基于二拖多的軟起動(dòng)器控制策略及其應(yīng)用
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孟彥京1 耿娜娜1，* 馬匯海1 景 斌2 趙 丹1
（1．陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，陜西西安，710021；2．西安利雅得電氣股份有限公司，陜西西安，710075）
摘要：針對(duì)以往低壓控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的可靠性、軟起動(dòng)器使用壽命和可維護(hù)性差的問題，采用軟起動(dòng)器二拖多的控制方式對(duì)各臺(tái)需要啟動(dòng)的電機(jī)進(jìn)行控制。通過分析二拖多控制系統(tǒng)的組成特點(diǎn)，提出了軟起動(dòng)器二拖多冗余式控制和交替式控制策略，并對(duì)這兩種控制策略進(jìn)行了理論分析。最后通過現(xiàn)場應(yīng)用證明這種控制策略的可行性。
關(guān)鍵詞：軟起動(dòng)器；二拖多；控制方式
中圖分類號(hào)：TS736 DOI：10.11980/j. issn．0254-508X．2016. 06. 011
在工業(yè)生產(chǎn)中，不同的負(fù)載和電動(dòng)機(jī)配置，啟動(dòng)電流可達(dá)到額定運(yùn)行電流的5～9倍，如此大的啟動(dòng)電流會(huì)嚴(yán)重沖擊電網(wǎng)，影響設(shè)備壽命及增加額外的輸配電投資，因此采用軟起動(dòng)器啟動(dòng)負(fù)載電機(jī)十分重要。如在造紙行業(yè)中的制漿、抄紙等車間，由于各臺(tái)負(fù)載功率大且數(shù)量眾多、啟停頻繁，因此需要使用軟起動(dòng)器頻繁動(dòng)作啟動(dòng)負(fù)載，這樣會(huì)使軟起動(dòng)器的使用壽命降低、維護(hù)難度增加以及啟動(dòng)能耗較，造成整個(gè)車間控制系統(tǒng)的可靠性降低。為了解決這些問題，研究使用多臺(tái)軟起動(dòng)器拖動(dòng)多臺(tái)電機(jī)的控制系統(tǒng)及其控制策略就顯得尤為重要。據(jù)此，筆者根據(jù)自己研究生實(shí)習(xí)期間的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際觀測(cè)，提出軟起動(dòng)器二拖多控制系統(tǒng)及其控制策略，并在工業(yè)現(xiàn)場得到應(yīng)用。
1 軟起動(dòng)器二拖多控制系統(tǒng)
軟起動(dòng)器二拖多控制系統(tǒng)包括第一軟起動(dòng)器、第二軟起動(dòng)器、常規(guī)電源網(wǎng)絡(luò)、控制器。如圖1所示，常規(guī)電源網(wǎng)絡(luò)經(jīng)第一斷路器QF1、第二斷路器QF2分別與第一快速熔斷器FU1、第二快速熔斷器FU2連接，將第一快速熔斷器FU1、第二快速熔斷器FU2分別與第一軟起動(dòng)器、第二軟起動(dòng)器的L1、L2、13端連接，第一軟起動(dòng)器、第二軟起動(dòng)器的出線端T1、T2、113并聯(lián)后構(gòu)成軟啟電源網(wǎng)絡(luò)。軟啟電源網(wǎng)絡(luò)連接n個(gè)電動(dòng)機(jī)M1~Mn，每個(gè)電動(dòng)機(jī)與軟啟電源網(wǎng)絡(luò)之間均連接有軟啟接觸器KM1~KMn，常規(guī)電源網(wǎng)絡(luò)經(jīng)旁路接觸器KM11~KM1n連接在所述每個(gè)電動(dòng)機(jī)與軟啟接觸器KM1~KMn之間。第一軟起動(dòng)器、第二軟起動(dòng)器、每個(gè)軟啟接觸器、每個(gè)旁路接觸器分別與控制器連接。同時(shí)每個(gè)電動(dòng)機(jī)與軟啟接觸器KM1~KMn之間還連接有熱繼電器FR1~FRn。
如圖1所示，開始工作時(shí)，隨機(jī)將一臺(tái)軟起動(dòng)器設(shè)為主起動(dòng)器處于工作狀態(tài)，另一臺(tái)設(shè)為從起動(dòng)器處于備份狀態(tài)；當(dāng)收到第一個(gè)啟動(dòng)指令后，控制器首先將電動(dòng)機(jī)M1的軟啟接觸器KM1閉合、旁路接觸器KM11斷開，然后控制器命令主軟起動(dòng)器開始工作，使軟啟電源網(wǎng)絡(luò)上的電壓逐漸上升，電動(dòng)機(jī)M1逐漸啟動(dòng)。