C型翻車機保護功能優化設計

茍 兵，史大龍

（酒鋼集團宏興股份公司儲運部，甘肅 嘉峪關 735100）

0 引言

翻車機（也叫鐵路貨車翻卸機）是指用于鐵路大宗散裝物料運輸列車卸車的設備，具有卸車效率高、機體龐大、結構復雜的特點，是一種非常專業化的物料卸料系統，在鋼廠和電廠中應用較為廣泛[1]。酒鋼集團儲運部共有9臺翻車機，承擔著酒鋼集團本部球團礦、鐵精礦、動力煤、石灰石等物料的翻卸作業任務，其中5臺是C型翻車機，4臺是CHF-2型側傾式翻車機。

C型翻車機和側傾式翻車機系統均由翻車機和重車調車機（簡稱重調機）兩部分組成[2]，翻車機負責車皮翻卸作業，重調機負責將車皮牽引到翻車機平臺上的指定位置。這兩種翻車機的區別在于翻車機系統的結構，C型翻車機采用“C”型端盤，結構輕巧，采用液壓系統進行壓車和靠車；側傾式翻車機采用機械壓車、靠車，無液壓系統，結構和元件相對于C型翻車機相對簡單。這兩種翻車機都是采用PLC控制，系統具有集中手動和就地手動操作方式，PLC控制系統根據翻車機、重調機各機構的位置信號、壓力信號、電氣保護信號及操作信號組成聯鎖邏輯控制程序，具有很高的自動化程度。當作業流程中某個信號出現異常時，控制邏輯條件不足，程序立即中斷停機，待故障排除信號恢復正常后才能繼續執行程序控制。PLC控制程序顯示的各類信號可以輔助操作人員判斷各機構是否運行正常，文章以電氣控制系統較為復雜、聯鎖保護功能較多的C型翻車機進行論述。

PLC控制程序中的主要信號有電機過載、0°、15°、150°、165°、正翻終點、回翻終點、壓車壓力、松壓到位、靠車到位、松靠到位、進車端保護、出車端保護、抬臂到位、落臂到位、前鉤開到位、前鉤合到位、后鉤開到位、后鉤合到位、接車/牽車終端限位。這些信號靠變頻器、主令開關、接近開關、壓力傳感器等電氣元件輸入到PLC控制系統中參與聯鎖控制。在日常運行過程中，這些信號會出現一些“假信號”。例如，主令開關在對軌不齊的情況下發出0°信號、進車端和出車端保護開關在車皮溜車時發出正常信號、壓車鉤結冰時壓力傳感器會檢測到符合要求的壓力值，這些狀態下翻車機和車皮的實際位置和狀態不滿足動作條件，不能進行操作。但是出現這些故障時開關仍然會向PLC輸入一個“假的正常信號”，如果這個時候不經確認就進行操作就很容易出現重大設備故障和人身安全事故。

1 翻車機系統的構成

1.1 機械系統

從進車端看翻車機的各機構依次是：夾輪器機構、重調機、翻車機本體、出車端止擋器[3]。翻車機系統的主要設備布置如圖1所示。

圖1 翻車機系統主要設備布置圖

1.1.1 夾輪器

夾輪器用來夾緊車皮，防止鐵路配車和生產過程中車皮溜車[4]。夾輪器由2組夾板組成，尺寸為3.05 m×2.6 m。夾輪器的動作靠安裝2個同步動作的液壓缸進行，夾緊到位和松開到位靠安裝在夾板下方的接近開關進行檢測。

1.1.2 翻車機

翻車機用來將車皮內的物料翻卸到礦槽內。該機由壓車機構、靠車機構和液壓系統組成，翻車前8個壓車鉤落下壓緊車皮，再進行靠車操作。壓車、松壓、靠車、松靠操作均靠電磁閥進行控制。

1.1.3 重調機

重調機主要用來牽引車皮到達指定位置。重調機由行走機構、大臂機構、液壓系統組成，牽車時大臂落下后鉤與重車鉤頭相連，前鉤與空車鉤頭相連。鉤頭內安裝有鉤舌進行鎖定，車皮到達位置后進行提銷操作使鉤頭脫離，所有的行走、抬臂、落臂、提銷操作均靠電磁閥進行控制。

