電氣工程自動化技術(shù)在電氣多功能機組中的應(yīng)用

張哲燁

摘 要：進入新世紀以后，社會經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的進步促進了電氣工程及其自動化技術(shù)有了新的發(fā)展和突破，電氣工程及其自動化技術(shù)已經(jīng)成為了當前新世紀國家科學(xué)技術(shù)水平的最新標志。電氣工程和自動化技術(shù)已廣泛應(yīng)用于所有生活領(lǐng)域，對電力工程領(lǐng)域產(chǎn)生了至關(guān)重要的影響，并將電力工程技術(shù)的發(fā)展引向了更具智能的道路，很多需要人工操作的工作，通過電氣工程自動化技術(shù)就能自動完成，危險性大大的降低，縮短勞動時間和減輕工人勞動強度，大幅提高工作效率，節(jié)約勞動生產(chǎn)成本。鋁電解生產(chǎn)所運用到的電氣多功能機組完全是由電氣工程自動化技術(shù)實現(xiàn)。電氣多功能裝置是廣泛用于鋁制解鋁生產(chǎn)的機電設(shè)備之一，在電解鋁生產(chǎn)中發(fā)揮著非常重要的作用。多功能電氣設(shè)備在電解鋁生產(chǎn)中，所處的環(huán)境為高溫，高磁場，高粉塵。它的驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等完全由同步電機，變壓器，空開，電磁閥，變頻器，PLC程序技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：電氣自動化;多功能機組;鋁電解

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）05-0128-05

Application of Electrical Engineering Automation Technology in Electrical Multifunctional Unit

Zhang Zheye

（Jinshan College of Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou 350119， China ）

Abstract：After entering the new century， the progress of social economy and science and technology has promoted new development and breakthroughs in electrical engineering and its automation technology. Electrical engineering and its automation technology have become the latest symbol of the current national science and technology level in the new century. Electrical engineering and its automation technology have been widely used in all walks of life， and had an extremely important impact on the field of electrical engineering， leading the development of electrical engineering technology to a more intelligent road. Many tasks that require manual operation can be automatically completed through electrical engineering automation technology， which greatly reduces the risk， shortens labor time and reduces labor intensity， work efficiency is greatly improved， and labor and production costs are saved. The electrical multifunctional unit used in aluminum electrolysis production is completely realized by electrical engineering automation technology. Electrical multifunctional unit is one of the electrical machinery equipment widely used in aluminum electrolysis production， and it plays an extremely important role in electrolytic aluminum production. In the production of electrolytic aluminum， the electric multifunctional unit is exposed to high temperature， high magnetic field and high dust. Its drive system and control system are completely realized by synchronous motors， transformers， air switches， solenoid valves， frequency converters， PLC program technology and network technology.

Key words：electrical automation; multi-function unit; aluminum electrolysis

1 電氣多功能機組中三相驅(qū)動電機

1.1 異步電機的概念和基本機構(gòu)

異步電動機也稱電磁感應(yīng)電動機，是由空極旋轉(zhuǎn)磁場與旋電子線圈電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)電機能源轉(zhuǎn)換的一種交流電機。

異步電動機的基本結(jié)構(gòu)分為兩部分，固定部分為定子字，旋轉(zhuǎn)部分為轉(zhuǎn)子，在定子和轉(zhuǎn)子之間具有一定的氣隙。

1.2 異步電機的工作原理

電動機的工作原理是，電動機的三相固定線圈連接到三相交流，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)磁場截斷旋轉(zhuǎn)電子線圈，并讓旋轉(zhuǎn)電子線圈產(chǎn)生電流。回電子導(dǎo)體是由固子旋轉(zhuǎn)磁場的作用產(chǎn)生電磁力的。在馬達的軸上形成電磁體驅(qū)動馬達轉(zhuǎn)動，馬達的旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)磁場的方向相同。

