基于二拖多的軟起動器控制策略及其應用

孟彥京　耿娜娜,*　馬匯海　景　斌　趙　丹

(1.陜西科技大學電氣與信息工程學院,陜西西安,710021；2.西安利雅得電氣股份有限公司,陜西西安,710075)

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·軟起動器·

基于二拖多的軟起動器控制策略及其應用

孟彥京1耿娜娜1,*馬匯海1景斌2趙丹1

(1.陜西科技大學電氣與信息工程學院,陜西西安,710021；2.西安利雅得電氣股份有限公司,陜西西安,710075)

針對以往低壓控制系統中出現的可靠性、軟起動器使用壽命和可維護性差的問題,采用軟起動器二拖多的控制方式對各臺需要啟動的電機進行控制。通過分析二拖多控制系統的組成特點,提出了軟起動器二拖多冗余式控制和交替式控制策略,并對這兩種控制策略進行了理論分析。最后通過現場應用證明這種控制策略的可行性。

軟起動器；二拖多；控制方式

在工業生產中,不同的負載和電動機配置,啟動電流可達到額定運行電流的5～9倍,如此大的啟動電流會嚴重沖擊電網,影響設備壽命及增加額外的輸配電投資,因此采用軟起動器啟動負載電機十分重要[1]。如在造紙行業中的制漿、抄紙等車間,由于各臺負載功率大且數量眾多、啟停頻繁,因此需要使用軟起動器頻繁動作啟動負載,這樣會使軟起動器的使用壽命降低、維護難度增加以及啟動能耗較差,造成整個車間控制系統的可靠性降低[2]。為了解決這些問題,研究使用多臺軟起動器拖動多臺電機的控制系統及其控制策略就顯得尤為重要。據此,筆者根據自己研究生實習期間的項目經驗并結合現場實際觀測,提出軟起動器二拖多控制系統及其控制策略,并在工業現場得到應用。

1　軟起動器二拖多控制系統

軟起動器二拖多控制系統包括第一軟起動器、第二軟起動器、常規電源網絡、控制器[1]。如圖1所示,常規電源網絡經第一斷路器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分別與第一軟起動器、第二軟起動器的L1、L2、L3端連接,第一軟起動器、第二軟起動器的出線端T1、T2、T3并聯后構成軟啟電源網絡。軟啟電源網絡連接n個電動機M1～Mn,每個電動機與軟啟電源網絡之間均連接有軟啟接觸器KM1～KMn,常規電源網絡經旁路接觸器KM11～KM1n連接在所述每個電動機與軟啟接觸器KM1～KMn之間。第一軟起動器、第二軟起動器、每個軟啟接觸器、每個旁路接觸器分別與控制器連接。同時每個電動機與軟啟接觸器KM1～KMn之間還連接有熱繼電器FR1～FRn。

如圖1所示,開始工作時,隨機將一臺軟起動器設為主起動器處于工作狀態,另一臺設為從起動器處于備份狀態；當收到第一個啟動指令后,控制器首先將電動機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器開始工作,使軟啟電源網絡上的電壓逐漸上升,電動機M1逐漸啟動。當軟啟電源網絡的電壓達到額定電壓后,電動機M1正常工作,此時控制器斷開軟啟接觸器KM1、閉合旁路接觸器KM11,電動機M1的軟啟動過程完成,控制器命令主起動器停止工作,進入散熱狀態。在收到第二個啟動指令后,控制器將電動機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器開始工作,使軟啟電源網絡上的電壓逐漸上升,電動機M2逐漸啟動。當軟啟電源網絡的電壓達到額定電壓后,電動機M2正常工作,此時控制器斷開軟啟接觸器KM2、閉合旁路接觸器KM12,電動機M2的軟啟動過程完成,控制器命令主起動器停止工作,進入散熱狀態。以后的啟動過程與此類似,直到所有電動機啟動完畢。此工作全程在控制器的監控下運行,一旦主起動器發生故障,控制器將立即報警并將主起動器切換成從起動器,原來的從起動器切換成主起動器,完成剩余的工作,故障的從起動器等待維修,維修后仍被設為從起動器。

