门式起重机装卸作业半自动化系统设计

2011-05-04刘建军洪朝俊高管丰

铁道货运 2011年9期

刘建军，洪朝俊，高管丰

(1.中铁集装箱运输有限责任公司信息部，北京 100055；2.中铁联合国际集装箱有限责任公司信息装备部，北京 100038)

1 国内外运用门式起重机自动化作业概况

国内外对门式起重机自动化作业的研究已有一段时间，但因其实现对内外部条件要求高，真正的应用并不多。目前荷兰的鹿特丹码头实施了门式起重机全自动化作业，国内仅天津五洲国际码头和大连港三期码头部分门式起重机实现了作业半自动化，且因各种原因，没有大规模地投入应用。

铁路集装箱中心站是铁道部建设高效快捷货物运输系统的战略举措，采用了先进的场站管理系统，场站管理系统的设计既借鉴了国内外铁路、港口等相关行业的先进经验，也充分考虑了铁路运输的实际需求，将先进技术手段与运输需求相结合。铁路集装箱中心站的信息系统具有技术先进、设计灵活、智能高效、数据集成度高等特点，信息系统实现了集装箱按箱区、箱位的图形化动态管理，通过无线局域网和车载电脑实现了现场作业信息的实时反馈，使门式起重机作业流程标准化、信息实时反馈得到了保障。

除昆明铁路集装箱中心站采用正面吊作业模式外，其他铁路集装箱中心站均采用具有国际先进水平的门式起重机。其先进性体现在可靠、成熟、耐用、经济的电控传动技术，先进的电网反馈技术，高效的起重机悬挂系统，提高司机作业安全性、起重机稳定性的位置计算系统 (SPS)，提高作业效率和安全性、防止设备相互碰撞的位置检测系统 (PDS)，实时记录起重机故障及主要易损件维修保养提醒服务、减少起重机安全故障隐患的起重机管理系统 (LCMS) 和远程起重机管理系统 (RCMS)。这些特点保证了门式起重机能够实现自动走行和大车、小车精确定位，为门式起重机作业半自动化创造了条件。

虽然门式起重机本身拥有先进的安全控制体系、便利的操作体系及先进的电控体系，但本地门式起重机管理系统中实时反映的大车、小车位置信息及吊具起升高度等信息只作为故障排查时的提示信息，并没有得到深入的开发应用。而场站管理系统中大部分反馈数据因没有渠道获得而仍由司机手工输入，虽然软件中提供了模糊输入等辅助手段，仍然无法降低司机的劳动强度。因无法将信息系统与机械系统数据有效的关联、控制、利用，司机无法实现电子操控定位，全凭肉眼观察当前的集装箱位置，作业完毕后的集装箱位置信息也需要司机通过信息系统进行反馈，信息的准确性与及时性无法得到保证。

因此，将信息系统与门式起重机机械系统建立数据通讯关系，将两者的相关数据进行有效的关联、控制、利用，通过底层通讯协议将车载电脑与门式起重机半自动控制器、PLC 的 CPU 模块有机结合实现装卸作业半自动化具有重要的现实意义。

2 门式起重机半自动化作业方案设计

2.1 门式起重机半自动化作业

铁路集装箱中心站场站装卸作业实现门式起重机全自动化有较大的难度，主要难点在于：列车到达后定位较为困难；集装箱卡车提/送箱时停车有较大的随意性；全自动作业对场站建设也有严格的标准要求，需要配备平板小车、集装箱卡车、安装集装箱卡车定位系统等。因此实现全自动化作业需要增加较多的辅助设施，成本较高。所以将基于门式起重机司机在司机室作业的前提下开展门式起重机的半自动化工程作为初期建设的目标。

门式起重机半自动化作业指除了提、落集装箱及开、闭锁4个动作考虑到安全因素仍然由司机手工操作外，其他如通过作业指令中源箱位与目标箱位自动控制门式起重机大车、小车运行及吊具起升，门式起重机司机落箱解锁后自动反馈落箱箱位等工作均由半自动系统完成。这样不仅能够减轻司机的工作强度，还可以避免司机人为反馈可能带来的差错。

