粮食连续卸船机全自动控制系统.pdf

Port Operation2023.No.3(Serial No.270)粮食连续卸船机全自动控制系统黄东辉孙晖?1山东港口日照港集团有限公司2武汉理工大学交通与物流工程学院摘要：研发了一套粮食连续卸船机全自动化控制系统，利用电气自动控制技术、物料检测技术、3 D激光扫描建模技术、自动安全防护系统集成技术，对船舱口和舱内物料进行扫描及仿真处理；获取三维图像和料堆信息数据库，建立船体、物料、岸上设施的空间三维模型；结合卸船机各机构位姿信息和视频监控信息，实现全自动卸船作业，可有效降低安全风险，提高卸船作业效率。关键词：粮食连续卸船机；自动化控制系统；3 D激光扫描；智能运维Fully Automatic Control System for Grain Continuous Ship UnloaderHuang Donghui Sun Hui?1SPG Rizhao Port Group Co.,Ltd.2 School of Transportation and Logistics Engineering,Wuhan University of TechnologyAbstract:A set of fully automatic control system for grain continuous ship unloader is developed.It uses electricalautomatic control technology,material detection technology,3D laser scanning modeling technology,automatic safetyprotection system integration technology,which can scan and simulate the materials in the ship hatch and cabin;3D imagesand database of material pile information are obtained,spatial 3D model of ship unloader,material and shore facilities areestablished;the position information of each mechanism of the ship unloader and video monitoring information are combinedto realize fully automatic ship unloading operation,which can effectively reduce the risk of manual safety hazards andimprove the efficiency of ship unloading operation.Key words:grain continuous ship unloader;automatic control system;3D laser scanning;intelligent operation andmaintenance发展方向 2 ,码头自动化与智能化生产改革迫在眉1引言睫。粮食连续卸船机作为港口散粮重要卸船设备，目前,国内海运大宗贸易需求量急剧增加,船舶越来越趋向于大型化。原始的船舶装卸模式难以满足效率和质量要求，造成装卸时间过长，劳动力需求量过大的问题 。通过改善工人的工作环境，降低人工参与度的同时确保安全和效率,是未来生产的 4 He J,Wang Y,Tan C,et al.Modeling berth allocation andquay crane assignment considering QC driver cost and op-erating efficiencyJ.Advanced Engineering Informatics,2021,47:101252.5 司玉军，翁凌韬，郑宗浩，等.多吨位岸桥服务优先级和泊位分配问题研究 J.新疆大学学报（自然科学版）,2 0 1 6,3 3(2)：1 9 8-2 0 2.6 胡鸿韬，任淑珍，胡雄.考虑岸桥维护的集装箱码头泊位与岸桥集成调度J.现代制造工程,2 0 1 9（4)：38其工作效率直接影响粮食流通效率。拥有自动作业控制系统的粮食连续卸船机，可以极大地解放劳动力，保证企业安全生产，从而提高效益。为了改变传统的卸船工艺、降低作业风险、提高作业效率、减轻司机工作强度，研发了一套粮食连续14-19.7于向鸿，肖阳.缺失原始数据的单因素方差分析方法研究 J.