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1、摘 要集装箱码头装卸工艺是指在集装箱从卸船到离港与从进港到装船的搬运过程中采用的工艺流程、装卸搬运机械类型及其相互配合作业的方式。为适应集装箱吞吐量快速增长的需要和集装箱船舶大型化的趋势，进一步缩短船舶停泊时间，降低码头、船东及货主的单箱成本，国内外港口在装卸船作业系统、水平运输作业系统和堆场作业系统方面积累了丰富经验。但是作为自动化码头，上述3个系统之间是相互关联的，每一部分的运行都影响着其他部分的正常工作，单个环节效率的提高对码头工作效率提高的影响并不显著。因此，本设计提出在集装箱装卸上采用双小车装卸集装箱，在水平运输上用智能化小车来代替集装箱卡车运输集装箱，在堆场作业上采用优化管理方法进
2、行自动分流，从而对三个部分效率的提高都有促进作用，全面实现码头自动化作业。同时，本设计针对起重机提出了基于超级电容的控制系统，既可以减少废弃的排放，又能够储存集装箱下放过程中产生的位能，供起重机起吊重物时使用，进一步实现了自动化码头的高效节能。本设计集装箱自动化码头智能化堆场进行了自动化码头的规划设计，对集装箱自动化码头物流系统进行了规划设计。在与常规码头进行比较分析的基础上，提出了一种新的集装箱装卸工艺方案，系统由岸桥、自动导引小车和自动堆跺起重机组成，并规划了码头平面布局，指出其系统特点和作业流程，分析了自动化码头AGV调度原理和调度规则，研究了码头内交通规则和车辆冲突解决办法，设计了AG
3、V的逻辑控制，对集装箱自动化码头的设计原则和评价标准进行了深入地分析与探讨。本设计针对当今自动化码头存在的作业效率和稳定性不够理想的状况，就大幅提高自动化码头作业系统的效率、工作可靠性和营运经济性的技术路线，介绍国内自主研发的全轨道式新型集装箱自动化码头的装卸工艺方案。探讨了适用于集装箱自动化码头应用的相关技术，包括AGV的定位导航、车载控制、管理以及通信系统等。探讨的工作将为自主研究AGV及其管理控制软件提供帮助。关键词:集装箱码头;装卸工艺系统;AGV;超级电容ABSTRACTContainer Terminal Handling Technology refers to the depa
4、rture and unloading containers from inbound to the shipment from the removal process used in the process, and material handling machinery types and their interaction with the operating mode. To meet the needs of rapid growth in container throughput of Large Container Ships and the trend to further r
5、educe the vessel berthing time, reduce the terminal, the owner and the owner of the single-box costs, domestic and foreign ports in handling vessels operating system, the level of transport operating system and stack Field operating system has accumulated rich experience. But as the automated termin
6、al, the three systems are interrelated, each affecting the operation of all other parts of the normal work of a single part to improve the efficiency of the work efficiency of the terminal effect is not significant. Therefore, the program proposed in the container handling trolley loading and unload
7、ing containers on a double in the level of transportation use the smart car to replace the container trucks, shipping containers, in the yard working on the optimization of management methods used to automatically divert to the efficiency of the three parts increase has stimulated the full realizati
8、on of terminal automation. At the same time, the program proposed for the crane control system based on super-capacitor can not only reduce waste emissions, but also be able to store containers generated in the process of decentralization of potential energy for the crane used when lifting heavy obj
9、ects, and further automated terminal energy efficient .The design of automatic container terminal in the intelligent reading of the literature and to the port container yard based on research carried out planning and designing automated terminal, container terminal logistics automation system was pl
