集裝箱起重機艙蓋板平臺及其安全擺放優化控制方法

楊雷忠

上海振華重工（集團）股份有限公司 上海 200125

0 引言

隨著港口行業的不斷發展，特別是自動化碼頭技術的不斷發展，對于碼頭前沿車道空間利用率的要求越來越高[1，2]。在裝卸集裝箱過程中，集裝箱起重機需要先將艙蓋板從船上吊至臨時擺放區，待這一排作業位的裝卸任務完成后再將艙蓋板吊回船上。一般的艙蓋板大小在13 m×10 m左右，質量在40 t左右，體積和質量都非常大。集裝箱起重機在一個貝位作業時，需要移出3塊左右艙蓋板，堆放在臨時區域。

傳統起重機的艙蓋板擺放只能堆放在地面上，對碼頭的基建和作業效率造成影響。首先，質量和體積巨大的艙蓋板會對碼頭地面產生影響，艙蓋板的尖銳物會使碼頭地面形成凹痕等。其次，艙蓋板占用了碼頭的車道及作業空間，使原本緊張的車道及作業區域進一步壓縮，特別是對于軌距小的碼頭，艙蓋板只能放置在后大梁區域，不僅占用了碼頭堆場及主干道，還存在安全隱患[3]。

1 集裝箱起重機艙蓋板平臺的設計

本文設計了一個集裝箱起重機的艙蓋板平臺，用來放置艙蓋板，以提高碼頭的車道的利用率。艙蓋板平臺位于集裝箱起重機的陸側下橫梁位置，利用起重機上搭載的質量檢測系統檢測每塊艙蓋板的質量，通過PLC進行記錄和控制。當艙蓋板數量或總質量超過設定閾值后，不允許在平臺上堆放艙蓋板，以保證平臺能在設計載重量內工作。

1.1 艙蓋板平臺的機械構成

如圖1、圖2所示，艙蓋平臺是一個矩形區域，18.6 m×11.6 m×1.5 m（長×寬×厚），長邊平行于起重機軌道，安裝于距離地面14.7 m處。平臺的海側長邊和兩側的寬邊均設有安全欄桿。平臺的寬度方向設有艙蓋板擺放支點，并在中間位置對稱地安裝有2條橡膠條，以減少放置過程中的沖擊。在平臺的兩側，設有人行道，用來進行維護工作。艙蓋板平臺的設計載重為135 t，設計放置數量不大于3塊，最大設計放置尺寸為14.2 m×12 m[4]。

圖1 艙蓋板平臺位置示意圖

圖2 艙蓋板平臺圖紙

1.2 艙蓋板平臺擺放優化電氣控制

電氣控制是實現艙蓋板平臺擺放優化的關鍵，如何在不增加成本的前提下做好擺放優化的控制是研究的重點。下面通過與艙蓋板擺放相關的模式選擇、質量檢測、自動計數、邏輯控制及安全保護等5個方面闡述電氣控制原理。

1）模式選擇

吊具模式選擇是集裝箱起重機司機根據實際吊具下所吊物體的不同來做人為選擇的，一般可分為吊具模式（常規模式）、吊鉤模式、艙蓋板模式、維修模式等。在常規模式下，為了防止吊具以及吊具下的集裝箱與岸邊集裝箱起重機的下橫梁發生碰撞，設有下橫梁的安全保護，起升和小車只允許在距下橫梁外表面一定距離的區間內作業。而艙蓋板平臺不包括在這個作業區間內，只有當司機選擇艙蓋板模式的情況下，陸側下橫梁上的艙蓋板平臺才作為作業區域，允許放置艙蓋板。

2）質量檢測

集裝箱起重機為了能夠判斷所吊物體是否在設計的載重量程內，會配有質量檢測系統。質量檢測系統主要由輸出為4～20 mA模擬量信號的質量傳感器組成，安裝在起重機前大梁頭部，可檢測出吊具上每個角的質量，通過PLC處理后得出所吊物體的質量。通過質量設定，可做到單角、單邊、偏載、超載等安全保護。當物體的質量超過設定值后，起重機不能進行上升動作。利用這個系統，PLC可對艙蓋板的質量進行檢測并記錄，以保護艙蓋板平臺能在設計質量范圍內進行工作。

3）自動計數

為了減少人為計數的工作量，降低因人為因素而造成的失誤概率，利用PLC對艙蓋板的數量進行計數，其中的關鍵問題在于如何判斷艙蓋板數量的變化。集裝箱起重機的小車都配有增量編碼器和絕對值編碼器，可準確地獲取小車的實時位置[5]。PLC可設定海陸側位置的臨界點，當小車位置大于臨界點時，判定小車在海側；當小車位置小于臨界點時，判定小車在陸側。另外，也可通過小車位置值的大小變化來判斷小車是從海側往陸側開，還是從陸側往海側開。在判斷小車的運動方向后，結合質量檢測系統讀取的信息以及吊具的開閉鎖狀態，進而判斷起重機是在往平臺上放艙蓋板，還是從平臺上取艙蓋板：在艙蓋板模式下，吊具閉鎖后小車從海側往陸側開時系統判定為往平臺上放艙蓋板，小車從陸側往海側開時系統判定為從平臺上取艙蓋板，從而實現對艙蓋板平臺上現有艙蓋板數量進行自動計數。

