岸橋重量傳感器保護值的設定研究

步澤宇

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200125）

港口起重機隨著港口需求逐步向大型化發展，最大的3E-PLUS岸橋，其結構前伸距80m，后伸距30m，起升高度54m，雙吊具下載荷120t，鋼絲繩下最大的起重量可達160t。岸橋在作業時，隨著起升和小車的加速過程，會產生瞬時附加的載荷。在岸橋滿載運行期間，瞬時載荷會大于實際的額定載荷，瞬時載荷可達額定載荷的110%～130%。隨著岸橋載荷重量的不斷升級，重量傳感器的有效保護設定上，不僅需要保證岸橋結構的穩定性、防止避免結構變形、鋼絲繩斷裂、吊具傾覆、人員傷亡等安全事故的發生，同時也需要保證岸橋的順利作業，避免無謂的停機故障，所以對重量傳感器的保護值的設定研究具有一定的實際意義。

1 安裝形式對于岸橋重量傳感器的受力影響

岸橋的重量傳感器通常安裝在前大梁的滑輪位置，通過起升鋼絲繩的纏繞，將吊具鎖頭上的受力情況轉化為電流信號與控制系統進行傳輸。根據不同的滑輪的安裝形式，重量傳感器可以分為壓式傳感器、均衡滑輪形式（銷軸）以及銷軸傳感器。

單根鋼絲繩與重量傳感器的傳力比率為：ilc=F/g，F=重量傳感器的載荷，g=單根鋼絲繩上的載荷。根據滑輪與重量傳感器的安裝位置的不同，壓式傳感器比率：ilc=0.45，均衡滑輪形式（銷軸）比率ilc=1.41，銷軸傳感器比率ilc=1，其中根據重量傳感器與吊具鎖頭的對應關系（圖1），以及吊具上架滑輪纏繞方式，Gi=2gi（單個吊具鎖頭的受力等于2倍的單根鋼絲繩受力）。

2 銷軸式重量傳感器不同吊載情況下的受力分析

2.1 吊具的載荷情況

圖1 吊具鎖頭與前大梁重量傳感器的對應圖

岸橋起升鋼絲繩下的載荷由吊具自重、上架自重、鋼絲繩自重以及吊具額定載荷4個部分組成。即在起升鋼絲繩下載荷=吊具自重+上架自重+鋼絲繩重量+吊具額定載荷。當吊具通過纏繞油缸做傾回轉動作時，載荷的重心隨吊具角度的變化而偏移，形成上架鋼絲繩的偏載受力。以單箱梁吊具下最大額載65t項目為例，其上架滑輪縱向開檔L=5300mm，橫向開檔T=1060mm。單箱20英尺模式下，縱向偏心距=610mm；單箱40/45英尺與雙箱20英尺模式下：縱向偏心距=1220mm；橫向偏心距均為230mm。吊具自重、上架自重、鋼絲繩總自重約等于20t；單箱20英尺：額定載荷32.5t；單箱40/45英尺：額定載荷51t；額定載荷65t。

通過利用偏心力公式：

可以計算吊具偏心值在最大情況下，鋼絲繩的靜態最大偏載載荷。根據經驗，其動態載荷IMP=沖擊系數Ψ×靜態載荷，其中沖擊系數Ψ=1.25，可以獲得鋼絲繩與結構最大可以承受的掛倉力Fsn=gmax×Ψ。在重量傳感器選型時，應該保證重量傳感器的檢測最大受力的量程F需要大于1/2×Fsn，避免在實際使用過程中超行程，以致無法使用。

2.2 海陸側偏載情況的分析

在重量傳感器保護設定值中，有碼頭會要求增加海陸側偏載值的保護。岸橋駕駛員為提高作業效率，通常會采用小車與起升聯動，形成集裝箱拋物線形式作業的情況。在滿載情況下，起升和小車在加速運動過程中，動載荷會過大。以致因為小車與起升聯動情況下，非常容易造成偏載故障的發生。如果海陸側偏載依舊簡單的利用乘以沖擊系數Ψ計算，可能發生保護設定超程的情況，以致影響用戶的實際作業。基于此，需要對海陸側偏載進行動態測試，利用對岸橋進行作業測試，在SIMATIC/Step7內增加邏輯塊，對海陸側偏載實際進行記錄監控，其邏輯塊如圖2所示。

