岸邊集裝箱起重機遠程自動化操作技術難點及解決方案

龐維健

（上海振華重工(集團)股份有限公司，上海 200125）

目前港口岸邊集裝箱起重機的遠程化、無人化、自動化等等研究正逐漸被提上日程，振華港機已經早早的開展了這方面的研究。本文著重分析研究振華港機全球自動化碼頭控制中的技術難點，并提出相應的解決方案。

1 岸邊集裝箱起重機遠程自動化操作技術難點

1.1 船上集裝箱位置精確檢測技術

船上集裝箱精確檢測技術一直是自動化操作技術的難題。眾所周知，世界上的船型不計其數，每條船上的集裝箱堆放情況各不相同，再加上集裝箱船壓艙的程度各不相同，導致了對岸邊集裝箱起重機的自動化控制提出了非常高的要求。在岸邊集裝箱起重機自動化控制研究中，有一個全球港機制造廠家都在研究的課題：設計一套精準的位置檢測系統能在復雜的船型中找到需要抓取的箱子，并且設計出小車機構和起升機構行進的路線，行進路線需要能準確避開路線上的障礙物，并實時調整小車運行的最大速度，保證在距離障礙物3米左右時，小車的運行速度自動減速到全速的10%，并且只有當吊具或者集裝箱體高于障礙物時，小車速度才會恢復。當起升抵達目標位置正上方時，需要對起升周圍設置保護范圍，當高度抵達安全距離時，通過岸橋的自動控制系統完成減速，并以此速度完成著箱。此位置檢測技術的精準程度，決定了碼頭的自動化程度，是當今各大港口機械廠家都在爭相研發的技術。

1.2 高精度防搖和自動控制技術

岸橋設備在運行時，自身會產生一定的晃動，并且由于起升機構由鋼絲繩驅動，在小車進行海陸方向運行時，根據慣性原理起升機構會產生一定的擺動。以往在人工作業時，有經驗的司機會通過自行跟車，減少吊具擺動幅度，以達到提高作業效率的目的。但是對于自動化碼頭來說，這就成了一個難題，如何才能在機構高速自動化運行過程中完成自動防搖，并精確的使起升機構停在目標位置上方。鑒于當今遠洋集裝箱船只越來越大，同時也越來越高，目前世界上最大的集裝箱船可以達到21413TEU，所以船公司對于碼頭作業效率的要求也會越來越高，自動防搖和小車精確走位往往能直接影響碼頭的作業效率，在自動化碼頭中這項技術尤為關鍵，如果控制得當能大幅度縮減作業循環周期提高效率。因此此項研究技術對于碼頭自動化控制有著重要意義，同時也是必須攻克的技術之一。

1.3 大車自動向目標位置移動和確認的控制技術

以往人工作業時，岸邊集裝箱機械大車部分的位移往往可以通過司機的點動來操作，司機通過這部分操作來完成岸橋和船艙中集裝箱的對位。這部分操作可以憑借司機的肉眼完成，但隨著港口自動化進程的推進，這也成了必須攻克的一項課題，如何才能使設備在無人控制的情況下精確的運行至作業區域成為能否完成自動化控制的一項關鍵技術。

2 集裝箱起重機遠程自動化操作解決方案

針對以上這些難題，振華港機和世界知名系統集成廠家根據各個碼頭實際作業的情況，共同研發了適合自動化碼頭的解決方案。

2.1 目標位置傳感器系統（TPSS）的應用

目標位置傳感器系統主要用于檢測目標，岸橋小車以及起升機構之間的相對位置，主要用于規劃自動化岸橋的作業路徑以及對岸橋各大機構進行速度的控制。TPSS這個系統包括兩個目標位置傳感器激光掃描儀，它們裝在小車架上，與AC500控制器通訊。這個傳感器在小車的方向上測量目標的位置（比如一個船上堆放的集裝箱）。當設備測量到數據后，就可以計算出吊具和目標之間的相對位置，并規劃出機構運行的線路。TPSS系統在小車和大車方向上提供一個校正的參考值，以此來確保吊具或者箱子位置的最佳精度。當從集卡上吊起集裝箱時，TPSS會讓吊具進行自動回轉校正，確保在著箱前吊具可以和集裝箱的偏轉位置吻合。同時TPSS也能反饋堆放的高度，在船上集裝箱堆放的位置，障礙物的高度，這取決于實際執行的作業指令。如果目標的外觀、高度或者位置不能被識別或者測量，TPSS會反饋錯誤的信息并要求人工干預。同時系統會發一個錯誤的信息給控制系統，故障能在CMS監控屏上顯示。

