王云鵬 李書強(qiáng) 劉東輝 韓 旭

青島海西重機(jī)有限責(zé)任公司 青島 266500

0 引言

糧食作為繼煤炭和礦石之后的第三大散貨貨種，是國(guó)家發(fā)展的重要支柱。而運(yùn)輸糧食是糧食流通的重要環(huán)節(jié)，直接影響著整個(gè)物流系統(tǒng)的流通效率和經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)前港口散糧運(yùn)輸迎來(lái)了快速發(fā)展期，這對(duì)港口散糧裝卸提出了更高的要求。

目前，散貨卸船機(jī)主要有橋式抓斗卸船機(jī)、鏈斗卸船機(jī)、懸鏈?zhǔn)芥湺沸洞瑱C(jī)、氣力卸船機(jī)[1]等，其中橋式抓斗卸船機(jī)因具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、易維修等優(yōu)點(diǎn)成為港口散糧裝卸的常用卸船機(jī)械。但傳統(tǒng)橋式抓斗卸船作業(yè)需專業(yè)司機(jī)在司機(jī)室通過(guò)底窗觀察作業(yè)情況操控手柄進(jìn)行抓斗入倉(cāng)、抓料卸船等一系列操作，存在視覺(jué)盲區(qū)，且由于小車帶動(dòng)抓斗從運(yùn)行到放下的過(guò)程慣性較大，通過(guò)人工操作很難精確抓料，同時(shí)可能存在抓斗操作過(guò)程中碰撞到料艙壁的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在滿足卸船工作需要的前提下，如何優(yōu)化抓料卸船作業(yè)流程，降低作業(yè)過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)、提高作業(yè)效率、減輕司機(jī)工作強(qiáng)度是港口進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新的重要工作之一，也是提升經(jīng)濟(jì)效益和橋式抓斗卸船機(jī)實(shí)施數(shù)字化升級(jí)的重要舉措。

本文以橋式抓斗卸船機(jī)自動(dòng)化控制技術(shù)為探討方向，概述了國(guó)內(nèi)散糧碼頭卸船機(jī)傳統(tǒng)裝卸及作業(yè)方式，詳述橋式抓斗卸船機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)思路，以期能為我國(guó)橋式抓斗卸船機(jī)自動(dòng)化發(fā)展提供一些思路。

1 傳統(tǒng)橋式抓斗卸船機(jī)

橋式抓斗卸船機(jī)的主要構(gòu)成設(shè)備及機(jī)構(gòu)包括起升機(jī)構(gòu)、小車機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)、大車行走機(jī)構(gòu)、料斗分料裝置、其他輔助電控系統(tǒng)設(shè)備等。該機(jī)型卸船機(jī)傳統(tǒng)操作模式為：作業(yè)時(shí)，操作人員利用抓斗將船艙內(nèi)的物料抓取出來(lái)，起升機(jī)構(gòu)將抓取的物料提升至一定高度后，小車牽引至料斗的上方卸料，通過(guò)振動(dòng)給料器完成漏料，再通過(guò)推桿電動(dòng)機(jī)控制分料裝置將物料卸到其中一條或指定的帶式輸送機(jī)上，帶式輸送機(jī)系統(tǒng)將物料傳送至指定的物料堆放處。故橋式抓斗卸船機(jī)的卸船能力關(guān)鍵點(diǎn)在于抓斗抓取物料的能力和機(jī)構(gòu)運(yùn)行效率[1]，實(shí)際上傳統(tǒng)橋式卸船機(jī)抓卸效率受到數(shù)個(gè)方面因素的影響：

1）船型、艙口及物料堆放位置 物料在船艙位置的增加操作難度，操作人員無(wú)法準(zhǔn)確判斷適宜的抓取方式，頻繁發(fā)生抓取貨物過(guò)多/過(guò)少以及碰撞現(xiàn)象。

