取料機防過載自動控制方法

王靖宇

秦皇島港股份有限公司第九港務分公司

1 引言

斗輪取料機是散料輸送系統中取裝的關鍵設備，由于目前港口取料機大多由司機手動操作，作業中經常會出現因取料量過大而超過設備設計能力的過載現象，會造成設備損傷、大臂自降、物料轉接點的堵塞、皮帶機跑偏、沿線物料灑落等嚴重問題。取料量受走行進車、回轉速度、垛形、塌垛等諸多方面影響，尤其在配煤作業時，兩取料機流量匯聚下游皮帶，很容易造成量大過載。但剛性限制流量又會造成平均流量過低而降低生產效率，不利于節能降耗。為了解決上述問題，設計了取料機防過載自動控制方法，大幅減少了過載與相關故障發生頻次，該方法主要內容可以概括為3個方面：第一，研究確定瞬時流量、電流反饋雙閉環控制策略；第二，研究并建立多過載模式下的控制方法；第三，增加垛形掃描儀監測控制進車量。

2 流量和電流雙閉環控制策略

改造前取料機過載保護是通過綜保參數過流保護實現，沒有反饋，屬于開環控制，嚴重依賴司機操作。為在設備上實現即便是不同的人員操作，都能讓取料流量始終控制在合適的范圍內，制定了圖1所示的閉環控制策略。

圖1 雙閉環控制策略

通過分析取料瞬時流量與回轉速度、斗輪電流趨勢關系，發現流量與回轉速度趨勢一致，斗輪電流受進車及垛形影響大。所以將回轉速度確定為主控制變量，將皮帶秤瞬時流量和斗輪電流作為反饋，同時安裝垛形掃描儀監測防止進車過大，建立流量、電流雙閉環控制策略，通過參數設置，可以選擇過載超前或滯后控制，降低回轉速度或停止回轉防止過載發生。

3 多過載模式控制方法的建立

過載設備包含取料機單機和雙取料機配煤流程作業時的下游皮帶機，作業流程分為單取和配煤，配煤流程中又包括有比例配煤和無比例配煤[1]。由于作業流程的多樣性與過載設備的不同，將控制方法概括為多過載模式控制方法，方法通過5個部分實現：確定單機最大允許瞬時量；計算速度系數；斗輪運行電流反饋控制；瞬時流量反饋控制；進車量控制。

3.1 單機最大允許瞬時量

單機最大允許瞬時量在單機取料時以取料機設計能力6 000 t/h設定，配煤時根據配煤比例和下游皮帶機設計能力8 000 t/h進行分配。根據配煤取料機的目標量計算配煤比例[2]，例如1∶3比例配煤，則取料機R1設定為2 000 t/h，R2設定為6 000 t/h。無比例配煤按照0.5比例系數分配。如果按比例分配后，單機最大允許瞬時量大于6 000 t/h，則取上限6 000 t/h。為了避免小流量情況，最大允許瞬時量小于2 000 t/h時取2 000 t/h。

3.2 速度系數計算

對于配煤作業，取料機瞬時取料量會小于單取，需要修正速度系數，設定回轉速度上限。配煤作業時，將配煤比例系數乘以回轉速度理論最大值作為回轉速度上限。這樣就能防止司機誤操作引起的回轉過快、取料量過大情況出現，降低頻繁觸發防過載限制條件次數，保證取料的平穩性。

3.3 運行電流反饋控制

改變斗輪綜保的通訊方式，通過DP通訊，將斗輪電流數據引入控制系統，當斗輪電機持續超過其70%的額定電流時，便認為取料機流量超限，當前取料機進入減速模式，速度減低為最大值的10%，直至電流恢復正常。通過這樣的限制程序設計，可以大大降低單取流程的超載作業情況，起到保護設備結構的作用。

3.4 瞬時流量反饋控制

由于皮帶秤瞬時流量采集具有延時，當監測到過載時，需持續一段時間，這個時間可以靈活設定，如超載1 s啟動回轉減速條件，速度降低為當前值的60%，直至恢復至合理范圍。當過載觸發時間過長，則停止回轉，保護設備。

3.5 進車量控制

為解決進車量問題[3]，通過選型比較，采用Sick的LMS511的激光掃描儀。LMS511室外型激光掃描雷達，其主要用于室外車輛輪廓掃描、港口設備定位、輪廓掃描及防撞、地圖掃描、散貨體積測量、無人車導航、安防追蹤及區域防護等。通過現場的實際調研，為防止該傳感器被煤垛刮掉、被中水腐蝕，盡量減少現場惡劣條件對于傳感器傷害，將傳感器安裝到司機室下方及對稱位置。通過傳感器自帶軟件可以看到現場掃描情況，圖2中曲線為掃描到的煤垛形狀。通過LMS511自帶的數據線，將垛距實時傳輸到取料機PLC內，保證取料機進車量不會深入煤垛過大。

圖2 現場掃描情況

4 應用效果

通過以上技術方案的逐一落實，實現了取裝作業流程中單取作業和雙取配煤作業防過載的自動控制。自2019年三季度起運用該控制方式后，再次統計取裝流程中下游皮帶過載的次數和設備高壓跳閘的次數，兩項指標同比均大幅降低(見圖3、圖4)。

圖3 超載次數統計

圖4 高壓跳閘次數統計

隨機抽取取料機和下游皮帶機皮帶秤的瞬時流量曲線。取料機瞬時流量基本保持在6 000 t/h以下，超越時馬上被修正恢復到正常范圍內(見圖5)。下游皮帶機瞬時流量基本上保持在4 000～8 000 t/h這一合理范圍內，流量分布均勻，大于8 000 t/h和小于2 000 t/h的情況很少出現(見圖6)。由此看出，取裝作業流量防過載自動控制方法有效地減少了過載發生次數，降低了超載對設備帶來的傷害，達到了自動控制的目標。

圖5 取料機皮帶秤瞬時流量曲線

圖6 下游BM皮帶機皮帶秤瞬時流量曲線

本項改造每年可減少超載引起重載停機20余次，節約電能超過8 000 kWh。根據設備運行統計，2019年度取裝平均流量為3 827.57 t/h，改造后的2020年取裝平均流量為3 872.34 t/h，對比2019年下降了1.16%，年均節約電能約33萬kWh，節約電費約256 880元。同時減少因皮帶磨損需更換的皮帶約1 200 m，節約備件成本125萬元，同時年均降低取裝故障時長約10 h，增加效益為580 800元。

5 結語

通過對這項技術的研究，解決了取裝作業流程頻發流量過載及相關故障的一系列問題，實現了防過載自動控制，達到了精細化、自動化的配煤要求。該項目已推廣應用至煤五期所有的取裝作業流程中，經濟效益明顯。若將此方案推廣至干散貨港口設備中，不但能降低設備故障率，還可提高設備的利用率，延長設備的使用壽命，確保設備安全穩定運行，減少堵斗、沿線灑落的發生，在保證貨主利益的同時，也提高港口效益。