袁耀，何雨生，秦文峰

（1.山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250101；2.兗礦東平陸港有限公司，山東 泰安 271000）

1 引言

自動(dòng)化、智能化是港口碼頭的發(fā)展趨勢。軌道式龍門吊是集裝箱碼頭常用設(shè)備，因而，對軌道式龍門吊作業(yè)過程和效率的研究格外重要。傳統(tǒng)龍門吊的作業(yè)存在設(shè)備利用率低、現(xiàn)場工作環(huán)境惡劣、高空作業(yè)安全隱患等缺陷。本文利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)管理技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套軌道式龍門吊遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，通過將傳統(tǒng)龍門吊進(jìn)行自動(dòng)化升級(jí)改造，將駕駛臺(tái)后移至辦公室，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，將龍門吊司機(jī)轉(zhuǎn)移到環(huán)境舒適的遠(yuǎn)程控制中心，以降低司機(jī)工作強(qiáng)度，提高整體作業(yè)效率，通過系統(tǒng)配置的設(shè)備獲取相應(yīng)的任務(wù)和相關(guān)的攝像頭畫面，通過人工遠(yuǎn)程操作，發(fā)送給不同的設(shè)備對應(yīng)的指令，再把指令運(yùn)行結(jié)果反饋給計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)，節(jié)省操作臺(tái)的空間和成本，提升龍門吊作業(yè)的整體效率。實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控后，人機(jī)比例可由純?nèi)斯げ僮鳡顟B(tài)下的1：1 提升至1：4 不僅操作環(huán)境得到改善，規(guī)模使用后可以使綜合人力成本下降50%以上，能夠使港口企業(yè)減少駕駛員，節(jié)約人工成本，同時(shí)提高港口無人化水平，也提高了安全性。

2 工程概況

本工程建設(shè)8 個(gè)1000 噸級(jí)泊位，其中5 個(gè)泊位主要用來進(jìn)行集裝箱裝卸，泊位總長度650m，設(shè)計(jì)綜合通過能力為664 萬噸/年，其中集裝箱通過能力40.9 萬TEU/年。集裝箱堆場采用4 臺(tái)軌道式龍門吊裝卸重箱，采用2 臺(tái)空箱堆高機(jī)裝卸空箱，水平運(yùn)輸采用集裝箱牽引拖掛車，拆裝箱采用45t 正面吊及3t 箱內(nèi)叉車進(jìn)行作業(yè)。

3 軌道式龍門吊遠(yuǎn)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)方案

本工程設(shè)計(jì)一套軌道式龍門吊遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，使操作員通過中控室遠(yuǎn)程操作臺(tái)完成對大機(jī)、水平運(yùn)輸設(shè)備、堆場設(shè)備的監(jiān)控和操作。無論是裝載或者卸載作業(yè)，大部分的操作都自動(dòng)完成，大機(jī)的作業(yè)指令來自計(jì)算機(jī)管理，可實(shí)現(xiàn)帶路徑優(yōu)化的自動(dòng)運(yùn)行、堆場自動(dòng)著箱等功能，中控室操作員只需要在個(gè)別情況下對車道集卡安全高度以上手動(dòng)接管吊具的下降、著箱和開閉鎖等有限幾個(gè)動(dòng)作，用以確保安全。

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軌道式龍門吊遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要包括設(shè)備調(diào)度控制管理系統(tǒng)（ECS 系統(tǒng)）、遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)（RCMS 系統(tǒng)）、計(jì)算機(jī)調(diào)度管理系統(tǒng)等（TOS 系統(tǒng)）、遠(yuǎn)程控制站（包括操作手柄、面板按鈕、控制觸摸屏；視頻監(jiān)視器、顯示器；）。根據(jù)TOS 發(fā)來的工作指令，自動(dòng)控制大機(jī)設(shè)備的運(yùn)行，在遠(yuǎn)程操作人員的輔助或者無需輔助的情況下進(jìn)行著箱和開閉鎖等操作，實(shí)現(xiàn)的功能有主機(jī)構(gòu)定位、吊具定位、目標(biāo)位置定位、集卡引導(dǎo)、集卡防吊起、大車防撞等。具體的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示：

圖1 龍門吊遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的架構(gòu)圖

3.2.1 計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)（TOS 系統(tǒng)）

計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)由資源計(jì)劃系統(tǒng)、電子數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)、監(jiān)控及識(shí)別軟件、作業(yè)計(jì)劃系統(tǒng)和設(shè)備控制接口組成，其主要功能是計(jì)劃和指派任務(wù)、管理任務(wù)狀態(tài)以及向設(shè)備控制系統(tǒng)發(fā)送指令并接收反饋信息。

