港口設(shè)備電氣自動(dòng)化技術(shù)分析

曹端亮

國(guó)家能源集團(tuán)黃驊港務(wù)公司 河北滄州 061113

港口運(yùn)輸效率直接受到港口自動(dòng)化程度影響，為滿足日益增長(zhǎng)的進(jìn)出口貿(mào)易量需要，如何進(jìn)一步提升港口自動(dòng)化程度已成為業(yè)界關(guān)注焦點(diǎn)，本文研究的港口設(shè)備電氣自動(dòng)化技術(shù)屬于實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵。

1 港口設(shè)備電氣自動(dòng)化的意義和推行策略

1.1 港口設(shè)備電氣自動(dòng)化的意義分析

對(duì)于港口運(yùn)輸效率來(lái)說(shuō)，港口設(shè)備的自動(dòng)化程度及運(yùn)行穩(wěn)定性帶來(lái)的影響極為深遠(yuǎn)。在我國(guó)港口設(shè)備建設(shè)過(guò)程中，很多港口在技術(shù)方面投入的資金并不大，這雖然一定程度上節(jié)約了成本，但同時(shí)也導(dǎo)致港口設(shè)備電氣自動(dòng)化水平遜色于發(fā)達(dá)國(guó)家。對(duì)于我國(guó)現(xiàn)階段港口設(shè)備的更新和發(fā)展來(lái)說(shuō)，提升電氣自動(dòng)化水平屬于必須達(dá)成的目標(biāo)，以此提升港口設(shè)備運(yùn)行效率，進(jìn)出口貿(mào)易量日益增長(zhǎng)催生的相關(guān)需求方可順利滿足。為保證經(jīng)濟(jì)建設(shè)與發(fā)展中港口充分發(fā)揮自身作用，應(yīng)關(guān)注電氣自動(dòng)化技術(shù)在港口設(shè)備中的應(yīng)用，港口設(shè)備的效率和安全可由此更好得到保障，進(jìn)出口貿(mào)易需求的滿足也可同時(shí)獲得有力支持，本文研究的現(xiàn)實(shí)意義可見一斑[1]。

1.2 推行港口設(shè)備電氣自動(dòng)化的策略

為掃平電氣自動(dòng)化技術(shù)在港口設(shè)備中的應(yīng)用障礙，真正推行港口設(shè)備電氣自動(dòng)化，本文建議從四個(gè)方面入手開展相關(guān)探索。第一，轉(zhuǎn)變建設(shè)觀念。為保證電氣自動(dòng)化技術(shù)較好應(yīng)用于港口設(shè)備的更新與改造，人力和資金的支持必不可缺，這樣港口的安全性和運(yùn)行效率方可得到保障，因此，相關(guān)單位必須一改傳統(tǒng)觀念，以往 “經(jīng)濟(jì)利益大于天” 的思想必須被舍棄，同時(shí)需要做到對(duì)長(zhǎng)遠(yuǎn)利于和短期利益的正視。港口設(shè)備使用人員也需要認(rèn)識(shí)到電氣自動(dòng)化的重要性、必要性及意義，以此提供人力、物力、精神、物質(zhì)等方面的共同支持，即可有效推進(jìn)港口電氣自動(dòng)化；第二，積極學(xué)習(xí)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)港口經(jīng)驗(yàn)?？紤]到電氣自動(dòng)化技術(shù)在港口設(shè)備中的應(yīng)用會(huì)涉及重點(diǎn)技術(shù)種類和技術(shù)難點(diǎn)，為及時(shí)改善和解決相關(guān)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀現(xiàn)代化港口的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)必須充分學(xué)習(xí)，由此從港口設(shè)備電氣自動(dòng)化探索問(wèn)題中吸取經(jīng)驗(yàn)，即可在推行電氣自動(dòng)化技術(shù)的過(guò)程中規(guī)避同類問(wèn)題；第三，引進(jìn)先進(jìn)的管理技術(shù)。電氣自動(dòng)化技術(shù)既廣且雜，因此相關(guān)單位需強(qiáng)化與電氣自動(dòng)化企業(yè)間的聯(lián)系，在推進(jìn)港口設(shè)備電氣自動(dòng)化改造的過(guò)程中，還需要同時(shí)改善管理技術(shù)，以此將管理技術(shù)與電氣自動(dòng)化技術(shù)相結(jié)合，港口設(shè)備運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性、高效性即可更好得到保障；第四，提升相關(guān)人員專業(yè)技術(shù)水平。對(duì)于港口設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)說(shuō)，基層人員在其中發(fā)揮著關(guān)鍵性作用，因此電氣自動(dòng)化技術(shù)在港口設(shè)備中的應(yīng)用必須重點(diǎn)培養(yǎng)和提升基層人員的技術(shù)能力，通過(guò)針對(duì)性強(qiáng)化，即可保證基層人員更好服務(wù)于港口設(shè)備電氣自動(dòng)化操作，港口設(shè)備電氣自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用中的可行性保障、優(yōu)勢(shì)發(fā)揮也能夠順利實(shí)現(xiàn)，保證港口安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)轉(zhuǎn)[2]。