1.2 電氣控制系統

電氣控制系統由PLC控制系統和現場電氣系統2部分組成，主要包含PLC控制柜、操作臺、翻車機控制柜、重調機控制柜、就地操作箱等。集中手動方式是常用生產操作方式，在操作臺操作；就地手動方式是檢修調試操作方式，分別在翻車機和重調機的就地操作箱上操作，2種操作方式均通過PLC控制系統進行控制。

1.2.1 PLC控制系統

C型翻車機PLC控制系統采用的是昆騰140系列PLC。系統主要構成是在G01控制柜設置1個主站，在G02控制柜和T01操作臺分別設置1個從站；采用5組16槽機架，16通道開關量輸入模塊24個，16通道開關量輸出模塊23個。詳細情況如下：電源模塊：型號140CPS11420，數量5個，為每組模塊提供電源；CPU模塊：型號140CPU11303，數量1個，運行PLC控制程序；遠程I/O主通信模塊：型號140CRP93100，數量2個；遠程I/O從通信模塊：型號140CRA93100，數量2個；以太網模塊：型號140NOE77101，數量1個，與上位機通信；開關量輸入模塊：型號140DAI74000，數量24個，共384個通道，用于接收按鈕、變頻器、接近開關、熱過載繼電器等電氣元件發出的信號；開關量輸出模塊：型號140DAO84210，數量23個，共368個通道，用于向指示燈、變頻器、接觸器發出控制信號。系統網絡拓撲結構如圖2所示。

圖2 PLC控制系統網絡拓撲結構

1.2.2 現場電氣系統

現場電氣系統由斷路器、接觸器、變頻器、熱繼電器、主令控制器、電機、聲光報警器、接近開關、限位開關、電磁閥等組成。

翻車機由1臺6SE7033-7EG60變頻器驅動2臺YZP280M-4 75 kW電機；重調機由1臺6SE7036-0EK60變頻器驅動4臺YZP315S1-8 63 kW電機，變頻器采用多段速度調速控制。

PLC控制系統與現場電氣系統的連接示意圖如圖3所示。

圖3 PLC控制系統與現場電氣系統的連接示意

2 翻車機主要作業流程和保護信號

2.1 作業流程

2.1.1 翻車機作業流程

重調機牽引重車到達翻車機本體后，開始壓車（壓車到位）→靠車（靠車到位）→正翻（重調機不在翻車區域、進車端和出車端無異常、允許翻車指示燈亮）→回翻→0°→松靠（松靠到位）→松壓（松壓到位）→重調機重新牽引重車。

2.1.2 重調機作業流程

停車落臂處→落臂（落臂到位）→接車（后鉤開到位、夾軌器松到位）→牽車（后鉤合到位、翻車機0°、松壓到位、松靠到位）→人工摘鉤（四計軸、整列到位）→單車到位（提后鉤、后鉤開到位）→前行到位（開前鉤）→回退到位（抬臂、抬臂到位，翻車機翻車）→回退接車。

2.2 夾輪器信號

夾緊到位信號：人工摘鉤后夾緊進車端重車，防止溜車。

松夾到位信號：重調機接車前夾輪器打開，松夾信號是接車的必要條件。

2.3 翻車機本體信號

壓車到位信號：在重梁側和輕梁側8個壓車鉤液壓缸上安裝傳感器檢測液壓油路的壓力值，8個傳感器檢測的壓力都達到設定值時輸出到位信號，8個壓車鉤到位信號全有效時認為壓車梁壓車到位。

靠車到位信號：靠棚板垂直安裝，液壓缸推動靠棚板水平移動靠在車皮上，接近開關檢測靠棚板到位后關閉電磁閥，停止靠車。壓車到位和靠車到位信號有效時允許翻車。

松靠到位信號：接近開關檢測靠棚板縮回到位后，關閉電磁閥。

松壓到位信號：在重梁側和輕梁側頂部各安裝4個接近開關檢測壓車梁抬起到位情況，8個接近開關全部檢測到鉤頭升起到位后，電磁閥關閉。松靠到位、松壓到位信號有效時允許牽車。

