岸邊集裝箱橋式起重機防搖控制系統的相關研究

張江朋

摘 要：隨著港口業務的發展，起重機設備得到了成熟的應用。港口業務中岸邊集裝箱運輸中經常使用橋式起重機，橋式起重機專門負責岸邊集裝箱的貨物運輸，保證集裝箱獲取能夠順利達到指定地點。橋式起重機的機械化、自動化水平較高，從根本上滿足岸邊集裝箱的運輸需求。橋式起重機在岸邊集裝箱運輸工作中最為重要的是防遙控制，由此本文主要圍繞橋式起重機進行研究，探討防遙控制系統的相關內容。

關鍵詞：岸邊；集裝箱；橋式起重機；防遙控制系統

中圖分類號：TH21 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）10-0056-02

Abstract： With the development of port business， crane equipment has been mature application. In port business， bridge crane is often used in container transportation， and bridge crane is specially responsible for cargo transportation of quayside container， so as to ensure that container can get to the designated place smoothly. The level of mechanization and automation of bridge crane is relatively high， which basically meets the transportation demand of quayside container. The most important task of bridge crane in container transportation work is remote control. Therefore， this paper mainly focuses on bridge crane， and discusses the relevant contents of remote control system.

Keywords： shore； container； bridge crane； remote control system

岸邊集裝箱橋式起重機防遙控制系統經過長期發展后實現了多樣化的防遙控制系統，橋式起重機的設備結構復雜，增加了防遙控制系統的運行壓力，很容易在起重機工作過程中出現遙控的問題。橋式起重機防遙控制系統的直接目的就是預防集裝箱在吊起、運輸的過程中出現搖擺，維護集裝箱運輸過程的穩定性與安全性。起重機防搖控制系統消除了機械晃動的風險，現階段起重機中比較注重智能化防搖系統的應用，實現智能化的防遙控制，優化岸邊集裝箱運輸的環境。

1 岸邊集裝箱橋式起重機防搖控制系統的運行工況

岸邊集裝箱橋式起重機防搖控制系統的基本原理是：結合小車相對吊具/負荷的位置，適度的修正好起重機小車的速度指令，做到電子式、智能化的防搖控制。橋式起重機內安裝了驅動調節器，內部存儲容量非常大，其可提高起重機防搖控制系統的運算速度，同時利用智能軟件與數學模型，從驅動調節器里完成小車驅動工作，防搖控制系統要具備較高的影響特征，減少傳導延時的時間，才能實現高效的防遙控制[1]。本文按照岸邊集裝箱橋式起重機的工作狀態，利用條件模擬的方式分析防搖控制系統的運行工況。

1.1 假設條件

起重機防搖控制系統運行工程在岸邊集裝箱運輸中的假設條件是：（1）防搖控制系統中參考自由懸掛的單擺設計吊重；（2）假設條件中可以忽略起重機防搖控制系統的掉引設備；（3）排除岸邊集裝箱吊重中較小的縱向振幅，縱向振幅參考橫向振幅；（4）集裝箱吊重的橫向振動數值需要在小偏擺角的作用下研究，角度代表掉引零件中鉛垂線的擺角數值；（5）力學模型中可以直接忽略大車的運輸軌跡，大車在集裝箱起重運輸時為靜止狀態，暫不考慮大車對防遙控制系統的影響，有利于提高防搖控制系統研究的準確性；（6）橋式起重機小車行走期間，起升的鋼絲繩長度不可變動，應保持長度一致；（7）計算橋式起重機運輸集裝箱中的空氣阻尼與風力，不需計算防搖控制系統的彈性變形數值；（8）吊重模型中只研究平面運動軌跡，保持水平的運行狀態。

