港口設(shè)備電氣自動(dòng)化技術(shù)分析

任偉

[摘? ? 要]隨著大規(guī)模集成電路和微處理器技術(shù)、信息技術(shù)以及傳感器等技術(shù)的發(fā)展，以PLC為代表的電氣控制技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)控制等多個(gè)領(lǐng)域都得到應(yīng)用，并越發(fā)成熟。就港口設(shè)備電氣自動(dòng)化控制技術(shù)，特別是對自動(dòng)化碼集裝箱碼頭的發(fā)展和現(xiàn)狀展開了論述。

[關(guān)鍵詞]港口設(shè)備;電氣自動(dòng)化控制;機(jī)床控制技術(shù);PLC;自動(dòng)化碼頭

[中圖分類號]U653 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）02–0–03

Analysis of Electrical Automation Technology of Port Equipment

Ren Wei

[Abstract]With the development of large-scale integrated circuit and microprocessor technology， information technology and sensor technology， electrical control technology represented by PLC has been applied in many fields such as industrial automatic control， and has become more and more mature. This article discusses the electrical automation control technology of port equipment， especially the development and current situation of the automated container terminal.

[Keywords]port equipment; electrical automation control; machine tool control technology; PLC; automated wharf

1 港口電氣自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與意義

港口設(shè)備電氣自動(dòng)化技術(shù)起源于20世紀(jì)的歐洲，在2000年后在全世界范圍內(nèi)得到了快速的傳播與發(fā)展。隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，尤其是信息技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，第四代自動(dòng)化碼頭技術(shù)在我國港口得到采用，這大幅提高了我國港口的生產(chǎn)效率。在大多數(shù)已經(jīng)使用電氣化自動(dòng)化技術(shù)和自動(dòng)化碼頭技術(shù)的港口，相關(guān)邏輯程序的編譯已經(jīng)做到了相當(dāng)程度的自主研發(fā)，設(shè)備調(diào)試工作也能由中國工程師完成，然而控制系統(tǒng)采用的相關(guān)硬件，如電機(jī)、編碼器、變頻器和PLC、軸承等關(guān)鍵元器件還是嚴(yán)重依賴從歐美等發(fā)達(dá)國家進(jìn)口，國產(chǎn)電氣元件和機(jī)械部件的性能以及軟件程序的編譯水平仍有較大的提升空間。

傳統(tǒng)的港口設(shè)備穩(wěn)定性差，故障率高，安全事故頻發(fā)，能耗高，維保成本高企，諸多原因?qū)е赂劭谄髽I(yè)主動(dòng)尋求減少工作人員，提高港口作業(yè)效率的途徑。電氣自動(dòng)化技術(shù)生產(chǎn)和自動(dòng)化碼頭技術(shù)，成為港口企業(yè)尋求發(fā)展的突破口：自動(dòng)化技術(shù)的采用能減少人員與機(jī)械的接觸，人員遠(yuǎn)程操作設(shè)備，甚至是設(shè)備無人執(zhí)行操作指令，使得安全隱患得到最大程度的控制;自動(dòng)化碼頭技術(shù)的采用，也基本消除了人的不穩(wěn)定因素以及高成本帶給港口企業(yè)的威脅和挑戰(zhàn)。港口的生產(chǎn)效率需要高效的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，自動(dòng)化控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)港口對于設(shè)備實(shí)施統(tǒng)一、實(shí)時(shí)、智能、最優(yōu)調(diào)度。如果港口在科技蓬勃發(fā)展的大背景下，不對自身業(yè)務(wù)流程進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化，會逐漸面臨落后和被淘汰的命運(yùn)。電氣自動(dòng)化控制技術(shù)和自動(dòng)化碼頭技術(shù)的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)港口設(shè)備的自動(dòng)化控制，節(jié)省資源、提高機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，能夠有效地降低相應(yīng)的人工、物資及財(cái)務(wù)成本，實(shí)現(xiàn)港口建設(shè)向無人化、智能化、低碳環(huán)保方向全面進(jìn)展。在港口設(shè)備自動(dòng)化控制工作開展過程中，港口企業(yè)可以利用強(qiáng)大的生產(chǎn)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對港口具體操作的控制，通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的收集和利用，讓港口運(yùn)營過程變得靈活、便捷，使港口設(shè)備的運(yùn)行擁有更強(qiáng)的安全性和可維護(hù)性。

