港口設備電氣自動化技術的應用

鄧振憲

（寧波港建設開發(fā)有限公司，浙江寧波 315000）

在以科技引領發(fā)展的時代背景下，各種新技術都在不斷創(chuàng)新與升級發(fā)展，電氣自動化控制技術更是有了長足進步，并在各項社會生產(chǎn)活動中得到普遍應用。在國際經(jīng)貿(mào)合作越來越密切的情況下，港口機械設備日常裝卸工作量越來越大，有效分析電氣自動化技術在港口機械設備中的具體應用和港口機械設備的自動化控制設計，促進電氣自動化技術在港口貨物裝卸生產(chǎn)中的合理應用，可以在提升港口貨物裝卸生產(chǎn)工作效率的同時，進一步提高港口機械設備的自動化水平，從而保證各種機械設備的持續(xù)平穩(wěn)運行。

1 PLC的工作原理和功能特點

1.1 工作原理

PLC 即可編程邏輯控制器，它的操作原理的核心流程包括3個：即用戶的采樣輸入，執(zhí)行以及輸出。每個流程都是獨立的掃描周期。①輸入采樣。把數(shù)據(jù)向軟件系統(tǒng)輸入，可編程邏輯控制器在掃描數(shù)據(jù)后完成讀取，再由I/O 映像區(qū)負責儲存這些數(shù)據(jù)。如果把脈沖改變初始輸入狀態(tài)輸入進去，或者是其他數(shù)據(jù)輸入進去，則脈沖信號必須保證其寬度比一個掃描周期大，否則輸入的數(shù)據(jù)無法全面讀取。②用戶程序執(zhí)行?？删幊踢壿嬁刂破鞯膾呙柽^程按照由上到下的梯形圖次序，邏輯運算也按照這個次序進行到最終，可編程邏輯控制器結合運算結果完成自動判斷，確保科學合理性。③輸出刷新。如果前兩步過程順利，則第三步開始執(zhí)行，由可編程邏輯控制器依據(jù)系統(tǒng)設定完成程序性輸出，數(shù)據(jù)完成刷新后由電路儲存。

1.2 功能特點

①良好的可靠性?？删幊踢壿嬁刂破饔蓡纹⑿陀嬎銠C提供運行，特點是高度集成，保護電路是它的配套設施，自診斷是其配套功能，可靠性較高。②編程簡單。通常可編程邏輯控制器命令語句及梯形圖交由繼電器控制，與微型機相比省去了大量指令，梯形圖有簡便易行的圖像，非計算機專業(yè)人員也可完成相關編程。③組態(tài)靈活。可編程邏輯控制器的結構是積木式的，用戶使用時的組合過程非常簡單，可輕松自如地控制系統(tǒng)規(guī)模和全部功能，提升了設備的適應性。④安裝方便。與計算機系統(tǒng)相比，安裝可編程邏輯控制器無須屏蔽，無須配備專用機房，有應用需要時連接PLC I/O 接口和執(zhí)行機構即可。⑤運行快速。可編程邏輯控制器的執(zhí)行過程控制交由程序完成，不僅安全可靠，且運行極快，是繼電器邏輯控制無法達到的。

2 港口設備電氣自動化技術應用

2.1 港口堆取料機

目前很多港口裝卸作業(yè)仍然沿用半自動化或人工控制形式，它們的缺陷是既不安全穩(wěn)定也不準確高效，給港口裝卸作業(yè)帶來很多負面影響。如果使用堆取料機，上述問題均可迎刃而解，同時對老舊模式過高的誤差率是一種有效規(guī)避。

在內(nèi)需和外貿(mào)的雙重拉動作用下，港口的業(yè)務量大幅攀升，直接帶動料場吞吐量的高速增長。目前堆取料機的使用范圍還局限在冶金、港口、水泥、碼頭以及鋼鐵廠等處，負責為儲料場堆取大量散料。在所有的堆取料機類型中，最核心的就是斗輪堆取料機，它在作業(yè)過程中的作用至關重要。堆取料機具備怎樣的生產(chǎn)力，直接決定裝卸工人的作業(yè)效率，所以需要高度重視，須結合目前堆取料機存在的諸多不利因素，采取針對性措施加以解決，確保工作效率達到預期目的。把自動化技術引入堆取料機即可實現(xiàn)上述目標，對港口壓縮成本也很有幫助。

