基于軟啟動器控制的鐵路防災射流風機的控制電路研究

潘勇旭

（中鐵建電氣化局集團南方工程有限公司）

0 引言

我國鐵路系統對隧道防災的重視和研究是處于世界前列的。在鐵路的長大隧道中，一般在隧道進出口和救援通道處設置可遠程網絡控制的射流風機。該風機一般是由多組大功率（單臺22kW以上）三相異步電機聯組而成。目前業界主要采用軟啟動器的方案來設計生產隧道內使用的GGD型風機控制柜。由于隧道防災設備涉及重大人身安全，因此，隧道內的射流風機控制的可靠性是隧道防災工程的重中之重。

1 基于軟啟動器起動風機的控制電路

軟啟動器（見圖1）是一種集電機軟啟動、軟停車、多種保護功能于一體的新穎電機控制裝置，國外稱為Soft Starter。它的主要構成是串接于電源與被控電機之間的三相反并聯晶閘管及其電子控制電路。

圖1 軟啟動器

它的工作方式是通過控制三相反并聯晶閘管的導通角，使被控電機的輸入電壓按不同的要求而變化。軟啟動器啟動電機，是在電源和電機之間增加軟啟動器（見圖2），通過控制軟啟動器內晶閘管的導通角，使電機輸入電壓從零以一定的函數關系逐漸上升，直至啟動結束時給電機施加全電壓。在這個過程中（稱之為軟啟動），電壓由零慢慢提升到額定電壓，電機啟動轉矩逐漸增加，轉速也逐漸增加。這樣電機在啟動過程中的起動電流，就將過去不可控的過載沖擊電流變得可控。并且可以通過設定軟啟動器的相關參數來調節啟動電流的大小。這樣實現電機的啟動全過程都不存在沖擊轉矩，實現平滑啟動。

圖2 基于軟啟動器控制的電機控制一次系統原理圖

軟啟動器實際上是個調壓器，在電機啟動過程中，輸出只改變電壓并沒有改變頻率。軟啟動器與變頻器相比，變頻器雖然具備所有軟啟動器功能，但變頻器價格高，結構也復雜很多，因此軟啟動器的環境適應性好、經濟效益上也比變頻器高。綜上所述，在工程應用上，諸如鐵路長大隧道的射流風機（大功率三相異步電機）控制方式選擇上，采用軟啟動器來啟動電動機是目前鐵路隧道防災射流風機方面的主流方案。

通過對軟啟動器的特性分析，結合鐵路系統中對防災設備的網絡遠程控制、正反轉控制的控制需求，設計出利用PLC的電機控制系統電路圖，見圖3風機控制電路原理圖。

基于該原理圖生產后的GGD型電機控制柜在調試過程中發現，風機啟動后，其于正轉狀態下直接進行反轉切換，即風機正轉中直接按下反轉按鈕時，風機控制柜會出現嚴重的故障，反轉狀態下直接切換正轉亦然，稱其為誤操作。表現為風機控制柜的軟啟報錯及接觸器燒毀。

接觸器和軟啟燒毀是無法自行恢復的故障，對風機控制柜將造成永久性損傷，必須更換零部件才可完成維修。而隧道防災工程直接關系到鐵路的運營安全，若無法做到誤操作的自動規避，將為設備留下嚴重的安全隱患。再者，若在隧道內發生火災的緊急情況下，操作人員因焦慮、疏忽而產生誤操作的機率極大，這將導致風機因控制柜故障而無法在救援過程中及時起動，由此造成的損失必定是不可估量的。因此需對該控制電路進行誤操作規避的優化改造。

圖3 風機控制電路原理圖

2 故障分析

根據風機控制柜直接正反轉切換導致的故障情況，結合風機控制電路及風機本身進行分析，發現主要故障為電機進線發生了相間短路。

正反轉直接切換將導致在電機進線處通過正、反轉接觸器產生相間短路。見圖2基于軟啟動器控制的電機控制一次系統原理圖，電機啟動前，需手動合上QF1、QF2斷路器，以保證軟啟動進線和切換旁路得電。風機正轉啟動時，KM11、KM13合閘，風機穩定運行后，切換旁路，即KM11分閘、KM12合閘。