計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)（TOS）以數(shù)據(jù)庫為核心，以信息系統(tǒng)為平臺(tái)，以行政辦公系統(tǒng)和集裝箱碼頭生產(chǎn)管理系統(tǒng)作為面向內(nèi)部用戶的界面，客戶服務(wù)系統(tǒng)作為面向外部用戶的界面，集成各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。管理系統(tǒng)由資源計(jì)劃系統(tǒng)、電子數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)、監(jiān)控及識(shí)別軟件、作業(yè)計(jì)劃系統(tǒng)和設(shè)備控制接口組成，其主要功能是計(jì)劃和指派任務(wù)、管理任務(wù)狀態(tài)以及向設(shè)備控制系統(tǒng)發(fā)送指令并接收反饋信息。

根據(jù)碼頭運(yùn)行管理中的不同的任務(wù)分為計(jì)劃、操縱、作業(yè)支持以及管理等幾大類,同時(shí)各類之間又有具體的業(yè)務(wù)操作。

3.2.2 設(shè)備控制系統(tǒng)（ECS 系統(tǒng)）

設(shè)備控制系統(tǒng)（ECS）的主要功能包括接收作業(yè)信息、驅(qū)動(dòng)設(shè)備執(zhí)行指令、監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、向管理系統(tǒng)反饋?zhàn)鳂I(yè)信息及設(shè)備狀態(tài)等。設(shè)備控制系統(tǒng)（ECS）與管理系統(tǒng)（TOS）之間通過數(shù)據(jù)交互接口實(shí)現(xiàn)任務(wù)指令傳輸和處理。為使數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)更加高效、靈活，設(shè)計(jì)管理總線架構(gòu)，由管理總線連接指令模塊與控制模塊，并通過發(fā)布和訂閱機(jī)制完成高密度數(shù)據(jù)交換。采用管理總線架構(gòu)后，用戶可以根據(jù)需求定制所需要的模塊，實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備的自由組合和靈活添加，以適應(yīng)未來碼頭的發(fā)展要求。

3.2.3 龍門吊監(jiān)測和管理系統(tǒng)（RCMS 系統(tǒng)）

龍門吊監(jiān)測和管理系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)搜集、分析、管理、故障診斷和維護(hù)功能。龍門吊與控制中心之間通過光纜進(jìn)行實(shí)時(shí)通信和數(shù)據(jù)交換。在控制中心能實(shí)時(shí)顯示龍門吊的主要技術(shù)參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)。龍門吊狀態(tài)監(jiān)測和管理系統(tǒng)主要顯示的內(nèi)容如下：①龍門吊實(shí)時(shí)總狀態(tài)；②龍門吊各機(jī)構(gòu)單獨(dú)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，震動(dòng)監(jiān)測；③故障報(bào)警；④故障診斷指南；⑤有關(guān)參數(shù)和圖形實(shí)時(shí)顯示，并可存盤打??；⑥對每工班、每日、每月的作業(yè)箱數(shù)、重量、作業(yè)小時(shí)等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)和打??；⑦設(shè)備維修保養(yǎng)情況；⑧各機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)間。

圖2 龍門吊監(jiān)測和管理系統(tǒng)圖

3.2.4 遠(yuǎn)程操作控制系統(tǒng)

中控室配置兩臺(tái)遠(yuǎn)程操作臺(tái)，操作司機(jī)可利用遠(yuǎn)程操作臺(tái)遠(yuǎn)程操控龍門吊進(jìn)行半自動(dòng)作業(yè)；操作臺(tái)通過交換機(jī)與各系統(tǒng)服務(wù)器連接，司機(jī)通過終端向碼頭生產(chǎn)管理系統(tǒng)反饋相關(guān)作業(yè)信息，通過數(shù)據(jù)交互的方式與碼頭生產(chǎn)管理系統(tǒng)進(jìn)行信息交互。

每一個(gè)遠(yuǎn)程操作臺(tái)可以監(jiān)控并控制任意一臺(tái)龍門吊，實(shí)現(xiàn)多對多工況。

遠(yuǎn)程操作臺(tái)上布置了遠(yuǎn)程操作所需的按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、指示燈及操作手柄、顯示屏、可顯示狀態(tài)及操作控制的觸摸屏、語音通話設(shè)備、生產(chǎn)管理系統(tǒng)、遠(yuǎn)控PLC、司機(jī)座椅以及其它的配件。在遠(yuǎn)程操作臺(tái)的后面集成有控制箱，控制箱內(nèi)遠(yuǎn)控PLC，接收遠(yuǎn)程控制軟件發(fā)送過來的指令，通過以太網(wǎng)接口與堆場內(nèi)龍門吊上的遠(yuǎn)控PLC 進(jìn)行通訊。操作臺(tái)上的按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、指示燈及操作手柄等信號(hào)進(jìn)入PLC 的 I/0 模塊。