2.2 港口膠帶運輸機

港口膠帶運輸機負責對港口運行進行監(jiān)控，它的作業(yè)效率直接關系到港口運行能否安全順利。就其目前的發(fā)展態(tài)勢來看，朝向可編程邏輯控制器方向趨勢明顯，如果港口系統(tǒng)以可編程邏輯控制器為基礎，讓它的集中控制功能得到充分發(fā)揮，對促進調(diào)度電話系統(tǒng)以及工業(yè)電視系統(tǒng)的結合意義重大，讓港口運行實現(xiàn)全面系統(tǒng)的有效監(jiān)督，取得明顯的網(wǎng)絡化優(yōu)勢。要確保膠帶運輸機作用價值的有效發(fā)揮，可編程邏輯控制器就必須提供足夠助力，這關系到港口運輸能否最大限度地提升作業(yè)效率，同時也為膠帶運輸機降低故障率提供可靠保證，實現(xiàn)安全穩(wěn)定運行。分布式控制結構在此期間也會涉及，它的作用區(qū)域是全口膠帶運輸機附屬的電氣自動化系統(tǒng)，主要功效是全面集中地控制現(xiàn)場作業(yè)。同時，檢測設備、控制站以及現(xiàn)場控制設施共同構成了現(xiàn)場控制系統(tǒng)，集中系統(tǒng)則由站點密匙、服務器設施以及操作員等組成。運行期間由TCP/IP 協(xié)議提供支持，中央控制器負責全套設備的集中化控制，數(shù)據(jù)站和現(xiàn)場控制站點的數(shù)據(jù)交互和交流通過以太網(wǎng)實現(xiàn)。

2.3 港口門座式起重機

港口的集裝箱吞吐過程中，貨物到港和離港的裝卸及運輸任務極其繁重，通過貨物裝運，港口由此獲得應有的收益，期間體現(xiàn)出來的作業(yè)質(zhì)量和效率，直接影響港口日后的發(fā)展水平?，F(xiàn)代世界海上交通極為發(fā)達，巨大的貿(mào)易需求帶來的是爆發(fā)式增長的貨物吞吐量。傳統(tǒng)形式下的港口裝卸運輸作業(yè)多為人工方式，只要管理到位，工人經(jīng)過努力可以在任務時間內(nèi)完成目標。但是人力資源畢竟有局限，主觀因素也存在很大不確定性，作業(yè)過程會受到很多不利影響。面對日益增長的貿(mào)易吞吐量，裝卸工人往往傾盡全力也難以完成作業(yè)任務。把自動化技術引入港口裝卸運輸作業(yè)過程中，可使作業(yè)人員巨大的任務量得到有效緩解，港口也會取得理想經(jīng)濟效益。

以港口裝卸運輸作業(yè)對門座式起重機的使用為例，可借助自動化技術優(yōu)化升級其質(zhì)量和性能，使它的運行過程更加安全穩(wěn)定，作業(yè)效率更高，同時也大幅降低安全事故的發(fā)生率。對起重機進行升級改造，需要建立在計算機設計圖紙的基礎上，就它的運行結構通過專業(yè)軟件構建3D 模型，再把模型導入動力學自動分析專業(yè)軟件，之后綜合分析其動力學性質(zhì)和起到的作用，再利用專業(yè)適用軟件對其進行高仿真模擬處理，結合起重機運行過程的具體特點構建防搖控制方面的數(shù)學模型，展開分析比對和論證，確保最終的選用模型防搖效果最好。之后門座式起重機即可投入港口作業(yè)運行，期間還要采取措施確保其運行過程精準操作，性能穩(wěn)定。通過一系列改造升級，一改傳統(tǒng)模式的效率低下、耗時費力的弊端，港口貿(mào)易取得更大進步。

3 港口區(qū)域大型機械電氣自動化控制設計

3.1 PLC在港口電氣自動化中的應用

（1）PLC 應用于門座式起重機。這種起重機在港口貿(mào)易中的應用最為廣泛，它分為行走、旋轉以及起升幾個部分，操作流程繁復，作業(yè)難度較大，要求高標準地使用變壓器、電動機以及接觸開關等。這種起重機是聯(lián)合驅(qū)動結構設計，司機主令控制器上隸屬可編程邏輯控制器系統(tǒng)的輸入端口進行操作，如果外部信號干擾系統(tǒng)的運行沒有受到影響，可編程邏輯控制器有直流信號對外輸出，它的電壓是24 V，這時起重機啟動實現(xiàn)自動化。這種自動化升級改造讓作業(yè)人員的勞動強度大幅降低，作業(yè)效率大幅提升。

