橋式抓斗卸船機(jī)取料模式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王海群，趙煥章，徐 梅

WANG Hai-qun1, ZHAO Huan-zhang2, XU Mei1

（1. 河北聯(lián)合大學(xué) 電氣工程學(xué)院，唐山 063009；2. 曹妃甸實(shí)業(yè)港務(wù)有限公司，唐山 063200)

0 引言

橋式抓斗卸船機(jī)是專(zhuān)業(yè)的散貨卸船設(shè)備，可以接卸礦石、煤炭等。隨著中國(guó)港口行業(yè)的高速發(fā)展，接卸船舶噸位日益增大，港機(jī)的設(shè)計(jì)能力也在不斷的增大。在需要提高卸船效率的情況下，很多控制系統(tǒng)存在一定的缺陷，或者抓斗抓滿(mǎn)物料，導(dǎo)致嚴(yán)重過(guò)載；或者抓斗無(wú)法抓滿(mǎn)，效率較低。另外，接卸的物料具有多樣性的特點(diǎn)，有的粘度很高，有的含水量很大。因此，針對(duì)不同的物料需要不同的卸料模式，研發(fā)了橋式抓斗卸船機(jī)的淺挖、正常挖和深挖功能以及水料模式和印粉模式的控制系統(tǒng)，將極大程度地提高卸船效率，拓寬了港口對(duì)特殊物料的適應(yīng)性。

1 橋式抓斗卸船機(jī)系統(tǒng)概述

橋式抓斗卸船機(jī)安裝在碼頭軌道上。卸船時(shí)抓斗從船艙內(nèi)抓取礦石放入漏斗，物料經(jīng)振動(dòng)給料器、分叉溜槽卸至碼頭皮帶機(jī)，然后通過(guò)皮帶機(jī)系統(tǒng)送入堆場(chǎng)。橋式抓斗卸船機(jī)設(shè)置了抓斗起升及開(kāi)閉機(jī)構(gòu)、小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)、大車(chē)行走機(jī)構(gòu)、懸臂俯仰機(jī)構(gòu)、懸臂固定裝置、灑水除塵裝置、繞繩系統(tǒng)、抓斗、漏斗、振動(dòng)給料機(jī)、落料回收裝置、自行式司機(jī)室、機(jī)器房、電氣室、第二司機(jī)室、電氣控制系統(tǒng)、監(jiān)視及報(bào)警系統(tǒng)、供電、照明、防塵、計(jì)量以及機(jī)器房?jī)?nèi)的維修起重機(jī)、電梯、防火裝置，另外還裝設(shè)各種安全保護(hù)和指示裝置，如超負(fù)荷限止器、單班作業(yè)量計(jì)量裝置、航空信號(hào)燈、風(fēng)速儀、夾輪器、錨定及防風(fēng)系纜裝置、電氣保護(hù)裝置。

2 橋式抓斗卸船機(jī)取料模式的控制要求

橋式抓斗卸船機(jī)取料模式的控制要求如圖1所示。以曹妃甸橋式抓斗卸船機(jī)設(shè)計(jì)接卸鐵礦礦石容重2.2t/m3～3.2t/m3，額定64噸的抓斗為例。

首先五種取料模式共同的控制要求。司機(jī)室要求有主令手柄，能夠給出抓斗起升、下降、打開(kāi)、閉合及主小車(chē)運(yùn)行等命令。這些命令通過(guò)Profibus從司機(jī)室傳輸?shù)絇LC，在各種故障檢測(cè)和位置連鎖符合要求的情況下，PLC給變頻器發(fā)出命令，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電機(jī)完成設(shè)定動(dòng)作。針對(duì)放料，要求司機(jī)室有振動(dòng)給料器和艙壁振動(dòng)器控制按鈕，其信號(hào)通過(guò)遠(yuǎn)程ET200M的I/O模塊采集到PLC中，通過(guò)相關(guān)連鎖，給艙壁振動(dòng)電機(jī)和振動(dòng)給料器發(fā)送電機(jī)運(yùn)行命令。

