萬錦旗 陶慶永

江蘇蘇港智能裝備產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心有限公司

1 引言

碼頭前沿門座起重機(以下簡稱門機)在裝卸船作業(yè)過程中,會存在幾臺門機同時對1條船進行裝卸作業(yè)的工況,此時幾臺門機之間的相對距離較小。門機在作業(yè)過程中,回轉(zhuǎn)、變幅、行走機構(gòu)的配合動作,使得門機的作業(yè)半徑實時在變化。當相鄰的2臺門機的作業(yè)范圍出現(xiàn)重疊時,可能會出現(xiàn)2臺門機主體結(jié)構(gòu)互相碰撞的情況,導致重大安全事故(見圖1)。

圖1 門機交叉作業(yè)示意圖

目前,防止相鄰門機主體結(jié)構(gòu)互相碰撞,主要靠門機操作司機的視線觀察,人工控制門機各機構(gòu)動作,避免2臺門機主體結(jié)構(gòu)作業(yè)范圍重疊,但受到人的主觀意識影響,不能完全避免此類事故。門機自動化作業(yè)是未來港口發(fā)展的趨勢,自動化作業(yè)時門機上沒有司機,門機按照程序設(shè)定的作業(yè)流程進行全自動化作業(yè),相鄰門機之間的防碰撞無法人為控制,因此門機安全防撞是門機自動化作業(yè)一項非常重要的技術(shù)問題,亟待解決。

為了解決門機交叉作業(yè)會出現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)互相碰撞問題,設(shè)計了一種門座起重機自動防撞保護系統(tǒng),包括PLC控制系統(tǒng)、門機位姿數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、位姿數(shù)據(jù)平面坐標系轉(zhuǎn)化系統(tǒng)、無線通信數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)、防碰撞控制策略、碰撞預防報警系統(tǒng)等。

2 門座起重機自動防撞保護系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集,利用程序運算得到門機的位姿數(shù)據(jù),并將位姿數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到平面坐標系模型里以點坐標顯示。安全防碰撞系統(tǒng)程序自動監(jiān)控每臺門機的實時位姿數(shù)據(jù),運用防碰撞控制策略,當計算出2臺門機的位姿點集坐標在接下來的運行中有重合的可能時,則會報警并限制本機當前動作,直到重合可能性消失,限制解除,本機繼續(xù)動作。系統(tǒng)架構(gòu)圖見圖2。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.1 PLC控制系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)是被動防撞安全保護系統(tǒng)的核心,負責采集數(shù)據(jù)的處理、在平面坐標系實時更新門機的位姿點集坐標數(shù)據(jù)、建立相鄰門機之間的數(shù)據(jù)無線通訊、執(zhí)行防碰撞策略。

系統(tǒng)在獲取本機位姿數(shù)據(jù)后,PLC將本機位姿數(shù)據(jù)通過無線通訊方式發(fā)送給相鄰的門機,同時接收相鄰門機的位姿數(shù)據(jù),達到數(shù)據(jù)交換的目的,并轉(zhuǎn)化到平面坐標系模型里實時顯示位姿點集坐標。PLC根據(jù)本機的運動趨勢計算本機未來的位姿點集變化數(shù)據(jù),運行防碰撞策略,判斷發(fā)生碰撞的可能,并控制碰撞預防報警系統(tǒng)[1]。

2.2 門機位姿數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

相鄰門機之間的碰撞,主要有門機臂架系統(tǒng)與臂架系統(tǒng)之間的碰撞、臂架系統(tǒng)與轉(zhuǎn)盤機房結(jié)構(gòu)之間的碰撞,因此需要采集門機變幅機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、行走機構(gòu)的位姿數(shù)據(jù)。通過在以上機構(gòu)安裝絕對值編碼器采集相關(guān)數(shù)據(jù)。絕對值編碼器信號通過DP通訊接入PLC,PLC控制程序根據(jù)采集的數(shù)據(jù)并結(jié)合主體結(jié)構(gòu)的相關(guān)尺寸,計算出各機構(gòu)當前的位姿數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)化到平面坐標系模型里,以點坐標數(shù)據(jù)生成門機輪實時廓線(見圖3)。

