RFID在自动化轨道吊上的应用_蔡国强.pdf

0引言妈湾智慧港是由招商局港口华南营运中心建设运营的自动化码头，堆场内的集装箱作业由全自动轨道吊（ARMG）完成。其中 24 台单悬臂轨道吊用来作业重箱，另外 2 台双悬臂轨道吊用来作业空箱。单悬臂轨道吊是指只有一侧是作业车道的轨道吊，该类型的轨道吊利用单侧双车道实现内集卡和外集卡作业；双悬臂轨道吊是指两侧均拥有作业车道的轨道吊，该类型的轨道吊利用双侧单车道分别实现内集卡和外集卡作业。在传统的堆场内作业中，当 TOS 下发作业任务后，由起重机驾驶员人工核对集卡车号并确认作业指令。由于妈湾智慧港堆场内集装箱作业是完全无人操作的，故准确地自动识别集卡车号成为必需的要求。解决方案是在 ARMG 上安装 RFID 天线，集卡车头设置无源 RFID 卡。电子标签读写器自动以非接触、远距离读取方式获得通过车辆的电子车牌信息，并将信息发送至 ARMG 的 PLC 和 TOS以便作业验证。1RFID 技术原理和系统架构1.1RFID 技术原理无 线 射 频 识 别 技 术（Radio FrequencyIdentification，RFID），是一种自动识别技术，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，利用无线射频方式对记录媒体（电子标签或射频卡）进行读写，从而达到识别目标和数据交换的目的。RFID 技术的基本工作原理：当标签进入读卡器读取范围后，接收读卡器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（无源标签或被动标签）；或由标签主动发送某一频率的信号（有源标签或主动标签），读卡器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。RFID 的特点是利用无线电波来传送、识别信息，不受空间限制，可快速地进行物品追踪和数据交换。1.1.1有源 RFID 标签有源 RFID 标签是内部自带有电池电源的标签，也称为主动式标签。它在进入读卡器有效区域时会主动发送标签信号，具有感应距离远、应用灵活的特点，但存在电池寿命有限且维护费用成本RFID 在自动化轨道吊上的应用蔡国强（赤湾集装箱码头有限公司，广东深圳518068）摘要：为实现全自动化轨道吊在装卸集装箱时能够自动识别装卸区域的集卡车号，采用无线射频识别技术来实现该功能。轨道吊的 RFID 系统由标签卡片、天线、阅读器和工控机等组成。安装在轨道吊横梁上的 RFID 读卡器通过天线和馈线读取装卸区域内的集卡标签信息，并将信息传至轨道吊电气房内的工控机进行识别和解码，再与轨道吊上的 PLC 系统实现信息交换验证后确认集卡作业指令，实现了轨道吊全自动化识别集卡车号作业的功能。RFID 全自动识别集卡车号技术在轨道吊上的应用，提高了集装箱码头集卡作业的准确性和效率。关键词：港口；自动化轨道吊；RFID 系统；集卡车号港口科技 智慧港口27较高等缺点。1.1.2无源 RFID 标签无源 RFID 标签自身不带电源，其能量来自读卡器传送过来的射频信号，其内部电路将该信号转变成直流电源为其提供能量。因此，无源RFID 卡的工作感应距离相对较短，其感应距离受到系统配置的传输频率的影响。妈湾远控轮胎吊使用的有源 RFID 标签已经有部分卡片出现因电池没电而影响读取的问题。由于有源 RFID 标签只在内集卡使用，该故障的影响范围尚且可控。妈湾港区轨道吊作业区域内的内集卡和外集卡都配置 RFID 卡，使用基数巨大，并不适合使用有源 RFID 卡，因此选用无源 RFID 卡。1.2RFID 系统构架完整的 RFID 系统主要由读卡器、电子标签和应用软件系统等 3 个部分组成，其工作原理是读卡器发射一特定频率的无线电波能量用以驱动电路将内部数据送出，此时读卡器便依序接收解读数据，传送至应用程序做相应的处理。RFID 系统架构见图 1。