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新型全自动抓斗卸船系统

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理工大学学报(自然科学版) 第l1卷第3期2010年6月Vo1.11 No.3 Jun.2010 Journal of PLA University of Science and Technology(Natural Science Edition) 新型全自动抓斗卸船系统 王 建 , 姚振强 , 包起帆。, 孙斌 ' 葛中雄 ' 芦 清。 (1.上海交通大学机械与动力工程学院 机械系统与振动国家重点实验室,上海200240; 2.上海国际港务(集团)股份有限公司,上海200082; 3.ABB(中国)有限公司起重机与港口自动化部,上海200001) 摘要:针对抓斗卸船机司机劳动强度大、安全性低、机械可靠性无法保证等一系列难题,首创性地提出了 一套全自动化卸船作业方案。对该方案做出了详细阐述,包括系统运行模式、作业流程和几种策略优化方法, 并与传统卸船工艺做了综合详尽的对比分析。该全自动抓斗卸船机在上海港罗泾矿石码头实施后,经过轻重 载调试目前已投入正式生产。对装备性能的全面测试结果证明,与传统作业方式相比,该系统作业效率显著 提高,人员劳动强度大幅降低,同时为机械运行可靠性和安全性提供了有力保障。 关键词:全自动抓斗卸船机;工艺分析;工艺优化策略;散货装卸装备自动化;性能评估 中图分类号:U653.928 文献标识码:A 文章编号:1009—3443(2010)03—0284—06 Novel full—automatic grab ship unloader system WANG Jian ,YAO Zhen—qiang ,BAO Qi—fan ,SUN Bin。,GE Zhong—xiong ,LU Qing。 (1.State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240.China: 2.Shanghai International Port(Group)Co.,Ltd,Shanghai 200082,China; 3.Crane&Harbor Systems ABB(China)Ltd,Shanghai 200001,China) Abstract:In order to solve a series of problems such as heavy labor intensity and low system mode security and stability,the first full—automatic grab ship—unloading solution in the world was innovated.Solutions including the operation principle,the procedure and a few strategies for process optimization were de— tailed.Meanwhile,a comprehensive analysis compared with traditional processes was presented.After light and heavy load tests for several months,a full—automatic grab unloader was put into practice in Shanghai Luojing Ore Termina1.Evaluation results prove that the system promotes the efficiency evident.. 