2　軟起動器二拖多控制策略

對于軟起動器二拖多系統的控制,有兩種控制策略,即冗余式控制和交替式控制[3]。冗余式控制方式可以在主起動器出現故障后備份起動器接替工作,從而提高整個系統運行的可靠性,降低整體故障率。交替式控制方式既能避免單臺軟起動器出現啟動過頻繁故障,也能在某臺軟起動器故障時,由另一臺軟起動器啟動電動機,達到相互冗余的效果,提高了系統可靠性,交替式控制方式還能延長軟起動器的實際使用壽命[3]。

2.1冗余式控制

二拖多冗余式軟起動器控制策略如圖2所示。冗余式控制方式下,當收到啟動指令后,首先判斷2臺軟起動器正常/故障信號,若2臺均為故障,則中止啟動過程,系統報警；若一臺故障,則良好起動器被設為主起動器,而故障軟起動器被設置為從起動器,同時進行報警；然后控制器命令主起動器啟動電動機；若2臺都沒有故障,則可以使用先前選擇的主起動器啟動電動機,從起動器不參與工作；每完成一次啟動后,所述控制器都要對主起動器進行一次故障判斷,若沒有故障,則繼續啟動下一臺電機；若有故障,則主軟起動器報警并停止工作,使用從起動器完成剩余工作,這時從軟起動器被設定為主軟起動器。在冗余式控制方式下,只要主起動器不發生故障則主從起動器的地位也不發生轉換。只有當主起動器故障后才會被從起動器取代,故障起動器降為從起動器置于待維修狀態并報警,故障軟起動器經維修正常后,仍然作為從起動器投入到系統。

2.2交替式控制

二拖多交替式軟起動器控制策略如圖3所示。交替式控制方式下,當收到啟動指令后,首先判斷2臺軟起動器正常/故障信號,若2臺均為故障,則中止啟動過程,系統報警；若一臺故障,則良好起動器被設為主起動器,而故障軟起動器被設置為從起動器,同時系統向操作員報警。然后控制器命令主起動器按照圖1的方式啟動電動機,啟動完成后,2臺軟起動器的主從關系不發生改變；若2臺都正常,則控制器命令主起動器按照圖1的過程啟動電動機。啟動完成后,控制器將2臺軟起動器的主從關系互換,即下次啟動使用另一臺軟起動器完成啟動,如此交替循環直至完成所有工作,通過交替式控制方式,每執行一次啟動命令則主、從起動器交換一次身份,無論哪臺起動器故障,控制器將立即收到故障信號,迅速將故障起動器置于待維修狀態并報警,同時將良好起動器視為主起動器連續工作,維修后的再次投入的起動器視為從起動器。

圖3　二拖多交替式軟起動器控制策略

圖4　PLC接線圖

3　軟起動器二拖多控制的應用

3.1控制系統配置情況

在廣東深圳某年產10萬t高強瓦楞原紙廠,本課題以制漿車間中一段精篩、進粗篩泵、二段精篩等幾個大功率電機為例。詳細配置如表1所示。

由于啟動電流很大,為了提高整個控制系統的可靠性,延長軟起動器的使用壽命,增強系統的可維護性[4],在本項目中,選擇二拖多交替式軟起動器控制策略。

3.2控制系統硬件設計

該項目中,選擇西門子LOGO!作為核心控制器。其中LOGO!230RC有8個數字量輸入和4個繼電器輸出(10A),沒有顯示單元和鍵盤,LOGO!DM16 230R有8個數字量輸出和8個繼電器輸出(5A)[5]。以表1中的3臺電機為例,控制系統的電氣二次原理圖如圖4所示。

