1 背景技術
神華黃驊港務有限責任公司位于河北省滄州市以東約90km的渤海之濱，是我國西煤東運第二大通道的出海口，也是目前我國第二大煤炭樞紐港，到目前為止該港口具備年吞吐煤炭1.4億噸的能力。根據該港口裝卸工藝可知裝卸所有的煤炭必須經過漏斗給料系統。目前該港口漏斗給料系統采用兩種方式：傾斜式振動給料機系統和活化給料機系統。一期、二期、二期擴容工程中9臺翻車機采用德國AViTEQ公司生產的傾斜式振動給料機系統，其中每臺翻車機使用5套傾斜式振動給料機，共用45套；三期工程中2臺翻車機和24座筒倉采用美國通用振動公司生產的活化給料機系統，其中每臺翻車機使用9套活化給料機，每個筒倉用6套活化給料機，共用162套。綜上所述，無論是傾斜式振動給料機系統還是活化給料機系統均在黃驊港港口設備中屬于關鍵設備而且應用廣泛，因此我們有必要對上述兩套系統進行研究分析，進而做好相應設備維修管理工作，為港口順利生產保駕護航。
2 傾斜式振動給料機
本港一、二期工程采用德國AViTEQ公司設計的傾斜式振動給料機，其額定給料能力為800T/H，其主要包括機械和電氣兩大部分。下面針對其工作原理，機械、電氣各個主要組成部分和控制程序進行研究分析。
2.1 傾斜式振動給料機原理
傾斜式振動給料機是利用特制的振動電機驅動給料槽沿傾斜方向作周期直線往復振動來實現的。當給料槽振動的加速度垂直分量大于重力加速度時，槽中的物料被拋起，由于振動電機的連續運轉，槽中的物料連續向前作跳躍運動，由此以達到給料目的。
2.2 傾斜式振動給料機機械結構
傾斜式振動給料機機械結構如圖1所示：
圖1 傾斜式振動給料機機械結構圖
傾斜式振動給料機主要有三部分組成：給料槽體、振動電機和隔振彈簧。振動電機通過高強度螺栓與給料槽體緊固聯接成為一整體構成參振質體；參振質體與機架之間的隔振彈簧用來減輕振動對基礎的動負荷。兩臺振動電機同時接通電源并反向旋轉達到同步運轉時，振動電機就會產生往復直線的激振力，從而使參振質體產生往復直線運動，振動槽體上物料就會向前運動。彈簧起到隔振作用。
3 傾斜式振動給料機電氣部分
3.1 電氣部分構成
傾斜式振動給料機電氣部分由6部分組成：可編程邏輯控制器（PLC）、I/O模塊、人機界面、變頻器、漏斗物料檢測裝置和振動電機。
3.1.1 可編程邏輯控制器（PLC）
可編程邏輯控制器采用AB公司生產的PLC-5/80C模塊，其具有編程簡單、維護方便、可靠性高、結構緊湊、性能好等特點。其功能是控制給料機啟動停止并調節給料量。
3.1.2 I/O模塊
I/O模塊采用AB公司生產的1794系列I/O模塊，其是一種靈活的、高性能價格比、適用于分布式應用的模塊化I/O，只需要較小的安裝空間就能提供像大框架式I/O一樣的功能，有開關量、模擬量、繼電器和計數器四種類型模塊。其功能是為PLC和現場設備信號起橋梁作用：振動電機超溫信號、變頻器運行和故障信號通過開關量輸入模塊1794-IB16反饋給PLC；PLC通過開關量輸出模塊1794-OB16控制變頻器啟停信號和變頻器復位信號；PLC通過模擬輸出模塊1794-OE4控制變頻器輸出頻率，控制振動電機轉速達到控制給料器的給料量的目的。
3.1.3 人機界面
人機界面采用AB公司RSVIEW32軟件，其是一種易用的、可集成的、基于組件的、用于監視和控制生產過程的人機界面軟件，它基于微軟最成熟的Windows平臺而設計，而且把ActiveX控制嵌入畫面的人機見面軟件。操作人員通過它來啟停漏斗給料機、設定給料量，實現給料機人為可控。
