基于LOGO的“一拖二”软启动控制系统的实现

孟彦京 张 焱

(陕西科技大学电气与信息工程学院,陕西西安,710021)

1 软启动器简介以及常见工作模式

软启动器是基于现代控制理论、采用电力电子器件以及微处理器控制的一种新型节能装置,它的主回路通常由三对反并联的晶闸管构成一个三相调压电路。控制回路通过调节晶闸管的触发角改变软启动器输出端的电压。

按照用户的控制要求,软启动器调节晶闸管的触发角,使加在电机定子侧的电压按预设要求变化,从而实现电机软启动功能。这样就可在不影响电机启动转矩的同时有效降低电机的启动电流,降低对电机自身的冲击以及对电网中其他设备影响[1]。

与传统的电机启动方式如电机定子绕组串电阻(电抗)启动、转子绕组串电阻启动、星-三角变换启动以及自耦变压器调压启动等相比,采用晶闸管调压原理制造的软启动器具有以下显著特点：①体积小,能效高,节省使用空间；②能够有效降低电机的启动电流,同时对电机启动转矩的影响不是很大；③可根据不同的负载调节启动模式,具备多重保护功能,能够更好地适应工艺要求和设备保护，同时具备通信接口,可以实现总线控制；④具有自保护与故障提示功能,便于用户使用与维护,提高生产效率。

正是基于以上优点,软启动器在以下场合获得了广泛应用：①水泵，通过在水泵中利用软启动器,结合泵控制功能,在启动和停止时,减少液流冲击所产生的泵流水锤效应,节省了系统的维修费用,给用户带来了好处；②风机，采用固态软启动器,以取代传统的液力软启动器,减少皮带磨损和机械冲击；③破碎机，利用软启动器进行启动保护,防止电机过热而烧毁。

软启动器有软启动、限流启动、突跳启动、软停车四种常见工作模式。

(1)软启动模式。该模式是最常见的一种启动模式。通过设置DIP开关,可以将初始转矩值设为转矩的15%～65%,启动时间则可以设为2～15 s[2]。

(2)限流启动模式。当所带电机的最大启动电流需要得到限制时就要采用此模式。同样,通过设置DIP开关,可将启动电流设为额定值的150%～450%,启动时间则可以设为2～15 s。当电机在过了设定时间之后仍未达到相应的转速,软启动器就会将全压加在电机上。

(3)突跳启动模式。该模式适用于在启动时需要一个大转矩脉冲。这种模式下,启动时有一个额外的推进转矩，软启动器给出一个脉冲电流。该脉冲可以是额定电流的400%。同样,用户可以调整的时间范围是0.3～1.5 s。

(4)软停车模式。需要进行滑行停车的场合宜用此功能,应用此功能可将停车时间设为启动时间的1倍、2倍或3倍等，用户能够分别调节启、停时间。当软启动器的输出电压降到所产生的电机转矩小于负载转矩时,电机即停车。在本项目中,软启动器即设置为这种工作模式。

启动曲线如图1所示。

图1 软停车模式转矩曲线

本项目在广东潮州某造纸厂制浆车间的“一拖二”电机软启动控制系统中应用了美国罗克韦尔SMC-3软启动器,其控制端子共有8个,功能描述如表1所示。

表1 SMC-3软启动器控制端子功能描述

端子13、14就是接入到PLC中的一个电机运行达速信号,即电机开始启动时由软启动器拖动进行软启过程,当软启动进行一段时间后电机的转速逐渐上升达到某一速度值。此时认为电机软启动过程结束,由旁路接触器将软启动器切除,进入正常全压运行。

2 “一拖二”软启动控制系统设计

2.1 控制系统配置情况

所谓“一拖多”软启动方式,即只用一台软启动器依次拖动多台负载,如此一来,软启动器的利用效率将大为提高。

在本项目的制浆生产线中,由于筛选工段用的一段粗筛、一段精筛电机以及二段精筛、二段除渣泵电机功率都很大,启动电流很大,需要进行软启动。因此共设计两个“一拖二”型软启动柜。本文以控制一段粗筛和一段精筛电机的软启动柜为例进行系统的设计说明,详细设备配置如表2所示。

