門式起重機裝卸作業半自動化系統設計

劉建軍，洪朝俊，高管豐

(1.中鐵集裝箱運輸有限責任公司 信息部，北京 100055；2.中鐵聯合國際集裝箱有限責任公司 信息裝備部，北京 100038)

1 國內外運用門式起重機自動化作業概況

國內外對門式起重機自動化作業的研究已有一段時間，但因其實現對內外部條件要求高，真正的應用并不多。目前荷蘭的鹿特丹碼頭實施了門式起重機全自動化作業，國內僅天津五洲國際碼頭和大連港三期碼頭部分門式起重機實現了作業半自動化，且因各種原因，沒有大規模地投入應用。

鐵路集裝箱中心站是鐵道部建設高效快捷貨物運輸系統的戰略舉措，采用了先進的場站管理系統，場站管理系統的設計既借鑒了國內外鐵路、港口等相關行業的先進經驗，也充分考慮了鐵路運輸的實際需求，將先進技術手段與運輸需求相結合。鐵路集裝箱中心站的信息系統具有技術先進、設計靈活、智能高效、數據集成度高等特點，信息系統實現了集裝箱按箱區、箱位的圖形化動態管理，通過無線局域網和車載電腦實現了現場作業信息的實時反饋，使門式起重機作業流程標準化、信息實時反饋得到了保障。

除昆明鐵路集裝箱中心站采用正面吊作業模式外，其他鐵路集裝箱中心站均采用具有國際先進水平的門式起重機。其先進性體現在可靠、成熟、耐用、經濟的電控傳動技術，先進的電網反饋技術，高效的起重機懸掛系統，提高司機作業安全性、起重機穩定性的位置計算系統 (SPS)，提高作業效率和安全性、防止設備相互碰撞的位置檢測系統 (PDS)，實時記錄起重機故障及主要易損件維修保養提醒服務、減少起重機安全故障隱患的起重機管理系統 (LCMS) 和遠程起重機管理系統 (RCMS)。這些特點保證了門式起重機能夠實現自動走行和大車、小車精確定位，為門式起重機作業半自動化創造了條件。

雖然門式起重機本身擁有先進的安全控制體系、便利的操作體系及先進的電控體系，但本地門式起重機管理系統中實時反映的大車、小車位置信息及吊具起升高度等信息只作為故障排查時的提示信息，并沒有得到深入的開發應用。而場站管理系統中大部分反饋數據因沒有渠道獲得而仍由司機手工輸入，雖然軟件中提供了模糊輸入等輔助手段，仍然無法降低司機的勞動強度。因無法將信息系統與機械系統數據有效的關聯、控制、利用，司機無法實現電子操控定位，全憑肉眼觀察當前的集裝箱位置，作業完畢后的集裝箱位置信息也需要司機通過信息系統進行反饋，信息的準確性與及時性無法得到保證。

因此，將信息系統與門式起重機機械系統建立數據通訊關系，將兩者的相關數據進行有效的關聯、控制、利用，通過底層通訊協議將車載電腦與門式起重機半自動控制器、PLC 的 CPU 模塊有機結合實現裝卸作業半自動化具有重要的現實意義。

2 門式起重機半自動化作業方案設計

2.1 門式起重機半自動化作業

鐵路集裝箱中心站場站裝卸作業實現門式起重機全自動化有較大的難度，主要難點在于：列車到達后定位較為困難；集裝箱卡車提/送箱時停車有較大的隨意性；全自動作業對場站建設也有嚴格的標準要求，需要配備平板小車、集裝箱卡車、安裝集裝箱卡車定位系統等。因此實現全自動化作業需要增加較多的輔助設施，成本較高。所以將基于門式起重機司機在司機室作業的前提下開展門式起重機的半自動化工程作為初期建設的目標。

門式起重機半自動化作業指除了提、落集裝箱及開、閉鎖4個動作考慮到安全因素仍然由司機手工操作外，其他如通過作業指令中源箱位與目標箱位自動控制門式起重機大車、小車運行及吊具起升，門式起重機司機落箱解鎖后自動反饋落箱箱位等工作均由半自動系統完成。這樣不僅能夠減輕司機的工作強度，還可以避免司機人為反饋可能帶來的差錯。

2.2 門式起重機半自動化作業方案設計

2.2.1 實現門式起重機半自動化需要具備必要條件

（1）門式起重機具備大車、小車、吊具位置檢測系統和速度控制系統，并且大車、小車、吊具實際位置與電控系統中記錄一致。

（2）門式起重機的可編程控制器 (PLC) 提供通用接口可編程控制。

（3）先進的信息系統指導作業。

2.2.2 集裝箱中心站門式起重機作業的標準動作

（1）搬移。將箱區內的集裝箱從原位置搬移至指定位置。

（2）裝車。將箱區內的集裝箱從原位置裝入列車。

（3）卸車。將列車上的集裝箱搬入箱區。

（4）提箱。將箱區內的集裝箱從原位置裝入集裝箱卡車。

（5）送箱。將集裝箱卡車上的集裝箱搬入箱區。

（6）移動大車。門式起重機大車從當前位置到指定位置的自動運行。.

