橋式起重機集中控制平臺的研制

◎ 賀成旭，馬 飛，王康興

（連云港東糧碼頭有限公司，江蘇 連云港 222000）

1 研究背景

1.1 起重機半自動化集控系統(tǒng)發(fā)展現狀

隨著港口碼頭智能化環(huán)境的改善，各類起重機械的管理方法也在從傳統(tǒng)人工控制，向著高度自動化、智能監(jiān)控、遠程管理發(fā)展。為了滿足市場需求，開發(fā)適應現代起重機自動化發(fā)展趨勢的核心技術與產品，已成為世界各大制造商的努力方向。

通過對國內起重機的智能化工藝開發(fā)現狀與市場需求的研究，并結合智能化制造、自動化車間的控制與調度、智能生產等新技術，各大企業(yè)紛紛通過智能化技術、信息技術、智能控制和網絡信息技術等，使起重機械的操作、控制方式逐步實現由簡單的人力操縱、檢測向集中智能化操作、網絡控制、遠程維修和技術支持等過渡，逐步建立了完整的起重機智能系統(tǒng)，從而大幅提高了起重機械生產的安全性和先進性。

1.2 橋式起重機的使用現狀

橋式起重機是起重機械中的一類，通常又叫橋吊、行車、天車等，以下簡稱行車。行車實體圖與結構圖如圖1、2所示。行車是跨工作地點在上空行駛的大型起重裝置，在港口碼頭內廣泛使用，其主要由大車的縱向運動、小車的側向移動、起升機的起落動作組成。

圖1 橋式起重機實體圖

連云港東糧碼頭有限公司目前在用行車共9臺，其中，1期灌包庫8臺、3期灌包庫1臺，主要作為灌包庫內堆場及散火車堆運和汽車發(fā)運，作業(yè)貨種主要為化肥和糧食。在散貨生產作業(yè)過程中，行車是關鍵運輸裝備，目前正在使用的行車分為3類：①1#、2#、3#、8#行車：上港口機制造，2011年由山東安信進行變頻改造。②4～7#行車（變頻）由河南豫飛制造安裝。③9#行車為河南黃河制造安裝，為防爆變頻行車。

這些行車的控制方式基本一致，主要是通過行車駕駛室結合歐姆龍PLC控制系統(tǒng)進行操作，每臺行車作業(yè)時，至少需配備1名司機以及必要的輔助摘取鉤裝卸人員。9臺行車均為一類完好在用設備，使用情況正常。根據連云港東糧碼頭有限公司2021年生產情況來看，2021年行車總作業(yè)量為17.177 2 萬t，月平均作業(yè)量為1.431 4 萬t，作業(yè)情況大致為5～6臺行車進行作業(yè)，作業(yè)情況如表1。

從司機班來看，正式工（17人）、外包（5人），平均每個班7個人。

2 存在問題

以目前公司生產情況來說，一般司機班會在碼頭隨機分配3名司機（2人卸船、1人配合），3人進行庫內行車作業(yè)，3人在5～6臺行車來回上下進行作業(yè)，其中有以下幾個問題：①十分消耗司機體力和精神（10 m階梯）。②來回上下行車造成作業(yè)等待（約5 min）。③來回上下行車帶來安全隱患（重復登高）。

根據現場觀察發(fā)現，1臺設備搭配1個司機，會造成人力資源的浪費，且根據司機反映，在貨物定位之后，裝卸工人有2 min左右的摘鉤卸貨時間，此段時間大可利用起來。

3 對策建議

為了適應當今港口的發(fā)展需求，在單機實現自動化作業(yè)的基礎上，需要進一步提高行車的智能化水平，實現多機智能化協(xié)同作業(yè)。一方面，可以進行作業(yè)現場無人化和全封閉管理模式，從而大大提高作業(yè)安全管理水平；另一方面，可以運用現代化的工業(yè)科技，進一步提高車輛的現代化管理水平，以科技的方法提升作業(yè)效能，節(jié)約勞務成本。

本研究計劃通過建立橋式起重機半自動化集控平臺，提升行車的智能化水平，以保障行車連續(xù)安全穩(wěn)定運行，進而保障生產過程連續(xù)穩(wěn)定的需求。平臺將對行車的遠程集中控制制定具體方案，對行車運維中的遠程操作、工作情況、電氣參數、保護限位、自動化運行等關鍵監(jiān)測數據提出要求，實現灌包庫行車司機與裝卸人員更好的協(xié)同配合，同時改善司機的工作環(huán)境、降低勞動強度，有效提高多臺行車運行時的工作效率，減少作業(yè)等待，進一步推動起重機械遠程集中控制系統(tǒng)的推廣應用。

