軌道式龍門吊遠程控制系統(tǒng)在集裝箱堆場中的應(yīng)用

袁耀，何雨生，秦文峰

（1.山東省交通規(guī)劃設(shè)計院集團有限公司，山東 濟南 250101；2.兗礦東平陸港有限公司，山東 泰安 271000）

1 引言

自動化、智能化是港口碼頭的發(fā)展趨勢。軌道式龍門吊是集裝箱碼頭常用設(shè)備，因而，對軌道式龍門吊作業(yè)過程和效率的研究格外重要。傳統(tǒng)龍門吊的作業(yè)存在設(shè)備利用率低、現(xiàn)場工作環(huán)境惡劣、高空作業(yè)安全隱患等缺陷。本文利用先進的計算機管理技術(shù)、自動化技術(shù)、通信技術(shù)，設(shè)計了一套軌道式龍門吊遠程控制系統(tǒng)，通過將傳統(tǒng)龍門吊進行自動化升級改造，將駕駛臺后移至辦公室，實現(xiàn)遠程控制，將龍門吊司機轉(zhuǎn)移到環(huán)境舒適的遠程控制中心，以降低司機工作強度，提高整體作業(yè)效率，通過系統(tǒng)配置的設(shè)備獲取相應(yīng)的任務(wù)和相關(guān)的攝像頭畫面，通過人工遠程操作，發(fā)送給不同的設(shè)備對應(yīng)的指令，再把指令運行結(jié)果反饋給計算機管理系統(tǒng)，節(jié)省操作臺的空間和成本，提升龍門吊作業(yè)的整體效率。實現(xiàn)遠程操控后，人機比例可由純?nèi)斯げ僮鳡顟B(tài)下的1：1 提升至1：4 不僅操作環(huán)境得到改善，規(guī)模使用后可以使綜合人力成本下降50%以上，能夠使港口企業(yè)減少駕駛員，節(jié)約人工成本，同時提高港口無人化水平，也提高了安全性。

2 工程概況

本工程建設(shè)8 個1000 噸級泊位，其中5 個泊位主要用來進行集裝箱裝卸，泊位總長度650m，設(shè)計綜合通過能力為664 萬噸/年，其中集裝箱通過能力40.9 萬TEU/年。集裝箱堆場采用4 臺軌道式龍門吊裝卸重箱，采用2 臺空箱堆高機裝卸空箱，水平運輸采用集裝箱牽引拖掛車，拆裝箱采用45t 正面吊及3t 箱內(nèi)叉車進行作業(yè)。

3 軌道式龍門吊遠控系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)方案

本工程設(shè)計一套軌道式龍門吊遠程控制系統(tǒng)，使操作員通過中控室遠程操作臺完成對大機、水平運輸設(shè)備、堆場設(shè)備的監(jiān)控和操作。無論是裝載或者卸載作業(yè)，大部分的操作都自動完成，大機的作業(yè)指令來自計算機管理，可實現(xiàn)帶路徑優(yōu)化的自動運行、堆場自動著箱等功能，中控室操作員只需要在個別情況下對車道集卡安全高度以上手動接管吊具的下降、著箱和開閉鎖等有限幾個動作，用以確保安全。

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軌道式龍門吊遠程控制系統(tǒng)主要包括設(shè)備調(diào)度控制管理系統(tǒng)（ECS 系統(tǒng)）、遠程管理系統(tǒng)（RCMS 系統(tǒng)）、計算機調(diào)度管理系統(tǒng)等（TOS 系統(tǒng)）、遠程控制站（包括操作手柄、面板按鈕、控制觸摸屏；視頻監(jiān)視器、顯示器；）。根據(jù)TOS 發(fā)來的工作指令，自動控制大機設(shè)備的運行，在遠程操作人員的輔助或者無需輔助的情況下進行著箱和開閉鎖等操作，實現(xiàn)的功能有主機構(gòu)定位、吊具定位、目標(biāo)位置定位、集卡引導(dǎo)、集卡防吊起、大車防撞等。具體的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示：

圖1 龍門吊遠程控制系統(tǒng)的架構(gòu)圖

3.2.1 計算機管理系統(tǒng)（TOS 系統(tǒng)）

計算機管理系統(tǒng)由資源計劃系統(tǒng)、電子數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)、監(jiān)控及識別軟件、作業(yè)計劃系統(tǒng)和設(shè)備控制接口組成，其主要功能是計劃和指派任務(wù)、管理任務(wù)狀態(tài)以及向設(shè)備控制系統(tǒng)發(fā)送指令并接收反饋信息。

