楊文博

國能黃驊港務(wù)公司 滄州 061113

0 概述

裝船機(jī)是港口碼頭煤炭裝船作業(yè)的核心設(shè)備，其設(shè)備的穩(wěn)定性直接關(guān)系著煤炭作業(yè)產(chǎn)量的高低。隨著港口煤炭目標(biāo)運(yùn)量的逐年增加，裝船機(jī)的設(shè)備完好率要求也越來越高。裝船機(jī)的伸縮掛纜是裝船機(jī)上的移動(dòng)電纜，負(fù)責(zé)活動(dòng)臂架上各種電氣設(shè)備與電氣室供電電源及控制設(shè)備之間的電力及信號(hào)交互。由于伸縮掛纜在裝船機(jī)作業(yè)過程中需要頻繁移動(dòng)，故障率居高不下，故裝船機(jī)伸縮掛纜的高故障率成為制約裝船機(jī)設(shè)備完好率提高的瓶頸。伸縮掛纜機(jī)構(gòu)的故障主要表現(xiàn)為掛纜小車頻繁卡死，進(jìn)而造成伸縮掛纜拉傷或拉斷。由于伸縮掛纜涉及動(dòng)力電纜和信號(hào)電纜較多，一旦被拉傷或拉斷則裝船機(jī)便無法繼續(xù)作業(yè)，且其恢復(fù)難度大，恢復(fù)所需時(shí)間長(zhǎng)，有必要對(duì)伸縮掛纜進(jìn)行防拉傷或防拉斷技術(shù)保護(hù)。為此，本文設(shè)計(jì)了一種裝船機(jī)伸縮掛纜過拉力保護(hù)裝置及控制方法，對(duì)裝船機(jī)伸縮掛纜提供實(shí)時(shí)保護(hù)。當(dāng)裝船機(jī)因掛纜小車出現(xiàn)卡死或其他原因?qū)е律炜s掛纜即將受到較大拉力時(shí)，能及時(shí)觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作并報(bào)警停機(jī)，從而避免裝船機(jī)伸縮掛纜被拉伸破壞甚至拉斷情況的出現(xiàn)。

1 現(xiàn)有裝船機(jī)伸縮保護(hù)措施

如圖1所示，裝船機(jī)的伸縮臂架活動(dòng)部分4在作業(yè)過程中隨裝艙卸料的進(jìn)行需做伸縮運(yùn)動(dòng)。伸縮臂架活動(dòng)部分4上的電氣終端（如伸縮電機(jī)、編碼器、溜筒液壓站、PLC模塊以及各種保護(hù)開關(guān)、照明設(shè)備等）通過伸縮掛纜7與電氣室的供電電源控制系統(tǒng)進(jìn)行電力與信號(hào)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(diǎn)，5為伸縮掛纜7在伸縮臂架活動(dòng)部分4上的固定點(diǎn)。

圖1 改造前裝船機(jī)臂架示意圖

裝船機(jī)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(dāng)裝船機(jī)做伸縮臂架運(yùn)動(dòng)時(shí)，伸縮臂架活動(dòng)部分4拖動(dòng)伸縮掛纜7及掛纜小車3一同進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在伸縮臂架活動(dòng)部分4伸縮運(yùn)動(dòng)過程中，如果某個(gè)掛纜小車3因老化等原因出現(xiàn)變形與伸縮臂架固定部分1上的鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生剮蹭，或是某個(gè)掛纜小車3滑輪損壞卡在軌道上時(shí)，會(huì)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(jī)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(xiàn)，以往的解決方法是在每2個(gè)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(dāng)掛纜將要受到較大拉力時(shí)，鋼芯拉繩6先受力，從而起到保護(hù)伸縮掛纜7的作用。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)伸縮臂架做伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)掛纜小車3與鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生剮蹭的現(xiàn)象，鋼結(jié)構(gòu)會(huì)頂著掛纜小車3將鋼芯拉繩6拉斷，進(jìn)而將伸縮掛纜7拉斷。因此，鋼芯拉繩6對(duì)伸縮掛纜7的保護(hù)作用有限，伸縮掛纜7仍會(huì)面臨被拉傷或拉斷的風(fēng)險(xiǎn)。

