基于PLC的串級調速系統在全速狀態下的故障處理
1 引言
在工業控制領域中，單片機作為控制器件，其顯著特點是高性能、高速度、低功耗、價格低，編程簡單，但是其可靠性和搞干擾性比較弱，特別是在強電和惡劣的運行環境下，要保證可靠性和安全性，需要采取極為完善的搞干擾措施，這些都給工程的設計的難度和費用帶來的負擔。近年隨著工業自動化控制的高要求以微電子、計算機、通信技術的發展示，可程編程邏輯控制器（plc）是作為一種專為工業環境下使用的數字運算操作的電子系統應運而生它是以嵌入式cpu為核心，加上其它所需的輸入、輸出擴展模塊和通訊模塊可取代傳統氣動或電氣控制完成開關量的模擬量的順序控制，按照邏輯條件進預先設計好的順序動作，并按照邏輯關系進行故障保護動作的控制。將plc技術運用于現代串級調速技術，可明顯改善調速的性能和減小全速和調速時故障的發生率。
2 現代串級調速的概述
現代串級調速技術是引入整流環節、斬波環節和逆變環節，通過調節斬波環節的占空比來改變逆變器兩端電勢的大小，因為此電勢與轉子側電勢串聯并且電勢與轉子側的電勢相反，所以改變了轉子側總電勢的大小，進而改變了轉子側電流，最終改變了電機的轉速。現代串級調速技術主要分為外反饋式和內反饋式，外所饋式主要工作原理是使用逆變變壓器將轉差功率吸收并回饋至電網，其原理如圖1所示。
圖1 外反饋式串級調速
內反饋式串級調速技術是在電動機定子繞組嵌槽中同槽嵌放一個反饋繞組，則定子鐵芯中的反饋繞組和定子繞組構成并代替了逆變變壓器，將轉差功率通過反饋繞組及定子繞組吸收并回饋至電網，其原理如圖2所示。
圖2 內反饋式串級調速
3 plc在內反饋串級調速系統中的應用
3.1 plc的選擇
因plc具有編程簡單、功能強、性價比高、硬件配套齊全，易用性強、可靠性高、搞干擾能力強和系統設計安裝和調試工作量小的優點，所以將其應用于現代串級調速系統中具有明顯的優勢。由于串級控制系統的檢測點以及控制量較多，是一個大規模的測控系統，因此此次選用西門子公司s7-200系列的cpu224作為系統的控制器。該plc具有14輸入/10輸出共24個數字量i/o點、可連接7個擴展模塊、最大可擴展168路數字量i/o點以及兼容ppi，mpi和自由方式的通訊協議等優點，因此它是一個具有較強控制能力的控制器。
另外選用西門子公司的s7-200系列的cpu224ac/dc/繼電器型plc，而沒有選擇晶體管輸出，是因為繼電器輸出型有以下優點：
(1) 繼電器輸出型是隔離輸出，即觸點跟線圈不共地，只要外加線路電路不超過plc繼電器的額定電流就可以了；晶體管輸出就有點麻煩，除了要考慮電流問題外，還要考慮電壓是直流的，地要接對，要考慮是npn還是pnp輸出等問題。
(2) 繼電器輸出型是令cpu驅動繼電器線圈，令觸點吸合，使外部電源通過閉合的觸點驅動外部負載，可帶較大的外部負載；而晶體管輸出型是令cpu通過光耦合使晶體管通斷，以控制外部直流負載，可帶外部負載小，有時候要加其他東西來帶動大負載（如繼電器，固態繼電器等）。
3.2 基于plc的內反饋串級調速系統
基于plc內反饋串級調速系統原理如圖3所示，此次設計的調速系統主要是采用plc控制去控制系統中的開關1km、2km、3km、4km和接入的水阻，在調速系統處于不同功能狀態和用戶要求時采取相應的動作，當啟動電機時先讓plc控制水阻電機讓其緩慢增大到最大水阻值，然后合1km使電機啟動，再讓plc控制水阻電機使水阻緩慢減小到最小值，系統這樣串入水阻是因為可以減小電機的大啟動電流對系統的沖擊，當水阻值達到最小時合1km將水阻短路進而使完成電機的啟動階段，當調速時再合4km和3km進入調速狀態。
圖3 基于plc的內反饋串級調速系統原理圖
4 串級調速系統在全速狀態下的故障處理
