葉海青

摘 要：本文介紹了輪胎吊遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中自動裝卸系統(tǒng)的組成、工作原理及功能，詳細(xì)闡述各個控制單元的具體功能和結(jié)構(gòu)，為港區(qū)輪胎吊的遠(yuǎn)程控制和自動化建設(shè)改造提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：輪胎吊;遠(yuǎn)程控制系統(tǒng);自動裝卸

中圖分類號：U653.921;TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）32-0016-04

Tyre Crane Remote Control System

—Overview of Automatic Loading and Unloading System

YE Haiqing

（Xiamen Hairun Container Terminal Co.， Ltd.， Xiamen Fujian 361000）

Abstract： This paper introduces the composition， working principle and function of the automatic loading and unloading system in the remote control system of the tire crane， and decomposes the specific function and structure of each control unit in detail， so as to provide a theoretical basis for the remote control and automation construction and transformation of the tire crane in the port area.

Keywords： tire crane;remote control system;automatic loading and unloading

自動化堆場系統(tǒng)具有降低勞動力成本、改善操作工藝、提高設(shè)備利用率、減少待機(jī)空耗以及降低設(shè)備能源消耗等優(yōu)勢[1]。輪胎式集裝箱門式起重機(jī)是集裝箱碼頭及堆場的集裝箱裝卸專用機(jī)械。實(shí)現(xiàn)其自動化改造，不僅可以極大地節(jié)約人工成本，而且能提高作業(yè)安全性和作業(yè)效率。目前，輪胎吊自動化作業(yè)系統(tǒng)還未有廣泛實(shí)施的案例，大部分還處于試用階段[2]。輪胎吊自動化輪胎式門式起重機(jī)（Automatic Rubber Tired Gantry，ARTG）遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)是輪胎吊自動化改造的一項(xiàng)重要內(nèi)容，簡要分析自動裝卸系統(tǒng)的組成、工作原理及功能。

輪胎吊ARTG遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)自動裝卸功能是：對內(nèi)集卡裝卸作業(yè)時，在司機(jī)監(jiān)護(hù)下實(shí)現(xiàn)“一鍵自動抓放箱”;對外集卡車作業(yè)時，小車自動運(yùn)行到外集卡車上方，起升自動下放至安全高度以下后，由司機(jī)手動完成對箱、著箱、閉鎖或放箱、著箱/開鎖動作，將吊具起升到安全高度后，單機(jī)自動控制系統(tǒng)（Automated Crane Control System，ACCS）控制龍門吊進(jìn)入自動控制狀態(tài)。

單機(jī)自動控制系統(tǒng)作為自動化控制系統(tǒng)的中樞，統(tǒng)籌吊具檢測系統(tǒng)（Spreader Detection Sensor，SDS）、目標(biāo)檢測系統(tǒng)（Target Detection System，TDS）、最終著箱檢測系統(tǒng)（Landing Check System，LCS）、輪胎吊開底系統(tǒng)、吊具負(fù)載防撞保護(hù)系統(tǒng)（Loading Collision Protectiong System，LCPS）、集卡定位系統(tǒng)（Chassis Position System，CPS）及防集卡吊起（Anti-Truck Lifting System，ATL）等子系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)作，共同完成自動裝卸功能。

1 單機(jī)自動化控制系統(tǒng)

1.1 單機(jī)自動化控制系統(tǒng)概述

單機(jī)自動化系統(tǒng)主要包括自動化控制系統(tǒng)、吊具檢測系統(tǒng)及目標(biāo)檢測系統(tǒng)等子系統(tǒng)。每臺ARTG上裝有自動控制系統(tǒng)、設(shè)備控制系統(tǒng)（Equipment Control System，ECS）及堆場管理系統(tǒng)，從碼頭操作系統(tǒng)（Terminal Operating System，TOS）獲取任務(wù)，并把任務(wù)分解后發(fā)送給單機(jī)自動控制系統(tǒng)。單機(jī)自動控制系統(tǒng)根據(jù)作業(yè)指令觸發(fā)目標(biāo)檢測系統(tǒng)的掃描功能，根據(jù)掃描數(shù)據(jù)，控制吊具檢測系統(tǒng)調(diào)節(jié)吊具到目標(biāo)位置，從而完成自動作業(yè)。

