基于PLC的變頻控制在鋁電解ECL多功能天車卷揚提升系統(tǒng)的研究

楊正壽 劉華輝 陶春飛 李云磊

摘 要：采用PLC控制系統(tǒng)+變頻器調(diào)速系統(tǒng)控制卷揚提升，應(yīng)用變頻器在防停滯、防溜鉤和再生能源方面處理技術(shù)，精確控制機械、電子設(shè)備的運行，使設(shè)備運行在安全可靠、高效節(jié)能、平穩(wěn)精確的最佳狀態(tài)，延長設(shè)備使用壽命。

關(guān)鍵詞：PLC;變頻器;多功能天車;卷揚;提升系統(tǒng)

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）08-0044-03

0 引言

鋁電解ECL多功能天車12t卷揚提升系統(tǒng)是用于電解生產(chǎn)出鋁作業(yè)吊運鋁液臺包和電解車間其它重物吊運作業(yè)的機構(gòu)，其主要由驅(qū)動裝置、傳動裝置、制動器、卷筒、鋼絲繩、滑輪組、吊鉤等部件組成。鋁電解ECL多功能天車屬特種設(shè)備，其提升系統(tǒng)一旦出現(xiàn)失控故障，將會導(dǎo)致重大安全事故的發(fā)生，對現(xiàn)場作業(yè)人員的人身安全及生產(chǎn)造成重大影響，故對其安全性能要求較高。

我公司電解200kA系列生產(chǎn)線投產(chǎn)至今已近二十年， 2#ECL多功能天車在使用過程中出現(xiàn)卷揚系統(tǒng)異響、噪聲震動大，究其原因主要是由于減速箱內(nèi)齒輪及齒輪軸磨損大，但減速箱輸出軸與軸上齒輪一體設(shè)計，輸出軸與卷筒中心軸是同一根軸，無法單獨購買減速箱進(jìn)行更換。

1 開發(fā)研究背景（存在的問題、現(xiàn)有技術(shù)支撐及總體思路）

1.1 存在的問題

原用卷揚提升系統(tǒng)存在以下問題：（1）系統(tǒng)運行沖擊大。（2）當(dāng)初ECL公司匹配使用的是非標(biāo)減速箱，減速箱輸出軸與卷筒軸設(shè)計為一體，導(dǎo)致維護(hù)修理不方便。

1.2 現(xiàn)有技術(shù)支撐

現(xiàn)有傳動技術(shù)采用變頻調(diào)速，通過對電壓、電流、頻率、相位等進(jìn)行變換，可體現(xiàn)以下幾方面優(yōu)勢：（1）調(diào)頻調(diào)速、軟啟軟停、高效節(jié)能。變頻器具有調(diào)頻調(diào)速、軟啟軟停、力矩補償和多種保護(hù)功能，可實現(xiàn)設(shè)備精準(zhǔn)調(diào)速、電動機軟啟動和軟停車，使設(shè)備運行更加安全平穩(wěn)，極大提高設(shè)備安全平穩(wěn)運行可靠性，進(jìn)而提高設(shè)備使用壽命，降低故障率;使用變頻器，還能有效節(jié)約用電，啟動時是從0HZ起動，電壓、電流緩慢上升，對電源回路無沖擊，普通控制方式下電動機啟動電流是其額定電流的5-7倍，對電源回路沖擊很大。（2）制動性能更優(yōu)。由于采用反饋制動方式，大大提升了設(shè)備制動性能，制動運行更加安全可靠。（3）可實現(xiàn)計算機聯(lián)網(wǎng)控制。由于變頻器有RS485（RS422）通訊接口，能與計算機實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)控制。

1.3 總體思路

綜合分析以上因素，考慮從以下幾個方面進(jìn)行技術(shù)改造：（1）購買新的標(biāo)準(zhǔn)國產(chǎn)化減速箱，對原ECL減速箱進(jìn)行改型;（2）對卷揚軸進(jìn)行改型設(shè)計以適應(yīng)其與新減速箱對接;（3）選用變頻控制技術(shù)以解決運行過程沖擊過大問題;（4）運用天車現(xiàn)有PLC控制系統(tǒng)，組建基于PLC控制的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。

2 方案設(shè)計、驗算

2.1 力矩計算

零部件的選擇計算與力矩有關(guān)。如平穩(wěn)上升階段力矩與選擇電機有關(guān);而平穩(wěn)下降和下降制動階段力矩又將決定制動器的選擇。

2.1.1 平穩(wěn)上升階段

平穩(wěn)上升就是等速起升載荷，這時卷筒上的載荷力矩Mza為：

2.1.2 平穩(wěn)下降階段

平穩(wěn)下降就是等速下降重物，為了防止重物自由下落，通常采用電動機的反接制動法，使載荷在可控速度狀態(tài)下降。此時電動機所產(chǎn)生的制動力矩等于載荷下降時的靜阻力矩，即：

2.1.3 上升起動階段

上升起動時，重物由靜止到達(dá)額定起升速度，其中需要經(jīng)過一個加速過程，此時電動機除了要克服靜阻力矩外，還要克服重物慣性沖擊所產(chǎn)生的慣性力矩，故起動力矩為：

2.1.4 下降制動階段

下降制動時，重物慣性力矩與自重力矩方向一致，所需制動力矩最大，此時加在制動器軸上的制動力矩除了要克服重物靜阻力矩外，還要克服由重物運動的慣性沖擊所產(chǎn)生的力矩，故制動力矩應(yīng)為;

