桥式起重机无人化技术研究与探讨

孙 慧

中冶宝钢技术服务有限公司 上海 200941

正文：

1 桥式起重机无人化技术对电控系统的要求

主起升机构：可采用1套变频器驱动1台变频电机，采用闭环矢量控制方式，速度反馈元件采用增量脉冲编码器。

小车机构：可采用1套变频器驱动1台变频电机；大车机构可采用2套变频器分别驱动2台电机。

为了保证大、小车在自动运行中更精确地实现自动定位要求大车能够实现精确调速，同时防摇系统也要求大车能够实现快速速度响应，所以要求大、小车必须采用矢量闭环调速控制，可在大、小车电机安装增量编码器实现大、小车闭环调速控制，编码器可安装在制动轮上。

2 UACS系统在桥式起重机无人化中的应用

UACS系统是在CLTS系统的基础上增加三维成像、电子防摇、安全保护等相关设备，实现桥式起重机无人驾驶。

软件方面，通过增加地面库区管理系统（WMS）实现多台桥式起重机任务自动调度和分配；结合桥式起重机协同模型、库位推荐模型、车辆配载模型等，进一步提升地面库区自动化、智能化水平。另外，为提升安全系数可以设置桥式起重机与相关设备安全联锁功能。

2.1 车上局系统

车上局系统可由位置检测传感器（大车采用格雷母线检测方式，小车采用激光测距检测方式）、高度检测、防摇装置、车载终端、无线通讯设备、显示屏等组成：1）起重机可由电控PLC、传动系统、传感器实现起重机人工及自动控制，起重机电控PLC采集起重机大、小车、高度信息，接收地面UACS系统吊运指令，自动控制起重机；2）X轴（大车）格雷母线位置检测：格雷母线可安装在整跨起重机过道扶手旁，天线板安装在大车上，天线连接至地址编码接收器；Y轴（小车）激光测距装置：测量起重机在Y轴（小车）方向上的距离；Z轴（高度）编码器：测量吊钩起升高度；3）防摇控制器：接收防摇传感器数据，实现起重机运动过程中防摇控制；4）驾驶室车载终端：X、Y、Z轴位置的显示，接收并显示服务器发送的作业命令，指导起重机操作员进行吊运作业，并对作业实绩进行处理与返回；5）LED显示屏：可安装在起重机两侧实时显示UACS起重机的运行模式；6）防撞激光测距仪：安装起重机之间防撞激光测距仪，在起重机无人化运行过程中，可实时检测相邻起重机之间的距离，保证起重机在安全距离范围内运行。

图2-1 UACS起重机车上局总图

2.2 地上局系统

地上局系统可由主机服务器系统、无线网络系统、地面格雷母线发振单元、装/卸车形状识别系统、入库钢卷条码自动扫描系统、安全管理及警示系统、手持终端等子系统组成。

2.2.1 主机系统

考虑到硬件系统的稳定性、可靠性、完整性、可维护性等，UACS主机系统可架设3台物理机、1台磁盘柜。故障转移集群基于存储共享的双机热备是双机热备的最标准方案。采用三台服务器，使用共享存储设备。其中二台服务器可以采用热备方式，第三台服务器作为域控服务器。工作过程中，二台服务器将以一个虚拟的IP地址对外提供服务，依工作方式不同，将服务请求发送给其中一台服务器承担。域控服务器可通过心跳线侦测服务器的工作状况。当一台服务器出现故障时，另一台服务器根据心跳侦测的情况做出判断，并进行切换，接管服务。当域控服务器出现故障时，主备节点切换功能受到影响但对外业务功能正常运行，待域控服务器恢复正常则切换也恢复正常状态。对于用户而言，这一过程是全自动的，在很短时间内完成，从而对业务不会造成影响。由于使用共享的存储设备，因此主备服务器使用的实际上是一样的数据。为了后期维护考虑，可以配置1套维护站,并配置2块1T移动硬盘，用于备份数据。主机系统可采用1台支持VLAN的思科二层交换机进行数据交换。

图2-2 主机网络图

2.2.2 无线网络

可在地面库区安装5.8GHz无线基站，用于起重机与地面通信。

2.2.3 格雷母线及格雷母线发振单元

可在桥式起重机供电滑触线另一侧（防干扰）安装格雷母线，在起重机上安装格雷母线接收单元。

2.2.4 装/卸车形状识别系统

装载/卸载形状识别系统主要扫描入库车辆的材料，生成相应的入库材料，吊起物理位置，扫描出库车辆的信息，识别司机指定的丢失位置，将上述信息反馈给系统服务器，并将上述信息反馈给系统服务器。在组装/卸载通道上可安装激光扫描装置（SRS）。

