談港口機(jī)械電氣自動(dòng)化技術(shù)與控制

梁晉榕

廣州港工程管理有限公司

1 前言

在港口機(jī)械設(shè)備裝卸作業(yè)過程中，很多機(jī)械設(shè)備要進(jìn)行長期的重復(fù)性工作，如果全憑人力操作，會(huì)浪費(fèi)很多的人力資源，還會(huì)造成工作效率低下。司機(jī)長期作業(yè)在司機(jī)設(shè)備室內(nèi)，經(jīng)常因設(shè)備晃動(dòng)帶來的暈眩、炎熱天氣造成的中暑等問題帶來了人身安全隱患。為了提高效率及解決安全隱患，許多港口已經(jīng)開始探索如何對(duì)舊的港口裝卸設(shè)備進(jìn)行改造，如何將自動(dòng)化控制技術(shù)應(yīng)用在港口裝卸生產(chǎn)過程中，南沙某港口在這方面取得了卓越的成效，通過采用自動(dòng)化控制技術(shù)，將司機(jī)從裝卸設(shè)備上轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)程控制室內(nèi)，遠(yuǎn)程控制裝卸過程中的吊具開閉鎖功能，改進(jìn)PLC控制系統(tǒng)并結(jié)合優(yōu)越的算法程序，使得岸橋的起升及運(yùn)行過程更高效、更節(jié)能，采用先進(jìn)的CPS集卡引導(dǎo)系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)了從裝卸到水平運(yùn)輸全過程的半自動(dòng)化控制水平，裝卸現(xiàn)場不再需要大量的工人協(xié)助設(shè)備生產(chǎn)。然而，在裝卸設(shè)備半自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，依然存在一些問題，為了解決這些問題，就需要我們更清晰的認(rèn)知裝卸設(shè)備的自動(dòng)化需求程度，對(duì)控制算法，控制硬件設(shè)備進(jìn)行更多的分析，才能夠有針對(duì)性地發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。

2 港口電氣自動(dòng)化技術(shù)概述

2.1 港口設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)需求

港口的工作環(huán)境其實(shí)是比較惡劣的，在日常工作過程中面臨著各種各樣的復(fù)雜場景。而且，由于機(jī)械設(shè)備比較多，在進(jìn)行正常工作的過程中需要相互協(xié)調(diào)，大量的勞動(dòng)力穿梭在裝卸生產(chǎn)現(xiàn)場，極易出現(xiàn)人身安全事故。這些都需要對(duì)港口的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行更好的規(guī)劃，才能夠確保正常的生產(chǎn)流程，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。因此，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)就需要對(duì)港口機(jī)械的自動(dòng)化需求進(jìn)行更多的分析，明確港口設(shè)備生產(chǎn)流程的自動(dòng)化需求程度，分析相關(guān)硬件需求，軟件算法需求等，這樣才能夠進(jìn)一步地進(jìn)行技術(shù)應(yīng)用，在實(shí)際改造過程中方向也更明確。

首先，從硬件角度進(jìn)行分析。在以往條件下進(jìn)行機(jī)械設(shè)備改造，需要對(duì)硬件進(jìn)行更多的強(qiáng)化。如果電路結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定或者是硬件的質(zhì)量比較差，那么在應(yīng)用的過程中很可能受到環(huán)境因素的影響或者人為因素的影響，導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)嚴(yán)重的故障問題，這會(huì)對(duì)正常的生產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失。無論是人工參與還是自動(dòng)化，設(shè)備都會(huì)受到嚴(yán)重的破壞，這也體現(xiàn)出了港口設(shè)備對(duì)硬件的需求程度。