計算機管理系統(tǒng)（TOS）以數(shù)據(jù)庫為核心，以信息系統(tǒng)為平臺，以行政辦公系統(tǒng)和集裝箱碼頭生產(chǎn)管理系統(tǒng)作為面向內(nèi)部用戶的界面，客戶服務(wù)系統(tǒng)作為面向外部用戶的界面，集成各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。管理系統(tǒng)由資源計劃系統(tǒng)、電子數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)、監(jiān)控及識別軟件、作業(yè)計劃系統(tǒng)和設(shè)備控制接口組成，其主要功能是計劃和指派任務(wù)、管理任務(wù)狀態(tài)以及向設(shè)備控制系統(tǒng)發(fā)送指令并接收反饋信息。

根據(jù)碼頭運行管理中的不同的任務(wù)分為計劃、操縱、作業(yè)支持以及管理等幾大類,同時各類之間又有具體的業(yè)務(wù)操作。

3.2.2 設(shè)備控制系統(tǒng)（ECS 系統(tǒng)）

設(shè)備控制系統(tǒng)（ECS）的主要功能包括接收作業(yè)信息、驅(qū)動設(shè)備執(zhí)行指令、監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)、向管理系統(tǒng)反饋作業(yè)信息及設(shè)備狀態(tài)等。設(shè)備控制系統(tǒng)（ECS）與管理系統(tǒng)（TOS）之間通過數(shù)據(jù)交互接口實現(xiàn)任務(wù)指令傳輸和處理。為使數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)更加高效、靈活，設(shè)計管理總線架構(gòu)，由管理總線連接指令模塊與控制模塊，并通過發(fā)布和訂閱機制完成高密度數(shù)據(jù)交換。采用管理總線架構(gòu)后，用戶可以根據(jù)需求定制所需要的模塊，實現(xiàn)控制設(shè)備的自由組合和靈活添加，以適應(yīng)未來碼頭的發(fā)展要求。

3.2.3 龍門吊監(jiān)測和管理系統(tǒng)（RCMS 系統(tǒng)）

龍門吊監(jiān)測和管理系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)搜集、分析、管理、故障診斷和維護功能。龍門吊與控制中心之間通過光纜進行實時通信和數(shù)據(jù)交換。在控制中心能實時顯示龍門吊的主要技術(shù)參數(shù)和運行狀態(tài)。龍門吊狀態(tài)監(jiān)測和管理系統(tǒng)主要顯示的內(nèi)容如下：①龍門吊實時總狀態(tài)；②龍門吊各機構(gòu)單獨實時運行狀態(tài)，震動監(jiān)測；③故障報警；④故障診斷指南；⑤有關(guān)參數(shù)和圖形實時顯示，并可存盤打印；⑥對每工班、每日、每月的作業(yè)箱數(shù)、重量、作業(yè)小時等實現(xiàn)自動統(tǒng)計和打印；⑦設(shè)備維修保養(yǎng)情況；⑧各機構(gòu)運行時間。

圖2 龍門吊監(jiān)測和管理系統(tǒng)圖

3.2.4 遠程操作控制系統(tǒng)

中控室配置兩臺遠程操作臺，操作司機可利用遠程操作臺遠程操控龍門吊進行半自動作業(yè)；操作臺通過交換機與各系統(tǒng)服務(wù)器連接，司機通過終端向碼頭生產(chǎn)管理系統(tǒng)反饋相關(guān)作業(yè)信息，通過數(shù)據(jù)交互的方式與碼頭生產(chǎn)管理系統(tǒng)進行信息交互。

每一個遠程操作臺可以監(jiān)控并控制任意一臺龍門吊，實現(xiàn)多對多工況。

遠程操作臺上布置了遠程操作所需的按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、指示燈及操作手柄、顯示屏、可顯示狀態(tài)及操作控制的觸摸屏、語音通話設(shè)備、生產(chǎn)管理系統(tǒng)、遠控PLC、司機座椅以及其它的配件。在遠程操作臺的后面集成有控制箱，控制箱內(nèi)遠控PLC，接收遠程控制軟件發(fā)送過來的指令，通過以太網(wǎng)接口與堆場內(nèi)龍門吊上的遠控PLC 進行通訊。操作臺上的按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、指示燈及操作手柄等信號進入PLC 的 I/0 模塊。

