船形扫描控制器的制作方法

本实用新型涉及码头集装箱吊具控制，更具体地说，涉及一种船形扫描控制器。

背景技术：

目前码头上使用的船形扫描系统，采用的是单点激光器配工控机的方案，把激光器安装在桥吊或自动化轨道吊上的小车架上，通过小车架移动，测量下方堆场的集装箱的轮廓，防止吊具等碰撞到集装箱。

这样的方法比较简陋，特别是自动化码头的兴起，无司机操作轨道吊的盛行，上述方式已经不能完全满足使用需要。所以，对船形扫描系统的要求更高，一旦发生碰撞，轻则损坏集装货物，重则伤害集卡司机的健康。

目前，码头运营商对应用到自动化码头上的堆场集装箱轮廓扫描系统提出更加严格的要求，需要满足IEC61508的安全等级的要求，安装等级达到TUV SIL2。

由于是特殊的要求和特殊的设计，目前本领域中还没有这类符合条件的控制器。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述问题，本实用新型的目的是提供一种船形扫描控制器。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种船形扫描控制器，设置于起重机小车上，包括距离传感器、刹车控制器、吊具控制器、安全控制器。距离传感器设置于起重机小车的车架上，刹车控制器连接并控制起重机小车的启停，吊具控制器连接并控制起重机吊具的启停。距离传感器、刹车控制器和吊具控制器均连接至安全控制器，安全控制器包括网络接口，网络接口连接距离传感器，且安全控制器根据距离传感器的数据控制小车及其刹车控制器和吊具控制器。

进一步地，距离传感器为激光器，且起重机小车上至少设置3个激光器。

进一步地，激光器分别设置于起重机小车的前进、平移和垂直方向上。

进一步地，安全控制器还包括BYPASS接口，BYPASS接口与起重机连接，用以判断起重机是否处于自动操作模式。

进一步地，安全控制器判断起重机处于自动操作模式时，根据距离传感器的数据判断是否会发生碰撞，根据判断结果控制小车的运行轨迹。

进一步地，安全控制器判断起重机处于手动操作模式时，根据距离传感器的数据判断是否会发生碰撞，根据判断结果控制刹车控制器和吊具控制器。

进一步地，自动操作模式下，安全控制器控制小车的前进、平移和升降。

进一步地，手动操作模式下，安全控制器控制刹车控制器和/或吊具控制器紧急停止，并且发出报警提醒。

在上述技术方案中，本实用新型的船形扫描控制器能够适用于不同的起重机操作模式，并且具有更好的安全性能。

附图说明

图1是本实用新型的船形扫描控制器的结构示意图；

图2是本实用新型系统的功能框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本实用新型的技术方案。

本实用新型公开一种船形扫描控制器，设置于起重机小车上，起重机在运行时吊具将集装箱吊起，然后向目标位置运行，在行进过程中可能会发生和未被起吊的集装箱堆发生碰撞。为了实现保护功能，本实用新型设计一种位置感知保护系统，在起重机的起吊运行过程中实时地观测被起吊的集装箱的轨迹，以及没有被起吊的集装箱的位置，并将这些信息进行必要的比较。在判断出可能发生碰撞事故前，停止驱动电机的运行，这样就可以实现上述的保护功能。

参照图1，本实用新型的船形扫描控制器主要包括：安全控制器1、距离传感器2、刹车控制器3、吊具控制器4。距离传感器2设置于起重机小车的车架上，刹车控制器3连接并控制起重机小车的启停，吊具控制器4连接并控制起重机吊具的启停。距离传感器2、刹车控制器3和吊具控制器4均连接至安全控制器1，安全控制器1包括网络接口，网络接口连接距离传感器2，且安全控制器1根据距离传感器2的数据控制小车及其刹车控制器3和吊具控制器4。

