自動(dòng)化岸橋負(fù)載自動(dòng)防搖防扭系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

摘 要：為保障自動(dòng)化岸橋運(yùn)行過(guò)程的安全、準(zhǔn)確、高效，利用紅外定位、圖像處理技術(shù)、系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)自動(dòng)化岸橋負(fù)載自動(dòng)防搖防扭系統(tǒng)。通過(guò)檢測(cè)安裝在負(fù)載上的紅外結(jié)構(gòu)光源位置，計(jì)算出吊具空間位置和姿態(tài)信息，并將這些信息發(fā)送給控制系統(tǒng)，系統(tǒng)可以控制岸橋吊具更加快速、準(zhǔn)確、有效的工作。系統(tǒng)在天津港已得到成功應(yīng)用，對(duì)保障天津港自動(dòng)化岸橋正常作業(yè)起到至關(guān)重要的作用。

關(guān)鍵詞：港口;岸橋;自動(dòng)化;紅外定位;圖像處理;吊具檢測(cè)系統(tǒng)（SDS，Spreader Detection System）;可編程邏輯器件（PLC，Programmable Logic Controlle）;防扭控制器

中圖分類(lèi)號(hào)：U653.921 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 背景

近年來(lái)，隨著集裝箱碼頭自動(dòng)化設(shè)備的大范圍投入使用，自動(dòng)化岸橋在使用過(guò)程中的各種關(guān)鍵性技術(shù)也為技術(shù)人員關(guān)注的重點(diǎn)。

自動(dòng)化岸橋在作業(yè)過(guò)程中小車(chē)、大車(chē)需要相對(duì)于水平面進(jìn)行前后及左右的移動(dòng)，在移動(dòng)過(guò)程中岸橋所帶吊具會(huì)產(chǎn)生鐘擺運(yùn)動(dòng)，司機(jī)需根據(jù)擺動(dòng)幅度進(jìn)行反復(fù)控制車(chē)速來(lái)保持吊具平穩(wěn)。碼頭作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，受氣候尤其是風(fēng)影響較大，另外集裝箱內(nèi)所裝貨物有一定的偏載概率，在吊具相對(duì)水平面進(jìn)行垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)造成吊具及其負(fù)載產(chǎn)生扭動(dòng)，司機(jī)需要頻繁調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到穩(wěn)定吊具的目的。

為解決上述問(wèn)題、提高岸橋自動(dòng)化程度、減少司機(jī)工作強(qiáng)度，需要對(duì)岸橋防搖防扭系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)升級(jí)。

1 系統(tǒng)要求

1.1 硬件部署及要求

（1）岸橋小車(chē)架上安裝一個(gè)攝像機(jī)。（2）岸橋吊架上安裝三個(gè)紅外光源。（3）岸橋前首防扭改造電動(dòng)滾珠絲杠推桿。（4）攝像機(jī)調(diào)節(jié)箱安裝在小車(chē)平臺(tái)上，并垂直向下正對(duì)著吊具上的中間紅外燈。（5）攝像機(jī)安裝在攝像機(jī)調(diào)節(jié)箱內(nèi)，用于調(diào)節(jié)攝像機(jī)角度。（6）紅外光源安裝要特別注意吊具上的安裝位置，避免旁邊物體的對(duì)光源的干擾，比光源高的物體要在長(zhǎng)度方向和寬度方向都要保持15 cm以上的間隙。

1.2 軟件功能要求

系統(tǒng)軟件應(yīng)具備如下功能：

工作距離在3～60 m之間;角度方位±11度;測(cè)量頻率40 Hz。

（1）檢測(cè)吊具沿小車(chē)方向的偏移量。由于岸橋吊具在小車(chē)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生前后晃動(dòng)，造成吊具與小車(chē)無(wú)法在一條垂直線上，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)其偏移量來(lái)控制小車(chē)速度，以達(dá)到偏移量在±10 mm內(nèi)。

（2）檢測(cè)吊具沿大車(chē)方向的偏移量。由于岸橋吊具在大車(chē)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生左右晃動(dòng)，造成吊具與大車(chē)無(wú)法在一條垂直線上，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)其偏移量來(lái)控制大車(chē)速度，以達(dá)到偏移量在±20 mm內(nèi)。

（3）檢測(cè)吊具高度。系統(tǒng)檢測(cè)吊具高度，與岸橋自帶編碼器進(jìn)行校驗(yàn)，將誤差控制在±50 mm內(nèi)。

（4）檢測(cè)吊具擺動(dòng)角度。由于碼頭作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，受天氣影響較大，系統(tǒng)檢測(cè)因風(fēng)帶來(lái)的吊具擺動(dòng)幅度，將擺動(dòng)幅度控制在0.1度左右。

1.3 硬件安裝及調(diào)節(jié)

（1）三個(gè)紅外燈安裝在吊具上，攝像機(jī)調(diào)節(jié)箱安裝在小車(chē)平臺(tái)上，并垂直向下正對(duì)著吊具上的中間紅外燈。