1.臂架系統(tǒng)投影線 2.轉(zhuǎn)盤外輪廓投影線圖3 門機平面坐標系模型示意圖

2.3 門機實時位姿檢測系統(tǒng)

2.3.1 工作幅度位置檢測

門機工作幅度位置檢測,用來檢測臂架系統(tǒng)的象鼻梁最前端距離回轉(zhuǎn)中心的水平距離,即門機的工作幅度。在變幅機構(gòu)小齒輪軸端安裝多圈絕對值編碼器,檢測小齒輪轉(zhuǎn)動角度。以門機處于最大工作幅度Rmax處時定為絕對值編碼器的角度零點,此時變幅小齒輪中心到臂架與變幅齒條鉸點中心的直線距離為Smax。當小齒輪轉(zhuǎn)動時,絕對值編碼器檢測到小齒輪轉(zhuǎn)動角度為α,輸出此數(shù)據(jù)給控制程序,程序運行算法將其轉(zhuǎn)換為變幅齒條的運行距離值S,再結(jié)合已設(shè)定的臂架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù),計算出象鼻梁最前端距離回轉(zhuǎn)中心的水平距離。

采用絕對值編碼器檢測門機的實時工作幅度,同時在臂架根部安裝1臺傾角傳感器,用于對臂架傾角的輔助檢測和對絕對值編碼器數(shù)值的校驗。

2.3.2 回轉(zhuǎn)角度檢測

門機回轉(zhuǎn)角度位置檢測,用來檢測臂架系統(tǒng)在水平面上的投影線與軌道中心線之間的夾角,即回轉(zhuǎn)角度γ。在回轉(zhuǎn)大軸承外側(cè)安裝1個從動小齒輪,從動小齒輪的軸線需處在臂架系統(tǒng)縱向?qū)ΨQ面上,從動小齒輪與回轉(zhuǎn)大軸承固定主齒圈嚙合,從動小齒輪輪繞著固定主齒圈做行星運動[2](見圖4)。

1.絕對值編碼器 2.從動小齒輪 3.固定主齒圈 4.轉(zhuǎn)動圈圖4 回轉(zhuǎn)角度檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖

在從動小齒輪軸端安裝多圈絕對值編碼器,檢測小齒輪轉(zhuǎn)動角度。以門機的臂架朝向平行于碼頭軌道時定為絕對值編碼器的角度零點。當門機回轉(zhuǎn)機構(gòu)運行,絕對值編碼器檢測到從動小齒輪轉(zhuǎn)動角度為α,輸出此數(shù)據(jù)給控制系統(tǒng)程序,控制系統(tǒng)程序再結(jié)合已設(shè)定的門機結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù),計算出門機的回轉(zhuǎn)角度γ。γ=R2×α/R1,R1為固定主齒圈分度圓半徑,R2為從動小齒輪分度圓半徑?；剞D(zhuǎn)角度檢測計算數(shù)據(jù)模型見圖5。

采用絕對值編碼器檢測門機的實時回轉(zhuǎn)角度,同時在回轉(zhuǎn)機構(gòu)上固定安裝1個電感式接近開關(guān),跟隨回轉(zhuǎn)機構(gòu)一起回轉(zhuǎn)。在回轉(zhuǎn)機構(gòu)下方平臺上增加1個感應塊,感應塊的位置為固定回轉(zhuǎn)角度0°位置。當門機回轉(zhuǎn)到該角度時,對應的感應開關(guān)動作,給回轉(zhuǎn)角度編碼器賦值,從而實現(xiàn)位置校正。

