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（唐山曹妃甸熱力有限公司，唐山 063200）

0 引言

電力拖動系統(tǒng)是一種以電動機為原動機來拖動機械設(shè)備運轉(zhuǎn)、完成生產(chǎn)目標及任務(wù)的控制系統(tǒng)，有著調(diào)速機械特性好、調(diào)速范圍大的顯著優(yōu)勢，對我國工業(yè)領(lǐng)域的健康、穩(wěn)步發(fā)展有著重要意義。與此同時，隨著生產(chǎn)環(huán)境改變與工藝技術(shù)的改進，對電力拖動系統(tǒng)的控制水平與穩(wěn)定性提出更高要求，如何滿足日益提高的系統(tǒng)性能需求，是當前亟待解決的重要問題，本文就此開展研究。

1 電力拖動系統(tǒng)自動控制設(shè)計概述

1.1 設(shè)計原理

在電力拖動自動控制系統(tǒng)中安裝傳感器、控制器等硬件設(shè)備，搭建無線通信網(wǎng)絡(luò)和計算機操作平臺，建立反饋調(diào)節(jié)機制，使電力拖動系統(tǒng)具備環(huán)境感知、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、邏輯運算、決策分析等多元化使用功能，根據(jù)外部環(huán)境變化情況來制定、下達控制指令，切換至對應(yīng)的工作模式，或是實施預(yù)先導(dǎo)入的控制方案，完成生產(chǎn)任務(wù)。簡單來講，則是強化電力拖動系統(tǒng)的決策分析與環(huán)境自適應(yīng)能力，可以在無人工干預(yù)條件下實現(xiàn)自動控制與調(diào)節(jié)目的，始終維持系統(tǒng)的良好運行工況。

在電力拖動系統(tǒng)運行期間，由傳感器持續(xù)上傳所采集電動機運行參數(shù)等現(xiàn)場監(jiān)測信號，將信息反饋至計算機控制平臺，啟動邏輯運算等程序?qū)ΜF(xiàn)場信號進行轉(zhuǎn)換、匯總整理與運算分析，根據(jù)運算結(jié)果選擇性執(zhí)行對應(yīng)的特殊功能指令，采取改變主電路接線、改變電路電阻值、根據(jù)I/O映像區(qū)對應(yīng)狀態(tài)數(shù)據(jù)來刷新輸出鎖存電路的方式來控制電動機設(shè)備啟停狀態(tài)或調(diào)解運行參數(shù)，以及在檢測到故障問題時發(fā)送報警信號，電力拖動系統(tǒng)自動控制過程為圖1所示。

圖1 電力拖動系統(tǒng)自動控制過程

1.2 設(shè)計原則

在電力拖動系統(tǒng)自動控制設(shè)計期間，為保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，發(fā)揮出應(yīng)有功能作用，必須遵循經(jīng)濟適宜性、穩(wěn)定性、功能齊全性、操作簡單的設(shè)計原則，具體如下：其一，經(jīng)濟適宜性原則。在保證自動控制系統(tǒng)功能齊全的前提下，盡可能的簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，選配使用壽命長、故障率低、采購價格低廉的傳感器與控制器設(shè)備，從而控制系統(tǒng)的前期建設(shè)成本。其二，穩(wěn)定性原則。在系統(tǒng)功能配置結(jié)構(gòu)中添加故障自診斷功能，系統(tǒng)在運行期間持續(xù)檢測運行狀態(tài)與設(shè)備運行工況，在出現(xiàn)故障問題后發(fā)送報警信號，采取切斷故障部分和非故障部位連接等簡單處理措施。同時，可采取分散控制方式，將系統(tǒng)控制部分拆分為若干獨立的控制單元，各控制單元互不干涉，在任意一處單元及設(shè)備出現(xiàn)故障問題后，不會對其他控制單元與系統(tǒng)總體運行狀態(tài)造成明顯影響。其三，功能齊全性原則。做好前期調(diào)查工作，掌握生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境條件與電力拖動系統(tǒng)使用需求，要求自動控制系統(tǒng)具備多元化的使用需求，可以在不同工況場景下發(fā)揮出應(yīng)有作用，如開發(fā)數(shù)字量控制、模擬量控制、數(shù)據(jù)采集監(jiān)測、故障自診斷等使用功能。與此同時，強化系統(tǒng)的擴展性，在控制需求和現(xiàn)場環(huán)境發(fā)生改變時，可以對原有系統(tǒng)進行升級改造，如增減使用功能。其四，操作簡單原則。盡可量簡略自動控制系統(tǒng)的手動操作程序，使系統(tǒng)易于操作、使用方便。例如，應(yīng)用PLC 電力載波控制技術(shù)，編程人員僅需編寫16 條指令組成的梯形圖控制程序，程序指令數(shù)量遠少于微型機控制程序，無需具備豐富計算機專業(yè)知識也可完成編程工作，避免自動控制效果受到人為因素影響。