2.2.3 門式起重機半自動作業實現過程

要實現6種動作的半自動運行，首先場站系統需獲取操作指令，根據指令分類，向門式起重機半自動控制器發送約定消息，半自動控制器根據消息，分解動作類別、源位置、目標位置的相對坐標后，傳給PLC，PLC 執行指令并實時反饋。

集裝箱中心站門式起重機所有作業均為司機在場站信息系統指導下的標準作業，而門式起重機PLC的CPU 模塊也能控制門式起重機的所有動作并提供標準通訊接口，但要實現門式起重機半自動化還需要解決2個關鍵問題，其一是場站管理系統如何與PLC中CPU 模塊通訊及交換數據；其二是場站系統每一動作操作指令的目標值為箱位或集裝箱卡車、列車號，并非 PLC 能夠讀懂的坐標位置。

解決方案為利用門式起重機已有的工業級以太網及串口服務器，安裝起重機械智能化中樞管理系統(稱之為半自動控制器)，其作用是通過串口與車載電腦通訊，將場站信息系統發來的指令信息轉化為門式起重機讀得懂的命令并按此運行，并每隔 200 ms 通過監視 PLC 獲取門式起重機運行情況，及時將節點信息反饋給場站管理系統。

起重機械智能化中樞管理系統與場站系統通過發送“數據包”進行通訊，“數據包”結構定義為：[命令名 | 參數； ……(參數可以有多個，參數與參數之間由“；”號分割) ] 校驗碼，命令名及說明見表1。

起重機械智能化中樞管理系統通過PLC廠家提供的自定義通訊協議主動寫入或讀取相關參數。場站系統獲取操作指令，根據指令分類向半自動控制器發送約定消息，半自動控制器根據消息分解動作類別、源位置、目標位置的相對坐標后傳給PLC，PLC執行指令并實時反饋，指令流如圖1所示。

表1 指令說明

通過閉合簡便的指令流設計，場站系統的指令就能轉變為門式起重機的機械運動。圖2為半自動系統實施后的門式起重機操縱流程圖，從圖中可知，以往繁雜的移動大車、小車工作已由信息系統指揮門式起重機自動完成，司機可以將精力集中在與場調溝通及吊具開閉鎖的操作，而大部分移動、定位工作已被準確、快捷的半自動走行完成。

3 實施效果

2011年4月，重慶鐵路集裝箱中心站按照設計方案開始門式起重機作業半自動化系統試點。目前4臺門式起重機全部實現了作業半自動化。運行結果表明，門式起重機作業半自動化系統有以下優點。

（1）降低門式起重機司機作業勞動強度。在整個裝卸流程中只需重點關注起吊和落箱時的作業動作，大車、小車行走無需人工干預。

（2）提高作業的準確度。門式起重機定位系統在門式起重機大梁中間同步點處對小車位置進行校正，每 25 m 處通過地面定位板對門式起重機大車位置進行校正，保證了門式起重機大車、小車能準確定位。在堆場內主箱區作業時，準確性高，門式起重機司機基本無需或對吊具進行橫轉等微調干預即可。列車、集裝箱卡車因停位不準確等原因需要門式起重機司機手工干預，但隨著管理水平的提高及培訓的加強，誤差基本在可控范圍內。

（3）箱位反饋自動、及時。在門式起重機司機解鎖后，門式起重機系統自動反饋集裝箱的箱位，避免人工核實和延遲反饋帶來的錯誤和延時，并能有效地解決集裝箱堆場實際數據與信息系統數據不一致問題。

（4）提高裝卸作業安全。門式起重機司機在工作中不需要長時間關注大車、小車的行走，更多的精力放在裝卸作業上，有利于安全生產。

4 結束語

門式起重機作業半自動化系統的實施開創了鐵路集裝箱裝卸作業智能化的先河。目前該系統已在重慶、成都、武漢鐵路集裝箱中心站成功實施。本方案立足實際，投資小、實施周期短、穩定性高，用較小的成本換取了較大的效益，減輕了門式起重機司機的工作強度，提高了集裝箱裝卸作業效率和集裝箱周轉率。

圖1 半自動化指令流

圖2 門式起重機操縱流程圖