應用名稱         海事大學散貨碼頭智能化改造解決方案 應用背景         散貨碼頭一般依靠人工進行裝卸貨，海事大學依托其強大的研發實力和在碼頭的實地調研結果，基于GE PLC和嵌入式系統開發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裝卸基地，在我國物流行業中占有非常重要的地位。目前全國共有散貨碼頭1000余個，隨著我國經濟的發展，對原煤、礦石等生產資料的需求也日益增大。于此同時散貨碼頭的傳統作業系統已經制約了散貨碼頭的發展速度，主要表現在：         隨著船型的增大，由于長時間工作帶來的疲勞，判斷力下降等因素，使得有人操作機械無法滿足長時間工作的需要         我國職業教育培訓的落后和散貨碼頭作業環境的惡劣，導致作業機械操縱所需的熟練司機和輔助人員也越來越少。         人為操作和監控調度無法在根本上滿足大型作業機械對安全性的要求 解決方案         為了適應散貨碼頭的快速發展，使用基于GE自動化和嵌入式系統的散貨自動化機械作業系統，傳統的機械系統無法獲取船艙，物料的定位等，單純PLC系統只適合邏輯信號處理，不適合進行高速運算，所以，其自動化程度低。而基于GE嵌入式系統的自動化作業系統式在原來主控PLC的基礎上外掛獨立的嵌入式系統并通過串行總線進行數據交換，以用于高速運算（例如圖像識別、算法分析等），并且配以激光雷達等先進傳感器獲取更多信息進行船艙，落料等的定位，并且可以在幾乎無人監管的情況下對裝船機進行防撞保護等，提高了自動化程度及作業效率。 ?     為了提高自動化程度和作業效率，我們必須在裝船機上安裝先進的傳感器來進行船艙位置，落料定位，船艙尺寸等的識別，并進行防撞保護等，以便在無人監管的情況下，為控制系統提供控制信息，同時在原來PLC的基礎上外掛獨立的嵌入式系統，用了處理傳感器送來的數據，并進行高速運算，將識別的數據送入PLC來控制整機運動。所以整個自動控制系統主要分為三部分：傳感器檢測系統，基于嵌入式系統的目標物位檢測系統，PLC控制整機自動化。其系統框圖如下。

傳感器檢測系統        在自動化系統中，傳感器檢測系統起著非常重要的作用，他是前端數據采集的重要工具，也是自動化控制的基礎，因此選擇適當的傳感器非常重要。在此系統中，根據散貨自動化碼頭掃描距離大目標情況復雜以及室外條件惡劣等因素，我們用的傳感器主要是SICK公司生產的LMS-511室外型雷達。這款雷達的紅外激光束對人體無害，同時由于是紅外光，屬于非可見光，不會在作業時對人員視覺產生干擾，此外，利用二次回波技術，在測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。同時集成高速以太網通訊接口，適合高速的應用。         此系統的安裝簡圖如下，該運動系統有兩個自由度，可實現掃描儀分別繞垂直相交兩軸轉動，不僅可以是掃描儀可進行空間三維掃描，也提高了選擇掃描區域的靈活性         將該裝置安裝于散貨裝船機的伸縮機構上使其能夠移動到船艙上方，對船艙和物料進行檢測，裝于固定臂的前端是個比較適合位置。定義掃描儀掃描平面轉角0度位置，在機構設計時使垂直轉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，掃描儀掃描平面與垂直轉軸構成一個三維掃描系統。

基于GE自動化嵌入式一體化系統的目標與物位檢測系統

        在激光雷達完成船艙的掃描后，將數據傳送到嵌入式控制器中，通過相應的算法，運用嵌入式系統進行數據處理，對圖像進行識別，通訊處理和三維重建。         從而完成對船艙位置，船艙尺寸，船傾，落料形狀及碰撞檢測等的識別工作。這里我們用的嵌入式系統是GE SBC嵌入式控制器（及其他VME總線模塊），GE SBC系統能夠直接與GE自身PLC系統通過背板的VME總線高速通訊。并且SBC系統具備很高的擴展性，其背板的VME總線系統是一種開放式的工業總線，并有多家公司生產并制造與之兼容的模塊，如Profibus總線模塊等，也可以在統一VME總線上安裝多臺SBC嵌入式設備進行更高速的并行運算，并且SBC系統支持多種操作系統。 下面以船艙尺寸檢測為例說明嵌入式系統是如何完成數據處理的。

