谈港口机械电气自动化技术与控制

梁晋榕

广州港工程管理有限公司

1 前言

在港口机械设备装卸作业过程中，很多机械设备要进行长期的重复性工作，如果全凭人力操作，会浪费很多的人力资源，还会造成工作效率低下。司机长期作业在司机设备室内，经常因设备晃动带来的晕眩、炎热天气造成的中暑等问题带来了人身安全隐患。为了提高效率及解决安全隐患，许多港口已经开始探索如何对旧的港口装卸设备进行改造，如何将自动化控制技术应用在港口装卸生产过程中，南沙某港口在这方面取得了卓越的成效，通过采用自动化控制技术，将司机从装卸设备上转移到远程控制室内，远程控制装卸过程中的吊具开闭锁功能，改进PLC控制系统并结合优越的算法程序，使得岸桥的起升及运行过程更高效、更节能，采用先进的CPS集卡引导系统，最终实现了从装卸到水平运输全过程的半自动化控制水平，装卸现场不再需要大量的工人协助设备生产。然而，在装卸设备半自动化生产过程中，依然存在一些问题，为了解决这些问题，就需要我们更清晰的认知装卸设备的自动化需求程度，对控制算法，控制硬件设备进行更多的分析，才能够有针对性地发现问题并解决问题。

2 港口电气自动化技术概述

2.1 港口设备自动化技术需求

港口的工作环境其实是比较恶劣的，在日常工作过程中面临着各种各样的复杂场景。而且，由于机械设备比较多，在进行正常工作的过程中需要相互协调，大量的劳动力穿梭在装卸生产现场，极易出现人身安全事故。这些都需要对港口的机械设备进行更好的规划，才能够确保正常的生产流程，进一步提高生产效率。因此，实现自动化生产就需要对港口机械的自动化需求进行更多的分析，明确港口设备生产流程的自动化需求程度，分析相关硬件需求，软件算法需求等，这样才能够进一步地进行技术应用，在实际改造过程中方向也更明确。

首先，从硬件角度进行分析。在以往条件下进行机械设备改造，需要对硬件进行更多的强化。如果电路结构不够稳定或者是硬件的质量比较差，那么在应用的过程中很可能受到环境因素的影响或者人为因素的影响，导致机械设备出现严重的故障问题，这会对正常的生产造成严重损失。无论是人工参与还是自动化，设备都会受到严重的破坏，这也体现出了港口设备对硬件的需求程度。

其次，从软件方面进行分析。自动化生产主要是通过操控中控设备，实现自动控制功能。在实际生产过程中，通过算法分析进行合理的规划，从而提高效率。24小时自动化生产，极大程度上解放了人力，也降低了作业人员的人身安全隐患。自动控制软件系统主要是基于计算机主控为前提，采用分布式的布置、现场总线技术、优化算法等，实现在远程监控中操控远程控制设置，从而完成港口机械设备的正常装卸功能，这样的发展方向是比较理想的自动化程度。目前，港口中现有的自动化生产仅仅是第一步的需求，依然需要人力辅助控制吊具的开闭锁功能，而在未来还应该朝着更理想的港口机械设备的自动化、智能化发展的终极目标发展。在未来港口自动化工艺设计中，使用更多的智能机器人，使用更先进的视觉识别技术，使用更完善的更安全可靠的冗余控制技术，更优化的算法进行路径规划和轨迹跟踪，全局规划，在确保其自动化运转功能的前提下，能够进行模式识别，能够进行感知定位，能够主动避让风险，这样才实现了真正的无人化操作模式。

2.2 自动化控制的应用程度及存在问题

对现阶段自动化技术需求程度进行探索，有助于针对性地提出改进措施，也能够了解到现阶段的一些技术上的不足，更加有针对性地进行技术创新，给港口设备带来更多的发展方向。在实际应用过程中发现，很多自动化控制硬件设施还是不能够满足需求的，恶劣的环境导致很容易出现硬件问题。控制技术应用也存在一定的不足，主要原因是现阶段的控制算法还有待优化，在港口自动化设计流程中，还需要人为参与某些工序，这是初级阶段的自动化应用，短期内有效解决了港口生产的不足，但是要想获得长足的发展，真正地实现自动化生产，还有很长远的路要走。尤其是现阶段的一些智能路径规划、轨迹跟踪、智能定位等功能还存在着很多不足，主要原因是场景比较复杂，所面临的情况比较特殊，相应的技术不够成熟等，导致了现阶段的自动化控制出现问题。现阶段的控制算法包括PID控制，LQR控制，MPC控制等，这些控制手段有些是针对误差调节、有些是针对轨迹跟踪。

例如PID控制算法，是一种最简单的控制算法，在实际应用的过程中，虽然能够较好地调节误差，但存在较大的滞后性，往往出现误差之后才进行调节，这样的控制算法很难面临一些更加复杂的场景。又例如MPC控制算法，这是一种轨迹跟踪过程控制，由于计算量比较大，需要在线进行优化，而且容易陷入局部最优解等情况，却不能全盘考虑，同时还需要更强的计算能力、更优化的算法逻辑，才能够确保控制策略符合实际情况。