此時風機三根火線的進線電源分別為A、B、C相；若此時直接按下反轉按鈕，KM11和KM14合閘，即此時KM11、KM12、KM13、KM14都處于合閘狀態，則風機進線因KM13、KM14同時合閘導致A、C相相間短路，即刻導致接觸器燒毀（見圖4）并觸發電流速斷保護而導致斷路器QF1跳閘。反之，1#由反轉過程中直接啟動正轉，一樣會導致A、C相間短路。

圖4 風機控制柜接觸器因正反轉直接切換燒毀的現場照片

3 方案改進

為防止風機在運行狀態下由操作人員的疏忽或其他意外情況直接反向起動，即避免現場風機控制柜被直接按下反向的啟動按鈕，需根據風機控制原理，對其PLC程序、遠程后臺軟件和控制回路增設互鎖機制以規避誤操作。

3.1 風機控制柜控制原理

根據圖3風機控制電路原理圖所示，風機控制柜的起動方式采用PLC邏輯程序處理按鈕輸入和接觸器控制動作兩個模塊。分析得知二次回路的控制核心是PLC，其將按鈕輸入模塊與接觸器動作通過邏輯程序實現聯機。

以風機正轉起動為例進行分析，在按下SB12按鈕后，PLC的0CH-09（線號221）口得電，即PLC的0CH-09口由低電平變為高電平，風機正轉的PLC輸入模塊見圖5。

圖5 風機正轉的PLC輸入模塊

通過程序命令PLC的100CH-02口輸出高電平，即風機控制二次回路內109號線得電，相當于1Q1（見圖6）常開觸電吸合，107號線與109號線導通。于是KA11線圈得電，KA11常開觸點吸合，1號風機正轉接觸器得電，風機正轉起動。

圖6 風機PLC輸出模塊原理圖

3.2 誤操作規避方案

通過對風機控制原理的分析，得出通過在風機運行狀態下鎖定起動回路的方法，增設PLC程序互鎖、二次回路互鎖、遠程后臺軟件互鎖，實現誤操作規避。

3.2.1 PLC程序互鎖

PLC程序互鎖是在其程序中設置風機運行狀態判定的總前提以決定是否產生輸出信號。

經過以上對風機正轉起動原理分析得知，通過PLC輸入輸出聯接的按鈕起動回路與控制回路是兩個獨立的執行模塊，按鈕按下去之后并不能直接起動風機，而是先作用于PLC通過程序輸出才可實現風機控制回路的起動。由此可知，在按鈕按下之后，PLC的程序若是設有一個邏輯判斷：判斷此時風機已經處于運行狀態——不論所按下的按鈕是否與此時風機運行方向是否相異，PLC都沒有輸出，既保持該運行狀態不改變，我們稱該判斷為該PLC程序的總前提，即當某風機處于運行狀態，該風機所對應的PLC正反轉起動點位有輸入時不可有輸出。

仍以風機正轉為例，設定風機已經處于正轉狀態，操作人員誤按下風機的反轉按鈕。通過PLC的總前提判斷，如圖5所示，風機正轉所對應PLC的輸入3D-10與輸出1Q1點（風機正轉起動）、輸入3D-11與1Q2點（風機反轉起動）鎖定在有輸入卻不可輸出的狀態，那么風機即使在發生誤操作的情況下，也將保持原運行情況不變。見圖3風機控制電路原理圖，即此時圖中107、113號線不導通，KA12不得電，KM12反轉接觸器不吸合，即成功規避此誤操作。

