集裝箱岸橋智能化防拖系統(tǒng)

蘇 強(qiáng) 劉志陽(yáng) 王 柱 毛偉東 陳保棟

青島前灣集裝箱碼頭有限責(zé)任公司

1 引言

集裝箱碼頭作業(yè)中，吊具與集卡的交互過(guò)程是裝卸作業(yè)的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。由于操作不當(dāng)?shù)仍颍瑫?huì)出現(xiàn)卸船時(shí)吊具放箱尚未開(kāi)鎖或裝船時(shí)吊具著箱后尚未閉鎖的情況下，集卡即啟動(dòng)運(yùn)行，造成吊具及附屬機(jī)構(gòu)被拖行、岸橋控制室及集卡受損、岸橋司機(jī)和集卡司機(jī)受傷的危險(xiǎn)狀況，嚴(yán)重影響碼頭的工作安全和作業(yè)效率[1-2]。

為避免此情況的發(fā)生，設(shè)計(jì)了一種智能系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)蹙吲c集卡沒(méi)有交互完成時(shí)，即吊具沒(méi)有完全脫離開(kāi)集裝箱或集卡前，通過(guò)物防手段進(jìn)行集卡鎖定。此時(shí)即使人員誤操作，集卡也無(wú)法運(yùn)行，消除岸橋吊具被拖行的安全隱患。

2 目標(biāo)和思路

2.1 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

從實(shí)現(xiàn)作業(yè)流程本質(zhì)安全出發(fā)，研究一種基于物防的應(yīng)用于集裝箱碼頭裝卸作業(yè)的防拖拉自動(dòng)駐車系統(tǒng)，從徹底消除人的不可靠因素，實(shí)現(xiàn)裝卸過(guò)程安全化[3]。

2.2 設(shè)計(jì)思路

采用“單機(jī)平臺(tái)+組網(wǎng)互通”的技術(shù)方案。單機(jī)平臺(tái)：每1臺(tái)集卡、每1部岸橋是一個(gè)單獨(dú)運(yùn)行的平臺(tái)；組網(wǎng)互通：任何1臺(tái)集卡與任何1部岸橋都組網(wǎng)聯(lián)通，實(shí)現(xiàn)交叉配合。采集集裝箱卡車托盤(pán)稱重突變、岸橋起升位置、小車位置、吊具著箱信號(hào)等信息，通過(guò)集卡上安裝的運(yùn)算單元和岸橋上的無(wú)線發(fā)射器，分別傳輸給安裝在集卡上的PLC，PLC輸出控制信號(hào)控制司機(jī)室離合踏板鎖定動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)集卡運(yùn)行自動(dòng)控制。

“單機(jī)平臺(tái)+組網(wǎng)互通”的形式，優(yōu)勢(shì)在于每套完成組網(wǎng)的系統(tǒng)均基于岸橋起升高度、小車位置、吊具頂銷信號(hào)、托盤(pán)重量突變等4個(gè)信號(hào)，最大程度實(shí)現(xiàn)有效互聯(lián)、大概率排除“誤連”可能，以最低成本、最快效率實(shí)現(xiàn)全部岸橋、所有集卡動(dòng)態(tài)互聯(lián)組網(wǎng)的目標(biāo)，在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)集裝箱碼頭岸橋防集卡拖拉功能方面處于領(lǐng)先水平。

3 技術(shù)方案

集裝箱岸橋智能化防拖系統(tǒng)解決的是岸橋和集卡交互的安全問(wèn)題，系統(tǒng)主要包括岸橋控制改造和集卡控制兩部分。通過(guò)采集岸橋起升機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)位置、小車機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)位置、吊具著箱信號(hào)(頂銷信號(hào))、集卡托盤(pán)重量突變等4個(gè)信息，在全部滿足設(shè)定條件時(shí)啟動(dòng)集卡離合控制，實(shí)現(xiàn)集卡鎖定。

