基于PLC控制的船用泵組的自動(dòng)切換系統(tǒng)分析

(渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125000)

現(xiàn)代船舶自動(dòng)化機(jī)艙中重要的泵除了能就地操作外，還能在集控室主控制臺(tái)或主配電屏的計(jì)算機(jī)液晶控制觸摸屏、組合起動(dòng)屏上進(jìn)行遙控操作和自動(dòng)運(yùn)行。在自動(dòng)運(yùn)行方式中，自動(dòng)運(yùn)行的泵一旦出現(xiàn)故障，同組的備用泵能夠自動(dòng)起動(dòng)并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換，各組泵依據(jù)事先設(shè)定好的次序逐臺(tái)重新自動(dòng)起動(dòng)。

在組合起動(dòng)屏中配置PLC控制單元，屏內(nèi)泵起動(dòng)控制單元通過現(xiàn)場總線與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)建立通信聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)在液晶觸摸屏上的起停泵控制。PLC控制單元I/O電路還接收受控泵的壓力或液位控制信號(hào)。這樣，可以實(shí)現(xiàn)這些泵不僅在多點(diǎn)進(jìn)行起動(dòng)和停止，而且一旦運(yùn)行中的泵出現(xiàn)故障，在PLC控制下根據(jù)壓力或液位信號(hào)的變化自動(dòng)切換備用泵。

PLC控制單元采用冗余結(jié)構(gòu)，配置兩套可編程控制器PLC1、PLC2，I/O電路，PLC自動(dòng)切換電路和自診斷電路。PLC1和PLC2互為備用，一旦運(yùn)行的一套PLC出現(xiàn)故障，PLC自動(dòng)切換電路立即使備用的一套PLC獲電，并投入運(yùn)行。

1 船用泵組的自動(dòng)切換系統(tǒng)控制線路原理和運(yùn)行分析

由于泵的自動(dòng)切換控制原理基本相同，以主燃油泵為例進(jìn)行分析。圖1所示為主燃油泵的主電路，圖2所示為No.l主燃油泵控制線路[1]，壓力開關(guān)LP檢測同組兩臺(tái)主燃油泵出口壓力，并將壓力信號(hào)送至PLC控制屏的I/O電路，監(jiān)測運(yùn)行著的燃油泵的出口壓力。整個(gè)控制線路由PLC起動(dòng)器控制單元、繼電-接觸器控制電路和主電路組成。

圖1 主燃油泵的主電路原理

圖2 主燃油泵控制電路原理

1.1 起動(dòng)器控制單元(SCU)

絕大部分組合屏中的起動(dòng)控制單元的硬件結(jié)構(gòu)，由核心單元PLC和中間繼電器組成。主燃油泵的PLC起動(dòng)控制單元有4個(gè)輸出繼電器：起動(dòng)繼電器KA1、停止繼電器KA2、運(yùn)行繼電器KA3和自動(dòng)繼電器KA4。當(dāng)起動(dòng)控制單元接收到起動(dòng)主燃油泵的操作命令時(shí)，起動(dòng)繼電器KA1獲電；當(dāng)接收到停止命令時(shí)，停止繼電器KA2獲電；當(dāng)主燃油泵處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，運(yùn)行繼電器KA3獲電；當(dāng)主燃油泵的控制線路處于自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，自動(dòng)繼電器KA4獲電。

通過設(shè)置起動(dòng)控制單元中的DIP開關(guān)、代碼開關(guān)和編程，可以實(shí)現(xiàn)泵在集控室或主配電屏觸摸屏、組合起動(dòng)屏和就地控制箱等多點(diǎn)手動(dòng)起動(dòng)和停止控制，欠壓保護(hù)，自動(dòng)狀態(tài)下電源恢復(fù)后自動(dòng)延時(shí)起動(dòng)，電動(dòng)機(jī)故障報(bào)警功能及主備用泵的自動(dòng)切換功能，滿足各類泵、通風(fēng)機(jī)等運(yùn)行機(jī)械的不同要求。主燃油泵的起動(dòng)控制單元具有如下功能，燃油壓力過低時(shí)備用泵自動(dòng)切換，“MAN/LINK”轉(zhuǎn)換。

1.2 主燃油泵的手動(dòng)起動(dòng)和停止控制

由于船舶電站容量有限，為了減小主燃油泵電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中的沖擊電流對電力系統(tǒng)的影響，主燃油泵電動(dòng)機(jī)采用按時(shí)間原則的自耦變壓器降壓起動(dòng)方式。

1.2.1 主燃油泵的手動(dòng)起動(dòng)控制

合上低壓斷路器QF，按下就地控制箱上的起動(dòng)銨鈕SB1；或者點(diǎn)擊觸摸屏上起動(dòng)圖標(biāo)；或者按下組合屏上起動(dòng)銨鈕，起動(dòng)信號(hào)送至控制單元的PLC，起動(dòng)控制單元PLC的綠色運(yùn)行指示燈(RUN)亮；同時(shí)，PLC的輸出觸點(diǎn)KA1閉合，接通No.l主燃油泵控制線路電源。接觸器KM1、時(shí)間繼電器T1和T2同時(shí)得電電，T1的瞬動(dòng)觸點(diǎn)閉合與KM1的常開輔觸點(diǎn)閉合，使接觸器KM2線圈得電。

