裝船機電控系統(tǒng)：科技創(chuàng)新驅(qū)動港口裝卸新未來

裝船機電控系統(tǒng)在港口裝卸作業(yè)中占據(jù)著至關(guān)重要的地位。裝船機通常面臨復(fù)雜的工況，驅(qū)動裝置眾多，裝機功率大。其一般特點包括工況復(fù)雜、驅(qū)動裝置多、裝機功率大等。裝船機的高效運行離不開先進(jìn)的電控系統(tǒng)，它猶如裝船機的 “大腦”，精確地控制著各個部分的動作，確保裝船作業(yè)的順利進(jìn)行。

一、裝船機電控系統(tǒng)

（一）結(jié)構(gòu)組成

裝船機的控制部分由硬線回路、PLC 和通訊線路組成。硬線回路即繼電器與接觸器邏輯電路，為裝船機提供了基礎(chǔ)的電氣控制。PLC（可編程邏輯控制器）則是整機邏輯控制的核心，通過遠(yuǎn)程從站和若干個設(shè)備組成的整機 PLC 鏈接系統(tǒng)，實現(xiàn)對裝船機各個機構(gòu)的精確控制。通訊線路則確保了各個部分之間的信息傳輸暢通無阻。傳動部分包括保護(hù)單元、測量單元、交流變頻電機和變頻逆變器。保護(hù)單元和測量單元為裝船機的安全運行提供了保障，交流變頻電機和變頻逆變器則為裝船機的各個驅(qū)動裝置提供了動力。

（二）主要功能

裝船機具有多種功能，其中伸縮臂架功能使得裝船機能夠適應(yīng)不同距離的裝卸作業(yè)。俯仰臂架升降溜筒功能可以調(diào)整裝船的高度和角度，提高裝船的效率和準(zhǔn)確性。大車行走功能則使裝船機能夠在港口內(nèi)靈活移動，滿足不同位置的裝卸需求。這些功能的協(xié)同作用，使得裝船機能夠高效地完成港口裝卸作業(yè)。據(jù)資料顯示，裝船機可達(dá)到 6000t/h 的生產(chǎn)率，甚至在一些高端設(shè)備中，如巴西 LLX12000t/h 高端超大型裝船機，額定生產(chǎn)率高達(dá) 12000t/h，最大生產(chǎn)率更是達(dá)到了 15000t/h，為世界之最。

二、關(guān)鍵技術(shù)詳解

（一）自動裝船控制

裝船機電控系統(tǒng)的自動裝船控制技術(shù)，能夠自動檢測艙位位置和物料距離。通過先進(jìn)的傳感器技術(shù)，精確感知艙位的具體位置以及物料與裝船機之間的距離。然后，根據(jù)臂架皮帶流量，按照優(yōu)化的作業(yè)路徑控制裝載途徑。這樣的控制方式可以實現(xiàn)均勻裝料，大大提高了裝船效率和質(zhì)量，同時也減輕了操作者的勞動強度。例如，在一些大型港口的裝船作業(yè)中，采用這種自動裝船控制技術(shù)后，裝船效率提高了約 30%，操作者的勞動強度降低了 40% 左右。

（二）臂架俯仰和溜筒控制

臂架俯仰和溜筒控制是裝船機電控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一?；诹匦灩δ埽軌?qū)崿F(xiàn)良好的速度加減速控制和機構(gòu)穩(wěn)定抱閘制動。這確保了臂架俯仰、旋轉(zhuǎn)和溜筒上下、擺動能夠精準(zhǔn)地到達(dá)某一個具體的位置。例如，在實際作業(yè)中，臂架俯仰角度的控制精度可以達(dá)到 ±0.5°，溜筒的擺動位置精度可以達(dá)到 ±1cm，為高效、準(zhǔn)確的裝船作業(yè)提供了有力保障。

