岸边集装箱起重机远程自动化操作技术难点及解决方案

庞维健

（上海振华重工(集团)股份有限公司，上海 200125）

目前港口岸边集装箱起重机的远程化、无人化、自动化等等研究正逐渐被提上日程，振华港机已经早早的开展了这方面的研究。本文着重分析研究振华港机全球自动化码头控制中的技术难点，并提出相应的解决方案。

1 岸边集装箱起重机远程自动化操作技术难点

1.1 船上集装箱位置精确检测技术

船上集装箱精确检测技术一直是自动化操作技术的难题。众所周知，世界上的船型不计其数，每条船上的集装箱堆放情况各不相同，再加上集装箱船压舱的程度各不相同，导致了对岸边集装箱起重机的自动化控制提出了非常高的要求。在岸边集装箱起重机自动化控制研究中，有一个全球港机制造厂家都在研究的课题：设计一套精准的位置检测系统能在复杂的船型中找到需要抓取的箱子，并且设计出小车机构和起升机构行进的路线，行进路线需要能准确避开路线上的障碍物，并实时调整小车运行的最大速度，保证在距离障碍物3米左右时，小车的运行速度自动减速到全速的10%，并且只有当吊具或者集装箱体高于障碍物时，小车速度才会恢复。当起升抵达目标位置正上方时，需要对起升周围设置保护范围，当高度抵达安全距离时，通过岸桥的自动控制系统完成减速，并以此速度完成着箱。此位置检测技术的精准程度，决定了码头的自动化程度，是当今各大港口机械厂家都在争相研发的技术。

1.2 高精度防摇和自动控制技术

岸桥设备在运行时，自身会产生一定的晃动，并且由于起升机构由钢丝绳驱动，在小车进行海陆方向运行时，根据惯性原理起升机构会产生一定的摆动。以往在人工作业时，有经验的司机会通过自行跟车，减少吊具摆动幅度，以达到提高作业效率的目的。但是对于自动化码头来说，这就成了一个难题，如何才能在机构高速自动化运行过程中完成自动防摇，并精确的使起升机构停在目标位置上方。鉴于当今远洋集装箱船只越来越大，同时也越来越高，目前世界上最大的集装箱船可以达到21413TEU，所以船公司对于码头作业效率的要求也会越来越高，自动防摇和小车精确走位往往能直接影响码头的作业效率，在自动化码头中这项技术尤为关键，如果控制得当能大幅度缩减作业循环周期提高效率。因此此项研究技术对于码头自动化控制有着重要意义，同时也是必须攻克的技术之一。

1.3 大车自动向目标位置移动和确认的控制技术

以往人工作业时，岸边集装箱机械大车部分的位移往往可以通过司机的点动来操作，司机通过这部分操作来完成岸桥和船舱中集装箱的对位。这部分操作可以凭借司机的肉眼完成，但随着港口自动化进程的推进，这也成了必须攻克的一项课题，如何才能使设备在无人控制的情况下精确的运行至作业区域成为能否完成自动化控制的一项关键技术。

2 集装箱起重机远程自动化操作解决方案

针对以上这些难题，振华港机和世界知名系统集成厂家根据各个码头实际作业的情况，共同研发了适合自动化码头的解决方案。

2.1 目标位置传感器系统（TPSS）的应用

目标位置传感器系统主要用于检测目标，岸桥小车以及起升机构之间的相对位置，主要用于规划自动化岸桥的作业路径以及对岸桥各大机构进行速度的控制。TPSS这个系统包括两个目标位置传感器激光扫描仪，它们装在小车架上，与AC500控制器通讯。这个传感器在小车的方向上测量目标的位置（比如一个船上堆放的集装箱）。当设备测量到数据后，就可以计算出吊具和目标之间的相对位置，并规划出机构运行的线路。TPSS系统在小车和大车方向上提供一个校正的参考值，以此来确保吊具或者箱子位置的最佳精度。当从集卡上吊起集装箱时，TPSS会让吊具进行自动回转校正，确保在着箱前吊具可以和集装箱的偏转位置吻合。同时TPSS也能反馈堆放的高度，在船上集装箱堆放的位置，障碍物的高度，这取决于实际执行的作业指令。如果目标的外观、高度或者位置不能被识别或者测量，TPSS会反馈错误的信息并要求人工干预。同时系统会发一个错误的信息给控制系统，故障能在CMS监控屏上显示。

