王旻玨，胡玉琴

（1.銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司 金冠銅業(yè)分公司，安徽銅陵244000 2.中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌330038）

電解生產(chǎn)行車是奧圖泰公司為解決傳統(tǒng)電解銅吊裝運(yùn)輸作業(yè)率低的問題而設(shè)計的高度自動化起重設(shè)備。操作人員只需在駕駛室中使用觸摸屏即可完成整槽電解銅的起吊、運(yùn)輸、下裝等工作。如此高效率的生產(chǎn)設(shè)備，設(shè)計之初考慮了很多保護(hù)系統(tǒng)，其中對行車來說，最重要的保護(hù)即主吊過載保護(hù)。該保護(hù)原理為：當(dāng)行車吊具負(fù)載超過額定值時，行車所有作業(yè)動作立即停止。然而，在某些特殊情況下，行車負(fù)載未超過保護(hù)定值行車也會產(chǎn)生“誤過載”報警，導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生保護(hù)停車。此種故障極難排查。本文即針對某公司發(fā)生的一起典型“誤過載”報警故障進(jìn)行討論。

1 故障經(jīng)過

電解工藝專用吊裝行車單位作業(yè)任務(wù)中需要完成起吊、運(yùn)輸、下裝等動作，在整個作業(yè)周期內(nèi)，PLC實(shí)時監(jiān)控吊具的負(fù)載狀況。故障發(fā)生時，行車正處在吊具完成卸載并準(zhǔn)備空載恢復(fù)至默認(rèn)起吊狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)。此時，行車所有受控部件全部停車，駕駛室內(nèi)操作面板中報警記錄為“HOIST OVER LOAD ALARM”（主吊過載報警）和“HOIST MAIN CONTACTOR OFF”（主回路接觸器跳閘）?，F(xiàn)場檢查吊具負(fù)載狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)所攜物料已全部卸載至電解槽內(nèi)、吊鉤完成收鉤動作，且并無部件卡扣現(xiàn)象。

按照行車設(shè)計動作時序，行車在進(jìn)行下裝作業(yè)時，吊具受PLC控制平緩下降至電解槽，當(dāng)定位感應(yīng)被激活后，吊具內(nèi)各吊鉤自動進(jìn)行收鉤動作，收鉤行程結(jié)束時，吊具自行平緩上升至初始高度。按此過程判斷，行車故障發(fā)生時，吊具并未承載任何負(fù)載，因此這是一起典型的行車“誤過載”報警故障。

2 故障分析

確認(rèn)故障發(fā)生并非是因為負(fù)載問題，因此將故障排查范圍縮小到設(shè)備本身。設(shè)備本身可能導(dǎo)致報警發(fā)生有電氣控制回路和機(jī)械異常兩種可能。以下進(jìn)行排查。

2.1 電氣控制回路排查

查閱吊具過載控制回路(圖1)，其中圖1(a)是單個稱重傳感器信號回路圖，圖1(b)為吊具過載保護(hù)控制回路圖。

圖1 超載傳感器電氣連線

行車吊具安裝有4根鋼絲繩，每根鋼絲繩上都安裝有1個負(fù)載傳感器，用于檢測每根鋼絲繩的負(fù)載狀況。任意1根鋼絲繩負(fù)載異常，都會引發(fā)聯(lián)鎖跳車。圖1中B231是行車吊具4個傳感器中的1個。該傳感器是依照電橋原理設(shè)計而成。電橋是將電阻、電容、電感等電參數(shù)變化量變換成電壓值或電流值的一種電路。非平衡性電橋電路是通過設(shè)置電橋中相關(guān)元件，使其處于非平衡狀態(tài)，從而達(dá)到精確測量接入電路中元件特性的一種電路[1-2]。圖2為典型電橋原理示意[3]。

