜溫差變化引起的霧氣影響著設備激光傳感器的精度。本文以洋山深水港四期自動化岸橋為例，從設備制造調試著手，通過歸納分析設備的調試過程及其要點，提高設備指令交互效率，充分發(fā)揮設備價值；結合其運行原理、作業(yè)工況、作業(yè)環(huán)境，分析相應調試方法。

2 洋山深水港四期岸橋基本情況

洋山深水港四期項目岸橋機型種類多，其主流機型機械結構參數(shù)如下：軌間距30 m，主起升高度軌面上49 m、軌面下19.5 m，前伸距70 m，后伸距20 m，門架起升高度16.5 m，門架前伸距11 m，門架后伸距28 m；主小車和門架小車通過中轉平臺進行交互協(xié)作，其中轉平臺位于陸側鞍梁上方；主起升采用雙吊具上架，可連接雙吊具作業(yè)，其單雙吊具切換于海側鞍梁上方的框內完成。

洋山深水港四期項目岸橋采用雙小車結構，主小車和門架小車通過中轉平臺進行交互協(xié)作。主機構通過電子防搖功能、后大梁防扭或小車架防扭功能穩(wěn)定吊具，實現(xiàn)主機構對平臺、AGV(自動引導車)的自動抓放箱流程；門架機構采用八繩機械防搖穩(wěn)定吊具，TDS(Target Detection System,目標檢測系統(tǒng))配合SDS(Spreader Detection System,吊具檢測系統(tǒng))檢測目標位置與吊具位置，通過門架吊具上架的微動機構調整吊具位置，實現(xiàn)門架機構對平臺、AGV的自動抓放箱流程。

洋山深水港四期項目岸橋電控系統(tǒng)底層采用西門子“SIMOCRANE”的解決方案。該方案基于“SIMATIC+SIMOTION+SINAMICS”平臺，能清晰地分配各種任務，其中SIMOTION承擔所有系統(tǒng)化集成的起重工藝，上層采用振華電氣(EZ)設計的ACCS(Automatic Crane Control System，自動化起重機控制系統(tǒng))。ACCS作為整個自動化岸橋的控制層，在實際生產中，ACCS需要與QCMS(Quay Crane Management System, 岸橋管理系統(tǒng))、TDS、SDS等進行數(shù)據(jù)交互，解析與校驗QCMS指令，對門架進行控制，給主小車發(fā)指令，完成岸橋的控制。其控制流程如圖1所示。

圖1 洋山深水港四期自動化岸橋控制流程

3 調試過程及其要點

洋山深水港四期自動化岸橋調試過程包括調試前準備、基礎功能調試、自動化功能調試、聯(lián)合調試、功能優(yōu)化。

3.1 調試前準備

在設備各功能開始調試之前，主要有兩部分工作需要完成：一是整機鋼結構的焊接、涂裝及總裝；二是整機機械、電氣的排裝，主要包括各個機構電機、制動器排裝，以及電子元器件、電纜的安裝排布。在此過程中，施工方需嚴格按照設計圖紙施工；監(jiān)理方需全程按照設計質量要求報驗；用戶方需積極參與項目的施工與報驗，結合自身碼頭生產作業(yè)需求，及時提出相應的優(yōu)化整改。

此過程的主要目標是為后續(xù)的調試做好充分準備，確保后續(xù)調試過程安全、順利。其核心要點在于充分了解設備基本知識、核心部件工作原理，加強設備相關同功能產品的拓展了解，提前做好設備相關知識的儲備工作，為后續(xù)的調試管理工作打好基礎。

3.2 基礎功能調試

完成準備工作之后，便開始逐步送電調試各個基礎功能，其大致過程如下：送高壓，測量相序；建立通訊，下載項目程序；控制合，驅動器送電；整定電機參數(shù)；液壓站及制動器調試；起升超速報驗；穿鋼絲繩；托架張緊、掛艙液壓站調試；主起升、主小車、俯仰機構調試；吊具功能調試；主機構防搖、防扭功能調試；門架小車、門架起升調試；SPSS、TDS、SDS、CCTV、ACCS通訊建立等。以上調試過程可根據(jù)實際情況做簡單的調整。