4.1 全速正常轉停車過程中故障處理邏輯控制程序
串級調速控制系統的正常停車為就地或遠方停車按鈕或停車命令，或為故障時系統停車指令。在全速狀態下，高壓開關qf保持閉合狀態，接觸器2km處于斷開狀態，而接觸器1km、3km、4km處于閉合狀態，斬波器igbt的導通時間是整個周期，水阻的極板在最小位上。當按下就地設備上的停車按鈕或從遠方觸摸屏發出停車命令時，控制器plc發出高壓開關qf斷開命令，然后再檢測qf的輔助觸點是否是真的斷開。如果經過一定的時間，這個qf斷開信號沒有返回到plc的輸入端，則plc認為高壓開關發生故障，發出報警信號，提醒工作人員現在設備發生故障需要檢查設備，直至此故障被徹底的解決掉；如果qf的輔助觸點斷開，則這個斷開信號將返回到plc的輸入電路。plc會認為有全速轉向停車的過程已經結束，發送命令使得停車狀態指示燈亮起來。該故障處理流程如圖4所示。
圖4 全速正常轉停車過程中故障處理流程
如圖5中信號1為電容電壓，信號2為4km返回。在進行保護時，4km分快于2km合。從圖中可以看出，當某一時刻qf跳閘時，電容電壓十分迅速的從70v降至0v。而接觸器4km在qf跳閘后經過55ms左右后由閉合狀態轉換到斷開狀態。
圖5 qf跳閘故障波形圖
4.2 全速態下緊急停車過程中故障處理邏輯控制程序
串級調速控制系統在全速狀態下在某些特殊的情況下需要緊急停車。如圖6所示，在這種情況下，plc發出斷開高壓開關qf的命令。如果在一定時間內qf狀態的返回信號沒有送到plc的輸入端，則plc會發出使得接觸器4km斷開的命令；如果這個qf斷開信號送到了plc的輸入端，這個系統在全速狀態下緊急停車過程結束，發送命令使得停車狀態指示燈亮起來。
圖6 全速下緊急停車過程故障處理流程
而plc發出斷開接觸器4km的信號，可以從圖3的基于plc的內所饋串級調速系統原理圖中得知，這相當于是把整流、斬波和逆變這三部分從系統中切除。讓系統在全速、轉子繞組開路或者轉子繞組串水阻的方式運行。如果經過一定時間接觸器4km的斷開信號沒有返回到plc的輸入端，則plc會認為接觸器4km也發生故障不能正常操作，在發報警信號的同時，閉鎖系統進入調速狀態的權限。
當接觸器4km的斷開信號送到plc的輸入端后，plc發斷開接觸器1km的命令，既然高壓開關都不能斷開，但要想使電機停下來，也只有讓電機處在轉子繞組開路的狀態。當接觸器1km在一段時間內沒有把斷開信號返回到plc的輸入端，系統也只能保持全速的工作狀態，發出報警信號的同時，閉鎖系統進入調速狀態的權限。如果這個斷開信號送到了plc的輸入端，則電機按最壞的處境，保持在轉子開路的狀態下，當然這種情況下，電機是無奈的停止轉動。plc在發出報警信號的同時，閉鎖系統進入啟動和調速狀態的權限。
如圖7所示為逆變停止后停車的電壓波形圖。圖中信號1為電容電壓，信號2為4km返回。正常全速或故障轉全速時，電容儲能不為零，額定電壓約70v，全速時電容電壓約40v。
圖7 全速停車過程波形圖
5 結束語
本文充分考慮了內反饋串級調速系統的原理，采用西門子公司的plc組成串調的控制系統，充分利用了plc控制系統的全數字化，簡單可靠，體積小，控制更加準確，搞干擾能力強等優點，并且通過流程圖全面分析了電機在全速狀態下可能出現的幾種故障，通過仿真波形可以看出在plc控制系統中，當全速狀態下某種異常情況發生時，控制系統都能夠及時準確的采取相關的保護措施，由于全速狀態是電機工作的一個重要狀態，如果全速狀態下的故障發生率能夠得到有效的控制，那么對于維護整個調速系統的穩定性將是至關重要的。
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