雜貨碼頭門座起重機自動化改造關(guān)鍵技術(shù)

遲金生

國能黃驊港務(wù)有限責任公司

1 引言

門座起重機(以下簡稱門機)作為大型機械裝備，因其具有作業(yè)范圍較大、裝卸效率高、操作方便等特點，大量裝備于碼頭作業(yè)區(qū)[1]。門機傳統(tǒng)作業(yè)方式是依靠司機室內(nèi)的操作人員進行操控，勞動強度很大，作業(yè)效率不能保證，安全風險隱患大。為了適應(yīng)當今港口的發(fā)展需求，需要提高門機的自動化、智能化、信息化水平，降低操作人員的勞動強度，提升作業(yè)安全水平和作業(yè)效率。

2 物料及船型識別技術(shù)

為了實現(xiàn)門機自動化，系統(tǒng)需直接對前端傳感器獲取的數(shù)據(jù)進行分析，得出作業(yè)的關(guān)鍵信息，控制系統(tǒng)直接調(diào)度執(zhí)行機構(gòu)，進行精確的定位、取料、卸料等操作。對于貨船而言，需要對船體的主要特征進行精確識別和定位，例如船舷高度、艙口位置、物料高度等信息。為此，運用激光云臺掃描設(shè)備對船體進行掃描和建模，并對建模數(shù)據(jù)進行特征提取[2]。

2.1 3D激光云臺掃描設(shè)備工作方式

在門機司機室附近安裝1臺激光云臺掃描設(shè)備，用于識別船舶艙口位置、船舷高度、物料、裝卸位置等。云臺配置阻尼和重錘，抗振動性能良好，通過云臺動態(tài)控制激光雷達掃描俯仰角度范圍，掃描區(qū)域可覆蓋艙口以及作業(yè)片區(qū)物料等區(qū)域，保證對識別目標數(shù)據(jù)采集的完整性。數(shù)據(jù)通過RS485接入工控機，進行建模。

采用激光雷達對目標區(qū)域進行數(shù)據(jù)采集，結(jié)合相關(guān)算法，對原數(shù)據(jù)進行降噪，結(jié)合所需識別目標的特征結(jié)構(gòu)，在降噪后的數(shù)據(jù)中匹配特征點，通過特征點劃定目標物體在激光視角中的空間中的位置[3]。結(jié)合空間坐標轉(zhuǎn)換，將激光視角下的空間坐標系轉(zhuǎn)化為實際大地物理坐標系，準確定位艙口、船舷甲板、物料區(qū)域等特征目標的實際物理坐標位置，確保PLC對各電氣以及執(zhí)行機構(gòu)動作的精準定位控制，完成門機自動化作業(yè)流程。

2.2 空間坐標系轉(zhuǎn)化

根據(jù)剛體變換原理，對于任意一個點(向量)V，假定其在2個坐標系下的表示分別為Va、Vb，2個坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣為Rab，平移向量為tab，則有：

Va=RabVb+tab

(1)

如果采用齊次坐標形式，設(shè)兩坐標系之間的變換矩陣為Tab，則有：

(2)

因此，有：

Va=TabVb

(3)

從激光掃描儀獲取數(shù)據(jù)，到轉(zhuǎn)換為全局坐標系下的點云，存在多個坐標系的變換。將坐標系進行細分，包括激光掃描儀坐標系、云臺轉(zhuǎn)軸坐標系、云臺基座坐標系、門機回轉(zhuǎn)中心坐標系、門機坐標系。整個坐標系采用變換矩陣的方式表示，根據(jù)D-H變換原理進行變換。

2.3 電氣和執(zhí)行機構(gòu)動作精準定位控制

在門機自動運行過程中，各機構(gòu)的定位系統(tǒng)十分重要，只有機構(gòu)準確定位，方可進行自動起升、行走、變幅及回轉(zhuǎn)。各機構(gòu)定位系統(tǒng)采用穩(wěn)定可靠的位置檢測方式，運用高精度絕對值多圈總線編碼器、智能角度檢測等裝置，以及RFID、衛(wèi)星差分定位技術(shù)，實現(xiàn)門機空間位置的實時精確定位。門機自動化控制系統(tǒng)接收門機的定位及控制狀態(tài)信息、位置信息和機械狀態(tài)信息，判斷門機的安全狀態(tài)，進行半自動或全自動作業(yè)。具體配置為：

(1)起升機構(gòu)安裝絕對值編碼器，計算起升機構(gòu)的運行距離，從而得到起升機構(gòu)的位置信息。

(2)變幅機構(gòu)通過絕對值編碼器測量變幅角度，根據(jù)變幅角度和臂架長度，計算出臂架各位置的高度；同時在大臂下鉸鏈處安裝角度傳感器，作為變幅機構(gòu)絕對值編碼器的冗余檢測方式。

(3)回轉(zhuǎn)機構(gòu)需要在大齒圈上安裝一個小的從動齒輪，該齒輪與主齒圈配合旋轉(zhuǎn)；在從動小齒輪轉(zhuǎn)軸處安裝多圈絕對值編碼器，通過編碼器的讀數(shù)可以實現(xiàn)回轉(zhuǎn)角度計算。在回轉(zhuǎn)機構(gòu)固定裝置上安裝2個電感式接近開關(guān)，2個開關(guān)間的角度為90°。在回轉(zhuǎn)機構(gòu)的平臺上增加1個感應(yīng)塊，每個電感式接近開關(guān)感應(yīng)到感應(yīng)塊的位置為固定回轉(zhuǎn)角度，即+45°和-45°。當回轉(zhuǎn)機構(gòu)轉(zhuǎn)動到相應(yīng)角度時，對應(yīng)的感應(yīng)開關(guān)動作，給回轉(zhuǎn)角度編碼器進行賦值，從而實現(xiàn)位置校正。

