岸邊集裝箱起重機防撞系統分析與研究

上海振華重工(集團)股份有限公司 梁 明

隨著岸橋大型化，智能化的發展，其防撞系統也需要不斷升級。本文對各種常規岸橋防撞系統進行分析研究，詳細介紹了激光掃描傳感器的在岸橋防撞系統的應用。

岸邊集裝箱起重機（以下簡稱岸橋）防撞系統包括大梁防撞系統和大車防撞系統。功能是在大車運行過程中，保護大梁機構和大車機構不與障礙物碰撞。隨著船舶和岸橋大型化的發展，大梁和大車車道數量不斷增加，船桅桿或雷達越來越高，同時作業的船舶、集卡數量越來越多，碰撞風險都大大增加。而司機在司機室很難準確判斷障礙物情況，就需要岸橋防撞系統發揮作用，避免碰撞事故。岸橋防撞系統在不斷發展升級，從機械、感應限位發展到激光掃描傳感器（以下簡稱激光限位），防撞性能不斷提高。

1 大梁防撞系統

1.1 采用防撞鋼絲

圖1 大梁防撞鋼絲

如圖1所示，前大梁兩側安裝防撞鋼絲，與大梁外側面平行，兩者間距1896mm，當大車運行時，防撞鋼絲碰到了障礙物后，端部張緊架的彈簧會帶動限位擋塊動作，岸橋電控PLC接受到限位信號后停止大車運行，避免大梁碰撞。優點是安裝調試簡單；缺點是保護距離太短，沒有減速功能。

1.2 采用激光限位

常規采用SICK品牌的LMS511-11100 Lite的激光限位，掃描角度可達到190°，測量有效距離0.5m-80m。工作原理是利用發出激光通過按一定速率旋轉的三棱鏡折射形成一個扇形面域，根據需要設置面域的保護區域，當有障礙物時，系統檢測到激光能量發生衰減后輸出信號可以由高電平直流24V變為低電平直流0V（也可以軟件設置由低電平變為高電平）。常規項目要求有減速、停止、污染報警等功能信號，LMS511信號輸出點有3個，可用于減速、停止以及污染報警信號。常規的安裝形式有大梁上平面斜角度度安裝、大梁下平面水平安裝、海側立柱安裝等。

圖2 大梁上平面斜角度安裝

按照標書要求，大車速度常規為60m/min（1m/s），加減速0.17m/s2，根據公式可計算得出減速、停止距離，其中Vt為末速度，Vo為初速度，a為減速度。大車從全速到減速10%的距離S=(0.12-12)/(-2×0.17)≈2.91m，大車從減速10%到停止的距離S=(02-0.12)/(-2×0.17)≈0.03m。根據計算出的減速、停止最小安全距離，以及激光限位有0.5m盲區等特性，再考慮安裝位置的因素，大梁常規保護區域在水平方向上距離設置為減速8m，停止4m，滿足安全要求。

1.2.1 大梁上平面斜角度安裝

如圖2所示，激光限位安裝在大梁中部上平面，大梁下平面以下0.8m為保護拖令、拖鏈、滑觸線等相關機構，同時根據激光限位安裝高度1.1m和大梁高度1.8m，以及上面計算得出的8m和4m的減速、停止距離，計算出激光限位的安裝角度，角度θ≈47.23°，同時計算出在激光限位保護面域上待設置的停止距離C≈5.5m，減速距離C+C1≈11m，這些是保護面域的寬度參數，長度參數為前大梁端部到鉸點的距離。

圖3 大梁平面下水平安裝

1.2.2 大梁下平面水平安裝

如圖3所示，激光限位安裝在大梁中部下平面以下0.8m，原理同上，激光限位減速、停止設置距離為8m和4m。同上長度參數為前大梁端部到鉸點的距離。此安裝支架為輕型合金材質，便于安裝調試。