10、anning. In comparison with conventional terminals based on the analysis, a new container handling technology programs, the system by the quay crane, automatic guided vehicles and automatic heap Duo crane composition and layout plan of the terminal that the system characteristics and processes, analy
11、zes the principle of automatic terminal AGV dispatching and scheduling rules, of the terminal and vehicle traffic conflict resolution, designed the AGV control logic, automated container terminal on the design principles and evaluation standards for in-depth analysis and discussion .The design of th
12、e development of foreign container terminal automation and main technical features of the existing terminal automation for todays operational efficiency and stability of less than ideal conditions, the substantial increase in the efficiency of automated terminal operating system, operational reliabi
13、lity and operating economy of technical line, introducing the whole track the domestic self-developed new type Container Terminal Automation Handling Technology. Of automated container terminals applicable to the application of relevant technologies, including the AGV navigation system, vehicle cont
14、rol, management and communication systems. Work will be independent of its management of AGV control software to help.Keywords: container terminal; handling technology system; AGV; super-capacitors目 录摘要.ABSTRACT.1 绪 论.(1)2 基于超级电容的节能设计与装卸作业系统2.1 基于超级电容的节能设计.(3) 2.1.1 设计概述.(3) 2.1.2 系统工作原理.(4) 2.1.3 电
15、路设计.(6)2.2 双小车装卸作业系统.(7)3 集装箱装卸工艺系统优化设计3.1工艺系统概述.(9)3.2 装卸工艺研究.(9)3.3 研究对象.(9) 3.3.1 装卸工艺的基本内容.(10)3.3.2 装卸工艺过程的分析.(10)3.4 目前典型的集装箱码头装卸工艺系统(10)3.4.1 装卸桥-轮胎式龙门起重机的工艺流程.(11)3.4.2 装卸桥-轮胎式龙门起重机工艺设计的主要优点.(11)3.4.3 装卸桥-轮胎式龙门起重机工艺设计的主要缺点.(11)3.4.4 装卸桥-轮胎式龙门起重机工艺设计使用的码头.(11)3.5 上海港集装箱码头装卸工艺系统分析.(12)3.5.1 工艺
16、流程.(12)3.5.2 机械配备情况分析 .(12)3.5.3 牵引车挂车.(13)3.5.4 空箱堆高车.(13)3.5.5 正面吊.(14)3.5.6 堆场情况分析.(14)3.5.7 堆场利用率.(15)3.6 上海港集装箱装卸工艺系统的革新.(16)3.6.1 传统工艺系统.(17)3.6.2 新智能化装卸工艺系统.(18)3.6.3 装卸工艺革新后的效率比较.(21)本章小结.(22)4 新型集装箱自动化码头装卸工艺设计4.1 新型集装箱自动化装卸工艺技术设计.(23)4.1.1 码头装卸船作业.(23)4.1.2 集装箱水平运输.(24)4.1.3 垂直布置的集装箱堆场.(24)
17、4.2 新型集装箱自动化装卸工艺流程.(25)4.3 新型集装箱自动化装卸工艺的主要特点.(25)4.4 新型集装箱自动化装卸工艺设计的计算机仿真模拟.(26)本章小结.(27)5 自动导引水平运输系统5.1 自动导引小车的定位.(28)5.2 自动导引小车的水平运输.(29)5.3 自动化集装箱码头中的AGV技术.(30)5.3.1 AGV技术介绍.(30)5.3.2 基于AGV的集装箱水平自动化运输过程及相关技术探讨.(30)本章小结.(33)6 堆场作业6.1堆存优化分析.(34)6.2堆场装卸机械作业调度优化分析.(35)6.3堆场管理系统优化分析.(36)6.4 PLC控制系统的实现
18、.(37)7 总结与展望.(38)谢辞.(41)参考文献.(42)附录A工程图.(43)附录B英文翻译原文部分.(46)附录C英文翻译译文部分.(50)摘 要集装箱码头装卸工艺是指在集装箱从卸船到离港与从进港到装船的搬运过程中采用的工艺流程、装卸搬运机械类型及其相互配合作业的方式。为适应集装箱吞吐量快速增长的需要和集装箱船舶大型化的趋势，进一步缩短船舶停泊时间，降低码头、船东及货主的单箱成本，国内外港口在装卸船作业系统、水平运输作业系统和堆场作业系统方面积累了丰富经验。但是作为自动化码头，上述3个系统之间是相互关联的，每一部分的运行都影响着其他部分的正常工作，单个环节效率的提高对码头工作效率提