(4)行走機構(gòu)從動輪上安裝絕對值編碼器，通過從動輪的恒定半徑計算移動的距離。考慮到現(xiàn)場環(huán)境較為惡劣，軌道上有粉塵等雜質(zhì)，經(jīng)過車輪反復碾壓后可能會粘連在車輪表面，從而導致在運行過程中測量值不準確，所以安裝了RFID磁釘系統(tǒng)，用來讀取碼頭預(yù)埋載碼體信息，磁釘讀寫傳感器根據(jù)感應(yīng)磁釘?shù)膬?nèi)容，計算行走距離，對編碼器的數(shù)值進行校準。載碼體的安裝可根據(jù)現(xiàn)場情況按照5～10 m的距離間隔進行布置[4]。

3 障礙物識別技術(shù)

在門機全自動作業(yè)過程中，系統(tǒng)需要自動判斷運行路線上的障礙物情況，并在有障礙物時進行自動停機。為了實現(xiàn)障礙物識別，將2個Sick 511激光掃描儀(2D)+伺服云臺安裝于機上電氣房左右兩側(cè)；在門機象鼻梁前端，安裝多線激光掃描儀(3D)。通過3個激光掃描儀，實現(xiàn)對門機自動運行過程中空間范圍的動態(tài)保護。

3.1 激光掃描儀工作方式

在門機自動作業(yè)的過程中，激光掃描儀云臺轉(zhuǎn)軸隨門機的回轉(zhuǎn)自動向外調(diào)整其掃描方向。在門機回轉(zhuǎn)停止的情況下，掃描面平行于臂架方向，指向正前方；在門機向左或向右以最大回轉(zhuǎn)速度回轉(zhuǎn)時，對應(yīng)側(cè)掃描儀的掃描面自動轉(zhuǎn)動到預(yù)定義的最大角度，形成一定的掃描面提前量，在檢測到運行路線上有障礙物時，生成報警信息，傳遞給PLC控制系統(tǒng)，使回轉(zhuǎn)運動逐漸減速至停止，避免與障礙物發(fā)生碰撞。

3.2 多線激光掃描儀工作方式

在象鼻梁頭部安裝1臺多線激光掃描儀，水平方向掃描范圍是360°，垂直方向掃描范圍近30°。在門機運行的任意階段，實時統(tǒng)計防護區(qū)域內(nèi)的點云數(shù)目，在超過閾值時，觸發(fā)報警信號，上位機信息反饋給PLC。

3.3 障礙物識別功能實現(xiàn)

門機自動控制系統(tǒng)啟動后，防撞模塊同時啟動，實時檢測空間障礙物情況。PLC將回轉(zhuǎn)速度及方向、臂架幅度、抓斗高度等信息通過TCP協(xié)議實時傳輸至工控機，工控機依此實時調(diào)整各掃描儀的掃描角度，劃定合適的防護范圍，并對防護區(qū)域內(nèi)的障礙物情況進行檢測，將檢測結(jié)果信號通過TCP協(xié)議實時反饋至PLC控制系統(tǒng)，控制門機各機構(gòu)的運行狀態(tài)。

4 視頻電子圍欄技術(shù)

在回轉(zhuǎn)平臺正對陸側(cè)安裝1臺防入侵攝像頭，根據(jù)視野內(nèi)料斗位置自動劃定警戒區(qū)域，有人員或車輛進入警戒區(qū)域，發(fā)出報警信號到PLC系統(tǒng)。具體包括以下功能:

(1)目標檢測，通過圖像特征檢測的方式檢測出視野范圍內(nèi)的人和車。使用特征檢測的目的是為了剔除人和車以外的目標引起的誤報警。若不使用特征檢測，而是使用當前畫面與背景畫面對比方式進行目標檢測，在作業(yè)過程中，可能會出現(xiàn)由抓斗、云朵影子、物料傾瀉過程中出現(xiàn)的灰塵、門機的影子等引起的誤報警。

(2)區(qū)域入侵報警。當有既定目標(人和車)進入或出現(xiàn)在料斗附近區(qū)域內(nèi)時，產(chǎn)生報警信號，并顯示引起報警的物體在攝像機畫面中的位置、尺寸和類別。料斗區(qū)域附近是指離料斗的距離小于指定參數(shù)ParExt的區(qū)域，目前暫定的ParExt值為2。既定目標部分進入或出現(xiàn)在入侵區(qū)域中也會觸發(fā)報警。當目標從區(qū)域中離開或者消失時，報警解除。

(3)報警處理。當出現(xiàn)入侵報警時，停止作業(yè)，以防止事故的發(fā)生；當報警解除時，作業(yè)繼續(xù)進行。具體分為2種情況：①抓斗移動到料斗上方準備開斗卸料時，若存在入侵報警，則不進行開斗作業(yè)；②在開斗作業(yè)過程中，若出現(xiàn)報警，則停止作業(yè)或進行其他能夠減少危害的措施。

5 結(jié)語

該技術(shù)在黃驊港散雜貨碼頭6#門機自動化改造項目中成功應(yīng)用，取得了明顯效果，可為同類項目自動化改造提供借鑒。