电气工程自动化技术在电气多功能机组中的应用

张哲烨

摘 要：进入新世纪以后，社会经济和科学技术的进步促进了电气工程及其自动化技术有了新的发展和突破，电气工程及其自动化技术已经成为了当前新世纪国家科学技术水平的最新标志。电气工程和自动化技术已广泛应用于所有生活领域，对电力工程领域产生了至关重要的影响，并将电力工程技术的发展引向了更具智能的道路，很多需要人工操作的工作，通过电气工程自动化技术就能自动完成，危险性大大的降低，缩短劳动时间和减轻工人劳动强度，大幅提高工作效率，节约劳动生产成本。铝电解生产所运用到的电气多功能机组完全是由电气工程自动化技术实现。电气多功能装置是广泛用于铝制解铝生产的机电设备之一，在电解铝生产中发挥着非常重要的作用。多功能电气设备在电解铝生产中，所处的环境为高温，高磁场，高粉尘。它的驱动系统和控制系统等完全由同步电机，变压器，空开，电磁阀，变频器，PLC程序技术和网络技术等实现。

关键词：电气自动化;多功能机组;铝电解

中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：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 電气多功能机组中三相驱动电机

1.1 异步电机的概念和基本机构

异步电动机也称电磁感应电动机，是由空极旋转磁场与旋电子线圈电流相互作用产生电磁转矩，实现电机能源转换的一种交流电机。

异步电动机的基本结构分为两部分，固定部分为定子字，旋转部分为转子，在定子和转子之间具有一定的气隙。

1.2 异步电机的工作原理

电动机的工作原理是，电动机的三相固定线圈连接到三相交流，产生旋转磁场。旋转磁场截断旋转电子线圈，并让旋转电子线圈产生电流。回电子导体是由固子旋转磁场的作用产生电磁力的。在马达的轴上形成电磁体驱动马达转动，马达的旋转方向与旋转磁场的方向相同。

1.3 电机在电气多功能机组中的作用和特点

电机在多功能机组的作用比较多，有多功能机组大车驱动电机、工具小车驱动电机和出铝小车驱动电机，空压机加载旋转电机，液压站电机，2×25t母线提升固定吊升降电机，出铝车上的出铝钩（32t）升降电机，出铝车上的检修吊（3t）钢丝绳升降电机，下料管升降电机，清理铲钢丝绳升降电机，驾驶室旋转电机。它们各个设备所使用的电机的型号大小各不相同。多功能机组的大车是由两个电机作为主动轮提供牵引动力，六个轮子作为辅助轮，外加两个水平轮导向在轨道上行走。工具小车电机和出铝小车电机它们工作原理上和大车是一样的，唯一的区别就是电机的型号和大小不同。空压机电机主要是为压缩空气提供动力，电机性能特别好的，因为它工作量大，频繁启动。液压站电机主要为工具车各机构升降提供动力。2×25t母线提升固定吊升降电机，32t出铝钩升降电机，3t检修吊升降电机，下料管升降电机，清理铲升降电机，它们都是通过电机旋转紧松钢丝绳来升降机构。

其特点：

（1）起动、制动和反转频繁。

（2）定、动系统要稳定，动力驱动能量高。

（3）经常承受过载。

（4）经常承受机构设备震动与冲击，具有较强的机械强度。

（5）工作环境恶劣，如多灰尘，其防护型式为封闭型。

（6）电动机中转子加速要快，尽量减少磨损。

（7）满足最大力矩的需要，可以承受较大重力下移动方便。

（8）具有高效率、低噪声、振动小、重量轻、温控低、性能可靠、易于安装维护等优点。

2 电气多功能机组中电气PLC技术

随着现代控制理论的应用，由于微处理器和微电子技术的发展，由PLC （Programmable logic controller）控制的控制系统已经成熟。现代预焙阳极电解铝是阳极电解铝生产的主要装备铝电解铝多功能装置在铝电解铝电解铝的高磁场和高粉尘的恶劣环境下运行，提高安全的启动效率，降低铝电解铝的生产成本，提高生产效率。利用PLC可控功能强大，应用灵活，编译简单，稳定性高，抗磁场干扰能力强等诸多优点，是提高机组电气控制技术的理想解决方案。

