港口機械電氣自動化技術與控制研究

劉成龍 及朋成

（河北華電曹妃甸儲運有限公司，河北唐山 063200）

0 引言

近年來，隨著我國海上貿易的繁榮發展，港口貨物吞吐量呈現明顯的上升趨勢，港口作業的質量、效率、技術水平等方面也提出了更高要求。在此背景下，傳統時期人工化、半自動化的作業模式、技術機制已經無法滿足實踐需求，港口作業的現代化、自動化與智能化改革勢在必行。所以，有必要從港口機械作業優化的視角出發，對電氣自動化技術及其控制運用展開研究探討。

1 港口機械電氣自動化技術與控制的運用原理

在港口作業中，電氣自動化技術會在不同機械設備、生產環節中表現出差異化的運用效果，但其基本運用原理與底層控制邏輯是相對統一的。具體來講，可歸納為采集、處理、輸出、刷新4 個階段。

第一，采集階段。實現數據信息的有效采集是港口機械自動化系統發揮控制調節作用的前提和基礎。一方面，系統控制中心可通過機械設備內部的通信結構對設備各部位、各電機的工作參數進行獲取，從而明確設備實際運行狀態；另一方面，系統控制中心還可通過溫度、影像、光學、掃描等多種傳感裝置對港口機械所處的工況環境做出感知。這樣一來，控制前港口作業的相關數據信息便能全面輸入自動化系統，為后續的控制行為提供指令條件與執行依據。

第二，處理階段。在完成港口作業數據信息的采集獲取后，自動化系統便會執行多種處理程序，對工況環境、設備狀態、作業條件等進行運算分析。在此背景下，一方面，系統可以按照預設程序對港口機械的作業行為進行自動規劃；另一方面，也可以對機械設備各項參數的達標性進行評估判斷。若有參數處在標準區間以外，則需要運算具體的控制變化數值，并以此作為港口機械控制調整的輸出量。

第三，輸出階段。自動化系統完成數據信息的分析處理后，控制中心便會基于輸出量發出控制指令，從而通過驅動設備電機、調節工作參數、切換作業模式等方式對港口機械實際的作業情況進行控制。在此基礎上，若存在聯動、告警等需求，控制中心還可向總控平臺、遠程終端等發送數據信息，從而實現港口生產作業情況的有效反饋[1]。

第四，刷新階段。一個周期的控制流程運行結束后，自動化系統便可將輸出量或實測量重新作為輸入量，并再次按照特定的程序邏輯、順序規則實施控制行為，循環運行采集、處理、輸出、刷新等各個階段。如此一來，便能達到動態化、精確化的技術運用效果，并保證港口機械控制活動始終與生產作業的標準要求相契合。

2 港口機械電氣自動化技術與控制的運用優勢

將電氣自動化技術及相關控制機制運用到港口機械作業實踐中，主要可表現出如下優勢和特點。

第一，控制標準化。在港口作業領域，無論是各類機械設備的施工動作、運行參數，還是港口貨物的裝載時間、卸貨方位、堆垛安全距離等都有著相當高的精確度、標準化要求。然而，人工化、半自動化的機械控制模式難免存在一定波動性，難以充分滿足實際作業要求。相比之下，自動化系統具有程序控制、信息量化的特點，因此能保持高精度、高穩定性的指令輸出與動作執行效果，實現港口機械的標準化控制。第二，響應及時化。在實際運行過程中，自動化系統會與各類傳感裝置、通信裝置建立持續協作關系，全程化、動態化地對現場工況、設備狀態等信息進行采集與分析。所以，一旦出現工況變化或設備異常，自動化系統能第一時間感知和定位，并隨即做出針對性的指令反饋與控制動作。這樣一來，既能將港口作業的效率、質量提升至較高水平，也能避免設備處在帶病運轉、故障延伸的消極狀態中，從而有效防止港口生產事故的發生。第三，管控綜合化。在電氣自動化技術與控制的運用背景下，自動化系統對港口機械的控制并不限于機械設備本身，還強調港口作業的整體協調與全面優質。例如，在實際運行過程中，自動化系統可對上一環節的施工進度、工況信息進行采集分析，并據此對港口機械的運行動線、作業參數實施針對性的規劃調整。由此，港口作業體系中各環節的銜接流暢度將大幅提升，機械控制的效果也會更好。

