王吉明（1970-）
男，江西永新人，專(zhuān)家級工程師，畢業(yè)于華東理工大學(xué)控制工程與控制理論專(zhuān)業(yè)，工程碩士，主要研究方向為高端起重機電氣控制系統的開(kāi)發(fā) /應用/設計/調試。

摘要：本文介紹了行星減速機在鑄造起重機主起升機構中的應用，并針對行星減速機存在的斷軸問(wèn)題，詳細介紹了斷軸保護的原理，并分別在PLC控制系統和逆變器程序中進(jìn)行編程，對行星減速機斷軸保護問(wèn)題提出了合理的解決方案。

關(guān)鍵詞：鑄造起重機；行星減速機；斷軸保護；變頻器

Abstract: The paper presents the applications of Planet-Gear Reducer in Casting Crane, the way of protection for the axis breaking, the programming 
in PLC control system and Frequency Converter system, and gives a reasonable solution to the
 axis breaking problem.

Key words: Casting Crane; Planet-Gear Reducer; protection for the axis breaking; Frequency Converter

1 引言

    隨著(zhù)我國冶金企業(yè)生產(chǎn)規模的擴大，自動(dòng)化程度的提高，鑄造起重機作為冶金企業(yè)的必要搬運設備，在現代化生產(chǎn)過(guò)程中的作用越來(lái)越大，并且冶金企業(yè)對鑄造起重機的要求也越來(lái)越高。

    鑄造起重機是煉鋼廠(chǎng)生產(chǎn)線(xiàn)上的關(guān)鍵設備，而其主起升減速機又是鑄造起重機的關(guān)鍵部分，其安全性能要求高，在吊運高溫液態(tài)鋼水（鐵水）過(guò)程中，若出現斷軸情況，將引起鋼包傾斜或鋼包墜落，事故后果不堪設想，整個(gè)煉鋼生產(chǎn)線(xiàn)都將處于癱瘓狀態(tài)。因此對主起升減速機的安全性、可靠性、使用性能要求很高。

2 幾種起升機構減速機的介紹

    主起升機構是整臺設備的核心，它的布置形式、結構性能起著(zhù)決定性的作用，除了滿(mǎn)足一般起重機技術(shù)條件外，還應滿(mǎn)足以下幾點(diǎn)特殊要求：

    （1）主起升機構采用雙系統雙電機驅動(dòng)方式，當其中一臺電機突然損壞，要求另一臺電機在短期內能承擔全部工作，以便將正在吊運的鋼水澆注完。

    （2）每個(gè)卷筒驅動(dòng)裝置，必須裝有兩套制動(dòng)器，如其中一套發(fā)生故障，另一套應能承擔全部制動(dòng)工作，不致于出現事故。

    目前，國內大型鑄造起重機的起升機構根據減速機結構和布置形式的不同，一般分3種類(lèi)型：

    第1類(lèi)是起升機構的減速系統由3臺減速機組成并呈品字形布置。其中中央減速機是行星齒輪減速機，其他2個(gè)低速軸通過(guò)聯(lián)軸器驅動(dòng)2個(gè)普通圓柱齒輪減速機（以下簡(jiǎn)稱(chēng)行星減速機）。

    第2類(lèi)的中央減速機為棘輪棘爪減速機。

    第3類(lèi)是起升機構的減速器為長(cháng)條形圓柱齒輪減速機。

    本文特別針對第1類(lèi)行星減速機的特點(diǎn)、優(yōu)勢以及斷軸保護問(wèn)題做詳細介紹。

3 行星減速機的介紹

    鑄造吊起重機向著(zhù)大噸位發(fā)展，對減速機提出了新要求。行星減速機因此在鑄造吊起重機中得到推廣應用。

    主起升機構由兩個(gè)電動(dòng)機驅動(dòng)一個(gè)中央行星齒輪減速機，行星減速機低速軸用浮動(dòng)軸或萬(wàn)向聯(lián)軸機與兩個(gè)齒輪減速機相連，兩個(gè)齒輪減速機通過(guò)卷筒聯(lián)軸器分別驅動(dòng)兩個(gè)卷筒。

    行星減速機在鑄造吊中的布置圖如圖1所示。

                                    圖1   行星齒輪減速機布置示意圖

    在圖1中，電機安裝在高速軸上，卷筒安裝在低速軸上，高速軸和低速軸通過(guò)行星減速機連接在一起。安裝在電機兩側的制動(dòng)器是工作制動(dòng)器，共有4個(gè)。安全制動(dòng)器是指直接作用在卷筒盤(pán)上的制動(dòng)器。

