秦皇島煤炭港裝卸設(shè)備控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試

李 偉

（秦皇島港股份有限公司第七港務(wù)分公司，河北 秦皇島 066000）

引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，煤炭的消耗量也逐年增加。作為煤炭港的重要裝卸設(shè)備，翻車機(jī)的使用范圍越來越廣，其裝卸任務(wù)也更加繁重[1]。為了緩解秦皇島大秦鐵路運(yùn)煤緊張的局面，提高工作效率，故對(duì)其主要裝卸設(shè)備——翻車機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造。將PLC控制策略應(yīng)用到翻車機(jī)的邏輯控制程序中，不僅能控制翻車機(jī)作業(yè)自動(dòng)化、減少人工勞動(dòng)的需求，并且還可以對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)警，保障秦皇島煤炭港裝卸工作能安全高效地進(jìn)行。

1 傳統(tǒng)翻車機(jī)裝卸工藝流程

翻車機(jī)的裝卸工作是由翻車機(jī)控制系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)共同完成的，在裝卸前，機(jī)車將整列車廂運(yùn)輸至工作區(qū)域，隨之翻車機(jī)與撥車機(jī)、夾輪器以及推車機(jī)等設(shè)備協(xié)同配合進(jìn)行作業(yè)。傳統(tǒng)翻車機(jī)裝卸工藝流程圖如圖1所示。

由圖1可知，機(jī)車將裝有煤炭的重載列車運(yùn)送至工作區(qū)域內(nèi)，采用夾輪器將車輪固定住，隨后機(jī)車離開該區(qū)域。通過人工手段將2、3節(jié)車廂手動(dòng)分離，同時(shí)采用撥車機(jī)將其前臂連接到前兩節(jié)車廂的鉤頭處，松開對(duì)應(yīng)的夾輪器，使得撥車機(jī)可以拖動(dòng)前兩節(jié)車廂運(yùn)行，直至運(yùn)行到翻車機(jī)附近時(shí)停止，松開前臂并重復(fù)上述作業(yè)流程。這時(shí)，翻車機(jī)的壓車缸收縮、靠車缸伸出，從而達(dá)到固定車廂的目的，同時(shí)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)開始轉(zhuǎn)動(dòng)完成翻卸煤炭的動(dòng)作。翻車機(jī)重復(fù)上述動(dòng)作，直至所有的列車車廂中的煤炭都卸載完成。

對(duì)于秦皇島煤港來說，其使用的翻車機(jī)都是旋轉(zhuǎn)式的，這也就意味著需要對(duì)列車進(jìn)行解列，等到彼此相互分離時(shí)才可以繼續(xù)作業(yè)[2]。在解列時(shí)需要工作人員進(jìn)行確認(rèn)，這樣不僅效率低，而且有一定的危險(xiǎn)性，因此需要對(duì)翻車機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造，在保障作業(yè)安全的前提下，進(jìn)一步提高作業(yè)效率。

2 翻車機(jī)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

為了滿足秦皇島煤港的生產(chǎn)需求，保障作業(yè)安全，本文對(duì)翻車機(jī)控制系統(tǒng)做了進(jìn)一步設(shè)計(jì)，通過引入PLC控制技術(shù)以及工業(yè)自動(dòng)化等先進(jìn)技術(shù)，使得翻車機(jī)控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)、高效地對(duì)各種設(shè)備工作狀態(tài)以及環(huán)境信息進(jìn)行采集，同時(shí)作業(yè)人員可以通過控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定，對(duì)翻車機(jī)的操作以及生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，如圖2所示。根據(jù)翻車機(jī)控制系統(tǒng)的功能不同，可以將整個(gè)控制系統(tǒng)分成3個(gè)部分，即控制平臺(tái)、電氣硬件以及機(jī)械平臺(tái)。

