散糧橋式抓斗卸船機自動化控制系統研究

王云鵬 李書強 劉東輝 韓 旭

青島海西重機有限責任公司 青島 266500

0 引言

糧食作為繼煤炭和礦石之后的第三大散貨貨種，是國家發展的重要支柱。而運輸糧食是糧食流通的重要環節，直接影響著整個物流系統的流通效率和經濟效益。當前港口散糧運輸迎來了快速發展期，這對港口散糧裝卸提出了更高的要求。

目前，散貨卸船機主要有橋式抓斗卸船機、鏈斗卸船機、懸鏈式鏈斗卸船機、氣力卸船機[1]等，其中橋式抓斗卸船機因具有機動性強、易維修等優點成為港口散糧裝卸的常用卸船機械。但傳統橋式抓斗卸船作業需專業司機在司機室通過底窗觀察作業情況操控手柄進行抓斗入倉、抓料卸船等一系列操作，存在視覺盲區，且由于小車帶動抓斗從運行到放下的過程慣性較大，通過人工操作很難精確抓料，同時可能存在抓斗操作過程中碰撞到料艙壁的風險。因此，在滿足卸船工作需要的前提下，如何優化抓料卸船作業流程，降低作業過程中的風險、提高作業效率、減輕司機工作強度是港口進行優化創新的重要工作之一，也是提升經濟效益和橋式抓斗卸船機實施數字化升級的重要舉措。

本文以橋式抓斗卸船機自動化控制技術為探討方向，概述了國內散糧碼頭卸船機傳統裝卸及作業方式，詳述橋式抓斗卸船機自動化控制系統優化設計思路，以期能為我國橋式抓斗卸船機自動化發展提供一些思路。

1 傳統橋式抓斗卸船機

橋式抓斗卸船機的主要構成設備及機構包括起升機構、小車機構、俯仰機構、大車行走機構、料斗分料裝置、其他輔助電控系統設備等。該機型卸船機傳統操作模式為：作業時，操作人員利用抓斗將船艙內的物料抓取出來，起升機構將抓取的物料提升至一定高度后，小車牽引至料斗的上方卸料，通過振動給料器完成漏料，再通過推桿電動機控制分料裝置將物料卸到其中一條或指定的帶式輸送機上，帶式輸送機系統將物料傳送至指定的物料堆放處。故橋式抓斗卸船機的卸船能力關鍵點在于抓斗抓取物料的能力和機構運行效率[1]，實際上傳統橋式卸船機抓卸效率受到數個方面因素的影響：

1）船型、艙口及物料堆放位置 物料在船艙位置的增加操作難度，操作人員無法準確判斷適宜的抓取方式，頻繁發生抓取貨物過多/過少以及碰撞現象。

2）抓斗擺動滯后性 由于小車與抓斗之間采用柔性連接，使抓斗運動具有滯后性，增加了無效工作時間[2，3]。此外，以上因素也是造成操作員培養周期長、機構損傷的主要原因。鑒于傳統橋式卸船機受多因素影響的情況，且近年起重機自動化技術高速發展，可通過優化完善卸船機電氣控制系統來解決傳統卸船機使用過程中出現的問題，提高卸船機的作業效率和作業質量。

2 橋式抓斗卸船機自動化系統

2.1 卸船機自動化系統設計思路

為有效提高糧食裝卸效率，減少設備操作人員配置，降低勞動強度和人工成本，提高卸船機管理智能化水平，橋式抓斗卸船機全自動系統主要包括以下子系統。

1）智能定位及船艙掃描系統 通過加裝位置傳感器實現卸船機各主要運動機構的精確定位，完成抓取動作的精確性；通過激光掃描系統建立船艙的三維數據及多點定位技術獲取空間定位數據，形成船艙糧食堆塊模型；根據糧食堆塊模型，結合模型數據研究最佳自動卸料過程，優化過程操作。

