散貨碼頭橋式抓斗卸船機(jī)自動(dòng)化改造

孫小婷，王儒超

（廣西鋼鐵集團(tuán)有限公司 港務(wù)中心，廣西 防城港 538000）

0 引言

卸船機(jī)是散貨碼頭卸船時(shí)使用的大型機(jī)械，在大宗原燃料集散港口發(fā)揮著重要作用。全球貿(mào)易一體化的發(fā)展促進(jìn)了全球范圍內(nèi)對(duì)散料運(yùn)輸?shù)男枨螅殡S這一發(fā)展的是港口對(duì)卸船機(jī)這類散貨卸船設(shè)備的需求[1-2]。司機(jī)人工手動(dòng)操的熟練程度直接決定著卸船效率與作業(yè)安全，為了適應(yīng)港口散貨裝卸設(shè)備專業(yè)化、大型化、高效化的發(fā)展趨勢(shì)，世界各國(guó)都在大力研究，應(yīng)用信息化、自動(dòng)化和智能化技術(shù)來(lái)建設(shè)和改造散貨碼頭，研制新型散貨裝卸與輸送設(shè)備，研究新型散貨作業(yè)管理與控制系統(tǒng)，從而提高港口企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

1 項(xiàng)目概述

1.1 項(xiàng)目意義

我國(guó)現(xiàn)有港機(jī)設(shè)備以人工或者半自動(dòng)的操作方式為主，碼頭依賴人工作業(yè)、協(xié)作調(diào)整的生產(chǎn)作業(yè)，通常會(huì)由于操作人員經(jīng)驗(yàn)不足，通訊系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞的不及時(shí)、不準(zhǔn)確等原因影響裝卸效率，使得生產(chǎn)成本較高[3]。目前散貨碼頭電氣自動(dòng)化控系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題有：

（1）散貨碼頭的工藝流程較為復(fù)雜，工藝的環(huán)節(jié)繁復(fù)，控制系統(tǒng)的性能存在短板。為滿足生產(chǎn)發(fā)展的需求，生產(chǎn)過(guò)程中各環(huán)節(jié)設(shè)備技改更新頻繁，現(xiàn)有系統(tǒng)無(wú)法完全兼容。

（2）從目前裝備備件應(yīng)用情況來(lái)看，部分電氣系統(tǒng)關(guān)鍵備件及技術(shù)依賴外企進(jìn)口，如ABB、施耐德、西門子等。我國(guó)在控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)、軟硬件、綜合調(diào)度等方面與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家仍存在較大差異。

（3）港口裝卸設(shè)備的電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)傳感器數(shù)據(jù)信息量大、各個(gè)系統(tǒng)模塊采用設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，故而對(duì)數(shù)據(jù)傳輸和處理性能要求較高，怎樣利用現(xiàn)有技術(shù)高效的進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)傳數(shù)，在保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、有效性的同時(shí)，怎樣確保各采集系統(tǒng)間的信息共享是目前研究的熱點(diǎn)。

（4）系統(tǒng)運(yùn)維成本高。隨著碼頭的裝卸設(shè)備及碼頭規(guī)模的擴(kuò)建，控制系統(tǒng)的使用頻率和業(yè)務(wù)量逐漸增大，需不斷維護(hù)升級(jí)現(xiàn)有系統(tǒng)以提高其適用性、穩(wěn)定性，這也可能增加系統(tǒng)的維護(hù)成本[4-5]。

隨著經(jīng)濟(jì)全球化的快速發(fā)展，柳鋼原燃料采購(gòu)以國(guó)際貿(mào)易為主，現(xiàn)有的散貨碼頭的自動(dòng)化化水平無(wú)法滿足國(guó)際貿(mào)易快速增長(zhǎng)的需求。國(guó)內(nèi)多地掀起了智能自動(dòng)化碼頭建設(shè)的高潮，各地開(kāi)始了散貨碼頭的電氣自動(dòng)化的改造升級(jí)。