2）抓斗擺動(dòng)滯后性 由于小車與抓斗之間采用柔性連接，使抓斗運(yùn)動(dòng)具有滯后性，增加了無(wú)效工作時(shí)間[2，3]。此外，以上因素也是造成操作員培養(yǎng)周期長(zhǎng)、機(jī)構(gòu)損傷的主要原因。鑒于傳統(tǒng)橋式卸船機(jī)受多因素影響的情況，且近年起重機(jī)自動(dòng)化技術(shù)高速發(fā)展，可通過(guò)優(yōu)化完善卸船機(jī)電氣控制系統(tǒng)來(lái)解決傳統(tǒng)卸船機(jī)使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，提高卸船機(jī)的作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量。

2 橋式抓斗卸船機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)

2.1 卸船機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

為有效提高糧食裝卸效率，減少設(shè)備操作人員配置，降低勞動(dòng)強(qiáng)度和人工成本，提高卸船機(jī)管理智能化水平，橋式抓斗卸船機(jī)全自動(dòng)系統(tǒng)主要包括以下子系統(tǒng)。

1）智能定位及船艙掃描系統(tǒng) 通過(guò)加裝位置傳感器實(shí)現(xiàn)卸船機(jī)各主要運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的精確定位，完成抓取動(dòng)作的精確性；通過(guò)激光掃描系統(tǒng)建立船艙的三維數(shù)據(jù)及多點(diǎn)定位技術(shù)獲取空間定位數(shù)據(jù)，形成船艙糧食堆塊模型；根據(jù)糧食堆塊模型，結(jié)合模型數(shù)據(jù)研究最佳自動(dòng)卸料過(guò)程，優(yōu)化過(guò)程操作。

2）自動(dòng)抓取路徑策略 綜合考慮糧食卸船的實(shí)際需求和操作工人的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，研究適合常規(guī)糧食卸船的全自動(dòng)抓、放料的路徑優(yōu)化策略，以提高裝卸效率。

3）遠(yuǎn)程視頻安全監(jiān)控系統(tǒng) 通過(guò)在合適的位置合理設(shè)計(jì)布置監(jiān)控?cái)z像頭，給遠(yuǎn)控司機(jī)提供足夠的操作觀察視角，與主控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)交互以滿足生產(chǎn)、監(jiān)控、存儲(chǔ)需求。

2.1 卸船機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)框架

卸船機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的定位、船舶和物料信息采集處理、視頻監(jiān)控、自動(dòng)控制、安全防護(hù)等，其系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 卸船機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)框架圖

1）驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)定位 通過(guò)編碼器、測(cè)距等完成位置計(jì)算實(shí)現(xiàn)定位，主要包括起升機(jī)構(gòu)、小車機(jī)構(gòu)、大車機(jī)構(gòu)以及司機(jī)室定位。

2）船舶、物料信息采集 通過(guò)掃描儀、攝像頭進(jìn)行數(shù)據(jù)信息采集并進(jìn)行處理分析，主要有卸船機(jī)的狀態(tài)信息（CMS系統(tǒng)）、船型掃描、3D成像。

3）視頻監(jiān)控 負(fù)責(zé)卸船機(jī)各機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中安全狀態(tài)的監(jiān)控。

4）自動(dòng)控制 通過(guò)信息采集及處理，結(jié)合控制策略完成自動(dòng)控制動(dòng)作和路徑優(yōu)化。主要包括機(jī)構(gòu)自動(dòng)定位控制、抓斗姿態(tài)控制、路徑優(yōu)化等。

5）安全防護(hù) 根據(jù)定位信息、姿態(tài)等信息，完成安全校驗(yàn)和姿態(tài)控制，確保自動(dòng)化運(yùn)行過(guò)程中的安全性，主要有大梁防撞、大車防撞、抓斗防撞等。

2.3 卸船機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 自動(dòng)定位系統(tǒng)

