應(yīng)用名稱         海事大學(xué)散貨碼頭智能化改造解決方案 應(yīng)用背景         散貨碼頭一般依靠人工進(jìn)行裝卸貨，海事大學(xué)依托其強(qiáng)大的研發(fā)實(shí)力和在碼頭的實(shí)地調(diào)研結(jié)果，基于GE PLC和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)出適用于全天候的智能化碼頭改造方案。 客戶需求         散貨碼頭作為散貨貨物主要水運(yùn)裝卸基地，在我國物流行業(yè)中占有非常重要的地位。目前全國共有散貨碼頭1000余個(gè)，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)原煤、礦石等生產(chǎn)資料的需求也日益增大。于此同時(shí)散貨碼頭的傳統(tǒng)作業(yè)系統(tǒng)已經(jīng)制約了散貨碼頭的發(fā)展速度，主要表現(xiàn)在：         隨著船型的增大，由于長時(shí)間工作帶來的疲勞，判斷力下降等因素，使得有人操作機(jī)械無法滿足長時(shí)間工作的需要         我國職業(yè)教育培訓(xùn)的落后和散貨碼頭作業(yè)環(huán)境的惡劣，導(dǎo)致作業(yè)機(jī)械操縱所需的熟練司機(jī)和輔助人員也越來越少。         人為操作和監(jiān)控調(diào)度無法在根本上滿足大型作業(yè)機(jī)械對(duì)安全性的要求 解決方案         為了適應(yīng)散貨碼頭的快速發(fā)展，使用基于GE自動(dòng)化和嵌入式系統(tǒng)的散貨自動(dòng)化機(jī)械作業(yè)系統(tǒng)，傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)無法獲取船艙，物料的定位等，單純PLC系統(tǒng)只適合邏輯信號(hào)處理，不適合進(jìn)行高速運(yùn)算，所以，其自動(dòng)化程度低。而基于GE嵌入式系統(tǒng)的自動(dòng)化作業(yè)系統(tǒng)式在原來主控PLC的基礎(chǔ)上外掛獨(dú)立的嵌入式系統(tǒng)并通過串行總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，以用于高速運(yùn)算（例如圖像識(shí)別、算法分析等），并且配以激光雷達(dá)等先進(jìn)傳感器獲取更多信息進(jìn)行船艙，落料等的定位，并且可以在幾乎無人監(jiān)管的情況下對(duì)裝船機(jī)進(jìn)行防撞保護(hù)等，提高了自動(dòng)化程度及作業(yè)效率。 ?     為了提高自動(dòng)化程度和作業(yè)效率，我們必須在裝船機(jī)上安裝先進(jìn)的傳感器來進(jìn)行船艙位置，落料定位，船艙尺寸等的識(shí)別，并進(jìn)行防撞保護(hù)等，以便在無人監(jiān)管的情況下，為控制系統(tǒng)提供控制信息，同時(shí)在原來PLC的基礎(chǔ)上外掛獨(dú)立的嵌入式系統(tǒng)，用了處理傳感器送來的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行高速運(yùn)算，將識(shí)別的數(shù)據(jù)送入PLC來控制整機(jī)運(yùn)動(dòng)。所以整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)主要分為三部分：傳感器檢測(cè)系統(tǒng)，基于嵌入式系統(tǒng)的目標(biāo)物位檢測(cè)系統(tǒng)，PLC控制整機(jī)自動(dòng)化。其系統(tǒng)框圖如下。