19、高的影响并不显著。因此，本设计提出在集装箱装卸上采用双小车装卸集装箱，在水平运输上用智能化小车来代替集装箱卡车运输集装箱，在堆场作业上采用优化管理方法进行自动分流，从而对三个部分效率的提高都有促进作用，全面实现码头自动化作业。同时，本设计针对起重机提出了基于超级电容的控制系统，既可以减少废弃的排放，又能够储存集装箱下放过程中产生的位能，供起重机起吊重物时使用，进一步实现了自动化码头的高效节能。本设计集装箱自动化码头智能化堆场进行了自动化码头的规划设计，对集装箱自动化码头物流系统进行了规划设计。在与常规码头进行比较分析的基础上，提出了一种新的集装箱装卸工艺方案，系统由岸桥、自动导引小车和自动堆跺
20、起重机组成，并规划了码头平面布局，指出其系统特点和作业流程，分析了自动化码头AGV调度原理和调度规则，研究了码头内交通规则和车辆冲突解决办法，设计了AGV的逻辑控制，对集装箱自动化码头的设计原则和评价标准进行了深入地分析与探讨。本设计针对当今自动化码头存在的作业效率和稳定性不够理想的状况，就大幅提高自动化码头作业系统的效率、工作可靠性和营运经济性的技术路线，介绍国内自主研发的全轨道式新型集装箱自动化码头的装卸工艺方案。探讨了适用于集装箱自动化码头应用的相关技术，包括AGV的定位导航、车载控制、管理以及通信系统等。探讨的工作将为自主研究AGV及其管理控制软件提供帮助。关键词:集装箱码头;装卸工艺
21、系统;AGV;超级电容ABSTRACTContainer Terminal Handling Technology refers to the departure and unloading containers from inbound to the shipment from the removal process used in the process, and material handling machinery types and their interaction with the operating mode. To meet the needs of rapid growth
22、 in container throughput of Large Container Ships and the trend to further reduce the vessel berthing time, reduce the terminal, the owner and the owner of the single-box costs, domestic and foreign ports in handling vessels operating system, the level of transport operating system and stack Field o
23、perating system has accumulated rich experience. But as the automated terminal, the three systems are interrelated, each affecting the operation of all other parts of the normal work of a single part to improve the efficiency of the work efficiency of the terminal effect is not significant. Therefor
24、e, the program proposed in the container handling trolley loading and unloading containers on a double in the level of transportation use the smart car to replace the container trucks, shipping containers, in the yard working on the optimization of management methods used to automatically divert to
25、the efficiency of the three parts increase has stimulated the full realization of terminal automation. At the same time, the program proposed for the crane control system based on super-capacitor can not only reduce waste emissions, but also be able to store containers generated in the process of de
26、centralization of potential energy for the crane used when lifting heavy objects, and further automated terminal energy efficient .The design of automatic container terminal in the intelligent reading of the literature and to the port container yard based on research carried out planning and designi
27、ng automated terminal, container terminal logistics automation system was planning. In comparison with conventional terminals based on the analysis, a new container handling technology programs, the system by the quay crane, automatic guided vehicles and automatic heap Duo crane composition and layo
