一種港口裝船機(jī)行走控制系統(tǒng)

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2025.23.008

中圖分類(lèi)號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2025）23-0030-04

Abstract：Basedontheanalysisoftheexistingshiploadercontrolsystem，aportshiploadertravelcontrolsystemis studied.Thecompositionoftheshiploadertravelingsystemisstudied，theelectricalhardwarecompositionandprincipleofthe shiploadertravelingmechanismareanalyzedindetail，andthehydraulicsystemdesignoftherailclampisfocusedon.Atthe sametime，theshiploadertravelcontrolprocessisanalyzed，andtheshiploadertravelcontrolprogramandHMlcontrol interfaceareplannedanddesigned.Throughaplication，thesystemcansignificantlyimprovethewalkingaccuracyandeficiency ofthe ship loader，while reducing energy consumption and maintenance costs.

Keywords： ship loader;walking;rail clamp; control; frequency conversion

裝船機(jī)作為一種重要的港口裝卸設(shè)備，其性能直接影響港口的裝卸效率和物流成本。隨著全球貿(mào)易的不斷增長(zhǎng)，港口的吞吐量逐年上升，對(duì)裝船機(jī)的性能提出了更高的要求[1-2]。

裝船機(jī)的行走控制系統(tǒng)是其核心組成部分之一，其主要功能是實(shí)現(xiàn)裝船機(jī)在碼頭上的精準(zhǔn)定位和穩(wěn)定行走。文獻(xiàn)[3-5]提出了PLC在裝船機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究，文獻(xiàn)[6-10]提出了裝船機(jī)的自動(dòng)化控制方案，然而，現(xiàn)有的裝船機(jī)行走控制系統(tǒng)在精度、能耗和維護(hù)成本等方面仍存在諸多問(wèn)題。

因此，研究一種高效、節(jié)能且可靠的裝船機(jī)行走控制系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。針對(duì)裝船機(jī)行走系統(tǒng)現(xiàn)有問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種裝船機(jī)行走控制系統(tǒng)，能有效地提升裝船機(jī)的行走可靠性和安全性，提升裝船效率。

1裝船機(jī)行走系統(tǒng)的構(gòu)成

裝船機(jī)行走系統(tǒng)主要由夾軌器、行走機(jī)構(gòu)、錨定機(jī)構(gòu)等組成。行走系統(tǒng)的正視圖如圖1所示。

行走機(jī)構(gòu)是裝船機(jī)行走系統(tǒng)的核心部分，通常由驅(qū)動(dòng)裝置、行走輪組、軌道系統(tǒng)3部分組成。驅(qū)動(dòng)裝置由電機(jī)、減速器和制動(dòng)器組成，為裝船機(jī)的行走提供動(dòng)力；行走輪組包括主動(dòng)輪和從動(dòng)輪，與軌道接觸，實(shí)現(xiàn)裝船機(jī)的移動(dòng)；行走輪在軌道系統(tǒng)上移動(dòng)，軌道通常為鋼軌，需要定期維護(hù)以確保其平整度和穩(wěn)定性。

夾軌器的主要作用是防止裝船機(jī)在不行走時(shí)因風(fēng)力或其他外力而發(fā)生滑移。夾軌器通常安裝在行走輪的兩側(cè)，能夠在裝船機(jī)停止行走時(shí)自動(dòng)夾緊軌道，確保設(shè)備的穩(wěn)定性。錨定機(jī)構(gòu)的作用與夾軌器類(lèi)似，它通常用于裝船機(jī)在惡劣天氣或長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)時(shí)的固定。

錨定機(jī)構(gòu)通過(guò)鋼絲繩或液壓裝置將裝船機(jī)牢牢固定在地面或軌道上，防止設(shè)備因強(qiáng)風(fēng)等外力而移動(dòng)。裝船機(jī)行走機(jī)構(gòu)主要由6個(gè)電機(jī)進(jìn)行控制，陸側(cè)軌道和海側(cè)軌道各布置3個(gè)電機(jī)。行走機(jī)構(gòu)俯視圖如圖2所示。

圖2行走機(jī)構(gòu)俯視簡(jiǎn)圖

2行走控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

行走控制系統(tǒng)硬件主要由夾軌器控制單元、行走控制單元、錨定控制單元組成，如圖3所示。

夾軌器控制單元：包括海側(cè)夾軌器和陸側(cè)夾軌器，用于在裝船機(jī)行走停止時(shí)固定設(shè)備，防止其因外力（如風(fēng)力）移動(dòng)。夾軌器控制單元是行走控制系統(tǒng)的重要組成部分，主要包括電機(jī)、限位開(kāi)關(guān)、壓力傳感器和低液位報(bào)警等。電機(jī)是驅(qū)動(dòng)泵頭運(yùn)行，為夾軌器的夾緊和松開(kāi)提供動(dòng)力。限位開(kāi)關(guān)用于檢測(cè)夾軌器是否打開(kāi)或夾緊到位，確保夾軌器處于正確的工作狀態(tài)；壓力傳感器用于監(jiān)測(cè)泵頭的壓力，防止因壓力過(guò)高或過(guò)低導(dǎo)致設(shè)備損壞或夾軌器失效；低液位報(bào)警用于檢測(cè)液壓油箱的液位狀態(tài)，避免因液壓油不足導(dǎo)致夾軌器無(wú)法正常工作。