橋式抓斗卸船機(jī)自動(dòng)定位技術(shù)主要依靠絕對(duì)值編碼器、線性編碼器、雷達(dá)以及激光測(cè)距等，卸船機(jī)通過(guò)在起升機(jī)構(gòu)、小車機(jī)構(gòu)、大車機(jī)構(gòu)以及司機(jī)室配置絕對(duì)值編碼器，并由絕對(duì)值編碼器提前測(cè)算規(guī)劃出目標(biāo)位置，從而計(jì)算出各機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度及加減速時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)卸船機(jī)的平穩(wěn)定位。而自動(dòng)定位技術(shù)應(yīng)注意以下要點(diǎn)：

1）主機(jī)構(gòu)絕對(duì)值編碼器安裝位置 起升機(jī)構(gòu)在卷筒端部安裝U-ONE絕對(duì)值編碼器，該編碼器具有較強(qiáng)的抗干擾能力，其精密設(shè)計(jì)在很大程度上提高了工作過(guò)程中機(jī)構(gòu)運(yùn)行的可靠性以及運(yùn)行位置的精確定位。

大車機(jī)構(gòu)、小車機(jī)構(gòu)和司機(jī)室絕對(duì)值編碼器可安裝在驅(qū)動(dòng)輪上或驅(qū)動(dòng)輪電動(dòng)機(jī)端部，但后者安裝方式需要注意齒輪比。也可采用線性編碼器、激光測(cè)距或磁釘定位方式，如圖2、圖3分別是絕對(duì)值編碼器的實(shí)物以及在卸船機(jī)中的位置。

圖2 絕對(duì)值編碼器形式

圖3 絕對(duì)值編碼器安裝形式

為解決絕對(duì)值編碼器計(jì)數(shù)偏差問(wèn)題，本文在大車機(jī)構(gòu)安裝激光測(cè)距儀用于實(shí)時(shí)校驗(yàn)大車的行進(jìn)位置，在小車及司機(jī)室的關(guān)鍵位置配置校正限位，通過(guò)校正限位進(jìn)行校正、糾偏以降低自動(dòng)定位系統(tǒng)的誤差。

2）抓斗位置及姿態(tài)的檢測(cè) 在小車帶動(dòng)抓斗運(yùn)行至物料準(zhǔn)確位置后，為了減少抓斗的晃動(dòng)和偏離角度，提高作業(yè)效率，還需完成抓斗位置及姿態(tài)的檢測(cè)。在卸船機(jī)司機(jī)室的底部安裝2臺(tái)帶激光的雷達(dá)和高清攝像頭，用于對(duì)抓斗的實(shí)時(shí)掃描和識(shí)別，并結(jié)合小車絕對(duì)值編碼器測(cè)算出抓斗的位置。同時(shí)在司機(jī)室底部安裝1臺(tái)高清攝像頭，對(duì)抓斗運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)的抓拍，將抓拍的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸至后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)、圖像的處理，進(jìn)而完成對(duì)抓斗姿態(tài)和位置的分析。及時(shí)糾正抓斗作業(yè)過(guò)程中的偏離角度，通過(guò)數(shù)據(jù)反饋形成閉環(huán)控制，減少抓斗晃動(dòng)，從而避免抓斗在作業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)與船艙碰撞的情況。

2.3.2 掃描系統(tǒng)

1）船艙掃描系統(tǒng) 船型掃描系統(tǒng)主要由三維激光掃描儀、數(shù)據(jù)采集控制器等構(gòu)成。司機(jī)室底部安裝激光掃描儀并對(duì)船艙口和艙內(nèi)物料進(jìn)行掃描，利用掃描儀和大數(shù)據(jù)處理對(duì)司機(jī)室位置建立位置坐標(biāo)系，計(jì)算得出船艙口及物料位置信息，由后臺(tái)軟件對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真處理，形成艙口、料堆的三維圖像（如圖4所示）。同時(shí)由防搖系統(tǒng)的輔助配合對(duì)抓料區(qū)域進(jìn)行安全、精準(zhǔn)定位。

