门机自动化的关键技术
门机自动化的关键技术 | 港口科技
原创 孙伟哲，杨多兵 港口科技 前天
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摘要
为实现门机自动化作业，根据门机实际使用工况，结合激光扫描技术、仿真处理技术、差分定位技术、视频融合技术等，研究门机远程化、半自动化、全自动化作业所需的关键技术。以抓斗门机为例，针对门机回转时上部结构整体运动造成无合适位置安装激光扫描仪持续扫描船舱的问题，选取带斗门机作为突破口，将激光扫描仪安装在固定卸料斗上对船舱进行扫描，成像结果可以有效指导抓斗在船舱内作业。针对门机回转停止前的抓斗防摇问题，在抓斗上安装航姿参考系统检测抓斗运行姿态，通过与仿真建模系统计算出的象鼻梁头部运行姿态进行相对运动分析，控制变频器反向输出以抑制抓斗摆动，该解决方案可以起到良好的防摇效果。
门机自动化水平分析
目前，国内外对门机自动化作业的研究主要集中在门机的远程化和半自动化作业上。由于门机本身机构的复杂性和作业的灵活性，虽然在逻辑控制上可以实现相应功能，但没有很好地解决在带载使用过程中的一些问题，所以门机远程化、半自动化成果没有得到大规模的推广和市场化应用。门机可根据被吊装物的不同，在起重钢丝绳上安装抓斗、吊具或吊钩。以抓斗式门机为例，对门机自动化作业模式制定如下实现目标：
远程化作业。司机在中控室可以通过远程操作台上的主令手柄控制门机进行生产作业，可以通过HMI人机交互界面对必要参数进行设定以及对设备状态进行监控，也可以通过远程显示器监视门机必要区域的实时视频信号。
半自动化作业。司机在中控室可以通过远程操作台上的主令手柄控制门机抓斗的抓料和卸料作业。其余过程中，门机各个机构可按照司机在HMI界面上设定的起止位置进行自动对位，通过HMI人机交互界面对必要参数进行设定以及对设备状态进行监控，也可以通过远程显示器观看门机必要区域的实时视频信号。
全自动化作业。司机在中控室可以通过在HMI界面上选定作业目标量、作业船舶型号、作业物料代号、卸料场地等信息，门机可按照指定的作业量，在抓料船只和卸料位置间往复自动作业，司机可以通过HMI人机交互界面对必要参数进行设定以及对设备状态进行监控，也可以通过远程显示器观看门机必要区域的实时视频信号。
通过对传统门机设备增加激光扫描仪、高精度差分定位装置、防撞传感器、摄像装置、通信装置、远程操作装置、航姿参考装置、专用功能模块等，实现门机自动化作业关键技术，完成门机的远程化、半自动化、全自动化作业升级。门机自动化作业关键技术见表1。
关键技术
2.1 远程控制技术 在中控室增加远程操作站和PLC站，可以通过在PLC内编程实现对门机自动化作业系统编程和功能上线。在远程操作站面板设置与司机室联动台相同配置的操作设备，例如主令手柄、开关、按钮等，实现对门机的远程操作。操作站同时配有与中控室PLC站实时通信的HMI系统，HMI人机交互界面可对门机进行参数设定及状态显示。
2.2 视频监控技术视频监控系统为司机在中控室作业时提供视频监控信号。通过整合、升级门机本地现有视频监控系统并增加若干台摄像头，实现门机作业关键部位远程监控全覆盖。门机监控系统摄像头分布见图1。该系统由高清摄像头、硬盘录像机、显示屏和远程客户端等组成。视频客户端与硬盘录像机通过以太网相连，获取现场所有门机上的工业电视数字监控系统视频信号。
图1 门机监控系统摄像头分布
视频监控技术虽然为成熟技术，但由于在远程作业对位、大机防撞等方面对视频的覆盖度、视场角要求更高，因此，为在远程作业中更加全面、准确地观察门机周界状况，除了在必要位置增加摄像头外，还要利用视频融合技术将若干摄像头视频信号进行实时拼接并展示在同一个画面。
2.3 远程通信技术门机需要与中控室进行远程通信，实时传输控制信号、激光扫描信号、视频信号等，需要对原有通信路由进行改造。特别是门机上部旋转结构同下部结构间通过滑环进行线缆连接的情况，需要根据用户现场实际设备情况和线缆敷设情况制定合适方案。目前远程通信可采用光纤或无线通信模块实现，无线通信模块可采用工业无线通信电台或5G通信。
