門座起重機自動化系統中的安全防護技術

趙耀銘 黃 燦

1 招商局集團有限公司 2 深圳赤灣港口發展有限公司

1 引言

門座起重機(以下簡稱門機)適用于多種散雜貨物料的裝卸作業，通用性強，在散雜貨碼頭應用廣泛。目前，港口門機存在自動化程度偏低的問題，司機在碼頭前沿操作時，工作環境差、工作強度大、易疲勞，從而導致判斷力下降或操作不規范，引發安全風險[1]。因此，應用門機安全防護技術，解決人工作業時存在的抓斗碰撞、物料灑漏等問題，減少人為因素造成的安全風險，提升門機作業的安全性，是散雜貨港口面臨的重要課題。

2 門機安全防護技術

針對門機存在的安全風險，應用多種安全防護技術對門機進行自動化改造，可以達到減少人為因素風險、提高作業安全性的目的。

2.1 抓斗防搖與定位

在操作過程中，抓斗從一個位置運行到另一個位置時，由于慣性、風力等因素會出現搖擺，如果不加以控制，抓斗就無法準確停止在指定位置。此外，由于司機操作的熟練程度不同，抓斗追鉤操作和對斗操作效果存在較大差異，一旦司機注意力不集中或是熟練程度不足，將導致抓斗擺幅過大，難以準確定位，極易造成抓斗與料斗、船艙蓋板、船艙壁的碰撞，甚至發生更為嚴重的安全事故。

為解決抓斗搖擺問題，需要對門機的各個執行機構安裝位置檢測裝置，實時獲取運行中各機構的位置、速度等信息。依據輸入的信息，結合環境因素，對系統的狀態進行計算和預測，結合目標點的位置信息，生成相應的作業指令，控制各執行機構聯動運行，實現防搖和定位。

抓斗防搖的目的是消除抓斗運動時的搖擺角度。由于角度計算只有等效繩長這一個外部變量，所以測得精準的繩長是必要的前提條件，通過加速度和力矩對角度進行估算，再改變加速度去補償這個角度。

門機有360°水平回轉功能，在旋轉操作中抓斗會產生離心力和切向力，這2個力將導致多向搖晃，增大防搖定位難度。通過電機變頻器對變幅和回轉機構進行實時速度控制，消除擺角以滿足自動化運行時對防搖定位系統的精確定位。為此，可以在變頻器內置防搖定位功能模塊，實現各機構在聯動狀態下的自動防搖功能。

2.2 區域防撞

區域防撞主要基于各相鄰作業門機的精準定位和準確位置信息，通過系統算法來實現。各門機將本機的大車位置、變幅幅度、回轉角度傳送到相鄰門機，系統將計算本機與相鄰門機的運動范圍，從而判斷是否存在作業軌跡疊加風險。如果判斷是，則系統報警，并向本機PLC發送指令，禁止回轉機構向可能發生碰撞的方向回轉。

相鄰門機之間的碰撞發生在門機的交集空間內，其碰撞方式為門機臂架與臂架間的碰撞以及臂架和機身的碰撞，因此交集區包含臂架之間和臂架與機身之間?？傮w的防撞策略是交集區只允許1臺門機進入。如圖1所示，根據2座門機當前狀態，能得到可能發生碰撞的區域為2個扇形重合的位置，即陰影部分，如果其中一臺門機進入該區域，則另一臺停機等待。

圖1 區域防撞示意圖

2.3 主動檢測防撞

通過編碼器或其他設備獲取門機的位置信息和運動趨勢，系統自動計算出門機臂架的保護區域，并利用激光掃描儀獲取臂架周圍的障礙物位置信息，如果障礙物在臂架的保護區域內，則系統判斷有碰撞的可能。

