场桥防“打保龄”技术应用
2014-10-17蔡国强吴海生王朝栋
蔡国强+吴海生+王朝栋
在集装箱装卸作业过程中，场桥吊具及其起吊集装箱可能因起升高度不足而碰箱，造成作业箱堆及相邻箱堆连锁倾翻事故，此类事故类似于打保龄球，故俗称“打保龄”。场桥“打保龄”事故轻则造成箱损，重则造成人员伤亡，后果难以预测。本文以赤湾集装箱码头有限公司（以下简称赤湾集装箱码头）和安川工控系统为例，介绍全球定位系统（Global Positioning System，GPS）与可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）系统相结合的场桥防“打保龄”技术方案。
1 场桥防“打保龄”功能设计
1.1 本贝位防“打保龄”功能设计
在场桥司机选取作业指令准备作业的过程中（即从选取作业指令到开锁成功的时间段），移动基站软件根据该贝位各排集装箱堆码高度、待作业集装箱高度和堆场其他相关属性计算吊具和吊具上集装箱与本贝位集装箱的水平和垂直距离。当上述任一距离小于设定值时，移动基站软件弹出对话框提示司机，同时将上述判断条件信息发送至PLC，由PLC进行本贝位防“打保龄”计算，并对吊具进行控制。
1.2 相邻贝位防“打保龄”功能设计
当场桥司机作业时，移动基站软件实时计算吊具中心位置与贝位中心线的距离。当该距离大于设定值时，移动基站软件以声音或图标方式提示司机，同时向PLC发送小车停止命令。此时，司机只能在GPS切换到旁路的前提下移动小车，移动基站软件能够记录GPS旁路状态。
1.3 异常处理功能设计
1.3.1 无线信号异常处理
由于赤湾集装箱码头的网络环境良好且移动基站软件具有自动重连功能，网络断线一般在1～内便可恢复。除非网络大面积瘫痪导致集装箱码头操作系统的作业指令不能到达，无法进行作业，否则不会出现移动基站软件集装箱分布信息不准确的情况。综上所述，无线信号异常的情况可以不用考虑。
1.3.2 GPS异常处理
当GPS定位精度无法达到厘米级时，移动基站软件将GPS故障信息发送至PLC，PLC根据信息设置按照大门字形作业。
1.3.3 8570-PLC串口通信异常处理
在通信接口设计上，在系统中设置自增一的消息编号和校验位，形成移动基站软件与PLC互相监控状态。当PLC发现接口中消息编号不能有规律地自增一时，设置按照大门字形作业。
2 场桥防“打保龄”技术方案
2.1 各机构运行方案
在场桥目标箱周边一定范围内设置减速区、10%全速区和停止区。如图1所示，场桥目标箱周围划分为A、B、C、D、E、F等6个区域，各区域对应场桥小车水平方向和垂直方向速度如表1所示。
2.1.1 车道上方小车减速方案
在场桥车道上方设置减速区、10%全速区和停止区。如图2所示：空吊具从车道下放到距离地面5.0～区域为小车减速区，下放到距离地面时小车停止，手柄回零位一次，小车全速；吊具吊箱从车道下放到距离地面7.9～区域为小车减速区，下放到距离地面时小车停止，手柄回零位一次，小车全速。
2.1.2 水平方向小车减速方案
当吊具起升高度低于前方箱高加时，小车从水平方向距离目标位置时开始减速，距离目标位置时速度减至全速的10%，距离目标位置时停止，距离目标位置不足时保留点动功能（见图3）。当吊具起升高度高于前方箱高加（小车和起升机构联动时为）时，小车全速。
2.1.3 垂直方向小车减速方案
当吊具垂直方向距离目标箱时小车开始减速，距离箱顶（当小车和起升机构联动时为）时速度减至全速的10%，然后以10%全速放箱至目标箱上（见图4）。若吊具中心线所在集装箱的中心线与吊具中心线的偏差小于（空箱区为），系统默认此集装箱为目标箱，小车减速以此集装箱为距离参照标准（见图5）。
2.1.4 小车半速区和车道减速区设置方案
当吊具或吊箱底部距离地面不足时，小车水平方向速度设置为50%全速（见图6）。当吊具起升高度在以下时，小车从场地向车道行走，在接近车道时减速，在到达车道边界时水平方向速度设置为10%全速（见图7）。
2.1.5 负载起升速度设置方案
（1）当吊具闭锁提箱起升不足时，小车慢速；吊具起升至处停止一次，手柄归零后，负载起升全速。