TPSS在不同的工作工況下也可以用于以下檢測項目。

（1）堆放高度的驗證。在船上箱區內或者在車道內著箱前，TPSS會檢測實際目標的高度，然后在著箱前修正最終的高度。這個程度保證吊具會按照預設的著箱速度來到目標上，而不會有長距離的慢速。如果檢測的實際高度與目標的高度差別很大，那么設備就會減速并停止運行，同時系統就會報錯，然后岸橋停止自動化操作并向遠程操作臺尋求幫助。

（2）集裝箱尺寸的驗證。在吊起集裝箱之前，系統已經對集裝箱的長度進行了檢查，來驗證吊具的尺寸是否和作業指令中的目標集裝箱相匹配。這個檢查針對所有自動化吊箱作業，在船上箱區內或者在車道內著箱前，以此信息來和碼頭的TOS系統和吊具自身數據信息進行比對，以此來保證集裝箱尺寸的準確性。

（3）著箱驗證。為了驗證正在著箱作業的箱子是否在公差范圍內，TPSS會在小車方向上檢查要被放下去的集裝箱和下面那個已經開鎖的集裝箱之間的差別。這個檢查針對每一次的自動化抓箱和放箱操作，以保證集裝箱任何的移位或因故意堆放不齊所導致堆放的不穩定。如果有錯誤發生，會觸發著箱的自動“重置”功能來解決問題。如果三次嘗試都不能解決問題，將會要求遠程操作臺的協助。

（4）集裝箱型號的驗證。TPSS會特別識別以下幾種型號的集裝箱：常規的20'，40'或者45'長，8'6或者9'6高的集裝箱。

2.2 帶載位置傳感系統（LPS）

帶載位置傳感系統在岸橋上主要用于精確的自動防搖控制，以此來減少設備單次循環作業的周期，提高作業效率。帶載位置傳感器（LPS），包括一個裝在小車架上的接收器以及兩個裝在吊具上架上的發射器。LPS是測量XP—Y坐標（大車和小車方向）以及吊具傾轉、平移、回轉的相關位置。從LPS可以得到起升，小車，大車位置的信息。

以下主要因素可能會影響到吊具位置的精確計算：（1）扭轉大車結構要根據帶載的重量，小車的位置，風速，室外溫度等等。（2）在X，Y，Z坐標上大車軌道的偏差或傾斜。

由于這些因素的誤差大，需要被調整來實現高度一致的精確著箱。而這些調整需要通過TPSS來測量。LPS在傾斜度和平移上測量所吊重物的傾斜度和平移量取決于非對稱的載荷分布和鋼絲繩的調整，還有當把一個集裝箱放到另一個集裝箱上時，由于大梁的傾斜所導致的錯誤。利用一個頂部標記（這就是一個LPS發射器要高于另一個發射器的原因），這樣LPS就能夠精確地測量重物的傾斜度和平移量，從而決定了重物底部的位置。這個位置在自動化岸橋控制系統中運用，可以確保著箱時的準確性。LPS良好的校正對集裝箱能否堆放到準確的位置啟著至關重要的作用。在碼頭場地確定的位置上準確地安裝一個RIG裝置，利用LPS的參考標記，它能自動地校正LPS。在同一個場區內的岸橋使用同一個參考位置對LPS進行校正，可以大大提高箱子堆放的精度。岸橋移動到RIG校正裝置位置時，校正過程開始。然后，操作員在CMS上按一個按鈕觸發校正。這個參考標記同樣可以給TPSS進行校正。這樣能保證TPSS和LPS精確測量的一致性。在調試過程中，當吊具或者裝在吊具上架上的LPS的反射板被替換，就需要手動進行校正工作。

2.3 大車RFID定位技術

大車位置檢測采用RFID技術。在軌道吊兩側各安裝一套Gotting傳感器與地面對應的地方安裝磁釘（Transponder）用于位置檢測。同時，安裝磁鐵限位用于大車位置校驗。磁釘安裝要求需要在港口土建時進行。

（1）磁釘在地面每隔5米布置一個，磁釘測量誤差控制在1cm以內。磁釘周圍最少200mm半徑范圍內，深度100mm內不能有金屬層，保證磁釘能被有效的檢測出來。

（2）若采用螺栓固定方式，則螺栓扭矩不超過4Nm(牛·米)，墊片的直徑不超過18mm。

（3）配合98780型號天線，磁釘的上表面和天線之間間距為75mm。

（4）磁釘可正常工作的溫度范圍是：-20度～60度，作業時的溫度不得超過影響磁釘性能的最高溫度（80度）。

3 結語

振華港機的自動化港口機械設備目前已經基本都配備了目標位置傳感器系統（TPSS），帶載位置傳感系統（LPS）以及大車RFID定位系統，這些系統對提高港口機械的自動化程度有著舉足輕重的作用，在上海洋山港、青島港等國內知名自動化碼頭這些系統已經投入了實際使用，在經過不斷地完善和升級之后，這些系統在自動化碼頭正在發揮著越來越重要的作用，這些港口機械自動化控制系統將會拓展更廣闊的市場。