浅析如何预防压力变送器超压的现况

摘要：针对压力变送器在接卸作业过程中会因计重误差等原因造成超载作业，存在安全隐患，对专业散货泊位造成一定安全风险。通过对压力变送器超载作业的危害、影响因素进行分析，基于提高称重系统快速性、精准性等技术措施，提出超载保护方法，为压力变送器安全运行提供技术保障。

引言
随着港口码头大型化、专业化的发展趋势和智慧港口的建设需求，对码头前沿接卸设备提出更高的要求，同时，随着信息技术的快速发展，散货码头卸船设备不断更新换代，压力变送器因其结构和机构成熟，不易损坏、易于维保等特点，在专业化散货泊位得到广泛应用。桥式抓斗卸船机因作业工况复杂、开闭斗冲击大等影响，易造成抓斗超载，进而导致设备损坏。目前，门机、岸桥等港机设备已经拥有比较完善的动态称重和超载报警系统，但压力变送器因其结构特点和作业工况，尚未形成完善的动态称重方法。

以唐山港集团股份有限公司为例，该公司现有 6 台四卷筒差动式钢丝绳牵引小车压力变送器，可沿码头轨道运行，其接卸煤炭能力为2 100 t/h，接卸矿石能力为 2 500 t/h。根据大比重货物南非粉 95%抓取量的超载测试结果，27 次抓取中超载达到 110%报警 6 次，漏报 4 次，报警正确率为 60%，不利于卸船机安全运行、码头装卸生产安全。

1 超载作业危害
超载保护始终是港机设备安全管理领域中的重要研究课题，超载作业通常有以下危害：

（1）影响钢丝绳及其连接件的使用寿命。起升开闭钢丝绳分别自起升、开闭 4 个卷筒，经机房滑轮组、海陆侧改向滑轮组、主小车滑轮组后，分别在抓斗上固定。以唐山港卸船机为例，其主绳采用直径 53 mm 钢丝绳，海侧开闭为左旋 260 m，海侧起升为右旋 260 m，陆侧开闭为右旋 230 m，陆侧起升为左旋 230 m。抓斗绳为海侧 35.5 m，陆侧 34 m，梨形头和 C 型扣采用配套的 # 17 产品。卸船机钢丝绳及其连接件频繁超负荷承重，会导致钢丝绳断丝、断股，连接件异常磨损甚至断裂，极易造成机损船损事故。

（2）造成钢结构疲劳损伤。卸船机前大梁长期处于过负荷工作状态时，会导致钢结构变形开裂，严重影响运行安全。

（3）加大传动机构的工作负荷。变频器长期处于过负荷高温工作状态，加大电气房散热难度，易报过温故障，且严重时会导致 IGBT 板等关键配件损坏，导致设备停机。

（4）降低生产效率。以唐山港卸船机为例，舱内抓料平均高度为 -8 m，按照目前的超载程序设计，每次读取称重值均在 10 m 高度。-8 m 至起升高度 10 m 的距离为18 m。按照卸船机抓斗满载下降速度为 200 m/min，即3.3 m/s，单程下降时间为5.5 s；卸船机抓斗满载上升速度为160 m/min，即 2.7 m/s，单程上升时间为 6.7 s；开斗、放料、闭斗的平均时间为8 s。按此计算每当超载达到125%时，抓斗回程放料的往返时间为 20 s。按照卸船机作业 55 s 单斗循环计算，抓斗超载时回舱卸载的时间占抓斗循环时间的 36%，严重影响作业效率。

2 超载原因
2.1 货种原因接卸货物比重大。2016 年，唐山港接卸矿石船舶 262 艘次，卸船吞吐量 3 839 万 t，其中南非粉、巴西粉、秘鲁精粉、智利精粉、南非块等品位63.3%以上的大比重货物为 696 万 t，占全部卸船量的 18.13%，该情况尤其在船舶开舱作业时更为突出，货面平整容易抓取，加之货物比重较大，作业过程中易出现超载现象。