1.3 電機在電氣多功能機組中的作用和特點

電機在多功能機組的作用比較多，有多功能機組大車驅(qū)動電機、工具小車驅(qū)動電機和出鋁小車驅(qū)動電機，空壓機加載旋轉(zhuǎn)電機，液壓站電機，2×25t母線提升固定吊升降電機，出鋁車上的出鋁鉤（32t）升降電機，出鋁車上的檢修吊（3t）鋼絲繩升降電機，下料管升降電機，清理鏟鋼絲繩升降電機，駕駛室旋轉(zhuǎn)電機。它們各個設(shè)備所使用的電機的型號大小各不相同。多功能機組的大車是由兩個電機作為主動輪提供牽引動力，六個輪子作為輔助輪，外加兩個水平輪導(dǎo)向在軌道上行走。工具小車電機和出鋁小車電機它們工作原理上和大車是一樣的，唯一的區(qū)別就是電機的型號和大小不同?？諌簷C電機主要是為壓縮空氣提供動力，電機性能特別好的，因為它工作量大，頻繁啟動。液壓站電機主要為工具車各機構(gòu)升降提供動力。2×25t母線提升固定吊升降電機，32t出鋁鉤升降電機，3t檢修吊升降電機，下料管升降電機，清理鏟升降電機，它們都是通過電機旋轉(zhuǎn)緊松鋼絲繩來升降機構(gòu)。

其特點：

（1）起動、制動和反轉(zhuǎn)頻繁。

（2）定、動系統(tǒng)要穩(wěn)定，動力驅(qū)動能量高。

（3）經(jīng)常承受過載。

（4）經(jīng)常承受機構(gòu)設(shè)備震動與沖擊，具有較強的機械強度。

（5）工作環(huán)境惡劣，如多灰塵，其防護型式為封閉型。

（6）電動機中轉(zhuǎn)子加速要快，盡量減少磨損。

（7）滿足最大力矩的需要，可以承受較大重力下移動方便。

（8）具有高效率、低噪聲、振動小、重量輕、溫控低、性能可靠、易于安裝維護等優(yōu)點。

2 電氣多功能機組中電氣PLC技術(shù)

隨著現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，由于微處理器和微電子技術(shù)的發(fā)展，由PLC （Programmable logic controller）控制的控制系統(tǒng)已經(jīng)成熟。現(xiàn)代預(yù)焙陽極電解鋁是陽極電解鋁生產(chǎn)的主要裝備鋁電解鋁多功能裝置在鋁電解鋁電解鋁的高磁場和高粉塵的惡劣環(huán)境下運行，提高安全的啟動效率，降低鋁電解鋁的生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。利用PLC可控功能強大，應(yīng)用靈活，編譯簡單，穩(wěn)定性高，抗磁場干擾能力強等諸多優(yōu)點，是提高機組電氣控制技術(shù)的理想解決方案。

2.1 PLC在多功能機組中的特點

應(yīng)用靈活、編譯簡單， PLC可編程序控制系統(tǒng)是一種已經(jīng)系列化產(chǎn)品，功能模塊種類繁多，控制程序改編簡易。而鋁電解多功能機組是一種具有多種作業(yè)功能的設(shè)備，隨時都會因為工作需要而對設(shè)備的某些功能做出調(diào)整，來提高工作效率。PLC可編程序可以在線修改，也可以離線修改。

抗磁場干擾能力強、穩(wěn)定性高，電解鋁生產(chǎn)車間環(huán)境比較惡劣，屬于高磁場高粉塵，一般微機控制功能雖然強大，但是它在電解鋁廠房高磁場環(huán)境抗磁場干擾能力差，沒有PLC控制系統(tǒng)抗磁場能力強。還有就是車間供電的電力波動，由于設(shè)備的機械振動，工作場所溫度差異的影響以及環(huán)境濕度的變化，控制電腦可能無法正常工作?，F(xiàn)有的接力或接觸器控制系統(tǒng)具有強大的反干涉功能，但由于很多機械接口容易磨損和消除磨損，會影響到它的壽命，從而系統(tǒng)會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，會給生產(chǎn)和檢修維護帶來很多不必要的麻煩。PLC可編程序是采用微型電子技術(shù)，多功能機組上的好多元器件被程序所替代，硬件和軟件抗干擾性強，能適應(yīng)鋁電解惡劣環(huán)境下的強烈磁場等干擾，同時它具有故障診斷能力。

