門座起重機自動防撞保護技術研究

萬錦旗 陶慶永

江蘇蘇港智能裝備產業創新中心有限公司

1 引言

碼頭前沿門座起重機(以下簡稱門機)在裝卸船作業過程中,會存在幾臺門機同時對1條船進行裝卸作業的工況,此時幾臺門機之間的相對距離較小。門機在作業過程中,回轉、變幅、行走機構的配合動作,使得門機的作業半徑實時在變化。當相鄰的2臺門機的作業范圍出現重疊時,可能會出現2臺門機主體結構互相碰撞的情況,導致重大安全事故(見圖1)。

圖1 門機交叉作業示意圖

目前,防止相鄰門機主體結構互相碰撞,主要靠門機操作司機的視線觀察,人工控制門機各機構動作,避免2臺門機主體結構作業范圍重疊,但受到人的主觀意識影響,不能完全避免此類事故。門機自動化作業是未來港口發展的趨勢,自動化作業時門機上沒有司機,門機按照程序設定的作業流程進行全自動化作業,相鄰門機之間的防碰撞無法人為控制,因此門機安全防撞是門機自動化作業一項非常重要的技術問題,亟待解決。

為了解決門機交叉作業會出現主體結構互相碰撞問題,設計了一種門座起重機自動防撞保護系統,包括PLC控制系統、門機位姿數據采集系統、位姿數據平面坐標系轉化系統、無線通信數據交換系統、防碰撞控制策略、碰撞預防報警系統等。

2 門座起重機自動防撞保護系統架構

系統通過數據采集,利用程序運算得到門機的位姿數據,并將位姿數據轉化到平面坐標系模型里以點坐標顯示。安全防碰撞系統程序自動監控每臺門機的實時位姿數據,運用防碰撞控制策略,當計算出2臺門機的位姿點集坐標在接下來的運行中有重合的可能時,則會報警并限制本機當前動作,直到重合可能性消失,限制解除,本機繼續動作。系統架構圖見圖2。

圖2 系統架構圖

2.1 PLC控制系統

PLC控制系統是被動防撞安全保護系統的核心,負責采集數據的處理、在平面坐標系實時更新門機的位姿點集坐標數據、建立相鄰門機之間的數據無線通訊、執行防碰撞策略。

系統在獲取本機位姿數據后,PLC將本機位姿數據通過無線通訊方式發送給相鄰的門機,同時接收相鄰門機的位姿數據,達到數據交換的目的,并轉化到平面坐標系模型里實時顯示位姿點集坐標。PLC根據本機的運動趨勢計算本機未來的位姿點集變化數據,運行防碰撞策略,判斷發生碰撞的可能,并控制碰撞預防報警系統[1]。

2.2 門機位姿數據采集系統

相鄰門機之間的碰撞,主要有門機臂架系統與臂架系統之間的碰撞、臂架系統與轉盤機房結構之間的碰撞,因此需要采集門機變幅機構、回轉機構、行走機構的位姿數據。通過在以上機構安裝絕對值編碼器采集相關數據。絕對值編碼器信號通過DP通訊接入PLC,PLC控制程序根據采集的數據并結合主體結構的相關尺寸,計算出各機構當前的位姿數據并轉化到平面坐標系模型里,以點坐標數據生成門機輪實時廓線(見圖3)。

1.臂架系統投影線 2.轉盤外輪廓投影線圖3 門機平面坐標系模型示意圖

2.3 門機實時位姿檢測系統

2.3.1 工作幅度位置檢測

門機工作幅度位置檢測,用來檢測臂架系統的象鼻梁最前端距離回轉中心的水平距離,即門機的工作幅度。在變幅機構小齒輪軸端安裝多圈絕對值編碼器,檢測小齒輪轉動角度。以門機處于最大工作幅度Rmax處時定為絕對值編碼器的角度零點,此時變幅小齒輪中心到臂架與變幅齒條鉸點中心的直線距離為Smax。當小齒輪轉動時,絕對值編碼器檢測到小齒輪轉動角度為α,輸出此數據給控制程序,程序運行算法將其轉換為變幅齒條的運行距離值S,再結合已設定的臂架系統結構尺寸數據,計算出象鼻梁最前端距離回轉中心的水平距離。