3.1.4 變頻器
變頻器采用VACON公司 NXS型號的變頻器，其是一種緊湊的交流驅動器，供電電壓為208-690VAC，其硬件包括：由溫度控制的插接式風機、可插拔的控制面板、獨立分離的控制單元、組合靈活的I/O端子、可靠地功率模塊；主要產品特性：易于使用顯示面板、高斬波頻率低噪聲、靜態速度誤差<1%、低轉矩波動、起動轉矩>200%、適用于多電機驅動。其主要功能是變頻器控制單元根據PLC傳來的4—20mA模擬量信號，通過功率模塊轉換成相對應頻率（0-50HZ），控制振動電機轉速。
3.1.5 振動電機
振動電機采用弗蘭德里希公司生產的NT1300-6型號電機。該電機的兩端分別有一對偏心塊，其中一個偏心塊與電機軸用鍵槽相連接，另一個偏心快是靠螺栓的旋緊力與軸夾緊的。夾緊螺母（螺栓）松開后，可以繞電機軸轉動以調節激振力的大小，當轉動偏心快時，可以看到明顯的標識，根據所需激振力的大小可以在0—100%的范圍內任意調整。注意：單臺振動電機兩端的偏心塊調整的百分數要一致，給料機兩側的兩臺振動電機也要調整一致。偏心塊擰緊力矩為300Nm，當有兩個以上螺栓時，要交替擰緊三次（0—激振力為0振幅為0，100%—激振力最大振幅最大）。
電機座系鑄造體，支撐底腳的間距寬，并附有加強筋，全封閉，不消震，用以傳遞離心力。定子及繞組被壓縮在電機座中。電機兩端蓋中，壓入了剛性很好的圓柱滾動軸承。軸承已經永久潤滑，無需再保養，結實主軸與壓配在主軸上的電機轉子一起支撐在圓柱軸承上回轉。主軸穿過殼蓋處裝有存油脂槽及V形環加以密封。其是振動給料機的振動源，通過振動使給料機產生晃動，使物料均勻連續地給到帶式輸送機上，振動電機最佳工作頻率為30—50Hz，因當頻率過低時（小于20Hz左右時）振動電機就不能同步，給料機就不能正常工作。
3.1.6 漏斗物料檢測裝置
漏斗物料檢測裝置采用有兩種形式：一種為傾斜式水銀料流檢測開關，安裝在給料器出口處，當漏斗中有物料時，物料使開關中水銀傾斜觸發開關動作，說明漏斗中有物料，具備啟動給料機的條件。另一種為稱重傳感器，安裝在漏斗鋼結構中，其將鋼結構形變量轉換成模擬量信號，并將該信號傳遞給PLC單元，進而計算出漏斗料位，實現對料位的實時監測。
3.2 傾斜式振動給料機控制過程
傾斜式振動給料機根據不同工況需要可以分成：就地操作控制，自動操作控制、手動操作控制。自動操作控制：當地面皮帶啟動并且漏斗物料檢測裝置檢測到漏斗有物料，PLC程序自動啟動變頻器，通過變頻器控制兩臺振動電機產生振動，將漏斗物料輸送給地面皮帶。手動操作控制：主要是根據操作人的意愿，通過人機交互界面，人為控制漏斗給料系統啟動，當漏斗物料檢測裝置檢測漏斗沒有物料后，就自動停止給料。就地操作控制：主要是在點檢和維修方面，現場操作漏斗給料機，便于觀察其運行情況，出現問題是及時停止其動作。為了使物料從漏斗中均勻連續或定量地給到帶式輸送機，避免皮帶撒料，實現清潔生產，保障振動給料機設備安全，我們在程序上采取如下保護控制：（1）通過程序設計在人機界面中實現操作員既能控制單個給料機流量，也能可以5個振動給料機一起調整，實現物料從漏斗中均勻連續或定量地傳送到帶式輸送機上。（2）實現振動電機保護控制，當操作員操作錯誤時，即電機工作頻率在30至50HZ之外時，PLC程序自動使振動給料系統工作在允許頻率范圍之內。