橋式抓斗卸船機(jī)智能控制系統(tǒng)探究

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摘要：船舶到達(dá)港口結(jié)束運(yùn)輸后，卸船效率的高低影響著船舶何時(shí)能離開(kāi)碼頭、能否如期到達(dá)終點(diǎn)。橋式抓斗卸船機(jī)常用于發(fā)電廠碼頭或中小港口，隨著智能技術(shù)的發(fā)展，其控制手段也正向智能化趨勢(shì)邁進(jìn)。本文探討了卸船機(jī)的智能技術(shù)，針對(duì)其操作需求，提出了垂直及水平方向檢測(cè)作業(yè)范圍的智能控制作業(yè)方案，解決了精準(zhǔn)卸貨和放料問(wèn)題，并保障了精細(xì)管理要求，為自動(dòng)卸船技術(shù)發(fā)展提供了參考，對(duì)卸船機(jī)智能控制技術(shù)發(fā)展也具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：橋式抓斗；卸船機(jī)；智能控制；編程技術(shù)

隨著信息時(shí)代的到來(lái)，設(shè)備控制的智能化將成為必然趨勢(shì)。作為碼頭卸船的主要器械，當(dāng)前的橋式抓斗卸船機(jī)控制手段自動(dòng)化程度不高，部分作業(yè)還需手動(dòng)控制，無(wú)法適應(yīng)信息時(shí)代的要求，其在卸貨時(shí)往往存在3個(gè)問(wèn)題：一是司機(jī)室對(duì)卸貨系統(tǒng)不能正?？刂疲欢歉彼緳C(jī)室對(duì)放貨不能準(zhǔn)確操控；三是斗門(mén)開(kāi)閉和角度調(diào)節(jié)尚需人工控制，亟需引入智能控制技術(shù)。

1橋式抓斗卸船機(jī)智能技術(shù)

（1）自動(dòng)定位技術(shù)。橋式抓斗卸船機(jī)傳統(tǒng)的定位技術(shù)通常是編碼器定位，這種方式的誤差概率較大，只有配合標(biāo)定位置程序誤差才能降低，但在應(yīng)用中仍會(huì)影響定位的精度，不利于卸船作業(yè)效率提高。智能定位技術(shù)能有效滿足精度方面的要求，甚至能達(dá)到毫米或微米級(jí)別，定位的準(zhǔn)確性相當(dāng)高，在定位質(zhì)量和效率上與傳統(tǒng)技術(shù)形成鮮明對(duì)比。（2）激光自動(dòng)掃描技術(shù)。主要原理是用距離檢測(cè)飛行時(shí)間，即掃描儀射出激光到被掃貨物表面光束再反射回掃描儀這一過(guò)程所用的時(shí)間，再計(jì)算掃描儀與反射點(diǎn)之間的距離，利用雙軸驅(qū)動(dòng)三維掃描相關(guān)貨物。橋式抓斗卸船機(jī)應(yīng)采用3D掃描技術(shù)，在卸船過(guò)程中，3D掃描儀在艙內(nèi)、艙口自動(dòng)掃描，測(cè)出掃描儀與艙內(nèi)、艙口貨物表面之間的精確距離。百米之內(nèi)一般都能檢測(cè)，且掃描頻率高、數(shù)據(jù)更新快，能隨著船舶的位置變化瞬時(shí)呈現(xiàn)出掃描圖像，再通過(guò)計(jì)算機(jī)高速處理掃描信息，進(jìn)而及時(shí)掌握橋式抓斗卸船機(jī)的工作情況。（3）三維圖像虛擬成像技術(shù)。該技術(shù)主要是配合激光自動(dòng)掃描系統(tǒng)使用，激光掃描數(shù)據(jù)獲得后要傳輸?shù)酱搩?nèi)的圖形處理器中，主要傳輸?shù)氖歉鞣N角度掃描物體收到的距離值。這些數(shù)據(jù)主要應(yīng)用于控制系統(tǒng)完成某些控制工作，但應(yīng)用前需利用三維圖像虛擬成像技術(shù)對(duì)其重構(gòu)，采用處理軟件對(duì)艙內(nèi)物料、甲板和船艙面等虛擬出三維輪廓圖形，為保證圖像虛擬的精度，再結(jié)合掃描數(shù)據(jù)加以修改和調(diào)整。三維圖像虛擬成像技術(shù)不但能監(jiān)控掃描儀的工作狀態(tài)，還能抓取掃描結(jié)果的關(guān)鍵信息點(diǎn)，以完善卸船機(jī)的智能系統(tǒng)。（4）定位導(dǎo)航技術(shù)。卸船機(jī)在卸船時(shí)有很大的慣性，為提高工作質(zhì)量和效率，應(yīng)對(duì)這種慣性加以控制，準(zhǔn)確定位抓斗的位置選取抓料點(diǎn)，保證最佳抓料量，這也能防止抓斗出現(xiàn)晃動(dòng)造成碰撞事故。抓斗定位導(dǎo)航程序的關(guān)鍵是慣性導(dǎo)航，由無(wú)限通信和陀螺儀組成，抓斗中的陀螺儀利用接口輸出抓斗的海拔和位置，并通過(guò)通信技術(shù)無(wú)線傳輸至駕駛室無(wú)線接收端，進(jìn)而計(jì)算抓斗的精確位置，以得出抓斗的最佳抓取點(diǎn)。