1.3 設(shè)計方法

1.3.1 系統(tǒng)選擇

考慮到不同工況場景、生產(chǎn)環(huán)境下的電力拖動系統(tǒng)自動控制需求存在差異，應(yīng)根據(jù)項目情況從開環(huán)控制、模擬量閉環(huán)控制、數(shù)字量控制、按需分配控制四種常用系統(tǒng)中加以選擇。

第一，開環(huán)控制系統(tǒng)采取定時、順序步進、計數(shù)等多種邏輯控制方式，與傳統(tǒng)繼電接觸器控制方式較為相似，使用PLC 等裝置取代繼電器與接觸器作為控制器，要求工作人員預(yù)先在系統(tǒng)中導(dǎo)入控制方案，系統(tǒng)負責實施方案內(nèi)容，按順序下達各項控制指令，此類系統(tǒng)有著結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)的優(yōu)勢，但環(huán)境自適應(yīng)能力不足，在外部環(huán)境、生產(chǎn)情況發(fā)生變化時，系統(tǒng)難以適應(yīng)，影響到實際控制效果。

第二，模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)中分布若干模擬量輸入輸出點，具備采樣輸入與調(diào)節(jié)輸出的功能，持續(xù)將模擬量輸出值與所反饋模擬量輸入值進行對比分析，根據(jù)輸入值、輸出值的二者差值來執(zhí)行程序中對應(yīng)的特殊功能指令，將電流、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的數(shù)值保持為連續(xù)物理量，可以減小電力拖動系統(tǒng)受外部環(huán)境等因素影響而產(chǎn)生的運行誤差，可選擇應(yīng)用PLC 技術(shù)來搭建模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制流程如圖2 所示。

圖2 P 模擬量閉環(huán)控制流程圖

第三，數(shù)字量控制系統(tǒng)是一種借助數(shù)字對電力拖動系統(tǒng)運行過程進行編程控制的系統(tǒng)，安裝脈沖伺服裝置以及旋轉(zhuǎn)編碼器，由控制器接收、輸出高速脈沖信號，以數(shù)字形式下達控制指令，可以調(diào)節(jié)兩種狀態(tài)對數(shù)字量，如切換電路通路狀態(tài)和斷開狀態(tài)。

第四，按需分配控制系統(tǒng)采取BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法模型，將系統(tǒng)實時運行數(shù)據(jù)和現(xiàn)場監(jiān)測信號導(dǎo)入算法模型中，根據(jù)輸出值來判斷系統(tǒng)運行工況與運行需求，按照實際情況來調(diào)整資源調(diào)配方案，如按需分配電力資源，保證全部環(huán)節(jié)都具備充足、良好的電能供應(yīng)條件。

1.3.2 調(diào)節(jié)器設(shè)置

為滿足電力拖動系統(tǒng)的電流負反饋以及轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)節(jié)需求，應(yīng)在自動控制系統(tǒng)中設(shè)置電流調(diào)節(jié)器與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)備，保持二者串聯(lián)聯(lián)接關(guān)系。在系統(tǒng)運行期間，收集電流調(diào)節(jié)器輸入值，將其設(shè)定為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出值，根據(jù)電流調(diào)節(jié)器輸出信號向晶閘管整流器配套觸發(fā)裝置下達控制指令，從而維持電力拖動系統(tǒng)的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，分別將轉(zhuǎn)速環(huán)與電流環(huán)設(shè)定為外環(huán)、內(nèi)環(huán)。與此同時，為強化自動控制系統(tǒng)的靜動態(tài)性能，應(yīng)配置PI 線性調(diào)節(jié)器，可以根據(jù)給定值、實際輸出值來形成控制偏差，采取線性組合方式基于偏差比例構(gòu)成控制量。