1.2 項(xiàng)目概況

柳鋼防城港基地20 萬(wàn)噸碼頭泊位配置有6 臺(tái)額定生產(chǎn)能力2500 t/h、3 臺(tái)定生產(chǎn)能力1800 t/h 的橋式抓斗卸船機(jī)。卸船機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)為ABB-AC800M。碼頭作業(yè)模式采用人工手動(dòng)卸船方式，剩余艙底余料，由司機(jī)將推耙機(jī)吊入船艙進(jìn)行清艙作業(yè)。

1.3 項(xiàng)目?jī)?nèi)容

本工程擬對(duì)碼頭原料泊位卸船機(jī)實(shí)施技術(shù)改造，在保持原操作系統(tǒng)不變的情況下，加掛一整套智能全自動(dòng)控制系統(tǒng)（包括高精度雷達(dá)、智能檢測(cè)終端等軟硬件系統(tǒng)）。同時(shí)，在地面中控室建立遠(yuǎn)程控制中心，卸船機(jī)上無(wú)需配備司機(jī)，中控只需1 名值班員通過(guò)在人機(jī)界面設(shè)置任務(wù)參數(shù)，下達(dá)卸船指令，系統(tǒng)通過(guò)雷達(dá)自動(dòng)掃描建立船艙和料堆分布三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，依靠智能算法，自動(dòng)控制抓斗卸船機(jī)起升、開(kāi)閉、小車、大車機(jī)構(gòu)運(yùn)行。系統(tǒng)具備先進(jìn)感知系統(tǒng)，在保證船體安全平衡的原則下精準(zhǔn)抓取、平穩(wěn)卸料，最終實(shí)現(xiàn)智能全自動(dòng)控制下的卸船作業(yè)（大梁俯仰及清艙階段仍需司機(jī)手動(dòng)操作）。

2 系統(tǒng)方案

抓斗卸船機(jī)智能全自動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)雷達(dá)掃描建立船艙內(nèi)料堆三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，主控單元依靠人工智能算法，自動(dòng)控制抓斗卸船機(jī)起升、開(kāi)閉、小車、大車機(jī)構(gòu)運(yùn)行。系統(tǒng)具備先進(jìn)感知系統(tǒng)，在保證船體安全平衡的原則下精準(zhǔn)抓取、平穩(wěn)卸料，最終實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)卸船作業(yè)。

卸船機(jī)上由主機(jī)構(gòu)定位系統(tǒng)（含大車定位防撞）、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、物料探測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)、卸船機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)、機(jī)上操作終端、地面中控系統(tǒng)等組成。地面中控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、視頻監(jiān)控大屏、操作終端、遠(yuǎn)程操作臺(tái)組成。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

2.1 主機(jī)構(gòu)位置檢測(cè)

2.1.1 大車位置檢測(cè)及防撞

為精確檢測(cè)大車運(yùn)行位置，在原有編碼器定位基礎(chǔ)上增加RFID 校驗(yàn)裝置對(duì)編碼器位置進(jìn)行校準(zhǔn)，位置信號(hào)接入卸船機(jī)PLC 控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大車方向的自動(dòng)定位。為避免同軌道卸船機(jī)之間的碰撞，目前卸船機(jī)門腿底部均安裝防撞激光、防撞桿及限位，接入卸船機(jī)PLC 控制系統(tǒng)，PLC 系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前速度及距離可實(shí)時(shí)計(jì)算減速點(diǎn)及停止點(diǎn)，確保相鄰卸船機(jī)的安全。

2.1.2 起升及小車位置檢測(cè)

