李孟濤 吳 翔 蔣海新

上海振華重工(集團)股份有限公司 上海 200125

0 引言

隨著自動化碼頭的全面推廣，自動化碼頭將成為集裝箱碼頭未來發(fā)展的必然趨勢，它是衡量港口綜合實力的重要指標。自動化集裝箱起重機一直是港口領(lǐng)域研究的熱點，自動化輪胎式集裝箱起重機（以下簡稱輪胎吊）有靈活、操作簡便、能適應(yīng)各種環(huán)境的優(yōu)勢，對自動化碼頭的發(fā)展起著重要影響。為了能讓起重機安全有效地完成自動化作業(yè)，需要給起重機安裝上防碰撞預(yù)警裝置。

防打保齡系統(tǒng) (Load Collision Prevention System，LCPS)是堆場的安全系統(tǒng)，可用于實時測量當(dāng)前吊具位置與其他物體的安全距離，以避免與障礙物產(chǎn)生碰撞。王衡等[1]的集裝箱堆場吊具防撞系統(tǒng)和張志勇等[2]的基于激光的集裝箱防撞系統(tǒng)存在不完善之處，即只使用了2個2D激光器，只能對小車方向進行有限范圍的防護，由于不能掃描吊具下方整體的輪廓，故對集裝箱的相鄰貝位無法起到防撞保護。本文介紹的LCPS系統(tǒng)通過結(jié)合2D和3D激光掃描儀的輪廓數(shù)據(jù)，結(jié)合實時的小車位置建立堆場輪廓信息，實時提供小車和起升的速度限定給單機 PLC，實現(xiàn)起升方向的軟著陸和小車運行方向及相鄰貝位的吊具防撞保護功能。

1 LCPS系統(tǒng)工作原理及系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 工作原理

如圖1所示，LCPS系統(tǒng)利用激光器沿小車方向和大車方向?qū)崟r掃描下方的障礙物，結(jié)合實時的小車位置建立堆場輪廓信息，實時提供小車和起升的限定速度發(fā)送給單機 PLC，實現(xiàn)起升方向的軟著陸和小車運行方向及相鄰貝位的吊具防撞保護功能。該系統(tǒng)會跟進吊具的開閉鎖信號，切換吊具的保護高度范圍，使小車和起升機始終在安全速度下運行，司機無需擔(dān)心吊具和堆場內(nèi)集裝箱之間的碰撞。LCPS系統(tǒng)使司機在一個更簡單安全的環(huán)境中工作，同時也使工作更高效。

圖1 工作原理圖示意圖

1.2 硬件安裝及系統(tǒng)硬件拓撲圖

激光器與控制器通信采用以太網(wǎng)方式進行通信，控制器與PLC通信采用DP通信模式。LCPS的二維激光器和三維激光器[3-5]安裝在小車架下方，用于收集堆場輪廓信息，控制器通過收集到的激光器數(shù)據(jù)和PLC傳給過來的單機位置及線位信息進行數(shù)據(jù)處理，并將計算得出的小車和起升限定速度返回給PLC，實現(xiàn)起升方向的軟著陸和小車運行方向及相鄰貝位的吊具防撞保護功能。該系統(tǒng)原理圖見圖2，硬件安裝示意圖見圖3。

圖2 系統(tǒng)原理圖

圖3 硬件安裝俯視圖

2 LCPS系統(tǒng)的功能

2.1 小車運行方向的吊具防撞保護功能

如圖4所示，若空吊具底部(吊具無箱)或集裝箱底部(吊具有箱)的位置在小車運行方向低于障礙物時，LCPS系統(tǒng)會計算小車運行路徑上的障礙物和吊具或集裝箱的間距，并實時輸出小車運行的限定速度，保證吊具在距離障礙物 3 m（可配置）時小車運行速度減速到全速的 10%（可配置）。當(dāng)?shù)蹙呋蚣b箱底部高度高于障礙物時，小車限速解除。

圖4 小車運行方向的吊具防撞保護功能示意圖

2.2 起升方向的軟著陸功能

如圖5所示，當(dāng)起升下降時，LCPS系統(tǒng)會檢測吊具或所抓箱子底部與下方障礙物的距離，將起升限定速度值發(fā)送給 PLC，控制起升減速。當(dāng)距離達到安全距離（一般為 1 m）時，起升速度將會減到 10%，并一直以此速度下降至著箱，相鄰貝位的障礙物也會被考慮。

圖5 起升方向的軟著陸功能示意圖

2.3 小車運行方向相鄰貝位的吊具防撞保護

安裝在小車平臺最前端的 3D 掃描儀可對小車運行方向的相鄰貝位障礙物進行實時掃描檢測。當(dāng)小車向前或向后運動時，LCPS系統(tǒng)會檢測空吊具底部(空吊具)或集裝箱底部(吊具帶箱)與相鄰貝位集裝箱的水平和垂直距離，并計算小車和起升的限定速度并發(fā)送給PLC，由 PLC 實時控制小車和起升運行的速度，從而實現(xiàn)小車運行方向相鄰貝位的吊具防撞保護功能。在相鄰貝位集裝箱錯位的情況下，小車前后移動時則LCPS系統(tǒng)也會進行相應(yīng)的吊具防撞保護功能。

