C型翻车机保护功能优化设计

苟 兵，史大龙

（酒钢集团宏兴股份公司储运部，甘肃 嘉峪关 735100）

0 引言

翻车机（也叫铁路货车翻卸机）是指用于铁路大宗散装物料运输列车卸车的设备，具有卸车效率高、机体庞大、结构复杂的特点，是一种非常专业化的物料卸料系统，在钢厂和电厂中应用较为广泛[1]。酒钢集团储运部共有9台翻车机，承担着酒钢集团本部球团矿、铁精矿、动力煤、石灰石等物料的翻卸作业任务，其中5台是C型翻车机，4台是CHF-2型侧倾式翻车机。

C型翻车机和侧倾式翻车机系统均由翻车机和重车调车机（简称重调机）两部分组成[2]，翻车机负责车皮翻卸作业，重调机负责将车皮牵引到翻车机平台上的指定位置。这两种翻车机的区别在于翻车机系统的结构，C型翻车机采用“C”型端盘，结构轻巧，采用液压系统进行压车和靠车；侧倾式翻车机采用机械压车、靠车，无液压系统，结构和元件相对于C型翻车机相对简单。这两种翻车机都是采用PLC控制，系统具有集中手动和就地手动操作方式，PLC控制系统根据翻车机、重调机各机构的位置信号、压力信号、电气保护信号及操作信号组成联锁逻辑控制程序，具有很高的自动化程度。当作业流程中某个信号出现异常时，控制逻辑条件不足，程序立即中断停机，待故障排除信号恢复正常后才能继续执行程序控制。PLC控制程序显示的各类信号可以辅助操作人员判断各机构是否运行正常，文章以电气控制系统较为复杂、联锁保护功能较多的C型翻车机进行论述。

PLC控制程序中的主要信号有电机过载、0°、15°、150°、165°、正翻终点、回翻终点、压车压力、松压到位、靠车到位、松靠到位、进车端保护、出车端保护、抬臂到位、落臂到位、前钩开到位、前钩合到位、后钩开到位、后钩合到位、接车/牵车终端限位。这些信号靠变频器、主令开关、接近开关、压力传感器等电气元件输入到PLC控制系统中参与联锁控制。在日常运行过程中，这些信号会出现一些“假信号”。例如，主令开关在对轨不齐的情况下发出0°信号、进车端和出车端保护开关在车皮溜车时发出正常信号、压车钩结冰时压力传感器会检测到符合要求的压力值，这些状态下翻车机和车皮的实际位置和状态不满足动作条件，不能进行操作。但是出现这些故障时开关仍然会向PLC输入一个“假的正常信号”，如果这个时候不经确认就进行操作就很容易出现重大设备故障和人身安全事故。

1 翻车机系统的构成

1.1 机械系统

从进车端看翻车机的各机构依次是：夹轮器机构、重调机、翻车机本体、出车端止挡器[3]。翻车机系统的主要设备布置如图1所示。

图1 翻车机系统主要设备布置图

1.1.1 夹轮器

夹轮器用来夹紧车皮，防止铁路配车和生产过程中车皮溜车[4]。夹轮器由2组夹板组成，尺寸为3.05 m×2.6 m。夹轮器的动作靠安装2个同步动作的液压缸进行，夹紧到位和松开到位靠安装在夹板下方的接近开关进行检测。

1.1.2 翻车机

翻车机用来将车皮内的物料翻卸到矿槽内。该机由压车机构、靠车机构和液压系统组成，翻车前8个压车钩落下压紧车皮，再进行靠车操作。压车、松压、靠车、松靠操作均靠电磁阀进行控制。

1.1.3 重调机

重调机主要用来牵引车皮到达指定位置。重调机由行走机构、大臂机构、液压系统组成，牵车时大臂落下后钩与重车钩头相连，前钩与空车钩头相连。钩头内安装有钩舌进行锁定，车皮到达位置后进行提销操作使钩头脱离，所有的行走、抬臂、落臂、提销操作均靠电磁阀进行控制。

