岸边集装箱起重机防撞系统分析与研究

上海振华重工(集团)股份有限公司 梁 明

随着岸桥大型化，智能化的发展，其防撞系统也需要不断升级。本文对各种常规岸桥防撞系统进行分析研究，详细介绍了激光扫描传感器的在岸桥防撞系统的应用。

岸边集装箱起重机（以下简称岸桥）防撞系统包括大梁防撞系统和大车防撞系统。功能是在大车运行过程中，保护大梁机构和大车机构不与障碍物碰撞。随着船舶和岸桥大型化的发展，大梁和大车车道数量不断增加，船桅杆或雷达越来越高，同时作业的船舶、集卡数量越来越多，碰撞风险都大大增加。而司机在司机室很难准确判断障碍物情况，就需要岸桥防撞系统发挥作用，避免碰撞事故。岸桥防撞系统在不断发展升级，从机械、感应限位发展到激光扫描传感器（以下简称激光限位），防撞性能不断提高。

1 大梁防撞系统

1.1 采用防撞钢丝

图1 大梁防撞钢丝

如图1所示，前大梁两侧安装防撞钢丝，与大梁外侧面平行，两者间距1896mm，当大车运行时，防撞钢丝碰到了障碍物后，端部张紧架的弹簧会带动限位挡块动作，岸桥电控PLC接受到限位信号后停止大车运行，避免大梁碰撞。优点是安装调试简单；缺点是保护距离太短，没有减速功能。

1.2 采用激光限位

常规采用SICK品牌的LMS511-11100 Lite的激光限位，扫描角度可达到190°，测量有效距离0.5m-80m。工作原理是利用发出激光通过按一定速率旋转的三棱镜折射形成一个扇形面域，根据需要设置面域的保护区域，当有障碍物时，系统检测到激光能量发生衰减后输出信号可以由高电平直流24V变为低电平直流0V（也可以软件设置由低电平变为高电平）。常规项目要求有减速、停止、污染报警等功能信号，LMS511信号输出点有3个，可用于减速、停止以及污染报警信号。常规的安装形式有大梁上平面斜角度度安装、大梁下平面水平安装、海侧立柱安装等。

图2 大梁上平面斜角度安装

按照标书要求，大车速度常规为60m/min（1m/s），加减速0.17m/s²，根据公式可计算得出减速、停止距离，其中Vt为末速度，Vo为初速度，a为减速度。大车从全速到减速10%的距离S=(0.1²-1²)/(-2×0.17)≈2.91m，大车从减速10%到停止的距离S=(0²-0.1²)/(-2×0.17)≈0.03m。根据计算出的减速、停止最小安全距离，以及激光限位有0.5m盲区等特性，再考虑安装位置的因素，大梁常规保护区域在水平方向上距离设置为减速8m，停止4m，满足安全要求。

1.2.1 大梁上平面斜角度安装

如图2所示，激光限位安装在大梁中部上平面，大梁下平面以下0.8m为保护拖令、拖链、滑触线等相关机构，同时根据激光限位安装高度1.1m和大梁高度1.8m，以及上面计算得出的8m和4m的减速、停止距离，计算出激光限位的安装角度，角度θ≈47.23°，同时计算出在激光限位保护面域上待设置的停止距离C≈5.5m，减速距离C+C1≈11m，这些是保护面域的宽度参数，长度参数为前大梁端部到铰点的距离。

图3 大梁平面下水平安装

1.2.2 大梁下平面水平安装

如图3所示，激光限位安装在大梁中部下平面以下0.8m，原理同上，激光限位减速、停止设置距离为8m和4m。同上长度参数为前大梁端部到铰点的距离。此安装支架为轻型合金材质，便于安装调试。

1.2.3 海侧立柱安装

图4 海侧立柱安装

如图4所示，激光限位安装在铰点附近左右海陆侧立柱上，激光限位安装在大梁下平面0.8m以下位置，激光限位减速、停止设置距离为8m和4m，同上长度参数为前大梁端部到铰点的距离，配有维修平台。

1.2.4 特殊区域保护

激光限位方便应用于特殊区域保护，比如码头岸线非直线，有夹角，两台岸桥在夹角处有碰撞风险，可在机房周围等合适位置安装，防止岸桥碰撞。

1.3 AOS502大梁防撞系统

为提高防撞系统安全等级，个别岸桥采用AOS502系统，该系统由1个控制器FX3-CPU0、2个IO模块FX3-XTIO、2个激光限位LMS511-10100S02等组成。FX3-CPU0模块具备存储功能，每一个FX3-XTIO模块对应一个激光限位，AOS系统与激光限位和岸桥电控PLC之间的通讯传输都是用IO模块的输入、输出数字量信号，即激光限位自身的输出信号作为输入信号进入XTIO模块，同时XTIO模块的输出信号将发送给岸桥主控PLC的IO模块。从电气房到激光限位电源、IO信号线通过填料函进线到AOS系统专配的接线盒，接线盒出来三根自带预安装的M12插头线，和激光限位的电源、IO、通讯接口对插。

1.3.1 激光限位SOPAS调试软件设置

（1）在Field设置3个面域，Field1为Stop停止保护面域，关联Stopout1和Stop-out2；Field2为Test自检测面域，关联Test-out1和Test-out2；Field3为Slowdown减速保护面域，关联Slowdown-out3。污染点默认用Out6。自检测面域设置要求不能和停止面域干涉，左右两个大梁激光限位通常选择各自对应的立柱为参照物，若立柱由于相对角度或者油漆光泽等原因不合适，可在激光限位附件单独安装一个参照物。