其中DBD192為作業中瞬時海陸側的偏載力，DBD196為作業中出現的Max的海陸側偏載力，當DBD192大于DBD196并持續2000ms后，通過MOVE，將DBD192賦值到DBD196，以保持DBD196始終為作業中最大的海陸側偏載力。經過24h耐久滿載模擬作業，可以獲得實際作業中海陸側偏載的最大力。根據實驗，海陸側實際偏載范圍在37～40t之間，大于動態計算最大偏載值35.28t。因此，可以發現岸橋在實際作業過程中，海陸側偏載瞬時超載會有很大概率發生超出保護設定值的情況。

基于監控實驗記錄結果，如果完全按照理論計算，對海陸側偏載的保護值進行設置設定，有很大可能會造成作業中的停機故障。對于這樣的情況，有以下幾種解決方案。

圖2 海陸側偏載最大值記錄邏輯塊

（1）常規65t岸橋，對海陸側偏載通過增加延時設定（2000ms），降低海陸側偏載超保護量程的響應時間，以避免在實際運行中發生海陸側偏載誤動作的情況。

（2）重量傳感器的保護設定一般應用于集裝箱在起升運行過程的離地瞬間。所以可以通過程序邏輯，增加海陸側偏載啟動的條件，當小車在海陸側運行，且起升位置在安全區域范圍內，可以對海陸側偏載保護進行邏輯旁路。

（3）鑒于海陸側偏載的實際意義，主要是為了防止集裝箱在船艙內掛倉，造成的瞬時力矩過高，岸橋應配置后大梁油缸掛倉保護，并利用單角過載電子瞬時保護，作為掛倉的前置保護動作。有效防止掛倉的情況發生。

3 重量傳感器放大器PAT/DS120的參數設定

3.1 重量傳感器放大器DS120的簡單介紹

可編程放大器（DS120）的作用是通過讀取重量傳感器的數據模擬量信號，通過PSA將模擬量信號轉換為物理變量，以便進行進一步的處理。物理變量可以用來執行各種函數計算與比較等功能，以便對重量傳感器的保護值進行設定，并且PSA本身提供了繼電器的硬件觸點，可以直接對機構運行進行控制。同時，可以提供以模擬輸出電壓作為輸出，作為主控程序的輸入信號，配合主控程序，對設備進行保護。DS120的工作原理是從重量傳感器取樣輸出信號0～8VDC或是4～20mA數值，通過A/C converter 轉換器，提供0～4095物理值輸出，線性的對應所需監測的重量，再通過軟件點，對重量限制進行設置，利用繼電器的開關點對設備進行控制。

3.2 DS120的重量傳感器保護值設置

DS120調試過程的主要設定步驟分為以下幾點，第一步，通過A/D -Alignment菜單，對重量傳感器的模擬量輸入和物理量數據進行校準。第二步，通過Analog Inputs，從重量傳感器物理量數值，根據實際反饋并在頁面選擇物理量的sensor type，對重量傳感器的輸入變量進行定義。第三步，通過 Calculation Module，根據偏載與超載保護工況進行運算邏輯的設置，在Calculation中以校準后的Analog為輸入值，運算邏輯可實現Addition、Subtraction、Multiplication、Division、Min、Max等多種運算模式。第四步，在Switching points菜單中，可以設置輸入參數數值的類型、繼電器的控制選擇、限定重量的設置等功能，利用Analog Inputs數值與Calculation Module中的計算結果，以實現重量傳感器的保護設置的功能。第五步，為了提供主控程序控制或重量顯示，需要將物理量轉為模擬量輸出給主控程序，需要通過D/A-Alignment 菜單來實現，在菜單中，對物理量的輸出值進行逐步調整，以便主控程序的顯示邏輯保護與DS120內的保護值相匹配。

4 結語

本文所論述分析的岸橋吊具偏載值是基于岸橋在靜態狀態下，因吊具傾回轉等動作獲得了最大偏載力的設定參考值，對于岸橋在實際作業中的重量傳感器的保護值的設定具有很重要的參考意義，其中通過實驗分析海陸側的偏載情況，并且對重量傳感器配置管理器的原理及信號處理過程進行了分析，具有一定的應用價值。