卸船機(jī)的小車為機(jī)械差動(dòng)四卷筒牽引小車，其結(jié)構(gòu)型式為：起升電機(jī)、閉合電機(jī)與小車行走電機(jī)，通過(guò)兩臺(tái)特殊設(shè)計(jì)的行星減速器組合裝配，用來(lái)驅(qū)動(dòng)四只卷筒。同側(cè)的兩只卷筒分別繞出兩根鋼絲繩分別繞過(guò)橋架頭部和尾部的改向滑輪繞向抓斗小車，再通過(guò)抓斗小車上的改向滑輪固定在抓斗上。抓斗起升、閉合、小車行走所有功能都通過(guò)這四只卷筒來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)兩臺(tái)行星減速器內(nèi)圈、外圈的差動(dòng)實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作組合。保持兩個(gè)起升卷筒不動(dòng)，兩個(gè)開(kāi)閉卷筒同向轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)抓斗的開(kāi)閉；兩個(gè)起升卷筒和兩個(gè)開(kāi)閉卷筒同向轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)抓斗的起升；兩個(gè)起升卷筒和兩個(gè)開(kāi)閉卷筒反向轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)小車的運(yùn)行。如圖2 所示。

圖2 機(jī)械差動(dòng)四卷筒牽引小車鋼絲繩繞繩系統(tǒng)

四卷筒牽引小車系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)為：由于只有一個(gè)抓斗小車，四根鋼絲繩，纏繞系統(tǒng)非常簡(jiǎn)潔明了。相應(yīng)鋼絲繩用量少，磨損少，需要的滑輪也少；抓斗的起升、閉合、小車行走機(jī)構(gòu)組合在一起，只有四只卷筒，結(jié)構(gòu)非常緊湊；只有一臺(tái)小車，后大梁可縮短，整機(jī)自重減輕。目前卸船的起升、小車位置具備位置檢測(cè)功能，采用電機(jī)的增量編碼器進(jìn)行計(jì)算獲取的，采用位置同步開(kāi)關(guān)進(jìn)行位置校驗(yàn)。可以滿足起升在45 m 范圍內(nèi)的運(yùn)行，使起升的定位精度在±20 cm 內(nèi)的精準(zhǔn)定位。在閉斗狀態(tài)下，可以在地面和料斗格柵板處進(jìn)行位置校驗(yàn)。位置信號(hào)接入卸船機(jī)PLC 控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)抓斗起升方向的自動(dòng)定位。

2.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

卸船機(jī)視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在全自動(dòng)條件下的視頻監(jiān)控輔助功能。在以下關(guān)鍵操作位置固定高清攝像頭，采集的視頻信號(hào)匯總至機(jī)房電氣室內(nèi)視頻系統(tǒng)機(jī)柜，信號(hào)再經(jīng)電纜卷筒內(nèi)的光纖備用通道傳輸至中控室，顯示在監(jiān)控大屏幕上。

（1）在卸船機(jī)大梁海側(cè)位置的高清攝像頭，面向下安裝，視角覆蓋下面船艙范圍，主要用于觀察抓斗在船艙內(nèi)的抓卸料操作。

（2）在卸船機(jī)大梁陸側(cè)卸料斗的上方位置的高清攝像頭，視角覆蓋整個(gè)卸料區(qū)域范圍，主要用于觀察抓斗的卸料姿態(tài)和卸料效果。

（3）在卸船機(jī)大車前方左右兩側(cè)位置的高清攝像頭，觀察大車前進(jìn)時(shí)碼頭工作面狀況。

（4）在卸船機(jī)大車后方左右兩側(cè)位置的高清攝像頭，觀察大車后退時(shí)碼頭工作面狀況。

（5）在卸船機(jī)卸料斗出口附近的高清攝像頭，視角覆蓋料斗出口及閘門，主要用于觀察出料狀況。

（6）其他位置新增的高清攝像頭：運(yùn)行皮帶前側(cè)、運(yùn)行皮帶后測(cè)、電纜卷盤側(cè)，分倉(cāng)前側(cè)，分倉(cāng)后側(cè)，低壓電氣房側(cè)，高壓電氣房側(cè)。

2.3 物料探測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)

