引言

門機(jī)智能化自動(dòng)化改造可以提供諸多益處，包括提高效率、增強(qiáng)安全性、降低成本和提升操作便捷性。使用傳感器技術(shù)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析與處理以及人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等多種技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)門機(jī)的智能化自動(dòng)化。

在過去的時(shí)間中，新一代信息技術(shù)的高速發(fā)展讓自動(dòng)化碼頭變成中國(guó)智慧港口建設(shè)的主要表現(xiàn)。相關(guān)研究人員指出，與傳統(tǒng)碼頭相對(duì)比，自動(dòng)化碼頭能夠?qū)崿F(xiàn)散貨的裝卸和水平運(yùn)輸?shù)炔襟E的全步驟自動(dòng)化作業(yè)。智慧港口將云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)以及大數(shù)據(jù)等全新信息技術(shù)和港口運(yùn)輸業(yè)務(wù)全面融合作為核心，表現(xiàn)了生產(chǎn)的智能化、管理智慧化和保障有力等鮮明特點(diǎn)。智慧港口系統(tǒng)中包括智慧物流、智慧調(diào)度以及智慧決定、智慧監(jiān)督以及智能支撐保證等子系統(tǒng)。最近幾年來(lái)，港口智能化程度已經(jīng)變成判斷港口競(jìng)爭(zhēng)力的主要指標(biāo)。我國(guó)各個(gè)港口抓住數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的時(shí)機(jī)，建設(shè)智慧港口，帶領(lǐng)全球港口實(shí)現(xiàn)高速發(fā)展，爭(zhēng)取在智能港口領(lǐng)域取得領(lǐng)先地位。

1、門座式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理

門座式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)主要包括門座、吊臂、起重機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、行走運(yùn)行機(jī)構(gòu)還有支撐機(jī)構(gòu)等部分。門座為起重機(jī)基座，吊臂借助回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和門座相連，可以自由旋轉(zhuǎn)。起重機(jī)構(gòu)安裝在吊臂的一端，可以通過升降和橫移來(lái)實(shí)現(xiàn)物品的吊裝和搬運(yùn)。支撐機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)保證起重機(jī)在工作時(shí)的穩(wěn)定性和移動(dòng)性。

門座式起重機(jī)的工作原理基于物體的力學(xué)和機(jī)械傳動(dòng)原理。通過起重機(jī)構(gòu)的升降和橫移，可以實(shí)現(xiàn)物品的垂直吊裝和水平搬運(yùn)?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可以使吊臂進(jìn)行360度旋轉(zhuǎn)，適應(yīng)不同的工作角度。支撐機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)則保證起重機(jī)在工作時(shí)的穩(wěn)定性和移動(dòng)性。

2、自動(dòng)化控制技術(shù)在門座式起重機(jī)上的應(yīng)用

PLC自動(dòng)化控制原理具體包含對(duì)數(shù)字量、模擬量等數(shù)據(jù)信息的輸入與輸出管控環(huán)節(jié)，而且要結(jié)合指定的編程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與算法步驟，精確的評(píng)判與辨別計(jì)算結(jié)果的精準(zhǔn)性與合法性。PLC技術(shù)可以被廣泛地運(yùn)用在相關(guān)工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域中，表現(xiàn)出比較強(qiáng)大的自動(dòng)管控效果，還可以提高工業(yè)控制系統(tǒng)裝置的綜合性運(yùn)用效果。

2.1 門座式起重機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)

門機(jī)自動(dòng)化能夠讓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化的運(yùn)轉(zhuǎn)。其中，三維激光掃描儀主要掃描船艙口以及內(nèi)部的物料情況，從而形成三維信息數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)收集控制器對(duì)信息船舶信息還有外部天氣信息進(jìn)行收集與整理，研究外部因素對(duì)作業(yè)的影響程度，從而逐漸的優(yōu)化控制計(jì)算方法。在操作過程中，能夠經(jīng)由司機(jī)親自操作觸摸屏料堆的三維立體圖形，選定抓斗的位置。而且，可以借助智能三維數(shù)據(jù)收集和處理軟件，自動(dòng)算出最精準(zhǔn)的抓料位置，司機(jī)結(jié)合實(shí)際狀況，確定好自動(dòng)作業(yè)方式。

