引言

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

在過去的時間中，新一代信息技術的高速發(fā)展讓自動化碼頭變成中國智慧港口建設的主要表現(xiàn)。相關研究人員指出，與傳統(tǒng)碼頭相對比，自動化碼頭能夠?qū)崿F(xiàn)散貨的裝卸和水平運輸?shù)炔襟E的全步驟自動化作業(yè)。智慧港口將云計算、物聯(lián)網(wǎng)以及大數(shù)據(jù)等全新信息技術和港口運輸業(yè)務全面融合作為核心，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。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，港口智能化程度已經(jīng)變成判斷港口競爭力的主要指標。我國各個港口抓住數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展的時機，建設智慧港口，帶領全球港口實現(xiàn)高速發(fā)展，爭取在智能港口領域取得領先地位。

1、門座式起重機的結構及運行原理

門座式起重機的結構主要包括門座、吊臂、起重機構、回轉機構、行走運行機構還有支撐機構等部分。門座為起重機基座，吊臂借助回轉機構和門座相連，可以自由旋轉。起重機構安裝在吊臂的一端，可以通過升降和橫移來實現(xiàn)物品的吊裝和搬運。支撐機構和行走機構保證起重機在工作時的穩(wěn)定性和移動性。

門座式起重機的工作原理基于物體的力學和機械傳動原理。通過起重機構的升降和橫移，可以實現(xiàn)物品的垂直吊裝和水平搬運?；剞D機構可以使吊臂進行360度旋轉，適應不同的工作角度。支撐機構和行走機構則保證起重機在工作時的穩(wěn)定性和移動性。

2、自動化控制技術在門座式起重機上的應用

PLC自動化控制原理具體包含對數(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)，而且要結合指定的編程設計準則與算法步驟，精確的評判與辨別計算結果的精準性與合法性。PLC技術可以被廣泛地運用在相關工業(yè)技術領域中，表現(xiàn)出比較強大的自動管控效果，還可以提高工業(yè)控制系統(tǒng)裝置的綜合性運用效果。

2.1 門座式起重機自動控制技術實現(xiàn)

門機自動化能夠讓系統(tǒng)實現(xiàn)全自動化的運轉。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。數(shù)據(jù)收集控制器對信息船舶信息還有外部天氣信息進行收集與整理，研究外部因素對作業(yè)的影響程度，從而逐漸的優(yōu)化控制計算方法。在操作過程中，能夠經(jīng)由司機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，自動算出最精準的抓料位置，司機結合實際狀況，確定好自動作業(yè)方式。

2.2 遠程控制技術

在PLC站內(nèi)進行編程，能夠?qū)崿F(xiàn)門機的自動化操作。在司機室聯(lián)動臺的位置，設定遠程操作面板，實現(xiàn)作業(yè)操作。例如，開關按鈕、手柄等，進而實現(xiàn)遠程化的操作。而且，操作站還需配備一個與中控室PLC站實現(xiàn)即時性通信的HMI操控系統(tǒng)，借助HMI人機交互界面能夠?qū)﹂T機開展參數(shù)設計和狀態(tài)顯示。這樣，就可以在遠程操作站上通過HMI系統(tǒng)對門機進行遠程控制和監(jiān)控。

2.3 視頻監(jiān)控技術

門機監(jiān)控系統(tǒng)包含高清攝像頭、顯示器、硬盤、錄像機等機構。其借助網(wǎng)絡實現(xiàn)聯(lián)通，能夠?qū)崟r性的活動每個位置的電視數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)的視頻信息。視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設的目標是為了實現(xiàn)對門機作業(yè)的遠程監(jiān)控。通過調(diào)節(jié)和更新門機當前的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，而且增加攝像頭總數(shù)，可以實現(xiàn)良好的監(jiān)控效果。門機監(jiān)控系統(tǒng)攝像頭分布如圖1。

圖1門機監(jiān)控系統(tǒng)攝像頭分布

2.4 遠程通信技術

為了實現(xiàn)門機與中控室之間的遠程通信，要對原本的通信路由進行改進。尤其是要解決門機上部旋轉結構與下部結構件借助滑環(huán)連接線纜，從而保證信號的平穩(wěn)傳播。結合用戶現(xiàn)場設施以及線纜的實際狀況，需要制定適當?shù)姆桨浮?/p>

