基于PLC的散熱風機控制電路優(yōu)化設計

邢云龍 王 斌 汪浩然

（中國衛(wèi)星海上測控部，江陰 214431）

測控天線的動力驅(qū)動由伺服電機提供。為了滿足測控天線的跟蹤性能，伺服電機在工作過程中需要高速運轉并頻繁加減速，造成了伺服電機內(nèi)部出現(xiàn)發(fā)熱問題。如果任由伺服電機內(nèi)部熱量累積，則會導致伺服電機電樞部位過熱，影響伺服電機的工作性能，嚴重時甚至燒毀伺服電機電樞，造成伺服電機不能正常工作，影響測控任務的執(zhí)行。因此，需要及時疏散伺服電機工作時產(chǎn)生的熱量，以降低伺服電機電樞部位工作溫度，保證伺服電機始終處于良好的工作狀態(tài)。目前，測控天線采用的伺服電機散熱方式多采用風機直吹的風冷方式。所以，散熱風機在測控天線運轉過程中發(fā)揮著不可或缺的作用。

1 散熱風機工作特性

由于測控天線運轉時的特殊要求，通常采用調(diào)速直流伺服電機進行天線動力驅(qū)動。某型測控天線的方位系統(tǒng)采用4臺電機驅(qū)動，其中1#、2#為一組，3#、4#為一組，每組通過行星減速機將電機動力輸出到天線減速箱來驅(qū)動天線方位系統(tǒng)轉動[1]。每臺伺服電機附帶一臺X型離心散熱風機，供電為交流380 V。為保證散熱風機正常發(fā)揮工作效能，散熱風機與天線伺服電機同時接入可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）。當PLC確認伺服電機加電正常后會控制散熱風機加電，對伺服電機進行風冷降溫。因為PLC的中央處理器（Central Processing Unit，CPU）的運算處理速度非常快，所以從宏觀上來看，由PLC發(fā)出控制指令到不同被控器件完成指令動作似乎是同時的，散熱風機晚于伺服電機啟動的時間里并不會大量累積伺服電機熱量。散熱風機實際安裝位置如圖1所示。

圖1 散熱風機實際安裝圖

2 散熱風機的PLC邏輯控制關系

測控天線散熱風機的工作過程是基于PLC控制的反饋控制原理實現(xiàn)的。PLC內(nèi)部CPU程序通過對散熱風機供電電路上繼電器輸入的狀態(tài)信號進行計算分析，從而對該繼電器發(fā)出吸合、斷開指令來控制散熱風機的工作狀態(tài)。

PLC有輸入、輸出接口。當PLC輸入端子連接的外部按鈕斷開時，即PLC無法收到有效的反饋信號，內(nèi)部CPU在輸入端讀入的數(shù)據(jù)是“0”或“1”（根據(jù)程序設定）。當PLC輸入端子連接的外部按鈕閉合時，PLC的控制電源（一般為直流24 V）的正極（或負極）經(jīng)過外部觸點到達公共端，最終回到電源負極（或正極），實現(xiàn)閉環(huán)。此時，PLC輸出接口電路將CPU送出的弱電控制信號轉換成實際需要的強電信號輸出，向被控制對象的各種執(zhí)行元件輸出控制信號，從而達到控制被控對象工作的目的[2]。

為了保護設備，天線散熱風機的PLC邏輯控制關系中加入了設備電源檢測設備，如圖2所示。

圖2 散熱風機的PLC邏輯控制關系示例

3 案例分析

在某型測控天線的例行天線結構檢查維護過程中，崗位人員對伺服電機進行工作性能狀態(tài)檢查時發(fā)現(xiàn)，該天線3#、4#伺服電機對應的散熱風機不能隨伺服電機的加電正常啟動，1#、2#散熱風機啟動正常且工作正常。散熱風機的電路連接，如圖3所示。

圖3 散熱風機的電路連接

根據(jù)故障排查處置原則，通過梳理設備層級關系，并結合當前故障現(xiàn)象，首先排除散熱風機交流380 V供電問題，然后崗位人員對3#、4#散熱風機工作性能進行檢查。通過測量散熱風機電樞阻值，測得3#散熱風機電樞阻值為56.8 Ω，4#散熱風機電樞阻值為57.1 Ω（散熱風機電樞阻值正常值范圍為60 Ω）， 說明3#、4#散熱風機性能良好。在故障復現(xiàn)過程中，崗位人員發(fā)現(xiàn)在對3#、4#任意一臺伺服電機加電時，散熱風機對應的220 V交流接觸器（KM6）沒有吸合動作，導致3#、4#散熱風機供電電路為斷路狀態(tài)。3#、4#散熱風機沒有電力供應，故不能正常啟動。崗位人員用外力使KM6強制吸合后，3#、4#散熱風機可正常啟動并正常工作。通過崗位人員的故障商討，初步認定為KM6性能損壞，因而不能向PLC反饋有效信號。組織對KM6進行備件更換，更換后3#、4#散熱風機依舊不能隨伺服電機的加電而啟動。繼電器接線示意圖，如圖4所示。

