直流電機(jī)調(diào)速的PLC控制

[摘 要]可編程控制器PLC自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)作為我國工程實(shí)踐中許多生產(chǎn)器械設(shè)計(jì)之初需要調(diào)節(jié)的重點(diǎn)范疇，在直流電機(jī)的應(yīng)用中，已然完成了診斷、監(jiān)視、控制、復(fù)原、保護(hù)等多項(xiàng)直流調(diào)速控制所需要的功能改進(jìn)。本文對(duì)直流電機(jī)調(diào)速的PLC控制進(jìn)行了探討分析。

[關(guān)鍵詞]直流電機(jī) 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) PLC控制技術(shù)

中圖分類號(hào)：TM734 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2017）01-0061-01

引言：我國控制技術(shù)和工程控制機(jī)以計(jì)算機(jī)技術(shù)的融入為標(biāo)志，已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的歷史階段。根據(jù)當(dāng)前工業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)和轉(zhuǎn)型的需求，傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的大型繼電器，逐步被微處理機(jī)為載體的PLC系統(tǒng)所代替，本文對(duì)PLC控制技術(shù)在大功率直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用進(jìn)行了探討。

一、PLC控制技術(shù)在大功率直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用的作用

可編程控制器PLC作為傳播智能化、自動(dòng)化控制的重要控制元件，需要將計(jì)算機(jī)技術(shù)、電氣控制技術(shù)、通訊技術(shù)融合為一體，并以模塊式的組合設(shè)計(jì)方式為載體，進(jìn)而輔助大功率直流電機(jī)系統(tǒng)控制、操作等方面的靈活運(yùn)作及功能性擴(kuò)展。在大功率直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用PLC控制技術(shù)，其特有的高穩(wěn)定性可保障大功率直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)電氣控制設(shè)備運(yùn)作的高性能性。比如PLC內(nèi)部電路特有的先進(jìn)干擾技術(shù)，生產(chǎn)工藝制造的嚴(yán)格性，現(xiàn)代大規(guī)模的集成電路技術(shù)應(yīng)用，輸入和輸出口的光電隔離，每個(gè)模塊的防輻射屏蔽處理，輸入端口使用RC濾波器等均可以極為良好的保持大功率直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行的順利性，以及調(diào)節(jié)的精準(zhǔn)性。尤其是PLC控制技術(shù)在大功率直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用后，所具有的靈敏自診斷功能，更能在軟硬件及電源初次出現(xiàn)異常時(shí)，就可以及時(shí)使用有效措施應(yīng)對(duì)，極大的提升了大功率直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)對(duì)故障判斷的準(zhǔn)確性、及時(shí)性和問題解決的針對(duì)性等。

二、PLC控制技術(shù)融入直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在各類工程船舶中應(yīng)用的大功率直流電機(jī)系統(tǒng)，作為工程船舶工程作業(yè)動(dòng)力的核心，具有可靠性高、性能優(yōu)良等優(yōu)勢(shì)。大功率直流電機(jī)屬于強(qiáng)電和弱電控制的結(jié)合系統(tǒng)，其中強(qiáng)電部分主要以控制信號(hào)為依據(jù)進(jìn)行電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，按照不同作業(yè)現(xiàn)場需要，對(duì)鉆機(jī)、鉸刀等機(jī)械負(fù)載進(jìn)行拖動(dòng)等控制。而弱電部分需要對(duì)系統(tǒng)工作時(shí)的電機(jī)溫度、轉(zhuǎn)速、晶閘管溫度、電樞電流等信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，并以此為依據(jù)進(jìn)行控制信號(hào)的發(fā)出。調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)定方面因?yàn)镻LC控制技術(shù)融入大功率直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并沒有限定在某個(gè)類型的工程船舶或者某種類型的電力拖動(dòng)設(shè)備中，因此僅僅從宏觀層面進(jìn)行分析時(shí)，要求調(diào)速系統(tǒng)的控制系統(tǒng)速度必須反映靈敏，可滿足斷續(xù)、連續(xù)工作機(jī)制的要求，具有防爆、輕載高速等方面的良好性能，而制動(dòng)方面必須要可靠、快速，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方面可選擇D=5（一般范圍為D=4-10）。按照系統(tǒng)應(yīng)用需要，在直流電動(dòng)機(jī)選擇方面，考慮到直流電動(dòng)機(jī)的安裝空間尺寸容易受限，在船舶工況的限制下，電動(dòng)機(jī)和控制結(jié)構(gòu)均需要進(jìn)行緊湊型設(shè)計(jì)。直流電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，因動(dòng)力裝置和負(fù)載所出現(xiàn)的突變而導(dǎo)致的震動(dòng)有可能給電動(dòng)機(jī)帶來極大的震動(dòng)或沖擊，因此電動(dòng)機(jī)零部件的機(jī)械強(qiáng)度和連接性必須強(qiáng)?？紤]到在應(yīng)用中直流電動(dòng)機(jī)容易受到溫度、污泥、潮濕、鹽霧等方面的侵襲，因此其絕緣規(guī)格和絕緣材料的選擇不僅需要考慮到以上各方面因素，還需要考慮到直流電動(dòng)機(jī)經(jīng)常制動(dòng)、過載、啟動(dòng)和在磁場消弱條件下運(yùn)行時(shí)的換向要求。

