港口设备电气自动化技术分析

任伟

[摘    要]随着大规模集成电路和微处理器技术、信息技术以及传感器等技术的发展，以PLC为代表的电气控制技术在工业自动控制等多个领域都得到应用，并越发成熟。就港口设备电气自动化控制技术，特别是对自动化码集装箱码头的发展和现状展开了论述。

[关键词]港口设备;电气自动化控制;机床控制技术;PLC;自动化码头

[中图分类号]U653 [文献标志码]A [文章编号]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 港口电气自动化技术发展现状与意义

港口设备电气自动化技术起源于20世纪的欧洲，在2000年后在全世界范围内得到了快速的传播与发展。随着我国经济发展和科学技术的进步，尤其是信息技术，网络技术的发展，第四代自动化码头技术在我国港口得到采用，这大幅提高了我国港口的生产效率。在大多数已经使用电气化自动化技术和自动化码头技术的港口，相关逻辑程序的编译已经做到了相当程度的自主研发，设备调试工作也能由中国工程师完成，然而控制系统采用的相关硬件，如电机、编码器、变频器和PLC、轴承等关键元器件还是严重依赖从欧美等发达国家进口，国产电气元件和机械部件的性能以及软件程序的编译水平仍有较大的提升空间。

传统的港口设备稳定性差，故障率高，安全事故频发，能耗高，维保成本高企，诸多原因导致港口企业主动寻求减少工作人员，提高港口作业效率的途径。电气自动化技术生产和自动化码头技术，成为港口企业寻求发展的突破口：自动化技术的采用能减少人员与机械的接触，人员远程操作设备，甚至是设备无人执行操作指令，使得安全隐患得到最大程度的控制;自动化码头技术的采用，也基本消除了人的不稳定因素以及高成本带给港口企业的威胁和挑战。港口的生产效率需要高效的生产管理系统，自动化控制系统可以实现港口对于设备实施统一、实时、智能、最优调度。如果港口在科技蓬勃发展的大背景下，不对自身业务流程进行创新和优化，会逐渐面临落后和被淘汰的命运。电气自动化控制技术和自动化码头技术的应用，可以实现港口设备的自动化控制，节省资源、提高机械的运转效率，能够有效地降低相应的人工、物资及财务成本，实现港口建设向无人化、智能化、低碳环保方向全面进展。在港口设备自动化控制工作开展过程中，港口企业可以利用强大的生产管理系统实现对港口具体操作的控制，通过远程数据的收集和利用，让港口运营过程变得灵活、便捷，使港口设备的运行拥有更强的安全性和可维护性。

2 电气自动化控制技术的特征

2.1 设备操作的便捷性和安全性

对于港口半自动化设备，设备操作员只需要在操作室的屏幕进行确认任务操作，即能完成大部分的装卸动作，而全自动化设备，甚至只需操作员在远程进行任务确认，就能完成整个装卸动作。而传统的人工操作模式，需要操作人员登上设备操作，操作的效率和稳定性极其依赖操作人员的技术水平和经验。

由于使用了大量的编码器、传感器/扫描仪和监控摄像头，设备的各个运作过程都处于高稳定性、高精度、高安全性状态。绝大部分会导致相关设备损坏的操作和故障，都可以第一时间被停止和及时排除，在达到设备操作便捷性的前提下，同时保证了设备操作的安全性。在传统的集装箱码头，设备操作员需要进入码头，登上位于设备最高处的操作室（一般称司机室），高温，暴雨等恶劣天气下，很容易出现人员或设备的损失。采用了自动化轨道吊后，操作员的工作环境得到了极大的改善，恶劣天气对于操作员的影响基本可以忽略。

操作员只需要来到码头中控的操作台前，通过面前的多块显示屏来查看设备情况，在高清摄像头的帮助下，操作员可以准确抓取摆放，而且系统允许通过一个操作台对多台设备进行作业操作，极大地降低了操作员的工作难度，整个过程游戏性、趣味性极强，极大地提高了操作员的工作积极性。