1y,alleviates the labor intensity dramatically,and makes a powerful guarantee for the operating reliability and the security. Key words:full—automatic grab ship unloader;process analysis;strategies for process optimization;bulk handling equipment automation;performance evaluation 为提高散货码头系统作业效率和通过能力,国 作L 引。 内外研究机构通过与制造厂家合作,进行了具有较 本文通过对物料轮廓自动检测、装备自动控制、 高自动化控制功能的散货装备的研究开发工 作业策略优化技术展开深入研究,课题组成功研制 了世界首台全自动作业的抓斗卸船机,经过近2年 收稿日期;2008—04—24. 的调试和试运行,2008年在上海港罗泾港区二期矿 资助项目;国家科技支撑计划资助项目(2006BAH02AIT);上 石码头正式投入生产。 海市科委产学研专项项目(06DZ11 310)。 作者简介:王建(198O一),男,博士生. 联系人:姚振强,教授,博士生导师;研究方向:先进制造技 术、机器视觉、装备自动化等;E—mail:zqyao@sjtu. edu.cn. 第3期 王 建,等:新型全自动抓斗卸船系统 285 1卸船机分类 卸船机的种类较多,依作业方式可分为连续卸 船机和非连续卸船机。连续卸船机通常是一种专用 的码头装卸设备,使用不灵活,如不可卸杂货等,特 别是对高粘度、大粒度、高含水量、高腐蚀性或高磨 削性的物料进行卸船作业时不宜使用连续卸船机。 在非连续卸船机中主要有门式抓斗起重机、桥式抓 斗卸船机等设备,在实际对大粒度的煤炭和铁矿石 物料进行卸船作业时,仍然以桥式抓斗卸船机为主 要装卸装备。 桥式抓斗卸船机并没有被连续卸船机所取代或 完全成为连续卸船机完成清舱等工作的辅助设备, 而是在与连续卸船机的竞争中得以存在与发展,一 方面依赖于其具有的优势适应当前的发展;另一方 面得益近些年来桥式抓斗卸船机自身的技术进步。 2抓斗卸船机卸船作业 2.1作业进程分解 整个卸船任务进程分为3个阶段:作业准备阶 段、卸船阶段和清舱阶段。 整个卸船任务的总耗时丁 T 一T +T,+Tc, 式中:丁 为作业准备阶段耗时;丁j为卸船阶段耗时; 71 为清舱阶段耗时。 卸船阶段耗时为; Ti—T +T。l+T +T +T , 式中:丁 为卸船工作循环耗时;T。 为卸船作业线切 换耗时;T 为卸船作业舱切换耗时;T 为故障维护 耗时;丁 为流程等待耗时。 一般情况下,卸船阶段丁_在总任务耗时71 中往 往占有9O 以上的比例。因此,提高码头卸船任务效 率的主要目标就是提高卸船阶段的工作效率。而在 此阶段,正常工作循环时段是卸船机处于工作状态 的时间,其它时段都可视为辅助卸船时段。因而,在 同等作业载荷的条件下,尽量减少卸船阶段各步骤 的耗时,是提升卸船机工作性能的关键因素。 2.2卸船工作循环流程 抓斗卸船机的卸船工作循环主要有以下几个步 骤:小车带动抓斗运动到舱口上方;抓斗下降至料堆 上;抓斗闭合抓取物料;抓斗起升到安全高度;小车 带动抓斗运动到料斗上方;抓斗开启卸料。 3传统抓斗卸船工艺 目前,国内外的抓斗卸船机具有2种作业控制 方式:手动方式和半自动方式。 3.1手动卸船模式 手动方式下,大车和小车移动、抓斗升降、开闭 斗等动作完全由司机操作。因完全取决于司机的熟 练程度,卸船效率普遍较低。 3.2半自动卸船模式 在半自动方式下,小车移动和部分抓斗升降、开 闭动作由控制系统程序自动完成,可以部分消除手 动操作引起的抓斗摇摆和卸料不准等问题,一定程 度上降低了人为因素的影响,提高卸船动作的一致 性,作业效率有所提升。 