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作者：趙斌 周穎達 聞佳華、
摘 要：針對傳統岸邊貨櫃起重機後大梁傾轉液壓缸控制電子防扭的弊端，介紹了新型岸邊貨櫃起重機小車架絲杆電子防扭技術，包括如何識別吊具當前狀態，絲杆電機、滑輪臺車的運作方式、防扭控制模型的解算以及最終在自動化岸邊貨櫃起重機的自動裝卸過程中所起到的作用。
0 引言
伴隨著3E 大型貨櫃船的廣泛應用，越來越多的碼頭也選擇作業高度較高的大型貨櫃起重機。然而隨著作業高度的增加，控制懸掛在4 根柔性鋼絲繩下吊具的位置和狀態也變得更加困難。吊具前後方向的晃動，可以由經驗豐富的司機控制小車進行穩定，但對於吊具順逆時針的旋轉扭動，司機卻無可奈何。尤其對於現在遠程及自動化碼頭，岸邊貨櫃起重機（以下簡稱岸橋）裝卸的過程大多是自動運行，因此吊具及貨櫃的姿態對自動化流程運作極其重要。
岸橋吊具電子防扭技術被起重機製造商廣泛重視。傳統的電子防扭是通過控制4 只連接吊具鋼絲繩的傾轉液壓缸的伸縮，跟隨吊具旋轉並且吸收吊具旋轉動能。但是由於液壓缸的動態速度較慢以及液壓缸的施力要經過很長的纏繞鋼絲繩才能抵達吊具的原因，其中很大一部分液壓缸伸縮的施力由於鋼絲繩自身的彈性被消耗，能夠抵達並作用在吊具防扭作用上的力，僅是一小部分，如圖1 所示。對於一些自動化碼頭所採用的分離式上架則無法使用後大梁傾轉液壓缸來實現吊具的左右旋轉控制。
通過安裝在小車架平臺上的絲杆電機推動滑輪臺車結構，控制懸掛吊具的滑輪組的位置變化，跟隨吊具的旋轉吸收吊具旋轉動能，使得吊具實現快速回穩的技術方案（下文簡稱「方案」）既能在最短的鋼絲繩距離直接將防扭控制施加的力作用於吊具上，同時也可以使用在自動化碼頭常用的分離式上架的吊具防扭控制。
圖 1 傳統後大梁傾轉液壓缸的電子防扭
1 吊具旋轉信號識別
在實現吊具旋轉扭動控制之前，首先需要識別當前吊具扭動的狀態。在吊具上安裝一塊反射板，反射板具有田字形的黑白兩種顏色，並且採用貓眼無源反射材料。同時在小車架上安裝照射方向豎直向下的攝像頭，並且在小車架上開一個孔，使得反射板可以顯示在攝像頭畫面的中心區域，如圖2 所示。
通過調節攝像頭的曝光度和視角角度，可以從攝像頭中識別出反射板的具體信息，如圖3 所示。
圖 2 攝像頭與吊具反射板位置
圖 3 攝像頭畫面中的吊具反射板
通過軟體可以解析出表示吊具實時狀態反射板的狀態信息，包括橫向x 偏移，縱向y 偏移，z 軸旋轉量α 等。當吊具有來回的旋轉扭動時，可從軟體上讀取吊具扭動時z 軸旋轉量α 和時間關係的信號波形，如圖4 所示，從中可以看出當吊具位於小車架下方進行來回的旋轉扭動時，扭動狀態呈規律的正弦波。
圖 4 吊具左右扭動的信號波形
2 絲杆電機與滑輪臺車
傳統岸橋吊具是通過鋼絲繩與小車架上方的固定滑輪組纏繞連接。方案則是採用一對可以前後移動的滑輪臺車懸掛滑輪組。滑輪臺車的前後移動是由一對絲杆電機控制。絲杆電機旋轉帶動絲杆前後移動，同時帶動滑輪臺車前後移動。滑輪臺車移動速度最高可達50 mm/s。而傳統傾轉液壓缸的線速度小於20 mm/s，絲杆電機控制滑輪臺車的響應速度。並且滑輪臺車的移動直接作用在吊具上方的鋼絲繩，對吊具的旋轉扭動控制非常的明顯和直接，簡化結構的滑輪臺車與吊具繩索關係如圖5 所示。
