楊雷忠

上海振華重工（集團）股份有限公司 上海 200125

0 引言

隨著港口行業(yè)的不斷發(fā)展，特別是自動化碼頭技術(shù)的不斷發(fā)展，對于碼頭前沿車道空間利用率的要求越來越高[1，2]。在裝卸集裝箱過程中，集裝箱起重機需要先將艙蓋板從船上吊至臨時擺放區(qū)，待這一排作業(yè)位的裝卸任務(wù)完成后再將艙蓋板吊回船上。一般的艙蓋板大小在13 m×10 m左右，質(zhì)量在40 t左右，體積和質(zhì)量都非常大。集裝箱起重機在一個貝位作業(yè)時，需要移出3塊左右艙蓋板，堆放在臨時區(qū)域。

傳統(tǒng)起重機的艙蓋板擺放只能堆放在地面上，對碼頭的基建和作業(yè)效率造成影響。首先，質(zhì)量和體積巨大的艙蓋板會對碼頭地面產(chǎn)生影響，艙蓋板的尖銳物會使碼頭地面形成凹痕等。其次，艙蓋板占用了碼頭的車道及作業(yè)空間，使原本緊張的車道及作業(yè)區(qū)域進一步壓縮，特別是對于軌距小的碼頭，艙蓋板只能放置在后大梁區(qū)域，不僅占用了碼頭堆場及主干道，還存在安全隱患[3]。

1 集裝箱起重機艙蓋板平臺的設(shè)計

本文設(shè)計了一個集裝箱起重機的艙蓋板平臺，用來放置艙蓋板，以提高碼頭的車道的利用率。艙蓋板平臺位于集裝箱起重機的陸側(cè)下橫梁位置，利用起重機上搭載的質(zhì)量檢測系統(tǒng)檢測每塊艙蓋板的質(zhì)量，通過PLC進行記錄和控制。當艙蓋板數(shù)量或總質(zhì)量超過設(shè)定閾值后，不允許在平臺上堆放艙蓋板，以保證平臺能在設(shè)計載重量內(nèi)工作。

1.1 艙蓋板平臺的機械構(gòu)成

如圖1、圖2所示，艙蓋平臺是一個矩形區(qū)域，18.6 m×11.6 m×1.5 m（長×寬×厚），長邊平行于起重機軌道，安裝于距離地面14.7 m處。平臺的海側(cè)長邊和兩側(cè)的寬邊均設(shè)有安全欄桿。平臺的寬度方向設(shè)有艙蓋板擺放支點，并在中間位置對稱地安裝有2條橡膠條，以減少放置過程中的沖擊。在平臺的兩側(cè)，設(shè)有人行道，用來進行維護工作。艙蓋板平臺的設(shè)計載重為135 t，設(shè)計放置數(shù)量不大于3塊，最大設(shè)計放置尺寸為14.2 m×12 m[4]。

圖1 艙蓋板平臺位置示意圖

圖2 艙蓋板平臺圖紙

1.2 艙蓋板平臺擺放優(yōu)化電氣控制

電氣控制是實現(xiàn)艙蓋板平臺擺放優(yōu)化的關(guān)鍵，如何在不增加成本的前提下做好擺放優(yōu)化的控制是研究的重點。下面通過與艙蓋板擺放相關(guān)的模式選擇、質(zhì)量檢測、自動計數(shù)、邏輯控制及安全保護等5個方面闡述電氣控制原理。

1）模式選擇

吊具模式選擇是集裝箱起重機司機根據(jù)實際吊具下所吊物體的不同來做人為選擇的，一般可分為吊具模式（常規(guī)模式）、吊鉤模式、艙蓋板模式、維修模式等。在常規(guī)模式下，為了防止吊具以及吊具下的集裝箱與岸邊集裝箱起重機的下橫梁發(fā)生碰撞，設(shè)有下橫梁的安全保護，起升和小車只允許在距下橫梁外表面一定距離的區(qū)間內(nèi)作業(yè)。而艙蓋板平臺不包括在這個作業(yè)區(qū)間內(nèi)，只有當司機選擇艙蓋板模式的情況下，陸側(cè)下橫梁上的艙蓋板平臺才作為作業(yè)區(qū)域，允許放置艙蓋板。

