軟啟動器在聚氨酯樹脂反應釜控制系統的研究與應用

王華強 張 彪

(合肥工業大學電氣與自動化工程學院，合肥 230009)

軟啟動器采用平滑緩慢的啟動運行方式[1]，啟動過程無沖擊轉矩，沖擊電流小，是一種集電機軟啟/停及節能等多重保護功能于一體的新型動力控制設備。筆者考慮到聚氨酯樹脂反應釜的工藝要求，同時結合控制系統的安全性、穩定性和經濟性，決定選擇ABB軟啟動器控制釜電機的運行。

1 軟啟動器①

筆者采用軟啟動器拖動反應釜運行，并對現場實時數據進行采集，利用Modbus-RTU協議與S7-300PLC進行通信，最后通過上位機IPC上的組態王進行全程顯示監控(圖1)。

圖1 系統結構示意圖

軟啟動器主電路采用三相晶閘管反并聯調壓方式。啟動時，提高晶閘管輸出電壓，控制晶閘管觸發角α，逐漸升高電機的端電壓，使電機轉速平滑增加，當晶閘管全導通時，轉速平滑上升至額定轉速；啟動結束時，軟啟動器停止工作并被切換，旁路接觸器自動吸合為電動機提供正常運轉所需的電壓[2]。

軟啟動器的啟動方式必須根據實際情況選擇，通用的4種啟動方式如下：

a. 斜坡升壓軟啟動(圖2a)。啟動后，電壓迅速上升至啟動電壓U0，然后在斜坡電壓作用下逐步增加，斜坡時間t1后，電壓升至電源電壓Um，啟動結束[3]。該方式最簡單，但不限流。

b. 斜坡恒流軟啟動(圖2b)。啟動時，在時間t內，電流迅速增加，當電流達到設定值Im后保持不變，此時輸出電壓持續增大；當電機持續加速至額定轉速時，旁路接觸器吸合取代軟啟動器，電流恢復到額定值IN[4]。應該方式應用最廣泛，筆者采用的就是該方式。

c. 階躍啟動(圖2c)。啟動后，在極短的時間t內，電流階躍式增加，迅速上升到電流限幅值Ist后保持恒定；電機逐漸加速至額定轉速，啟動結束，電流下降到額定值IN。

d. 脈沖沖擊啟動(圖2d)。在啟動階段，在較短時間內用大電流導通晶閘管一段時間后，降低電流，施加脈沖電壓使轉矩突然增大，克服大負載的制動轉矩Tf；然后電機轉矩按原設定值Tst平滑上升，直到啟動結束。該方式可有效縮短啟動時間[5]。

a. 斜坡升壓軟啟動 b. 斜坡恒流軟啟動 c. 階躍啟動 d. 脈沖沖擊啟動

軟啟動器的保護功能主要有：過載保護功能，防止短路或過載故障發生；缺相保護功能，防止出現缺相斷流情況；過熱保護功能，防止電機或晶閘管溫度過限[6]。

2 軟啟動器的控制系統設計

根據控制要求和現場實際工藝需求，采用主、備兩臺型號為PST175-600-70的ABB軟啟動器拖動電機運行，額定電流為175A，額定功率為90kW。

2.1 主控電路的設計

系統的主控電路如圖3所示，選擇兩個三相倒順閘刀2DK1、2DK2進行主備轉換，整個電路電源通斷由斷路器2QF1控制，2QF2控制主用軟啟動器供電電路，2QF3控制備用軟啟動器供電電路。為了防止電機和線路發生過載，熱繼電器2FR作為延時限流保護裝置。

