橋式抓斗卸船機全區域防碰撞系統設計與應用

黃毅

（廣州港股份有限公司新港港務分公司，廣東廣州 510730）

0 引言

廣州港股份有限公司新港港務分公司西基碼頭是華南地區較大的煤炭專業化碼頭，年卸船量1300 萬噸，裝船量600 萬噸。碼頭前沿2 個泊位，共有6 臺橋式抓斗卸船機，卸船機通過大車行走機構相互移動配合，完成大船各艙口的平衡接卸任務。

1 研究對象及現狀分析

以新港港務分公司西基碼頭12 號橋式抓斗卸船機（以下簡稱“SU12”）為例（圖1），SU12 卸船機為上海振華重工制造的一臺四卷筒差動補償牽引小車式橋式抓斗卸船機，有效工作距離±200 m，用于接卸煤炭，設計額定卸料能力1250 t/h。卸船機的作業屬于高空作業，作業時存在以下問題：

圖1 12 號橋式抓斗卸船機

（1）受雨霧、夜間等低能見度作業條件的影響，司機操作時觀測距離直線下降，同時，可觀測范圍下降明顯，走機容易造成碰撞事故。

（2）卸船機行走大車時司機室內司機的視角范圍約為160°，實際有效視角約120°，視覺盲區較大，司機看不到的地方只能根據工作經驗操作卸船機，發生碰撞事故的概率較大。

（3）卸船機原有的防碰撞保護是靠安裝于大車兩側的停止限位裝置和前大梁兩側的拉繩限位裝置來實現。存在的問題：①此限位的型號施邁賽TA064-12Y-2512-2，屬于機械限位，其保護范圍小，實際使用中可靠性差，容易發生誤動作；②卸船機前接料板和駕駛室是碰撞的高發點，原防碰撞保護不能反饋，只能靠司機的經驗進行操作，存在非常大的安全隱患。

2 卸船機全區域防碰撞系統的設計和實施

經以上現狀分析及結合公司要求確保卸船機生產作業安全、提高作業效率，決定設計一套卸船機全區域防碰撞系統。該防碰撞系統通過雷達傳感器對卸船機周圍障礙物進行檢測，在卸船機行走過程中，卸船機（前大梁、接料板、駕駛室、大車）距離前方障礙物小于3.00 m 時報警、且大車機構減速至額定速度的10%，距離1.00 m 時大車機構停車，避免卸船機與障礙物碰撞，保護卸船機和駕駛員。

2.1 方案設計

該防碰撞系統包括雷達傳感器和可編程控制器。雷達傳感器安裝在卸船機碰撞高發點位置，通過可編程控制器的遠程輸入輸出模塊與卸船機的控制系統連接，在卸船機遇到障礙物時實現減速和停車，同時CMS 監控系統顯示防碰撞故障和蜂鳴器報警。卸船機全區域防碰撞系統流程設計如圖2 所示。

圖2 卸船機全區域防碰撞系統控制流程

2.2 工作原理

雷達傳感器將所探測到障礙物的位置通過數據處理轉化為輸出開關量信號輸送給卸船機控制器（PLC），PLC 設有正常模式、限速模式和停止模式。當雷達傳感器在減速區域內探測到障礙物時，PLC 采用減速模式，發送減速信號給PLC，PLC 給卸船機大車變頻器發送減速信號，使卸船機大車速度快速降為額定速度的10%，同時卸船機監控系統（CMS）故障欄顯示“大車限速故障”，司機室右聯動臺蜂鳴器報警，提醒司機注意移機安全。當雷達傳感器在停止區域內探測到障礙物時，PLC 采用停止模式，發送停止信號給PLC，PLC 給卸船機大車變頻器發送停止信號，使卸船機大車停車，同時CMS 故障欄顯示“大車停止故障”，司機室右聯動臺警報蜂鳴器報警，提醒司機注意行車安全，并采取及時有效的措施避免發生碰撞。

2.3 方案實施

2.3.1 雷達傳感器

雷達傳感器選用選用美國邦納QT50R-EU-AF2Q（圖3），通過GAGE 傳感器從內部天線發射清晰的高頻無線電波束，其中一些能量被反射回接收天線具有靈敏度高、范圍廣、檢測區域可調、不受惡劣環境因素影響等特點。信號處理電子設備基于retumn 信號的時間延遲確定傳感器到物體的距離。傳感器可配置為兩個獨立的感應區域。可以使用DIP 針對不同的距離對其進行重新配置，靈敏度可以使用傳感器背面的DIP 開關進行調整。

圖3 QT50R-EU-AF2Q雷達傳感器

2.3.2 雷達傳感器安裝

根據現場情況分析，卸船機需要在4 個防撞點安裝雷達傳感器（圖4）：①卸船機前大梁：前大梁碰撞范圍廣，需在大梁兩側各裝4 個雷達傳感器，用來檢測卸船機與大船上障礙物間的距離；②駕駛室后側：駕駛室后側是卸船機駕駛員的盲區，需在駕駛室后側下方安裝1 個雷達傳感器；③前接料：需在接料板左右末端各安裝1 個雷達傳感器，用來檢測接料板大船上障礙物間的距離；④大車行走機構：為避免大車行走時與相鄰卸船機或障礙物碰撞，需在大車左右兩側各安裝1 個雷達傳感器。

圖4 雷達傳感器安裝位置

2.4 PLC 編程

2.4.1 CP-317 系統控制器

CP-317 是一種大容量的系統控制器，具有繼電器邏輯和數字操作等通用的定序功能，以及諸如Yaskawa 獨特的實時核心網絡CP-215 傳輸和國際標準“以太網”等擴展通信功能。根據不同的功能模塊組成，帶有電源模塊、CPU 模塊、動作模塊和各種I/O 通信模塊。根據不同的應用，安裝基座可以有各種布置，并且可以提供最佳的布置以滿足需求。程序使用梯形程序或SFC 語言，并使用CP-717 編程。CP-717 有使用CP-215 傳輸并且可以快速連接的臺式型、和使用RS232 界面的筆記本型，使用與維護簡單。

2.4.2 CP-717 程序編寫

系統方案確定后，對卸船機PLC 程序進行修改。卸船機PLC程序設有正常模式、限速模式和停止模式，正常模式不變，只需要修改限速模式和停止模式。由于卸船機大車行走分左右兩個方向，因此分別設置大車向左和向右限速模式和停止模式時PLC邏輯控制程序，并更改大車行走PLC 邏輯控制程序。程序編寫采用CP-717 應用軟件，更改后大車行走減速控制程序見圖5，大車行走停止控制程序見圖6。

圖5 大車行走減速控制程序

圖6 大車行走停止控制程序

3 使用效果

卸船機全區域防碰撞系統安裝完成后，調試過程中雷達信號始終非常穩定可靠。自2021 年10 月安裝使用系統來，沒有再發生卸船機與周圍障礙物碰撞事故。系統工作狀態良好，基本上沒有出現誤動作，滿足安全可靠的要求，消除了卸船機與周圍障礙物碰撞的安全隱患。