陳 杰

上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司 上海 200125

0 引言

由于集裝箱運(yùn)輸船舶趨于大型化，尤其是超巴拿馬型船的發(fā)展，對(duì)岸邊集裝箱起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱岸橋）提出了更新更高的要求。全自動(dòng)雙小車岸橋就是為了滿足這一要求而設(shè)計(jì)開發(fā)的高效新型集裝箱裝卸設(shè)備。

由于目前雙小車岸橋自動(dòng)拆鎖銷系統(tǒng)尚欠成熟，絕大部分雙小車項(xiàng)目還要人工將放置在中轉(zhuǎn)平臺(tái)上的集裝箱鎖銷進(jìn)行拆卸操作。為了確保人員安全，有必要在雙小車岸橋中轉(zhuǎn)平臺(tái)設(shè)置一套安全保護(hù)系統(tǒng)，為岸橋安全高效的操作提供保障。通過(guò)荷蘭鹿特丹RWG 雙小車項(xiàng)目的應(yīng)用，介紹中轉(zhuǎn)平臺(tái)安全保護(hù)系統(tǒng)，從人員安全通道、操作設(shè)備布置、人員檢測(cè)系統(tǒng)、設(shè)備運(yùn)行速度高度控制等方面說(shuō)明該系統(tǒng)與起重機(jī)控制系統(tǒng)相結(jié)合，保障現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員安全。

1 中轉(zhuǎn)平臺(tái)安全系統(tǒng)應(yīng)用背景

雙小車岸橋最大的特點(diǎn)是配置了2 臺(tái)小車在各自獨(dú)立的軌道上運(yùn)行作業(yè)，互不干涉，主小車在主梁軌道上運(yùn)行，門架小車在門框聯(lián)系梁上運(yùn)行。通常在陸側(cè)下橫梁設(shè)置集裝箱中轉(zhuǎn)平臺(tái)，用于放置來(lái)自主小車或門架小車運(yùn)送過(guò)來(lái)的集裝箱。卸船時(shí)，主小車將船上的集裝箱運(yùn)至中轉(zhuǎn)平臺(tái)箱位上，后門架小車將主小車運(yùn)到中轉(zhuǎn)平臺(tái)的集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)到后場(chǎng)或AGV 上，裝船過(guò)程則相反。

由于卸船時(shí)主小車將船上集裝箱吊運(yùn)至中轉(zhuǎn)平臺(tái)的箱位上后即可卸箱離去（而常規(guī)岸橋必須在地面由操作人員拆掉集裝箱4 個(gè)角的旋鎖后方可將箱卸到卡車上），省掉了作業(yè)循環(huán)中的卸旋鎖時(shí)間。常規(guī)岸橋司機(jī)在集裝箱的鎖銷拆除后還要操作小車對(duì)位地面集卡，對(duì)位時(shí)間較長(zhǎng)。而雙小車的裝卸位置固定，且為自動(dòng)化操作，非常快捷，可大大提高裝卸效率。

在雙小車中轉(zhuǎn)平臺(tái)上，集裝箱底部轉(zhuǎn)銷的拆除和安裝必須快捷、方便、安全，即主小車從船上將集裝箱卸到中轉(zhuǎn)平臺(tái)后，在門架小車抓箱的過(guò)程中，操作人員應(yīng)迅速將在平臺(tái)集裝箱底部4 個(gè)角的轉(zhuǎn)銷拆除才能做到拆箱底部的轉(zhuǎn)銷時(shí)間不影響效率。在此過(guò)程中，操作人員處于人機(jī)交互的過(guò)程。為了保障人員安全，該RWG 雙小車中轉(zhuǎn)平臺(tái)設(shè)計(jì)了整套安全保護(hù)系統(tǒng)。

2 人員安全通道硬件保護(hù)

中轉(zhuǎn)平臺(tái)位于岸橋門框陸側(cè)，位置靠近陸側(cè)下橫梁，成一個(gè)22 mh 14.35 m 長(zhǎng)方形平臺(tái)，平臺(tái)陸側(cè)有2個(gè)臺(tái)座，用于轉(zhuǎn)運(yùn)雙小車岸橋作業(yè)時(shí)的集裝箱。在集裝箱臺(tái)座兩側(cè)設(shè)置3 組堅(jiān)固的導(dǎo)向座，具有一定強(qiáng)度，可承受集裝箱著箱的頻繁沖擊。導(dǎo)向座可引導(dǎo)主/門架小車將集裝箱快速放入平臺(tái)臺(tái)座，即使小車位置有偏差或集裝箱有少量晃動(dòng)時(shí)。另外，利用導(dǎo)向座將人員通道布置在其內(nèi)部，為3 條大車方向的通道，每條通道寬0.8 m，人員可在導(dǎo)向座內(nèi)部完成拆裝鎖銷的工作。導(dǎo)向座兩側(cè)間隙安裝網(wǎng)眼板，覆蓋整個(gè)通道，防止因意外導(dǎo)致物體落入人員通道內(nèi)。整個(gè)作業(yè)區(qū)域通道用拱門籠形結(jié)構(gòu)和護(hù)網(wǎng)包圍起來(lái)（見圖1），最大程度避免因有物體意外墜落對(duì)人員造成的傷害，保護(hù)操作工人的人身安全。

