軌道式龍門吊遠程控制系統在集裝箱堆場中的應用

袁耀，何雨生，秦文峰

（1.山東省交通規劃設計院集團有限公司，山東 濟南 250101；2.兗礦東平陸港有限公司，山東 泰安 271000）

1 引言

自動化、智能化是港口碼頭的發展趨勢。軌道式龍門吊是集裝箱碼頭常用設備，因而，對軌道式龍門吊作業過程和效率的研究格外重要。傳統龍門吊的作業存在設備利用率低、現場工作環境惡劣、高空作業安全隱患等缺陷。本文利用先進的計算機管理技術、自動化技術、通信技術，設計了一套軌道式龍門吊遠程控制系統，通過將傳統龍門吊進行自動化升級改造，將駕駛臺后移至辦公室，實現遠程控制，將龍門吊司機轉移到環境舒適的遠程控制中心，以降低司機工作強度，提高整體作業效率，通過系統配置的設備獲取相應的任務和相關的攝像頭畫面，通過人工遠程操作，發送給不同的設備對應的指令，再把指令運行結果反饋給計算機管理系統，節省操作臺的空間和成本，提升龍門吊作業的整體效率。實現遠程操控后，人機比例可由純人工操作狀態下的1：1 提升至1：4 不僅操作環境得到改善，規模使用后可以使綜合人力成本下降50%以上，能夠使港口企業減少駕駛員，節約人工成本，同時提高港口無人化水平，也提高了安全性。

2 工程概況

本工程建設8 個1000 噸級泊位，其中5 個泊位主要用來進行集裝箱裝卸，泊位總長度650m，設計綜合通過能力為664 萬噸/年，其中集裝箱通過能力40.9 萬TEU/年。集裝箱堆場采用4 臺軌道式龍門吊裝卸重箱，采用2 臺空箱堆高機裝卸空箱，水平運輸采用集裝箱牽引拖掛車，拆裝箱采用45t 正面吊及3t 箱內叉車進行作業。

3 軌道式龍門吊遠控系統設計

3.1 系統方案

本工程設計一套軌道式龍門吊遠程控制系統，使操作員通過中控室遠程操作臺完成對大機、水平運輸設備、堆場設備的監控和操作。無論是裝載或者卸載作業，大部分的操作都自動完成，大機的作業指令來自計算機管理，可實現帶路徑優化的自動運行、堆場自動著箱等功能，中控室操作員只需要在個別情況下對車道集卡安全高度以上手動接管吊具的下降、著箱和開閉鎖等有限幾個動作，用以確保安全。

3.2 系統結構

軌道式龍門吊遠程控制系統主要包括設備調度控制管理系統（ECS 系統）、遠程管理系統（RCMS 系統）、計算機調度管理系統等（TOS 系統）、遠程控制站（包括操作手柄、面板按鈕、控制觸摸屏；視頻監視器、顯示器；）。根據TOS 發來的工作指令，自動控制大機設備的運行，在遠程操作人員的輔助或者無需輔助的情況下進行著箱和開閉鎖等操作，實現的功能有主機構定位、吊具定位、目標位置定位、集卡引導、集卡防吊起、大車防撞等。具體的系統組成結構示意圖如圖1所示：

圖1 龍門吊遠程控制系統的架構圖

3.2.1 計算機管理系統（TOS 系統）

計算機管理系統由資源計劃系統、電子數據交換系統、監控及識別軟件、作業計劃系統和設備控制接口組成，其主要功能是計劃和指派任務、管理任務狀態以及向設備控制系統發送指令并接收反饋信息。

計算機管理系統（TOS）以數據庫為核心，以信息系統為平臺，以行政辦公系統和集裝箱碼頭生產管理系統作為面向內部用戶的界面，客戶服務系統作為面向外部用戶的界面，集成各類業務系統的總體結構。管理系統由資源計劃系統、電子數據交換系統、監控及識別軟件、作業計劃系統和設備控制接口組成，其主要功能是計劃和指派任務、管理任務狀態以及向設備控制系統發送指令并接收反饋信息。

根據碼頭運行管理中的不同的任務分為計劃、操縱、作業支持以及管理等幾大類,同時各類之間又有具體的業務操作。

3.2.2 設備控制系統（ECS 系統）

設備控制系統（ECS）的主要功能包括接收作業信息、驅動設備執行指令、監控設備運行狀態、向管理系統反饋作業信息及設備狀態等。設備控制系統（ECS）與管理系統（TOS）之間通過數據交互接口實現任務指令傳輸和處理。為使數據流轉更加高效、靈活，設計管理總線架構，由管理總線連接指令模塊與控制模塊，并通過發布和訂閱機制完成高密度數據交換。采用管理總線架構后，用戶可以根據需求定制所需要的模塊，實現控制設備的自由組合和靈活添加，以適應未來碼頭的發展要求。