2.1 PLC在多功能机组中的特点

应用灵活、编译简单， PLC可编程序控制系统是一种已经系列化产品，功能模块种类繁多，控制程序改编简易。而铝电解多功能机组是一种具有多种作业功能的设备，随时都会因为工作需要而对设备的某些功能做出调整，来提高工作效率。PLC可编程序可以在线修改，也可以离线修改。

抗磁场干扰能力强、稳定性高，电解铝生产车间环境比较恶劣，属于高磁场高粉尘，一般微机控制功能虽然强大，但是它在电解铝厂房高磁场环境抗磁场干扰能力差，没有PLC控制系统抗磁场能力强。还有就是车间供电的电力波动，由于设备的机械振动，工作场所温度差异的影响以及环境湿度的变化，控制电脑可能无法正常工作。现有的接力或接触器控制系统具有强大的反干涉功能，但由于很多机械接口容易磨损和消除磨损，会影响到它的寿命，从而系统会影响系统的稳定性，会给生产和检修维护带来很多不必要的麻烦。PLC可编程序是采用微型电子技术，多功能机组上的好多元器件被程序所替代，硬件和软件抗干扰性强，能适应铝电解恶劣环境下的强烈磁场等干扰，同时它具有故障诊断能力。

2.2 在电气多功能机组的应用

2.2.1 设备现状

榆林新材料铝业分公司现在使用的铝电解多功能机组大体结构是由三梁大车、工具小车、出铝小车3部分组成。其中包括共有一台空气压缩机、液压站循环泵电机（BYG28-02-02-00 ）、2台25T固定吊吊钩、一台3T检修吊吊钩、一台32T出铝吊钩、一个驾驶室、两个下料系统、两个阳极机构组成多功能机组。主要完成打壳、更换阳极、下料、出铝、提升阳极母线和吊运東西等作业。由于铝电解多功能机组长期处在高温、高磁场、高粉尘、高HF烟气的恶劣环境中，传统的继电器-接触器控制方式在某些关键控制领域，已经不能满足现在复杂控制系统，因此选用结构简单、控制功能强大、应用灵活、编译方便、稳定性高、抗磁场干扰能力强的PLC系统，作为铝电解多功能机组的控制系统，是解决当前问题的最优方案。我们公司多功能机组中所使用的PLC型号为A-B 17695000系列PLC，它分为3个部分，分别在大梁主配电室、工具车厢配电室和驾驶室配电室。PLC主站放在大梁配电室，主机架和从机架之间采用ControlNet通信，主站和从站之间采用以太网通信，触摸屏和PLC之间也采用以太网通信。

2.2.2 PLC系统设计

全面解析铝材生产技术与上解铝材生产使用多功能装置，通过多功能装置等安全的运行，分类多功能装置各组织的工作条件和组织间的逻辑关系。

（1）信号的组合与优化。组合各小车的选择和行走动作、组合各机构的选择和操作动作、各组合和操作动作的优化。

（2）全车整体的主战电源控制和启动，还将对事故进行紧急处理。

（3）大车和各小车的安全运行。如果大车和小车的驾驶要求增减，为防止急剧的速度变化带来的冲击，齿轮间的变速会自动受到限制。手推车必须在离工厂终端6米远的地方自动卸载并减速。两米自动地冷下来。每个转盘自动减速至减速位置，到达车站后又自动发冷。

（4）空压机的安全运行。自动载荷控制，油冷却系统和压缩空气冷却系统的控制，系统过热，自动超压保护及错误反馈。压缩机、冷却系统及消尘系统的发动机超负荷保护及错误反馈。

（5）液压站的安全运行。主机，冷却泵和加热器的控制及超载，系统压力控制和控制，系统流控制和控制，工具机制的回转控制，系统压力限制和过热保护以及故障反馈。

（6）吊钩的安全运行。吊椅双速发动机的正/反转及齿轮控制、吊椅刹车控制、升降容量与重量以及无重力保护、升降超级高发动机的逻辑启动、终点站回转、减速回放及升降动作、发动机超负荷保护及错误反馈。