2 港口設(shè)備電氣自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用路徑

對(duì)于港口設(shè)備電氣自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，基于PLC 技術(shù)的相關(guān)探索近年來(lái)大量涌現(xiàn)，這是由于PLC 技術(shù)具備操作簡(jiǎn)單便捷、硬件優(yōu)越性突出、性價(jià)比高、快速處理信息、智能化、自動(dòng)化等優(yōu)勢(shì)，因此本節(jié)將結(jié)合PLC 技術(shù)從三方面簡(jiǎn)單探討港口設(shè)備電氣自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用路徑。

2.1 港口傳送帶運(yùn)輸機(jī)

對(duì)于港口大量布置的傳送帶運(yùn)輸機(jī)，可依托PLC 技術(shù)建設(shè)PLC 控制系統(tǒng)，以此實(shí)現(xiàn)電氣自動(dòng)化。傳送帶運(yùn)輸機(jī)中的PLC 控制系統(tǒng)需采用分布式控制結(jié)構(gòu)，具體應(yīng)由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置、現(xiàn)場(chǎng)控制裝置、控制站組成，同時(shí)還需要結(jié)合實(shí)際需要設(shè)置集中控制器、工作人員操作裝置、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控屏幕、服務(wù)器裝置。一般情況下，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置傳遞的信息，控制站即可自動(dòng)開展分析并發(fā)出信息至控制裝置，集中控制器在這一過(guò)程中發(fā)揮協(xié)同作用，為PLC 控制系統(tǒng)和中央控制中心的數(shù)據(jù)通訊及交互共享（TCP/IP 協(xié)議下）提供服務(wù)。在PLC 技術(shù)的支持下，港口傳送帶運(yùn)輸機(jī)的自動(dòng)化應(yīng)用和遠(yuǎn)距離控制均可順利實(shí)現(xiàn)，這種電氣自動(dòng)化探索能夠保證無(wú)人狀態(tài)下港口傳送帶運(yùn)輸機(jī)的平穩(wěn)、安全運(yùn)行，在節(jié)省人力的同時(shí)順利完成貨物傳輸任務(wù)。

2.2 港口散貨智能堆場(chǎng)

對(duì)于散貨港口堆場(chǎng)的吞吐能力直接決定了港口的吞吐能力。基于PLC 技術(shù)的電氣自動(dòng)化建設(shè)可實(shí)現(xiàn)散貨堆場(chǎng)的智能化。黃驊港運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)證明了基于PLC 的智能化堆場(chǎng)是可行的，也是很有意義的。堆場(chǎng)是港口生產(chǎn)的緩沖點(diǎn)，既要通過(guò)對(duì)堆料設(shè)備的合理利用，最大化滿足卸車需求；同時(shí)要最大化挖掘取料設(shè)備的性能，盡快完成裝船作業(yè)。智能堆場(chǎng)系統(tǒng)的目的是改變現(xiàn)有堆場(chǎng)單機(jī)的運(yùn)行操作模式，實(shí)現(xiàn)堆場(chǎng)單機(jī)的安全自動(dòng)作業(yè)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要優(yōu)先明確系統(tǒng)細(xì)致功能需求以及系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。黃驊港智能堆場(chǎng)系統(tǒng)主要由7 個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成：堆場(chǎng)定位系統(tǒng)、堆場(chǎng)模型系統(tǒng)、單機(jī)防碰撞系統(tǒng)、堆場(chǎng)管理系統(tǒng)、取料機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)、堆料機(jī)控制系統(tǒng)以及集控系統(tǒng)[3]。

