激光掃描儀在大車運行安全保護中的應用

孫慧利 蔡沛辰 江成效

1 青島海西重機有限責任公司 2 山東港口青島港董家口分公司

1 引言

為了保證門座起重機、卸船機等設備的安全運行，防止起重機與起重機之間、起重機與人之間或起重機與障礙物之間的相互碰撞[1]，需要在大車運行機構兩端安裝有效的防撞裝置。隨著港口起重行業對安全性能的要求越來越高，對門座起重機、卸船機的大車運行安全系統也提出了更高的要求。目前廣泛應用于大車安全運行裝置的為行程開關和單點激光傳感器組合方案，只檢測傳感器、行程開關前方的某個點，若工作時大車軌道兩側的情況比較復雜，易使檢測精度大大降低，無法真正起到檢測人、障礙物以及活動物體的作用，也就無法實現真正意義上的防撞。隨著二維激光掃描儀的廣泛應用，對傳統的起重機大車安全運行裝置進行了改造，設計了一種無接觸式激光掃描安全裝置。

2 起重機大車運行安全系統現狀分析

目前港口起重機的大車運行安全系統的常規方案主要有以下幾種。

(1)單點激光傳感器和行程開關方案。該方案是目前門座起重機大車運行安全防護主流方案，優點有防護等級高、檢測距離遠、抗干擾能力強、成本低等。缺點是必須有反射板配合使用，只能用于同軌道上的2臺設備之間的安全防撞，不能防止設備與人之間的碰撞或設備與障礙物之間的碰撞；檢測范圍只有1條直線，不能檢測直線區域外的物體；單點激光限位只能輸出1個開關量信號用于減速，機械式限位用于停車；安全系統在起重機大車內外側有障礙物的時候，檢測不到障礙物。

圖2 陸側激光掃描儀安裝布局圖

(2)超聲波測距方案。其優點有防護等級高，最高可達IP67；可輸出2個開關量點，分別用于設置減速區和停止區；分辨能力強、反應速度快、成本低等。缺點為檢測距離短，掃描區域較小，掃描角只有十幾度；戶外使用時會因受到天氣的影響而產生一定的干擾；2個超聲波測距儀不能相互對射，會產生干擾從而無法判斷2臺設備之間的真實距離，易導致大車運行的安全防護失效，不太適宜用在大車運行機構上。

(3)雷達測距方案。其優點為檢測距離長、有兩個獨立可調節的檢測區域、反應速度快、抗干擾能力強、不受天氣環境影響、性能穩定。缺點為掃描角度小，只有11°～13°；雷達波傳感器對人體的感應性能差，不能有效預防起重機設備與人之間的碰撞。

3 激光掃描儀大車運行安全系統

自動化的大車安全運行系統必須具備兩方面的技術，一方面是自動化檢測，另一方面是自動化控制[2]。經過對起重機大車運行安全系統的現狀分析，并結合近期多個國外項目對起重機生產作業的安全性需求,設計了起重機大車運行安全系統方案。該系統配置二維激光掃描儀4只(R2000)、大車絕對值編碼器(P+F)、PLC系統(S7-1500)、大車機構變頻器(ACS800)、觸摸屏、筆記本電腦。系統框圖見圖1。

圖1 大車運行安全系統框圖

3.1 系統工作方式

系統設置若為檢測模式，當障礙物進入起重機運行的檢測區域時，觸摸屏發出燈光報警(黃色閃亮)；系統設置若為控制模式，當障礙物進入起重機運行的控制減速區域時，觸摸屏發出燈光報警(黃色常亮)，同時主機PLC發出指令，控制大車運行變頻器減小輸出力矩，使起重機減速運行；當障礙物進入起重機的控制停車區域時，觸摸屏發出燈光報警(紅色常亮)和聯動臺蜂鳴器報警，同時主機PLC發出指令，控制大車運行變頻器停止輸出力矩，使起重機停車。

3.2 二維激光掃描儀原理及安裝

3.2.1 二維激光掃描儀工作原理

二維激光掃描儀最基本的功能就是激光測距。激光發射器發射激光，照射到物體表面后再反射被接收器接收，根據被接收回來的能量大小計算出物體表面的反射率。時間計數器記錄這一過程的時間，再通過S=1/2ct(c為光速，t為時間)得到目標點與掃描儀之間的距離。同時各傳感器會記錄激光發射的二維角度θ，再利用坐標系之間的相互轉換關系計算出目標點的X、Y坐標。最終大量帶有二維坐標和反射率信息的點在電腦上呈現出真實二維尺寸的環境信息。