1）控制平臺(tái)涵蓋了工控機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)以及組態(tài)軟件等，實(shí)時(shí)控制著整個(gè)翻車機(jī)的工藝流程。組態(tài)軟件可以實(shí)現(xiàn)豐富的人機(jī)交互效果，可以通過熒屏對(duì)控制系統(tǒng)的界面、數(shù)據(jù)變化以及監(jiān)測(cè)預(yù)警信息進(jìn)行遠(yuǎn)程顯示。施工人員對(duì)組態(tài)軟件進(jìn)行操作，可以遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備，改變對(duì)應(yīng)的翻車機(jī)翻車參數(shù)，實(shí)現(xiàn)裝卸流程的自動(dòng)化。

2）電氣硬件具體包括變頻器、變壓器以及PLC等器件，變壓器的作用是對(duì)電壓進(jìn)行降壓處理，將6 000 V的高壓變?yōu)?80 V工業(yè)電壓，為控制系統(tǒng)中的機(jī)械元件提供電源。PLC對(duì)翻車機(jī)電機(jī)扭矩、設(shè)備溫度以及電壓電流等信息數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，經(jīng)由分析處理后反饋至遠(yuǎn)程控制中心，以完成對(duì)電機(jī)等設(shè)備工作參數(shù)的調(diào)節(jié)。

3）機(jī)械平臺(tái)包含翻車機(jī)以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)在內(nèi)的主要機(jī)械部件，通過PLC控制技術(shù)，完成對(duì)翻車機(jī)電機(jī)的控制，再通過減速器中的減速齒輪將力矩作用至翻車機(jī)主體，完成相應(yīng)的翻轉(zhuǎn)動(dòng)作。

3 主從電機(jī)同步控制研究

3.1 傳統(tǒng)連軸同步控制方式

對(duì)于傳統(tǒng)的翻車機(jī)同步控制方式，采用連軸控制形式，主要是由同步機(jī)械軸將主從電機(jī)的轉(zhuǎn)子或者用于轉(zhuǎn)子傳動(dòng)的齒輪箱進(jìn)行剛性連接，形成整體傳動(dòng)。這種控制方式可以讓各個(gè)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)保持較為穩(wěn)定的同步關(guān)系，以達(dá)到電機(jī)的同步運(yùn)行。然而采用這種方式連接的剛性同步機(jī)構(gòu)能源損耗較高、控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且不精確，容易出現(xiàn)同步震蕩形成共振現(xiàn)象，造成機(jī)械故障損壞，因此需要對(duì)其控制方式進(jìn)行改善。

3.2 柔性同步控制方式

速度的偏差以及轉(zhuǎn)矩限幅的控制形式是比較適用于主從驅(qū)動(dòng)電機(jī)柔性連接系統(tǒng)的，主從電機(jī)柔性連接的示意圖，如圖3所示。它主要適用于井下的皮帶機(jī)系統(tǒng)以及碼頭煤炭港的裝卸系統(tǒng)。這種連接方式需要使主從電機(jī)的運(yùn)行速度保持一致，同時(shí)還要確保轉(zhuǎn)矩的幅度在一定范圍內(nèi)，不宜過大。如果只是保證了主從驅(qū)動(dòng)速度基本相同，而轉(zhuǎn)矩不同，則會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的驅(qū)動(dòng)力大小不平均，造成電機(jī)過熱、甚至燒毀。

因此，為了解決上述情況，可以通過實(shí)際工況對(duì)主從驅(qū)動(dòng)的跟隨方式進(jìn)行設(shè)置。如果從驅(qū)動(dòng)與主驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩大小相同，但是速度不能保持一致，可以將從驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩限幅與主驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩值進(jìn)行連接，并允許速度的偏差大小在±5%～10%之間。考慮到系統(tǒng)在運(yùn)行過程中存在速度的偏差，將連接設(shè)備迅速拉緊，從驅(qū)動(dòng)的速度達(dá)到飽和狀態(tài)，由于轉(zhuǎn)矩限幅將輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)一步限制，可以確保從驅(qū)動(dòng)與主驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩保持一致，從而牽制住了從驅(qū)動(dòng)的速度，使之與主驅(qū)動(dòng)的速度保持一致，實(shí)現(xiàn)了同步控制的相對(duì)穩(wěn)定。

