王吉明（1970-）
男，江西永新人，專家級工程師，畢業(yè)于華東理工大學(xué)控制工程與控制理論專業(yè)，工程碩士，主要研究方向為高端起重機電氣控制系統(tǒng)的開發(fā) /應(yīng)用/設(shè)計/調(diào)試。

摘要：本文介紹了行星減速機在鑄造起重機主起升機構(gòu)中的應(yīng)用，并針對行星減速機存在的斷軸問題，詳細(xì)介紹了斷軸保護(hù)的原理，并分別在PLC控制系統(tǒng)和逆變器程序中進(jìn)行編程，對行星減速機斷軸保護(hù)問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(hù)；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(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴大，自動化程度的提高，鑄造起重機作為冶金企業(yè)的必要搬運設(shè)備，在現(xiàn)代化生產(chǎn)過程中的作用越來越大，并且冶金企業(yè)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(chǎn)線上的關(guān)鍵設(shè)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）過程中，若出現(xiàn)斷軸情況，將引起鋼包傾斜或鋼包墜落，事故后果不堪設(shè)想，整個煉鋼生產(chǎn)線都將處于癱瘓狀態(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(gòu)減速機的介紹

    主起升機構(gòu)是整臺設(shè)備的核心，它的布置形式、結(jié)構(gòu)性能起著決定性的作用，除了滿足一般起重機技術(shù)條件外，還應(yīng)滿足以下幾點特殊要求：

    （1）主起升機構(gòu)采用雙系統(tǒng)雙電機驅(qū)動方式，當(dāng)其中一臺電機突然損壞，要求另一臺電機在短期內(nèi)能承擔(dān)全部工作，以便將正在吊運的鋼水澆注完。

    （2）每個卷筒驅(qū)動裝置，必須裝有兩套制動器，如其中一套發(fā)生故障，另一套應(yīng)能承擔(dān)全部制動工作，不致于出現(xiàn)事故。

    目前，國內(nèi)大型鑄造起重機的起升機構(gòu)根據(jù)減速機結(jié)構(gòu)和布置形式的不同，一般分3種類型：

    第1類是起升機構(gòu)的減速系統(tǒng)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(lián)軸器驅(qū)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(gòu)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(yōu)勢以及斷軸保護(hù)問題做詳細(xì)介紹。

3 行星減速機的介紹

    鑄造吊起重機向著大噸位發(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(yīng)用。

    主起升機構(gòu)由兩個電動機驅(qū)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(lián)軸機與兩個齒輪減速機相連，兩個齒輪減速機通過卷筒聯(lián)軸器分別驅(qū)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(cè)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?？刂票Ш?，安全制動器不需要動作，當(dāng)行星減速機出現(xiàn)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(tǒng)在卷筒盤上裝設(shè)的安全制動器就起到了至關(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)時受到保護(hù)并安全可靠制動。

    其主要特點如下：

    （1）主起升機構(gòu)由兩臺電動機驅(qū)動一個行星減速機。這兩臺電動機由兩套裝置控制，當(dāng)其中一臺電動機或驅(qū)動裝置出現(xiàn)故障時，該側(cè)的制動器抱閘，另一側(cè)電動機可以單獨運行，并保證能以50%的額定速度連續(xù)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(gòu)每個減速機的規(guī)格尺寸都在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，既便于制造和安裝，又便于維修和更換。

    （3）主起升機構(gòu)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(yīng)減小，成本低，使用能耗小。

    （4）傳動系統(tǒng)多了1個自由度，傳動環(huán)節(jié)多，對系統(tǒng)的制動安全性能要求高。

    如圖1所示，1#起升機構(gòu)電機和2#起升機構(gòu)電機側(cè)分別安裝有速度脈沖編碼器，1#卷筒側(cè)和2#卷筒側(cè)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(shù)器模塊中和西門子6ES70變頻器中。

4 斷軸保護(hù)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(huán)節(jié)多，對系統(tǒng)的制動安全性能要求高。因為當(dāng)其中某個齒輪或軸以及聯(lián)軸器損壞時，或某一側(cè)電氣元件出現(xiàn)故障而該側(cè)工作制動器又不制動時，都將會導(dǎo)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(cè)和兩個卷筒側(cè)分別安裝速度脈沖編碼器。當(dāng)減速機斷軸時，電機側(cè)速度和卷筒速度會表現(xiàn)為以下的可能情況：

    （1）兩個卷筒轉(zhuǎn)速不一致

    即兩個卷筒側(cè)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(fā)生變化

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

    根據(jù)以上兩點在PLC控制系統(tǒng)中和變頻器控制系統(tǒng)中，可編程實現(xiàn)斷軸保護(hù)控制。實現(xiàn)當(dāng)有斷軸情況出現(xiàn)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(hù)控制

    （1）PLC中FM350模塊的組態(tài)

    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(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(shù)讀取速度編碼器值

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

    通過調(diào)用功能函數(shù)，PLC將分別得到電機側(cè)高速軸端的速度編碼器值和卷筒側(cè)低速軸端的速度編碼器值，對以上四個值進(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(hù)程序

    （1）情況1：兩個卷筒轉(zhuǎn)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(jìn)行大于比較，比較結(jié)果經(jīng)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(xiàn)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(fā)生變化

    例如電機高速軸與1#卷筒低速軸之間的傳動比發(fā)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(jìn)行大于比較，比較結(jié)果經(jīng)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(xiàn)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(dāng)電機高速軸與2#卷筒之間的傳動比發(fā)生變化時，可同樣編程實現(xiàn)斷軸保護(hù)安全制動器抱閘。

7 6ES70變頻器的斷軸保護(hù)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(dǎo)線的屏蔽層不僅接至電機側(cè)地，而且接至變頻器側(cè)地。

    變頻器將采集到的電機側(cè)速度值和卷筒側(cè)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(cè)的脈沖編碼器值和卷筒側(cè)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(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(cè)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(hù)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(jié)果與某一允許速度偏差做大于比較，比較結(jié)果經(jīng)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(xiàn)。

    （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(jié)果進(jìn)行處理，判斷是否出現(xiàn)斷軸問題。

    以上運算可通過6ES70自帶的功能圖實現(xiàn)。

    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(jié)語

    通過PLC程序和逆變器程序的雙重保護(hù)，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(yīng)用的推廣，具有重要的實際應(yīng)用價值。

    以上斷軸保護(hù)程序的實現(xiàn)，是建立在速度脈沖編碼器采樣值準(zhǔn)確可靠的基礎(chǔ)上的，否則斷軸保護(hù)程序會有誤動作。所以應(yīng)按照EMC規(guī)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。


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