秦皇岛煤炭港装卸设备控制系统的设计优化及现场调试

李 伟

（秦皇岛港股份有限公司第七港务分公司，河北 秦皇岛 066000）

引言

随着国民经济的不断发展，煤炭的消耗量也逐年增加。作为煤炭港的重要装卸设备，翻车机的使用范围越来越广，其装卸任务也更加繁重[1]。为了缓解秦皇岛大秦铁路运煤紧张的局面，提高工作效率，故对其主要装卸设备——翻车机进行技术改造。将PLC控制策略应用到翻车机的逻辑控制程序中，不仅能控制翻车机作业自动化、减少人工劳动的需求，并且还可以对设备的运行状态进行远程监测预警，保障秦皇岛煤炭港装卸工作能安全高效地进行。

1 传统翻车机装卸工艺流程

翻车机的装卸工作是由翻车机控制系统以及辅助系统共同完成的，在装卸前，机车将整列车厢运输至工作区域，随之翻车机与拨车机、夹轮器以及推车机等设备协同配合进行作业。传统翻车机装卸工艺流程图如图1所示。

由图1可知，机车将装有煤炭的重载列车运送至工作区域内，采用夹轮器将车轮固定住，随后机车离开该区域。通过人工手段将2、3节车厢手动分离，同时采用拨车机将其前臂连接到前两节车厢的钩头处，松开对应的夹轮器，使得拨车机可以拖动前两节车厢运行，直至运行到翻车机附近时停止，松开前臂并重复上述作业流程。这时，翻车机的压车缸收缩、靠车缸伸出，从而达到固定车厢的目的，同时回转机构开始转动完成翻卸煤炭的动作。翻车机重复上述动作，直至所有的列车车厢中的煤炭都卸载完成。

对于秦皇岛煤港来说，其使用的翻车机都是旋转式的，这也就意味着需要对列车进行解列，等到彼此相互分离时才可以继续作业[2]。在解列时需要工作人员进行确认，这样不仅效率低，而且有一定的危险性，因此需要对翻车机的控制系统进行优化改造，在保障作业安全的前提下，进一步提高作业效率。

2 翻车机控制系统的总体设计

为了满足秦皇岛煤港的生产需求，保障作业安全，本文对翻车机控制系统做了进一步设计，通过引入PLC控制技术以及工业自动化等先进技术，使得翻车机控制系统可以实时、高效地对各种设备工作状态以及环境信息进行采集，同时作业人员可以通过控制系统进行参数的设定，对翻车机的操作以及生产过程实现自动化控制。系统的总体设计方案，如图2所示。根据翻车机控制系统的功能不同，可以将整个控制系统分成3个部分，即控制平台、电气硬件以及机械平台。

1）控制平台涵盖了工控机、通信网络以及组态软件等，实时控制着整个翻车机的工艺流程。组态软件可以实现丰富的人机交互效果，可以通过荧屏对控制系统的界面、数据变化以及监测预警信息进行远程显示。施工人员对组态软件进行操作，可以远程控制现场的设备，改变对应的翻车机翻车参数，实现装卸流程的自动化。

2）电气硬件具体包括变频器、变压器以及PLC等器件，变压器的作用是对电压进行降压处理，将6 000 V的高压变为380 V工业电压，为控制系统中的机械元件提供电源。PLC对翻车机电机扭矩、设备温度以及电压电流等信息数据进行收集，经由分析处理后反馈至远程控制中心，以完成对电机等设备工作参数的调节。

3）机械平台包含翻车机以及驱动电机在内的主要机械部件，通过PLC控制技术，完成对翻车机电机的控制，再通过减速器中的减速齿轮将力矩作用至翻车机主体，完成相应的翻转动作。

