基于半自动化背景下的门机全自动智能化控制系统的研究

◎ 王 家

（连云港东粮码头有限公司，江苏 连云港 222000）

1 研究背景

连云港东粮码头有限公司32泊位3台门机半自动控制技术于2020年7月改造完成投入使用，该项技术在当时国内门机使用尚属首例，开创了门机半自动驾驶技术的先河，也为后期门机全自动智能化控制提供了技术支撑。

现有的半自动化控制指将门机的起升机构、变幅机构和旋转机构的控制，通过变频器及PLC程序的编写，实现了3机构在设定情况下的自动运行，司机只需坐在驾驶室内监控此过程的运行情况，既降低了司机的劳动强度，也解决了抓斗落料过程中与大漏斗的碰撞及粉尘外溢问题，但是无法达到全自动化控制，其他机构的操作仍然需要司机完成。因此，本文提出了全自动智能化控制系统。

全自动智能化控制系统基于半自动背景下的全自动智能化控制，应用高精度定位、三维智能扫描、抓斗自动防摇、安全防撞、综合安防监控等技术，结合码头生产管理系统功能形成作业策略，可实现对抓斗门机的异地远程控制、半自动控制或全自动控制的多种作业模式[1-3]。

2 研究内容

2.1 机构位姿检测技术

通过绝对值编码器、接近开关、FRID磁感应装置等传感器，检测起升、旋转、变幅、行走4大机构的位置状态。

2.2 激光扫描建模技术

激光云台扫描设备对目标区域进行数据采集， 目标区域包括船体、船舶舱口位置、船舷高度、船舱盖板 、物料、装卸位置等。

2.3 抓斗防摇技术

根据等效绳长等数据，结合各机构速度，估算出偏摆角度。变频器通过建模分析角度衰减控制，实现抓斗防摇。

2.4 防撞检测技术及防入侵保护

依托各机构的精准定位和位姿获取，通过软件算法实现软件防撞功能。控制系统计算本机与相邻门机的运动趋势，判断是否存在碰撞的可能，并进行相应的处理。

2.5 抓斗运行轨迹定位

通过建立抓斗的运动模型和力学分析模型，结合抓斗的运行控制程序和算法，最终实现抓斗的运行轨迹定位及优化。

2.6 光纤通讯技术

通过光纤通讯，可实现门机与中央控制室的信息交互。同时，在电缆卷盘滑环和门机中心滑环2个节点，采用光纤滑环实现机上与机下的光纤通讯。

2.7 门机远程集中控制技术

通过远程控制系统，建立门机群之间的远程控制，即在中央控制室控制门机各机构动作和抓斗运行轨迹，实现1名司机操作多台门机。

3 系统架构

3.1 信息管理系统层

信息管理系统主要由数据库服务器、生产管理应用服务器等设备组成，建立灵活的网络管理和可靠的安全系统。信息管理设备层系统网络采用以太网，主要用于生产设备等子系统的数据处理、存贮、信息查询、数据分析以及报表的输出等工作。

3.2 中央控制系统层

中央控制系统是以中央控制室为中心的控制系统。中央控制室设置在生产指挥中心，控制系统还包括中央控制系统与门机控制系统之间的数据通信以及信号联锁控制。

3.3 自动化控制层

自动化控制层将门机控制系统、工艺设备流程控制、操作台远程控制、智能照明控制等独立的生产工艺设备控制系统连接起来，实现集中自动化控制，全自动智能化控制系统架构如图1所示[4-5]。

图1 系统架构图

4 实现的关键技术

4.1 机构位姿检测

4.1.1 起升机构

采用多圈绝对值编码器和电机带增量型编码器实现。

4.1.2 变幅机构

采用在变幅齿条处安装绝对值编码器或变幅电机增量编码器实现。

4.1.3 旋转机构

采用从动齿轮转轴和多圈绝对值编码器或电感式接近开关实现（如图2）。

图2 三机构初始检测位置图

4.1.4 行走机构

采用行走自由轮和多圈绝对值编码器或RFID磁感应装置实现，全自动智能化控制系统各机构安装检测装置示意图如图3。

图3 各机构安装检测装置示意图

4.2 激光扫描建模

通过安装在司机室附近和象鼻梁头部的Sick 3611激光扫描仪，对场景进行扫描，然后对获取到的点云数据进行处理，通过算法提取所需信息，然后将信息通过传输协议传递到PLC，控制系统执行自动化作业流程。

Sick 3611激光扫描仪为360°2D扫描模式，为实现3D建模，需要添加一个轴的运动，合成3D结果，完成场景建模。为此，扫描仪模块的硬件架构为激光扫描仪和伺服电机云台。通过伺服控制器精确控制云台的旋转角度，利用欧式变换矩阵计算方法，将扫描仪获得的每一帧扫描数据转换到全局坐标系下。激光扫描的结果数据经过坐标转换、特征提取后，将作为卸船策略的依据。

4.3 抓斗防摇技术

闭环控制：采用传感器实时采集抓斗的摇摆角度和角速度，反馈给控制系统，通过控制机构加速度，将抓斗摆动角度限制到最小，达到防摇的目的。

开环控制：采用最优控制、增益调节、自适应控制度、状态反馈等现代控制方式，建立数学模型。通过有效绳长、给定速度、反馈速度等，估算出抓斗摇摆角度，从而进行防摇控制（如图4）。