圖3 龍門吊遠程操作控制系統(tǒng)圖

3.3 操作方式

龍門吊設(shè)備可根據(jù)每個作業(yè)階段的狀態(tài)、要求，在不同階段選擇不同的操作方式：

（1）當(dāng)龍門吊設(shè)備進行裝卸箱作業(yè)時，采用遠程操作方式。在遠程操作模式下，大機設(shè)備所有的工作指令都直接來自TOS 系統(tǒng)。無論收箱或提箱作業(yè)，大多數(shù)操作都能自動完成，包括帶路徑優(yōu)化的自動運行、吊具傾轉(zhuǎn)控制、集卡引導(dǎo)、自動著箱等；為了確保安全，操作員只需要在車道一側(cè)集卡車安全高度上手動接管機構(gòu)運行和開閉鎖等有限幾個動作，且自動、手動操作過程能做到無縫切換。大機設(shè)備上自動化功能的實現(xiàn)能有效地減輕司機工作強度，并提高堆場的工作效率。

（2）當(dāng)龍門吊設(shè)備遇到狀況或從安全方面考慮，需要進行遠程人工干預(yù)時，采用人工遠程操作方式。

（3）當(dāng)龍門吊備遇到故障或處于維修狀態(tài)時，采用本地狀態(tài)下的手動操作方式。

3.4 作業(yè)流程

自動化軌道式龍門吊集裝箱堆場作業(yè)流程分為進箱作業(yè)、出箱作業(yè)。

3.4.1 進箱工作流程

堆場調(diào)度員在計算機管理系統(tǒng)上計劃進箱作業(yè)任務(wù)，并下發(fā)作業(yè)指令給場站管理系統(tǒng)。帶箱集卡進入作業(yè)堆場入口，入口RFID 識別拖車車號并反饋給場站管理系統(tǒng)。場站管理系統(tǒng)根據(jù)入口RFID 識別的拖車，自動執(zhí)行相對應(yīng)的拖車指令。龍門吊接收到場站管理系統(tǒng)指令大車自動運行到提箱目標(biāo)位置，集卡到達目標(biāo)作業(yè)貝位，集卡引導(dǎo)系統(tǒng)引導(dǎo)集卡精準(zhǔn)停車。小車自動運行到目標(biāo)車道上方，起升自動下降到集卡上方安全高度。人工操作龍門吊吊具下降、著箱，自動閉鎖。人工操作龍門吊吊具上升500mm，判斷有無掛鎖等異常狀態(tài)，人工起升手柄回零再次上升確認，轉(zhuǎn)入自動運行，起升自動上升。小車自動運行到放箱排位，吊具自動下降到目標(biāo)箱上方安全高度。

3.4.2 出箱工作流程

堆場調(diào)度員在計算機管理系統(tǒng)上計劃出箱作業(yè)任務(wù)，下發(fā)作業(yè)指令給場站管理系統(tǒng)，空集卡進入作業(yè)堆場入口，入口RFID 識別拖車車號并反饋給場站管理系統(tǒng)。場站管理系統(tǒng)根據(jù)入口RFID 識別的拖車，自動執(zhí)行相對應(yīng)的拖車指令。龍門吊接收到場站管理系統(tǒng)指令大車、小車自動運行到提箱目標(biāo)位置，起升自動下降到目標(biāo)箱上方安全高度。人工操作龍門吊吊具下降、著箱，自動閉鎖。集卡到達目標(biāo)作業(yè)貝位，集卡引導(dǎo)系統(tǒng)引導(dǎo)集卡精準(zhǔn)停車。小車自動運行到目標(biāo)車道上方，起升自動下降到集卡上方安全高度。人工操作龍門吊吊具下降、放箱、開鎖。人工操作龍門吊具上升500mm，判斷有無掛鎖等異常狀態(tài)，人工起升手柄回零再次上升確認，轉(zhuǎn)入自動運行，起升自動上升，指令完成。

4 結(jié)語

本文針對傳統(tǒng)龍門吊的作業(yè)存在設(shè)備利用率低、現(xiàn)場工作環(huán)境惡劣、高空作業(yè)安全隱患等缺陷，提出了一種智能高效的軌道式龍門吊遠程控制系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)的總體架構(gòu)和功能分析進行了詳細的介紹。本系統(tǒng)已在該港口穩(wěn)定運行了一段時間，使用效果良好，操作簡單，可靠性和實用性高，改善了司機的作業(yè)環(huán)境，降低司機工作強度，提高港口整體作業(yè)效率，具有廣闊的應(yīng)用前景。