淺談裝船機系統(tǒng)性能提升

孫浩

摘 要：本項目通過技改裝船機的控制系統(tǒng)，使操作更加便捷，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。開發(fā)智能人機界面，使裝船機的狀態(tài)信息更加直觀，故障顯示具體詳細，降低了操控員按鈕操控的頻率，減輕了操控員的勞動強度。同時提高技術(shù)人員的處理故障的相應判斷速度，降低了裝船機的故障時間，提高了裝船機的作業(yè)效率。

新司機室按人機工程學設(shè)計布局，美觀，便捷，空間充足；整體堅固，增加穩(wěn)定性；內(nèi)置接線箱，提高可靠性，減少故障率；

新溜筒設(shè)計，較之前更加簡潔可靠，降低了整體重量，消除了安全隱患?？刂谱冾l系統(tǒng)采用功能強大的富士變頻器，減少故障率，提能降耗。

關(guān)鍵詞：裝船機；控制系統(tǒng)；司機室；溜筒

1、項目背景：某港一期工程裝船機始建于2000年，運行18年以來，設(shè)備嚴重老化，其中司機室控制系統(tǒng)以按鈕操作為主，故障顯示為8段數(shù)碼管顯示，技術(shù)十分落后，急需升級換代。

裝船機核心溜筒機構(gòu)作業(yè)過程中動作頻繁，受煤流沖擊大，設(shè)備安全狀況較差，其溜筒天方地圓處母板磨損嚴重，多處焊縫開裂，存在墜落風險。控制系統(tǒng)采用接觸器控制，低效落后。

針對以上情況，我們通過大量的設(shè)計核算，現(xiàn)場研究，通過裝船機控制系統(tǒng)升級及溜筒機構(gòu)改造解決以上問題，很好的消缺了設(shè)備隱患，提高可靠性，帶來可觀的經(jīng)濟效益。

2. 詳細技術(shù)內(nèi)容

2.1、控制程序組態(tài)及編寫

原司機室控制系統(tǒng)，采用PLC5遠程I/O模塊，1747適配器，采集現(xiàn)場按鈕信號，輸出數(shù)字量給故障代碼及指示燈。

我們的解決方案為，將原有的1771落后停產(chǎn)的模塊升級替換為1794模塊，大量減少按鈕操作，改為觸摸屏操作，減少輸出信號，總統(tǒng)規(guī)劃如下圖一

2.1.1、設(shè)備組態(tài)

新建1794遠程機架采用DH+通訊，終端增加150歐姆電阻；新建觸摸電腦采用雙網(wǎng)線通訊，可以實現(xiàn)人機交互及管控登錄。

遠程槽位為1794 Flex I/O Adaper，適配器選用1794-ASB Series E，其版本型號需要與硬件匹配，1/2槽尋址方式，并在軟件中選擇相應的波特率。

根據(jù)實際需求，軟件中選擇與硬件匹配的型號，組態(tài)兩臺32位，24V數(shù)字量輸入模塊；一臺32位，24V數(shù)字量輸出模塊；一臺模擬量8通道模塊。

其S1-7至S1-6的撥碼，根據(jù)軟件組態(tài)分配的邏輯地址7號機架，對照產(chǎn)品撥碼說明書設(shè)置為：S1-1ON、S1-2ON、 S1-3ON、 S1-4OFF、 S1-5OFF、 S1-6OFF的狀態(tài)；S1-7及S1-8選擇相應1槽尋址方式；S2-3及S2-4撥碼調(diào)置為OFF狀態(tài)，適應32位模塊，其他撥碼位置保持不變。

2.1.2、程序編輯

（1）程序編輯將原有的操作臺廢除按鈕輸入點進行刪除，并根據(jù)實際情況將保留部分進行替換。

（2）模擬量操作桿輸入信息，新建MESSAGE指令，讀寫模塊的模擬量信息，經(jīng)過程序計算后，發(fā)送給變頻器。

（3）新建觸摸按鈕程序梯形圖，新建觸摸屏故障報警梯形圖，結(jié)合老程序進行開發(fā)完善。并與觸摸屏建立節(jié)點，實現(xiàn)通訊。

2.2、新型控制交互系統(tǒng)：

裝船機司機室原操作方式為機械按鈕操作，操作臺按鈕數(shù)量較多且有部分按鈕已喪失功能，部分按鈕標志牌模糊不清或接線不牢固，操作時易出現(xiàn)誤操作或者操作失靈現(xiàn)象，提高了裝船機故障率，嚴重影響了裝船機的正常作業(yè)。且操作臺按鈕陳舊，影響了操控員的作業(yè)情緒和司機是的整體美觀。