（2）PLC 應用于港口膠帶運輸機集控系統(tǒng)。這個系統(tǒng)對港口貿(mào)易來說至關重要，它運行過程的安全穩(wěn)定性直接決定港口取得怎樣的經(jīng)濟效益。引入可編程邏輯控制器后，膠帶運輸機集控系統(tǒng)的控制實現(xiàn)集中化，可得到有效的綜合保護，可編程邏輯控制器與工業(yè)電視系統(tǒng)以及調(diào)度電話系統(tǒng)實現(xiàn)有機結合，港口作業(yè)的調(diào)度和操作可實現(xiàn)整體網(wǎng)絡化，可遠程遙控膠帶運輸機集控系統(tǒng)，貨物進出港效率明顯提升。

（3）可編程邏輯控制應用于港口除塵。如果一個港口的主要用途就是吞吐煤炭，肯定會有大量煤炭堆積在港口區(qū)域，遇到惡劣天氣就會揚起大量粉塵，造成嚴重的環(huán)境污染。通常的防治措施是以高壓噴槍進行灑水，壓制灰塵飛揚，以及夏季高溫季節(jié)為煤堆降溫，防范出現(xiàn)自燃。如果港口除塵引入可編程邏輯控制器，可有效控制灑水作業(yè)，大幅降低作業(yè)人員的勞動強度。這個系統(tǒng)內(nèi)部的分布式I/O 結構可監(jiān)控上位機的整體運行過程，相關人員借助它可對泵房實況、壓力以及水池動態(tài)進行全面掌控，確保除塵達到預期效果。

3.2 港口電動RTG技術的應用

電動RTG 即門式電動起重機，它應用于港口作業(yè)可大幅降低作業(yè)過程的污染物，為港口作業(yè)提供優(yōu)質(zhì)環(huán)境，壓縮成本費用。這種起重機的油改電技術涉及的供電方式有3種，即低架剛性滑觸線、電纜卷筒和高架滑觸線。隨著科技的不斷進步，門式電動起重機會逐步實現(xiàn)超級電容和直流供電。

3.3 港口散貨裝卸自動化技術應用

國際上大型散貨港口配置的機械設備均為半自動化，借助人工操作可進行參數(shù)自動設置，發(fā)展趨勢邁向自動化。

3.3.1 集裝箱裝卸自動化技術

世界上首個自動化集裝箱港口裝卸應用案例是荷蘭，試點成功后，德國、日本以及新加坡先后引進，國內(nèi)是香港和上海于2006年首次打造出自動化的集裝箱堆場，港口作業(yè)借助激光測量和圖像，對箱落箱操作過程達到全自動化程度。

3.3.2 散貨裝備自動化掃描和控制技術

港口的散貨裝卸作業(yè)，需要對料堆的高度和形狀進行實時監(jiān)控，而且技術人員依據(jù)標準規(guī)范得到精準計算結果，可為港口運輸提供關鍵參考數(shù)據(jù)。裝卸作業(yè)過程的數(shù)據(jù)獲取，多為肉眼觀測所得，必要時須機械測量。要最大限度地防范外部因素干擾測量精度，可引入自動檢測技術測量料堆輪廓，通過激光測距，把定位系統(tǒng)安裝在斗輪堆取料機上，自動檢測作業(yè)目標。①自動化掃描控制抓斗卸船。TPS 系統(tǒng)內(nèi)部設置了偏轉鏡2個，它的作用是對接收到的激光進行反射，再由激光接收器接收反射激光，通過精密測算得到激光發(fā)射到反射出現(xiàn)的時間差，得到激光器到物體的準確距離數(shù)據(jù)，從而全面掌控目標物體位置的三維數(shù)據(jù)；②自動化掃描控制斗輪堆取。這種自動化技術的應用操作類似于卸船機，掃描設備均為TPS。具體操作是，由TPS 向取料機發(fā)送數(shù)據(jù)，取料機完成數(shù)據(jù)處理后再得到其他大量數(shù)據(jù)，通過立體化表面算法精準測算料堆位置和形狀數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行綜合分析，給出料堆的立體化圖形。

3.3.3 集裝箱設備自動化技術

當前，港口設備電氣自動化技術已取得長足發(fā)展，目前的港口集裝箱裝卸作業(yè)以及過程控制基本達到了自動化水平，已經(jīng)能夠就內(nèi)外集裝箱和作業(yè)箱進行精準的自動定位及裝卸作業(yè)。

4 結束語

面對港口越來越龐大的貨物吞吐量，保證機械設備的安全穩(wěn)定運行成為當務之急，觀察電氣自動化技術在其他生產(chǎn)活動中的應用效果，可以預見將該項技術引用到港口機械設備貨物裝卸生產(chǎn)中，勢必會提高貨物裝卸工作效率、降低人工費用投入以及保證貨物裝卸安全等，因此，應積極開展港口機械電氣自動化控制設計研究。