图4 抓斗防摇控制流程图

4.4 防撞检测技术及安全防护

4.4.1 被动防撞检测

依托各机构的精准定位和位姿获取，通过软件算法实现软件防撞功能。控制系统计算本机与相邻门机的运动趋势，判断是否存在碰撞的可能，并进行相应的处理（如图5）。

图5 被动防撞检测示意图

4.4.2 主动防撞检测

依托检测装置来实现，通过检测装置实时监测防碰撞区域内的障碍物情况，当有障碍物入侵时发出报警信息，生成控制指令，通过控制系统进行主动防碰撞处理（如图6）。

图6 主动防撞检测示意图

4.4.3 大车行走防撞

在行走机构支腿上安装4台激光扫描仪，可检测14 m距离内的障碍物。实现大车行走方向上的区域防护（如图7）。

图7 大车行走防撞示意图

4.4.4 防侵入保护

在门机合适位置安装1台警戒式摄像球机，摄像头识别大漏斗，并根据相关策略自动划定警戒区域。当检测到警戒区域内没有人员时（包括动态和静态识别），抓斗方可执行抓料和卸料流程作业，否则将等待，直到检测现场无人员时再作业。

4.5 抓斗运行轨迹定位

抓斗在料斗上方精确定位后，开斗扬尘最小，可实现除尘、静电料斗内开斗放料，抓斗的运行只要依靠起升、变幅、旋转3大机构的运行定位来实现。

4.5.1 起升机构设定

门机起升设计的最大速度为60 m/min，即1 m/s，加、减速时间为3 s。根据1/2（V×T）,可以算出起升机构从最大速到0速的滑行距离为1.5 m，即从离设定位置1.5 m的位置给0速，可以正好达到设定位置。若设定起升目标值为18.8 m，抓料高度时距离为h，运行时间即为t=（18.8-1.5-h）。

4.5.2 变幅机构设定

门机变幅机构的设计速度为45 m/min，即0.75 m/s，加、减速时间为3 s，因此想达到最大速度最少要2.25 m（2×1/2×V×T）的运行距离。

变幅的计算公式：实时位置减去设定位置得到位置差（S1-S2=S）。

根据半自动的调试试验，很短的运行距离达不到很好的防摇效果，因此在程序上做了限制，若变幅小于18 m时，不允许启动自动控制技术（门机变幅12 m～39 m，料斗的位置约在变幅13.8 m处）。S<2.25 m工况不存在。

当S>2.25 m时，加减速的滑行距离为2.25 m，因此匀速运行的时间为：t1=（S-2.25）/0.75。但是变幅的防摇周期为8.31 s，因此，变幅运行时在t1+8.31 s后，给0速。在开始运行到t1+8.31 s的时刻给最大速度50 Hz/m。

4.5.3 旋转机构设定

旋转机构的速度为1.5转/min，即9°/S，旋转的加、减速时间为8.31 s。考虑到防摇效果，现场设定的最大速度分了4个档，分别为40 Hz/m、30 Hz/m、20 Hz/m、10 Hz/m。

若要达到40 Hz/m,需要的最小旋转角度差为4/5×9×8.31，也就是59.8°。

若要达到30 Hz/m,最小的旋转角度为44.9°。

若要达到20 Hz/m,最小的旋转角度为29.9°。

若要达到10 Hz/m,最小的旋转角度为14.9°。根据角度差可以选择最大速度。

旋转匀速运行时间（以40 Hz/m为例）：t2=[(θ-59.8) ×5]/（9×4），旋转的运行时间为：8.31+t2，在开始运行到8.31+t2这段时间给40 Hz/m的速度，过了8.31+t2时间后给0速。

4.6 门机远程集中控制技术

远程自动化控制是整个门机自动化系统的核心，通过各门机控制系统采集本机的运行信息和数据，借助可靠的网络构架，可以将信息和数据汇总到中控室，再通过服务器 PC 上的自动控制程序、组态软件对操控台的各种指令进行处理，将处理结果通过网络发送给各门机控制系统，执行相应的命令（如图8）。

图8 门机全自动控制系统简图

通过多机协同作业策略和智能化控制算法，实现多机调度或协同作业，并在系统作业过程中通过可靠的安全防撞系统和措施，保障多机协同作业的安全可靠。

4.7 全自动控制流程

中央控制室操作人员检查各机构情况及现场安全状况，操作门机到指定位置后，设定相关参数，然后进行自动化操作，按照图9进行。

图9 全自动控制流程简介图

5 预期效果

5.1 提升综合效率

采用门机全自动智能化控制系统，可降低门机作业效率对司机专业技术水平的依赖程度，在减轻门机司机疲劳的同时，规范操作流程、实现卸船作业标准操作，从而提升门机作业效率的稳定性。

5.2 减员增效

通过实现门机的全自动智能化控制，可大幅降低门机司机的劳动强度。例如，若有3台门机，门机司机可以从每个班4人3台门机减少到3人3台门机，按照3大班制测算，全年节约人工成本约30万元，达到优化作业，降低能耗的目的。

5.3 提升智能化水平

门机作为散货码头工艺设备重要的组成部分，实现门机操作全自动智能化，为下一步散货码头全流程自动化迈出了关键一步，为智慧港口建设贡献技术支撑。

5.4 提升安全性能

自动化作业可降低人为因素风险，降低由于司机疲劳或操作失误导致的安全风险，提升门机作业的安全化水平，提高运行安全可靠性；减少设备抖动、晃动对金属结构的影响。同时，可减少扬尘，提高环境保护能力。

6 推广应用

门机全自动化控制技术的应用对于散货码头具有重大意义，解决了传统门机作业中的难点和痛点，具有极大的推广价值。门机作为港口传统设备，借助智能技术，使司机走出驾驶室，可实现适应复杂工况的无人化作业。随着散货码头各设备智能化升级、各系统间的整合，今后将改变传统散货码头作业模式，实现散货码头全智能化技术，在安全、可控、高效、节能、环保等各方面迈上一个新的台阶。