2.2 遠(yuǎn)程控制技術(shù)

在PLC站內(nèi)進(jìn)行編程，能夠?qū)崿F(xiàn)門機(jī)的自動(dòng)化操作。在司機(jī)室聯(lián)動(dòng)臺(tái)的位置，設(shè)定遠(yuǎn)程操作面板，實(shí)現(xiàn)作業(yè)操作。例如，開關(guān)按鈕、手柄等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程化的操作。而且，操作站還需配備一個(gè)與中控室PLC站實(shí)現(xiàn)即時(shí)性通信的HMI操控系統(tǒng)，借助HMI人機(jī)交互界面能夠?qū)﹂T機(jī)開展參數(shù)設(shè)計(jì)和狀態(tài)顯示。這樣，就可以在遠(yuǎn)程操作站上通過HMI系統(tǒng)對(duì)門機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控。

2.3 視頻監(jiān)控技術(shù)

門機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)包含高清攝像頭、顯示器、硬盤、錄像機(jī)等機(jī)構(gòu)。其借助網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)聯(lián)通，能夠?qū)崟r(shí)性的活動(dòng)每個(gè)位置的電視數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)的視頻信息。視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)的目標(biāo)是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)門機(jī)作業(yè)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。通過調(diào)節(jié)和更新門機(jī)當(dāng)前的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，而且增加攝像頭總數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)良好的監(jiān)控效果。門機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)攝像頭分布如圖1。

圖1門機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)攝像頭分布

2.4 遠(yuǎn)程通信技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)門機(jī)與中控室之間的遠(yuǎn)程通信，要對(duì)原本的通信路由進(jìn)行改進(jìn)。尤其是要解決門機(jī)上部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)件借助滑環(huán)連接線纜，從而保證信號(hào)的平穩(wěn)傳播。結(jié)合用戶現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施以及線纜的實(shí)際狀況，需要制定適當(dāng)?shù)姆桨浮?/p>

目前，可以采用光纖或無(wú)線通信模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。光纖通信可以提供高速、穩(wěn)定的信號(hào)傳輸，適用于較長(zhǎng)距離的通信需求。而無(wú)線通信模塊可以選擇工業(yè)無(wú)線通信電臺(tái)或5G通信技術(shù)，可以提供靈活的無(wú)線連接，適用于中小距離的通信需求。

2.5 高精度定位技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)定位的精準(zhǔn)性，能夠結(jié)合每一個(gè)機(jī)構(gòu)的特征以及安裝的方法，增設(shè)不同的定位裝置。其中，常用的定位裝置包括增量型編碼器、絕對(duì)值編碼器以及北斗/GPS差分定位系統(tǒng)等。增量型編碼器可以通過測(cè)量機(jī)構(gòu)的線性或旋轉(zhuǎn)位移，提供準(zhǔn)確的相對(duì)位置信息。絕對(duì)值編碼器可以提供每個(gè)位置的獨(dú)立編碼，以實(shí)現(xiàn)精確的絕對(duì)位置測(cè)量。RFID位置檢測(cè)系統(tǒng)可以通過無(wú)線射頻信號(hào)識(shí)別門機(jī)所處的位置，提供實(shí)時(shí)的定位信息。北斗/GPS差分定位系統(tǒng)則可以通過衛(wèi)星定位和差分校正，提供精確的全局定位信息。

2.6 激光掃描技術(shù)

