高低壓配電系統中智能電氣監控系統的應用

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，對研究內容展開全面、深入的研究分析。該項目位于巴基斯坦境內，港口碼頭建設工程時中電胡布發電公司建設的鉆用煤炭運輸港口，該港口設計的駁船噸位為10000t，煤炭進出口的年噸位規劃為440萬噸。

2 施工難點

進一步的調研了解到，該項目施工過程中所面臨的施工困難主要是體現在以下幾個方面：

(1)實際施工時，施工區域附近缺乏吊裝作業所需的吊裝設備，施工單位預計需要使用180t的起重機進行水上方塊吊裝作業。

(2)水上起重作業難度比較大，施工單位使用履帶式起重機完成吊裝作業。

(3)在實際進行水上吊裝作業時，由于風浪潮汐自然因素的影響，導致起重機作業過程中的穩定性受到一定的影響，可能會影響到實際作業過程中的安全性。

(4)毫無疑問，水上作業與陸地作業存在顯著的差異性，在實際進行水上吊裝作業時，必須要考慮風浪所帶來的影響，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依靠自身智能、多功能、移動優點，必將成為各類碼頭，尤其綜合性堆場的首選設備。一臺設備基本可以滿足各類物料的裝卸、吊裝作業，適應碼頭各種船型的裝卸船。在同一碼頭或堆場作業完全不受傳統產品軌道作業區域的限制，可以自由轉場作業，極為機動靈活，使用效率非常高。

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

進一步來看，實際施工時，卸船機如何整機上岸是施工過程中的關鍵性問題，施工的關鍵時間段處于6月至9月，而該時間段剛好處于巴基斯坦的季風期，施工單位預計卸船機于5月中旬抵達施工現場，卸船機必須要在6月中旬完成上岸卸船作業。皮帶機作為施工過程中的核心主體結構，皮帶機的安裝方案會在很大程度上影響到整個項目的施工進度。鑒于此，施工單位應該事先編制好施工方案，確保煤炭系統施工在保證施工質量的前提下，如期竣工。

4 智能電氣監控系統及應用效果

該項目內的起重機智能化控制系統結構組成相對比較簡單，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，起重機必須要精準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，控制系統會根據預先設計的參數對鋼絲繩的位置進行合理的調整。假若實際作業過程中檢測到鋼絲繩的位置出現偏差，那么系統則會自動停止作業。此外，起重機控制系統還會利用PLC組件通過幾何運算的方式對鋼絲繩的位置進行合理的處理，結合變頻器、驅動器等多個組件來對起重機進行管控。

■4.1 起重機智能電氣控制系統

電氣控制流程如圖1所示，電氣控制系統由主控PLC柜和現場操作箱組成。主控柜內包含了本系統所有設備的供電及PLC。現場每個工位設置1臺操作箱，共設置12臺，每臺操作箱上可對本工位上的橋機操作。

圖1 電氣控制流程原理圖

4.1.1 皮帶機安裝方案

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

(2)各種組件的性能檢測。當各組件運輸至施工現場以后，施工單位應該在監理單位的監管下，對所有的組成構建逐一進行檢測，確保所有組件的性能滿足設計及規范要求，并做好詳細的檢測記錄。所有的檢測資料應該妥善進行保管，在竣工以后提交給建設單位。

(3)基礎驗收。施工單位應該嚴格的按照設計圖紙的要求對設計的基礎性性能要求進行復核，當基礎內容檢測完成以后，則應該再次進行基礎會檢。例如，皮帶機的傳動滾筒運行是否正常、中心線的位置是否滿足設計要求、設備底座的尺寸偏差等等。

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

(5)驅動裝置安裝。借助吊車將皮帶機的滾筒吊裝在預先設計的部位，并使用螺栓進行加固[2]。

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

(7)皮帶敷設。使用5t的卷揚機或是5t的裝載車進行作業。實際作業時應該從設備的尾部作為起點，每卷皮帶安裝完成以后，應該適當的預留一部分的接頭長度。當皮帶安裝完成以后則應該再次對接頭進行硫化處理，確保張拉出的長度滿足設計要求，但是該部分的長度不得接地。

4.1.2 起重機主要參數特性

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

(2)特性參數。起重機的特性參數為：車橋的數量控制為4個，驅動車橋的數量控制為2個。此外，轉向車橋的數量應該控制為4個，轉彎的半徑應該設計為12.5m，尾端的回轉半徑應該設計為6.5m，支撐腿的最大承載能力設計為151t，整體質量為223t[3]。

