散粮桥式抓斗卸船机自动化控制系统研究

王云鹏 李书强 刘东辉 韩 旭

青岛海西重机有限责任公司 青岛 266500

0 引言

粮食作为继煤炭和矿石之后的第三大散货货种，是国家发展的重要支柱。而运输粮食是粮食流通的重要环节，直接影响着整个物流系统的流通效率和经济效益。当前港口散粮运输迎来了快速发展期，这对港口散粮装卸提出了更高的要求。

目前，散货卸船机主要有桥式抓斗卸船机、链斗卸船机、悬链式链斗卸船机、气力卸船机[1]等，其中桥式抓斗卸船机因具有机动性强、易维修等优点成为港口散粮装卸的常用卸船机械。但传统桥式抓斗卸船作业需专业司机在司机室通过底窗观察作业情况操控手柄进行抓斗入仓、抓料卸船等一系列操作，存在视觉盲区，且由于小车带动抓斗从运行到放下的过程惯性较大，通过人工操作很难精确抓料，同时可能存在抓斗操作过程中碰撞到料舱壁的风险。因此，在满足卸船工作需要的前提下，如何优化抓料卸船作业流程，降低作业过程中的风险、提高作业效率、减轻司机工作强度是港口进行优化创新的重要工作之一，也是提升经济效益和桥式抓斗卸船机实施数字化升级的重要举措。

本文以桥式抓斗卸船机自动化控制技术为探讨方向，概述了国内散粮码头卸船机传统装卸及作业方式，详述桥式抓斗卸船机自动化控制系统优化设计思路，以期能为我国桥式抓斗卸船机自动化发展提供一些思路。

1 传统桥式抓斗卸船机

桥式抓斗卸船机的主要构成设备及机构包括起升机构、小车机构、俯仰机构、大车行走机构、料斗分料装置、其他辅助电控系统设备等。该机型卸船机传统操作模式为：作业时，操作人员利用抓斗将船舱内的物料抓取出来，起升机构将抓取的物料提升至一定高度后，小车牵引至料斗的上方卸料，通过振动给料器完成漏料，再通过推杆电动机控制分料装置将物料卸到其中一条或指定的带式输送机上，带式输送机系统将物料传送至指定的物料堆放处。故桥式抓斗卸船机的卸船能力关键点在于抓斗抓取物料的能力和机构运行效率[1]，实际上传统桥式卸船机抓卸效率受到数个方面因素的影响：

1）船型、舱口及物料堆放位置 物料在船舱位置的增加操作难度，操作人员无法准确判断适宜的抓取方式，频繁发生抓取货物过多/过少以及碰撞现象。

2）抓斗摆动滞后性 由于小车与抓斗之间采用柔性连接，使抓斗运动具有滞后性，增加了无效工作时间[2，3]。此外，以上因素也是造成操作员培养周期长、机构损伤的主要原因。鉴于传统桥式卸船机受多因素影响的情况，且近年起重机自动化技术高速发展，可通过优化完善卸船机电气控制系统来解决传统卸船机使用过程中出现的问题，提高卸船机的作业效率和作业质量。

2 桥式抓斗卸船机自动化系统

2.1 卸船机自动化系统设计思路

为有效提高粮食装卸效率，减少设备操作人员配置，降低劳动强度和人工成本，提高卸船机管理智能化水平，桥式抓斗卸船机全自动系统主要包括以下子系统。

1）智能定位及船舱扫描系统 通过加装位置传感器实现卸船机各主要运动机构的精确定位，完成抓取动作的精确性；通过激光扫描系统建立船舱的三维数据及多点定位技术获取空间定位数据，形成船舱粮食堆块模型；根据粮食堆块模型，结合模型数据研究最佳自动卸料过程，优化过程操作。

