自动化门座起重机在散货码头中的应用

余建夫，崔建勋

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300220）

引言

一直以来，通用散货码头门座起重机（以下简称“门机”）尤其是非带斗门机的自动化作业是当前通用散货码头自动化装卸作业的研究热点，如何实现通用散货码头门机自动化作业也是打造“智慧”港口的重要组成部分。

1 常规散货码头门机卸船作业模式

常规散货码头门机卸船作业时需配置门机司机及看钩手，由看钩手指挥门机司机完成散货船舶舱内取料作业。传统门机作业由于操作环境复杂，操作动作涉及起升、变幅、旋转、行走等多个动 作[1]。既有门机操作模式具有以下特点：

1）对司机操作熟练程度要求较高，也是影响效率的主要因素；而随着司机作业时长的增加作业效率及安全性会大幅下降；

2）司机作业环境较为恶劣，粉尘较大，对司机的身体及作业视线均会造成不利影响；

3）人为操作，增加安全隐患，同时也会增加违章操作或不规范操作的风险。

2 门机自动化方案

门机自动化作业系统主要包括：扫描与定位、自动化控制、远程操作、安防模块四个子系统。

2.1 扫描与定位子系统

扫描与定位子系统包含“扫描和数据采集系统”和“定位系统”。

1）扫描和数据采集系统

在门机臂架安装3D 扫描仪及云台，如图1 所示，系统中3D 扫描仪作为眼睛，对散货船舶舱口和舱内物料进行扫描，形成三维图像及舱口、料堆信息数据库。数据采集控制器可以采集船型，天气等数据并记录天气对船舱晃动影响，同时把数据存放在数据库里，根据不同的船型、天气调用不同的数据。同时3D 扫描仪可对漏斗进行扫描，并进行仿真处理，形成三维图像，确定漏斗位置。

图1 3D 扫描仪及云台Fig.1 3D scanner and gimbal

其中，三维仿真可操作软件安装于触摸屏设备，三维仿真图像可立体、真实的显示当前散货船舶舱内物料及舱口位置、形态，如图2 所示。智能三维数据采集和处理软件会根据扫描的舱内物料信息设置门机当前可以抓取的区域，再将靠近舱壁的边上区域去掉，选取区域内物料当前最高点自动抓取。系统会将该动作转化为PLC 控制指令，数据采集处理与三维成像系统与PLC 控制系统之间数据实时交互，实现回转变幅带动抓斗平稳、精确落入最佳抓料点进行抓料卸船。遇到特殊情况，操作人员也可以通过点击触摸屏料堆三维立体图形选定抓斗抓料点，由PLC 自动控制抓斗到达选定的抓料点进行抓料，并自动回到后方漏斗卸料。

图2 船舱三维仿真图像Fig.2 3D simulation image of the cabin

2）定位系统

精确的定位功能是一切自动化作业的基础保障，需确保定位精度以实现对抓斗的无人精确控 制[2-3]。所有机构均采用两套系统进行冗余控制，当任意一套系统失效时，系统可以立刻响应并执行安全保护策略。

①起升机构：采用增量编码器、绝对值编码器进行起升高度定位；

②变幅机构：采用增量编码器、绝对值编码器进行门机幅度定位；

③旋转机构：采用增量编码器、绝对值编码器、GPS 进行门机幅度定位；

④大车定位：采用增量编码器、绝对值编码器、GPS、FLAG 定位板进行门机大车定位，以编码器定位为主，FLAG 板定位为辅。

2.2 自动化控制子系统

自动化控制子系统包含“数据传输系统”和“避让及防撞系统”。

1）数据传输

门机的通讯系统采用光纤通讯。对比无线通讯，光纤通讯的可靠性比较高。通讯系统采用传统的光缆卷盘方式结合滑环改造的方式，光纤通讯系统出现故障，可切换为人工操作作业。

滑环旋转处采用无线方式传输数据，将门机设备上的控制数据及视频数据实时传输到中控系统，该系统具有高带宽、低延时特性。控制及视频数据的延时均可控制在200 ms 以内。

2）避让及防撞

通过扫描仪可以收集船舱和漏斗信息，通过门机自动化服务器计算出抓斗与船舱、抓斗与漏斗的关系，通过计算两者之间的距离起到防撞的作用。两个相邻门机处于面对面作业时，两个门机的臂架可能会发生碰撞。在这种情况下，通过定位门机各个机构，经由门机自动化服务器软件进行控制，当软件检测到可能发生碰撞时，可以预先进行控制，避免出现碰撞[4-5]。

2.3 远程操作子系统

远程操作子系统由操作台、HMI 系统、视频换和操作台PLC 站组成。

1）操作台

操作面板上设有和司机室联动台相同功能的操作设备，中控人员可以通过远程操作台操作任意一台门机，通过将“远程操作”钥匙开关打到ON获取操作权限。考虑到远程操作与就地操作的不同，可以根据用户需要调整远程操作台上的按钮功能，将部分辅助功能的按钮做到操作台相关软件中，操作面板上只保留少量必要的按钮。

2）HMI 系统

操作台上配备HMI 系统，如图3 所示，可以连接到现场任意一台门机上的PLC 并进行监控。操作人员在中控远程操作某一台门机时，此管理系统可以为司机提供现场司机室内HMI 相同的功能。系统可将所有门机的设备信号通过以太网收集到上位软件中统一管理，通过主画面的按钮可进行各大机之间的切换。系统具备LCMS 的同等功能，实时显示设备I/O 点状态和故障信号。