4.1.3 結構及其工作原理

結合下圖2中展示的信息來看，起重機主要是由輪胎、回轉單元、升縮單元、起升單元以及控制系統共同組成，起重機的上部結構需要安裝特制底盤，以保證起重機在施工現場內有序移動，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的靈活性，能夠迅速做出合理的反應。該起重機可以垂直吊裝貨物，利用回轉單元來將水平地面的貨物回轉至指定部位。

圖2 港口起重機示意圖

起重機的整體結構設計的是三角形的桁架式起重臂，起重機的上部結構設計的是工字梁，下部結構設計的是箱形梁，并配備了H型液壓支腿。升降單元設計使用的是3臺液壓馬達、1臺減速器、1個鋼絲網卷筒，吊鉤可以實現360°旋轉；起重機的回轉機構是2臺液壓馬達、2臺減速器組成，回轉機構借助齒輪型的回轉支承結構實現驅動旋轉；變幅單元利用臂架根部的液壓缸實現變幅；移動單元是利用2臺馬達、2臺驅動車橋、2臺動橋組成；移動單元的旋轉裝置是由液壓缸、轉向器、駐車驅動、控制室組成。

4.1.4 通信系統

如圖3所示，車間監控系統與PLC之間將通過工業以太網進行數據通訊。電動葫蘆與PLC之間通過無線網進行數據通訊，系統設置1臺無線網關，每臺橋機上設置2臺無線節點，無線網關通過以太網PLC連接。在整個無線網絡中，網關作為主設備擔負著與各節點I/ 0之間的數據交換和節點工作狀態的監控，同時保持與PLC之間的通訊，實現數據交互。條碼掃描系統與PLC之間通過串口進行數據通訊，操作人員通過手持式掃碼槍將物料條碼正確掃描后，自動發送給PLC。電子吊鉤稱與PLC之間通過RS232接口進行數據通訊。

圖3 智能系統通信示意圖

4.1.5 創新應用

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

(2)對底盤移動液壓懸架系統進行優化。將懸架與車橋進行關聯，并使用銷軸進行連接，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行彌補，確保起重機始終處于水平狀態，不會出現傾斜現象。

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

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

(5)將臂架設計成截面形式，然后利用有限元進行科學的分析，確保起重機的力學性能滿足規范要求，在擴大起重機的作業半徑同時，還能夠降低起重機自身的重量。

■4.2 具體實施方式

如圖4所示，本全自動智能起重機的電氣控制系統包括可編程控制器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和起重機變頻器6進行電氣連接，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7，交換機7的以太網接口連接到上位機8；上位機8連接到以通信方式連接到現場監視器10的路由器9。控制系統可通過點擊觸摸屏2上的觸摸按鈕對起重機進行操作和控制，實現自動吸料、自動后處理、排空、自動停車等工藝流程。此外，控制系統采用通信技術，可通過中央控制室的上位機8對起重機進行操作和監控。公司可利用互聯網對起重機進行監控、操作和故障診斷，提高了起重機的自動化程度。觸摸屏2和上位機8顯示整體圖像、材料圖像、起重機狀態圖像、三維位置、操作參數和噴水裝置的工作狀態。此外，現場圖像可以通過現場監視器10傳輸到上位機8，使中控室的操作人員能夠清楚監控主體的位置，防止故障發生，避免對設備和人員造成損壞。

圖4 全自動智能起重機電氣控制系統

路由器9是無線路由器，路由器9無線連接到監視器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7進行通信。

起重機操作、貨車操作和起重機操作傳動系統接管變頻速度。主傳動和輔助起重操作均針對不同重量的起重物品進行，操作穩定可靠。提升機構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，并且對供體進行校正以減少累積誤差。位置限制是指不同保護范圍和重要道路的限制。除了區域邊界和內極邊界外，起重機配備了不同形狀的邊界，使起重機具有完善的電氣、過載、限位、碰撞和鎖定等安全功能。

■4.3 實施效果

該起重機由于自身的功能比較強大，可以適用于多種不同的作業場景中，且該起重機還配備有吊具、其他起重設備，可以應對大規模貨物的運輸、吊裝需求。相對而言，該起重機的性能比較理想，是港口碼頭在裝卸原材料比較理想的機械設備。進一步而言，這種設備不但能夠滿足多種型號卸船機的需求，且還具備良好的經濟性，此外，還可以滿足客戶的個性化需求，對起重機的功能進行優化，為客戶提供增值服務。

5 結語

近年來，我國國民經濟蓬勃發展，工業化發展的腳步正不斷加快，與之同時，國家電網承受的負荷也在不斷增大，在這種情況下，國家電網也越來越復雜，導致配電系統無法正常的運行，常常會出現配電系統故障的現象。鑒于此，我們應該對電網配電系統進行優化創新，借助當前的科學技術強化配電系統的科學性與效率性，促使電力系統獲得更為長遠的發展。