高低壓配電系統(tǒng)中智能電氣監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

呂滋銳

（北京中交紫光科技有限公司，北京，100000）

1 工程概況

本文以巴基斯坦中電胡布燃煤電廠煤碼頭項目作為研究對象，對研究內(nèi)容展開全面、深入的研究分析。該項目位于巴基斯坦境內(nèi)，港口碼頭建設(shè)工程時中電胡布發(fā)電公司建設(shè)的鉆用煤炭運輸港口，該港口設(shè)計的駁船噸位為10000t，煤炭進(jìn)出口的年噸位規(guī)劃為440萬噸。

2 施工難點

進(jìn)一步的調(diào)研了解到，該項目施工過程中所面臨的施工困難主要是體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)實際施工時，施工區(qū)域附近缺乏吊裝作業(yè)所需的吊裝設(shè)備，施工單位預(yù)計需要使用180t的起重機(jī)進(jìn)行水上方塊吊裝作業(yè)。

(2)水上起重作業(yè)難度比較大，施工單位使用履帶式起重機(jī)完成吊裝作業(yè)。

(3)在實際進(jìn)行水上吊裝作業(yè)時，由于風(fēng)浪潮汐自然因素的影響，導(dǎo)致起重機(jī)作業(yè)過程中的穩(wěn)定性受到一定的影響，可能會影響到實際作業(yè)過程中的安全性。

(4)毫無疑問，水上作業(yè)與陸地作業(yè)存在顯著的差異性，在實際進(jìn)行水上吊裝作業(yè)時，必須要考慮風(fēng)浪所帶來的影響，確保施工過程中的安全性[1]。

3 解決方案

本文所介紹的智能型多功能移動式港口起重機(jī)依靠自身智能、多功能、移動優(yōu)點，必將成為各類碼頭，尤其綜合性堆場的首選設(shè)備。一臺設(shè)備基本可以滿足各類物料的裝卸、吊裝作業(yè)，適應(yīng)碼頭各種船型的裝卸船。在同一碼頭或堆場作業(yè)完全不受傳統(tǒng)產(chǎn)品軌道作業(yè)區(qū)域的限制，可以自由轉(zhuǎn)場作業(yè)，極為機(jī)動靈活，使用效率非常高。

通過對施工現(xiàn)場進(jìn)行考察以后，施工單位決定使用多個橋式抓斗卸船機(jī)進(jìn)行作業(yè)，并配備2個煤炭皮帶機(jī)傳輸煤炭原料，煤炭皮帶機(jī)的皮帶寬度為1.6m，運輸原料的速度為3.15m/s。

進(jìn)一步來看，實際施工時，卸船機(jī)如何整機(jī)上岸是施工過程中的關(guān)鍵性問題，施工的關(guān)鍵時間段處于6月至9月，而該時間段剛好處于巴基斯坦的季風(fēng)期，施工單位預(yù)計卸船機(jī)于5月中旬抵達(dá)施工現(xiàn)場，卸船機(jī)必須要在6月中旬完成上岸卸船作業(yè)。皮帶機(jī)作為施工過程中的核心主體結(jié)構(gòu)，皮帶機(jī)的安裝方案會在很大程度上影響到整個項目的施工進(jìn)度。鑒于此，施工單位應(yīng)該事先編制好施工方案，確保煤炭系統(tǒng)施工在保證施工質(zhì)量的前提下，如期竣工。

4 智能電氣監(jiān)控系統(tǒng)及應(yīng)用效果

該項目內(nèi)的起重機(jī)智能化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成相對比較簡單，主要是由傳感器、控制器、變頻器以及PLC等組件組成。在實際操控的過程中，起重機(jī)必須要精準(zhǔn)的把握鋼絲繩的具體位置，利用傳感器將鋼絲繩的位置傳遞給PLC組件，控制系統(tǒng)會根據(jù)預(yù)先設(shè)計的參數(shù)對鋼絲繩的位置進(jìn)行合理的調(diào)整。假若實際作業(yè)過程中檢測到鋼絲繩的位置出現(xiàn)偏差，那么系統(tǒng)則會自動停止作業(yè)。此外，起重機(jī)控制系統(tǒng)還會利用PLC組件通過幾何運算的方式對鋼絲繩的位置進(jìn)行合理的處理，結(jié)合變頻器、驅(qū)動器等多個組件來對起重機(jī)進(jìn)行管控。

