劉永春 林育茲 張國忠

（招商局漳州開發(fā)區(qū)廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院機電工程系，福建 漳州 363105）

電動機是重要的工業(yè)生產(chǎn)驅(qū)動設(shè)備。按照電壓等級的不同可分為高壓和低壓電動機。高壓電動機通常在6～10kV電壓等級運行，采用的是機械鎖扣式的高壓斷路器控制方式；低壓電動機在380V以下電壓等級運行，采用的是交流接觸器的電氣自鎖控制方式。為了便于工藝操作，低壓電動機往往采用兩地控制的形式。圖1就是低壓電動機兩地控制的原理接線圖，左邊是主回路，主要由空氣開關(guān)QF、熔斷器FU1、接觸器KM的主觸點、熱保護繼電器FR和電動機D等器件串聯(lián)構(gòu)成。右邊是控制回路，主要由起動環(huán)節(jié)、停機環(huán)節(jié)和交流接觸器線圈等器件組成。其中，SA是兩地選擇開關(guān)，SB1—SB4分別是兩地的起動和停機控制按鈕。低壓電動機這種典型的電氣自鎖控制方式，其抗“晃電”的作用十分薄弱。

圖1 低壓電動機兩地控制原理接線圖

在雷電或其他因素的影響下，系統(tǒng)電壓會出現(xiàn)瞬間下降，爾后又會迅速地恢復(fù)正常，這種現(xiàn)象稱為“晃電”。雖然系統(tǒng)電壓只是出現(xiàn)了瞬間下降，但是，控制低壓電動機的交流接觸器KM因電壓過低、電磁線圈吸合乏力可能會自動釋放，從而造成電動機的非故障停機。當(dāng)?shù)蛪弘妱訖C停機后，必然會聯(lián)鎖將相應(yīng)的高壓電動機也停機。尤其對石油、石化行業(yè)影響更為嚴重，有時是一套或幾套生產(chǎn)裝置受影響，有時甚至是全廠的生產(chǎn)裝置都受到影響。如果想讓電動機繼續(xù)運行，傳統(tǒng)的方法是依靠操作人員一臺又一臺去重新起動，考慮到工藝設(shè)備之間的相互協(xié)調(diào)與配合，無疑要花費相當(dāng)長的時間。即便是引起生產(chǎn)裝置的波動，要想恢復(fù)到正常的生產(chǎn)狀態(tài)，少則需要幾個小時，多則需要幾天的時間。

1 現(xiàn)有抗“晃電”產(chǎn)品的缺陷

“晃電”雖小，損失重大，必須設(shè)法減少“晃電”造成的危害。但“晃電”畢竟是由惡劣天氣或偶然因素引起的，一般情況下只能補救不可消除。補救的方法主要有兩種：一是“晃電”時盡可能保持電動機不跳閘；二是跳閘后能夠快速地實現(xiàn)自起動。圍繞這兩種方法，在市場上出現(xiàn)了不少抗“晃電”的產(chǎn)品，控制方式有繼電器或鎖扣式接觸器；控制的核心元件有單片機或工控機；產(chǎn)地有進口的或國產(chǎn)的等[1]。根據(jù)企業(yè)用戶的反映，這些抗“晃電”自起動設(shè)備的可靠性仍然不高。例如鎖扣接觸器在“晃電”時雖然不跳閘，但自起動的時間不好控制，有時手動操作會跳不開而燒毀接觸器線圈；抗“晃電”繼電器不能發(fā)出自起動是否成功的明確信號，不便于準(zhǔn)確判斷。其他類型的抗“晃電”設(shè)備，也存在著不同的問題[2-3]。

2 用PLC實現(xiàn)抗“晃電”控制的研究

2.1 主要技術(shù)要求

綜合市場產(chǎn)品存在的問題和對抗“晃電”技術(shù)的研究，一個比較完善的抗“晃電”設(shè)備，必須能夠解決以下問題：

1）手動停機時不可自起動。

2）保護動作跳閘后不可自起動。

3）低電壓超時或真正停電后不可自起動。

4）短時晃電時可實現(xiàn)0s或者延時自起動。

5）在晃電頻繁的情況下，可實現(xiàn)連續(xù)地自起動。

6）要有正常的電源監(jiān)視信號和電動機運行信號指示燈。

7）保護動作停機后要能夠發(fā)出閃光報警信號。

8）自起動成功后要能夠發(fā)出閃光報警提示信號。

9）自起動失敗后也要能夠發(fā)出閃光報警提示信號。

10）要具有報警復(fù)位的功能。

2.2 控制模型及流程圖

圖2是采用小型PLC獨立實現(xiàn)電動機低電壓自起動控制模型的原理框圖，主要由主電路模塊、低電壓檢測模塊、二次控制模塊和PLC模塊等四部分組成。主電路模塊和二次控制模塊與圖1的控制電路類似，不同的是在控制模塊中取消了自鎖環(huán)節(jié)，由PLC內(nèi)部實現(xiàn)置位鎖功能。低電壓檢測模塊主要是捕捉系統(tǒng)電壓的晃電信息，PLC模塊一是通過I/O端經(jīng)過邏輯控制向二次控制模塊發(fā)出控制指令，二是發(fā)出相應(yīng)的報警信息。