目前，有利用磁場(chǎng)變化專門監(jiān)測(cè)鋼絲繩斷芯的監(jiān)測(cè)裝置[1]，如果能提前發(fā)現(xiàn)鋼芯拉繩斷裂，則能實(shí)現(xiàn)提前預(yù)警對(duì)伸縮掛纜的保護(hù)。該檢測(cè)原理為設(shè)立專門的磁化裝置將鋼絲繩所在區(qū)域添加磁場(chǎng)，使鋼絲繩內(nèi)部分布有相應(yīng)的磁場(chǎng)。當(dāng)鋼絲繩內(nèi)部出現(xiàn)斷芯變化時(shí)，鋼絲繩內(nèi)部的磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，故通過觀察鋼絲繩內(nèi)部磁場(chǎng)變化即可實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼絲繩斷芯情況的監(jiān)測(cè)。但是，這種裝置要求鋼絲繩位置相對(duì)固定，而裝船機(jī)伸縮掛纜鋼芯拉繩隨著裝船機(jī)伸縮臂架的運(yùn)動(dòng)，其位置一直處于變動(dòng)中，難以為鋼芯拉繩區(qū)域施加穩(wěn)定的磁場(chǎng)。同時(shí)，該裝置對(duì)環(huán)境要求較高，而裝船機(jī)伸縮掛纜處環(huán)境十分惡劣，如果使用必然嚴(yán)重影響該裝置的有效性。因此，利用這種裝置來監(jiān)測(cè)鋼芯拉繩，進(jìn)而保護(hù)伸縮掛纜7的辦法不可行。

2 伸縮掛纜過拉力保護(hù)功能的原理及實(shí)現(xiàn)

為克服以上困難，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝船機(jī)伸縮掛纜的保護(hù)，本文設(shè)計(jì)了具有裝船機(jī)伸縮掛纜過拉力保護(hù)功能的裝置。該功能的實(shí)現(xiàn)包括機(jī)械構(gòu)設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)、控制方案設(shè)計(jì)和邏輯編程等部分。

2.1 機(jī)械設(shè)計(jì)

圖2為改造后的裝船機(jī)伸縮臂架示意圖。在圖1結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將1根2×1 mm2型號(hào)保護(hù)電纜B沿伸縮掛纜7鋪設(shè)，保護(hù)電纜B由于其為雙芯電纜，其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于鋼芯拉繩6。同時(shí)，在鋪設(shè)方法上要求每2個(gè)掛纜小車3之間的保護(hù)電纜B長(zhǎng)度介于伸縮掛纜7與鋼芯拉繩6之間，即鋼芯拉繩6長(zhǎng)度＜保護(hù)電纜B長(zhǎng)度＜伸縮掛纜7長(zhǎng)度。

圖2 改造后裝船機(jī)臂架示意圖

保護(hù)電纜B經(jīng)過每個(gè)掛纜小車3的位置，應(yīng)將保護(hù)電纜B在掛纜小車3上進(jìn)行多圈纏繞并用扎帶固定，以保證每2個(gè)掛纜小車3之間的保護(hù)電纜B在受力時(shí)不會(huì)出現(xiàn)竄動(dòng)。同時(shí)，在保護(hù)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(hù)電纜B纜皮被磨破。保護(hù)電纜B右端的雙芯線接入接線箱C內(nèi)的單匹斷路器上，保護(hù)電纜B左端的雙芯線接入接線箱A內(nèi)的PLC 遠(yuǎn)程站I/O模塊上，用以對(duì)PLC I/O 模塊傳遞過拉力信號(hào)。

2.2 電氣設(shè)計(jì)

1）電氣物理連接

如圖3所示，裝船機(jī)的伸縮動(dòng)作由伸縮變頻器驅(qū)動(dòng)伸縮電機(jī)實(shí)現(xiàn)，伸縮變頻器的伸縮動(dòng)作指令全由AB ControlLogix PLC控制器發(fā)出。裝船機(jī)操作人員通過控制手柄或人機(jī)交互界面HMI來發(fā)出裝船機(jī)動(dòng)作指令，PLC控制器經(jīng)過內(nèi)部邏輯運(yùn)算將具體的指令內(nèi)容，如伸縮變頻器動(dòng)作的方向及速度命令通過PLC輸出模塊1794-OB16及1794-IE4OE2模塊發(fā)送至變頻器。變頻器收到命令后，輸出驅(qū)動(dòng)伸縮電機(jī)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)裝船機(jī)臂架伸縮運(yùn)動(dòng)。

圖3 裝船機(jī)伸縮動(dòng)作原理圖

在本設(shè)計(jì)的伸縮掛纜過拉力保護(hù)功能控制系統(tǒng)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(gè)開關(guān)量通道（伸縮掛纜過拉力檢測(cè)功能使用其中的1個(gè)通道），可實(shí)時(shí)采集伸縮掛纜過拉力檢測(cè)開關(guān)量信號(hào)。該模塊類型與裝船機(jī)原機(jī)AB controllogix PLC控制系統(tǒng)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(wǎng)適配器與中央控制器Logix5573實(shí)現(xiàn)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(shè)的保護(hù)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(hù)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(yùn)行后，B17端子自帶24 V電源，保護(hù)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(shí)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(guān)量信號(hào)。如果保護(hù)電纜B出現(xiàn)拉斷情況，則B17端子的24 V高電平則無法通過保護(hù)電纜B接入到A0端子，PLC控制器則識(shí)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(guān)量信號(hào)。由此，保護(hù)電纜B的通斷反映到PLC控制系統(tǒng)中即為A0通道輸入信號(hào)0與1的開關(guān)量變化。