2.3.3 門機回轉(zhuǎn)中心在碼頭軌道上的位置檢測

為測量門機在碼頭軌道上所處的位置,在行走機構(gòu)從動車輪的車輪軸端安裝1臺多圈絕對值編碼器,檢測從動車輪轉(zhuǎn)動角度。在碼頭軌道的一端定1個基準點,測量此時門機回轉(zhuǎn)中心到此基準點沿軌道方向的距離e,此處定為絕對值編碼器的角度零點。當門機行走時,從動車輪轉(zhuǎn)動,絕對值編碼器檢測到從動車輪轉(zhuǎn)動角度為α,輸出此數(shù)據(jù)給控制系統(tǒng)程序,程序運行算法將其轉(zhuǎn)換為門機行走距離值f,f=π×D×α/360,D為從動車輪的直徑?？刂葡到y(tǒng)程序再結(jié)合已設(shè)定的e值,計算出門機回轉(zhuǎn)中心到軌道上基準點的距離s(見圖6)。

考慮到現(xiàn)場環(huán)境較為復雜,有粉塵等雜質(zhì)降落在軌道上,經(jīng)過車輪反復碾壓后可能會粘連在車輪表面,從而導致在運行過程中測量值不準確,需要安裝RFID磁釘系統(tǒng),用來讀取碼頭預埋載碼體信息。傳感器根據(jù)感應磁釘?shù)膬?nèi)容,反向計算編碼器定位值,計算行走距離,對編碼器的數(shù)值進行校準,載碼體的安裝可根據(jù)現(xiàn)場情況按照5～10 m的間隔距離進行布置。

2.4 門機位姿數(shù)據(jù)平面坐標系轉(zhuǎn)化

以碼頭面上一端的統(tǒng)一基準點O為坐標原點,大車軌道方向為x軸,建立直角坐標系。門機輪廓線包含臂架系統(tǒng)在水平面上的投影線、門機轉(zhuǎn)盤外輪廓在水平面上的投影線,將投影線上點的坐標組合,形成門機輪廓點集坐標數(shù)據(jù)。點集坐標數(shù)據(jù)來自位姿檢測系統(tǒng)采集的門機當前的工作幅度Rs、回轉(zhuǎn)角度γ、回轉(zhuǎn)中心到軌道上基準點的距離s。

臂架系統(tǒng)在水平面上的投影線,其線段2個端點(回轉(zhuǎn)中心點、臂架系統(tǒng)投影線最前端點)的坐標分別為(x0,y0),(xs,ys)。其中,x0=s,y0=0,xs=s+Rs×cosγ,ys=Rs×sinγ。根據(jù)2個端點的坐標,采用Bresenham算法在平面坐標系里生成臂架系統(tǒng)投影線。

在相鄰的幾臺門機上都安裝安全防撞保護系統(tǒng),門機之間進行實時位姿信息數(shù)據(jù)的交互。本機接收到相鄰門機傳輸過來的位姿數(shù)據(jù)后,會將該門機的位姿數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到同一坐標系里,實時顯示相鄰門機的位姿,使得每臺門機上的安全防撞保護系統(tǒng)里都有本機及相鄰門機的實時位姿數(shù)據(jù)(見圖7)。

1.相鄰門機2 2.本機 3.相鄰門機3圖7 多門機平面坐標系模型示意圖

3 自動防碰撞策略控制

防碰撞策略是基于本機的位姿數(shù)據(jù),結(jié)合相鄰門機的位姿數(shù)據(jù),以及門機接下來的運動趨勢,計算本機輪廓點集坐標數(shù)據(jù)與相鄰門機的點集坐標數(shù)據(jù)有無重合的可能。