（7）工具车各机构的安全運行。阳极机构控制和升降限压保护，打壳机构控制和升降保护，下料机构升降和电机过载保护与故障反馈，清理铲升降和电机过载保护与故障反馈，各机构最多允许一个机构离开上限位。

（8）输入条件的逻辑运算结果和输出点的对应。控制信号被转换成二进制表，传感器信号被转换成二进制表，逻辑运算过程被保存在整数位表上，逻辑运算结果则保存在整数位表上，逻辑运算结果则转换成相应的输出点。

2.3 PLC在多功能机组中应用的好处

随着电子自动化科技的发展，PLC被现代工业自动化控制企业广泛使用，对提高工业企业生产及企业效益大有帮助。铝制解压多功能装置的控制模式及功能构成有了很大改善，传统的接力控制系统已无法满足现代企业的生产需求。PLC技术在铝电解多功能机组上应用很好解决了这个问题。PLC具有可靠性高 ，抗磁场干扰能力强，应用灵活，编程方便，控制系统改进和维护方便。我公司的铝电解多功能机组均采用PLC控制系统，整机应用电气控制程序，最直观的感受就是为工人减轻了工作劳动强度，为了我公司铝电解生产提高了效率。

3 电气多功能机组中绝缘检测报警装置

3.1 绝缘检测报警装置

绝缘检测装置就是一种检测和控制两点或两个机构的之间电阻值的安全装置，为了确保设备安全正常运行，确保操作人员不必因设备漏电而受到伤害，是通过单片机控制的一种安全装置。主要由供电电路、PLC控制电路、检测电路、显示操作面板、报警电路、单片机控制器等组成。

3.2 公司多功能机组的绝缘检测系统

榆林新材料铝业电解铝多功能机组的绝缘测试仪采用新型单片机控制及液晶显示技术，外型小巧美观，适合在对铝电解厂多功能起重机上各部分间的绝缘情况进行监视和测试，具有多路轮流检测，故障和报警输出，绝缘电阻值显示，串行通讯，故障记录，中/英文显示等多种功能。

3.2.1 功能简述

对电压达到690VDC或690VAC（频率40～400Hz）的（IT-DC或IT-AC分布式网络）浮地系统进行绝缘监视和测量;

可自动调节系统的泄漏电容值到30F（150F）;

可调节测试值范围为10～3000KΩ;

具有故障和报警复位外部端子输入（2个）;

两个常开/常闭信号输出，可以作为故障或报警输出;

8个继电器可切换和选择外部8路的绝缘测试;

8个数字输入与继电器驱动的接触器输入作为反馈信号输入;

外部辅助电压为100～230VAC输入，频率为50Hz或60Hz。

3.2.2 主要技术指标

1. 电源电压：110～220VAC，50或60Hz;

2. 输入：电阻性负载;

3. 输出：无源触点输出，250V/2A;检测电压交流110V整流后的直流电压155V;

4. 功率：50W;

5. 环境温度：0～50oC;

6. 测量值显示范围：0～3000KΩ;

7. 测量精度：2%;

8. 外型尺寸：300×110×60（mm）;

9. 安装尺寸：290×100（mm）或者导轨安装;

10.重量：1.2kg。

3.3 机组绝缘面板操作和机组检测点

外部检测

1：出铝小车对大梁

2：1#固定吊对大梁

3：2#固定吊对大梁

4：工具小车对大梁

5：驾驶室对工具小车

当多功能机组发生绝缘破坏时，PLC控制系统将强制停止多功能机组各个功能部件一切运行，全车发出报警信号，此时只有将驾驶室内的绝缘强制控制开关关闭，大车小心的开至检修位置，联系维修人员到达现场处理故障.只有维修人员找出绝缘故障位置并作好绝缘故障处理，绝缘检测仪停止报警，多功能机组整车才能继续作业，此技术有力的保证了人员、设备的安全。