2.3 港口集裝箱橋式起重機(jī)

對(duì)于港口生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，集裝箱橋式起重機(jī)的重要性極高，一般港口會(huì)在集裝箱橋式起重機(jī)中設(shè)立裝卸橋，港口集裝箱運(yùn)輸可由此獲得便利，集裝箱運(yùn)輸效率也能夠得到保障。為保證港口集裝箱橋式起重機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，電氣自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用需結(jié)合其工作性質(zhì)，同時(shí)還需要關(guān)注其存在的較強(qiáng)系數(shù)數(shù)據(jù)交互能力。在PLC 技術(shù)的應(yīng)用中，需充分利用其邏輯編程系統(tǒng)，以此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互的網(wǎng)絡(luò)化，信息共享系統(tǒng)可同時(shí)依托PLC 技術(shù)形成，PLC 技術(shù)負(fù)責(zé)控制命令的提供，自動(dòng)化技術(shù)需負(fù)責(zé)進(jìn)行港口集裝箱橋式起重機(jī)數(shù)據(jù)信息監(jiān)測(cè)，由此建成的系統(tǒng)即可為運(yùn)輸傳送效率提升、運(yùn)行穩(wěn)定性保障提供支持。結(jié)合不同機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，PLC 技術(shù)可收集數(shù)據(jù)并以此為依據(jù)開展針對(duì)性的維護(hù)，基于PLC 技術(shù)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、自我檢測(cè)、故障警報(bào)、數(shù)據(jù)收集反饋等功能也可同時(shí)實(shí)現(xiàn)。在PLC 技術(shù)支持下，港口集裝箱橋式起重機(jī)的故障發(fā)生幾率降低和故障處理速度提升均可順利實(shí)現(xiàn)。

3 港口設(shè)備電氣自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐

3.1 思路分析

傳統(tǒng)的集裝箱起重機(jī)往往在自動(dòng)化方面存在欠缺，這種欠缺與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法存在密切關(guān)聯(lián)，因此本文結(jié)合電氣自動(dòng)化技術(shù)，從結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)角度提出了新的港口設(shè)備電氣自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用路徑。對(duì)于港口自動(dòng)化集裝箱起重機(jī)來(lái)說(shuō)，其由5 個(gè)主要設(shè)備組成，包括智能起重配裝器、上/ 下平衡集裝梁、自動(dòng)化機(jī)械軸子、箱體稱重機(jī)構(gòu)，各設(shè)備均在裝卸任務(wù)完成中發(fā)揮關(guān)鍵性作用。結(jié)合相關(guān)實(shí)踐，本文將結(jié)合電氣自動(dòng)化技術(shù)優(yōu)化智能起重配裝器接入操作、上/ 下平衡集裝梁受力分配、自動(dòng)化機(jī)械軸子結(jié)構(gòu)、箱體稱重機(jī)構(gòu)。

3.2 接入操作優(yōu)化

接入操作優(yōu)化需圍繞智能起重配裝器入手，基于裝卸需求，該部件可實(shí)現(xiàn)對(duì)集裝箱體質(zhì)量的整體確定。同時(shí)能夠?qū)ζ鹬貦C(jī)壓力分布比例進(jìn)行科學(xué)設(shè)定，智能起重配裝器連接狀態(tài)直接影響受力分配，上/ 下平衡集裝梁受到的影響極為深遠(yuǎn)，為提升其電氣自動(dòng)化性能，必須優(yōu)化接入操作。在港口裝卸貨物的過(guò)程中，結(jié)合輪距設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸機(jī)構(gòu)，智能起重配裝器可由此轉(zhuǎn)換壓力信息為特征參數(shù)，并向機(jī)械配置庫(kù)傳輸特征參數(shù)，接入操作可由此完成。如機(jī)械配置庫(kù)的連接需求能夠由特征參數(shù)所滿足，配裝器中的壓力信息即可由數(shù)據(jù)傳輸機(jī)構(gòu)繼續(xù)轉(zhuǎn)換，而考慮到這一過(guò)程中可能出現(xiàn)的轉(zhuǎn)換失敗問(wèn)題，為規(guī)避該問(wèn)題，可降低10% 的壓力上限值，以此進(jìn)一步開展轉(zhuǎn)換，直至機(jī)械配置庫(kù)的接入要求能夠由特征參數(shù)滿足。通過(guò)上述方式優(yōu)化接入操作，上/ 下平衡集裝梁的受力分配即可更好獲得智能起重配裝器的支持[4]。