1）將安裝于固定臂上的檢測裝置旋轉至待檢測的船艙上方，使固定臂轉角滿足： W (W_s-W_h)/2<|L sin?θ d cos?θ |<W (W_s W_h)/2 2）根據固定臂架轉角確定旋轉裝置轉角使掃描儀（激光雷達）掃描平面與岸沿直線垂直，并進行掃描。 3）取掃描數據，此時的掃描面為船艙橫截面，對數據進行預處理，取船艙范圍內的掃描數據點，具體可根據掃描點到船邊距離分別為|L sin?θ d cos?θ |-W和W_s W-|L sin?θ d cos?θ |來確定。 4）根據直線條提取算法提取掃描得到的船艙兩個立面上的掃描點構成的直線，計算關心到兩立面的距離，兩個距離之和即為船艙寬度，與實際船寬進行比較，如在誤差允許范圍內，則可以確定掃描儀到船艙距離。 5）將掃描儀旋轉90度，利用步驟4）的方法測量船艙長度和掃描儀距船艙前后沿距離。

PLC 控制整機自動化作業         在完成對船艙位置，船艙尺寸，船傾，落料形狀以及碰撞檢測等的識別工作后，通過通訊總線的方式，將識別數據送入主控PLC中，由PLC根據數據進行自動化作業。裝船自動化主要是控制溜筒落料位置，停留時間及溜筒移動軌跡。實現安全、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控制方法。         5000噸以下的江輪，裝船都是從船尾開始到船頭結束，溜筒處于船寬中心線上，落料點是一個，成錐形鋪開，當錐形底部邊緣達到船艙底部兩側邊沿或稍高一點時，認為這一落料點的工作結束，溜筒移動到下一落料點繼續工作，同理類推；當第一層流程（從船尾到船頭）結束后，在1、2之間的5作為第二層流程的第一個落料點再進行裝船，根據中控給定的裝船總量以及皮帶運行速度和單位時間落料的重量，大致計算出第二層流程每個落料點所需要進行落料的數量，同理得6

        5000噸以上的江輪，裝船也是從船尾開始到船頭結束，落料點是以船寬中線分開，兩邊落料點均勻分布，先確定落料點1，進行落料，當落料平鋪下來達到船的底部一邊邊沿或高一點，說明這一落料點工作結束，進行下一個落料點，同理類推，當第一層流程結束后，在1,2,3,4之間13作為第二層流程的落料點進行落料，根據中控給定裝船總量以及皮帶運行速度和單位時間落料的重量，大致計算出第二層流程每個落料點所需落料的數量，同理得14.

       通過以上三個子系統的聯合工作即可完成整個散貨碼頭裝船機械的自動化作業。

實驗分析與成功案例        在裝船機自動化系統設計完成之后，需要對裝船機的性能進行一些實驗，以保證裝船機工作的穩定性。實驗主要分為關鍵部件測試，即激光雷達實際測量實驗和整機的實船重載實驗。 1.實際測量數據分析         在裝船機自動化改造結束之后，進行了一次模擬裝船實驗，主要進行激光雷達的性能測試。本次選取一條江船作為測試目標，控制激光雷達在船艙上方不同的位置進行船艙尺寸檢測。通過實驗來測試激光雷達的性能。以下是測試結果記錄： 船型：長45米，寬10米 L:船艙長度測量值  W:船艙寬度測量值 X0，X1，Y0，Y1：激光雷達與船艙的相對位置

 在這5組數據中，測量的結果與真實的結果十分接近，并且滿足自動化裝船作業的要求。

 上圖是識別出的圖像，圖中識別出的船艙，落料情況，及船傾角

小節：         GE自動化嵌入式一體化系統完美得將傳統PLC邏輯控制和視覺系統高級算法有機得結合在一起，通過高速VME底板進行高速數據交換，將模型算法與PLC邏輯程序進行有效的整合以達到了非常好的控制效果，有力得解決了無人散貨碼頭機械裝卸貨的挑戰，奠定了國內各類大中小型散貨碼頭自動化改造的基石。