激光掃描儀在大車運(yùn)行安全保護(hù)中的應(yīng)用

孫慧利 蔡沛辰 江成效

1 青島海西重機(jī)有限責(zé)任公司 2 山東港口青島港董家口分公司

1 引言

為了保證門座起重機(jī)、卸船機(jī)等設(shè)備的安全運(yùn)行，防止起重機(jī)與起重機(jī)之間、起重機(jī)與人之間或起重機(jī)與障礙物之間的相互碰撞[1]，需要在大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)兩端安裝有效的防撞裝置。隨著港口起重行業(yè)對安全性能的要求越來越高，對門座起重機(jī)、卸船機(jī)的大車運(yùn)行安全系統(tǒng)也提出了更高的要求。目前廣泛應(yīng)用于大車安全運(yùn)行裝置的為行程開關(guān)和單點(diǎn)激光傳感器組合方案，只檢測傳感器、行程開關(guān)前方的某個點(diǎn)，若工作時大車軌道兩側(cè)的情況比較復(fù)雜，易使檢測精度大大降低，無法真正起到檢測人、障礙物以及活動物體的作用，也就無法實(shí)現(xiàn)真正意義上的防撞。隨著二維激光掃描儀的廣泛應(yīng)用，對傳統(tǒng)的起重機(jī)大車安全運(yùn)行裝置進(jìn)行了改造，設(shè)計(jì)了一種無接觸式激光掃描安全裝置。

2 起重機(jī)大車運(yùn)行安全系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

目前港口起重機(jī)的大車運(yùn)行安全系統(tǒng)的常規(guī)方案主要有以下幾種。

(1)單點(diǎn)激光傳感器和行程開關(guān)方案。該方案是目前門座起重機(jī)大車運(yùn)行安全防護(hù)主流方案，優(yōu)點(diǎn)有防護(hù)等級高、檢測距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、成本低等。缺點(diǎn)是必須有反射板配合使用，只能用于同軌道上的2臺設(shè)備之間的安全防撞，不能防止設(shè)備與人之間的碰撞或設(shè)備與障礙物之間的碰撞；檢測范圍只有1條直線，不能檢測直線區(qū)域外的物體；單點(diǎn)激光限位只能輸出1個開關(guān)量信號用于減速，機(jī)械式限位用于停車；安全系統(tǒng)在起重機(jī)大車內(nèi)外側(cè)有障礙物的時候，檢測不到障礙物。

圖2 陸側(cè)激光掃描儀安裝布局圖

(2)超聲波測距方案。其優(yōu)點(diǎn)有防護(hù)等級高，最高可達(dá)IP67；可輸出2個開關(guān)量點(diǎn)，分別用于設(shè)置減速區(qū)和停止區(qū)；分辨能力強(qiáng)、反應(yīng)速度快、成本低等。缺點(diǎn)為檢測距離短，掃描區(qū)域較小，掃描角只有十幾度；戶外使用時會因受到天氣的影響而產(chǎn)生一定的干擾；2個超聲波測距儀不能相互對射，會產(chǎn)生干擾從而無法判斷2臺設(shè)備之間的真實(shí)距離，易導(dǎo)致大車運(yùn)行的安全防護(hù)失效，不太適宜用在大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)上。

(3)雷達(dá)測距方案。其優(yōu)點(diǎn)為檢測距離長、有兩個獨(dú)立可調(diào)節(jié)的檢測區(qū)域、反應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、不受天氣環(huán)境影響、性能穩(wěn)定。缺點(diǎn)為掃描角度小，只有11°～13°；雷達(dá)波傳感器對人體的感應(yīng)性能差，不能有效預(yù)防起重機(jī)設(shè)備與人之間的碰撞。

3 激光掃描儀大車運(yùn)行安全系統(tǒng)

自動化的大車安全運(yùn)行系統(tǒng)必須具備兩方面的技術(shù)，一方面是自動化檢測，另一方面是自動化控制[2]。經(jīng)過對起重機(jī)大車運(yùn)行安全系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析，并結(jié)合近期多個國外項(xiàng)目對起重機(jī)生產(chǎn)作業(yè)的安全性需求,設(shè)計(jì)了起重機(jī)大車運(yùn)行安全系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)配置二維激光掃描儀4只(R2000)、大車絕對值編碼器(P+F)、PLC系統(tǒng)(S7-1500)、大車機(jī)構(gòu)變頻器(ACS800)、觸摸屏、筆記本電腦。系統(tǒng)框圖見圖1。

