裝船機伸縮掛纜過拉力保護功能設計

楊文博

國能黃驊港務公司 滄州 061113

0 概述

裝船機是港口碼頭煤炭裝船作業的核心設備，其設備的穩定性直接關系著煤炭作業產量的高低。隨著港口煤炭目標運量的逐年增加，裝船機的設備完好率要求也越來越高。裝船機的伸縮掛纜是裝船機上的移動電纜，負責活動臂架上各種電氣設備與電氣室供電電源及控制設備之間的電力及信號交互。由于伸縮掛纜在裝船機作業過程中需要頻繁移動，故障率居高不下，故裝船機伸縮掛纜的高故障率成為制約裝船機設備完好率提高的瓶頸。伸縮掛纜機構的故障主要表現為掛纜小車頻繁卡死，進而造成伸縮掛纜拉傷或拉斷。由于伸縮掛纜涉及動力電纜和信號電纜較多，一旦被拉傷或拉斷則裝船機便無法繼續作業，且其恢復難度大，恢復所需時間長，有必要對伸縮掛纜進行防拉傷或防拉斷技術保護。為此，本文設計了一種裝船機伸縮掛纜過拉力保護裝置及控制方法，對裝船機伸縮掛纜提供實時保護。當裝船機因掛纜小車出現卡死或其他原因導致伸縮掛纜即將受到較大拉力時，能及時觸發保護動作并報警停機，從而避免裝船機伸縮掛纜被拉伸破壞甚至拉斷情況的出現。

1 現有裝船機伸縮保護措施

如圖1所示，裝船機的伸縮臂架活動部分4在作業過程中隨裝艙卸料的進行需做伸縮運動。伸縮臂架活動部分4上的電氣終端（如伸縮電機、編碼器、溜筒液壓站、PLC模塊以及各種保護開關、照明設備等）通過伸縮掛纜7與電氣室的供電電源控制系統進行電力與信號傳遞，圖中8為伸縮掛纜7在伸縮臂架固定部分上的固定點，5為伸縮掛纜7在伸縮臂架活動部分4上的固定點。

圖1 改造前裝船機臂架示意圖

裝船機伸縮掛纜7由掛纜小車3承載，懸掛于伸縮臂架工字鋼軌道2上。當裝船機做伸縮臂架運動時，伸縮臂架活動部分4拖動伸縮掛纜7及掛纜小車3一同進行往復運動。在伸縮臂架活動部分4伸縮運動過程中，如果某個掛纜小車3因老化等原因出現變形與伸縮臂架固定部分1上的鋼結構發生剮蹭，或是某個掛纜小車3滑輪損壞卡在軌道上時，會使伸縮掛纜7受到較大拉力而拉傷，甚至將其拉斷，造成重大機損甚至觸電事故。為了防止伸縮掛纜7受較大拉力甚至拉斷的情況出現，以往的解決方法是在每2個掛纜小車3之間固定1根比伸縮掛纜略短的鋼芯拉繩6。當掛纜將要受到較大拉力時，鋼芯拉繩6先受力，從而起到保護伸縮掛纜7的作用。在實際應用中，當伸縮臂架做伸縮運動時出現掛纜小車3與鋼結構發生剮蹭的現象，鋼結構會頂著掛纜小車3將鋼芯拉繩6拉斷，進而將伸縮掛纜7拉斷。因此，鋼芯拉繩6對伸縮掛纜7的保護作用有限，伸縮掛纜7仍會面臨被拉傷或拉斷的風險。