2.2 在電氣多功能機組的應(yīng)用

2.2.1 設(shè)備現(xiàn)狀

榆林新材料鋁業(yè)分公司現(xiàn)在使用的鋁電解多功能機組大體結(jié)構(gòu)是由三梁大車、工具小車、出鋁小車3部分組成。其中包括共有一臺空氣壓縮機、液壓站循環(huán)泵電機（BYG28-02-02-00 ）、2臺25T固定吊吊鉤、一臺3T檢修吊吊鉤、一臺32T出鋁吊鉤、一個駕駛室、兩個下料系統(tǒng)、兩個陽極機構(gòu)組成多功能機組。主要完成打殼、更換陽極、下料、出鋁、提升陽極母線和吊運東西等作業(yè)。由于鋁電解多功能機組長期處在高溫、高磁場、高粉塵、高HF煙氣的惡劣環(huán)境中，傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制方式在某些關(guān)鍵控制領(lǐng)域，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在復(fù)雜控制系統(tǒng)，因此選用結(jié)構(gòu)簡單、控制功能強大、應(yīng)用靈活、編譯方便、穩(wěn)定性高、抗磁場干擾能力強的PLC系統(tǒng)，作為鋁電解多功能機組的控制系統(tǒng)，是解決當前問題的最優(yōu)方案。我們公司多功能機組中所使用的PLC型號為A-B 17695000系列PLC，它分為3個部分，分別在大梁主配電室、工具車廂配電室和駕駛室配電室。PLC主站放在大梁配電室，主機架和從機架之間采用ControlNet通信，主站和從站之間采用以太網(wǎng)通信，觸摸屏和PLC之間也采用以太網(wǎng)通信。

2.2.2 PLC系統(tǒng)設(shè)計

全面解析鋁材生產(chǎn)技術(shù)與上解鋁材生產(chǎn)使用多功能裝置，通過多功能裝置等安全的運行，分類多功能裝置各組織的工作條件和組織間的邏輯關(guān)系。

（1）信號的組合與優(yōu)化。組合各小車的選擇和行走動作、組合各機構(gòu)的選擇和操作動作、各組合和操作動作的優(yōu)化。

（2）全車整體的主戰(zhàn)電源控制和啟動，還將對事故進行緊急處理。

（3）大車和各小車的安全運行。如果大車和小車的駕駛要求增減，為防止急劇的速度變化帶來的沖擊，齒輪間的變速會自動受到限制。手推車必須在離工廠終端6米遠的地方自動卸載并減速。兩米自動地冷下來。每個轉(zhuǎn)盤自動減速至減速位置，到達車站后又自動發(fā)冷。

（4）空壓機的安全運行。自動載荷控制，油冷卻系統(tǒng)和壓縮空氣冷卻系統(tǒng)的控制，系統(tǒng)過熱，自動超壓保護及錯誤反饋。壓縮機、冷卻系統(tǒng)及消塵系統(tǒng)的發(fā)動機超負荷保護及錯誤反饋。

（5）液壓站的安全運行。主機，冷卻泵和加熱器的控制及超載，系統(tǒng)壓力控制和控制，系統(tǒng)流控制和控制，工具機制的回轉(zhuǎn)控制，系統(tǒng)壓力限制和過熱保護以及故障反饋。

（6）吊鉤的安全運行。吊椅雙速發(fā)動機的正/反轉(zhuǎn)及齒輪控制、吊椅剎車控制、升降容量與重量以及無重力保護、升降超級高發(fā)動機的邏輯啟動、終點站回轉(zhuǎn)、減速回放及升降動作、發(fā)動機超負荷保護及錯誤反饋。