為了更好地實(shí)現(xiàn)門機(jī)的遠(yuǎn)程化作業(yè)以及全自動(dòng)化作業(yè)，可以考慮在門機(jī)上安裝高精度的激光掃描儀，并開發(fā)相應(yīng)的三維圖像處理軟件。通過設(shè)置激光掃描儀，能夠?qū)崿F(xiàn)即時(shí)性地了解作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的船舶、料堆以及料斗的情況。掃描儀將采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)傳輸至三維圖像處理軟件。

根據(jù)圖2所示，激光雷達(dá)可以安裝在帶斗門機(jī)的適當(dāng)位置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的準(zhǔn)確掃描和數(shù)據(jù)采集。安裝高清準(zhǔn)度的激光掃描儀，了解現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況。開發(fā)三維圖像處理分析軟件，把激光掃描儀所收集的云數(shù)據(jù)做出調(diào)節(jié)與精準(zhǔn)的計(jì)算，之后轉(zhuǎn)換成為三維圖像而且形象的呈現(xiàn)在畫面之中，提取卸料還有抓料以及防撞程序要監(jiān)控的數(shù)據(jù)內(nèi)容，同時(shí)計(jì)算出船艙物料的實(shí)際體積、重量等情況，并且回饋到管控系統(tǒng)。帶斗門機(jī)激光雷達(dá)安裝位置見圖2。

圖2帶斗門機(jī)激光雷達(dá)安裝位置

2.7 防碰撞技術(shù)

針對(duì)門機(jī)臂架防碰撞方面的問題，能夠使用軟件以及硬件防碰撞2種方案。其中，所謂的軟件防碰撞是借助門機(jī)機(jī)構(gòu)的建模與實(shí)時(shí)性的定位，結(jié)合船舶和地面固定構(gòu)筑物的三維建模的實(shí)際情況，計(jì)算出空間范圍，進(jìn)而確定門機(jī)與船舶，相鄰門機(jī)以及地面固定構(gòu)筑物事項(xiàng)相互的動(dòng)態(tài)性防碰撞的安全距離。軟件會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)門機(jī)結(jié)構(gòu)的位置和動(dòng)作狀態(tài)，并根據(jù)預(yù)設(shè)的安全距離參數(shù)進(jìn)行判斷和預(yù)警，以避免發(fā)生碰撞事故。硬件防碰撞方案就是在門機(jī)的大車機(jī)構(gòu)與變幅機(jī)構(gòu)上面安裝有防碰撞的雷達(dá)器。這些傳感器會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境中的障礙物，并根據(jù)設(shè)定的參數(shù)確定安全距離。當(dāng)門機(jī)接近或超過安全距離時(shí)，傳感器會(huì)向控制系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)，觸發(fā)相應(yīng)的防碰撞措施，如停止或調(diào)整門機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡，以確保安全作業(yè)進(jìn)行。

2.8、防搖技術(shù)

對(duì)于門機(jī)抓斗的防搖問題，可以采用仿真建模、速度計(jì)算和力學(xué)分析等多種手段來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)防搖的處理方法。這是實(shí)現(xiàn)門機(jī)全自動(dòng)化以及遠(yuǎn)程化的主要效應(yīng)。

綜合性采用仿真建模、力學(xué)分析以及速度計(jì)算等不同的方法，可以組成一套全面的抓斗防搖的解決方案。通過預(yù)測(cè)和優(yōu)化門機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡、控制運(yùn)動(dòng)速度和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以有效地實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)防搖，保證作業(yè)效率，同時(shí)提高抓斗的穩(wěn)定性和安全性。這將為門機(jī)的遠(yuǎn)程化、全自動(dòng)化作業(yè)提供可靠的支持，并克服防搖問題在實(shí)施方案中的瓶頸。