目前，有利用磁場變化專門監測鋼絲繩斷芯的監測裝置[1]，如果能提前發現鋼芯拉繩斷裂，則能實現提前預警對伸縮掛纜的保護。該檢測原理為設立專門的磁化裝置將鋼絲繩所在區域添加磁場，使鋼絲繩內部分布有相應的磁場。當鋼絲繩內部出現斷芯變化時，鋼絲繩內部的磁場會發生相應變化，故通過觀察鋼絲繩內部磁場變化即可實現對鋼絲繩斷芯情況的監測。但是，這種裝置要求鋼絲繩位置相對固定，而裝船機伸縮掛纜鋼芯拉繩隨著裝船機伸縮臂架的運動，其位置一直處于變動中，難以為鋼芯拉繩區域施加穩定的磁場。同時，該裝置對環境要求較高，而裝船機伸縮掛纜處環境十分惡劣，如果使用必然嚴重影響該裝置的有效性。因此，利用這種裝置來監測鋼芯拉繩，進而保護伸縮掛纜7的辦法不可行。

2 伸縮掛纜過拉力保護功能的原理及實現

為克服以上困難，實現對裝船機伸縮掛纜的保護，本文設計了具有裝船機伸縮掛纜過拉力保護功能的裝置。該功能的實現包括機械構設計、電氣設計、控制方案設計和邏輯編程等部分。

2.1 機械設計

圖2為改造后的裝船機伸縮臂架示意圖。在圖1結構的基礎上，將1根2×1 mm2型號保護電纜B沿伸縮掛纜7鋪設，保護電纜B由于其為雙芯電纜，其抗拉強度遠低于鋼芯拉繩6。同時，在鋪設方法上要求每2個掛纜小車3之間的保護電纜B長度介于伸縮掛纜7與鋼芯拉繩6之間，即鋼芯拉繩6長度＜保護電纜B長度＜伸縮掛纜7長度。

圖2 改造后裝船機臂架示意圖

保護電纜B經過每個掛纜小車3的位置，應將保護電纜B在掛纜小車3上進行多圈纏繞并用扎帶固定，以保證每2個掛纜小車3之間的保護電纜B在受力時不會出現竄動。同時，在保護電纜B與掛纜小車3接觸的位置用軟膠皮隔開，以防止保護電纜B纜皮被磨破。保護電纜B右端的雙芯線接入接線箱C內的單匹斷路器上，保護電纜B左端的雙芯線接入接線箱A內的PLC 遠程站I/O模塊上，用以對PLC I/O 模塊傳遞過拉力信號。

2.2 電氣設計

1）電氣物理連接

如圖3所示，裝船機的伸縮動作由伸縮變頻器驅動伸縮電機實現，伸縮變頻器的伸縮動作指令全由AB ControlLogix PLC控制器發出。裝船機操作人員通過控制手柄或人機交互界面HMI來發出裝船機動作指令，PLC控制器經過內部邏輯運算將具體的指令內容，如伸縮變頻器動作的方向及速度命令通過PLC輸出模塊1794-OB16及1794-IE4OE2模塊發送至變頻器。變頻器收到命令后，輸出驅動伸縮電機進而實現裝船機臂架伸縮運動。

圖3 裝船機伸縮動作原理圖

在本設計的伸縮掛纜過拉力保護功能控制系統中，選用1794-IB16模塊作為PLC輸入模塊，模塊采用24 V供電并包含16個開關量通道（伸縮掛纜過拉力檢測功能使用其中的1個通道），可實時采集伸縮掛纜過拉力檢測開關量信號。該模塊類型與裝船機原機AB controllogix PLC控制系統為同品牌、同系列，故具有完全的兼容性。該模塊通過1794-AENTR以太網適配器與中央控制器Logix5573實現物理連接及信息交互。

在圖3中，虛線框中所示線路為沿伸縮掛纜鋪設的保護電纜B，其左端雙芯接入1794-IB16輸入模塊，右端接入單匹斷路器。其具體連接方式如圖4所示。保護電纜B接入輸入模塊的部分,其中一端接入1794-IB16輸入模塊B17端子，另一端接入A0端子。1794-IB16輸入模塊正常供電運行后，B17端子自帶24 V電源，保護電纜B的接入使B17端子的24 V電能接入A0端子。在此情況下，PLC控制器能識別出1794-IB16輸入模塊A0通道所采集的為代表24 V高電平的1開關量信號。如果保護電纜B出現拉斷情況，則B17端子的24 V高電平則無法通過保護電纜B接入到A0端子，PLC控制器則識別1794-IB16輸入模塊A0通道所采集的為代表0 V低電平的0開關量信號。由此，保護電纜B的通斷反映到PLC控制系統中即為A0通道輸入信號0與1的開關量變化。