2.2 港口设备数据传输的高速和准确性

随着电气自动化控制技术发展，光纤、无线通讯和5G通讯技術在港口的应用，港机设备单机、港机设备与码头生产管理系统、港机设备之间的数据、图形视频等生产相关数据的传输可以达到现代化港口需要的高速和准确性。在10多年前，在国内外的一些码头，有各种各样的操作人员：有的是在岸边忙碌记录集装箱信息的工人，有的是在岸桥理货室仔细查看设备运行数据的技术人员，而随着电气自动化技术的采用，尤其是自动化码头技术的发展，集装箱信息和设备的运行数据等关键数据，都可以很轻松地在码头生产管理系统中得到，准确性和及时性大幅提高。

2.3 设备维修保养的方便

目前，电气自动化系统通过编程语言进行编译，然后通过翻译语言功能可以将编程语言翻译成可视化的界面，有利于工作人员和操作人员操作和参数调整。采用自动化控制系统后的码头生产管理系统，在生产数据采集、分析和统计上的全面和精确性也极大满足了港口企业对于设备维修保养以及生产活动管理的需要。

3 电气自动化控制技术的应用

3.1 单台设备及港口自动化控制系统的应用

电气自动化控制和自动化码头技术不仅可以实现单台设备的自动化功能，在应用中也可以实现港口大数据监测（具体设计方案如图1所示）;通过数据中心监测，通过电气自动化控制技术使得码头中央中心能够对码头运营的各个部门、设备运营状态得到实时的监控，操作数据得到安全高效的处理，发生故障和异常情况下能够第一时间通知港口维修保养人员。

在大数据监测中，能有效采集实时数据，有助于高效完成现场监控，减少事故发生，提高工作效率。如上海的洋山四期全自动化码头，码头的岸桥、场桥、全自动集卡转运车以及码头中控系统都实现了全自动化控制。

另外港口企业需要优化作业流程，结合自动化技术不断提高港口生产，满足客户需求。例如，对于在集装箱港口的集装箱场内转运及堆放，需要根据实际的提箱装箱需求以及码头堆场利用情况，集装箱港口要对跨运车、自动集卡转运车、轨道吊和集卡车等流机设备进行实时的现场控制和调度。对于故障的处理要及时有效，基于相关模型，采集到实时数据进行检测，如图2所示。

3.2 机床控制技术的发展

由于在过去的生产环节中，港口的机械制造加工经常存在精度不高和质量低下等问题。而现代化港口的建设，对于设备使用的零配件的性能有更高的要求。为了解决这一问题，港口设备及零配件制造企業应该对港口设备的生产以及加工等环节实施电气自动化技术创新和有效管理。零配件，尤其是机械零配件的生产加工，最关键的是车床控制技术的发展。车床的控制技术，同样逐步向着自动控制方面发展。车床的控制技术经历了从手动控制，继电器，接触器控制到顺序控制器控制的转变，半导体元件的应用具有决定性的作用;随着计算机技术的发展，出现了以微型计算机为基础，具有编程、存储、逻辑控制和数值运算功能的可编程控制器（PLC），PLC控制系统具有接线方便、编程简单、抗干扰性强、性能可靠和通用性强等特点，是机床控制系统的一次性能飞跃;随后出现的数字控制机床，具有高效率，高精度，高柔性等特点，这个时候的数控装置由硬件逻辑电路来组成，接着出现的是计算机数控机床，接着出现了由一台计算机控制多台数控机床的直接数控系统，也称计算机群控（DNC）系统和自适应数控（AC）机床，随后计算机群控（DNC）系统在20世纪90年代后被柔性系统（FMS）所取代，柔性制造系统由一台中心计算机控制整个机械加工自动生产线，由数控机床、工业机器人、自动搬运车、自动检测设备和自动化仓库所组成。更加成熟的机床技术是计算机集成制造系统（CIMS），它是由柔性制造系统（FMS）加上计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助质量检查（CAQ）及计算机信息管理系统构成。可以说计算机集成制造系统代表当代机械加工的最高水平，保证了机械零配件加工的高精度，为港口设备的电气自动化控制以及自动化码头的建设奠定了坚实的基础。