在基礎功能調試的結束節(jié)點上，有2個重點項目需要特別關注：功能試車和耐久測試。功能試車的主要目的是檢驗設備基礎功能是否齊全及各個功能是否能夠達到設計要求，并需在此過程中配上重載測試，驗證設備機械強度是否合格；耐久測試的主要目的是檢驗設備運行穩(wěn)定性是否滿足后續(xù)功能調試要求，此過程中設備發(fā)生的故障極大可能是由于設計缺陷，需重點關注，全面分析故障原因，及時整改優(yōu)化。

此過程的主要目標是實現(xiàn)單機基礎功能，初步磨合設備，發(fā)現(xiàn)問題及時整改，為后續(xù)自動化調試打好基礎。其核心要點在于熟悉設備每個基礎功能的工作原理及相關參數(shù)意義，理解各個基礎功能之間的配合作業(yè)關系，為后續(xù)的調試管理工作打好基礎。

3.3 自動化功能調試

完成各個基礎功能調試及相應測試之后，便開始設備的自動化功能調試，實現(xiàn)主機構、門架機構的自動化指令執(zhí)行功能，其過程如下：建立ACCS與QCMS通訊；主機構、門架機構指令接收、校驗調試；主機構、門架機構位置標定；主機構、門架機構各個指令執(zhí)行調試；中轉平臺功能、防撞調試等。

在自動化功能調試的結束節(jié)點上，需要進行單機自動化24 h的耐久效率測試。此測試過程中，設備根據(jù)上層軟件的指令狀態(tài)執(zhí)行流程，其主要目的為檢驗單機設備與上層軟件間的指令交互、執(zhí)行能力，以便加入后續(xù)三大機種的聯(lián)調生產。

此過程的主要目標是實現(xiàn)主機構、門架機構的自動化功能，實現(xiàn)上層軟件與單機設備之間的交互穩(wěn)定、安全。其核心要點在于理解上層軟件與單機設備的交互機理，以及各個自動化指令流程之間的銜接，為后續(xù)功能優(yōu)化管理工作打好基礎。

3.4 聯(lián)合調試

聯(lián)合調試過程為：由普通到特殊，循序漸進地進行作業(yè)流程測試及實船工況測試，編寫測試用例。主要目標是完善上層軟件與單機設備的配合，應對實船作業(yè)的復雜工況，實現(xiàn)實船作業(yè)能力。其核心要點在于緊靠生產，了解掌握岸橋業(yè)務作業(yè)流程需求，完善設備作業(yè)工況應對能力。

3.5 功能優(yōu)化

盡管完成聯(lián)合調試之后的設備具備了生產作業(yè)能力，但后續(xù)的功能優(yōu)化才是整個設備調試的重點、難點。其主要優(yōu)化內容包括：單機設備主機構、門架機構指令執(zhí)行效率優(yōu)化；單機設備與上層軟件之間的交互優(yōu)化；雙吊具功能優(yōu)化；中轉平臺管控流程優(yōu)化；人機交互系統(tǒng)優(yōu)化等。

此過程的主要目標是提高設備的指令執(zhí)行效率，提高軟件應對復雜工況的魯棒性，提高故障診斷效率，優(yōu)化人機交互系統(tǒng)，優(yōu)化設備管理，全方位提高設備作業(yè)效率。此過程核心要點在于充分理解利用設備知識，從三方面思索設備功能優(yōu)化：設備穩(wěn)定性、設備指令執(zhí)行效率、設備人機交互系統(tǒng)友好程度，嘗試通過多種方法途徑對設備進行挖掘分析，提高設備指令交互效率，降低異常工況處理時間。