進車、出車端保護信號：分別在翻車機的進車端和出車端安裝檢測開關，翻車前檢測開關被車皮遮擋時不允許翻車，防止車皮出現溜車和牽車不到位的情況下進行翻車，出現車皮脫線事故。

主令控制器角度信號：主要有正翻終點、回翻終點、0°、15°、150°、165°翻車機位置檢測信號，PLC程序根據角度信號控制翻車機翻轉動作和輸出加減速指令。

極限限位：正翻極限、回翻極限安裝在翻車機的正翻和回翻運行的極限位置處，防止翻車機因制動器失效或減速不及時超出允許的運轉行程。這兩個開關動作會造成翻車機主斷路器跳閘且整機斷電，使系統停止運行。同時制動器失電后開始制動，這是一種緊急狀態下的安全保護。

2.4 重調機信號

抬臂到位信號：重調機牽車臂抬起到90°時允許高速回退接車，牽車臂抬起后可以防止重調機運行過程中牽車臂剮蹭翻車機和車皮。

落臂到位信號：重調機牽車臂落下與車皮鉤頭處于同一線上，可以進行接車和牽車作業。

鉤頭合到位信號：重調機牽車臂鉤頭與車皮鉤頭連接后，鉤舌閉合顯示合到位，是重調機牽引車皮行走的必要條件。

鉤頭開到位信號：經提銷操作后，重調機牽車臂鉤頭與車皮鉤頭分開，鉤舌打開顯示開到位信號，是判斷溝通是否分開的重要信號。

3 存在的問題及原因分析

3.1 回翻到0°時對軌不齊

按照標準，翻車機在0°時本體軌道與地面軌道錯位量≤±3 mm時軌道對齊，主令控制器隨著本體旋轉到0°，觸點閉合向PLC控制程序發出0°信號。當錯位量＞±3 mm時，軌道未對齊，不能顯示0°信號。但是軌道錯位量反饋到主令控制器上的轉動量很小，這時主令控制器有可能顯示0°信號正常，翻車機、重調機聯鎖信號條件滿足，PLC控制程序允許重調機進行牽車，如果未經確認就操作會造成車皮脫線事故。2018年，3#翻車機因軌道未對齊造成車皮脫線事故，出現這種情況的主要原因如下。

（1）制動器制動力矩變小。翻車機高速回翻到15°減速、0°停機，當制動器制動片磨損嚴重未及時調整使制動力矩偏小會造成翻車機回翻到0°時出現超零故障[5]，翻車機臺車軌道不能與地面軌道對齊。

（2）主令控制器觸點異常。翻車機主令控制器觸點和齒輪機構長期運行過程中出現磨損，軌道未對齊的情況下輸出0°信號，信號與翻車機實際的位置不一致。

3.2 進車端和出車端保護信號異常

翻車機車體的進車端和出車端分別安裝一個漫反射式光電開關，當光電開關發射的光束被車皮遮擋時相應的保護信號異常，不允許翻車[6]。但是由于翻車機作業現場粉塵濃度較大，空氣中漂浮的粉塵顆粒將光束遮擋，造成光電開關頻繁動作降低使用壽命，不能正常工作。光電開關長期處于高粉塵環境中，故障率較高，出現故障后車皮遮擋時無法發出異常信號，PLC系統聯鎖條件滿足，允許翻車。

2019年，5#翻車機重調機牽引重車到翻車機顯示單車到位信號后，操作人員進行提后鉤操作后鉤頭未正常分開，使車皮繼續跟隨重調機前進超出翻車機區域，由于現場粉塵濃度較大影響視線，同時出車端光電開關故障未顯示異常信號，操作人員未能及時發現異常，僅依靠操作臺信號進行操作，最終造成車皮脫線、車皮報廢的嚴重事故。

3.3 機械機構異常引起的故障

冬季生產中，翻車機翻卸的物料經解凍庫解凍后，物料內已結冰的水分融化后粘在翻車機的壓車鉤上，長時間不清理會造成壓車鉤結冰嚴重不能壓實車皮，壓車過程中壓車鉤的壓力值符合要求，但是在翻車過程中車皮在重力的作用下移位，出現脫線事故。3#翻車機、7#翻車機均因壓車鉤結冰后未壓實車皮出現脫線事故。