2.2 设置原因
抓斗抓取量设置不合理。唐山港现有的变斗容矿石抓斗适用的物料比重为 2.0/2.5，抓斗斗容为19.5/15.6 m3。卸船作业时，卸船机司机根据货种特性和作业阶段对抓取量进行设置，实现满斗抓料的同时避免抓斗超载，抓取量通过控制起升钢丝绳松绳补偿的张紧力，实现自动调整内部挖掘深度。若抓取量设置偏大，达到 110%超载时，抓斗在起升阶段会报出超载报警，达到 125%超载时，抓斗会报出超载故障，程序禁止抓斗向卸料系统放料，司机需将抓斗返回舱内进行减载；若轻载抓取物料，货物净重明显小于卸船机作业能力时，浪费卸船机性能，延长船舶在港停时，加大电能消耗。

    3 基于称重技术的超载保护问题
    3.1 超载保护形式
    目前，压力变送器超载保护方式包括硬件超载保护和软件超载保护 2 种方式。

（1）硬件超载保护一般将传感器连接在前后大梁起升改向滑轮的倾转装置上，传感器将输出信号送至重量变送器，重量变送器将传感器上的负荷电压信号转换成电流信号，#终传送到司机室显示控制仪表。该保护方式需要购置安装硬件、定期校准零点、需要安排日常点检维护，而且存在故障报出缓慢，影响作业效率等问题。

（2）软件超载保护一般分为超载报警判断和超载故障判断 2 部分。其中：超载报警判断是在超载高于 110%的情况下，仅作声光报警，不作设备急停，减载至 90%后报警解除；超载故障判断是在超载高于 125%的情况下，上升过程且起升10 m 高度以下时设备急停，复位后将抓斗移回舱内减载。

    3.2 超载保护问题
    压力变送器利用现有技术称重时计重误差较大，且超载报警存在漏报现象，对卸船机司机操作技术和经验有较高要求，主要造成以下后果：
    （1）因超载报警存在误报、漏报现象，易加剧设备疲劳损伤，造成机损、船损事故。
    （2）超载报警和故障的判断需要在 10 m 等较高的高度完成，判断迟缓。
    （3）由于程序原因，称重数值可能取在力矩曲线的波峰或波谷位置，造成称重数值不准确。

综合上述情况，为保障设备安全运行、称重快捷精准，须研制新的控制程序，达到降低硬件维护成本，同时快速精准地判断超载的目的。

    4 超载保护改进方法
    卸船机的动态称重，可选取变频器起升开闭力矩曲线作为计算变量。每个作业循环内的力矩曲线，只针对当前特定的一斗货物。因此，通过分析曲线的波动情况找到波动规律，是分析和改进软件称重的重要方法。

    起升和开闭力矩曲线见图 1。抓斗抓料闭合后，起升力矩曲线和开闭力矩曲线shou先呈轴对称波动形态，为宽幅振荡过程，然后呈同向波动形态，为窄幅振荡过程。

将起升力矩曲线和开闭力矩曲线上对应于每个 PLC 扫描周期的数值相加并除以 2，即得到起升开闭力矩的平均值，再将这一系列平均值通过累计均值法进行处理，即可得到更加平滑的曲线。该曲线为每次作业循环中对于特定一斗物料的变频器力矩输出值。力矩与物料重量存在比例关系，可按此原理将力矩转化为当前起升总重。总重与+++++-抓斗净重相减，即可得到货物净重。

选取不同卸船机司机、不同作业阶段、不同货种、不同抓料位置进行力矩曲线测试，并按照上述方法进行曲线数据的二次处理，可得到每个作业循环中经过数据处理的变频器力矩曲线。在不同工况条件下作业循环中经过数据处理的变频器力矩曲线见图 2。程序自抓斗闭合开始处理力矩曲线数据，可以在几秒内将误差快速限定，即抓斗在舱内的起升瞬间，程序即可快速精准地判断该斗货物是否超载。

5 结语
针对专业散货泊位压力变送器的共性问题，研发一种快捷精准的压力变送器动态称重方法，实际解决专业散货码头压力变送器称重误差大和漏报警等问题，解决生产作业和超载量过大时司机反复操作相互制约的难题。降低船舶在港停时，提升散货码头综合服务能力，为国内港口专业化散货码头智能化压力变送器的设计、建造提供参考和借鉴，为大数据采集、货船载货量称重和智慧港口建设提供坚实的基础技术支撑。