基于軟啟動器控制的鐵路防災(zāi)射流風(fēng)機(jī)的控制電路研究

潘勇旭

（中鐵建電氣化局集團(tuán)南方工程有限公司）

0 引言

我國鐵路系統(tǒng)對隧道防災(zāi)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(jìn)出口和救援通道處設(shè)置可遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制的射流風(fēng)機(jī)。該風(fēng)機(jī)一般是由多組大功率（單臺22kW以上）三相異步電機(jī)聯(lián)組而成。目前業(yè)界主要采用軟啟動器的方案來設(shè)計生產(chǎn)隧道內(nèi)使用的GGD型風(fēng)機(jī)控制柜。由于隧道防災(zāi)設(shè)備涉及重大人身安全，因此，隧道內(nèi)的射流風(fēng)機(jī)控制的可靠性是隧道防災(zāi)工程的重中之重。

1 基于軟啟動器起動風(fēng)機(jī)的控制電路

軟啟動器（見圖1）是一種集電機(jī)軟啟動、軟停車、多種保護(hù)功能于一體的新穎電機(jī)控制裝置，國外稱為Soft Starter。它的主要構(gòu)成是串接于電源與被控電機(jī)之間的三相反并聯(lián)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(lián)晶閘管的導(dǎo)通角，使被控電機(jī)的輸入電壓按不同的要求而變化。軟啟動器啟動電機(jī)，是在電源和電機(jī)之間增加軟啟動器（見圖2），通過控制軟啟動器內(nèi)晶閘管的導(dǎo)通角，使電機(jī)輸入電壓從零以一定的函數(shù)關(guān)系逐漸上升，直至啟動結(jié)束時給電機(jī)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(jī)啟動轉(zhuǎn)矩逐漸增加，轉(zhuǎn)速也逐漸增加。這樣電機(jī)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(shè)定軟啟動器的相關(guān)參數(shù)來調(diào)節(jié)啟動電流的大小。這樣實現(xiàn)電機(jī)的啟動全過程都不存在沖擊轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)平滑啟動。

圖2 基于軟啟動器控制的電機(jī)控制一次系統(tǒng)原理圖

軟啟動器實際上是個調(diào)壓器，在電機(jī)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(jié)構(gòu)也復(fù)雜很多，因此軟啟動器的環(huán)境適應(yīng)性好、經(jīng)濟(jì)效益上也比變頻器高。綜上所述，在工程應(yīng)用上，諸如鐵路長大隧道的射流風(fēng)機(jī)（大功率三相異步電機(jī)）控制方式選擇上，采用軟啟動器來啟動電動機(jī)是目前鐵路隧道防災(zāi)射流風(fēng)機(jī)方面的主流方案。

通過對軟啟動器的特性分析，結(jié)合鐵路系統(tǒng)中對防災(zāi)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制、正反轉(zhuǎn)控制的控制需求，設(shè)計出利用PLC的電機(jī)控制系統(tǒng)電路圖，見圖3風(fēng)機(jī)控制電路原理圖。

基于該原理圖生產(chǎn)后的GGD型電機(jī)控制柜在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，風(fēng)機(jī)啟動后，其于正轉(zhuǎn)狀態(tài)下直接進(jìn)行反轉(zhuǎn)切換，即風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn)中直接按下反轉(zhuǎn)按鈕時，風(fēng)機(jī)控制柜會出現(xiàn)嚴(yán)重的故障，反轉(zhuǎn)狀態(tài)下直接切換正轉(zhuǎn)亦然，稱其為誤操作。表現(xiàn)為風(fēng)機(jī)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(fù)的故障，對風(fēng)機(jī)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(zāi)工程直接關(guān)系到鐵路的運營安全，若無法做到誤操作的自動規(guī)避，將為設(shè)備留下嚴(yán)重的安全隱患。再者，若在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)的緊急情況下，操作人員因焦慮、疏忽而產(chǎn)生誤操作的機(jī)率極大，這將導(dǎo)致風(fēng)機(jī)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(jìn)行誤操作規(guī)避的優(yōu)化改造。

圖3 風(fēng)機(jī)控制電路原理圖

2 故障分析

根據(jù)風(fēng)機(jī)控制柜直接正反轉(zhuǎn)切換導(dǎo)致的故障情況，結(jié)合風(fēng)機(jī)控制電路及風(fēng)機(jī)本身進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)主要故障為電機(jī)進(jìn)線發(fā)生了相間短路。