1.2.3 海側立柱安裝

圖4 海側立柱安裝

如圖4所示，激光限位安裝在鉸點附近左右海陸側立柱上，激光限位安裝在大梁下平面0.8m以下位置，激光限位減速、停止設置距離為8m和4m，同上長度參數為前大梁端部到鉸點的距離，配有維修平臺。

1.2.4 特殊區域保護

激光限位方便應用于特殊區域保護，比如碼頭岸線非直線，有夾角，兩臺岸橋在夾角處有碰撞風險，可在機房周圍等合適位置安裝，防止岸橋碰撞。

1.3 AOS502大梁防撞系統

為提高防撞系統安全等級，個別岸橋采用AOS502系統，該系統由1個控制器FX3-CPU0、2個IO模塊FX3-XTIO、2個激光限位LMS511-10100S02等組成。FX3-CPU0模塊具備存儲功能，每一個FX3-XTIO模塊對應一個激光限位，AOS系統與激光限位和岸橋電控PLC之間的通訊傳輸都是用IO模塊的輸入、輸出數字量信號，即激光限位自身的輸出信號作為輸入信號進入XTIO模塊，同時XTIO模塊的輸出信號將發送給岸橋主控PLC的IO模塊。從電氣房到激光限位電源、IO信號線通過填料函進線到AOS系統專配的接線盒，接線盒出來三根自帶預安裝的M12插頭線，和激光限位的電源、IO、通訊接口對插。

1.3.1 激光限位SOPAS調試軟件設置

（1）在Field設置3個面域，Field1為Stop停止保護面域，關聯Stopout1和Stop-out2；Field2為Test自檢測面域，關聯Test-out1和Test-out2；Field3為Slowdown減速保護面域，關聯Slowdown-out3。污染點默認用Out6。自檢測面域設置要求不能和停止面域干涉，左右兩個大梁激光限位通常選擇各自對應的立柱為參照物，若立柱由于相對角度或者油漆光澤等原因不合適，可在激光限位附件單獨安裝一個參照物。

（2）激光限位已經預設了8個Evaluation case，常規岸橋只需用5個，即按照序號依次為Stop-out1、Test-out2、Stop-out2、Testout1、Slowdown-out3。Stop-out1和Test-out2通過Input1設置為低電平有效（Active low），Stop-out2和Test-out1通過Input1設置為高電平有效（Active High），Slowdown-out3的Input設置為不關聯（Not Relevant）。同時在Digital Input里面設置logic為Active High，在Digital Output里面設置logic為Active Low。

1.3.2 工作原理

（1）停止。見圖5，FX3-XTIO模塊輸出點Q4周期性的發送變化的直流電壓信號（高電平24V和低電平0V不斷變換）給激光限位的輸入點Input1，激光限位的輸出點就根據Input1對應的激活狀態選擇對應的輸出點。當正常狀態即停止面域無障礙物，自檢測面域檢測到參照物時，Input1為高電平24V時，此時Output1輸出Testout1為0V，Output2輸出Stop-out2為24V；Input1為低電平0V時，此時Output1輸出Stop-out1為24V，Output2輸出Test-out2為0V，激光限位的Output1和2對應的是IO模塊FX3-XTIO的Input1和2，此時FX3-XTIO的Input1和2在高、低電平不斷切換，控制器FX3-CPU0程序判斷此時停止面域無障礙物，屬于正常狀態，XTIO模塊的Q1保持輸出24V到岸橋電控PLC模塊（電控PLC認為有高電平24V為正常狀態）。當停止面域有障礙物或者檢測面域檢測不到參照物時，XTIO模塊的Q1輸出0V，電控PLC接收到了停止信號，停止大車運行。

（2）減速。減速面域在無障礙物的正常狀態下，激光限位的Q3為24V，對應到XTIO模塊I3為24V，XTIO模塊Q2根據I3直接輸出24V給電控PLC模塊，電控PLC認為有高電平24V為正常狀態。當減速面域有障礙物時，激光限位的Q3由24V變為低0V，XTIO模塊輸入點I3、輸出點Q2變為0V，電控PLC接收到減速信號，控制大車減速。