假設(shè)門機當前臂架系統(tǒng)水平面投影線最前端點的坐標為(xs1,ys1),該坐標值系統(tǒng)可實時讀取,門機此時工作幅度Rs和回轉(zhuǎn)角度γ系統(tǒng)也可實時讀取,門機實時回轉(zhuǎn)速度為r,變幅實時速度為v,回轉(zhuǎn)機構(gòu)減速時間t1,變幅機構(gòu)減速時間t2。門機此時的運動趨勢可分為4種工況:①門機逆時針回轉(zhuǎn)、增幅;②門機順時針回轉(zhuǎn)、增幅;③門機逆時針回轉(zhuǎn)、減幅;④門機順時針回轉(zhuǎn)、減幅。若門機此時制動,完全停止時臂架系統(tǒng)水平面投影線最前端點的坐標將變?yōu)?xs2,ys2),根據(jù)算法公式可得出此時點坐標的具體數(shù)值,算法公式如下:

(1)門機逆時針回轉(zhuǎn)、增幅工況

(cosγ-cos(γ+6r×t1))

(1)

(sin(γ+6r×t1)-sinγ)

(2)

(2)門機順時針回轉(zhuǎn)、增幅工況

(cos(γ-6r×t1)-cosγ)

(3)

(sinγ-sin(γ-6r×t1))

(4)

(3)門機逆時針回轉(zhuǎn)、減幅工況

(cosγ-cos(γ+6r×t1))

(5)

(sin(γ+6r×t1)-sinγ)

(6)

(4)門機順時針回轉(zhuǎn)、減幅工況

(cos(γ-6r×t1)-cosγ)

(7)

(sinγ-sin(γ-6r×t1))

(8)

系統(tǒng)根據(jù)工作幅度Rs和回轉(zhuǎn)角度γ的變化情況(Rs變大為增幅,γ變大為逆時針回轉(zhuǎn),反之亦然),首先判斷出門機運動趨勢為何種工況,然后根據(jù)對應工況下的算法公式計算出門機此時制動到完全停止時臂架系統(tǒng)水平面投影線最前端點的坐標值(xs2,ys2),再結(jié)合回轉(zhuǎn)中心點的坐標分(x0,y0),采用上述的Bresenham算法可在平面坐標系里生成門機制動靜止時臂架系統(tǒng)投影線。

門機制動靜止時轉(zhuǎn)盤外輪廓投影線點坐標根據(jù)門機制動前的轉(zhuǎn)盤外輪廓投影線點坐標,運用平面坐標旋轉(zhuǎn)變換矩陣算法得到。假設(shè)門機繞回轉(zhuǎn)中心點(x0,y0)回轉(zhuǎn)了角度Δγ,平面坐標旋轉(zhuǎn)變換矩陣算法如下:

Δγ=6r×t1,c=cosΔγ,s=sinΔγ

(9)

(10)

由上式可得出,本機若此時制動到靜止時門機的輪廓點集坐標數(shù)據(jù),系統(tǒng)程序?qū)⒋溯喞c集坐標數(shù)據(jù)與相鄰門機的實時輪廓點集坐標數(shù)據(jù)進行比對,若出現(xiàn)點集坐標數(shù)據(jù)有重合的情況,則判斷為兩機有碰撞可能,防撞系統(tǒng)報警并由PLC發(fā)出信號限制本機當前動作,直到點坐標重合的情況消失,限制解除,本機繼續(xù)動作。自動防撞系統(tǒng)程序流程圖見圖8。

圖8 自動防撞系統(tǒng)程序流程圖

4 結(jié)語

該技術(shù)已應用于部分自動化門機上。應用結(jié)果表明,該技術(shù)能夠在多臺自動化門機協(xié)同作業(yè)時,通過門機之間的數(shù)據(jù)通訊,實時檢測本機位姿信息及相鄰門機的位姿信息,在同一坐標系內(nèi)運用防碰撞策略,從而有效地預防門機之間發(fā)生碰撞事故。該技術(shù)相比其他防撞技術(shù),向縮小碰撞區(qū)域,防碰撞預判更精準,減少門機在運行過程中的不必要的限制,減少門機被限制過長時間且被限制頻率過高的情況,提高自動化門機作業(yè)效率。