激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)沿卸船機(jī)大梁方向，在船艙上方兩側(cè)位置安裝掃描云臺(tái)，如圖3 所示。云臺(tái)采用正交安裝方式，可以對(duì)船只進(jìn)行兩個(gè)垂直方向的掃描，由于兩個(gè)云臺(tái)安裝在船只上方兩側(cè)，在掃描的時(shí)候能夠更多的掃描到船艙口內(nèi)測(cè)的料堆情況。或者采用在司機(jī)駕駛室平臺(tái)下方安裝一臺(tái)掃描云臺(tái)，根據(jù)船體尺寸移動(dòng)駕駛室至合適位置，保證掃描云臺(tái)能夠更多的掃描到船艙口內(nèi)側(cè)料堆情況。

圖3 掃描雷達(dá)安裝位置

在作業(yè)前通過(guò)行走大車，雷達(dá)能夠?qū)ο路酱摷拔锪戏植甲龈采w式掃描 建立料堆三維模型；抓斗小車每次向料斗卸料時(shí)，激光雷達(dá)開(kāi)始實(shí)時(shí)掃描船艙料堆形狀，刷新料堆輪廓，提供下次抓斗抓取的數(shù)據(jù)坐標(biāo)。

2.4 卸船機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)

新增一臺(tái)自動(dòng)化控制柜，配置西門子1500PLC和工控機(jī)，用于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)作業(yè)相關(guān)功能。新增的PLC通過(guò)profinet 與原主機(jī)控制系統(tǒng)ABB-AC800M PLC進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，新增的工控機(jī)用于激光掃描建模和控制算法。激光掃描儀通過(guò)以太網(wǎng)接入工控機(jī)。

3 自動(dòng)流程及控制策略

3.1 自動(dòng)工藝流程

操作員在中控室操作終端界面中，設(shè)置船艙寬度、深度及艙口數(shù)據(jù)、大車移動(dòng)閾值等幾個(gè)作業(yè)參數(shù)后，將對(duì)應(yīng)卸船機(jī)的操作模式切換為全自動(dòng)模式，系統(tǒng)即開(kāi)始自動(dòng)卸船：

（1）系統(tǒng)通過(guò)大車自動(dòng)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)下方船艙和物料的覆蓋掃描，將其輪廓信息三維成像、建模，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算將料堆與船艙剝離開(kāi)來(lái)，并根據(jù)智能連續(xù)取料策略算法形成最優(yōu)化卸船作業(yè)方案，人工核對(duì)掃描數(shù)據(jù)后生成作業(yè)任務(wù)。

（2）系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前料堆形狀特征以及重量分布，大車自動(dòng)移動(dòng)至軟件計(jì)算出的最優(yōu)抓料點(diǎn)，自動(dòng)控制抓斗抓料、閉斗、提升，沿系統(tǒng)自動(dòng)規(guī)劃的最優(yōu)回程路徑，控制抓斗和小車運(yùn)行至卸料斗上方開(kāi)斗卸料，然后系統(tǒng)控制抓斗再返回船艙內(nèi)下一個(gè)最優(yōu)抓料點(diǎn)繼續(xù)抓料，完成一次抓卸料循環(huán)。

（3）在每個(gè)循環(huán)中，當(dāng)抓斗遠(yuǎn)離船艙后，雷達(dá)自動(dòng)掃描當(dāng)前抓取過(guò)的煤堆表面，實(shí)時(shí)刷新料堆輪廓并更新到整個(gè)料堆數(shù)據(jù)庫(kù)中。同時(shí)能夠?qū)Υw上浮、傾斜產(chǎn)生的數(shù)據(jù)變更進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。

