李孟濤 吳 翔 蔣海新

上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司 上海 200125

0 引言

隨著自動(dòng)化碼頭的全面推廣，自動(dòng)化碼頭將成為集裝箱碼頭未來發(fā)展的必然趨勢(shì)，它是衡量港口綜合實(shí)力的重要指標(biāo)。自動(dòng)化集裝箱起重機(jī)一直是港口領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，自動(dòng)化輪胎式集裝箱起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱輪胎吊）有靈活、操作簡(jiǎn)便、能適應(yīng)各種環(huán)境的優(yōu)勢(shì)，對(duì)自動(dòng)化碼頭的發(fā)展起著重要影響。為了能讓起重機(jī)安全有效地完成自動(dòng)化作業(yè)，需要給起重機(jī)安裝上防碰撞預(yù)警裝置。

防打保齡系統(tǒng) (Load Collision Prevention System，LCPS)是堆場(chǎng)的安全系統(tǒng)，可用于實(shí)時(shí)測(cè)量當(dāng)前吊具位置與其他物體的安全距離，以避免與障礙物產(chǎn)生碰撞。王衡等[1]的集裝箱堆場(chǎng)吊具防撞系統(tǒng)和張志勇等[2]的基于激光的集裝箱防撞系統(tǒng)存在不完善之處，即只使用了2個(gè)2D激光器，只能對(duì)小車方向進(jìn)行有限范圍的防護(hù)，由于不能掃描吊具下方整體的輪廓，故對(duì)集裝箱的相鄰貝位無法起到防撞保護(hù)。本文介紹的LCPS系統(tǒng)通過結(jié)合2D和3D激光掃描儀的輪廓數(shù)據(jù)，結(jié)合實(shí)時(shí)的小車位置建立堆場(chǎng)輪廓信息，實(shí)時(shí)提供小車和起升的速度限定給單機(jī) PLC，實(shí)現(xiàn)起升方向的軟著陸和小車運(yùn)行方向及相鄰貝位的吊具防撞保護(hù)功能。

1 LCPS系統(tǒng)工作原理及系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 工作原理

如圖1所示，LCPS系統(tǒng)利用激光器沿小車方向和大車方向?qū)崟r(shí)掃描下方的障礙物，結(jié)合實(shí)時(shí)的小車位置建立堆場(chǎng)輪廓信息，實(shí)時(shí)提供小車和起升的限定速度發(fā)送給單機(jī) PLC，實(shí)現(xiàn)起升方向的軟著陸和小車運(yùn)行方向及相鄰貝位的吊具防撞保護(hù)功能。該系統(tǒng)會(huì)跟進(jìn)吊具的開閉鎖信號(hào)，切換吊具的保護(hù)高度范圍，使小車和起升機(jī)始終在安全速度下運(yùn)行，司機(jī)無需擔(dān)心吊具和堆場(chǎng)內(nèi)集裝箱之間的碰撞。LCPS系統(tǒng)使司機(jī)在一個(gè)更簡(jiǎn)單安全的環(huán)境中工作，同時(shí)也使工作更高效。

圖1 工作原理圖示意圖

1.2 硬件安裝及系統(tǒng)硬件拓?fù)鋱D

激光器與控制器通信采用以太網(wǎng)方式進(jìn)行通信，控制器與PLC通信采用DP通信模式。LCPS的二維激光器和三維激光器[3-5]安裝在小車架下方，用于收集堆場(chǎng)輪廓信息，控制器通過收集到的激光器數(shù)據(jù)和PLC傳給過來的單機(jī)位置及線位信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將計(jì)算得出的小車和起升限定速度返回給PLC，實(shí)現(xiàn)起升方向的軟著陸和小車運(yùn)行方向及相鄰貝位的吊具防撞保護(hù)功能。該系統(tǒng)原理圖見圖2，硬件安裝示意圖見圖3。