（7）工具車各機構(gòu)的安全運行。陽極機構(gòu)控制和升降限壓保護，打殼機構(gòu)控制和升降保護，下料機構(gòu)升降和電機過載保護與故障反饋，清理鏟升降和電機過載保護與故障反饋，各機構(gòu)最多允許一個機構(gòu)離開上限位。

（8）輸入條件的邏輯運算結(jié)果和輸出點的對應(yīng)。控制信號被轉(zhuǎn)換成二進制表，傳感器信號被轉(zhuǎn)換成二進制表，邏輯運算過程被保存在整數(shù)位表上，邏輯運算結(jié)果則保存在整數(shù)位表上，邏輯運算結(jié)果則轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的輸出點。

2.3 PLC在多功能機組中應(yīng)用的好處

隨著電子自動化科技的發(fā)展，PLC被現(xiàn)代工業(yè)自動化控制企業(yè)廣泛使用，對提高工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)及企業(yè)效益大有幫助。鋁制解壓多功能裝置的控制模式及功能構(gòu)成有了很大改善，傳統(tǒng)的接力控制系統(tǒng)已無法滿足現(xiàn)代企業(yè)的生產(chǎn)需求。PLC技術(shù)在鋁電解多功能機組上應(yīng)用很好解決了這個問題。PLC具有可靠性高 ，抗磁場干擾能力強，應(yīng)用靈活，編程方便，控制系統(tǒng)改進和維護方便。我公司的鋁電解多功能機組均采用PLC控制系統(tǒng)，整機應(yīng)用電氣控制程序，最直觀的感受就是為工人減輕了工作勞動強度，為了我公司鋁電解生產(chǎn)提高了效率。

3 電氣多功能機組中絕緣檢測報警裝置

3.1 絕緣檢測報警裝置

絕緣檢測裝置就是一種檢測和控制兩點或兩個機構(gòu)的之間電阻值的安全裝置，為了確保設(shè)備安全正常運行，確保操作人員不必因設(shè)備漏電而受到傷害，是通過單片機控制的一種安全裝置。主要由供電電路、PLC控制電路、檢測電路、顯示操作面板、報警電路、單片機控制器等組成。

3.2 公司多功能機組的絕緣檢測系統(tǒng)

榆林新材料鋁業(yè)電解鋁多功能機組的絕緣測試儀采用新型單片機控制及液晶顯示技術(shù)，外型小巧美觀，適合在對鋁電解廠多功能起重機上各部分間的絕緣情況進行監(jiān)視和測試，具有多路輪流檢測，故障和報警輸出，絕緣電阻值顯示，串行通訊，故障記錄，中/英文顯示等多種功能。

3.2.1 功能簡述

對電壓達到690VDC或690VAC（頻率40～400Hz）的（IT-DC或IT-AC分布式網(wǎng)絡(luò)）浮地系統(tǒng)進行絕緣監(jiān)視和測量;

可自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的泄漏電容值到30F（150F）;

可調(diào)節(jié)測試值范圍為10～3000KΩ;

具有故障和報警復(fù)位外部端子輸入（2個）;

兩個常開/常閉信號輸出，可以作為故障或報警輸出;

8個繼電器可切換和選擇外部8路的絕緣測試;

8個數(shù)字輸入與繼電器驅(qū)動的接觸器輸入作為反饋信號輸入;

外部輔助電壓為100～230VAC輸入，頻率為50Hz或60Hz。

3.2.2 主要技術(shù)指標

1. 電源電壓：110～220VAC，50或60Hz;

2. 輸入：電阻性負載;

3. 輸出：無源觸點輸出，250V/2A;檢測電壓交流110V整流后的直流電壓155V;

4. 功率：50W;

5. 環(huán)境溫度：0～50oC;

6. 測量值顯示范圍：0～3000KΩ;

7. 測量精度：2%;

8. 外型尺寸：300×110×60（mm）;

9. 安裝尺寸：290×100（mm）或者導(dǎo)軌安裝;

