探讨卸船机全自动抓斗卸船机控制技术

张楠罗贤松

摘要：随着社会经济的发展，我国的智能化技术有了很大进展，并在卸船机中得到了广泛的应用。从卸船机操作流程、摇摆控制技术、船舱位置动态检测、卸船策略规划等方面，介绍了智能全自动卸船机控制技术。该技术的应用，能够降低投资成本和维护需求，提高生产效率和安全性能，减轻操作人员劳动强度。

关键词：3D激光扫描；船舱动态位置检测；变频器；PLC

引言

在码头生产的过程中，涉及到的机械设备具有多样性，机械设备的运行质量是保障生产高效性与连续性的基础和前提。尤其是在我国经济不断增长的趋势下，对于桥式抓斗卸船机的需求量越来越大，只有加强桥式抓斗卸船机运行的稳定性，才能够为码头生产的可靠性提供保障。因此，应该不断优化桥式抓斗卸船机的性能，并加强性能考核的研究，提升桥式抓斗卸船机的运行质量。

1桥式抓斗卸船机操作方式

现有桥式抓斗卸船机的操作方式主要有以下几种：机侧操作、手动操作、半自动操作、全自动操作以及遥控操作。机侧操作在各驱动设备附近的机侧操作箱进行操作，主要用于设备维修保养或者调试。手动操作是在司机室内由驾驶员通过联动操作台对机构进行操作，手动卸船方式效率依赖于司机熟练程度，受人为因素影响较多作业效率不稳定。半自动操作由驾驶员确定作业条件后，手动操作选取抓取点，完成抓斗下降与抓取工作，待抓斗升高到一定高度后，PLC自动控制完成后续步骤，半自动操作需要司机不断手动操作参数，同时，为了避免空抓，少抓，司机在启动循环仍需手动设定一个返回点，效率依然不是很高。在全自动操作中，仅需要设定初始参数，之后卸船机所有的动作均由PLC控制自动完成，该方式效率高，无需人工操作，但是硬件上需要增添TPS（目标位置系统）对船舱与物料进行实时扫描分析。遥控操作驾驶员无需在驾驶室中，通常在地面等处对卸船机进行无线遥控操作，操作效果与手动操作类似。

2智能全自动卸船机控制系统关键技术

2.1摇摆控制技术

桥式抓斗卸船机的小车与抓斗之间采用钢丝绳连接，在卸船作业过程中，由于小车的加减速和负载的升降动作以及风、摩擦引起的扰动等会引起抓斗的摇摆，严重影响作业效率。目前起重机的摇摆控制主要包括机械控制和电子控制2种。机械摇摆控制主要通过机械手段消耗摇摆能量进而消除摇摆，是一种被动控制方式。这种方式耗时长、结构复杂、可靠性差，而且减摇效果与司机操作经验有很大关系，降低了起重机工作效率。电子摇摆控制是一种主动控制方式，它将摇摆控制和小车运行控制结合考虑，不依赖于司机的操作经验，是该领域研究热点。国内外主要的抓斗摇摆控制方法有：分段优化、双脉冲控制、模糊控制、模糊神经网络控制等，前2种是基于数学模型的开环控制，后2种属于智能控制。德国SIEMENS公司最先在卸货起重机中采用了抓斗抗摆动控制技术。在起重机到达接料斗地点之前，小车将在最短时间内迅速减速，以产生抓斗的受控摆动，在振动过程中抓斗打开，物料依靠惯性飞落在接料斗，超过抓斗实际到达的位置。实际上抓斗并没有到达卸货区的中间位置就完成了卸货，通过这种摆动控制，缩短了卸货周期。当抓斗运行到靠近船的上方时，抗摆动控制功能将控制小车和抓斗到达船舱正上方绝对垂直的位置（倾斜角减少到0°）。这样，抓斗的运行沿着最快的运行引导路线，可以确保小车有较高的运行速度（在卸货区和船之间的运行时间最短），并防止抓斗与船的边缘相碰撞。瑞典ABB公司1983年推出桥式抓斗卸船机自动操作系统（GPO———抓斗摆动和性能优化器），包括抓斗摆动控制功能。系统通过二级加减速来有效运用抓斗向小车运行前方的摆动位移，以减少小车的运行行程和运行时间，达到减少作业循环时间、提高作业效率的目的。

