自动化岸桥负载自动防摇防扭系统设计及应用

摘 要：为保障自动化岸桥运行过程的安全、准确、高效，利用红外定位、图像处理技术、系统联动技术等先进技术，设计开发自动化岸桥负载自动防摇防扭系统。通过检测安装在负载上的红外结构光源位置，计算出吊具空间位置和姿态信息，并将这些信息发送给控制系统，系统可以控制岸桥吊具更加快速、准确、有效的工作。系统在天津港已得到成功应用，对保障天津港自动化岸桥正常作业起到至关重要的作用。

关键词：港口;岸桥;自动化;红外定位;图像处理;吊具检测系统（SDS，Spreader Detection System）;可编程逻辑器件（PLC，Programmable Logic Controlle）;防扭控制器

中图分类号：U653.921 文献标识码：A

0 背景

近年来，随着集装箱码头自动化设备的大范围投入使用，自动化岸桥在使用过程中的各种关键性技术也为技术人员关注的重点。

自动化岸桥在作业过程中小车、大车需要相对于水平面进行前后及左右的移動，在移动过程中岸桥所带吊具会产生钟摆运动，司机需根据摆动幅度进行反复控制车速来保持吊具平稳。码头作业环境复杂，受气候尤其是风影响较大，另外集装箱内所装货物有一定的偏载概率，在吊具相对水平面进行垂直运动时会造成吊具及其负载产生扭动，司机需要频繁调节旋转，以达到稳定吊具的目的。

为解决上述问题、提高岸桥自动化程度、减少司机工作强度，需要对岸桥防摇防扭系统进行设计升级。

1 系统要求

1.1 硬件部署及要求

（1）岸桥小车架上安装一个摄像机。（2）岸桥吊架上安装三个红外光源。（3）岸桥前首防扭改造电动滚珠丝杠推杆。（4）摄像机调节箱安装在小车平台上，并垂直向下正对着吊具上的中间红外灯。（5）摄像机安装在摄像机调节箱内，用于调节摄像机角度。（6）红外光源安装要特别注意吊具上的安装位置，避免旁边物体的对光源的干扰，比光源高的物体要在长度方向和宽度方向都要保持15 cm以上的间隙。

1.2 软件功能要求

系统软件应具备如下功能：

工作距离在3～60 m之间;角度方位±11度;测量频率40 Hz。

（1）检测吊具沿小车方向的偏移量。由于岸桥吊具在小车运行过程中会产生前后晃动，造成吊具与小车无法在一条垂直线上，系统会根据其偏移量来控制小车速度，以达到偏移量在±10 mm内。

（2）检测吊具沿大车方向的偏移量。由于岸桥吊具在大车运行过程中会产生左右晃动，造成吊具与大车无法在一条垂直线上，系统会根据其偏移量来控制大车速度，以达到偏移量在±20 mm内。

（3）检测吊具高度。系统检测吊具高度，与岸桥自带编码器进行校验，将误差控制在±50 mm内。

（4）检测吊具摆动角度。由于码头作业环境复杂，受天气影响较大，系统检测因风带来的吊具摆动幅度，将摆动幅度控制在0.1度左右。

1.3 硬件安装及调节

（1）三个红外灯安装在吊具上，摄像机调节箱安装在小车平台上，并垂直向下正对着吊具上的中间红外灯。

（2）摄像机调节箱安装于小车平台上，其内安装摄像机，用于调节摄像机角度，确保摄像机的安装角度是正确的，方向判断标准：先跟ACCS确定好大小车方向，如果摄像机看到的大车左中右以及小车前后和人眼实际看到的大车左中右以及小车前后一致，说明方向是正确的。

将吊具放到25 m高度。打开摄像机调节箱，首先调节摄像机前后方向，再调节摄像机左右方向，打开系统软件，并将图片显示以及像素显示打开，将中间灯像素坐标调到（1 020±10，540±10）内，允许误差10个像素，通过旋转另一个方向使中间圆的圆心和图像中心重合，摄像机调整完毕。

（3）岸桥前首防扭改造电动滚珠丝杠推杆，传统的岸桥前首防扭使用梯形丝杠，因使用中频繁受力，梯形丝杠的磨损非常大，改造后采用四套滚珠丝杠作为防扭的驱动形式，安装在岸桥前首，分别控制四根主卷钢丝绳，在防扭时每两根钢丝绳相对运动，达到防扭效果，系统软件控制防扭装置每两套间进行相对工作。

2 系统设计

自动化岸桥负载自动防扭系统是通过摄像机检测安装在负载上的红外结构光源位置，计算出吊具空间位置和姿态信息，通过以太网与电气房中的工控机进行数据传输，再通过工控机对数据进行处理，并将处理所得数据通过串口通信模式传给PLC，PLC发出指令来控制前首四套滚珠丝杠动作，来实现防扭效果。

防扭控制器是系统的关键。根据不同的控制对象及防扭目标，进行自动防扭的设计，包括系统建模、系统参数辨识、控制器率选择、控制参数调整。它与SDS、PLC及防扭执行机构通信，实时获取吊具旋转角度、岸桥运行状态，在不同的小车起升位置、不同吊具尺寸、不同带载情况下，调节执行机构实现防扭功能。

3 系统应用情况

岸桥负载自动防扭系统在天津港远控自动化改造后，顺利实施，稳定运行。远控司机工作强度大大下降。整套系统在岸桥运控生产过程中，起到了关键作用，为后期更多的岸桥改造提供了参考标准，为其他码头远控改造提供了参考案例。

4 结语

岸桥起重机吊具、小车悬挂部分是一个强耦合、大滞后的非线性时变系统，且作业过程中钢丝绳变长特性，使得常规方法难以有效控制吊具姿态。本系统安装吊具位置检测传感器SDS，用于实时检测获取吊具的旋转角度信息;自动防扭控制器，接收SDS反馈的吊具旋转信息及其他状态，通过相应的控制算法来控制电机调节速度和方向，控制前大梁滚珠丝杠的移动，从而调整上架钢丝绳的相对长度，从而实现吊具动态防扭补偿的目的。自动化岸桥负载自动防扭系统将更好的操作体验、更智能的应用发展方向发展，将更进一步优化岸桥远控作业能力。

参考文献：

[1]李奇，韩浩.岸桥新型远程操控系统的设计与实现[J].港口装卸，2015（3）：8-10.

[2]中国港口协会.岸边集装箱起重机远程控制系统技术条件：T/CPHA 1-2018[S].

作者简介：刘广昭（1992—），男，河北献县人，本科，初级，研究方向：港口自动化。