4 實施情況

本項目將對連云港東糧碼頭有限公司1期灌包庫的8臺行車進行遠程集中控制改造。現階段，行車控制方式為現場通過行車操作室進行本地操作，每臺行車作業(yè)時需至少配備1名操作工人，為了方便人員統(tǒng)籌，便于集中管理，最終實現橋式起重機一對多的遠程控制。

4.1 主要研究內容

（1）安全性。①行車自身的安全保護，如力矩、變頻器、安全限位等，在改造過程中應保證全部實現；不允許2臺操作臺控制同一臺行車；操作臺上設置物理緊停按鈕，實現設備緊急停止。②相關運行狀態(tài)、故障報警顯示、復位等操作，可以在司機正下方或其他合理位置，設置觸摸屏進行顯示和操作。③整個項目的實施操作應符合連云港東糧碼頭有限公司的裝卸操作規(guī)程安全要求；最終完成的集控系統(tǒng)，應符合安全穩(wěn)定的要求。

（2）穩(wěn)定性。項目包含的控制、視頻監(jiān)控等裝置應保證傳輸穩(wěn)定，時延不超過500 ms，且在作業(yè)傳輸過程中如果發(fā)生中斷，應保證行車的作業(yè)安全。

（3）操作性。集中控制系統(tǒng)應實現單人對多臺橋式行車的遠程切換性操作，遠程操作與目前現場操作模式保持一致，且應保證司機在遠程可以實時觀察作業(yè)情況，達到模擬現場操作的要求。

4.2 行車集控的特點與功能解析

車輛的基本搬運操作是駕駛員按照作業(yè)規(guī)定，前往取物點，降下吊鉤將貨物吊起并推進，達到規(guī)定高度后沿著規(guī)定的路線，將貨物搬運至下一操作點，然后裝卸。在整個過程中，行車駕駛員必須接受不同的生產工作命令，確定取物位置，依據情況選定應實施的指令，實施搬運作業(yè)把物料運送至規(guī)定位置，直到完成全部搬運過程。在搬運作業(yè)的過程中，司機應確保設備在移動過程中動作均勻、精準到位，并注意起重機工作時是否發(fā)生報警、事故，以及針對危險程度作出不同的反應[1]。

行車集控系統(tǒng)可通過技術工藝設定，實現汽車起重機移動位置、搬遷等動態(tài)，具有可程序設計、診斷、人機界面、控制系統(tǒng)、遠程監(jiān)測與信息管理等功能，并具有認知、計劃、行動、協(xié)同、機器學習、大數據和信息等與人相同的智慧功能，其主要研究內容涉及智能控制系統(tǒng)、智能檢測、智慧信息管理和運用大數據分析實現的智慧設計等方面。其主要涉及專業(yè)有機械工程、電氣、控制系統(tǒng)及檢測、信息和計算機技術、智慧管理、通信等[2]。

4.3 行車集控技術方案

4.3.1 方案思路

在原行車系統(tǒng)的基礎上，利用網絡通信技術、傳感器定位技術，為行車控制系統(tǒng)添加智能大腦，實現行車智能化、可視化和無人化作業(yè)的綜合管理系統(tǒng)。整個系統(tǒng)通過精確的定位測量、變頻傳動、一鍵啟停智能運行和遠程監(jiān)控技術的引入，可以實現對數據的大量采集、處理和儲存，通過機器學習、數據建模和誤差預測，可以自動調整和優(yōu)化系統(tǒng)運行狀態(tài)，提升整個作業(yè)區(qū)的運行效率和安全級別，為后期的持續(xù)改進工作提供參考。

4.3.2 系統(tǒng)構成

整個集控系統(tǒng)主要由單機控制器、定位、自動控制系統(tǒng)和工業(yè)視頻控制系統(tǒng)等構成。其中，單機控制器主要由PLC、人機界面、監(jiān)控變頻器，以及各類電子檢測單元等組成。PLC通過與遠程操作平臺實現數據交換，通過程序控制，驅動車輛三大機構工作，完成自動操作和設備控制。人機接口具有車輛全部的工作狀況數據指示和參數設置接口，可以提供車輛的供電、故障、負載、掛鉤情況、控制方式、檢測部件情況、各機構工作情況等關鍵數據。自動控制和工業(yè)視頻控制系統(tǒng)采用通信的方式，可以與遠程操作平臺進行數據交換單獨操作，完成對整個車輛的控制管理。