2）質(zhì)量檢測

集裝箱起重機為了能夠判斷所吊物體是否在設(shè)計的載重量程內(nèi)，會配有質(zhì)量檢測系統(tǒng)。質(zhì)量檢測系統(tǒng)主要由輸出為4～20 mA模擬量信號的質(zhì)量傳感器組成，安裝在起重機前大梁頭部，可檢測出吊具上每個角的質(zhì)量，通過PLC處理后得出所吊物體的質(zhì)量。通過質(zhì)量設(shè)定，可做到單角、單邊、偏載、超載等安全保護。當物體的質(zhì)量超過設(shè)定值后，起重機不能進行上升動作。利用這個系統(tǒng)，PLC可對艙蓋板的質(zhì)量進行檢測并記錄，以保護艙蓋板平臺能在設(shè)計質(zhì)量范圍內(nèi)進行工作。

3）自動計數(shù)

為了減少人為計數(shù)的工作量，降低因人為因素而造成的失誤概率，利用PLC對艙蓋板的數(shù)量進行計數(shù)，其中的關(guān)鍵問題在于如何判斷艙蓋板數(shù)量的變化。集裝箱起重機的小車都配有增量編碼器和絕對值編碼器，可準確地獲取小車的實時位置[5]。PLC可設(shè)定海陸側(cè)位置的臨界點，當小車位置大于臨界點時，判定小車在海側(cè)；當小車位置小于臨界點時，判定小車在陸側(cè)。另外，也可通過小車位置值的大小變化來判斷小車是從海側(cè)往陸側(cè)開，還是從陸側(cè)往海側(cè)開。在判斷小車的運動方向后，結(jié)合質(zhì)量檢測系統(tǒng)讀取的信息以及吊具的開閉鎖狀態(tài)，進而判斷起重機是在往平臺上放艙蓋板，還是從平臺上取艙蓋板：在艙蓋板模式下，吊具閉鎖后小車從海側(cè)往陸側(cè)開時系統(tǒng)判定為往平臺上放艙蓋板，小車從陸側(cè)往海側(cè)開時系統(tǒng)判定為從平臺上取艙蓋板，從而實現(xiàn)對艙蓋板平臺上現(xiàn)有艙蓋板數(shù)量進行自動計數(shù)。

4）邏輯控制

控制的主要邏輯是從船艙取艙蓋板往平臺上放時有2個約束條件，一是艙蓋板的數(shù)量不得多于3塊，二是放置的艙蓋板的總質(zhì)量不能超過設(shè)計質(zhì)量135 t。因此，每次是否允許在平臺上放艙蓋板的依據(jù)都要保證滿足這2個約束條件。

一般情況下，司機在空吊具情況下選擇艙蓋板模式開始作業(yè)，此時后大梁艙蓋板平臺上尚未堆放艙蓋板。每次艙蓋板堆放到艙蓋板平臺前，都要進行艙蓋板平臺上總質(zhì)量Wtotal與第X次吊起的艙蓋板質(zhì)量Wx之和是否超過了最大設(shè)計質(zhì)量Wmax的比較，并判斷X是否大于3。第X次吊起的艙蓋板質(zhì)量從吊具閉鎖后穩(wěn)定的最大質(zhì)量讀取L0。如果艙蓋板平臺上的總質(zhì)量與第X次吊起的艙蓋板質(zhì)量超過了最大設(shè)計質(zhì)量，或X＞3，則禁止繼續(xù)在艙蓋板平臺上放置艙蓋板，并發(fā)出警報。如果不滿足上述終止條件，則允許放艙蓋板。之后艙蓋板平臺上的總質(zhì)量為第X次艙蓋板質(zhì)量之和，計數(shù)X+1，繼續(xù)循環(huán)操作，直到滿足終止條件。邏輯圖如圖3所示。