傳感器檢測(cè)系統(tǒng)        在自動(dòng)化系統(tǒng)中，傳感器檢測(cè)系統(tǒng)起著非常重要的作用，他是前端數(shù)據(jù)采集的重要工具，也是自動(dòng)化控制的基礎(chǔ)，因此選擇適當(dāng)?shù)膫鞲衅鞣浅Ｖ匾?。在此系統(tǒng)中，根據(jù)散貨自動(dòng)化碼頭掃描距離大目標(biāo)情況復(fù)雜以及室外條件惡劣等因素，我們用的傳感器主要是SICK公司生產(chǎn)的LMS-511室外型雷達(dá)。這款雷達(dá)的紅外激光束對(duì)人體無害，同時(shí)由于是紅外光，屬于非可見光，不會(huì)在作業(yè)時(shí)對(duì)人員視覺產(chǎn)生干擾，此外，利用二次回波技術(shù)，在測(cè)量中能夠有效過濾粉塵、昆蟲等干擾物體，并能在大雨、起霧等惡劣天氣條件下使用。同時(shí)集成高速以太網(wǎng)通訊接口，適合高速的應(yīng)用。         此系統(tǒng)的安裝簡(jiǎn)圖如下，該運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)有兩個(gè)自由度，可實(shí)現(xiàn)掃描儀分別繞垂直相交兩軸轉(zhuǎn)動(dòng)，不僅可以是掃描儀可進(jìn)行空間三維掃描，也提高了選擇掃描區(qū)域的靈活性         將該裝置安裝于散貨裝船機(jī)的伸縮機(jī)構(gòu)上使其能夠移動(dòng)到船艙上方，對(duì)船艙和物料進(jìn)行檢測(cè)，裝于固定臂的前端是個(gè)比較適合位置。定義掃描儀掃描平面轉(zhuǎn)角0度位置，在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)使垂直轉(zhuǎn)軸與掃描儀的掃描平面共面且軸線穿過掃描儀光心，這樣以掃描儀光心為原點(diǎn)，掃描儀掃描平面與垂直轉(zhuǎn)軸構(gòu)成一個(gè)三維掃描系統(tǒng)。

基于GE自動(dòng)化嵌入式一體化系統(tǒng)的目標(biāo)與物位檢測(cè)系統(tǒng)

        在激光雷達(dá)完成船艙的掃描后，將數(shù)據(jù)傳送到嵌入式控制器中，通過相應(yīng)的算法，運(yùn)用嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別，通訊處理和三維重建。         從而完成對(duì)船艙位置，船艙尺寸，船傾，落料形狀及碰撞檢測(cè)等的識(shí)別工作。這里我們用的嵌入式系統(tǒng)是GE SBC嵌入式控制器（及其他VME總線模塊），GE SBC系統(tǒng)能夠直接與GE自身PLC系統(tǒng)通過背板的VME總線高速通訊。并且SBC系統(tǒng)具備很高的擴(kuò)展性，其背板的VME總線系統(tǒng)是一種開放式的工業(yè)總線，并有多家公司生產(chǎn)并制造與之兼容的模塊，如Profibus總線模塊等，也可以在統(tǒng)一VME總線上安裝多臺(tái)SBC嵌入式設(shè)備進(jìn)行更高速的并行運(yùn)算，并且SBC系統(tǒng)支持多種操作系統(tǒng)。 下面以船艙尺寸檢測(cè)為例說明嵌入式系統(tǒng)是如何完成數(shù)據(jù)處理的。

1）將安裝于固定臂上的檢測(cè)裝置旋轉(zhuǎn)至待檢測(cè)的船艙上方，使固定臂轉(zhuǎn)角滿足： W (W_s-W_h)/2<|L sin?θ d cos?θ |<W (W_s W_h)/2 2）根據(jù)固定臂架轉(zhuǎn)角確定旋轉(zhuǎn)裝置轉(zhuǎn)角使掃描儀（激光雷達(dá)）掃描平面與岸沿直線垂直，并進(jìn)行掃描。 3）取掃描數(shù)據(jù)，此時(shí)的掃描面為船艙橫截面，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，取船艙范圍內(nèi)的掃描數(shù)據(jù)點(diǎn)，具體可根據(jù)掃描點(diǎn)到船邊距離分別為|L sin?θ d cos?θ |-W和W_s W-|L sin?θ d cos?θ |來確定。 4）根據(jù)直線條提取算法提取掃描得到的船艙兩個(gè)立面上的掃描點(diǎn)構(gòu)成的直線，計(jì)算關(guān)心到兩立面的距離，兩個(gè)距離之和即為船艙寬度，與實(shí)際船寬進(jìn)行比較，如在誤差允許范圍內(nèi)，則可以確定掃描儀到船艙距離。 5）將掃描儀旋轉(zhuǎn)90度，利用步驟4）的方法測(cè)量船艙長度和掃描儀距船艙前后沿距離。