    一般情況下，主起升的制動(dòng)由工作制動(dòng)器正?？刂票Ш?，安全制動(dòng)器不需要動(dòng)作，當行星減速機出現斷軸故障時(shí)，主起升制動(dòng)器對于卷筒將失去作用。因此，在這種狀況下，本系統在卷筒盤(pán)上裝設的安全制動(dòng)器就起到了至關(guān)重要的作用，能夠確保起吊的液態(tài)金屬鋼水包能夠在事故狀態(tài)時(shí)受到保護并安全可靠制動(dòng)。

    其主要特點(diǎn)如下：

    （1）主起升機構由兩臺電動(dòng)機驅動(dòng)一個(gè)行星減速機。這兩臺電動(dòng)機由兩套裝置控制，當其中一臺電動(dòng)機或驅動(dòng)裝置出現故障時(shí)，該側的制動(dòng)器抱閘，另一側電動(dòng)機可以單獨運行，并保證能以50%的額定速度連續長(cháng)時(shí)間工作，此時(shí)傳動(dòng)鏈上任何一個(gè)零件都不過(guò)載，只是承受額定載荷。

    （2）主起升機構每個(gè)減速機的規格尺寸都在標準范圍之內，既便于制造和安裝，又便于維修和更換。

    （3）主起升機構每組電動(dòng)機的容量都是按照50%的總功率選取，電動(dòng)機總功率小，電控裝置的容量也可相應減小，成本低，使用能耗小。

    （4）傳動(dòng)系統多了1個(gè)自由度，傳動(dòng)環(huán)節多，對系統的制動(dòng)安全性能要求高。

    如圖1所示，1#起升機構電機和2#起升機構電機側分別安裝有速度脈沖編碼器，1#卷筒側和2#卷筒側也分別安裝有速度脈沖編碼器。將它們檢測到的速度值分別記為v1h，v2h，v1l，v2l，并將速度v1h，v2h，v1l，v2l分別送入西門(mén)子PLC的FM350計數器模塊中和西門(mén)子6ES70變頻器中。

4 斷軸保護的原理

    因為行星減速機傳動(dòng)比其他減速機多1個(gè)自由度，傳動(dòng)環(huán)節多，對系統的制動(dòng)安全性能要求高。因為當其中某個(gè)齒輪或軸以及聯(lián)軸器損壞時(shí)，或某一側電氣元件出現故障而該側工作制動(dòng)器又不制動(dòng)時(shí)，都將會(huì )導致被吊重物或起升吊鉤直接落下，造成重大安全事故。

    因此，在兩個(gè)電機側和兩個(gè)卷筒側分別安裝速度脈沖編碼器。當減速機斷軸時(shí)，電機側速度和卷筒速度會(huì )表現為以下的可能情況：

    （1）兩個(gè)卷筒轉速不一致

    即兩個(gè)卷筒側速度脈沖編碼器檢測到的速度值相差過(guò)大，也即”v1l”,”v2l”的值相差過(guò)大。

    （2）電機高速軸和卷筒低速軸之間的傳動(dòng)比發(fā)生變化

    根據行星減速機的特點(diǎn)，當行星減速機發(fā)生斷軸故障時(shí)，傳動(dòng)比發(fā)生變化即(“v1h”+“v2h”)/ “v1l”或(“v1h”+“v2h”)/ “v2l”的值發(fā)生變化。

    根據以上兩點(diǎn)在PLC控制系統中和變頻器控制系統中，可編程實(shí)現斷軸保護控制。實(shí)現當有斷軸情況出現時(shí)，控制程序能立即檢測斷軸問(wèn)題，并將安全制動(dòng)器抱閘，避免重大安全事故。

5 西門(mén)子PLC的斷軸保護控制

    （1）PLC中FM350模塊的組態(tài)

    選擇西門(mén)子FM350模塊，安裝FM350的安裝文件，并在西門(mén)子STEP7硬件組態(tài)中，插入FM350模塊并對FM350模塊進(jìn)行配置，如圖2所示。

                                     圖2   配置FM350模塊

    （2）功能函數讀取速度編碼器值

    在PLC程序中調用FM350安裝文件中自帶的FC450（CNT_CTRL Function）功能函數讀取速度編碼器的值并存入DB塊中。

    通過(guò)調用功能函數，PLC將分別得到電機側高速軸端的速度編碼器值和卷筒側低速軸端的速度編碼器值，對以上四個(gè)值進(jìn)行處理為百分比表示，以“v1h_per”, “v2h_per”, “v1l_per”, “v2l_per”表示。