正反轉(zhuǎn)直接切換將導(dǎo)致在電機(jī)進(jìn)線處通過正、反轉(zhuǎn)接觸器產(chǎn)生相間短路。見圖2基于軟啟動器控制的電機(jī)控制一次系統(tǒng)原理圖，電機(jī)啟動前，需手動合上QF1、QF2斷路器，以保證軟啟動進(jìn)線和切換旁路得電。風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn)啟動時，KM11、KM13合閘，風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運行后，切換旁路，即KM11分閘、KM12合閘。

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

圖4 風(fēng)機(jī)控制柜接觸器因正反轉(zhuǎn)直接切換燒毀的現(xiàn)場照片

3 方案改進(jìn)

為防止風(fēng)機(jī)在運行狀態(tài)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(xiàn)場風(fēng)機(jī)控制柜被直接按下反向的啟動按鈕，需根據(jù)風(fēng)機(jī)控制原理，對其PLC程序、遠(yuǎn)程后臺軟件和控制回路增設(shè)互鎖機(jī)制以規(guī)避誤操作。

3.1 風(fēng)機(jī)控制柜控制原理

根據(jù)圖3風(fēng)機(jī)控制電路原理圖所示，風(fēng)機(jī)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?qū)崿F(xiàn)聯(lián)機(jī)。

以風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn)起動為例進(jìn)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?yōu)楦唠娖剑L(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn)的PLC輸入模塊見圖5。

圖5 風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn)的PLC輸入模塊

通過程序命令PLC的100CH-02口輸出高電平，即風(fēng)機(jī)控制二次回路內(nèi)109號線得電，相當(dāng)于1Q1（見圖6）常開觸電吸合，107號線與109號線導(dǎo)通。于是KA11線圈得電，KA11常開觸點吸合，1號風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn)接觸器得電，風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn)起動。

圖6 風(fēng)機(jī)PLC輸出模塊原理圖

3.2 誤操作規(guī)避方案

通過對風(fēng)機(jī)控制原理的分析，得出通過在風(fēng)機(jī)運行狀態(tài)下鎖定起動回路的方法，增設(shè)PLC程序互鎖、二次回路互鎖、遠(yuǎn)程后臺軟件互鎖，實現(xiàn)誤操作規(guī)避。

3.2.1 PLC程序互鎖

PLC程序互鎖是在其程序中設(shè)置風(fēng)機(jī)運行狀態(tài)判定的總前提以決定是否產(chǎn)生輸出信號。

經(jīng)過以上對風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn)起動原理分析得知，通過PLC輸入輸出聯(lián)接的按鈕起動回路與控制回路是兩個獨立的執(zhí)行模塊，按鈕按下去之后并不能直接起動風(fēng)機(jī)，而是先作用于PLC通過程序輸出才可實現(xiàn)風(fēng)機(jī)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(shè)有一個邏輯判斷：判斷此時風(fēng)機(jī)已經(jīng)處于運行狀態(tài)——不論所按下的按鈕是否與此時風(fēng)機(jī)運行方向是否相異，PLC都沒有輸出，既保持該運行狀態(tài)不改變，我們稱該判斷為該PLC程序的總前提，即當(dāng)某風(fēng)機(jī)處于運行狀態(tài)，該風(fēng)機(jī)所對應(yīng)的PLC正反轉(zhuǎn)起動點位有輸入時不可有輸出。

仍以風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn)為例，設(shè)定風(fēng)機(jī)已經(jīng)處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)，操作人員誤按下風(fēng)機(jī)的反轉(zhuǎn)按鈕。通過PLC的總前提判斷，如圖5所示，風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn)所對應(yīng)PLC的輸入3D-10與輸出1Q1點（風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn)起動）、輸入3D-11與1Q2點（風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)起動）鎖定在有輸入?yún)s不可輸出的狀態(tài)，那么風(fēng)機(jī)即使在發(fā)生誤操作的情況下，也將保持原運行情況不變。見圖3風(fēng)機(jī)控制電路原理圖，即此時圖中107、113號線不導(dǎo)通，KA12不得電，KM12反轉(zhuǎn)接觸器不吸合，即成功規(guī)避此誤操作。