2）自动抓取路径策略 综合考虑粮食卸船的实际需求和操作工人的实际经验，研究适合常规粮食卸船的全自动抓、放料的路径优化策略，以提高装卸效率。

3）远程视频安全监控系统 通过在合适的位置合理设计布置监控摄像头，给远控司机提供足够的操作观察视角，与主控系统实现交互以满足生产、监控、存储需求。

2.1 卸船机自动化系统框架

卸船机自动化系统主要包括驱动机构的定位、船舶和物料信息采集处理、视频监控、自动控制、安全防护等，其系统框架如图1所示。

图1 卸船机自动化系统框架图

1）驱动机构定位 通过编码器、测距等完成位置计算实现定位，主要包括起升机构、小车机构、大车机构以及司机室定位。

2）船舶、物料信息采集 通过扫描仪、摄像头进行数据信息采集并进行处理分析，主要有卸船机的状态信息（CMS系统）、船型扫描、3D成像。

3）视频监控 负责卸船机各机构在运行过程中安全状态的监控。

4）自动控制 通过信息采集及处理，结合控制策略完成自动控制动作和路径优化。主要包括机构自动定位控制、抓斗姿态控制、路径优化等。

5）安全防护 根据定位信息、姿态等信息，完成安全校验和姿态控制，确保自动化运行过程中的安全性，主要有大梁防撞、大车防撞、抓斗防撞等。

2.3 卸船机自动化系统关键技术

2.3.1 自动定位系统

桥式抓斗卸船机自动定位技术主要依靠绝对值编码器、线性编码器、雷达以及激光测距等，卸船机通过在起升机构、小车机构、大车机构以及司机室配置绝对值编码器，并由绝对值编码器提前测算规划出目标位置，从而计算出各机构的运行速度及加减速时间，最终实现卸船机的平稳定位。而自动定位技术应注意以下要点：

1）主机构绝对值编码器安装位置 起升机构在卷筒端部安装U-ONE绝对值编码器，该编码器具有较强的抗干扰能力，其精密设计在很大程度上提高了工作过程中机构运行的可靠性以及运行位置的精确定位。

大车机构、小车机构和司机室绝对值编码器可安装在驱动轮上或驱动轮电动机端部，但后者安装方式需要注意齿轮比。也可采用线性编码器、激光测距或磁钉定位方式，如图2、图3分别是绝对值编码器的实物以及在卸船机中的位置。

图2 绝对值编码器形式

图3 绝对值编码器安装形式

为解决绝对值编码器计数偏差问题，本文在大车机构安装激光测距仪用于实时校验大车的行进位置，在小车及司机室的关键位置配置校正限位，通过校正限位进行校正、纠偏以降低自动定位系统的误差。

2）抓斗位置及姿态的检测 在小车带动抓斗运行至物料准确位置后，为了减少抓斗的晃动和偏离角度，提高作业效率，还需完成抓斗位置及姿态的检测。在卸船机司机室的底部安装2台带激光的雷达和高清摄像头，用于对抓斗的实时扫描和识别，并结合小车绝对值编码器测算出抓斗的位置。同时在司机室底部安装1台高清摄像头，对抓斗运行状态进行连续的抓拍，将抓拍的实时数据传输至后台进行数据、图像的处理，进而完成对抓斗姿态和位置的分析。及时纠正抓斗作业过程中的偏离角度，通过数据反馈形成闭环控制，减少抓斗晃动，从而避免抓斗在作业过程中出现与船舱碰撞的情况。

2.3.2 扫描系统

1）船舱扫描系统 船型扫描系统主要由三维激光扫描仪、数据采集控制器等构成。司机室底部安装激光扫描仪并对船舱口和舱内物料进行扫描，利用扫描仪和大数据处理对司机室位置建立位置坐标系，计算得出船舱口及物料位置信息，由后台软件对计算数据进行仿真处理，形成舱口、料堆的三维图像（如图4所示）。同时由防摇系统的辅助配合对抓料区域进行安全、精准定位。

图4 船舱和物料实物以及船型扫描图像

坐标系建立作为船型扫描系统的基础，获取足够的位置信息是建立坐标系的前提，扫描仪获取的数据信息包括以下位置：

①船舱位置 呈方形框的部分为扫描仪得到的船舱口位置，包括舱口边缘上的点与舱口四角顶点，内部底层部分为舱内物料分布情况。

②船舱边缘 船型扫描系统应同时带有船舱边缘检测的功能，能识别和区分船舱舱盖开启、关闭或部分开启的状态，以及计算出船舶的倾斜角度。通过船舱边缘检测的功能，中控室操作人员可准确判断出船舱口与物料的位置，从而操控抓斗精确抓取物料。工作效率得到了保证，同时降低了现场作业人员工作强度，减少生产管理过程中产生的成本，明显提升了自动化水平和卸船机的卸船效率。