图3 HMI 系统界面示意图Fig.3 HMI system interface

3）视频画面

操作台上实时显示门机作业区域画面，回向可进行手动切换，也可跟随动作机构自动化切换。主要包含船舱画面、漏斗监控画面、电缆导向架、电气房、机房以及大车轨道画面等。

4）操作台PLC 站

在远程操作台内还设有一个PLC 站，包括PLC模块、电源、交换机、开关等元器件。此PLC 站的主要功能是接收司机在远程操作台上下达的指令并通过通讯将这些指令输出到现场各门机上。

2.4 安防模块

安防模块主要包含烟雾报警模块、人员入侵报警模块、设备防撞模块和报警查询模块。

1）烟雾报警

对司机室、机房、电气房视频进行实时检测，当烟雾浓度达到一定的阈值时会触发烟雾报警，适用于多种应用场景。通过关键区域监控视频进行烟雾检测可以实现烟雾检测报警功能。在烟雾发生期间，系统会持续给出告警，并生成告警特征数据、告警照片，供后续查找、分析、取证。

2）人员入侵报警

对大车海侧、路测视频进行报警，对监控视频中行人目标进行检测，包括行人从不同角度、不同方向进入视频告警区域。行人在告警区域内期间，系统持续给出告警，并生成告警特征数据、告警照片，供后续查找、分析、取证[6-7]。

3）设备防撞

分析大车海侧、路测摄像头视频，发现有人员侵入防撞区域时，实时定位其位置，并生成结构化数据，对接控制网，通过防撞接口发送防撞控制指令，启动防撞系统，对大车进行减速并停止，以达到自动防撞的效果，减少侵入人员人身伤害。安防模块发送两路信号，一路为状态信号（人员入侵、烟雾告警等），一路为视频流数据（现场照片）。

4）报警查询

针对本期项目，定制开发告警管理统计功能。绑定的设备，可以被查看和检索，可查看设备数、报警总数、当日报警数、报警信息列表、报警图片等全局信息。

2.5 门机自动化作业流程

在现有技术条件下，门机自动化作业采用的是门机自动作业与远程人工操作作业相结合的方式。具体流程是：

船舶靠岸停好后，根据调度指示中控派工远程人工操作门机行车到指定位置，行车过程需有人现场监护，自卸车将漏斗移动到指定位置，门机上的扫描仪和图像识别设备对船舱和漏斗进行扫描识别（船舱信息会储存到数据库中方便今后调用），根据调度指示中控派工门机开工，中控人员在中控室对门机自动化作业进行实时监控，出现异常情况及时介入人工操作，自卸车进入漏斗接货（目前采用的工艺是自卸车与码头岸线水平进入漏斗接货），根据调度指示中控切换为远程人工操作吊取下舱机械下舱，过程需有人现场监护，下舱机械在船舱作业应拉警戒线，根据调度指示中控派工门机继续自动作业，中控远程人工操作门机清舱底，吊取下舱机械，行车到调度指示位置避让船舶离港。

3 门机自动化方案技术难点

3.1 自动化门机防摇技术

门机在装卸货物时，由于其速度的变化以及外界干扰因素的影响，使抓斗前后，左右的来回摆动，在影响作业效率的同时造成一定的安全隐患。目前在门机作业时主要依靠门机司机的实时操作控制门机抓斗的摆动。

门机防摇技术的难点主要有以下两点：

1）不同于集装箱岸桥作业时吊具在一个平面内二维空间运动，门机作业时抓斗是在一个立体的三维空间内运动（起升、变幅、旋转三机构联动），其运动比较复杂，模型的建立比较困难。

2）门机抓斗当前的运动状态没有反馈，所有的控制都是基于开环控制，控制精度难以保证。

目前防摇技术在二维平面基本上可以依靠建立数学模型的开环控制，三维空间的东营港目前也是在实践过程中，运行效果不错[8]。防摇技术正在研究当中。针对外界的扰动（如突然的阵风等），目前还是依靠监控室的人工即时介入。

3.2 自动化门机作业粘度较大的货类

粘度较大的货类例如巴西矿、印度粉等，由于在作业时货会粘在抓斗上，人工作业时司机会进行清斗。目前，自动化门机作业无法做到自动清斗，粘度较大的货类需要远程操作门机作业。如果采用闭斗进舱，自动化门机则可以进行粘度较大的货类的作业，但影响一点儿效率。

3.3 自动化门机作业清仓

在船舱清仓作业时，由于舱内比较复杂，同时舱内有人机作业，门机自动化作业可能会与舱底、舱内设施、舱内工人发生交叉。目前，门机自动化作业在清仓时需要远程操作门机作业。

4 结语

既有的普通卸散货船的作业模式是司机+看钩手的作业模式，实施自动化作业模式和远程操控模式后，现场作业人员能够大幅减少，远程操控可以实现一人双机或一人多机作业。自动化作业及远程操控模式，能够避免既有作业模式中门机司机吃饭、换班等生活时间，有效作业时间有了增加，同等作业工况下，自动化作业模式作业效率更加稳定。现场作业人员大幅减少，人为参与环节也大幅减少，特别是作业人员疲劳程度的下降，都对现场的安全管控起到了一定的积极作用。雨天或雾天作业，有效提高了作业的可靠性。