3 LCPS系統(tǒng)標定步驟

1）準備3個集裝箱（20 ft或40 ft），當(dāng)前貝位無其他集裝箱；2）吊具抓起用于標定的箱子（靠近集卡車道那排）重新對箱，盡量保證箱子與大車平行，待吊具停止晃動后將箱子放下，開鎖；3）司機將起升拉到上停止后，5 s內(nèi)小車向后直至停止，數(shù)據(jù)會自動采集完成；4）單擊LCPS Tool菜單Data→Export →Calibration data導(dǎo)出標定數(shù)據(jù)；5）使用標定軟件根據(jù)數(shù)據(jù)對S2D和S3D激光器進行坐標系參數(shù)的調(diào)整（見圖6）。

圖6 數(shù)據(jù)采集界面

4 功能測試

4.1 起升軟著陸

1）測試方案 如圖7所示，起升到位停止；小車移動目標位置；起升手動全速下降。

圖7 吊具空箱和帶箱起升方向測試示意圖

2）測試結(jié)果 起升下降過程中自動減速；當(dāng)?shù)蹙叩撞浚ǖ蹙咚ゼb箱底部）與下方集裝箱頂部之間的距離達到1 m時，起升速度降到10%；起升以10%的速度繼續(xù)下降直到著箱。

4.2 小車方向吊具防撞保護

1）測試方案 如圖8所示，小車向后移動離開集裝箱；起升下降低于前面集裝箱；全速手動向前移動小車。

圖8 吊具空箱和帶箱小車方向測試示意圖

2）測試結(jié)果 小車前進過程中自動減速；當(dāng)?shù)蹙咔斑吘壟c前集裝箱后邊緣之間的距離達到2 m時，小車速度降到5%；小車以5%的速度繼續(xù)向前移動，直到碰到集裝箱。

4.3 相鄰貝位防撞保護

1）測試方案 如圖9所示，擺放一層箱子，測試第2和第3貝位防撞，第2貝和第3貝的B/C/D/E列箱子間距在合理范圍內(nèi)，大車方向箱子間距在40 cm，LCPS系統(tǒng)參數(shù)閾值為20 cm，如果檢測到吊具與相鄰貝位大車方向的間隙小于20 cm就會觸發(fā)限速信號給PLC；吊具低于F列箱子高度，小車往F列方向開；起升拉到F列上停止，全速起升向下。

圖9 相鄰貝位防護示意圖

2）測試結(jié)果 當(dāng)?shù)蹙咔斑吘壟c第2貝前集裝箱后邊緣之間的距離達到2 m時，小車速度降到5%，小車以5%的速度繼續(xù)向前移動，直到碰到集裝箱；起升不能下降，LCPS系統(tǒng)反饋給PLC的速度為0。

5 故障及解決措施

1）當(dāng)馬達歸零超時，檢查LCPS event log，確定是否有馬達相關(guān)故障。

2）當(dāng)讀取激光器掃描數(shù)據(jù)超時，檢查是否報激光器污染故障，檢查LCPS系統(tǒng)交換機至激光器與控制器硬件的連接狀態(tài)，查看LCPS Event Log，查看有關(guān)激光器故障代碼。

3）當(dāng)LCPS系統(tǒng)啟動時，小車未在集卡車道上方，將小車大門框回到集卡車道上方并復(fù)位。

4）當(dāng)3D機構(gòu)馬達故障時，查看LCPS Event log確認馬達具體故障信息。

5）當(dāng)小車標志物信號丟失時，確保不同小車位置，2D激光器可掃到小車標志物中心，且中間無遮擋物；檢查2D激光器掃描數(shù)據(jù)，確保小車標志物清晰可見。

6）當(dāng)小車位置校驗失敗時，可能是PLC給的小車位置或LCPS系統(tǒng)檢測的小車位置出錯，可以查看LCPS Event Log確定。

7）在箱區(qū)內(nèi)吊具標志物信號丟失，可能是吊具未能著箱到位，發(fā)生滑出情況，可回集卡車道復(fù)位；確保不同起升高度，2D激光器可掃到吊具標志物中心，且中間無遮擋物，檢查2D激光器掃描數(shù)據(jù)，確保吊具標志物清晰可見。

8）當(dāng)獲取PLC小車/起升的位置/速度失敗時，可能是PLC給的數(shù)據(jù)有非瞬時跳變，查看LCPS Event Log可查看數(shù)據(jù)跳變值。

9）當(dāng)發(fā)生小車急停時，LCPS系統(tǒng)檢測到小車無正常減速保護，可檢查PLC程序。

10）當(dāng)發(fā)生起升急停時，LCPS系統(tǒng)檢測到起升下降無正常減速保護，可檢查PLC程序。

6 結(jié)論

自動化輪胎吊作為自動化碼頭設(shè)備的一部分，大量使用新技術(shù)提高設(shè)備的效率和安全性，優(yōu)化了生產(chǎn)環(huán)境。LCPS系統(tǒng)在自動化輪胎吊中的應(yīng)用非常重要，能為起重機做到預(yù)防碰撞的作用。這套系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用到實際生產(chǎn)中，使用效果很好，大大提高了自動化作業(yè)的安全性能。但是，受到激光器精度的限制，系統(tǒng)最小可測量障礙物直徑為5 cm，該系統(tǒng)會隨激光器的精度提供而提高，且能有效地防止集裝箱和吊具的碰撞。