其次，從軟件方面進(jìn)行分析。自動(dòng)化生產(chǎn)主要是通過操控中控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，通過算法分析進(jìn)行合理的規(guī)劃，從而提高效率。24小時(shí)自動(dòng)化生產(chǎn)，極大程度上解放了人力，也降低了作業(yè)人員的人身安全隱患。自動(dòng)控制軟件系統(tǒng)主要是基于計(jì)算機(jī)主控為前提，采用分布式的布置、現(xiàn)場總線技術(shù)、優(yōu)化算法等，實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)程監(jiān)控中操控遠(yuǎn)程控制設(shè)置，從而完成港口機(jī)械設(shè)備的正常裝卸功能，這樣的發(fā)展方向是比較理想的自動(dòng)化程度。目前，港口中現(xiàn)有的自動(dòng)化生產(chǎn)僅僅是第一步的需求，依然需要人力輔助控制吊具的開閉鎖功能，而在未來還應(yīng)該朝著更理想的港口機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化、智能化發(fā)展的終極目標(biāo)發(fā)展。在未來港口自動(dòng)化工藝設(shè)計(jì)中，使用更多的智能機(jī)器人，使用更先進(jìn)的視覺識(shí)別技術(shù)，使用更完善的更安全可靠的冗余控制技術(shù)，更優(yōu)化的算法進(jìn)行路徑規(guī)劃和軌跡跟蹤，全局規(guī)劃，在確保其自動(dòng)化運(yùn)轉(zhuǎn)功能的前提下，能夠進(jìn)行模式識(shí)別，能夠進(jìn)行感知定位，能夠主動(dòng)避讓風(fēng)險(xiǎn)，這樣才實(shí)現(xiàn)了真正的無人化操作模式。

2.2 自動(dòng)化控制的應(yīng)用程度及存在問題

對(duì)現(xiàn)階段自動(dòng)化技術(shù)需求程度進(jìn)行探索，有助于針對(duì)性地提出改進(jìn)措施，也能夠了解到現(xiàn)階段的一些技術(shù)上的不足，更加有針對(duì)性地進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，給港口設(shè)備帶來更多的發(fā)展方向。在實(shí)際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，很多自動(dòng)化控制硬件設(shè)施還是不能夠滿足需求的，惡劣的環(huán)境導(dǎo)致很容易出現(xiàn)硬件問題?？刂萍夹g(shù)應(yīng)用也存在一定的不足，主要原因是現(xiàn)階段的控制算法還有待優(yōu)化，在港口自動(dòng)化設(shè)計(jì)流程中，還需要人為參與某些工序，這是初級(jí)階段的自動(dòng)化應(yīng)用，短期內(nèi)有效解決了港口生產(chǎn)的不足，但是要想獲得長足的發(fā)展，真正地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，還有很長遠(yuǎn)的路要走。尤其是現(xiàn)階段的一些智能路徑規(guī)劃、軌跡跟蹤、智能定位等功能還存在著很多不足，主要原因是場景比較復(fù)雜，所面臨的情況比較特殊，相應(yīng)的技術(shù)不夠成熟等，導(dǎo)致了現(xiàn)階段的自動(dòng)化控制出現(xiàn)問題。現(xiàn)階段的控制算法包括PID控制，LQR控制，MPC控制等，這些控制手段有些是針對(duì)誤差調(diào)節(jié)、有些是針對(duì)軌跡跟蹤。

例如PID控制算法，是一種最簡單的控制算法，在實(shí)際應(yīng)用的過程中，雖然能夠較好地調(diào)節(jié)誤差，但存在較大的滯后性，往往出現(xiàn)誤差之后才進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣的控制算法很難面臨一些更加復(fù)雜的場景。又例如MPC控制算法，這是一種軌跡跟蹤過程控制，由于計(jì)算量比較大，需要在線進(jìn)行優(yōu)化，而且容易陷入局部最優(yōu)解等情況，卻不能全盤考慮，同時(shí)還需要更強(qiáng)的計(jì)算能力、更優(yōu)化的算法邏輯，才能夠確?？刂撇呗苑蠈?shí)際情況。

3 電氣自動(dòng)化技術(shù)的改進(jìn)方向

3.1 自動(dòng)控制流程的優(yōu)化

為了解決上述問題，進(jìn)一步提高港口機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化及智能化的水平，還需要進(jìn)行更多的改進(jìn)。