圖2 控制模型原理框圖

圖3是小型PLC獨立控制電動機低電壓自起動的流程，主要由開、停機判斷模塊，晃電判斷模塊以及低電壓超時判斷等多個模塊組成。當(dāng)電動機開機運行正常后，即刻開起自起動功能。如果出現(xiàn)晃電停機，在沒有超時的情況下，電動機就實現(xiàn)自起動，并發(fā)出自起動成功的閃光報警信號，然后重新進入新的自起動狀態(tài)。如果晃電超時或者完全停電，就自動解除自起動功能，并發(fā)出自起動失敗的閃光報警信號，然后通過報警復(fù)位后回到等待開機的狀態(tài)。

2.3 PLC的配置

根據(jù)圖1和圖3的原理圖，可以確定PLC控制的I/O分配表見表1。

圖3 電動機低電壓自起動控制流程圖

表1 PLC控制的I/O分配表

從表1中可以看出，外部的輸入信號有9個，輸出信號有5個，I/O總點數(shù)比較少，只有14個，適合于選擇小型的PLC進行控制。所以，可選擇型號規(guī)格為CPU 224 CN 14/10的西門子PLC。

根據(jù)圖1、圖3的控制原理和I/O分配表，自起動模擬實驗外部接線圖設(shè)計如圖4所示。

圖4中SA1是低電壓實驗轉(zhuǎn)換開關(guān)，SA2是兩地選擇開關(guān)，SA3是模擬保護動作開關(guān)，SA4是PLC工作電源實驗開關(guān)，SB5是報警復(fù)位按鈕，DDJ是模擬電動機的實驗指示燈。

圖4 自起動模擬實驗外部接線圖

根據(jù)圖3所示的電動機低電壓自起動控制流程圖，其梯形圖的設(shè)計可分為運行判斷模塊、低電壓判斷模塊、延時控制模塊、主控制模塊以及報警指示信號模塊等五大部分。其中主控制模塊采用復(fù)位優(yōu)先指令SR來設(shè)計。運行判斷模塊的作用主要是判斷電動機的啟動與停機狀態(tài)，為自起動做準(zhǔn)備。低電壓判斷模塊的作用主要是捕捉系統(tǒng)的瞬間晃電現(xiàn)象，為自起動計時和執(zhí)行提供條件。延時控制模塊的作用主要是判斷系統(tǒng)晃電時間的長短以及確定延時自起動的時間。主控模塊的作用主要是實現(xiàn)電動機的正常開機、正常停機、保護停機以及最重要的自起動開機等相關(guān)功能。報警指示信號模塊的作用主要是對PLC的電源狀態(tài)、電動機的運行狀態(tài)、故障跳閘狀態(tài)以及低電壓自起動成功與失敗的狀態(tài)及時準(zhǔn)確地發(fā)出相應(yīng)的指示信號或報警信號。根據(jù)PLC控制功能的要求，全部的梯形圖總共由12個網(wǎng)絡(luò)模塊組成。程序設(shè)計好并下載到PLC之后即可投入使用。

3 仿真模擬運行與控制功能的驗證

綜合以上各部分的分析，我們設(shè)計制作了電動機低電壓自起動試驗臺如圖5所示，其中圖5（a）是控制面板，圖5（b）是控制箱的外形。

圖5 電動機低電壓自起動試驗臺

3.1 仿真模型介紹

在圖5（a）中，左邊是電動機的配電單線圖，右邊是控制屏。其中SA1是低電壓自起動試驗轉(zhuǎn)換開關(guān)，向左轉(zhuǎn)45°可以模擬出現(xiàn)低電壓，再打回來可模擬電壓恢復(fù)正常，此時可以模擬電動機的自起動。SB5是報警信號的復(fù)位按鈕，DDJ是專門用于模擬電動機運行的指示燈。JD是電源監(jiān)視指示燈，當(dāng)PLC送電正常后JD燈長亮。YD是電動機的運行指示燈，當(dāng)電動機起動運行后YD燈長亮，若出現(xiàn)過載保護停機YD燈會閃光報警。ZD是電動機自起動成功指示燈，若自起動成功，ZD燈就閃光報警。SD是電動機自起動失敗指示燈，若晃電時間超過了自起動的允許時間，說明自起動失敗，自起動將被解除，而SD燈會閃光報警。SB1—SB4是主控和現(xiàn)場的開、停機控制按鈕。SA2是兩地選擇開關(guān)，SA3用于模擬過載保護動作，SA4模擬PLC外部電源斷電，SA5模擬意外停機。