3.3传统半自动卸船模式的技术瓶颈 目前,半自动卸船方式主要有2个技术瓶颈: (1)需要司机预先设定好船舱的内外侧位置,半 自动作业的前提是假设这个位置在相当长的时间内 是固定不变的。而在实际情况下,由于船舱内物料的 变化以及涨潮和落潮的影响,船身会产生倾斜或上 浮。这时采用半自动方式卸船就存在撞船的危险。 (2)由于舱内散货物料分布不规则,为了尽量达 到满斗抓料,避免空抓、少抓以及埋斗等现象,司机 在启动自动循环时,需要手动设定下一个循环船舱 上方的返回点。 目前这种半自动控制方式仅限于单个循环内的 有限自动化,多个循环之间的连接依靠司机的手动 调整,司机需要经过一段时间的训练才能掌握半自 动控制和手动调整的协调操作。以上2个技术瓶颈 在一定程度上了半自动方式的应用与普及。 4全自动卸船工艺 抓斗卸船机平均作业效率还在很大程度上受司 机的操作水平、舱内物料的状况、物料的特性、辅助 作业设备的性能、气象等因素的影响。为有效地提高 桥式抓斗卸船机的作业效率,除了提高机构速度,缩 短作业循环中各有关过程的作业时间外,还有必要 使作业循环中相邻过程交叉重叠地相互衔接。这就 286 理工大学学报(自然科学版) 第ll卷 对司机和设备维护人员提出了更高的要求,为最大 限度地减少人为因素对作业效率的不利影响,自动 (3)选择“全自动”模式时,可以运行“全自动”、 “半自动”、“手动”模式。 操作系统应运而生[3 在集装箱桥式起重机方面,全自动化控制技术 为了保证系统安全,“全自动”和“半自动”运行 均以司机踩住“自动运行”踏板为条件。司机可以根 已发展多年,目前已经有一些全自动的岸边集装箱 起重机投入运行[5卅]。通过在桥式抓斗卸船机上增 据实际情况随时松开踏板,卸船机机械动作将立即 中断。待司机对设备进行手动操作结束后,踩下踏板 即可使系统恢复自动卸船作业。在没有司机干预的 加传感元件,来实现部分自动化的系统也有报道,但 尚未彻底替代司机的手动操作_8]。 为了弥补手动和半自动卸船方式的不足,受岸 边集装箱起重机全自动系统的启发,课题组创新性 地提出了一套卸船机全自动化解决方案。在现有手 动和半自动卸船功能的基础上,增加轮廓检测装置 进行船舱位置和物料分布的实时自动检测,完全取 代了作业过程中的各种司机手动设置和操作,实现 整舱的连续自动卸船。 4.1全自动卸船方案 在全自动化方式下,司机只需要把卸船机移动 到作业船舱的范围内,启动轮廓检测系统对船舱进 行扫描,计算出舱口的位置、高度及舱内物料的分布 情况,并以图形方式显示在司机室监控屏幕上。司机 根据物料的分布选择合适的卸船策略,系统自动产 生优化的卸船动作路径。 经司机确认后,自动开始卸船作业。在自动卸船 作业过程中,扫描设备对作业区域进行实时扫描并 更新舱口位置、高度以及舱内物料分布,据物料的实 际分布自动计算返程点的位置,并更新运行参数。卸 船作业开始后,便无须任何司机手动操作。 4.2系统运行模式 为了提供最大的工作可靠性和灵活性,本系统 提供3种运行模式:手动、半自动和全自动。通过司 机室操作台的模式选择旋钮选取。各模式自下而上 提供模式兼容: (1)选择“手动”模式时,所有机械动作均由司机 操控。 (2)选择“半自动”模式时,可以运行“半自动”和 “手动”模式。“半自动”模式运行的先决条件,是司机 在监控软件中先手动设定船舱位置、高度、舱口尺寸 等参数。如果抓斗起升到设定的安全高度后,当司机 踩下“自动运行”踏板时,系统将自动控制小车返回 料斗上方、抓斗开启卸料、小车返回上一取料点位 置。抓斗悬停于取料点上方,待司机松开“自动运 行”踏板后控制抓斗下降抓料、起升。 情况下,系统将自动进行卸船作业直至整舱卸船作 业结束。 4.3全自动作业流程 “全自动”与“半自动”模式的主要区别在于,船 舱的各项参数以及作业过程机械运行参数均由系统 自动计算,所有机械动作自动实现。实现“全自动”模 式的关键部件,是面向下安装在司机室前方的一个 轮廓扫描装置PSS(profile scanning system),实现 了船舱位置检测、物料分布检测功能。