智能化链接的工业革命正在制造业展开

2020-08-09邓凌生

经济 2020年8期

伴随人类文明的发展和互联网技术的成熟应用，从工业4.0到中国制造2025，智能化链接的工业革命已经在制造业展开。

今年时值万福乐中国公司成立15周年，喜讯之一是合作伙伴振华重工的南非子公司获得南非国家运输公司（Transnet）共计88台港口跨运车的大订单。2018年7月，振华重工全球首台无人驾驶跨运车正式下地，在现代化、智能化码头的创新设计中，迈出了可喜的一步。作为智能化、数字化的配套需求，万福乐始终为跨运车提供智能转向系统的液壓控制，包括硬件和软件的配套。

作为振华重工的合作伙伴，万福乐中国公司在过去几年相继为厦门港提供了现代化自动化码头的液压系统，也为青岛港自动化码头以及洋山港四期自动化码头的建设，提供了液压系统成套。之前，码头集装箱因为载荷不均衡导致起吊后发生位置偏差，容易引发失控倾翻。为了解决这个问题，这10多年来的现代化码头建设从早些年集装箱同步控制，采用总线技术，采集4个角的实际位置，通过数字输入到控制器，与设定值比较，从而计算出偏差信号予以纠正，实现同步控制，到后来的AGV小车（自动导航车），再发展到跨运车，再进步到采用无人驾驶模式，一步一步地打造出今天高度自动化的无人码头。

在岸桥集装箱起重机同步控制技术落地

倾转液压系统可以缩短吊具与集装箱的对箱时间，提高码头的装卸效率，在岸桥中起着非常重要的作用。岸桥吊具的倾转动作由4个油缸的不同组合实现，为保证集装箱在空中的姿态和稳定性，要求4个油缸在移动中有较高的同步精度和平稳性。将倾转油缸的动作组合和PID闭环控制集成到MD2控制器中，简化了PLC中的同步程序，缩短控制的循环周期，提高了同步精度。MD2控制器通过BCD码组合的方式通过普通I/O口接收PLC指令，简化了通讯方式，便于配合不同PLC控制器使用。MD2控制参数可以通过PASO软件在线修改，人机交互界面良好，提高了系统在不同场合的适应性。通过实际应用，同步精度高于±2mm，有效提高吊具倾转控制的精度。

岸桥也称为岸边集装箱起重机，自1965年诞生以来得到了飞速的发展，改变了船运和物流行业的格局，是现代化港口的重要组成部分。岸桥是港口的主要设备，目前正朝着大型化、智能化、低能耗的方向发展。港口的节能降耗就要从岸桥的装卸效率入手。司机在操作岸桥的过程中，高效准确的对箱、抓箱、放箱是装卸效率的关键，但在船上的集装箱常常会出现方向与水平面有一定的倾斜，平面有一定的倾斜，剖面母线与码头轨道不平行等。这些情况的出现给岸桥司机对箱作业造成极大困难。因此，岸桥的吊具必须具备左右倾、前后倾、水平回转这3大功能。

倾转系统工作原理。倾转系统可以使吊具在空中实现姿态的调整。根据安装位置的不同，主要分为两种：一种是独立的系统安装在吊具上;另一种是集成在防挂仓系统中，组成多功能挂仓液压保护系统。后者不但具有防挂仓的功能，同时还具备吊具倾转的功能，因此成为主流。多功能挂仓液压系统相对于单独挂仓液压系统只是增加了油缸的长度，但要求4个油缸同步运动，这也正是倾转控制的关键。

“左旋”“右旋”动作的产生原理是位于小车上的起升钢丝绳前后滑轮的间距比吊具上的前后滑轮的间距大，所以吊具上前后两根钢丝绳之间形成一个三角形的夹角，两根钢丝绳分别有一个向前、向后的分力。

倾转控制与实现。吊具的倾转控制关键是4个油缸的同步。通常采用的方法是主控PLC通过比例放大器控制比例阀，从而控制4个油缸的运动。油缸高精度的同步需要闭环控制，因此油缸中安装位移传感器来检测位置。

主控PLC控制整个岸桥的各个动作，检测所有设备的运转情况，这些自然增加了程序的运行周期，同时各种中断程序的调用也会增加程序周期的不确定性。采用主控PLC执行同步闭环控制的时候会影响同步精度。同步控制程序对编写、调试有较高的要求，因此主控PLC中的同步控制经常会出现振荡、油缸窜动等现象。这些对于悬在空中40吨的集装箱来说影响是巨大的，如果产生共振，结果将是灾难性的。

对于倾转液压系统的同步控制应该由单独的控制子站来完成，子站接收主站的控制指令，同时将运行状态传递给主站。倾转控制系统除了完成倾转油缸运动的同步控制外，还要实现远程就地控制的切换，这样岸桥维修的时候就可以在后大梁上直接对倾转油缸进行控制。岸桥倾转控制子站还要可以对油缸的零位自由设定，并且当油缸在任意状态下可以通过油缸复位的指令使所有油缸同时回到零位。针对这些要求在MD2控制器的基础上针对倾转液压系统开发了MD2AA同步控制器。MD2AA控制比例阀的8个比例电磁铁S1～S8实现对吊具的控制。