表2 “一拖二”软启动控制系统配置

该系统中控制器使用西门子的微型PLC系列西门子LOGO,LOGO可以用来做小型开关量的输入、输出控制,当然,若是配置扩展模块,也可以进行少量的模拟量控制。包含了基本的逻辑运算功能块和触发器等其他特殊功能块,具有成本低、编程较为简单、易于被用户接受的特点。与西门子普通PLC相比,具有以下优点：LOGO的输出端电流可达10 A,远大于PLC输出端2A的电流[3]；编程界面与普通PLC类似；LOGO系列中有自带的面板,可以直接在上面设置参数,方便快捷。

2.2 控制系统硬件设计

在该项目中,选用230RCo型LOGO控制器。有8个数字量输入点(可通过模块扩展端子数目),4个继电器输出点(通过接入扩展模块,可以有更多的输出端子),直接采用220 V交流电源供电。根据“一拖二”软启动的控制要求,软启动柜硬件部分主回路接线图如图2所示。

控制回路接线图分别如图3和图4所示。

在软启动柜主回路原理图中,软启动器(SS)电压输入端通过熔断器接于柜体母排上,输出端通过分别控制两台电机软启动继电器KM1、KM2的触点与熔断器FR1、FR2和电机M1、M2相连,而且每个电机母线上都接有电流互感器PA1、PA2,用来监测实时电流的大小。由电源母排经过一个隔离变压器接入软启动器的A1、A2端,对软启动器供电。接入LOGO的软启动达速信号继电器KA0的触点接在控制端子的IN1、IN2端。软启动器的达速信号输出端子13、14接入LOGO输入端的I1点。

图2 “一拖二”软启动控制系统主回路原理图

图3 “一拖二”软启动控制系统控制回路原理图(LOGO输入端子接线图)

图4 “一拖二”软启动控制系统控制回路原理图(LOGO输出端子接线图)

LOGO的其他输入端子配置如下：① I2端通过继电器KM11接1号电机的运行状态反馈信号；② I3端通过继电器KM21接2号电机的运行状态反馈信号；③ I4、I5分别通过软启动柜柜面的启、停按钮控制1号电机的启、停，同时,在该输入端子也加入了生产现场操作台上的启、停控制,实现了现场级的控制；④ I6、I7分别通过软启动柜柜面的启、停按钮控制2号电机的启、停；同时,在该输入端子也加入了生产现场操作台上的启、停控制,实现了现场级的控制；⑤ I8端子所接的是1号、2号电机软启动的信号；⑥ I9端子所接的是1号、2号电机软启动、直接启动的切换旋钮。

LOGO输出端子的配置情况如下：①LOGO的Q1、Q2端子分别接入车间的DCS系统,成为DCS的使能信号；②Q3端子作为软启动的启、停信号输出端子，与中间继电器KA0的线圈相接,KA0的触点则接在软启动器启、停控制端子IN1、IN2上；③Q4端子作为1号电机软启动的信号输出端子，与中间继电器KA1的线圈相接,KA1的触点则接入控制1号电机软启动的继电器KM1的线圈，KA1线圈得电触点闭合后KM1的线圈就会带电；同时相应的状态显示回路中的继电器也会得电；④Q5端子作为1号电机运行的信号输出端子，与中间继电器KA11的线圈相接,KA11的触点则接入控制1号电机全压运行的继电器KM11的线圈；⑤Q6、Q7端子则是对2号电机的软启动、运行状态的配置,与1号电机的配置情况类似,在此不赘述。