圖1 大車運(yùn)行安全系統(tǒng)框圖

3.1 系統(tǒng)工作方式

系統(tǒng)設(shè)置若為檢測模式，當(dāng)障礙物進(jìn)入起重機(jī)運(yùn)行的檢測區(qū)域時，觸摸屏發(fā)出燈光報(bào)警(黃色閃亮)；系統(tǒng)設(shè)置若為控制模式，當(dāng)障礙物進(jìn)入起重機(jī)運(yùn)行的控制減速區(qū)域時，觸摸屏發(fā)出燈光報(bào)警(黃色常亮)，同時主機(jī)PLC發(fā)出指令，控制大車運(yùn)行變頻器減小輸出力矩，使起重機(jī)減速運(yùn)行；當(dāng)障礙物進(jìn)入起重機(jī)的控制停車區(qū)域時，觸摸屏發(fā)出燈光報(bào)警(紅色常亮)和聯(lián)動臺蜂鳴器報(bào)警，同時主機(jī)PLC發(fā)出指令，控制大車運(yùn)行變頻器停止輸出力矩，使起重機(jī)停車。

3.2 二維激光掃描儀原理及安裝

3.2.1 二維激光掃描儀工作原理

二維激光掃描儀最基本的功能就是激光測距。激光發(fā)射器發(fā)射激光，照射到物體表面后再反射被接收器接收，根據(jù)被接收回來的能量大小計(jì)算出物體表面的反射率。時間計(jì)數(shù)器記錄這一過程的時間，再通過S=1/2ct(c為光速，t為時間)得到目標(biāo)點(diǎn)與掃描儀之間的距離。同時各傳感器會記錄激光發(fā)射的二維角度θ，再利用坐標(biāo)系之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)。最終大量帶有二維坐標(biāo)和反射率信息的點(diǎn)在電腦上呈現(xiàn)出真實(shí)二維尺寸的環(huán)境信息。

圖3 海側(cè)激光掃描儀安裝布局圖

3.2.2 激光掃描儀的布置及參數(shù)設(shè)定

本安全系統(tǒng)中采用的激光掃描儀是德國倍加福公司的R2000 Detection檢測型二維激光掃描儀。在起重機(jī)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的4個角上分別安裝1套激光掃描儀(見圖2、3),激光掃描儀通過以太網(wǎng)與PLC控制器通訊，PLC控制器與司機(jī)室觸摸屏通訊。PLC控制器、大車電機(jī)變頻器、大車電機(jī)、增量編碼器形成大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的閉環(huán)控制。通過激光掃描儀將掃描數(shù)據(jù)與大車的位置、路徑數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，掃描行車路徑上是否存有障礙物，掃描結(jié)果可在司機(jī)室觸摸屏上以畫面的形式顯示，PLC控制器可防止大車運(yùn)行與行車路徑上的障礙物發(fā)生碰撞。通過設(shè)置警示燈和警報(bào)器，增強(qiáng)安全運(yùn)行系統(tǒng)的預(yù)警機(jī)制，及時提醒大車周圍工作人員危險情況的發(fā)生，提高大車運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。

激光掃描儀硬件安裝完成后需對其參數(shù)和掃描區(qū)域進(jìn)行相應(yīng)設(shè)定。起重機(jī)大車的行駛速度一般在25～30 m/min。以意大利Fincantieri港門機(jī)項(xiàng)目為例，根據(jù)大車減速、停車過程的計(jì)算對激光掃描儀的3個檢測區(qū)域進(jìn)行設(shè)定。

(1)Info檢測區(qū)域：檢測距離10 m，黃色區(qū)域。

(2)Slow down減速區(qū)域：檢測距離為6 m，橙色區(qū)域。

(3)Alarm/Stop停車區(qū)域：檢測距離為3 m，紅色區(qū)域。

激光掃描儀將實(shí)時掃描數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送給PLC控制器，PLC控制器將接收到的掃描數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)定的大車路徑數(shù)據(jù)以及絕對值編碼器計(jì)算出的大車實(shí)際位置分別進(jìn)行對比，根據(jù)對比結(jié)果，判斷大車的預(yù)行進(jìn)路徑上是否存在可能與大車發(fā)生碰撞的障礙物。若對比結(jié)果表明大車路徑上存在障礙物，則PLC控制器根據(jù)邏輯計(jì)算發(fā)送減速、停車指令給大車電機(jī)變頻器，控制大車執(zhí)行電機(jī)減速至停車。同時可通過設(shè)置激光掃描儀的3路開關(guān)量點(diǎn)來對掃描區(qū)域進(jìn)行設(shè)置，將開關(guān)量動作信息和PLC控制器的對比信息互相校對，達(dá)到精準(zhǔn)控制的目的。

