上海國際港務(wù)(集團)股份有限公司尚東集裝箱碼頭分公司

1 引言

隨著集裝箱船舶的大型化發(fā)展，單船運輸及裝卸量增大，集裝箱碼頭吞吐量提升，對碼頭的裝卸生產(chǎn)效率提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)單吊具工藝的岸邊集裝箱起重機(以下簡稱橋吊)裝卸能力難以滿足碼頭實際需求[1]，橋吊雙吊具作業(yè)工藝受到越來越高的關(guān)注。雙吊具橋吊的出現(xiàn)，對于箱形組合的實用性及相同作業(yè)循環(huán)下作業(yè)箱量的提升，明顯優(yōu)于單吊具工藝，在國內(nèi)外碼頭已得到廣泛的應(yīng)用。

作為全球規(guī)模最大的自動化碼頭，洋山深水港四期自動化碼頭與傳統(tǒng)集裝箱碼頭設(shè)計不同，采用全新的碼頭布局及作業(yè)工藝，堆場箱區(qū)與碼頭岸線垂直，以軌道吊為作業(yè)堆場作業(yè)機械，自動導(dǎo)引車(AGV)為運輸車輛，橋吊則采用結(jié)構(gòu)新穎的雙小車橋吊作為岸邊機械。目前，13臺具備雙吊具作業(yè)工藝的橋吊也已投入實際生產(chǎn)，并已實現(xiàn)自動化的雙吊具作業(yè)工藝。

2 洋山深水港四期自動化碼頭系統(tǒng)及設(shè)備概述

2.1 洋山深水港四期自動化碼頭系統(tǒng)

系統(tǒng)架構(gòu)由TOS(Tape Operating System，生產(chǎn)管理系統(tǒng))和ECS(Equipment Control System，設(shè)備控制系統(tǒng))組成。其中，設(shè)備控制系統(tǒng)又分為QCMS(Query-side Container Crane Management System，橋吊管理系統(tǒng))、ACCS (Automatic Crane Control System，自動化橋吊控制系統(tǒng))以及PLC控制系統(tǒng)，每臺橋吊都有獨立的設(shè)備控制系統(tǒng)。在信息流的傳輸方面，TOS和QCMS是以數(shù)據(jù)庫的事件交互形式進行信息的傳遞，并在已設(shè)定的系統(tǒng)交互邏輯下，橋吊的每一個動作都是TOS與QCMS之間系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的體現(xiàn)。根據(jù)作業(yè)計劃編排后的作業(yè)任務(wù)，TOS會生成相應(yīng)的橋吊作業(yè)指令，其中包括目標(biāo)抓放箱位置、橋吊作業(yè)工藝、橋吊吊具模式以及橋吊吊具尺寸，這些都是指令信息的必要條件。QCMS根據(jù)這些信息進行任務(wù)的解析，并執(zhí)行任務(wù)。QCMS與ACCS之間通過OPC傳輸協(xié)議，對數(shù)據(jù)信息以O(shè)PC的數(shù)據(jù)點的形式進行傳遞，對每一步既定的動作，都將其標(biāo)準(zhǔn)化為OPC的傳輸點，并在OPC各個數(shù)據(jù)點的信息傳遞中執(zhí)行自動化指令的每一個步驟。ACCS與底層PLC控制系統(tǒng)之間，則是由PROFINET協(xié)議進行傳輸。整個自動化碼頭的橋吊控制系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

圖1 橋吊控制系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 洋山深水港四期自動化碼頭橋吊設(shè)備

洋山深水港四期橋吊整體結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)橋吊區(qū)別較明顯，作業(yè)小車分為主小車和門架小車2套獨立機構(gòu)，橋吊后鞍梁處設(shè)置了作業(yè)中轉(zhuǎn)平臺(以下簡稱平臺)。作為橋吊自動化運行的技術(shù)實現(xiàn)，在橋吊上采用了小車TDS( Target Detection System，目標(biāo)檢測系統(tǒng))、SDS(Spreader Detection System，吊具檢測系統(tǒng))以及吊具自動防搖、自動防扭、自動定位等相關(guān)技術(shù)。主小車主要負(fù)責(zé)對船側(cè)以及平臺的作業(yè)，橋吊遠(yuǎn)程操作員只需在船側(cè)的抓放箱過程進行人工操作。門架小車負(fù)責(zé)對平臺以及AGV的作業(yè)，全流程自動完成無需人工介入。同時，在門架小車發(fā)生故障等情況下，允許啟用主小車“單小車模式”的方式繼續(xù)作業(yè)。自動化雙小車橋吊結(jié)構(gòu)見圖2。

