港口堆取料機水纜式上水系統(tǒng)改造

黃自松

（河北港口集團港口機械公司，河北秦皇島 066000）

0 引言

目前港口堆取料機用水多采用水槽/水箱組合供水的方式，在長期的實際應用過程中，存在諸多不足之處。本文結(jié)合已完成改造的新型環(huán)保上水方法，設計機械結(jié)構(gòu)和電氣控制配套系統(tǒng)，介紹其上水方案及電控原理并說明應用效果，希望能在行業(yè)內(nèi)得到推廣。

1 現(xiàn)狀分析

水槽/水箱組合供水方式由內(nèi)外因素導致的缺陷有：①易受氣候影響，冬季中水冰凍時設備易破裂損壞；③敞口水槽內(nèi)雜物易使管道堵塞；③作業(yè)需提前一次性補水，由于補水時間長，易影響生產(chǎn)效率；④機上水箱體積容量大能耗高。針對上述問題進行智能化改造，采用高強柔性水纜作為管路的上水方式，并配備防凍措施，電控其上水過程；對水纜卷盤電機采用變頻器驅(qū)動，自適應大機行走。

2 系統(tǒng)設計

2.1 管路系統(tǒng)概況

取水點為碼頭高壓消防管路，經(jīng)手動閥、過濾器、單向閥后分為2 條支路。其中一條為動力支路，包括手動蝶閥、高壓膠管、手動球閥、加熱水箱、循環(huán)水泵、流量計等元件；另一條為常用通水支路，包括手動蝶閥、高壓膠管、手動球閥等元件。這2條支路在終端合并，由鋼管三通及相關附件連接至電動閥處，然后再經(jīng)手動蝶閥連接到儲水箱（圖1）。

圖1 系統(tǒng)組成

2.2 高壓水纜卷盤機構(gòu)

由圖1 可知，地面高壓管路經(jīng)單向閥及三通后，經(jīng)由2 條IVG 水纜要進入卷盤，因此該盤設計為雙槽結(jié)構(gòu)，由電機/抱閘/減速箱三合一裝置驅(qū)動連接軸承轉(zhuǎn)動進行水纜的收放。卷盤模型如圖2 所示。

圖2 水纜卷盤

水纜進入卷盤內(nèi)圈后存留連接接頭裕量。在卷盤驅(qū)動裝置的減速箱低速軸內(nèi)加工2 個Φ40 mm 通孔作為管路組成部分，通孔兩端分別與進盤水纜連接接頭及作為出口的旋轉(zhuǎn)接頭連接。旋轉(zhuǎn)接頭固定安裝，其旋轉(zhuǎn)部分起承接機上固定管路與機下運動管路的作用（圖3）。

圖3 旋轉(zhuǎn)接頭

3 電氣控制

3.1 硬件結(jié)構(gòu)

電氣系統(tǒng)硬件主要包括：作為控制核心的CPU 模塊1 個、模擬量/RTD 擴展模塊2 個、觸摸屏1 個、溫控儀2 個；動力部分為變頻器2 個，分別控制電纜卷盤三合一減速箱電機及水泵電機；水箱加熱調(diào)功器1 個、加熱棒1 套及自限溫管道伴熱帶電阻；管路部分控制電動閥1 個、檢測流量計1 個、溫度傳感器4 個。系統(tǒng)拓撲（圖4）。

圖4 硬件系統(tǒng)拓撲

本系統(tǒng)通信可分監(jiān)控層/現(xiàn)場層2 個層級。監(jiān)控層采用TCP/IP 通信協(xié)議，通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機TL-SG1005 提供總線接口，接入觸摸屏SMART 700 IE 及S7-200 SMART CPU ST60，通信線為直通網(wǎng)線；現(xiàn)場層采用USS 協(xié)議，CPU 通過本體自帶RS485 端口0，G120 變頻器1#、2#通過CU 單元X128 端子接入總線，通信線為Profibus 網(wǎng)絡電纜，使用USS 協(xié)議時變頻器處于速度控制模式。同時，變頻器1#CU 單元SSI 接口X2100 連接串口增量編碼器，該編碼器安裝于卷盤電機軸尾端，用于反饋當前電機速度，形成速度控制閉環(huán)，提升電機響應能力與精準度。

同時，變頻器1#CU 單元由X132 端子提供電機驅(qū)動力矩模式的控制方式選項，由PLC 擴展模塊EM AM03 通過模擬量AO0 控制變頻器控制電機力矩輸出。

為了測量卷盤行程L，在CPU 模塊輸入端子直接連接GRAY碼并口絕對值編碼器。由于GRAY 碼編碼在相鄰數(shù)字間只有1 bit產(chǎn)生變化，可有效降低電路在數(shù)據(jù)位間變換時產(chǎn)生的錯誤。該編碼器與減速箱軸通過齒輪鏈條連接，二級減速結(jié)構(gòu)（齒比40∶13，速比1∶100）。