5 關鍵技術

5.1 集中控制技術遠程操作臺

①集中控制技術遠程操作臺設置2臺，操作臺與本地行車聯(lián)系結構圖如圖3所示。每臺操作站設置2個顯示器（分屏顯示），一個用來人機界面HMI(Wincc）監(jiān)控，包括故障畫面（行車故障）、監(jiān)視畫面（行車運行狀態(tài)），例如，行車的位置速度加速度可視化曲線、設定參數畫面（自動操作設定起升高度、大小車行進路程等），另一個用來顯示網絡攝像頭的監(jiān)控視頻。②設置觸摸屏作為人機界面HMI，顯示器作為網絡攝像頭的監(jiān)控視頻。

圖3 操作臺與本地行車聯(lián)系結構圖

5.2 遠程服務技術

對車輛遠距離集控系統(tǒng)而言，安全性、有效性的需求也更高，而運用遠程服務信息技術，能完成即時對車輛24小時的故障監(jiān)測，并提供遠距離診斷。

遠程管理功能可利用行車的PLC控制器，實現遠程連接、信息獲取和資料保存。設備架構設計要本著結構穩(wěn)健、使用安全、工藝完善、可擴充性、易用性和可維護性的原則，同時，結合現場條件、特殊要求，建立一個整體、全面、完整和科學的設計方案。

5.3 工業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)

每臺行車視頻監(jiān)控與現場控制柜交匯到同一交換機，通過網線將8臺行車視頻信號和控制信號匯集到一起。匯集后的信號轉換成光纖信號傳輸到中控柜，即行車匯集信號到中控柜之間采用光纖通信，通過光纖或無線網絡將每臺行車吊鉤、左右限位的視頻圖像傳輸到中控系統(tǒng) ，再通過交換機整合多輛行車的視頻、采集和控制數據，從而隨時切換中控系統(tǒng)，實現自動行車的目的。

視頻監(jiān)控（3個攝像頭）：分別設置在吊鉤處、大車左右（小車左右限位往下）處，可傳輸至中控遠程操作臺，在幾臺行車內自由切換。

5.4 信號傳輸技術

對于集控系統(tǒng)，最突出的一點就是保證控制信號和視頻信號能夠穩(wěn)定傳輸到遠程操作臺，通過前期調研，本研究提出以下幾種選擇方案，如圖4所示。

圖4 行車遠程集控平臺通信方式方案圖

（1）利用云平臺。在每臺行車上方控制柜旁，增設1個PLC箱，操作室控制臺的線路改入新增PLC，由此PLC統(tǒng)籌本地和遠程的控制。PLC通過4G網卡，接入云平臺，云平臺和監(jiān)控室4G網卡進行通信，監(jiān)控室4G網卡和監(jiān)控室PLC再進行通信，達到監(jiān)控室控制行車的標準。其優(yōu)點是使用云平臺不限制傳輸距離，缺點是響應速度可能會有延時，繼而產生后續(xù)運行成本。

（2）工業(yè)級無線遠傳終端。在每臺行車控制柜從站PLC連接1臺無線遠傳終端，與中控室主站PLC進行通信。其優(yōu)點是節(jié)約成本、施工方便、無運行費用等；缺點是信號傳輸距離的限制（該缺點可以根據現場條件解決），比如，行車車間增加1臺交換機，交換機與中控室主站PLC網線連接，同時，交換機連接1臺無線終端與從站進行通信。遠程操作臺與行車PLC控制系統(tǒng)無線控制系統(tǒng)通信如圖4所示，以上2種無線通信均可以設置冗余模式。

（3）隨行電纜。隨行電纜又稱電纜傳導滑車，如圖5所示。隨行電纜移動靈活、穩(wěn)固、均勻，扁電纜和圓電纜皆可安裝，適用于室內外、多灰塵、溫差大，符合連云港東糧碼頭有限公司灌包庫的運行環(huán)境。隨行電纜主要由行走輪、支架、腳托板等構成，達到電纜移供電路與通信的目的。

圖5 隨行電纜結構圖

其優(yōu)點在于信號穩(wěn)定性好，除物理原因外不用擔心信號丟失或中斷情況，安全操作性極佳；缺點在于隨行電纜軌道和網線敷設會增加工期和成本消耗。但考慮到本項目集控室的位置和行車位置距離平均只有50 m左右，故選擇隨行電纜作為本工程的通信方式最為適合，通信連接圖如圖6所示。