圖2 系統(tǒng)原理圖

圖3 硬件安裝俯視圖

2 LCPS系統(tǒng)的功能

2.1 小車運(yùn)行方向的吊具防撞保護(hù)功能

如圖4所示，若空吊具底部(吊具無箱)或集裝箱底部(吊具有箱)的位置在小車運(yùn)行方向低于障礙物時(shí)，LCPS系統(tǒng)會(huì)計(jì)算小車運(yùn)行路徑上的障礙物和吊具或集裝箱的間距，并實(shí)時(shí)輸出小車運(yùn)行的限定速度，保證吊具在距離障礙物 3 m（可配置）時(shí)小車運(yùn)行速度減速到全速的 10%（可配置）。當(dāng)?shù)蹙呋蚣b箱底部高度高于障礙物時(shí)，小車限速解除。

圖4 小車運(yùn)行方向的吊具防撞保護(hù)功能示意圖

2.2 起升方向的軟著陸功能

如圖5所示，當(dāng)起升下降時(shí)，LCPS系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)吊具或所抓箱子底部與下方障礙物的距離，將起升限定速度值發(fā)送給 PLC，控制起升減速。當(dāng)距離達(dá)到安全距離（一般為 1 m）時(shí)，起升速度將會(huì)減到 10%，并一直以此速度下降至著箱，相鄰貝位的障礙物也會(huì)被考慮。

圖5 起升方向的軟著陸功能示意圖

2.3 小車運(yùn)行方向相鄰貝位的吊具防撞保護(hù)

安裝在小車平臺(tái)最前端的 3D 掃描儀可對(duì)小車運(yùn)行方向的相鄰貝位障礙物進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描檢測(cè)。當(dāng)小車向前或向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，LCPS系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)空吊具底部(空吊具)或集裝箱底部(吊具帶箱)與相鄰貝位集裝箱的水平和垂直距離，并計(jì)算小車和起升的限定速度并發(fā)送給PLC，由 PLC 實(shí)時(shí)控制小車和起升運(yùn)行的速度，從而實(shí)現(xiàn)小車運(yùn)行方向相鄰貝位的吊具防撞保護(hù)功能。在相鄰貝位集裝箱錯(cuò)位的情況下，小車前后移動(dòng)時(shí)則LCPS系統(tǒng)也會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的吊具防撞保護(hù)功能。

3 LCPS系統(tǒng)標(biāo)定步驟

1）準(zhǔn)備3個(gè)集裝箱（20 ft或40 ft），當(dāng)前貝位無其他集裝箱；2）吊具抓起用于標(biāo)定的箱子（靠近集卡車道那排）重新對(duì)箱，盡量保證箱子與大車平行，待吊具停止晃動(dòng)后將箱子放下，開鎖；3）司機(jī)將起升拉到上停止后，5 s內(nèi)小車向后直至停止，數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)采集完成；4）單擊LCPS Tool菜單Data→Export →Calibration data導(dǎo)出標(biāo)定數(shù)據(jù)；5）使用標(biāo)定軟件根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)S2D和S3D激光器進(jìn)行坐標(biāo)系參數(shù)的調(diào)整（見圖6）。

圖6 數(shù)據(jù)采集界面

4 功能測(cè)試

4.1 起升軟著陸

1）測(cè)試方案 如圖7所示，起升到位停止；小車移動(dòng)目標(biāo)位置；起升手動(dòng)全速下降。

圖7 吊具空箱和帶箱起升方向測(cè)試示意圖

2）測(cè)試結(jié)果 起升下降過程中自動(dòng)減速；當(dāng)?shù)蹙叩撞浚ǖ蹙咚ゼb箱底部）與下方集裝箱頂部之間的距離達(dá)到1 m時(shí)，起升速度降到10%；起升以10%的速度繼續(xù)下降直到著箱。

4.2 小車方向吊具防撞保護(hù)

1）測(cè)試方案 如圖8所示，小車向后移動(dòng)離開集裝箱；起升下降低于前面集裝箱；全速手動(dòng)向前移動(dòng)小車。

圖8 吊具空箱和帶箱小車方向測(cè)試示意圖

2）測(cè)試結(jié)果 小車前進(jìn)過程中自動(dòng)減速；當(dāng)?shù)蹙咔斑吘壟c前集裝箱后邊緣之間的距離達(dá)到2 m時(shí)，小車速度降到5%；小車以5%的速度繼續(xù)向前移動(dòng)，直到碰到集裝箱。

