装船机电控系统：科技创新驱动港口装卸新未来

装船机电控系统在港口装卸作业中占据着至关重要的地位。装船机通常面临复杂的工况，驱动装置众多，装机功率大。其一般特点包括工况复杂、驱动装置多、装机功率大等。装船机的高效运行离不开先进的电控系统，它犹如装船机的 “大脑”，精确地控制着各个部分的动作，确保装船作业的顺利进行。

一、装船机电控系统

（一）结构组成

装船机的控制部分由硬线回路、PLC 和通讯线路组成。硬线回路即继电器与接触器逻辑电路，为装船机提供了基础的电气控制。PLC（可编程逻辑控制器）则是整机逻辑控制的核心，通过远程从站和若干个设备组成的整机 PLC 链接系统，实现对装船机各个机构的精确控制。通讯线路则确保了各个部分之间的信息传输畅通无阻。传动部分包括保护单元、测量单元、交流变频电机和变频逆变器。保护单元和测量单元为装船机的安全运行提供了保障，交流变频电机和变频逆变器则为装船机的各个驱动装置提供了动力。

（二）主要功能

装船机具有多种功能，其中伸缩臂架功能使得装船机能够适应不同距离的装卸作业。俯仰臂架升降溜筒功能可以调整装船的高度和角度，提高装船的效率和准确性。大车行走功能则使装船机能够在港口内灵活移动，满足不同位置的装卸需求。这些功能的协同作用，使得装船机能够高效地完成港口装卸作业。据资料显示，装船机可达到 6000t/h 的生产率，甚至在一些高端设备中，如巴西 LLX12000t/h 高端超大型装船机，额定生产率高达 12000t/h，最大生产率更是达到了 15000t/h，为世界之最。

二、关键技术详解

（一）自动装船控制

装船机电控系统的自动装船控制技术，能够自动检测舱位位置和物料距离。通过先进的传感器技术，精确感知舱位的具体位置以及物料与装船机之间的距离。然后，根据臂架皮带流量，按照优化的作业路径控制装载途径。这样的控制方式可以实现均匀装料，大大提高了装船效率和质量，同时也减轻了操作者的劳动强度。例如，在一些大型港口的装船作业中，采用这种自动装船控制技术后，装船效率提高了约 30%，操作者的劳动强度降低了 40% 左右。

（二）臂架俯仰和溜筒控制

臂架俯仰和溜筒控制是装船机电控系统的关键技术之一。基于力矩效验功能，能够实现良好的速度加减速控制和机构稳定抱闸制动。这确保了臂架俯仰、旋转和溜筒上下、摆动能够精准地到达某一个具体的位置。例如，在实际作业中，臂架俯仰角度的控制精度可以达到 ±0.5°，溜筒的摆动位置精度可以达到 ±1cm，为高效、准确的装船作业提供了有力保障。

（三）精确物料流量统计

精确的物料流量统计对于装船作业至关重要。安装在臂架皮带上的电子皮带秤量装置能够精确地记录和打印出装载物料的吨位数。这种电子皮带秤量装置具有高精度、高稳定性的特点。据统计，其测量精度可以达到 ±0.5%，能够准确地反映出装船物料的实际数量，为港口的物流管理和成本核算提供了可靠的数据支持。

（四）标准化软件设计模块

标准化的软件设计框架和标准分组程序模块在装船机电控系统中发挥着重要作用。标准的故障保护及停车程序、机构运行程序、速度给定处理程序、速度加减速控制程序等，与 MCC 通讯联络连锁，实现自动优化装船。这些程序模块的标准化设计，提高了系统的稳定性和可靠性，同时也便于系统的维护和升级。例如，在故障发生时，故障保护程序能够迅速响应，及时停止装船机的运行，避免事故的扩大。

（五）完善安全保护

完善的安全保护是装船机电控系统不可或缺的一部分。涵盖臂架溜筒防撞控制、卷筒电缆过紧过松保护、极限位三级保护、皮带打滑、撕裂、拉断、跑偏保护、电机过流、过载、超速、失速保护、油压过高过低保护等多方面。这些安全保护措施确保了整个装船机械的安全运行，同时也保护了操作人员的生命安全。例如，在皮带出现打滑情况时，系统能够及时检测到并采取相应的保护措施，避免皮带进一步损坏和可能引发的安全事故。

（六）人性化 HMI

装船机人性化的 HMI（人机界面）具有友好的操作界面和智能化的故障处理及设备维护功能。能够显示各机构运行速度、轴承温度、电机电流电压、温度、位置功能及作业数据统计等信息。这减少了维护和操作员的工作强度，方便了管理。例如，操作人员可以通过 HMI 界面直观地了解装船机的运行状态，及时发现问题并进行处理，提高了工作效率和安全性。