2.3 控制系统软件设计

控制系统的软件设计主要是结合生产工艺流程对LOGO进行编程,以满足生产需求。程序设计思想流程图如图5所示。LOGO的编程界面如图6所示。具体程序段如图7所示。

图6 LOGO编程界面

图7 “一拖二”软启动控制系统程序

图8 软启动器参数设置

图5 控制系统流程图

3 系统调试

控制系统调试主要从软启动器参数设置以及启动模式选择依据两个方面进行论述。

3.1 SMC-3软启动器参数设置

软启动柜内部的各部分程序已经下载入LOGO PLC中后,就需要对SMC150-C软启动器进行配置。

根据本节前面所述内容,下面讨论SMC150-C软启动器的具体调试步骤。

(1)将软启动器接为三线接法。

(2)打开软启动器正面右上角的拨码开关盖,就可以见到上下两组,一共16个小的拨码开关,每组上面位置为“ON”,下面位置为“OFF”。如图8所示。

每组拨码开关所代表的含义如表3所示。

(3)以上为软启动器的基本参数设置,具体的设置则需根据负载情况判断。如若将软启动器的主回路接为内三角六线接法,则电机的满载电流需在软启动器上设为电机铭牌额定电流值的1.73倍。

(4)SMC-150C软启动器还具有智能化的故障提示功能。通过这一功能,使用者可方便地根据“RUN/FAULT”指示灯的闪烁情况不同从而判别出不同故障。详细故障说明见表4。

3.2 软启动器启动模式选择依据

根据软启动器所接负载对象的不同,以及生产工艺的不同要求,其启动模式以及初始转矩/限流设置的依据如表5所示。

只有针对不同的负载,设置合理的启动方式才能更好地发挥软启动器的作用,满足控制要求。

4 需要注意的一些问题

在对软启动器进行参数配置的时候,需要注意以下几点内容。

(1)所有参数的修改均需在停机状态下进行,电机运行当中无法进行参数修改[4]。

(2)若SMC150-C软启动器为B系列,则软启动器主回路有三线接法和内三角六线接法两种(其中A系列只有三线接法)。如果接成三线接法,则应将软启动器拨码开关的15号开关拨至“ON”位置,此时,软启动器方能启动。

(3)注意连接好软启动器顶部的散热风扇电源。

表3 拨码开关含义

表4 SMC-150软启动器故障指示

表5 软启动器启动模式及初始转矩/限流设置依据

当软启动器电流在85A以上时风扇电压就有两个等级可供选择,分别是110 V和220 V。

5 结 语

广东潮州某造纸厂制浆车间的一段粗筛、精筛工段采用了基于LOGO的SMC-3软启动控制系统,现已生产运行近一年时间,效果很好,用户比较满意。SMC-3软启动器智能化程度高、运行可靠、工作效率高。通过对车间电网电压监测,大容量电机的软启动电流在合理范围内,没有对电网造成冲击。电机的使用寿命也大为延长,运行成本降低；同时,由于采用了LOGO控制,系统硬件接线大大减少,减少了施工量,使系统扩容更为容易,如用户需要增加软停车等功能,不需要增加硬件和接线,仅仅需要对LOGO的控制程序做出相应修改即可,进一步降低了运行成本,获得良好的经济效益。

“一拖多”软启动的控制拓扑可以根据生产需要,在短时间内实现多台电机的软启动,从而大大提高了设备利用率,在生产实际中具有良好的应用前景。

参 考 文 献

[1] SUN Zhi-ping. The review of motor soft start technology[J]. Journal of Jilin Institute of Chemical Industry, 2008, 6(4): 8.

孙志平. 电动机软启动技术综述[J] . 吉林化工学院学报, 2008, 6(4)： 8.

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

刘 勇, 唐建国. 软启动器在纸机打浆控制中的应用[J] . 中国造纸, 2008, 27(4): 70.

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

西门子公司. LOGO编程参考手册[M] . 2003.

[4] ZHANG Lin-guo. The research of PLC control more frequency conversion governor motor[J]. Journal of Yangtze University (Natural Science Edition), 2006, 5(4): 28.