4 电气多功能机组中限位器

4.1 多功能机组中限位器

铝电解多功能机组中的限位器是一种为了保护多功能机组各机构安全运行及其使用者安全的安全装置。

4.2 多功能机组中限位器的种类和作用

超载限位器，是一种能够阻止吊钩超负荷运行的安全保险装置。当起吊物体超过吊钩额定起吊重量时，超载限位器立即自动切断提升机构的电源并发出警报，阻止起吊动作。在多功能机组中主要用于母线提升固定吊机构、检修吊机构和出铝钩机构，为了防止吊物超重将其钢丝绳拉断，造成设备损坏和人员伤亡。

吊钩高度限位器，是一种位置限制限位器，一般都装在吊钩的头部，当吊钩滑升到极限位置，便托起杠杆，压下限位开关，切断电路，再合闸时，吊钩只能下降不能上升。在多功能机组中主要用于母线提升固定吊机构、检修吊机构和出铝钩机构，为了防止提升过程，超过位损坏设备。

行程限制器，一种防止多功能机组发生两车相撞提前减速和停止，或限制在一定范围内行驶的安全保险装置。在多功能机组中用于大车运行时，为了防止与前后相邻车辆发生碰撞，或者与端梁发生碰撞，提前做好减速和停止。还有工具小车和出铝小车左右行驶与端梁发生碰撞，以致提前减速和暂停。还有主配电柜和各个检修门限位，驾驶室护栏门限位，此限位的作用就是为了防止检修操作后忘记关闭，或者防止操作员不小心掉下，当其为关闭时，整车无法动作。

极限限位器，是保护升降机构安全运行的上升极限限位器和下降极限限位器。当升降机构和运行机构到达设定位置时，极限位置限制器应及时发出停止和报警信号，同时自动切断向危险方向运行的电源。在多功能机组中用于打壳机构、阳极提升机构、下料管升降机构、清理铲升降机构等，控制机构的上升与下降，并且达到一定极限限位停止工作。

5 铝电解多功能机组供电回路

5.1 铝电解多功能機组供电引入方式

铝电解生产车间是一个高温，高磁场，高粉尘，大电流等，生产环境条件比较恶劣，再加上铝电解多功能机组是一耗电量比较大的生产设备，所以铝电解车间多功能机组供电技术也是需要相当严格和谨慎的。电解铝多功能机组通过滑触线将三相AC380V电源引入设备，通过熔断器箱后将电源引致主断路器=01-Q10的上端。采用四根滑触线的好处是，以防万一其中某条滑触线出现故障，可以第一时间利用备用滑触线为多功能机组供电，降低滑触线故障所受的影响。考虑到金属导体容易受温度影响产生热胀冷缩，滑触线导电不利，特别采用温度影响不大的铜质材质作为导线。

5.2 铝电解多功能机组配电

电解铝多功能机组供电，是由公司电力供电部门通过三相四线的铜质滑触线架设到每个车间每个工区固定的墙壁一侧，以方便为多功能机组提供电源，每个工区有相对应滑触线的检修控制开关。再通过多功能机组上的铜质滑触线滑刀继电器将电源送入机组总电源，再从总电源将电力送入多功能机组顶部机组总变电器。变压器将380V电力变成380V/220V/36V。

380V主要为机组的大车行走电机、工具车行走电机、出铝车行走电机、空压机电机、液压站旋转电机、出铝钩升降电机、检修吊电机，驾驶室旋转电机、母线提升固定吊提升电机、主配电柜等供电。

220V配电为防冷凝加热器、主配电柜照明、主配电柜PLC控制系统，驾驶室空调、空压机、控制电源、梁下照明和各机构的限位器等供电。

36V用于各个微型控制开关，和驾驶室操作控制手柄，以实现弱电控制强电的效果。

6 结论

通过此次对铝电解多功能机组中电气自动化技术在其应用的详细了解，我对电气自动化技术有了新的认识。电气工程及其自动化技术不光在电气工程领域中有所应用，在我们日常生活和生产中时时刻刻能够见到。希望未来电气工程及其自动化技术能够有更好的发展，真正实现人工智能。铝电解多功能机组在此基础上能够实现智能操作，智能检测，智能维护，真正实现物联网时代，为企业后期设备的保养与维护提供更直观的感受，为企业节约更多的成本，释放员工劳动力。

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