■4.1 起重機(jī)智能電氣控制系統(tǒng)

電氣控制流程如圖1所示，電氣控制系統(tǒng)由主控PLC柜和現(xiàn)場操作箱組成。主控柜內(nèi)包含了本系統(tǒng)所有設(shè)備的供電及PLC。現(xiàn)場每個工位設(shè)置1臺操作箱，共設(shè)置12臺，每臺操作箱上可對本工位上的橋機(jī)操作。

圖1 電氣控制流程原理圖

4.1.1 皮帶機(jī)安裝方案

(1)施工工藝流程。正式施工之前的準(zhǔn)備工作→測量、放線并進(jìn)行復(fù)核→各種組件的性能檢測→尾部架體安裝→中間部位的設(shè)備安裝→頭部機(jī)械安裝→托輥組安裝→安裝驅(qū)動架子、安裝滾筒→安裝傳輸皮帶→安裝加固裝置→安裝驅(qū)動裝置→緊固皮帶→試運行。

(2)各種組件的性能檢測。當(dāng)各組件運輸至施工現(xiàn)場以后，施工單位應(yīng)該在監(jiān)理單位的監(jiān)管下，對所有的組成構(gòu)建逐一進(jìn)行檢測，確保所有組件的性能滿足設(shè)計及規(guī)范要求，并做好詳細(xì)的檢測記錄。所有的檢測資料應(yīng)該妥善進(jìn)行保管，在竣工以后提交給建設(shè)單位。

(3)基礎(chǔ)驗收。施工單位應(yīng)該嚴(yán)格的按照設(shè)計圖紙的要求對設(shè)計的基礎(chǔ)性性能要求進(jìn)行復(fù)核，當(dāng)基礎(chǔ)內(nèi)容檢測完成以后，則應(yīng)該再次進(jìn)行基礎(chǔ)會檢。例如，皮帶機(jī)的傳動滾筒運行是否正常、中心線的位置是否滿足設(shè)計要求、設(shè)備底座的尺寸偏差等等。

(4)鋼棧橋安裝。利用水準(zhǔn)儀來調(diào)整鋼支架的高程，確保鋼支架的高程的合理偏差控制在-8m～+5mm。在復(fù)核合格以后才可以安裝立柱，利用經(jīng)緯儀復(fù)核立柱的垂直度，確保立柱的中心線與基礎(chǔ)的中心線保持一致。當(dāng)立柱驗收合格以后，即可安裝鋼桁架。

(5)驅(qū)動裝置安裝。借助吊車將皮帶機(jī)的滾筒吊裝在預(yù)先設(shè)計的部位，并使用螺栓進(jìn)行加固[2]。

(6)組件安裝。借助平板運輸車將多個組件按照標(biāo)準(zhǔn)順序進(jìn)行運輸、安裝，實際安裝的過程中應(yīng)該按照自上而下的順序進(jìn)行安裝，正式安裝之前放先出膠帶機(jī)的中心線，并將支腿與預(yù)埋件進(jìn)行加固。

(7)皮帶敷設(shè)。使用5t的卷揚機(jī)或是5t的裝載車進(jìn)行作業(yè)。實際作業(yè)時應(yīng)該從設(shè)備的尾部作為起點，每卷皮帶安裝完成以后，應(yīng)該適當(dāng)?shù)念A(yù)留一部分的接頭長度。當(dāng)皮帶安裝完成以后則應(yīng)該再次對接頭進(jìn)行硫化處理，確保張拉出的長度滿足設(shè)計要求，但是該部分的長度不得接地。

4.1.2 起重機(jī)主要參數(shù)特性

(1)結(jié)合設(shè)計圖紙的要求以及施工現(xiàn)場的實際情況來看，實際施工過程中起重機(jī)的性能參數(shù)應(yīng)該滿足以下要求：當(dāng)?shù)蹉^的重量不同時，那么吊鉤的運行速度也應(yīng)該存在一定的差異性，臂架10~40m之間的變化速度應(yīng)該控制為32s，運行速度則應(yīng)該穩(wěn)定在3km/h，運行功率為608kW。

