遠(yuǎn)控岸邊集裝箱起重機(jī)定位技術(shù)

劉東輝 余珍勝 李書強(qiáng)

青島海西重機(jī)有限責(zé)任公司

1 引言

岸邊集裝箱起重機(jī)(以下簡稱岸橋)是以裝卸集裝箱為目的的大型設(shè)備，集裝箱在船艙或者集卡上，其位置值是一個相對于地面的坐標(biāo)位置。要實(shí)現(xiàn)起重機(jī)抓取集裝箱，就需要起重機(jī)跟集裝箱的坐標(biāo)位置在同一個坐標(biāo)系下。起重機(jī)的三大機(jī)構(gòu)(起升、小車、大車)分別對應(yīng)集裝箱的三維坐標(biāo)。以地面為基準(zhǔn)，建立一個坐標(biāo)系，X軸為大車方向，Y軸為小車方向，Z軸對應(yīng)起升方向。在岸橋半自動化運(yùn)行過程中，起重機(jī)基礎(chǔ)模塊控制各主機(jī)構(gòu)的運(yùn)行方向和速度，反饋各主機(jī)構(gòu)實(shí)際速度和位置給半自動化模塊，主機(jī)構(gòu)位置閉環(huán)控制在半自動化模塊中完成。本文介紹了遠(yuǎn)控岸橋定位系統(tǒng)的構(gòu)成和功能，分析了工作機(jī)構(gòu)定位系統(tǒng)與負(fù)載定位系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，可為碼頭新增自動化岸橋設(shè)備或者常規(guī)岸橋的自動化改造提供參考。

2 遠(yuǎn)控岸橋定位系統(tǒng)構(gòu)成與功能

2.1 遠(yuǎn)控岸橋定位系統(tǒng)總體構(gòu)成

遠(yuǎn)控岸橋的定位系統(tǒng)檢測起重機(jī)各機(jī)構(gòu)的絕對位置，并與安全碰撞子系統(tǒng)進(jìn)行連鎖檢測保護(hù)，提高系統(tǒng)精度和安全性。系統(tǒng)主要包括：大車定位系統(tǒng)、小車定位系統(tǒng)、起升定位系統(tǒng)，負(fù)載定位系統(tǒng)。定位過程綜合應(yīng)用了無線射頻、紅外線定位等技術(shù)，為設(shè)備的自動化、智能化運(yùn)行提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.2 大車定位系統(tǒng)

大車定位系統(tǒng)的控制精度為20 mm，可以滿足遠(yuǎn)控岸橋的自動化需求。推薦使用RFM100直線位置測量系統(tǒng)測量大車機(jī)構(gòu)的絕對位置。

RFM100系統(tǒng)是基于無線射頻技術(shù)(RFID)的單軸絕對位置測量系統(tǒng)，系統(tǒng)由天線、增量編碼器、接線箱和磁釘組成[1]。天線安裝在岸橋大車上，靠近地面，但高于地面；磁釘安裝在沿著大車軌道的地面下，與天線對應(yīng)，數(shù)量取決于大車軌道長度，以規(guī)定的間距安裝。RFM100系統(tǒng)組成見圖1。

圖1 RFM100系統(tǒng)組成

RFID射頻工作原理如下。磁釘為全玻璃密封的無源器件，內(nèi)含儲存單元，可自由編寫位置代碼，可重復(fù)編碼。天線運(yùn)行頻率為134 kHz，能發(fā)出電磁波對其范圍內(nèi)的磁釘充能，激活的磁釘能發(fā)出包含儲存信息的電磁波，天線接收到磁釘返回的電磁波后，能讀出磁釘儲存單元的信息和計(jì)算出該磁釘在天線范圍內(nèi)的具體位置，發(fā)送給主控系統(tǒng)，使主控能進(jìn)行定位控制。

起重機(jī)大車行走過程中，當(dāng)探頭經(jīng)過感應(yīng)器時，給予感應(yīng)器134 kHz的磁場能量，感應(yīng)器則以一般頻率回饋它的編碼。探頭中的解碼器對這個編碼進(jìn)行解碼，并將其傳輸給起重機(jī)控制系統(tǒng)。由于感應(yīng)器安裝在碼頭地面下，其絕對位置不變，且編碼唯一，因此探頭所得到的編碼信息就可以轉(zhuǎn)換為大車在碼頭的位置[2]。

