杭州港务集团有限公司 浙江杭州 310000
摘要：堆场自动化是目前码头发展一个趋势。由于人工成本急剧增加，新技术的不断涌现，各种因素导致传统码头对自动化的需求越来越迫切。本文以杭州港东洲码头集装箱堆场自动化系统的实践为案例，介绍了堆场自动化的模块组成，并对模块的功能做了简要分析，最后给出了该系统的关键质量指标。
关键词：自动化；堆场；RMG
随着人工成本的增长和新一代自动控制技术的发展，内河集装箱码头开始向高效、节能、环保、低成本的绿色、智慧港口方向发展。由于堆场作业自动化具有的场地利用率高、人力成本低等显著特点，其逐渐变成研究的重点领域，本文以和三一海洋重工有限公司共同合作开发的自动化系统，在杭州港东洲码头的全自动RMG实施为例，讲述自动化技术在堆场作业中的应用。
一、杭州港东洲码头堆场自动化系统
杭州港东洲码头两台轨道式集装箱门式起重机(RMG)，采用了远程控制自动化作业系统，该系统具备远程操控和全自动作业的能力，同时具备信息搜集、分析、管理、故障诊断的功能。为了保证运行的安全可靠，在吊装起升方面采用吊具倾转装置和八绳防摇系统，在防护方面采用多传感器冗余、超负荷保护等各种安全装置。
该自动化系统主要由远程控制系统、主机构定位系统、自动抓放箱系统、集卡引导系统、集卡防吊起系统、起重机防碰箱系统、大车行走避障系统、RFID系统等组成。它主体采用三层分布式架构，各模块独立控制，局部故障不影响整体系统（见图1系统架构图）。
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图1 系统架构图
（一）远程控制系统
远程控制系统由远程起重机管理系统、视频监控系统、语音系统等组成。通过远程控制系统，在综合办公楼的中控室内，操作员在操作台前，根据视频监控系统回传的数据，在实时监控现场的同时，对设备进行远程操控。该系统配置了2套远控操作台，任意一台操作台可操作任意一台RMG。此外，远程控制系统还包含实时对讲的语音系统、实时仿真和诊断信息显示等功能。操作员可根据需要进行权限设置，不同的权限赋予了远程控制系统不同的运行方式，分为自动、半自动或者手动三种方式（见图2-图4）。
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图2 远控台
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图3 监控界面
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图4 实时仿真
（二）主机构定位系统
主机构定位系统主要包括起升机构定位、大车机构定位、小车机构定位等。
起升机构上安装的绝对编码器，用于检测起升的实际高度，同时采用激光雷达做冗余，精度控制在3cm之内。
大车定位机构上采用的绝对编码器，分别安装在海测和陆侧两个从动轮的输出轴上。大车可根据编码器的定位来进行纠偏，纠偏误差5cm内。大车的定位同时采用光电感应开关，并在大车轨道附近位置地面上，每隔一个Bay位安装一个FLAG支架，用于在大车行进的过程中，触发光电感应限位，对编码器位置进行校验。
小车定位机构，主要通过在运行轨道旁安装一排SICK的磁尺，对小车机构传动的实际位置进行检测。同时采用防碰箱系统的激光扫描功能进行冗余定位，误差在3cm之内（如图5）。
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图5 绝对编码器和磁尺安装位置
（三）集卡引导系统
集卡引导系统采用了激光扫描测距技术、模式识别和自动控制技术。通过激光扫描仪扫描车道来车，识别空载车辆特征或车辆集装箱特征轮廓，从而判断判断距离轨道中心基准位置偏差（见图6）。其偏差可以通过显示板来引导司机调整车辆停车位置。
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图6 集卡引导牌和激光扫描仪
（四）防碰箱与路径规划系统
利用激光扫描技术，融合PLC控制信息，系统实时获取堆场集装箱堆码信息以及ARMG小车和吊具的位置与运动状态。系统自动检测大车所在贝位集装箱码放轮廓信息（图7）。控制系统通过该轮廓信息，设计出合理的起重机作业路径，并控制小车的移动与吊具的升降速度，来避免吊具或者吊具下集装箱与场内的码放集装箱发生碰撞事故，以确保作业路径的安全。该装置基于2D激光扫描技术，对箱区箱位轮廓实现快速扫描，获取精准地图；通过扫描模型，与TOS堆场数据库精准匹配并进行冗余校验，确保无差错；在路径规划中采用S型路径规划算法，实时生成最佳路径，获得堆场给定的最优轨迹曲线（如图8）。
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图7 堆场轮廓扫描示意图
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图8 吊具运行轨迹规划
（五）大车避障系统
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图9 激光传感器用于避障
堆场的轨道上运行着多台轨道吊，因此轨道吊之间的防撞非常重要；堆场轨道不封闭，大车运行轨道上的异物、集卡车和人与轨道吊之间也存在着冲突的可能。针对以上问题，本项目中在每台轨道吊的4个大车门腿位置各安装有1个单点激光传感器（如图9）。它能根据设定的防撞范围，检测前进方向上的障碍物，从而向控制系统发出大车停车的命令。监测距离可达40米，具备可靠地抗干扰性能，检测效果不受天气等环境因素的影响。单点激光传感器和控制系统接口简单，通过传感器的继电器输出接口，向 PLC 发出停止的触点信号。
（六） RFID(无线射频识别)
RFID主要是对堆场的集卡进行管理。RFID的Reader通过读取标签，通过整个码头预设的光纤网络传到数据库。系统经过分析将信息发送给TOS。在码头的闸口，控制具有相应权限的集卡车进入指定区域。每个并排车道都安装一个RFID天线和RFID的Reader。当外集卡车进出闸口的道口时，RFID系统会自动识别集卡的标签，并通过RFID系统的数据库，实现自动识别外集卡车号（如图10）。
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图10 RFID 安装位置
（七）电子防摇系统
吊具电子防摇系统基于滑模控制算法，闭环控制，可快速减摇。电子防摇系统和主机PLC系统融为一体，实现吊具快速定位。技术指标：吊具摆动偏离值不大于±50mm ，2个摆动周期达到停摆状态。
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图11 吊具摆动模型
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图12 姿态传感器安装位置
结语
近年来，受全球经济影响，航运企业结构性供需失衡加剧，经营下行压力大，从上游逐步向下游传导，人工成本、效率问题越来越无法满足日益发展的航运需求，这对堆场生产作业和操作经营模式提出了更高的要求。堆场自动化系统集计算机控制技术、传感器检测技术、网络技术、视频技术、自动识别等为一体，也是自动化集装箱码头总体系统的重要组成。该系统实现了在中控室的任意一个操作台上完成多台ARMG的远程作业操作，提高了设备利用率；操作员在远程作业中控室中工作，工作环境更加舒适，工作强度进一步降低；该系统是基于以太网建立，可以很容易系统升级；将设备运行状态接入到互联网，可实现远程状态监测，为码头应对未来的升级提供便捷的接口和平台。杭州港东洲码头堆场自动化系统的成功应用，可以为我国后续的自动化码头设计提供重要参考。