TPSS在不同的工作工况下也可以用于以下检测项目。

（1）堆放高度的验证。在船上箱区内或者在车道内着箱前，TPSS会检测实际目标的高度，然后在着箱前修正最终的高度。这个程度保证吊具会按照预设的着箱速度来到目标上，而不会有长距离的慢速。如果检测的实际高度与目标的高度差别很大，那么设备就会减速并停止运行，同时系统就会报错，然后岸桥停止自动化操作并向远程操作台寻求帮助。

（2）集装箱尺寸的验证。在吊起集装箱之前，系统已经对集装箱的长度进行了检查，来验证吊具的尺寸是否和作业指令中的目标集装箱相匹配。这个检查针对所有自动化吊箱作业，在船上箱区内或者在车道内着箱前，以此信息来和码头的TOS系统和吊具自身数据信息进行比对，以此来保证集装箱尺寸的准确性。

（3）着箱验证。为了验证正在着箱作业的箱子是否在公差范围内，TPSS会在小车方向上检查要被放下去的集装箱和下面那个已经开锁的集装箱之间的差别。这个检查针对每一次的自动化抓箱和放箱操作，以保证集装箱任何的移位或因故意堆放不齐所导致堆放的不稳定。如果有错误发生，会触发着箱的自动“重置”功能来解决问题。如果三次尝试都不能解决问题，将会要求远程操作台的协助。

（4）集装箱型号的验证。TPSS会特别识别以下几种型号的集装箱：常规的20'，40'或者45'长，8'6或者9'6高的集装箱。

2.2 带载位置传感系统（LPS）

带载位置传感系统在岸桥上主要用于精确的自动防摇控制，以此来减少设备单次循环作业的周期，提高作业效率。带载位置传感器（LPS），包括一个装在小车架上的接收器以及两个装在吊具上架上的发射器。LPS是测量XP—Y坐标（大车和小车方向）以及吊具倾转、平移、回转的相关位置。从LPS可以得到起升，小车，大车位置的信息。

以下主要因素可能会影响到吊具位置的精确计算：（1）扭转大车结构要根据带载的重量，小车的位置，风速，室外温度等等。（2）在X，Y，Z坐标上大车轨道的偏差或倾斜。

由于这些因素的误差大，需要被调整来实现高度一致的精确着箱。而这些调整需要通过TPSS来测量。LPS在倾斜度和平移上测量所吊重物的倾斜度和平移量取决于非对称的载荷分布和钢丝绳的调整，还有当把一个集装箱放到另一个集装箱上时，由于大梁的倾斜所导致的错误。利用一个顶部标记（这就是一个LPS发射器要高于另一个发射器的原因），这样LPS就能够精确地测量重物的倾斜度和平移量，从而决定了重物底部的位置。这个位置在自动化岸桥控制系统中运用，可以确保着箱时的准确性。LPS良好的校正对集装箱能否堆放到准确的位置启着至关重要的作用。在码头场地确定的位置上准确地安装一个RIG装置，利用LPS的参考标记，它能自动地校正LPS。在同一个场区内的岸桥使用同一个参考位置对LPS进行校正，可以大大提高箱子堆放的精度。岸桥移动到RIG校正装置位置时，校正过程开始。然后，操作员在CMS上按一个按钮触发校正。这个参考标记同样可以给TPSS进行校正。这样能保证TPSS和LPS精确测量的一致性。在调试过程中，当吊具或者装在吊具上架上的LPS的反射板被替换，就需要手动进行校正工作。

2.3 大车RFID定位技术

大车位置检测采用RFID技术。在轨道吊两侧各安装一套Gotting传感器与地面对应的地方安装磁钉（Transponder）用于位置检测。同时，安装磁铁限位用于大车位置校验。磁钉安装要求需要在港口土建时进行。

（1）磁钉在地面每隔5米布置一个，磁钉测量误差控制在1cm以内。磁钉周围最少200mm半径范围内，深度100mm内不能有金属层，保证磁钉能被有效的检测出来。

（2）若采用螺栓固定方式，则螺栓扭矩不超过4Nm(牛·米)，垫片的直径不超过18mm。

（3）配合98780型号天线，磁钉的上表面和天线之间间距为75mm。

（4）磁钉可正常工作的温度范围是：-20度～60度，作业时的温度不得超过影响磁钉性能的最高温度（80度）。

3 结语

振华港机的自动化港口机械设备目前已经基本都配备了目标位置传感器系统（TPSS），带载位置传感系统（LPS）以及大车RFID定位系统，这些系统对提高港口机械的自动化程度有着举足轻重的作用，在上海洋山港、青岛港等国内知名自动化码头这些系统已经投入了实际使用，在经过不断地完善和升级之后，这些系统在自动化码头正在发挥着越来越重要的作用，这些港口机械自动化控制系统将会拓展更广阔的市场。