基于软启动器控制的铁路防灾射流风机的控制电路研究

2018-08-07潘勇旭

电器工业 2018年6期

潘勇旭

（中铁建电气化局集团南方工程有限公司）

0 引言

我国铁路系统对隧道防灾的重视和研究是处于世界前列的。在铁路的长大隧道中，一般在隧道进出口和救援通道处设置可远程网络控制的射流风机。该风机一般是由多组大功率（单台22kW以上）三相异步电机联组而成。目前业界主要采用软启动器的方案来设计生产隧道内使用的GGD型风机控制柜。由于隧道防灾设备涉及重大人身安全，因此，隧道内的射流风机控制的可靠性是隧道防灾工程的重中之重。

1 基于软启动器起动风机的控制电路

软启动器（见图1）是一种集电机软启动、软停车、多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，国外称为Soft Starter。它的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联晶闸管及其电子控制电路。

图1 软启动器

它的工作方式是通过控制三相反并联晶闸管的导通角，使被控电机的输入电压按不同的要求而变化。软启动器启动电机，是在电源和电机之间增加软启动器（见图2），通过控制软启动器内晶闸管的导通角，使电机输入电压从零以一定的函数关系逐渐上升，直至启动结束时给电机施加全电压。在这个过程中（称之为软启动），电压由零慢慢提升到额定电压，电机启动转矩逐渐增加，转速也逐渐增加。这样电机在启动过程中的起动电流，就将过去不可控的过载冲击电流变得可控。并且可以通过设定软启动器的相关参数来调节启动电流的大小。这样实现电机的启动全过程都不存在冲击转矩，实现平滑启动。

图2 基于软启动器控制的电机控制一次系统原理图

软启动器实际上是个调压器，在电机启动过程中，输出只改变电压并没有改变频率。软启动器与变频器相比，变频器虽然具备所有软启动器功能，但变频器价格高，结构也复杂很多，因此软启动器的环境适应性好、经济效益上也比变频器高。综上所述，在工程应用上，诸如铁路长大隧道的射流风机（大功率三相异步电机）控制方式选择上，采用软启动器来启动电动机是目前铁路隧道防灾射流风机方面的主流方案。

通过对软启动器的特性分析，结合铁路系统中对防灾设备的网络远程控制、正反转控制的控制需求，设计出利用PLC的电机控制系统电路图，见图3风机控制电路原理图。

基于该原理图生产后的GGD型电机控制柜在调试过程中发现，风机启动后，其于正转状态下直接进行反转切换，即风机正转中直接按下反转按钮时，风机控制柜会出现严重的故障，反转状态下直接切换正转亦然，称其为误操作。表现为风机控制柜的软启报错及接触器烧毁。

接触器和软启烧毁是无法自行恢复的故障，对风机控制柜将造成永久性损伤，必须更换零部件才可完成维修。而隧道防灾工程直接关系到铁路的运营安全，若无法做到误操作的自动规避，将为设备留下严重的安全隐患。再者，若在隧道内发生火灾的紧急情况下，操作人员因焦虑、疏忽而产生误操作的机率极大，这将导致风机因控制柜故障而无法在救援过程中及时起动，由此造成的损失必定是不可估量的。因此需对该控制电路进行误操作规避的优化改造。

图3 风机控制电路原理图

2 故障分析

根据风机控制柜直接正反转切换导致的故障情况，结合风机控制电路及风机本身进行分析，发现主要故障为电机进线发生了相间短路。

正反转直接切换将导致在电机进线处通过正、反转接触器产生相间短路。见图2基于软启动器控制的电机控制一次系统原理图，电机启动前，需手动合上QF1、QF2断路器，以保证软启动进线和切换旁路得电。风机正转启动时，KM11、KM13合闸，风机稳定运行后，切换旁路，即KM11分闸、KM12合闸。

此时风机三根火线的进线电源分别为A、B、C相；若此时直接按下反转按钮，KM11和KM14合闸，即此时KM11、KM12、KM13、KM14都处于合闸状态，则风机进线因KM13、KM14同时合闸导致A、C相相间短路，即刻导致接触器烧毁（见图4）并触发电流速断保护而导致断路器QF1跳闸。反之，1#由反转过程中直接启动正转，一样会导致A、C相间短路。

图4 风机控制柜接触器因正反转直接切换烧毁的现场照片

3 方案改进

为防止风机在运行状态下由操作人员的疏忽或其他意外情况直接反向起动，即避免现场风机控制柜被直接按下反向的启动按钮，需根据风机控制原理，对其PLC程序、远程后台软件和控制回路增设互锁机制以规避误操作。

3.1 风机控制柜控制原理

根据图3风机控制电路原理图所示，风机控制柜的起动方式采用PLC逻辑程序处理按钮输入和接触器控制动作两个模块。分析得知二次回路的控制核心是PLC，其将按钮输入模块与接触器动作通过逻辑程序实现联机。

以风机正转起动为例进行分析，在按下SB12按钮后，PLC的0CH-09（线号221）口得电，即PLC的0CH-09口由低电平变为高电平，风机正转的PLC输入模块见图5。