圖4 船艙和物料實(shí)物以及船型掃描圖像

坐標(biāo)系建立作為船型掃描系統(tǒng)的基礎(chǔ)，獲取足夠的位置信息是建立坐標(biāo)系的前提，掃描儀獲取的數(shù)據(jù)信息包括以下位置：

①船艙位置 呈方形框的部分為掃描儀得到的船艙口位置，包括艙口邊緣上的點(diǎn)與艙口四角頂點(diǎn)，內(nèi)部底層部分為艙內(nèi)物料分布情況。

②船艙邊緣 船型掃描系統(tǒng)應(yīng)同時(shí)帶有船艙邊緣檢測(cè)的功能，能識(shí)別和區(qū)分船艙艙蓋開(kāi)啟、關(guān)閉或部分開(kāi)啟的狀態(tài)，以及計(jì)算出船舶的傾斜角度。通過(guò)船艙邊緣檢測(cè)的功能，中控室操作人員可準(zhǔn)確判斷出船艙口與物料的位置，從而操控抓斗精確抓取物料。工作效率得到了保證，同時(shí)降低了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員工作強(qiáng)度，減少生產(chǎn)管理過(guò)程中產(chǎn)生的成本，明顯提升了自動(dòng)化水平和卸船機(jī)的卸船效率。

數(shù)據(jù)采集控制器負(fù)責(zé)采集、存儲(chǔ)船型、天氣等數(shù)據(jù)信息，記錄風(fēng)力和風(fēng)向?qū)Υ摶蝿?dòng)的影響。同時(shí)根據(jù)不同的船型和天氣情況，從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取不同的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集控制器主要由智能三維數(shù)據(jù)采集和處理軟件完成，軟件中的成像服務(wù)器用于收集、處理云數(shù)據(jù)，并生成3D圖像。智能三維掃描數(shù)據(jù)采集和處理軟件可自動(dòng)計(jì)算出最佳抓料點(diǎn)，通過(guò)采集獲取船艙及物料點(diǎn)的信息，計(jì)算出相應(yīng)位置；將位置信息及3D圖像的基本信息傳遞給主控PLC，并將該動(dòng)作轉(zhuǎn)化為PLC的控制指令。數(shù)據(jù)采集處理、三維成像系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸交換，進(jìn)而讓小車帶動(dòng)抓斗平穩(wěn)、精確運(yùn)行至最佳抓取物料位置并完成抓料卸船作業(yè)。

2）料斗掃描系統(tǒng) 料斗是橋式卸船機(jī)流通物料的重要組成部分，料斗內(nèi)物料的流動(dòng)狀態(tài)直接影響帶式輸送機(jī)和抓斗工作效率，為及時(shí)判別料斗是否存在堵料情況，本文在料斗及帶式輸送機(jī)上加裝超聲波傳感器及攝像頭以實(shí)時(shí)觀察物料流通狀態(tài)及聯(lián)鎖保護(hù)。

2.3.3 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)

遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)在卸船機(jī)運(yùn)行過(guò)程中也起到至關(guān)重要的輔助作用，視頻監(jiān)控系統(tǒng)在卸船機(jī)上不同監(jiān)控點(diǎn)位安裝的攝像頭，用于觀察各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)位的工作狀態(tài)和周圍環(huán)境以實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控全面覆蓋，且視頻監(jiān)控信息均通過(guò)光纖或無(wú)線通訊的形式傳輸?shù)街锌厥曳?wù)器，并在中控室設(shè)置多臺(tái)視頻監(jiān)控顯示器進(jìn)行多方位顯示，以便于操作人員依靠視頻圖像獲取現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)信息。此外，在中控室遠(yuǎn)程操作臺(tái)設(shè)置視頻控制主令，用于縮放攝像畫面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境精準(zhǔn)捕捉。