（3）為保證整個流程給料的安全性，避免漏斗長時間無料振動造成給料機機損，程序設定只有皮帶機的啟動、給料信號和漏斗物料檢測信號都具備時給料機才能夠啟動。（4）為避免皮帶給料不均勻和皮帶撒料，程序設定當漏斗有兩個及以上空斗時，給料機給料量自動降到初始值并通過RSVIEW32報警提示操作人員注意調整給料量。（5）為保障皮帶流量值不超過額定值，程序設定皮帶實際瞬時流量值超過額定值的90%時，給料機給料量自動降到初始值并通過RSVIEW32報警提示操作人員注意調整給料量。
4 活化給料機
本港三期工程采用美國通用振動（GK）公司設計的活化給料機，其額定給料能力為1350T/H，其主要包括機械和電氣兩大部分。下面針對其工作原理，機械、電氣各個主要組成部分和控制程序進行研究分析。
4.1 活化給料機原理
活化給料機原理：活化振動給料機其振動系統采用近（或亞） 共振的振動原理設計，工作時振動電機（一級振動源）帶動一個較小的槽形物體振動（二級振動體），再通過彈簧組合帶動給料機主體振動（三級振動體），這樣就能利用較小的振動源通過級級放大和反饋放大生產較大的激振力，驅動給料機本體振動，也就是近（亞）共振雙質體振動。
4.2 活化給料機機械結構
活化給料機主要有三部分組成（見圖2）：設備本體、密封部件和接口部分。其中設備本體包括：激振電機及可變力輪、主體框架、電機框架、激振彈簧、隔振彈簧、活化塊、下料曲線槽、觀察清理窗口、調整桿；密封部件包括：入口軟連接、出口軟連接；接口部分包括與料斗連接的入口落煤管；與皮帶機導料槽連接的出口落煤管。
圖2 活化給料機機械結構圖
活化給料機本體與漏斗或筒倉有機連接在一起，工作時激振電機運行通過激振彈簧使設備本體振動，產生的振動力通過活化塊高效地傳遞到物料頂部，振動力產生的擾動能量使物料松動并下落，由于給料口是開口的，物料在被振松的同時會自動下落，因此振動時物料不會越振越實，在給料機內的物料下落的同時給料機上部的物料由于重力的作用和給料機的振動疏松作用會自動滑落到給料機內，通過給料機兩側的下料曲線槽被傳輸到下部出口，從而保證物料的連續下落對中給料。
4.3 活化給料機電氣部分
活化給料機電氣部分由6部分組成：可編程邏輯控制器（PLC）、I/O模塊、人機界面、漏斗物料檢測裝置、激振電機及可變力輪和壓縮空氣調速系統。
4.3.1 可編程邏輯控制器（PLC）
可編程邏輯控制器采用AB公司生產的1756-L73模塊，其具有編程簡單、維護方便、可靠性高、結構緊湊、性能好等特點。其功能是控制給料機啟動停止并調節給料量。
4.3.2 I/O模塊
I/O模塊采用AB公司生產的1756系列I/O模塊，其是基于ControlLogix平臺的I/O，可以和各種各樣的過程控制信號相連，有開關量、模擬量、繼電器和計數器四種類型模塊。其功能是為PLC和現場設備信號起橋梁作用：激振電機超溫信號、活化給料機運行和故障信號通過開關量輸入模塊1756-IB16A反饋給PLC；PLC通過開關量輸出模塊1756-OB16A控制活化給料機啟停信號；PLC通過模擬輸出模塊1756-OF8A控制活化給料機壓縮空氣氣壓，控制激振電機中可變力輪達到控制給料器的給料量的目的。
4.3.3 人機界面
人機界面采用AB公司RSVIEW32軟件，其是一種易用的、可集成的、基于組件的、用于監視和控制生產過程的人機界面軟件，它基于微軟最成熟的Windows平臺而設計，而且把ActiveX控制嵌入畫面的人機見面軟件。操作人員通過它來啟停給料機、設定給料量，實現給料機人為可控。
