智能化港口集装箱起重机远程控制浅析

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摘要:针对智能化港口集装箱起重机远程控制问题，以轨道式龙门起重机为对象，开发一种基于远程控制、激光扫描、定位系统、设备安全监控、视频系统等关键技术的远程操控系统，可改善操作工人的工作环境和劳动强度，降低事故风险，提高港口效率。

关键词:远程控制;轨道式龙门起重机;关键技术

1引言

与传统港口相比，自动化港口是以科技手段实现集装箱装卸、水平运输、堆场装卸全过程的新型港口，自设立之初就以提升效率、降低成本、提高港口管理水平为目的［1］。因此急需系列化、多品种自动化集装箱起重机，以满足自动化集装箱码头的建设需要，实现堆场集装箱的装卸、搬运和堆放，提高码头运行效率和管理水平。以轨道式龙门起重机(以下简称轨道吊)为研究对象，该类型产品主要用于港口集装箱的吊运，处理堆场集装箱的倒运，配合集卡进行出库入库等工作［2-3］。传统轨道吊作业时，各机构动作、挂箱、摘箱需要司机全程手工操控，找箱、寻库、出入库信息、堆场管理全部依靠人工记录，作业效率低。为实现港口集装箱运转的远程操控和智能转运，需要研发自动化轨道吊作业配套的远程监控系统，在产品控制上解决起重机主升、大车、小车的远程定位技术问题。

2作业流程分析

对轨道吊作业流程进行分析，将作业流程和特点进行拆分(见表1)，结合现场无人化操作管理工况，确定作业流程所需功能，运用定位系统、智能扫描系统、光学识别系统和自动化程序等手段替代现场人工操作的环节，进行针对性的系统功能开发。

3关键技术研发

3．1自动化管理系统

自动化管理系统框架见图1。研发自动化管理系统和码头操作系统的数据接口，管理系统负责从操作系统接收作业任务信息，并将完成情况反馈给操作系统;调度系统根据所有轨道吊的当前忙闲状态及在堆场中的相对位置，按照最优方案自动分配由哪台轨道吊执行作业任务;操作台调度系统根据所有操作台当前的忙闲状态，自动分配操作台对应操作哪台轨道吊，同时控制系统、视频系统、语音系统等也同步切换到对应的设备上;自动化统计系统用于统计自动化作业的各种数据并生成报表。

3．2辅助操作系统

辅助操作系统图形化显示大车、小车、起升机构的位置信息、堆场集装箱的轮廓信息、作业的源地址、目标地址信息;显示PLC的工作状态:开锁、闭锁、起升速度、小车速度、吊具下降减速等信息;显示集卡到达情况，及设备作业切换提醒。

3．3起重机监控系统

起重机监控系统功能是将起重机在运行过程中的各种实时数据通过以太网通讯采集到远程管理系统中(见图2)。在监控系统侧同时将采集的业务数据、故障连锁信息、工作状态等信息进行处理、存储，可以远程访问和管理。视频监控系统采用网络高清摄像头，可以实时跟踪对焦视频。系统与PLC接口通讯，并可以随设备的作业工况而自动切换画面。语音广播系统通过远程操作台语音设备和现场设备通过光纤或网线进行通讯，点对点式广播，并可与视频监控系统共用。

3．4基于传感器的远程定位系统

起升机构定位采用支持PＲOFINET通讯的双绝对值编码器冗余检测，1只编码器安装在电机内部，兼做矢量闭环信号;另1只编码器安装在卷筒轴侧，二者相互位置校验，定位精度可达15mm，用来实现起升精确定位。小车机构定位采用线性编码器+绝对值编码器冗余检测，大车机构定位采用FLAG板和绝对值编码器相互校验实现。

3．5箱形轮廓扫描

箱形轮廓扫描系统在小车架上安装3个2D扫描仪，分别扫描大车行进方向和小车行进方向。1号扫描仪负责扫描相邻贝位的轮廓信息以及大车方向上障碍，2号、3号扫描仪负责扫描当前作业贝的轮廓信息，用于计算当前作业贝的2D最高障碍数据。3个2D扫描仪扫描数据之间进行相互矫正，减少单一扫描系统的系统误差，同时数据集合形成3D箱形轮廓数据。

3．6目标检测系统

目标检测系统在小车架上安装2个3D扫描仪，1号扫描仪安装在小车架平台海侧中心线前方，扫描方向为大车行进方向;2号扫描仪安装在小车架平台陆侧中心线位置，扫描方向为大车行进方向。海侧扫描仪负责扫描集装箱海侧边线，陆侧扫描仪负责扫描集装箱陆侧边线。在扫描的同时，精确测量吊具的起升高度。通过激光扫描仪能准确地测量出上下箱偏差情况，相关扫描数据传输到PLC，PLC按照数据极端分析精准控制小车及起升机构运行。

3．7集卡定位系统

通过3D激光扫描系统实现集卡定位，集卡定位系统能够满足纵向(大车方向)及横向(小车方向)两个偏差数据的测量要求。应用时自动化管理系统将集卡所在的通道号、集卡上是否有集装箱、集装箱尺寸等信息告知集卡定位系统，通过3D激光扫描仪检扫描到的轮廓，计算集卡的位置，通过计算得出的位置信息显示在显示屏上，集卡司机根据LED显示屏的指示，指引集卡的移动，直到集卡到达正确的停车位，确保作业的高效性。

3．8防撞系统

海岸设备线上，每台设备的大车位置实时共享，单机大车位置传输到中控PLC中，由PLC判断大车所在相对位置，如果两车之间距离小于设定的安全距离，PLC发出指令，停止大车动作，保障设备安全。

3．9自动化防摇系统

通过图像采集设备实时检测安装在吊具上的标定板，进而计算出采集设备和标定板在运动时的偏移量和偏转角度，并及时发送给执行机构进行偏移校正。运行过程中系统会根据检测到的轮廓位置判断吊具减速以及停止位置，平滑完成运行过程，且系统运行过程按照最优抛物线方式运行(见图3)。

3．10箱号和车号识别系统

通过在车道侧安装摄像头从集装箱侧面分别按照20ft和40ft两种模式识别。如果出现无法识别现象，返回人工界面通过视频摄像头确认。在车道侧门腿处另外增加1套ＲFID车号识别系统，用来读取每辆集卡上的ＲFID射频卡，从而实现集卡车号的自动识别。

4结语

与国外第一代自动化集装箱码头荷兰鹿特丹港ECT集装箱码头、第二代德国汉堡港CTA码头，以及第三代自动化集装箱码头鹿特丹港Euromax码头相比，本研究成果中所采用的技术手段更为先进，其中双编码器冗余检测互为校验、箱型轮廓扫描计算二维最高障碍数据、数据集合形成三维箱型轮廓数据等技术处于国际技术前沿，不仅提高了港口的转运效率，降低了人工成本和事故风险，而且与港口管理系统对接，可实现信息的实时关联与记录，方便港口管理，实现了自动化港口起重机远程控制关键技术突破。

参考文献

［1］聂福全，聂雨萱，杨文莉．智慧港口集装箱起重机关键技术应用［J］．建设机械与管理，2021(5):46-51．

［2］聂福全，王峰，聂雨萱．具有能量回收特性内转子永磁电机的无齿轮起重机［J］．建设机械与管理，2021(3):124-128．

［3］聂福全，刘尧．港口超大吨位起重机结构设计［J］．港口装卸．2017(6):14-17．

作者:王峰 聂雨萱 聂福全 单位:河南省特种设备安全检测研究院 安阳分院郑州大学国际学院 河南科技学院