3.3 自动化码头的发展

港口自动化操作的实现最早出现在欧洲的第一大港荷兰的鹿特丹港，其中以1993年投入运营的ECT码头作为代表，是第一代自动化集装箱码头，随后建成自动化集装箱码头分别位于英国伦敦、日本川崎和新加坡港;2002年投入运营的德国汉堡港的CTA码头，这是第二代的自动化集装箱码头的代表;同样是在荷兰鹿特丹2008年投入运营的Euromax码头，是第三代的自动化集装箱码头的代表;早期的自动化码头采用的工艺基本是“双小车岸桥+AGV自动导航拖车+自动化轨道吊”的模式，2016年建成的厦门远海自动化码头，是中国第一个全自动化码头，也是最先进的第四代自动化集装箱码头。随后是青岛、上海先后开始自动化集装箱码头的建设，2017年5月投入运营的青岛港全自动化集装箱码头，是亚洲第一个“真正意义”上的全自动化码头，该港口实现了岸桥装卸无人化，场内转运无人化，堆场无人化及闸口查验的无人化;2017年底，上海洋山港四期码头启动运营，成为世界规模最大，自动化技术水平最先进的自动化码头，该港口甚至实现了生产管理系统的自动化和通关验放自动化。

ZPMC公司早从2000年左右就开始为鹿特丹港提供多台双小车岸桥和自动化轨道吊设备。此后ZPMC陆续为韩国釜山港、新加坡PSA港、美国LBCT港提供了数百台的岸桥和自动化轨道吊设备，极大地提高了这些港口的自动化运营水平。尤其是上海洋山港四期码头，ZPMC不仅提供了全部岸桥和自动化轨道吊等设备，还提供了整套的自动化码头智能解决方案。现将四代自动化码头的一个集装箱卸船流程（集装箱从船上卸下，一般来说需要先放在码头堆场存放，类似于快递包裹到达中转站进行分拣和临时储存）简单说明如下：码头岸边的一台桥吊利用吊具从集装箱船上抓起一只集装箱，在自动化控制系统的控制下，桥吊的小车系统带着箱子在垂直于海岸线/集装箱船方向，向岸边移动，到岸上后，将箱子放置在靠近码头侧的中转平台，桥吊靠近陆侧的另外一部小车（同一部桥吊的小车）已经就位，并将箱子抓起并放到早在地面等候的一辆自动导航拖车（AGV）上，自动导航拖车（AGV）提前得到该箱子的目标位置信息，沿着地面磁钉开往目标堆场区，自动导航拖车（AGV）到达该堆场后，自动化轨道吊随即将这个箱子从拖车上抓起，放到码头生产管理系统指定的堆场位置，箱子堆放的位置（包括行、列和层等信息）都根据系统指令来执行的。

4 结束语

电气自动化控制技术和自动化码头的发展给人们的生产以及生活工作提供了许多便利之处，对于我国的国民经济的发展具有重要意义与深远影响。目前实现港口智能化、自动化是我国港口的主要发展方向，要将电气自动化和自动化码头技术应用于港口建设之中，还要利用更多的先进技术使港口机械运作更加安全化、智能化和自动化。在网络和信息技术飞速发展的今天，必须充分利用网络信息技术、定位技术、传感器技术，将它们应用到我国港口的自动化建设之中。作为进出门贸易的最前端，电气自动化控制技术和自动化码头的发展，提高了我国港口设备的制造质量和运转效率，提高了货物的快速流转，对于我国的经济发展具有重要意义。

参考文献

[1] 冯国辉.港口机械电气自动化技术与控制探讨[J].名城绘，2019（2）：1.

[2] 孟奇.港口设备电气自动化技术的应用与探索[J].中国科技投资，2018（15）：266.