港口堆取料机水缆式上水系统改造

黄自松

（河北港口集团港口机械公司，河北秦皇岛 066000）

0 引言

目前港口堆取料机用水多采用水槽/水箱组合供水的方式，在长期的实际应用过程中，存在诸多不足之处。本文结合已完成改造的新型环保上水方法，设计机械结构和电气控制配套系统，介绍其上水方案及电控原理并说明应用效果，希望能在行业内得到推广。

1 现状分析

水槽/水箱组合供水方式由内外因素导致的缺陷有：①易受气候影响，冬季中水冰冻时设备易破裂损坏；③敞口水槽内杂物易使管道堵塞；③作业需提前一次性补水，由于补水时间长，易影响生产效率；④机上水箱体积容量大能耗高。针对上述问题进行智能化改造，采用高强柔性水缆作为管路的上水方式，并配备防冻措施，电控其上水过程；对水缆卷盘电机采用变频器驱动，自适应大机行走。

2 系统设计

2.1 管路系统概况

取水点为码头高压消防管路，经手动阀、过滤器、单向阀后分为2 条支路。其中一条为动力支路，包括手动蝶阀、高压胶管、手动球阀、加热水箱、循环水泵、流量计等元件；另一条为常用通水支路，包括手动蝶阀、高压胶管、手动球阀等元件。这2条支路在终端合并，由钢管三通及相关附件连接至电动阀处，然后再经手动蝶阀连接到储水箱（图1）。

图1 系统组成

2.2 高压水缆卷盘机构

由图1 可知，地面高压管路经单向阀及三通后，经由2 条IVG 水缆要进入卷盘，因此该盘设计为双槽结构，由电机/抱闸/减速箱三合一装置驱动连接轴承转动进行水缆的收放。卷盘模型如图2 所示。

图2 水缆卷盘

水缆进入卷盘内圈后存留连接接头裕量。在卷盘驱动装置的减速箱低速轴内加工2 个Φ40 mm 通孔作为管路组成部分，通孔两端分别与进盘水缆连接接头及作为出口的旋转接头连接。旋转接头固定安装，其旋转部分起承接机上固定管路与机下运动管路的作用（图3）。

图3 旋转接头

3 电气控制

3.1 硬件结构

电气系统硬件主要包括：作为控制核心的CPU 模块1 个、模拟量/RTD 扩展模块2 个、触摸屏1 个、温控仪2 个；动力部分为变频器2 个，分别控制电缆卷盘三合一减速箱电机及水泵电机；水箱加热调功器1 个、加热棒1 套及自限温管道伴热带电阻；管路部分控制电动阀1 个、检测流量计1 个、温度传感器4 个。系统拓扑（图4）。

图4 硬件系统拓扑

本系统通信可分监控层/现场层2 个层级。监控层采用TCP/IP 通信协议，通过工业以太网交换机TL-SG1005 提供总线接口，接入触摸屏SMART 700 IE 及S7-200 SMART CPU ST60，通信线为直通网线；现场层采用USS 协议，CPU 通过本体自带RS485 端口0，G120 变频器1#、2#通过CU 单元X128 端子接入总线，通信线为Profibus 网络电缆，使用USS 协议时变频器处于速度控制模式。同时，变频器1#CU 单元SSI 接口X2100 连接串口增量编码器，该编码器安装于卷盘电机轴尾端，用于反馈当前电机速度，形成速度控制闭环，提升电机响应能力与精准度。

同时，变频器1#CU 单元由X132 端子提供电机驱动力矩模式的控制方式选项，由PLC 扩展模块EM AM03 通过模拟量AO0 控制变频器控制电机力矩输出。

为了测量卷盘行程L，在CPU 模块输入端子直接连接GRAY码并口绝对值编码器。由于GRAY 码编码在相邻数字间只有1 bit产生变化，可有效降低电路在数据位间变换时产生的错误。该编码器与减速箱轴通过齿轮链条连接，二级减速结构（齿比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电机，从而控制管道压力与流量。