28、ut plan of the terminal that the system characteristics and processes, analyzes the principle of automatic terminal AGV dispatching and scheduling rules, of the terminal and vehicle traffic conflict resolution, designed the AGV control logic, automated container terminal on the design principles and
29、 evaluation standards for in-depth analysis and discussion .The design of the development of foreign container terminal automation and main technical features of the existing terminal automation for todays operational efficiency and stability of less than ideal conditions, the substantial increase i
30、n the efficiency of automated terminal operating system, operational reliability and operating economy of technical line, introducing the whole track the domestic self-developed new type Container Terminal Automation Handling Technology. Of automated container terminals applicable to the application
31、 of relevant technologies, including the AGV navigation system, vehicle control, management and communication systems. Work will be independent of its management of AGV control software to help.Keywords: container terminal; handling technology system; AGV; super-capacitors1 绪论1.1 设计概述众所周知，集装箱运输在世界贸易
32、中起着举中轻重的作用，集装箱运输的快速发展正在改变世界港口、船舶、航道和装卸工艺的传统格局，为促进全球经济一体化提供了重要条件。而全球经济一体化步代的加快也促进了集装箱运输船舶的大型化，对集装箱码头装卸系统也提出了相庆的要求。集装箱码头是海陆联运的枢纽。集装臬码头装卸工艺是指在集装箱从卸船到离港与从进港到装船的搬运过程中采用的工艺流程、装卸搬运机械类型及其相互配合作业的方式。集装箱码头相对于一般杂货最突出的优点是作业的高效性，而装卸工艺是码头高效作业的保证。集装臬装卸工艺的选择要根据码头具体情况而定，但一般来说集装自卸船时会通过装卸起重机将船上的集装箱吊起，然后卸到码头，再参赛过集装箱卡车将卸
33、下来的集装箱水平运输到堆场，在堆场内按照货物的种类、重量和要求进堆放。集装箱装船的过程与卸船相反。由此可见，集装箱码头装卸工艺系统是由装卸船作业、水平动输作业和堆场作业3部分组成的。图1.1是传统集装箱装卸系统的工作流程图。图1.1 传统集箱装卸系统的工作流程图现在大多数码头的装卸作业仍以传统的劳动密集型作业为主，整个装卸作业主要以人工操作为主，自动化程度低。从轮船装卸集装箱的起重机是单小车单吊具的集装箱起重机，需要司机操作控制装卸作业，吊具来回的空车时间较多，严重景响着装卸效率。集装箱卡车在码头和堆场之间的水平动输往往对操作人员的要求较高，集装箱卡车返回时的空车对能源利用效率的影响较大。在集
34、装箱卡车进入堆场时，需要调度员对卡车进行调度，合理分流集装箱进行堆放，工作效率不高，越来越不适应大型集装箱轮船的装卸。此外，集装箱码头装卸系统中的主要能耗大户起重机通常是用柴油发电机供电的，在起吊集装箱的过程中由于负载较大，发电机常常处于过负荷状态。这将使得柴油发电机排气管冒黑烟，不公污染环境，而且严重影响发电机的使用寿命。另一方面，在下放集装箱的过程中有一定的重力势能，这部分势能直接转化成电能回馈给电网，这将引起变频器直流母线产生泵升电压，因此，通常采用电阻箱吸收这部能量，使其以热能的形式散发掉，但这样不利于能源的高效利用。为适应集装箱吞吐量快速增长的需要和集装箱船舶大型化的趋势，进一步缩短
35、船舶停泊时间，降低码头、船东及货主的单箱成本，国内外一些港口都在装卸工艺方面进行了探索，在装卸船作业系统、水平运输作业系统和堆场作业系统方面积累了丰富的经验。但是作为自动化码头，上述3个系统之间是相互关联的，每一部分的运行都影响其他部分的正常工作，单个环节效率的提高对码头工作效率提高的影响并不显著。因此，本设计提出在集装箱装卸上采用双小车装卸集装箱，在水平运输上用智能化小车来代替集装箱卡车运输集装箱，在堆场作业上采用优化管理方法进行自动分流，从而对3个部分效率的增高都有促进作用，全面实现码头自动化作业。同时，本设计针对起重机提出了基于超级电容的控制系统，既可以减少废气的排放，又能够储存集装箱在
36、下放过程中产生的位能，供起重机起吊物进使用，进一步实现了自动化码头的高效节能。图1.2为采用本设计的集装箱自动化码头装卸系统的工作流程图。图1.2 自动化码头装卸系统的工作流程图1.2 本次设计的目的和意义在全球经济一体化的现代社会，各国之间的贸易活动越来越多，相应的集装箱运输业也越来越发达，因此，码头自动化装卸系统的研究对促进社会经济发展有着重大意义。在经济方面考虑，大型集装箱轮船的诞生可以减少运输成本，增加运输的安全性，适应跨国公司的大运输量。自动化码头的投入可以解放大量的劳动力，并极大地提高工作效率和能源使用效率。虽然自动化码头的先期投入成本较大，但从长远利益考虑，利大于弊。从社会发展方