接觸器KM1主觸頭閉合，將主電路中的自耦變壓器AT結(jié)成“Y”形， KM2的主觸頭閉合，自耦變壓器原邊接電源，副邊接電動(dòng)機(jī)的定子繞組，主燃油泵電動(dòng)機(jī)以額定電壓的 90%開始降壓起動(dòng)。KM2的輔觸點(diǎn)閉合，接觸器KM3線圈得電，KM3的3個(gè)觸點(diǎn)動(dòng)作如下。

983 Effect of referral on intravascular treatment of acute ischemic stroke with large vessel occlusion

1)KM3的常開觸點(diǎn)閉合，就地控制箱上的綠色運(yùn)行指示燈GL亮；

2)KM3常開觸點(diǎn)閉合，使PLC的運(yùn)行繼電器KA3的線圈得電，KA3常開觸點(diǎn)閉合，組合屏上的運(yùn)行指示燈亮；

3)KM3的常閉觸點(diǎn)斷開，將主燃油泵電動(dòng)機(jī)定子繞組內(nèi)的加熱電阻(SH)電源切斷。

電動(dòng)機(jī)起動(dòng)8 s后，T1的延時(shí)結(jié)束，T1的常開觸點(diǎn)延時(shí)閉合，繼電器KA5得電。繼電器KA5的常閉觸點(diǎn)斷開，使繼電器KM1的線圈斷電；繼電器KA5的常開觸點(diǎn)閉合，使接觸器KM4的線圈得電并實(shí)現(xiàn)自保。KM4的主觸頭閉合，電動(dòng)機(jī)從降壓起動(dòng)切換為全壓運(yùn)行。接觸器KM4常閉觸點(diǎn)斷開，使KM1、T1、KA5和T2斷電恢復(fù)到起動(dòng)前的狀態(tài)。接觸器KM4常開輔觸點(diǎn)閉合，使接觸器KM3繼續(xù)獲電，就地控制箱上的運(yùn)行指示燈和組合屏上的運(yùn)行指示燈保持點(diǎn)亮。

1.2.2 起動(dòng)失敗報(bào)警

在起動(dòng)線路中的時(shí)間繼電器T2，是為防止起動(dòng)過程中不能在規(guī)定的時(shí)間(8 s)內(nèi)從降壓起動(dòng)自動(dòng)切換到全壓運(yùn)行而設(shè)計(jì)的。 主燃油泵電動(dòng)機(jī)開始降壓起動(dòng)時(shí)，時(shí)間繼電器T2得電，如果在T2的15 s延時(shí)內(nèi)Tl不能動(dòng)作，電動(dòng)機(jī)無法進(jìn)入全壓運(yùn)行，T2的常開觸點(diǎn)延時(shí)閉合使繼電器KA6得電。KA6的2個(gè)觸點(diǎn)動(dòng)作如下。

1)KA6的常開觸點(diǎn)閉合實(shí)現(xiàn)自保，并使紅色起動(dòng)失敗(START FAIL)指示燈亮；

1.2.3 主燃油泵的手動(dòng)停止控制

按下就地控制箱上的停止銨鈕SB2；或者點(diǎn)擊觸摸屏上停止圖標(biāo)；或者按下組合屏上的停止銨鈕，停止信號(hào)送至起動(dòng)控制單元PLC，起動(dòng)繼電器KA1斷電，KA1的常開觸點(diǎn)斷開，接觸器KM4線圈斷電，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。同時(shí)，停止繼電器KA2得電，KA2的常開觸點(diǎn)閉合，組合起動(dòng)屏上的紅色停止指示燈亮。

1.3 泵的自動(dòng)切換和順序起動(dòng)控制

1.3.1 泵的自動(dòng)切換控制

1)當(dāng)運(yùn)行泵電動(dòng)機(jī)過載時(shí)，過載繼電器FR動(dòng)作，F(xiàn)R的常閉觸點(diǎn)斷開，運(yùn)行泵的起動(dòng)控制單元PLC接收到電動(dòng)機(jī)的過載信號(hào)，運(yùn)行泵停止，備用泵自動(dòng)起動(dòng)。待故障排除后，熱繼電器復(fù)位，原來的運(yùn)行泵成為備用泵。

2)當(dāng)運(yùn)行泵電動(dòng)機(jī)突然失電后，停止運(yùn)行，備用泵自動(dòng)起動(dòng)，當(dāng)原來的運(yùn)行泵的電源恢復(fù)后成為備用泵。

