一種基于小型PLC獨立控制的電動機低電壓自起動技術的研究

劉永春 林育茲 張國忠

（招商局漳州開發區廈門大學嘉庚學院機電工程系，福建 漳州 363105）

電動機是重要的工業生產驅動設備。按照電壓等級的不同可分為高壓和低壓電動機。高壓電動機通常在6～10kV電壓等級運行，采用的是機械鎖扣式的高壓斷路器控制方式；低壓電動機在380V以下電壓等級運行，采用的是交流接觸器的電氣自鎖控制方式。為了便于工藝操作，低壓電動機往往采用兩地控制的形式。圖1就是低壓電動機兩地控制的原理接線圖，左邊是主回路，主要由空氣開關QF、熔斷器FU1、接觸器KM的主觸點、熱保護繼電器FR和電動機D等器件串聯構成。右邊是控制回路，主要由起動環節、停機環節和交流接觸器線圈等器件組成。其中，SA是兩地選擇開關，SB1—SB4分別是兩地的起動和停機控制按鈕。低壓電動機這種典型的電氣自鎖控制方式，其抗“晃電”的作用十分薄弱。

圖1 低壓電動機兩地控制原理接線圖

在雷電或其他因素的影響下，系統電壓會出現瞬間下降，爾后又會迅速地恢復正常，這種現象稱為“晃電”。雖然系統電壓只是出現了瞬間下降，但是，控制低壓電動機的交流接觸器KM因電壓過低、電磁線圈吸合乏力可能會自動釋放，從而造成電動機的非故障停機。當低壓電動機停機后，必然會聯鎖將相應的高壓電動機也停機。尤其對石油、石化行業影響更為嚴重，有時是一套或幾套生產裝置受影響，有時甚至是全廠的生產裝置都受到影響。如果想讓電動機繼續運行，傳統的方法是依靠操作人員一臺又一臺去重新起動，考慮到工藝設備之間的相互協調與配合，無疑要花費相當長的時間。即便是引起生產裝置的波動，要想恢復到正常的生產狀態，少則需要幾個小時，多則需要幾天的時間。

1 現有抗“晃電”產品的缺陷

“晃電”雖小，損失重大，必須設法減少“晃電”造成的危害。但“晃電”畢竟是由惡劣天氣或偶然因素引起的，一般情況下只能補救不可消除。補救的方法主要有兩種：一是“晃電”時盡可能保持電動機不跳閘；二是跳閘后能夠快速地實現自起動。圍繞這兩種方法，在市場上出現了不少抗“晃電”的產品，控制方式有繼電器或鎖扣式接觸器；控制的核心元件有單片機或工控機；產地有進口的或國產的等[1]。根據企業用戶的反映，這些抗“晃電”自起動設備的可靠性仍然不高。例如鎖扣接觸器在“晃電”時雖然不跳閘，但自起動的時間不好控制，有時手動操作會跳不開而燒毀接觸器線圈；抗“晃電”繼電器不能發出自起動是否成功的明確信號，不便于準確判斷。其他類型的抗“晃電”設備，也存在著不同的問題[2-3]。

2 用PLC實現抗“晃電”控制的研究

2.1 主要技術要求

綜合市場產品存在的問題和對抗“晃電”技術的研究，一個比較完善的抗“晃電”設備，必須能夠解決以下問題：

1）手動停機時不可自起動。

2）保護動作跳閘后不可自起動。

3）低電壓超時或真正停電后不可自起動。

4）短時晃電時可實現0s或者延時自起動。

5）在晃電頻繁的情況下，可實現連續地自起動。

6）要有正常的電源監視信號和電動機運行信號指示燈。

7）保護動作停機后要能夠發出閃光報警信號。

8）自起動成功后要能夠發出閃光報警提示信號。

9）自起動失敗后也要能夠發出閃光報警提示信號。

10）要具有報警復位的功能。

2.2 控制模型及流程圖

圖2是采用小型PLC獨立實現電動機低電壓自起動控制模型的原理框圖，主要由主電路模塊、低電壓檢測模塊、二次控制模塊和PLC模塊等四部分組成。主電路模塊和二次控制模塊與圖1的控制電路類似，不同的是在控制模塊中取消了自鎖環節，由PLC內部實現置位鎖功能。低電壓檢測模塊主要是捕捉系統電壓的晃電信息，PLC模塊一是通過I/O端經過邏輯控制向二次控制模塊發出控制指令，二是發出相應的報警信息。

