散貨碼頭橋式抓斗卸船機自動化改造

孫小婷，王儒超

（廣西鋼鐵集團有限公司 港務中心，廣西 防城港 538000）

0 引言

卸船機是散貨碼頭卸船時使用的大型機械，在大宗原燃料集散港口發揮著重要作用。全球貿易一體化的發展促進了全球范圍內對散料運輸的需求，伴隨這一發展的是港口對卸船機這類散貨卸船設備的需求[1-2]。司機人工手動操的熟練程度直接決定著卸船效率與作業安全，為了適應港口散貨裝卸設備專業化、大型化、高效化的發展趨勢，世界各國都在大力研究，應用信息化、自動化和智能化技術來建設和改造散貨碼頭，研制新型散貨裝卸與輸送設備，研究新型散貨作業管理與控制系統，從而提高港口企業的核心競爭力。

1 項目概述

1.1 項目意義

我國現有港機設備以人工或者半自動的操作方式為主，碼頭依賴人工作業、協作調整的生產作業，通常會由于操作人員經驗不足，通訊系統數據傳遞的不及時、不準確等原因影響裝卸效率，使得生產成本較高[3]。目前散貨碼頭電氣自動化控系統存在的主要問題有：

（1）散貨碼頭的工藝流程較為復雜，工藝的環節繁復，控制系統的性能存在短板。為滿足生產發展的需求，生產過程中各環節設備技改更新頻繁，現有系統無法完全兼容。

（2）從目前裝備備件應用情況來看，部分電氣系統關鍵備件及技術依賴外企進口，如ABB、施耐德、西門子等。我國在控制系統關鍵技術、軟硬件、綜合調度等方面與歐美發達國家仍存在較大差異。

（3）港口裝卸設備的電氣自動化控制系統及現場傳感器數據信息量大、各個系統模塊采用設備標準不統一，故而對數據傳輸和處理性能要求較高，怎樣利用現有技術高效的進行數據信號傳數，在保證數據的準確性、有效性的同時，怎樣確保各采集系統間的信息共享是目前研究的熱點。

（4）系統運維成本高。隨著碼頭的裝卸設備及碼頭規模的擴建，控制系統的使用頻率和業務量逐漸增大，需不斷維護升級現有系統以提高其適用性、穩定性，這也可能增加系統的維護成本[4-5]。

隨著經濟全球化的快速發展，柳鋼原燃料采購以國際貿易為主，現有的散貨碼頭的自動化化水平無法滿足國際貿易快速增長的需求。國內多地掀起了智能自動化碼頭建設的高潮，各地開始了散貨碼頭的電氣自動化的改造升級。

1.2 項目概況

柳鋼防城港基地20 萬噸碼頭泊位配置有6 臺額定生產能力2500 t/h、3 臺定生產能力1800 t/h 的橋式抓斗卸船機。卸船機自動化系統為ABB-AC800M。碼頭作業模式采用人工手動卸船方式，剩余艙底余料，由司機將推耙機吊入船艙進行清艙作業。

1.3 項目內容

本工程擬對碼頭原料泊位卸船機實施技術改造，在保持原操作系統不變的情況下，加掛一整套智能全自動控制系統（包括高精度雷達、智能檢測終端等軟硬件系統）。同時，在地面中控室建立遠程控制中心，卸船機上無需配備司機，中控只需1 名值班員通過在人機界面設置任務參數，下達卸船指令，系統通過雷達自動掃描建立船艙和料堆分布三維動態數據庫，依靠智能算法，自動控制抓斗卸船機起升、開閉、小車、大車機構運行。系統具備先進感知系統，在保證船體安全平衡的原則下精準抓取、平穩卸料，最終實現智能全自動控制下的卸船作業（大梁俯仰及清艙階段仍需司機手動操作）。

2 系統方案

抓斗卸船機智能全自動控制系統通過雷達掃描建立船艙內料堆三維動態數據庫，主控單元依靠人工智能算法，自動控制抓斗卸船機起升、開閉、小車、大車機構運行。系統具備先進感知系統，在保證船體安全平衡的原則下精準抓取、平穩卸料，最終實現全自動卸船作業。

卸船機上由主機構定位系統（含大車定位防撞）、視頻監控系統、物料探測雷達系統、卸船機自動化系統、機上操作終端、地面中控系統等組成。地面中控系統由數據通信系統、視頻監控大屏、操作終端、遠程操作臺組成。系統網絡配置如圖1 所示。