1.3.3 選擇性調(diào)節(jié)

從故障自診斷與自動處理角度來看，為強化電力拖動系統(tǒng)的自控能力，保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行，需要在自動控制系統(tǒng)中設(shè)計選擇性調(diào)節(jié)程序，程序中設(shè)定不同目標對象的調(diào)節(jié)控制優(yōu)先級，按優(yōu)先級排列結(jié)果來順序下達控制指令。例如，在電力拖動系統(tǒng)運行期間出現(xiàn)故障問題時，以控制系統(tǒng)受損程度、避免浪費電力資源和保證電力供應(yīng)穩(wěn)定為首要控制目的，優(yōu)先對故障部位相鄰傳輸設(shè)備及電力設(shè)備下達隔斷指令，再下達電路順序排查指令來鎖定故障點。

1.3.4 設(shè)定靈敏度要求

可以將自動控制系統(tǒng)中的靈敏度要求理解為參數(shù)波動界限值，根據(jù)電力拖動系統(tǒng)運行工況與使用要求，預(yù)先設(shè)定電路電流、電動機轉(zhuǎn)速等參數(shù)的額定值與界限值，持續(xù)對系統(tǒng)運行參數(shù)進行監(jiān)測、對比，如果實際值與目標值的偏差超過波動界限值時，表明系統(tǒng)出現(xiàn)異常運行狀況，啟動調(diào)節(jié)程序，將超限參數(shù)偏差值調(diào)節(jié)至允許范圍內(nèi)，或是控制保護裝置執(zhí)行保護動作。

2 電力拖動系統(tǒng)的安全保護策略

2.1 短路保護

短路故障產(chǎn)生原因包括線路設(shè)備絕緣體因自身老化和長時間處于高溫條件而出現(xiàn)絕緣失效情況、線路內(nèi)產(chǎn)生過大電流與電磁脈沖而損壞線路設(shè)備、沒有及時更換故障設(shè)備、帶電檢修線路和帶負荷拉閘等不當操作行為。

針對此類故障問題，可以采取熔斷器保護、零序電流保護、相電流保護、智能保護的安全保護策略，來應(yīng)對不同成因的短路故障，具體如下：第一，熔斷器保護。在電力拖動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中額外加裝熔斷器裝置，裝置具備發(fā)熱與自熔使用功能，線路電流通過裝置時出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，電流值越大則裝置溫度越高，在熔斷器工作溫度超過一定標準值時，熔斷熔體來切斷電流，避免線路設(shè)備絕緣體在高溫條件下出現(xiàn)絕緣失效、老化速度加快的問題。第二，零序電流保護。在線路上設(shè)置零序電流互感器，在電力拖動系統(tǒng)運行期間，裝置負責檢測是否形成零序電流，以此來判斷是否出現(xiàn)接地短路故障，在檢測到故障問題后自動執(zhí)行切斷電流、發(fā)送報警信號等保護動作。第三，相電流保護。在系統(tǒng)中安裝電流互感器、主接觸器等裝置，在運行期間自互感器取出電流后流經(jīng)繼電器吸合，在回路上形成一個常閉節(jié)點，如果出現(xiàn)電流值異常波動、實時電流值超過界限值的情況，由常閉節(jié)點形成的電磁力來抵消彈簧壓力，拿掉主接觸器吸合電流，起到保護效果。第四，智能保護。在系統(tǒng)中安裝PLC 可編程邏輯控制器等具備信息采集、智能決策、遠程控制等功能的設(shè)備，在線路設(shè)備上安裝若干種類傳感器或探頭，由傳感裝置持續(xù)采集線路電流、電壓等參數(shù)的現(xiàn)場監(jiān)測信號，將信號發(fā)送至控制器，對比目標值與額定值，在實時運行參數(shù)超出警戒值時，自動采取切斷電流、發(fā)送報警信號等保護措施。