3 主从电机同步控制研究

3.1 传统连轴同步控制方式

对于传统的翻车机同步控制方式，采用连轴控制形式，主要是由同步机械轴将主从电机的转子或者用于转子传动的齿轮箱进行刚性连接，形成整体传动。这种控制方式可以让各个传动结构保持较为稳定的同步关系，以达到电机的同步运行。然而采用这种方式连接的刚性同步机构能源损耗较高、控制结构简单且不精确，容易出现同步震荡形成共振现象，造成机械故障损坏，因此需要对其控制方式进行改善。

3.2 柔性同步控制方式

速度的偏差以及转矩限幅的控制形式是比较适用于主从驱动电机柔性连接系统的，主从电机柔性连接的示意图，如图3所示。它主要适用于井下的皮带机系统以及码头煤炭港的装卸系统。这种连接方式需要使主从电机的运行速度保持一致，同时还要确保转矩的幅度在一定范围内，不宜过大。如果只是保证了主从驱动速度基本相同，而转矩不同，则会导致设备的驱动力大小不平均，造成电机过热、甚至烧毁。

因此，为了解决上述情况，可以通过实际工况对主从驱动的跟随方式进行设置。如果从驱动与主驱动的转矩大小相同，但是速度不能保持一致，可以将从驱动的转矩限幅与主驱动的转矩值进行连接，并允许速度的偏差大小在±5%～10%之间。考虑到系统在运行过程中存在速度的偏差，将连接设备迅速拉紧，从驱动的速度达到饱和状态，由于转矩限幅将输出转矩进一步限制，可以确保从驱动与主驱动的转矩保持一致，从而牵制住了从驱动的速度，使之与主驱动的速度保持一致，实现了同步控制的相对稳定。

4 现场调试实验

将翻车机的控制系统进行设计优化后，需要经过现场调试实验，进一步验证其应用效果，为此我们进行了秦皇岛煤炭港装卸工艺流程的设备调试工作。

4.1 翻车机的调试

针对翻车机的调试工作，第一步就是检测各个机构的性能优劣，测试其控制系统工作是否正常。随后通过逐点测试的手段，由控制系统的人机交互界面观察驱动电机、减速器、各类型传感器以及电磁阀等部件是否运行正常，翻车机的压车缸是否可以完成相应的接卸动作。在对上述设备项目调试完毕后，技术人员通过远程操作控制的方式，在人机交互界面依照装卸流程对翻车机进行远程的操控调试，为翻车机现场调试作业的示意图如图4所示。

4.2 抑尘系统的调试

在改造后的翻车机系统中增设了干雾抑尘系统，与传统的淋水抑尘设备相比，干雾抑尘系统在节约水资源的前提下，还改善了淋水抑尘设备在冬季效果不理想的问题，符合可持续发展战略要求，可以最大限度地降低粉尘对大气的污染，对作业人员的工作环境以及附近地区的生态环境都起到了很好的改善作用。

4.3 应用效果对比分析

将翻车机的控制系统进行了优化设计，经现场调试，立即投入到秦皇岛煤炭港的煤炭运输生产流程中。在应用时期，记录了控制系统优化后翻车机作业的数据。通过了分析统计数据可知，该企业公司在上一年度共完成煤炭装卸量为240多万t，直接利润收益为2 110万元，折合每吨煤的直接利润为8.8元。

经过控制系统的改造优化，在工作人员远程控制下，连续作业了10个月，期间共装卸煤955万t，依照这个进度，一年的煤炭装卸量预计达1 146万t。设备优化改造后，煤炭装卸量显著增加，预计比上一年度增加1 146万t-240万t=906万t。按照8.8元/t直接收益计算，直接经济收益增加了8.8元/t×906万元=7 972万元。作业效率大幅提高，经济收益也迅猛增长。

5 结论

作为秦皇岛煤炭港主要的煤炭装卸设备，翻车机的控制系统运行效率的好坏，在一定程度上决定了煤炭企业的运输效率。本文将翻车机的控制系统进行了优化设计，将PLC以及自动化等关键技术应用到其中，实现了远程控制的目的，不但解决了运输效率低的问题，还保障了施工人员的安全作业。经由现场调试成功应用到实际中，值得将该项技术在工业领域中进一步推广。