3、門機(jī)自動(dòng)化作業(yè)流程

3.1 半自動(dòng)流程

半自動(dòng)流程需要門機(jī)的司機(jī)手動(dòng)進(jìn)行起升的高度還有卸料的具體位置，同時(shí)系統(tǒng)的記錄相關(guān)的內(nèi)容。司機(jī)手動(dòng)選擇取料的位置，而且管控抓斗確保其降落在取料點(diǎn)的位置上，激活半自動(dòng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，這時(shí)半自動(dòng)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)提升、變幅還有回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的管理，將抓斗閉緊以后提高到設(shè)計(jì)的安全高度，之后平穩(wěn)的、無(wú)擺動(dòng)的把抓斗移動(dòng)到料斗上面，并且自動(dòng)定位到所設(shè)計(jì)好的卸料地點(diǎn)以后打開斗，放料，放料結(jié)束以后抓斗就會(huì)自動(dòng)回到原來(lái)的取料點(diǎn)。司機(jī)能夠隨時(shí)手動(dòng)進(jìn)行管控，半自動(dòng)程序在司機(jī)手動(dòng)介入的時(shí)候自動(dòng)的消除。

3.2 全自動(dòng)流程

門機(jī)司機(jī)手動(dòng)設(shè)計(jì)好卸料點(diǎn)的位置，系統(tǒng)記錄下有關(guān)的位置，司機(jī)手工控制料斗降落到取料點(diǎn)的物料上方。這個(gè)時(shí)候，結(jié)合實(shí)際作業(yè)所需選擇船只的型號(hào)還有作業(yè)的數(shù)據(jù)以及模式以后，開啟激光掃描系統(tǒng)，在激光掃描系統(tǒng)掃描完成之后，司機(jī)按下啟動(dòng)按鈕，將全自動(dòng)系統(tǒng)激活運(yùn)轉(zhuǎn)，門機(jī)會(huì)按照自動(dòng)生成的作業(yè)目標(biāo)點(diǎn)按照順序分別抓取。在門機(jī)完成抓取、卸料以后，會(huì)自動(dòng)地運(yùn)轉(zhuǎn)到下一個(gè)取料地點(diǎn)進(jìn)行作業(yè)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化的抓取和卸貨。物料在轉(zhuǎn)移的環(huán)節(jié)中，抓斗保持平穩(wěn)的狀態(tài)，沒有任何搖擺，并且可以高效的避免和船艙以及船舷發(fā)生碰撞，整個(gè)過程不需要司機(jī)進(jìn)行操作。司機(jī)能夠隨時(shí)地進(jìn)行手動(dòng)控制，全自動(dòng)程序在司機(jī)手動(dòng)介入的時(shí)候會(huì)自動(dòng)地解除。全自動(dòng)作業(yè)僅僅局限于船艙物料之中，在船艙內(nèi)物料比較少或者是在清倉(cāng)作業(yè)的時(shí)候，能夠開展手動(dòng)作業(yè)或者是半自動(dòng)作業(yè)。

4、門座式起重機(jī)定位檢測(cè)

4.1 起升機(jī)構(gòu)定位檢測(cè)

在卷筒輸出軸的位置安裝絕對(duì)值編碼器以及凸輪限位，經(jīng)過卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)以及角度計(jì)算出抓斗的高度，借助絕對(duì)值編碼器轉(zhuǎn)換成為起升的運(yùn)轉(zhuǎn)長(zhǎng)度。

4.2 變幅機(jī)構(gòu)定位檢測(cè)

在變幅機(jī)構(gòu)的位置上安裝絕對(duì)值編碼器，對(duì)變化的角度進(jìn)行精準(zhǔn)的計(jì)算，應(yīng)用臂架的實(shí)際變換角度與長(zhǎng)度，計(jì)算出臂架的真實(shí)高度數(shù)值。在大臂底部設(shè)置傳感器，檢測(cè)變幅的角度以及檢驗(yàn)絕對(duì)值編碼器。

4.3 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)定位檢測(cè)

