場橋防“打保齡”技術應用

蔡國強+吳海生+王朝棟

在集裝箱裝卸作業過程中，場橋吊具及其起吊集裝箱可能因起升高度不足而碰箱，造成作業箱堆及相鄰箱堆連鎖傾翻事故，此類事故類似于打保齡球，故俗稱“打保齡”。場橋“打保齡”事故輕則造成箱損，重則造成人員傷亡，后果難以預測。本文以赤灣集裝箱碼頭有限公司（以下簡稱赤灣集裝箱碼頭）和安川工控系統為例，介紹全球定位系統（Global Positioning System，GPS）與可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）系統相結合的場橋防“打保齡”技術方案。

1 場橋防“打保齡”功能設計

1.1 本貝位防“打保齡”功能設計

在場橋司機選取作業指令準備作業的過程中（即從選取作業指令到開鎖成功的時間段），移動基站軟件根據該貝位各排集裝箱堆碼高度、待作業集裝箱高度和堆場其他相關屬性計算吊具和吊具上集裝箱與本貝位集裝箱的水平和垂直距離。當上述任一距離小于設定值時，移動基站軟件彈出對話框提示司機，同時將上述判斷條件信息發送至PLC，由PLC進行本貝位防“打保齡”計算，并對吊具進行控制。

1.2 相鄰貝位防“打保齡”功能設計

當場橋司機作業時，移動基站軟件實時計算吊具中心位置與貝位中心線的距離。當該距離大于設定值時，移動基站軟件以聲音或圖標方式提示司機，同時向PLC發送小車停止命令。此時，司機只能在GPS切換到旁路的前提下移動小車，移動基站軟件能夠記錄GPS旁路狀態。

1.3 異常處理功能設計

1.3.1 無線信號異常處理

由于赤灣集裝箱碼頭的網絡環境良好且移動基站軟件具有自動重連功能，網絡斷線一般在1～內便可恢復。除非網絡大面積癱瘓導致集裝箱碼頭操作系統的作業指令不能到達，無法進行作業，否則不會出現移動基站軟件集裝箱分布信息不準確的情況。綜上所述，無線信號異常的情況可以不用考慮。

1.3.2 GPS異常處理

當GPS定位精度無法達到厘米級時，移動基站軟件將GPS故障信息發送至PLC，PLC根據信息設置按照大門字形作業。

1.3.3 8570-PLC串口通信異常處理

在通信接口設計上，在系統中設置自增一的消息編號和校驗位，形成移動基站軟件與PLC互相監控狀態。當PLC發現接口中消息編號不能有規律地自增一時，設置按照大門字形作業。

2 場橋防“打保齡”技術方案

2.1 各機構運行方案

在場橋目標箱周邊一定范圍內設置減速區、10%全速區和停止區。如圖1所示，場橋目標箱周圍劃分為A、B、C、D、E、F等6個區域，各區域對應場橋小車水平方向和垂直方向速度如表1所示。

2.1.1 車道上方小車減速方案

在場橋車道上方設置減速區、10%全速區和停止區。如圖2所示：空吊具從車道下放到距離地面5.0～區域為小車減速區，下放到距離地面時小車停止，手柄回零位一次，小車全速；吊具吊箱從車道下放到距離地面7.9～區域為小車減速區，下放到距離地面時小車停止，手柄回零位一次，小車全速。

2.1.2 水平方向小車減速方案

當吊具起升高度低于前方箱高加時，小車從水平方向距離目標位置時開始減速，距離目標位置時速度減至全速的10%，距離目標位置時停止，距離目標位置不足時保留點動功能（見圖3）。當吊具起升高度高于前方箱高加（小車和起升機構聯動時為）時，小車全速。

2.1.3 垂直方向小車減速方案

當吊具垂直方向距離目標箱時小車開始減速，距離箱頂（當小車和起升機構聯動時為）時速度減至全速的10%，然后以10%全速放箱至目標箱上（見圖4）。若吊具中心線所在集裝箱的中心線與吊具中心線的偏差小于（空箱區為），系統默認此集裝箱為目標箱，小車減速以此集裝箱為距離參照標準（見圖5）。

2.1.4 小車半速區和車道減速區設置方案

當吊具或吊箱底部距離地面不足時，小車水平方向速度設置為50%全速（見圖6）。當吊具起升高度在以下時，小車從場地向車道行走，在接近車道時減速，在到達車道邊界時水平方向速度設置為10%全速（見圖7）。

2.1.5 負載起升速度設置方案

（1）當吊具閉鎖提箱起升不足時，小車慢速；吊具起升至處停止一次，手柄歸零后，負載起升全速。

（2）當無線網絡信號不穩定且GPS無信號時，終端機彈出“吊具走大門字形”對話框（見圖8），此時當吊具負載起升高度達時，小車才有全速，空吊具則不受影響；當GPS信號恢復正常時，防“打保齡”功能重新啟動，同時有對話框提示（見圖9）。

