曹 宇（西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710055）

0 引言

在水泥、礦渣等工業(yè)生產(chǎn)線長期以來采用電力拖動機械設(shè)備，這些機械設(shè)備目前普遍采用工業(yè)自動化控制系統(tǒng)（主要是機旁優(yōu)先控制方式）實現(xiàn)工藝環(huán)節(jié)的控制。近些年，隨著產(chǎn)能置換等政策調(diào)控影響下，工業(yè)生產(chǎn)線規(guī)模越來越大，主要工藝環(huán)節(jié)核心機械設(shè)備的保護和聯(lián)鎖也越來越復(fù)雜和重要，為了保證設(shè)備運轉(zhuǎn)率，對工藝設(shè)備電力拖動和自動化控制系統(tǒng)的可靠性要求也越來越高。在這種情況下，很多核心機械設(shè)備均要求采用中控優(yōu)先的控制方式。

1 電動機優(yōu)先控制方式簡介

首先，我們需要來界定“優(yōu)先”是相對于什么參照物或參照系。在PLC、DCS等計算機控制系統(tǒng)應(yīng)用以前，工業(yè)自動化控制主要采用繼電接觸器控制線路（簡稱繼電器控制系統(tǒng)）來實現(xiàn)，由于接線回路復(fù)雜、維護工作量大、可靠性低等原因，目前已很少采用這種方式。雖然繼電器控制系統(tǒng)已經(jīng)很少使用，但是其中有些名詞概念對當(dāng)前的計算機控制系統(tǒng)仍具有指導(dǎo)意義。與本文有關(guān)的兩個名詞如下：（1）當(dāng)同時按下起動和停止兩個按鈕時，電動機被起動，稱為“起動優(yōu)先”線路；（2）當(dāng)同時按下起動和停止兩個按鈕時，電動機被停止，則稱之為“停止優(yōu)先”線路[1]。

根據(jù)這兩個名詞定義，我們可以得知，在機旁和中控室兩地的操作信號，誰首先實現(xiàn)起停電動機，說明誰具有“優(yōu)先權(quán)”。即存在4種控制方式：機旁起動優(yōu)先、機旁停止優(yōu)先、中控起動優(yōu)先、中控停止優(yōu)先。由于工業(yè)環(huán)境為了巡視和檢修安全，更多的是采用機旁停止優(yōu)先，那我們也就重點討論：在機旁停止優(yōu)先的前提下，機旁起動優(yōu)先（以下簡稱機旁優(yōu)先）和中控起動優(yōu)先（以下簡稱中控優(yōu)先）的實現(xiàn)方法和特點。

目前工業(yè)自動化控制系統(tǒng)下，每臺電力拖動的機械設(shè)備有三種起停工況：調(diào)試或檢修時的現(xiàn)場單機起停操作、調(diào)試或檢修時的中控單機起停操作、正常投運后中控根據(jù)工藝流程組起組停操作。前兩種起停工況對于“機旁優(yōu)先”或“中控優(yōu)先”有比較明顯的用途區(qū)別，后一種工況只能在中控進行操作，這個階段是優(yōu)先權(quán)選擇后的結(jié)果，所以我們主要在前兩種工況下進行討論。

本文以最簡單的鼠籠電動機單向直接起動控制回路[1]（抽屜柜回路）為例，對目前常用的幾種電動機控制方式進行簡單分析。

2.1 電動機機旁優(yōu)先控制方式

圖1是最常見的電動機機旁優(yōu)先控制原理圖。其主回路（也稱一次回路）為籠型電動機典型接線[2]，二次回路中SA為現(xiàn)場按鈕盒，安裝于機旁附近，現(xiàn)場按鈕盒上布置有3個按鈕開關(guān)：1個起動按鈕S1，1個停機按鈕S2，1個帶鑰匙選擇開關(guān)S3，用于選擇“機旁”(或稱為“就地”，用字母L表示)、“0”（檢修位置，即檢修時選擇此位，機旁和中控均不能起停操作）、“中控”(或稱為“遠程”，用字母C表示)。