2.3.4 自動(dòng)抓取、路徑優(yōu)化策略

自動(dòng)抓取路徑策略，根據(jù)船型掃描系統(tǒng)的艙內(nèi)掃描數(shù)據(jù)建立有效物料分布區(qū)域的矩陣數(shù)據(jù)模型；將船艙中心位置作為初始抓取選擇點(diǎn)，系統(tǒng)以步進(jìn)的方式驅(qū)動(dòng)小車逐步向海陸側(cè)移動(dòng)；將船艙物料根據(jù)高度數(shù)據(jù)進(jìn)行分層處理，在當(dāng)前抓斗高度下，系統(tǒng)以分層分列分點(diǎn)順序進(jìn)行步進(jìn)抓?。粚⑽锪媳碜钌蠈幼鳛槌跏甲ト↑c(diǎn)選擇層，在當(dāng)前小車方向上，系統(tǒng)根據(jù)抓斗的尺寸預(yù)設(shè)若干抓取點(diǎn)進(jìn)行抓取，當(dāng)物料分布平均高度小于某個(gè)閾值的點(diǎn)，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)大車移動(dòng)，換一列繼續(xù)抓斗工作，直至該層所有輪廓高度皆小于初始高度的閾值[4，5]。

抓斗由船艙口中央進(jìn)入艙口，降落到選擇好的抓取點(diǎn)，抓取料完成后從船艙口中央上升出艙口，確保安全的前提下以弧線最優(yōu)路徑完成起升小車行走、卸料、返回整個(gè)路徑過(guò)程，再進(jìn)行下一次的抓取循環(huán)，抓斗離開(kāi)船艙口后以最優(yōu)路徑實(shí)現(xiàn)悠斗飛行卸料到料斗并重新返回船艙，從而大大提高卸船效率，如圖5所示。

圖5 抓斗抓料路徑

2.3.5 安全防護(hù)

橋式抓斗卸船機(jī)主要包括電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器、變壓器、開(kāi)關(guān)柜、驅(qū)動(dòng)柜等重要設(shè)備，因此本文還利用斷路器、繼電器等電氣元器件與重要電氣設(shè)備建立聯(lián)鎖關(guān)系以形成安全保護(hù)回路。

此外，還通過(guò)在關(guān)鍵位置布置機(jī)械限位建立極限保護(hù)以防止電氣聯(lián)鎖保護(hù)失效。機(jī)械限位布置為：

1）起升機(jī)構(gòu)和俯仰機(jī)構(gòu) 在卷筒端部安裝凸輪限位，根據(jù)機(jī)型設(shè)計(jì)對(duì)凸輪限位進(jìn)行標(biāo)定以實(shí)現(xiàn)起升/俯仰機(jī)構(gòu)的減速、停止、極限保護(hù)。

2）行走機(jī)構(gòu) 在前部大梁兩側(cè)和行走方向臺(tái)車上安裝激光掃描儀，通過(guò)激光檢測(cè)大梁和行走前方物體，當(dāng)物體進(jìn)入激光掃描儀的安全區(qū)域時(shí)觸發(fā)報(bào)警信號(hào)，電控系統(tǒng)報(bào)警提示操作員減速或停止運(yùn)行，確保運(yùn)行過(guò)程中與船舶保持安全距離，以及避免行走路徑上發(fā)生碰撞。

3 結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)述了散糧碼頭傳統(tǒng)橋式抓斗卸船機(jī)的機(jī)構(gòu)組成及工作狀態(tài)，基于傳統(tǒng)橋式抓斗卸船機(jī)探討了卸船機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，主要包括自動(dòng)定位系統(tǒng)、船型掃描系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及自動(dòng)抓取、路徑優(yōu)化策略的研究。橋式抓斗卸船機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)可有效提升設(shè)備的工作效率，節(jié)約了船舶在港口停留的時(shí)間，同時(shí)也節(jié)約了人力、物力等資源，改善了操作人員的工作環(huán)境。