在抓取物料方面，設(shè)深挖、正常挖和淺挖三個(gè)模式。在司機(jī)室聯(lián)動(dòng)臺(tái)上設(shè)置一個(gè)四位選擇開(kāi)關(guān)，分別對(duì)應(yīng)三種模式，一個(gè)預(yù)留。設(shè)置深挖程度增減按鈕各一個(gè)，每按一下按鈕，給PLC傳送一個(gè)增或減信號(hào)，進(jìn)而在程序中對(duì)相應(yīng)的增減量進(jìn)行處理，每次增減對(duì)應(yīng)總增減量的5%。同時(shí)，抓斗深挖量通過(guò)司機(jī)室CMS顯示，司機(jī)可以根據(jù)顯示量進(jìn)行方便的調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)完畢進(jìn)行作業(yè)時(shí)，若選取深挖模式，則在閉斗時(shí)，支持繩自動(dòng)下降一定的程度，保障抓斗能夠充分下沉，進(jìn)而抓滿(mǎn)斗。

水料模式、印粉模式和正常物料模式，在司機(jī)室設(shè)置一個(gè)四位選擇開(kāi)關(guān)（一個(gè)預(yù)留）。正常情況下選擇正常物料模式，當(dāng)遇到特殊物料時(shí)，對(duì)應(yīng)選擇水料或印粉模式。水料和印粉模式比較特殊，需要控制使用頻率，因此，司機(jī)室采用這兩種模式后，需要中控室給一個(gè)允許信號(hào)，否則模式無(wú)效。并且每次控制后，需要進(jìn)行重新選擇，否則模式自動(dòng)回歸到正常物料模式。

圖1 橋式抓斗卸船機(jī)取料模式

3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橋式抓斗卸船機(jī)的控制系統(tǒng)采用的是西門(mén)子S7-400系列，由CPU416-2、電源PS407、以太網(wǎng)通訊模塊、數(shù)字量輸入輸出模塊、模擬量輸入模塊、高速計(jì)數(shù)模塊、ET200通訊模塊、光電耦合器、HUB、工控機(jī)及外部的限位、按鈕、主令控制器等檢測(cè)輸入裝置組成。該系統(tǒng)共包括12個(gè)從站，為司機(jī)室控制屏、左操作臺(tái)、右操作臺(tái)、電氣房PLC屏、電氣房控制屏、大車(chē)操作站、漏斗操作站等。PLC通過(guò)Profibus通訊與變頻器部分直接連接，互相傳輸數(shù)據(jù)。通過(guò)光電耦合器連接電氣房、司機(jī)室等從站，互相傳輸數(shù)據(jù)。通過(guò)光電耦合器與中控室進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)以太網(wǎng)連接到HUB，然后通過(guò)HUB連接本機(jī)無(wú)線(xiàn)通訊系統(tǒng)、電氣房工控機(jī)和司機(jī)室工控機(jī)。工控機(jī)為本系統(tǒng)的上位機(jī)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控和修改PLC程序，可以查詢(xún)CMS系統(tǒng)。

電氣主回路主要由6KV上機(jī)電纜、電纜卷盤(pán)、高壓開(kāi)關(guān)柜、主變壓器、輔助變壓器、變頻器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1) 系統(tǒng)正常物料的軟件設(shè)計(jì)

正常物料采用深挖、淺挖和正常挖三種模式，其程序流程圖如圖2所示。作業(yè)時(shí)，司機(jī)首先要判斷所抓取物料的密度，根據(jù)密度來(lái)選擇抓取物料的模式，抓斗抓取物料命令通過(guò)變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)相關(guān)動(dòng)作。

圖2 取料模式流程圖

2) 水料模式和印粉模式的軟件設(shè)計(jì)

