基于PLC的变频控制在铝电解ECL多功能天车卷扬提升系统的研究

杨正寿 刘华辉 陶春飞 李云磊

摘 要：采用PLC控制系统+变频器调速系统控制卷扬提升，应用变频器在防停滞、防溜钩和再生能源方面处理技术，精确控制机械、电子设备的运行，使设备运行在安全可靠、高效節能、平稳精确的最佳状态，延长设备使用寿命。

关键词：PLC;变频器;多功能天车;卷扬;提升系统

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）08-0044-03

0 引言

铝电解ECL多功能天车12t卷扬提升系统是用于电解生产出铝作业吊运铝液台包和电解车间其它重物吊运作业的机构，其主要由驱动装置、传动装置、制动器、卷筒、钢丝绳、滑轮组、吊钩等部件组成。铝电解ECL多功能天车属特种设备，其提升系统一旦出现失控故障，将会导致重大安全事故的发生，对现场作业人员的人身安全及生产造成重大影响，故对其安全性能要求较高。

我公司电解200kA系列生产线投产至今已近二十年， 2#ECL多功能天车在使用过程中出现卷扬系统异响、噪声震动大，究其原因主要是由于减速箱内齿轮及齿轮轴磨损大，但减速箱输出轴与轴上齿轮一体设计，输出轴与卷筒中心轴是同一根轴，无法单独购买减速箱进行更换。

1 开发研究背景（存在的问题、现有技术支撑及总体思路）

1.1 存在的问题

原用卷扬提升系统存在以下问题：（1）系统运行冲击大。（2）当初ECL公司匹配使用的是非标减速箱，减速箱输出轴与卷筒轴设计为一体，导致维护修理不方便。

1.2 现有技术支撑

现有传动技术采用变频调速，通过对电压、电流、频率、相位等进行变换，可体现以下几方面优势：（1）调频调速、软启软停、高效节能。变频器具有调频调速、软启软停、力矩补偿和多种保护功能，可实现设备精准调速、电动机软启动和软停车，使设备运行更加安全平稳，极大提高设备安全平稳运行可靠性，进而提高设备使用寿命，降低故障率;使用变频器，还能有效节约用电，启动时是从0HZ起动，电压、电流缓慢上升，对电源回路无冲击，普通控制方式下电动机启动电流是其额定电流的5-7倍，对电源回路冲击很大。（2）制动性能更优。由于采用反馈制动方式，大大提升了设备制动性能，制动运行更加安全可靠。（3）可实现计算机联网控制。由于变频器有RS485（RS422）通讯接口，能与计算机实现联网控制。

1.3 总体思路

综合分析以上因素，考虑从以下几个方面进行技术改造：（1）购买新的标准国产化减速箱，对原ECL减速箱进行改型;（2）对卷扬轴进行改型设计以适应其与新减速箱对接;（3）选用变频控制技术以解决运行过程冲击过大问题;（4）运用天车现有PLC控制系统，组建基于PLC控制的变频调速控制系统。

2 方案设计、验算

2.1 力矩计算

零部件的选择计算与力矩有关。如平稳上升阶段力矩与选择电机有关;而平稳下降和下降制动阶段力矩又将决定制动器的选择。

2.1.1 平稳上升阶段

平稳上升就是等速起升载荷，这时卷筒上的载荷力矩Mza为：

2.1.2 平稳下降阶段

平稳下降就是等速下降重物，为了防止重物自由下落，通常采用电动机的反接制动法，使载荷在可控速度状态下降。此时电动机所产生的制动力矩等于载荷下降时的静阻力矩，即：

2.1.3 上升起动阶段

上升起动时，重物由静止到达额定起升速度，其中需要经过一个加速过程，此时电动机除了要克服静阻力矩外，还要克服重物惯性冲击所产生的惯性力矩，故起动力矩为：

2.1.4 下降制动阶段

下降制动时，重物惯性力矩与自重力矩方向一致，所需制动力矩最大，此时加在制动器轴上的制动力矩除了要克服重物静阻力矩外，还要克服由重物运动的惯性冲击所产生的力矩，故制动力矩应为;