4 調試方法與實例

4.1 變頻器波形分析

以起升和起升電纜卷盤的控制為例做簡單介紹。主起升有2套變頻器和電機(起升1和起升2)，起升1的控制方式為速度控制，即速度給定與速度反饋比較，當速度給定大于速度反饋時增加力矩，反之減少力矩。起升2的控制方式為力矩跟隨，即跟隨起升1的力矩輸出，以此達到起升1和起升2的同步功能。在起升機構全速運行時，可通過拍攝變頻器波形，參看速度給定和反饋是否穩(wěn)定匹配、力矩輸出是否平穩(wěn)等，以此判斷機構全程機械方面是否有額外不正常阻力因素。起升卷盤的控制方式為速度控制，力矩限幅，通過限制不同過程、不同起升高度的力矩限幅值，達到卷盤電纜與起升的跟隨。當電纜頻繁出現(xiàn)松纜或是過緊故障時，可通過波形參看其力矩輸出，調整相應控制參數(shù)。

4.2 吊具姿態(tài)位置分析

在主機構吊具進行自動化抓放箱過程中，吊具的姿態(tài)位置檢測精度非常重要，高精度的吊具位置檢測算法是實現(xiàn)高效率自動抓放箱的前提。下面以岸橋主吊具的位置檢測算法為例做簡單分析。

主吊具位置姿態(tài)通過西門子防搖系統(tǒng)的反饋值計算得到，其反饋值包括X軸偏差(小車方向)、Y軸偏差(大車方向)及Z軸旋轉角度及其對應速度。由于反饋值存在波動，無法直接使用，因此需結合實際情況，對其反饋數(shù)據(jù)進行相應處理，如濾波。除此之外，在計算吊具姿態(tài)位置時，還需要考慮其位置反饋反光板的安裝位置等。所以，在分析吊具姿態(tài)位置時，需綜合考慮眾多要素，以達到理想效果。

4.3 機構運動學分析

機構在自動化流程執(zhí)行過程中，實質是小車和起升通過鋼絲繩對吊具的運動學控制。結合機構運動學分析控制邏輯，便于優(yōu)化機構控制邏輯，以提高自動化流程執(zhí)行效率。下面以主吊具執(zhí)行中轉平臺自動著箱控制流程為例，分析其控制優(yōu)化思路。

主吊具中轉平臺自動著箱采用的控制流程為：當小車到達目標時，起升下降進入自動著箱檢測范圍區(qū)間，該區(qū)間開始判斷吊具位置、姿態(tài)是否滿足吊具著箱條件，滿足條件，起升繼續(xù)下降；不滿足條件，起升減速停止，等待檢測條件滿足后繼續(xù)下降。在此過程中，檢測條件范圍可根據(jù)起升高度適當調整，越靠近集裝箱，檢測條件范圍越小，以避免起升的頻繁啟停。在檢測范圍階段，可讓起升做勻減速運動，從而利用向下的減速，提供一個額外的拖拽力，穩(wěn)定吊具。

4.4 設備大數(shù)據(jù)

設備使用過程中無時無刻不在產生大量的數(shù)據(jù)，懂得收集設備數(shù)據(jù)，利用機器學習、深度學習等數(shù)據(jù)分析算法對其進行挖掘分析，將獲取額外的價值。通過收集統(tǒng)計設備故障發(fā)生的類別及次數(shù)，以便集中精力分析故障頻發(fā)的部位，高效做出相應優(yōu)化調整；通過收集統(tǒng)計設備優(yōu)秀操作者的操作數(shù)據(jù)，得到相應的操作特征習慣，提煉相應專家操作系統(tǒng)，可用于設備操作者的培訓；通過收集統(tǒng)計設備各個流程的執(zhí)行時間，比較分析相同流程下不同執(zhí)行時間的設備數(shù)據(jù)，提取相應特征，從而優(yōu)化設備的流程控制。

5 結語

通過對洋山深水港四期自動化岸橋設備調試過程進行分析，結合設備運行原理、作業(yè)工況、作業(yè)環(huán)境歸納調試要點，建立全流程的調試管理方案，從而提高設備指令交互效率，充分發(fā)揮設備價值，便于日后設備調試過程的高效管理，提升自動化碼頭環(huán)境下自動化岸橋的整體水平。