散货码头桥式抓斗卸船机自动化改造

孙小婷，王儒超

（广西钢铁集团有限公司 港务中心，广西 防城港 538000）

0 引言

卸船机是散货码头卸船时使用的大型机械，在大宗原燃料集散港口发挥着重要作用。全球贸易一体化的发展促进了全球范围内对散料运输的需求，伴随这一发展的是港口对卸船机这类散货卸船设备的需求[1-2]。司机人工手动操的熟练程度直接决定着卸船效率与作业安全，为了适应港口散货装卸设备专业化、大型化、高效化的发展趋势，世界各国都在大力研究，应用信息化、自动化和智能化技术来建设和改造散货码头，研制新型散货装卸与输送设备，研究新型散货作业管理与控制系统，从而提高港口企业的核心竞争力。

1 项目概述

1.1 项目意义

我国现有港机设备以人工或者半自动的操作方式为主，码头依赖人工作业、协作调整的生产作业，通常会由于操作人员经验不足，通讯系统数据传递的不及时、不准确等原因影响装卸效率，使得生产成本较高[3]。目前散货码头电气自动化控系统存在的主要问题有：

（1）散货码头的工艺流程较为复杂，工艺的环节繁复，控制系统的性能存在短板。为满足生产发展的需求，生产过程中各环节设备技改更新频繁，现有系统无法完全兼容。

（2）从目前装备备件应用情况来看，部分电气系统关键备件及技术依赖外企进口，如ABB、施耐德、西门子等。我国在控制系统关键技术、软硬件、综合调度等方面与欧美发达国家仍存在较大差异。

（3）港口装卸设备的电气自动化控制系统及现场传感器数据信息量大、各个系统模块采用设备标准不统一，故而对数据传输和处理性能要求较高，怎样利用现有技术高效的进行数据信号传数，在保证数据的准确性、有效性的同时，怎样确保各采集系统间的信息共享是目前研究的热点。

（4）系统运维成本高。随着码头的装卸设备及码头规模的扩建，控制系统的使用频率和业务量逐渐增大，需不断维护升级现有系统以提高其适用性、稳定性，这也可能增加系统的维护成本[4-5]。

随着经济全球化的快速发展，柳钢原燃料采购以国际贸易为主，现有的散货码头的自动化化水平无法满足国际贸易快速增长的需求。国内多地掀起了智能自动化码头建设的高潮，各地开始了散货码头的电气自动化的改造升级。

1.2 项目概况

柳钢防城港基地20 万吨码头泊位配置有6 台额定生产能力2500 t/h、3 台定生产能力1800 t/h 的桥式抓斗卸船机。卸船机自动化系统为ABB-AC800M。码头作业模式采用人工手动卸船方式，剩余舱底余料，由司机将推耙机吊入船舱进行清舱作业。

1.3 项目内容

本工程拟对码头原料泊位卸船机实施技术改造，在保持原操作系统不变的情况下，加挂一整套智能全自动控制系统（包括高精度雷达、智能检测终端等软硬件系统）。同时，在地面中控室建立远程控制中心，卸船机上无需配备司机，中控只需1 名值班员通过在人机界面设置任务参数，下达卸船指令，系统通过雷达自动扫描建立船舱和料堆分布三维动态数据库，依靠智能算法，自动控制抓斗卸船机起升、开闭、小车、大车机构运行。系统具备先进感知系统，在保证船体安全平衡的原则下精准抓取、平稳卸料，最终实现智能全自动控制下的卸船作业（大梁俯仰及清舱阶段仍需司机手动操作）。

2 系统方案

抓斗卸船机智能全自动控制系统通过雷达扫描建立船舱内料堆三维动态数据库，主控单元依靠人工智能算法，自动控制抓斗卸船机起升、开闭、小车、大车机构运行。系统具备先进感知系统，在保证船体安全平衡的原则下精准抓取、平稳卸料，最终实现全自动卸船作业。

卸船机上由主机构定位系统（含大车定位防撞）、视频监控系统、物料探测雷达系统、卸船机自动化系统、机上操作终端、地面中控系统等组成。地面中控系统由数据通信系统、视频监控大屏、操作终端、远程操作台组成。系统网络配置如图1 所示。