圖1 電動機機旁優(yōu)先控制原理圖

這種控制方式的選擇權(quán)限在現(xiàn)場，且現(xiàn)場按鈕盒上的停機按鈕S2在“機旁”或“中控”均可以操作停止電動機（即前文所講的“停止優(yōu)先”）。當(dāng)選擇開關(guān)選擇“機旁”時，機旁起動按鈕S1可以直接起動電動機，中控信號此時無效；當(dāng)選擇開關(guān)選擇“中控”時，中控驅(qū)動信號可以直接起、停電動機，起動按鈕S1此時無效，但是現(xiàn)場停機按鈕S2和轉(zhuǎn)換開關(guān)S3的操作不受中控室限制，仍具有優(yōu)先操作權(quán)。

圖2是電動機機旁優(yōu)先控制方式下，與計算機控制系統(tǒng)之間的IO信號，共3個。

圖2 電動機機旁優(yōu)先控制方式IO信號

2.2 電動機手動中控優(yōu)先控制方式

圖3是早前論文和具體工程中最常見的電動機中控優(yōu)先控制原理圖。從圖3可以看到，一次回路接線與機旁優(yōu)先控制方式完全相同，而二次回路的現(xiàn)場按鈕盒沒有轉(zhuǎn)換開關(guān)，只有起動按鈕S1和停機開關(guān)S2，也就是現(xiàn)場沒有選擇權(quán)，也就無法通過硬件設(shè)備實現(xiàn)選擇，仍具備停機優(yōu)先?，F(xiàn)場起動按鈕S1接進計算機控制系統(tǒng)，通過中控允許或授權(quán)后操作才能起作用。

圖3 電動機手動中控優(yōu)先控制原理圖

這種控制方式有兩點須注意。一是現(xiàn)場按鈕盒上停機開關(guān)S2必須是旋轉(zhuǎn)開關(guān)或帶自鎖功能的按鈕開關(guān)，才可以實現(xiàn)停機。若是普通按鈕，按下后開始停機，松開后復(fù)位，中控顯示因備妥信號丟失而出現(xiàn)報警提示（有時按下和復(fù)位太快，備妥信號也不丟失），同時因為中控驅(qū)動信號仍保持，電動機繼續(xù)起動運行，給現(xiàn)場人員和設(shè)備帶來很多隱患和危險；第二是必須在中控操作畫面上給每臺設(shè)備增加“機旁”和“中控”選擇（或叫授權(quán)，或叫解鎖）。只有中控設(shè)置手動權(quán)限選擇，才不會在單機調(diào)試或檢修時，中控和現(xiàn)場的操作產(chǎn)生混亂，這也是筆者把這種控制方式稱作“手動”中控優(yōu)先的原因。

圖4所示為電動機手動中控優(yōu)先控制方式下，與計算機控制系統(tǒng)之間的IO信號，共4個。類似這種控制方式，也有設(shè)計人員在現(xiàn)場按鈕盒增設(shè)帶鑰匙選擇開關(guān)，并將選擇開關(guān)的2個信號均接入計算機控制系統(tǒng)，硬件選擇設(shè)備在機旁，但是實際選擇權(quán)限仍在中控室，仍需中控手動選擇或授權(quán)，控制效果基本相同，并增加了2個IO信號，使得控制系統(tǒng)重復(fù)和累贅。

圖4 電動機手動中控優(yōu)先控制方式IO信號

還有一種是在圖3的一次回路增加現(xiàn)場可視斷路器，并帶有起動按鈕和停止按鈕[3]，這兩個按鈕信號都接入中控，使現(xiàn)場具有徹底并直觀的斷開點而保證機旁安全。這種控制方式使電氣投資大幅度增加，也增加了故障點，只有較少外資工業(yè)生產(chǎn)線會選擇此控制方式。

2.3 電動機自動中控優(yōu)先控制方式

圖5是筆者設(shè)計并在多個工程已經(jīng)應(yīng)用的電動機自動中控優(yōu)先控制原理圖。顯而易見，圖5更接近于圖1，一次回路完全相同，二次回路中也有現(xiàn)場按鈕盒SA，現(xiàn)場按鈕盒上布置按鈕開關(guān)的數(shù)量、形式和作用均相同，也同樣是“停止優(yōu)先”。選擇權(quán)限硬件同樣在機旁，選擇開關(guān)的“0”位、“中控”位和機旁優(yōu)先控制方式的效果相同，不同的是“機旁”位置增加了一個中控“起動的條件”，也就是說現(xiàn)場起動按鈕S1必須在控制程序里該電動機的“起動條件”滿足后才能有效操作。起動的優(yōu)先權(quán)仍然是在中控，和第2種控制方式不同之處是不需要中控手動授權(quán)或解鎖，由程序自動完成判斷，若條件滿足，則自動允許現(xiàn)場起動，反之，說明該電動機的某個或某些起動條件不滿足，比如軸承潤滑油溫度不滿足、所拖動機械設(shè)備的減速機儀表監(jiān)測信號有異常等，不允許被起動，強制起動可能會造成設(shè)備損害或危險。

