斗轮堆取料机电控系统故障处理探讨

2020-06-30蔡圣华

设备管理与维修 2020年12期

黄斌，徐刚，蔡圣华

（上海振华重工（集团）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

为满足大型干散货堆场堆取料的作业需求，斗轮堆取料机应运而生并得以广泛应用，虽然其在实际应用中提高了装卸效率、节省了作业时间，但受多种因素的影响也会发生一定的故障，其中电控系统故障既加大了工作量，也造成了不必要的物料损耗，故必须予以妥善处理。

1 斗轮堆取料机概述

斗轮堆取料机是一种兼具堆料、取料和连续运输功能的装卸机械，目前主要用于港口码头、钢铁冶金、储煤发电等场合中的煤、砂石、矿石、焦炭等散料的堆取作业，一般情况下由金属结构、斗轮机构、悬臂皮带机、俯仰机构、行走机构、回转机构、电控系统、尾车等构成。在堆料环节，物料会从中心料斗上方进入下落至悬臂皮带，处于堆料限位状态的翻板会促使电机驱动皮带沿着堆料方向运行，直至物料被卸至堆场。在取料环节，则是在斗轮机构的作用下将物料勾取至悬臂皮带，并沿着取料方向运行直至翻板处于取料限位状态，此时物料会经料斗斗罩下落至地面皮带进而用于装车[1]。故斗轮堆取料机作业具有规律性强、装卸效率高、易实现自动化的特点。

2 斗轮堆取料机电控系统故障分析

2.1 故障表现及其影响

通常斗轮堆取料机翻板通过铰点连接料斗导槽，并经两侧的液压驱动装置控制完成升降，同时其带有的行程开关设于料斗斗罩上，并分别在堆料和取料到位限位开关的作用下控制位置。具体而言，在堆料时液压油缸的缩回动作促使翻板拉回触发堆料限位开关发生动作，待油缸缩回动作停止时翻板下降与导料槽贴合以免物料洒落至槽外；而在取料时则会在液压油缸伸出动作的作用下推开翻板促使取料限位开关发生动作，此时翻板会升高离开导料槽，与堆料位置保持90°的同时高于悬臂皮带50 cm左右，以此保证物料顺利通过斗罩下落至地面皮带[2]。

可是在长期运行过程中，斗轮堆取料机可能会因翻板不到位导致悬臂皮带难以正常启动，如此一来，后续作业会受到干扰，装卸效率自然受到影响；有时也会因悬臂皮带突然停车造成大量物料堆积而压停皮带，最终导致后端的水平运输皮带因荷载超限不能正常启动，只能借助人工清理方可解决问题，但这不仅产生了额外的工作量，降低了作业效率，还在一定程度上增加了物料损耗，显然不利于斗轮堆取料机的安全运行和高效作业。所以需要系统排查斗轮堆取料机电控系统，并对其控制程序加以优化。

2.2 电控系统故障分析

由于斗轮堆取料机中悬臂皮带选用的是三相交流电机，并基于PLC 和Profinet 控制变频器通信，为进一步分析斗轮堆取料机电控系统故障，在此以堆料作业过程中的部分梯形图为例加以讲解（图1）。

（1）正常情况下，悬臂皮带正常运行需先导通“M101.0”，这是满足堆料作业自动正转的前提条件。结合图1 可知，当堆料作业选择、悬臂皮带零位所对应的“M100.0”和“M100.4”均为状态1，自动选择开关、手动选择开关和就地选择开关在正常完好的条件下被旋转至“自动”位置，且操作人员下降中心料斗翻板至堆料到位限位开关保证“M120.0”状态为1 时，方可在悬臂皮带启动按钮按时达到悬臂皮带沿着堆料方向运转的目的。由此可见，堆料作业只有在满足上述全部条件时才能实现自动正转。

（2）当悬臂皮带不能正常启动时，根据操作台触摸屏可以发现，启动按钮“I10.0”、停止作业“I10.1”、悬臂皮带零位“M100.4”以及堆料、取料作业选择开关“M100.0”的按钮状态均为1，且手动、自动、就地开关能够正常动作，只有堆料到位信号“M120.0”处于0 状态。进一步分析可知，处于0 状态的“M120.0”意味着中心料斗翻板所需的堆料限位开关动作指令并未按照程序要求传递至PLC，对此需要到达现场确认堆料限位开关的实际状态和翻板是否到位，经现场检查后得知液压油缸无论是伸出动作还是缩回动作均正常，但是翻板带有的行程开关挡块并为触及开关动作柄。

图1 悬臂皮带PLC 程序部分梯形

之所以出现上述情况，在很大程度上与机械结构设计有关。这是因为中心料斗中的翻板在连接导料槽时选用的是以插销为横轴的铰点，若孔隙较大则易发生变形窜位，而行程开关只有在挡块触碰动作柄并推动一定距离后才能发生动作，故从某种意义上讲该环节存在一定的设计缺陷[3]。同时当翻板与导料槽位置出现偏移时，行程开关支架不会因此变形，但焊接于翻板上的动作挡块却会受到影响导致动作轨迹偏离设定路线，而行程开关动作又依赖于动作柄的旋转角度，此时挡块位置已经有所偏移，进而造成动作柄旋转角度不足、行程开关不能动作。所以此类故障需要借助设计优化进行解决。

