集裝箱橋吊防搖控制措施分析

姚治軍，翟小明

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200125）

1 集裝箱橋吊的防搖分析

集裝箱由于具有貨物裝卸效率高、貨物損差小以及全天候作業等優點，使其在實際生產中的應用越來越廣泛，對于促進我國港口經濟進一步發展具有至關重要的影響。其中，集裝箱橋吊為集裝箱船與碼頭前沿之間用于裝卸貨物的關鍵設備，存在部分碼頭還會利用橋吊大跨徑與大后伸距直接進行堆場作業，想要提高碼頭作業的綜合效率，就需要確保橋吊具有較高的裝卸能力和速度。進行貨物裝卸時，吊具與集裝箱對位，起吊的集裝箱與船艙、集裝箱卡車的對位環節所需時間更多，直接造成工作效率的降低，一般在實際作業中均會對橋吊安裝防搖裝置。對集裝箱橋吊防搖控制進行分析，即帶著提升荷載（空吊具或空吊具與滿載集裝箱）的主小車在到達預定位置后，通過減搖裝置來促使吊著的提升荷載圍繞懸吊點的搖擺幅度可以在規定時間內以及規定搖擺周期內降低到規定范圍以內。常見的橋吊防搖方法主要包括機械防搖與電子防搖兩種，且電子防搖方式集合了電子技術與計算機技術，在實際應用中優勢較大，可以有效提高集裝箱貨物的裝卸效率，促進貨物的快速周轉，提高碼頭經濟的發展。

2 集裝箱橋吊常見防搖裝置

（1）機械式防搖。機械式防搖裝置是比較傳統的一種防搖手段，主要分為分離小車式和翹翹梁組合式兩種。在電子技術與控制技術水平不斷提高的背景下，很多港口的集裝箱橋吊不僅安裝了機械式防搖裝置，還配備了電子式防搖裝置，實用效果更佳。

（2）電子式防搖。電子式防搖裝置即與“跟鉤”動作相似的自動控制方式。在貨物裝卸過程中，如果吊具在懸吊重物時出現搖擺情況，且逐漸偏離中心位置時，電子防搖系統可以根據當時加速度值的大小以及方向參數，經過電腦的快速運算，確保小車運動第2次起達到跟鉤動作。尤其是在制動吊具向前搖動達到重心最高位置后，小車第2次起動也可以達到相同位置，促使動能逐漸轉化為貨物提高的勢能，進而使得勢能逐漸降低，縮小橋吊的擺動范圍，直至停止。電子式防搖集合了計算機技術與控制技術，現在逐漸成為主要的防搖方法。

3 集裝箱橋吊的防搖控制算法

（1）防搖控制分析。集裝箱橋吊裝卸和運輸貨物作業中，鋼絲繩將集裝箱貨物吊起進行水平運動，會出現搖擺晃動的問題，而降低作業效率。對防搖控制措施進行分析時，可將小車速度模式作為依據，著重分析兩個階段的加速模式，達到最佳的控制效果。小車零速啟動后運行一段距離，達到預設目的地，速度逐漸降為零；小車勻速運行階段，吊具擺動角度為零，完成運行動作，吊具擺動的角度為零。對集裝箱橋吊防搖控制運行狀態進行分析，設計防搖控制算法，對存在的搖晃擺動問題進行可靠預防，提高貨物裝卸運輸工作的速率。

