船形掃描控制器的製作方法

2023-07-12 18:57:11

本實用新型涉及碼頭貨櫃吊具控制，更具體地說，涉及一種船形掃描控制器。

背景技術：

目前碼頭上使用的船形掃描系統，採用的是單點雷射器配工控機的方案，把雷射器安裝在橋吊或自動化軌道吊上的小車架上，通過小車架移動，測量下方堆場的貨櫃的輪廓，防止吊具等碰撞到貨櫃。

這樣的方法比較簡陋，特別是自動化碼頭的興起，無司機操作軌道吊的盛行，上述方式已經不能完全滿足使用需要。所以，對船形掃描系統的要求更高，一旦發生碰撞，輕則損壞集裝貨物，重則傷害集卡司機的健康。

目前，碼頭運營商對應用到自動化碼頭上的堆場貨櫃輪廓掃描系統提出更加嚴格的要求，需要滿足IEC61508的安全等級的要求，安裝等級達到TUV SIL2。

由於是特殊的要求和特殊的設計，目前本領域中還沒有這類符合條件的控制器。

技術實現要素：

針對現有技術中存在的上述問題，本實用新型的目的是提供一種船形掃描控制器。

為實現上述目的，本實用新型採用如下技術方案：

一種船形掃描控制器，設置於起重機小車上，包括距離傳感器、剎車控制器、吊具控制器、安全控制器。距離傳感器設置於起重機小車的車架上，剎車控制器連接並控制起重機小車的啟停，吊具控制器連接並控制起重機吊具的啟停。距離傳感器、剎車控制器和吊具控制器均連接至安全控制器，安全控制器包括網絡接口，網絡接口連接距離傳感器，且安全控制器根據距離傳感器的數據控制小車及其剎車控制器和吊具控制器。

進一步地，距離傳感器為雷射器，且起重機小車上至少設置3個雷射器。

進一步地，雷射器分別設置於起重機小車的前進、平移和垂直方向上。

進一步地，安全控制器還包括BYPASS接口，BYPASS接口與起重機連接，用以判斷起重機是否處於自動操作模式。

進一步地，安全控制器判斷起重機處於自動操作模式時，根據距離傳感器的數據判斷是否會發生碰撞，根據判斷結果控制小車的運行軌跡。

進一步地，安全控制器判斷起重機處於手動操作模式時，根據距離傳感器的數據判斷是否會發生碰撞，根據判斷結果控制剎車控制器和吊具控制器。

進一步地，自動操作模式下，安全控制器控制小車的前進、平移和升降。

進一步地，手動操作模式下，安全控制器控制剎車控制器和/或吊具控制器緊急停止，並且發出報警提醒。

在上述技術方案中，本實用新型的船形掃描控制器能夠適用於不同的起重機操作模式，並且具有更好的安全性能。

附圖說明

圖1是本實用新型的船形掃描控制器的結構示意圖；

圖2是本實用新型系統的功能框圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例進一步說明本實用新型的技術方案。

本實用新型公開一種船形掃描控制器，設置於起重機小車上，起重機在運行時吊具將貨櫃吊起，然後向目標位置運行，在行進過程中可能會發生和未被起吊的貨櫃堆發生碰撞。為了實現保護功能，本實用新型設計一種位置感知保護系統，在起重機的起吊運行過程中實時地觀測被起吊的貨櫃的軌跡，以及沒有被起吊的貨櫃的位置，並將這些信息進行必要的比較。在判斷出可能發生碰撞事故前，停止驅動電機的運行，這樣就可以實現上述的保護功能。

參照圖1，本實用新型的船形掃描控制器主要包括：安全控制器1、距離傳感器2、剎車控制器3、吊具控制器4。距離傳感器2設置於起重機小車的車架上，剎車控制器3連接並控制起重機小車的啟停，吊具控制器4連接並控制起重機吊具的啟停。距離傳感器2、剎車控制器3和吊具控制器4均連接至安全控制器1，安全控制器1包括網絡接口，網絡接口連接距離傳感器2，且安全控制器1根據距離傳感器2的數據控制小車及其剎車控制器3和吊具控制器4。