圖3 系統主控電路

2.2 軟啟動器拖動設計

各反應釜的主、備軟啟動器設計選型和參數設置都一樣，此處以11#反應釜主用軟啟動器為例進行分析。軟啟動器拖動電機電路設計如圖4所示，具體的電氣接線方式如下：

a. 將ABB軟啟動器接在主回路中。操作軟啟動器時必須保證接地端子接地，否則不允許操作軟啟動器。

b. PST175-600-70軟啟動器本身沒有旁路接觸器，因此需加裝外置旁路接觸器。在軟啟動器運行、繼電器2KA2的常開觸點閉合后，旁路交流接觸器2KM1-1得電，其常開觸點閉合；當系統發生過載保護時，繼電器2KA5的常閉觸點斷開，旁路交流接觸器失電，其常開觸點斷開。

c. 通過軟啟動器端子1、2對控制回路進行供電，電壓為100～250V，頻率為50～60Hz。功能接地接在軟啟動器旁的安裝板上最合適，且電纜盡可能短，不能超過0.5m。

d. 軟啟動器啟動和停止電源由內部自鎖電路提供。帶燈按鈕2SB1作為啟動按鈕，帶燈按鈕2SB2作為停止按鈕，并連接在端子上，且這些接線端子只能連接24V電壓。

e. 電源2L1接端子16、19；運行繼電器2KA2一端接電源2N1，一端接端子17；故障繼電器2KA1一端接電源2N1，一端接端子20。當發生故障時，2KA1的常開觸點閉合進行電鈴報警，同時故障指示燈亮。

f. 2HL1為電源指示燈，2HL2為故障指示燈，2HL3為全壓指示燈。3個熔斷器(2FU1、2FU2、2FU3)的主要作用是防止所在線路短路。

g. 將軟啟動器模擬量輸出設置為4～20mA，表示電機電流的0%～100%，并將數據信息傳送到PLC，最后通過上位機IPC上的組態王顯示。

圖4 軟啟動器拖動電機電路

2.3 軟啟動器參數設置及通信

PST175-600-70軟啟動器可以通過鍵盤、總線通信和外部鍵盤進行參數設置，本系統軟啟動的應用類型選為攪拌機。軟啟動器的主要參數設置如下：

設定電流 175A

電機過載類別 10

旁路監測 是

啟動模式 電流

升壓時間 20s

限流倍數 4

初始電壓 35%～40%

電機過載保護 雙重

三項失衡保護 是

大電流報警值 1.2×ie(額定電流的1.2倍)

SCR過載保護 是

模擬量輸出 是

模擬量輸出范圍 4～20mA

模擬量輸出類型 電機電流

顯示語言 漢語

本反應釜控制系統采用S7-300PLC CPU314，機架上有負載電源模塊、以太網通信模塊、串行通信處理模塊和I/O模塊。ABB軟啟動器選用Modbus-RTU協議，通過串行通信處理模塊與PLC進行通信，PLC通過CP343-1模塊與多臺上位機通過交換機構成以太網網絡進行通信，上位機上的組態王實時讀取數據并顯示監控。

3 結果分析

上位機通過通信獲得電機運行實時數據，然后利用組態王軟件設計工藝界面、曲線界面(圖5a)和歸檔界面(圖5b)，從而實現對整個聚氨酯樹脂反應釜控制系統的全程監控。

通過該曲線界面可以實時監控反應釜電機電流、釜電機轉速、反應釜溫度和累加重量。工作人員可以根據此界面做出工藝判斷：通過顯示溫度決定是否需要采取降溫措施；通過累加重量判斷各種物料下料重量是否正確；通過電機電流和電機轉速曲線判斷該產品是否達到工藝要求，是否生產成功。

a. 曲線界面 b. 歸檔界面

通過歸檔界面左邊報表可以對控制系統的重要數據進行歸檔存儲，該報表存儲數據包括時間日期、物料名稱、本次下料重量、反應釜溫度、電機電流和電機轉速。同時也可以通過該界面右邊報表調入前期生產的歸檔報表進行查詢[7]。工廠技術人員通過歸檔報表可以明晰整個生產過程操作和反應釜運行狀況。

4 結束語

通過對軟啟動器的原理、啟動方式和保護功能的全面分析，發現軟啟動器既能克服傳統方式的不足，又能使系統控制功能更加完善，動力設備控制更加有效，從而使得系統運行更加穩定、可靠。隨著現代電力電子技術和現代控制技術的不斷進步，軟啟動器的技術將更加成熟，性能更加穩定，功能更加全面。