2）自動抓取路徑策略 綜合考慮糧食卸船的實際需求和操作工人的實際經驗，研究適合常規糧食卸船的全自動抓、放料的路徑優化策略，以提高裝卸效率。

3）遠程視頻安全監控系統 通過在合適的位置合理設計布置監控攝像頭，給遠控司機提供足夠的操作觀察視角，與主控系統實現交互以滿足生產、監控、存儲需求。

2.1 卸船機自動化系統框架

卸船機自動化系統主要包括驅動機構的定位、船舶和物料信息采集處理、視頻監控、自動控制、安全防護等，其系統框架如圖1所示。

圖1 卸船機自動化系統框架圖

1）驅動機構定位 通過編碼器、測距等完成位置計算實現定位，主要包括起升機構、小車機構、大車機構以及司機室定位。

2）船舶、物料信息采集 通過掃描儀、攝像頭進行數據信息采集并進行處理分析，主要有卸船機的狀態信息（CMS系統）、船型掃描、3D成像。

3）視頻監控 負責卸船機各機構在運行過程中安全狀態的監控。

4）自動控制 通過信息采集及處理，結合控制策略完成自動控制動作和路徑優化。主要包括機構自動定位控制、抓斗姿態控制、路徑優化等。

5）安全防護 根據定位信息、姿態等信息，完成安全校驗和姿態控制，確保自動化運行過程中的安全性，主要有大梁防撞、大車防撞、抓斗防撞等。

2.3 卸船機自動化系統關鍵技術

2.3.1 自動定位系統

橋式抓斗卸船機自動定位技術主要依靠絕對值編碼器、線性編碼器、雷達以及激光測距等，卸船機通過在起升機構、小車機構、大車機構以及司機室配置絕對值編碼器，并由絕對值編碼器提前測算規劃出目標位置，從而計算出各機構的運行速度及加減速時間，最終實現卸船機的平穩定位。而自動定位技術應注意以下要點：

1）主機構絕對值編碼器安裝位置 起升機構在卷筒端部安裝U-ONE絕對值編碼器，該編碼器具有較強的抗干擾能力，其精密設計在很大程度上提高了工作過程中機構運行的可靠性以及運行位置的精確定位。

大車機構、小車機構和司機室絕對值編碼器可安裝在驅動輪上或驅動輪電動機端部，但后者安裝方式需要注意齒輪比。也可采用線性編碼器、激光測距或磁釘定位方式，如圖2、圖3分別是絕對值編碼器的實物以及在卸船機中的位置。

圖2 絕對值編碼器形式

圖3 絕對值編碼器安裝形式

為解決絕對值編碼器計數偏差問題，本文在大車機構安裝激光測距儀用于實時校驗大車的行進位置，在小車及司機室的關鍵位置配置校正限位，通過校正限位進行校正、糾偏以降低自動定位系統的誤差。

2）抓斗位置及姿態的檢測 在小車帶動抓斗運行至物料準確位置后，為了減少抓斗的晃動和偏離角度，提高作業效率，還需完成抓斗位置及姿態的檢測。在卸船機司機室的底部安裝2臺帶激光的雷達和高清攝像頭，用于對抓斗的實時掃描和識別，并結合小車絕對值編碼器測算出抓斗的位置。同時在司機室底部安裝1臺高清攝像頭，對抓斗運行狀態進行連續的抓拍，將抓拍的實時數據傳輸至后臺進行數據、圖像的處理，進而完成對抓斗姿態和位置的分析。及時糾正抓斗作業過程中的偏離角度，通過數據反饋形成閉環控制，減少抓斗晃動，從而避免抓斗在作業過程中出現與船艙碰撞的情況。

2.3.2 掃描系統

1）船艙掃描系統 船型掃描系統主要由三維激光掃描儀、數據采集控制器等構成。司機室底部安裝激光掃描儀并對船艙口和艙內物料進行掃描，利用掃描儀和大數據處理對司機室位置建立位置坐標系，計算得出船艙口及物料位置信息，由后臺軟件對計算數據進行仿真處理，形成艙口、料堆的三維圖像（如圖4所示）。同時由防搖系統的輔助配合對抓料區域進行安全、精準定位。

圖4 船艙和物料實物以及船型掃描圖像

坐標系建立作為船型掃描系統的基礎，獲取足夠的位置信息是建立坐標系的前提，掃描儀獲取的數據信息包括以下位置：

①船艙位置 呈方形框的部分為掃描儀得到的船艙口位置，包括艙口邊緣上的點與艙口四角頂點，內部底層部分為艙內物料分布情況。

②船艙邊緣 船型掃描系統應同時帶有船艙邊緣檢測的功能，能識別和區分船艙艙蓋開啟、關閉或部分開啟的狀態，以及計算出船舶的傾斜角度。通過船艙邊緣檢測的功能，中控室操作人員可準確判斷出船艙口與物料的位置，從而操控抓斗精確抓取物料。工作效率得到了保證，同時降低了現場作業人員工作強度，減少生產管理過程中產生的成本，明顯提升了自動化水平和卸船機的卸船效率。

