杂货码头门座起重机自动化改造关键技术

迟金生

国能黄骅港务有限责任公司

1 引言

门座起重机(以下简称门机)作为大型机械装备，因其具有作业范围较大、装卸效率高、操作方便等特点，大量装备于码头作业区[1]。门机传统作业方式是依靠司机室内的操作人员进行操控，劳动强度很大，作业效率不能保证，安全风险隐患大。为了适应当今港口的发展需求，需要提高门机的自动化、智能化、信息化水平，降低操作人员的劳动强度，提升作业安全水平和作业效率。

2 物料及船型识别技术

为了实现门机自动化，系统需直接对前端传感器获取的数据进行分析，得出作业的关键信息，控制系统直接调度执行机构，进行精确的定位、取料、卸料等操作。对于货船而言，需要对船体的主要特征进行精确识别和定位，例如船舷高度、舱口位置、物料高度等信息。为此，运用激光云台扫描设备对船体进行扫描和建模，并对建模数据进行特征提取[2]。

2.1 3D激光云台扫描设备工作方式

在门机司机室附近安装1台激光云台扫描设备，用于识别船舶舱口位置、船舷高度、物料、装卸位置等。云台配置阻尼和重锤，抗振动性能良好，通过云台动态控制激光雷达扫描俯仰角度范围，扫描区域可覆盖舱口以及作业片区物料等区域，保证对识别目标数据采集的完整性。数据通过RS485接入工控机，进行建模。

采用激光雷达对目标区域进行数据采集，结合相关算法，对原数据进行降噪，结合所需识别目标的特征结构，在降噪后的数据中匹配特征点，通过特征点划定目标物体在激光视角中的空间中的位置[3]。结合空间坐标转换，将激光视角下的空间坐标系转化为实际大地物理坐标系，准确定位舱口、船舷甲板、物料区域等特征目标的实际物理坐标位置，确保PLC对各电气以及执行机构动作的精准定位控制，完成门机自动化作业流程。

2.2 空间坐标系转化

根据刚体变换原理，对于任意一个点(向量)V，假定其在2个坐标系下的表示分别为Va、Vb，2个坐标系的旋转矩阵为Rab，平移向量为tab，则有：

Va=RabVb+tab

(1)

如果采用齐次坐标形式，设两坐标系之间的变换矩阵为Tab，则有：

(2)

因此，有：

Va=TabVb

(3)

从激光扫描仪获取数据，到转换为全局坐标系下的点云，存在多个坐标系的变换。将坐标系进行细分，包括激光扫描仪坐标系、云台转轴坐标系、云台基座坐标系、门机回转中心坐标系、门机坐标系。整个坐标系采用变换矩阵的方式表示，根据D-H变换原理进行变换。

2.3 电气和执行机构动作精准定位控制

在门机自动运行过程中，各机构的定位系统十分重要，只有机构准确定位，方可进行自动起升、行走、变幅及回转。各机构定位系统采用稳定可靠的位置检测方式，运用高精度绝对值多圈总线编码器、智能角度检测等装置，以及RFID、卫星差分定位技术，实现门机空间位置的实时精确定位。门机自动化控制系统接收门机的定位及控制状态信息、位置信息和机械状态信息，判断门机的安全状态，进行半自动或全自动作业。具体配置为：

(1)起升机构安装绝对值编码器，计算起升机构的运行距离，从而得到起升机构的位置信息。

(2)变幅机构通过绝对值编码器测量变幅角度，根据变幅角度和臂架长度，计算出臂架各位置的高度；同时在大臂下铰链处安装角度传感器，作为变幅机构绝对值编码器的冗余检测方式。

(3)回转机构需要在大齿圈上安装一个小的从动齿轮，该齿轮与主齿圈配合旋转；在从动小齿轮转轴处安装多圈绝对值编码器，通过编码器的读数可以实现回转角度计算。在回转机构固定装置上安装2个电感式接近开关，2个开关间的角度为90°。在回转机构的平台上增加1个感应块，每个电感式接近开关感应到感应块的位置为固定回转角度，即+45°和-45°。当回转机构转动到相应角度时，对应的感应开关动作，给回转角度编码器进行赋值，从而实现位置校正。

