桥式抓斗卸船机全区域防碰撞系统设计与应用

黄毅

（广州港股份有限公司新港港务分公司，广东广州 510730）

0 引言

广州港股份有限公司新港港务分公司西基码头是华南地区较大的煤炭专业化码头，年卸船量1300 万吨，装船量600 万吨。码头前沿2 个泊位，共有6 台桥式抓斗卸船机，卸船机通过大车行走机构相互移动配合，完成大船各舱口的平衡接卸任务。

1 研究对象及现状分析

以新港港务分公司西基码头12 号桥式抓斗卸船机（以下简称“SU12”）为例（图1），SU12 卸船机为上海振华重工制造的一台四卷筒差动补偿牵引小车式桥式抓斗卸船机，有效工作距离±200 m，用于接卸煤炭，设计额定卸料能力1250 t/h。卸船机的作业属于高空作业，作业时存在以下问题：

图1 12 号桥式抓斗卸船机

（1）受雨雾、夜间等低能见度作业条件的影响，司机操作时观测距离直线下降，同时，可观测范围下降明显，走机容易造成碰撞事故。

（2）卸船机行走大车时司机室内司机的视角范围约为160°，实际有效视角约120°，视觉盲区较大，司机看不到的地方只能根据工作经验操作卸船机，发生碰撞事故的概率较大。

（3）卸船机原有的防碰撞保护是靠安装于大车两侧的停止限位装置和前大梁两侧的拉绳限位装置来实现。存在的问题：①此限位的型号施迈赛TA064-12Y-2512-2，属于机械限位，其保护范围小，实际使用中可靠性差，容易发生误动作；②卸船机前接料板和驾驶室是碰撞的高发点，原防碰撞保护不能反馈，只能靠司机的经验进行操作，存在非常大的安全隐患。

2 卸船机全区域防碰撞系统的设计和实施

经以上现状分析及结合公司要求确保卸船机生产作业安全、提高作业效率，决定设计一套卸船机全区域防碰撞系统。该防碰撞系统通过雷达传感器对卸船机周围障碍物进行检测，在卸船机行走过程中，卸船机（前大梁、接料板、驾驶室、大车）距离前方障碍物小于3.00 m 时报警、且大车机构减速至额定速度的10%，距离1.00 m 时大车机构停车，避免卸船机与障碍物碰撞，保护卸船机和驾驶员。

2.1 方案设计

该防碰撞系统包括雷达传感器和可编程控制器。雷达传感器安装在卸船机碰撞高发点位置，通过可编程控制器的远程输入输出模块与卸船机的控制系统连接，在卸船机遇到障碍物时实现减速和停车，同时CMS 监控系统显示防碰撞故障和蜂鸣器报警。卸船机全区域防碰撞系统流程设计如图2 所示。

图2 卸船机全区域防碰撞系统控制流程

2.2 工作原理

雷达传感器将所探测到障碍物的位置通过数据处理转化为输出开关量信号输送给卸船机控制器（PLC），PLC 设有正常模式、限速模式和停止模式。当雷达传感器在减速区域内探测到障碍物时，PLC 采用减速模式，发送减速信号给PLC，PLC 给卸船机大车变频器发送减速信号，使卸船机大车速度快速降为额定速度的10%，同时卸船机监控系统（CMS）故障栏显示“大车限速故障”，司机室右联动台蜂鸣器报警，提醒司机注意移机安全。当雷达传感器在停止区域内探测到障碍物时，PLC 采用停止模式，发送停止信号给PLC，PLC 给卸船机大车变频器发送停止信号，使卸船机大车停车，同时CMS 故障栏显示“大车停止故障”，司机室右联动台警报蜂鸣器报警，提醒司机注意行车安全，并采取及时有效的措施避免发生碰撞。

2.3 方案实施

2.3.1 雷达传感器

雷达传感器选用选用美国邦纳QT50R-EU-AF2Q（图3），通过GAGE 传感器从内部天线发射清晰的高频无线电波束，其中一些能量被反射回接收天线具有灵敏度高、范围广、检测区域可调、不受恶劣环境因素影响等特点。信号处理电子设备基于retumn 信号的时间延迟确定传感器到物体的距离。传感器可配置为两个独立的感应区域。可以使用DIP 针对不同的距离对其进行重新配置，灵敏度可以使用传感器背面的DIP 开关进行调整。

图3 QT50R-EU-AF2Q雷达传感器

2.3.2 雷达传感器安装

根据现场情况分析，卸船机需要在4 个防撞点安装雷达传感器（图4）：①卸船机前大梁：前大梁碰撞范围广，需在大梁两侧各装4 个雷达传感器，用来检测卸船机与大船上障碍物间的距离；②驾驶室后侧：驾驶室后侧是卸船机驾驶员的盲区，需在驾驶室后侧下方安装1 个雷达传感器；③前接料：需在接料板左右末端各安装1 个雷达传感器，用来检测接料板大船上障碍物间的距离；④大车行走机构：为避免大车行走时与相邻卸船机或障碍物碰撞，需在大车左右两侧各安装1 个雷达传感器。

图4 雷达传感器安装位置

2.4 PLC 编程

2.4.1 CP-317 系统控制器

CP-317 是一种大容量的系统控制器，具有继电器逻辑和数字操作等通用的定序功能，以及诸如Yaskawa 独特的实时核心网络CP-215 传输和国际标准“以太网”等扩展通信功能。根据不同的功能模块组成，带有电源模块、CPU 模块、动作模块和各种I/O 通信模块。根据不同的应用，安装基座可以有各种布置，并且可以提供最佳的布置以满足需求。程序使用梯形程序或SFC 语言，并使用CP-717 编程。CP-717 有使用CP-215 传输并且可以快速连接的台式型、和使用RS232 界面的笔记本型，使用与维护简单。

2.4.2 CP-717 程序编写

系统方案确定后，对卸船机PLC 程序进行修改。卸船机PLC程序设有正常模式、限速模式和停止模式，正常模式不变，只需要修改限速模式和停止模式。由于卸船机大车行走分左右两个方向，因此分别设置大车向左和向右限速模式和停止模式时PLC逻辑控制程序，并更改大车行走PLC 逻辑控制程序。程序编写采用CP-717 应用软件，更改后大车行走减速控制程序见图5，大车行走停止控制程序见图6。

图5 大车行走减速控制程序

图6 大车行走停止控制程序

3 使用效果

卸船机全区域防碰撞系统安装完成后，调试过程中雷达信号始终非常稳定可靠。自2021 年10 月安装使用系统来，没有再发生卸船机与周围障碍物碰撞事故。系统工作状态良好，基本上没有出现误动作，满足安全可靠的要求，消除了卸船机与周围障碍物碰撞的安全隐患。