王吉明（1970-）
男，江西永新人，专家级工程师，毕业于华东理工大学控制工程与控制理论专业，工程硕士，主要研究方向为高端起重机电气控制系统的开发 /应用/设计/调试。

摘要：本文介绍了行星减速机在铸造起重机主起升机构中的应用，并针对行星减速机存在的断轴问题，详细介绍了断轴保护的原理，并分别在PLC控制系统和逆变器程序中进行编程，对行星减速机断轴保护问题提出了合理的解决方案。

关键词：铸造起重机；行星减速机；断轴保护；变频器

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

    随着我国冶金企业生产规模的扩大，自动化程度的提高，铸造起重机作为冶金企业的必要搬运设备，在现代化生产过程中的作用越来越大，并且冶金企业对铸造起重机的要求也越来越高。

    铸造起重机是炼钢厂生产线上的关键设备，而其主起升减速机又是铸造起重机的关键部分，其安全性能要求高，在吊运高温液态钢水（铁水）过程中，若出现断轴情况，将引起钢包倾斜或钢包坠落，事故后果不堪设想，整个炼钢生产线都将处于瘫痪状态。因此对主起升减速机的安全性、可靠性、使用性能要求很高。

2 几种起升机构减速机的介绍

    主起升机构是整台设备的核心，它的布置形式、结构性能起着决定性的作用，除了满足一般起重机技术条件外，还应满足以下几点特殊要求：

    （1）主起升机构采用双系统双电机驱动方式，当其中一台电机突然损坏，要求另一台电机在短期内能承担全部工作，以便将正在吊运的钢水浇注完。

    （2）每个卷筒驱动装置，必须装有两套制动器，如其中一套发生故障，另一套应能承担全部制动工作，不致于出现事故。

    目前，国内大型铸造起重机的起升机构根据减速机结构和布置形式的不同，一般分3种类型：

    第1类是起升机构的减速系统由3台减速机组成并呈品字形布置。其中中央减速机是行星齿轮减速机，其他2个低速轴通过联轴器驱动2个普通圆柱齿轮减速机（以下简称行星减速机）。

    第2类的中央减速机为棘轮棘爪减速机。

    第3类是起升机构的减速器为长条形圆柱齿轮减速机。

    本文特别针对第1类行星减速机的特点、优势以及断轴保护问题做详细介绍。

3 行星减速机的介绍

    铸造吊起重机向着大吨位发展，对减速机提出了新要求。行星减速机因此在铸造吊起重机中得到推广应用。

    主起升机构由两个电动机驱动一个中央行星齿轮减速机，行星减速机低速轴用浮动轴或万向联轴机与两个齿轮减速机相连，两个齿轮减速机通过卷筒联轴器分别驱动两个卷筒。

    行星减速机在铸造吊中的布置图如图1所示。

                                    图1   行星齿轮减速机布置示意图

    在图1中，电机安装在高速轴上，卷筒安装在低速轴上，高速轴和低速轴通过行星减速机连接在一起。安装在电机两侧的制动器是工作制动器，共有4个。安全制动器是指直接作用在卷筒盘上的制动器。

    一般情况下，主起升的制动由工作制动器正常控制抱合，安全制动器不需要动作，当行星减速机出现断轴故障时，主起升制动器对于卷筒将失去作用。因此，在这种状况下，本系统在卷筒盘上装设的安全制动器就起到了至关重要的作用，能够确保起吊的液态金属钢水包能够在事故状态时受到保护并安全可靠制动。

    其主要特点如下：

    （1）主起升机构由两台电动机驱动一个行星减速机。这两台电动机由两套装置控制，当其中一台电动机或驱动装置出现故障时，该侧的制动器抱闸，另一侧电动机可以单独运行，并保证能以50%的额定速度连续长时间工作，此时传动链上任何一个零件都不过载，只是承受额定载荷。

    （2）主起升机构每个减速机的规格尺寸都在标准范围之内，既便于制造和安装，又便于维修和更换。

    （3）主起升机构每组电动机的容量都是按照50%的总功率选取，电动机总功率小，电控装置的容量也可相应减小，成本低，使用能耗小。

    （4）传动系统多了1个自由度，传动环节多，对系统的制动安全性能要求高。

    如图1所示，1#起升机构电机和2#起升机构电机侧分别安装有速度脉冲编码器，1#卷筒侧和2#卷筒侧也分别安装有速度脉冲编码器。将它们检测到的速度值分别记为v1h，v2h，v1l，v2l，并将速度v1h，v2h，v1l，v2l分别送入西门子PLC的FM350计数器模块中和西门子6ES70变频器中。

4 断轴保护的原理

    因为行星减速机传动比其他减速机多1个自由度，传动环节多，对系统的制动安全性能要求高。因为当其中某个齿轮或轴以及联轴器损坏时，或某一侧电气元件出现故障而该侧工作制动器又不制动时，都将会导致被吊重物或起升吊钩直接落下，造成重大安全事故。

