防打保齡系統在自動化輪胎式集裝箱起重機中的應用

李孟濤 吳 翔 蔣海新

上海振華重工(集團)股份有限公司 上海 200125

0 引言

隨著自動化碼頭的全面推廣，自動化碼頭將成為集裝箱碼頭未來發展的必然趨勢，它是衡量港口綜合實力的重要指標。自動化集裝箱起重機一直是港口領域研究的熱點，自動化輪胎式集裝箱起重機（以下簡稱輪胎吊）有靈活、操作簡便、能適應各種環境的優勢，對自動化碼頭的發展起著重要影響。為了能讓起重機安全有效地完成自動化作業，需要給起重機安裝上防碰撞預警裝置。

防打保齡系統 (Load Collision Prevention System，LCPS)是堆場的安全系統，可用于實時測量當前吊具位置與其他物體的安全距離，以避免與障礙物產生碰撞。王衡等[1]的集裝箱堆場吊具防撞系統和張志勇等[2]的基于激光的集裝箱防撞系統存在不完善之處，即只使用了2個2D激光器，只能對小車方向進行有限范圍的防護，由于不能掃描吊具下方整體的輪廓，故對集裝箱的相鄰貝位無法起到防撞保護。本文介紹的LCPS系統通過結合2D和3D激光掃描儀的輪廓數據，結合實時的小車位置建立堆場輪廓信息，實時提供小車和起升的速度限定給單機 PLC，實現起升方向的軟著陸和小車運行方向及相鄰貝位的吊具防撞保護功能。

1 LCPS系統工作原理及系統架構

1.1 工作原理

如圖1所示，LCPS系統利用激光器沿小車方向和大車方向實時掃描下方的障礙物，結合實時的小車位置建立堆場輪廓信息，實時提供小車和起升的限定速度發送給單機 PLC，實現起升方向的軟著陸和小車運行方向及相鄰貝位的吊具防撞保護功能。該系統會跟進吊具的開閉鎖信號，切換吊具的保護高度范圍，使小車和起升機始終在安全速度下運行，司機無需擔心吊具和堆場內集裝箱之間的碰撞。LCPS系統使司機在一個更簡單安全的環境中工作，同時也使工作更高效。

圖1 工作原理圖示意圖

1.2 硬件安裝及系統硬件拓撲圖

激光器與控制器通信采用以太網方式進行通信，控制器與PLC通信采用DP通信模式。LCPS的二維激光器和三維激光器[3-5]安裝在小車架下方，用于收集堆場輪廓信息，控制器通過收集到的激光器數據和PLC傳給過來的單機位置及線位信息進行數據處理，并將計算得出的小車和起升限定速度返回給PLC，實現起升方向的軟著陸和小車運行方向及相鄰貝位的吊具防撞保護功能。該系統原理圖見圖2，硬件安裝示意圖見圖3。

圖2 系統原理圖

圖3 硬件安裝俯視圖

2 LCPS系統的功能

2.1 小車運行方向的吊具防撞保護功能

如圖4所示，若空吊具底部(吊具無箱)或集裝箱底部(吊具有箱)的位置在小車運行方向低于障礙物時，LCPS系統會計算小車運行路徑上的障礙物和吊具或集裝箱的間距，并實時輸出小車運行的限定速度，保證吊具在距離障礙物 3 m（可配置）時小車運行速度減速到全速的 10%（可配置）。當吊具或集裝箱底部高度高于障礙物時，小車限速解除。

圖4 小車運行方向的吊具防撞保護功能示意圖

2.2 起升方向的軟著陸功能

如圖5所示，當起升下降時，LCPS系統會檢測吊具或所抓箱子底部與下方障礙物的距離，將起升限定速度值發送給 PLC，控制起升減速。當距離達到安全距離（一般為 1 m）時，起升速度將會減到 10%，并一直以此速度下降至著箱，相鄰貝位的障礙物也會被考慮。

圖5 起升方向的軟著陸功能示意圖

2.3 小車運行方向相鄰貝位的吊具防撞保護

安裝在小車平臺最前端的 3D 掃描儀可對小車運行方向的相鄰貝位障礙物進行實時掃描檢測。當小車向前或向后運動時，LCPS系統會檢測空吊具底部(空吊具)或集裝箱底部(吊具帶箱)與相鄰貝位集裝箱的水平和垂直距離，并計算小車和起升的限定速度并發送給PLC，由 PLC 實時控制小車和起升運行的速度，從而實現小車運行方向相鄰貝位的吊具防撞保護功能。在相鄰貝位集裝箱錯位的情況下，小車前后移動時則LCPS系統也會進行相應的吊具防撞保護功能。