4.3.4 壓縮空氣調速系統：
壓縮空氣調速系統是由美國通用振動（GK）公司設計生產的，其作用是通過調節壓縮空氣氣壓，控制激振電機中可變力輪，改變激振電機輸出的振動力，控制給料量。其包括氣源和調速控制箱（如圖3）兩部分，按工作方式分成兩種：①就地手動調節：壓縮空氣從進氣口進入，經手動調節閥（逆時針旋轉旋鈕輸出氣壓減小，順時針增大）、狀態轉換閥（位于manual位置），到出氣口輸出到可變力輪，出氣口內側旁路接有氣壓表，可實時顯示輸出壓力。②遠程自動調節：壓縮空氣從進氣口進入，經變送器（4-20mA遠程信號調節，4mA對應0氣壓，最大出力；20mA對應70PSI氣壓，最小出力）比例調節后氣壓，送往增壓閥伺服端，控制增壓閥的主回路的壓力按比例輸出，最后經狀態轉換閥（位于automatic位置），到出氣口輸出到可變力輪，出氣口內側旁路接有氣壓表，可實時顯示輸出壓力。
圖3 調速控制箱示意圖
4.3.4 激振電機及可變力輪
激振電機及可變力輪采用美國通用振動（GK）公司的專利產品。每臺激振電機兩側均安裝有一個可變力輪，與電機一同轉動，從調速控制箱輸出的調節后的壓縮空氣經氣動聯接管、旋轉連接，送入可變力輪內腔，推動平衡柱塞移動，壓縮空氣壓力施加于平衡柱塞端面并使其隨時改變相對于轉動中心的位置，增大或減小激振力幅，從而改變出料量，在激振電機轉速不變的同時調整出料量。
4.3.5 漏斗物料檢測裝置
漏斗物料檢測裝置采用為超能聲波傳感器，安裝在漏斗或筒倉上方，其通過計算返回超聲波時間轉換成模擬量信號，并將該信號傳遞給PLC單元，進而計算出料位，實現對料位的實時監測。
4.4 活化給料機控制過程
活化給料機和傾斜式振動給料機控制過程類似，不同之處是活化給料機是PLC通過模擬量輸出信號調整壓縮空氣調速系統中壓縮空氣壓力，通過改變恒速轉動激振電機中可變力輪位置，改變激振力，進而控制出料量；而傾斜式振動給料機是PLC通過模擬量輸出信號控制變頻器輸出頻率，改變振動電機轉速，進而控制出料量。
5 結語
活化給料機和傾斜式振動給料機在神華黃驊港生產中雖然都能滿足現場給料需求，但是通過兩套系統實際運行我們發現活化給料機比傾斜式振動給料機在以下5個方面的優勢明顯：
（1）可靠性方面：活化給料機運行設備運行安全可靠、壽命長、維護少；傾斜式振動給料機的物料流通性差、堵煤嚴重，工作環境惡劣，設備故障率高。
（2）出力調節方面：活化給料機采用可變力輪，可以在線無級調整出料量；傾斜式振動給料機通過振動電機震動，出力不均勻，易發生堵料。
（3）文明生產方面：活化給料機結構緊湊，密封效果良好，無灑煤、漏煤、粉塵飛揚現象；傾斜式振動給料機灑煤、漏煤和粉塵污染嚴重，文明生產狀況極差。
（4）土建施工要求方面：活化給料機安裝高度低，基礎簡單；傾斜式振動給料機安裝高度較高，土建工作量較大。
（5）運行檢修維護方面：活化給料機下料通暢，無堵煤問題；直接對中下落 到輸送皮帶中部，避免皮帶跑偏問題，維護少保養簡單；傾斜式振動給料機存在堵煤、跑偏問題，傳動部件多，磨損件多，維護工作量大。
我們國家特別是北方地區深受霧霾天氣影響，國家相關部門要求降低企業在生產過程中產生的粉塵，從上述分析可知活化給料機更能滿足環保要求，因此活化給料機比傾斜式振動給料機更具競爭力，今后在煤炭裝卸港口的應用也就越廣泛。