軟啟動(dòng)器在聚氨酯樹(shù)脂反應(yīng)釜控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

王華強(qiáng) 張 彪

(合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，合肥 230009)

軟啟動(dòng)器采用平滑緩慢的啟動(dòng)運(yùn)行方式[1]，啟動(dòng)過(guò)程無(wú)沖擊轉(zhuǎn)矩，沖擊電流小，是一種集電機(jī)軟啟/停及節(jié)能等多重保護(hù)功能于一體的新型動(dòng)力控制設(shè)備。筆者考慮到聚氨酯樹(shù)脂反應(yīng)釜的工藝要求，同時(shí)結(jié)合控制系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，決定選擇ABB軟啟動(dòng)器控制釜電機(jī)的運(yùn)行。

1 軟啟動(dòng)器①

筆者采用軟啟動(dòng)器拖動(dòng)反應(yīng)釜運(yùn)行，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，利用Modbus-RTU協(xié)議與S7-300PLC進(jìn)行通信，最后通過(guò)上位機(jī)IPC上的組態(tài)王進(jìn)行全程顯示監(jiān)控(圖1)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

軟啟動(dòng)器主電路采用三相晶閘管反并聯(lián)調(diào)壓方式。啟動(dòng)時(shí)，提高晶閘管輸出電壓，控制晶閘管觸發(fā)角α，逐漸升高電機(jī)的端電壓，使電機(jī)轉(zhuǎn)速平滑增加，當(dāng)晶閘管全導(dǎo)通時(shí)，轉(zhuǎn)速平滑上升至額定轉(zhuǎn)速；啟動(dòng)結(jié)束時(shí)，軟啟動(dòng)器停止工作并被切換，旁路接觸器自動(dòng)吸合為電動(dòng)機(jī)提供正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需的電壓[2]。

軟啟動(dòng)器的啟動(dòng)方式必須根據(jù)實(shí)際情況選擇，通用的4種啟動(dòng)方式如下：

a. 斜坡升壓軟啟動(dòng)(圖2a)。啟動(dòng)后，電壓迅速上升至啟動(dòng)電壓U0，然后在斜坡電壓作用下逐步增加，斜坡時(shí)間t1后，電壓升至電源電壓Um，啟動(dòng)結(jié)束[3]。該方式最簡(jiǎn)單，但不限流。

b. 斜坡恒流軟啟動(dòng)(圖2b)。啟動(dòng)時(shí)，在時(shí)間t內(nèi)，電流迅速增加，當(dāng)電流達(dá)到設(shè)定值Im后保持不變，此時(shí)輸出電壓持續(xù)增大；當(dāng)電機(jī)持續(xù)加速至額定轉(zhuǎn)速時(shí)，旁路接觸器吸合取代軟啟動(dòng)器，電流恢復(fù)到額定值IN[4]。應(yīng)該方式應(yīng)用最廣泛，筆者采用的就是該方式。

c. 階躍啟動(dòng)(圖2c)。啟動(dòng)后，在極短的時(shí)間t內(nèi)，電流階躍式增加，迅速上升到電流限幅值Ist后保持恒定；電機(jī)逐漸加速至額定轉(zhuǎn)速，啟動(dòng)結(jié)束，電流下降到額定值IN。

d. 脈沖沖擊啟動(dòng)(圖2d)。在啟動(dòng)階段，在較短時(shí)間內(nèi)用大電流導(dǎo)通晶閘管一段時(shí)間后，降低電流，施加脈沖電壓使轉(zhuǎn)矩突然增大，克服大負(fù)載的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tf；然后電機(jī)轉(zhuǎn)矩按原設(shè)定值Tst平滑上升，直到啟動(dòng)結(jié)束。該方式可有效縮短啟動(dòng)時(shí)間[5]。

a. 斜坡升壓軟啟動(dòng) b. 斜坡恒流軟啟動(dòng) c. 階躍啟動(dòng) d. 脈沖沖擊啟動(dòng)

軟啟動(dòng)器的保護(hù)功能主要有：過(guò)載保護(hù)功能，防止短路或過(guò)載故障發(fā)生；缺相保護(hù)功能，防止出現(xiàn)缺相斷流情況；過(guò)熱保護(hù)功能，防止電機(jī)或晶閘管溫度過(guò)限[6]。

2 軟啟動(dòng)器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)控制要求和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工藝需求，采用主、備兩臺(tái)型號(hào)為PST175-600-70的ABB軟啟動(dòng)器拖動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，額定電流為175A，額定功率為90kW。

2.1 主控電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主控電路如圖3所示，選擇兩個(gè)三相倒順閘刀2DK1、2DK2進(jìn)行主備轉(zhuǎn)換，整個(gè)電路電源通斷由斷路器2QF1控制，2QF2控制主用軟啟動(dòng)器供電電路，2QF3控制備用軟啟動(dòng)器供電電路。為了防止電機(jī)和線(xiàn)路發(fā)生過(guò)載，熱繼電器2FR作為延時(shí)限流保護(hù)裝置。

圖3 系統(tǒng)主控電路

2.2 軟啟動(dòng)器拖動(dòng)設(shè)計(jì)