1.2 ACCS的主要作用

ACCS的主要作用包括：①接收堆場管理系統(tǒng)（Block Management System，BMS）的自動運(yùn)行指令并反饋指令執(zhí)行情況;②與底層可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）系統(tǒng)交互，實(shí)時檢測設(shè)備各機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)自動運(yùn)行指令生成自動運(yùn)行流程，計(jì)算各機(jī)構(gòu)（起升、小車、吊具）的控制命令和參數(shù)，根據(jù)目標(biāo)檢測系統(tǒng)或吊具檢測系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)，控制底層PLC大車、小車、上架微動等各機(jī)構(gòu)的運(yùn)行，或根據(jù)遠(yuǎn)程手動操作指令，通過底層PLC配合，驅(qū)動各機(jī)構(gòu)自動運(yùn)行，完成工作指令。

2 吊具檢測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)概述

吊具檢測系統(tǒng)是基于光學(xué)原理及圖像處理技術(shù)的系統(tǒng)，主要應(yīng)用于自動化碼頭的場橋或岸橋作業(yè)。在吊具上安裝防搖反射板，在小車架上安裝防搖攝像頭，實(shí)時監(jiān)測反射板狀態(tài)、吊具晃動角度和力度，系統(tǒng)依次計(jì)算吊具的空間位置和姿態(tài)信息，自動調(diào)節(jié)小車，使小車跟隨吊具擺動以減少吊具晃動[3]。

吊具檢測系統(tǒng)在自動化作業(yè)時，通過檢測安裝在吊具上的紅外結(jié)構(gòu)光源位置計(jì)算出吊具空間位置和姿態(tài)信息，并將這些信息發(fā)送給控制系統(tǒng)。依照吊具檢測系統(tǒng)檢測結(jié)果，設(shè)備控制系統(tǒng)可以控制岸橋或場橋吊具更加快速、準(zhǔn)確、有效地工作，從而提高設(shè)備的工作效率和安全性。

2.2 工作原理

如圖1所示，SDS攝像頭通過實(shí)時檢測安裝在吊具上的紅外光源，確定吊具的位置和姿態(tài)。通過SDS控制器與ACCS控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)對吊具的控制和調(diào)整。

2.3 主要功能

吊具檢測系統(tǒng)的功能主要包括：[①]檢測吊具繞起升方向的旋轉(zhuǎn)角度;[②]檢測吊具繞小車方向的旋轉(zhuǎn)角度;[③]檢測吊具繞大車方向的旋轉(zhuǎn)角度;[④]檢測吊具沿小車方向的偏移量;[⑤]檢測吊具沿大車方向的偏移量;[⑥]檢測吊具高度;[⑦]檢測吊具擺動角度。

3 目標(biāo)檢測系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)概述

目標(biāo)檢測系統(tǒng)是基于3D激光技術(shù)的檢測系統(tǒng)，主要應(yīng)用于自動化港口軌道吊或輪胎吊。

目標(biāo)檢測系統(tǒng)在自動化作業(yè)時，通過檢測集裝箱、集卡、自動導(dǎo)引運(yùn)輸車（Automated Guided Vehicle，AGV）和伴侶支架（AGV交互區(qū)緩沖區(qū)支架）等，將提取出來的信息傳送給控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的安全保護(hù)和對目標(biāo)物體的精確定位。

3.2 工作原理

目標(biāo)檢測系統(tǒng)工作原理如圖2所示。小車到達(dá)作業(yè)目標(biāo)位置后，目標(biāo)檢測系統(tǒng)使用2個3D掃描儀對吊具下方集裝箱進(jìn)行掃描，以獲取集裝箱位置信息，并將檢測結(jié)果傳送給ACCS系統(tǒng)。