圖1 系統網絡圖

2.1 主機構位置檢測

2.1.1 大車位置檢測及防撞

為精確檢測大車運行位置，在原有編碼器定位基礎上增加RFID 校驗裝置對編碼器位置進行校準，位置信號接入卸船機PLC 控制系統，實現大車方向的自動定位。為避免同軌道卸船機之間的碰撞，目前卸船機門腿底部均安裝防撞激光、防撞桿及限位，接入卸船機PLC 控制系統，PLC 系統根據當前速度及距離可實時計算減速點及停止點，確保相鄰卸船機的安全。

2.1.2 起升及小車位置檢測

卸船機的小車為機械差動四卷筒牽引小車，其結構型式為：起升電機、閉合電機與小車行走電機，通過兩臺特殊設計的行星減速器組合裝配，用來驅動四只卷筒。同側的兩只卷筒分別繞出兩根鋼絲繩分別繞過橋架頭部和尾部的改向滑輪繞向抓斗小車，再通過抓斗小車上的改向滑輪固定在抓斗上。抓斗起升、閉合、小車行走所有功能都通過這四只卷筒來實現，通過兩臺行星減速器內圈、外圈的差動實現各種動作組合。保持兩個起升卷筒不動，兩個開閉卷筒同向轉動實現抓斗的開閉；兩個起升卷筒和兩個開閉卷筒同向轉動實現抓斗的起升；兩個起升卷筒和兩個開閉卷筒反向轉動實現小車的運行。如圖2 所示。

圖2 機械差動四卷筒牽引小車鋼絲繩繞繩系統

四卷筒牽引小車系統的優點為：由于只有一個抓斗小車，四根鋼絲繩，纏繞系統非常簡潔明了。相應鋼絲繩用量少，磨損少，需要的滑輪也少；抓斗的起升、閉合、小車行走機構組合在一起，只有四只卷筒，結構非常緊湊；只有一臺小車，后大梁可縮短，整機自重減輕。目前卸船的起升、小車位置具備位置檢測功能，采用電機的增量編碼器進行計算獲取的，采用位置同步開關進行位置校驗。可以滿足起升在45 m 范圍內的運行，使起升的定位精度在±20 cm 內的精準定位。在閉斗狀態下，可以在地面和料斗格柵板處進行位置校驗。位置信號接入卸船機PLC 控制系統，實現抓斗起升方向的自動定位。

2.2 視頻監控系統

卸船機視頻監控系統實現在全自動條件下的視頻監控輔助功能。在以下關鍵操作位置固定高清攝像頭，采集的視頻信號匯總至機房電氣室內視頻系統機柜，信號再經電纜卷筒內的光纖備用通道傳輸至中控室，顯示在監控大屏幕上。

（1）在卸船機大梁海側位置的高清攝像頭，面向下安裝，視角覆蓋下面船艙范圍，主要用于觀察抓斗在船艙內的抓卸料操作。

（2）在卸船機大梁陸側卸料斗的上方位置的高清攝像頭，視角覆蓋整個卸料區域范圍，主要用于觀察抓斗的卸料姿態和卸料效果。

（3）在卸船機大車前方左右兩側位置的高清攝像頭，觀察大車前進時碼頭工作面狀況。

（4）在卸船機大車后方左右兩側位置的高清攝像頭，觀察大車后退時碼頭工作面狀況。

（5）在卸船機卸料斗出口附近的高清攝像頭，視角覆蓋料斗出口及閘門，主要用于觀察出料狀況。

（6）其他位置新增的高清攝像頭：運行皮帶前側、運行皮帶后測、電纜卷盤側，分倉前側，分倉后側，低壓電氣房側，高壓電氣房側。

2.3 物料探測雷達系統

激光雷達掃描系統沿卸船機大梁方向，在船艙上方兩側位置安裝掃描云臺，如圖3 所示。云臺采用正交安裝方式，可以對船只進行兩個垂直方向的掃描，由于兩個云臺安裝在船只上方兩側，在掃描的時候能夠更多的掃描到船艙口內測的料堆情況。或者采用在司機駕駛室平臺下方安裝一臺掃描云臺，根據船體尺寸移動駕駛室至合適位置，保證掃描云臺能夠更多的掃描到船艙口內側料堆情況。

圖3 掃描雷達安裝位置

在作業前通過行走大車，雷達能夠對下方船艙及物料分布做覆蓋式掃描 建立料堆三維模型；抓斗小車每次向料斗卸料時，激光雷達開始實時掃描船艙料堆形狀，刷新料堆輪廓，提供下次抓斗抓取的數據坐標。