三、PLC控制技術(shù)在直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)模型的構(gòu)建

在PLC控制技術(shù)融入的要求下，大功率直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)需要將測(cè)速發(fā)電機(jī)、大功率直流電動(dòng)機(jī)、晶閘管風(fēng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)風(fēng)機(jī)、晶閘管控制模塊、PLC控制模塊和一些小型執(zhí)行繼電器、直流電壓隔離器、電流互感器、大功率接觸器等有效組合起來。

首先，在主電路設(shè)計(jì)方面。該系統(tǒng)的主電路主要由來自母線的三相交流斷路器支撐，以整流變壓器為載體向晶閘管進(jìn)行供電，為降低高次諧波所帶來的不良影響，電路必須使用三相全控橋式整流電路，而變壓器則使用△/Y接法。其中，晶閘管元件所承受的正反向的峰值電壓需要與變壓器副邊線電壓值的2倍作為選擇值。如晶閘管額定電流設(shè)定為844A，在晶閘管設(shè)計(jì)階段可選擇使用冷卻風(fēng)機(jī)進(jìn)行管溫度的冷卻，晶閘管的結(jié)溫不能超過110℃。

其次，調(diào)速控制電路的設(shè)計(jì)。弱磁調(diào)速和調(diào)壓調(diào)速作為整體調(diào)速方法，并以給定裝置作為弱磁調(diào)速和調(diào)壓調(diào)速之間相互關(guān)聯(lián)的載體。在設(shè)定方面，設(shè)定給定轉(zhuǎn)速小于額定轉(zhuǎn)速的95%時(shí)，以調(diào)壓調(diào)速為主，勵(lì)磁電流的穩(wěn)定依靠勵(lì)磁系統(tǒng)。給定轉(zhuǎn)速大于額定轉(zhuǎn)速的95%時(shí)，系統(tǒng)依靠弱磁調(diào)節(jié)，勵(lì)磁電流需要減弱，以保持轉(zhuǎn)速上升達(dá)到穩(wěn)態(tài)要求。從本質(zhì)而言，轉(zhuǎn)速上升實(shí)際是保持電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)保持恒值的調(diào)節(jié)過程。當(dāng)PLC發(fā)出控制信號(hào)時(shí)，脈沖變壓器作為被控制載體，按照正、反兩極運(yùn)行的信號(hào)進(jìn)行晶閘管整流組正反向的切換。