37、面考虑，自动化码头的研究需要各方面专业人员共同参与，从而可以培养和锻炼这方面专业人才。我国港口产业处于世界领先地位，自动化码头的成功研制有利于增强我国制造业的科技实力，增强我国的综合国力。从科技发展方面考虑，自动化码头的研究需要各方面专业人员共同参与，从而可以培养和锻炼这方面的专业人士。我国港口产业处于世界领先地位，自动化码头的成功研制有利于增强我国制造业的科技实力，增强我国的综合国力。2 基于超级电容的节能设计与装卸作业系统2.1基于超级电容的节能设计2.1.1 设计概述超级电容是一种能蓄和瞬时充放电的特殊电容，它之所以有巨大的电容量，是由于超级电容是以将电荷分开的方式储存能量的。储存电荷的
38、面积越大，电荷被隔离的距离越小，电容量越大。超级电容采用多孔碳基电极材料来储存电荷，这种材料的多孔结构使它每克重量的表面积可达2000。而超级电容中电荷分隔的距离是由电解质中离子的大小决定的，其值小于10（1= m）。巨大的表面积加上电荷之间非常小的距离，使得超级电容有很大的电容量。一个超级电容的电容量，可以从1F至几千法。本系统正是利用超级电容快速充放电的特性来节能的，当下放重物时，电动机工作在反向转动状态下，因此电动机作为发电机运行，可通过回馈制动的方式将电能回馈到超级电容中。在直流母线端设计超级电容，把集装箱下放过程中的势能收集起来，在下一次提升集装箱的过程中补充柴油发电机的供电，减少其
39、负荷。这样既可以回收集装箱的势能，又可以解决柴油发电机冒黑烟的问题，从而达到节能环保的目的。传统堆场起重机和采用超级电容的起重机的工作流程对比如图2.1所示。（a）传统堆场起重机工作流程(b)采用超级电容的起重机工作流程图2.1起重机工作流程对比图 在三相电动机工作过程中，当转差率s0时，电动机工作在提升重物阶段，此时转子转速略小于同步转速；当下放重物时，由于位能负载作用，转子转速高于同步转速，负载转矩为负，异步电动机由轴上输入机械功率。回馈制动时，异步电动机的机械特性工作在第四象限，当电动机的制动转矩与负载位能转矩平衡时，电动机立即稳定运行。异步电动机通过电磁感应由定子向超级电容输送电功率，
40、处于发电状态。本系统设计中考虑到，由于一般单个超级电容的耐压为1.8V，为了达到680700V的耐压，可将450个超级电容串联起来形成一个具有一定耐压的大电容。系统将此电容同主回路连接在一起，通过两个IGBT和续流二极管的并联，形成相反方向的一对降压斩波电路和升压斩波电路。在重物下降过程中，电动机作为发电机运行的回馈制动状态必然使直流母线上蝗电压升高，当该电压升高到一定值时，通过电压互感器检测，触发降压斩波电路中的IGBT，再由降压电路将电能回送到并联的IGBT中。在提升重物时，若直流母线电压过低，则通过电压互感器将超级电容中储存的电能释放出来，然后通过升压电路提供给直流母线，与发电机产生的电
41、能一起用来提升重物。这样在起重机起升电机的直流母线端通过升、降压斩波电路就实现了超级电容的充放电。2.1.2 系统工作原理图2.2为采用超级电容的系统工作原理，超级电容通过双向双重DC/DC变换器与变频器的直流母线相连，由单片机控制，产生PWM信号，驱动双向双重DC/DC变换器，实现大电流快速充放电。针对充电与放电的特性不同，母线电压和电容电压也是时变参数，可采用不同的优化控制策略。图2.2采用超级电容的系统工作原理图双向双重DC/DC变换器的作用是将超级电容的充、放电电路合二为一进行储能和释能控制。图2.3所示为非隔离型Buck-boost双向双重DC/DC变换器，可作为超级电容的储能变换装
42、置。每套电路采用一个电感实现双向变换中的储能，减少了占装置主要重量的电感的重量，该DC/DC变换器为双向双重结构，由VT1、VD1、VT2、VD2及L1构成一套双向变换电路，其中由VT1控制降压变换，VT2控制升压变换；由VT3、VD3、VT4、VD4及L2构成另一套双向变换电路，其中由VT3控制降压变换；VT4控制升压变换。两套电路采用双重化工作模式并联运行。功率开关器件IGBT均采用RCD缓冲电路。当降压工作时，在VT1、VD1、VT2、VD2及L1构成的双向变换电路中，VT2截止，VT1以PWM方式工作，变换器处于降压工作状态。此时，直流母线的电能通过VT1对超级电容充电，因此，处于降压
43、工作状态的变换器等效于降压变换器，相应的电压变换关系为： （式2-1）式中：为直流母线电压，为超级电容端电压，为VT1信号的占空比。当升压工作时，在上述电路中，VT1截止，VT2以PWM方式工作，变换器处于升压工作状态。此时，超级电容的电能通过VD2对直流母线放电，释放能量。因此，处于升压工作状态的变换器等效于升压变换器，相应的电压变换关系为： = （式2-2）式中：为直流母线电压，为超级电容端电压，为VT2的升压比（=1-）。图2.3为双向双重DC/DC变换器工作原理图。图2.4和图2.5所示分别为单片机控制回路的组成和单片机控制系统的结构。图2.3 双向双重DC/DC变换器工作原理图图2.
44、4单片机控制回路的组成图2.5 单片机控制系统的结构2.1.3 电路设计如图2.6所示，一个IGBT和一个续流二极管配合使用，再加上旁路阻容吸收设备，这样就构成了升压或降压斩波电路的一个开关。阻容吸收的作用是这样的：当相应的IGBT关闭时，续流二极管工作，电源将不可避免地与二极管形成通路，系统设计了阻容吸收设备后，电容就可以与续流二极管形成回路。在所设计的电路中有两组这样的开关，分别起到了升压和降压的作用。图2.6 IGBT及其续流二极管现在来分析一组开关的开关过程。现将一组中的两个IGBT分别标为T1-1和T1-2，则另外一组为T2-1与T2-2，如2.6所示。当下放重物时，电动机反转，并且回馈制动，此时IN端输入电能。当电流经过直线母线时，直流母线上产生了较高的电压，可能达到600V左右。位于直流母线上的电压互感器TA1-1检测到该电压后，控制器产生脉冲信号，控制T1-1工作。这时T1-2处于常通状态。当T1-1开通进，负载端电压为直流母线上的电压U，而T1-1关断时，负载端电压为零（此为降压斩波过程），此时能在集装箱下降时持续地
