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王吉明（1970-）
男，江西永新人，專家級工程師，畢業于華東理工大學控制工程與控制理論專業，工程碩士，主要研究方向為高端起重機電氣控制系統的開發 /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行編程，對行星減速機斷軸保護問題提出了合理的解決方案。

關鍵詞：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

    隨著我國冶金企業生產規模的擴大，自動化程度的提高，鑄造起重機作為冶金企業的必要搬運設備，在現代化生產過程中的作用越來越大，并且冶金企業對鑄造起重機的要求也越來越高。

    鑄造起重機是煉鋼廠生產線上的關鍵設備，而其主起升減速機又是鑄造起重機的關鍵部分，其安全性能要求高，在吊運高溫液態鋼水（鐵水）過程中，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，整個煉鋼生產線都將處于癱瘓狀態。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、結構性能起著決定性的作用，除了滿足一般起重機技術條件外，還應滿足以下幾點特殊要求：

    （1）主起升機構采用雙系統雙電機驅動方式，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）每個卷筒驅動裝置，必須裝有兩套制動器，如其中一套發生故障，另一套應能承擔全部制動工作，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種類型：

    第1類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個低速軸通過聯軸器驅動2個普通圓柱齒輪減速機（以下簡稱行星減速機）。

    第2類的中央減速機為棘輪棘爪減速機。

    第3類是起升機構的減速器為長條形圓柱齒輪減速機。

    本文特別針對第1類行星減速機的特點、優勢以及斷軸保護問題做詳細介紹。

3 行星減速機的介紹

    鑄造吊起重機向著大噸位發展，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。

    主起升機構由兩個電動機驅動一個中央行星齒輪減速機，行星減速機低速軸用浮動軸或萬向聯軸機與兩個齒輪減速機相連，兩個齒輪減速機通過卷筒聯軸器分別驅動兩個卷筒。

    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行星減速機連接在一起。安裝在電機兩側的制動器是工作制動器，共有4個。安全制動器是指直接作用在卷筒盤上的制動器。

    一般情況下，主起升的制動由工作制動器正常控制抱合，安全制動器不需要動作，當行星減速機出現斷軸故障時，主起升制動器對于卷筒將失去作用。因此，在這種狀況下，本系統在卷筒盤上裝設的安全制動器就起到了至關重要的作用，能夠確保起吊的液態金屬鋼水包能夠在事故狀態時受到保護并安全可靠制動。

    其主要特點如下：

    （1）主起升機構由兩臺電動機驅動一個行星減速機。這兩臺電動機由兩套裝置控制，當其中一臺電動機或驅動裝置出現故障時，該側的制動器抱閘，另一側電動機可以單獨運行，并保證能以50%的額定速度連續長時間工作，此時傳動鏈上任何一個零件都不過載，只是承受額定載荷。

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

    （4）傳動系統多了1個自由度，傳動環節多，對系統的制動安全性能要求高。

    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分別送入西門子PLC的FM350計數器模塊中和西門子6ES70變頻器中。

4 斷軸保護的原理

    因為行星減速機傳動比其他減速機多1個自由度，傳動環節多，對系統的制動安全性能要求高。因為當其中某個齒輪或軸以及聯軸器損壞時，或某一側電氣元件出現故障而該側工作制動器又不制動時，都將會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，在兩個電機側和兩個卷筒側分別安裝速度脈沖編碼器。當減速機斷軸時，電機側速度和卷筒速度會表現為以下的可能情況：

    （1）兩個卷筒轉速不一致

    即兩個卷筒側速度脈沖編碼器檢測到的速度值相差過大，也即”v1l”,”v2l”的值相差過大。

    （2）電機高速軸和卷筒低速軸之間的傳動比發生變化

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

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

5 西門子PLC的斷軸保護控制

    （1）PLC中FM350模塊的組態

    選擇西門子FM350模塊，安裝FM350的安裝文件，并在西門子STEP7硬件組態中，插入FM350模塊并對FM350模塊進行配置，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，對以上四個值進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1：兩個卷筒轉速不一致

      L    “v1l_per”

      L    “v2l_per”

      -R    

      ABS

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

    （2）情況2：電機高速軸和卷筒低速軸之間的傳動比發生變化

    例如電機高速軸與1#卷筒低速軸之間的傳動比發生變化。

      L    “v1h_per”

      L    “v2h_per”

      +R    

      L    “v1l_per”

      -R    

      ABS

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

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

7 6ES70變頻器的斷軸保護控制

7.1 變頻器中SBP板的配置

    參照西門子SBP-脈沖編碼器板使用說明書接線，將速度脈沖編碼器A信號，B信號分別接至SBP板X400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SLB（SIMOLINK板）進行通訊。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SIMOLINK通訊傳遞過來的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，比較結果經接通過延時繼電器輸出為1。

    以上運算可通過6ES70自帶的功能圖實現。

    （2）將通過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SIMOLINK通訊傳遞過來的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。同樣對差值結果進行處理，判斷是否出現斷軸問題。

    以上運算可通過6ES70自帶的功能圖實現。

    2#主起升逆變器中的程序與1#主起升逆變器中程序相類似。

8 結語

    通過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，具有重要的實際應用價值。

    以上斷軸保護程序的實現，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有誤動作。所以應按照EMC規范接速度脈沖編碼器信號線和屏蔽線，防止速度信號受到干擾。


參考文獻

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