圖4 繼電器接線示意圖

通過與1#、2#散熱風機的啟動過程進行試驗比對，結合PLC指示燈的指示狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，3#、4#任意一臺伺服電機加電時，PLC程序?qū)M6都沒有控制指令輸出，說明KM6不能吸合的原因可能在于PLC長時間工作造成內(nèi)部程序錯亂導致的[3]。因為崗位不具備對PLC內(nèi)部程序檢查的條件，所以只能通過對PLC進行斷電重啟和備件更換來排查故障原因。分別對PLC進行斷電重啟和備件更換后發(fā)現(xiàn)，故障現(xiàn)象仍然存在。散熱風機的邏輯控制程序網(wǎng)絡，如圖5所示。

圖5 散熱風機的邏輯控制程序網(wǎng)絡

分析PLC程序網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)，PLC對KM6輸出吸合控制指令的前提是PLC內(nèi)部收到正常的交流380 V供電反饋指令，而380 V供電反饋指令是由測量與監(jiān)控繼電器（QM1、QM2）送出的。結合散熱風機電路連接圖檢查QM2反饋信號的有效性發(fā)現(xiàn)，QM2沒有送出380 V供電輸出的反饋信號，意味著QM2對PLC沒有進行有效的交流和380 V供電信息反饋，使得控制散熱風機工作的鏈路沒有實現(xiàn)閉環(huán)反饋，PLC不能對控制散熱風機加電的繼電器（KM6）發(fā)出吸合指令。隨即對QM2進行備件更換，3#、4#散熱風機恢復正常啟動。測量與監(jiān)控繼電器接線圖，如圖6所示。

圖6 測量與監(jiān)控繼電器接線圖

4 分析與改進

測控設備精密程度高，集成度高。為保護設備安全并實現(xiàn)設備操控的智能化，伺服驅(qū)動設備采用安裝保護器件與設置PLC程序相結合的方法，在供電線路上設置保險絲和空氣開關的基礎上，安裝了測量與監(jiān)控繼電器，增加了相序保護功能，可保證電站供電相序與設備接線相序不一致時或是電站供電異常時的設備安全[4]。

根據(jù)該型測控天線指標設計要求，天線方位系統(tǒng)采用4臺伺服電機驅(qū)動。在設備電路設計過程中，天線方位系統(tǒng)的電路上安裝了2臺測量與監(jiān)控繼電器。在設備的實際使用過程中發(fā)現(xiàn)，這種設計既存在過度保護和占用內(nèi)部器件空間的問題，又增加了單點失效環(huán)節(jié)，對提升設備穩(wěn)定性能意義不大。崗位人員分析散熱風機電路連接圖并結合設備操作實際發(fā)現(xiàn)，可以優(yōu)化散熱風機的控制電路，并通過調(diào)整保護器件的安裝位置，減少保護器件的安裝數(shù)量。

通過圖7與圖8的對比可以發(fā)現(xiàn)，散熱風機控制電路調(diào)整后，一臺測量與監(jiān)控繼電器對兩組散熱風機的供電同時進行監(jiān)控與保護，依然可以對設備器件起到保護作用，而且可以減少機柜內(nèi)部電路布線和保護器件的使用數(shù)量，優(yōu)化設備內(nèi)部安裝空間，減少設備單點失效環(huán)節(jié)的同時降低設備安裝成本[5]。通過與設計人員的溝通，結合實際工作驗證，散熱風機保護電路的調(diào)整和PLC內(nèi)部程序的優(yōu)化不僅完全滿足設備實際使用要求，也符合設備的安全防護要求。

圖7 調(diào)整后的散熱風機電路連接

圖8 調(diào)整后的散熱風機邏輯控制程序

5 結語

通過對測控天線散熱風機控制異常的故障案例進行排查與原因分析、處置，進一步梳理了設備內(nèi)部器件之間的層級關系與PLC內(nèi)部邏輯控制程序的關系，發(fā)現(xiàn)了設備電路設計可以優(yōu)化的空間，并進行了實際改進。實驗證明，散熱風機控制電路的調(diào)整和PLC內(nèi)部程序的優(yōu)化并不影響設備電路的實際操控與保護，具有可行性。