2.2 過熱保護

在電力拖動系統(tǒng)長時間運行期間，電能轉(zhuǎn)化為機械能時會產(chǎn)生一部分損耗，持續(xù)向外界釋放熱量，線路設(shè)備的工作溫度隨之上升，長此以往，各臺電動機出現(xiàn)不同程度的過熱現(xiàn)象，在高溫工作條件下，使得線路設(shè)備老化速度加快，并在實際溫度高于額定值時有可能出現(xiàn)火災(zāi)事故和設(shè)備燒毀問題。針對此項問題，早期電力拖動系統(tǒng)普遍采取多臺電動機交替運行的方法，雖然可以有效控制設(shè)備運行溫度，但電動機設(shè)備的實際運行時間得到大幅縮減，實際利用率較低，并使得系統(tǒng)前期建設(shè)成本與總體使用成本激增。

因此，應(yīng)采取電路過溫保護措施，在電路中設(shè)置三極管作為溫度測量器件，一般情況下，以高電平信號作為過溫保護輸出值，三極管開關(guān)保持開啟狀態(tài)，而在檢測到電路溫度超過最大限值時，由低電平信號作為過溫保護輸出值，三極管開關(guān)切換至關(guān)斷狀態(tài)，啟動過溫保護程序，終止電路運行，并在電路溫度回歸正常值后，再重新啟動電路，恢復(fù)電力拖動系統(tǒng)的正常運行狀態(tài)。同時，考慮到電路溫度存在熱振蕩效應(yīng)，在溫度反復(fù)、異常波動時，會造成三極管開關(guān)狀態(tài)頻繁切換，使電路老化速度加快，易出現(xiàn)其他故障問題，因而需要根據(jù)系統(tǒng)情況來設(shè)定電路溫度滯回量，一般情況下可以將溫度滯回量設(shè)定為15℃。此外，還可采取時間控制保護措施，在系統(tǒng)中安裝時間繼電器，預(yù)先設(shè)定各臺電動機的持續(xù)工作時間，由電動機啟動后由時間繼電器持續(xù)計時，在計時結(jié)果達到預(yù)設(shè)值后通過接通、切斷電源來調(diào)整電動機啟閉狀態(tài)，控制電動機工作時長，避免在長時間運行期間出現(xiàn)溫度過高問題，起到保護作用。

2.3 欠壓保護

在電力拖動系統(tǒng)運行期間，欠壓故障是實時電源低壓低于額定值、沒有滿足電動機運行要求，使得電動機速率隨之下滑，嚴重時出現(xiàn)電動機停止運行、電器釋放、設(shè)備損毀的情況。對于欠壓故障問題，需要以切斷電流和加壓作為安全保護思路，始終將電源電壓數(shù)值保持在電動機規(guī)范范圍內(nèi)，或是在無法快速調(diào)節(jié)電源電壓的情況下切斷電流，主動使電動機停止運行，避免在低速率運行狀況下受損嚴重。為實現(xiàn)這一目的，可選擇在電力拖動系統(tǒng)中安裝低壓斷路器，此類裝置同時具備手自動控制功能，工作人員可以手動控制斷路器執(zhí)行保護動作，同時，斷路器在運行期間持續(xù)檢測電源電壓等參數(shù)，在參數(shù)檢測值低于警戒值時，啟動欠電壓脫扣器，自動切斷電路。一般情況下，在電源電壓快速下降或緩慢下降至額定工作電壓35%-70%范圍內(nèi)，欠電壓脫扣器即可自動執(zhí)行保護動作，并控制欠電壓脫扣器與斷路器的通電合閘順序，在欠電壓脫扣器通電條件下，斷路器方可合閘。

