橋式起重機無人化技術研究與探討

孫 慧

中冶寶鋼技術服務有限公司 上海 200941

正文：

1 橋式起重機無人化技術對電控系統的要求

主起升機構：可采用1套變頻器驅動1臺變頻電機，采用閉環矢量控制方式，速度反饋元件采用增量脈沖編碼器。

小車機構：可采用1套變頻器驅動1臺變頻電機；大車機構可采用2套變頻器分別驅動2臺電機。

為了保證大、小車在自動運行中更精確地實現自動定位要求大車能夠實現精確調速，同時防搖系統也要求大車能夠實現快速速度響應，所以要求大、小車必須采用矢量閉環調速控制，可在大、小車電機安裝增量編碼器實現大、小車閉環調速控制，編碼器可安裝在制動輪上。

2 UACS系統在橋式起重機無人化中的應用

UACS系統是在CLTS系統的基礎上增加三維成像、電子防搖、安全保護等相關設備，實現橋式起重機無人駕駛。

軟件方面，通過增加地面庫區管理系統（WMS）實現多臺橋式起重機任務自動調度和分配；結合橋式起重機協同模型、庫位推薦模型、車輛配載模型等，進一步提升地面庫區自動化、智能化水平。另外，為提升安全系數可以設置橋式起重機與相關設備安全聯鎖功能。

2.1 車上局系統

車上局系統可由位置檢測傳感器（大車采用格雷母線檢測方式，小車采用激光測距檢測方式）、高度檢測、防搖裝置、車載終端、無線通訊設備、顯示屏等組成：1）起重機可由電控PLC、傳動系統、傳感器實現起重機人工及自動控制，起重機電控PLC采集起重機大、小車、高度信息，接收地面UACS系統吊運指令，自動控制起重機；2）X軸（大車）格雷母線位置檢測：格雷母線可安裝在整跨起重機過道扶手旁，天線板安裝在大車上，天線連接至地址編碼接收器；Y軸（小車）激光測距裝置：測量起重機在Y軸（小車）方向上的距離；Z軸（高度）編碼器：測量吊鉤起升高度；3）防搖控制器：接收防搖傳感器數據，實現起重機運動過程中防搖控制；4）駕駛室車載終端：X、Y、Z軸位置的顯示，接收并顯示服務器發送的作業命令，指導起重機操作員進行吊運作業，并對作業實績進行處理與返回；5）LED顯示屏：可安裝在起重機兩側實時顯示UACS起重機的運行模式；6）防撞激光測距儀：安裝起重機之間防撞激光測距儀，在起重機無人化運行過程中，可實時檢測相鄰起重機之間的距離，保證起重機在安全距離范圍內運行。

圖2-1 UACS起重機車上局總圖

2.2 地上局系統

地上局系統可由主機服務器系統、無線網絡系統、地面格雷母線發振單元、裝/卸車形狀識別系統、入庫鋼卷條碼自動掃描系統、安全管理及警示系統、手持終端等子系統組成。

2.2.1 主機系統

考慮到硬件系統的穩定性、可靠性、完整性、可維護性等，UACS主機系統可架設3臺物理機、1臺磁盤柜。故障轉移集群基于存儲共享的雙機熱備是雙機熱備的最標準方案。采用三臺服務器，使用共享存儲設備。其中二臺服務器可以采用熱備方式，第三臺服務器作為域控服務器。工作過程中，二臺服務器將以一個虛擬的IP地址對外提供服務，依工作方式不同，將服務請求發送給其中一臺服務器承擔。域控服務器可通過心跳線偵測服務器的工作狀況。當一臺服務器出現故障時，另一臺服務器根據心跳偵測的情況做出判斷，并進行切換，接管服務。當域控服務器出現故障時，主備節點切換功能受到影響但對外業務功能正常運行，待域控服務器恢復正常則切換也恢復正常狀態。對于用戶而言，這一過程是全自動的，在很短時間內完成，從而對業務不會造成影響。由于使用共享的存儲設備，因此主備服務器使用的實際上是一樣的數據。為了后期維護考慮，可以配置1套維護站,并配置2塊1T移動硬盤，用于備份數據。主機系統可采用1臺支持VLAN的思科二層交換機進行數據交換。

圖2-2 主機網絡圖

2.2.2 無線網絡

可在地面庫區安裝5.8GHz無線基站，用于起重機與地面通信。

2.2.3 格雷母線及格雷母線發振單元

可在橋式起重機供電滑觸線另一側（防干擾）安裝格雷母線，在起重機上安裝格雷母線接收單元。

2.2.4 裝/卸車形狀識別系統

裝載/卸載形狀識別系統主要掃描入庫車輛的材料，生成相應的入庫材料，吊起物理位置，掃描出庫車輛的信息，識別司機指定的丟失位置，將上述信息反饋給系統服務器，并將上述信息反饋給系統服務器。在組裝/卸載通道上可安裝激光掃描裝置（SRS）。