4 改進方案設計

4.1 翻車機平臺加裝平臺保護信號

翻車機的翻轉角度為0°～165°，當翻車機回翻到0°并對齊軌道時，翻車機平臺的角度固定，因此，可以在翻車機平臺的外沿安裝一個接近開關，可用于檢測平臺的位置，當平臺翻轉到0°并且與軌道對齊時，這個開關才能檢測到信號。將這個平臺保護信號加入到重調機的牽車和接車條件中，在重調機的所有牽車和接車動作中，只有平臺保護信號和翻車機現有的0°信號同時正常時，才允許重調機牽車和接車作業。如果出現平臺保護信號異常、翻車機0°信號正常的情況，操作人員必須檢查、調整制動器和主令控制器，使軌道準確對齊，才能進行牽車和接車操作。平臺保護信號程序優化如圖4所示。

圖4 平臺保護信號程序

4.2 改進進車端、出車端保護開關

在翻車機運轉期間，進車端、出車端保護開關需要排除粉塵的干擾，能有效檢測車皮是否超出進車端和出車端區域，為PLC系統提供真實的聯鎖保護信號。但是，不管是鏡面反射型還是漫反射型光電開關，光束的反射容易受粉塵的影響，需要待粉塵沉降后才能正確檢測，對生產時間影響較大，同時光電開關受粉塵的影響故障率較高，因此，選擇一種不受粉塵環境干擾的檢測開關，確保進車端和出車端保護功能正常顯得尤為重要。

正常情況下，車皮位于翻車機本體的中間位置，既使出現溜車情況，只要車皮不超出車體的范圍，就不會出現脫線的事故。因此，進車端和出車端保護開關安裝在車體的兩端，距離車皮0.5 m以上，防止開關被擠壞。常用的非接觸式檢測開關有光電開關、接近開關、超聲波開關，通過對比，接近開關在粉塵環境下能夠正常工作，但是感應距離只有幾毫米，最大幾十毫米，達不到檢測距離。超聲波開關通過非接觸無磨損的超聲波檢測大目標物體，物體是否透明、是否為金屬或非金屬，液體、固體或是粉狀均不會影響工作，具有指向性好、測量精準、可靠性強、抗干擾性能優異等特點[7]，檢測距離最遠可達到1.3 m。超聲波開關發出的聲波是一個扇形區域，在聲波區域范圍內有車皮進入時反射聲波發出信號。

通過試驗，在不改變原有電氣系統結構的情況下，超聲波開關可以代替光電開關作為進車端、出車端保護開關，滿足粉塵環境下的翻車作業。

4.3 增加人工確認流程

在翻車機作業流程和操作規程中增加翻車前人工確認內容：當車皮牽引到位，進行壓車、靠車操作后，翻車前摘鉤人員須對車皮的位置、壓車鉤壓車狀態（包括壓車鉤上是否有異物、積冰等）、靠棚靠車狀態進行確認，確認無異常情況后按下確認按鈕才允許進行翻車。相應的在翻車機正翻邏輯程序條件中增加人工確認信號，壓車到位和靠車到位后由操作人員現場確認后按下確認按鈕。當翻車機進行松壓、松靠、正翻到165°等其中任何一個操作時，確認信號失效，需要重新進行確認。

翻車確認信號程序優化如圖5所示。

圖5 翻車確認信號程序

5 結語

通過分析C型翻車機出現的電氣聯鎖保護信號故障，根據不同故障的產生原因提出增加平臺保護信號、改進進車端和出車端保護開關、增加翻車確認條件等保護功能優化方案。優化設計的聯鎖保護信號程序在進行程序仿真模擬和現場實際應用中均能夠達到改進的目的，當出現信號異常時程序會自動中斷，起到保護作用。

以上措施能夠避免因檢測元件的故障造成聯鎖保護信號的失效和操作人員確認不到位造成的車皮脫線事故，提高翻車機電氣控制系統的可靠性，提高設備本質安全。