2.4 過流保護

過電流保護是一項在電路電流值超過預(yù)定最大值時控制保護裝置執(zhí)行保護動作的方法，在電力拖動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中安裝電磁式電流脫扣器、熔斷器、延時型電磁式電流繼電器等裝置，避免因流通超額定電流而造成設(shè)備燒壞、電路工作溫度提升和絕緣老化失效。以電流繼電器過流保護措施為例，繼電器檢測到線路電流達到動作值后，選擇性切斷故障線路，啟動延時控制程序，在一段時間后保持觸電閉合狀態(tài)，接通跳閘線圈。此外，考慮到過流保護器在使用期間受到勵磁涌流、諧波電流、系統(tǒng)振蕩、外界干擾與沖擊電流等多方面因素影響，有可能出現(xiàn)保護器誤動情況，需要就此采取過流保護防誤動措施。例如，針對勵磁涌流因素，將過流保護器的整定值由額定值1.5 倍調(diào)整至額定值2.0 倍及以上，安裝具備速飽和變流使用功能的繼電器作為過流保護器，選用具備諧波閉鎖功能的保護器。而針對諧波電流因素，在系統(tǒng)中額外設(shè)置LC 調(diào)諧波器等諧波補償裝置，安裝電磁型繼電器作為過流保護器，將電力拖動系統(tǒng)的強弱電源分開隔離。

2.5 安全鏈

安全鏈也被稱為電動機安全系統(tǒng)，是一種獨立于計算機操作系統(tǒng)的軟硬件安全保護措施，將欠電壓、過流保護、軸瓦溫度保護、油壓等會對電動機及電力拖動系統(tǒng)造成嚴重損害問題的多項故障節(jié)點進行串聯(lián)處理，將安全鏈設(shè)定為串行條件，組成串聯(lián)回路。在電力拖動系統(tǒng)運行期間，如果任意一處節(jié)點出現(xiàn)故障問題或發(fā)送閉合信號，都會啟動安全鏈保護程序，將整條串聯(lián)回路斷電，控制電動機等設(shè)備即刻緊急停機，以此來保障電力拖動系統(tǒng)不會因運行故障而嚴重受損。同時，唯有在全部故障節(jié)點均得到妥善處理后，方可關(guān)閉安全鏈程序，恢復(fù)系統(tǒng)正常運行狀態(tài)。

2.6 運行連鎖與啟動聯(lián)鎖保護

首先，運行連鎖是保持電力拖動系統(tǒng)中的全部或多數(shù)設(shè)備同時處于正常運行狀態(tài)的一種控制方式，在任意一臺設(shè)備處于調(diào)停狀態(tài)、或是因故障問題而停機運行時，系統(tǒng)自動向其他連鎖設(shè)備下達調(diào)停指令。其次，啟動聯(lián)鎖保護是提前啟動一般性設(shè)備運行一段時間，一般性設(shè)備在啟動后發(fā)送運行信號，將其作為電動機等特定設(shè)備的啟動條件。

2.7 信息處理安全保護

在電力拖動系統(tǒng)中應(yīng)用到大數(shù)據(jù)、云計算、私鑰加密算法、公玥加密算法、保密通信等信息化技術(shù)，負責在系統(tǒng)運行期間替代或輔助人工完成數(shù)據(jù)采集、匯總整理、運算分析等操作，以及對傳輸信息進行加密、解密處理，以此來保證電力拖動系統(tǒng)運行安全、穩(wěn)定。例如，在處理龐大信息時，將數(shù)據(jù)處理任務(wù)提交至云計算平臺，采取分布式算法進行獨立處理后整合獲取計算結(jié)果。

3 結(jié)語

綜上所述，為充分發(fā)揮自動控制技術(shù)優(yōu)勢，應(yīng)加強對自動控制系統(tǒng)的研究，樹立正確設(shè)計思路，根據(jù)控制使用需求來制定科學(xué)、合理的電力拖動自動控制系統(tǒng)設(shè)計方案，綜合采取短路保護、過熱保護、欠壓保護等安全保護策略，保持系統(tǒng)組成器件間的高效協(xié)調(diào)配合狀態(tài)，為企業(yè)生產(chǎn)保駕護航。