具體來說，本實用新型的安全控制器1IEC 61508標準的SIL2。採用1oo2D的架構，其包括以下的主要接口：

2個工業乙太網口12，用於連接雷射器獲取數據。

1個小車使能接口13，用於驅動大車方向的緊停。

1個吊具使能接口11，用於驅動吊具方向的緊停。

2個RS485接口，用於與控制器PLC進行通訊控制。

3個雷射器AOS接口，連接3臺雷射器的I/O口進行測試。

1個BYPASS接口，用於判斷是否自動操作模式的I/O口。

1個電源供電接口，提供24VDC，2A。

作為本實用新型的一種實施方式，距離傳感器2可以為雷射器，且起重機小車上至少設置3個雷射器，分別設置於起重機小車的前進、平移和垂直方向上，在這3個方向上具有探測障礙物及其保護能力。當被起吊的貨櫃的運行前方有障礙物，且與障礙物的距離小於可能引起碰撞的危險距離時，距離傳感器2可以及時停止其危險運動。

參照圖2，作為本實用新型的一種可選實施例，安全控制器1中的CPU(21,21』)可以選擇TI公司的TMS320C6655CZH型號。內部設有Watch Dog，在TMS320C6655型號的控制器中，如果當程序跑飛後，不能再規定的時間內設置DSP中的Watchdog timer寄存器，Watchdog將重新啟動DSP。此功能防止系統執行的程序死循環等錯誤。在重新啟動DSP時，系統報警進入安全狀態。CPU(21,21』)首先連接網口(24,24』)，網口(24,24』)依次連接數據變換接口(23,23』)和ETH接口(22,22』)。

上述安全控制器1的DSP包含DDR3控制接口(26,26』)，可以實現主晶片與DDR3間的1333MTS的數據交換。控制器每個DPS採用3片MT41K256M16HA-125IT的DDR3晶片。2片用於存儲和交換數據，1片連接到ECC控制器(27,27』)上，實現ECC實時檢測功能。當RAM中的數據發生錯誤，通過ECC檢測發生中斷，讓DSP控制程序處理內存錯誤的問題。在ECC檢測中斷發生時，讓系統進入安全狀態。

上述安全控制器1選擇S29GL256P11TFIV1作為保存執行的程序的ROM。元器件和DSP控制器接口本身沒有安全糾錯機制，需要在系統軟體開發中增加CRC數據校驗功能，對所有安全數據進行定時校驗，從而保證數據的安全性。如果發生CRC軟體校驗錯誤，系統進入安全狀態。

整個安全控制器1中，CPU是一個主要的發熱源，是整個系統的運行穩定最為熱敏感的區域。在CPU的旁邊，安裝一個IIC接口的穩定傳感器實時檢測整個控制器的工作環境溫度。當溫度異常時，快超出規定的工作環境溫度，報警並讓系統處於安全狀態。

安全控制器1需要與PLC交換系統數據，採用RS485接口36。控制器中每一個DSP提供一個RS485接口(25,25』)，接入一個RS485網絡。所以，DSP1與DSP2同時接收網絡的數據，通過CPU的SRIO通訊，進行數據的CRC校驗和比對。保證數據的可靠性。

安全控制器1的乙太網接口處於系統安全回來的數據採集端，把採集到的雷射數據安全送到處理器進行評估。所以，兩個CPU同時引出100Mbs的乙太網接口，成形網絡接口的冗餘設計。同時，分配不同的MAC和IP。通過網關組網，當3個雷射器可以把採集的數據通過統一的網絡，在很短的時間分別發給2個DSP。然後其中的CPU2(21』)把接收到的數據通過2個CPU之間的SRIO總線發給主控CPU1(21)，進行雷射器數據的比對。判斷是否存在通訊幹擾等錯誤。保證雷射器採集的數據在傳輸過程中的數據安全性。

小車運行使能接口用於控制整個系統安全繼電器迴路。當斷開時，系統中安全繼電器會斷開，橋吊或自動化軌道吊的小車立刻停止運動，系統處於安全狀態下。所以，輸出接口39採用2個強制型繼電器(35,35』)串行連接，每個繼電器2副觸點，1路長開，1路長閉。2個繼電器的長開觸點串聯一起作為小車使能迴路，可以連接24VDC和220VAC電壓控整個系統的安全繼電器關斷。每個繼電器繞組迴路分別被CPU1(21)和CPU2(21』)所控制。如果其中任意CPU檢測到異常，都可以立刻關其所控制的斷繼電器，使系統處於安全狀態下。

強制型繼電器常閉迴路是對繼電器狀態的檢測迴路。CPU其中一個I/O控制光隔，產生0.5Hz的方波信號(佔空比位50％的PWM波)，通過繼電器的長閉迴路，CPU另一個I/O檢測這個方波信號，用來判斷繼電器迴路的關斷狀態。同時2個冗餘的CPU通過SRIO通訊的方式，相互檢查對方繼電器開閉狀態確定性。保證繼電器打開或關閉的安全性。