（3）污染。激光限位有自檢測鏡面污染的功能，當無污染正常狀態下，激光限位輸出點Q6為24V，對應到XTIO模塊I6為24V，如圖5所示，兩個污染信號XTIO1、XTIO2模塊點I6通過程序與門處理后，由XTIO2模塊的Q3點輸出污染信號給電控PLC，即正常狀態2個I6都為24V時，Q3為24V，非正常狀態只要有1個I6變為0V，XTIO2模塊的Q3就變為0V，此時電控PLC認為0V有鏡面污染，通過CMS顯示污染報警，維修人員可查看XTIO1、XTIO2模塊I6的狀態來判斷哪一個激光限位鏡面需要清洗。XTIO1模塊的Q3用于輸出檢測故障信號。

圖5 AOS502系統圖

2 大車防撞系統

2.1 光電限位

常規采用施耐德Osiris XUK1ARCNL2限位，并配置反光板，測量有效距離0m-10m，輸出1個數字量信號，用于減速，停止則通過感應或者機械限位完成。

2.2 超聲波限位

常規采用倍加福超聲波限位UC6000-30GM-E6-V1，測量有效距離2m-8m，可設置2個數字量輸出點，用于減速、停止功能。由于兩個相向的超聲波限位會有干擾，所以設計時兩臺岸橋之間錯開安裝，一個安裝在海側行走、一個安裝在陸側行走。

2.3 激光限位

大車行走和船舷常規采用SICK品牌的LMS111-10100的激光限位，掃描角度可達到270°，測量有效距離0.5m-20m。

（1）如圖6所示，大車行走機構4個角分別裝有1個激光限位，限位的減速、停止面域的寬度設置由大車行走機構邊界來定，特別要注意登機斜梯、大車卷盤導纜架等機構保護。根據上面計算的安全減速距離2.91m，安全停止距離0.03m，相鄰岸橋全速對撞所需安全距離S=2.91×2+0.9×2≈7.6m，0.9m為激光限位到大車緩沖器的距離。綜合考慮激光限位有0.5m盲區特性和安裝位置，大車保護區域在水平方向上設置距離為9m減速，4m停止，滿足安全要求。

圖6 大車行走激光限位

（2）如圖7所示，船舷激光限位一般安裝在海側下橫梁海側面中間位置，用于避免大車運行過程中與船舷等障礙物的碰撞，保護面域可根據激光限位和碼頭海側邊界上方連線來設置，注意連線避開大車卷盤導纜架、纜繩樁等，通過微調激光限位角度仍無法避免障礙物的情況下，可增加限位支架的長度。以岸橋大車海側行走兩個緩沖器端部之間距離為27m為例，以激光限位為中心，向左右各伸長13.5m形成的面域為停止面域，向左右各伸長16.5m形成的面域為減速面域。

圖7 船舷激光限位

2.4 AOS104大車防撞系統

AOS104系統工作原理同AOS502系統，大車四個角防撞系統由1個控制器FX3-CPU0、2個IO模塊FX3-XTIO、4個激光限位LMS111-10100S01等組成。船舷防撞系統由1個控制器FX3-CPU0、1個IO模塊FX3-XTIO、1個激光限位LMS111-10100S01等組成。

2.5 新型激光限位

為了增加大車行走激光限位保護范圍，個別項目已創新采用SICK品牌的MRS1104C-111011的三維激光限位，掃描角度水平可達到275°，垂直可達到7.5°（4個層面角度總和），測量有效距離0.2m-64m。此限位可發射4個層面，每2個層面之間的夾角為2.5°，形成一個立體的保護面域，較大提高檢測障礙物的可靠性，應用空間廣闊。

結語：隨著岸橋自動化的發展，對防撞系統提出了越來越高的要求，本文通過介紹分析岸橋的各種防撞系統特性，展現了防撞技術的發展升級，以供相關技術人員借鑒。