目前，可以采用光纖或無線通信模塊來實現(xiàn)遠程通信。光纖通信可以提供高速、穩(wěn)定的信號傳輸，適用于較長距離的通信需求。而無線通信模塊可以選擇工業(yè)無線通信電臺或5G通信技術，可以提供靈活的無線連接，適用于中小距離的通信需求。

2.5 高精度定位技術

為了實現(xiàn)定位的精準性，能夠結合每一個機構的特征以及安裝的方法，增設不同的定位裝置。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量機構的線性或旋轉位移，提供準確的相對位置信息。絕對值編碼器可以提供每個位置的獨立編碼，以實現(xiàn)精確的絕對位置測量。RFID位置檢測系統(tǒng)可以通過無線射頻信號識別門機所處的位置，提供實時的定位信息。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

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

根據(jù)圖2所示，激光雷達可以安裝在帶斗門機的適當位置，以實現(xiàn)對作業(yè)現(xiàn)場的準確掃描和數(shù)據(jù)采集。安裝高清準度的激光掃描儀，了解現(xiàn)場作業(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)與精準的計算，之后轉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，同時計算出船艙物料的實際體積、重量等情況，并且回饋到管控系統(tǒng)。帶斗門機激光雷達安裝位置見圖2。

圖2帶斗門機激光雷達安裝位置

2.7 防碰撞技術

針對門機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機構的建模與實時性的定位，結合船舶和地面固定構筑物的三維建模的實際情況，計算出空間范圍，進而確定門機與船舶，相鄰門機以及地面固定構筑物事項相互的動態(tài)性防碰撞的安全距離。軟件會實時監(jiān)測門機結構的位置和動作狀態(tài)，并根據(jù)預設的安全距離參數(shù)進行判斷和預警，以避免發(fā)生碰撞事故。硬件防碰撞方案就是在門機的大車機構與變幅機構上面安裝有防碰撞的雷達器。這些傳感器會實時監(jiān)測周圍環(huán)境中的障礙物，并根據(jù)設定的參數(shù)確定安全距離。當門機接近或超過安全距離時，傳感器會向控制系統(tǒng)發(fā)送信號，觸發(fā)相應的防碰撞措施，如停止或調(diào)整門機的運動軌跡，以確保安全作業(yè)進行。

2.8、防搖技術

對于門機抓斗的防搖問題，可以采用仿真建模、速度計算和力學分析等多種手段來實現(xiàn)動態(tài)防搖的處理方法。這是實現(xiàn)門機全自動化以及遠程化的主要效應。

綜合性采用仿真建模、力學分析以及速度計算等不同的方法，可以組成一套全面的抓斗防搖的解決方案。通過預測和優(yōu)化門機運動軌跡、控制運動速度和優(yōu)化結構設計，可以有效地實現(xiàn)動態(tài)防搖，保證作業(yè)效率，同時提高抓斗的穩(wěn)定性和安全性。這將為門機的遠程化、全自動化作業(yè)提供可靠的支持，并克服防搖問題在實施方案中的瓶頸。

3、門機自動化作業(yè)流程

3.1 半自動流程

半自動流程需要門機的司機手動進行起升的高度還有卸料的具體位置，同時系統(tǒng)的記錄相關的內(nèi)容。司機手動選擇取料的位置，而且管控抓斗確保其降落在取料點的位置上，激活半自動的運轉，這時半自動控制系統(tǒng)負責提升、變幅還有回轉機構的管理，將抓斗閉緊以后提高到設計的安全高度，之后平穩(wěn)的、無擺動的把抓斗移動到料斗上面，并且自動定位到所設計好的卸料地點以后打開斗，放料，放料結束以后抓斗就會自動回到原來的取料點。司機能夠隨時手動進行管控，半自動程序在司機手動介入的時候自動的消除。