3.3 主要功能

目標(biāo)檢測系統(tǒng)的功能主要包括：[①]檢測目標(biāo)位置集裝箱高度;[②]檢測目標(biāo)集裝箱尺寸;[③]檢測目標(biāo)集裝箱位置信息;[④]檢測目標(biāo)雙標(biāo)箱間隙;[⑤]內(nèi)集卡自動化時，實(shí)時監(jiān)控內(nèi)集卡車頭位置，具有車頭保護(hù)功能。

4 最終著箱檢測系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)原理

最終著箱檢測系統(tǒng)用于檢測集裝箱起重機(jī)在疊箱后箱與箱之間是否對齊[4]。通過此系統(tǒng)可快速準(zhǔn)確地得知疊箱偏差是否在偏差范圍內(nèi)。如果超出偏差范圍（一般為4 cm），單點(diǎn)激光器會檢測到下方集裝箱的高度（2.5～3.2 m），說明此時箱與箱之間沒有對齊，需要重放。如果上下兩層集裝箱對齊，則激光器檢測不到下放集裝箱高度，檢測高度設(shè)在2.5～3.0 m。

4.2 安裝示意

如圖3所示，吊具4個角附近各安裝一個激光測距儀，沿吊具大車方向安裝。輪胎吊根據(jù)現(xiàn)場情況可能需要安裝6個單點(diǎn)激光測距儀。

5 輪胎吊開底系統(tǒng)

輪胎吊開底系統(tǒng)的功能主要包括以下兩方面。

第一，標(biāo)記地面箱位位置。在自動化輪胎吊作業(yè)過程中，由于輪胎吊姿態(tài)容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)，且大車行走軌跡無法固定，因此放一層箱時，需要先確定目標(biāo)位置，才能將集裝箱準(zhǔn)確放到堆場指定位置。在對應(yīng)的箱位4個角安裝定位標(biāo)識，借助目標(biāo)檢測系統(tǒng)掃描地面標(biāo)志物并計(jì)算目標(biāo)位置，再提供給自動化控制系統(tǒng)。

第二，輔助判別箱子是否放正。一層箱放完以后，需要確認(rèn)箱子是否放正，此時通過目標(biāo)檢測系統(tǒng)掃描箱角4個標(biāo)識，計(jì)算箱子離標(biāo)準(zhǔn)箱位的偏差，并將偏差提供給自動化系統(tǒng)。如果偏差在允許范圍內(nèi)，則開鎖，放箱完成。如果掃描后發(fā)現(xiàn)箱子放偏，則進(jìn)行重放。重放次數(shù)最多3次，3次后如果還沒有放正，則進(jìn)入人工協(xié)助模式。

6 吊具負(fù)載防撞保護(hù)系統(tǒng)

6.1 系統(tǒng)概述

吊具負(fù)載防撞保護(hù)系統(tǒng)是基于激光技術(shù)的檢測系統(tǒng)，主要用于實(shí)時掃描起重機(jī)下方的障礙物信息，結(jié)合單機(jī)小車位置建立堆場障礙物輪廓信息，并與起重機(jī)控制系統(tǒng)PLC一起實(shí)現(xiàn)小車運(yùn)行方向的吊具防撞保護(hù)和起升方向的軟著陸功能，大大提高了起重機(jī)的作業(yè)效率和安全性。

6.2 工作原理

吊具負(fù)載防撞保護(hù)系統(tǒng)利用激光器沿小車方向?qū)崟r掃描下方障礙物，結(jié)合實(shí)時的小車位置建立堆場輪廓信息，實(shí)時提供小車和起升速度等數(shù)據(jù)給單機(jī)PLC，實(shí)現(xiàn)起升方向的軟著陸和小車運(yùn)行方向的吊具防撞保護(hù)功能。系統(tǒng)會跟進(jìn)吊具的開、閉鎖信號，切換吊具的保護(hù)高度范圍。

6.3 主要功能

吊具負(fù)載防撞保護(hù)系統(tǒng)的主要功能包括：[①]小車運(yùn)行方向的吊具防撞保護(hù);[②]起升方向的軟著陸。

6.4 小車運(yùn)行方向的吊具防撞保護(hù)功能

在小車運(yùn)行方向上，如果空吊具底部（吊具無箱）或者集裝箱底部（吊具有箱）的位置低于障礙物，LCPS會計(jì)算小車運(yùn)行路徑上的障礙物和吊具或者集裝箱之間的距離，并實(shí)時輸出小車運(yùn)行的限定速度，保證吊具在距離障礙物3 m（可配置）時小車的運(yùn)行速度減速到全速的10%（可配置）。當(dāng)?shù)蹙呋蛘呒b箱底部高度高于障礙物時，小車限速解除。