圖2-3 裝/卸車系統結構圖

圖2-4 裝卸車識別系統掃描成像圖

2.2.5 安全管理與警示系統

無人全自動起重機系統為了保證庫區的安全生產，可在庫區配置安全管理與警示系統。進入廠房的所有人員必須根據現場的人行通道行走，并按照規定采取人避讓起重機的規則行走；由于無人全自動起重機根據劃定好的路徑運行，當起重機運行路徑與人員走行通道相交叉時，采取人避讓起重機的原則；為了保證人員安全并給予及時的警示，起重機運行路徑與人員運行通道相交處設置聲光報警指示燈，當起重機通過此處時，地面安裝的聲光報警指示燈報警警示，地面通行人員采取避讓措施。人員進入封閉庫區，采用安全門連鎖管理。

1）庫區與起重機作業連鎖：可對庫區進行分區封閉。每個區可以可至少安裝2扇安全門，每個安全門可安裝電子鎖及請求控制箱，工作人員進入封閉區可采用請求連鎖并掛牌的方式，離開封閉區采用人工復位及摘牌形式。

2）地面設備運行區與起重機作業連鎖：地面設備運行等區域的簡易門可加裝電子鎖及請求控制箱，現場人員進入這些區域時自動起重機禁止駛入。

3）地面人行通道與起重機路徑的警示：在地面綠色通道與起重機小車走行路線的交叉位置可安裝報警指示燈，全自動起重機在這些位置進行吊運時，提示地面工作人員。

4）車輛通道與起重機路徑的警示：在地面庫區車輛通道入口可通過安裝紅綠燈提示駕駛員指導地面車輛的通行,綠燈可以開啟大門進入，紅燈不允許進入。

5）地面設備連鎖：起重機在與地面設備做交互作業時，必須遵循連鎖解鎖機制。

6）起重機緊停系統：在無人起重機運行中可能出現需要緊急停止的情況，可在現場（通道旁）設置緊停按鈕盒；當緊急情況發生，按下緊停按鈕讓起重機全部停止自動運行，通過人工干預使起重機進入安全運行狀態。復位則可由人工確認，軟件實現。

2.2.6 手持終端

手持終端可具體用于車輛入庫命令請求、轉庫確認掃描、清盤庫掃描等。

2.2.7 其他

HMI終端主要供起重機主操人員以及機組入出口相關人員使用，可用于實施監控起重機狀態等。

2.3 UACS應用軟件功能

1）WMS背景和屏幕包括調度吊車任務、吊車跟蹤和控制、倉庫位管理、手持等功能。

2）無人起重機車的控制系統包括起重機車、小型車、升降機控制、面包控制功能等。無人起重機車的控制系統與WMS合作，共同進行對無人起重機的控制。

3）安全管理功能，可與WMS配合完成對設備聯鎖、出入庫區控制、紅綠燈管理等。

4）SRS應用軟件，掃描并識別通道停車位上車輛信息，并將識別結果發送給WMS，用于無人化起重機吊運入庫或者出庫。

3 數據采集及監控系統在無人化起重機上的應用

起重機作為生產企業的重要負荷和運輸設備，在日常生產中起著非常重要的作用。起重機系統直接關系到生產線的生產效率。

起重機無人化運行后為確保安全，有必要對現場生產中各種信號及現場實際工況進行安全監控，形成電氣信號、狀態信號、現場視頻信號相結合的實時記錄，并進行長時間保存。這對起重機安全運行、設備檢修、維護分析、故障診斷是非常重要的信息支持，同時為操作和生產過程追溯提供分析方法。

起重機監控系統可以GB/T 28264-2012標準為基礎，實現對系統調度指令、起重機運行過程數據和起重機吊鉤視頻數據進行采集和存儲。視頻信號可至少保存一周，除視頻信號外的其他數據采樣周期不超過500ms，且保存時間至少為3個月。

4 視頻監控系統應用于起重機的無人化。

無人化起重機地面庫區作業人員減少，可在庫區新增視頻監控系統，實時監視庫區起重機吊運以及通道、機組入出口情況。

操作者可以通過監控大屏幕來確認倉庫狀況和起重機運行情況。視頻監控系統具備多畫面顯示，可對所有畫面進行固定分配顯示，確保對各個區域進行跟蹤監控。同時，可配置硬盤錄像機，對視頻畫面進行存儲，可對視頻畫面進行調用回放。

5 結語

企業在實際發展過程中將多樣化的新技術應用于實際生產，不斷添加創新企業生產的產品，開拓產品的普及市場。市場發展的需求不僅是時代的革新方向。隨著市場進程的加快，為了提高生產效率，不斷減少勞動力成本的支出，未來無人橋式起重機的發展市場非常廣闊。