（4）系統(tǒng)周而復(fù)始，按照分層剝?nèi)　⑵胶庑洞牟呗裕詣?dòng)完成卸船任務(wù)。艙底剩余少量余煤，由司機(jī)手工清艙。

操作員在中控室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)全自動(dòng)運(yùn)行，如出現(xiàn)異常情況，可隨時(shí)通過(guò)點(diǎn)按操作臺(tái)上卸船機(jī)急停按鈕，系統(tǒng)立即從自動(dòng)模式切換回手動(dòng)操作模式，保障系統(tǒng)安全；當(dāng)異常情況處理完畢后，操作員可點(diǎn)擊“流程繼續(xù)”按鈕，系統(tǒng)切回自動(dòng)模式，從剛才的斷點(diǎn)處接續(xù)，繼續(xù)自動(dòng)卸船作業(yè)。

3.2 射斗策略

由于船艙口過(guò)小，為了能夠抓取更多的料，在抓斗擺幅過(guò)程中開(kāi)始下降到船艙內(nèi)，當(dāng)擺幅到達(dá)最大時(shí)，抓斗接觸料堆進(jìn)行抓取。在自動(dòng)作業(yè)模式下，無(wú)法完成這個(gè)過(guò)程，為了能夠抓取更多的料，對(duì)于船艙口小的取料，通常采用的方法是先將抓斗降至艙內(nèi)，再將小車向艙壁移動(dòng)，最多是半個(gè)抓斗的位置，或略小一些。

3.3 最優(yōu)路徑

卸船機(jī)的主要作用機(jī)構(gòu)是抓斗升降及小車平移，只有這兩個(gè)機(jī)構(gòu)同時(shí)進(jìn)行移動(dòng)才是最快的效率。在保證安全的前提下，不發(fā)生碰撞盡量實(shí)現(xiàn)同時(shí)作業(yè)，這就需要考慮機(jī)構(gòu)行程的軌跡，因此通過(guò)建立坐標(biāo)系，結(jié)合防搖系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)路徑規(guī)劃，最終輸出路徑坐標(biāo)點(diǎn)，控制小車及抓斗的位置，來(lái)提高整體作業(yè)效率及流暢性。

3.4 防搖定位

防搖系統(tǒng)的算法有很多，通常分為開(kāi)環(huán)算法和閉環(huán)算法。

開(kāi)環(huán)算法：最普遍的就是雙脈沖前饋防搖擺控制（Double pulsecontrol），也有稱為Posicast control 或Cancellation control。最典型的應(yīng)用如ABB 的傳動(dòng)系統(tǒng)，這種算法理論上不支持?jǐn)[長(zhǎng)變化（小車移動(dòng)時(shí)，抓斗升降變化）控制。

閉環(huán)算法：西門子、萊納、佰能等，這種算法在擺長(zhǎng)發(fā)生變化時(shí)，能夠進(jìn)行補(bǔ)償防搖效果。

為了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)路徑，就需要采用變擺長(zhǎng)的方式，因此閉環(huán)算法更適合卸船機(jī)的應(yīng)用。

3.5 控制接口

卸船機(jī)的原系統(tǒng)功能比較完善，因此所有控制功能及功能連鎖以原系統(tǒng)為主新增系統(tǒng)為輔。接口采用Profinet 協(xié)議通訊，通訊主要內(nèi)容如下：

（1）遠(yuǎn)程操作控制選擇；

（2）大車、小車、起升采用啟動(dòng)指令+速度給定；

（3）抓斗開(kāi)閉指令控制；

（4）卸船機(jī)的位置些信息；

（5）卸船主要報(bào)警信息。

4 結(jié)語(yǔ)

抓斗卸船機(jī)無(wú)人駕駛系統(tǒng)投用后，使司機(jī)脫離駕駛室的同時(shí)還可在遠(yuǎn)程進(jìn)行必要的操作，不僅極大地降低了卸船機(jī)司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度，還提高了卸船的安全性。同時(shí)，該系統(tǒng)可自動(dòng)計(jì)算最佳抓取點(diǎn)和最優(yōu)抓取路徑，有效避免煤料撒落的情況，從而減輕了碼頭污染和資源浪費(fèi)等問(wèn)題。