1.2 电气控制系统

电气控制系统由PLC控制系统和现场电气系统2部分组成，主要包含PLC控制柜、操作台、翻车机控制柜、重调机控制柜、就地操作箱等。集中手动方式是常用生产操作方式，在操作台操作；就地手动方式是检修调试操作方式，分别在翻车机和重调机的就地操作箱上操作，2种操作方式均通过PLC控制系统进行控制。

1.2.1 PLC控制系统

C型翻车机PLC控制系统采用的是昆腾140系列PLC。系统主要构成是在G01控制柜设置1个主站，在G02控制柜和T01操作台分别设置1个从站；采用5组16槽机架，16通道开关量输入模块24个，16通道开关量输出模块23个。详细情况如下：电源模块：型号140CPS11420，数量5个，为每组模块提供电源；CPU模块：型号140CPU11303，数量1个，运行PLC控制程序；远程I/O主通信模块：型号140CRP93100，数量2个；远程I/O从通信模块：型号140CRA93100，数量2个；以太网模块：型号140NOE77101，数量1个，与上位机通信；开关量输入模块：型号140DAI74000，数量24个，共384个通道，用于接收按钮、变频器、接近开关、热过载继电器等电气元件发出的信号；开关量输出模块：型号140DAO84210，数量23个，共368个通道，用于向指示灯、变频器、接触器发出控制信号。系统网络拓扑结构如图2所示。

图2 PLC控制系统网络拓扑结构

1.2.2 现场电气系统

现场电气系统由断路器、接触器、变频器、热继电器、主令控制器、电机、声光报警器、接近开关、限位开关、电磁阀等组成。

翻车机由1台6SE7033-7EG60变频器驱动2台YZP280M-4 75 kW电机；重调机由1台6SE7036-0EK60变频器驱动4台YZP315S1-8 63 kW电机，变频器采用多段速度调速控制。

PLC控制系统与现场电气系统的连接示意图如图3所示。

图3 PLC控制系统与现场电气系统的连接示意

2 翻车机主要作业流程和保护信号

2.1 作业流程

2.1.1 翻车机作业流程

重调机牵引重车到达翻车机本体后，开始压车（压车到位）→靠车（靠车到位）→正翻（重调机不在翻车区域、进车端和出车端无异常、允许翻车指示灯亮）→回翻→0°→松靠（松靠到位）→松压（松压到位）→重调机重新牵引重车。

2.1.2 重调机作业流程

停车落臂处→落臂（落臂到位）→接车（后钩开到位、夹轨器松到位）→牵车（后钩合到位、翻车机0°、松压到位、松靠到位）→人工摘钩（四计轴、整列到位）→单车到位（提后钩、后钩开到位）→前行到位（开前钩）→回退到位（抬臂、抬臂到位，翻车机翻车）→回退接车。

2.2 夹轮器信号

夹紧到位信号：人工摘钩后夹紧进车端重车，防止溜车。

松夹到位信号：重调机接车前夹轮器打开，松夹信号是接车的必要条件。

2.3 翻车机本体信号

压车到位信号：在重梁侧和轻梁侧8个压车钩液压缸上安装传感器检测液压油路的压力值，8个传感器检测的压力都达到设定值时输出到位信号，8个压车钩到位信号全有效时认为压车梁压车到位。

靠车到位信号：靠棚板垂直安装，液压缸推动靠棚板水平移动靠在车皮上，接近开关检测靠棚板到位后关闭电磁阀，停止靠车。压车到位和靠车到位信号有效时允许翻车。

松靠到位信号：接近开关检测靠棚板缩回到位后，关闭电磁阀。

松压到位信号：在重梁侧和轻梁侧顶部各安装4个接近开关检测压车梁抬起到位情况，8个接近开关全部检测到钩头升起到位后，电磁阀关闭。松靠到位、松压到位信号有效时允许牵车。