2智能控制作業(yè)方案

（1）檢測(cè)垂直方向作業(yè)范圍。自動(dòng)卸船系統(tǒng)工作時(shí)，司機(jī)需要確認(rèn)小車回程的位置點(diǎn)，方法是把抓斗放在煤上標(biāo)注，再根據(jù)船艙的深度確定垂直作業(yè)時(shí)抓斗的擺動(dòng)范圍。在智能控制中采用激光雷達(dá)為傳感器檢測(cè)距離，不用抓斗改變位置就能確定小車回程的位置點(diǎn)。激光雷達(dá)是在光波段工作的一種新雷達(dá)系統(tǒng)，具有射束窄、單色性好等特點(diǎn)，測(cè)距能力相當(dāng)精確，精度能達(dá)到毫米。與普通的毫米波、微波雷達(dá)相比，具有波長(zhǎng)短、測(cè)距精度高、重量輕、體積小等優(yōu)勢(shì)，它將激光用來(lái)測(cè)量回波距離，快速形成距離信息，并將其作為小車的初始回程的位置點(diǎn)，再根據(jù)船艙的深度確定垂直方向作業(yè)的范圍。（2）檢測(cè)水平方向作業(yè)范圍。卸船的傳統(tǒng)過(guò)程是由駕駛員目測(cè)船的倉(cāng)位，依據(jù)抓斗在船艙岸側(cè)內(nèi)的位置確定X，依據(jù)抓斗在船艙海側(cè)內(nèi)的位置確定Y，并將參數(shù)錄入系統(tǒng)以確定水平方向抓斗的擺動(dòng)范圍。抓斗通常抓取的貨物是單一的，以煤為例說(shuō)明。作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)船體和煤炭顏色差異較大，鋼板和煤炭的紋理也是不同，基于此，將煤的顏色、紋理通過(guò)圖像識(shí)別存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)。卸船機(jī)的前梁裝有采集圖像的裝置，船到岸后利用攝像頭采集船和煤的識(shí)別圖像，計(jì)算機(jī)再比較圖像的紋理和顏色，設(shè)定作業(yè)區(qū)域?yàn)榧y理和顏色在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)的部分，以區(qū)分船和煤的構(gòu)造。卸船機(jī)工作時(shí)，船身要隨貨重和潮水出現(xiàn)高低變化，結(jié)合透視知識(shí)，成像時(shí)會(huì)存在遠(yuǎn)小近大的問(wèn)題，所以不能把圖像識(shí)別當(dāng)作直接處理依據(jù)。碼頭高度與卸船機(jī)高度一定時(shí)，通過(guò)激光雷達(dá)對(duì)高度予以確認(rèn)，并確認(rèn)出垂直方向的起始坐標(biāo)，所拍的圖像處理時(shí)采用網(wǎng)格等分法，若高度出現(xiàn)變化，抓斗涉及的圖像面積就相應(yīng)變化，計(jì)算出各工作狀態(tài)高度，確定抓斗工作范圍的空間。全程中伴隨著下降的煤層，不斷識(shí)別水平方向抓斗的范圍，并適時(shí)進(jìn)行修正，努力減少船身和抓斗的誤碰撞。（3）智能處理。為了提高卸船效率，防止出現(xiàn)少抓、空抓現(xiàn)象，要讓司機(jī)憑借經(jīng)驗(yàn)每次修正小車的起升位置和回程點(diǎn)，這是智能卸船中要解決的難點(diǎn)。作業(yè)區(qū)確認(rèn)時(shí)要結(jié)合計(jì)算機(jī)識(shí)別圖像的技術(shù)和激光雷達(dá)測(cè)出的高度值，用數(shù)組標(biāo)記該范圍的二維坐標(biāo)，并標(biāo)記坐標(biāo)的具體高度值。另外，利用數(shù)學(xué)軟件將高度垂直方向的信息轉(zhuǎn)為用顏色變化的圖像信號(hào)，以便監(jiān)控人員在監(jiān)控室查看該信息。卸船自動(dòng)流程啟動(dòng)后，激光雷達(dá)精確采集作業(yè)高度數(shù)據(jù)，利用大梁安裝的攝像頭，確定水平、垂直方向的范圍，在作業(yè)范圍內(nèi)設(shè)大梁下方作原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系，其坐標(biāo)表示采用二維數(shù)組；作業(yè)區(qū)間每個(gè)點(diǎn)的垂直高度均由激光雷達(dá)獲取，該值被記在坐標(biāo)系的數(shù)組里，數(shù)組也是作業(yè)區(qū)域的數(shù)字模型，其轉(zhuǎn)為圖像顏色才能被監(jiān)控使用。若從數(shù)組選擇極大值范圍進(jìn)行作業(yè)，抓斗將關(guān)閉其上周移向漏斗位置。二次作業(yè)時(shí)，攝像頭和激光雷達(dá)重復(fù)信息采集操作確定工作范圍。