6 具體改造方案

本研究選擇連云港東糧碼頭有限公司1期灌包庫8臺行車進行自動化改造，改造后將通過集中控制室統(tǒng)一對8臺行車集中遠程管理和操作，同時，也可以繼續(xù)以原有的方式進行作業(yè)。具體改造方案：在連云港東糧碼頭有限公司區(qū)域內設置2個遠程操作臺，每個操作臺均可實現1對8臺行車的遠程操作。操作臺人機界面與行車主控制系統(tǒng)通信圖如圖7所示。

“你……”辛燕曉剛想說，權頭碰碰她的胳膊肘自己說上了：“突然暈倒，能不上醫(yī)院嗎？醫(yī)生說受刺激引起，沒有什么器質性的病，一會兒咱就可以辦出院手續(xù)了。你們倆怎么樣啊，和好了吧？”

圖7 遠程操作臺控制系統(tǒng)圖

6.1 遠程操作臺

遠程操作臺具有以下功能：①遠程操作功能。結合視頻監(jiān)控實現遠程作業(yè)，實現8臺行車的遠程操作，包括狀態(tài)監(jiān)視、報警、緊停斷電等子功能。②行車切換功能。通過大燈按鈕實現行車的自由切換。③視頻監(jiān)控功能。預安裝1個34英寸的帶魚屏曲面屏顯示器，模擬司機室環(huán)境，遠程操作臺控制系統(tǒng)圖如圖7所示。④半自動操作功能。

6.2 行車遠程/本地模式

在行車上控制柜增加遠程/本地開關，當打到遠程狀態(tài)時，監(jiān)控值班室應通過遠程操作臺行車進行操作，此時，行車上的操作室不能進行行車操作；當打到本地時，行車上的操作室可以進行行車操作，此時，值班的控制室操作權限失效。此方式可以保證現場和遠程同時只有一方能進行行車作業(yè)，遠程和本地的選擇權限在行車就地。

6.3 手動/自動模式

手動/自動切換按鈕設置在就地，遠程模式采用自動模式，就地模式采用手動模式。

6.4 網絡攝像頭

為了保障遠程控制時對車間現場的觀察，每臺行車上設置5個網絡攝像頭，模擬現場操作工人視角，觀察行車作業(yè)工況。

6.5 行車的運行軌跡/吊鉤的高度

增加行車的運行軌跡，采用編碼器編程的方式，中控室HMI界面可以監(jiān)控行車位置、吊鉤高度，并在中控室經過操作員微調達到理想位置，如此不僅可以解決網絡攝像頭的弊端，而且有利于車間工人與中控室操作員之間的溝通。行車運行軌跡圖如圖8所示。

圖8 行車運行軌跡圖

6.6 啟停功能

根據首次行車運行調試的結果，對相應的參數進行設置之后，每次行車按照自動運行程序運行，在中控室設置啟動和停止按鈕，并在行車控制柜或操作室安裝與中控室同級別的啟動停止按鈕。中途，現場工人掛鉤、卸貨后，需要中控室或行車操作員進行確認后，執(zhí)行下一步動作，在中控室或行車操作室安裝確認按鈕。

6.7 循環(huán)功能

行車初始位置0，按下啟動按鈕后，在中控室或行車操作室未按下停止按鈕之前，按照工藝要求，執(zhí)行程序往復循環(huán)運行，直到按下停止按鈕，行車運行至初始位置0。

6.8 故障報警功能

6.9 其他安全保障措施

①現場設置緊停送電按鈕，結合遠程緊停，在發(fā)生異常時（如工人誤觸了半自動按鈕）工人也可斷電。②行車大車增加視覺捕捉圖像識別功能或警示畫面，防止進入行車正下方。③半自動模式下的行車動作取決于編碼器的精度，規(guī)定每工班作業(yè)前必須校準，不校準不能作業(yè)。同時，可增加激光測距保證校準精度，零點為停車位置。半自動模式先起升至上限位，防止鉤頭觸碰車皮。此外，為了防止信號丟失，程序增加心跳信號，信號一旦出現不穩(wěn)定情況，裝置將緊停。④隨行電纜支架的防風措施。

