浅谈装船机系统性能提升

孙浩

摘 要：本项目通过技改装船机的控制系统，使操作更加便捷，提高了系统稳定性。开发智能人机界面，使装船机的状态信息更加直观，故障显示具体详细，降低了操控员按钮操控的频率，减轻了操控员的劳动强度。同时提高技术人员的处理故障的相应判断速度，降低了装船机的故障时间，提高了装船机的作业效率。

新司机室按人机工程学设计布局，美观，便捷，空间充足；整体坚固，增加稳定性；内置接线箱，提高可靠性，减少故障率；

新溜筒设计，较之前更加简洁可靠，降低了整体重量，消除了安全隐患。控制变频系统采用功能强大的富士变频器，减少故障率，提能降耗。

关键词：装船机；控制系统；司机室；溜筒

1、项目背景：某港一期工程装船机始建于2000年，运行18年以来，设备严重老化，其中司机室控制系统以按钮操作为主，故障显示为8段数码管显示，技术十分落后，急需升级换代。

装船机核心溜筒机构作业过程中动作频繁，受煤流冲击大，设备安全状况较差，其溜筒天方地圆处母板磨损严重，多处焊缝开裂，存在坠落风险。控制系统采用接触器控制，低效落后。

针对以上情况，我们通过大量的设计核算，现场研究，通过装船机控制系统升级及溜筒机构改造解决以上问题，很好的消缺了设备隐患，提高可靠性，带来可观的经济效益。

2. 详细技术内容

2.1、控制程序组态及编写

原司机室控制系统，采用PLC5远程I/O模块，1747适配器，采集现场按钮信号，输出数字量给故障代码及指示灯。

我们的解决方案为，将原有的1771落后停产的模块升级替换为1794模块，大量减少按钮操作，改为触摸屏操作，减少输出信号，总统规划如下图一

2.1.1、设备组态

新建1794远程机架采用DH+通讯，终端增加150欧姆电阻；新建触摸电脑采用双网线通讯，可以实现人机交互及管控登录。

远程槽位为1794 Flex I/O Adaper，适配器选用1794-ASB Series E，其版本型号需要与硬件匹配，1/2槽寻址方式，并在软件中选择相应的波特率。

根据实际需求，软件中选择与硬件匹配的型号，组态两台32位，24V数字量输入模块；一台32位，24V数字量输出模块；一台模拟量8通道模块。

其S1-7至S1-6的拨码，根据软件组态分配的逻辑地址7号机架，对照产品拨码说明书设置为：S1-1ON、S1-2ON、 S1-3ON、 S1-4OFF、 S1-5OFF、 S1-6OFF的状态；S1-7及S1-8选择相应1槽寻址方式；S2-3及S2-4拨码调置为OFF状态，适应32位模块，其他拨码位置保持不变。

2.1.2、程序编辑

（1）程序编辑将原有的操作台废除按鈕输入点进行删除，并根据实际情况将保留部分进行替换。

（2）模拟量操作杆输入信息，新建MESSAGE指令，读写模块的模拟量信息，经过程序计算后，发送给变频器。

（3）新建触摸按钮程序梯形图，新建触摸屏故障报警梯形图，结合老程序进行开发完善。并与触摸屏建立节点，实现通讯。

2.2、新型控制交互系统：

装船机司机室原操作方式为机械按钮操作，操作台按钮数量较多且有部分按钮已丧失功能，部分按钮标志牌模糊不清或接线不牢固，操作时易出现误操作或者操作失灵现象，提高了装船机故障率，严重影响了装船机的正常作业。且操作台按钮陈旧，影响了操控员的作业情绪和司机是的整体美观。

装船机司机室原单机状态显示通过指示灯显示，指示灯损坏后，操控员无法全面的掌握单机的实时状态，影响正常操作。装船机司机室原故障报警通过8段数码管显示，出现故障后，操控员不能直接获取故障信息，必须通过故障代码表查询故障明细，技术落后，复杂繁琐。

装船机新的操作及状态故障显示控制系统采用先进的HMI人机界面，该控制系统选用研华PV1000工控机，通过以太网与PLC进行通讯。司机室HMI人机界面采用Rockwell公司的FactoryTalk View SE人机界面软件进行编制，该软件功能强大，编制界面稳定可靠。