3.1 岸橋端設(shè)計(jì)

3.1.1 起升高度設(shè)定

集卡托盤(pán)對(duì)地絕對(duì)高度約為1.5 m，集裝箱絕對(duì)高度約為2.6 m，因此岸橋控制程序內(nèi)設(shè)定起升高度低于6 m時(shí)(碼頭基準(zhǔn)面以下時(shí)起升高度為負(fù)值)，可認(rèn)為條件滿足。

3.1.2 小車位置設(shè)定

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用環(huán)境為岸邊岸橋碼頭作業(yè)，小車位置在碼頭沿陸側(cè)區(qū)域即進(jìn)入有效區(qū)間，考慮岸橋有效作業(yè)車道與碼頭沿間的距離和小車海陸側(cè)鑒別位置的重疊性，岸橋控制程序內(nèi)設(shè)定小車位置小于-2 m時(shí)，可認(rèn)為條件滿足。

3.1.3 頂銷信號(hào)設(shè)定

吊具(負(fù)載集裝箱)與集卡交互過(guò)程的開(kāi)始與結(jié)束分別表現(xiàn)為頂銷信號(hào)的出現(xiàn)和消失，頂銷信號(hào)的變化就意味著交互過(guò)程的變化，因此頂銷信號(hào)出現(xiàn)時(shí)可認(rèn)為交互過(guò)程正在進(jìn)行中。

3.1.4 無(wú)線發(fā)射基站設(shè)計(jì)

以上3個(gè)條件滿足時(shí)，岸橋PLC通過(guò)輸出組態(tài)模塊DO802輸出高電平信號(hào)到安裝于大車站內(nèi)的無(wú)線發(fā)射基站，基站發(fā)射無(wú)線信號(hào)到安裝于集卡司機(jī)室外側(cè)的無(wú)線接收基站，基站間建立連接將岸橋端以上3個(gè)信號(hào)同時(shí)滿足的信息傳遞到集卡外置PLC。無(wú)線基站頻段區(qū)別于碼頭作業(yè)無(wú)線通訊頻段，不會(huì)互相產(chǎn)生干擾和誤發(fā)，同時(shí)基站發(fā)射功率設(shè)計(jì)覆蓋半徑為100 m，不僅可以滿足單臺(tái)岸橋最大作業(yè)半徑要求(即軌距，為35 m)，同時(shí)也盡量縮短無(wú)效半徑覆蓋，以減少誤連接概率。

3.2 集卡端設(shè)計(jì)

3.2.1 稱重單元

系統(tǒng)設(shè)計(jì)稱重單元不是對(duì)集卡托盤(pán)負(fù)載重量進(jìn)行準(zhǔn)確度量，而是采集重量突變量，包括重量增量突變和減量突變。一旦采集到這個(gè)突變量，與岸橋端的3個(gè)信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，當(dāng)4個(gè)信號(hào)全部滿足設(shè)定條件時(shí)，認(rèn)為吊具正在與當(dāng)前集卡進(jìn)行交互，此時(shí)啟動(dòng)集卡鎖定程序。重量突變信號(hào)為系統(tǒng)啟動(dòng)條件，其他3個(gè)信號(hào)為滿足設(shè)定篩選條件。

重量突變是精準(zhǔn)判斷“唯一”交互的關(guān)鍵，即一臺(tái)岸橋的吊具完全落在集卡上或離開(kāi)集卡具有大概率的時(shí)刻唯一性，重量發(fā)生突變則PLC控制程序邏輯導(dǎo)通，集卡被鎖定。稱重單元為安裝在集卡承重梁下端的貼片式傳感器，通過(guò)測(cè)量承重梁形變量判斷重量變化量，安裝工藝簡(jiǎn)單，可靠性高，具有免維護(hù)特性。

