摘要：針對壓力變送器在接卸作業(yè)過程中會因計重誤差等原因造成超載作業(yè)，存在安全隱患，對專業(yè)散貨泊位造成一定安全風險。通過對壓力變送器超載作業(yè)的危 害、影響因素進行分析，基于提高稱重系統(tǒng)快速性、精準性等技術(shù)措施，提出超載保護方 法，為壓力變送器安全運行提供技術(shù)保障。
引 言
隨著港口碼頭大型化、專業(yè)化的發(fā)展趨勢和智慧港口的建設(shè)需求，對碼頭前沿接卸設(shè)備提出 更高的要求，同時，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)和機構(gòu)成熟，不易損壞、易于維保等特點，在專業(yè)化散貨泊位得到廣泛應(yīng)用。橋式抓斗卸 船機因作業(yè)工況復雜、開閉斗沖擊大等影響，易造 成抓斗超載，進而導致設(shè)備損壞。目前，門機、岸橋等港機設(shè)備已經(jīng)擁有比較完善的動態(tài)稱重和超載報警系統(tǒng)，但壓力變送器因其結(jié)構(gòu)特點和作 業(yè)工況，尚未形成完善的動態(tài)稱重方法。
以唐山港集團股份有限公司為例，該公司現(xiàn) 有 6 臺四卷筒差動式鋼絲繩牽引小車壓力變送器，可沿碼頭軌道運行，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%抓取量的超載測試結(jié)果，27 次抓 取中超載達到 110%報警 6 次，漏報 4 次，報警正 確率為 60%，不利于卸船機安全運行、碼頭裝卸生產(chǎn)安全。
1 超載作業(yè)危害
超載保護始終是港機設(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 開閉鋼絲繩分別自起升、開閉 4 個卷筒，經(jīng)機房 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。以唐山港卸船機為例，其主繩 采用直徑 53 mm 鋼絲繩，海側(cè)開閉為左旋 260 m， 海側(cè)起升為右旋 260 m，陸側(cè)開閉為右旋 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。卸船機鋼絲繩及其連接件頻繁超負荷承重，會導 致鋼絲繩斷絲、斷股，連接件異常磨損甚至斷裂， 極易造成機損船損事故。
（2）造成鋼結(jié)構(gòu)疲勞損傷。卸船機前大梁長期處于過負荷工作狀態(tài)時，會導致鋼結(jié)構(gòu)變形開裂， 嚴重影響運行安全。
（3）加大傳動機構(gòu)的工作負荷。變頻器長期處于過負荷高溫工作狀態(tài)，加大電氣房散熱難度，易 報過溫故障，且嚴重時會導致 IGBT 板等關(guān)鍵配件 損壞，導致設(shè)備停機。
（4）降低生產(chǎn)效率。以唐山港卸船機為例，艙內(nèi)抓料平均高度為 -8 m，按照目前的超載程序設(shè) 計，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。按照卸船機抓斗滿載下降速度為 200 m/min，即3.3 m/s，單程下降時間為5.5 s；卸船機抓斗滿載上升速度為160 m/min，即 2.7 m/s，單程上升時間為 6.7 s；開斗、放料、閉 斗的平均時間為8 s。按此計算每當超載達到125%時，抓斗回程放料的往返時間為 20 s。按照卸船機作業(yè) 55 s 單斗循環(huán)計算，抓斗超載時回艙卸 載的時間占抓斗循環(huán)時間的 36%，嚴重影響作業(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 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 t，占全部卸船量的 18.13%，該情況尤其在船舶開艙作業(yè)時更為 突出，貨面平整容易抓取，加之貨物比重較大，作業(yè)過程中易出現(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，卸船機司機根據(jù)貨種特 性和作業(yè)階段對抓取量進行設(shè)置，實現(xiàn)滿斗抓料的 同時避免抓斗超載，抓取量通過控制起升鋼絲繩松繩補償?shù)膹埦o力，實現(xiàn)自動調(diào)整內(nèi)部挖掘深度。若抓取量設(shè)置偏大，達到 110%超載時，抓斗在起升階段會報出超載報警，達到 125%超載時，抓斗會報出 超載故障，程序禁止抓斗向卸料系統(tǒng)放料，司機需將抓斗返回艙內(nèi)進行減載；若輕載抓取物料，貨物 凈重明顯小于卸船機作業(yè)能力時，浪費卸船機性能，延長船舶在港停時，加大電能消耗。