装船机新控制系统HMI人机界面替代了原操作台大部份按钮的功能，操控员直接通过点击人机界面上的按钮即可实现各种操作功能。HMI人机界面通过以太网与PLC通讯，无硬线连接，从根本上杜绝了操作失灵现象。HMI人机界面按钮标识清晰，布局合理，极大的降低了误操作的可能性。HMI人机界面降低了操控员按钮操控的频率，减轻了操控员的劳动强度。相对原操作方式，HMI人机界面降低了装船机的故障率，提高了装船机的作业效率。

装船机新控制系统HMI人机界面通过多态指示器显示装船机各机构状态，操控员通过HMI人机界面能够直观的了解装船机各机构实时状态。相比原状态显示方式，HMI人机界面状态显示清晰明确，杜绝了原显示方式中由于指示灯损坏造成的显示错误现象。

装船机新控制系统HMI人机界面通过报警服务器形成装船机故障报警列表，装船机出现故障后直接显示在故障列表中，操控员可以直接获知故障明细并处理。相比原故障报警方式，操控员通过HMI人机界面可及时获知故障明细，无需查询故障代码表，提高了故障处理的效率。下图为装船机新建控制系统HMI人机界面：

2.3、人性化司机室设计

司机室按人机工程学设计，整体坚固，美观、安全隔热、防火、防雨、全封闭，采用夹层结构，填充隔热、隔音、阻燃材料，室内装饰绝缘防静电板材，设计有足够的空间，便于设备安装，司机操作和维修，司机室玻璃为夹胶双层钢化玻璃，并设至电动雨刷器，两侧设置可调窗帘。操作台仅保留原有尺寸的1/3，对按钮进行删减。座椅可调节高度，前后距离和靠背角度，座椅上覆以透气防滑材料，同时便于司机出入。司机室设有空调，小桌板，腿部电吹风，微波炉饮水机等，各项设计符合人机工程学。

新司机室结构优点

（1）现有司机室整体采用不锈钢材质，比原有司机室更耐腐蚀，寿命更长。

（2）底座钢支撑结构进行了加固，使司机室整体更加稳固，改造后作业过程中司机室晃动明显减轻。

（3）内置接线箱，相比原有司机室接线箱安装在司机室外，减少了雨水、煤尘的影响，提高了接线箱的寿命，减少了接线箱因潮湿、封尘等原因造成的故障。

（4）内部操作台布置在空间利用方面更加合理。

2.4溜筒的机械设计

2.4.1原溜筒存在的问题：

① 原溜筒为3层伸缩结构，2005年改造后伸缩功能已取消，结构复杂，故障较多；

② 原溜筒使用已超过16年，天方地圆处母板磨损严重，承载能力大幅下降，存在着溜筒可能掉落的安全隐患；

③ 溜筒内衬板磨损较快，更换难度大、危险性高、耗时长，维修维护困难；

④ 溜筒回转驱动装置安装位置紧贴着天方地圆处，维修空间狭小，维护更换困难；

⑤ 溜筒机构维护维修工作量大，需要的停机时间长，对生产的影响大。

⑥ 溜筒大铲抛料距离较小，对装船作业有一定的影响。

⑦ 原溜筒防碰撞设施效果不好，存在安全隐患；

2.4.2新溜筒的结构设计充分考虑了上述问题，并采取了多种措施予以解决，具体如下：

① 新溜筒为一层整体机构，去掉了外面的两层结构，溜筒外径减小500mm，结构进行了优化，重量降低；

② 新溜筒外径缩小后，对装船作业特别是结舱非常有利，提高了装船效率和装船质量；

③ 新溜筒天方地圆进行了加固，消除了溜筒掉落的安全隐患；

④ 新溜筒天方地圆处衬板设计了打格衬板，使用寿命大幅增加，衬板维修量大幅减低；

⑤ 新溜筒重新设计了维修平台，增加了维修维护空间，降低了维修工作量、停机时间及人员的安全风险；

⑥ 新溜筒大铲结构形式进行了优化，衬板采用不锈钢材质，抛料效果大幅提升，提高了装船效率和装船质量；

⑦ 对原溜筒防碰撞进行了优化改造，提高了设备运行安全性能。

2.5溜筒变频器升级

在装船机作业过程中，通过变频器来控制溜筒回转启停，回转变频器在整机生产作业过程中起到关键作用。从投入使用到现在，经过了十余年的长期运行。由于现场环境较差、不间断运行时间长，使变频器老化严重，近几年故障多发，经常影响装船机的正常作业