2.4 卸船機自動化系統

新增一臺自動化控制柜，配置西門子1500PLC和工控機，用于實現自動作業相關功能。新增的PLC通過profinet 與原主機控制系統ABB-AC800M PLC進行通信，實現數據交互，新增的工控機用于激光掃描建模和控制算法。激光掃描儀通過以太網接入工控機。

3 自動流程及控制策略

3.1 自動工藝流程

操作員在中控室操作終端界面中，設置船艙寬度、深度及艙口數據、大車移動閾值等幾個作業參數后，將對應卸船機的操作模式切換為全自動模式，系統即開始自動卸船：

（1）系統通過大車自動移動實現對下方船艙和物料的覆蓋掃描，將其輪廓信息三維成像、建模，經過分析計算將料堆與船艙剝離開來，并根據智能連續取料策略算法形成最優化卸船作業方案，人工核對掃描數據后生成作業任務。

（2）系統根據當前料堆形狀特征以及重量分布，大車自動移動至軟件計算出的最優抓料點，自動控制抓斗抓料、閉斗、提升，沿系統自動規劃的最優回程路徑，控制抓斗和小車運行至卸料斗上方開斗卸料，然后系統控制抓斗再返回船艙內下一個最優抓料點繼續抓料，完成一次抓卸料循環。

（3）在每個循環中，當抓斗遠離船艙后，雷達自動掃描當前抓取過的煤堆表面，實時刷新料堆輪廓并更新到整個料堆數據庫中。同時能夠對船體上浮、傾斜產生的數據變更進行實時補償。

（4）系統周而復始，按照分層剝取、平衡卸船的策略，自動完成卸船任務。艙底剩余少量余煤，由司機手工清艙。

操作員在中控室遠程監控系統全自動運行，如出現異常情況，可隨時通過點按操作臺上卸船機急停按鈕，系統立即從自動模式切換回手動操作模式，保障系統安全；當異常情況處理完畢后，操作員可點擊“流程繼續”按鈕，系統切回自動模式，從剛才的斷點處接續，繼續自動卸船作業。

3.2 射斗策略

由于船艙口過小，為了能夠抓取更多的料，在抓斗擺幅過程中開始下降到船艙內，當擺幅到達最大時，抓斗接觸料堆進行抓取。在自動作業模式下，無法完成這個過程，為了能夠抓取更多的料，對于船艙口小的取料，通常采用的方法是先將抓斗降至艙內，再將小車向艙壁移動，最多是半個抓斗的位置，或略小一些。

3.3 最優路徑

卸船機的主要作用機構是抓斗升降及小車平移，只有這兩個機構同時進行移動才是最快的效率。在保證安全的前提下，不發生碰撞盡量實現同時作業，這就需要考慮機構行程的軌跡，因此通過建立坐標系，結合防搖系統進行最優路徑規劃，最終輸出路徑坐標點，控制小車及抓斗的位置，來提高整體作業效率及流暢性。

3.4 防搖定位

防搖系統的算法有很多，通常分為開環算法和閉環算法。

開環算法：最普遍的就是雙脈沖前饋防搖擺控制（Double pulsecontrol），也有稱為Posicast control 或Cancellation control。最典型的應用如ABB 的傳動系統，這種算法理論上不支持擺長變化（小車移動時，抓斗升降變化）控制。

閉環算法：西門子、萊納、佰能等，這種算法在擺長發生變化時，能夠進行補償防搖效果。

為了實現最優路徑，就需要采用變擺長的方式，因此閉環算法更適合卸船機的應用。

3.5 控制接口

卸船機的原系統功能比較完善，因此所有控制功能及功能連鎖以原系統為主新增系統為輔。接口采用Profinet 協議通訊，通訊主要內容如下：

（1）遠程操作控制選擇；

（2）大車、小車、起升采用啟動指令+速度給定；

（3）抓斗開閉指令控制；

（4）卸船機的位置些信息；

（5）卸船主要報警信息。

4 結語

抓斗卸船機無人駕駛系統投用后，使司機脫離駕駛室的同時還可在遠程進行必要的操作，不僅極大地降低了卸船機司機的勞動強度，還提高了卸船的安全性。同時，該系統可自動計算最佳抓取點和最優抓取路徑，有效避免煤料撒落的情況，從而減輕了碼頭污染和資源浪費等問題。