圖5 電動機自動中控優(yōu)先控制原理圖

圖6為電動機自動中控優(yōu)先控制方式下，與計算機控制系統(tǒng)之間的IO信號，共4個。與第2種控制方式相比，少了1個現(xiàn)場起動的DI點，多了一個允許起動的DO點，IO信號總數(shù)相同。

圖6 電動機自動中控優(yōu)先控制方式IO信號

3 三種優(yōu)先控制方式的特點

從上文中三種優(yōu)先控制方式的簡介基本已經(jīng)能看出它們之間的異同。概述如下：

機旁優(yōu)先側(cè)重點是現(xiàn)場操作的便利和安全，對設(shè)備機旁起動所需要的必要條件沒有限制，只能靠操作人員的經(jīng)驗來把握。

手動中控優(yōu)先側(cè)重點是中控的操作權(quán)限，嚴(yán)格保證了設(shè)備起動的必要條件，而導(dǎo)致機旁無法直接操作起動（PLC程序里強制給定屬于非正常操作，不屬于本文討論議題），也無法直觀確定電動機是否不會被中控起動，如果現(xiàn)場和中控溝通出現(xiàn)障礙（沒聽見或聽錯）或中控對現(xiàn)場狀況誤判，給現(xiàn)場調(diào)試或檢修時的人員帶來安全隱患。

自動中控優(yōu)先正好彌補了以上兩種控制方式的不足之處，既能保證現(xiàn)場有安全和直觀的檢修選項“0”位，也能保證設(shè)備起動條件不足時不會被機旁誤起動

在機旁優(yōu)先已普遍使用后，之所以要采用中控優(yōu)先的原因：在實現(xiàn)工藝流程和工業(yè)生產(chǎn)需要的前提下，核心問題是為了保證人員安全和設(shè)備安全。

圖7基本可以反映出三種優(yōu)先控制方式對人員安全和設(shè)備安全的側(cè)重點。

圖7 三種優(yōu)先控制方式對人員安全和設(shè)備安全的側(cè)重點

當(dāng)前在大力發(fā)展工業(yè)4.0，計算機控制技術(shù)也已經(jīng)越來越成熟和可靠，與工業(yè)生產(chǎn)也越來越聯(lián)系緊密。即使在工廠建設(shè)安裝階段,PLC或DCS均需具備調(diào)試需求,否則大型設(shè)備不允許、也無法安全開展調(diào)試工作。

這里需要澄清一點，有些電氣工程師說第2種中控優(yōu)先“更適合環(huán)境惡劣、粉塵含量大”的水泥廠，因為“現(xiàn)場按鈕盒容易進灰，造成開關(guān)觸點接觸不良”[3]，電氣設(shè)備的防護等級或選型不滿足現(xiàn)場使用環(huán)境，并不是某種控制方式的優(yōu)點或缺點。而且，現(xiàn)在的水泥、礦渣等工業(yè)企業(yè)，粉塵排放等環(huán)保要求越來越嚴(yán)格，很多老廠也在改造治理，廠區(qū)環(huán)境也已明顯改善。

4 結(jié)論

筆者根據(jù)多個工程項目的實踐、對比，結(jié)合上文的分析可看出，自動中控優(yōu)先控制是目前對工業(yè)生產(chǎn)線人員安全和設(shè)備安全兼顧最平衡的一種控制方式。由于配置和接線很接近，這種控制方式也最適合用于一條工業(yè)生產(chǎn)線上部分電動機機旁優(yōu)先、另一部分電動機要求中控優(yōu)先這兩種控制方式共存的工程。當(dāng)然，自動中控優(yōu)先控制方式并不是適用所有工業(yè)生產(chǎn)線。實際工程中，需要根據(jù)不同場合、不同設(shè)備的要求、投資成本等因素，來綜合選擇適合工藝控制環(huán)節(jié)并安全、可靠、經(jīng)濟的控制方式。