3.3 大車運(yùn)行絕對值編碼器

圖4 大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)絕對值編碼器布局圖

大車運(yùn)行絕對值編碼器安裝在起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)從動車輪上(見圖4)，其編碼數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算后可以轉(zhuǎn)化為起重機(jī)在軌道上的位置數(shù)據(jù)。通過現(xiàn)場總線通訊接口，將起重機(jī)位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)PLC控制器。PLC控制器將大車的位置數(shù)據(jù)與障礙物的具體位置信息進(jìn)行比較，邏輯判斷。

3.4 大車運(yùn)行安全系統(tǒng)的PLC程序編寫

大車運(yùn)行安全系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)，除了硬件設(shè)備的安裝及參數(shù)設(shè)定以外，還有一個重點(diǎn)就是PLC程序的編寫，以實(shí)現(xiàn)對大車運(yùn)行安全更加有效、全面的保護(hù)。

大車運(yùn)行減速、停止程序段見圖5。

大車絕對位置程序段見圖6。

圖5 大車運(yùn)行減速、停止程序段

圖6 大車絕對位置程序段

4 大車運(yùn)行安全系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和注意事項(xiàng)

與現(xiàn)有技術(shù)相比，大車運(yùn)行安全系統(tǒng)合理地運(yùn)用了二維激光掃描儀，將掃描數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)定的大車的路徑數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，預(yù)判行車路徑上是否存有障礙物；根據(jù)預(yù)判結(jié)果，可及時防止大車與行車路徑上的障礙物發(fā)生碰撞。通過設(shè)置警報(bào)器，增強(qiáng)大車安全運(yùn)行系統(tǒng)的預(yù)警機(jī)制，及時提醒大車周圍工作人員危險情況的發(fā)生，從而提高大車的安全性。大車運(yùn)行安全系統(tǒng)也可有效地避免因大車司機(jī)視線被遮擋而發(fā)生操作失誤的情況。采用二維激光掃描儀的方案，消除了現(xiàn)有的常規(guī)機(jī)械式安全防撞系統(tǒng)在遇到障礙物時突然停止對起重機(jī)設(shè)備產(chǎn)生較大沖擊的情況，可延長起重機(jī)的使用壽命。激光掃描儀為非接觸測量，具有數(shù)據(jù)采樣率高、分辨率和精度高、抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，非常適合散貨碼頭現(xiàn)場的運(yùn)行環(huán)境，不受雨、霧等惡劣天氣條件的影響，性能穩(wěn)定可靠，調(diào)試維護(hù)簡單。該激光掃描儀還具有人體檢測的功能，可以有效地避免人身安全事故，這是其他防撞產(chǎn)品所不能實(shí)現(xiàn)的。

在激光掃描儀的工作過程中仍需要注意一些實(shí)際問題，這樣才能保證激光掃描儀的正常工作，并有效提高工作效率。首先激光掃描儀要加裝防護(hù)罩以保證其工作范圍內(nèi)不會出現(xiàn)較大干擾，工作人員要定期對碼頭內(nèi)的工作環(huán)境進(jìn)行檢查，避免干擾因素留下安全隱患。其次則是對于激光掃描儀技術(shù)的應(yīng)用，并不能完全放下警惕之心，在激光掃描儀工作過程中，要增加監(jiān)管維護(hù)力度，避免因意外情況而導(dǎo)致停工，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失[2]。

5 結(jié)語

在起重機(jī)大車運(yùn)行安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，創(chuàng)新地運(yùn)用了二維激光掃描儀，充分發(fā)揮其工作特性，增加其靈敏度及動作可靠性，并對PLC控制程序做了相應(yīng)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了起重機(jī)設(shè)備與障礙物、起重機(jī)設(shè)備與人員之間的檢測和安全保護(hù)，極大地提高了起重機(jī)設(shè)備大車運(yùn)行的安全性，有效防止了人身安全事故的發(fā)生[3]。該起重機(jī)大車運(yùn)行安全系統(tǒng)可確保起重機(jī)生產(chǎn)作業(yè)安全，提高生產(chǎn)效率、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。