集卡防吊起系统在自动化轨道起重机中的应用

马著凯 韩春杰 宋祥吉
青岛海西重机有限责任公司 青岛

摘 要：针对自动化轨道起重机因集卡锁销没有打开或打开不到位易引起的安全隐患和伤亡事故等问题，增设了一种以激光扫描测距为原理的集卡防吊起识别系统，对自动化轨道起重机设备安全保护进行优化处理，在确保自动化轨道起重机安全生产作业的同时，并能够提高设备作业效率。
关键词：自动化轨道起重机；集卡防吊起系统；安全生产；激光扫描
中图分类 ：U653.921 文献标识码：A 文章编 ：1001-0785（2020）02-0079-04

1 系统组成与工作原理
某自动化堆场配置的ARMG 采用双悬臂设计，其中海侧悬臂下为内集卡专用车道，陆侧悬臂下为外集卡专用车道，内集卡车辆自身不带集装箱固定锁销，故集卡防吊起系统只需安装在陆侧。

1.1 系统的硬件组成及通讯配置
集卡防吊起系统主要由二维激光扫描仪、防吊集卡控制器、通讯模块等部分组成。其中，二维激光扫描仪采用SICK LMS111-11100 产品［1］，嵌入式控制采用IPC-ALUNIT1 产品，通讯方式采用与ABB PLC AC500系列产品相兼容的Profibus-DP 协议。集卡防吊系统基于二维激光扫描仪建立二维坐标系，通过软件设置激光输出角度为-5°～ 185 o，设置激光频率为25 Hz/0.1667 o 来获得到最佳的覆盖范围和检测效果。系统通信拓扑图如图1 所示。

图1 系统通信拓扑图

1.2 系统工作原理
集卡防吊起数据信息经二维激光扫描仪采集获得，通过以太 通讯方式将信息传送给控制器，控制器结合从ARMG 控制系统获得的起升、小车数据信息及吊具状态数据进行综合分析判断，确认卡车底盘与集装箱直接分离距离［2］，并将分析后的信息实时返送给ARMG控制系统。

如图2 所示，二维激光扫描采用点云拼接精度，集卡吊起判断依据共分3 种状态。状态1 是判断底盘与集装箱间隙距离；状态2 是判断底盘下部与地面高度变化；状态3 是判断底盘上部是否存在溢出点。当3 种状态中任何一种状态超出设定范围则判断发生底盘吊起事故，并发送上升停止信 。

在集卡控制系统中，首先设定作业车道小车位置，当小车在作业车道100 mm 范围内作为启动防吊起保护功能条件。其次，待带箱集卡到位，ARMG 小车移动到集卡车位置上方，吊具放至集装箱上并闭锁，然后起升上升。当吊具松绳和着箱信 没有的瞬间，起升编码器计算出当前的高度，得到拖车+ 集装箱的高度，将其作为基准起升高度。集卡被吊起判断方法为：
1）集卡与集装箱间隙触发高度设定阈值400 mm，当集装箱与底盘分离间隙尺寸＝集装箱基高度起升400 mm 时，判断集装箱与底盘已分开；当集装箱与底盘分离间隙尺寸＜集装箱基准高度起升400 mm 时，判断集装箱与底盘未分开。
2）集卡底盘与地面触发高度设定阈值100 mm，以起升基准高度为参考点，当起升上升高度≥ 100 mm 时，底盘与地面距离变化＜ 100 mm 时，判断集装箱与底盘已分开；当底盘与地面分离间隙尺寸≥ 100 mm 时，判断集装箱与底盘未分开。
3）起升上升，集卡与集装箱分开后，二维激光扫描激光束扫描中间空隙位置，激光束点为一水平平面，当激光束出现溢出点≥ 5 个时，判断集装箱与底盘未分开。反之则判断装箱与底盘正常分离。

图2 集卡状态检测

2 具体工作流程
1）ARMG 启动工作后，将设备运行数据传送给集卡防吊起系统( 见图3)，同时集卡防吊起系统开始启动。
2）ARMG 主控系统控制起升、小车精确定位后下降到预定位置，远控中心操作人员操作设备抓取集装箱。
3）集卡防吊起系统根据激光扫描仪数据、起升、小车位置、吊具状态进行逻辑运算做出状态判断。
4）如果检测集装箱与集卡正常分离，集卡防吊起系统时时自动发送正常运行命令给ARMG 控制系统继续正常起升作业。