安徽农业科学,2 0 1 7,45（8）：1 4-1 5.8任璐.基于遗传算法的集装箱码头动态连续型泊位与岸桥调度优化研究 D.重庆：重庆大学,2 0 2 0.黄麟富：43 0 0 0 0，武汉市洪山区珞喻路2 号收稿日期：2 0 2 2-1 2-1 2D01:10.3963/j.issn.1000-8969.2023.03.012港口装卸2 0 2 3 年第3 期（总第2 7 0 期）卸船机全自动化操作系统。通过电气自动控制技物料、岸上设施的空间三维模型。在此基础上,结合术、物料检测系统技术、3 D激光扫描建模技术、自动对各机构位姿信息的准确监测,并通过视频监控系安全防护系统集成技术 5 等多种先进技术手统在关键工艺环节进行人工干预，最终实现全自动段 3-5 ,对船舱口和舱内物料进行扫描,并进行仿真卸船作业。粮食连续卸船机自动化控制系统结构见处理,形成舱口和料堆信息数据库，从而建立船体、图1。中控室理货数据CMS起重机管理系统司机室.-远程元线I/0-远程无线操作视频显示本地手机操作智能扫描系统通信卡扫描建模通信卡风速仪大机主控PLC工业现场总线变频器变频器液压电磁阀液压电磁阀软启动器变频器辅助/照明大车大车回转俯仰角度传感器扫描防撞摆动水平螺旋垂直螺旋带斗提升互锁控制回转角度与大车轨道方向垂直集料回转大车/回转速度载荷协同反馈控制视频采集激光扫描系统作业船舱图1 粮食连续卸船机自动化控制系统结构图此外，自动控制系统通过光纤实现与港区中控系统的数据通讯。数据采集控制器采集船型、天气等数据，记录天气、潮水等对船舱晃动的影响，可根据不同的作业场景调用对应的数据。其中，三维仿真图像可立体、真实地显示当前舱内物料及舱口位置、形态,并自动计算出粮食连续卸船机最佳取料点，并将该动作转化为控制指令。数据采集处理及三维成像系统与现有的粮食连续卸船机控制系统之间进行数据实时交互，确保粮食连续卸船机自动作业的高效性和安全性。2粮食连续卸船机自动控制系统构架粮食连续卸船机自动控制系统的主要架构包含信息管理系统、中央控制系统、基础自动化系统、安全防护系统等。系统网络硬件构架见图2。2.1信息管理系统信息管理设备层主要由数据库服务器、生产管理应用服务器等设备组成，通过现场工业总线建立灵活的网络管理机制和可靠的安全防护系统。信息管理设备层的系统网络采用以太网，主要用于生产、39Port Operation2023.No.3(Serial No.270)应急装置上位机服务器视频管理机视频管理机控制交换机视频交换机数据采集器空间定位船舱检测应急装置PLC摄像头安全避障装置纠偏装置编码定位超越检测图2 粮食连续卸船机自动化网络系统构架设备等子系统的数据处理、存贮、信息查询、数据分3粮食连续卸船机自动化系统检测方案析以及报表的输出等工作。2.2中央控制系统中央控制系统是以中央控制室为中心的控制系统。中央控制室设置在生产指挥中心。控制系统还包括中央控制系统与粮食连续卸船机、皮带输送机等卸船工艺线上其他大型设备控制系统之间的数据通信以及信号联锁控制。2.3基础自动化系统基础自动化系统主要构建于自动化控制网络层，采集各传感器与扫描系统信号，与粮食连续卸船机电气系统主控制器实现通讯，结合具体生产工艺将粮食连续卸船机各机构独立控制系统连接起来。2.4安全防护系统为确保作业安全，系统配置了对粮食连续卸船机控制系统的远程通信、机构自动定位、自动纠偏、视频语音等模块，实现作业过程中的安全防护。具体包括：(1)机构防撞系统。在行走机构及俯仰机构上安装多台激光扫描仪，实现卸船机机构工作方向上与其他设备间的防撞保护。（2)作业区域静态防护。在危险作业区的入口处安装扫描面平行于地面或者垂直于地面的激光雷达，设置检测区，对进入的目标进行声光提醒。（3)作业区域动态防护。根据各作业机构激光扫描定位信息，结合人工输入的外部环境信息，计算出船舶高度变化预估值，与安全作业阈值范围进行核算。根据所测算的安全作业容忍范围，实时更新标定卸船机各机构的作业区域，以避免安全事故的发生，保障作业效率。40为了实现粮食连续卸船机的全自动化作业，需要对回转、行走、俯仰等主要工作机构进行位姿检测和精确定位。因此在原卸船机电气驱动控制系统的基础上配置激光扫描系统，形成卸船机自动化系统检测方案。3.1回转机构定位检测方案回转机构定位检测主要通过安装多圈绝对值编码器与校准限位开关实现。绝对值编码器与回转机构联轴运行，通过PLC高速计数模块读取实时回转角度。为了避免数据采集误差，通过固定在结构上的校准位对回转角度的零位进行周期性调零校准。具体实现方式是：设定回转机构的固定锚定位为0,在左右各45 位置安装接近开关。当回转机构向左或向右转动到45 时，感应开关给出高电平信号,通过PLC给回转角度编码器进行重新赋值，从而实现回转角度的校正。