圖2 典型電橋原理

電路中有負(fù)載傳感器電阻為未知（R2），對角線bc中接入電源U，另一對角線ad接入檢流計G?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)各已知電阻的值使檢流計G中無電流通過，即電橋平衡，此時未知電阻R2=R1·R4/R3。而當(dāng)負(fù)載傳感器受外力影響時，其自身阻值發(fā)生變化，電橋平衡被打破，檢流計G中則會產(chǎn)生電流，即a、d間產(chǎn)生電位差。此時利用已知的R1、R3、R4和Uad即可計算出R2的電阻值。傳感器本身是一種壓敏電阻元件，其阻值變化與受外力的大小程度呈線性關(guān)系，依此即可計算出傳感器所檢測出的負(fù)載實(shí)際值。

圖1(a)中模塊B231的VI、RU、VA、KE即電橋電路的4個節(jié)點(diǎn)的引出線，HS為接地屏蔽線，防止外部信號的干擾?，F(xiàn)場B231傳感器的引出線接至U231頻率變送模塊。該模塊的作用是將負(fù)載傳感器輸出的電壓信號線性轉(zhuǎn)變?yōu)榭垢蓴_能力強(qiáng)、信號傳輸穩(wěn)定的頻率信號。輸出的頻率信號（模擬量）一路至U230安全繼電器，另一路至電流變送器A1407。

U230為安全繼電器，它將輸入的頻率信號進(jìn)行實(shí)時計算分析，當(dāng)結(jié)果出現(xiàn)異常時，則對異常信號作出響應(yīng)而輸出開關(guān)量控制信號。該開關(guān)量信號串聯(lián)于過載保護(hù)控制回路中，用于繼電控制硬線回路，如圖1(b)中方框所示。

A1407為電流變送器，它將頻率信號線性變送為標(biāo)準(zhǔn)電流信號（4～20 mA），并將其輸出至PLC的AI模塊，進(jìn)行程序計算進(jìn)而得出實(shí)時的負(fù)載重量。

B212為行車操作室控制畫面中與現(xiàn)場B231傳感器對應(yīng)的重量顯示標(biāo)簽號。PLC將輸入的標(biāo)準(zhǔn)電流信號經(jīng)過線性計算后將該傳感器測得的實(shí)際重量顯示于控制屏上。

K248為過載保護(hù)回路繼電器，見圖1（b）8E，所有參與過載控制的開關(guān)量皆與其串接，其自身得電動作后會輸出一開關(guān)量至吊具主控制回路并將該回路切斷令吊具停車。該繼電器的動作即會引發(fā)“HOIST MAIN CONTACTOR OFF”（主回路接觸器跳閘）報警。

U244與U230一樣同為安全繼電器，不同之處在于U244的輸入信號不直接來自傳感器，而是由同一方向的兩個安全繼電器輸出信號共同組成。以本故障為例說明：U220為西南方向傳感器的安全繼電器，U230為西北角傳感器的安全繼電器，此兩者的輸出頻率信號皆作為U244的輸入信號，見圖1（b）6D、6E，因此可以理解為U230為8T安全繼電器，U244為16T安全繼電器。此次故障U230為主安全繼電器，U244為從安全繼電器。

此次故障發(fā)生后，發(fā)現(xiàn)U230安全繼電器正常工作指示燈信號消失，保護(hù)回路動作，主回路跳閘，吊具停車。圖3為進(jìn)口行車過載保護(hù)控制回路基本邏輯框圖。行車吊具共有4個吊鉤，每個吊具都有一路控制回路對其進(jìn)行保護(hù)，這里只以此次報警的U230安全繼電器所在回路進(jìn)行分析。

圖3 進(jìn)口行車過載保護(hù)控制回路基本邏輯

從上述過程可以看出，行車過載保護(hù)控制原理非常復(fù)雜，中間信號類型多樣，無法直接從信號變送過程中判斷是哪個環(huán)節(jié)發(fā)生了故障。因此，利用各模塊搭建實(shí)驗平臺，并利用信號發(fā)生器模擬行車空載及帶載情況下信號傳輸回路的毫伏、頻率信號變化規(guī)律。表1為行車4個負(fù)載傳感器模擬實(shí)驗的采集數(shù)據(jù)。

表1 行車4個負(fù)載傳感器模擬實(shí)驗的數(shù)據(jù)