数据采集控制器负责采集、存储船型、天气等数据信息，记录风力和风向对船舱晃动的影响。同时根据不同的船型和天气情况，从数据库中调取不同的数据。数据采集控制器主要由智能三维数据采集和处理软件完成，软件中的成像服务器用于收集、处理云数据，并生成3D图像。智能三维扫描数据采集和处理软件可自动计算出最佳抓料点，通过采集获取船舱及物料点的信息，计算出相应位置；将位置信息及3D图像的基本信息传递给主控PLC，并将该动作转化为PLC的控制指令。数据采集处理、三维成像系统与PLC控制系统之间的数据实时传输交换，进而让小车带动抓斗平稳、精确运行至最佳抓取物料位置并完成抓料卸船作业。

2）料斗扫描系统 料斗是桥式卸船机流通物料的重要组成部分，料斗内物料的流动状态直接影响带式输送机和抓斗工作效率，为及时判别料斗是否存在堵料情况，本文在料斗及带式输送机上加装超声波传感器及摄像头以实时观察物料流通状态及联锁保护。

2.3.3 远程视频监控系统

远程视频监控系统在卸船机运行过程中也起到至关重要的辅助作用，视频监控系统在卸船机上不同监控点位安装的摄像头，用于观察各个监控点位的工作状态和周围环境以实现视频监控全面覆盖，且视频监控信息均通过光纤或无线通讯的形式传输到中控室服务器，并在中控室设置多台视频监控显示器进行多方位显示，以便于操作人员依靠视频图像获取现场的实时信息。此外，在中控室远程操作台设置视频控制主令，用于缩放摄像画面对现场环境精准捕捉。

2.3.4 自动抓取、路径优化策略

自动抓取路径策略，根据船型扫描系统的舱内扫描数据建立有效物料分布区域的矩阵数据模型；将船舱中心位置作为初始抓取选择点，系统以步进的方式驱动小车逐步向海陆侧移动；将船舱物料根据高度数据进行分层处理，在当前抓斗高度下，系统以分层分列分点顺序进行步进抓取；将物料表最上层作为初始抓取点选择层，在当前小车方向上，系统根据抓斗的尺寸预设若干抓取点进行抓取，当物料分布平均高度小于某个阈值的点，系统驱动大车移动，换一列继续抓斗工作，直至该层所有轮廓高度皆小于初始高度的阈值[4，5]。

抓斗由船舱口中央进入舱口，降落到选择好的抓取点，抓取料完成后从船舱口中央上升出舱口，确保安全的前提下以弧线最优路径完成起升小车行走、卸料、返回整个路径过程，再进行下一次的抓取循环，抓斗离开船舱口后以最优路径实现悠斗飞行卸料到料斗并重新返回船舱，从而大大提高卸船效率，如图5所示。

图5 抓斗抓料路径

2.3.5 安全防护

桥式抓斗卸船机主要包括电动机、制动器、变压器、开关柜、驱动柜等重要设备，因此本文还利用断路器、继电器等电气元器件与重要电气设备建立联锁关系以形成安全保护回路。

此外，还通过在关键位置布置机械限位建立极限保护以防止电气联锁保护失效。机械限位布置为：

1）起升机构和俯仰机构 在卷筒端部安装凸轮限位，根据机型设计对凸轮限位进行标定以实现起升/俯仰机构的减速、停止、极限保护。

2）行走机构 在前部大梁两侧和行走方向台车上安装激光扫描仪，通过激光检测大梁和行走前方物体，当物体进入激光扫描仪的安全区域时触发报警信号，电控系统报警提示操作员减速或停止运行，确保运行过程中与船舶保持安全距离，以及避免行走路径上发生碰撞。

3 结语

本文简述了散粮码头传统桥式抓斗卸船机的机构组成及工作状态，基于传统桥式抓斗卸船机探讨了卸船机自动化控制系统的实现方案，主要包括自动定位系统、船型扫描系统、远程监控系统的设计以及自动抓取、路径优化策略的研究。桥式抓斗卸船机自动化控制系统可有效提升设备的工作效率，节约了船舶在港口停留的时间，同时也节约了人力、物力等资源，改善了操作人员的工作环境。