2 電氣自動(dòng)化控制技術(shù)的特征

2.1 設(shè)備操作的便捷性和安全性

對于港口半自動(dòng)化設(shè)備，設(shè)備操作員只需要在操作室的屏幕進(jìn)行確認(rèn)任務(wù)操作，即能完成大部分的裝卸動(dòng)作，而全自動(dòng)化設(shè)備，甚至只需操作員在遠(yuǎn)程進(jìn)行任務(wù)確認(rèn)，就能完成整個(gè)裝卸動(dòng)作。而傳統(tǒng)的人工操作模式，需要操作人員登上設(shè)備操作，操作的效率和穩(wěn)定性極其依賴操作人員的技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)。

由于使用了大量的編碼器、傳感器/掃描儀和監(jiān)控?cái)z像頭，設(shè)備的各個(gè)運(yùn)作過程都處于高穩(wěn)定性、高精度、高安全性狀態(tài)。絕大部分會導(dǎo)致相關(guān)設(shè)備損壞的操作和故障，都可以第一時(shí)間被停止和及時(shí)排除，在達(dá)到設(shè)備操作便捷性的前提下，同時(shí)保證了設(shè)備操作的安全性。在傳統(tǒng)的集裝箱碼頭，設(shè)備操作員需要進(jìn)入碼頭，登上位于設(shè)備最高處的操作室（一般稱司機(jī)室），高溫，暴雨等惡劣天氣下，很容易出現(xiàn)人員或設(shè)備的損失。采用了自動(dòng)化軌道吊后，操作員的工作環(huán)境得到了極大的改善，惡劣天氣對于操作員的影響基本可以忽略。

操作員只需要來到碼頭中控的操作臺前，通過面前的多塊顯示屏來查看設(shè)備情況，在高清攝像頭的幫助下，操作員可以準(zhǔn)確抓取擺放，而且系統(tǒng)允許通過一個(gè)操作臺對多臺設(shè)備進(jìn)行作業(yè)操作，極大地降低了操作員的工作難度，整個(gè)過程游戲性、趣味性極強(qiáng)，極大地提高了操作員的工作積極性。

2.2 港口設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚俸蜏?zhǔn)確性

隨著電氣自動(dòng)化控制技術(shù)發(fā)展，光纖、無線通訊和5G通訊技術(shù)在港口的應(yīng)用，港機(jī)設(shè)備單機(jī)、港機(jī)設(shè)備與碼頭生產(chǎn)管理系統(tǒng)、港機(jī)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)、圖形視頻等生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)的傳輸可以達(dá)到現(xiàn)代化港口需要的高速和準(zhǔn)確性。在10多年前，在國內(nèi)外的一些碼頭，有各種各樣的操作人員：有的是在岸邊忙碌記錄集裝箱信息的工人，有的是在岸橋理貨室仔細(xì)查看設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的技術(shù)人員，而隨著電氣自動(dòng)化技術(shù)的采用，尤其是自動(dòng)化碼頭技術(shù)的發(fā)展，集裝箱信息和設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，都可以很輕松地在碼頭生產(chǎn)管理系統(tǒng)中得到，準(zhǔn)確性和及時(shí)性大幅提高。

2.3 設(shè)備維修保養(yǎng)的方便

目前，電氣自動(dòng)化系統(tǒng)通過編程語言進(jìn)行編譯，然后通過翻譯語言功能可以將編程語言翻譯成可視化的界面，有利于工作人員和操作人員操作和參數(shù)調(diào)整。采用自動(dòng)化控制系統(tǒng)后的碼頭生產(chǎn)管理系統(tǒng)，在生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、分析和統(tǒng)計(jì)上的全面和精確性也極大滿足了港口企業(yè)對于設(shè)備維修保養(yǎng)以及生產(chǎn)活動(dòng)管理的需要。

3 電氣自動(dòng)化控制技術(shù)的應(yīng)用

3.1 單臺設(shè)備及港口自動(dòng)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用

電氣自動(dòng)化控制和自動(dòng)化碼頭技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)單臺設(shè)備的自動(dòng)化功能，在應(yīng)用中也可以實(shí)現(xiàn)港口大數(shù)據(jù)監(jiān)測（具體設(shè)計(jì)方案如圖1所示）;通過數(shù)據(jù)中心監(jiān)測，通過電氣自動(dòng)化控制技術(shù)使得碼頭中央中心能夠?qū)Υa頭運(yùn)營的各個(gè)部門、設(shè)備運(yùn)營狀態(tài)得到實(shí)時(shí)的監(jiān)控，操作數(shù)據(jù)得到安全高效的處理，發(fā)生故障和異常情況下能夠第一時(shí)間通知港口維修保養(yǎng)人員。