圖3 龍門吊遠(yuǎn)程操作控制系統(tǒng)圖

3.3 操作方式

龍門吊設(shè)備可根據(jù)每個(gè)作業(yè)階段的狀態(tài)、要求，在不同階段選擇不同的操作方式：

（1）當(dāng)龍門吊設(shè)備進(jìn)行裝卸箱作業(yè)時(shí)，采用遠(yuǎn)程操作方式。在遠(yuǎn)程操作模式下，大機(jī)設(shè)備所有的工作指令都直接來自TOS 系統(tǒng)。無論收箱或提箱作業(yè)，大多數(shù)操作都能自動(dòng)完成，包括帶路徑優(yōu)化的自動(dòng)運(yùn)行、吊具傾轉(zhuǎn)控制、集卡引導(dǎo)、自動(dòng)著箱等；為了確保安全，操作員只需要在車道一側(cè)集卡車安全高度上手動(dòng)接管機(jī)構(gòu)運(yùn)行和開閉鎖等有限幾個(gè)動(dòng)作，且自動(dòng)、手動(dòng)操作過程能做到無縫切換。大機(jī)設(shè)備上自動(dòng)化功能的實(shí)現(xiàn)能有效地減輕司機(jī)工作強(qiáng)度，并提高堆場的工作效率。

（2）當(dāng)龍門吊設(shè)備遇到狀況或從安全方面考慮，需要進(jìn)行遠(yuǎn)程人工干預(yù)時(shí)，采用人工遠(yuǎn)程操作方式。

（3）當(dāng)龍門吊備遇到故障或處于維修狀態(tài)時(shí)，采用本地狀態(tài)下的手動(dòng)操作方式。

3.4 作業(yè)流程

自動(dòng)化軌道式龍門吊集裝箱堆場作業(yè)流程分為進(jìn)箱作業(yè)、出箱作業(yè)。

3.4.1 進(jìn)箱工作流程

堆場調(diào)度員在計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)上計(jì)劃進(jìn)箱作業(yè)任務(wù)，并下發(fā)作業(yè)指令給場站管理系統(tǒng)。帶箱集卡進(jìn)入作業(yè)堆場入口，入口RFID 識(shí)別拖車車號(hào)并反饋給場站管理系統(tǒng)。場站管理系統(tǒng)根據(jù)入口RFID 識(shí)別的拖車，自動(dòng)執(zhí)行相對應(yīng)的拖車指令。龍門吊接收到場站管理系統(tǒng)指令大車自動(dòng)運(yùn)行到提箱目標(biāo)位置，集卡到達(dá)目標(biāo)作業(yè)貝位，集卡引導(dǎo)系統(tǒng)引導(dǎo)集卡精準(zhǔn)停車。小車自動(dòng)運(yùn)行到目標(biāo)車道上方，起升自動(dòng)下降到集卡上方安全高度。人工操作龍門吊吊具下降、著箱，自動(dòng)閉鎖。人工操作龍門吊吊具上升500mm，判斷有無掛鎖等異常狀態(tài)，人工起升手柄回零再次上升確認(rèn)，轉(zhuǎn)入自動(dòng)運(yùn)行，起升自動(dòng)上升。小車自動(dòng)運(yùn)行到放箱排位，吊具自動(dòng)下降到目標(biāo)箱上方安全高度。

3.4.2 出箱工作流程

堆場調(diào)度員在計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)上計(jì)劃出箱作業(yè)任務(wù)，下發(fā)作業(yè)指令給場站管理系統(tǒng)，空集卡進(jìn)入作業(yè)堆場入口，入口RFID 識(shí)別拖車車號(hào)并反饋給場站管理系統(tǒng)。場站管理系統(tǒng)根據(jù)入口RFID 識(shí)別的拖車，自動(dòng)執(zhí)行相對應(yīng)的拖車指令。龍門吊接收到場站管理系統(tǒng)指令大車、小車自動(dòng)運(yùn)行到提箱目標(biāo)位置，起升自動(dòng)下降到目標(biāo)箱上方安全高度。人工操作龍門吊吊具下降、著箱，自動(dòng)閉鎖。集卡到達(dá)目標(biāo)作業(yè)貝位，集卡引導(dǎo)系統(tǒng)引導(dǎo)集卡精準(zhǔn)停車。小車自動(dòng)運(yùn)行到目標(biāo)車道上方，起升自動(dòng)下降到集卡上方安全高度。人工操作龍門吊吊具下降、放箱、開鎖。人工操作龍門吊具上升500mm，判斷有無掛鎖等異常狀態(tài)，人工起升手柄回零再次上升確認(rèn)，轉(zhuǎn)入自動(dòng)運(yùn)行，起升自動(dòng)上升，指令完成。

4 結(jié)語

本文針對傳統(tǒng)龍門吊的作業(yè)存在設(shè)備利用率低、現(xiàn)場工作環(huán)境惡劣、高空作業(yè)安全隱患等缺陷，提出了一種智能高效的軌道式龍門吊遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)的總體架構(gòu)和功能分析進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。本系統(tǒng)已在該港口穩(wěn)定運(yùn)行了一段時(shí)間，使用效果良好，操作簡單，可靠性和實(shí)用性高，改善了司機(jī)的作業(yè)環(huán)境，降低司機(jī)工作強(qiáng)度，提高港口整體作業(yè)效率，具有廣闊的應(yīng)用前景。