圖 5 簡化結構的滑輪臺車與吊具繩索關係示意圖
當絲槓電機收到PLC 給定的方向及速度控制指令之後，產生向前推動或向後拉拽滑輪臺車的水平線性運動，滑輪臺車帶動懸掛吊具的滑輪組水平線性移動。由於兩個滑輪臺車向相反方向運動，使懸掛在滑輪臺車下方的吊具發生旋轉扭動，如圖6 所示。
圖 6 簡化結構的滑輪臺車與吊具繩索關係示意圖
3 防扭模型的解算
吊具扭動的模型為鐘擺模型，所以可以得到扭動頻率與鋼絲繩擺長的關係為
圖 7 有效擺長關係圖
圖 8 絲杆電機推動滑輪臺車
當受到海風等外界影響時，吊具發生旋轉和扭動，此時位於小車架上的攝像頭識別出吊具的旋轉角度狀態，並將這些吊具旋轉狀態信號通過網絡送入Simotion運動控制器。當Simotion 運動控制得到PLC 對防扭控制的允許命令信號時，將這些攝像頭送入的吊具旋轉扭動信號進行解算，生成絲杆電機的控制信號，包括速度給定及方向等，並控制驅動機給絲杆電機進行輸出。小車架上2 臺絲杆電機推動各自對應的滑輪臺車前後線性移動。滑輪臺車的運送與吊具旋轉方向相同，使得懸掛在下方的吊具相對上方的滑輪臺車保持靜止，吊具的旋轉動量被吸收。吊具逐漸回到平穩狀態。相比於如圖4所示的長時間的正弦波，圖9 所示的波形具有顯著的收斂性，防扭效果非常明顯。
圖 9 在防扭作用下信號波形
4 自動化岸橋的應用
在自動化岸橋運用中，當主小車在海側裝卸貨櫃時，海風的幹擾往往會將吊具吹偏並帶有一定旋轉角度。在沒有電子防扭的情況下，這樣的偏轉角度使司機不得不反覆嘗試糾正吊具角度，浪費較多時間，導致裝卸效率降低。通過應用小車架的絲杆防扭技術，系統識別出當前吊具旋轉扭動的角度及姿態，通過絲杆電機的輸出，帶動小車架滑輪臺車的運動，糾正吊具旋轉的姿態，保證岸橋吊具與船舶上的貨櫃方向始終保持一致，從而使司機能夠不需要做額外調節就可以簡單將貨櫃快速地裝卸如圖10 所示。
圖10 自動化岸橋在海側抓放箱
當自動化岸橋從海側抓起一個貨櫃之後，進入到自動化流程。此時小車會自動帶著貨櫃運行到中轉平臺上方。由於小車運行過程中會受到海風等其他元素的幹擾，吊具產生一些旋轉扭動的偏移。通過應用小車架絲杆防扭技術可使小車在運行過程中調整吊具的姿態，使吊具始終保持平行於中轉平臺的角度，使小車抵達中轉平臺上方之後，能夠準確且快速地下降吊具位置，將貨櫃穩定地放置進主動平臺中，如圖11 所示。
圖11 自動化岸橋在中轉平臺上抓放貨櫃
5 結論
港口的自動化程度直接決定了碼頭的生產力。對於直接抓放貨櫃的吊具功能控制優化對於岸橋起重機的設計十分重要。伴隨著遠程自動化碼頭的發展，港口裝卸流程越來越趨於自動化，對吊具及貨櫃的穩定控制能力是必不可少的。基於岸橋小車架絲杆的電子防扭技術相比於傳統後大梁傾轉液壓缸的電子防扭技術具有多方面的優勢。在碼頭的海風及其他的外界幹擾下，依舊能保持穩定的吊具及貨櫃的姿態，可以實現更準確及高效的自動著箱，對碼頭的高效運作及安全生產有著積極重要的作用。