3.2 控制原理

（1）水泵控制：USS 通信方式下以速度模式控制電機，從而控制管道壓力與流量。

（2）卷盤控制：手動時以USS 通信方式速度模式下控制卷盤正反轉(zhuǎn)；自動時卷盤電機以力矩模式運行協(xié)同大機行走，控制目標要求做到在收纜放纜動作時使水纜受到的拉力F 基本維持穩(wěn)定。由于在位置L 不同時卷盤內(nèi)存留水纜長度不同，導致盤內(nèi)水纜存量半徑R 及卷盤質(zhì)量為變化量。因此，所需驅(qū)動電機力矩M 是行程位置L 處PG 值的函數(shù)。定義某一位置點為0點，根據(jù)編碼器數(shù)據(jù)選擇程序表格中對應單元格數(shù)據(jù)，該數(shù)值作為給定輸出到變頻器，從而控制電機扭矩。

3.3 系統(tǒng)功能

電控柜集中監(jiān)控現(xiàn)場設備，遠程/就地鈕用于切換變頻器1#USS 速度控制模式/力矩控制模式。電控柜如圖5 所示。

圖5 電控柜

HMI 實時顯示水路管道相關設備的狀態(tài)：水泵變頻器狀態(tài)、水泵電機轉(zhuǎn)速、加熱水箱回流口溫度、環(huán)境溫度、流量計瞬時流量、機上電動蝶閥閥門狀態(tài)。溫控儀表一根據(jù)其內(nèi)部設定值以PID 算法計算并輸出目標值，該模擬量控制調(diào)功器對水箱加熱電阻棒輸出的功率，自動加熱直到實際溫度與設定溫度相等時為止，以實現(xiàn)管道內(nèi)中水的防凍功能。溫度儀表二根據(jù)其內(nèi)部設定控制板載繼電器的通斷，該繼電器控制伴熱帶電源，以實現(xiàn)對上水管道的保溫作用。

3.3.1 管路控制

在冬季時大機水箱補水完畢關閉電動閥后，如圖1 所示內(nèi)支路與外支路并聯(lián)形成閉環(huán)，此時通過HMI 監(jiān)控界面（圖6）給定啟控溫度，切換到自動加熱方式，當環(huán)境溫度與啟控溫度有溫差時，加熱系統(tǒng)投用。同時，系統(tǒng)根據(jù)電動閥狀態(tài)自行啟停循環(huán)泵，使中水在環(huán)管中加熱流動以防凍。通過管路的熱水循環(huán)及機上固定鋼管外壁附加電伴熱措施，能使管路得以有效防凍。考慮到節(jié)能降耗需求，并對循環(huán)水泵運行過程引入周期性通斷動作。

圖6 HMI 監(jiān)控界面

3.3.2 卷盤控制

在HMI 首頁實時顯示水纜相關驅(qū)動設備狀態(tài)：卷盤電機/變頻器/抱閘/風扇/導纜架/大機行程/PG 值。大機行程為PG 值/纜直徑/水纜全入盤總?cè)?shù)的函數(shù)。通過旋鈕選擇就地/遠程控制，遠程時卷盤電機根據(jù)大機命令/大機速度自行調(diào)整轉(zhuǎn)向/轉(zhuǎn)速/力矩（圖7）。

圖7 HMI 配置界面

（1）運行工況。在協(xié)同大機運行時，電機輸出力矩由公式Msum=M1+M2+M3 定義。其中，基本力矩M1 在力矩表格中選擇，被選中單元格高亮顯示；加速力矩M2 與基本力矩成正比例，分收纜放纜2 種情況設置參數(shù)；應急力矩M3 在導纜架的過松過緊限位動作時，自動增減電機輸出力矩。若在M3 力矩作用下限位仍然無復位動作并超時限，則報錯向大機反饋故障信號，同時抱閘打開/變頻器自由停車封鎖輸出。

（2）力矩檢測。使用本系統(tǒng)前需要先進行力矩數(shù)據(jù)的測量檢驗與保存。選擇力矩測量工況，此時電機力矩由力矩給定框輸入，通過增減鍵調(diào)整力矩至合適數(shù)值，觀察卷盤的動作實際狀況確定為正確值并寫入，則該數(shù)據(jù)保存到表格當前指針所在單元格中。大機在運行工況時，本單元格數(shù)據(jù)即為在當前行程位置處電機的力矩給定值。

3.4 系統(tǒng)軟件

（1）程序設計中加入調(diào)試力矩限定功能，可降低因人員不熟悉現(xiàn)場情況而發(fā)生調(diào)試事故的概率。卷盤電機力矩控制時進行速度限幅保護，可設定最大正向/反向速度，防止在水纜斷線但力矩存在的極端情況下發(fā)生飛車事故。

（2）提供友好界面，并針對故障可能的原因進行輔助報警提示，動圖加文字說明的方式讓使用人員更容易。在設計PLC 程序時優(yōu)先考慮進行參數(shù)化配置，擴大適用范圍。

4 總結(jié)

本上水系統(tǒng)已在港口裝船機進行測試，結(jié)果表明該系統(tǒng)能安全有效運行，降低投入成本，綠色環(huán)保節(jié)能降耗，減少日常維護工作量，降低了人力資源投入。解決了原灑水系統(tǒng)故障率高、維護困難、冬季無法使用的問題，具有推廣價值。