3.2行走机构定位检测方案在行走机构从动轮上安装绝对值编码器作为大车位置的检测装置。绝对值编码器通过物理码盘记录位置，可断电保持数据。编码器通过工业总线与自动控制系统进行通讯。沿大车轨道方向布置若干个用于定位校验的RFID标签，标签的安装可根据现场情况按照5 1 0 m的距离间隔进行布置。在大车运行车轮上安装RFID读写器，一旦经过RFID标签,则通过读写器读取相应标签信息，获取大车位置代码。再利用绝对值编码器对PLC中存储的信息进行实时校准，获取大车在轨道上的精确定位信息。港口装卸2 0 2 3 年第3 期（总第2 7 0 期）3.3骨臂架俯仰定位检测方案通过安装倾角传感器与拉绳传感器实现臂架俯仰机构的定位检测。在臂架根部安装倾角传感器，可以读取俯仰机构的实时俯仰角度；再通过安装在俯仰油缸上的拉绳传感器，依据油缸行程长度数值换算出俯仰角度。系统利用以上2 种检测方式实时校准,获取臂架俯仰机构的准确定位。3.4激光扫描建模系统方案在回转平台前端安装1 台激光扫描仪，配置伺服云台。在臂架前端安装2 台面阵激光扫描仪。通过以上3 台激光扫描设备对所需识别的目标进行识别，包括：船舶舱口位置、船航高度、作业对象物料。伺服云台动态控制激光雷达扫描角度，扫描区域覆盖舱口以及作业片区物料等区域。扫描数据通过光纤通讯发送至工控机，进行建模。激光扫描三维建模的具体步骤为：（1)通过多线激光扫描仪采集料堆三维表面点云数据。激光扫描仪投射一个光点到被测物料表面，获取测量点至反射光点的距离，再根据空间中激光光束和测量点、被测物料之间的三角关系，得到每一个光点的三维坐标。(2)对激光扫描仪所采集的多维点云数据进行降噪处理。为了保证料堆与船舱接触区域点云的完整性，将点云在垂直方向的厚度尽量缩小，同时去除点云离散点，通过点云聚类和分割等滤波算法实现点云模型简化。（3)利用激光扫描仪和机构定位传感器所获得的数据进行空间坐标转换，将激光扫描仪所处的空间坐标系按比例转化为所检测物料与作业区域其他目标（如舱口、船舫甲板等)的实际物理坐标位置。（4)以回转平台处激光扫描仪做标定，建立世界坐标系。再结合臂架前端激光扫描仪获取的点云数据进行校正。对经过精确配准后的料堆三维点云数据进行边缘特征提取，最终获取料堆完整的三维数据模型。激光扫描建模完成后的船舱、仓口及料堆示意图见图3。图3 卸船机激光扫描建模示意图3.5视频监测方案视频监控系统作为自动化控制系统的辅助监控系统，也有着很重要的作用。在自动化作业的关键节点，操作人员可能需要通过视频监控系统对卸船机进行人工干预。因此，视频系统应保证视频监控的可靠性、稳定性，确保远控室视频监控画面的清晰流畅。在本系统中,视频监控设备需具备如下特点：（1)摄像机传输的画面清晰稳定，可满足远程操作需要；球机具有自动增益、自动光圈、自动聚焦、自动曝光、背光补偿、白平衡钠灯补偿等功能。（2)中控台视频画面能根据粮食连续卸船机运行状况进行切换。跑大车时，切换到大车跑道视频画面；动回转平台时，切换到回转平台视频画面；动俯仰机构时,切换到俯仰机构视频画面。考虑到实际情况，不能用高压钠灯进行弱光补偿，需要使用合适色温的LED灯。（3）考虑到现场气候，夏天最高气温可达40，室外太阳直射下的摄像机内部工作温度超过5 0，冬天最低气温可达-5。如果选用常温型号会导致摄像机画面模糊不清，甚至损坏，所以需要选择合适的摄像机，保障长期无故障使用。4结语研发了一种粮食连续卸船机自动化作业控制系统，可满足粮食连续卸船机无人化自动作业需求，实现远程一对多操作,达到减员增效的目的。系统运用智能控制理论及自动化控制技术，对粮食连续卸船机作业过程的料堆形状成像、智能防碰撞、各机构运行智能决策等智能化关键技术进行研发，降低人工安全隐患风险，全面提高作业效率。本系统的实施充分利用了港区现有的信息化资源，为推进港口智慧作业系统的建设提供了技术支撑。参考文献1 马超.桥式抓斗卸船机控制系统研究与优化 D.唐山：华北理工大学，2 0 1 9.2王云鹏，李书强，刘东辉，等.散粮桥式抓斗卸船机自动化控制系统研究 J.起重运输机械，2 0 2 2（2 4）：45-49.3唐俊.光电卸船机抓斗防撞系统中的舱口检测及场景可视化技术 D.绵阳：西南科技大学,2 0 2 2.4黄俊峰.链斗式连续卸船机自动控制系统设计 D.秦皇岛：燕山大学，2 0 1 9.5 徐米清.智能化卸船机关键技术及实现 J.港口装卸,2 0 2 1(3):5 5-5 6+6 4.黄东辉：2 7 6 8 2 6，山东省日照市东港区黄海一路9 1 号收稿日期：2 0 2 3-0 5-0 4D0I:10.3963/j.issn.1000-8969.2023.03.01341