该装置由激光 测距传感器和正交的2个由伺服电机驱动的反射镜 组成,可以实现远距离目标高速二维连续测距扫描, 根据激光发射角度和距离可以得到目标的三维坐 标。系统测距范围为5~5O m,测距精度在±20 mm, 边缘识别精度为±10 iTlm。 “全自动”卸船作业的工作步骤,如图1所示。 值得~提的是,由于船舱卸料进入尾声时,物料 深度较浅,抓斗经常难以满斗抓取,系统会自动降低 抓斗起升和下降的速度。通常在此阶段,司机便手动 操纵抓斗到某返程点抓料,待抓斗起升后踩下踏板 “半自动”运行卸料。 4・4自动卸船策略优化 根据物料的种类和分布,卸船机司机可以选择 不用的卸船策略。不同的卸船策略代表着根据不同 卸船需求的卸船路径选取模式,各个卸船策略均符 合自动化系统的安全规则,即卸船到料堆达到一定 安全高度时停止自动卸船,转为人工操作进行清仓 作业 。 4.4.1 定点卸船 司机根据物料分布的图形显示,在显示屏上指 定抓取位置,系统自动控制大车、小车运动到指定点 进行抓取。这种方式需要司机每次选取取料点,因此 效率较低,此策略类似于司机的传统目测人工作业 模式。 此策略常用于卸船尾声大量物料分布在舱壁部 位时,或者不适于用其他卸船策略的场合。 第3期 王 建,等:新型全自动抓斗卸船系统 287 、L 手动操作 抓取一斗 PSS自检阶段 鏖鏖  工踩下踏板  手动操作抓斗 起升至安全高度 —_『一 系统自动移动 小车至料斗上7 系统自动 计算返程点 船舱扫描阶段 系统自动 开启抓斗放料 启动船舱扫描 系统自动移动 小车到返程点 司机可随时松开踏板,中 断机械动作:改为手动操 纵。再次踩下踏板,便可 继续全自动运行。 系统计算船舱 参数及返程点 系统自动下降 抓斗抓料 系统自动 起升抓斗 图l全自动卸船工作循环流程 Fig.1 Flow chart of{ull—automatic unloading process 4.4.2平衡卸船 5卸船工艺对比分析 表1从作业效率、作业质量等方面对3种卸船工 当船舱内物料密度较大时,如果卸船时料堆重 心大幅偏移船体纵轴线,将会使船体侧倾度增大,严 重时可能造成倾覆事故。因此在卸船过程中,应尽可 能保持舱内料堆重心位于船体纵轴线附近,有利于 保持船身平衡,防止船身倾覆。 此策略常用于舱内物料较多但分布不均匀的情 艺作出综合对比。可以得出以下结论: 手动作业方式,机器作业效率和作业安全性完 全取决于司机的熟练程度和个人状态,不适于长时 间的高效作业,且作业质量难以保证。 况,系统自动计算保持船身平衡的返程点,省却了定 点卸船策略下司机的反复交互。 4.4.3连续卸船 普通的半自动作业方式,司机的部分人工操作 可被程序代替,但仍需司机经常重新设定作业参数, 依然需要司机凭经验保证作业质量与安全性。装备 的作业能力没有得到充分的发挥。 本系统设计的全自动作业方式下,在卸船作业 根据PSS检测到的物料分布,按照优化的抓取 路径进行卸船,系统自动步进返程点在抓斗作业线 上连续进行卸料。此策略适用于舱内物料较多且堆 面较平整的场合。 初始时需要司机确认检测系统的参数设定结果,其 后便不需要司机有任何干预动作,此方式可以最大 288 理工大学学报(自然科学版) 第l1卷 表1各种卸船工艺的综合对比 Tab。1 Comparision among grab unloading modes 限度地发挥装备的作业能力,保证了作业质量与稳 料后返回料斗上方放料结束为止,所耗费时间为一 定,通过取代人工操纵而将司机的劳动强度降到最 个卸船工作循环的卸船作业净时)。参考常规人工卸 低。3种卸船策略的自由选择进一步地提升了装卸 船的作业净时制定一个工作循环有效性的判别准 效率与作业质量,尽可能地减少了人工交互环节。此 则,将有效的卸船作业次数和净时进行统计计算出 方式也提供了和手动、半自动方式的实时切换,司机 平均单次工作循环耗时。