3.2 模擬運行與功能的驗證

模擬運行與功能驗證的實際情況如圖6所示。

圖6 模擬運行與功能驗證實物圖

驗證過程如下：首先給試驗箱送上電源，若是220V電源可以直接用DDJ指示燈模擬電動機，若是380V電源可直接接上4.5kW的電動機運行。然后給上試驗箱內(nèi)的空氣開關(guān)QF，并合上PLC運行開關(guān)，如圖6（a）所示，電壓監(jiān)視指示燈JD長亮。將SA2選擇開關(guān)打到上方，按下SB1按鈕模擬主控開機，如圖6（b）所示，電動機運行的指示燈YD和模擬電動機指示燈DDJ長亮，說明電動機起動運行正常。如果選擇按下SB2或者SB4按鈕，YD和DDJ燈就會熄滅，模擬電動機正常停機，此時電動機并不會自起動；如果選擇將SA3開關(guān)打向上方，模擬電動機過載跳閘，此時DDJ燈熄滅，而YD燈閃光報警，此時電動機同樣不會自起動。當(dāng)將SA3開關(guān)即事故模擬信號復(fù)位后，YD燈就會自動熄滅，故障報警解除。

自起動成功功能的驗證：重新按下SB1按鈕模擬主控開機，YD、DDJ燈長亮，此時將SA1轉(zhuǎn)換開關(guān)打向左邊，則JD、YD、DDJ三盞燈全熄滅，用于模擬系統(tǒng)出現(xiàn)低電壓晃電跳機的故障。在設(shè)定的晃電超時時間內(nèi)，再將SA1試驗選擇開關(guān)打回右邊，模擬系統(tǒng)電壓恢復(fù)正常，如圖6（c）所示，經(jīng)過預(yù)先設(shè)定的自起動延時時間后，JD、YD、DDJ三盞指示燈長亮，而自起動成功指示燈ZD閃光報警，說明電動機經(jīng)過低電壓晃電后自起動成功。如果多次進行相同的試驗，效果是一樣的，說明可以實現(xiàn)連續(xù)的成功自起動。即使不對ZD指示燈復(fù)位也不影響后續(xù)的自起動功能。如果按下SB5按鈕就可以將ZD指示燈復(fù)位。

晃電超時時間可根據(jù)工藝允許的關(guān)鍵機組最長的停機時間來設(shè)定，本試驗設(shè)定為8s。自起動延時時間可根據(jù)電氣允許的起動電流要求來設(shè)定。如果用于關(guān)鍵機組，可將自起動的延時時間設(shè)定為0s，只要在超時時間內(nèi)系統(tǒng)電壓一恢復(fù)，關(guān)鍵機組就可以立即自起動。如果用于次要機組，可根據(jù)電氣所允許的起動電流要求，將自起動的延時時間順延若干秒，本試驗設(shè)定的自起動時間為3s。

自起動失敗功能的驗證：在前面自起動成功的基礎(chǔ)上將ZD燈復(fù)位后就變成了與正常運行相同的狀態(tài)，此時將試驗轉(zhuǎn)換開關(guān)SA1打向左邊，等待模擬停電的時間超過晃電設(shè)定的時間后，再將SA1打回原位，如圖6（d）所示，此時只有電源指示燈JD長亮，而自起動失敗指示燈SD閃光報警。說明系統(tǒng)電壓晃電的時間過長，超出了工藝所允許自起動的最長時間，不能再進行自起動了，否則會帶來新的安全事故。

需要注意的是，在自起動失敗SD燈閃光報警的情況下，考慮到生產(chǎn)工藝安全方面的原因，如果沒有將失敗報警指示燈SD復(fù)位，電動機是不允許再進行手動重新起動的。也就是說，當(dāng)自起動失敗后，必須先將自起動失敗指示燈SD復(fù)位，然后才能重新開機。

3.3 控制裝置的技術(shù)要求

根據(jù)對PLC控制的電動機低電壓自起動裝置的試驗結(jié)果驗證，為了確保電動機能穩(wěn)定可靠地實現(xiàn)自起動，建議對PLC提供獨立的工作電源。根據(jù)PLC的型號不同，選擇直流或者交流工作電源均可。

另外，建議采用正宗品牌的西門子PLC，不要采用國產(chǎn)仿制的類似產(chǎn)品，因為正宗品牌的性能穩(wěn)定，運行更可靠。

4 結(jié)論

通過多種方式的仿真模擬驗證，證明采用小型PLC獨立控制技術(shù)實現(xiàn)電動機的低電壓自起動是完全可行的、可靠的。不僅能夠?qū)崿F(xiàn)電動機自起動的主要控制功能，而且能夠發(fā)出多種指示信號，具有自起動技術(shù)智能化、人性化的重要特征。該項技術(shù)既可以用于單臺機的獨立自起動，也可以用于多臺機分布式的群機分批自起動。既可以用于兩地控制，也可以用于一地控制。一旦投入實際應(yīng)用，必將會帶來較好的經(jīng)濟效益和社會效益，值得市場的期待。

[1]楊曉兵.抗晃電技術(shù)在化工企業(yè)變配電系統(tǒng)中的運用[J].技術(shù)與市場,2013(10):13-17.

[2]李金嶺.電動機晃電智能自起動控制技術(shù)及應(yīng)用[J].科技致富向?qū)?2013(21):280-319.

[3]戚云.PLC在電機分批自起動中的應(yīng)用[J].四川水泥,2005(2):43-44.