首先，對(duì)自動(dòng)控制流程進(jìn)行科學(xué)的規(guī)劃，有助于提高電氣自動(dòng)控制的總體水平，也能夠?yàn)槲磥淼陌l(fā)展帶來更多的機(jī)會(huì)。經(jīng)過實(shí)際分析發(fā)現(xiàn)，在很多港口機(jī)械設(shè)備的使用過程中，均屬于半自動(dòng)化的程度，在實(shí)現(xiàn)一些基本的自動(dòng)控制功能基礎(chǔ)上還需要人為的進(jìn)行操控介入。這種半自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用在單臺(tái)機(jī)操控上是比較簡單且有效地，但是想要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的集群控制，或者是想要實(shí)現(xiàn)24小時(shí)不間斷的生產(chǎn)，還是面臨著很多的困難，主要原因是自動(dòng)控制的流程不夠規(guī)范、不夠科學(xué)。電氣自動(dòng)控制的步驟比較簡單，主要通過遠(yuǎn)程控制的方式，利用分布式的結(jié)構(gòu)來進(jìn)行現(xiàn)場控制，這樣就能夠在遠(yuǎn)處進(jìn)行自動(dòng)操作，通過相關(guān)程序的設(shè)計(jì)能夠完成港口機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。要實(shí)現(xiàn)更高層次的自動(dòng)化控制水平，在設(shè)計(jì)的過程中依然需要首選采用PLC技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，PLC控制技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)中效果比較好，抗干擾能力比較強(qiáng)，而且程序比較簡單，設(shè)計(jì)的過程中能夠減少開發(fā)的難度，對(duì)于港口的機(jī)械設(shè)備自動(dòng)控制有著很多幫助。

其次，可以采用先進(jìn)的CPS技術(shù)，將水平運(yùn)輸設(shè)備引導(dǎo)至更精準(zhǔn)的位置，借助吊具相對(duì)裝卸設(shè)備的絕對(duì)居中位置信息，結(jié)合中國北斗導(dǎo)航定位技術(shù)冗余檢測水平運(yùn)輸設(shè)備的準(zhǔn)確位置。同時(shí)，采用標(biāo)準(zhǔn)化的裝卸工藝，利用吊具中鎖記憶功能，明確整個(gè)港區(qū)雙箱裝卸時(shí)的雙箱間距，能減少吊具中鎖間距的調(diào)整時(shí)間損耗。據(jù)觀察，目前國內(nèi)港口還沒有執(zhí)行這一類標(biāo)準(zhǔn)，不同的操作司機(jī)就會(huì)導(dǎo)致不同的裝卸間隙，這往往會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)化碼頭裝卸司機(jī)在遠(yuǎn)程操控的時(shí)候無法及時(shí)有效地通過遠(yuǎn)程監(jiān)控視頻中做出快速的中鎖調(diào)整。對(duì)比國內(nèi)外的各大自動(dòng)化碼頭或一些參與了半自動(dòng)化改造碼頭的自動(dòng)化技術(shù)需求，往往采用了完善的CPS控制系統(tǒng)、OCR控制系統(tǒng)、TDS控制系統(tǒng)、BTG控制系統(tǒng)、SPSS控制系統(tǒng)的碼頭，生產(chǎn)效率都是比較靠前的，單機(jī)效率達(dá)到了38箱。南沙某自動(dòng)化碼頭甚至采用了最先進(jìn)的北斗導(dǎo)航技術(shù)，取代了大部分BTG控制系統(tǒng)，從而有效降低了定位系統(tǒng)的維護(hù)成本。

這樣的自動(dòng)控制流程系統(tǒng)是比較科學(xué)的，也是比較高度的自動(dòng)化發(fā)展模式。總的來說，為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，還需要對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行更多的規(guī)劃，將港口看作是一片自動(dòng)控制的區(qū)域，將一個(gè)個(gè)機(jī)械設(shè)備看作是獨(dú)立的機(jī)器人進(jìn)行編隊(duì)處理，進(jìn)行自動(dòng)控制技術(shù)，對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行地圖規(guī)劃，無論是決策控制，路徑規(guī)劃，還是軌跡跟蹤，都要相應(yīng)地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。當(dāng)然，這其中涉及很多技術(shù)，包括深度學(xué)習(xí)，自動(dòng)控制，電子信息工程、通信工程等，這些都需要進(jìn)行技術(shù)的創(chuàng)新，進(jìn)行科學(xué)的部署，才能夠?qū)崿F(xiàn)港口機(jī)械設(shè)備的更高度的自動(dòng)化發(fā)展。