2.4 高精度定位技术为实现门机的远程化、半自动化、全自动化作业，门机的变幅机构、起升机构、回转机构、大车机构都需要实现比原有定位系统更加精准的定位功能。可以根据各个机构的结构特点和安装方式增加增量型编码器、绝对值编码器、RFID位置检测、北斗/GPS差分定位系统等定位装置。目前主要采用编码器检测与北斗/GPS差分定位互为校正的定位方式。2.5 激光扫描技术安装高精度激光扫描仪，实时、清晰地对当前作业的船舶、舱口、料堆、料斗进行扫描，快速准确地对作业料堆、船只防撞、卸料料斗的扫描数据进行采集和整理。开发三维图像处理软件，将激光扫描仪所采集的点云数据进行整合和计算，再转化为三维图像并直观呈现，提取自动抓料、卸料、防撞程序所需的控制数据，并能够测算船舱内物料堆体积、质量数值等信息反馈至控制系统。该技术目前普遍应用于堆取料机全自动化作业，试验性地应用于装船机、卸船机全自动化作业。门机作业灵活多变，对激光成像的快速性和准确性要求更高。由于门机上部整体结构在作业中会不停回转，门机上部回转结构不适合作为扫描船舱的扫描仪安装点。经过对门机种类按结构进行分析，可以将带斗门机作为门机激光扫描应用的突破口。因为带斗门机的卸料斗不会跟随门机回转，抓卸料过程中处于固定状态，适合安装激光扫描仪，对船舱进行持续稳定的三维激光扫描建模。带斗门机激光雷达安装位置见图2。
图2 带斗门机激光雷达安装位置
2.6 防碰撞技术解决门机臂架防碰撞主要有软件防碰撞和硬件防碰撞2种方案。软件防碰撞通过对门机结构建模，依照门机各机构位置实时检测定位，实时模拟门机动作位置。结合三维扫描对船舶的建模和地面固定构筑物的建模，可以通过空间计算的方式，计算出门机与船舶、相邻门机间、门机与地面固定构筑物间的动态防碰撞安全距离。硬件防碰撞通过在门机大车机构、变幅机构安装防碰撞雷达传感器，实时检测相应机构周边的防碰撞信息，通过对传感器的参数设置来设定安全距离。
2.7 防摇技术防摇是门机实现远程化、半自动化、全自动化作业的核心功能，也是制约方案成功实施的瓶颈。因为门机作业是多机构联动，特别是抓斗在带载对位时，变幅机构、回转机构同时动作，门机整个上部结构惯性很大，回转停止时对防摇控制要求很高。目前，司机室操作模式是根据司机现场体感和操作经验进行回转机构脚刹抱闸制动。抓斗在摆动比较大时，司机需要在摆动的反方向施加大角度操作，也就是通常所讲的“追钩操作”，抓斗的摆动角度和速度会迅速下降，甚至熟练的司机几乎可以将抓斗迅速静止下来。由于门机作业的灵活性，每一次抓斗抓料点与卸料点间的运动轨迹都是不同的，到位停止时需要考虑多个方向和维度上的防摇，并且还要考虑大风等因素的干扰，所以需要通过仿真建模、速度计算、力学分析等多种手段叠加，形成一套既能保证作业效率又能实现动态防摇的抓斗防摇解决方案。经研究和实践，主要可从3方面入手解决门机防摇问题：
增加变频器防摇模块。为门机回转变频器增加防摇模块。变频器的开环防摇摆控制是利用钟摆原理，通过修改发给电气控制系统的速度命令信号而连续限制摆动。通过检查抓斗的起升高度来计算摆动的角度，然后通过给定的加速和减速来抵消摆角。
在抓斗安装航姿参考系统模块。将航姿参考系统模块安装在门机抓斗上。航姿参考系统安装位置见图3。由于门机抓斗采用钢丝绳牵引，抓斗上无法敷设供电电缆，所以在航姿参考系统内还应增加大容量电池模块和无线信号发射装置。无线信号接收装置安装在门机象鼻梁头部，通过控制电缆将抓斗姿态数据传输至电气控制系统。电气控制系统从航姿参考系统中读取抓斗姿态角（俯仰角、横滚角、航向角）、三维加速度、三维角速度实时值，并对实时参考值进行解析处理，将处理值应用到变频器防摇控制，形成闭环防摇控制。
（3a）侧视图
（3b）正视图
图3 航姿参考系统安装位置
仿真建模。对门机建模，通过从变频器得到的回转速度、变幅速度，从高精度定位系统中得到的回转角度、变幅幅度，精确计算出门机象鼻梁头部的运行速度、加速度和运行方向。将计算结果与抓斗的速度、加速度、运行方向进行对比，在控制程序内进行运动分析，输出分析结果，控制回转变频器速度给定和脚刹制动系统的回转制动输出。仿真建模防摇控制结构图见图4。
图4 仿真建模防摇控制结构图
将上述3种方案综合使用可以达到更优的防摇效果。调试参数需要根据具体用户的门机结构和使用环境定制化设定，并且在多种工况下验证并持续优化，最终既要达到防摇控制的稳斗效果，也要保证门机的运行速度和作业效率。
门机自动化作业升级技术路线激光扫描技术和防摇技术是实现门机全自动化作业的核心技术，其中防摇技术又是实现门机远程化、半自动化、全自动化作业的核心技术。门机自动化作业升级的技术路线可在防摇解决方案的基础上，先行试点带斗门机远程化作业科研项目，通过现场测试，对防摇模块核心逻辑和参数进行优化升级。在该功能运行稳定后，进行带斗门机半自动化和全自动化作业升级的硬件安装，分步实施带斗门机半自动化作业升级和全自动化作业升级。在带斗门机全自动化作业功能运行稳定后，可向其他类型门机自动化作业进行应用拓展研究。
文章刊发于《港口科技》2021年第4期；原文标题：门座式起重机自动化作业关键技术作者：孙伟哲，杨多兵；中国交通信息科技集团有限公司