3 LCPS系統標定步驟

1）準備3個集裝箱（20 ft或40 ft），當前貝位無其他集裝箱；2）吊具抓起用于標定的箱子（靠近集卡車道那排）重新對箱，盡量保證箱子與大車平行，待吊具停止晃動后將箱子放下，開鎖；3）司機將起升拉到上停止后，5 s內小車向后直至停止，數據會自動采集完成；4）單擊LCPS Tool菜單Data→Export →Calibration data導出標定數據；5）使用標定軟件根據數據對S2D和S3D激光器進行坐標系參數的調整（見圖6）。

圖6 數據采集界面

4 功能測試

4.1 起升軟著陸

1）測試方案 如圖7所示，起升到位停止；小車移動目標位置；起升手動全速下降。

圖7 吊具空箱和帶箱起升方向測試示意圖

2）測試結果 起升下降過程中自動減速；當吊具底部（吊具所抓集裝箱底部）與下方集裝箱頂部之間的距離達到1 m時，起升速度降到10%；起升以10%的速度繼續下降直到著箱。

4.2 小車方向吊具防撞保護

1）測試方案 如圖8所示，小車向后移動離開集裝箱；起升下降低于前面集裝箱；全速手動向前移動小車。

圖8 吊具空箱和帶箱小車方向測試示意圖

2）測試結果 小車前進過程中自動減速；當吊具前邊緣與前集裝箱后邊緣之間的距離達到2 m時，小車速度降到5%；小車以5%的速度繼續向前移動，直到碰到集裝箱。

4.3 相鄰貝位防撞保護

1）測試方案 如圖9所示，擺放一層箱子，測試第2和第3貝位防撞，第2貝和第3貝的B/C/D/E列箱子間距在合理范圍內，大車方向箱子間距在40 cm，LCPS系統參數閾值為20 cm，如果檢測到吊具與相鄰貝位大車方向的間隙小于20 cm就會觸發限速信號給PLC；吊具低于F列箱子高度，小車往F列方向開；起升拉到F列上停止，全速起升向下。

圖9 相鄰貝位防護示意圖

2）測試結果 當吊具前邊緣與第2貝前集裝箱后邊緣之間的距離達到2 m時，小車速度降到5%，小車以5%的速度繼續向前移動，直到碰到集裝箱；起升不能下降，LCPS系統反饋給PLC的速度為0。

5 故障及解決措施

1）當馬達歸零超時，檢查LCPS event log，確定是否有馬達相關故障。

2）當讀取激光器掃描數據超時，檢查是否報激光器污染故障，檢查LCPS系統交換機至激光器與控制器硬件的連接狀態，查看LCPS Event Log，查看有關激光器故障代碼。

3）當LCPS系統啟動時，小車未在集卡車道上方，將小車大門框回到集卡車道上方并復位。

4）當3D機構馬達故障時，查看LCPS Event log確認馬達具體故障信息。

5）當小車標志物信號丟失時，確保不同小車位置，2D激光器可掃到小車標志物中心，且中間無遮擋物；檢查2D激光器掃描數據，確保小車標志物清晰可見。

6）當小車位置校驗失敗時，可能是PLC給的小車位置或LCPS系統檢測的小車位置出錯，可以查看LCPS Event Log確定。

7）在箱區內吊具標志物信號丟失，可能是吊具未能著箱到位，發生滑出情況，可回集卡車道復位；確保不同起升高度，2D激光器可掃到吊具標志物中心，且中間無遮擋物，檢查2D激光器掃描數據，確保吊具標志物清晰可見。

8）當獲取PLC小車/起升的位置/速度失敗時，可能是PLC給的數據有非瞬時跳變，查看LCPS Event Log可查看數據跳變值。

9）當發生小車急停時，LCPS系統檢測到小車無正常減速保護，可檢查PLC程序。

10）當發生起升急停時，LCPS系統檢測到起升下降無正常減速保護，可檢查PLC程序。

6 結論

自動化輪胎吊作為自動化碼頭設備的一部分，大量使用新技術提高設備的效率和安全性，優化了生產環境。LCPS系統在自動化輪胎吊中的應用非常重要，能為起重機做到預防碰撞的作用。這套系統已廣泛應用到實際生產中，使用效果很好，大大提高了自動化作業的安全性能。但是，受到激光器精度的限制，系統最小可測量障礙物直徑為5 cm，該系統會隨激光器的精度提供而提高，且能有效地防止集裝箱和吊具的碰撞。