當(dāng)軟啟電源網(wǎng)絡(luò)的電壓達(dá)到額定電壓后，電動(dòng)機(jī)Ml正常工作，此時(shí)控制器斷開軟啟接觸器KM1、閉合旁路接觸器KM11，電動(dòng)機(jī)M1的軟啟動(dòng)過程完成，控制器命令主起動(dòng)器停止工作，進(jìn)入散熱狀態(tài)。在收到第二個(gè)啟動(dòng)指令后，控制器將電動(dòng)機(jī)M2的軟啟接觸器KM2閉合、旁路接觸器KM12斷開，然后控制器命令主起動(dòng)器開始工作，使軟啟電源網(wǎng)絡(luò)上的電壓逐漸上升，電動(dòng)機(jī)M2逐漸啟動(dòng)。當(dāng)軟啟電源網(wǎng)絡(luò)的電壓達(dá)到額定電壓后，電動(dòng)機(jī)M2正常工作，此時(shí)控制器斷開軟啟接觸器KM2、閉合旁路接觸器KM12，電動(dòng)機(jī)M2的軟啟動(dòng)過程完成，控制器命令主起動(dòng)器停止工作，進(jìn)入散熱狀態(tài)。以后的啟動(dòng)過程與此類似，直到所有電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)完畢。此工作全程在控制器的監(jiān)控下運(yùn)行，一旦主起動(dòng)器發(fā)生故障，控制器將立即報(bào)警并將主起動(dòng)器切換成從起動(dòng)器，原來的從起動(dòng)器切換成主起動(dòng)器，完成剩余的工作，故障的從起動(dòng)器等待維修，維修后仍被設(shè)為從起動(dòng)器。
2軟起動(dòng)器二拖多控制策略
對(duì)于軟起動(dòng)器二拖多系統(tǒng)的控制，有兩種控制策略，即冗余式控制和交替式控制。冗余式控制方式可以在主起動(dòng)器出現(xiàn)故障后備份起動(dòng)器接替工作，從而提高整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，降低整體故障率。交替式控制方式既能避免單臺(tái)軟起動(dòng)器出現(xiàn)啟動(dòng)過頻繁故障，也能在某臺(tái)軟起動(dòng)器故障時(shí)，由另一臺(tái)軟起動(dòng)器啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，達(dá)到相互冗余的效果，提高了系統(tǒng)可靠性，交替式控制方式還能延長軟起動(dòng)器的實(shí)際使用壽命。
2.1冗余式控制
二拖多冗余式軟起動(dòng)器控制策略如圖2所示。冗余式控制方式下，當(dāng)收到啟動(dòng)指令后，首先判斷2臺(tái)軟起動(dòng)器正常／故障信號(hào)，若2臺(tái)均為故障，則中止啟動(dòng)過程，系統(tǒng)報(bào)警；若一臺(tái)故障，則良好起動(dòng)器被設(shè)為主起動(dòng)器，而故障軟起動(dòng)器被設(shè)置為從起動(dòng)器，同時(shí)進(jìn)行報(bào)警；然后控制器命令主起動(dòng)器啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)；若2臺(tái)都沒有故障，則可以使用先前選擇的主起動(dòng)器啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，從起動(dòng)器不參與工作；每完成一次啟動(dòng)后，所述控制器都要對(duì)主起動(dòng)器進(jìn)行一次故障判斷，若沒有故障，則繼續(xù)啟動(dòng)下一臺(tái)電機(jī)；若有故障，則主軟起動(dòng)器報(bào)警并停止工作，使用從起動(dòng)器完成剩余工作，這時(shí)從軟起動(dòng)器被設(shè)定為主軟起動(dòng)器。在冗余式控制方式下，只要主起動(dòng)器不發(fā)生故障則主從起動(dòng)器的地位也不發(fā)生轉(zhuǎn)換。只有當(dāng)主起動(dòng)器故障后才會(huì)被從起動(dòng)器取代，故障起動(dòng)器降為從起動(dòng)器置于待維修狀態(tài)并報(bào)警，故障軟起動(dòng)器經(jīng)維修正常后，仍然作為從起動(dòng)器投入到系統(tǒng)。
2.2交替式控制
二拖多交替式軟起動(dòng)器控制策略如圖3所示。交替式控制方式下，當(dāng)收到啟動(dòng)指令后，首先判斷2臺(tái)軟起動(dòng)器正常／故障信號(hào)，若2臺(tái)均為故障，則中止啟動(dòng)過程，系統(tǒng)報(bào)警；若