3.2.2 無(wú)線接收基站

集卡端的無(wú)線接收基站采集來(lái)自岸橋發(fā)射基站發(fā)出的起升高度、小車位置、頂銷信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)接收基站轉(zhuǎn)換為高電平輸出到集卡端PLC外圍繼電器，作為控制程序內(nèi)激活離合控制器條件之一。

3.2.3 防拖拉系統(tǒng)PLC

PLC主要功能是收集重量變化信息和無(wú)線接收模塊傳來(lái)的電平信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到有重量變化達(dá)到10 t時(shí)(吊具和上架重量一般在14 t，著箱瞬間必然會(huì)出現(xiàn)10 t以上的重量突變)，開(kāi)始進(jìn)行5 s的條件檢測(cè)。如果在這個(gè)檢測(cè)窗口期內(nèi)檢測(cè)到無(wú)線接收模塊傳來(lái)的起升高度、小車位置、頂銷信號(hào)均滿足系統(tǒng)啟動(dòng)條件，則PLC輸出一個(gè)高電平通過(guò)外圍繼電器實(shí)現(xiàn)離合控制器動(dòng)作，集卡被鎖定。

3.2.4 離合控制器

離合控制器安裝于集卡司機(jī)室內(nèi)，防拖拉系統(tǒng)PLC輸出的高電平信號(hào)作為激發(fā)條件，采用小功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，拉緊固定在離合踏板尾端的鋼絲，離合踏板被強(qiáng)制拉下，集卡無(wú)法運(yùn)行。

4 系統(tǒng)特點(diǎn)

4.1 串聯(lián)式信號(hào)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)信號(hào)激活采用串聯(lián)式設(shè)計(jì)，即當(dāng)全部4個(gè)信號(hào)同時(shí)滿足時(shí)，系統(tǒng)才可以激活控制器動(dòng)作，集卡才可以被鎖定，否則集卡可以正常操作。4個(gè)信號(hào)是交互過(guò)程的全部滿足條件，串聯(lián)式設(shè)計(jì)既可以保證精準(zhǔn)識(shí)別出交互過(guò)程，又可以避免集卡正常運(yùn)行時(shí)誤動(dòng)作可能性。

4.2 多信號(hào)辨識(shí)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)中加入起升、小車、頂銷、重量突變4個(gè)信息量，目的是通過(guò)增加滿足條件要求來(lái)降低同一時(shí)刻2臺(tái)以上岸橋滿足全部條件的概率，大概率實(shí)現(xiàn)多條件采集辨識(shí)唯一性，確保設(shè)備間、系統(tǒng)間不會(huì)誤動(dòng)作。

4.3 無(wú)線傳輸設(shè)計(jì)

無(wú)線傳輸覆蓋半徑設(shè)計(jì)為50～100 m有效，此半徑可有效保證信號(hào)可靠傳輸，同時(shí)盡可能縮小覆蓋半徑以避免非作業(yè)區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)誤動(dòng)作，極大提升系統(tǒng)可靠性。

4.4 單機(jī)組網(wǎng)設(shè)計(jì)

不采取組建大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)的方案，進(jìn)行設(shè)備單一識(shí)別，保證以最低投入成本和最快建設(shè)效率投入使用。測(cè)試組網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)作業(yè)箱量35萬(wàn)TEU，未發(fā)生相關(guān)安全事項(xiàng)報(bào)告。

5 結(jié)語(yǔ)

岸橋拖拉事故損失是巨大的，粗略估計(jì)單次事故僅機(jī)損方面的經(jīng)濟(jì)損失約26萬(wàn)元，貨損、人員傷亡損失則更加嚴(yán)重。本系統(tǒng)從本質(zhì)上解決岸橋拖拉事故發(fā)生，是傳統(tǒng)集裝箱碼頭首次實(shí)現(xiàn)集卡自動(dòng)鎖定的物防控制系統(tǒng)，在提升碼頭裝卸工作的效率和安全性方面意義較大，具備推廣應(yīng)用價(jià)值。