3 基于稱重技術(shù)的超載保護問題
3.1 超載保護形式
目前，壓力變送器超載保護方式包括硬 件超載保護和軟件超載保護 2 種方式。
（1）硬件超載保護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 信號送至重量變送器，重量變送器將傳感器上的 負荷電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號，#終傳送到司機室顯示控制儀表。該保護方式需要購置安裝硬件、 定期校準零點、需要安排日常點檢維護，而且存在故障報出緩慢，影響作業(yè)效率等問題。
（2）軟件超載保護一般分為超載報警判斷和 超載故障判斷 2 部分。其中：超載報警判斷是在 超載高于 110%的情況下，僅作聲光報警，不作設(shè) 備急停，減載至 90%后報警解除；超載故障判斷是在超載高于 125%的情況下，上升過程且起升10 m 高度以下時設(shè)備急停，復位后將抓斗移回艙內(nèi)減載。
3.2 超載保護問題
壓力變送器利用現(xiàn)有技術(shù)稱重時計重誤 差較大，且超載報警存在漏報現(xiàn)象，對卸船機司機操作技術(shù)和經(jīng)驗有較高要求，主要造成以下后果：
（1）因超載報警存在誤報、漏報現(xiàn)象，易加劇設(shè)備疲勞損傷，造成機損、船損事故。
（2）超載報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，稱重數(shù)值可能取在力矩曲線的波峰或波谷位置，造成稱重數(shù)值不準確。
綜合上述情況，為保障設(shè)備安全運行、稱重快 捷精準，須研制新的控制程序，達到降低硬件維護 成本，同時快速精準地判斷超載的目的。
4 超載保護改進方法
卸船機的動態(tài)稱重，可選取變頻器起升開閉 力矩曲線作為計算變量。每個作業(yè)循環(huán)內(nèi)的力矩 曲線，只針對當前特定的一斗貨物。因此，通過分 析曲線的波動情況找到波動規(guī)律，是分析和改進軟件稱重的重要方法。
起升和開閉力矩曲線見圖 1。抓斗抓料閉合 后，起升力矩曲線和開閉力矩曲線shou先呈軸對稱 波動形態(tài)，為寬幅振蕩過程，然后呈同向波動形態(tài)，為窄幅振蕩過程。
將起升力矩曲線和開閉力矩曲線上對應(yīng)于每 個 PLC 掃描周期的數(shù)值相加并除以 2，即得到起 升開閉力矩的平均值，再將這一系列平均值通過 累計均值法進行處理，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)化為當前起升總重。總重與+++++-抓斗凈重相減，即可得到貨物凈重。
選取不同卸船機司機、不同作業(yè)階段、不同貨 種、不同抓料位置進行力矩曲線測試，并按照上述 方法進行曲線數(shù)據(jù)的二次處理，可得到每個作業(yè)循環(huán)中經(jīng)過數(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)過數(shù)據(jù)處理的變頻器力矩曲線見圖 2。程序自抓斗閉合開始處理力矩曲線數(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，程序即可快速精準地判斷該斗 貨物是否超載。
5 結(jié) 語
針對專業(yè)散貨泊位壓力變送器的共性問 題，研發(fā)一種快捷精準的壓力變送器動態(tài)稱 重方法，實際解決專業(yè)散貨碼頭壓力變送器 稱重誤差大和漏報警等問題，解決生產(chǎn)作業(yè)和超 載量過大時司機反復操作相互制約的難題。降低 船舶在港停時，提升散貨碼頭綜合服務(wù)能力，為國內(nèi)港口專業(yè)化散貨碼頭智能化壓力變送器的 設(shè)計、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)提供堅實的基礎(chǔ)技術(shù)支撐。
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