三、系统组成部分

（一）PLC 控制系统

装船机整机的逻辑控制通过 PLC 得以实现，这一系统的高效性在实际作业中发挥着关键作用。整机 PLC 链接系统由远程从站和若干个设备组成，其中采用 DHRIO 通讯作为溜筒升降机构、臂架俯仰机构、臂架伸缩机构和大车行走机构的总线形式，将它们和司机室的风速仪一起与 PLC 柜内的 PLC 模块相链接。这样的连接方式能够确保即时风速信号、重量或幅度限制信号、相关位置信号准确无误地传送到 PLC，为装船机的精准操作提供了数据支持。例如，在实际作业中，当风速发生变化时，风速仪会立即将信号传送给 PLC，PLC 根据预设的程序对装船机的各个机构进行调整，确保装船机在不同的风速条件下都能安全稳定地运行。

（二）与中控系统通信

装船机与中控系统的通信方式多样，采用硬线和单膜光缆联锁、有线等通信方式，能够有效地传递联锁信号及设备状态信息，并接收中控系统指令。中央控制系统分配 IP 地址，装船机配置了以太网交换机，连接中控 PLC 系统。通过抗恶环境的管理以太网交换机，连接 PLC 模块、PANNELVIEW 等，并预留了端口及管线通道，用于连接无线 AP，形成与地面计算机网络的备份通讯链路。控制系统与 CCR 采用光纤工业以太网通讯方式进行通讯，确保了通信的稳定性和可靠性。在实际操作中，这种通信方式能够让中控系统实时监控装船机的运行状态，及时发现并解决问题，提高了装船作业的效率和安全性。

（三）主供电回路配置

装船机采用交流 - 直流 - 交流变频回路作为电力传动系统，这一选择是基于电动机构功率较大且数目较多的特点。采用电气室电源柜集中供电方式，然后按照负荷、工作时间、运行效率和功率大小组合各个机构分柜。装船机 6 千伏电源由变电所 6KV 馈线开关柜提供，通过电缆引到地面中间接线箱，再通过橡胶电缆、电缆卷筒和集电环，进入到机上进线柜。从高压馈线柜馈出后，到变压器将 6KV 电源变为 400V 电源。对于各个传动柜的电源接入来说，普遍采用并联的方式供电。由于装船机上电动机都为感性负载，所以在总的 400V 电源馈出后，第一路先接入电容补偿器，用来提高整个装船机的功率因数。这种主供电回路配置方式能够确保装船机在不同的工作状态下都能稳定运行，提高了能源利用效率。

（四）驱动装置

行走机构驱动装置由电机、制动器、减速箱等组成，电机采用三相鼠笼式异步电动机，共用 20 台电机驱动。为防止装船机滑移及在暴风时溜车，设有夹轨器及锚固器。夹轨器可由司机室单独控制关闭与打开，在夹轨器关闭时，在 35m/s 风速下装船机不会出现滑移。同时夹轨器有打开与关闭状态检测信号，与装船机行走控制进行联锁控制，当夹轨器为关闭状态时，装船机不允许行走。为防止装船机在最大风速 55m/s 的暴风时沿轨道滑移，于门架两侧各设置一套锚定装置，该装置同样与行走机构连锁，在锚定状态下行走机构不能动作。装船机行走距离由行走编码器测量，数据通过 PU10 传至 PLC。在行走的前端和末端分别设置防碰开关，当大车行走到轨道终端或两机互相接近时，防碰限位开头触角与止挡接触，触角方向改变，便开头触点由常闭变为常开，大机的行走进度由低速变为停止。

俯仰驱动装置安装在塔架上部平台上，由电动机、减速器、制动器和卷筒，俯仰钢丝绳组成。为确保安全，设置两套制动器，一套设置在高速轴上，一套设置在低速轴上。在俯仰范围内，悬臂可以安全地停留在任何位置。俯仰角度有俯仰编码器测量，其俯仰角度可在司机室 HMI 界面上进行显示。俯仰范围内的最高和最低位置设置有限位开关。俯仰速度检测方面有超速开关，当因传动轴或齿轮组等损坏造成臂架过速下滑时，超速开关动作，俯仰变频器停止输出，并且安全制动器抱闸。

悬臂伸缩机构伸缩驱动设置在主臂上，采用双驱动型。由电动机、制动器、减速器等组成。在主臂上设置行程开关，限制伸缩臂架的最大和最小伸缩距离。小臂伸缩距离由伸缩编码器测量，同样其伸缩距离值也显示在 HMI 界面上。在臂架做上涨动作时，臂架的后方设置有止挡器，为防止臂架在做上仰运动时撞坏后止挡器，必须要求小臂架缩到后限位，否则臂架停止上涨。同时为了防止伸缩电机过负荷，程序控制中设置了超过 35° 检测，当臂架俯仰角度在 35° 以上时，禁止臂架做伸缩运动。