4 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試實(shí)驗(yàn)

將翻車機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化后，需要經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證其應(yīng)用效果，為此我們進(jìn)行了秦皇島煤炭港裝卸工藝流程的設(shè)備調(diào)試工作。

4.1 翻車機(jī)的調(diào)試

針對(duì)翻車機(jī)的調(diào)試工作，第一步就是檢測(cè)各個(gè)機(jī)構(gòu)的性能優(yōu)劣，測(cè)試其控制系統(tǒng)工作是否正常。隨后通過逐點(diǎn)測(cè)試的手段，由控制系統(tǒng)的人機(jī)交互界面觀察驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器、各類型傳感器以及電磁閥等部件是否運(yùn)行正常，翻車機(jī)的壓車缸是否可以完成相應(yīng)的接卸動(dòng)作。在對(duì)上述設(shè)備項(xiàng)目調(diào)試完畢后，技術(shù)人員通過遠(yuǎn)程操作控制的方式，在人機(jī)交互界面依照裝卸流程對(duì)翻車機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程的操控調(diào)試，為翻車機(jī)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試作業(yè)的示意圖如圖4所示。

4.2 抑塵系統(tǒng)的調(diào)試

在改造后的翻車機(jī)系統(tǒng)中增設(shè)了干霧抑塵系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的淋水抑塵設(shè)備相比，干霧抑塵系統(tǒng)在節(jié)約水資源的前提下，還改善了淋水抑塵設(shè)備在冬季效果不理想的問題，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求，可以最大限度地降低粉塵對(duì)大氣的污染，對(duì)作業(yè)人員的工作環(huán)境以及附近地區(qū)的生態(tài)環(huán)境都起到了很好的改善作用。

4.3 應(yīng)用效果對(duì)比分析

將翻車機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，立即投入到秦皇島煤炭港的煤炭運(yùn)輸生產(chǎn)流程中。在應(yīng)用時(shí)期，記錄了控制系統(tǒng)優(yōu)化后翻車機(jī)作業(yè)的數(shù)據(jù)。通過了分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，該企業(yè)公司在上一年度共完成煤炭裝卸量為240多萬t，直接利潤(rùn)收益為2 110萬元，折合每噸煤的直接利潤(rùn)為8.8元。

經(jīng)過控制系統(tǒng)的改造優(yōu)化，在工作人員遠(yuǎn)程控制下，連續(xù)作業(yè)了10個(gè)月，期間共裝卸煤955萬t，依照這個(gè)進(jìn)度，一年的煤炭裝卸量預(yù)計(jì)達(dá)1 146萬t。設(shè)備優(yōu)化改造后，煤炭裝卸量顯著增加，預(yù)計(jì)比上一年度增加1 146萬t-240萬t=906萬t。按照8.8元/t直接收益計(jì)算，直接經(jīng)濟(jì)收益增加了8.8元/t×906萬元=7 972萬元。作業(yè)效率大幅提高，經(jīng)濟(jì)收益也迅猛增長(zhǎng)。

5 結(jié)論

作為秦皇島煤炭港主要的煤炭裝卸設(shè)備，翻車機(jī)的控制系統(tǒng)運(yùn)行效率的好壞，在一定程度上決定了煤炭企業(yè)的運(yùn)輸效率。本文將翻車機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，將PLC以及自動(dòng)化等關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用到其中，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制的目的，不但解決了運(yùn)輸效率低的問題，還保障了施工人員的安全作業(yè)。經(jīng)由現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試成功應(yīng)用到實(shí)際中，值得將該項(xiàng)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中進(jìn)一步推廣。