(2)特性參數(shù)。起重機(jī)的特性參數(shù)為：車橋的數(shù)量控制為4個，驅(qū)動車橋的數(shù)量控制為2個。此外，轉(zhuǎn)向車橋的數(shù)量應(yīng)該控制為4個，轉(zhuǎn)彎的半徑應(yīng)該設(shè)計為12.5m，尾端的回轉(zhuǎn)半徑應(yīng)該設(shè)計為6.5m，支撐腿的最大承載能力設(shè)計為151t，整體質(zhì)量為223t[3]。

4.1.3 結(jié)構(gòu)及其工作原理

結(jié)合下圖2中展示的信息來看，起重機(jī)主要是由輪胎、回轉(zhuǎn)單元、升縮單元、起升單元以及控制系統(tǒng)共同組成，起重機(jī)的上部結(jié)構(gòu)需要安裝特制底盤，以保證起重機(jī)在施工現(xiàn)場內(nèi)有序移動，這種底盤能夠解決軌道、電源所帶來的弊端，實際施工過程中具備較強(qiáng)的靈活性，能夠迅速做出合理的反應(yīng)。該起重機(jī)可以垂直吊裝貨物，利用回轉(zhuǎn)單元來將水平地面的貨物回轉(zhuǎn)至指定部位。

圖2 港口起重機(jī)示意圖

起重機(jī)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的是三角形的桁架式起重臂，起重機(jī)的上部結(jié)構(gòu)設(shè)計的是工字梁，下部結(jié)構(gòu)設(shè)計的是箱形梁，并配備了H型液壓支腿。升降單元設(shè)計使用的是3臺液壓馬達(dá)、1臺減速器、1個鋼絲網(wǎng)卷筒，吊鉤可以實現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)；起重機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是2臺液壓馬達(dá)、2臺減速器組成，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)借助齒輪型的回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)實現(xiàn)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)；變幅單元利用臂架根部的液壓缸實現(xiàn)變幅；移動單元是利用2臺馬達(dá)、2臺驅(qū)動車橋、2臺動橋組成；移動單元的旋轉(zhuǎn)裝置是由液壓缸、轉(zhuǎn)向器、駐車驅(qū)動、控制室組成。

4.1.4 通信系統(tǒng)

如圖3所示，車間監(jiān)控系統(tǒng)與PLC之間將通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。電動葫蘆與PLC之間通過無線網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，系統(tǒng)設(shè)置1臺無線網(wǎng)關(guān)，每臺橋機(jī)上設(shè)置2臺無線節(jié)點，無線網(wǎng)關(guān)通過以太網(wǎng)PLC連接。在整個無線網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)關(guān)作為主設(shè)備擔(dān)負(fù)著與各節(jié)點I/ 0之間的數(shù)據(jù)交換和節(jié)點工作狀態(tài)的監(jiān)控，同時保持與PLC之間的通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。條碼掃描系統(tǒng)與PLC之間通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，操作人員通過手持式掃碼槍將物料條碼正確掃描后，自動發(fā)送給PLC。電子吊鉤稱與PLC之間通過RS232接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

圖3 智能系統(tǒng)通信示意圖

4.1.5 創(chuàng)新應(yīng)用

(1)為保證起重機(jī)的性能滿足實際作業(yè)的需求，使用遺傳算法來對變幅系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，有效的保證鉸點分布的合理性，通過對貨物的水平分布進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，促使液壓缸的變幅作用力處于最小的狀態(tài)，這種設(shè)計方案有效地對貨物的水平方向移動、起重機(jī)的平穩(wěn)性進(jìn)行了優(yōu)化，可以保證實際作業(yè)過程中的安全性[4]。

(2)對底盤移動液壓懸架系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。將懸架與車橋進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并使用銷軸進(jìn)行連接，這種方式可以保證懸架垂直化移動，且輪胎還可以對地面的高程進(jìn)行彌補(bǔ)，確保起重機(jī)始終處于水平狀態(tài)，不會出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象。

(3)增設(shè)放暴風(fēng)傾倒技術(shù)，利用變幅液壓缸的變化來保證起重機(jī)防倒地功能，在很大程度上提高了起重機(jī)實際作業(yè)過程中的安全性與穩(wěn)定性。

(4)巧妙實現(xiàn)快速切換功能。借助多功能的吊鉤實現(xiàn)快速切換作業(yè)功能。面對不同的作業(yè)場景時，可以利用吊鉤來迅速切換工作模式。

(5)將臂架設(shè)計成截面形式，然后利用有限元進(jìn)行科學(xué)的分析，確保起重機(jī)的力學(xué)性能滿足規(guī)范要求，在擴(kuò)大起重機(jī)的作業(yè)半徑同時，還能夠降低起重機(jī)自身的重量。