圖4 保護電纜線路連接方式示意圖

2）過拉力檢測裝置動作原理

在裝船機控制系統中，單匹斷路器11為常閉狀態，保證PLC控制器中識別的掛纜過拉力保護信號為1正常狀態。由于鋼芯拉繩6長度＜保護電纜B長度＜伸縮掛纜7長度，當裝船機做臂架伸縮運動出現前述掛纜小車3卡滯在軌道上并拉斷鋼芯拉繩6時，若裝船機繼續做伸縮運動則在對伸縮掛纜7施加拉力前必會先拉斷保護電纜B。此時，1794-IB16輸入模塊A0端采集到的24 V高電平則會立即變為0 V低電平，PLC 控制系統則會立即識別出該掛纜過拉力保護信號變為0。因此，可通過對掛纜過拉力保護信號0/1狀態變化來進行邏輯編程，進一步控制裝船機臂架的伸縮功能。若過拉力保護信號變為0，則表明保護線被拉斷，需要立即報警停機，中止裝船機臂架繼續做伸縮運動，進而實現對伸縮掛纜的保護。

單匹斷路器的作用是保護1794-IB16輸入模塊和方便日常對過拉力保護信號的有效性檢查。在日常保護信號檢查中，維護人員可通過分合斷路器、觀測PLC系統識別的過拉力保護信號的0/1變化來檢測過拉力保護電纜的有效性。如果過拉力檢測電纜內部線芯發生短路，則斷路器無法使過拉力保護信號由1變為0。同時，該斷路器還能在過拉力檢測電纜線芯發生接地進而產生大電流時及時切斷線路，保護接線箱A內的1794-IB16輸入模塊及1794-AENTR模塊不被燒毀。

3 過程控制

控制方案中系統框圖及控制流程見圖5、圖6。在圖5中，PLC控制系統實時接收伸縮掛纜過拉保護力信號，并根據該信號的狀態變化情況進行邏輯運算，進一步向變頻器發送控制指令，控制伸縮電機的啟停。HMI人機交互界面顯示過拉力報警信息，當PLC控制系統中收到伸縮掛纜過拉力檢測信號異常變化時，HMI及時向操作人員發出故障及維修提醒。另外，HMI系統還能存儲伸縮掛纜過拉力報警信息，方便以后查閱。

圖5 系統框圖

如圖6所示，伸縮掛纜過拉力保護具體控制方案流程為：裝船機臂架做伸縮運動；PLC控制系統判斷伸縮掛纜過拉力信號是否為1；如果信號為1，則裝船機可繼續做臂架伸縮運動，并對該信號進行持續判斷；如果伸縮掛纜過拉力保護信號為0，則PLC控制裝船機報警停機。

圖6 控制流程圖

4 結語

本文所述裝船機伸縮掛纜過拉力保護功能裝置已在某港口碼頭的裝船機上全面應用，效果十分明顯。該功能裝置彌補了裝船機伸縮掛纜在過拉力檢測方面沒有電氣信號保護的重大缺陷，能有效避免裝船機伸縮掛纜被拉伸破壞甚至拉斷情況的出現，有效降低了裝船機伸縮掛纜的故障率，對于裝船機作業的平穩順利進行起到了很大的保障作用。同時，該裝船機伸縮掛纜過拉力保護功能裝置原理簡單、機械設計、電氣設計及PLC邏輯編程易于實施，具有較高的可推廣性。