溜筒装置溜筒驱动装置包括溜筒旋转、摆动等装置，溜筒动作的动力均由液压站提供。为了保证溜筒旋转的动力，液压站电机采用 xxxKW 电机。溜筒的旋转动作靠液压马达驱动而摆动动作由液压缸形式驱动。在溜筒平台及溜筒周围分别设置防碰开关，在溜筒及溜筒平台即将与船发生碰撞时触发报警并停机。

悬臂皮带机皮带机采用尾部驱动，由电动机、减速机、液力耦合器、制动器、滚筒等组成。驱动装置有足够的能力，在满载情况下启动而不出现皮带打滑现象。另外为保护皮带，悬臂皮带机上还设置了，皮带打滑开关，跑偏开关，堵料开关及用于紧急停机的拉绳开关。这些驱动装置的协同作用，确保了装船机在各种复杂工况下都能高效、安全地运行。

五、发展历程回顾

早期的装船机电控系统主要采用传统的继电器与接触器逻辑电路进行控制。这种控制方式虽然在一定程度上能够满足装船机的基本操作需求，但存在着诸多局限性。例如，控制精度较低，难以实现复杂的逻辑控制功能；系统的可靠性和稳定性相对较差，容易出现故障；而且维护和调试也比较困难。

随着科技的不断进步，PLC（可编程逻辑控制器）技术逐渐应用到装船机电控系统中。PLC 具有高度的可靠性、稳定性和灵活性，能够实现复杂的逻辑控制和精确的运动控制。通过 PLC 控制，装船机的各个机构能够更加精准地协同工作，大大提高了装船作业的效率和质量。

在通信技术方面，装船机电控系统也经历了不断的升级。从最初的有线通信方式，逐渐发展到采用光纤工业以太网通讯、无线 AP 等先进的通信技术。这些通信技术的应用，使得装船机与中控系统之间的信息传输更加快速、稳定和可靠。例如，国家能源集团黄骅港务 12 号装船机首次利用 5G 技术完成煤炭装船作业，标志着装船机电控系统在通信技术方面的重大突破。5G 通信大带宽、低延时的特点，为装船机的远程控制和智能作业提供了有力支持。

同时，随着自动化技术的不断发展，装船机电控系统也在不断向智能化方向迈进。例如，装船机远程监控信息化运维管理系统解决方案的出现，使得企业可以随时随地查看装船机的位置分布、数量类型、所属客户、运行状态、工作参数、告警记录、运维工单等信息，灵活运用远程控制、远程维护等手段提供运维支持，并借助数据分析手段进行改善与升级。

总之，装船机电控系统从传统的继电器与接触器逻辑电路发展到如今的 PLC 控制、通信技术不断升级，经历了一个漫长而不断进步的过程。未来，随着科技的不断创新，装船机电控系统必将朝着更加智能化、高效化、安全化的方向发展。

六、未来趋势展望

（一）智能化

随着人工智能技术的飞速发展，装船机电控系统的智能化趋势愈发明显。智能化的电控系统能够通过不断学习和优化，持续提升自身的控制性能，实现更加精准和智能的控制。例如，利用人工智能算法对装船机的运行数据进行分析，预测设备可能出现的故障，并提前进行维护，从而提高设备的可靠性和稳定性。同时，智能电控系统可以根据不同的作业环境和任务需求，自动调整装船机的运行参数，实现最优的装船效率。据统计，采用智能化电控系统的装船机，其装船效率可提高 20% 以上，维护成本降低 30% 左右。

（二）多元化

为适应不同类型船舶柴油机的需求，装船机电控技术的应用将更加多样化。不同类型的船舶柴油机在功率、转速、燃油特性等方面存在差异，需要不同的电控技术来实现最佳控制效果。例如，对于大型远洋货轮的装船作业，可能需要更高功率的电控系统来满足快速装船的需求；而对于小型内河船舶，可能更注重电控系统的灵活性和节能性。未来，装船机电控技术将根据不同的船舶类型和作业场景，提供定制化的解决方案，以满足多样化的市场需求。

（三）高效化

随着对燃油利用率和排放控制要求的不断提高，装船机电控技术也在不断向高效化发展。通过优化控制算法和传感器技术，电控系统可以实现更加高效的燃油利用和排放控制，使装船机在运行中能够实现最佳的性能和经济效益。例如，采用先进的传感器实时监测装船机的燃油消耗和排放情况，根据监测数据调整电控系统的参数，实现燃油的精准喷射和燃烧，降低排放物的含量。同时，高效化的电控系统还可以通过能量回收等技术，提高能源的利用效率，降低运行成本。据测算，采用高效化电控技术的装船机，其燃油利用率可提高 15% 以上，排放物含量可降低 20% 左右。