■4.2 具體實施方式

如圖4所示，本全自動智能起重機(jī)的電氣控制系統(tǒng)包括可編程控制器1。在此版本中，可編程控制器1接受西門子57-300 PLC系列，可編程控制器1的起點與主提升變頻器3、輔助提升變頻器4、小車變頻器5和起重機(jī)變頻器6進(jìn)行電氣連接，可編程控制器1以通信方式連接到觸摸屏2；可編程控制器1通信地連接到交換機(jī)7，交換機(jī)7的以太網(wǎng)接口連接到上位機(jī)8；上位機(jī)8連接到以通信方式連接到現(xiàn)場監(jiān)視器10的路由器9。控制系統(tǒng)可通過點擊觸摸屏2上的觸摸按鈕對起重機(jī)進(jìn)行操作和控制，實現(xiàn)自動吸料、自動后處理、排空、自動停車等工藝流程。此外，控制系統(tǒng)采用通信技術(shù)，可通過中央控制室的上位機(jī)8對起重機(jī)進(jìn)行操作和監(jiān)控。公司可利用互聯(lián)網(wǎng)對起重機(jī)進(jìn)行監(jiān)控、操作和故障診斷，提高了起重機(jī)的自動化程度。觸摸屏2和上位機(jī)8顯示整體圖像、材料圖像、起重機(jī)狀態(tài)圖像、三維位置、操作參數(shù)和噴水裝置的工作狀態(tài)。此外，現(xiàn)場圖像可以通過現(xiàn)場監(jiān)視器10傳輸?shù)缴衔粰C(jī)8，使中控室的操作人員能夠清楚監(jiān)控主體的位置，防止故障發(fā)生，避免對設(shè)備和人員造成損壞。

圖4 全自動智能起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)

路由器9是無線路由器，路由器9無線連接到監(jiān)視器10。可編程控制器1通過與提升變頻器3、輔助高頻變頻器4、小車變頻器5、大圜變頻器6和交換機(jī)7進(jìn)行通信。

起重機(jī)操作、貨車操作和起重機(jī)操作傳動系統(tǒng)接管變頻速度。主傳動和輔助起重操作均針對不同重量的起重物品進(jìn)行，操作穩(wěn)定可靠。提升機(jī)構(gòu)安裝在鋼絲段的同軸上。位置限制分為修正限制和位置限制。校正極限是相對于供體的采集信號的空間位置，并且對供體進(jìn)行校正以減少累積誤差。位置限制是指不同保護(hù)范圍和重要道路的限制。除了區(qū)域邊界和內(nèi)極邊界外，起重機(jī)配備了不同形狀的邊界，使起重機(jī)具有完善的電氣、過載、限位、碰撞和鎖定等安全功能。

■4.3 實施效果

該起重機(jī)由于自身的功能比較強(qiáng)大，可以適用于多種不同的作業(yè)場景中，且該起重機(jī)還配備有吊具、其他起重設(shè)備，可以應(yīng)對大規(guī)模貨物的運輸、吊裝需求。相對而言，該起重機(jī)的性能比較理想，是港口碼頭在裝卸原材料比較理想的機(jī)械設(shè)備。進(jìn)一步而言，這種設(shè)備不但能夠滿足多種型號卸船機(jī)的需求，且還具備良好的經(jīng)濟(jì)性，此外，還可以滿足客戶的個性化需求，對起重機(jī)的功能進(jìn)行優(yōu)化，為客戶提供增值服務(wù)。

5 結(jié)語

近年來，我國國民經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，工業(yè)化發(fā)展的腳步正不斷加快，與之同時，國家電網(wǎng)承受的負(fù)荷也在不斷增大，在這種情況下，國家電網(wǎng)也越來越復(fù)雜，導(dǎo)致配電系統(tǒng)無法正常的運行，常常會出現(xiàn)配電系統(tǒng)故障的現(xiàn)象。鑒于此，我們應(yīng)該對電網(wǎng)配電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新，借助當(dāng)前的科學(xué)技術(shù)強(qiáng)化配電系統(tǒng)的科學(xué)性與效率性，促使電力系統(tǒng)獲得更為長遠(yuǎn)的發(fā)展。