圖2 控制模型原理框圖

圖3是小型PLC獨立控制電動機低電壓自起動的流程，主要由開、停機判斷模塊，晃電判斷模塊以及低電壓超時判斷等多個模塊組成。當電動機開機運行正常后，即刻開起自起動功能。如果出現晃電停機，在沒有超時的情況下，電動機就實現自起動，并發出自起動成功的閃光報警信號，然后重新進入新的自起動狀態。如果晃電超時或者完全停電，就自動解除自起動功能，并發出自起動失敗的閃光報警信號，然后通過報警復位后回到等待開機的狀態。

2.3 PLC的配置

根據圖1和圖3的原理圖，可以確定PLC控制的I/O分配表見表1。

圖3 電動機低電壓自起動控制流程圖

表1 PLC控制的I/O分配表

從表1中可以看出，外部的輸入信號有9個，輸出信號有5個，I/O總點數比較少，只有14個，適合于選擇小型的PLC進行控制。所以，可選擇型號規格為CPU 224 CN 14/10的西門子PLC。

根據圖1、圖3的控制原理和I/O分配表，自起動模擬實驗外部接線圖設計如圖4所示。

圖4中SA1是低電壓實驗轉換開關，SA2是兩地選擇開關，SA3是模擬保護動作開關，SA4是PLC工作電源實驗開關，SB5是報警復位按鈕，DDJ是模擬電動機的實驗指示燈。

圖4 自起動模擬實驗外部接線圖

根據圖3所示的電動機低電壓自起動控制流程圖，其梯形圖的設計可分為運行判斷模塊、低電壓判斷模塊、延時控制模塊、主控制模塊以及報警指示信號模塊等五大部分。其中主控制模塊采用復位優先指令SR來設計。運行判斷模塊的作用主要是判斷電動機的啟動與停機狀態，為自起動做準備。低電壓判斷模塊的作用主要是捕捉系統的瞬間晃電現象，為自起動計時和執行提供條件。延時控制模塊的作用主要是判斷系統晃電時間的長短以及確定延時自起動的時間。主控模塊的作用主要是實現電動機的正常開機、正常停機、保護停機以及最重要的自起動開機等相關功能。報警指示信號模塊的作用主要是對PLC的電源狀態、電動機的運行狀態、故障跳閘狀態以及低電壓自起動成功與失敗的狀態及時準確地發出相應的指示信號或報警信號。根據PLC控制功能的要求，全部的梯形圖總共由12個網絡模塊組成。程序設計好并下載到PLC之后即可投入使用。

3 仿真模擬運行與控制功能的驗證

綜合以上各部分的分析，我們設計制作了電動機低電壓自起動試驗臺如圖5所示，其中圖5（a）是控制面板，圖5（b）是控制箱的外形。

圖5 電動機低電壓自起動試驗臺

3.1 仿真模型介紹

在圖5（a）中，左邊是電動機的配電單線圖，右邊是控制屏。其中SA1是低電壓自起動試驗轉換開關，向左轉45°可以模擬出現低電壓，再打回來可模擬電壓恢復正常，此時可以模擬電動機的自起動。SB5是報警信號的復位按鈕，DDJ是專門用于模擬電動機運行的指示燈。JD是電源監視指示燈，當PLC送電正常后JD燈長亮。YD是電動機的運行指示燈，當電動機起動運行后YD燈長亮，若出現過載保護停機YD燈會閃光報警。ZD是電動機自起動成功指示燈，若自起動成功，ZD燈就閃光報警。SD是電動機自起動失敗指示燈，若晃電時間超過了自起動的允許時間，說明自起動失敗，自起動將被解除，而SD燈會閃光報警。SB1—SB4是主控和現場的開、停機控制按鈕。SA2是兩地選擇開關，SA3用于模擬過載保護動作，SA4模擬PLC外部電源斷電，SA5模擬意外停機。