裝船機司機室原單機狀態(tài)顯示通過指示燈顯示，指示燈損壞后，操控員無法全面的掌握單機的實時狀態(tài)，影響正常操作。裝船機司機室原故障報警通過8段數(shù)碼管顯示，出現(xiàn)故障后，操控員不能直接獲取故障信息，必須通過故障代碼表查詢故障明細，技術(shù)落后，復雜繁瑣。

裝船機新的操作及狀態(tài)故障顯示控制系統(tǒng)采用先進的HMI人機界面，該控制系統(tǒng)選用研華PV1000工控機，通過以太網(wǎng)與PLC進行通訊。司機室HMI人機界面采用Rockwell公司的FactoryTalk View SE人機界面軟件進行編制，該軟件功能強大，編制界面穩(wěn)定可靠。

裝船機新控制系統(tǒng)HMI人機界面替代了原操作臺大部份按鈕的功能，操控員直接通過點擊人機界面上的按鈕即可實現(xiàn)各種操作功能。HMI人機界面通過以太網(wǎng)與PLC通訊，無硬線連接，從根本上杜絕了操作失靈現(xiàn)象。HMI人機界面按鈕標識清晰，布局合理，極大的降低了誤操作的可能性。HMI人機界面降低了操控員按鈕操控的頻率，減輕了操控員的勞動強度。相對原操作方式，HMI人機界面降低了裝船機的故障率，提高了裝船機的作業(yè)效率。

裝船機新控制系統(tǒng)HMI人機界面通過多態(tài)指示器顯示裝船機各機構(gòu)狀態(tài)，操控員通過HMI人機界面能夠直觀的了解裝船機各機構(gòu)實時狀態(tài)。相比原狀態(tài)顯示方式，HMI人機界面狀態(tài)顯示清晰明確，杜絕了原顯示方式中由于指示燈損壞造成的顯示錯誤現(xiàn)象。

裝船機新控制系統(tǒng)HMI人機界面通過報警服務器形成裝船機故障報警列表，裝船機出現(xiàn)故障后直接顯示在故障列表中，操控員可以直接獲知故障明細并處理。相比原故障報警方式，操控員通過HMI人機界面可及時獲知故障明細，無需查詢故障代碼表，提高了故障處理的效率。下圖為裝船機新建控制系統(tǒng)HMI人機界面：

2.3、人性化司機室設(shè)計

司機室按人機工程學設(shè)計，整體堅固，美觀、安全隔熱、防火、防雨、全封閉，采用夾層結(jié)構(gòu)，填充隔熱、隔音、阻燃材料，室內(nèi)裝飾絕緣防靜電板材，設(shè)計有足夠的空間，便于設(shè)備安裝，司機操作和維修，司機室玻璃為夾膠雙層鋼化玻璃，并設(shè)至電動雨刷器，兩側(cè)設(shè)置可調(diào)窗簾。操作臺僅保留原有尺寸的1/3，對按鈕進行刪減。座椅可調(diào)節(jié)高度，前后距離和靠背角度，座椅上覆以透氣防滑材料，同時便于司機出入。司機室設(shè)有空調(diào)，小桌板，腿部電吹風，微波爐飲水機等，各項設(shè)計符合人機工程學。