3卸船作業(yè)智能控制改進(jìn)方案

（1）改進(jìn)設(shè)計(jì)。因?yàn)樗緳C(jī)不能觀測(cè)卸料輔助系統(tǒng)運(yùn)行情況，放料操作若要安全須掌握相關(guān)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，根據(jù)情況在船艙顯示屏增加信息和數(shù)據(jù)提示是較為高效便捷的方法。司機(jī)室也要增放卸料裝置的24h監(jiān)控高清屏，保證獲取定量定性信息的完整實(shí)時(shí)。需目測(cè)的料斗門(mén)開(kāi)啟程度、給料器角度及面板顯示的給料器變頻頻率，是操作輔助機(jī)構(gòu)時(shí)司機(jī)要用的信息，分別需要轉(zhuǎn)為百分比（100%為全開(kāi)）、實(shí)際度數(shù)（最大為10°）、實(shí)際頻率3個(gè)數(shù)值，斗門(mén)和給料器角度均由電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)，由于存在最大最小極限值，所以不用其他測(cè)量器件，只要增加傳感器即可。結(jié)合實(shí)際推桿工況，采用直線位移類型傳感器應(yīng)該能滿足需求，同時(shí)，可增加PLC模擬模塊及有關(guān)程序，并對(duì)船艙源程序進(jìn)行編輯。至于監(jiān)控需新增四攝像頭，全方位監(jiān)控地面皮帶、料斗范圍、機(jī)房整體、料斗上部，另外，破拱料斗的船倉(cāng)壁振動(dòng)器在司機(jī)及副司機(jī)室均安裝操作按鈕，控制主要由非變頻器執(zhí)行，且無(wú)法調(diào)速，因此不用另加數(shù)字設(shè)備顯示。改進(jìn)的主要技術(shù)是數(shù)字化的應(yīng)用及編程技術(shù)的升級(jí)。 （2）編程調(diào)試。把給料機(jī)斗門(mén)開(kāi)合與振動(dòng)角度調(diào)節(jié)的軌跡設(shè)為傳感器最終位置與模擬輸入的模型。一是斗門(mén)開(kāi)關(guān)。推桿和開(kāi)閉程度呈線性關(guān)系，根據(jù)斗門(mén)上下2個(gè)極限點(diǎn)由傳感器測(cè)出的模擬值（V上，V下）和開(kāi)閉程度區(qū)間（0，100），確定兩點(diǎn)位置（V上，100）、（V下，0），再確定軌跡的偏移及增益，具體開(kāi)閉程度的計(jì)算根據(jù)運(yùn)動(dòng)區(qū)域內(nèi)任意坐標(biāo)。二是調(diào)節(jié)給料機(jī)的角度。角度和推桿的關(guān)系是非線性的，曲線可看作無(wú)數(shù)段直線組成，利用測(cè)量把0～10°的角度范圍分成兩部分，就能達(dá)到精度要求。0°、10°分別對(duì)應(yīng)著推桿的極限位，利用測(cè)量角度儀器將中點(diǎn)5°測(cè)量時(shí)記下傳感器的顯示值。設(shè)這3個(gè)度數(shù)時(shí)，推桿的傳感器顯示值分別為 A0、A5、A10，根據(jù)(A0，0)、(A5，5)、(A10，10)3點(diǎn)確定2條直線，進(jìn)而從運(yùn)動(dòng)區(qū)域內(nèi)任意坐標(biāo)算出真實(shí)角度。（3）方案實(shí)施安裝硬件。一是安裝直線位移傳感器，用于開(kāi)閉斗門(mén)、調(diào)節(jié)給料機(jī)角度，將抱箍和角鋼分別綁定在給料器角度和漏斗門(mén)的推桿上。二是安裝監(jiān)控設(shè)備。為讓司機(jī)便于了解情況，在卸料系統(tǒng)上下部、地面皮帶機(jī)、機(jī)房上都安裝攝像頭，還要在司機(jī)室配備監(jiān)視器用來(lái)回放畫(huà)面，單獨(dú)或同時(shí)顯示4處位置的監(jiān)控。調(diào)試程序。利用PLC調(diào)試，要結(jié)合傳感器的工況，定好是否取反及取反過(guò)程的偏移量，因?yàn)樗惴馨赐茥U的極限位上下自動(dòng)調(diào)整，傳感器的輸入值也相應(yīng)上下校正，即運(yùn)動(dòng)軌跡能自動(dòng)調(diào)整和更新，因此，使用中不用定期校正調(diào)試。

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作者:黃志平 王博強(qiáng) 孟懷鋒 單位:國(guó)能常州發(fā)電有限公司