采用絕對值編碼器檢測門機的實時工作幅度,同時在臂架根部安裝1臺傾角傳感器,用于對臂架傾角的輔助檢測和對絕對值編碼器數值的校驗。

2.3.2 回轉角度檢測

門機回轉角度位置檢測,用來檢測臂架系統在水平面上的投影線與軌道中心線之間的夾角,即回轉角度γ。在回轉大軸承外側安裝1個從動小齒輪,從動小齒輪的軸線需處在臂架系統縱向對稱面上,從動小齒輪與回轉大軸承固定主齒圈嚙合,從動小齒輪輪繞著固定主齒圈做行星運動[2](見圖4)。

1.絕對值編碼器 2.從動小齒輪 3.固定主齒圈 4.轉動圈圖4 回轉角度檢測裝置結構示意圖

在從動小齒輪軸端安裝多圈絕對值編碼器,檢測小齒輪轉動角度。以門機的臂架朝向平行于碼頭軌道時定為絕對值編碼器的角度零點。當門機回轉機構運行,絕對值編碼器檢測到從動小齒輪轉動角度為α,輸出此數據給控制系統程序,控制系統程序再結合已設定的門機結構尺寸數據,計算出門機的回轉角度γ。γ=R2×α/R1,R1為固定主齒圈分度圓半徑,R2為從動小齒輪分度圓半徑。回轉角度檢測計算數據模型見圖5。

采用絕對值編碼器檢測門機的實時回轉角度,同時在回轉機構上固定安裝1個電感式接近開關,跟隨回轉機構一起回轉。在回轉機構下方平臺上增加1個感應塊,感應塊的位置為固定回轉角度0°位置。當門機回轉到該角度時,對應的感應開關動作,給回轉角度編碼器賦值,從而實現位置校正。

2.3.3 門機回轉中心在碼頭軌道上的位置檢測

為測量門機在碼頭軌道上所處的位置,在行走機構從動車輪的車輪軸端安裝1臺多圈絕對值編碼器,檢測從動車輪轉動角度。在碼頭軌道的一端定1個基準點,測量此時門機回轉中心到此基準點沿軌道方向的距離e,此處定為絕對值編碼器的角度零點。當門機行走時,從動車輪轉動,絕對值編碼器檢測到從動車輪轉動角度為α,輸出此數據給控制系統程序,程序運行算法將其轉換為門機行走距離值f,f=π×D×α/360,D為從動車輪的直徑。控制系統程序再結合已設定的e值,計算出門機回轉中心到軌道上基準點的距離s(見圖6)。

考慮到現場環境較為復雜,有粉塵等雜質降落在軌道上,經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,需要安裝RFID磁釘系統,用來讀取碼頭預埋載碼體信息。傳感器根據感應磁釘的內容,反向計算編碼器定位值,計算行走距離,對編碼器的數值進行校準,載碼體的安裝可根據現場情況按照5～10 m的間隔距離進行布置。

2.4 門機位姿數據平面坐標系轉化

以碼頭面上一端的統一基準點O為坐標原點,大車軌道方向為x軸,建立直角坐標系。門機輪廓線包含臂架系統在水平面上的投影線、門機轉盤外輪廓在水平面上的投影線,將投影線上點的坐標組合,形成門機輪廓點集坐標數據。點集坐標數據來自位姿檢測系統采集的門機當前的工作幅度Rs、回轉角度γ、回轉中心到軌道上基準點的距離s。

臂架系統在水平面上的投影線,其線段2個端點(回轉中心點、臂架系統投影線最前端點)的坐標分別為(x0,y0),(xs,ys)。其中,x0=s,y0=0,xs=s+Rs×cosγ,ys=Rs×sinγ。根據2個端點的坐標,采用Bresenham算法在平面坐標系里生成臂架系統投影線。