（三）精確物料流量統(tǒng)計

精確的物料流量統(tǒng)計對于裝船作業(yè)至關(guān)重要。安裝在臂架皮帶上的電子皮帶秤量裝置能夠精確地記錄和打印出裝載物料的噸位數(shù)。這種電子皮帶秤量裝置具有高精度、高穩(wěn)定性的特點。據(jù)統(tǒng)計，其測量精度可以達(dá)到 ±0.5%，能夠準(zhǔn)確地反映出裝船物料的實際數(shù)量，為港口的物流管理和成本核算提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

（四）標(biāo)準(zhǔn)化軟件設(shè)計模塊

標(biāo)準(zhǔn)化的軟件設(shè)計框架和標(biāo)準(zhǔn)分組程序模塊在裝船機電控系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。標(biāo)準(zhǔn)的故障保護(hù)及停車程序、機構(gòu)運行程序、速度給定處理程序、速度加減速控制程序等，與 MCC 通訊聯(lián)絡(luò)連鎖，實現(xiàn)自動優(yōu)化裝船。這些程序模塊的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時也便于系統(tǒng)的維護(hù)和升級。例如，在故障發(fā)生時，故障保護(hù)程序能夠迅速響應(yīng)，及時停止裝船機的運行，避免事故的擴大。

（五）完善安全保護(hù)

完善的安全保護(hù)是裝船機電控系統(tǒng)不可或缺的一部分。涵蓋臂架溜筒防撞控制、卷筒電纜過緊過松保護(hù)、極限位三級保護(hù)、皮帶打滑、撕裂、拉斷、跑偏保護(hù)、電機過流、過載、超速、失速保護(hù)、油壓過高過低保護(hù)等多方面。這些安全保護(hù)措施確保了整個裝船機械的安全運行，同時也保護(hù)了操作人員的生命安全。例如，在皮帶出現(xiàn)打滑情況時，系統(tǒng)能夠及時檢測到并采取相應(yīng)的保護(hù)措施，避免皮帶進(jìn)一步損壞和可能引發(fā)的安全事故。

（六）人性化 HMI

裝船機人性化的 HMI（人機界面）具有友好的操作界面和智能化的故障處理及設(shè)備維護(hù)功能。能夠顯示各機構(gòu)運行速度、軸承溫度、電機電流電壓、溫度、位置功能及作業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計等信息。這減少了維護(hù)和操作員的工作強度，方便了管理。例如，操作人員可以通過 HMI 界面直觀地了解裝船機的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行處理，提高了工作效率和安全性。

三、系統(tǒng)組成部分

（一）PLC 控制系統(tǒng)

裝船機整機的邏輯控制通過 PLC 得以實現(xiàn)，這一系統(tǒng)的高效性在實際作業(yè)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。整機 PLC 鏈接系統(tǒng)由遠(yuǎn)程從站和若干個設(shè)備組成，其中采用 DHRIO 通訊作為溜筒升降機構(gòu)、臂架俯仰機構(gòu)、臂架伸縮機構(gòu)和大車行走機構(gòu)的總線形式，將它們和司機室的風(fēng)速儀一起與 PLC 柜內(nèi)的 PLC 模塊相鏈接。這樣的連接方式能夠確保即時風(fēng)速信號、重量或幅度限制信號、相關(guān)位置信號準(zhǔn)確無誤地傳送到 PLC，為裝船機的精準(zhǔn)操作提供了數(shù)據(jù)支持。例如，在實際作業(yè)中，當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時，風(fēng)速儀會立即將信號傳送給 PLC，PLC 根據(jù)預(yù)設(shè)的程序?qū)ρb船機的各個機構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，確保裝船機在不同的風(fēng)速條件下都能安全穩(wěn)定地運行。