    因此，在两个电机侧和两个卷筒侧分别安装速度脉冲编码器。当减速机断轴时，电机侧速度和卷筒速度会表现为以下的可能情况：

    （1）两个卷筒转速不一致

    即两个卷筒侧速度脉冲编码器检测到的速度值相差过大，也即”v1l”,”v2l”的值相差过大。

    （2）电机高速轴和卷筒低速轴之间的传动比发生变化

    根据行星减速机的特点，当行星减速机发生断轴故障时，传动比发生变化即(“v1h”+“v2h”)/ “v1l”或(“v1h”+“v2h”)/ “v2l”的值发生变化。

    根据以上两点在PLC控制系统中和变频器控制系统中，可编程实现断轴保护控制。实现当有断轴情况出现时，控制程序能立即检测断轴问题，并将安全制动器抱闸，避免重大安全事故。

5 西门子PLC的断轴保护控制

    （1）PLC中FM350模块的组态

    选择西门子FM350模块，安装FM350的安装文件，并在西门子STEP7硬件组态中，插入FM350模块并对FM350模块进行配置，如图2所示。

                                     图2   配置FM350模块

    （2）功能函数读取速度编码器值

    在PLC程序中调用FM350安装文件中自带的FC450（CNT_CTRL Function）功能函数读取速度编码器的值并存入DB块中。

    通过调用功能函数，PLC将分别得到电机侧高速轴端的速度编码器值和卷筒侧低速轴端的速度编码器值，对以上四个值进行处理为百分比表示，以“v1h_per”, “v2h_per”, “v1l_per”, “v2l_per”表示。

6 PLC中的断轴保护程序

    （1）情况1：两个卷筒转速不一致

      L    “v1l_per”

      L    “v2l_per”

      -R    

      ABS

    将此时累加器中的值与允许速度偏差值进行大于比较，比较结果经计时器接通延时，若大于一定时间仍保持为1，则可判断出已出现断轴，此时，PLC输出紧急停车命令，并将安全制动器立刻抱闸。

    （2）情况2：电机高速轴和卷筒低速轴之间的传动比发生变化

    例如电机高速轴与1#卷筒低速轴之间的传动比发生变化。

      L    “v1h_per”

      L    “v2h_per”

      +R    

      L    “v1l_per”

      -R    

      ABS

    将此时累加器中的值与允许速度偏差值进行大于比较，比较结果经计时器接通延时，若大于一定时间仍保持为1，则可判断出已出现断轴，此时，PLC输出紧急停车命令，并将安全制动器立刻抱闸。

    同样当电机高速轴与2#卷筒之间的传动比发生变化时，可同样编程实现断轴保护安全制动器抱闸。

7 6ES70变频器的断轴保护控制

7.1 变频器中SBP板的配置

    参照西门子SBP-脉冲编码器板使用说明书接线，将速度脉冲编码器A信号，B信号分别接至SBP板X400的68，70端子，将速度脉冲编码器的供电接至X400的60，61端子；同时将A-，B-和CTRL-端子旁路并接至编码器地以避免信号干扰。而脉冲编码器导线的屏蔽层不仅接至电机侧地，而且接至变频器侧地。

    变频器将采集到的电机侧速度值和卷筒侧速度值分别存储至KK0091和KK0094中，2号主起升逆变器同样将其采集到的2号主起升电机侧的脉冲编码器值和卷筒侧脉冲编码器值存入KK0091和KK0094中。1#主起升逆变器和2#主起升逆变器通过SLB（SIMOLINK板）进行通讯。2#主起升逆变器将2#电机脉冲编码器和2#卷筒侧脉冲编码器值发送到1#主起升逆变器，并存储至1#主起升逆变器的K7001的K7002中，反之亦然。

7.2 变频器断轴保护程序

    1#主起升逆变器中的程序：

    （1）将通过SBP板采集到的1#卷筒速度值KK0094，与2#主起升逆变器采集到的通过SIMOLINK通讯传递过来的2#卷筒速度值K7002做差值运算，其差值结果与某一允许速度偏差做大于比较，比较结果经接通过延时继电器输出为1。

    以上运算可通过6ES70自带的功能图实现。

    （2）将通过SBP板采集到的1#编码器速度值KK0091与2#主起升逆变器采集到的通过SIMOLINK通讯传递过来的2#电机速度值K7001做求和运算，其和与1#卷筒速度KK0094做差值运算。同样对差值结果进行处理，判断是否出现断轴问题。

    以上运算可通过6ES70自带的功能图实现。

    2#主起升逆变器中的程序与1#主起升逆变器中程序相类似。

8 结语

    通过PLC程序和逆变器程序的双重保护，将行星减速机的断轴危险也能够消除，保障了行星减速机的安全应用的推广，具有重要的实际应用价值。

    以上断轴保护程序的实现，是建立在速度脉冲编码器采样值准确可靠的基础上的，否则断轴保护程序会有误动作。所以应按照EMC规范接速度脉冲编码器信号线和屏蔽线，防止速度信号受到干扰。


参考文献

[1]李朗明，贾文强. 铸造起重机几种常见的安全起升机构. 山西机械，2002.12.

[2]李会勤. 综述铸造起重机. 起重运输机械, 2008(1).

[3]赵磊. 大型铸造起重机的结构型式和性能特点. 机械工程与自动化, 2004.12.

[4]西门子矢量控制使用大全.

[5]JB/T7688115-1999. 冶金起重机技术条件铸造起重机.