此次實(shí)驗進(jìn)行了行車空載靜止時和行車吊裝整槽陽極板時兩次數(shù)據(jù)采集。測量時分別采集了傳感器輸出的電壓信號、頻率變送器的頻率信號、電流變送器的電流信號和PLC計算出顯示在操作屏幕上的實(shí)時負(fù)載重量。從表1中可以看出，空載時，有3個傳感器有信號輸出（B231、B221、B201），其中B231輸出值最大。負(fù)載時，4個傳感器都有信號輸出，其中B231輸出值最大，其余信號數(shù)值也有同樣現(xiàn)象，且實(shí)時重量數(shù)據(jù)B231計算值比最小的B192計算值大1 444 kg。

如前所述，B231傳感器的空載輸出對行車過載保護(hù)回路有直接影響，該繼電器不僅對超過設(shè)定值上限的信號作出響應(yīng)，同時對低于一定值的信號也會作出輸出開關(guān)量響應(yīng)。為了確定該繼電器響應(yīng)的低信號值，利用實(shí)驗平臺對U231輸入模擬毫伏單位電壓信號。測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸入電壓小于-0.56 mV時，安全繼電器（對應(yīng)頻率低于200 Hz）動作。

下一步對已拆卸的故障傳感器和新傳感器進(jìn)行實(shí)驗對比，發(fā)現(xiàn)新傳感器在空載條件下輸出信號為0.107 mV，而故障傳感器空載輸出信號為-1.3 mV。至此可以判定行車過載報警跳車的直接原因為出現(xiàn)傳感器空載條件下的異常值信號。

為了探究負(fù)載狀態(tài)時4個傳感器測量數(shù)值不同的原因，再進(jìn)行機(jī)械異常排查。

2.2 機(jī)械異常排查

從表1可以看出，4根鋼絲繩上所載負(fù)重并不一致，而且相差較大，因此判斷行車吊具可能存在不水平現(xiàn)象。分析故障發(fā)生時工況，發(fā)現(xiàn)報警出現(xiàn)時即是在行車吊具準(zhǔn)備起吊的瞬間。因此判斷當(dāng)?shù)蹙咛幱诜撬綘顟B(tài)時，4根鋼絲繩受力存在時間先后，即會形成在起吊初始時間內(nèi)吊具重量完全承擔(dān)在鋼絲繩較短一側(cè)，此時極易引發(fā)過載跳車。

為證明上述論斷，使用水平儀測量了吊具的水平度，發(fā)現(xiàn)吊具4個端點(diǎn)高度最大相差18 mm，該差值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過廠家設(shè)計要求的2 mm標(biāo)準(zhǔn)，故斷定吊具水平也是引發(fā)故障的因素之一。而吊具水平異常，唯一影響因素即吊具4根鋼絲繩長度不一致。該行車已連續(xù)運(yùn)行了3年，鋼絲繩未曾更換過，其磨損度雖未達(dá)到國家報廢標(biāo)準(zhǔn)，但伸縮量已發(fā)生變化，這即是引起吊具不水平的根本原因。

3 故障處理措施

在得知過載是由傳感器空載輸出信號異常及吊具水平異常導(dǎo)致后，首先安排人員對行車吊具水平進(jìn)行調(diào)整，由在廠家的指導(dǎo)下，由原來的18 mm高差調(diào)整為2 mm高差；其次更換傳感器，并由廠家技術(shù)人員審核安裝效果；最后為防止傳感器繼續(xù)輸出小值信號，對吊具下降高度進(jìn)行了細(xì)微調(diào)整，保證在吊具能夠完成最低點(diǎn)吊裝作業(yè)的前提下鋼絲繩保持一定的張力，讓傳感器始終可以輸出有效正值信號。在完成上述措施后，行車正常運(yùn)行未出現(xiàn)過載報警跳車故障。

4 結(jié)論

本文所述故障是一起典型的起重設(shè)備“誤過載”報警故障，該故障產(chǎn)生原因雜糅了電氣、機(jī)械等多方面因素，排查難度大，故障點(diǎn)隱蔽性強(qiáng)。對于此種故障，需要合理分析可能的故障因素，采用控制變量法和實(shí)驗法，逐步厘清故障產(chǎn)生原理和各因素間潛在的聯(lián)系，最終挖掘出故障本因。