（二）與中控系統(tǒng)通信

裝船機與中控系統(tǒng)的通信方式多樣，采用硬線和單膜光纜聯(lián)鎖、有線等通信方式，能夠有效地傳遞聯(lián)鎖信號及設(shè)備狀態(tài)信息，并接收中控系統(tǒng)指令。中央控制系統(tǒng)分配 IP 地址，裝船機配置了以太網(wǎng)交換機，連接中控 PLC 系統(tǒng)。通過抗惡環(huán)境的管理以太網(wǎng)交換機，連接 PLC 模塊、PANNELVIEW 等，并預(yù)留了端口及管線通道，用于連接無線 AP，形成與地面計算機網(wǎng)絡(luò)的備份通訊鏈路?？刂葡到y(tǒng)與 CCR 采用光纖工業(yè)以太網(wǎng)通訊方式進(jìn)行通訊，確保了通信的穩(wěn)定性和可靠性。在實際操作中，這種通信方式能夠讓中控系統(tǒng)實時監(jiān)控裝船機的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)并解決問題，提高了裝船作業(yè)的效率和安全性。

（三）主供電回路配置

裝船機采用交流 - 直流 - 交流變頻回路作為電力傳動系統(tǒng)，這一選擇是基于電動機構(gòu)功率較大且數(shù)目較多的特點。采用電氣室電源柜集中供電方式，然后按照負(fù)荷、工作時間、運行效率和功率大小組合各個機構(gòu)分柜。裝船機 6 千伏電源由變電所 6KV 饋線開關(guān)柜提供，通過電纜引到地面中間接線箱，再通過橡膠電纜、電纜卷筒和集電環(huán)，進(jìn)入到機上進(jìn)線柜。從高壓饋線柜饋出后，到變壓器將 6KV 電源變?yōu)?400V 電源。對于各個傳動柜的電源接入來說，普遍采用并聯(lián)的方式供電。由于裝船機上電動機都為感性負(fù)載，所以在總的 400V 電源饋出后，第一路先接入電容補償器，用來提高整個裝船機的功率因數(shù)。這種主供電回路配置方式能夠確保裝船機在不同的工作狀態(tài)下都能穩(wěn)定運行，提高了能源利用效率。

（四）驅(qū)動裝置

行走機構(gòu)驅(qū)動裝置由電機、制動器、減速箱等組成，電機采用三相鼠籠式異步電動機，共用 20 臺電機驅(qū)動。為防止裝船機滑移及在暴風(fēng)時溜車，設(shè)有夾軌器及錨固器。夾軌器可由司機室單獨控制關(guān)閉與打開，在夾軌器關(guān)閉時，在 35m/s 風(fēng)速下裝船機不會出現(xiàn)滑移。同時夾軌器有打開與關(guān)閉狀態(tài)檢測信號，與裝船機行走控制進(jìn)行聯(lián)鎖控制，當(dāng)夾軌器為關(guān)閉狀態(tài)時，裝船機不允許行走。為防止裝船機在最大風(fēng)速 55m/s 的暴風(fēng)時沿軌道滑移，于門架兩側(cè)各設(shè)置一套錨定裝置，該裝置同樣與行走機構(gòu)連鎖，在錨定狀態(tài)下行走機構(gòu)不能動作。裝船機行走距離由行走編碼器測量，數(shù)據(jù)通過 PU10 傳至 PLC。在行走的前端和末端分別設(shè)置防碰開關(guān)，當(dāng)大車行走到軌道終端或兩機互相接近時，防碰限位開頭觸角與止擋接觸，觸角方向改變，便開頭觸點由常閉變?yōu)槌ｉ_，大機的行走進(jìn)度由低速變?yōu)橥Ｖ埂?/p>

俯仰驅(qū)動裝置安裝在塔架上部平臺上，由電動機、減速器、制動器和卷筒，俯仰鋼絲繩組成。為確保安全，設(shè)置兩套制動器，一套設(shè)置在高速軸上，一套設(shè)置在低速軸上。在俯仰范圍內(nèi)，懸臂可以安全地停留在任何位置。俯仰角度有俯仰編碼器測量，其俯仰角度可在司機室 HMI 界面上進(jìn)行顯示。俯仰范圍內(nèi)的最高和最低位置設(shè)置有限位開關(guān)。俯仰速度檢測方面有超速開關(guān)，當(dāng)因傳動軸或齒輪組等損壞造成臂架過速下滑時，超速開關(guān)動作，俯仰變頻器停止輸出，并且安全制動器抱閘。