在总测试期间(4小时连续 可以通过控制踏板来随时切换到另两种方式,这样 作业)内进行统计,计算出每小时有效工作循环数。 的模式兼容设计进一步保证了作业安全,提升了系 以各次抓料的平均载荷、每小时有效工作循环数,综 统的可靠性和灵活性。 合各无效操作时间、辅助时间以及物料比重等工艺 条件,最终计算出卸船机的额定生产率作为综合作 6系统性能评估 业能力的衡量依据。在此基础上,通过计算自动卸船 额定生产率相对提升率和自动卸船实际生产率综合 全自动的抓斗卸船机在世界上尚属首创, 提升率两项指标来定量评估自动作业模式下的系统 献查阅,未发现较为成熟的同类装备测试方法和现 性能改进程度。 行标准。综合考虑了现场的实际工况、传统人工卸船 流程以及同类设备作业能力评估方法,本文提出了 6.2测试方法 一套可用于各种抓斗卸船作业方式的能力评估 2008年1月7日至1月18日,在课题组成员配 方法。 合下,武汉港口机械质量监督检验测试中心专家组 6.1 原理 在上海港罗泾港区二期矿石码头进行了综合测试。 测试对象是设计能力为2100 t/h的全自动抓斗卸船 在符合规定条件的工况(天气、潮汐、风速等) 机。分别对熟练司机的人工作业和全自动作业方式 下,多次读秒记录卸船作业净时(卸船作业时,抓斗 进行了反复测试。 从料斗上方放料结束后开始向船舱上方运动,到取 卸船机上共配备测试人员3人配合完成测试表 第3期 王 建,等:新型全自动抓斗卸船系统 289 单的记录: (1)1人监视卸船机运行状态是否符合测试记 录条件,并观测抓斗运行动作,报告有效性状态; (2)1人观测并报告控制室监控软件上的抓斗 单次抓取载荷数; (3)1人记录当次工作循环载荷数、工作循环 净时秒数、辅助时间秒数、有效性。 6.3结果分析 由文献[1O]的性能测试结果可以看出,全自动 作业模式下: (1)抓斗的空抓和埋斗现象基本消除,因而平均 起重量明显提高; (2)作业中取料返程点由系统自动计算,不需人 工判断调整,加上小车、抓斗等设备运行动作的优 化,作业流程中的辅助时间大幅减少; (3)在机器运行速度方面,全自动作业系统已经 赶超了熟练司机的操作速度,并可以非常稳定的速 度长时间运行。司机仅需监视系统运行状态即可,劳 动强度大大减轻。 综合以上结果,卸船机的综合作业效率得到了 大幅提升;在机械控制方面完全可以取代司机的手 动操纵。 7 结 语 从2007年2月开始,该全自动抓斗卸船机在上 海港罗泾港区二期矿石码头投入了空载调试、重载 测试,顺利完成了测试要求。2007年3月26日,该码 头接卸了第一艘货轮。在作业效率方面,该自动卸船 机相比其它几台同型号的人工作业卸船机,具有明 显的提升,同时作业质量也大幅提高,显著减少了停 机维护、清舱推铲等作业辅助时间。迄今为止,该全 自动抓斗卸船机已运行1年时间,系统运行情况 良好。 课题组首创研发的世界首台全自动抓斗卸船 机,工艺技术水平处于世界领先地位,填补了国内散 货装备全自动控制领域的技术空白。通过以全自动 抓斗卸船机为代表的港口典型物流散货装卸装备的 研发,在上海将形成物流散货装卸装备与技术的应 用开发平台,为建设国内第一个全自动散货码头的 示范基地奠定了坚实基础。 致谢 在本文撰写过程中,上海国际港务(集 团)股份有限公司工程技术部江霞工程师对技术方 案阐述提出了许多宝贵意见;在系统现场测试阶段, 上海罗泾矿石码头有限公司梅新润副总经理、朱建 龙工程师给予了大力的支持和配合,在此一并表示 由衷的感谢! 参考文献: [1] ALZINGER E,BR0ZOVIc V.Automation and con— trol system for grab cranes[J].Brown Boveri Re view,l983,70(9-1O):351—356. 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