一臺(tái)故障，則良好起動(dòng)器被設(shè)為主起動(dòng)器，而故障軟起動(dòng)器被設(shè)置為從起動(dòng)器，同時(shí)系統(tǒng)向操作員報(bào)警。然后控制器命令主起動(dòng)器按照?qǐng)D1的方式啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，啟動(dòng)完成后，2臺(tái)軟起動(dòng)器的主從關(guān)系不發(fā)生改變；若2臺(tái)都正常，則控制器命令主起動(dòng)器按照?qǐng)D1的過程啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)。啟動(dòng)完成后，控制器將2臺(tái)軟起動(dòng)器的主從關(guān)系互換，即下次啟動(dòng)使用另一臺(tái)軟起動(dòng)器完成啟動(dòng)，如此交替循環(huán)直至完成所有工作，通過交替式控制方式，每執(zhí)行一次啟動(dòng)命令則主、從起動(dòng)器交換一次身份，無論哪臺(tái)起動(dòng)器故障，控制器將立即收到故障信號(hào)，迅速將故障起動(dòng)器置于待維修狀態(tài)并報(bào)警，同時(shí)將良好起動(dòng)器視為主起動(dòng)器連續(xù)工作，維修后的再次投入的起動(dòng)器視為從起動(dòng)器。
3軟起動(dòng)器二拖多控制的應(yīng)用
3.1控制系統(tǒng)配置情況
在廣東深圳某年產(chǎn)10萬t高強(qiáng)瓦楞原紙廠，本課題以制漿車間中一段精篩、進(jìn)粗篩泵、二段精篩等幾個(gè)大功率電機(jī)為例。詳細(xì)配置如表1所示。
由于啟動(dòng)電流很大，為了提高整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性，延長軟起動(dòng)器的使用壽命，增強(qiáng)系統(tǒng)的可維護(hù)性，在本項(xiàng)目中，選擇二拖多交替式軟起動(dòng)器控制策略。
3.2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
該項(xiàng)目中，選擇西門子LOGO!作為核心控制器。其中LOGO!1 230RC有8個(gè)數(shù)字量輸入和4個(gè)繼電器輸出(10A)，沒有顯示單元和鍵盤，LOGO! DM16 230R有8個(gè)數(shù)字量輸出和8個(gè)繼電器輸出(5A)。以表1中的3臺(tái)電機(jī)為例，控制系統(tǒng)的電氣二次原理圖如圖4所示。
控制系統(tǒng)的輸入端子共有6個(gè)，I1是1#軟啟動(dòng)達(dá)速輸入，I2是2#軟啟動(dòng)達(dá)速輸入，I3是1#電機(jī)運(yùn)行信號(hào)，I4是2#電機(jī)運(yùn)行信號(hào)，I5是3#電機(jī)運(yùn)行信號(hào)，I6是1#、2#、3#電機(jī)軟啟動(dòng)的信號(hào)�？刂葡到y(tǒng)的輸出端子共有8個(gè)，Q1是1#軟起動(dòng)器啟／停，Q2是2#軟起動(dòng)器啟／停，Q3是1#電機(jī)軟啟動(dòng)，Q4是1#電機(jī)運(yùn)行，Q5是2#電機(jī)軟啟動(dòng)，Q6是2#電機(jī)運(yùn)行，Q7是3#電機(jī)軟啟動(dòng)，Q8是3#電機(jī)運(yùn)行。結(jié)合圖2的控制邏輯進(jìn)行PLC的編程，通過PLC的輸入輸出接口電路。
3.3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是結(jié)合生產(chǎn)工藝流程對(duì)LOG O! 進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)2臺(tái)軟起動(dòng)器的循環(huán)交替工作控制，程序的設(shè)計(jì)思想如圖3所示。軟件設(shè)計(jì)程序如圖5所示，在LOGO! Soft Comfort環(huán)境下采用梯形圖編寫，采用常開常閉觸點(diǎn)表達(dá)控制思想的邏輯功能。
4結(jié)語
綜合上述分析可知，在工業(yè)應(yīng)用中，針對(duì)需要軟起動(dòng)器啟動(dòng)多臺(tái)大功率電機(jī)的控制系統(tǒng)，二拖多循環(huán)交替式軟起動(dòng)器控制策略是一種較好的選擇方案。該方案不僅能夠保證整個(gè)啟動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性，還能延長軟起動(dòng)器的使用壽命，節(jié)約運(yùn)行成本，使軟起動(dòng)器的可維護(hù)性增強(qiáng)，同時(shí)降低能量損耗。該控制方案在廣東深圳某年產(chǎn)10萬t高強(qiáng)瓦楞原紙廠制漿車間、抄紙車間、廢水處理車間得到成功的應(yīng)用，取得良好的效果。