當(dāng)選擇最小的磁釘安裝距離±1 400 mm后，RFM100定位系統(tǒng)可以消除輪子滑動對測量精度的影響。在這種情況下，任何時刻始終有1個磁釘位于天線的下面用于絕對位置的測量，因此可以完全校正輪軌滑動帶來的誤差。

此系統(tǒng)配置連接到天線的增量型編碼器，是用于計(jì)算更新2次磁釘閱讀之間的距離。增量編碼器可安裝在車輪的傳動軸上，也可安裝在驅(qū)動輪的電機(jī)端上，這種情況下需考慮齒輪變比。編碼器需采用HTL型的增量編碼器，電源電壓為直流24 V。脈沖增量型編碼器必須一直連接到RFM100系統(tǒng)中，用于更新計(jì)算在射頻測量間隔時間內(nèi)位置的變化。位置數(shù)據(jù)更新率為1 ms(配置編碼器)，磁釘絕對位置更新率為50 ms。

RFM100測量系統(tǒng)可以選配不同的通訊接口用于連接起重機(jī)的電控系統(tǒng)，同時配置1個調(diào)試端口用于系統(tǒng)的設(shè)置和診斷。RFM100系統(tǒng)適用的最大速度為12 m/s，滿足岸橋大車的允許最大速度要求。RFM100磁釘定位技術(shù)方案精度達(dá)到2 mm，磁釘埋入地下，不會阻斷碼頭上的行車，基本不受沉降的影響、免維護(hù)。

2.3 小車定位系統(tǒng)

小車定位系統(tǒng)的控制精度為20 mm，可以滿足遠(yuǎn)控岸橋自動化需求，定位方案為小車絕對位置檢測(線性磁尺)定位系統(tǒng)和增量式編碼器(小車電機(jī)自帶編碼器)兩套獨(dú)立的位置檢測系統(tǒng)。兩套位置檢測系統(tǒng)互相校驗(yàn)，當(dāng)兩個位置檢測系統(tǒng)中的一個發(fā)生故障時，僅一個位置檢測系統(tǒng)也可以保證定位功能。小車定位系統(tǒng)建議采用POMUX KH53直線式絕對編碼器。

POMUX KH53直線式絕對編碼器由兩部分組成：閱讀器(探頭)和感應(yīng)標(biāo)尺(磁尺)。閱讀器安裝在小車上和小車一起移動，感應(yīng)標(biāo)尺則沿著軌道方向安裝，保持一定的直線度，且和小車上的閱讀器保持一定的間距。

閱讀器內(nèi)置有用來檢測磁性元件的霍爾傳感陣列，每段感應(yīng)標(biāo)尺內(nèi)置了不同數(shù)量和距離分布的永磁鐵。這些在感應(yīng)標(biāo)尺內(nèi)按照一定方式排列的永磁鐵代表此段感應(yīng)標(biāo)尺的位置編碼，順序排列的3個永磁鐵為唯一的位置組別。測量時，通過閱讀器里的霍爾傳感器陣列檢測該磁場編碼，確定絕對位置(見圖2)。這些信息通過接口通訊傳輸給起重機(jī)控制系統(tǒng)。

圖2 POMUX KH53直線式絕對編碼器工作原理

POMUX KH53增強(qiáng)型系統(tǒng)測量距離可以從幾m到548 m，完全滿足起重機(jī)的使用范圍要求。系統(tǒng)要避免各類磁場的影響，如磁鐵限位、動力電纜產(chǎn)生的磁場，電機(jī)、磁性鋼等。整個行程中，任何POMUX KH53元件和其他磁性材料，都必須保證最小80 mm的間距。感應(yīng)標(biāo)尺安裝支架和螺絲都必須用非磁性材料制作。

POMUX KH53無論在哪種工作條件下，探頭必須能感應(yīng)到感應(yīng)標(biāo)尺，即探頭必須一直在相對磁尺的垂直或水平間距容許誤差內(nèi)，KH53增強(qiáng)型最大容許的水平誤差和垂直誤差都是±20 mm。

