摘要：針對(duì)壓力變送器在接卸作業(yè)過(guò)程中會(huì)因計(jì)重誤差等原因造成超載作業(yè)，存在安全隱患，對(duì)專業(yè)散貨泊位造成一定安全風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)對(duì)壓力變送器超載作業(yè)的危 害、影響因素進(jìn)行分析，基于提高稱重系統(tǒng)快速性、精準(zhǔn)性等技術(shù)措施，提出超載保護(hù)方 法，為壓力變送器安全運(yùn)行提供技術(shù)保障。
引 言
隨著港口碼頭大型化、專業(yè)化的發(fā)展趨勢(shì)和智慧港口的建設(shè)需求，對(duì)碼頭前沿接卸設(shè)備提出 更高的要求，同時(shí)，隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，散貨碼頭卸船設(shè)備不斷更新?lián)Q代，壓力變送器 因其結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)成熟，不易損壞、易于維保等特點(diǎn)，在專業(yè)化散貨泊位得到廣泛應(yīng)用。橋式抓斗卸 船機(jī)因作業(yè)工況復(fù)雜、開(kāi)閉斗沖擊大等影響，易造 成抓斗超載，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備損壞。目前，門(mén)機(jī)、岸橋等港機(jī)設(shè)備已經(jīng)擁有比較完善的動(dòng)態(tài)稱重和超載報(bào)警系統(tǒng)，但壓力變送器因其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和作 業(yè)工況，尚未形成完善的動(dòng)態(tài)稱重方法。
以唐山港集團(tuán)股份有限公司為例，該公司現(xiàn) 有 6 臺(tái)四卷筒差動(dòng)式鋼絲繩牽引小車壓力變送器，可沿碼頭軌道運(yùn)行，其接卸煤炭能力為2 100 t/h，接卸礦石能力為 2 500 t/h。根據(jù)大比重 貨物南非粉 95%抓取量的超載測(cè)試結(jié)果，27 次抓 取中超載達(dá)到 110%報(bào)警 6 次，漏報(bào) 4 次，報(bào)警正 確率為 60%，不利于卸船機(jī)安全運(yùn)行、碼頭裝卸生產(chǎn)安全。
1 超載作業(yè)危害
超載保護(hù)始終是港機(jī)設(shè)備安全管理領(lǐng)域中的重要研究課題，超載作業(yè)通常有以下危害：
（1）影響鋼絲繩及其連接件的使用壽命。起升 開(kāi)閉鋼絲繩分別自起升、開(kāi)閉 4 個(gè)卷筒，經(jīng)機(jī)房 滑輪組、海陸側(cè)改向滑輪組、主小車滑輪組后，分 別在抓斗上固定。以唐山港卸船機(jī)為例，其主繩 采用直徑 53 mm 鋼絲繩，海側(cè)開(kāi)閉為左旋 260 m， 海側(cè)起升為右旋 260 m，陸側(cè)開(kāi)閉為右旋 230 m，陸側(cè)起升為左旋 230 m。抓斗繩為海側(cè) 35.5 m，陸 側(cè) 34 m，梨形頭和 C 型扣采用配套的 # 17 產(chǎn)品。卸船機(jī)鋼絲繩及其連接件頻繁超負(fù)荷承重，會(huì)導(dǎo) 致鋼絲繩斷絲、斷股，連接件異常磨損甚至斷裂， 極易造成機(jī)損船損事故。
（2）造成鋼結(jié)構(gòu)疲勞損傷。卸船機(jī)前大梁長(zhǎng)期處于過(guò)負(fù)荷工作狀態(tài)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)變形開(kāi)裂， 嚴(yán)重影響運(yùn)行安全。
（3）加大傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作負(fù)荷。變頻器長(zhǎng)期處于過(guò)負(fù)荷高溫工作狀態(tài)，加大電氣房散熱難度，易 報(bào)過(guò)溫故障，且嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致 IGBT 板等關(guān)鍵配件 損壞，導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)。