5）如果检测集装箱与集卡未分离，集卡防吊起系统立即自动发送停止命令给ARMG 控制系统，停止吊具起升。
6）远控中心操作人员可通过监控系统和现场人员确认，判断集卡与集装箱实际状态，如果因集卡底部异物或集装箱底部异物导致的集卡防吊起系统误 警，此时远控中心人员可通过远程启动旁路功能，将集卡防吊起信 屏蔽，继续上升。当上升到集卡防吊起设定的检测区域以外，取消旁路功能，起升恢复正常功能。
7）如果通过判断确认集卡被吊起，系统控制吊具上升停止后，司机只能操作吊具下降，不能起升。吊具下放到松绳和着箱后，此时可故障复位，起升上升的限制解除。允许集卡司机将锁头打开，并继续工作。集卡控制流程如图4 所示。
8）集卡防吊起系统通过Profibus-DP 通讯方式将系统状态返送给ARMG 控制系统，ARMG 控制系统将反馈的信息集成在远程安全监控管理系统内，并在远控中心以文字信息显示。

图3 集卡防吊控制程序块

3 功能测试
将防吊起程序及参数设置调试完毕并与ARMG 主控程序建立通讯后，开始进行各种集卡吊起状态下的功能测试。测试分为40 英尺集装箱测试，前20 英尺集装箱测试，后20 英尺集装箱测试。为方便记录与区分锁销，测试前对集卡锁销进行编 ，40 英尺集装箱4 个锁销分别定义为1、2、3、4（见图5），后20 英尺集装箱4 个锁销分别定义为1、2、3、4，前20 英尺集装箱4 个锁销分别定义为5、6、7、8（见图6）。20 英尺、40 英尺集装箱测试方法：（前20 英尺测试时将锁销编 更换为5、6、7、8）
1) 全部锁销未打开测试 将1、2、3、4 锁销同时闭锁测试，检测是否立即停止起升，记录起升停止高度是否在检测范围内停车；

2)3 个锁销未打开测试 将1、2、3 锁销同时闭锁4 锁销打开测试，1、2、4 锁销同时闭锁3 锁销打开测试，1、3、4 锁销同时闭锁2 锁销打开测试，2、3、4 锁销同时闭锁1 锁销打开测试，检测是否立即停止起升，记录起升停止高度是否在检测范围内停车；

3)2 个锁销未打卡测试 将1、2 锁销同时闭锁3、4 锁销打开测试，3、4 锁销同时闭锁1、2 锁销打开测试，2、4 锁销同时闭锁1、3 锁销打开测试，1、3 锁销同时闭锁2、4 锁销打开测试，2、3 锁销同时闭锁1、4 锁销打开测试，1、4 锁销同时闭锁2、3 锁销打开测试，检测是否立即停止起升，记录起升停止高度是否在检测范围内停车；

4) 单个锁销未打开测试 测试任意一个锁头关闭，其他锁头打开，检测是否立即停止起升，记录起升停止高度是否在检测范围内停车。

图5 40 英尺集卡锁销编

图6 20 英尺集卡锁销编

4 实施效果
该系统已在日照港自动化堆场内8 台ARMG 上投入使用，设备作业运行中同时监控集卡防吊起系统的工作稳定性，效果明显，至今未发生过类似的事故。系统运用情况良好，减轻了ARMG 远控中心操作人员的作业压力，避免了事故的发生，得到了操作部门ARMG司机、集卡司机、现场安全管理人员的一致好评。所以这套安全装置对保障安全操作、避免因发生事故造成直接和间接经济损失、树立良好的企业形象起到了积极作用。

5 结论
由于集装箱装卸作业的特殊性，大型集装箱装卸设备在为客户提供优质服务的同时，也可能发生安全事故。尤其是自动化堆场设备进行集装箱卸装作业时，由于现场无人的特殊性，一旦出现由于集卡锁销未完全打开而将集装箱连同集卡一并吊起或是半边吊起的事故，导致损坏集装箱和卡车，甚至会发生卡车司机伤亡事故，造成不必要的经济损失。将集卡防吊起系统成功应用于自动化轨道吊后，可避免自动化轨道吊在远程作业中的人为失误，减少设备损坏和人员伤亡的经济损失，确保生产安全，间接提高自动化设备作业效率。另外，该系统结构简单，投资费用少，易于实施，效果突出，长期 会效益可观，非常适用于箱区无人化管理的大型集装箱码头，具有很好的行业推广使用价值。

参考文献
[1] 周艳华. 集装箱轮胎吊防误吊集卡测控装置[J]．港口科技动态，2005(9): 14-16.
[2] 童巍，吴翔. 轮胎起重机集卡防吊起系统的研究与应用[J]. 起重运输机械，2017（12）：95-97.