摘要：針對壓力變送器在接卸作業過程中會因計重誤差等原因造成超載作業，存在安全隱患，對專業散貨泊位造成一定安全風險。通過對壓力變送器超載作業的危 害、影響因素進行分析，基于提高稱重系統快速性、精準性等技術措施，提出超載保護方 法，為壓力變送器安全運行提供技術保障。
引 言
隨著港口碼頭大型化、專業化的發展趨勢和智慧港口的建設需求，對碼頭前沿接卸設備提出 更高的要求，同時，隨著信息技術的快速發展，散貨碼頭卸船設備不斷更新換代，壓力變送器 因其結構和機構成熟，不易損壞、易于維保等特點，在專業化散貨泊位得到廣泛應用。橋式抓斗卸 船機因作業工況復雜、開閉斗沖擊大等影響，易造 成抓斗超載，進而導致設備損壞。目前，門機、岸橋等港機設備已經擁有比較完善的動態稱重和超載報警系統，但壓力變送器因其結構特點和作 業工況，尚未形成完善的動態稱重方法。
以唐山港集團股份有限公司為例，該公司現 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。根據大比重 貨物南非粉 95%抓取量的超載測試結果，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、碼頭裝卸生產安全。
1 超載作業危害
超載保護始終是港機設備安全管理領域中的重要研究課題，超載作業通常有以下危害：
（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，經機房 滑輪組、海陸側改向滑輪組、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，海側開閉為左旋 260 m， 海側起升為右旋 260 m，陸側開閉為右旋 230 m，陸側起升為左旋 230 m。抓斗繩為海側 35.5 m，陸 側 34 m，梨形頭和 C 型扣采用配套的 # 17 產品。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）造成鋼結構疲勞損傷。卸船機前大梁長期處于過負荷工作狀態時，會導致鋼結構變形開裂， 嚴重影響運行安全。
（3）加大傳動機構的工作負荷。變頻器長期處于過負荷高溫工作狀態，加大電氣房散熱難度，易 報過溫故障，且嚴重時會導致 IGBT 板等關鍵配件 損壞，導致設備停機。
（4）降低生產效率。以唐山港卸船機為例，艙內抓料平均高度為 -8 m，按照目前的超載程序設 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 55 s 單斗循環計算，抓斗超載時回艙卸 載的時間占抓斗循環時間的 36%，嚴重影響作業效率。
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時更為 突出，貨面平整容易抓取，加之貨物比重較大，作業過程中易出現超載現象。
2.2 設置原因
抓斗抓取量設置不合理。唐山港現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。卸船作業時，卸船機司機根據貨種特 性和作業階段對抓取量進行設置，實現滿斗抓料的 同時避免抓斗超載，抓取量通過控制起升鋼絲繩松繩補償的張緊力，實現自動調整內部挖掘深度。若抓取量設置偏大，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放料，司機需將抓斗返回艙內進行減載；若輕載抓取物料，貨物 凈重明顯小于卸船機作業能力時，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 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 高度以下時設備急停，復位后將抓斗移回艙內減載。
3.2 超載保護問題
壓力變送器利用現有技術稱重時計重誤 差較大，且超載報警存在漏報現象，對卸船機司機操作技術和經驗有較高要求，主要造成以下后果：
（1）因超載報警存在誤報、漏報現象，易加劇設備疲勞損傷，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，稱重數值可能取在力矩曲線的波峰或波谷位置，造成稱重數值不準確。
綜合上述情況，為保障設備安全運行、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。每個作業循環內的力矩 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，為寬幅振蕩過程，然后呈同向波動形態，為窄幅振蕩過程。
將起升力矩曲線和開閉力矩曲線上對應于每 個 PLC 掃描周期的數值相加并除以 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。 該曲線為每次作業循環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系， 可按此原理將力矩轉化為當前起升總重。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 方法進行曲線數據的二次處理，可得到每個作業循環中經過數據處理的變頻器力矩曲線。在不同 工況條件下作業循環中經過數據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據，可以在幾秒內將誤差快速限定，即抓斗在 艙內的起升瞬間，程序即可快速精準地判斷該斗 貨物是否超載。
5 結 語
針對專業散貨泊位壓力變送器的共性問 題，研發一種快捷精準的壓力變送器動態稱 重方法，實際解決專業散貨碼頭壓力變送器 稱重誤差大和漏報警等問題，解決生產作業和超 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能力，為國內港口專業化散貨碼頭智能化壓力變送器的 設計、建造提供參考和借鑒，為大數據采集、貨船 載貨量稱重和智慧港口建設提供堅實的基礎技術支撐。
關注我們 實現共贏