4）邏輯控制

控制的主要邏輯是從船艙取艙蓋板往平臺上放時有2個約束條件，一是艙蓋板的數量不得多于3塊，二是放置的艙蓋板的總質量不能超過設計質量135 t。因此，每次是否允許在平臺上放艙蓋板的依據都要保證滿足這2個約束條件。

一般情況下，司機在空吊具情況下選擇艙蓋板模式開始作業，此時后大梁艙蓋板平臺上尚未堆放艙蓋板。每次艙蓋板堆放到艙蓋板平臺前，都要進行艙蓋板平臺上總質量Wtotal與第X次吊起的艙蓋板質量Wx之和是否超過了最大設計質量Wmax的比較，并判斷X是否大于3。第X次吊起的艙蓋板質量從吊具閉鎖后穩定的最大質量讀取L0。如果艙蓋板平臺上的總質量與第X次吊起的艙蓋板質量超過了最大設計質量，或X＞3，則禁止繼續在艙蓋板平臺上放置艙蓋板，并發出警報。如果不滿足上述終止條件，則允許放艙蓋板。之后艙蓋板平臺上的總質量為第X次艙蓋板質量之和，計數X+1，繼續循環操作，直到滿足終止條件。邏輯圖如圖3所示。

圖3 控制邏輯圖

根據碼頭實際情況，完成一個貝位的裝卸后就將艙蓋板全部放回船艙，以免后續再返回來對該貝位進行操作。由此，從平臺上取艙蓋板的邏輯比放艙蓋板的邏輯相對簡單，不需要考慮質量和數量的限制，只需將取走的艙蓋板數量和質量在系統中減去即可。

5）安全保護

安全是生產中的首要問題，在有了基本的邏輯控制后，還要考慮到相關的安全問題，在程序中做好安全保護，以免造成可預見的事故。艙蓋板的體積和質量都很大，如果按照正常的最大速度進行操作，艙蓋板可能會在裝卸過程中產生劇烈晃動，穩定性很差，有發生安全事故的隱患。為了艙蓋板能平穩地吊起和放下，并盡可能減少在裝卸過程中的晃動，當選擇艙蓋板模式后，起重機小車和起升速度都被限制為最大速度的50%，從而避免較大的晃動幅度，司機依舊可通過自己的判斷在限定速度內來進行速度控制。

另外，當司機從船艙吊起艙蓋板后，若未將起升機構提升到適當的高度再移動小車，會使艙蓋板與海側下橫梁發生碰撞而造成嚴重損失。為此，在程序控制中設置了相關保護，以防此類事故的發生。當吊起船艙上的艙蓋板后，起升機構要上升到高于下橫梁上表面3 m后才允許移動小車。

還有，當司機選擇艙蓋板模式后，司機室外的電笛會自動開啟，警示起重機下方的人和車不要在小車運行路徑內停留。

2 優化的擺放控制操作步驟

司機在司機室內的控制面板上選擇艙蓋板模式后，小車和起升機構的速度限制在最大速度的50%。此時，司機操作起重機吊起船上的艙蓋板，艙蓋板質量會通過起重機質量檢測系統記錄到PLC中。在起升高度高于下橫梁上表面3 m后小車緩慢后退，移動到艙蓋板平臺正上方，將艙蓋板緩慢下放，置于艙蓋板平臺上。當艙蓋板平臺上放置有3塊艙蓋板時，或當艙蓋板平臺上的艙蓋板質量加上已吊起的艙蓋板質量之和大于設定閾值時，則不允許繼續在平臺上堆放艙蓋板。

當司機切換到吊具模式后，小車和起升機構的速度限制解除，并保留現有艙蓋板平臺上的艙蓋板數量的數值，司機可正常進行集裝箱的裝卸作業。

當前貝位的作業任務結束后，司機再次切換到艙蓋板模式，將艙蓋板裝回船上，此次對艙蓋板平臺上艙蓋板的總質量和數量進行反向計數，直到清零。

3 結語

該型具有艙蓋板平臺的集裝箱起重機，將艙蓋板的堆放位置由地面改到艙蓋板平臺上，極大地節省了地面空間，保證了車道的利用率，提高了碼頭的作業效率，為一些空間緊張的碼頭提供了一個很好的解決方案，具有積極的實際意義和廣泛的應用前景。利用起重機已有的質量檢測系統和PLC的邏輯控制，很好地解決稱重、計數、邏輯控制、安全保護等問題，無需額外增加質量傳感器、布置電纜線路等，電氣控制成本極低。