在相鄰的幾臺門機上都安裝安全防撞保護系統,門機之間進行實時位姿信息數據的交互。本機接收到相鄰門機傳輸過來的位姿數據后,會將該門機的位姿數據轉化到同一坐標系里,實時顯示相鄰門機的位姿,使得每臺門機上的安全防撞保護系統里都有本機及相鄰門機的實時位姿數據(見圖7)。

1.相鄰門機2 2.本機 3.相鄰門機3圖7 多門機平面坐標系模型示意圖

3 自動防碰撞策略控制

防碰撞策略是基于本機的位姿數據,結合相鄰門機的位姿數據,以及門機接下來的運動趨勢,計算本機輪廓點集坐標數據與相鄰門機的點集坐標數據有無重合的可能。

假設門機當前臂架系統水平面投影線最前端點的坐標為(xs1,ys1),該坐標值系統可實時讀取,門機此時工作幅度Rs和回轉角度γ系統也可實時讀取,門機實時回轉速度為r,變幅實時速度為v,回轉機構減速時間t1,變幅機構減速時間t2。門機此時的運動趨勢可分為4種工況:①門機逆時針回轉、增幅;②門機順時針回轉、增幅;③門機逆時針回轉、減幅;④門機順時針回轉、減幅。若門機此時制動,完全停止時臂架系統水平面投影線最前端點的坐標將變為(xs2,ys2),根據算法公式可得出此時點坐標的具體數值,算法公式如下:

(1)門機逆時針回轉、增幅工況

(cosγ-cos(γ+6r×t1))

(1)

(sin(γ+6r×t1)-sinγ)

(2)

(2)門機順時針回轉、增幅工況

(cos(γ-6r×t1)-cosγ)

(3)

(sinγ-sin(γ-6r×t1))

(4)

(3)門機逆時針回轉、減幅工況

(cosγ-cos(γ+6r×t1))

(5)

(sin(γ+6r×t1)-sinγ)

(6)

(4)門機順時針回轉、減幅工況

(cos(γ-6r×t1)-cosγ)

(7)

(sinγ-sin(γ-6r×t1))

(8)

系統根據工作幅度Rs和回轉角度γ的變化情況(Rs變大為增幅,γ變大為逆時針回轉,反之亦然),首先判斷出門機運動趨勢為何種工況,然后根據對應工況下的算法公式計算出門機此時制動到完全停止時臂架系統水平面投影線最前端點的坐標值(xs2,ys2),再結合回轉中心點的坐標分(x0,y0),采用上述的Bresenham算法可在平面坐標系里生成門機制動靜止時臂架系統投影線。

門機制動靜止時轉盤外輪廓投影線點坐標根據門機制動前的轉盤外輪廓投影線點坐標,運用平面坐標旋轉變換矩陣算法得到。假設門機繞回轉中心點(x0,y0)回轉了角度Δγ,平面坐標旋轉變換矩陣算法如下:

Δγ=6r×t1,c=cosΔγ,s=sinΔγ

(9)

(10)

由上式可得出,本機若此時制動到靜止時門機的輪廓點集坐標數據,系統程序將此輪廓點集坐標數據與相鄰門機的實時輪廓點集坐標數據進行比對,若出現點集坐標數據有重合的情況,則判斷為兩機有碰撞可能,防撞系統報警并由PLC發出信號限制本機當前動作,直到點坐標重合的情況消失,限制解除,本機繼續動作。自動防撞系統程序流程圖見圖8。

圖8 自動防撞系統程序流程圖

4 結語

該技術已應用于部分自動化門機上。應用結果表明,該技術能夠在多臺自動化門機協同作業時,通過門機之間的數據通訊,實時檢測本機位姿信息及相鄰門機的位姿信息,在同一坐標系內運用防碰撞策略,從而有效地預防門機之間發生碰撞事故。該技術相比其他防撞技術,向縮小碰撞區域,防碰撞預判更精準,減少門機在運行過程中的不必要的限制,減少門機被限制過長時間且被限制頻率過高的情況,提高自動化門機作業效率。