2.2 變頻電機選擇

計算機構(gòu)起升額定起重量時的靜載荷功率Nj：

根據(jù)Nj查電動機產(chǎn)品目錄選取電動機相應(yīng)于機構(gòu)JC%值時的額定功率Ns。并滿足下式：

最后選用SEW公司DFV180M4/BM制動電機，該電機制動器與電機合二為一，并通過聯(lián)接法蘭及聯(lián)軸器與減速箱直接相連，安裝維護(hù)簡便，并能免去高速軸外裝制動盤安裝與維護(hù)的麻煩。

2.3 變頻器選擇

2.3.1 變頻調(diào)速技術(shù)

變頻調(diào)速是通過改變電動機定子電源頻率從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方式。變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器。變頻調(diào)速有較好的運行特性，調(diào)速范圍寬、精度高，節(jié)能效果顯著，能實現(xiàn)穩(wěn)定的低速運行，啟、停過程平穩(wěn)，定位準(zhǔn)確，且在負(fù)載波動較大時速度無明顯變化，是目前調(diào)速應(yīng)用的主流。起升機構(gòu)采用變頻調(diào)速系統(tǒng)可極大提高其綜合使用性能。

2.3.2 卷揚起升機構(gòu)對變頻調(diào)速的要求

卷揚起升機構(gòu)是用于拖動重物作上升或下降的垂直運動，主要由電動機、減速裝置、卷筒和制動器組成。其對電力拖動及調(diào)速系統(tǒng)的要求有：（1）對調(diào)速范圍要求：空鉤或輕載時，運行速度稍快，重載時則應(yīng)慢;（2）當(dāng)起重物體下降時，電動機處于再生制動狀態(tài)，對于再生制動的電能，必須能夠妥善處理;（3）起升機構(gòu)中電動機軸上必須加裝安全、可靠的制動裝置;（4）重物升降啟動或制動時，要求制動器與電動機動作必須緊密配合，防止溜鉤。

2.3.3 變頻器選型

變頻器選型時需確定以下幾方面因素：（1）采用變頻的目的（恒壓控制或恒流控制等）;（2）變頻器的負(fù)載類型;（3）變頻器與負(fù)載的匹配問題：電壓、電流、轉(zhuǎn)矩匹配;（4）用于高速電機驅(qū)動的變頻器，其容量要稍大于普通電機選型;（5）變頻器是否長電纜使用或有特殊應(yīng)用場合，為避免輸出功率不足，變頻器容量要放大一檔或在變頻器的輸出端安裝輸出電抗器。

基于此，變頻器選擇SEW型號為：MC07B300-5O3-4-00的產(chǎn)品。

2.4 減速箱選擇

2.4.1 減速箱選型

選用SEW型號為：MC3PLHF05減速機，該產(chǎn)品具有：（1）傳動比分級精細(xì);（2）結(jié)構(gòu)緊湊，安裝空間小;（3）用途廣泛、設(shè)計精巧、可靠耐用;（4）可與不同功能附件進(jìn)行組合，滿足任何傳動條件的需求;（5）噪聲低。參數(shù)如下：

Pm=18.5kW? n1=1465rpm? n2=20.6rpm i=71.064

PN1=48.1kW PT=44kW MN1=8212Nm MN2=20.8kNm

Fs=2.53? FRN=54kN W=530kg

2.4.2 校核減速器輸出軸的強度

①最大徑向力：

②最大力矩：

2.4.3 低速軸設(shè)計

通過拆卸測繪原用2#天車卷揚低速軸尺寸，并結(jié)合現(xiàn)所選減速箱及舊卷筒尺寸結(jié)構(gòu)，設(shè)計加工配套新減速箱使用的新卷揚低速軸。

2.5 基于PLC的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計

2.5.1 PLC的選擇

PLC用現(xiàn)ECL天車在用AB公司SLC 500小型PLC，具有以下特點：功能強大，模塊式設(shè)計，先進(jìn)的指令集，豐富的輸入輸出模塊;SLC 500抗振性強，耐高溫，抗電磁干擾，專門針對工業(yè)現(xiàn)場惡劣的工作環(huán)境而設(shè)計;RSLOGIX500編程軟件使用簡便，糾錯能力強，可最大程度發(fā)揮控制系統(tǒng)的性能。

2.5.2 電氣接線設(shè)計

為了使改造后的控制系統(tǒng)與原系統(tǒng)兼容，仍然采用原遙控器手柄操作，設(shè)計繪制基于PLC與變頻器聯(lián)合實現(xiàn)對卷揚起升機構(gòu)控制的電氣原理接線圖如圖1所示。

2.5.3 PLC控制程序梯形圖設(shè)計

選用RSLogix 500可編程軟件，根據(jù)使用情況設(shè)計PLC梯形圖，重新編寫基于變頻控制下的PLC控制程序。

3 實施情況、結(jié)語

該項技術(shù)改造現(xiàn)已在我廠200kA系列2#ECL多功能天車上實施完成并投入使用，多年運行下來其故障率低，運行平穩(wěn)，制動安全可靠，維護(hù)簡便，噪音小，真正體現(xiàn)安全高效、節(jié)能環(huán)保，大大提高了12t卷揚提升系統(tǒng)綜合使用性能。本技術(shù)研發(fā)改造在鋁電解ECL多功能天車卷揚提升系統(tǒng)上有很好的推廣應(yīng)用價值，將為同類型改造提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳宗澤，主編.機械設(shè)計師手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[2] 方大千，朱麗寧主編.變頻器、軟啟動器及PLC實用技術(shù)手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2016.