PLC 控制整機(jī)自動(dòng)化作業(yè)         在完成對(duì)船艙位置，船艙尺寸，船傾，落料形狀以及碰撞檢測(cè)等的識(shí)別工作后，通過通訊總線的方式，將識(shí)別數(shù)據(jù)送入主控PLC中，由PLC根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化作業(yè)。裝船自動(dòng)化主要是控制溜筒落料位置，停留時(shí)間及溜筒移動(dòng)軌跡。實(shí)現(xiàn)安全、高效、均衡裝載。下就分別闡述5000噸以下和5000噸以上不同類型船舶的作業(yè)控制方法。         5000噸以下的江輪，裝船都是從船尾開始到船頭結(jié)束，溜筒處于船寬中心線上，落料點(diǎn)是一個(gè)，成錐形鋪開，當(dāng)錐形底部邊緣達(dá)到船艙底部兩側(cè)邊沿或稍高一點(diǎn)時(shí)，認(rèn)為這一落料點(diǎn)的工作結(jié)束，溜筒移動(dòng)到下一落料點(diǎn)繼續(xù)工作，同理類推；當(dāng)?shù)谝粚恿鞒蹋◤拇驳酱^）結(jié)束后，在1、2之間的5作為第二層流程的第一個(gè)落料點(diǎn)再進(jìn)行裝船，根據(jù)中控給定的裝船總量以及皮帶運(yùn)行速度和單位時(shí)間落料的重量，大致計(jì)算出第二層流程每個(gè)落料點(diǎn)所需要進(jìn)行落料的數(shù)量，同理得6

        5000噸以上的江輪，裝船也是從船尾開始到船頭結(jié)束，落料點(diǎn)是以船寬中線分開，兩邊落料點(diǎn)均勻分布，先確定落料點(diǎn)1，進(jìn)行落料，當(dāng)落料平鋪下來達(dá)到船的底部一邊邊沿或高一點(diǎn)，說明這一落料點(diǎn)工作結(jié)束，進(jìn)行下一個(gè)落料點(diǎn)，同理類推，當(dāng)?shù)谝粚恿鞒探Y(jié)束后，在1,2,3,4之間13作為第二層流程的落料點(diǎn)進(jìn)行落料，根據(jù)中控給定裝船總量以及皮帶運(yùn)行速度和單位時(shí)間落料的重量，大致計(jì)算出第二層流程每個(gè)落料點(diǎn)所需落料的數(shù)量，同理得14.

       通過以上三個(gè)子系統(tǒng)的聯(lián)合工作即可完成整個(gè)散貨碼頭裝船機(jī)械的自動(dòng)化作業(yè)。

實(shí)驗(yàn)分析與成功案例        在裝船機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后，需要對(duì)裝船機(jī)的性能進(jìn)行一些實(shí)驗(yàn)，以保證裝船機(jī)工作的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)主要分為關(guān)鍵部件測(cè)試，即激光雷達(dá)實(shí)際測(cè)量實(shí)驗(yàn)和整機(jī)的實(shí)船重載實(shí)驗(yàn)。 1.實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)分析         在裝船機(jī)自動(dòng)化改造結(jié)束之后，進(jìn)行了一次模擬裝船實(shí)驗(yàn)，主要進(jìn)行激光雷達(dá)的性能測(cè)試。本次選取一條江船作為測(cè)試目標(biāo)，控制激光雷達(dá)在船艙上方不同的位置進(jìn)行船艙尺寸檢測(cè)。通過實(shí)驗(yàn)來測(cè)試激光雷達(dá)的性能。以下是測(cè)試結(jié)果記錄： 船型：長45米，寬10米 L:船艙長度測(cè)量值  W:船艙寬度測(cè)量值 X0，X1，Y0，Y1：激光雷達(dá)與船艙的相對(duì)位置

 在這5組數(shù)據(jù)中，測(cè)量的結(jié)果與真實(shí)的結(jié)果十分接近，并且滿足自動(dòng)化裝船作業(yè)的要求。

 上圖是識(shí)別出的圖像，圖中識(shí)別出的船艙，落料情況，及船傾角

小節(jié)：         GE自動(dòng)化嵌入式一體化系統(tǒng)完美得將傳統(tǒng)PLC邏輯控制和視覺系統(tǒng)高級(jí)算法有機(jī)得結(jié)合在一起，通過高速VME底板進(jìn)行高速數(shù)據(jù)交換，將模型算法與PLC邏輯程序進(jìn)行有效的整合以達(dá)到了非常好的控制效果，有力得解決了無人散貨碼頭機(jī)械裝卸貨的挑戰(zhàn)，奠定了國內(nèi)各類大中小型散貨碼頭自動(dòng)化改造的基石。