6.5 起升方向的軟著陸功能

當(dāng)起升下降時，LCPS會檢測吊具或者所抓箱子的底部與下方障礙物的距離，將起升限定速度值發(fā)送給PLC，以控制起升減速。當(dāng)距離達(dá)到安全距離（一般為1 m）時，起升速度將會減到全速的10%，并一直以此速度下降至著箱。

6.6 系統(tǒng)限制

第一，受到激光器精度的限制，系統(tǒng)只能檢測足夠大的障礙物，最小可測量障礙物直徑為10 cm。第二，系統(tǒng)僅僅適用于小車后停止且在集卡車道上方的輪胎吊或軌道吊。

7 集卡定位系統(tǒng)

7.1 系統(tǒng)概述

集卡定位系統(tǒng)是基于激光技術(shù)的檢測系統(tǒng)，主要用于起重機(jī)下引導(dǎo)集卡司機(jī)快速、準(zhǔn)確地?？康秸_位置，提高起重機(jī)的作業(yè)效率。

在傳統(tǒng)的起重機(jī)集卡裝卸作業(yè)中，集卡司機(jī)只能憑借個人經(jīng)驗(yàn)停靠集卡，容易出現(xiàn)集卡和起重機(jī)吊具之間裝卸誤差值較大的情況。為此，集卡司機(jī)不得不反復(fù)地移動集卡直到吊具能進(jìn)行裝卸箱，降低了集卡和起重機(jī)的工作效率。

而集卡定位系統(tǒng)利用激光器實(shí)時檢測集卡位置，通過集卡位置顯示屏實(shí)時顯示集卡當(dāng)前位置與正確停靠位置在大車方向上的距離偏差，引導(dǎo)集卡司機(jī)快速、準(zhǔn)確地?？康秸_位置，極大地提高了起重機(jī)的工作效率。

7.2 工作原理

集卡定位系統(tǒng)利用激光器沿大車方向?qū)崟r掃描集卡，根據(jù)作業(yè)參數(shù)和起重機(jī)狀態(tài)信息判斷當(dāng)前的引導(dǎo)工況，并通過集卡位置顯示屏引導(dǎo)集卡司機(jī)對位。

7.3 主要功能

集卡定位系統(tǒng)的功能主要包括：自動檢測作業(yè)車道上的集卡駛?cè)胄盘?，自動觸發(fā)集卡引導(dǎo)功能;自動檢測集卡裝卸作業(yè)工況;集卡上雙標(biāo)箱大車方向間隙檢測功能（間隙需要大于15 cm）;集卡帶雙標(biāo)箱連續(xù)引導(dǎo)卸標(biāo)箱功能;空集卡連續(xù)引導(dǎo)裝2個標(biāo)箱功能;集卡上箱型檢測功能;作業(yè)完成后，自動提示集卡離開功能;集卡引導(dǎo)過程中禁止吊具下降的車頭防砸保護(hù)功能;集卡位置顯示屏可實(shí)時顯示工作車道、集卡移動方向和集卡移動距離;檢測空集卡或箱子的小車方向位置;檢測空集卡或箱子的傾轉(zhuǎn)角度。

7.4 系統(tǒng)限制

7.4.1 集卡跟車距離。當(dāng)一輛集卡位于起重機(jī)下方的工作車道時，后方集卡必須遠(yuǎn)離該工作集卡，否則集卡定位系統(tǒng)無法正常工作。

7.4.2 集卡工作區(qū)域。集卡司機(jī)必須駛?cè)肫鹬貦C(jī)司機(jī)所選工作車道內(nèi)，否則集卡定位系統(tǒng)無法正常工作。

7.4.3 吊具凈空高度。如果集卡還未到達(dá)正確位置，起重機(jī)司機(jī)必須將吊具停止在凈空高度以上等待，否則吊具會影響激光器檢測集卡。凈空高度必須在引導(dǎo)定位單元高度以上。