2.2 门式起重机半自动化作业方案设计

2.2.1 实现门式起重机半自动化需要具备必要条件

（1）门式起重机具备大车、小车、吊具位置检测系统和速度控制系统，并且大车、小车、吊具实际位置与电控系统中记录一致。

（2）门式起重机的可编程控制器 (PLC) 提供通用接口可编程控制。

（3）先进的信息系统指导作业。

2.2.2 集装箱中心站门式起重机作业的标准动作

（1）搬移。将箱区内的集装箱从原位置搬移至指定位置。

（2）装车。将箱区内的集装箱从原位置装入列车。

（3）卸车。将列车上的集装箱搬入箱区。

（4）提箱。将箱区内的集装箱从原位置装入集装箱卡车。

（5）送箱。将集装箱卡车上的集装箱搬入箱区。

（6）移动大车。门式起重机大车从当前位置到指定位置的自动运行。.

2.2.3 门式起重机半自动作业实现过程

要实现6种动作的半自动运行，首先场站系统需获取操作指令，根据指令分类，向门式起重机半自动控制器发送约定消息，半自动控制器根据消息，分解动作类别、源位置、目标位置的相对坐标后，传给PLC，PLC 执行指令并实时反馈。

集装箱中心站门式起重机所有作业均为司机在场站信息系统指导下的标准作业，而门式起重机PLC的CPU 模块也能控制门式起重机的所有动作并提供标准通讯接口，但要实现门式起重机半自动化还需要解决2个关键问题，其一是场站管理系统如何与PLC中CPU 模块通讯及交换数据；其二是场站系统每一动作操作指令的目标值为箱位或集装箱卡车、列车号，并非 PLC 能够读懂的坐标位置。

解决方案为利用门式起重机已有的工业级以太网及串口服务器，安装起重机械智能化中枢管理系统(称之为半自动控制器)，其作用是通过串口与车载电脑通讯，将场站信息系统发来的指令信息转化为门式起重机读得懂的命令并按此运行，并每隔 200 ms 通过监视 PLC 获取门式起重机运行情况，及时将节点信息反馈给场站管理系统。

起重机械智能化中枢管理系统与场站系统通过发送“数据包”进行通讯，“数据包”结构定义为：[命令名 | 参数； ……(参数可以有多个，参数与参数之间由“；”号分割) ] 校验码，命令名及说明见表1。

起重机械智能化中枢管理系统通过PLC厂家提供的自定义通讯协议主动写入或读取相关参数。场站系统获取操作指令，根据指令分类向半自动控制器发送约定消息，半自动控制器根据消息分解动作类别、源位置、目标位置的相对坐标后传给PLC，PLC执行指令并实时反馈，指令流如图1所示。

表1 指令说明

通过闭合简便的指令流设计，场站系统的指令就能转变为门式起重机的机械运动。图2为半自动系统实施后的门式起重机操纵流程图，从图中可知，以往繁杂的移动大车、小车工作已由信息系统指挥门式起重机自动完成，司机可以将精力集中在与场调沟通及吊具开闭锁的操作，而大部分移动、定位工作已被准确、快捷的半自动走行完成。

3 实施效果

2011年4月，重庆铁路集装箱中心站按照设计方案开始门式起重机作业半自动化系统试点。目前4台门式起重机全部实现了作业半自动化。运行结果表明，门式起重机作业半自动化系统有以下优点。

（1）降低门式起重机司机作业劳动强度。在整个装卸流程中只需重点关注起吊和落箱时的作业动作，大车、小车行走无需人工干预。

（2）提高作业的准确度。门式起重机定位系统在门式起重机大梁中间同步点处对小车位置进行校正，每 25 m 处通过地面定位板对门式起重机大车位置进行校正，保证了门式起重机大车、小车能准确定位。在堆场内主箱区作业时，准确性高，门式起重机司机基本无需或对吊具进行横转等微调干预即可。列车、集装箱卡车因停位不准确等原因需要门式起重机司机手工干预，但随着管理水平的提高及培训的加强，误差基本在可控范围内。

（3）箱位反馈自动、及时。在门式起重机司机解锁后，门式起重机系统自动反馈集装箱的箱位，避免人工核实和延迟反馈带来的错误和延时，并能有效地解决集装箱堆场实际数据与信息系统数据不一致问题。

（4）提高装卸作业安全。门式起重机司机在工作中不需要长时间关注大车、小车的行走，更多的精力放在装卸作业上，有利于安全生产。