10.重量：1.2kg。

3.3 機組絕緣面板操作和機組檢測點

外部檢測

1：出鋁小車對大梁

2：1#固定吊對大梁

3：2#固定吊對大梁

4：工具小車對大梁

5：駕駛室對工具小車

當多功能機組發(fā)生絕緣破壞時，PLC控制系統(tǒng)將強制停止多功能機組各個功能部件一切運行，全車發(fā)出報警信號，此時只有將駕駛室內(nèi)的絕緣強制控制開關(guān)關(guān)閉，大車小心的開至檢修位置，聯(lián)系維修人員到達現(xiàn)場處理故障.只有維修人員找出絕緣故障位置并作好絕緣故障處理，絕緣檢測儀停止報警，多功能機組整車才能繼續(xù)作業(yè)，此技術(shù)有力的保證了人員、設(shè)備的安全。

4 電氣多功能機組中限位器

4.1 多功能機組中限位器

鋁電解多功能機組中的限位器是一種為了保護多功能機組各機構(gòu)安全運行及其使用者安全的安全裝置。

4.2 多功能機組中限位器的種類和作用

超載限位器，是一種能夠阻止吊鉤超負荷運行的安全保險裝置。當起吊物體超過吊鉤額定起吊重量時，超載限位器立即自動切斷提升機構(gòu)的電源并發(fā)出警報，阻止起吊動作。在多功能機組中主要用于母線提升固定吊機構(gòu)、檢修吊機構(gòu)和出鋁鉤機構(gòu)，為了防止吊物超重將其鋼絲繩拉斷，造成設(shè)備損壞和人員傷亡。

吊鉤高度限位器，是一種位置限制限位器，一般都裝在吊鉤的頭部，當?shù)蹉^滑升到極限位置，便托起杠桿，壓下限位開關(guān)，切斷電路，再合閘時，吊鉤只能下降不能上升。在多功能機組中主要用于母線提升固定吊機構(gòu)、檢修吊機構(gòu)和出鋁鉤機構(gòu)，為了防止提升過程，超過位損壞設(shè)備。

行程限制器，一種防止多功能機組發(fā)生兩車相撞提前減速和停止，或限制在一定范圍內(nèi)行駛的安全保險裝置。在多功能機組中用于大車運行時，為了防止與前后相鄰車輛發(fā)生碰撞，或者與端梁發(fā)生碰撞，提前做好減速和停止。還有工具小車和出鋁小車左右行駛與端梁發(fā)生碰撞，以致提前減速和暫停。還有主配電柜和各個檢修門限位，駕駛室護欄門限位，此限位的作用就是為了防止檢修操作后忘記關(guān)閉，或者防止操作員不小心掉下，當其為關(guān)閉時，整車無法動作。

極限限位器，是保護升降機構(gòu)安全運行的上升極限限位器和下降極限限位器。當升降機構(gòu)和運行機構(gòu)到達設(shè)定位置時，極限位置限制器應(yīng)及時發(fā)出停止和報警信號，同時自動切斷向危險方向運行的電源。在多功能機組中用于打殼機構(gòu)、陽極提升機構(gòu)、下料管升降機構(gòu)、清理鏟升降機構(gòu)等，控制機構(gòu)的上升與下降，并且達到一定極限限位停止工作。

5 鋁電解多功能機組供電回路

5.1 鋁電解多功能機組供電引入方式

鋁電解生產(chǎn)車間是一個高溫，高磁場，高粉塵，大電流等，生產(chǎn)環(huán)境條件比較惡劣，再加上鋁電解多功能機組是一耗電量比較大的生產(chǎn)設(shè)備，所以鋁電解車間多功能機組供電技術(shù)也是需要相當嚴格和謹慎的。電解鋁多功能機組通過滑觸線將三相AC380V電源引入設(shè)備，通過熔斷器箱后將電源引致主斷路器=01-Q10的上端。采用四根滑觸線的好處是，以防萬一其中某條滑觸線出現(xiàn)故障，可以第一時間利用備用滑觸線為多功能機組供電，降低滑觸線故障所受的影響?？紤]到金屬導(dǎo)體容易受溫度影響產(chǎn)生熱脹冷縮，滑觸線導(dǎo)電不利，特別采用溫度影響不大的銅質(zhì)材質(zhì)作為導(dǎo)線。