7.4.4 集裝箱要求。集裝箱只能是單TEU、1.5TEU、2TEU、2.25TEU以及雙標(biāo)箱的標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，且箱子表面無嚴(yán)重?fù)p壞。

8 防集卡吊起系統(tǒng)

8.1 系統(tǒng)概述

場橋是集裝箱專業(yè)化碼頭堆場作業(yè)的主要作業(yè)機(jī)械，但也是碼頭生產(chǎn)安全事故多發(fā)的設(shè)備。為了確保場橋生產(chǎn)作業(yè)安全，提高作業(yè)效率，本方案提供了防集卡吊起系統(tǒng)，豐富和完善了場橋的應(yīng)用系統(tǒng)。

在作業(yè)過程中，場橋起升的主要安全隱患之一是集卡鎖銷未完全打開，將集裝箱連同集卡一并吊起或是半邊吊起，通常稱之為吊集卡事故。

本系統(tǒng)采用激光掃描測距原理、模式識別和自動控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)吊具、集裝箱、集卡等的實(shí)時位置檢測，并根據(jù)安全控制策略實(shí)現(xiàn)起升機(jī)構(gòu)的運(yùn)行控制，實(shí)現(xiàn)防吊集卡功能，避免生產(chǎn)事故的發(fā)生，提升集裝箱裝卸的安全性。

8.2 系統(tǒng)功能

在卸車作業(yè)過程中，吊具閉鎖并從集卡上將集裝箱吊起時，激光掃描測距儀實(shí)時檢測集裝箱與集卡拖板之間的距離。如果集裝箱與集卡未分離，系統(tǒng)立即自動發(fā)送停止命令，停止吊具起升。

當(dāng)系統(tǒng)控制吊具上升停止后，司機(jī)只能操作吊具下降，不能起升。吊具下放到松繩和著箱后，起升上升的限制解除。允許集卡司機(jī)打開鎖頭繼續(xù)工作。

系統(tǒng)在司機(jī)控制臺上提供功能啟停選擇開關(guān)。當(dāng)功能啟停選擇開關(guān)處于“關(guān)”的位置時，防吊集卡功能停用，吊具起升不具有防吊集卡保護(hù)功能。

系統(tǒng)在司機(jī)控制臺上提供狀態(tài)指示燈。當(dāng)防吊集卡功能處于停用狀態(tài)時，指示燈熄滅;當(dāng)防吊集卡功能處于使用狀態(tài)時，指示燈長亮;當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，指示燈閃爍。

同時，系統(tǒng)在司機(jī)控制臺上提供防吊起控制單次旁路開關(guān)，選用帶指示燈的復(fù)位開關(guān)。當(dāng)防吊起觸發(fā)時，系統(tǒng)控制吊具停止上升，指示燈亮起，司機(jī)可按下旁路開關(guān)，進(jìn)行單次控制旁路;當(dāng)防吊起未觸發(fā)或旁路時，指示燈熄滅。

9 結(jié)語

輪胎吊的自動化裝卸系統(tǒng)以單機(jī)自動化系統(tǒng)為核心，統(tǒng)一調(diào)度吊具檢測系統(tǒng)、目標(biāo)檢測系統(tǒng)、最終著箱檢測系統(tǒng)、輪胎吊開底系統(tǒng)、吊具負(fù)載防撞保護(hù)系統(tǒng)、集卡定位系統(tǒng)及防集卡吊起系統(tǒng)等子系統(tǒng)配合運(yùn)行，共同實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程自動化裝卸集裝箱的目的。該自動裝卸系統(tǒng)可大大降低司機(jī)的勞動強(qiáng)度，減少人力成本，具有提高作業(yè)精準(zhǔn)度、箱位反饋及時和提高作業(yè)裝卸安全等優(yōu)勢[5]，是實(shí)現(xiàn)港區(qū)現(xiàn)場自動化和無人化作業(yè)的核心組成部分。

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