2.2抓斗性能及物料特性

物料的抓取数量会受到抓斗自重的影响，自重过大就会导致桥式抓斗卸船机的抓取数量减少。抓取量也会受到挖深功能的影响，当挖深功能较好时，桥式抓斗卸船机的生产率就越高。物料的比重越大，就会使得桥式抓斗卸船机的生产率得到提升。由于抓斗在中心料斗上方的停留时间会受到物料粘稠度的影响，从而影响生产率，因此粘稠度越低的物料，桥式抓斗卸船机的生产率就会越高。

2.3船舱位置动态检测

船舱位置动态检测是实现全自动卸船机的控制关键，其主要功能是自动检测船舱位置和物料分布，实现整舱的连续自动卸船，从而达到提高作业效率和安全性能的目的，具体包括：船舱自动检测、卸船策略规划、实时料堆检测、模式随时切换。目标位置动态检测系统包括2个目标位置传感器（TPS，Tar-getPositionSensor）和卸船机控制系统的路线控制程序。目标位置传感器系统工作取决于安装于司机室平台上的2个目标激光扫描仪，其主要任务有：①船舱目标确认（确认船舱的大小和位置）；②抓斗自动精密对准（精确测量目标位置的准确位置）；③卸船作业完成检查（精确测量船舱物料面返回点位置）；④实时物料外形扫描（扫面任何位置处物料的外形，建立物料三维模型）。主要功能是自动检测船舱位置，自动设定作业区域；监视船舱位置变化，确保作业安全。

2.4自动化卸船流程

开始作业之后，激光雷达采集高度信息，通过固定在大梁上的摄像头，确认垂直和水平方向作业区域。以大梁正下方为原点，在作业区域内建立坐标系，并将该坐标系用二维数组表示。激光雷达采集作业范围内每一点高度值，并将该高度值记录在坐标系的二维数组中，该数组即为煤场的数字模型，同时将该二维数组转化为颜色的图像信息以供人员监视。选取数组中最大值区域进行一次作业。抓斗闭合上周向漏斗区域开始移动。激光雷达和摄像头再次采集高度信息与作业范围，确认二次作业位置，重复上次操作。其中抓斗返回点根据物料的外形自动更新，抓斗闭斗后，控制系统根据小车位置、提升高度等数据在PLC程序中进行运算，在相应区域提升高速时允许小车运行，缩短循环时间。抓斗在到达料斗附近区域时，通过摆动到料斗正上方，同时将抓斗打开，物料进入料斗，随后小车根据设定路线返回船舱更新的返回点。通过抓斗防摆控制、小车的协同工作、返回点的更新等实现卸船路径规划，提高卸船效率。

结语

综上所述，抓斗卸船机通过船舱位置动态检测系统获取船舱外形和船舱内物料的外形数据，通过网络与卸船机的PLC控制系统进行数据交换，控制系统根据船舱外形和实时船舱更新返回点等数据信息，实现全自动抓斗卸船机自动卸船功能，可面向不同船型和物料对卸船路径进行智能规划，解决抓斗摆动控制、自动抛料、同步均衡、防碰撞等问题。采用智能全自动抓斗卸船机控制技术，能够降低投资成本和维护成本，提高生产效率和安全性能，减轻操作人员劳动强度。

参考文献：

[1]王细远．干散货码头自动化技术［J］．水运工程，2018（6）：204－207．

[2]宋合川．桥式卸船机抓斗摇摆控制机理与仿真研究［D］．上海：上海交通大学，2008．

[3]宋东峰．移动小车运动分析、模糊优化及仿真［D］．大连：大连理工大学，2004．

[4]魏二虎，严韦.太空垃圾实时监测系统建立可行性分析[J].测绘地理信息，2007，32（2）：1-4.

[5]马春林.大气传输特性对激光探测性能影响研究[D].西安电子科技大学，2008.

[6]杨宇华，上海振华重工，杨宇华，etal.集装箱自动化码头发展趋势分析[J].中国工程机械学报，2015，13（6）：571-576.