2.4 起升定位系統(tǒng)

起升定位系統(tǒng)的控制精度為10 mm，可以滿足遠(yuǎn)控岸橋的自動化控制需求。系統(tǒng)采用抗干擾性和數(shù)據(jù)可靠性好的U-ONE絕對值編碼器。U-ONE為一種電子位置凸輪，將速度、位置和超速檢測結(jié)合在1個單元里。該系統(tǒng)包括1個通用的基本單元及通過EMC防護(hù)光纖電纜連接到控制柜內(nèi)的電子功能模塊。編碼器安裝在卷筒側(cè)，與船型掃描(SPSS)激光測距反射板做雙重校驗(yàn)。

2.5 負(fù)載定位系統(tǒng)

遠(yuǎn)控岸橋陸側(cè)自動著箱的控制關(guān)鍵為負(fù)載定位系統(tǒng)。負(fù)載定位系統(tǒng)用于檢測吊具在大車和小車方向上的偏差位置和實(shí)際的扭轉(zhuǎn)角度，即測量吊具在X方向和Y方向上的實(shí)際偏差和扭轉(zhuǎn)，用于實(shí)現(xiàn)對吊具位置控制的閉環(huán)反饋，最終實(shí)現(xiàn)吊具和目標(biāo)位置(例如集裝箱和集卡)的精確對準(zhǔn)和閉環(huán)防搖。

負(fù)載定位采用IRM(InfraRed Measurement system for spreaders)紅外線吊具測量系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的透鏡和CMOS傳感器組成的照相測量系統(tǒng)不同，IRM采用透鏡把紅外線光源投影聚焦到PSD(位置感應(yīng)器)上,PSD能夠?qū)獍哌M(jìn)行高精度的定位。

IRM系統(tǒng)由1個紅外線發(fā)射器和1個接收器組成，紅外線發(fā)射器安裝在起重機(jī)吊具上架上，接收器垂直安裝在對應(yīng)的小車架下。在小車架上的接收器內(nèi)部的PSD光電板接收到從安裝在吊具上架上的發(fā)射器發(fā)送過來的紅外線光脈沖，轉(zhuǎn)變成不同數(shù)值的電壓、電流信號，從而計(jì)算出高度、搖擺、扭轉(zhuǎn)等測量值。發(fā)射器TX內(nèi)置二維傾轉(zhuǎn)傳感器，可通過吊具電纜或者無線傳送測量值，完成TRIM/LIST數(shù)據(jù)傳輸；接收器RX內(nèi)置二維傾轉(zhuǎn)傳感器測量小車前后和左右傾的角度，小車傾斜測量。

每個發(fā)射器有2對LED發(fā)光點(diǎn)組成，每一對LED發(fā)光點(diǎn)會安裝固定的頻率向接收器發(fā)射紅外線光線，并且按照時間編碼輪流發(fā)射。在有效的工作距離內(nèi)，接收器鋪?zhàn)胶蜋z測每一對LED發(fā)光點(diǎn)發(fā)車的光斑，同時計(jì)算接收器和發(fā)射器之間的距離、搖擺的角度和回轉(zhuǎn)的角度。

岸橋采用IRM400系統(tǒng)，可測搖擺角度為±4.5°，大車和小車方向搖擺角度精度為±0.02°，回轉(zhuǎn)角度0～360°，回轉(zhuǎn)角度精度±0.2°，TRIM/LIST角度±5°，TRIM/LIST精度±0.05°。以上測量精度滿足遠(yuǎn)控岸橋的陸側(cè)自動著箱。自動化PLC將會根據(jù)系統(tǒng)提供的檢測結(jié)果計(jì)算出一個補(bǔ)償位置值，并實(shí)時監(jiān)測吊具相對于小車和周圍集裝箱之間的距離以及吊具實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度。

3 結(jié)語

集裝箱起重機(jī)的精確定位對于實(shí)現(xiàn)自動化至關(guān)重要，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和檢測技術(shù)的進(jìn)步，以及對自動化精度要求的提高，更先進(jìn)的定位系統(tǒng)將不斷出現(xiàn)，并應(yīng)用到集裝箱起重機(jī)領(lǐng)域。