懸臂伸縮機構(gòu)伸縮驅(qū)動設(shè)置在主臂上，采用雙驅(qū)動型。由電動機、制動器、減速器等組成。在主臂上設(shè)置行程開關(guān)，限制伸縮臂架的最大和最小伸縮距離。小臂伸縮距離由伸縮編碼器測量，同樣其伸縮距離值也顯示在 HMI 界面上。在臂架做上漲動作時，臂架的后方設(shè)置有止擋器，為防止臂架在做上仰運動時撞壞后止擋器，必須要求小臂架縮到后限位，否則臂架停止上漲。同時為了防止伸縮電機過負(fù)荷，程序控制中設(shè)置了超過 35° 檢測，當(dāng)臂架俯仰角度在 35° 以上時，禁止臂架做伸縮運動。

溜筒裝置溜筒驅(qū)動裝置包括溜筒旋轉(zhuǎn)、擺動等裝置，溜筒動作的動力均由液壓站提供。為了保證溜筒旋轉(zhuǎn)的動力，液壓站電機采用 xxxKW 電機。溜筒的旋轉(zhuǎn)動作靠液壓馬達(dá)驅(qū)動而擺動動作由液壓缸形式驅(qū)動。在溜筒平臺及溜筒周圍分別設(shè)置防碰開關(guān)，在溜筒及溜筒平臺即將與船發(fā)生碰撞時觸發(fā)報警并停機。

懸臂皮帶機皮帶機采用尾部驅(qū)動，由電動機、減速機、液力耦合器、制動器、滾筒等組成。驅(qū)動裝置有足夠的能力，在滿載情況下啟動而不出現(xiàn)皮帶打滑現(xiàn)象。另外為保護(hù)皮帶，懸臂皮帶機上還設(shè)置了，皮帶打滑開關(guān)，跑偏開關(guān)，堵料開關(guān)及用于緊急停機的拉繩開關(guān)。這些驅(qū)動裝置的協(xié)同作用，確保了裝船機在各種復(fù)雜工況下都能高效、安全地運行。

五、發(fā)展歷程回顧

早期的裝船機電控系統(tǒng)主要采用傳統(tǒng)的繼電器與接觸器邏輯電路進(jìn)行控制。這種控制方式雖然在一定程度上能夠滿足裝船機的基本操作需求，但存在著諸多局限性。例如，控制精度較低，難以實現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制功能；系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性相對較差，容易出現(xiàn)故障；而且維護(hù)和調(diào)試也比較困難。

隨著科技的不斷進(jìn)步，PLC（可編程邏輯控制器）技術(shù)逐漸應(yīng)用到裝船機電控系統(tǒng)中。PLC 具有高度的可靠性、穩(wěn)定性和靈活性，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制和精確的運動控制。通過 PLC 控制，裝船機的各個機構(gòu)能夠更加精準(zhǔn)地協(xié)同工作，大大提高了裝船作業(yè)的效率和質(zhì)量。

在通信技術(shù)方面，裝船機電控系統(tǒng)也經(jīng)歷了不斷的升級。從最初的有線通信方式，逐漸發(fā)展到采用光纖工業(yè)以太網(wǎng)通訊、無線 AP 等先進(jìn)的通信技術(shù)。這些通信技術(shù)的應(yīng)用，使得裝船機與中控系統(tǒng)之間的信息傳輸更加快速、穩(wěn)定和可靠。例如，國家能源集團(tuán)黃驊港務(wù) 12 號裝船機首次利用 5G 技術(shù)完成煤炭裝船作業(yè)，標(biāo)志著裝船機電控系統(tǒng)在通信技術(shù)方面的重大突破。5G 通信大帶寬、低延時的特點，為裝船機的遠(yuǎn)程控制和智能作業(yè)提供了有力支持。