（3）当悬臂皮带出现突停故障时，可借助PLC 编程软件对故障点进行合理的排查。具体应该参考故障记录确认悬臂皮带突停时是否出现了报警，经检验触摸屏上并无报警记录，说明故障与外部保护开关动作无关，随后借助STEP7 对变量的监控功能明确故障所在。当斗轮堆取料机堆料作业为3000 t/h 的装卸流量时，悬臂皮带未发生突停问题，影响条件也无异常；但随着装卸流量的增大，悬臂皮带状态有所变化，尤其是当流量增至6000 t/h 时，下落的成块粘接物料瞬间达到了10 000 t/h 的装卸流量，悬臂皮带随即发生突停。结合变量监控得知，除了堆料到位“M120.0”由最初的状态1 突然变为状态0 外其余变量均无明显变化。由于过大的装卸流量致使中心料斗翻板被推开并离开限位开关，加之增大的瞬间流量持续时间一般小于2 s，所以在悬臂皮带尚未完全停止时大量物料已经脱离料斗，翻板随之复位至堆料位置。显然操作人员难以及时发现故障所在，这也说明悬臂皮带突停故障是由“M120.0”堆料到位造成的。

在图1 的程序段中，翻板堆料限位“I43.4”对应的是翻板堆料位置限位的感应开关，一般情况下其属于常闭点，在程序中经常以S 和R 输入端分别作为常闭点串联和常开点并联。当翻板挡块因位置偏移远离感应开关范围时，“I43.4”状态会有所变化，即由原来的状态0 变为状态1，进而导致堆料到位“M120.0”被动复位，由状态1 变为状态0。这样一来，悬臂皮带实际条件因达不到运行条件导致皮带停止运行，故要求加以适当的改进，以免当物料流量较大时推开料斗翻板导致挡块离开有效的感应区域造成停机。

3 斗轮堆取料机电控系统故障处理

3.1 采取针对性的处理措施

针对斗轮堆取料机电控系统翻板不到位、悬臂皮带突停等故障，可立足实际采取措施进行针对性的解决。如当中心料斗翻板出现不到位问题时，需明确故障原因，即挡块不能触及行程开关，然后从机械结构特点着手，在不影响正常功能的前提下保证液压油缸动作变化时行程开关支架与其距离较小，换句话说就是尽可能的将支架安装在距离油缸较近的位置，以期通过缩小两者之间的距离减少翻板对行程开关的影响。如果工况较为恶劣，可用电感式接近开关替代传统的机械式行程开关。这里提及的接近开关不仅具有微动开关、行程开关的特点，而且传感性好，具有性能稳定、动作可靠、反应快速、防水耐腐蚀、抗干扰等特点，无需直接接触运动构件，只要物体与接近开关感应面的距离达到动作距离便可进行动作进而提供控制指令。这一点是普通的机械式行程开关无法比拟的，如果条件允许可推广使用。

针对悬臂皮带突停故障，可在确认与堆料到位“M120.0”状态异常有关后，结合操作人员无法及时发现故障的难题，对既有的控制程序加以适当的改进和优化，确保翻板达到堆料位置后设定手动操作，即除非手动控制否则“M120.0”始终处于置位状态，以此防止大物料推开翻板而引发悬臂皮带突停故障。

3.2 必要时加以适当的改造

考虑到斗轮堆取料机在众多行业领域中作用突显，为更好地保证其安全可靠的作业，可结合实际需求进行适当的改造，使其朝着智能化方向发展。如某发电厂现有的斗轮堆取料机堆料和取料出力分别为1200 t/h 和1500 t/h，电控系统主要包括悬臂皮带减速机、轮斗减速机、行走机构、动力电缆卷筒、回转结构、液压电磁阀等驱动电机构成，在运行一段时间后时常发生故障，不仅故障频率高、维修耗时长，而且更换数量大、维护工作量多，严重制约了斗轮堆取料机装卸优势的发挥，因此必须加以现代化改造。

经过综合考虑和慎重分析，确定选用现场分布式I/O 结构和PLC 作为电控系统的核心，保留原有变频器的同时优化行走控制方式，并以软起动方式启动悬臂皮带和轮斗电动机，配以旁路系统提升控制的可靠性；为保证PLC 能够准确高效的进行时信号传输和交换，煤场悬臂皮带与翻板等重要部件的运行状态实时呈现在操作台，还应用了先进可靠的电感式接近开关，既消除了机械式行程开关的弊端，又能保证开关动作的灵敏性和准确性，大大降低了中心料斗翻板不到位的概率。改进后的PLC 控制程序使得悬臂皮带突停故障得到了有效控制，其他故障也有明显减少。总体上来说，该厂的斗轮堆取料机不仅安全性和作业效率得到了显著改善，还延长了使用寿命。

斗轮堆取料机电控系统还应进行不断的创新和完善，如基于激光扫描技术实时对料堆动态进行建模、借助先进的传感技术精确定位斗轮位置以便进行全自动堆料取料等，这些均有利于斗轮堆取料机性能的提升和电控系统故障的降低。