圖3 控制邏輯圖

根據(jù)碼頭實際情況，完成一個貝位的裝卸后就將艙蓋板全部放回船艙，以免后續(xù)再返回來對該貝位進行操作。由此，從平臺上取艙蓋板的邏輯比放艙蓋板的邏輯相對簡單，不需要考慮質(zhì)量和數(shù)量的限制，只需將取走的艙蓋板數(shù)量和質(zhì)量在系統(tǒng)中減去即可。

5）安全保護

安全是生產(chǎn)中的首要問題，在有了基本的邏輯控制后，還要考慮到相關(guān)的安全問題，在程序中做好安全保護，以免造成可預(yù)見的事故。艙蓋板的體積和質(zhì)量都很大，如果按照正常的最大速度進行操作，艙蓋板可能會在裝卸過程中產(chǎn)生劇烈晃動，穩(wěn)定性很差，有發(fā)生安全事故的隱患。為了艙蓋板能平穩(wěn)地吊起和放下，并盡可能減少在裝卸過程中的晃動，當選擇艙蓋板模式后，起重機小車和起升速度都被限制為最大速度的50%，從而避免較大的晃動幅度，司機依舊可通過自己的判斷在限定速度內(nèi)來進行速度控制。

另外，當司機從船艙吊起艙蓋板后，若未將起升機構(gòu)提升到適當?shù)母叨仍僖苿有≤嚕瑫古撋w板與海側(cè)下橫梁發(fā)生碰撞而造成嚴重損失。為此，在程序控制中設(shè)置了相關(guān)保護，以防此類事故的發(fā)生。當?shù)跗鸫撋系呐撋w板后，起升機構(gòu)要上升到高于下橫梁上表面3 m后才允許移動小車。

還有，當司機選擇艙蓋板模式后，司機室外的電笛會自動開啟，警示起重機下方的人和車不要在小車運行路徑內(nèi)停留。

2 優(yōu)化的擺放控制操作步驟

司機在司機室內(nèi)的控制面板上選擇艙蓋板模式后，小車和起升機構(gòu)的速度限制在最大速度的50%。此時，司機操作起重機吊起船上的艙蓋板，艙蓋板質(zhì)量會通過起重機質(zhì)量檢測系統(tǒng)記錄到PLC中。在起升高度高于下橫梁上表面3 m后小車緩慢后退，移動到艙蓋板平臺正上方，將艙蓋板緩慢下放，置于艙蓋板平臺上。當艙蓋板平臺上放置有3塊艙蓋板時，或當艙蓋板平臺上的艙蓋板質(zhì)量加上已吊起的艙蓋板質(zhì)量之和大于設(shè)定閾值時，則不允許繼續(xù)在平臺上堆放艙蓋板。

當司機切換到吊具模式后，小車和起升機構(gòu)的速度限制解除，并保留現(xiàn)有艙蓋板平臺上的艙蓋板數(shù)量的數(shù)值，司機可正常進行集裝箱的裝卸作業(yè)。

當前貝位的作業(yè)任務(wù)結(jié)束后，司機再次切換到艙蓋板模式，將艙蓋板裝回船上，此次對艙蓋板平臺上艙蓋板的總質(zhì)量和數(shù)量進行反向計數(shù)，直到清零。

3 結(jié)語

該型具有艙蓋板平臺的集裝箱起重機，將艙蓋板的堆放位置由地面改到艙蓋板平臺上，極大地節(jié)省了地面空間，保證了車道的利用率，提高了碼頭的作業(yè)效率，為一些空間緊張的碼頭提供了一個很好的解決方案，具有積極的實際意義和廣泛的應(yīng)用前景。利用起重機已有的質(zhì)量檢測系統(tǒng)和PLC的邏輯控制，很好地解決稱重、計數(shù)、邏輯控制、安全保護等問題，無需額外增加質(zhì)量傳感器、布置電纜線路等，電氣控制成本極低。