黃自松

（河北港口集團(tuán)港口機(jī)械公司，河北秦皇島 066000）

0 引言

目前港口堆取料機(jī)用水多采用水槽/水箱組合供水的方式，在長期的實(shí)際應(yīng)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(shè)計(jì)機(jī)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(yīng)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(dǎo)致的缺陷有：①易受氣候影響，冬季中水冰凍時(shí)設(shè)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(bǔ)水，由于補(bǔ)水時(shí)間長，易影響生產(chǎn)效率；④機(jī)上水箱體積容量大能耗高。針對上述問題進(jìn)行智能化改造，采用高強(qiáng)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(jī)采用變頻器驅(qū)動(dòng)，自適應(yīng)大機(jī)行走。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 管路系統(tǒng)概況

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

圖1 系統(tǒng)組成

2.2 高壓水纜卷盤機(jī)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(jìn)入卷盤，因此該盤設(shè)計(jì)為雙槽結(jié)構(gòu)，由電機(jī)/抱閘/減速箱三合一裝置驅(qū)動(dòng)連接軸承轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行水纜的收放。卷盤模型如圖2 所示。

圖2 水纜卷盤

水纜進(jìn)入卷盤內(nèi)圈后存留連接接頭裕量。在卷盤驅(qū)動(dòng)裝置的減速箱低速軸內(nèi)加工2 個(gè)Φ40 mm 通孔作為管路組成部分，通孔兩端分別與進(jìn)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(jī)上固定管路與機(jī)下運(yùn)動(dòng)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(gè)、模擬量/RTD 擴(kuò)展模塊2 個(gè)、觸摸屏1 個(gè)、溫控儀2 個(gè)；動(dòng)力部分為變頻器2 個(gè)，分別控制電纜卷盤三合一減速箱電機(jī)及水泵電機(jī)；水箱加熱調(diào)功器1 個(gè)、加熱棒1 套及自限溫管道伴熱帶電阻；管路部分控制電動(dòng)閥1 個(gè)、檢測流量計(jì)1 個(gè)、溫度傳感器4 個(gè)。系統(tǒng)拓?fù)洌▓D4）。

圖4 硬件系統(tǒng)拓?fù)?/p>

本系統(tǒng)通信可分監(jiān)控層/現(xiàn)場層2 個(gè)層級(jí)。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(jī)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(luò)電纜，使用USS 協(xié)議時(shí)變頻器處于速度控制模式。同時(shí)，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(jī)軸尾端，用于反饋當(dāng)前電機(jī)速度，形成速度控制閉環(huán)，提升電機(jī)響應(yīng)能力與精準(zhǔn)度。

同時(shí)，變頻器1#CU 單元由X132 端子提供電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩模式的控制方式選項(xiàng)，由PLC 擴(kuò)展模塊EM AM03 通過模擬量AO0 控制變頻器控制電機(jī)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(shí)產(chǎn)生的錯(cuò)誤。該編碼器與減速箱軸通過齒輪鏈條連接，二級(jí)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(jī)，從而控制管道壓力與流量。

（2）卷盤控制：手動(dòng)時(shí)以USS 通信方式速度模式下控制卷盤正反轉(zhuǎn)；自動(dòng)時(shí)卷盤電機(jī)以力矩模式運(yùn)行協(xié)同大機(jī)行走，控制目標(biāo)要求做到在收纜放纜動(dòng)作時(shí)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(shí)卷盤內(nèi)存留水纜長度不同，導(dǎo)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(dòng)電機(jī)力矩M 是行程位置L 處PG 值的函數(shù)。定義某一位置點(diǎn)為0點(diǎn)，根據(jù)編碼器數(shù)據(jù)選擇程序表格中對應(yīng)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(jī)扭矩。

3.3 系統(tǒng)功能

電控柜集中監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備，遠(yuǎn)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(shí)時(shí)顯示水路管道相關(guān)設(shè)備的狀態(tài)：水泵變頻器狀態(tài)、水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速、加熱水箱回流口溫度、環(huán)境溫度、流量計(jì)瞬時(shí)流量、機(jī)上電動(dòng)蝶閥閥門狀態(tài)。溫控儀表一根據(jù)其內(nèi)部設(shè)定值以PID 算法計(jì)算并輸出目標(biāo)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(dòng)加熱直到實(shí)際溫度與設(shè)定溫度相等時(shí)為止，以實(shí)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(shè)定控制板載繼電器的通斷，該繼電器控制伴熱帶電源，以實(shí)現(xiàn)對上水管道的保溫作用。

3.3.1 管路控制

在冬季時(shí)大機(jī)水箱補(bǔ)水完畢關(guān)閉電動(dòng)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(shí)通過HMI 監(jiān)控界面（圖6）給定啟控溫度，切換到自動(dòng)加熱方式，當(dāng)環(huán)境溫度與啟控溫度有溫差時(shí)，加熱系統(tǒng)投用。同時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)電動(dòng)閥狀態(tài)自行啟停循環(huán)泵，使中水在環(huán)管中加熱流動(dòng)以防凍。通過管路的熱水循環(huán)及機(jī)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(yùn)行過程引入周期性通斷動(dòng)作。

圖6 HMI 監(jiān)控界面

3.3.2 卷盤控制

在HMI 首頁實(shí)時(shí)顯示水纜相關(guān)驅(qū)動(dòng)設(shè)備狀態(tài)：卷盤電機(jī)/變頻器/抱閘/風(fēng)扇/導(dǎo)纜架/大機(jī)行程/PG 值。大機(jī)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(yuǎn)程控制，遠(yuǎn)程時(shí)卷盤電機(jī)根據(jù)大機(jī)命令/大機(jī)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(yùn)行工況。在協(xié)同大機(jī)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)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(shè)置參數(shù)；應(yīng)急力矩M3 在導(dǎo)纜架的過松過緊限位動(dòng)作時(shí)，自動(dòng)增減電機(jī)輸出力矩。若在M3 力矩作用下限位仍然無復(fù)位動(dòng)作并超時(shí)限，則報(bào)錯(cuò)向大機(jī)反饋故障信號(hào)，同時(shí)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(jìn)行力矩?cái)?shù)據(jù)的測量檢驗(yàn)與保存。選擇力矩測量工況，此時(shí)電機(jī)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(dòng)作實(shí)際狀況確定為正確值并寫入，則該數(shù)據(jù)保存到表格當(dāng)前指針?biāo)趩卧裰?。大機(jī)在運(yùn)行工況時(shí)，本單元格數(shù)據(jù)即為在當(dāng)前行程位置處電機(jī)的力矩給定值。

3.4 系統(tǒng)軟件

（1）程序設(shè)計(jì)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(jī)力矩控制時(shí)進(jìn)行速度限幅保護(hù)，可設(shè)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(jìn)行輔助報(bào)警提示，動(dòng)圖加文字說明的方式讓使用人員更容易。在設(shè)計(jì)PLC 程序時(shí)優(yōu)先考慮進(jìn)行參數(shù)化配置，擴(kuò)大適用范圍。

4 總結(jié)

本上水系統(tǒng)已在港口裝船機(jī)進(jìn)行測試，結(jié)果表明該系統(tǒng)能安全有效運(yùn)行，降低投入成本，綠色環(huán)保節(jié)能降耗，減少日常維護(hù)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(hù)困難、冬季無法使用的問題，具有推廣價(jià)值。