自动化岸边集装箱起重机调试过程与方法

上海国际港务(集团)股份有限公司尚东集装箱码头分公司

1 引言

自动化岸边集装箱起重机(以下简称岸桥)是自动化码头的核心设备。与传统岸桥不同，自动化岸桥需接收上层指令，根据指令状态执行作业流程。自动化岸桥能自动完成大部分作业流程，操作者只需介入设备无法自动完成的部分。但在设备运行过程中，任何不稳定因素都将打断指令的执行，增加额外处理时间，影响设备作业效率。为此提高设备稳定性，减少额外处理时间，成为自动化码头设备管理核心问题[1]。

设备的生产运行状态，与设备的调试过程管理有着很大的关系[2]。洋山深水港四期自动化岸桥在执行各个自动化指令时，面临码头复杂的环境状况：多变的风速影响着设备吊具的稳定性；昼夜温差变化引起的雾气影响着设备激光传感器的精度。本文以洋山深水港四期自动化岸桥为例，从设备制造调试着手，通过归纳分析设备的调试过程及其要点，提高设备指令交互效率，充分发挥设备价值；结合其运行原理、作业工况、作业环境，分析相应调试方法。

2 洋山深水港四期岸桥基本情况

洋山深水港四期项目岸桥机型种类多，其主流机型机械结构参数如下：轨间距30 m，主起升高度轨面上49 m、轨面下19.5 m，前伸距70 m，后伸距20 m，门架起升高度16.5 m，门架前伸距11 m，门架后伸距28 m；主小车和门架小车通过中转平台进行交互协作，其中转平台位于陆侧鞍梁上方；主起升采用双吊具上架，可连接双吊具作业，其单双吊具切换于海侧鞍梁上方的框内完成。

洋山深水港四期项目岸桥采用双小车结构，主小车和门架小车通过中转平台进行交互协作。主机构通过电子防摇功能、后大梁防扭或小车架防扭功能稳定吊具，实现主机构对平台、AGV(自动引导车)的自动抓放箱流程；门架机构采用八绳机械防摇稳定吊具，TDS(Target Detection System,目标检测系统)配合SDS(Spreader Detection System,吊具检测系统)检测目标位置与吊具位置，通过门架吊具上架的微动机构调整吊具位置，实现门架机构对平台、AGV的自动抓放箱流程。

洋山深水港四期项目岸桥电控系统底层采用西门子“SIMOCRANE”的解决方案。该方案基于“SIMATIC+SIMOTION+SINAMICS”平台，能清晰地分配各种任务，其中SIMOTION承担所有系统化集成的起重工艺，上层采用振华电气(EZ)设计的ACCS(Automatic Crane Control System，自动化起重机控制系统)。ACCS作为整个自动化岸桥的控制层，在实际生产中，ACCS需要与QCMS(Quay Crane Management System, 岸桥管理系统)、TDS、SDS等进行数据交互，解析与校验QCMS指令，对门架进行控制，给主小车发指令，完成岸桥的控制。其控制流程如图1所示。

图1 洋山深水港四期自动化岸桥控制流程

3 调试过程及其要点

洋山深水港四期自动化岸桥调试过程包括调试前准备、基础功能调试、自动化功能调试、联合调试、功能优化。

3.1 调试前准备

在设备各功能开始调试之前，主要有两部分工作需要完成：一是整机钢结构的焊接、涂装及总装；二是整机机械、电气的排装，主要包括各个机构电机、制动器排装，以及电子元器件、电缆的安装排布。在此过程中，施工方需严格按照设计图纸施工；监理方需全程按照设计质量要求报验；用户方需积极参与项目的施工与报验，结合自身码头生产作业需求，及时提出相应的优化整改。

此过程的主要目标是为后续的调试做好充分准备，确保后续调试过程安全、顺利。其核心要点在于充分了解设备基本知识、核心部件工作原理，加强设备相关同功能产品的拓展了解，提前做好设备相关知识的储备工作，为后续的调试管理工作打好基础。

3.2 基础功能调试

完成准备工作之后，便开始逐步送电调试各个基础功能，其大致过程如下：送高压，测量相序；建立通讯，下载项目程序；控制合，驱动器送电；整定电机参数；液压站及制动器调试；起升超速报验；穿钢丝绳；托架张紧、挂舱液压站调试；主起升、主小车、俯仰机构调试；吊具功能调试；主机构防摇、防扭功能调试；门架小车、门架起升调试；SPSS、TDS、SDS、CCTV、ACCS通讯建立等。以上调试过程可根据实际情况做简单的调整。

在基础功能调试的结束节点上，有2个重点项目需要特别关注：功能试车和耐久测试。功能试车的主要目的是检验设备基础功能是否齐全及各个功能是否能够达到设计要求，并需在此过程中配上重载测试，验证设备机械强度是否合格；耐久测试的主要目的是检验设备运行稳定性是否满足后续功能调试要求，此过程中设备发生的故障极大可能是由于设计缺陷，需重点关注，全面分析故障原因，及时整改优化。

此过程的主要目标是实现单机基础功能，初步磨合设备，发现问题及时整改，为后续自动化调试打好基础。其核心要点在于熟悉设备每个基础功能的工作原理及相关参数意义，理解各个基础功能之间的配合作业关系，为后续的调试管理工作打好基础。