（2）当无线网络信号不稳定且GPS无信号时，终端机弹出“吊具走大门字形”对话框（见图8），此时当吊具负载起升高度达时，小车才有全速，空吊具则不受影响；当GPS信号恢复正常时，防“打保龄”功能重新启动，同时有对话框提示（见图9）。
2.1.6 吊具控制方案
当吊具吊错箱或放箱位置错误时，PLC控制吊具不能转锁。此外，系统还设有大车跑偏和小车跑偏报警及禁行等功能。
2.2 场桥防“打保龄”程序编写
2.2.1 程序组成
场桥防“打保龄”程序主要由场桥GPS定位及各机构定位控制程序组成，主要程序段如图10所示。
2.2.2 控制流程及定位
2.2.2.1 控制流程
场桥防“打保龄”控制流程如图11所示。
2.2.2.2 场桥定位及控制
（1）大车定位及控制 大车主要是靠安装在场桥小车顶的GPS天线定位，集装箱码头操作系统将场桥位置信息发送至场桥PLC，由其运算确定场桥位置。当同场地场桥跑大车控制条件为“系统发送运行方向有场桥”时，运行场桥在距离障碍场桥时开始减速，距离时速度减至为全速的20%，距离时停止。
（2）起升定位及控制 场桥运行到目标箱位的相应贝位，通过集装箱码头操作系统将目标箱位信息发送给PLC，由其根据起升编码器计算吊具高度，并结合GPS控制起升机构（吊具）运行。
（3）小车定位及控制 场桥运行到目标箱位的相应贝位，通过集装箱码头操作系统将目标箱位信息发送给PLC，由其根据小车编码器计算小车位置，并结合GPS控制小车运行。
（4）吊具控制 PLC根据GPS定位信息及集装箱码头操作系统发送的目标箱位进行计算，进而控制吊具动作：当吊具吊错集装箱时，其不能闭锁；当吊具放箱位置错误时，其不能开锁。
3 场桥防“打保龄”功能测试
在实际生产环境下，移动基站软件将集装箱分布、GPS定位等信息发送至PLC，实现场桥防“打保龄”功能。相同工况、不同操作方式下场桥作业20个集装箱所用时间及单箱平均作业时间分别如表2和表3所示。
（1）与没降频率走大门字形作业模式相比，没降频率且带GPS防“打保龄”功能作业模式下的空箱卸箱平均单箱作业快，空箱装箱平均单箱作业快，重箱卸箱平均单箱作业快，重箱装箱平均单箱作业快10 s。
（2）与降频率且带GPS防“打保龄”功能的作业模式相比，没降频率且带GPS防“打保龄”功能作业模式下的空箱卸箱平均单箱作业快，空箱装箱平均单箱作业快，重箱卸箱平均单箱作业快，重箱装箱平均单箱作业快。
（3）与降频率走大门字形作业模式相比，没降频率走大门字形作业模式下的空箱卸箱平均单箱作业快，空箱装箱平均单箱作业快，重箱卸箱平均单箱作业快，重箱装箱平均单箱作业快。
（4）与降频率走大门字形作业模式相比，没降频率且带GPS防“打保龄”功能作业模式下的空箱卸箱平均单箱作业快，空箱装箱平均单箱作业快，重箱卸箱平均单箱作业快，重箱装箱平均单箱作业快20 s。
4 场桥防“打保龄”技术应用效益
根据计算：场桥带GPS防“打保龄”功能作业模式与走门字形作业模式相比可节约作业时间约/TEU；按场桥每年作业集装箱500万TEU及吊1个集装箱耗电约2.3 kW h且耗时120 s计算，场桥带GPS防“打保龄”功能作业模式每年可以节约成本143.75万元人民币。
赤湾集装箱码头自2008年应用场桥防“打保龄”技术以来，场桥作业安全性和效率大大提升。截至2014年6月，赤湾集装箱码头场桥在带GPS防“打保龄”功能作业模式下“打保龄”事故率为0。总之，场桥GPS防“打保龄”技术不仅有利于提高码头作业效率，节约生产成本，而且有助于降低司机劳动强度和生产事故率，对保障码头作业安全具有积极作用。
（编辑：曹莉琼 收稿日期：2014-08-28）
（3）小车定位及控制 场桥运行到目标箱位的相应贝位，通过集装箱码头操作系统将目标箱位信息发送给PLC，由其根据小车编码器计算小车位置，并结合GPS控制小车运行。
（4）吊具控制 PLC根据GPS定位信息及集装箱码头操作系统发送的目标箱位进行计算，进而控制吊具动作：当吊具吊错集装箱时，其不能闭锁；当吊具放箱位置错误时，其不能开锁。
3 场桥防“打保龄”功能测试