图5 风机正转的PLC输入模块

通过程序命令PLC的100CH-02口输出高电平，即风机控制二次回路内109号线得电，相当于1Q1（见图6）常开触电吸合，107号线与109号线导通。于是KA11线圈得电，KA11常开触点吸合，1号风机正转接触器得电，风机正转起动。

图6 风机PLC输出模块原理图

3.2 误操作规避方案

通过对风机控制原理的分析，得出通过在风机运行状态下锁定起动回路的方法，增设PLC程序互锁、二次回路互锁、远程后台软件互锁，实现误操作规避。

3.2.1 PLC程序互锁

PLC程序互锁是在其程序中设置风机运行状态判定的总前提以决定是否产生输出信号。

经过以上对风机正转起动原理分析得知，通过PLC输入输出联接的按钮起动回路与控制回路是两个独立的执行模块，按钮按下去之后并不能直接起动风机，而是先作用于PLC通过程序输出才可实现风机控制回路的起动。由此可知，在按钮按下之后，PLC的程序若是设有一个逻辑判断：判断此时风机已经处于运行状态——不论所按下的按钮是否与此时风机运行方向是否相异，PLC都没有输出，既保持该运行状态不改变，我们称该判断为该PLC程序的总前提，即当某风机处于运行状态，该风机所对应的PLC正反转起动点位有输入时不可有输出。

仍以风机正转为例，设定风机已经处于正转状态，操作人员误按下风机的反转按钮。通过PLC的总前提判断，如图5所示，风机正转所对应PLC的输入3D-10与输出1Q1点（风机正转起动）、输入3D-11与1Q2点（风机反转起动）锁定在有输入却不可输出的状态，那么风机即使在发生误操作的情况下，也将保持原运行情况不变。见图3风机控制电路原理图，即此时图中107、113号线不导通，KA12不得电，KM12反转接触器不吸合，即成功规避此误操作。

3.2.2 二次回路互锁

风机控制柜二次回路互锁是从按钮回路互锁和接触器回路互锁两个方面来进行优化。

（1）按钮回路的优化

按钮回路的互锁方案是在正转按钮的常开点后串联反转按钮的常闭点，反转按钮的常开点后串联正转按钮的常闭点。

风机控制柜PLC输入模块原理图如图7所示，风机的正转、反转起动按钮仅用其常开按钮，如此会产生若同时按下风机1的正转与反转两个按钮的话，那么两者都会向下一级控制电路发出讯号，继而产生误操作。电路优化将两者按钮进行互锁，风机控制柜PLC输入模块-优化后原理图如图8所示（红色为相对原图的改造部分），正转按钮SB12的常开与反转按钮SB13的常闭触点互锁，反转按钮SB13的常开与正转按钮SB12的常闭触点互锁即可。

图7 风机控制柜PLC输入模块原理图

图8 风机控制柜PLC输入模块-优化后原理图

（2）接触器回路的优化

接触器回路的互锁方案是在正转接触器的线圈前串联反转接触器的常闭点，反转接触器的线圈前串联正转接触器的常闭点。在正转接触器KM13前增设反转接触器KM14的常闭触点、反转接触器KM14前增设正转接触器KM13的常闭触点形成正反转电路的互锁即可规避误操作。

最终电路部分优化后方案如图9所示（红色为相对原图的改造部分）。

综上讨论，最终确定风机控制柜的优化电路原理图。

3.2.3 远程后台软件互锁

远程后台软件互锁是在风机有运行反馈信号时，将该风机的启动命令屏蔽。

风机有运行反馈，不论其为正转亦或反转，后台操作人员在操作界面只可对风机进行停止命令，而该风机的任何启动命令权限都被锁定，如此即可避免远程网络后台那方的操作人员在风机正转的情况下输入进行风机反转的指令，反之亦然。

4 优点分析

根据以上所述分别对PLC的程序、风机控制柜的PLC输入电路、二次控制电路以及远程后台软件的设计优化，可实现本地与远方双保险的误操作规避，从而在根本上解决了在风机运行状态下进行正反转直接切换造成的风机控制柜故障，避免了因疏忽乱按按钮或其他不确定因素产生的误操作。其次，误操作自动规避机制降低了操作人员的使用难度，简化了操作流程，提高了风机乃至隧道防灾系统的稳定性和抗风险能力，且在很大程度上缩减了施工过程中和线路运营后风机控制柜的维护成本，在创造经济效益的同时，大幅度提高了铁路隧道防灾系统的可靠性，使得铁路的灾害防控、旅客的人身安全有了更好的保障。

5 其他注意事项

在该风机控制柜中，远程控制和本地控制都是基于PLC来完成的，则对PLC逻辑程序的优化需结合远动厂家所提供的点表来进行调试，避免互相冲突。

后台软件实现误操作规避后，需广泛收集操作人员的意见，将人机界面做到更加友好。例如，假定风机已处于运行状态，若此时远方后台人员进行了误操作——鼠标点击风机的反转命令，那么此时人机界面需弹出警告窗口，提示刚刚有产生了误操作并再次在人机界面警示该风机的运行状态，如此操作人员才能在更好地对风机进行远程操作和状态监控。