3.2 全自動流程

門機司機手動設計好卸料點的位置，系統(tǒng)記錄下有關的位置，司機手工控制料斗降落到取料點的物料上方。這個時候，結合實際作業(yè)所需選擇船只的型號還有作業(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，司機按下啟動按鈕，將全自動系統(tǒng)激活運轉，門機會按照自動生成的作業(yè)目標點按照順序分別抓取。在門機完成抓取、卸料以后，會自動地運轉到下一個取料地點進行作業(yè)，實現(xiàn)全自動化的抓取和卸貨。物料在轉移的環(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，整個過程不需要司機進行操作。司機能夠隨時地進行手動控制，全自動程序在司機手動介入的時候會自動地解除。全自動作業(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作業(yè)的時候，能夠開展手動作業(yè)或者是半自動作業(yè)。

4、門座式起重機定位檢測

4.1 起升機構定位檢測

在卷筒輸出軸的位置安裝絕對值編碼器以及凸輪限位，經(jīng)過卷筒轉動的圈數(shù)以及角度計算出抓斗的高度，借助絕對值編碼器轉換成為起升的運轉長度。

4.2 變幅機構定位檢測

在變幅機構的位置上安裝絕對值編碼器，對變化的角度進行精準的計算，應用臂架的實際變換角度與長度，計算出臂架的真實高度數(shù)值。在大臂底部設置傳感器，檢測變幅的角度以及檢驗絕對值編碼器。

4.3 回轉機構定位檢測

將從動齒輪安裝在門機大齒圈的位置上，同時將多圈絕對值編碼器安裝在從動小齒輪轉軸的位置上，利用編碼器讀數(shù)計算門機回轉的度數(shù)。在門機大齒圈處，設置一個感應塊，同時配備兩個電感式接近開關（角度為180度）。每一個電感式接近開關感應到感性塊的位置為確定好的回轉角度（+90度與-90度），在回轉機構轉到相對應的角度，對應的感應開關動作。使用這一感應開關的動作當成回轉角度編碼器數(shù)值，進而矯正位置。

4.4 行走機構定位檢測

在門機行走機構的位置安裝1個自由輪，安裝絕對值編碼器在自由輪的出軸上側，利用自由輪的恒定半徑計算經(jīng)過的整個距離。

4.5 抓斗防搖、定位改造

抓斗防搖

因為門座式起重機擁有360度旋轉機構，在旋轉方向上會產(chǎn)生變幅方向的離心力，使得旋轉方向上的擺動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。為了符合自動化運轉對防搖定位系統(tǒng)的精確度以及實時性的基本要求，要借助變頻器對變幅與旋轉機構開展實時性速度管控，進而去除擺角。為了實現(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現(xiàn)抓斗的防搖定位，會讓這個系統(tǒng)具備各個機構聯(lián)動情況之下的自動防搖效果。

抓斗定位

借助對固定卸料點位置的分辨或者是設計，在抓斗運轉到這個點的正上方的時候，并且垂直距離在設定的范圍之內(nèi)的時候，搭配防搖技術，抓斗可以穩(wěn)定地停留在目標位置上，也就是自動定位的功能，并且在起升，變幅以及回轉機構上安裝絕對值編碼器從而實現(xiàn)精確的定位。

5、結論

門機的自動化革命，相比于傳統(tǒng)的現(xiàn)場人工手動操作設備，具有非常明顯的優(yōu)點：一是，更加安全，在改造門機自動化以后，相比之前更加的精確，從根本上解決因人為操作造成的機損或者是安全事故等。與此同時，因為現(xiàn)場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顯著降低。二是更高效，在門機實現(xiàn)自動化升級改造以后，門機單斗循環(huán)的時間可以實現(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，這會讓裝卸作業(yè)的工作效率明顯提高。除此之外，門機司機的工作環(huán)境也有了明顯的改進。他們從以往的機上高強度現(xiàn)場手動操控改變?yōu)橹锌厥业淖詣幽Ｊ较麻_展的遠程監(jiān)控。這不但讓工作更加的舒心，而且也減輕了勞動強度。另外，經(jīng)過自動化升級改造后，門機的作業(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)濟效益。