（4）降低生產(chǎn)效率。以唐山港卸船機(jī)為例，艙內(nèi)抓料平均高度為 -8 m，按照目前的超載程序設(shè) 計(jì)，每次讀取稱重值均在 10 m 高度。-8 m 至起升 高度 10 m 的距離為18 m。按照卸船機(jī)抓斗滿載下降速度為 200 m/min，即3.3 m/s，單程下降時(shí)間為5.5 s；卸船機(jī)抓斗滿載上升速度為160 m/min，即 2.7 m/s，單程上升時(shí)間為 6.7 s；開(kāi)斗、放料、閉 斗的平均時(shí)間為8 s。按此計(jì)算每當(dāng)超載達(dá)到125%時(shí)，抓斗回程放料的往返時(shí)間為 20 s。按照卸船機(jī)作業(yè) 55 s 單斗循環(huán)計(jì)算，抓斗超載時(shí)回艙卸 載的時(shí)間占抓斗循環(huán)時(shí)間的 36%，嚴(yán)重影響作業(yè)效率。
2 超載原因
2.1 貨種原因 接卸貨物比重大。2016 年，唐山港接卸礦石船舶 262 艘次，卸船吞吐量 3 839 萬(wàn) t，其中南非粉、巴西粉、秘魯精粉、智利精粉、南非塊等品位63.3%以上的大比重貨物為 696 萬(wàn) t，占全部卸船量的 18.13%，該情況尤其在船舶開(kāi)艙作業(yè)時(shí)更為 突出，貨面平整容易抓取，加之貨物比重較大，作業(yè)過(guò)程中易出現(xiàn)超載現(xiàn)象。
2.2 設(shè)置原因
抓斗抓取量設(shè)置不合理。唐山港現(xiàn)有的變斗容礦石抓斗適用的物料比重為 2.0/2.5，抓斗斗容為19.5/15.6 m3。卸船作業(yè)時(shí)，卸船機(jī)司機(jī)根據(jù)貨種特 性和作業(yè)階段對(duì)抓取量進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)滿斗抓料的 同時(shí)避免抓斗超載，抓取量通過(guò)控制起升鋼絲繩松繩補(bǔ)償?shù)膹埦o力，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整內(nèi)部挖掘深度。若抓取量設(shè)置偏大，達(dá)到 110%超載時(shí)，抓斗在起升階段會(huì)報(bào)出超載報(bào)警，達(dá)到 125%超載時(shí)，抓斗會(huì)報(bào)出 超載故障，程序禁止抓斗向卸料系統(tǒng)放料，司機(jī)需將抓斗返回艙內(nèi)進(jìn)行減載；若輕載抓取物料，貨物 凈重明顯小于卸船機(jī)作業(yè)能力時(shí)，浪費(fèi)卸船機(jī)性能，延長(zhǎng)船舶在港停時(shí)，加大電能消耗。
3 基于稱重技術(shù)的超載保護(hù)問(wèn)題
3.1 超載保護(hù)形式
目前，壓力變送器超載保護(hù)方式包括硬 件超載保護(hù)和軟件超載保護(hù) 2 種方式。
（1）硬件超載保護(hù)一般將傳感器連接在前后 大梁起升改向滑輪的傾轉(zhuǎn)裝置上，傳感器將輸出 信號(hào)送至重量變送器，重量變送器將傳感器上的 負(fù)荷電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，#終傳送到司機(jī)室顯示控制儀表。該保護(hù)方式需要購(gòu)置安裝硬件、 定期校準(zhǔn)零點(diǎn)、需要安排日常點(diǎn)檢維護(hù)，而且存在故障報(bào)出緩慢，影響作業(yè)效率等問(wèn)題。
（2）軟件超載保護(hù)一般分為超載報(bào)警判斷和 超載故障判斷 2 部分。其中：超載報(bào)警判斷是在 超載高于 110%的情況下，僅作聲光報(bào)警，不作設(shè) 備急停，減載至 90%后報(bào)警解除；超載故障判斷是在超載高于 125%的情況下，上升過(guò)程且起升10 m 高度以下時(shí)設(shè)備急停，復(fù)位后將抓斗移回艙內(nèi)減載。
3.2 超載保護(hù)問(wèn)題