各反應(yīng)釜的主、備軟啟動(dòng)器設(shè)計(jì)選型和參數(shù)設(shè)置都一樣，此處以11#反應(yīng)釜主用軟啟動(dòng)器為例進(jìn)行分析。軟啟動(dòng)器拖動(dòng)電機(jī)電路設(shè)計(jì)如圖4所示，具體的電氣接線(xiàn)方式如下：

a. 將ABB軟啟動(dòng)器接在主回路中。操作軟啟動(dòng)器時(shí)必須保證接地端子接地，否則不允許操作軟啟動(dòng)器。

b. PST175-600-70軟啟動(dòng)器本身沒(méi)有旁路接觸器，因此需加裝外置旁路接觸器。在軟啟動(dòng)器運(yùn)行、繼電器2KA2的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合后，旁路交流接觸器2KM1-1得電，其常開(kāi)觸點(diǎn)閉合；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生過(guò)載保護(hù)時(shí)，繼電器2KA5的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，旁路交流接觸器失電，其常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)。

c. 通過(guò)軟啟動(dòng)器端子1、2對(duì)控制回路進(jìn)行供電，電壓為100～250V，頻率為50～60Hz。功能接地接在軟啟動(dòng)器旁的安裝板上最合適，且電纜盡可能短，不能超過(guò)0.5m。

d. 軟啟動(dòng)器啟動(dòng)和停止電源由內(nèi)部自鎖電路提供。帶燈按鈕2SB1作為啟動(dòng)按鈕，帶燈按鈕2SB2作為停止按鈕，并連接在端子上，且這些接線(xiàn)端子只能連接24V電壓。

e. 電源2L1接端子16、19；運(yùn)行繼電器2KA2一端接電源2N1，一端接端子17；故障繼電器2KA1一端接電源2N1，一端接端子20。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，2KA1的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合進(jìn)行電鈴報(bào)警，同時(shí)故障指示燈亮。

f. 2HL1為電源指示燈，2HL2為故障指示燈，2HL3為全壓指示燈。3個(gè)熔斷器(2FU1、2FU2、2FU3)的主要作用是防止所在線(xiàn)路短路。

g. 將軟啟動(dòng)器模擬量輸出設(shè)置為4～20mA，表示電機(jī)電流的0%～100%，并將數(shù)據(jù)信息傳送到PLC，最后通過(guò)上位機(jī)IPC上的組態(tài)王顯示。

圖4 軟啟動(dòng)器拖動(dòng)電機(jī)電路

2.3 軟啟動(dòng)器參數(shù)設(shè)置及通信

PST175-600-70軟啟動(dòng)器可以通過(guò)鍵盤(pán)、總線(xiàn)通信和外部鍵盤(pán)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，本系統(tǒng)軟啟動(dòng)的應(yīng)用類(lèi)型選為攪拌機(jī)。軟啟動(dòng)器的主要參數(shù)設(shè)置如下：

設(shè)定電流 175A

電機(jī)過(guò)載類(lèi)別 10

旁路監(jiān)測(cè) 是

啟動(dòng)模式 電流

升壓時(shí)間 20s

限流倍數(shù) 4

初始電壓 35%～40%

電機(jī)過(guò)載保護(hù) 雙重

三項(xiàng)失衡保護(hù) 是

大電流報(bào)警值 1.2×ie(額定電流的1.2倍)

SCR過(guò)載保護(hù) 是

模擬量輸出 是

模擬量輸出范圍 4～20mA

模擬量輸出類(lèi)型 電機(jī)電流

顯示語(yǔ)言 漢語(yǔ)

本反應(yīng)釜控制系統(tǒng)采用S7-300PLC CPU314，機(jī)架上有負(fù)載電源模塊、以太網(wǎng)通信模塊、串行通信處理模塊和I/O模塊。ABB軟啟動(dòng)器選用Modbus-RTU協(xié)議，通過(guò)串行通信處理模塊與PLC進(jìn)行通信，PLC通過(guò)CP343-1模塊與多臺(tái)上位機(jī)通過(guò)交換機(jī)構(gòu)成以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，上位機(jī)上的組態(tài)王實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)并顯示監(jiān)控。

3 結(jié)果分析

上位機(jī)通過(guò)通信獲得電機(jī)運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，然后利用組態(tài)王軟件設(shè)計(jì)工藝界面、曲線(xiàn)界面(圖5a)和歸檔界面(圖5b)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)聚氨酯樹(shù)脂反應(yīng)釜控制系統(tǒng)的全程監(jiān)控。

通過(guò)該曲線(xiàn)界面可以實(shí)時(shí)監(jiān)控反應(yīng)釜電機(jī)電流、釜電機(jī)轉(zhuǎn)速、反應(yīng)釜溫度和累加重量。工作人員可以根據(jù)此界面做出工藝判斷：通過(guò)顯示溫度決定是否需要采取降溫措施；通過(guò)累加重量判斷各種物料下料重量是否正確；通過(guò)電機(jī)電流和電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)判斷該產(chǎn)品是否達(dá)到工藝要求，是否生產(chǎn)成功。

a. 曲線(xiàn)界面 b. 歸檔界面

通過(guò)歸檔界面左邊報(bào)表可以對(duì)控制系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔存儲(chǔ)，該報(bào)表存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包括時(shí)間日期、物料名稱(chēng)、本次下料重量、反應(yīng)釜溫度、電機(jī)電流和電機(jī)轉(zhuǎn)速。同時(shí)也可以通過(guò)該界面右邊報(bào)表調(diào)入前期生產(chǎn)的歸檔報(bào)表進(jìn)行查詢(xún)[7]。工廠(chǎng)技術(shù)人員通過(guò)歸檔報(bào)表可以明晰整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程操作和反應(yīng)釜運(yùn)行狀況。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)軟啟動(dòng)器的原理、啟動(dòng)方式和保護(hù)功能的全面分析，發(fā)現(xiàn)軟啟動(dòng)器既能克服傳統(tǒng)方式的不足，又能使系統(tǒng)控制功能更加完善，動(dòng)力設(shè)備控制更加有效，從而使得系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定、可靠。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，軟啟動(dòng)器的技術(shù)將更加成熟，性能更加穩(wěn)定，功能更加全面。