1.2 計算方法

橋式起重機防遙控制系統的計算方法中，重點從電機驅動力、摩擦力以及剩余驅動力三個方面進行計算設計[2]。模型中假設橋式起重機的小車與驅動電機質量都是m1，港口運輸集裝箱的質量是m2，起重機行走機構的總傳動比是i，行走車輪的半徑是r，起重機防搖控制系統的機構效率是η，過程中的摩擦力是f，起重機運行電機的轉矩是T，具體的計算方式是：

機構效率η=0.90～0.95，

摩擦力f=0.02（m1+m2）g，

電機驅動力F=η，

剩余驅動力的大小F0=F-f，

制動力大小F0=F+f。

1.3 工況分析

岸邊集裝箱橋式起重機防搖控制系統在假設條件下分析運行工況。首先假設起重機小車受剩余驅動力作用，作用力為F0，初始速度記為v0=0，初始位移s=0，在初始速度和初始位移的作用下開始運行，按照最大加速度amax逐漸加速，假設模型中需明確好小車以及吊裝懸掛的集裝箱此時的受力狀態[3]。起重機的小車沿著導軌開始加速時，進入加速運動的狀態，此時集裝箱貨物在垂直平面內呈現出單擺運動的狀態，小車的運行速度為1/2最大速度時，小車需要維持勻速行駛的狀態，控制好小車的運動路徑、初始偏擺角以及偏擺角速度，小車的運行速度是勻速狀態下時，為了提高防搖控制的水平，此時小車會沿著導軌呈現出均速直線的運動狀態，集裝箱獲取垂直平面為具備初始角度和初始速度，完成單擺運動，在偏擺角的正最大位移、負最大位移位置處記錄好運行曲線，吊裝集裝箱貨物的單擺運行到正最大位移位置后就開始進入回擺狀態，小車按照最大加速度的數值進入加速狀態，設計好小車運行過程中的受力，便于預防起重機搖晃。

2 岸邊集裝箱橋式起重機防遙控制系統的相關設計

岸邊集裝箱橋式起重機中采用的是電子防搖系統，根據岸邊集裝箱裝卸過程分析起重機小車運動過程中出現的擺動搖晃問題，避免出現整機搖晃的情況，同時提高吊裝運輸定位的準確性，積極提高裝卸的效率。一般情況下橋式起重機的司機在岸邊集裝箱操作的過程中經常頻繁跟蹤小車，以此來緩解吊裝運輸過程中的搖擺問題，這種方法很容易延長起重機的運輸時間，降低了起重機的機械效率，現階段很多岸邊集裝箱橋式起重機在防搖控制系統中采用了智能電子防搖系統，減輕橋式起重機的遙控問題。

2.1 運行軌跡

岸邊集裝箱連接橋式起重機的吊具之后處于上升的狀態，運輸到卸料位置的正上方，待卸下集裝箱之后吊具再重新回到岸邊，重復運輸岸邊集裝箱。橋式起重機吊具從岸邊集裝箱到指定卸貨位置完成了一次正行程、一次負行程。首先設計好橋式起重機的吊具位置，在進入運輸狀態之前吊具需要移動到岸邊集裝箱的正上方，吊具控制到危險線上方，具體的停止位置需由現場的操作司機確定[4]。吊具提升集裝箱時不能碰撞裝載集裝箱的船體，必須在整個運行軌跡中發揮智能電子防搖控制系統的作用，在裝卸的過程中岸邊船體也會出現左右搖擺、上下浮動的問題，增加了防搖控制系統的運行難度，吊裝集裝箱從船體向上移動的過程中一直到提升到危險線內都不能有遙控碰壁的情況。

然后從起重機吊裝運行周期中分析智能電子防搖控制的表現。起重機吊具抓住船艙中的集裝箱后向上并橫向移動到岸邊一側，此時小車并未達到最大速度，懸繩需到達上升階段的停止點，橫行過程中小車開始減速，最好以勻速的方式運行，因為岸邊集裝箱的位置不同，所以吊具抓取的點位也不同，司機提前從控制界面上設計好，此時智能電子防搖控制系統會進入模糊減遙狀態，集裝箱裝載搖擺的角度需處于可控制的狀態以內，此時吊具正好位于卸料處的上方中心處，獲取穩定、自動的下降到停止位置，卸貨時智能電子防搖控制系統要求下降過程中集裝箱不能碰撞到最上層的集裝箱，司機可以改用手動操作提高吊具的穩定性。