3.3 自动化功能调试

完成各个基础功能调试及相应测试之后，便开始设备的自动化功能调试，实现主机构、门架机构的自动化指令执行功能，其过程如下：建立ACCS与QCMS通讯；主机构、门架机构指令接收、校验调试；主机构、门架机构位置标定；主机构、门架机构各个指令执行调试；中转平台功能、防撞调试等。

在自动化功能调试的结束节点上，需要进行单机自动化24 h的耐久效率测试。此测试过程中，设备根据上层软件的指令状态执行流程，其主要目的为检验单机设备与上层软件间的指令交互、执行能力，以便加入后续三大机种的联调生产。

此过程的主要目标是实现主机构、门架机构的自动化功能，实现上层软件与单机设备之间的交互稳定、安全。其核心要点在于理解上层软件与单机设备的交互机理，以及各个自动化指令流程之间的衔接，为后续功能优化管理工作打好基础。

3.4 联合调试

联合调试过程为：由普通到特殊，循序渐进地进行作业流程测试及实船工况测试，编写测试用例。主要目标是完善上层软件与单机设备的配合，应对实船作业的复杂工况，实现实船作业能力。其核心要点在于紧靠生产，了解掌握岸桥业务作业流程需求，完善设备作业工况应对能力。

3.5 功能优化

尽管完成联合调试之后的设备具备了生产作业能力，但后续的功能优化才是整个设备调试的重点、难点。其主要优化内容包括：单机设备主机构、门架机构指令执行效率优化；单机设备与上层软件之间的交互优化；双吊具功能优化；中转平台管控流程优化；人机交互系统优化等。

此过程的主要目标是提高设备的指令执行效率，提高软件应对复杂工况的鲁棒性，提高故障诊断效率，优化人机交互系统，优化设备管理，全方位提高设备作业效率。此过程核心要点在于充分理解利用设备知识，从三方面思索设备功能优化：设备稳定性、设备指令执行效率、设备人机交互系统友好程度，尝试通过多种方法途径对设备进行挖掘分析，提高设备指令交互效率，降低异常工况处理时间。

4 调试方法与实例

4.1 变频器波形分析

以起升和起升电缆卷盘的控制为例做简单介绍。主起升有2套变频器和电机(起升1和起升2)，起升1的控制方式为速度控制，即速度给定与速度反馈比较，当速度给定大于速度反馈时增加力矩，反之减少力矩。起升2的控制方式为力矩跟随，即跟随起升1的力矩输出，以此达到起升1和起升2的同步功能。在起升机构全速运行时，可通过拍摄变频器波形，参看速度给定和反馈是否稳定匹配、力矩输出是否平稳等，以此判断机构全程机械方面是否有额外不正常阻力因素。起升卷盘的控制方式为速度控制，力矩限幅，通过限制不同过程、不同起升高度的力矩限幅值，达到卷盘电缆与起升的跟随。当电缆频繁出现松缆或是过紧故障时，可通过波形参看其力矩输出，调整相应控制参数。

4.2 吊具姿态位置分析

在主机构吊具进行自动化抓放箱过程中，吊具的姿态位置检测精度非常重要，高精度的吊具位置检测算法是实现高效率自动抓放箱的前提。下面以岸桥主吊具的位置检测算法为例做简单分析。

主吊具位置姿态通过西门子防摇系统的反馈值计算得到，其反馈值包括X轴偏差(小车方向)、Y轴偏差(大车方向)及Z轴旋转角度及其对应速度。由于反馈值存在波动，无法直接使用，因此需结合实际情况，对其反馈数据进行相应处理，如滤波。除此之外，在计算吊具姿态位置时，还需要考虑其位置反馈反光板的安装位置等。所以，在分析吊具姿态位置时，需综合考虑众多要素，以达到理想效果。

4.3 机构运动学分析

机构在自动化流程执行过程中，实质是小车和起升通过钢丝绳对吊具的运动学控制。结合机构运动学分析控制逻辑，便于优化机构控制逻辑，以提高自动化流程执行效率。下面以主吊具执行中转平台自动着箱控制流程为例，分析其控制优化思路。

主吊具中转平台自动着箱采用的控制流程为：当小车到达目标时，起升下降进入自动着箱检测范围区间，该区间开始判断吊具位置、姿态是否满足吊具着箱条件，满足条件，起升继续下降；不满足条件，起升减速停止，等待检测条件满足后继续下降。在此过程中，检测条件范围可根据起升高度适当调整，越靠近集装箱，检测条件范围越小，以避免起升的频繁启停。在检测范围阶段，可让起升做匀减速运动，从而利用向下的减速，提供一个额外的拖拽力，稳定吊具。

4.4 设备大数据

设备使用过程中无时无刻不在产生大量的数据，懂得收集设备数据，利用机器学习、深度学习等数据分析算法对其进行挖掘分析，将获取额外的价值。通过收集统计设备故障发生的类别及次数，以便集中精力分析故障频发的部位，高效做出相应优化调整；通过收集统计设备优秀操作者的操作数据，得到相应的操作特征习惯，提炼相应专家操作系统，可用于设备操作者的培训；通过收集统计设备各个流程的执行时间，比较分析相同流程下不同执行时间的设备数据，提取相应特征，从而优化设备的流程控制。

5 结语

通过对洋山深水港四期自动化岸桥设备调试过程进行分析，结合设备运行原理、作业工况、作业环境归纳调试要点，建立全流程的调试管理方案，从而提高设备指令交互效率，充分发挥设备价值，便于日后设备调试过程的高效管理，提升自动化码头环境下自动化岸桥的整体水平。