壓力變送器利用現(xiàn)有技術(shù)稱重時(shí)計(jì)重誤 差較大，且超載報(bào)警存在漏報(bào)現(xiàn)象，對(duì)卸船機(jī)司機(jī)操作技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)有較高要求，主要造成以下后果：
（1）因超載報(bào)警存在誤報(bào)、漏報(bào)現(xiàn)象，易加劇設(shè)備疲勞損傷，造成機(jī)損、船損事故。
（2）超載報(bào)警和故障的判斷需要在 10 m 等較高的高度完成，判斷遲緩。
（3）由于程序原因，稱重?cái)?shù)值可能取在力矩曲線的波峰或波谷位置，造成稱重?cái)?shù)值不準(zhǔn)確。
綜合上述情況，為保障設(shè)備安全運(yùn)行、稱重快 捷精準(zhǔn)，須研制新的控制程序，達(dá)到降低硬件維護(hù) 成本，同時(shí)快速精準(zhǔn)地判斷超載的目的。
4 超載保護(hù)改進(jìn)方法
卸船機(jī)的動(dòng)態(tài)稱重，可選取變頻器起升開(kāi)閉 力矩曲線作為計(jì)算變量。每個(gè)作業(yè)循環(huán)內(nèi)的力矩 曲線，只針對(duì)當(dāng)前特定的一斗貨物。因此，通過(guò)分 析曲線的波動(dòng)情況找到波動(dòng)規(guī)律，是分析和改進(jìn)軟件稱重的重要方法。
起升和開(kāi)閉力矩曲線見(jiàn)圖 1。抓斗抓料閉合 后，起升力矩曲線和開(kāi)閉力矩曲線shou先呈軸對(duì)稱 波動(dòng)形態(tài)，為寬幅振蕩過(guò)程，然后呈同向波動(dòng)形態(tài)，為窄幅振蕩過(guò)程。
將起升力矩曲線和開(kāi)閉力矩曲線上對(duì)應(yīng)于每 個(gè) PLC 掃描周期的數(shù)值相加并除以 2，即得到起 升開(kāi)閉力矩的平均值，再將這一系列平均值通過(guò) 累計(jì)均值法進(jìn)行處理，即可得到更加平滑的曲線。 該曲線為每次作業(yè)循環(huán)中對(duì)于特定一斗物料的變 頻器力矩輸出值。力矩與物料重量存在比例關(guān)系， 可按此原理將力矩轉(zhuǎn)化為當(dāng)前起升總重�？傊嘏c+++++-抓斗凈重相減，即可得到貨物凈重。
選取不同卸船機(jī)司機(jī)、不同作業(yè)階段、不同貨 種、不同抓料位置進(jìn)行力矩曲線測(cè)試，并按照上述 方法進(jìn)行曲線數(shù)據(jù)的二次處理，可得到每個(gè)作業(yè)循環(huán)中經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理的變頻器力矩曲線。在不同 工況條件下作業(yè)循環(huán)中經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理的變頻器力矩曲線見(jiàn)圖 2。程序自抓斗閉合開(kāi)始處理力矩曲線數(shù)據(jù)，可以在幾秒內(nèi)將誤差快速限定，即抓斗在 艙內(nèi)的起升瞬間，程序即可快速精準(zhǔn)地判斷該斗 貨物是否超載。
5 結(jié) 語(yǔ)
針對(duì)專業(yè)散貨泊位壓力變送器的共性問(wèn) 題，研發(fā)一種快捷精準(zhǔn)的壓力變送器動(dòng)態(tài)稱 重方法，實(shí)際解決專業(yè)散貨碼頭壓力變送器 稱重誤差大和漏報(bào)警等問(wèn)題，解決生產(chǎn)作業(yè)和超 載量過(guò)大時(shí)司機(jī)反復(fù)操作相互制約的難題。降低 船舶在港停時(shí)，提升散貨碼頭綜合服務(wù)能力，為國(guó)內(nèi)港口專業(yè)化散貨碼頭智能化壓力變送器的 設(shè)計(jì)、建造提供參考和借鑒，為大數(shù)據(jù)采集、貨船 載貨量稱重和智慧港口建設(shè)提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)技術(shù)支撐。
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