图 1RFID 系统架构2RFID 系统2.1轨道吊 RFID 系统需求ARMG 设备上的集卡车牌识别系统采用RFID 技术，以对停在轨道吊装卸通道区域的集卡进行自动识别。RFID 电子标签读卡器自动以非接触、远距离读取方式获得集卡的电子车牌信息。读取到的集卡车牌信息经工控机数据库分析后，再发至设备 PLC 系统和港区内 TOS 等管理系统以处理相关作业任务。妈湾港区轨道吊分为单悬臂双车道和双悬臂单车道等 2 种类型。单悬臂轨道吊下方分为内、外集卡双车道，需要实现对内、外车道作业集卡的车牌标签读取。因此，需要在作业侧安装 1 套 RFID天线和读卡器，在作业时根据 PLC 指令激发 RFID读卡器读取集卡信息。双悬臂轨道吊两侧都有作业车道。因此，需要在两侧各安装 1 套 RFID 天线和读卡器，在作业时根据作业车道位置，利用 PLC指令激发相应侧的 RFID 读卡器来读取集卡信息。2.2轨道吊 RFID 系统功能2.2.1轨道吊 RFID 系统拓扑结构轨道吊 RFID 自动识别系统由 RFID 数据采集系统、RFID 读卡器、天线系统、标签系统等子系统组成。各系统之间相互关联，通过数据处理系统解析轨道吊发来的 PLC 触发信号，对集卡 RFID标签进行读取，生成 RFID 车牌号识别结果信息后与轨道吊 PLC 系统交互。RFID 系统拓扑结构见图 2。图 2RFID 系统拓扑结构数据标签读卡器中间设备无线网络无线应用轨道吊 PLC 系统轨道吊 RFID工控机RFID 数据采集系统RFID 天线RFID 读卡器港口科技 智慧港口282.2.2轨道吊网络拓扑图RFID 的工控机安装在轨道吊电气机房内。RFID 采集到的数据进入 RFID 工控机内，由工控系统对采集到的数据进行处理，再通过以太网接口与轨道吊 PLC 进行数据通信。对于单悬臂轨道吊，在单侧行车作业通道侧安装 RFID 读卡器和相应防水金属弱电箱，金属弱电箱固定在轨道吊横梁上且与 3 个天线之间的距离最大不得超过 10 m。单悬臂轨道吊拓扑结构见图 3。对于双悬臂轨道吊，轨道吊两侧行车作业通道均须安装 RFID 读卡器。RFID 读卡器安装在防水金属弱电箱内。该金属弱电箱固定在轨道吊横梁上且与 3 个天线之间的距离最大不得超过10 m。双悬臂轨道吊拓扑结构见图 4。金属弱电箱安装位置应具备与轨道吊核心电气机房连接的网络条件和供电条件。图 3单悬臂轨道吊拓扑结构图 4双悬臂轨道吊拓扑结构每台读卡器与 3 个 RFID 天线搭配工作。天线的安装位置与作业车辆箱型、箱子摆放位置相关。3 个天线分别安装在对应 20 英尺、40 英尺、45 英尺箱型的车头作业位置的横梁上。其中，在20 英尺、40 英尺箱型车头作业位置的横梁处采用圆极性天线、在 45 英尺箱型车头作业位置的横梁处采用双极性天线。造成该差异的原因是双极性天线安装位置距离电箱最远。采用双极性双馈线的方式不但能减少馈线损耗，还保证了45极化方式下读取结果的可靠性。当 3 个箱位作业轨道吊 PLC 系统RFID 工控数据采集系统RFID 读卡器RFID 天线RFID 天线RFID 天线轨道吊 PLC 系统RFID 工控数据采集系统RFID 读卡器RFID 天线RFID 天线RFID 天线RFID 天线RFID 天线RFID 天线RFID 读卡器港口科技 智慧港口29图 5轨道吊 RFID 系统作业流程时，集卡车头所在位置前 1 m 处即为各尺寸箱型的 RFID 天线安装位置。2.2.3轨道吊 RFID 系统工作流程在 ARMG 自动化作业过程中，通过车辆引导系统判断车辆到位后，PLC 系统激发读卡指令给RFID 系统，整个作业流程如下：集卡到达轨道吊作业车道作业位置，轨道吊 PLC 发送读卡指令给RFID 系统，RFID 系统控制相应作业侧读卡器进行车牌号读取，对读取到的车牌号形成报文，发送给轨道吊 PLC 系统；如超时未读取到车牌号，则发送空报文给轨道吊 PLC 系统，至此一个完整的流程结束。轨道吊 RFID 系统作业流程见图 5。（1）单悬臂双车道轨道吊。