3 电气自动化技术的改进方向

3.1 自动控制流程的优化

为了解决上述问题，进一步提高港口机械设备的自动化及智能化的水平，还需要进行更多的改进。

首先，对自动控制流程进行科学的规划，有助于提高电气自动控制的总体水平，也能够为未来的发展带来更多的机会。经过实际分析发现，在很多港口机械设备的使用过程中，均属于半自动化的程度，在实现一些基本的自动控制功能基础上还需要人为的进行操控介入。这种半自动控制技术应用在单台机操控上是比较简单且有效地，但是想要实现大规模的集群控制，或者是想要实现24小时不间断的生产，还是面临着很多的困难，主要原因是自动控制的流程不够规范、不够科学。电气自动控制的步骤比较简单，主要通过远程控制的方式，利用分布式的结构来进行现场控制，这样就能够在远处进行自动操作，通过相关程序的设计能够完成港口机械设备的自动运转。要实现更高层次的自动化控制水平，在设计的过程中依然需要首选采用PLC技术进行远程控制，PLC控制技术应用于工业中效果比较好，抗干扰能力比较强，而且程序比较简单，设计的过程中能够减少开发的难度，对于港口的机械设备自动控制有着很多帮助。

其次，可以采用先进的CPS技术，将水平运输设备引导至更精准的位置，借助吊具相对装卸设备的绝对居中位置信息，结合中国北斗导航定位技术冗余检测水平运输设备的准确位置。同时，采用标准化的装卸工艺，利用吊具中锁记忆功能，明确整个港区双箱装卸时的双箱间距，能减少吊具中锁间距的调整时间损耗。据观察，目前国内港口还没有执行这一类标准，不同的操作司机就会导致不同的装卸间隙，这往往会导致自动化码头装卸司机在远程操控的时候无法及时有效地通过远程监控视频中做出快速的中锁调整。对比国内外的各大自动化码头或一些参与了半自动化改造码头的自动化技术需求，往往采用了完善的CPS控制系统、OCR控制系统、TDS控制系统、BTG控制系统、SPSS控制系统的码头，生产效率都是比较靠前的，单机效率达到了38箱。南沙某自动化码头甚至采用了最先进的北斗导航技术，取代了大部分BTG控制系统，从而有效降低了定位系统的维护成本。

这样的自动控制流程系统是比较科学的，也是比较高度的自动化发展模式。总的来说，为了实现自动控制，还需要对现场进行更多的规划，将港口看作是一片自动控制的区域，将一个个机械设备看作是独立的机器人进行编队处理，进行自动控制技术，对现场进行地图规划，无论是决策控制，路径规划，还是轨迹跟踪，都要相应地实现自动控制。当然，这其中涉及很多技术，包括深度学习，自动控制，电子信息工程、通信工程等，这些都需要进行技术的创新，进行科学的部署，才能够实现港口机械设备的更高度的自动化发展。

3.2 优化控制算法

其实，在自动化发展的过程中，港口的机械设备属于硬件，那么在控制的过程中，算法应当是比较核心的内容。算法属于软件层次上的创新，在工作的过程中不同的算法有不同的特点。对于自动控制而言，比较常见的PID控制算法，在工业上已经应用得比较广泛。但是，由于PID控制算法存在较大的滞后性，在应用的过程中存在反复纠偏的问题。在港口进行机械设备自动化控制的过程中，还存在着很多的问题，有可能造成现场混乱，有可能造成局部水平运输设备高强度作业，还有可能因为控制精度的不足产生更多的问题。那么，在算法优化的过程中，可以基于PID进行模糊控制，或者是更加智能化的PID控制方式，通过收集自动化运行数据，不断观察、不断调节运算参数，从而有效地提高控制水平。

而其他的一些控制算法，诸如鲁棒控制，LQR控制，MPC控制等，是在学术界比较流行的控制算法。但是在应用的过程中，因为控制策略比较复杂，参数难以调节，比较难以实现，在应用的过程中还有很多的困难。在未来算法创新的过程中，应当将这些学术界的主流控制算法进行更多的优化，进行落地处理，这样才能够更好地进行应用。比如说在智能化发展过程中，需要对机械设备的路径规划，轨迹跟踪等进行更多的分析，其中ASTAR型算法，DIJKSTRA算法，蚁群算法，神经网络算法等，对于感知定位，决策控制，路径规划，轨迹跟踪等都是有很多帮助的。实际控制部署的过程中需要控制算法的一些基本概念，同时也需要人工智能的一些理念，更需要一些通信的算法。在算法优化的过程中，参数调节、算法的计算速度等都必须要考虑到实际问题。

将整个港口构建成一个虚拟地图，通过高精地图的方式进行感知定位处理，这样能够将现场的一些机械设备进行数字化处理，在计算机上进行分析的时候更加便捷。在控制算法应用的过程，还需要提高控制策略的精度，也需要提高控制的能力，从而保障机械设备按照预先规划的轨迹进行作业或者避让，以实现更高程度的自动化生产流程。南沙某自动化码头，目前就是借鉴了最先进的交通运输调度实际案例中的路径优化算法，自动驾驶技术等，应用到码头自动化控制设计中。

4 结语

自动控制是一项软硬件相互结合的工程，对于港口的机械设备而言，实现自动化控制具有很重要的现实意义，对于提高生产效率降低、人力成本等都有很多好处。在未来，港口的自动化发展以及智能化发展已经成为必然的趋势，那么在现阶段进行技术创新的过程中，先进的自动化控制设施的研发能够为自动化的发展带来有力的保障。而在软件层面上不断创新，尤其是对控制算法进行优化，这样能够确保控制效率更高效，控制更稳定。在实际应用的过程中，港口的机械设备也必然朝着更加智能化的方向发展，能够为港口的装卸作业带来更多的帮助，进一步解放人力资源。