(4)行走机构从动轮上安装绝对值编码器，通过从动轮的恒定半径计算移动的距离。考虑到现场环境较为恶劣，轨道上有粉尘等杂质，经过车轮反复碾压后可能会粘连在车轮表面，从而导致在运行过程中测量值不准确，所以安装了RFID磁钉系统，用来读取码头预埋载码体信息，磁钉读写传感器根据感应磁钉的内容，计算行走距离，对编码器的数值进行校准。载码体的安装可根据现场情况按照5～10 m的距离间隔进行布置[4]。

3 障碍物识别技术

在门机全自动作业过程中，系统需要自动判断运行路线上的障碍物情况，并在有障碍物时进行自动停机。为了实现障碍物识别，将2个Sick 511激光扫描仪(2D)+伺服云台安装于机上电气房左右两侧；在门机象鼻梁前端，安装多线激光扫描仪(3D)。通过3个激光扫描仪，实现对门机自动运行过程中空间范围的动态保护。

3.1 激光扫描仪工作方式

在门机自动作业的过程中，激光扫描仪云台转轴随门机的回转自动向外调整其扫描方向。在门机回转停止的情况下，扫描面平行于臂架方向，指向正前方；在门机向左或向右以最大回转速度回转时，对应侧扫描仪的扫描面自动转动到预定义的最大角度，形成一定的扫描面提前量，在检测到运行路线上有障碍物时，生成报警信息，传递给PLC控制系统，使回转运动逐渐减速至停止，避免与障碍物发生碰撞。

3.2 多线激光扫描仪工作方式

在象鼻梁头部安装1台多线激光扫描仪，水平方向扫描范围是360°，垂直方向扫描范围近30°。在门机运行的任意阶段，实时统计防护区域内的点云数目，在超过阈值时，触发报警信号，上位机信息反馈给PLC。

3.3 障碍物识别功能实现

门机自动控制系统启动后，防撞模块同时启动，实时检测空间障碍物情况。PLC将回转速度及方向、臂架幅度、抓斗高度等信息通过TCP协议实时传输至工控机，工控机依此实时调整各扫描仪的扫描角度，划定合适的防护范围，并对防护区域内的障碍物情况进行检测，将检测结果信号通过TCP协议实时反馈至PLC控制系统，控制门机各机构的运行状态。

4 视频电子围栏技术

在回转平台正对陆侧安装1台防入侵摄像头，根据视野内料斗位置自动划定警戒区域，有人员或车辆进入警戒区域，发出报警信号到PLC系统。具体包括以下功能:

(1)目标检测，通过图像特征检测的方式检测出视野范围内的人和车。使用特征检测的目的是为了剔除人和车以外的目标引起的误报警。若不使用特征检测，而是使用当前画面与背景画面对比方式进行目标检测，在作业过程中，可能会出现由抓斗、云朵影子、物料倾泻过程中出现的灰尘、门机的影子等引起的误报警。

(2)区域入侵报警。当有既定目标(人和车)进入或出现在料斗附近区域内时，产生报警信号，并显示引起报警的物体在摄像机画面中的位置、尺寸和类别。料斗区域附近是指离料斗的距离小于指定参数ParExt的区域，目前暂定的ParExt值为2。既定目标部分进入或出现在入侵区域中也会触发报警。当目标从区域中离开或者消失时，报警解除。

(3)报警处理。当出现入侵报警时，停止作业，以防止事故的发生；当报警解除时，作业继续进行。具体分为2种情况：①抓斗移动到料斗上方准备开斗卸料时，若存在入侵报警，则不进行开斗作业；②在开斗作业过程中，若出现报警，则停止作业或进行其他能够减少危害的措施。

5 结语

该技术在黄骅港散杂货码头6#门机自动化改造项目中成功应用，取得了明显效果，可为同类项目自动化改造提供借鉴。