在門機的臂架兩側各安裝1臺激光掃描云臺，對臂架兩側固定區域掃描。掃描儀的垂直視場角為180°，云臺帶動旋轉使水平視場角可達到任意角度，掃描儀的掃描面垂直于地面，安裝掃描儀的云臺旋轉軸垂直于地面。門機全自動運行時，云臺根據門機的回轉速度實時調整掃描方向和掃描區域?；剞D機構非運行狀態下，激光掃描云臺的掃描面平行于臂架方向，對正前方區域進行掃描。回轉機構以最高速向右方回轉時，右側激光掃描云臺轉動到預先設置的最大角度，一旦檢測到障礙物，激光掃描儀自動生成報警信息，并通過以太網接口將報警信號發送給本機PLC，使回轉機構減速停車。當回轉機構反向回轉時，左側激光激光掃描云臺以同樣的方式進行安全防護。

以門機回轉方向為順時針為例，掃描儀的掃描面垂直于地面，根據實際回轉速度，掃描儀掃描面自動順時針轉動一定角度。在當前位置，獲取掃描儀掃描范圍內的點云數據。以門機臂架、象鼻梁、鋼絲繩、抓斗和掃描儀掃描面組成一個保護區域，統計區域內的點云個數?？紤]到掃描儀受到干擾會出現雜點，因此對點云個數設定一個臨界值，若點云個數小于這個設定的臨界值，則認為保護區域內是沒有障礙物的，系統正常運行；若點云個數大于這個設定的臨界值，則認為防護區域內出現障礙物，此時觸發防撞報警，并將報警信號發送給PLC，控制門機停止運行。這個保護區域考慮了不同回轉速度下的停機時間，確保門機能及時停機。

2.4 大車行走防撞

行走機構安裝4套激光掃描儀，可實現對大車行走方向上人或障礙物的識別，避免發生碰撞事故。激光信號接入PLC系統，可以檢測14 m距離內的障礙物，當檢測到障礙物時可以實現自動減速停車。

大車運行機構防撞保護需滿足如下要求。

(1)大車前進方向的跑道上有障礙物時，距14 m時可檢測到障礙物，距離12 m位置開始減速停車，距離小于6 m時緊急停車。原大車運行方向禁止運行(或減速動作)，停止信號動作后PLC系統可靠自鎖，不會自動復位，遠控室故障顯示屏有故障報警。

(2)激光掃描儀實時檢測設備工作狀態，設備自檢正常時，設備會輸出就緒信息，否則輸出故障報警信號。

(3)距離掃描儀透光罩5 cm內，如果有物體存在，會引起設備遮擋報警，并觸發區域檢測功能輸出區域檢測報警信號。

(4)區域檢測無報警時輸出高電平，有報警時輸出低電平，如果掃描儀與控制系統的連接線路出現故障斷線或者接觸不良時，控制系統因檢測不到高電平觸發報警急停動作。

2.5 防侵入保護

門機作為大型的工程機械裝備，其作業范圍廣，輔助人員多，需要保證碼頭面上人員安全，因此應用視覺識別技術，通過大量現場樣本進行自學習，實現對警戒區域內人員的動態和靜態識別[2]。

在門機上合適位置安裝1臺警戒攝像機(球型機)，攝像頭識別作業區域，并根據相關防侵入策略自動劃定警戒區域。對警戒區域內人員進行識別(包括動態和靜態識別)，只有當警戒區域內沒有人員時，抓斗才可以進行卸料流程，否則等待。

通過圖像特征檢測的方式檢測出警戒區域內的人員。當有人員進入或出現在警戒區域內時，產生報警信號。由于本方案采用的是視頻圖像處理技術，實際報警時，是人的二維目標進入或出現在設定的警戒區域中，既定目標部分進入或出現在警戒區域中也會觸發報警。

當出現入侵報警時，暫停當前作業。有2種具體情況：①抓斗在卸料點(料斗)上方準備開斗卸料時，觸發防入侵報警，此時禁止開斗卸料，等到報警解除后自動繼續之前的作業流程；②在開斗卸料過程中，觸發防入侵報警，則立即閉斗停止卸料，等到報警解除后自動繼續之前的作業流程。

3 結語

基于該方案對深圳西部某港2臺25 t-35 m門座起重機進行自動化控制系統改造。經生產實踐表明，通過抓斗防搖定位、區域防撞、主動檢測防撞、大車防撞和防入侵保護等技術的應用，建立了一套完善的安全防護系統，有效提升了門機作業的安全性，消除了大部分人工作業時存在的不可控安全風險，使門機的作業更加安全可靠。