2.1.6 吊具控制方案

當吊具吊錯箱或放箱位置錯誤時，PLC控制吊具不能轉鎖。此外，系統還設有大車跑偏和小車跑偏報警及禁行等功能。

2.2 場橋防“打保齡”程序編寫

2.2.1 程序組成

場橋防“打保齡”程序主要由場橋GPS定位及各機構定位控制程序組成，主要程序段如圖10所示。

2.2.2 控制流程及定位

2.2.2.1 控制流程

場橋防“打保齡”控制流程如圖11所示。

2.2.2.2 場橋定位及控制

（1）大車定位及控制 大車主要是靠安裝在場橋小車頂的GPS天線定位，集裝箱碼頭操作系統將場橋位置信息發送至場橋PLC，由其運算確定場橋位置。當同場地場橋跑大車控制條件為“系統發送運行方向有場橋”時，運行場橋在距離障礙場橋時開始減速，距離時速度減至為全速的20%，距離時停止。

（2）起升定位及控制 場橋運行到目標箱位的相應貝位，通過集裝箱碼頭操作系統將目標箱位信息發送給PLC，由其根據起升編碼器計算吊具高度，并結合GPS控制起升機構（吊具）運行。

（3）小車定位及控制 場橋運行到目標箱位的相應貝位，通過集裝箱碼頭操作系統將目標箱位信息發送給PLC，由其根據小車編碼器計算小車位置，并結合GPS控制小車運行。

（4）吊具控制 PLC根據GPS定位信息及集裝箱碼頭操作系統發送的目標箱位進行計算，進而控制吊具動作：當吊具吊錯集裝箱時，其不能閉鎖；當吊具放箱位置錯誤時，其不能開鎖。

3 場橋防“打保齡”功能測試

在實際生產環境下，移動基站軟件將集裝箱分布、GPS定位等信息發送至PLC，實現場橋防“打保齡”功能。相同工況、不同操作方式下場橋作業20個集裝箱所用時間及單箱平均作業時間分別如表2和表3所示。

（1）與沒降頻率走大門字形作業模式相比，沒降頻率且帶GPS防“打保齡”功能作業模式下的空箱卸箱平均單箱作業快，空箱裝箱平均單箱作業快，重箱卸箱平均單箱作業快，重箱裝箱平均單箱作業快10 s。

（2）與降頻率且帶GPS防“打保齡”功能的作業模式相比，沒降頻率且帶GPS防“打保齡”功能作業模式下的空箱卸箱平均單箱作業快，空箱裝箱平均單箱作業快，重箱卸箱平均單箱作業快，重箱裝箱平均單箱作業快。

（3）與降頻率走大門字形作業模式相比，沒降頻率走大門字形作業模式下的空箱卸箱平均單箱作業快，空箱裝箱平均單箱作業快，重箱卸箱平均單箱作業快，重箱裝箱平均單箱作業快。

（4）與降頻率走大門字形作業模式相比，沒降頻率且帶GPS防“打保齡”功能作業模式下的空箱卸箱平均單箱作業快，空箱裝箱平均單箱作業快，重箱卸箱平均單箱作業快，重箱裝箱平均單箱作業快20 s。

4 場橋防“打保齡”技術應用效益

根據計算：場橋帶GPS防“打保齡”功能作業模式與走門字形作業模式相比可節約作業時間約/TEU；按場橋每年作業集裝箱500萬TEU及吊1個集裝箱耗電約2.3 kW h且耗時120 s計算，場橋帶GPS防“打保齡”功能作業模式每年可以節約成本143.75萬元人民幣。

赤灣集裝箱碼頭自2008年應用場橋防“打保齡”技術以來，場橋作業安全性和效率大大提升。截至2014年6月，赤灣集裝箱碼頭場橋在帶GPS防“打保齡”功能作業模式下“打保齡”事故率為0。總之，場橋GPS防“打保齡”技術不僅有利于提高碼頭作業效率，節約生產成本，而且有助于降低司機勞動強度和生產事故率，對保障碼頭作業安全具有積極作用。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2014-08-28）

（3）小車定位及控制 場橋運行到目標箱位的相應貝位，通過集裝箱碼頭操作系統將目標箱位信息發送給PLC，由其根據小車編碼器計算小車位置，并結合GPS控制小車運行。

（4）吊具控制 PLC根據GPS定位信息及集裝箱碼頭操作系統發送的目標箱位進行計算，進而控制吊具動作：當吊具吊錯集裝箱時，其不能閉鎖；當吊具放箱位置錯誤時，其不能開鎖。

3 場橋防“打保齡”功能測試

在實際生產環境下，移動基站軟件將集裝箱分布、GPS定位等信息發送至PLC，實現場橋防“打保齡”功能。相同工況、不同操作方式下場橋作業20個集裝箱所用時間及單箱平均作業時間分別如表2和表3所示。