在实际生产环境下，移动基站软件将集装箱分布、GPS定位等信息发送至PLC，实现场桥防“打保龄”功能。相同工况、不同操作方式下场桥作业20个集装箱所用时间及单箱平均作业时间分别如表2和表3所示。
（1）与没降频率走大门字形作业模式相比，没降频率且带GPS防“打保龄”功能作业模式下的空箱卸箱平均单箱作业快，空箱装箱平均单箱作业快，重箱卸箱平均单箱作业快，重箱装箱平均单箱作业快10 s。
（2）与降频率且带GPS防“打保龄”功能的作业模式相比，没降频率且带GPS防“打保龄”功能作业模式下的空箱卸箱平均单箱作业快，空箱装箱平均单箱作业快，重箱卸箱平均单箱作业快，重箱装箱平均单箱作业快。
（3）与降频率走大门字形作业模式相比，没降频率走大门字形作业模式下的空箱卸箱平均单箱作业快，空箱装箱平均单箱作业快，重箱卸箱平均单箱作业快，重箱装箱平均单箱作业快。
（4）与降频率走大门字形作业模式相比，没降频率且带GPS防“打保龄”功能作业模式下的空箱卸箱平均单箱作业快，空箱装箱平均单箱作业快，重箱卸箱平均单箱作业快，重箱装箱平均单箱作业快20 s。
4 场桥防“打保龄”技术应用效益
根据计算：场桥带GPS防“打保龄”功能作业模式与走门字形作业模式相比可节约作业时间约/TEU；按场桥每年作业集装箱500万TEU及吊1个集装箱耗电约2.3 kW h且耗时120 s计算，场桥带GPS防“打保龄”功能作业模式每年可以节约成本143.75万元人民币。
赤湾集装箱码头自2008年应用场桥防“打保龄”技术以来，场桥作业安全性和效率大大提升。截至2014年6月，赤湾集装箱码头场桥在带GPS防“打保龄”功能作业模式下“打保龄”事故率为0。总之，场桥GPS防“打保龄”技术不仅有利于提高码头作业效率，节约生产成本，而且有助于降低司机劳动强度和生产事故率，对保障码头作业安全具有积极作用。
（编辑：曹莉琼 收稿日期：2014-08-28）
（3）小车定位及控制 场桥运行到目标箱位的相应贝位，通过集装箱码头操作系统将目标箱位信息发送给PLC，由其根据小车编码器计算小车位置，并结合GPS控制小车运行。
（4）吊具控制 PLC根据GPS定位信息及集装箱码头操作系统发送的目标箱位进行计算，进而控制吊具动作：当吊具吊错集装箱时，其不能闭锁；当吊具放箱位置错误时，其不能开锁。
3 场桥防“打保龄”功能测试
在实际生产环境下，移动基站软件将集装箱分布、GPS定位等信息发送至PLC，实现场桥防“打保龄”功能。相同工况、不同操作方式下场桥作业20个集装箱所用时间及单箱平均作业时间分别如表2和表3所示。
（1）与没降频率走大门字形作业模式相比，没降频率且带GPS防“打保龄”功能作业模式下的空箱卸箱平均单箱作业快，空箱装箱平均单箱作业快，重箱卸箱平均单箱作业快，重箱装箱平均单箱作业快10 s。
（2）与降频率且带GPS防“打保龄”功能的作业模式相比，没降频率且带GPS防“打保龄”功能作业模式下的空箱卸箱平均单箱作业快，空箱装箱平均单箱作业快，重箱卸箱平均单箱作业快，重箱装箱平均单箱作业快。
（3）与降频率走大门字形作业模式相比，没降频率走大门字形作业模式下的空箱卸箱平均单箱作业快，空箱装箱平均单箱作业快，重箱卸箱平均单箱作业快，重箱装箱平均单箱作业快。
（4）与降频率走大门字形作业模式相比，没降频率且带GPS防“打保龄”功能作业模式下的空箱卸箱平均单箱作业快，空箱装箱平均单箱作业快，重箱卸箱平均单箱作业快，重箱装箱平均单箱作业快20 s。
4 场桥防“打保龄”技术应用效益
根据计算：场桥带GPS防“打保龄”功能作业模式与走门字形作业模式相比可节约作业时间约/TEU；按场桥每年作业集装箱500万TEU及吊1个集装箱耗电约2.3 kW h且耗时120 s计算，场桥带GPS防“打保龄”功能作业模式每年可以节约成本143.75万元人民币。
赤湾集装箱码头自2008年应用场桥防“打保龄”技术以来，场桥作业安全性和效率大大提升。截至2014年6月，赤湾集装箱码头场桥在带GPS防“打保龄”功能作业模式下“打保龄”事故率为0。总之，场桥GPS防“打保龄”技术不仅有利于提高码头作业效率，节约生产成本，而且有助于降低司机劳动强度和生产事故率，对保障码头作业安全具有积极作用。
（编辑：曹莉琼 收稿日期：2014-08-28）