將從動(dòng)齒輪安裝在門機(jī)大齒圈的位置上，同時(shí)將多圈絕對(duì)值編碼器安裝在從動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)軸的位置上，利用編碼器讀數(shù)計(jì)算門機(jī)回轉(zhuǎn)的度數(shù)。在門機(jī)大齒圈處，設(shè)置一個(gè)感應(yīng)塊，同時(shí)配備兩個(gè)電感式接近開關(guān)（角度為180度）。每一個(gè)電感式接近開關(guān)感應(yīng)到感性塊的位置為確定好的回轉(zhuǎn)角度（+90度與-90度），在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)到相對(duì)應(yīng)的角度，對(duì)應(yīng)的感應(yīng)開關(guān)動(dòng)作。使用這一感應(yīng)開關(guān)的動(dòng)作當(dāng)成回轉(zhuǎn)角度編碼器數(shù)值，進(jìn)而矯正位置。

4.4 行走機(jī)構(gòu)定位檢測(cè)

在門機(jī)行走機(jī)構(gòu)的位置安裝1個(gè)自由輪，安裝絕對(duì)值編碼器在自由輪的出軸上側(cè)，利用自由輪的恒定半徑計(jì)算經(jīng)過的整個(gè)距離。

4.5 抓斗防搖、定位改造

抓斗防搖

因?yàn)殚T座式起重機(jī)擁有360度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，在旋轉(zhuǎn)方向上會(huì)產(chǎn)生變幅方向的離心力，使得旋轉(zhuǎn)方向上的擺動(dòng)還有變幅方向上的搖晃加在一起，增添了防搖定位的困難度。為了符合自動(dòng)化運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)防搖定位系統(tǒng)的精確度以及實(shí)時(shí)性的基本要求，要借助變頻器對(duì)變幅與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)開展實(shí)時(shí)性速度管控，進(jìn)而去除擺角。為了實(shí)現(xiàn)最好的防搖效果，使用內(nèi)置防搖定位功能板塊的變頻器實(shí)現(xiàn)抓斗的防搖定位，會(huì)讓這個(gè)系統(tǒng)具備各個(gè)機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)情況之下的自動(dòng)防搖效果。

抓斗定位

借助對(duì)固定卸料點(diǎn)位置的分辨或者是設(shè)計(jì)，在抓斗運(yùn)轉(zhuǎn)到這個(gè)點(diǎn)的正上方的時(shí)候，并且垂直距離在設(shè)定的范圍之內(nèi)的時(shí)候，搭配防搖技術(shù)，抓斗可以穩(wěn)定地停留在目標(biāo)位置上，也就是自動(dòng)定位的功能，并且在起升，變幅以及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上安裝絕對(duì)值編碼器從而實(shí)現(xiàn)精確的定位。

5、結(jié)論

門機(jī)的自動(dòng)化革命，相比于傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)人工手動(dòng)操作設(shè)備，具有非常明顯的優(yōu)點(diǎn)：一是，更加安全，在改造門機(jī)自動(dòng)化以后，相比之前更加的精確，從根本上解決因人為操作造成的機(jī)損或者是安全事故等。與此同時(shí)，因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)工作人員的大幅減少，出現(xiàn)人員受傷等安全事故的概率會(huì)顯著降低。二是更高效，在門機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化升級(jí)改造以后，門機(jī)單斗循環(huán)的時(shí)間可以實(shí)現(xiàn)人工作業(yè)的平均值，而且每一次斗抓取的效率相比之前更加地高，這會(huì)讓裝卸作業(yè)的工作效率明顯提高。除此之外，門機(jī)司機(jī)的工作環(huán)境也有了明顯的改進(jìn)。他們從以往的機(jī)上高強(qiáng)度現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操控改變?yōu)橹锌厥业淖詣?dòng)模式下開展的遠(yuǎn)程監(jiān)控。這不但讓工作更加的舒心，而且也減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。另外，經(jīng)過自動(dòng)化升級(jí)改造后，門機(jī)的作業(yè)線上人員可減少70%以上，這能夠有效地降低港口的人力成本支出，具備更好的經(jīng)濟(jì)效益。