4.3 相鄰貝位防撞保護(hù)

1）測(cè)試方案 如圖9所示，擺放一層箱子，測(cè)試第2和第3貝位防撞，第2貝和第3貝的B/C/D/E列箱子間距在合理范圍內(nèi)，大車方向箱子間距在40 cm，LCPS系統(tǒng)參數(shù)閾值為20 cm，如果檢測(cè)到吊具與相鄰貝位大車方向的間隙小于20 cm就會(huì)觸發(fā)限速信號(hào)給PLC；吊具低于F列箱子高度，小車往F列方向開；起升拉到F列上停止，全速起升向下。

圖9 相鄰貝位防護(hù)示意圖

2）測(cè)試結(jié)果 當(dāng)?shù)蹙咔斑吘壟c第2貝前集裝箱后邊緣之間的距離達(dá)到2 m時(shí)，小車速度降到5%，小車以5%的速度繼續(xù)向前移動(dòng)，直到碰到集裝箱；起升不能下降，LCPS系統(tǒng)反饋給PLC的速度為0。

5 故障及解決措施

1）當(dāng)馬達(dá)歸零超時(shí)，檢查L(zhǎng)CPS event log，確定是否有馬達(dá)相關(guān)故障。

2）當(dāng)讀取激光器掃描數(shù)據(jù)超時(shí)，檢查是否報(bào)激光器污染故障，檢查L(zhǎng)CPS系統(tǒng)交換機(jī)至激光器與控制器硬件的連接狀態(tài)，查看LCPS Event Log，查看有關(guān)激光器故障代碼。

3）當(dāng)LCPS系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，小車未在集卡車道上方，將小車大門框回到集卡車道上方并復(fù)位。

4）當(dāng)3D機(jī)構(gòu)馬達(dá)故障時(shí)，查看LCPS Event log確認(rèn)馬達(dá)具體故障信息。

5）當(dāng)小車標(biāo)志物信號(hào)丟失時(shí)，確保不同小車位置，2D激光器可掃到小車標(biāo)志物中心，且中間無遮擋物；檢查2D激光器掃描數(shù)據(jù)，確保小車標(biāo)志物清晰可見。

6）當(dāng)小車位置校驗(yàn)失敗時(shí)，可能是PLC給的小車位置或LCPS系統(tǒng)檢測(cè)的小車位置出錯(cuò)，可以查看LCPS Event Log確定。

7）在箱區(qū)內(nèi)吊具標(biāo)志物信號(hào)丟失，可能是吊具未能著箱到位，發(fā)生滑出情況，可回集卡車道復(fù)位；確保不同起升高度，2D激光器可掃到吊具標(biāo)志物中心，且中間無遮擋物，檢查2D激光器掃描數(shù)據(jù)，確保吊具標(biāo)志物清晰可見。

8）當(dāng)獲取PLC小車/起升的位置/速度失敗時(shí)，可能是PLC給的數(shù)據(jù)有非瞬時(shí)跳變，查看LCPS Event Log可查看數(shù)據(jù)跳變值。

9）當(dāng)發(fā)生小車急停時(shí)，LCPS系統(tǒng)檢測(cè)到小車無正常減速保護(hù)，可檢查PLC程序。

10）當(dāng)發(fā)生起升急停時(shí)，LCPS系統(tǒng)檢測(cè)到起升下降無正常減速保護(hù)，可檢查PLC程序。

6 結(jié)論

自動(dòng)化輪胎吊作為自動(dòng)化碼頭設(shè)備的一部分，大量使用新技術(shù)提高設(shè)備的效率和安全性，優(yōu)化了生產(chǎn)環(huán)境。LCPS系統(tǒng)在自動(dòng)化輪胎吊中的應(yīng)用非常重要，能為起重機(jī)做到預(yù)防碰撞的作用。這套系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，使用效果很好，大大提高了自動(dòng)化作業(yè)的安全性能。但是，受到激光器精度的限制，系統(tǒng)最小可測(cè)量障礙物直徑為5 cm，該系統(tǒng)會(huì)隨激光器的精度提供而提高，且能有效地防止集裝箱和吊具的碰撞。