具体来说，本实用新型的安全控制器1IEC 61508标准的SIL2。采用1oo2D的架构，其包括以下的主要接口：

2个工业以太网口12，用于连接激光器获取数据。

1个小车使能接口13，用于驱动大车方向的紧停。

1个吊具使能接口11，用于驱动吊具方向的紧停。

2个RS485接口，用于与控制器PLC进行通讯控制。

3个激光器AOS接口，连接3台激光器的I/O口进行测试。

1个BYPASS接口，用于判断是否自动操作模式的I/O口。

1个电源供电接口，提供24VDC，2A。

作为本实用新型的一种实施方式，距离传感器2可以为激光器，且起重机小车上至少设置3个激光器，分别设置于起重机小车的前进、平移和垂直方向上，在这3个方向上具有探测障碍物及其保护能力。当被起吊的集装箱的运行前方有障碍物，且与障碍物的距离小于可能引起碰撞的危险距离时，距离传感器2可以及时停止其危险运动。

参照图2，作为本实用新型的一种可选实施例，安全控制器1中的CPU(21,21’)可以选择TI公司的TMS320C6655CZH型号。内部设有Watch Dog，在TMS320C6655型号的控制器中，如果当程序跑飞后，不能再规定的时间内设置DSP中的Watchdog timer寄存器，Watchdog将重新启动DSP。此功能防止系统执行的程序死循环等错误。在重新启动DSP时，系统报警进入安全状态。CPU(21,21’)首先连接网口(24,24’)，网口(24,24’)依次连接数据变换接口(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’)，可以实现主芯片与DDR3间的1333MTS的数据交换。控制器每个DPS采用3片MT41K256M16HA-125IT的DDR3芯片。2片用于存储和交换数据，1片连接到ECC控制器(27,27’)上，实现ECC实时检测功能。当RAM中的数据发生错误，通过ECC检测发生中断，让DSP控制程序处理内存错误的问题。在ECC检测中断发生时，让系统进入安全状态。

上述安全控制器1选择S29GL256P11TFIV1作为保存执行的程序的ROM。元器件和DSP控制器接口本身没有安全纠错机制，需要在系统软件开发中增加CRC数据校验功能，对所有安全数据进行定时校验，从而保证数据的安全性。如果发生CRC软件校验错误，系统进入安全状态。

整个安全控制器1中，CPU是一个主要的发热源，是整个系统的运行稳定最为热敏感的区域。在CPU的旁边，安装一个IIC接口的稳定传感器实时检测整个控制器的工作环境温度。当温度异常时，快超出规定的工作环境温度，报警并让系统处于安全状态。

安全控制器1需要与PLC交换系统数据，采用RS485接口36。控制器中每一个DSP提供一个RS485接口(25,25’)，接入一个RS485网络。所以，DSP1与DSP2同时接收网络的数据，通过CPU的SRIO通讯，进行数据的CRC校验和比对。保证数据的可靠性。

安全控制器1的以太网接口处于系统安全回来的数据采集端，把采集到的激光数据安全送到处理器进行评估。所以，两个CPU同时引出100Mbs的以太网接口，成形网络接口的冗余设计。同时，分配不同的MAC和IP。通过网关组网，当3个激光器可以把采集的数据通过统一的网络，在很短的时间分别发给2个DSP。然后其中的CPU2(21’)把接收到的数据通过2个CPU之间的SRIO总线发给主控CPU1(21)，进行激光器数据的比对。判断是否存在通讯干扰等错误。保证激光器采集的数据在传输过程中的数据安全性。

小车运行使能接口用于控制整个系统安全继电器回路。当断开时，系统中安全继电器会断开，桥吊或自动化轨道吊的小车立刻停止运动，系统处于安全状态下。所以，输出接口39采用2个强制型继电器(35,35’)串行连接，每个继电器2副触点，1路长开，1路长闭。2个继电器的长开触点串联一起作为小车使能回路，可以连接24VDC和220VAC电压控整个系统的安全继电器关断。每个继电器绕组回路分别被CPU1(21)和CPU2(21’)所控制。如果其中任意CPU检测到异常，都可以立刻关其所控制的断继电器，使系统处于安全状态下。

强制型继电器常闭回路是对继电器状态的检测回路。CPU其中一个I/O控制光隔，产生0.5Hz的方波信号(占空比位50％的PWM波)，通过继电器的长闭回路，CPU另一个I/O检测这个方波信号，用来判断继电器回路的关断状态。同时2个冗余的CPU通过SRIO通讯的方式，相互检查对方继电器开闭状态确定性。保证继电器打开或关闭的安全性。