（2）防搖控制算法。①吊具擺角采集。在集裝箱橋吊處于運動狀態時，通過反光板與攝像頭組成傳感器，來對吊具擺角圖像進行可靠收集，待攝像機對圖像進行處理后，便可得到吊具擺角的數據。吊具頂架中心位置安裝有紅外發射裝置，用于輔助收集擺角的信息，同時配合可編程智能紅外接收裝置使用，能夠全面且可靠的完成小車擺角信息。②小車位置采集。算法研究的要點就是采集小車位置，一般可選擇傳感器采集小車位置信息，確定對應位置的吊具擺長信息。可靠連接橋吊小車以及傳動軸兩部分，對系統安裝脈沖數字編碼器，用于收集小車位置信息與吊具擺長信息。而安裝的脈沖數字編碼器則可以將收集到的全部信息傳輸給PLC模塊，作為位置信息編碼值計算的依據。一般在計算吊具擺長數據時，可以直接通過小車和地面垂直間距將吊具高度去除即可。③防搖切換控制算法。將攝像頭安裝到橋吊小車上，對小車運動的圖像信息進行采集，確定其相位位移。以攝像機所得圖像信息作為依據，結合橋吊吊具的相對位置，便可計算得到小車的單擺數據，完成數學模型的構建。從橋吊小車位移的角度進行分析，吊具在達到擺動的最高位置后，對橋吊小車速度進行切換處理，控制吊具最高點與小車位置和處置位置相同，避免出現搖擺晃動的情況。對橋吊小車單擺的原理進行分析，當吊具處于最高點時，存在一定搖擺晃動的幾率。在處置距離完全重合后，便可徹底消除吊具搖晃的問題，基于防搖切換控制算法進行設計，確定在吊具處于最高位置前，完成小車自身工作速度的有效切換，通過速度模式來消除橋吊晃動的問題。④防搖控制算法步驟。為提高集裝箱吊運以及裝卸活動的可靠性與高效性，研究設計集裝箱橋吊防搖控制系統，對采樣周期、角頻率、切換加速度等各項參數進行初始化設置。確定相鄰采樣的時間點，將吊具擺角作為依據，明確單擺幅度數值與實際方向，并將提前采集到的各項數據信息作為基礎分析，計算吊具到達最高位置的時間進，然后在該時間內切換小車速度。另外，還需要確定小車加速的持續時間，計算得到防搖切換的時間點，達到預期的防搖控制效果。

4 集裝箱橋吊防搖控制系統設計

（1）規劃路徑。對集裝箱從集卡裝載到船艙整個過程橋吊運行工作進行分析，可將其劃分為5個階段，如圖1所示。AB段表示第1階段，在此過程中集裝箱開始從靜止啟動，逐漸從初始點A點提升到達B點位置，達到最大的提升速度；BC為集裝箱繼續提升的第2階段，最終達到最高點C位置，小車由靜止改變為加速運行狀態，C點保持最大的運行速度，且集裝箱處于該位置時與吊具同時高于所有的障礙物。第3階段為水平移動端CD，小車維持最大運行速度，并且機械器件會對小車的最大速度產生限制。第4階段為下移動段DE，小車速度逐漸減為零，且集裝箱下降到達E點，E點具有最大下降速度。EF為集裝箱與吊具下降的第5階段，集裝箱速度逐漸減為零，最終會停留在F點。

圖1 集裝箱起重機系統傳輸示意圖

圖2 雙環切換防搖控制系統

（2）防搖控制器設計。以某固定擺長模型為例，應用防搖切換控制技術。對吊具達到最高點前整個運行過程進行檢測，可以利用機器視覺系統來達到目的，對小車速度進行切換，保證在吊具到達最高位置后可以與小車保持在統一的垂直線上，進而不會出現橋吊搖晃的問題。其中，吊具相對于小車單擺數學模型為：φ(t)=Acos(wt+φ0)，其中φ(t)表示吊具擺角；w表示單擺角頻率表示某一模型下的平均擺長；A表示單擺幅值。

其中，t’表示采樣時間，t’=t2-t1；t1，t2表示相鄰采樣時間；φ0表示初始相位。計算后可以確定小車以相同加速度持續加速與減速時間：

吊具在A～F點運行過程中，只有C～D點吊具擺長不變，AC與DF階段中吊具擺長會不斷變化。基于分析可確定，吊具擺長和吊具單擺運動擺動周期關聯密切，擺長是影響控制系統加速時間數值計算結果的重要因素之一。如圖2所示，采用雙閉環防搖控制系統，內環確定為小車行走控制器，外環則為防搖控制器，u1表示小車控制輸入，u2表示起升電動機控制輸入，ur表示外部擾動造成的吊具擺角變化，σ表示事件驅動切換的規則。即確定在機器視覺系統檢測到吊具擺角φ超過設定的最大允許值后，即φ＞φmax，則防搖控制器啟動；相反吊具擺角φ≤φmax時，防搖控制器不啟動。

5 結語

集裝箱橋吊搖動晃動是必須要解決的問題，對提高貨物裝卸的綜合效率具有重要意義，應選擇合適的防搖裝置，并配置可靠穩定的防搖控制系統，減少橋吊作業時搖動問題的發生。

[1]倪青亮,瞿俊杰,劉韓臣．集裝箱橋吊防搖控制措施[J]．設備管理與維修 ,2017,(11)：94-96．

[2]付主木,高愛云,費樹岷,普邑．集裝箱橋吊多模型參考切換雙閉環防搖控制[J]．機械工程學報,2011,47(23)：161-166．