3.3 受力分配優(yōu)化

受力分配優(yōu)化需圍繞上/ 下平衡集裝梁展開，結(jié)合上文提及的相關(guān)優(yōu)化，需從設(shè)計(jì)層面開展受力分配的分析。考慮到集裝箱起重機(jī)裝卸傳輸與上平衡集裝梁構(gòu)造相關(guān)，且上平衡集裝梁在貨物裝卸過(guò)程中主要負(fù)責(zé)局部壓力的緩解，因此需要存在舒展、平直的上平衡集裝梁結(jié)構(gòu)。結(jié)合實(shí)物進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，引繩連接處為上平衡梁中間的突起部分，該部分可為繩索連接提供輔助，如上平衡集裝梁承載極限遠(yuǎn)高于裝卸貨物總質(zhì)量遠(yuǎn)，引繩連接結(jié)構(gòu)也可不單獨(dú)設(shè)置。對(duì)于較大的裝卸貨物總質(zhì)量，為避免箱體在裝卸過(guò)程中的傾斜，可科學(xué)設(shè)立固定連接結(jié)構(gòu)，具體位置為上平衡集裝梁表面，數(shù)量為2 個(gè)，用于兩端連接繩索和智能起重配裝器的相關(guān)連接，根據(jù)箱體質(zhì)量的不同，可針對(duì)性調(diào)節(jié)繩索長(zhǎng)短，由此可保證始終存在處于額定限度下的上平衡集裝梁承受承載力；分析下平衡集裝梁可以發(fā)現(xiàn)，兩片梁體擋板分別在兩端設(shè)置，梁體擋板同時(shí)負(fù)責(zé)輔助平衡和預(yù)防平衡勾滑行。多個(gè)平衡勾設(shè)置于下平衡梁的正下端，以此強(qiáng)化傳輸鐵索連接，具體需結(jié)合梁面長(zhǎng)短針對(duì)性控制平衡勾的數(shù)量，在加設(shè)平衡勾、附著擋板、固定螺母支持下，對(duì)上/ 下平衡集裝梁進(jìn)行優(yōu)化分配，實(shí)現(xiàn)平直狀態(tài)的控制，設(shè)備運(yùn)行效率即可得到保障。