图2-3 装/卸车系统结构图

图2-4 装卸车识别系统扫描成像图

2.2.5 安全管理与警示系统

无人全自动起重机系统为了保证库区的安全生产，可在库区配置安全管理与警示系统。进入厂房的所有人员必须根据现场的人行通道行走，并按照规定采取人避让起重机的规则行走；由于无人全自动起重机根据划定好的路径运行，当起重机运行路径与人员走行通道相交叉时，采取人避让起重机的原则；为了保证人员安全并给予及时的警示，起重机运行路径与人员运行通道相交处设置声光报警指示灯，当起重机通过此处时，地面安装的声光报警指示灯报警警示，地面通行人员采取避让措施。人员进入封闭库区，采用安全门连锁管理。

1）库区与起重机作业连锁：可对库区进行分区封闭。每个区可以可至少安装2扇安全门，每个安全门可安装电子锁及请求控制箱，工作人员进入封闭区可采用请求连锁并挂牌的方式，离开封闭区采用人工复位及摘牌形式。

2）地面设备运行区与起重机作业连锁：地面设备运行等区域的简易门可加装电子锁及请求控制箱，现场人员进入这些区域时自动起重机禁止驶入。

3）地面人行通道与起重机路径的警示：在地面绿色通道与起重机小车走行路线的交叉位置可安装报警指示灯，全自动起重机在这些位置进行吊运时，提示地面工作人员。

4）车辆通道与起重机路径的警示：在地面库区车辆通道入口可通过安装红绿灯提示驾驶员指导地面车辆的通行,绿灯可以开启大门进入，红灯不允许进入。

5）地面设备连锁：起重机在与地面设备做交互作业时，必须遵循连锁解锁机制。

6）起重机紧停系统：在无人起重机运行中可能出现需要紧急停止的情况，可在现场（通道旁）设置紧停按钮盒；当紧急情况发生，按下紧停按钮让起重机全部停止自动运行，通过人工干预使起重机进入安全运行状态。复位则可由人工确认，软件实现。

2.2.6 手持终端

手持终端可具体用于车辆入库命令请求、转库确认扫描、清盘库扫描等。

2.2.7 其他

HMI终端主要供起重机主操人员以及机组入出口相关人员使用，可用于实施监控起重机状态等。

2.3 UACS应用软件功能

1）WMS背景和屏幕包括调度吊车任务、吊车跟踪和控制、仓库位管理、手持等功能。

2）无人起重机车的控制系统包括起重机车、小型车、升降机控制、面包控制功能等。无人起重机车的控制系统与WMS合作，共同进行对无人起重机的控制。

3）安全管理功能，可与WMS配合完成对设备联锁、出入库区控制、红绿灯管理等。

4）SRS应用软件，扫描并识别通道停车位上车辆信息，并将识别结果发送给WMS，用于无人化起重机吊运入库或者出库。

3 数据采集及监控系统在无人化起重机上的应用

起重机作为生产企业的重要负荷和运输设备，在日常生产中起着非常重要的作用。起重机系统直接关系到生产线的生产效率。

起重机无人化运行后为确保安全，有必要对现场生产中各种信号及现场实际工况进行安全监控，形成电气信号、状态信号、现场视频信号相结合的实时记录，并进行长时间保存。这对起重机安全运行、设备检修、维护分析、故障诊断是非常重要的信息支持，同时为操作和生产过程追溯提供分析方法。

起重机监控系统可以GB/T 28264-2012标准为基础，实现对系统调度指令、起重机运行过程数据和起重机吊钩视频数据进行采集和存储。视频信号可至少保存一周，除视频信号外的其他数据采样周期不超过500ms，且保存时间至少为3个月。

4 视频监控系统应用于起重机的无人化。

无人化起重机地面库区作业人员减少，可在库区新增视频监控系统，实时监视库区起重机吊运以及通道、机组入出口情况。

操作者可以通过监控大屏幕来确认仓库状况和起重机运行情况。视频监控系统具备多画面显示，可对所有画面进行固定分配显示，确保对各个区域进行跟踪监控。同时，可配置硬盘录像机，对视频画面进行存储，可对视频画面进行调用回放。

5 结语

企业在实际发展过程中将多样化的新技术应用于实际生产，不断添加创新企业生产的产品，开拓产品的普及市场。市场发展的需求不仅是时代的革新方向。随着市场进程的加快，为了提高生产效率，不断减少劳动力成本的支出，未来无人桥式起重机的发展市场非常广阔。