第三，晶閘管觸發(fā)電路方面。目前的設(shè)計(jì)可使用雙脈沖觸發(fā)的模式，如將電路設(shè)計(jì)為鋸齒波形成電路、脈沖放大電路、移相電路三個(gè)構(gòu)成部分。在放大器同相端的信號(hào)處理方面，輸出為負(fù)，二極管D6在輔助輸出到放大器ICZC的反相端后，按照輸出為正的設(shè)定，反相器IC4A需要反相輸出信號(hào)，并由二極管D8向積分器IC2D進(jìn)行反相輸入。積分器IC2D、IC2C和二極管D7和D9負(fù)責(zé)構(gòu)建鋸齒波并向放大器IC2A和IC2B輸送。經(jīng)電流調(diào)節(jié)器進(jìn)行+5V―5V的信號(hào)輸出時(shí)，其對(duì)應(yīng)的移相角必須限定在0-180°。此外，脈沖放大電路需要使用三極管放大電路、脈沖變壓器、三態(tài)鎖存器hef4O373b及可調(diào)占空比方波發(fā)生器NE555來構(gòu)建。

第四，信號(hào)檢測(cè)電路方面。調(diào)速系統(tǒng)作為反饋控制，需要使用傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)，以構(gòu)建反饋控制。檢測(cè)信號(hào)的實(shí)時(shí)運(yùn)作具有隨機(jī)性，此類干擾信號(hào)容易影響故障分析和處理。因此，基于信號(hào)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理等方面的需要，在交流測(cè)速發(fā)電機(jī)選擇時(shí)，運(yùn)用型號(hào)為GGT-250，額定頻率為100OHz、額定轉(zhuǎn)速為1500r/min的具有高穩(wěn)定性、安全性、線性，不需要對(duì)其進(jìn)行特殊維護(hù)的交流測(cè)速發(fā)電機(jī)。其三相額定線電壓和三相整流后的直流輸出電壓目前為380V和510V。需要注意的是，直流電動(dòng)機(jī)主軸和測(cè)速發(fā)電機(jī)需要?jiǎng)傂赃B接，不能出現(xiàn)任何間隙，以避免出現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部位的意外損傷。為保障電流反饋信號(hào)獲取的準(zhǔn)確性，交流電流互感器作為大功率直流調(diào)速系統(tǒng)的反饋信號(hào)檢測(cè)器。

四、直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的邏輯控制

在系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中PLC主要接收主控制板所輸出的轉(zhuǎn)速設(shè)定信號(hào)和啟動(dòng)信號(hào)，以電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)條件作為判斷是否可以啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)的依據(jù)。當(dāng)出現(xiàn)不滿足條件時(shí)可自動(dòng)發(fā)出警報(bào)。啟動(dòng)方式可設(shè)定為自動(dòng)和手動(dòng)兩種，前者由PLC按照操作人員預(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，后者則需要操作人員自行點(diǎn)擊控制臺(tái)上的開關(guān)如“PLC/ByPass”或者按動(dòng)手柄進(jìn)行電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。

在電機(jī)運(yùn)作的同時(shí)，PLC需要不停的接收來自各個(gè)檢測(cè)電路所輸出的如電流、轉(zhuǎn)速、溫度等反饋信號(hào)，并按照程序設(shè)定的要求進(jìn)行對(duì)比、判斷、信息反饋，并適時(shí)啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)風(fēng)機(jī)、可控硅風(fēng)機(jī)等輔助設(shè)備，以確保調(diào)速系統(tǒng)的順利運(yùn)作。一旦控制臺(tái)反饋重大事故信號(hào)或要求停止電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)必須停止。操作人員需要按照反饋信息進(jìn)行應(yīng)對(duì)問題的檢查和解決。

五、總結(jié)

綜上，直流電機(jī)調(diào)速未來發(fā)展趨勢(shì)集中在控制元件水平和控制理論不斷提高和完善等方面，目前所使用的PLC控制技術(shù)可不斷完善調(diào)速系統(tǒng)邏輯控制系統(tǒng)的智能化，在工作可靠性、器件容量、生產(chǎn)工藝、經(jīng)濟(jì)效能等方面還有待于進(jìn)一步的完善。

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作者簡介：

于成龍（1984-），吉林公主嶺人，畢業(yè)于長春工程學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)，主要從事自動(dòng)化設(shè)備及工程設(shè)計(jì)，調(diào)試工作。