圖4 保護(hù)電纜線路連接方式示意圖

2）過拉力檢測(cè)裝置動(dòng)作原理

在裝船機(jī)控制系統(tǒng)中，單匹斷路器11為常閉狀態(tài)，保證PLC控制器中識(shí)別的掛纜過拉力保護(hù)信號(hào)為1正常狀態(tài)。由于鋼芯拉繩6長(zhǎng)度＜保護(hù)電纜B長(zhǎng)度＜伸縮掛纜7長(zhǎng)度，當(dāng)裝船機(jī)做臂架伸縮運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)前述掛纜小車3卡滯在軌道上并拉斷鋼芯拉繩6時(shí)，若裝船機(jī)繼續(xù)做伸縮運(yùn)動(dòng)則在對(duì)伸縮掛纜7施加拉力前必會(huì)先拉斷保護(hù)電纜B。此時(shí)，1794-IB16輸入模塊A0端采集到的24 V高電平則會(huì)立即變?yōu)? V低電平，PLC 控制系統(tǒng)則會(huì)立即識(shí)別出該掛纜過拉力保護(hù)信號(hào)變?yōu)?。因此，可通過對(duì)掛纜過拉力保護(hù)信號(hào)0/1狀態(tài)變化來進(jìn)行邏輯編程，進(jìn)一步控制裝船機(jī)臂架的伸縮功能。若過拉力保護(hù)信號(hào)變?yōu)?，則表明保護(hù)線被拉斷，需要立即報(bào)警停機(jī)，中止裝船機(jī)臂架繼續(xù)做伸縮運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)伸縮掛纜的保護(hù)。

單匹斷路器的作用是保護(hù)1794-IB16輸入模塊和方便日常對(duì)過拉力保護(hù)信號(hào)的有效性檢查。在日常保護(hù)信號(hào)檢查中，維護(hù)人員可通過分合斷路器、觀測(cè)PLC系統(tǒng)識(shí)別的過拉力保護(hù)信號(hào)的0/1變化來檢測(cè)過拉力保護(hù)電纜的有效性。如果過拉力檢測(cè)電纜內(nèi)部線芯發(fā)生短路，則斷路器無法使過拉力保護(hù)信號(hào)由1變?yōu)?。同時(shí)，該斷路器還能在過拉力檢測(cè)電纜線芯發(fā)生接地進(jìn)而產(chǎn)生大電流時(shí)及時(shí)切斷線路，保護(hù)接線箱A內(nèi)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(tǒng)框圖及控制流程見圖5、圖6。在圖5中，PLC控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收伸縮掛纜過拉保護(hù)力信號(hào)，并根據(jù)該信號(hào)的狀態(tài)變化情況進(jìn)行邏輯運(yùn)算，進(jìn)一步向變頻器發(fā)送控制指令，控制伸縮電機(jī)的啟停。HMI人機(jī)交互界面顯示過拉力報(bào)警信息，當(dāng)PLC控制系統(tǒng)中收到伸縮掛纜過拉力檢測(cè)信號(hào)異常變化時(shí)，HMI及時(shí)向操作人員發(fā)出故障及維修提醒。另外，HMI系統(tǒng)還能存儲(chǔ)伸縮掛纜過拉力報(bào)警信息，方便以后查閱。

圖5 系統(tǒng)框圖

如圖6所示，伸縮掛纜過拉力保護(hù)具體控制方案流程為：裝船機(jī)臂架做伸縮運(yùn)動(dòng)；PLC控制系統(tǒng)判斷伸縮掛纜過拉力信號(hào)是否為1；如果信號(hào)為1，則裝船機(jī)可繼續(xù)做臂架伸縮運(yùn)動(dòng)，并對(duì)該信號(hào)進(jìn)行持續(xù)判斷；如果伸縮掛纜過拉力保護(hù)信號(hào)為0，則PLC控制裝船機(jī)報(bào)警停機(jī)。

圖6 控制流程圖

4 結(jié)語

本文所述裝船機(jī)伸縮掛纜過拉力保護(hù)功能裝置已在某港口碼頭的裝船機(jī)上全面應(yīng)用，效果十分明顯。該功能裝置彌補(bǔ)了裝船機(jī)伸縮掛纜在過拉力檢測(cè)方面沒有電氣信號(hào)保護(hù)的重大缺陷，能有效避免裝船機(jī)伸縮掛纜被拉伸破壞甚至拉斷情況的出現(xiàn)，有效降低了裝船機(jī)伸縮掛纜的故障率，對(duì)于裝船機(jī)作業(yè)的平穩(wěn)順利進(jìn)行起到了很大的保障作用。同時(shí)，該裝船機(jī)伸縮掛纜過拉力保護(hù)功能裝置原理簡(jiǎn)單、機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)及PLC邏輯編程易于實(shí)施，具有較高的可推廣性。