新司機室結(jié)構(gòu)優(yōu)點

（1）現(xiàn)有司機室整體采用不銹鋼材質(zhì)，比原有司機室更耐腐蝕，壽命更長。

（2）底座鋼支撐結(jié)構(gòu)進行了加固，使司機室整體更加穩(wěn)固，改造后作業(yè)過程中司機室晃動明顯減輕。

（3）內(nèi)置接線箱，相比原有司機室接線箱安裝在司機室外，減少了雨水、煤塵的影響，提高了接線箱的壽命，減少了接線箱因潮濕、封塵等原因造成的故障。

（4）內(nèi)部操作臺布置在空間利用方面更加合理。

2.4溜筒的機械設(shè)計

2.4.1原溜筒存在的問題：

① 原溜筒為3層伸縮結(jié)構(gòu)，2005年改造后伸縮功能已取消，結(jié)構(gòu)復雜，故障較多；

② 原溜筒使用已超過16年，天方地圓處母板磨損嚴重，承載能力大幅下降，存在著溜筒可能掉落的安全隱患；

③ 溜筒內(nèi)襯板磨損較快，更換難度大、危險性高、耗時長，維修維護困難；

④ 溜筒回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置安裝位置緊貼著天方地圓處，維修空間狹小，維護更換困難；

⑤ 溜筒機構(gòu)維護維修工作量大，需要的停機時間長，對生產(chǎn)的影響大。

⑥ 溜筒大鏟拋料距離較小，對裝船作業(yè)有一定的影響。

⑦ 原溜筒防碰撞設(shè)施效果不好，存在安全隱患；

2.4.2新溜筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計充分考慮了上述問題，并采取了多種措施予以解決，具體如下：

① 新溜筒為一層整體機構(gòu)，去掉了外面的兩層結(jié)構(gòu)，溜筒外徑減小500mm，結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，重量降低；

② 新溜筒外徑縮小后，對裝船作業(yè)特別是結(jié)艙非常有利，提高了裝船效率和裝船質(zhì)量；

③ 新溜筒天方地圓進行了加固，消除了溜筒掉落的安全隱患；

④ 新溜筒天方地圓處襯板設(shè)計了打格襯板，使用壽命大幅增加，襯板維修量大幅減低；

⑤ 新溜筒重新設(shè)計了維修平臺，增加了維修維護空間，降低了維修工作量、停機時間及人員的安全風險；

⑥ 新溜筒大鏟結(jié)構(gòu)形式進行了優(yōu)化，襯板采用不銹鋼材質(zhì)，拋料效果大幅提升，提高了裝船效率和裝船質(zhì)量；

⑦ 對原溜筒防碰撞進行了優(yōu)化改造，提高了設(shè)備運行安全性能。

2.5溜筒變頻器升級

在裝船機作業(yè)過程中，通過變頻器來控制溜筒回轉(zhuǎn)啟停，回轉(zhuǎn)變頻器在整機生產(chǎn)作業(yè)過程中起到關(guān)鍵作用。從投入使用到現(xiàn)在，經(jīng)過了十余年的長期運行。由于現(xiàn)場環(huán)境較差、不間斷運行時間長，使變頻器老化嚴重，近幾年故障多發(fā)，經(jīng)常影響裝船機的正常作業(yè)

此次裝船機溜筒改造，回轉(zhuǎn)驅(qū)動電機升級為5.5kw SEW電機，對變頻器的要求提高，老變頻器從性能和穩(wěn)定性上已經(jīng)不能維持正常作業(yè)。經(jīng)過研究和討論，采用變頻器進行控制。

結(jié)合現(xiàn)場實際情況，根據(jù)新電機的參數(shù)和數(shù)據(jù)，采用富士FRN5.5VG1S-4C變頻器來控制速度。富士FRN5.5VG1S-4C變頻器是一種高性能矢量控制變頻器，具有控制精度高、參數(shù)設(shè)置簡易、保護功能齊全等優(yōu)點，中文的人機界面為日常設(shè)備維護和故障處理帶來了方便。

變頻器在完成配線連接后可開始變頻器的調(diào)試工作。富士FRN5.5VG1S-4C變頻器可選擇的電機控制方式。裝船機溜筒回轉(zhuǎn)控制采用無傳感器矢量控制（異步電機），該種控制方式通過電機電壓、電流推定出速度后進行速度控制，然后，通過矢量控制可實現(xiàn)電機電流和電機轉(zhuǎn)矩的快速響應、高精度控制。無需傳感器，通過調(diào)整控制常數(shù)速度控制可實現(xiàn)必要的響應。