无人驾驶跨运车将有广阔市场前景

跨运车最早是1913年由Harry B.Ross发明的，用于运送木材。随着集装箱海运业的发展，集装箱跨运车（Container Straddle Carrier）在20世纪60 年代出现，并逐渐活跃于各大港口。跨运车是将水平短距离运输、集装箱堆码和对集卡进行装卸融为一体的机械设备，实现了取、放、送、运一机多用，相比于门架式搬运机和轮胎式起重机，其机动性、灵活性更好。在货物港口、集装箱码头、物流场站和中转站堆场等得到广泛应用。近年来混合动力、无人驾驶跨运车迅速发展，为港口的节能减排和智能化发展带来新的动力。

集装箱跨运车被广泛应用于许多国家的货物港口、集装箱码头。在欧美国家的大型集装箱码头，如荷兰鹿特丹港及阿姆斯特丹港、美国洛杉矶港、法国滨海福斯港和勒弗尔港、英国的利物浦港、北爱尔兰的贝尔法斯特港等都有广泛应用。

国际市场上目前主要厂商有卡尔玛（Kalmar）、诺尔（Noell ，2009年被科尼收购）、科尼（Knonecranes， 2015年与特雷克斯合并）和特雷克斯（Terex）、维美德公司（Valmet）和利勃海尔（Liebherr）等几家企业。产品主要有6轮和8轮两种，6轮一般是堆一过一，8轮一般是堆一过二，或堆一过三，主要用于短中途集装箱运输，跨运车能更快捷地完成岸边集装箱起重机作业和更高效地完成陆侧作业，故深受各运营商的青睐。

国内的振华重工（ZMPC）于2018年发布了能够无人驾駛的集装箱跨运车，有6轮和8轮两种，首次采用液压控制独立转向系统，该智能型跨运车无需预埋磁钉，可自主探测集装箱，并对其进行转箱、跨箱和放箱操作。

跨运车适用于在码头与堆场内部中短途运输，由门形车架、动力单元、驱动系统、控制系统、集装箱吊具与液压转向、制动系统等组成。其以门形车架跨在集装箱上，由装有集装箱吊具的升降系统吊起集装箱，进行搬运堆码。同时，跨运车还能够直接在集卡上抓箱或落箱。因此，它比集装箱龙门起重机具有更大的机动性。跨运车一般可将集装箱堆码3至4层高。由于具有机动灵活、效率高、稳定性好等特点，跨运车在国外码头已被广泛使用。对于许多中型码头而言，以跨运车为基础的装卸运输系统较为高效。

8 轮跨运车可以向前、向后、左转、右转行驶，转向为每轮独立转向，具有阿克曼转向（AM）、蟹行转向（CM）4、前轮转向（FM）、后轮转向（RM）4种转向模式。

2018 年，为振华重工配套的8 轮跨运车。

跨运车的独立转向系统采用液压控制，由万福乐整套提供。包含转向控制器、方向盘编码器、各轮角度编码器、比例换向阀、压力传感器等。转向控制器和车辆控制器之间采用CAN总线通讯，同时辅助I/O点进行安全校验。转向控制器与方向盘编码器之间采用两路CAN总线连接，保证足够的安全冗余。转向控制器按照相应的转向模式发出控制信号，控制对应的比例阀，驱动油缸动作。各轮角度编码器符合SIL II标准，通过一路单独的CAN总线将位置信息反馈给转向控制器，实现闭环控制，从而保证各轮高精度的独立转向。

港口内集装箱的水平运输大体上分为两类，一为跨运车，二为集卡。在欧美集装箱码头采用跨运车的比较多，在国内码头以集卡和AGV为主。振华重工研发的无人驾驶跨运车，放弃了磁钉定位的方式。采用全新的多传感器融合技术，通过卫星信号和视觉辨识环境信息实现定位，自主导航避障和路径规划。当多辆跨运车在同一区域中作业时，可以合理优化路径，充分发挥效能，实现集装箱在港口封闭区域内高效运输和装卸，为智能无人化码头推广奠定了基础。2019年3月瑞典8台8轮跨运车项目合同的正式签订，标志着全球自动化码头产品家族中又一个全新产品落地。该跨运车整机采用模块化设计装配，柴电混合动力，轮边同步电机驱动，独立转向，可在自动、人工驾驶模式下切换，定位精准度和控制水平居世界前列。

目前，有4000多台跨运车在全球1000多座集装箱码头中运营，海外港口中半数以上使用跨运车作业，多数为人工驾驶，无人驾驶跨运车所占的比例小于5%。随着智能无人跨运车的批量生产，单机成本大大降低。预计未来跨运车的自动化率将达到20%。随着智能制造的发展，无人驾驶的跨运车将会有更为广阔的市场前景。