进车、出车端保护信号：分别在翻车机的进车端和出车端安装检测开关，翻车前检测开关被车皮遮挡时不允许翻车，防止车皮出现溜车和牵车不到位的情况下进行翻车，出现车皮脱线事故。

主令控制器角度信号：主要有正翻终点、回翻终点、0°、15°、150°、165°翻车机位置检测信号，PLC程序根据角度信号控制翻车机翻转动作和输出加减速指令。

极限限位：正翻极限、回翻极限安装在翻车机的正翻和回翻运行的极限位置处，防止翻车机因制动器失效或减速不及时超出允许的运转行程。这两个开关动作会造成翻车机主断路器跳闸且整机断电，使系统停止运行。同时制动器失电后开始制动，这是一种紧急状态下的安全保护。

2.4 重调机信号

抬臂到位信号：重调机牵车臂抬起到90°时允许高速回退接车，牵车臂抬起后可以防止重调机运行过程中牵车臂剐蹭翻车机和车皮。

落臂到位信号：重调机牵车臂落下与车皮钩头处于同一线上，可以进行接车和牵车作业。

钩头合到位信号：重调机牵车臂钩头与车皮钩头连接后，钩舌闭合显示合到位，是重调机牵引车皮行走的必要条件。

钩头开到位信号：经提销操作后，重调机牵车臂钩头与车皮钩头分开，钩舌打开显示开到位信号，是判断沟通是否分开的重要信号。

3 存在的问题及原因分析

3.1 回翻到0°时对轨不齐

按照标准，翻车机在0°时本体轨道与地面轨道错位量≤±3 mm时轨道对齐，主令控制器随着本体旋转到0°，触点闭合向PLC控制程序发出0°信号。当错位量＞±3 mm时，轨道未对齐，不能显示0°信号。但是轨道错位量反馈到主令控制器上的转动量很小，这时主令控制器有可能显示0°信号正常，翻车机、重调机联锁信号条件满足，PLC控制程序允许重调机进行牵车，如果未经确认就操作会造成车皮脱线事故。2018年，3#翻车机因轨道未对齐造成车皮脱线事故，出现这种情况的主要原因如下。

（1）制动器制动力矩变小。翻车机高速回翻到15°减速、0°停机，当制动器制动片磨损严重未及时调整使制动力矩偏小会造成翻车机回翻到0°时出现超零故障[5]，翻车机台车轨道不能与地面轨道对齐。

（2）主令控制器触点异常。翻车机主令控制器触点和齿轮机构长期运行过程中出现磨损，轨道未对齐的情况下输出0°信号，信号与翻车机实际的位置不一致。

3.2 进车端和出车端保护信号异常

翻车机车体的进车端和出车端分别安装一个漫反射式光电开关，当光电开关发射的光束被车皮遮挡时相应的保护信号异常，不允许翻车[6]。但是由于翻车机作业现场粉尘浓度较大，空气中漂浮的粉尘颗粒将光束遮挡，造成光电开关频繁动作降低使用寿命，不能正常工作。光电开关长期处于高粉尘环境中，故障率较高，出现故障后车皮遮挡时无法发出异常信号，PLC系统联锁条件满足，允许翻车。

2019年，5#翻车机重调机牵引重车到翻车机显示单车到位信号后，操作人员进行提后钩操作后钩头未正常分开，使车皮继续跟随重调机前进超出翻车机区域，由于现场粉尘浓度较大影响视线，同时出车端光电开关故障未显示异常信号，操作人员未能及时发现异常，仅依靠操作台信号进行操作，最终造成车皮脱线、车皮报废的严重事故。

3.3 机械机构异常引起的故障

冬季生产中，翻车机翻卸的物料经解冻库解冻后，物料内已结冰的水分融化后粘在翻车机的压车钩上，长时间不清理会造成压车钩结冰严重不能压实车皮，压车过程中压车钩的压力值符合要求，但是在翻车过程中车皮在重力的作用下移位，出现脱线事故。3#翻车机、7#翻车机均因压车钩结冰后未压实车皮出现脱线事故。

