港口設備電氣自動化技術分析

任偉

[摘? ? 要]隨著大規模集成電路和微處理器技術、信息技術以及傳感器等技術的發展，以PLC為代表的電氣控制技術在工業自動控制等多個領域都得到應用，并越發成熟。就港口設備電氣自動化控制技術，特別是對自動化碼集裝箱碼頭的發展和現狀展開了論述。

[關鍵詞]港口設備;電氣自動化控制;機床控制技術;PLC;自動化碼頭

[中圖分類號]U653 [文獻標志碼]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 港口電氣自動化技術發展現狀與意義

港口設備電氣自動化技術起源于20世紀的歐洲，在2000年后在全世界范圍內得到了快速的傳播與發展。隨著我國經濟發展和科學技術的進步，尤其是信息技術，網絡技術的發展，第四代自動化碼頭技術在我國港口得到采用，這大幅提高了我國港口的生產效率。在大多數已經使用電氣化自動化技術和自動化碼頭技術的港口，相關邏輯程序的編譯已經做到了相當程度的自主研發，設備調試工作也能由中國工程師完成，然而控制系統采用的相關硬件，如電機、編碼器、變頻器和PLC、軸承等關鍵元器件還是嚴重依賴從歐美等發達國家進口，國產電氣元件和機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。

傳統的港口設備穩定性差，故障率高，安全事故頻發，能耗高，維保成本高企，諸多原因導致港口企業主動尋求減少工作人員，提高港口作業效率的途徑。電氣自動化技術生產和自動化碼頭技術，成為港口企業尋求發展的突破口：自動化技術的采用能減少人員與機械的接觸，人員遠程操作設備，甚至是設備無人執行操作指令，使得安全隱患得到最大程度的控制;自動化碼頭技術的采用，也基本消除了人的不穩定因素以及高成本帶給港口企業的威脅和挑戰。港口的生產效率需要高效的生產管理系統，自動化控制系統可以實現港口對于設備實施統一、實時、智能、最優調度。如果港口在科技蓬勃發展的大背景下，不對自身業務流程進行創新和優化，會逐漸面臨落后和被淘汰的命運。電氣自動化控制技術和自動化碼頭技術的應用，可以實現港口設備的自動化控制，節省資源、提高機械的運轉效率，能夠有效地降低相應的人工、物資及財務成本，實現港口建設向無人化、智能化、低碳環保方向全面進展。在港口設備自動化控制工作開展過程中，港口企業可以利用強大的生產管理系統實現對港口具體操作的控制，通過遠程數據的收集和利用，讓港口運營過程變得靈活、便捷，使港口設備的運行擁有更強的安全性和可維護性。

2 電氣自動化控制技術的特征

2.1 設備操作的便捷性和安全性

對于港口半自動化設備，設備操作員只需要在操作室的屏幕進行確認任務操作，即能完成大部分的裝卸動作，而全自動化設備，甚至只需操作員在遠程進行任務確認，就能完成整個裝卸動作。而傳統的人工操作模式，需要操作人員登上設備操作，操作的效率和穩定性極其依賴操作人員的技術水平和經驗。

由于使用了大量的編碼器、傳感器/掃描儀和監控攝像頭，設備的各個運作過程都處于高穩定性、高精度、高安全性狀態。絕大部分會導致相關設備損壞的操作和故障，都可以第一時間被停止和及時排除，在達到設備操作便捷性的前提下，同時保證了設備操作的安全性。在傳統的集裝箱碼頭，設備操作員需要進入碼頭，登上位于設備最高處的操作室（一般稱司機室），高溫，暴雨等惡劣天氣下，很容易出現人員或設備的損失。采用了自動化軌道吊后，操作員的工作環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備情況，在高清攝像頭的幫助下，操作員可以準確抓取擺放，而且系統允許通過一個操作臺對多臺設備進行作業操作，極大地降低了操作員的工作難度，整個過程游戲性、趣味性極強，極大地提高了操作員的工作積極性。

2.2 港口設備數據傳輸的高速和準確性

隨著電氣自動化控制技術發展，光纖、無線通訊和5G通訊技術在港口的應用，港機設備單機、港機設備與碼頭生產管理系統、港機設備之間的數據、圖形視頻等生產相關數據的傳輸可以達到現代化港口需要的高速和準確性。在10多年前，在國內外的一些碼頭，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查看設備運行數據的技術人員，而隨著電氣自動化技術的采用，尤其是自動化碼頭技術的發展，集裝箱信息和設備的運行數據等關鍵數據，都可以很輕松地在碼頭生產管理系統中得到，準確性和及時性大幅提高。

2.3 設備維修保養的方便

目前，電氣自動化系統通過編程語言進行編譯，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調整。采用自動化控制系統后的碼頭生產管理系統，在生產數據采集、分析和統計上的全面和精確性也極大滿足了港口企業對于設備維修保養以及生產活動管理的需要。