此次装船机溜筒改造，回转驱动电机升级为5.5kw SEW电机，对变频器的要求提高，老变频器从性能和稳定性上已经不能维持正常作业。经过研究和讨论，采用变频器进行控制。

结合现场实际情况，根据新电机的参数和数据，采用富士FRN5.5VG1S-4C变频器来控制速度。富士FRN5.5VG1S-4C变频器是一种高性能矢量控制变频器，具有控制精度高、参数设置简易、保护功能齐全等优点，中文的人机界面为日常设备维护和故障处理带来了方便。

变频器在完成配线连接后可开始变频器的调试工作。富士FRN5.5VG1S-4C變频器可选择的电机控制方式。装船机溜筒回转控制采用无传感器矢量控制（异步电机），该种控制方式通过电机电压、电流推定出速度后进行速度控制，然后，通过矢量控制可实现电机电流和电机转矩的快速响应、高精度控制。无需传感器，通过调整控制常数速度控制可实现必要的响应。

参照电机铭牌，通过变频器操作面板来对变频器进行基本数据设定：

在完成基本数据设定之后必须实施电机常数自整定，在自整定的过程中，变频器会对电机进行励磁电流、额定负载滑差、磁饱和系数、感应电压、2次时间常数进行测定和整定，并自动写入相应电机。

自整定完成之后，变频器调试完毕。新变频器调试简便，对控制系统和电机均具有很高的兼容性，降低了此次设备改造的复杂程度，使得此次升级改造从安装调试到设备运行仅用了一天时间。

溜筒回转变频器的升级改造，提升了设备性能，降低了设备故障率，统一了备件信息，为日后的维修保养带来了很大的便利。

3.发明点和创新点

（1）新建的控制系统，更加稳定可靠。

（2）新建的人机界面更加智能，简便操作，提高效率。

（3）新更换的司机室，更加舒适耐用，布局合理，符合人机工程学。

（4）新更换的溜筒结构、材料等方面优化设计，溜筒结构，天方地圆和大铲衬板，维护平台和溜筒防碰撞改造，使装船机的生产作业效率、装船质量、人员设备安全性能都得到了大幅提升，同时也降低了溜筒的维修维护工作量。

（5）新升级的溜筒变频系统，性能可靠，故障率低，便于开发设计。

（6）标准的司机室更换工艺，对后期同类设备维修改造具有借鉴意义。

4. 与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较

同类比较，某港一期工程装船机通过技改装船机的控制系统，使操作更加便捷，提高了系统稳定性。开发智能人机界面，使装船机的状态信息更加直观，故障显示具体详细，降低了操控员按钮操控的频率，减轻了操控员的劳动强度。同时提高技术人员的处理故障的相应判断速度，降低了装船机的故障时间，提高了装船机的作业效率。

新司机室按人机工程学设计布局，美观，便捷，空间充足；整体坚固，增加稳定性；内置接线箱，提高可靠性，减少故障率；

新溜筒设计，较之前更加简洁可靠，降低了整体重量，消除了安全隐患。新升级的变频系统采用功能强大的富士变频器，统筹备件信息，便于维护及开发，极大的缓解了备件停产，设备老旧的困难，减少故障率，提能降耗。

5. 结束语

自设备成功技改以来，大幅度降低了设备的故障率，操作便捷，系统稳定性明显提高，装船机司机室美观，舒适。新溜筒的设计简洁可靠，消除安全隐患，减少因设备缺陷造成的停机，限产等现象，提高作业效率，增加产能。

技改以后间接效益，粗略估计，按减少故障停机每天2小时，设备维修每周8小时，按照设计能力6000吨/小时，每月可以增加产能92*6000=55200吨煤炭下水量。节约了维修材料，人员成本等，提能增效。

参考文献：

【1】机械设计手册编委会.机械设计手册（M）.北京：机械工业出版社，2000

【2】Control Logix 系统实用手册.机械工业出版社.邓李 编著.

【3】液压元件与系统. 机械工业出版社，2011