在非控制器程序控制状态下，需要把小车使能处于闭合的安装状态。如控制器在系统或则掉电的情况。保证小车使能I/O处于安全状态，即CPU用于控制继电器的I/O管脚处于下拉状态，控制继电器的I/O管脚在启动或在失点的状态始终是“低”电平。整个回路处于安全状态。

继续参照图1，本实用新型的安全控制器1还包括BYPASS接口14，BYPASS接口14与起重机的操作模式模块5连接，用以判断起重机是否处于自动操作模式。通过BYPASS接口14，安全控制器1可以适用于2种不同的小车运行模式。

安全控制器1判断起重机处于自动操作模式时，根据距离传感器2的数据判断是否会发生碰撞，根据判断结果控制小车的运行轨迹。此时，安全控制器1控制小车的前进、平移和升降。

安全控制器1判断起重机处于手动操作模式时，根据距离传感器2的数据判断是否会发生碰撞，根据判断结果控制刹车控制器3和吊具控制器4。此时，安全控制器1控制刹车控制器3和/或吊具控制器4紧急停止，并且发出报警提醒。

如图2所示，BYPASS接口(34,34’)是安全功能部分，为了满足控制器输入的冗余结构，24VDC的输入信号经过过压保护分别输入到CPU1(21)和CPU2(21’)中。AOS输出接口是用来检测激光器的输出信号，频率0.5HZ。50％占空比的方波信号。为非安全接口。为了满足控制器同时驱动3台激光器，采用三极管集电极直接驱动方式，增加驱动电流。激光器AOS功能是在接收到控制器的测试信号后，按照上图的方式输出2个测试结果信号，一个为报警错误，一个是错误信号，控制器检测I/O的错误信号为0.5Hz的方波，即可证明激光传感器正常工作。

本实用新型的安全控制器1采用24VDC供电，需要多级电源要求，首先，24VDC进行隔离设计，提高EMC的防护等级。把24VDC变成5VDC，实现一级电压转变。其次，在5VDC的基础上，实现二级电压转变。变成控制器中的CPU所需要的电压。

本实用新型船形扫描控制器的主电源由外部24VDC隔离提供，转换为内部所需要的若干电压：24V，5V，3.3V，2.5V，1.8V，1.5V，1.0V，0.95V，并由可编程电源管理芯片进行上电时序以及电压检测控制。通过24VDC转5VDC后，分为2路独立的供电系统(32,32’)，分别给2路并行的系统供电。当电源管理芯片检测到了供电系统的不稳定超出预定值的5％，电源管理芯片将自动发出RST信号，同时，会把ALARM信号发送给另外DSP系统。让整个系统处于安全状态。

本实用新型安全控制器本身的诊断功能如下描述：

1.内部看门狗；

2.环境温度超出允许范围

3.电压超出了允许范围

4.采用双CPU构架，CPU之间进行交叉诊断

5.ROM/FLASH/EEPROM以及RAM采用软件技术进行诊断

6.对执行继电器的输出触点进行诊断

7.对激光器的工作状态，及数据进行诊断

8.对输入的旁路信号进行诊断

本实用新型的安全控制器在整个运行过程中，发生错误或系统判断存在错误的情况会进入安全状态：小车运行使能和吊具运行使能断开。场景如下描述：

1.控制器在系统启动，控制器运行在安全状态；

2.控制器掉电，控制器运性在安全状态；

3.控制器电压波动过大，控制器运行在安全状态；

4.控制器程序跑飞，控制器运行在安全状态；

5.控制器通讯数据不正确，控制器运行在安全状态；

6.控制器检测到碰撞将要发生，控制器运行在安全状态；

7.控制器检测到输入异常，控制器运行在安全状态；

8.控制器冗余结构中，一路失效，控制器运行在安全状态；

9.控制器检测到继电器问题，控制器运行在安全状态；

10.控制器软启动状态，控制器运行在安全状态；

11.控制器检测到温度异常，控制器运行在安全状态；

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本实用新型，而并非用作为对本实用新型的限定，只要在本实用新型的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本实用新型的权利要求书范围内。