最后在起重機智能電子防搖控制系統中配合安裝起升、橫行的同步信號發生器，輔助檢測智能電子防搖控制系統在起重機中的運行狀態，同步起升與橫行的信號，避免發生過度搖晃，促使小車橫向移動時能夠與吊具保持一致的動作狀態。

2.2 智能電子防搖控制

岸邊集裝箱橋式起重機智能電子防搖控制系統中的主要構成是：CCD攝像機、圖像采集卡、工控機、PLC、變頻器、小車電機，智能電子防搖控制解決了起重機小范圍的擺動，杜絕發生偏擺情況[5]。PLC在智能電子防搖控制系統中提供了模糊計算以及過程推理的條件，向起重機運行系統提供相對的控制信號，通過調整變頻器的參數指令把控小車運行的速度、加速度，進而準確控制吊裝過程中的偏擺角，促使集裝箱穩定、安全的到達指定位置。簡單分析智能電子防搖控制設計在橋式起重機中的功能，如：（1）CCD攝像機：拍攝小車鋼絲繩在運輸過程中的偏擺狀態，利用視頻信號線把采集的圖像傳輸到圖像采集卡；（2）圖像采集卡：轉化CCD攝像機的圖像，形成整幅的數字圖像；（3）工控機：用于采集圖像信息，設計好鋼絲繩擺角、偏擺角速度并把數值傳送到PLC結構中；（4）PLC：接收防搖控制系統的電信號，經過模糊推理后給出準確的控制信號，從變頻器中輸出；（5）小車電機：控制小車運行過程中的速度、加速度，控制集裝箱運輸時的偏擺角。

3 岸邊集裝箱橋式起重機防搖控制系統的功能實現

岸邊集裝箱橋式起重機防搖控制系統的功能實現過程中還要配置好軟件，包括控制軟件、模糊控制軟件以及數據采集軟件[6]。控制軟件利用全頻率控制的方法，實現一般控制模塊內容的有效控制，如吊起高度、加速度。模糊控制軟件用于推理控制，可以用在減速、偏擺角度等方面，配合PLC使用。數據采集軟件，根據鋼絲繩的實際擺動角度設計好吊具運行的速度。

4 結束語

岸邊集裝箱橋式起重機防遙控制系統設計是必須的工作，防遙控制系統直接關系到橋式起重機在岸邊集裝箱中的工作狀態。橋式起重機防搖控制系統設計時朝向智能化的方向發展，把智能技術融入到防遙控制系統的機械應用中，提高岸邊集裝箱運輸的穩定水平，最主要的是確保起重機防遙控制系統能夠符合岸邊集裝箱的運輸要求，為其提供簡單、方便的操作，加強橋式起重機在岸邊集裝箱運輸中防搖控制的力度。

參考文獻：

[1]胡艷麗.基于模糊PID的橋式起重機防擺控制研究[D].河南理工大學，2010.

[2]但堂詠.岸邊橋式起重機智能防搖控制機理研究[D].武漢理工大學，2005.

[3]岳文 ，鄢鵬程，唐超雋，等.基于軟測量技術的橋式起重機防搖控制方法研究[J].起重運輸機械，2017（01）：55-58.

[4]劉宏博.基于批次控制和模糊控制的橋式起重機防搖控制系統研究[D].大連理工大學，2016.

[5]陳建祥.港口橋式起重機精確定位及防擺控制系統的研究[D].東北大學，2014.

[6]羅俊堯.橋式起重機的防擺控制方法研究[D].太原科技大學，2011.