车辆到达时，ARMG给出停车读卡信号，信号中应包含相应车道字段，RFID 工控采集系统接收到指令后进行集卡电子标签读取。（2）双悬臂单车道轨道吊。两侧作业通道均为单通道，车辆到达 ARMG 时，由 ARMG 给出停车侧读卡信号，读取指令中包含相应侧字段，RFID工控采集系统接收到指令后控制对应读卡器读取集卡相应信息。针对超车道超车可能误读取的问题，在作业流程系统中增加系统比对功能，工作人员可根据相应作业单进行筛选，即车辆通过堆场道口进入堆场后，道口采集到车辆信息，触发对应车辆的作业单信息，作业单发送至相应作业轨道吊，轨道吊进入作业激活状态，等待集卡到达。当集卡到达轨道吊作业区域时进行读取，确认读取到的标签信息中有作业单车辆信息，即可正常作业，其他读取信息忽略。3系统应用效果3.1RFID 集卡车号识别优势RFID 无线双向通信的最大优点在于非接触，可实现批量读取和远程读取，可识别高速运动物体。车辆在轨道吊装箱区域时 RFID 系统可自动读卡识别验证车辆是否为货单车辆，降低装车错误率，大大提高作业效率和准确性。RFID 系统采用的无源射频识别卡具有免维护、使用寿命长等特点，同时其采用的加密算法很难伪造，有效加强了港口对车辆的管理，一卡一车，资料存档，保证进入堆场作业车辆的准确性。在采用 RFID 系统后，各类集卡作业车辆均有车牌号码存档，一卡专用。当车牌不正确时，现场设备不作业，远程操作系统实时提示，并报出集卡车号匹配错误故障。3.2应用效果在实际使用时，根据 RFID 系统与 PLC 系统的报文方式，3 个天线的投入方式是可选择的。PLC 系统到 RFID 系统的报文字段可以设置 07共 8 种天线端口作业方式，其含义为：0 表示关闭所有天线端口号；1 表示当前天线 1 号端口作业；2表示当前天线 2 号端口作业；3 表示当前天线 3 号端口作业 2；4 表示当前天线 1、2 号端口作业；5 表示当前天线 1、3 号端口作业；6 表示当前天线 2、3号端口作业；7 表示当前天线 1、2、3 号端口作业。为保证读取的成功率，妈湾轨道吊 RFID 系统采用报文 7 的形式，即集卡引导到位后，3 个天线同时投入读取作业。此外，为了保证无源 RFID卡的读取范围，采用超高频及微波频率的标签。工集卡到达轨道吊作业区域PLC 触发读卡指令指令发送RFID 数据采集系统发出读卡指令RFID 读卡器读卡天线读取RFID 系统超时未读到车牌信息形成空报文正常读取车牌信息形成报文报文发送港内作业系统港口科技 智慧港口30“记忆位”提前将吊具中锁伸缩到默认位置，以节省检测对位和机械动作耗时。小车带箱移动到目标箱上方，通过吊具上安装的 2D 扫描仪扫描吊具作业箱、目标箱位与相邻箱之间位置对应关系，实现着箱对位。同时，视觉检测系统利用安装在吊具上的着箱摄像头采集到的图像实时分析吊具上的集装箱相对于下面集装箱的位置，通过调整小车位置、吊具旋转角度来校准上下箱子之间的相对偏差。当扫描仪和视觉检测系统扫描到吊具和集装箱的相对位置同时在允许的叠箱范围内后，吊具开始自动下降进行软着箱。在着箱后利用扫描仪和视觉检测系统检查叠箱后上下的相对偏差：若检测到的偏差在允许范围内则在 3 s 内吊具自动完成开锁及后续流程；若检测到的偏差不在允许的范围内则吊具自动起升 300 mm 后重试，当重试 3 次都不合格则系统自动转成手动叠箱。2.12双箱一层箱放箱系统根据双箱箱区自动放箱记忆位，首先将吊具中锁伸缩到正常放箱位状态，控制吊具下降到放箱列离地面 400 mm 时，视觉检测系统利用安装在吊具上的摄像头采集到的图像实时分析吊具所带的箱子与地面上箱角线的相对位置，并利用吊具上的微动机构调整集装箱与箱角线的距离，当调整到允许范围内时，开始进行放箱软着地。在着箱后视觉检测系统再次检测集装箱相对于箱角线的相对位置：若检查到的偏差在允许范围内则在 3 s 内吊具自动完成开锁及后续流程；若检查到的偏差不在允许范围内则吊具自动起升 300 mm 后重试，当重试 3 次都不合格则系统自动转手动放箱；当检测到的调整范围超过吊具微动的调整范围或调整超时时，系统