數據采集控制器負責采集、存儲船型、天氣等數據信息，記錄風力和風向對船艙晃動的影響。同時根據不同的船型和天氣情況，從數據庫中調取不同的數據。數據采集控制器主要由智能三維數據采集和處理軟件完成，軟件中的成像服務器用于收集、處理云數據，并生成3D圖像。智能三維掃描數據采集和處理軟件可自動計算出最佳抓料點，通過采集獲取船艙及物料點的信息，計算出相應位置；將位置信息及3D圖像的基本信息傳遞給主控PLC，并將該動作轉化為PLC的控制指令。數據采集處理、三維成像系統與PLC控制系統之間的數據實時傳輸交換，進而讓小車帶動抓斗平穩、精確運行至最佳抓取物料位置并完成抓料卸船作業。

2）料斗掃描系統 料斗是橋式卸船機流通物料的重要組成部分，料斗內物料的流動狀態直接影響帶式輸送機和抓斗工作效率，為及時判別料斗是否存在堵料情況，本文在料斗及帶式輸送機上加裝超聲波傳感器及攝像頭以實時觀察物料流通狀態及聯鎖保護。

2.3.3 遠程視頻監控系統

遠程視頻監控系統在卸船機運行過程中也起到至關重要的輔助作用，視頻監控系統在卸船機上不同監控點位安裝的攝像頭，用于觀察各個監控點位的工作狀態和周圍環境以實現視頻監控全面覆蓋，且視頻監控信息均通過光纖或無線通訊的形式傳輸到中控室服務器，并在中控室設置多臺視頻監控顯示器進行多方位顯示，以便于操作人員依靠視頻圖像獲取現場的實時信息。此外，在中控室遠程操作臺設置視頻控制主令，用于縮放攝像畫面對現場環境精準捕捉。

2.3.4 自動抓取、路徑優化策略

自動抓取路徑策略，根據船型掃描系統的艙內掃描數據建立有效物料分布區域的矩陣數據模型；將船艙中心位置作為初始抓取選擇點，系統以步進的方式驅動小車逐步向海陸側移動；將船艙物料根據高度數據進行分層處理，在當前抓斗高度下，系統以分層分列分點順序進行步進抓取；將物料表最上層作為初始抓取點選擇層，在當前小車方向上，系統根據抓斗的尺寸預設若干抓取點進行抓取，當物料分布平均高度小于某個閾值的點，系統驅動大車移動，換一列繼續抓斗工作，直至該層所有輪廓高度皆小于初始高度的閾值[4，5]。

抓斗由船艙口中央進入艙口，降落到選擇好的抓取點，抓取料完成后從船艙口中央上升出艙口，確保安全的前提下以弧線最優路徑完成起升小車行走、卸料、返回整個路徑過程，再進行下一次的抓取循環，抓斗離開船艙口后以最優路徑實現悠斗飛行卸料到料斗并重新返回船艙，從而大大提高卸船效率，如圖5所示。

圖5 抓斗抓料路徑

2.3.5 安全防護

橋式抓斗卸船機主要包括電動機、制動器、變壓器、開關柜、驅動柜等重要設備，因此本文還利用斷路器、繼電器等電氣元器件與重要電氣設備建立聯鎖關系以形成安全保護回路。

此外，還通過在關鍵位置布置機械限位建立極限保護以防止電氣聯鎖保護失效。機械限位布置為：

1）起升機構和俯仰機構 在卷筒端部安裝凸輪限位，根據機型設計對凸輪限位進行標定以實現起升/俯仰機構的減速、停止、極限保護。

2）行走機構 在前部大梁兩側和行走方向臺車上安裝激光掃描儀，通過激光檢測大梁和行走前方物體，當物體進入激光掃描儀的安全區域時觸發報警信號，電控系統報警提示操作員減速或停止運行，確保運行過程中與船舶保持安全距離，以及避免行走路徑上發生碰撞。

3 結語

本文簡述了散糧碼頭傳統橋式抓斗卸船機的機構組成及工作狀態，基于傳統橋式抓斗卸船機探討了卸船機自動化控制系統的實現方案，主要包括自動定位系統、船型掃描系統、遠程監控系統的設計以及自動抓取、路徑優化策略的研究。橋式抓斗卸船機自動化控制系統可有效提升設備的工作效率，節約了船舶在港口停留的時間，同時也節約了人力、物力等資源，改善了操作人員的工作環境。