3.2.2 二次回路互鎖

風機控制柜二次回路互鎖是從按鈕回路互鎖和接觸器回路互鎖兩個方面來進行優化。

（1）按鈕回路的優化

按鈕回路的互鎖方案是在正轉按鈕的常開點后串聯反轉按鈕的常閉點，反轉按鈕的常開點后串聯正轉按鈕的常閉點。

風機控制柜PLC輸入模塊原理圖如圖7所示，風機的正轉、反轉起動按鈕僅用其常開按鈕，如此會產生若同時按下風機1的正轉與反轉兩個按鈕的話，那么兩者都會向下一級控制電路發出訊號，繼而產生誤操作。電路優化將兩者按鈕進行互鎖，風機控制柜PLC輸入模塊-優化后原理圖如圖8所示（紅色為相對原圖的改造部分），正轉按鈕SB12的常開與反轉按鈕SB13的常閉觸點互鎖，反轉按鈕SB13的常開與正轉按鈕SB12的常閉觸點互鎖即可。

圖7 風機控制柜PLC輸入模塊原理圖

圖8 風機控制柜PLC輸入模塊-優化后原理圖

（2）接觸器回路的優化

接觸器回路的互鎖方案是在正轉接觸器的線圈前串聯反轉接觸器的常閉點，反轉接觸器的線圈前串聯正轉接觸器的常閉點。在正轉接觸器KM13前增設反轉接觸器KM14的常閉觸點、反轉接觸器KM14前增設正轉接觸器KM13的常閉觸點形成正反轉電路的互鎖即可規避誤操作。

最終電路部分優化后方案如圖9所示（紅色為相對原圖的改造部分）。

綜上討論，最終確定風機控制柜的優化電路原理圖。

3.2.3 遠程后臺軟件互鎖

遠程后臺軟件互鎖是在風機有運行反饋信號時，將該風機的啟動命令屏蔽。

風機有運行反饋，不論其為正轉亦或反轉，后臺操作人員在操作界面只可對風機進行停止命令，而該風機的任何啟動命令權限都被鎖定，如此即可避免遠程網絡后臺那方的操作人員在風機正轉的情況下輸入進行風機反轉的指令，反之亦然。

4 優點分析

根據以上所述分別對PLC的程序、風機控制柜的PLC輸入電路、二次控制電路以及遠程后臺軟件的設計優化，可實現本地與遠方雙保險的誤操作規避，從而在根本上解決了在風機運行狀態下進行正反轉直接切換造成的風機控制柜故障，避免了因疏忽亂按按鈕或其他不確定因素產生的誤操作。其次，誤操作自動規避機制降低了操作人員的使用難度，簡化了操作流程，提高了風機乃至隧道防災系統的穩定性和抗風險能力，且在很大程度上縮減了施工過程中和線路運營后風機控制柜的維護成本，在創造經濟效益的同時，大幅度提高了鐵路隧道防災系統的可靠性，使得鐵路的災害防控、旅客的人身安全有了更好的保障。

5 其他注意事項

在該風機控制柜中，遠程控制和本地控制都是基于PLC來完成的，則對PLC邏輯程序的優化需結合遠動廠家所提供的點表來進行調試，避免互相沖突。

后臺軟件實現誤操作規避后，需廣泛收集操作人員的意見，將人機界面做到更加友好。例如，假定風機已處于運行狀態，若此時遠方后臺人員進行了誤操作——鼠標點擊風機的反轉命令，那么此時人機界面需彈出警告窗口，提示剛剛有產生了誤操作并再次在人機界面警示該風機的運行狀態，如此操作人員才能在更好地對風機進行遠程操作和狀態監控。

圖9 風機控制電路-優化后原理圖

6 結束語

高速鐵路的飛速發展極大方便了人們出行，更是成為了我國最亮麗的一張國際名片。而我國地形復雜，隨著大量的中西部山區的鐵路建設的展開，線路上的長大隧道越來越多。如何做好隧道的防災救援，切實保障旅客的生命安全是鐵路發展建設的重中之重。防災系統設備的穩定性和可靠性是相關設計、施工人員未來的重要課題。