水料和印粉這兩種物料性質(zhì)截然相反，前者下料過(guò)快，后者易堵斗。這兩種物料的解決方案中都包含一斗一放的作業(yè)模式（抓一斗物料放入漏斗，等把漏斗里的物料清空后，然后再抓下一抖物料放入漏斗），只有這樣才能實(shí)現(xiàn)正常作業(yè)，否則，要么下料不及時(shí)，造成漏斗堵塞，要么形成大料頭，直接壓停皮帶。給料模式程序如圖3所示。

圖3 一斗一放的給料模式程序

采取一斗一放的模式控制水料的下落，這樣即使一斗料全部同時(shí)落到碼頭皮帶上，壓停皮帶，清料時(shí)間也會(huì)大大縮短。當(dāng)然也需要保證物料不灑落到沿線(xiàn)，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。那么當(dāng)抓斗往漏斗里放料時(shí)，不要一次把抓斗完全打開(kāi)，而是把抓斗打開(kāi)一點(diǎn)，放一會(huì)物料，然后再開(kāi)一點(diǎn)，這樣一點(diǎn)一點(diǎn)地控制，直到物料放完為止，這樣可以比較好的控制物料下放速度。在司機(jī)室增加一個(gè)抓斗開(kāi)按鈕，每按一下按鈕，抓斗打開(kāi)命令動(dòng)作5秒鐘，這樣避免了一斗物料同時(shí)涌到皮帶上的狀況。

印粉也需要一斗一放，如果兩三斗料積到一起，漏斗就會(huì)堵死，流動(dòng)性十分不好。需要艙壁振動(dòng)器投入使用才能在一定程度上把物料震落，但仍然會(huì)出現(xiàn)堵斗的現(xiàn)象。經(jīng)實(shí)際調(diào)研，發(fā)現(xiàn)在開(kāi)斗瞬間，啟動(dòng)艙壁振動(dòng)器，效果會(huì)好很多。

漏斗壁上三個(gè)振動(dòng)電機(jī)同時(shí)控制，分叉上電機(jī)走哪條皮帶，就啟動(dòng)哪個(gè)。司機(jī)室或者漏斗操作站控制后，電機(jī)空開(kāi)不跳閘，艙壁振動(dòng)電機(jī)運(yùn)行允許，滿(mǎn)足上述條件后，在艙壁振動(dòng)電機(jī)運(yùn)行請(qǐng)求命令下，電機(jī)接觸器得電吸合，電機(jī)運(yùn)行。其中每按一次，電機(jī)運(yùn)行8秒。當(dāng)選擇在司機(jī)室作業(yè)時(shí)，選擇印粉模式，當(dāng)抓斗打開(kāi)時(shí)，艙壁振動(dòng)器自動(dòng)得電運(yùn)行8秒。這樣可以實(shí)現(xiàn)物料落到漏斗內(nèi)的一瞬間，漏斗振動(dòng)，加快物料下料速度，而又不需要人為去操作艙壁振動(dòng)器。

5 結(jié)束語(yǔ)

橋式抓斗機(jī)卸船取料模式控制系統(tǒng)在曹妃甸實(shí)業(yè)港務(wù)有限公司調(diào)試完畢后，于2012年5月正式投入使用。在同樣的物料情況下，每斗的循環(huán)時(shí)間沒(méi)有變化，但每斗的滿(mǎn)斗率有了很大的提高，對(duì)于比重比較小的料，每斗至少多抓5噸左右，每小時(shí)至少提高300噸左右。使平均生產(chǎn)效率達(dá)到了1800t/h～2000t/h。結(jié)果表明，橋式抓斗卸船機(jī)取料模式符合實(shí)際工況，能夠有效提高卸船效率，具有很高的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。

[1]上海振華.曹妃甸礦石碼頭抓斗式卸船機(jī)使用手冊(cè)[Z].2005.

[2]廖常初.S7-300/400PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[3]劉華波,張赟寧.基于SIMATC S7 的高級(jí)編程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.

[4]徐曉光,李永勝,孫駟洲.基于以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[M].自動(dòng)化與儀器儀表,2008.

[5]羅紅福.Pro fi bus—DP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)工程應(yīng)用實(shí)例解析[M].北京:中國(guó)電力出版社,2008.