（2）攝像機(jī)調(diào)節(jié)箱安裝于小車(chē)平臺(tái)上，其內(nèi)安裝攝像機(jī)，用于調(diào)節(jié)攝像機(jī)角度，確保攝像機(jī)的安裝角度是正確的，方向判斷標(biāo)準(zhǔn)：先跟ACCS確定好大小車(chē)方向，如果攝像機(jī)看到的大車(chē)左中右以及小車(chē)前后和人眼實(shí)際看到的大車(chē)左中右以及小車(chē)前后一致，說(shuō)明方向是正確的。

將吊具放到25 m高度。打開(kāi)攝像機(jī)調(diào)節(jié)箱，首先調(diào)節(jié)攝像機(jī)前后方向，再調(diào)節(jié)攝像機(jī)左右方向，打開(kāi)系統(tǒng)軟件，并將圖片顯示以及像素顯示打開(kāi)，將中間燈像素坐標(biāo)調(diào)到（1 020±10，540±10）內(nèi)，允許誤差10個(gè)像素，通過(guò)旋轉(zhuǎn)另一個(gè)方向使中間圓的圓心和圖像中心重合，攝像機(jī)調(diào)整完畢。

（3）岸橋前首防扭改造電動(dòng)滾珠絲杠推桿，傳統(tǒng)的岸橋前首防扭使用梯形絲杠，因使用中頻繁受力，梯形絲杠的磨損非常大，改造后采用四套滾珠絲杠作為防扭的驅(qū)動(dòng)形式，安裝在岸橋前首，分別控制四根主卷鋼絲繩，在防扭時(shí)每?jī)筛摻z繩相對(duì)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到防扭效果，系統(tǒng)軟件控制防扭裝置每?jī)商组g進(jìn)行相對(duì)工作。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)化岸橋負(fù)載自動(dòng)防扭系統(tǒng)是通過(guò)攝像機(jī)檢測(cè)安裝在負(fù)載上的紅外結(jié)構(gòu)光源位置，計(jì)算出吊具空間位置和姿態(tài)信息，通過(guò)以太網(wǎng)與電氣房中的工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，再通過(guò)工控機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理所得數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信模式傳給PLC，PLC發(fā)出指令來(lái)控制前首四套滾珠絲杠動(dòng)作，來(lái)實(shí)現(xiàn)防扭效果。

防扭控制器是系統(tǒng)的關(guān)鍵。根據(jù)不同的控制對(duì)象及防扭目標(biāo)，進(jìn)行自動(dòng)防扭的設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)建模、系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)、控制器率選擇、控制參數(shù)調(diào)整。它與SDS、PLC及防扭執(zhí)行機(jī)構(gòu)通信，實(shí)時(shí)獲取吊具旋轉(zhuǎn)角度、岸橋運(yùn)行狀態(tài)，在不同的小車(chē)起升位置、不同吊具尺寸、不同帶載情況下，調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)防扭功能。

3 系統(tǒng)應(yīng)用情況

岸橋負(fù)載自動(dòng)防扭系統(tǒng)在天津港遠(yuǎn)控自動(dòng)化改造后，順利實(shí)施，穩(wěn)定運(yùn)行。遠(yuǎn)控司機(jī)工作強(qiáng)度大大下降。整套系統(tǒng)在岸橋運(yùn)控生產(chǎn)過(guò)程中，起到了關(guān)鍵作用，為后期更多的岸橋改造提供了參考標(biāo)準(zhǔn)，為其他碼頭遠(yuǎn)控改造提供了參考案例。

4 結(jié)語(yǔ)

岸橋起重機(jī)吊具、小車(chē)懸掛部分是一個(gè)強(qiáng)耦合、大滯后的非線性時(shí)變系統(tǒng)，且作業(yè)過(guò)程中鋼絲繩變長(zhǎng)特性，使得常規(guī)方法難以有效控制吊具姿態(tài)。本系統(tǒng)安裝吊具位置檢測(cè)傳感器SDS，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)獲取吊具的旋轉(zhuǎn)角度信息;自動(dòng)防扭控制器，接收SDS反饋的吊具旋轉(zhuǎn)信息及其他狀態(tài)，通過(guò)相應(yīng)的控制算法來(lái)控制電機(jī)調(diào)節(jié)速度和方向，控制前大梁滾珠絲杠的移動(dòng)，從而調(diào)整上架鋼絲繩的相對(duì)長(zhǎng)度，從而實(shí)現(xiàn)吊具動(dòng)態(tài)防扭補(bǔ)償?shù)哪康摹Ｗ詣?dòng)化岸橋負(fù)載自動(dòng)防扭系統(tǒng)將更好的操作體驗(yàn)、更智能的應(yīng)用發(fā)展方向發(fā)展，將更進(jìn)一步優(yōu)化岸橋遠(yuǎn)控作業(yè)能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]李奇，韓浩.岸橋新型遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].港口裝卸，2015（3）：8-10.

[2]中國(guó)港口協(xié)會(huì).岸邊集裝箱起重機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)技術(shù)條件：T/CPHA 1-2018[S].

作者簡(jiǎn)介：劉廣昭（1992—），男，河北獻(xiàn)縣人，本科，初級(jí)，研究方向：港口自動(dòng)化。