行走控制單元：負(fù)責(zé)控制裝船機(jī)的行走動(dòng)作，包括左行和右行。行走控制單元是裝船機(jī)行走功能的核心，主要包括限位開(kāi)關(guān)、報(bào)警器、操作手柄、編碼器、電機(jī)控制、抱閘、加熱和溫度傳感器等。限位開(kāi)關(guān)用于檢測(cè)行走機(jī)構(gòu)是否到達(dá)預(yù)設(shè)的限位位置，防正設(shè)備超出安全范圍運(yùn)行；報(bào)警器是在裝船機(jī)運(yùn)行前和運(yùn)行過(guò)程中發(fā)出報(bào)警提示，提醒周?chē)藛T注意安全；操作手柄是提供人工操作的接口，用于控制裝船機(jī)的左行和右行；編碼器用于測(cè)量行走機(jī)構(gòu)的行走距離，為精確控制和監(jiān)控提供數(shù)據(jù)支持。

電機(jī)控制是行走機(jī)構(gòu)的核心動(dòng)力系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)包括變頻控制和工頻控制。變頻控制通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)精確的速度控制和位置控制。工頻控制是在變頻器故障時(shí)切換到工頻模式，確保設(shè)備仍能應(yīng)急運(yùn)行。抱閘用于在設(shè)備停止時(shí)鎖定電機(jī)，防止滑動(dòng)。加熱防止電機(jī)在低溫環(huán)境下因結(jié)冰或凝露而損壞。溫度傳感器監(jiān)測(cè)電機(jī)運(yùn)行溫度，防止因過(guò)熱導(dǎo)致設(shè)備損壞。

錨定控制單元：用于在特定情況下固定裝船機(jī)，增強(qiáng)穩(wěn)定性。通過(guò)限位開(kāi)關(guān)檢測(cè)是否錨定到位。

圖3行走機(jī)構(gòu)硬件構(gòu)成圖

3夾軌器液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

夾軌器液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)是裝船機(jī)行走控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其主要作用是通過(guò)液壓動(dòng)力實(shí)現(xiàn)夾軌器的夾緊和松開(kāi)，從而限制或允許裝船機(jī)在軌道上的行走。

夾軌器液壓系統(tǒng)的主要功能是提供足夠的夾緊力，確保裝船機(jī)在非工作狀態(tài)或惡劣天氣條件下穩(wěn)固地夾緊軌道，防止裝船機(jī)因外力（如風(fēng)力、海浪等）發(fā)生意外移動(dòng)。同時(shí)，在裝船機(jī)需要行走時(shí)，液壓系統(tǒng)能夠迅速、可靠地松開(kāi)夾軌器，保證裝船機(jī)的正常行走。

夾軌器液壓系統(tǒng)如圖4所示，主要由液壓泵站、控制閥組、壓力傳感器、液位傳感器、壓力表、液壓缸和蓄能器等組成。

液壓泵站包括電控泵和手搖泵，提供液壓動(dòng)力，包括電機(jī)、液壓泵、油箱等。電控泵是電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能，為夾軌器的夾緊和松開(kāi)提供動(dòng)力；手搖泵用于無(wú)供電時(shí)，緊急情況下手動(dòng)控制夾軌器的打開(kāi)與關(guān)閉。

控制閥組包括電磁閥、溢流閥、節(jié)流閥等，用于控制液壓油的流向、壓力和流量。電磁閥用于切換夾軌器的夾緊和松開(kāi)狀態(tài)；溢流閥用于限制系統(tǒng)壓力，保護(hù)液壓系統(tǒng)免受過(guò)載損壞；節(jié)流閥用于調(diào)節(jié)液壓缸的動(dòng)作速度。

壓力傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液壓系統(tǒng)的工作壓力，確保系統(tǒng)壓力在安全范圍內(nèi)。

液位傳感器用于監(jiān)測(cè)液壓油箱的油位，防止油箱 缺油導(dǎo)致液壓系統(tǒng)故障。

夾軌器通過(guò)液壓缸實(shí)現(xiàn)的夾緊和松開(kāi)動(dòng)作。

蓄能器用于保持夾軌器的壓力在一定的范圍之內(nèi)。

4行走機(jī)構(gòu)軟件設(shè)計(jì)