在大數(shù)據(jù)監(jiān)測中，能有效采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，有助于高效完成現(xiàn)場監(jiān)控，減少事故發(fā)生，提高工作效率。如上海的洋山四期全自動(dòng)化碼頭，碼頭的岸橋、場橋、全自動(dòng)集卡轉(zhuǎn)運(yùn)車以及碼頭中控系統(tǒng)都實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化控制。

另外港口企業(yè)需要優(yōu)化作業(yè)流程，結(jié)合自動(dòng)化技術(shù)不斷提高港口生產(chǎn)，滿足客戶需求。例如，對于在集裝箱港口的集裝箱場內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)及堆放，需要根據(jù)實(shí)際的提箱裝箱需求以及碼頭堆場利用情況，集裝箱港口要對跨運(yùn)車、自動(dòng)集卡轉(zhuǎn)運(yùn)車、軌道吊和集卡車等流機(jī)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的現(xiàn)場控制和調(diào)度。對于故障的處理要及時(shí)有效，基于相關(guān)模型，采集到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，如圖2所示。

3.2 機(jī)床控制技術(shù)的發(fā)展

由于在過去的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，港口的機(jī)械制造加工經(jīng)常存在精度不高和質(zhì)量低下等問題。而現(xiàn)代化港口的建設(shè)，對于設(shè)備使用的零配件的性能有更高的要求。為了解決這一問題，港口設(shè)備及零配件制造企業(yè)應(yīng)該對港口設(shè)備的生產(chǎn)以及加工等環(huán)節(jié)實(shí)施電氣自動(dòng)化技術(shù)創(chuàng)新和有效管理。零配件，尤其是機(jī)械零配件的生產(chǎn)加工，最關(guān)鍵的是車床控制技術(shù)的發(fā)展。車床的控制技術(shù)，同樣逐步向著自動(dòng)控制方面發(fā)展。車床的控制技術(shù)經(jīng)歷了從手動(dòng)控制，繼電器，接觸器控制到順序控制器控制的轉(zhuǎn)變，半導(dǎo)體元件的應(yīng)用具有決定性的作用;隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了以微型計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，具有編程、存儲、邏輯控制和數(shù)值運(yùn)算功能的可編程控制器（PLC），PLC控制系統(tǒng)具有接線方便、編程簡單、抗干擾性強(qiáng)、性能可靠和通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，是機(jī)床控制系統(tǒng)的一次性能飛躍;隨后出現(xiàn)的數(shù)字控制機(jī)床，具有高效率，高精度，高柔性等特點(diǎn)，這個(gè)時(shí)候的數(shù)控裝置由硬件邏輯電路來組成，接著出現(xiàn)的是計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床，接著出現(xiàn)了由一臺計(jì)算機(jī)控制多臺數(shù)控機(jī)床的直接數(shù)控系統(tǒng)，也稱計(jì)算機(jī)群控（DNC）系統(tǒng)和自適應(yīng)數(shù)控（AC）機(jī)床，隨后計(jì)算機(jī)群控（DNC）系統(tǒng)在20世紀(jì)90年代后被柔性系統(tǒng)（FMS）所取代，柔性制造系統(tǒng)由一臺中心計(jì)算機(jī)控制整個(gè)機(jī)械加工自動(dòng)生產(chǎn)線，由數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)搬運(yùn)車、自動(dòng)檢測設(shè)備和自動(dòng)化倉庫所組成。更加成熟的機(jī)床技術(shù)是計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS），它是由柔性制造系統(tǒng)（FMS）加上計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）、計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量檢查（CAQ）及計(jì)算機(jī)信息管理系統(tǒng)構(gòu)成?？梢哉f計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)代表當(dāng)代機(jī)械加工的最高水平，保證了機(jī)械零配件加工的高精度，為港口設(shè)備的電氣自動(dòng)化控制以及自動(dòng)化碼頭的建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.3 自動(dòng)化碼頭的發(fā)展