3 港口機械電氣自動化技術與控制的運用表現

3.1 電氣自動化技術在港口機械裝卸控制中的運用

在港口貨物的裝卸施工方面，電氣自動化技術能夠發揮出可觀的運用效力。

首先，在物聯網絡的支持下，自動化系統可對現場的多種裝卸設備實施協調化、流程化控制，從而保證各裝卸環節的密切銜接、高效運作。例如，在貨運船舶進入裝卸區域穩定停靠后，系統控制中心可通過GPS 定位器、現場影像傳感器對船舶位置進行及時感知。在此基礎上，以采集到的空間信息為依據，控制多臺卸船機移動到船舶貨艙處，并對船上貨物進行卸貨處理。通過指令操控的方式引導卸船機將已卸貨物轉移至帶式傳送機上，從而將貨物運送到駁船、運輸車或陸地卸貨點。基于特定的動線、定位信息發出運輸指令，引導海上運輸工具或陸地運輸工具將貨物轉移到堆場倉儲區域或用戶收貨地。一方面能保證卸貨作業有條不紊地運行，從而避免人工作業可能導致的流程混亂、低效生產等問題；另一方面，基于自動化系統控制中心的整體規劃、聯動管控，各作業環節也不會出現信息不對等的情況，從而有效規避銜接、輸送等過程中的偏誤風險[2]。

其次，在港口機械的裝貨作業中，電氣自動化技術也能做到保質量、保效率、保安全。一方面，在正式開展裝貨作業之前，自動化系統可以通過采取各項定位數據、現場信息對裝貨流程、裝貨動線形成清晰的規劃安排，并通過大數據算法保證流程結構、動線方案的最優化。這樣一來，斗輪機、皮帶機、裝船機、起吊機等機械設備便能在高效、順暢的程序控制下完成裝貨作業任務；另一方面，與傳統人工控制模式相比，電氣自動化技術的系統控制更具穩定性與精確性。因此，機械設備在執行吊裝、移動、下放等貨物裝載動作的過程中，能全程做到勻速、平穩，既有助于保障港口作業現場人、機、貨的安全性，也能將實際作業質量維持在理想范圍內[3]。

最后，在實施港口機械裝卸控制的過程中，自動化系統可實現3 個層次的監控，分別為過程控制層、控制管理層和生產管理層。在此背景下，系統不僅能分析工況信息、發出控制指令、規范設備動作，還能通過工業控制網絡或智能物聯網絡將相關港口生產信息發送給管理計算機、主站服務器、監控工作站、遠程操作站、移動終端設備等多個對象，并實現具體數據信息的圖形、報表等可視化呈現。相關工作人員便能對港口機械裝卸作業的實際情況充分掌握，并據此實施決策、調度、干預、檢修等后續工作。

3.2 電氣自動化技術在港口機械堆垛控制中的運用

在港口作業領域，倉儲堆垛是十分重要的施工環節。在該環節中，將電氣自動化技術作為核心，實現傳感、測量、通信等多種技術的聯動運用，達到規范化、理想化的機械作業控制效果。

首先，可將不同種類貨物的堆垛形式、堆垛要求輸入程序信息，并配以針對性的控制機制。通過視覺傳感器、編碼掃描儀等裝置采集到貨物種類信息，系統便可驅動堆垛機械執行高匹配度的作業行為。例如，在貨物運至堆場后，系統若掃描識別貨物為角鋼、扁鋼等型鋼材料，可自動控制堆垛機械將貨物堆垛為一字垛型。若掃描識別貨物為卷鋼板、盤圓等材料，則可自動控制堆垛機將貨物堆垛為梯垛型[4]。