2.3 洋山深水港四期自動化碼頭橋吊雙吊具設(shè)備

洋山深水港四期的橋吊包含2種起升配置的橋吊，分別是雙起升橋吊(2套起升機構(gòu)，獨立驅(qū)動)和單起升橋吊(RAM剪式上架)。雙起升上架及吊具分為海陸側(cè)2部分，布置方式相同；單起升設(shè)備由2套獨立的吊具上架組成，通過上架的滑輪位移來實現(xiàn)從單雙吊具模式的模式切換。

圖2 自動化雙小車橋吊結(jié)構(gòu)圖

(1)雙起升橋吊雙吊具結(jié)構(gòu)(見圖3)。雙起升橋吊雙吊具設(shè)備由2套獨立的起升系統(tǒng)組合而成，每套起升系統(tǒng)都有單獨的起升機構(gòu)、鋼絲繩纏繞系統(tǒng)、吊具上架。吊具上架之間通過特殊裝置連接，實現(xiàn)雙吊具同時作業(yè)，可以作平行分離、前后高低錯位等8 種動作[2]。這樣的設(shè)計降低了因單套起升機構(gòu)故障而導(dǎo)致整部橋吊停止作業(yè)的風(fēng)險，同時由于雙起升橋吊核定載荷大，適用于貨物重量過大的大件作業(yè)。

圖3 雙起升橋吊雙吊具機構(gòu)

(2)單起升橋吊雙吊具結(jié)構(gòu)(見圖4)。單起升橋吊雙吊具設(shè)備采用的是雙40 ft吊具上架系統(tǒng)，由2個獨立的吊具上架組成，在雙吊具模式下，每個吊具上架固定1對滑輪；單吊具模式下，2對滑輪都固定在1個吊具上架下。通過上架的滑輪位移來實現(xiàn)從單吊具模式到雙吊具模式的切換。不論是在哪種模式下，吊具和上架之間不需重新連接，可以有效減少切換的時間，并實現(xiàn)自動化切換。

圖4 單起升橋吊雙吊具機構(gòu)

3 雙吊具工藝實現(xiàn)方式

3.1 雙吊具工藝流程定義與實現(xiàn)

以卸船作業(yè)為例，集裝箱由主小車卸至平臺后，待工人拆裝鎖鈕作業(yè)以及系統(tǒng)的OCR功能識別確認(rèn)后，門架小車完成從平臺到AGV的余下作業(yè)。雙吊具系統(tǒng)模塊通過對船型結(jié)構(gòu)以及船圖信息的識別判斷，安排雙吊具作業(yè)工藝。在發(fā)送雙吊具任務(wù)后， TOS自動生成雙吊具作業(yè)工藝的橋吊作業(yè)任務(wù)， ECS根據(jù)任務(wù)內(nèi)容生成相應(yīng)的機械作業(yè)指令。TOS與ECS之間定義接口及字段后采用事件交互的方式交互，且裝卸船工況略不相同。在過程中監(jiān)控主小車、平臺及門架小車，保證作業(yè)效率，避免主小車等待。整個信息流轉(zhuǎn)交互過程準(zhǔn)確、高效、穩(wěn)定。雙吊具卸船主小車信息流程見圖5。

圖5 雙吊具卸船主小車信息流程

雙吊具卸船門架小車信息流程見圖6。

圖6 雙吊具卸船門架小車信息流程

3.2 平臺管控及中轉(zhuǎn)平臺放箱工藝

在正常作業(yè)流程中，無論是裝還是卸，集裝箱須經(jīng)過中轉(zhuǎn)平臺進行拆裝鎖鈕作業(yè)以及OCR信息確認(rèn)。因此，合理調(diào)度主小車和門架小車對平臺的作業(yè)時機，可大大減少橋吊和AGV的等待時間，有效提升橋吊裝卸的作業(yè)效率。綜合考慮各類箱型以及工況后，在程序上制定了一系列優(yōu)化條件。