图1 系统网络图

2.1 主机构位置检测

2.1.1 大车位置检测及防撞

为精确检测大车运行位置，在原有编码器定位基础上增加RFID 校验装置对编码器位置进行校准，位置信号接入卸船机PLC 控制系统，实现大车方向的自动定位。为避免同轨道卸船机之间的碰撞，目前卸船机门腿底部均安装防撞激光、防撞杆及限位，接入卸船机PLC 控制系统，PLC 系统根据当前速度及距离可实时计算减速点及停止点，确保相邻卸船机的安全。

2.1.2 起升及小车位置检测

卸船机的小车为机械差动四卷筒牵引小车，其结构型式为：起升电机、闭合电机与小车行走电机，通过两台特殊设计的行星减速器组合装配，用来驱动四只卷筒。同侧的两只卷筒分别绕出两根钢丝绳分别绕过桥架头部和尾部的改向滑轮绕向抓斗小车，再通过抓斗小车上的改向滑轮固定在抓斗上。抓斗起升、闭合、小车行走所有功能都通过这四只卷筒来实现，通过两台行星减速器内圈、外圈的差动实现各种动作组合。保持两个起升卷筒不动，两个开闭卷筒同向转动实现抓斗的开闭；两个起升卷筒和两个开闭卷筒同向转动实现抓斗的起升；两个起升卷筒和两个开闭卷筒反向转动实现小车的运行。如图2 所示。

图2 机械差动四卷筒牵引小车钢丝绳绕绳系统

四卷筒牵引小车系统的优点为：由于只有一个抓斗小车，四根钢丝绳，缠绕系统非常简洁明了。相应钢丝绳用量少，磨损少，需要的滑轮也少；抓斗的起升、闭合、小车行走机构组合在一起，只有四只卷筒，结构非常紧凑；只有一台小车，后大梁可缩短，整机自重减轻。目前卸船的起升、小车位置具备位置检测功能，采用电机的增量编码器进行计算获取的，采用位置同步开关进行位置校验。可以满足起升在45 m 范围内的运行，使起升的定位精度在±20 cm 内的精准定位。在闭斗状态下，可以在地面和料斗格栅板处进行位置校验。位置信号接入卸船机PLC 控制系统，实现抓斗起升方向的自动定位。

2.2 视频监控系统

卸船机视频监控系统实现在全自动条件下的视频监控辅助功能。在以下关键操作位置固定高清摄像头，采集的视频信号汇总至机房电气室内视频系统机柜，信号再经电缆卷筒内的光纤备用通道传输至中控室，显示在监控大屏幕上。

（1）在卸船机大梁海侧位置的高清摄像头，面向下安装，视角覆盖下面船舱范围，主要用于观察抓斗在船舱内的抓卸料操作。

（2）在卸船机大梁陆侧卸料斗的上方位置的高清摄像头，视角覆盖整个卸料区域范围，主要用于观察抓斗的卸料姿态和卸料效果。

（3）在卸船机大车前方左右两侧位置的高清摄像头，观察大车前进时码头工作面状况。

（4）在卸船机大车后方左右两侧位置的高清摄像头，观察大车后退时码头工作面状况。

（5）在卸船机卸料斗出口附近的高清摄像头，视角覆盖料斗出口及闸门，主要用于观察出料状况。

（6）其他位置新增的高清摄像头：运行皮带前侧、运行皮带后测、电缆卷盘侧，分仓前侧，分仓后侧，低压电气房侧，高压电气房侧。

2.3 物料探测雷达系统

激光雷达扫描系统沿卸船机大梁方向，在船舱上方两侧位置安装扫描云台，如图3 所示。云台采用正交安装方式，可以对船只进行两个垂直方向的扫描，由于两个云台安装在船只上方两侧，在扫描的时候能够更多的扫描到船舱口内测的料堆情况。或者采用在司机驾驶室平台下方安装一台扫描云台，根据船体尺寸移动驾驶室至合适位置，保证扫描云台能够更多的扫描到船舱口内侧料堆情况。

图3 扫描雷达安装位置

在作业前通过行走大车，雷达能够对下方船舱及物料分布做覆盖式扫描 建立料堆三维模型；抓斗小车每次向料斗卸料时，激光雷达开始实时扫描船舱料堆形状，刷新料堆轮廓，提供下次抓斗抓取的数据坐标。