7 工作模式

行車作業(yè)有間歇、周期性的特征：①結構龐大、組織復雜，為復合運動，且技術難度較大。②吊具的復雜多變，形態(tài)繁多，且吊載過程中危險大。③作業(yè)中需要多人結合，協(xié)同工作。

結合這些重點，此工作模式的特點：①利用實際工人控制行車的確認單次作業(yè)結束，省去裝卸工和司機的溝通配合，節(jié)省溝通時間，且足夠安全。②使用半自動模式，選擇在空鉤時才使用自動模式，使行車自動回位，保證不會因為偶然性故障導致行車重載時無人監(jiān)控。③空鉤時，行車行駛距離最長，可節(jié)省單次工作時間。④與門機不同，行車本身負載小，且自動模式不重載，大小車、起升聯(lián)動不會使吊鉤晃動過大，導致潛在的危險性。行車集控工作流程圖、工作邏輯圖如圖9、10所示。

圖9 工作流程圖

圖10 工作邏輯圖

8 未來探索方向

8.1 貨物信息識別、校驗、反饋技術

當前，智慧生產、智慧運輸中，普遍采用物品標識技術，該技術主要涉及對貨物中電子信息資料的編碼、收集、識別、處理、傳遞、讀取，以及對形形色色的商品、包裝物等采用各種形式的信號識別方法，是利用智慧起重機完成自動搬運工作中的重要一環(huán)。起重機所裝卸的材料與形式，一般分為卷（鋼卷、紙卷、膠片卷等）、箱（容器、料箱、轉運箱等）、塊（板材、鋼胚、盾構材料等）、捆（管材、螺紋鋼、鐵軌、型鋼等）、盤（線纜、盤條等）、件（斗、包等）、根（鐵軌、工字鋼、H型鋼、梁等），以及散狀材料等[3]。

常見的標識方式有條碼、REID射頻標記以及圖形、數字格式等。各種封裝類型商品的隨身數據保存方式、功能、識別方法等性能與要求，最終決定各種封裝方式的數據保存、標識的工藝方式。涉及條碼標識、RFID射頻識別、語音識別、光字符識別、磁標識等固定格式數據標識工藝，以及圖形、數字標識、生物特征標識等圖像、圖形格式數據標識工藝。

8.2 吊具防搖技術

自動化制造中，對橋式起重機吊鉤的定位精度管理需求較高，但在起重型機械的工作過程中，受平移結構加減速器等原因影響，吊鉤可以發(fā)生較大振幅擺動，這導致載荷的吊裝無法正確定位。因此，未來關于橋式起重機防震蕩的研制，對于進一步提升制造效益、提高起重型機械工作的自動化、智能化技術水平，意義重大。

國外橋式起重機的防搖科技在實際工程運用中，一般以帶擺角傳遞設備的變頻防搖工藝技術、以擺角調節(jié)計算為核心技術的變頻器可調轉速防搖工藝技術、依靠轉速調節(jié)計算的變頻器防搖工藝技術等3種方式為主。為適應現代起重機對防搖的要求，國外著名機械起重設備供應商已研制出了具有防搖功能的變頻器驅動橋式起重機；部分變頻器供應商也研制出了采用自己品牌的專門防搖卡件，這類新型產品的廣泛使用，也極大提升了橋式起重機在操作方面的智能化程度[4]。

8.3 三維空間定位技術

起重型機械三維標定技術，包括對被吊物品的外部觀察、內部空間測量及其現場實際放置情況的一維、二維、三維認址和定位技術，以及起重型機械的取物裝備（吊鉤、貨叉、吸盤、抓具、抓斗等）的一維、二維、三維認址和定位技術。因此，未來研究方向可以集中于對起重機停車位置，以及取物裝置的認址、標定技術，包括被吊物品存放的位置技術，根據不同貨物、不同取物裝置、不同的使用條件，開展有關的感應器和工藝方法研制[5]。目前，定位使用的主要感應器包括限位開關、接近開關、編碼器、條碼定位儀，以及大齒輪齒片位置等。

9 結語

未來，行車半自動化集控平臺的應用，將逐步取代人的身體勞作，替代或局部取代人的大腦勞作，從而實現人、機器、物體之間的有效互動和深度整合，實現認識、判斷、操作的全過程，對整個系統(tǒng)工作進行現場監(jiān)測和信息識別，為起重機設計工作提供數據支撐。對此，本文深入研究了智能控制系統(tǒng)，并作出了一定的理論探討，今后將結合工程技術實踐，并充分考慮各種因素的制約，開展更深層次的技術探索。