其次，港口貨物的堆垛間距存在諸多控制要求。例如，在同一堆場中，相鄰貨物堆垛之間的距離應在0.5m以上。同時，若堆垛現場存在機械作業區、軌道設施等，貨物堆垛與機械、軌道等的間距應控制在1.5m 以上。此外，貨物堆垛還應與消防設施保持一定的安全距離，最小不應低于1m。對此，若采取手動測量、人工處理的堆垛間距控制方式，既難以做到精準無誤，也不利于堆場空間的高效利用。而在電氣自動化技術的運用背景下，自動化系統一方面能依托機器人視覺技術與激光測距技術實現貨物堆垛安全距離的精準控制；另一方面，也能統籌分析場地面積、貨物堆垛數量、單體堆垛面積等多項數據，對港口貨物的堆場平面實施網格化分區處理，從而達到提高堆場空間資源利用率的目的。

最后，受惠于電氣自動化技術的功能支持，堆垛機械還能建立變頻調速的控制機制，進而在連續堆垛作業中實現“前后慢，中間快”的變速處理。既能保證貨物在移動堆垛過程中的穩定性、安全性，也能避免因運行速度過快而出現的堆垛距離不精確問題，從而實現堆垛質量與堆垛效率的同步提升[5]。

3.3 電氣自動化技術在港口機械故障處理中的運用

將電氣自動化技術運用到港口機械故障處理中，對于保障港口生產安全與設備使用壽命具有重要意義。一方面，傳統時期的機械故障檢修行為大多開展在停機階段，既難以保證故障感知、故障處理的及時性，也難以判定故障或隱患發生的時間。而在電氣自動化技術的支持下，這種問題可以得到有效解決。在裝卸、運輸、堆垛等港口機械的作業實踐過程中，自動化系統可實時采集設備的各項運行參數，并將其與預設的標準值或標準區間進行同步比對。在此前提下，一旦設備發生故障問題，或出現超負荷運行、故障臨界運行等情況，其運行參數勢必出現異常變化。此時，自動化系統便能直接感知，并在發出調節、告警等指令的同時，對相關故障點位、故障時間、故障類型、變化數值等信息進行記錄[6]。這樣一來，便可達到在線診斷、在線處理的效果，并為后續的檢修處理工作提供可靠依據。另一方面，自動化系統對港口機械故障問題的分析并不限于實際工況，還可做到趨勢分析、前瞻分析、模擬分析等。所以，通過運用電氣自動化技術，系統或人員還可對港口機械可能發生的變化趨勢、故障風險進行提前感知，從而做出預先性的控制行為，以降低機械運行風險，為機械設備作業質量的提升與使用壽命的延長提供切實保障[7]。

3.4 電氣自動化技術在港口機械操作識別中的運用

在港口機械作業中，要嚴格保證專人、專崗、專機。一旦出現越權操作、違規作業等情況，將對港口作業的安全性與穩定性構成嚴重威脅。將電氣自動化技術運用到港口機械的控制實踐中，能夠顯著增強系統對駕駛者、操控者的身份識別能力[8]。首先，應根據現有港口生產作業的組織結構與崗位體系，將人員身份、權限等級、設備編號等相關信息輸入到系統數據庫中，從而夯實港口機械操作識別的控制基礎。其次，建立射頻卡片識別、人臉識別、指紋識別、密碼識別等識別機制，并做好相關軟硬件設施的配置工作。最后，編制自動化的身份識別與權限認證程序，并實現控制中心、數據庫與識別模塊的連通。當人員進入機械設備駕駛艙或后臺控制區，并申請執行設備控制動作時，自動化系統便可通過射頻識別器、人臉識別裝置等對人員信息進行采集分析。若人員身份合格，則港口機械可順利開放操控權限。反之，若人員身份比對不正確，系統將不予啟動。通過這樣的方式能夠保證港口機械操控的專業性和合規性，進而從主體角度保證機械作業的落實質量[9]。

4 結論

將電氣自動化技術及其控制機制運用到港口機械作業當中，能夠促進作業質量、作業效率、作業安全等多方面的同步提升。在相關實踐中，基于電氣自動化技術的機械控制系統能夠對現場工況、設備狀態進行充分感知，并結合預設程序、控制邏輯規劃出標準化的控制決策。由此，便能對港口機械實施自動化、精確化的控制調節，將整體作業效果維持在較高水平。