（2）卷盘控制：手动时以USS 通信方式速度模式下控制卷盘正反转；自动时卷盘电机以力矩模式运行协同大机行走，控制目标要求做到在收缆放缆动作时使水缆受到的拉力F 基本维持稳定。由于在位置L 不同时卷盘内存留水缆长度不同，导致盘内水缆存量半径R 及卷盘质量为变化量。因此，所需驱动电机力矩M 是行程位置L 处PG 值的函数。定义某一位置点为0点，根据编码器数据选择程序表格中对应单元格数据，该数值作为给定输出到变频器，从而控制电机扭矩。

3.3 系统功能

电控柜集中监控现场设备，远程/就地钮用于切换变频器1#USS 速度控制模式/力矩控制模式。电控柜如图5 所示。

图5 电控柜

HMI 实时显示水路管道相关设备的状态：水泵变频器状态、水泵电机转速、加热水箱回流口温度、环境温度、流量计瞬时流量、机上电动蝶阀阀门状态。温控仪表一根据其内部设定值以PID 算法计算并输出目标值，该模拟量控制调功器对水箱加热电阻棒输出的功率，自动加热直到实际温度与设定温度相等时为止，以实现管道内中水的防冻功能。温度仪表二根据其内部设定控制板载继电器的通断，该继电器控制伴热带电源，以实现对上水管道的保温作用。

3.3.1 管路控制

在冬季时大机水箱补水完毕关闭电动阀后，如图1 所示内支路与外支路并联形成闭环，此时通过HMI 监控界面（图6）给定启控温度，切换到自动加热方式，当环境温度与启控温度有温差时，加热系统投用。同时，系统根据电动阀状态自行启停循环泵，使中水在环管中加热流动以防冻。通过管路的热水循环及机上固定钢管外壁附加电伴热措施，能使管路得以有效防冻。考虑到节能降耗需求，并对循环水泵运行过程引入周期性通断动作。

图6 HMI 监控界面

3.3.2 卷盘控制

在HMI 首页实时显示水缆相关驱动设备状态：卷盘电机/变频器/抱闸/风扇/导缆架/大机行程/PG 值。大机行程为PG 值/缆直径/水缆全入盘总圈数的函数。通过旋钮选择就地/远程控制，远程时卷盘电机根据大机命令/大机速度自行调整转向/转速/力矩（图7）。

图7 HMI 配置界面

（1）运行工况。在协同大机运行时，电机输出力矩由公式Msum=M1+M2+M3 定义。其中，基本力矩M1 在力矩表格中选择，被选中单元格高亮显示；加速力矩M2 与基本力矩成正比例，分收缆放缆2 种情况设置参数；应急力矩M3 在导缆架的过松过紧限位动作时，自动增减电机输出力矩。若在M3 力矩作用下限位仍然无复位动作并超时限，则报错向大机反馈故障信号，同时抱闸打开/变频器自由停车封锁输出。

（2）力矩检测。使用本系统前需要先进行力矩数据的测量检验与保存。选择力矩测量工况，此时电机力矩由力矩给定框输入，通过增减键调整力矩至合适数值，观察卷盘的动作实际状况确定为正确值并写入，则该数据保存到表格当前指针所在单元格中。大机在运行工况时，本单元格数据即为在当前行程位置处电机的力矩给定值。

3.4 系统软件

（1）程序设计中加入调试力矩限定功能，可降低因人员不熟悉现场情况而发生调试事故的概率。卷盘电机力矩控制时进行速度限幅保护，可设定最大正向/反向速度，防止在水缆断线但力矩存在的极端情况下发生飞车事故。

（2）提供友好界面，并针对故障可能的原因进行辅助报警提示，动图加文字说明的方式让使用人员更容易。在设计PLC 程序时优先考虑进行参数化配置，扩大适用范围。

4 总结

本上水系统已在港口装船机进行测试，结果表明该系统能安全有效运行，降低投入成本，绿色环保节能降耗，减少日常维护工作量，降低了人力资源投入。解决了原洒水系统故障率高、维护困难、冬季无法使用的问题，具有推广价值。