3.2 模擬運行與功能的驗證

模擬運行與功能驗證的實際情況如圖6所示。

圖6 模擬運行與功能驗證實物圖

驗證過程如下：首先給試驗箱送上電源，若是220V電源可以直接用DDJ指示燈模擬電動機，若是380V電源可直接接上4.5kW的電動機運行。然后給上試驗箱內的空氣開關QF，并合上PLC運行開關，如圖6（a）所示，電壓監視指示燈JD長亮。將SA2選擇開關打到上方，按下SB1按鈕模擬主控開機，如圖6（b）所示，電動機運行的指示燈YD和模擬電動機指示燈DDJ長亮，說明電動機起動運行正常。如果選擇按下SB2或者SB4按鈕，YD和DDJ燈就會熄滅，模擬電動機正常停機，此時電動機并不會自起動；如果選擇將SA3開關打向上方，模擬電動機過載跳閘，此時DDJ燈熄滅，而YD燈閃光報警，此時電動機同樣不會自起動。當將SA3開關即事故模擬信號復位后，YD燈就會自動熄滅，故障報警解除。

自起動成功功能的驗證：重新按下SB1按鈕模擬主控開機，YD、DDJ燈長亮，此時將SA1轉換開關打向左邊，則JD、YD、DDJ三盞燈全熄滅，用于模擬系統出現低電壓晃電跳機的故障。在設定的晃電超時時間內，再將SA1試驗選擇開關打回右邊，模擬系統電壓恢復正常，如圖6（c）所示，經過預先設定的自起動延時時間后，JD、YD、DDJ三盞指示燈長亮，而自起動成功指示燈ZD閃光報警，說明電動機經過低電壓晃電后自起動成功。如果多次進行相同的試驗，效果是一樣的，說明可以實現連續的成功自起動。即使不對ZD指示燈復位也不影響后續的自起動功能。如果按下SB5按鈕就可以將ZD指示燈復位。

晃電超時時間可根據工藝允許的關鍵機組最長的停機時間來設定，本試驗設定為8s。自起動延時時間可根據電氣允許的起動電流要求來設定。如果用于關鍵機組，可將自起動的延時時間設定為0s，只要在超時時間內系統電壓一恢復，關鍵機組就可以立即自起動。如果用于次要機組，可根據電氣所允許的起動電流要求，將自起動的延時時間順延若干秒，本試驗設定的自起動時間為3s。

自起動失敗功能的驗證：在前面自起動成功的基礎上將ZD燈復位后就變成了與正常運行相同的狀態，此時將試驗轉換開關SA1打向左邊，等待模擬停電的時間超過晃電設定的時間后，再將SA1打回原位，如圖6（d）所示，此時只有電源指示燈JD長亮，而自起動失敗指示燈SD閃光報警。說明系統電壓晃電的時間過長，超出了工藝所允許自起動的最長時間，不能再進行自起動了，否則會帶來新的安全事故。

需要注意的是，在自起動失敗SD燈閃光報警的情況下，考慮到生產工藝安全方面的原因，如果沒有將失敗報警指示燈SD復位，電動機是不允許再進行手動重新起動的。也就是說，當自起動失敗后，必須先將自起動失敗指示燈SD復位，然后才能重新開機。

3.3 控制裝置的技術要求

根據對PLC控制的電動機低電壓自起動裝置的試驗結果驗證，為了確保電動機能穩定可靠地實現自起動，建議對PLC提供獨立的工作電源。根據PLC的型號不同，選擇直流或者交流工作電源均可。

另外，建議采用正宗品牌的西門子PLC，不要采用國產仿制的類似產品，因為正宗品牌的性能穩定，運行更可靠。

4 結論

通過多種方式的仿真模擬驗證，證明采用小型PLC獨立控制技術實現電動機的低電壓自起動是完全可行的、可靠的。不僅能夠實現電動機自起動的主要控制功能，而且能夠發出多種指示信號，具有自起動技術智能化、人性化的重要特征。該項技術既可以用于單臺機的獨立自起動，也可以用于多臺機分布式的群機分批自起動。既可以用于兩地控制，也可以用于一地控制。一旦投入實際應用，必將會帶來較好的經濟效益和社會效益，值得市場的期待。

[1]楊曉兵.抗晃電技術在化工企業變配電系統中的運用[J].技術與市場,2013(10):13-17.

[2]李金嶺.電動機晃電智能自起動控制技術及應用[J].科技致富向導,2013(21):280-319.

[3]戚云.PLC在電機分批自起動中的應用[J].四川水泥,2005(2):43-44.