在非控制器程序控制狀態下，需要把小車使能處於閉合的安裝狀態。如控制器在系統或則掉電的情況。保證小車使能I/O處於安全狀態，即CPU用於控制繼電器的I/O管腳處於下拉狀態，控制繼電器的I/O管腳在啟動或在失點的狀態始終是「低」電平。整個迴路處於安全狀態。

繼續參照圖1，本實用新型的安全控制器1還包括BYPASS接口14，BYPASS接口14與起重機的操作模式模塊5連接，用以判斷起重機是否處於自動操作模式。通過BYPASS接口14，安全控制器1可以適用於2種不同的小車運行模式。

安全控制器1判斷起重機處於自動操作模式時，根據距離傳感器2的數據判斷是否會發生碰撞，根據判斷結果控制小車的運行軌跡。此時，安全控制器1控制小車的前進、平移和升降。

安全控制器1判斷起重機處於手動操作模式時，根據距離傳感器2的數據判斷是否會發生碰撞，根據判斷結果控制剎車控制器3和吊具控制器4。此時，安全控制器1控制剎車控制器3和/或吊具控制器4緊急停止，並且發出報警提醒。

如圖2所示，BYPASS接口(34,34』)是安全功能部分，為了滿足控制器輸入的冗餘結構，24VDC的輸入信號經過過壓保護分別輸入到CPU1(21)和CPU2(21』)中。AOS輸出接口是用來檢測雷射器的輸出信號，頻率0.5HZ。50％佔空比的方波信號。為非安全接口。為了滿足控制器同時驅動3臺雷射器，採用三極體集電極直接驅動方式，增加驅動電流。雷射器AOS功能是在接收到控制器的測試信號後，按照上圖的方式輸出2個測試結果信號，一個為報警錯誤，一個是錯誤信號，控制器檢測I/O的錯誤信號為0.5Hz的方波，即可證明雷射傳感器正常工作。

本實用新型的安全控制器1採用24VDC供電，需要多級電源要求，首先，24VDC進行隔離設計，提高EMC的防護等級。把24VDC變成5VDC，實現一級電壓轉變。其次，在5VDC的基礎上，實現二級電壓轉變。變成控制器中的CPU所需要的電壓。

本實用新型船形掃描控制器的主電源由外部24VDC隔離提供，轉換為內部所需要的若干電壓：24V，5V，3.3V，2.5V，1.8V，1.5V，1.0V，0.95V，並由可編程電源管理晶片進行上電時序以及電壓檢測控制。通過24VDC轉5VDC後，分為2路獨立的供電系統(32,32』)，分別給2路並行的系統供電。當電源管理晶片檢測到了供電系統的不穩定超出預定值的5％，電源管理晶片將自動發出RST信號，同時，會把ALARM信號發送給另外DSP系統。讓整個系統處於安全狀態。

本實用新型安全控制器本身的診斷功能如下描述：

1.內部看門狗；

2.環境溫度超出允許範圍

3.電壓超出了允許範圍

4.採用雙CPU構架，CPU之間進行交叉診斷

5.ROM/FLASH/EEPROM以及RAM採用軟體技術進行診斷

6.對執行繼電器的輸出觸點進行診斷

7.對雷射器的工作狀態，及數據進行診斷

8.對輸入的旁路信號進行診斷

本實用新型的安全控制器在整個運行過程中，發生錯誤或系統判斷存在錯誤的情況會進入安全狀態：小車運行使能和吊具運行使能斷開。場景如下描述：

1.控制器在系統啟動，控制器運行在安全狀態；

2.控制器掉電，控制器運性在安全狀態；

3.控制器電壓波動過大，控制器運行在安全狀態；

4.控制器程序跑飛，控制器運行在安全狀態；

5.控制器通訊數據不正確，控制器運行在安全狀態；

6.控制器檢測到碰撞將要發生，控制器運行在安全狀態；

7.控制器檢測到輸入異常，控制器運行在安全狀態；

8.控制器冗餘結構中，一路失效，控制器運行在安全狀態；

9.控制器檢測到繼電器問題，控制器運行在安全狀態；

10.控制器軟啟動狀態，控制器運行在安全狀態；

11.控制器檢測到溫度異常，控制器運行在安全狀態；

本技術領域中的普通技術人員應當認識到，以上的實施例僅是用來說明本實用新型，而並非用作為對本實用新型的限定，只要在本實用新型的實質精神範圍內，對以上所述實施例的變化、變型都將落在本實用新型的權利要求書範圍內。