秦皇島煤炭港裝卸設(shè)備控制系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化及現(xiàn)場調(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煤緊張的局面，提高工作效率，故對其主要裝卸設(shè)備——翻車機進行技術(shù)改造。將PLC控制策略應(yīng)用到翻車機的邏輯控制程序中，不僅能控制翻車機作業(yè)自動化、減少人工勞動的需求，并且還可以對設(shè)備的運行狀態(tài)進行遠程監(jiān)測預(yù)警，保障秦皇島煤炭港裝卸工作能安全高效地進行。

1 傳統(tǒng)翻車機裝卸工藝流程

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

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

對于秦皇島煤港來說，其使用的翻車機都是旋轉(zhuǎn)式的，這也就意味著需要對列車進行解列，等到彼此相互分離時才可以繼續(xù)作業(yè)[2]。在解列時需要工作人員進行確認，這樣不僅效率低，而且有一定的危險性，因此需要對翻車機的控制系統(tǒng)進行優(yōu)化改造，在保障作業(yè)安全的前提下，進一步提高作業(yè)效率。

2 翻車機控制系統(tǒng)的總體設(shè)計

為了滿足秦皇島煤港的生產(chǎn)需求，保障作業(yè)安全，本文對翻車機控制系統(tǒng)做了進一步設(shè)計，通過引入PLC控制技術(shù)以及工業(yè)自動化等先進技術(shù)，使得翻車機控制系統(tǒng)可以實時、高效地對各種設(shè)備工作狀態(tài)以及環(huán)境信息進行采集，同時作業(yè)人員可以通過控制系統(tǒng)進行參數(shù)的設(shè)定，對翻車機的操作以及生產(chǎn)過程實現(xiàn)自動化控制。系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，如圖2所示。根據(jù)翻車機控制系統(tǒng)的功能不同，可以將整個控制系統(tǒng)分成3個部分，即控制平臺、電氣硬件以及機械平臺。

1）控制平臺涵蓋了工控機、通信網(wǎng)絡(luò)以及組態(tài)軟件等，實時控制著整個翻車機的工藝流程。組態(tài)軟件可以實現(xiàn)豐富的人機交互效果，可以通過熒屏對控制系統(tǒng)的界面、數(shù)據(jù)變化以及監(jiān)測預(yù)警信息進行遠程顯示。施工人員對組態(tài)軟件進行操作，可以遠程控制現(xiàn)場的設(shè)備，改變對應(yīng)的翻車機翻車參數(shù)，實現(xiàn)裝卸流程的自動化。

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

3）機械平臺包含翻車機以及驅(qū)動電機在內(nèi)的主要機械部件，通過PLC控制技術(shù)，完成對翻車機電機的控制，再通過減速器中的減速齒輪將力矩作用至翻車機主體，完成相應(yīng)的翻轉(zhuǎn)動作。

3 主從電機同步控制研究

3.1 傳統(tǒng)連軸同步控制方式

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

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)動電機柔性連接系統(tǒng)的，主從電機柔性連接的示意圖，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的運行速度保持一致，同時還要確保轉(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)動速度基本相同，而轉(zhuǎn)矩不同，則會導(dǎo)致設(shè)備的驅(qū)動力大小不平均，造成電機過熱、甚至燒毀。

因此，為了解決上述情況，可以通過實際工況對主從驅(qū)動的跟隨方式進行設(shè)置。如果從驅(qū)動與主驅(qū)動的轉(zhuǎn)矩大小相同，但是速度不能保持一致，可以將從驅(qū)動的轉(zhuǎn)矩限幅與主驅(qū)動的轉(zhuǎn)矩值進行連接，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)動的速度達到飽和狀態(tài)，由于轉(zhuǎn)矩限幅將輸出轉(zhuǎn)矩進一步限制，可以確保從驅(qū)動與主驅(qū)動的轉(zhuǎn)矩保持一致，從而牽制住了從驅(qū)動的速度，使之與主驅(qū)動的速度保持一致，實現(xiàn)了同步控制的相對穩(wěn)定。

4 現(xiàn)場調(diào)試實驗

將翻車機的控制系統(tǒng)進行設(shè)計優(yōu)化后，需要經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試實驗，進一步驗證其應(yīng)用效果，為此我們進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 翻車機的調(diào)試

針對翻車機的調(diào)試工作，第一步就是檢測各個機構(gòu)的性能優(yōu)劣，測試其控制系統(tǒng)工作是否正常。隨后通過逐點測試的手段，由控制系統(tǒng)的人機交互界面觀察驅(qū)動電機、減速器、各類型傳感器以及電磁閥等部件是否運行正常，翻車機的壓車缸是否可以完成相應(yīng)的接卸動作。在對上述設(shè)備項目調(diào)試完畢后，技術(shù)人員通過遠程操作控制的方式，在人機交互界面依照裝卸流程對翻車機進行遠程的操控調(diào)試，為翻車機現(xiàn)場調(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大氣的污染，對作業(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)用效果對比分析

將翻車機的控制系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試，立即投入到秦皇島煤炭港的煤炭運輸生產(chǎn)流程中。在應(yīng)用時期，記錄了控制系統(tǒng)優(yōu)化后翻車機作業(yè)的數(shù)據(jù)。通過了分析統(tǒng)計數(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，直接利潤收益為2 110萬元，折合每噸煤的直接利潤為8.8元。

經(jīng)過控制系統(tǒng)的改造優(yōu)化，在工作人員遠程控制下，連續(xù)作業(yè)了10個月，期間共裝卸煤955萬t，依照這個進度，一年的煤炭裝卸量預(yù)計達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直接收益計算，直接經(jīng)濟收益增加了8.8元/t×906萬元=7 972萬元。作業(yè)效率大幅提高，經(jīng)濟收益也迅猛增長。

5 結(jié)論

作為秦皇島煤炭港主要的煤炭裝卸設(shè)備，翻車機的控制系統(tǒng)運行效率的好壞，在一定程度上決定了煤炭企業(yè)的運輸效率。本文將翻車機的控制系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計，將PLC以及自動化等關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用到其中，實現(xiàn)了遠程控制的目的，不但解決了運輸效率低的問題，還保障了施工人員的安全作業(yè)。經(jīng)由現(xiàn)場調(diào)試成功應(yīng)用到實際中，值得將該項技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中進一步推廣。