3.2.3 龍門吊監測和管理系統（RCMS 系統）

龍門吊監測和管理系統具有數據搜集、分析、管理、故障診斷和維護功能。龍門吊與控制中心之間通過光纜進行實時通信和數據交換。在控制中心能實時顯示龍門吊的主要技術參數和運行狀態。龍門吊狀態監測和管理系統主要顯示的內容如下：①龍門吊實時總狀態；②龍門吊各機構單獨實時運行狀態，震動監測；③故障報警；④故障診斷指南；⑤有關參數和圖形實時顯示，并可存盤打印；⑥對每工班、每日、每月的作業箱數、重量、作業小時等實現自動統計和打印；⑦設備維修保養情況；⑧各機構運行時間。

圖2 龍門吊監測和管理系統圖

3.2.4 遠程操作控制系統

中控室配置兩臺遠程操作臺，操作司機可利用遠程操作臺遠程操控龍門吊進行半自動作業；操作臺通過交換機與各系統服務器連接，司機通過終端向碼頭生產管理系統反饋相關作業信息，通過數據交互的方式與碼頭生產管理系統進行信息交互。

每一個遠程操作臺可以監控并控制任意一臺龍門吊，實現多對多工況。

遠程操作臺上布置了遠程操作所需的按鈕、轉換開關、指示燈及操作手柄、顯示屏、可顯示狀態及操作控制的觸摸屏、語音通話設備、生產管理系統、遠控PLC、司機座椅以及其它的配件。在遠程操作臺的后面集成有控制箱，控制箱內遠控PLC，接收遠程控制軟件發送過來的指令，通過以太網接口與堆場內龍門吊上的遠控PLC 進行通訊。操作臺上的按鈕、轉換開關、指示燈及操作手柄等信號進入PLC 的 I/0 模塊。

圖3 龍門吊遠程操作控制系統圖

3.3 操作方式

龍門吊設備可根據每個作業階段的狀態、要求，在不同階段選擇不同的操作方式：

（1）當龍門吊設備進行裝卸箱作業時，采用遠程操作方式。在遠程操作模式下，大機設備所有的工作指令都直接來自TOS 系統。無論收箱或提箱作業，大多數操作都能自動完成，包括帶路徑優化的自動運行、吊具傾轉控制、集卡引導、自動著箱等；為了確保安全，操作員只需要在車道一側集卡車安全高度上手動接管機構運行和開閉鎖等有限幾個動作，且自動、手動操作過程能做到無縫切換。大機設備上自動化功能的實現能有效地減輕司機工作強度，并提高堆場的工作效率。

（2）當龍門吊設備遇到狀況或從安全方面考慮，需要進行遠程人工干預時，采用人工遠程操作方式。

（3）當龍門吊備遇到故障或處于維修狀態時，采用本地狀態下的手動操作方式。

3.4 作業流程

自動化軌道式龍門吊集裝箱堆場作業流程分為進箱作業、出箱作業。

3.4.1 進箱工作流程

堆場調度員在計算機管理系統上計劃進箱作業任務，并下發作業指令給場站管理系統。帶箱集卡進入作業堆場入口，入口RFID 識別拖車車號并反饋給場站管理系統。場站管理系統根據入口RFID 識別的拖車，自動執行相對應的拖車指令。龍門吊接收到場站管理系統指令大車自動運行到提箱目標位置，集卡到達目標作業貝位，集卡引導系統引導集卡精準停車。小車自動運行到目標車道上方，起升自動下降到集卡上方安全高度。人工操作龍門吊吊具下降、著箱，自動閉鎖。人工操作龍門吊吊具上升500mm，判斷有無掛鎖等異常狀態，人工起升手柄回零再次上升確認，轉入自動運行，起升自動上升。小車自動運行到放箱排位，吊具自動下降到目標箱上方安全高度。

3.4.2 出箱工作流程

堆場調度員在計算機管理系統上計劃出箱作業任務，下發作業指令給場站管理系統，空集卡進入作業堆場入口，入口RFID 識別拖車車號并反饋給場站管理系統。場站管理系統根據入口RFID 識別的拖車，自動執行相對應的拖車指令。龍門吊接收到場站管理系統指令大車、小車自動運行到提箱目標位置，起升自動下降到目標箱上方安全高度。人工操作龍門吊吊具下降、著箱，自動閉鎖。集卡到達目標作業貝位，集卡引導系統引導集卡精準停車。小車自動運行到目標車道上方，起升自動下降到集卡上方安全高度。人工操作龍門吊吊具下降、放箱、開鎖。人工操作龍門吊具上升500mm，判斷有無掛鎖等異常狀態，人工起升手柄回零再次上升確認，轉入自動運行，起升自動上升，指令完成。

4 結語

本文針對傳統龍門吊的作業存在設備利用率低、現場工作環境惡劣、高空作業安全隱患等缺陷，提出了一種智能高效的軌道式龍門吊遠程控制系統，并對該系統的總體架構和功能分析進行了詳細的介紹。本系統已在該港口穩定運行了一段時間，使用效果良好，操作簡單，可靠性和實用性高，改善了司機的作業環境，降低司機工作強度，提高港口整體作業效率，具有廣闊的應用前景。