同時，隨著自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，裝船機電控系統(tǒng)也在不斷向智能化方向邁進(jìn)。例如，裝船機遠(yuǎn)程監(jiān)控信息化運維管理系統(tǒng)解決方案的出現(xiàn)，使得企業(yè)可以隨時隨地查看裝船機的位置分布、數(shù)量類型、所屬客戶、運行狀態(tài)、工作參數(shù)、告警記錄、運維工單等信息，靈活運用遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程維護(hù)等手段提供運維支持，并借助數(shù)據(jù)分析手段進(jìn)行改善與升級。

總之，裝船機電控系統(tǒng)從傳統(tǒng)的繼電器與接觸器邏輯電路發(fā)展到如今的 PLC 控制、通信技術(shù)不斷升級，經(jīng)歷了一個漫長而不斷進(jìn)步的過程。未來，隨著科技的不斷創(chuàng)新，裝船機電控系統(tǒng)必將朝著更加智能化、高效化、安全化的方向發(fā)展。

六、未來趨勢展望

（一）智能化

隨著人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，裝船機電控系統(tǒng)的智能化趨勢愈發(fā)明顯。智能化的電控系統(tǒng)能夠通過不斷學(xué)習(xí)和優(yōu)化，持續(xù)提升自身的控制性能，實現(xiàn)更加精準(zhǔn)和智能的控制。例如，利用人工智能算法對裝船機的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，預(yù)測設(shè)備可能出現(xiàn)的故障，并提前進(jìn)行維護(hù)，從而提高設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。同時，智能電控系統(tǒng)可以根據(jù)不同的作業(yè)環(huán)境和任務(wù)需求，自動調(diào)整裝船機的運行參數(shù)，實現(xiàn)最優(yōu)的裝船效率。據(jù)統(tǒng)計，采用智能化電控系統(tǒng)的裝船機，其裝船效率可提高 20% 以上，維護(hù)成本降低 30% 左右。

（二）多元化

為適應(yīng)不同類型船舶柴油機的需求，裝船機電控技術(shù)的應(yīng)用將更加多樣化。不同類型的船舶柴油機在功率、轉(zhuǎn)速、燃油特性等方面存在差異，需要不同的電控技術(shù)來實現(xiàn)最佳控制效果。例如，對于大型遠(yuǎn)洋貨輪的裝船作業(yè)，可能需要更高功率的電控系統(tǒng)來滿足快速裝船的需求；而對于小型內(nèi)河船舶，可能更注重電控系統(tǒng)的靈活性和節(jié)能性。未來，裝船機電控技術(shù)將根據(jù)不同的船舶類型和作業(yè)場景，提供定制化的解決方案，以滿足多樣化的市場需求。

（三）高效化

隨著對燃油利用率和排放控制要求的不斷提高，裝船機電控技術(shù)也在不斷向高效化發(fā)展。通過優(yōu)化控制算法和傳感器技術(shù)，電控系統(tǒng)可以實現(xiàn)更加高效的燃油利用和排放控制，使裝船機在運行中能夠?qū)崿F(xiàn)最佳的性能和經(jīng)濟效益。例如，采用先進(jìn)的傳感器實時監(jiān)測裝船機的燃油消耗和排放情況，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整電控系統(tǒng)的參數(shù)，實現(xiàn)燃油的精準(zhǔn)噴射和燃燒，降低排放物的含量。同時，高效化的電控系統(tǒng)還可以通過能量回收等技術(shù)，提高能源的利用效率，降低運行成本。據(jù)測算，采用高效化電控技術(shù)的裝船機，其燃油利用率可提高 15% 以上，排放物含量可降低 20% 左右。