3.2 優(yōu)化控制算法

其實(shí)，在自動(dòng)化發(fā)展的過程中，港口的機(jī)械設(shè)備屬于硬件，那么在控制的過程中，算法應(yīng)當(dāng)是比較核心的內(nèi)容。算法屬于軟件層次上的創(chuàng)新，在工作的過程中不同的算法有不同的特點(diǎn)。對(duì)于自動(dòng)控制而言，比較常見的PID控制算法，在工業(yè)上已經(jīng)應(yīng)用得比較廣泛。但是，由于PID控制算法存在較大的滯后性，在應(yīng)用的過程中存在反復(fù)糾偏的問題。在港口進(jìn)行機(jī)械設(shè)備自動(dòng)化控制的過程中，還存在著很多的問題，有可能造成現(xiàn)場混亂，有可能造成局部水平運(yùn)輸設(shè)備高強(qiáng)度作業(yè)，還有可能因?yàn)榭刂凭鹊牟蛔惝a(chǎn)生更多的問題。那么，在算法優(yōu)化的過程中，可以基于PID進(jìn)行模糊控制，或者是更加智能化的PID控制方式，通過收集自動(dòng)化運(yùn)行數(shù)據(jù)，不斷觀察、不斷調(diào)節(jié)運(yùn)算參數(shù)，從而有效地提高控制水平。

而其他的一些控制算法，諸如魯棒控制，LQR控制，MPC控制等，是在學(xué)術(shù)界比較流行的控制算法。但是在應(yīng)用的過程中，因?yàn)榭刂撇呗员容^復(fù)雜，參數(shù)難以調(diào)節(jié)，比較難以實(shí)現(xiàn)，在應(yīng)用的過程中還有很多的困難。在未來算法創(chuàng)新的過程中，應(yīng)當(dāng)將這些學(xué)術(shù)界的主流控制算法進(jìn)行更多的優(yōu)化，進(jìn)行落地處理，這樣才能夠更好地進(jìn)行應(yīng)用。比如說在智能化發(fā)展過程中，需要對(duì)機(jī)械設(shè)備的路徑規(guī)劃，軌跡跟蹤等進(jìn)行更多的分析，其中ASTAR型算法，DIJKSTRA算法，蟻群算法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等，對(duì)于感知定位，決策控制，路徑規(guī)劃，軌跡跟蹤等都是有很多幫助的。實(shí)際控制部署的過程中需要控制算法的一些基本概念，同時(shí)也需要人工智能的一些理念，更需要一些通信的算法。在算法優(yōu)化的過程中，參數(shù)調(diào)節(jié)、算法的計(jì)算速度等都必須要考慮到實(shí)際問題。

將整個(gè)港口構(gòu)建成一個(gè)虛擬地圖，通過高精地圖的方式進(jìn)行感知定位處理，這樣能夠?qū)F(xiàn)場的一些機(jī)械設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化處理，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行分析的時(shí)候更加便捷。在控制算法應(yīng)用的過程，還需要提高控制策略的精度，也需要提高控制的能力，從而保障機(jī)械設(shè)備按照預(yù)先規(guī)劃的軌跡進(jìn)行作業(yè)或者避讓，以實(shí)現(xiàn)更高程度的自動(dòng)化生產(chǎn)流程。南沙某自動(dòng)化碼頭，目前就是借鑒了最先進(jìn)的交通運(yùn)輸調(diào)度實(shí)際案例中的路徑優(yōu)化算法，自動(dòng)駕駛技術(shù)等，應(yīng)用到碼頭自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)中。

4 結(jié)語

自動(dòng)控制是一項(xiàng)軟硬件相互結(jié)合的工程，對(duì)于港口的機(jī)械設(shè)備而言，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)于提高生產(chǎn)效率降低、人力成本等都有很多好處。在未來，港口的自動(dòng)化發(fā)展以及智能化發(fā)展已經(jīng)成為必然的趨勢，那么在現(xiàn)階段進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新的過程中，先進(jìn)的自動(dòng)化控制設(shè)施的研發(fā)能夠?yàn)樽詣?dòng)化的發(fā)展帶來有力的保障。而在軟件層面上不斷創(chuàng)新，尤其是對(duì)控制算法進(jìn)行優(yōu)化，這樣能夠確?？刂菩矢咝?，控制更穩(wěn)定。在實(shí)際應(yīng)用的過程中，港口的機(jī)械設(shè)備也必然朝著更加智能化的方向發(fā)展，能夠?yàn)楦劭诘难b卸作業(yè)帶來更多的幫助，進(jìn)一步解放人力資源。