2.4 卸船机自动化系统

新增一台自动化控制柜，配置西门子1500PLC和工控机，用于实现自动作业相关功能。新增的PLC通过profinet 与原主机控制系统ABB-AC800M PLC进行通信，实现数据交互，新增的工控机用于激光扫描建模和控制算法。激光扫描仪通过以太网接入工控机。

3 自动流程及控制策略

3.1 自动工艺流程

操作员在中控室操作终端界面中，设置船舱宽度、深度及舱口数据、大车移动阈值等几个作业参数后，将对应卸船机的操作模式切换为全自动模式，系统即开始自动卸船：

（1）系统通过大车自动移动实现对下方船舱和物料的覆盖扫描，将其轮廓信息三维成像、建模，经过分析计算将料堆与船舱剥离开来，并根据智能连续取料策略算法形成最优化卸船作业方案，人工核对扫描数据后生成作业任务。

（2）系统根据当前料堆形状特征以及重量分布，大车自动移动至软件计算出的最优抓料点，自动控制抓斗抓料、闭斗、提升，沿系统自动规划的最优回程路径，控制抓斗和小车运行至卸料斗上方开斗卸料，然后系统控制抓斗再返回船舱内下一个最优抓料点继续抓料，完成一次抓卸料循环。

（3）在每个循环中，当抓斗远离船舱后，雷达自动扫描当前抓取过的煤堆表面，实时刷新料堆轮廓并更新到整个料堆数据库中。同时能够对船体上浮、倾斜产生的数据变更进行实时补偿。

（4）系统周而复始，按照分层剥取、平衡卸船的策略，自动完成卸船任务。舱底剩余少量余煤，由司机手工清舱。

操作员在中控室远程监控系统全自动运行，如出现异常情况，可随时通过点按操作台上卸船机急停按钮，系统立即从自动模式切换回手动操作模式，保障系统安全；当异常情况处理完毕后，操作员可点击“流程继续”按钮，系统切回自动模式，从刚才的断点处接续，继续自动卸船作业。

3.2 射斗策略

由于船舱口过小，为了能够抓取更多的料，在抓斗摆幅过程中开始下降到船舱内，当摆幅到达最大时，抓斗接触料堆进行抓取。在自动作业模式下，无法完成这个过程，为了能够抓取更多的料，对于船舱口小的取料，通常采用的方法是先将抓斗降至舱内，再将小车向舱壁移动，最多是半个抓斗的位置，或略小一些。

3.3 最优路径

卸船机的主要作用机构是抓斗升降及小车平移，只有这两个机构同时进行移动才是最快的效率。在保证安全的前提下，不发生碰撞尽量实现同时作业，这就需要考虑机构行程的轨迹，因此通过建立坐标系，结合防摇系统进行最优路径规划，最终输出路径坐标点，控制小车及抓斗的位置，来提高整体作业效率及流畅性。

3.4 防摇定位

防摇系统的算法有很多，通常分为开环算法和闭环算法。

开环算法：最普遍的就是双脉冲前馈防摇摆控制（Double pulsecontrol），也有称为Posicast control 或Cancellation control。最典型的应用如ABB 的传动系统，这种算法理论上不支持摆长变化（小车移动时，抓斗升降变化）控制。

闭环算法：西门子、莱纳、佰能等，这种算法在摆长发生变化时，能够进行补偿防摇效果。

为了实现最优路径，就需要采用变摆长的方式，因此闭环算法更适合卸船机的应用。

3.5 控制接口

卸船机的原系统功能比较完善，因此所有控制功能及功能连锁以原系统为主新增系统为辅。接口采用Profinet 协议通讯，通讯主要内容如下：

（1）远程操作控制选择；

（2）大车、小车、起升采用启动指令+速度给定；

（3）抓斗开闭指令控制；

（4）卸船机的位置些信息；

（5）卸船主要报警信息。

4 结语

抓斗卸船机无人驾驶系统投用后，使司机脱离驾驶室的同时还可在远程进行必要的操作，不仅极大地降低了卸船机司机的劳动强度，还提高了卸船的安全性。同时，该系统可自动计算最佳抓取点和最优抓取路径，有效避免煤料撒落的情况，从而减轻了码头污染和资源浪费等问题。