5.2 鋁電解多功能機組配電

電解鋁多功能機組供電，是由公司電力供電部門通過三相四線的銅質(zhì)滑觸線架設(shè)到每個車間每個工區(qū)固定的墻壁一側(cè)，以方便為多功能機組提供電源，每個工區(qū)有相對應(yīng)滑觸線的檢修控制開關(guān)。再通過多功能機組上的銅質(zhì)滑觸線滑刀繼電器將電源送入機組總電源，再從總電源將電力送入多功能機組頂部機組總變電器。變壓器將380V電力變成380V/220V/36V。

380V主要為機組的大車行走電機、工具車行走電機、出鋁車行走電機、空壓機電機、液壓站旋轉(zhuǎn)電機、出鋁鉤升降電機、檢修吊電機，駕駛室旋轉(zhuǎn)電機、母線提升固定吊提升電機、主配電柜等供電。

220V配電為防冷凝加熱器、主配電柜照明、主配電柜PLC控制系統(tǒng)，駕駛室空調(diào)、空壓機、控制電源、梁下照明和各機構(gòu)的限位器等供電。

36V用于各個微型控制開關(guān)，和駕駛室操作控制手柄，以實現(xiàn)弱電控制強電的效果。

6 結(jié)論

通過此次對鋁電解多功能機組中電氣自動化技術(shù)在其應(yīng)用的詳細了解，我對電氣自動化技術(shù)有了新的認識。電氣工程及其自動化技術(shù)不光在電氣工程領(lǐng)域中有所應(yīng)用，在我們?nèi)粘Ｉ詈蜕a(chǎn)中時時刻刻能夠見到。希望未來電氣工程及其自動化技術(shù)能夠有更好的發(fā)展，真正實現(xiàn)人工智能。鋁電解多功能機組在此基礎(chǔ)上能夠?qū)崿F(xiàn)智能操作，智能檢測，智能維護，真正實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)時代，為企業(yè)后期設(shè)備的保養(yǎng)與維護提供更直觀的感受，為企業(yè)節(jié)約更多的成本，釋放員工勞動力。

參考文獻

[1]梁俊彥， 李玉翔， 林樹忠.機電一體化技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J]. 科技資訊，2007，7（025）：53-54.

[2]王永華. 現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)（第3版） [J].中國科技信息，2013（21）：88-88.

[3]羅克韋爾自動化有限公司.SLC500模塊化硬件結(jié)構(gòu)安裝和操作手冊[Z].2002.

[4]陳宇，段鑫.可編程控制器基礎(chǔ)及編程技巧[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2002.

[5] 潘玉倉.智能絕緣監(jiān)測裝置在鋁電解多功能天車的應(yīng)用[J].材料與冶金學(xué)報，2010（03）：43-45.

[6]張耀海.法國易賽爾電解多功能機組絕緣檢測技術(shù)[J].鋁鎂通訊，2014（001）：36-40.

[7]劉紅楓.鋁電解多功能機組技術(shù)發(fā)展淺析[J].有色設(shè)備， 2015（01）：1-3.

[8]劉曉濤，柴小馬，張備戰(zhàn).PLC在鋁電解多功能機組上的應(yīng)用[J].科技與生活，2012（20）：122-123.

[9]孟曉寶.淺析鋁電解用多功能機組絕緣檢測系統(tǒng)[J].海峽科技與產(chǎn)業(yè)，2017（01）：36-40

[10]李會勤，李姿之.冶金起重機[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[11]孫傲，馬小平.電解鋁多功能機組電控系統(tǒng)[J].重工與起重技術(shù)，2014（03）：11-12.