3 電氣自動化控制技術的應用

3.1 單臺設備及港口自動化控制系統的應用

電氣自動化控制和自動化碼頭技術不僅可以實現單臺設備的自動化功能，在應用中也可以實現港口大數據監測（具體設計方案如圖1所示）;通過數據中心監測，通過電氣自動化控制技術使得碼頭中央中心能夠對碼頭運營的各個部門、設備運營狀態得到實時的監控，操作數據得到安全高效的處理，發生故障和異常情況下能夠第一時間通知港口維修保養人員。

在大數據監測中，能有效采集實時數據，有助于高效完成現場監控，減少事故發生，提高工作效率。如上海的洋山四期全自動化碼頭，碼頭的岸橋、場橋、全自動集卡轉運車以及碼頭中控系統都實現了全自動化控制。

另外港口企業需要優化作業流程，結合自動化技術不斷提高港口生產，滿足客戶需求。例如，對于在集裝箱港口的集裝箱場內轉運及堆放，需要根據實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車、自動集卡轉運車、軌道吊和集卡車等流機設備進行實時的現場控制和調度。對于故障的處理要及時有效，基于相關模型，采集到實時數據進行檢測，如圖2所示。

3.2 機床控制技術的發展

由于在過去的生產環節中，港口的機械制造加工經常存在精度不高和質量低下等問題。而現代化港口的建設，對于設備使用的零配件的性能有更高的要求。為了解決這一問題，港口設備及零配件制造企業應該對港口設備的生產以及加工等環節實施電氣自動化技術創新和有效管理。零配件，尤其是機械零配件的生產加工，最關鍵的是車床控制技術的發展。車床的控制技術，同樣逐步向著自動控制方面發展。車床的控制技術經歷了從手動控制，繼電器，接觸器控制到順序控制器控制的轉變，半導體元件的應用具有決定性的作用;隨著計算機技術的發展，出現了以微型計算機為基礎，具有編程、存儲、邏輯控制和數值運算功能的可編程控制器（PLC），PLC控制系統具有接線方便、編程簡單、抗干擾性強、性能可靠和通用性強等特點，是機床控制系統的一次性能飛躍;隨后出現的數字控制機床，具有高效率，高精度，高柔性等特點，這個時候的數控裝置由硬件邏輯電路來組成，接著出現的是計算機數控機床，接著出現了由一臺計算機控制多臺數控機床的直接數控系統，也稱計算機群控（DNC）系統和自適應數控（AC）機床，隨后計算機群控（DNC）系統在20世紀90年代后被柔性系統（FMS）所取代，柔性制造系統由一臺中心計算機控制整個機械加工自動生產線，由數控機床、工業機器人、自動搬運車、自動檢測設備和自動化倉庫所組成。更加成熟的機床技術是計算機集成制造系統（CIMS），它是由柔性制造系統（FMS）加上計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助質量檢查（CAQ）及計算機信息管理系統構成。可以說計算機集成制造系統代表當代機械加工的最高水平，保證了機械零配件加工的高精度，為港口設備的電氣自動化控制以及自動化碼頭的建設奠定了堅實的基礎。

3.3 自動化碼頭的發展

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

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化軌道吊設備。此后ZPMC陸續為韓國釜山港、新加坡PSA港、美國LBCT港提供了數百臺的岸橋和自動化軌道吊設備，極大地提高了這些港口的自動化運營水平。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化軌道吊等設備，還提供了整套的自動化碼頭智能解決方案。現將四代自動化碼頭的一個集裝箱卸船流程（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中轉站進行分揀和臨時儲存）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，在自動化控制系統的控制下，橋吊的小車系統帶著箱子在垂直于海岸線/集裝箱船方向，向岸邊移動，到岸上后，將箱子放置在靠近碼頭側的中轉平臺，橋吊靠近陸側的另外一部小車（同一部橋吊的小車）已經就位，并將箱子抓起并放到早在地面等候的一輛自動導航拖車（AGV）上，自動導航拖車（AGV）提前得到該箱子的目標位置信息，沿著地面磁釘開往目標堆場區，自動導航拖車（AGV）到達該堆場后，自動化軌道吊隨即將這個箱子從拖車上抓起，放到碼頭生產管理系統指定的堆場位置，箱子堆放的位置（包括行、列和層等信息）都根據系統指令來執行的。

4 結束語

電氣自動化控制技術和自動化碼頭的發展給人們的生產以及生活工作提供了許多便利之處，對于我國的國民經濟的發展具有重要意義與深遠影響。目前實現港口智能化、自動化是我國港口的主要發展方向，要將電氣自動化和自動化碼頭技術應用于港口建設之中，還要利用更多的先進技術使港口機械運作更加安全化、智能化和自動化。在網絡和信息技術飛速發展的今天，必須充分利用網絡信息技術、定位技術、傳感器技術，將它們應用到我國港口的自動化建設之中。作為進出門貿易的最前端，電氣自動化控制技術和自動化碼頭的發展，提高了我國港口設備的制造質量和運轉效率，提高了貨物的快速流轉，對于我國的經濟發展具有重要意義。

參考文獻

[1] 馮國輝.港口機械電氣自動化技術與控制探討[J].名城繪，2019（2）：1.

[2] 孟奇.港口設備電氣自動化技術的應用與探索[J].中國科技投資，2018（15）：266.