4 改进方案设计

4.1 翻车机平台加装平台保护信号

翻车机的翻转角度为0°～165°，当翻车机回翻到0°并对齐轨道时，翻车机平台的角度固定，因此，可以在翻车机平台的外沿安装一个接近开关，可用于检测平台的位置，当平台翻转到0°并且与轨道对齐时，这个开关才能检测到信号。将这个平台保护信号加入到重调机的牵车和接车条件中，在重调机的所有牵车和接车动作中，只有平台保护信号和翻车机现有的0°信号同时正常时，才允许重调机牵车和接车作业。如果出现平台保护信号异常、翻车机0°信号正常的情况，操作人员必须检查、调整制动器和主令控制器，使轨道准确对齐，才能进行牵车和接车操作。平台保护信号程序优化如图4所示。

图4 平台保护信号程序

4.2 改进进车端、出车端保护开关

在翻车机运转期间，进车端、出车端保护开关需要排除粉尘的干扰，能有效检测车皮是否超出进车端和出车端区域，为PLC系统提供真实的联锁保护信号。但是，不管是镜面反射型还是漫反射型光电开关，光束的反射容易受粉尘的影响，需要待粉尘沉降后才能正确检测，对生产时间影响较大，同时光电开关受粉尘的影响故障率较高，因此，选择一种不受粉尘环境干扰的检测开关，确保进车端和出车端保护功能正常显得尤为重要。

正常情况下，车皮位于翻车机本体的中间位置，既使出现溜车情况，只要车皮不超出车体的范围，就不会出现脱线的事故。因此，进车端和出车端保护开关安装在车体的两端，距离车皮0.5 m以上，防止开关被挤坏。常用的非接触式检测开关有光电开关、接近开关、超声波开关，通过对比，接近开关在粉尘环境下能够正常工作，但是感应距离只有几毫米，最大几十毫米，达不到检测距离。超声波开关通过非接触无磨损的超声波检测大目标物体，物体是否透明、是否为金属或非金属，液体、固体或是粉状均不会影响工作，具有指向性好、测量精准、可靠性强、抗干扰性能优异等特点[7]，检测距离最远可达到1.3 m。超声波开关发出的声波是一个扇形区域，在声波区域范围内有车皮进入时反射声波发出信号。

通过试验，在不改变原有电气系统结构的情况下，超声波开关可以代替光电开关作为进车端、出车端保护开关，满足粉尘环境下的翻车作业。

4.3 增加人工确认流程

在翻车机作业流程和操作规程中增加翻车前人工确认内容：当车皮牵引到位，进行压车、靠车操作后，翻车前摘钩人员须对车皮的位置、压车钩压车状态（包括压车钩上是否有异物、积冰等）、靠棚靠车状态进行确认，确认无异常情况后按下确认按钮才允许进行翻车。相应的在翻车机正翻逻辑程序条件中增加人工确认信号，压车到位和靠车到位后由操作人员现场确认后按下确认按钮。当翻车机进行松压、松靠、正翻到165°等其中任何一个操作时，确认信号失效，需要重新进行确认。

翻车确认信号程序优化如图5所示。

图5 翻车确认信号程序

5 结语

通过分析C型翻车机出现的电气联锁保护信号故障，根据不同故障的产生原因提出增加平台保护信号、改进进车端和出车端保护开关、增加翻车确认条件等保护功能优化方案。优化设计的联锁保护信号程序在进行程序仿真模拟和现场实际应用中均能够达到改进的目的，当出现信号异常时程序会自动中断，起到保护作用。

以上措施能够避免因检测元件的故障造成联锁保护信号的失效和操作人员确认不到位造成的车皮脱线事故，提高翻车机电气控制系统的可靠性，提高设备本质安全。