（1）與沒降頻率走大門字形作業模式相比，沒降頻率且帶GPS防“打保齡”功能作業模式下的空箱卸箱平均單箱作業快，空箱裝箱平均單箱作業快，重箱卸箱平均單箱作業快，重箱裝箱平均單箱作業快10 s。

（2）與降頻率且帶GPS防“打保齡”功能的作業模式相比，沒降頻率且帶GPS防“打保齡”功能作業模式下的空箱卸箱平均單箱作業快，空箱裝箱平均單箱作業快，重箱卸箱平均單箱作業快，重箱裝箱平均單箱作業快。

（3）與降頻率走大門字形作業模式相比，沒降頻率走大門字形作業模式下的空箱卸箱平均單箱作業快，空箱裝箱平均單箱作業快，重箱卸箱平均單箱作業快，重箱裝箱平均單箱作業快。

（4）與降頻率走大門字形作業模式相比，沒降頻率且帶GPS防“打保齡”功能作業模式下的空箱卸箱平均單箱作業快，空箱裝箱平均單箱作業快，重箱卸箱平均單箱作業快，重箱裝箱平均單箱作業快20 s。

4 場橋防“打保齡”技術應用效益

根據計算：場橋帶GPS防“打保齡”功能作業模式與走門字形作業模式相比可節約作業時間約/TEU；按場橋每年作業集裝箱500萬TEU及吊1個集裝箱耗電約2.3 kW h且耗時120 s計算，場橋帶GPS防“打保齡”功能作業模式每年可以節約成本143.75萬元人民幣。

赤灣集裝箱碼頭自2008年應用場橋防“打保齡”技術以來，場橋作業安全性和效率大大提升。截至2014年6月，赤灣集裝箱碼頭場橋在帶GPS防“打保齡”功能作業模式下“打保齡”事故率為0?？傊?，場橋GPS防“打保齡”技術不僅有利于提高碼頭作業效率，節約生產成本，而且有助于降低司機勞動強度和生產事故率，對保障碼頭作業安全具有積極作用。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2014-08-28）

（3）小車定位及控制 場橋運行到目標箱位的相應貝位，通過集裝箱碼頭操作系統將目標箱位信息發送給PLC，由其根據小車編碼器計算小車位置，并結合GPS控制小車運行。

（4）吊具控制 PLC根據GPS定位信息及集裝箱碼頭操作系統發送的目標箱位進行計算，進而控制吊具動作：當吊具吊錯集裝箱時，其不能閉鎖；當吊具放箱位置錯誤時，其不能開鎖。

3 場橋防“打保齡”功能測試

在實際生產環境下，移動基站軟件將集裝箱分布、GPS定位等信息發送至PLC，實現場橋防“打保齡”功能。相同工況、不同操作方式下場橋作業20個集裝箱所用時間及單箱平均作業時間分別如表2和表3所示。

（1）與沒降頻率走大門字形作業模式相比，沒降頻率且帶GPS防“打保齡”功能作業模式下的空箱卸箱平均單箱作業快，空箱裝箱平均單箱作業快，重箱卸箱平均單箱作業快，重箱裝箱平均單箱作業快10 s。

（2）與降頻率且帶GPS防“打保齡”功能的作業模式相比，沒降頻率且帶GPS防“打保齡”功能作業模式下的空箱卸箱平均單箱作業快，空箱裝箱平均單箱作業快，重箱卸箱平均單箱作業快，重箱裝箱平均單箱作業快。

（3）與降頻率走大門字形作業模式相比，沒降頻率走大門字形作業模式下的空箱卸箱平均單箱作業快，空箱裝箱平均單箱作業快，重箱卸箱平均單箱作業快，重箱裝箱平均單箱作業快。

（4）與降頻率走大門字形作業模式相比，沒降頻率且帶GPS防“打保齡”功能作業模式下的空箱卸箱平均單箱作業快，空箱裝箱平均單箱作業快，重箱卸箱平均單箱作業快，重箱裝箱平均單箱作業快20 s。

4 場橋防“打保齡”技術應用效益

根據計算：場橋帶GPS防“打保齡”功能作業模式與走門字形作業模式相比可節約作業時間約/TEU；按場橋每年作業集裝箱500萬TEU及吊1個集裝箱耗電約2.3 kW h且耗時120 s計算，場橋帶GPS防“打保齡”功能作業模式每年可以節約成本143.75萬元人民幣。

赤灣集裝箱碼頭自2008年應用場橋防“打保齡”技術以來，場橋作業安全性和效率大大提升。截至2014年6月，赤灣集裝箱碼頭場橋在帶GPS防“打保齡”功能作業模式下“打保齡”事故率為0。總之，場橋GPS防“打保齡”技術不僅有利于提高碼頭作業效率，節約生產成本，而且有助于降低司機勞動強度和生產事故率，對保障碼頭作業安全具有積極作用。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2014-08-28）