3.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

結(jié)構(gòu)優(yōu)化需圍繞自動(dòng)化機(jī)械軸子展開，在集裝箱起重機(jī)頂部設(shè)置有自動(dòng)化機(jī)械軸子，其作用效果直接受到上/ 下平衡集裝梁存在的傾斜角度影響，因此自動(dòng)化機(jī)械軸子結(jié)構(gòu)的設(shè)定需要以處于平直狀態(tài)的上/ 下平衡集裝梁為前提。結(jié)合上文提及的受力分配結(jié)果，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化機(jī)械軸子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)置，貨物下滑作用可同時(shí)規(guī)避。作為重要的連接結(jié)構(gòu)，港口集裝箱起重機(jī)中的自動(dòng)化機(jī)械軸子需要適當(dāng)固定各項(xiàng)起重操作，無(wú)需具備高強(qiáng)度物理壓力承載能力。對(duì)于具備相對(duì)較輕物理承壓能力的平型軸子來(lái)說(shuō)，底部平面的平坦設(shè)計(jì)可保證機(jī)械軸子壓力的分配均勻，避免相關(guān)損壞問(wèn)題。對(duì)于具備防止貨物下滑能力的中空型軸子來(lái)說(shuō)，中空型軸子的側(cè)平面與底部可直接穿過(guò)傳輸線索或鐵索，裝卸貨物時(shí)的起重機(jī)可自由滑動(dòng)于線索（或鐵索）上，貨物下滑問(wèn)題可由此規(guī)避。自動(dòng)化機(jī)械軸子的組成較為復(fù)雜，包括外固定結(jié)構(gòu)、機(jī)械主軸、固定桿、機(jī)械空腔、穩(wěn)定槽、自動(dòng)滑塊、機(jī)械連接軸、軸頂、軸頂帽體、前機(jī)械軸。軸頂保護(hù)結(jié)構(gòu)為軸頂帽體，負(fù)責(zé)物理壓力承載，自動(dòng)滑塊的自由移動(dòng)可基于裝卸作業(yè)進(jìn)度控制，如存在過(guò)大的物理壓力承載，明顯下降的軸頂所在結(jié)構(gòu)體會(huì)因此出現(xiàn)，而在機(jī)械空腔支持下，即可規(guī)避損壞問(wèn)題，這源于機(jī)械空腔在可壓縮能力方面具備的優(yōu)勢(shì)。

3.5 箱體稱重機(jī)構(gòu)優(yōu)化

箱體稱重機(jī)構(gòu)相較于港口自動(dòng)化集裝箱起重機(jī)的核心執(zhí)行單元，上文提及的自動(dòng)化機(jī)械軸子、智能起重配裝器等則屬于不同硬件單元。對(duì)于具備數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、載重等功能的箱體稱重機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，在保持不變的裝卸貨物質(zhì)量前提下，基于集裝箱稱重情況，參數(shù)信息可通過(guò)智能起重配裝器針對(duì)性反饋，這一過(guò)程中可確定載重?cái)?shù)值，這里涉及的箱體稱重機(jī)構(gòu)屬于典型的中介性結(jié)構(gòu)，可用于同其他設(shè)備結(jié)構(gòu)的連接，圖1 為港口集裝箱起重機(jī)整體框架圖。

3.6 港口自動(dòng)化集裝箱起重機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

為更好應(yīng)用電氣自動(dòng)化技術(shù)，還需要針對(duì)性優(yōu)化港口自動(dòng)化集裝箱起重機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。對(duì)于港口集裝箱起重機(jī)來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)參數(shù)帶來(lái)的影響極為關(guān)鍵，因此必須對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)置和調(diào)整，以此保證靈活裝卸目標(biāo)能夠順利實(shí)現(xiàn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化程度提升。具體優(yōu)化可結(jié)合基于多自由度的自動(dòng)化設(shè)計(jì)方法，通過(guò)獲取多自由度參數(shù)，進(jìn)而針對(duì)性開展全局坐標(biāo)系設(shè)置和約束計(jì)算，即可在ANSYS 軟件支持下完成建模，最終可順利實(shí)現(xiàn)相關(guān)參數(shù)的高精度獲取，港口設(shè)備電氣自動(dòng)化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)自然可更好發(fā)揮。具體優(yōu)化需關(guān)注多自由度參數(shù)獲取、全局坐標(biāo)系建立、約束性參數(shù)耦合、參數(shù)化模型建立，模型需涉及平均裝卸時(shí)間、裝卸移動(dòng)距離、水平全局系數(shù)、豎直全局系數(shù)等參數(shù)，以此更好為電氣自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，港口設(shè)備電氣自動(dòng)化技術(shù)的實(shí)用價(jià)值極高。在此基礎(chǔ)上，本文研究的相關(guān)內(nèi)容則為該技術(shù)的應(yīng)用提供了現(xiàn)實(shí)路徑，如港口集裝箱橋式起重機(jī)、港口散貨智能堆場(chǎng)等內(nèi)容。為更好為港口設(shè)備提供服務(wù)，電氣自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用還需要進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)現(xiàn)代港口大型化、智能化、自動(dòng)化建設(shè)需求的研究，以此科學(xué)引入和利用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新型技術(shù)，這屬于筆者下一步的研究重點(diǎn)。