3)當(dāng)運(yùn)行泵出口壓力下降至某一值時(shí)，LP斷開。由于某種原因泵的出口壓力下降至動(dòng)作值，并持續(xù)2 s以上時(shí)，LP將出口壓力下降信號(hào)送至PLC控制屏，運(yùn)行泵立即停止并自動(dòng)起動(dòng)備用泵。經(jīng)過15 s延時(shí)后，如果出口壓力恢復(fù)正常，則按下原運(yùn)行泵的停止銨鈕，使其成為備用泵；反之，停止備用泵的運(yùn)行，并且阻止起動(dòng)信號(hào)，防止備用泵和運(yùn)行泵輪流起動(dòng)的嚴(yán)重后果。

1.3.2 泵的順序起動(dòng)控制

將起動(dòng)控制單元SCU中的“MAN/LINK”雙位開關(guān)置于“LINK”位置。由于某種原因電網(wǎng)失電后，所有泵都停止運(yùn)行，電網(wǎng)恢復(fù)供電后，為防止電網(wǎng)超負(fù)荷情況發(fā)生[2]，各組原來運(yùn)行的泵應(yīng)按事先設(shè)定的時(shí)間順序逐臺(tái)起動(dòng)，每臺(tái)泵的順序起動(dòng)時(shí)間由PLC控制屏設(shè)定。

2 硬件配置

根據(jù)控制要求可考慮PLC系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是分析系統(tǒng)所需的輸入輸出信息，確定PLC輸入輸出接點(diǎn)的類型、數(shù)量和PLC的配置，繪出系統(tǒng)的PLC輸入輸出接點(diǎn)的配置見圖3[3]。

圖3 船用泵組的自動(dòng)切換PLC控制系統(tǒng)的I/O接點(diǎn)配置

為了滿足上述控制要求，系統(tǒng)應(yīng)輸入以下開關(guān)信息:①系統(tǒng)起動(dòng)信號(hào)(起動(dòng)按鈕)X0；②系統(tǒng)停止信號(hào)(停止按鈕)X1；③泵組起動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)X2；④泵組起動(dòng)失敗信號(hào)X3；⑤泵出口壓力信號(hào)X4；⑥“MAN/LINK”雙位開關(guān)位置信號(hào)X5；⑦泵過載信號(hào)X6。

系統(tǒng)輸出開關(guān)信息有①起動(dòng)控制單元運(yùn)行工作指示燈(RUN)Y0；②起動(dòng)繼電器KA1控制信號(hào)Y1；③停止繼電器KA2控制信號(hào)Y2；④起動(dòng)控制單元紅色停止指示燈(RL)Y3；⑤運(yùn)行繼電器KA3控制信號(hào)Y4；⑥組合起動(dòng)屏上的運(yùn)行指示燈Y5；⑦自動(dòng)繼電器KA4控制信號(hào)Y6。

根據(jù)上述對系統(tǒng)輸出開關(guān)信息的分析，若采用FX2N系列PLC，則系統(tǒng)的輸入輸出接點(diǎn)配置見圖3。

根據(jù)輸入輸出接點(diǎn)配置的設(shè)定，按控制要求及其所確定的邏輯條件，畫出梯形圖，編寫PLC程序，便可完成泵組的自動(dòng)切換PLC控制。

3 結(jié)論

船用泵組的自動(dòng)切換系統(tǒng)采用PLC的控制系統(tǒng)克服了繼電器-接觸器控制可靠性、直觀性、自動(dòng)化程度不高的特點(diǎn)，結(jié)合觸摸屏智能操作及顯示技術(shù)，造就了PLC控制系統(tǒng)的抗干擾強(qiáng)、功能強(qiáng)大、精確度高等優(yōu)點(diǎn)[4]。

可編程控制器具有體積小、可靠性高、控制系統(tǒng)維護(hù)工作量小和使用方便等特點(diǎn)，其輸入模塊可以直接接收現(xiàn)場設(shè)備的各種傳感器信號(hào)，輸出模塊可以直接驅(qū)動(dòng)2～5 A的受控設(shè)備, 產(chǎn)品系列化、結(jié)構(gòu)模塊化的可編程控制器給控制系統(tǒng)的配置和備件管理帶來了極大的方便，這一點(diǎn)尤其適用于船舶機(jī)械設(shè)備的控制。

對于機(jī)艙溫度高、濕度大、機(jī)械振動(dòng)強(qiáng)的特殊工作環(huán)境，采用可編程控制器實(shí)現(xiàn)的泵組的自動(dòng)切換控制，大大提高了控制系統(tǒng)的可靠性。

[1] 任志錦.電機(jī)與電氣控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[2] 吳浩烈.電機(jī)及電力拖動(dòng)基礎(chǔ)[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,1998.

[3] 鄧志良,劉維亭.電氣控制技術(shù)與PLC[M].南京：東南大學(xué)出版社,2002.

[4] 劉明偉.船舶電力拖動(dòng)[M].北京：人民交通出版社,2010.