港口自動(dòng)化操作的實(shí)現(xiàn)最早出現(xiàn)在歐洲的第一大港荷蘭的鹿特丹港，其中以1993年投入運(yùn)營的ECT碼頭作為代表，是第一代自動(dòng)化集裝箱碼頭，隨后建成自動(dòng)化集裝箱碼頭分別位于英國倫敦、日本川崎和新加坡港;2002年投入運(yùn)營的德國漢堡港的CTA碼頭，這是第二代的自動(dòng)化集裝箱碼頭的代表;同樣是在荷蘭鹿特丹2008年投入運(yùn)營的Euromax碼頭，是第三代的自動(dòng)化集裝箱碼頭的代表;早期的自動(dòng)化碼頭采用的工藝基本是“雙小車岸橋+AGV自動(dòng)導(dǎo)航拖車+自動(dòng)化軌道吊”的模式，2016年建成的廈門遠(yuǎn)海自動(dòng)化碼頭，是中國第一個(gè)全自動(dòng)化碼頭，也是最先進(jìn)的第四代自動(dòng)化集裝箱碼頭。隨后是青島、上海先后開始自動(dòng)化集裝箱碼頭的建設(shè)，2017年5月投入運(yùn)營的青島港全自動(dòng)化集裝箱碼頭，是亞洲第一個(gè)“真正意義”上的全自動(dòng)化碼頭，該港口實(shí)現(xiàn)了岸橋裝卸無人化，場內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)無人化，堆場無人化及閘口查驗(yàn)的無人化;2017年底，上海洋山港四期碼頭啟動(dòng)運(yùn)營，成為世界規(guī)模最大，自動(dòng)化技術(shù)水平最先進(jìn)的自動(dòng)化碼頭，該港口甚至實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)管理系統(tǒng)的自動(dòng)化和通關(guān)驗(yàn)放自動(dòng)化。

ZPMC公司早從2000年左右就開始為鹿特丹港提供多臺雙小車岸橋和自動(dòng)化軌道吊設(shè)備。此后ZPMC陸續(xù)為韓國釜山港、新加坡PSA港、美國LBCT港提供了數(shù)百臺的岸橋和自動(dòng)化軌道吊設(shè)備，極大地提高了這些港口的自動(dòng)化運(yùn)營水平。尤其是上海洋山港四期碼頭，ZPMC不僅提供了全部岸橋和自動(dòng)化軌道吊等設(shè)備，還提供了整套的自動(dòng)化碼頭智能解決方案。現(xiàn)將四代自動(dòng)化碼頭的一個(gè)集裝箱卸船流程（集裝箱從船上卸下，一般來說需要先放在碼頭堆場存放，類似于快遞包裹到達(dá)中轉(zhuǎn)站進(jìn)行分揀和臨時(shí)儲存）簡單說明如下：碼頭岸邊的一臺橋吊利用吊具從集裝箱船上抓起一只集裝箱，在自動(dòng)化控制系統(tǒng)的控制下，橋吊的小車系統(tǒng)帶著箱子在垂直于海岸線/集裝箱船方向，向岸邊移動(dòng)，到岸上后，將箱子放置在靠近碼頭側(cè)的中轉(zhuǎn)平臺，橋吊靠近陸側(cè)的另外一部小車（同一部橋吊的小車）已經(jīng)就位，并將箱子抓起并放到早在地面等候的一輛自動(dòng)導(dǎo)航拖車（AGV）上，自動(dòng)導(dǎo)航拖車（AGV）提前得到該箱子的目標(biāo)位置信息，沿著地面磁釘開往目標(biāo)堆場區(qū)，自動(dòng)導(dǎo)航拖車（AGV）到達(dá)該堆場后，自動(dòng)化軌道吊隨即將這個(gè)箱子從拖車上抓起，放到碼頭生產(chǎn)管理系統(tǒng)指定的堆場位置，箱子堆放的位置（包括行、列和層等信息）都根據(jù)系統(tǒng)指令來執(zhí)行的。

4 結(jié)束語

電氣自動(dòng)化控制技術(shù)和自動(dòng)化碼頭的發(fā)展給人們的生產(chǎn)以及生活工作提供了許多便利之處，對于我國的國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義與深遠(yuǎn)影響。目前實(shí)現(xiàn)港口智能化、自動(dòng)化是我國港口的主要發(fā)展方向，要將電氣自動(dòng)化和自動(dòng)化碼頭技術(shù)應(yīng)用于港口建設(shè)之中，還要利用更多的先進(jìn)技術(shù)使港口機(jī)械運(yùn)作更加安全化、智能化和自動(dòng)化。在網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天，必須充分利用網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、定位技術(shù)、傳感器技術(shù)，將它們應(yīng)用到我國港口的自動(dòng)化建設(shè)之中。作為進(jìn)出門貿(mào)易的最前端，電氣自動(dòng)化控制技術(shù)和自動(dòng)化碼頭的發(fā)展，提高了我國港口設(shè)備的制造質(zhì)量和運(yùn)轉(zhuǎn)效率，提高了貨物的快速流轉(zhuǎn)，對于我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。

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