圖3 海側激光掃描儀安裝布局圖

3.2.2 激光掃描儀的布置及參數設定

本安全系統中采用的激光掃描儀是德國倍加福公司的R2000 Detection檢測型二維激光掃描儀。在起重機大車運行機構的4個角上分別安裝1套激光掃描儀(見圖2、3),激光掃描儀通過以太網與PLC控制器通訊，PLC控制器與司機室觸摸屏通訊。PLC控制器、大車電機變頻器、大車電機、增量編碼器形成大車運行機構的閉環控制。通過激光掃描儀將掃描數據與大車的位置、路徑數據進行對比，掃描行車路徑上是否存有障礙物，掃描結果可在司機室觸摸屏上以畫面的形式顯示，PLC控制器可防止大車運行與行車路徑上的障礙物發生碰撞。通過設置警示燈和警報器，增強安全運行系統的預警機制，及時提醒大車周圍工作人員危險情況的發生，提高大車運行的穩定性和安全性。

激光掃描儀硬件安裝完成后需對其參數和掃描區域進行相應設定。起重機大車的行駛速度一般在25～30 m/min。以意大利Fincantieri港門機項目為例，根據大車減速、停車過程的計算對激光掃描儀的3個檢測區域進行設定。

(1)Info檢測區域：檢測距離10 m，黃色區域。

(2)Slow down減速區域：檢測距離為6 m，橙色區域。

(3)Alarm/Stop停車區域：檢測距離為3 m，紅色區域。

激光掃描儀將實時掃描數據通過以太網發送給PLC控制器，PLC控制器將接收到的掃描數據與預設定的大車路徑數據以及絕對值編碼器計算出的大車實際位置分別進行對比，根據對比結果，判斷大車的預行進路徑上是否存在可能與大車發生碰撞的障礙物。若對比結果表明大車路徑上存在障礙物，則PLC控制器根據邏輯計算發送減速、停車指令給大車電機變頻器，控制大車執行電機減速至停車。同時可通過設置激光掃描儀的3路開關量點來對掃描區域進行設置，將開關量動作信息和PLC控制器的對比信息互相校對，達到精準控制的目的。

3.3 大車運行絕對值編碼器

圖4 大車運行機構絕對值編碼器布局圖

大車運行絕對值編碼器安裝在起重機運行機構從動車輪上(見圖4)，其編碼數據經過計算后可以轉化為起重機在軌道上的位置數據。通過現場總線通訊接口，將起重機位置坐標數據傳輸到主機PLC控制器。PLC控制器將大車的位置數據與障礙物的具體位置信息進行比較，邏輯判斷。

3.4 大車運行安全系統的PLC程序編寫

大車運行安全系統的功能實現，除了硬件設備的安裝及參數設定以外，還有一個重點就是PLC程序的編寫，以實現對大車運行安全更加有效、全面的保護。

大車運行減速、停止程序段見圖5。

大車絕對位置程序段見圖6。

圖5 大車運行減速、停止程序段

圖6 大車絕對位置程序段

4 大車運行安全系統的優點和注意事項

與現有技術相比，大車運行安全系統合理地運用了二維激光掃描儀，將掃描數據與預設定的大車的路徑數據進行對比，預判行車路徑上是否存有障礙物；根據預判結果，可及時防止大車與行車路徑上的障礙物發生碰撞。通過設置警報器，增強大車安全運行系統的預警機制，及時提醒大車周圍工作人員危險情況的發生，從而提高大車的安全性。大車運行安全系統也可有效地避免因大車司機視線被遮擋而發生操作失誤的情況。采用二維激光掃描儀的方案，消除了現有的常規機械式安全防撞系統在遇到障礙物時突然停止對起重機設備產生較大沖擊的情況，可延長起重機的使用壽命。激光掃描儀為非接觸測量，具有數據采樣率高、分辨率和精度高、抗干擾能力強、響應快等優點，非常適合散貨碼頭現場的運行環境，不受雨、霧等惡劣天氣條件的影響，性能穩定可靠，調試維護簡單。該激光掃描儀還具有人體檢測的功能，可以有效地避免人身安全事故，這是其他防撞產品所不能實現的。

在激光掃描儀的工作過程中仍需要注意一些實際問題，這樣才能保證激光掃描儀的正常工作，并有效提高工作效率。首先激光掃描儀要加裝防護罩以保證其工作范圍內不會出現較大干擾，工作人員要定期對碼頭內的工作環境進行檢查，避免干擾因素留下安全隱患。其次則是對于激光掃描儀技術的應用，并不能完全放下警惕之心，在激光掃描儀工作過程中，要增加監管維護力度，避免因意外情況而導致停工，造成不必要的經濟損失[2]。

5 結語

在起重機大車運行安全系統的設計中，創新地運用了二維激光掃描儀，充分發揮其工作特性，增加其靈敏度及動作可靠性，并對PLC控制程序做了相應的調整，實現了起重機設備與障礙物、起重機設備與人員之間的檢測和安全保護，極大地提高了起重機設備大車運行的安全性，有效防止了人身安全事故的發生[3]。該起重機大車運行安全系統可確保起重機生產作業安全，提高生產效率、經濟效益和社會效益。