（2）激光限位已经预设了8个Evaluation case，常规岸桥只需用5个，即按照序号依次为Stop-out1、Test-out2、Stop-out2、Testout1、Slowdown-out3。Stop-out1和Test-out2通过Input1设置为低电平有效（Active low），Stop-out2和Test-out1通过Input1设置为高电平有效（Active High），Slowdown-out3的Input设置为不关联（Not Relevant）。同时在Digital Input里面设置logic为Active High，在Digital Output里面设置logic为Active Low。

1.3.2 工作原理

（1）停止。见图5，FX3-XTIO模块输出点Q4周期性的发送变化的直流电压信号（高电平24V和低电平0V不断变换）给激光限位的输入点Input1，激光限位的输出点就根据Input1对应的激活状态选择对应的输出点。当正常状态即停止面域无障碍物，自检测面域检测到参照物时，Input1为高电平24V时，此时Output1输出Testout1为0V，Output2输出Stop-out2为24V；Input1为低电平0V时，此时Output1输出Stop-out1为24V，Output2输出Test-out2为0V，激光限位的Output1和2对应的是IO模块FX3-XTIO的Input1和2，此时FX3-XTIO的Input1和2在高、低电平不断切换，控制器FX3-CPU0程序判断此时停止面域无障碍物，属于正常状态，XTIO模块的Q1保持输出24V到岸桥电控PLC模块（电控PLC认为有高电平24V为正常状态）。当停止面域有障碍物或者检测面域检测不到参照物时，XTIO模块的Q1输出0V，电控PLC接收到了停止信号，停止大车运行。

（2）减速。减速面域在无障碍物的正常状态下，激光限位的Q3为24V，对应到XTIO模块I3为24V，XTIO模块Q2根据I3直接输出24V给电控PLC模块，电控PLC认为有高电平24V为正常状态。当减速面域有障碍物时，激光限位的Q3由24V变为低0V，XTIO模块输入点I3、输出点Q2变为0V，电控PLC接收到减速信号，控制大车减速。

（3）污染。激光限位有自检测镜面污染的功能，当无污染正常状态下，激光限位输出点Q6为24V，对应到XTIO模块I6为24V，如图5所示，两个污染信号XTIO1、XTIO2模块点I6通过程序与门处理后，由XTIO2模块的Q3点输出污染信号给电控PLC，即正常状态2个I6都为24V时，Q3为24V，非正常状态只要有1个I6变为0V，XTIO2模块的Q3就变为0V，此时电控PLC认为0V有镜面污染，通过CMS显示污染报警，维修人员可查看XTIO1、XTIO2模块I6的状态来判断哪一个激光限位镜面需要清洗。XTIO1模块的Q3用于输出检测故障信号。

图5 AOS502系统图

2 大车防撞系统

2.1 光电限位

常规采用施耐德Osiris XUK1ARCNL2限位，并配置反光板，测量有效距离0m-10m，输出1个数字量信号，用于减速，停止则通过感应或者机械限位完成。

2.2 超声波限位

常规采用倍加福超声波限位UC6000-30GM-E6-V1，测量有效距离2m-8m，可设置2个数字量输出点，用于减速、停止功能。由于两个相向的超声波限位会有干扰，所以设计时两台岸桥之间错开安装，一个安装在海侧行走、一个安装在陆侧行走。

2.3 激光限位

大车行走和船舷常规采用SICK品牌的LMS111-10100的激光限位，扫描角度可达到270°，测量有效距离0.5m-20m。

（1）如图6所示，大车行走机构4个角分别装有1个激光限位，限位的减速、停止面域的宽度设置由大车行走机构边界来定，特别要注意登机斜梯、大车卷盘导缆架等机构保护。根据上面计算的安全减速距离2.91m，安全停止距离0.03m，相邻岸桥全速对撞所需安全距离S=2.91×2+0.9×2≈7.6m，0.9m为激光限位到大车缓冲器的距离。综合考虑激光限位有0.5m盲区特性和安装位置，大车保护区域在水平方向上设置距离为9m减速，4m停止，满足安全要求。

图6 大车行走激光限位

（2）如图7所示，船舷激光限位一般安装在海侧下横梁海侧面中间位置，用于避免大车运行过程中与船舷等障碍物的碰撞，保护面域可根据激光限位和码头海侧边界上方连线来设置，注意连线避开大车卷盘导缆架、缆绳桩等，通过微调激光限位角度仍无法避免障碍物的情况下，可增加限位支架的长度。以岸桥大车海侧行走两个缓冲器端部之间距离为27m为例，以激光限位为中心，向左右各伸长13.5m形成的面域为停止面域，向左右各伸长16.5m形成的面域为减速面域。

图7 船舷激光限位

2.4 AOS104大车防撞系统

AOS104系统工作原理同AOS502系统，大车四个角防撞系统由1个控制器FX3-CPU0、2个IO模块FX3-XTIO、4个激光限位LMS111-10100S01等组成。船舷防撞系统由1个控制器FX3-CPU0、1个IO模块FX3-XTIO、1个激光限位LMS111-10100S01等组成。

2.5 新型激光限位

为了增加大车行走激光限位保护范围，个别项目已创新采用SICK品牌的MRS1104C-111011的三维激光限位，扫描角度水平可达到275°，垂直可达到7.5°（4个层面角度总和），测量有效距离0.2m-64m。此限位可发射4个层面，每2个层面之间的夹角为2.5°，形成一个立体的保护面域，较大提高检测障碍物的可靠性，应用空间广阔。

结语：随着岸桥自动化的发展，对防撞系统提出了越来越高的要求，本文通过介绍分析岸桥的各种防撞系统特性，展现了防撞技术的发展升级，以供相关技术人员借鉴。