參照電機銘牌，通過變頻器操作面板來對變頻器進行基本數(shù)據(jù)設(shè)定：

在完成基本數(shù)據(jù)設(shè)定之后必須實施電機常數(shù)自整定，在自整定的過程中，變頻器會對電機進行勵磁電流、額定負載滑差、磁飽和系數(shù)、感應電壓、2次時間常數(shù)進行測定和整定，并自動寫入相應電機。

自整定完成之后，變頻器調(diào)試完畢。新變頻器調(diào)試簡便，對控制系統(tǒng)和電機均具有很高的兼容性，降低了此次設(shè)備改造的復雜程度，使得此次升級改造從安裝調(diào)試到設(shè)備運行僅用了一天時間。

溜筒回轉(zhuǎn)變頻器的升級改造，提升了設(shè)備性能，降低了設(shè)備故障率，統(tǒng)一了備件信息，為日后的維修保養(yǎng)帶來了很大的便利。

3.發(fā)明點和創(chuàng)新點

（1）新建的控制系統(tǒng)，更加穩(wěn)定可靠。

（2）新建的人機界面更加智能，簡便操作，提高效率。

（3）新更換的司機室，更加舒適耐用，布局合理，符合人機工程學。

（4）新更換的溜筒結(jié)構(gòu)、材料等方面優(yōu)化設(shè)計，溜筒結(jié)構(gòu)，天方地圓和大鏟襯板，維護平臺和溜筒防碰撞改造，使裝船機的生產(chǎn)作業(yè)效率、裝船質(zhì)量、人員設(shè)備安全性能都得到了大幅提升，同時也降低了溜筒的維修維護工作量。

（5）新升級的溜筒變頻系統(tǒng)，性能可靠，故障率低，便于開發(fā)設(shè)計。

（6）標準的司機室更換工藝，對后期同類設(shè)備維修改造具有借鑒意義。

4. 與當前國內(nèi)外同類研究、同類技術(shù)的綜合比較

同類比較，某港一期工程裝船機通過技改裝船機的控制系統(tǒng)，使操作更加便捷，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。開發(fā)智能人機界面，使裝船機的狀態(tài)信息更加直觀，故障顯示具體詳細，降低了操控員按鈕操控的頻率，減輕了操控員的勞動強度。同時提高技術(shù)人員的處理故障的相應判斷速度，降低了裝船機的故障時間，提高了裝船機的作業(yè)效率。

新司機室按人機工程學設(shè)計布局，美觀，便捷，空間充足；整體堅固，增加穩(wěn)定性；內(nèi)置接線箱，提高可靠性，減少故障率；

新溜筒設(shè)計，較之前更加簡潔可靠，降低了整體重量，消除了安全隱患。新升級的變頻系統(tǒng)采用功能強大的富士變頻器，統(tǒng)籌備件信息，便于維護及開發(fā)，極大的緩解了備件停產(chǎn)，設(shè)備老舊的困難，減少故障率，提能降耗。

5. 結(jié)束語

自設(shè)備成功技改以來，大幅度降低了設(shè)備的故障率，操作便捷，系統(tǒng)穩(wěn)定性明顯提高，裝船機司機室美觀，舒適。新溜筒的設(shè)計簡潔可靠，消除安全隱患，減少因設(shè)備缺陷造成的停機，限產(chǎn)等現(xiàn)象，提高作業(yè)效率，增加產(chǎn)能。

技改以后間接效益，粗略估計，按減少故障停機每天2小時，設(shè)備維修每周8小時，按照設(shè)計能力6000噸/小時，每月可以增加產(chǎn)能92*6000=55200噸煤炭下水量。節(jié)約了維修材料，人員成本等，提能增效。

參考文獻：

【1】機械設(shè)計手冊編委會.機械設(shè)計手冊（M）.北京：機械工業(yè)出版社，2000

【2】Control Logix 系統(tǒng)實用手冊.機械工業(yè)出版社.鄧李 編著.

【3】液壓元件與系統(tǒng). 機械工業(yè)出版社，2011