3.2.1 單吊具模式主要規(guī)則

(1)主小車對平臺的抓放箱申請優(yōu)先允許，門架未占用平臺。

(2)門架占用平臺或只有單個空臺座、平臺需要拆裝鎖鈕，主小車不允許進入平臺，至中轉(zhuǎn)平臺海側(cè)安全位置等待。

(3)主小車占用平臺或只有單個空臺座、平臺需要拆裝鎖鈕，門架小車不允許進入平臺，至中轉(zhuǎn)平臺陸側(cè)安全位置等待。

(4)主小車重載，門架占用平臺或只有單空臺座、平臺需要拆裝鎖鈕，小車運行至中轉(zhuǎn)平臺海側(cè)安全位置等待。

3.2.2 雙吊具模式主要規(guī)則

(1)主小車雙吊具模式平臺放箱，海陸側(cè)平臺必須雙空。

(2)主小車雙吊具模式平臺抓箱，海陸側(cè)吊具必須雙空。

(3)主小車雙吊具模式單吊具作業(yè)，平臺抓放箱，海側(cè)吊具抓放海側(cè)平臺，陸側(cè)吊具抓放陸側(cè)平臺。

(4)其他同單吊具規(guī)則。

3.3 指令發(fā)送層面與單機設(shè)備執(zhí)行的操作方式

橋吊雙吊具工藝的指令發(fā)送和設(shè)備操作遵循流程的設(shè)定。任務(wù)生成之后，設(shè)備層面的操作方式改變，即從本地控制轉(zhuǎn)變?yōu)檫h(yuǎn)程控制，遠(yuǎn)程操作員通過CCTV實時畫面及設(shè)備人機交互界面進行實際操作。

3.3.1 雙吊具作業(yè)指令發(fā)送流程

(1)系統(tǒng)自動生產(chǎn)任務(wù)或人工通過船舶監(jiān)控界面發(fā)送任務(wù)。

(2)若人工發(fā)送，可選擇目標(biāo)貝位后，安排作業(yè)工藝(需在安排工藝時注意高平箱積載、奇偶數(shù)作業(yè)列等情況)。

(3)生成后的船圖箱圖標(biāo)系統(tǒng)會標(biāo)記出圓形標(biāo)記，為雙吊具作業(yè)工藝，即可安排作業(yè)工藝并發(fā)送任務(wù)。

(4)橋吊遠(yuǎn)程操作臺收到指令后，設(shè)備交互界面提示遠(yuǎn)程操作員切換雙吊具模式，即可進行實際作業(yè)。

3.3.2 雙吊具作業(yè)設(shè)備操作過程

(1)小車位置移動至軌內(nèi)或后大梁，主小車吊具收縮至20 ft；吊具起升至設(shè)定高度(30～35 m)，并確認(rèn)吊具防搖功能是否開啟。

(2)人機交互界面切換至“吊具操作界面”，點擊界面“吊具上架操作”按鍵，進入相關(guān)頁面。

(3)在“吊具上架操作” 界面中點擊“自動運行至吊具切換框”。

(4)在“吊具上架操作” 界面中點擊Ram上架單、雙自動切換。

(5)進入自動切換后，主小車位置在單吊具中心位置與雙吊具中心位置之間切換，小車移動速度小于2%，移動時間約為20 s，待該鍵常暗后，即已完成單、雙吊具切換。

(6)完成切換后，遠(yuǎn)程操作員確認(rèn)設(shè)備監(jiān)控頁面與人機交互界面信息及雙吊具信號是否正常。

4 洋山深水港四期自動化碼頭橋吊雙吊具可支持工況

雙吊具可支持的工況如下：

(1)海陸側(cè)等高作業(yè)。海陸側(cè)吊具在抓放2個相同高度的集裝箱，進行裝卸船作業(yè)。

(2)海陸側(cè)高低箱作業(yè)。海陸側(cè)任一吊具抓放2個不同高度的集裝箱(如2.9 m和2.6 m兩個集裝箱)。

(3)雙吊具模式單吊作業(yè)。在設(shè)備允許海陸側(cè)高低差范圍內(nèi)，雙吊具模式，僅用海側(cè)或陸側(cè)吊具抓放一個集裝箱，另一吊具在作業(yè)工作中處于空載狀態(tài)?？汕袚Q任一吊具的開閉鎖選擇。

目前自動化碼頭的雙小車橋吊可支持多種不同箱形組合及雙吊具模式單側(cè)作業(yè)，箱形組合見表1。

表1 雙吊具作業(yè)箱形組合

5 結(jié)語

洋山深水港四期自動化碼頭的雙吊具作業(yè)工藝經(jīng)過一年多的系統(tǒng)開發(fā)、設(shè)備調(diào)試及現(xiàn)場實際使用，可實現(xiàn)系統(tǒng)程序交互，機械設(shè)備功能穩(wěn)定，操作技能穩(wěn)步提升。雙吊具工藝使用以來，累計完成2萬UNIT，效率提升50%以上，充分證明了雙吊具作業(yè)在提升自動化碼頭作業(yè)效率的作用。