2.2 变频电机选择

计算机构起升额定起重量时的静载荷功率Nj：

根据Nj查电动机产品目录选取电动机相应于机构JC%值时的额定功率Ns。并满足下式：

最后选用SEW公司DFV180M4/BM制动电机，该电机制动器与电机合二为一，并通过联接法兰及联轴器与减速箱直接相连，安装维护简便，并能免去高速轴外装制动盘安装与维护的麻烦。

2.3 变频器选择

2.3.1 变频调速技术

变频调速是通过改变电动机定子电源频率从而改变其同步转速的调速方式。变频调速系统的主要设备是提供变频电源的变频器。变频调速有较好的运行特性，调速范围宽、精度高，节能效果显著，能实现稳定的低速运行，启、停过程平稳，定位准确，且在负载波动较大时速度无明显变化，是目前调速应用的主流。起升机构采用变频调速系统可极大提高其综合使用性能。

2.3.2 卷扬起升机构对变频调速的要求

卷扬起升机构是用于拖动重物作上升或下降的垂直运动，主要由电动机、减速装置、卷筒和制动器组成。其对电力拖动及调速系统的要求有：（1）对调速范围要求：空钩或轻载时，运行速度稍快，重载时则应慢;（2）当起重物体下降时，电动机处于再生制动状态，对于再生制动的电能，必须能够妥善处理;（3）起升机构中电动机轴上必须加装安全、可靠的制动装置;（4）重物升降启动或制动时，要求制动器与电动机动作必须紧密配合，防止溜钩。

2.3.3 变频器选型

变频器选型时需确定以下几方面因素：（1）采用变频的目的（恒压控制或恒流控制等）;（2）变频器的负载类型;（3）变频器与负载的匹配问题：电压、电流、转矩匹配;（4）用于高速电机驱动的变频器，其容量要稍大于普通电机选型;（5）变频器是否长电缆使用或有特殊应用场合，为避免输出功率不足，变频器容量要放大一档或在变频器的输出端安装输出电抗器。

基于此，变频器选择SEW型号为：MC07B300-5O3-4-00的产品。

2.4 减速箱选择

2.4.1 减速箱选型

选用SEW型号为：MC3PLHF05减速机，该产品具有：（1）传动比分级精细;（2）结构紧凑，安装空间小;（3）用途广泛、设计精巧、可靠耐用;（4）可与不同功能附件进行组合，满足任何传动条件的需求;（5）噪声低。参数如下：

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 校核减速器输出轴的强度

①最大径向力：

②最大力矩：

2.4.3 低速轴设计

通过拆卸测绘原用2#天车卷扬低速轴尺寸，并结合现所选减速箱及旧卷筒尺寸结构，设计加工配套新减速箱使用的新卷扬低速轴。

2.5 基于PLC的变频调速控制系统设计

2.5.1 PLC的选择

PLC用现ECL天车在用AB公司SLC 500小型PLC，具有以下特点：功能强大，模块式设计，先进的指令集，丰富的输入输出模块;SLC 500抗振性强，耐高温，抗电磁干扰，专门针对工业现场恶劣的工作环境而设计;RSLOGIX500编程软件使用简便，纠错能力强，可最大程度发挥控制系统的性能。

2.5.2 电气接线设计

为了使改造后的控制系统与原系统兼容，仍然采用原遥控器手柄操作，设计绘制基于PLC与变频器联合实现对卷扬起升机构控制的电气原理接线图如图1所示。

2.5.3 PLC控制程序梯形图设计

选用RSLogix 500可编程软件，根据使用情况设计PLC梯形图，重新编写基于变频控制下的PLC控制程序。

3 实施情况、结语

该项技术改造现已在我厂200kA系列2#ECL多功能天车上实施完成并投入使用，多年运行下来其故障率低，运行平稳，制动安全可靠，维护简便，噪音小，真正体现安全高效、节能环保，大大提高了12t卷揚提升系统综合使用性能。本技术研发改造在铝电解ECL多功能天车卷扬提升系统上有很好的推广应用价值，将为同类型改造提供参考。

参考文献

[1] 吴宗泽，主编.机械设计师手册[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2] 方大千，朱丽宁主编.变频器、软启动器及PLC实用技术手册[M].北京：化学工业出版社，2016.