控制系統的輸入端子共有6個,I1是1#軟啟動達速輸入,I2是2#軟啟動達速輸入,I3是1#電機運行信號,I4是2#電機運行信號,I5是3#電機運行信號,I6是1#、2#、3#電機軟啟動的信號。控制系統的輸出端子共有8個,Q1是1#軟起動器啟/停,Q2是2#軟起動器啟/停,Q3是1#電機軟啟動,Q4是1#電機運行,Q5是2#電機軟啟動,Q6是2#電機運行,Q7是3#電機軟啟動,Q8是3#電機運行。結合圖2的控制邏輯進行PLC的編程,通過PLC的輸入輸出接口電路。

表1　二拖多軟啟動控制系統設備配置表

圖5　軟件設計程序示例

3.3控制系統軟件設計

控制系統的軟件設計主要是結合生產工藝流程對LOGO！進行編程,實現對2臺軟起動器的循環交替工作控制[6],程序的設計思想如圖3所示。軟件設計程序如圖5所示,在LOGO!Soft Comfort環境下采用梯形圖編寫,采用常開常閉觸點表達控制思想的邏輯功能。

4　結　語

綜合上述分析可知,在工業應用中,針對需要軟起動器啟動多臺大功率電機的控制系統,二拖多循環交替式軟起動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啟動控制系統的可靠性,還能延長軟起動器的使用壽命,節約運行成本,使軟起動器的可維護性增強,同時降低能量損耗。該控制方案在廣東深圳某年產10萬t高強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用,取得良好的效果。

[1]MENG Yan-jing, ZHANG Yan. Implementation of the“One Drives Two”Soft Starter Control System Based on the LOGO[J]. China Pulp & Paper, 2014, 33(12): 42.

孟彥京, 張焱. 基于LOGO的“一拖二”軟起動器控制系統的實現[J]. 中國造紙, 2014, 33(12): 42.

[2]LIU Yong, TANG Jian-guo. Application of Soft Start in Paper Machine Beating Control[J]. China pulp & paper, 2008, 27(4): 70.

劉勇, 唐建國. 軟起動器在紙機打漿控制中的應用[J]. 中國造紙, 2008, 27(4): 70.

[3]LU Dong. Application of manytomany automatic startup mode by Soft-Starter based on PLC [J]. Information Technology, 2012, 8: 145.

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孫志平. 電動機軟啟動技術綜述[J]. 吉林化工學院學報, 2008, 6(4): 8.

[5]Siemens Co., Ltd. LOGO programming reference manual[M]. 2003.

西門子公司. LOGO編程手冊[M]. 2003.

[6]JANG Bo, NAN Xin-yuan, CHEN Zhi-jun. The Application of LOGO! in Soft Starter “Two Driven by One” Control[J]. Process Automation Instrumentation, 2004, 3: 48.

(責任編輯：馬忻)

The Control Strategy of Soft Starter Based on Two Drive More and Its Application

MENG Yan-jing1GENG Na-na1,*MA Hui-hai1JING Bin2ZHAO Dan1

(1.CollegeofElectricalandInformationEngineering,ShanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021； 2.Xi’anLeadElectricCo.,Ltd.,Xi’an,ShaanxiProvince, 710075)

(*E-mail: 1506647833@qq.com)

In view of the poor reliability, service life and maintainability of the low voltage control system, the control method of two drive more for the soft starter was used to control the motors which need to start-up. Through analyzing the characteristics of the two drive more control system, the soft starter two drive more redundant control and alternate control strategies were put forward, and the theoretical analysis for these two control strategies were carried out. The feasibility of the control strategy was proved by field application.

soft starter; two drive more; control method

孟彥京先生，博士，教授；主要研究方向：電力電子與電力傳動、工業現場總線技術及其在電力傳動上的應用。

2016- 01-27(修改稿)

耿娜娜女士,E-mail:1506647833@qq.com。

TS736

ADOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.06.011