圖1 中轉(zhuǎn)平臺(tái)人員安全通道

3 鎖銷拆卸操作設(shè)備布置

中轉(zhuǎn)平臺(tái)與鎖銷拆卸相關(guān)的設(shè)備有緊急停止按鈕、拆裝鎖鈕作業(yè)信號(hào)引導(dǎo)燈、作業(yè)完成按鈕等，通過(guò)岸橋上的PLC 控制，與碼頭操作系統(tǒng)TOS 相連，可實(shí)現(xiàn)中轉(zhuǎn)平臺(tái)臺(tái)座上集裝箱的拆裝鎖銷工序，確保對(duì)操作人員的安全防護(hù)。

1）緊急停止按鈕

中轉(zhuǎn)平臺(tái)上的每個(gè)安全通道兩側(cè)均設(shè)有紅色緊急停止按鈕（見圖2），如果發(fā)生異常情況操作人員可按下緊急停止按鈕，使岸橋立即停止運(yùn)行，以防意外發(fā)生，保障人身安全。

圖2 中轉(zhuǎn)平臺(tái)安全通道緊急停止按鈕

2）作業(yè)信號(hào)引導(dǎo)燈

中轉(zhuǎn)平臺(tái)上的每個(gè)安全通道兩端均設(shè)有提醒作業(yè)人員的信號(hào)引導(dǎo)燈（見圖3）。紅色信號(hào)燈表示主/門架小車正在帶載往中轉(zhuǎn)平臺(tái)上放置，提示人員不得進(jìn)入通道；黃色信號(hào)燈表示有系統(tǒng)有故障，需要檢修；綠色信號(hào)燈表示可以進(jìn)行正常作業(yè)。

3）作業(yè)完成按鈕

當(dāng)操作人員完成每一次集裝箱的拆裝鎖銷作業(yè)，需要退出通道并按下黑色按鈕，提示系統(tǒng)可進(jìn)行下一個(gè)作業(yè)循環(huán)。岸橋自動(dòng)化控制系統(tǒng)在確認(rèn)操作人員已退出平臺(tái)后，自動(dòng)化作業(yè)流程繼續(xù)進(jìn)行。通過(guò)作業(yè)信號(hào)引導(dǎo)燈，以及作業(yè)完工反饋按鈕（見圖3），可達(dá)到人機(jī)交互的目的，使岸橋安全高效運(yùn)作。

圖3 中轉(zhuǎn)平臺(tái)人員作業(yè)信號(hào)引導(dǎo)燈及作業(yè)完工按鈕

4 人員光柵檢測(cè)系統(tǒng)

在平臺(tái)上安全通道兩側(cè)護(hù)欄預(yù)留的開口是操作人員的作業(yè)窗口。在作業(yè)期間，操作人員需要將手伸進(jìn)窗口內(nèi)將臺(tái)座上的集裝箱鎖銷拆除。為避免因誤操作導(dǎo)致手部被碾壓，每個(gè)護(hù)網(wǎng)窗口均配置一對(duì)全天候戶外型手掌級(jí)保護(hù)SIL2 安全等級(jí)的光柵限位（見圖4）。當(dāng)操作人員誤將手伸進(jìn)窗口內(nèi)時(shí)，主/門架機(jī)構(gòu)就會(huì)立即停止，可防止對(duì)操作人員的意外傷害。

圖4 中轉(zhuǎn)平臺(tái)鎖銷作業(yè)窗口光柵限位

光柵需要成對(duì)安裝，由一個(gè)發(fā)射器和一個(gè)接收器組成一對(duì)，電源為24 VDC 直流電源，整個(gè)光柵的高度與鎖銷作業(yè)窗口的高度相同，其保護(hù)的寬度由每對(duì)光柵之間安裝的距離決定。檢測(cè)最小物體的范圍尺寸（即保護(hù)精度）由光柵內(nèi)的光源數(shù)量以及光源點(diǎn)陣之間的距離決定。本文采用的光柵具體參數(shù)有：掃描高度為1 m，最大掃描寬度為15 m，光源點(diǎn)陣數(shù)量為50，響應(yīng)時(shí)間為10 ms（從光源被打斷到輸出觸點(diǎn)動(dòng)作所需的時(shí)間），電源為24 VDC，防護(hù)等級(jí)為IP65，作業(yè)環(huán)境溫度為-30℃～+55℃，作業(yè)環(huán)境濕度為15%～95%。

光柵接線圖如圖5 所示，中轉(zhuǎn)平臺(tái)光柵布置根據(jù)實(shí)際拆裝鎖銷作業(yè)位置，安裝在安全通道的兩側(cè)，共有20 組，具體布置如圖6 所示。其中每對(duì)光柵都有2路電源組成，1 路為24 VDC 直流控制電源，另1 路為230 VAC 交流加熱器除濕電源，以確保設(shè)備在特殊氣候環(huán)境下正常工作。設(shè)備安裝調(diào)試時(shí)應(yīng)確保光柵發(fā)射和接收器必須在同一平面內(nèi)才能正常工作。

