PLC 在起重机卷扬系统中的应用

摘要：目前国内在桥式起重机上使用行星齿轮减速器的企业非常多，行星齿轮减速机的优点是可以解决两台电机转速不同步的问题。但是行星齿轮减速机在高速侧发生故障后，由于差速的关系，在低速侧容易发生溜钩现象，是非常危险的。本文着重介绍了在高速侧发生故障后，如何避免在低速侧发生溜钩事故的解决方案。
关键词：安全生产 桥式起重机 行星齿轮减速机 PLC
    1 前言
　　可编程序逻辑控制器PLC产生于1969年，最初只具备逻辑控制、定时、计数等功能。英文名称为：PROGRAMMABLE LOGICAL CONTROLLER，简称PLC。随着现代电子工业的快速发展，在各个领域的应用越来越广泛，其性能指标也进一步完善，完全适应起重机等工作场所的需要。可编程控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它采用一种可编程序的存储器，在其内部存储、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数、算数运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。它代替了传统的硬接线的逻辑控制电路，实现了生产的自动控制。
　　本文中所涉及的是西门子S7系列PLC，它的特点是体积小、功能强、时间相应快、控制精度高、可靠性好、控制精度可以随工艺而改变同时具有较大的灵活性和可扩展性，因此被广泛应用到机械制造、冶金、交通、电子纺织、印刷等工业领域，作为通用的自动控制设备，它既可以用于单一机电设备的控制，也可用于工艺流程的控制。它易与计算机连接，维修方便，这是传统的继电控制系统远远比不上的。
    2 行星齿轮减速机
    2.1行星齿轮减速机的工作原理
　　行星齿轮减速机的齿轮，它们的转动轴线是不固定的，而是安装在一个可以转动的支架上，行星齿轮除了能象定轴齿轮那样围绕着自己的转动轴转动之外，它们的转动轴还随着支架（称为行星架）绕其它齿轮的轴线转动。绕自己轴线的转动称为"自转"，绕其它齿轮轴线的转动称为"公转"，就象太阳系中的行星那样，因此得名。
　　也如太阳系一样，成为行星齿轮公转中心的那些轴线固定的齿轮被称为"太阳轮"， 在一个行星齿轮上、或者在两个互相固定连接的行星齿轮上通常有两个啮合点，分别与两个太阳轮发生关系。内齿轮轴线与外齿轮轴线重合，也是太阳轮。
    2.2行星齿轮减速机的缺点
　　由于一套行星齿轮无法满足较大的传动比，有时需要二套或三套来满足用户对较大传动比的要求。由于增加了行星齿轮的数量，所以二级或三机减速级的长度会有所增加，效率会有所下降。另外，由于行星齿轮减速机安装有差速器，如果是多台电动机驱动，它可以调节每台电动机在转速上转速差，保证输出的稳定。但是由于差速的原因，当高速侧发生故障后，低速侧就完全失去了控制，因为制动器是安装在高速侧，这是相当危险的，如果这时起重机正在吊运重物，那么重物就会在没有任何保护和制动的情况下，坠落到地面。
　　由于行星齿轮减速机存在的这些缺点，对企业安全生产的影响是非常大的，因此，必须针对它存在的问题，采取必要的措施，以保证企业的安全生产。我厂所属的几部80T以上的大吨位起重机，其起升系统均采用的是行星齿轮减速机，作业任务是吊运液体金属，对其安全性要求相当高，因此国家要求在吊运液体金属的、属于行星齿轮减速机的起重机上安装利用PLC控制的安全制动系统。
    3 解决方案
    3.1方案原理
　　采用可编程控制器及编码器采集电动机和卷筒上的转速信号，通过内部程序进行计算，推导出系统目前是否工作在正常状态，并做出相应的判断。如果出现机械方面故障，首先切断起升机构的电源；同时发出指令，通知卷筒上的液压盘式制动器动作，迅速对卷筒进行制动，来避免安全事故的发生。
    3.2工作原理
　　首先，选择一个（1＃卷筒）卷筒的编码器信号作为基准，每当采集到80个脉冲信号，便将此信号同其他编码器采集到的信号进行比较。如果没有误差或错误，则重新开始下一次计数与比较，如果发现存在误差或错误，就会发出动作信号，控制液压制动器动作将低速的卷筒抱死。
　　1＃卷筒如果 采集并发出80个脉冲信号，那么对应2＃卷筒也应该是80个脉冲信号，我们考虑到机械传动中存在的误差，所以给出了故障动作的信号范围是：≤60或者≥100,即采集信号正常的范围是在60～100个脉冲之间。1＃、2＃卷筒之间做比较，如果这时两个卷筒有一个发生了故障，则脉冲信号的这个对应关系便会被打破，制动器就会动作保护。
　　同时，卷筒和电机的脉冲信号也在做比较，比较计算的数值为：80个脉冲×173.5＝13880个脉冲（注：173.5是减速机减速比）。这是为了检测高速侧的信号，当高速输入出现断轴等故障时，也会打破脉冲信号的对应关系，制动器也会动作保护。同样考虑到机械传动中存在的误差，我们给定的范围是：≤12000或者≥15000，即高速侧的脉冲工作的正常范围是：12000～15000。
　　由于采集的数据比较小，经过我们的计算，得出：若以1＃卷筒为基准，当高速侧发生故障时，反映到卷筒钢丝绳上的长度仅有40cm，可以看出机构的动作是灵敏可靠的。
    3.3硬件组成
　　该系统的硬件组成分为机械部分和电气部分。其中机械部分包括：液压系统、液压盘式制动器、油路等组成； 电气部分包括：西门子S7－200 PLC、差分脉冲编码器、电气控制箱、编程用笔记本电脑、屏蔽电缆线等
    3.4安装及维护
　　由于该系统的特殊作用，因此在安装时要特别的仔细，特别是编码器和油路方面的安装。编码器一共有四个，分别安装在两个卷筒和两台电机上，安装时一定要将编码器固定牢固，否则将会对数据的传输造成很大的影响，另外，在和卷筒与电机的轴连接时要注意，轴的中心要尽可能的在一条直线上，如果安装不好会造成编码器的损坏以及信号传输的错误。其次，在冶金企业里面，环境比较恶劣，所有的电气设备一定做好防尘工作。
　　安全制动器是为了在机械传动故障时，防止起重机发生事故的最后一道防线，因此维护工作是相当重要的，重点应注意以下几点：
    设备的卫生状况要良好；
    检查编码器的工作是否正常；
    PLC的输入输出指示灯，工作良好；
    人为的制造故障，安全制动器是否可以起到保护作用。
    所有的油路和油管连接必须牢固，密封良好。
    4 结束语
　　我们利用了的一段时间在我厂80T以上的起重机上，凡是起升机构是行星齿轮减速机的起重机，全部安装了液压盘式的安全制动器。经过了几年时间的运行，除了个别车辆由于参数设置的不太准确发生了几次误动作以外，其他车辆均运行良好，为企业的安全生产奠定了良好的基础。