6 PLC中的斷軸保護程序

    （1）情況1：兩個(gè)卷筒轉速不一致

      L    “v1l_per”

      L    “v2l_per”

      -R    

      ABS

    將此時(shí)累加器中的值與允許速度偏差值進(jìn)行大于比較，比較結果經(jīng)計時(shí)器接通延時(shí)，若大于一定時(shí)間仍保持為1，則可判斷出已出現斷軸，此時(shí)，PLC輸出緊急停車(chē)命令，并將安全制動(dòng)器立刻抱閘。

    （2）情況2：電機高速軸和卷筒低速軸之間的傳動(dòng)比發(fā)生變化

    例如電機高速軸與1#卷筒低速軸之間的傳動(dòng)比發(fā)生變化。

      L    “v1h_per”

      L    “v2h_per”

      +R    

      L    “v1l_per”

      -R    

      ABS

    將此時(shí)累加器中的值與允許速度偏差值進(jìn)行大于比較，比較結果經(jīng)計時(shí)器接通延時(shí)，若大于一定時(shí)間仍保持為1，則可判斷出已出現斷軸，此時(shí)，PLC輸出緊急停車(chē)命令，并將安全制動(dòng)器立刻抱閘。

    同樣當電機高速軸與2#卷筒之間的傳動(dòng)比發(fā)生變化時(shí)，可同樣編程實(shí)現斷軸保護安全制動(dòng)器抱閘。

7 6ES70變頻器的斷軸保護控制

7.1 變頻器中SBP板的配置

    參照西門(mén)子SBP-脈沖編碼器板使用說(shuō)明書(shū)接線(xiàn)，將速度脈沖編碼器A信號，B信號分別接至SBP板X(qián)400的68，70端子，將速度脈沖編碼器的供電接至X400的60，61端子；同時(shí)將A-，B-和CTRL-端子旁路并接至編碼器地以避免信號干擾。而脈沖編碼器導線(xiàn)的屏蔽層不僅接至電機側地，而且接至變頻器側地。

    變頻器將采集到的電機側速度值和卷筒側速度值分別存儲至KK0091和KK0094中，2號主起升逆變器同樣將其采集到的2號主起升電機側的脈沖編碼器值和卷筒側脈沖編碼器值存入KK0091和KK0094中。1#主起升逆變器和2#主起升逆變器通過(guò)SLB（SIMOLINK板）進(jìn)行通訊。2#主起升逆變器將2#電機脈沖編碼器和2#卷筒側脈沖編碼器值發(fā)送到1#主起升逆變器，并存儲至1#主起升逆變器的K7001的K7002中，反之亦然。

7.2 變頻器斷軸保護程序

    1#主起升逆變器中的程序：

    （1）將通過(guò)SBP板采集到的1#卷筒速度值KK0094，與2#主起升逆變器采集到的通過(guò)SIMOLINK通訊傳遞過(guò)來(lái)的2#卷筒速度值K7002做差值運算，其差值結果與某一允許速度偏差做大于比較，比較結果經(jīng)接通過(guò)延時(shí)繼電器輸出為1。

    以上運算可通過(guò)6ES70自帶的功能圖實(shí)現。

    （2）將通過(guò)SBP板采集到的1#編碼器速度值KK0091與2#主起升逆變器采集到的通過(guò)SIMOLINK通訊傳遞過(guò)來(lái)的2#電機速度值K7001做求和運算，其和與1#卷筒速度KK0094做差值運算。同樣對差值結果進(jìn)行處理，判斷是否出現斷軸問(wèn)題。

    以上運算可通過(guò)6ES70自帶的功能圖實(shí)現。

    2#主起升逆變器中的程序與1#主起升逆變器中程序相類(lèi)似。

8 結語(yǔ)

    通過(guò)PLC程序和逆變器程序的雙重保護，將行星減速機的斷軸危險也能夠消除，保障了行星減速機的安全應用的推廣，具有重要的實(shí)際應用價(jià)值。

    以上斷軸保護程序的實(shí)現，是建立在速度脈沖編碼器采樣值準確可靠的基礎上的，否則斷軸保護程序會(huì )有誤動(dòng)作。所以應按照EMC規范接速度脈沖編碼器信號線(xiàn)和屏蔽線(xiàn)，防止速度信號受到干擾。


參考文獻

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