3.2.2 二次回路互鎖

風(fēng)機(jī)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(jìn)行優(yōu)化。

（1）按鈕回路的優(yōu)化

按鈕回路的互鎖方案是在正轉(zhuǎn)按鈕的常開點后串聯(lián)反轉(zhuǎn)按鈕的常閉點，反轉(zhuǎn)按鈕的常開點后串聯(lián)正轉(zhuǎn)按鈕的常閉點。

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

圖7 風(fēng)機(jī)控制柜PLC輸入模塊原理圖

圖8 風(fēng)機(jī)控制柜PLC輸入模塊-優(yōu)化后原理圖

（2）接觸器回路的優(yōu)化

接觸器回路的互鎖方案是在正轉(zhuǎn)接觸器的線圈前串聯(lián)反轉(zhuǎn)接觸器的常閉點，反轉(zhuǎn)接觸器的線圈前串聯(lián)正轉(zhuǎn)接觸器的常閉點。在正轉(zhuǎn)接觸器KM13前增設(shè)反轉(zhuǎn)接觸器KM14的常閉觸點、反轉(zhuǎn)接觸器KM14前增設(shè)正轉(zhuǎn)接觸器KM13的常閉觸點形成正反轉(zhuǎn)電路的互鎖即可規(guī)避誤操作。

最終電路部分優(yōu)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(fēng)機(jī)控制柜的優(yōu)化電路原理圖。

3.2.3 遠(yuǎn)程后臺軟件互鎖

遠(yuǎn)程后臺軟件互鎖是在風(fēng)機(jī)有運行反饋信號時，將該風(fēng)機(jī)的啟動命令屏蔽。

風(fēng)機(jī)有運行反饋，不論其為正轉(zhuǎn)亦或反轉(zhuǎn)，后臺操作人員在操作界面只可對風(fēng)機(jī)進(jìn)行停止命令，而該風(fēng)機(jī)的任何啟動命令權(quán)限都被鎖定，如此即可避免遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)后臺那方的操作人員在風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn)的情況下輸入進(jìn)行風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)的指令，反之亦然。

4 優(yōu)點分析

根據(jù)以上所述分別對PLC的程序、風(fēng)機(jī)控制柜的PLC輸入電路、二次控制電路以及遠(yuǎn)程后臺軟件的設(shè)計優(yōu)化，可實現(xiàn)本地與遠(yuǎn)方雙保險的誤操作規(guī)避，從而在根本上解決了在風(fēng)機(jī)運行狀態(tài)下進(jìn)行正反轉(zhuǎn)直接切換造成的風(fēng)機(jī)控制柜故障，避免了因疏忽亂按按鈕或其他不確定因素產(chǎn)生的誤操作。其次，誤操作自動規(guī)避機(jī)制降低了操作人員的使用難度，簡化了操作流程，提高了風(fēng)機(jī)乃至隧道防災(zāi)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗風(fēng)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(fēng)機(jī)控制柜的維護(hù)成本，在創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益的同時，大幅度提高了鐵路隧道防災(zāi)系統(tǒng)的可靠性，使得鐵路的災(zāi)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(fēng)機(jī)控制柜中，遠(yuǎn)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(yōu)化需結(jié)合遠(yuǎn)動廠家所提供的點表來進(jìn)行調(diào)試，避免互相沖突。

后臺軟件實現(xiàn)誤操作規(guī)避后，需廣泛收集操作人員的意見，將人機(jī)界面做到更加友好。例如，假定風(fēng)機(jī)已處于運行狀態(tài)，若此時遠(yuǎn)方后臺人員進(jìn)行了誤操作——鼠標(biāo)點擊風(fēng)機(jī)的反轉(zhuǎn)命令，那么此時人機(jī)界面需彈出警告窗口，提示剛剛有產(chǎn)生了誤操作并再次在人機(jī)界面警示該風(fēng)機(jī)的運行狀態(tài)，如此操作人員才能在更好地對風(fēng)機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作和狀態(tài)監(jiān)控。

圖9 風(fēng)機(jī)控制電路-優(yōu)化后原理圖

6 結(jié)束語

高速鐵路的飛速發(fā)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(fù)雜，隨著大量的中西部山區(qū)的鐵路建設(shè)的展開，線路上的長大隧道越來越多。如何做好隧道的防災(zāi)救援，切實保障旅客的生命安全是鐵路發(fā)展建設(shè)的重中之重。防災(zāi)系統(tǒng)設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性是相關(guān)設(shè)計、施工人員未來的重要課題。