4.1 控制工藝

裝船機(jī)行走控制工藝如圖5所示。設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，根據(jù)操作模式選擇手動(dòng)或自動(dòng)模式。若選擇手動(dòng)模式，標(biāo)志位 MW=100 ;若選擇自動(dòng)模式，標(biāo)志位 MW=1 。在自動(dòng)模式下，海側(cè)錨定打開(kāi)（ MW1=2 ，陸側(cè)錨定打開(kāi)MW2=2 ）。隨后，海側(cè)夾軌器打開(kāi)（ MW1=3 ，陸側(cè)夾軌器打開(kāi)（ MW2=3 ）。若選擇變頻模式，標(biāo)志位 MW3=10 若選擇工頻模式，標(biāo)志位 MW3=20 。當(dāng) MW1=3，MW2= 3且 MW3=10 時(shí)，行走電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制；當(dāng)MW1=3，MW2=3 且 MW3=20 時(shí)，行走電機(jī)進(jìn)行工頻控制。同時(shí)，行走電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的熱保護(hù)控制。

圖5控制流程圖

4.2 控制程序

行走機(jī)構(gòu)變頻控制程序是行走控制系統(tǒng)的重要組成部分，行走系統(tǒng)由左行、右行控制。左行控制程序如圖6所示。在行走條件滿(mǎn)足時(shí)，海側(cè)夾軌器及陸側(cè)夾軌器檢測(cè)開(kāi)關(guān)已經(jīng)打開(kāi)，并且行走限位和卷盤(pán)限位沒(méi)有到達(dá)限位，延時(shí)5s后，執(zhí)行變頻器左行控制，延時(shí)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行行走機(jī)構(gòu)預(yù)警提示。行走變頻給定速度程序如圖7所示。行走使能準(zhǔn)備好運(yùn)行之后，當(dāng)無(wú)行走指令輸入時(shí)，給到變頻器的速度調(diào)速值為0，當(dāng)行走變頻處于不同模式時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整倍率進(jìn)行相應(yīng)的行走速度調(diào)整

4.3 HMI設(shè)計(jì)

HMI（人機(jī)界面）設(shè)計(jì)是裝船機(jī)行走控制系統(tǒng)的重要組成部分，如圖8所示，它為操作人員提供了直觀的操作界面和監(jiān)控功能。HMI界面設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)方面：① 操作模式選擇，提供司機(jī)室操作、就地操作、遠(yuǎn)程操作模式狀態(tài)切換。 ② 控制模式選擇，提供變頻模式、工頻模式狀態(tài)切換。 ③ 狀態(tài)顯示，實(shí)時(shí)顯示急停、斷路器、接觸器、熱繼電器和傳感器等夾軌器、錨定機(jī)構(gòu)和行走電機(jī)的狀態(tài)。動(dòng)態(tài)顯示行走機(jī)構(gòu)行走距離，操作手柄的輸入值及左行、右行的狀態(tài)指示。

5結(jié)論

本文提出了一種裝船機(jī)行走控制系統(tǒng)優(yōu)化方案，并在實(shí)際應(yīng)用中驗(yàn)證了其有效性。結(jié)果表明，優(yōu)化后的系統(tǒng)能夠顯著提高裝船機(jī)的行走精度和效率，同時(shí)降低能耗和維護(hù)成本。該研究為裝船機(jī)的智能化控制提供了新的思路和方法，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。未來(lái)，我們將繼續(xù)研究如何進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)性能，例如引入更先進(jìn)的傳感器技術(shù)和智能算法，以實(shí)現(xiàn)更高效的裝船機(jī)行走控制。

參考文獻(xiàn)：

[1]張靜，劉翠蓮.港口泊位服務(wù)系統(tǒng)的影響因素及其仿真[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2008，7（6）：109-111.

[2]朱晨嶸.多地控制裝船機(jī)電氣系統(tǒng)的應(yīng)用[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2023（22）：29-34.

[3]劉巖.港口裝船機(jī)PLC與變頻控制技術(shù)分析[J].中國(guó)設(shè)備工程，2023（2）：180-182.

[4]顏萬(wàn)軍，盧云漢.某散貨碼頭PLC系統(tǒng)及上位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].模具制造，2023，23（10）：121-123.

[5]陳倩云，鄧克勇，李志俊.基于PLC冗余技術(shù)的皮帶機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2018（19）：120-124.

[6]胡曉陽(yáng).煤炭港口裝船機(jī)自動(dòng)化作業(yè)方案的研究[J].船舶物資與市場(chǎng)，2019（11）：82-84.

[7]林錦暉，陳智偉，韋大松.鏈斗式裝船機(jī)的電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代食品，2019（22）：1-6.

[8]劉壽恩.適用于小型船舶裝船機(jī)自動(dòng)作業(yè)控制系統(tǒng)研究[J].珠江水運(yùn)，2023（20）：70-72.

[9]劉千波，張勇.裝船機(jī)自動(dòng)化技術(shù)在散糧碼頭的應(yīng)用分析[J].中國(guó)機(jī)械，2024（21）：72-75.

[10]賈啟旺，田崇生.煤炭碼頭自動(dòng)裝艙工藝的研究與應(yīng)用[J].設(shè)備管理與維修，2024（8）：113-116.