圖5 光柵限位接線示意圖

圖6 光柵限位布置圖

為了使整套光柵檢測(cè)系統(tǒng)的安全級(jí)別更高，光柵接收器限位的2 副輸出信號(hào)均反饋至主電控安全繼電器上（見圖7）。當(dāng)光柵正常、光源未被打斷時(shí)，光柵接受器2 副觸點(diǎn)輸出為1 的信號(hào)，安全PLC 輸出正常不影響岸橋機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。一旦有操作人員身體或其他物體通過(guò)光柵時(shí)，光源被打斷即使立即復(fù)位，光柵接收器輸出也會(huì)斷開。安全PLC 接受到斷開信號(hào)即觸發(fā)控制回路，控制主/門架起升和小車機(jī)構(gòu)停止動(dòng)作，只有安全模塊復(fù)位后才能允許設(shè)備繼續(xù)正常工作。根據(jù)安全繼電器的工作特性，安全PLC 控制回路已斷開即使光柵接收器的輸出恢復(fù)正常，如要安全PLC 控制回路恢復(fù)正常，必須使其功能塊內(nèi)復(fù)位觸點(diǎn)閉合一下。通過(guò)岸橋操作人員或維護(hù)保養(yǎng)人員確認(rèn)復(fù)位后，岸橋安全PLC 接受到復(fù)位信號(hào)才能復(fù)位安全模塊。由于安全PLC 集中處理，進(jìn)一步提升了安全等級(jí)，極大保障安全系統(tǒng)有效工作。

圖7 光柵限位信號(hào)安全處理模塊

5 主/門架小車起升機(jī)構(gòu)速度高度控制

為了進(jìn)一步保障設(shè)備人員的安全，對(duì)中轉(zhuǎn)平臺(tái)上方起升機(jī)構(gòu)的限速實(shí)施保護(hù)。在靠近中轉(zhuǎn)平臺(tái)的兩側(cè)門腿立柱內(nèi)側(cè)分安裝一對(duì)光電限位和限位反射板，當(dāng)起升下降至特定高度時(shí)，光電限位與反射板之間光源被打斷，即反饋信號(hào)至主控干預(yù)，此時(shí)需要檢測(cè)當(dāng)前的起升速度是否減速到合理區(qū)間內(nèi)，從而避免因設(shè)備失速導(dǎo)致對(duì)中轉(zhuǎn)平臺(tái)硬件設(shè)施以及操作人員的傷害（見圖8）。

圖8 門腿立柱內(nèi)側(cè)面光電反射限位

另外，對(duì)中轉(zhuǎn)平臺(tái)上方主/門架小車負(fù)載機(jī)構(gòu)運(yùn)行實(shí)施限高保護(hù)。在極端情況下，若負(fù)載在中轉(zhuǎn)平臺(tái)上方意外墜落，會(huì)對(duì)下方作業(yè)人員造成致命危害，需要依據(jù)不同載重對(duì)其運(yùn)行軌跡規(guī)定高度進(jìn)行限制，以確保負(fù)載在不同高度意外下墜的同時(shí)中轉(zhuǎn)平臺(tái)上的導(dǎo)向座能承受相應(yīng)墜落沖擊，保障人員安全。為此，整機(jī)稱重系統(tǒng)全部采用SIL2 等級(jí)安全型元件設(shè)備，確保岸橋自動(dòng)化作業(yè)系統(tǒng)的高精度，可靠性和安全性。

該稱重系統(tǒng)與主電控的通訊方式為Profinet Safe（見圖9）, 大大增加了通訊傳輸?shù)目煽啃耘c安全性。系統(tǒng)控制器內(nèi)可根據(jù)起升高度變化而造成鋼絲繩夾角變化帶來(lái)的負(fù)載讀數(shù)變動(dòng)，單獨(dú)設(shè)定高度補(bǔ)償，更進(jìn)一步增加系統(tǒng)讀數(shù)精度，確保中轉(zhuǎn)平臺(tái)上方負(fù)載運(yùn)行軌跡控制在合理高度以內(nèi)。

圖9 稱重系統(tǒng)控制器與主電控通訊接口圖

6 結(jié)語(yǔ)

隨著集裝箱碼頭自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用得越來(lái)越普及，需要正視和解決人機(jī)交互作業(yè)過(guò)程中的安全問(wèn)題。雙小車中轉(zhuǎn)平臺(tái)是人機(jī)交互作業(yè)最頻繁的區(qū)域，必須確保操作人員及設(shè)備的安全。通過(guò)荷蘭鹿特丹RWG 雙小車岸橋中轉(zhuǎn)平臺(tái)鎖銷拆卸保護(hù)系統(tǒng)的具體方案的實(shí)際應(yīng)用，可有效保障雙小車岸橋的人員安全，進(jìn)一步提高設(shè)備的作業(yè)效率，為裝卸自動(dòng)化提供可靠保障，也為其他自動(dòng)化碼頭項(xiàng)目提供有益參考。