關于電動機優先控制方式的探討

曹 宇（西安建筑科技大學，陜西 西安 710055）

0 引言

在水泥、礦渣等工業生產線長期以來采用電力拖動機械設備，這些機械設備目前普遍采用工業自動化控制系統（主要是機旁優先控制方式）實現工藝環節的控制。近些年，隨著產能置換等政策調控影響下，工業生產線規模越來越大，主要工藝環節核心機械設備的保護和聯鎖也越來越復雜和重要，為了保證設備運轉率，對工藝設備電力拖動和自動化控制系統的可靠性要求也越來越高。在這種情況下，很多核心機械設備均要求采用中控優先的控制方式。

1 電動機優先控制方式簡介

首先，我們需要來界定“優先”是相對于什么參照物或參照系。在PLC、DCS等計算機控制系統應用以前，工業自動化控制主要采用繼電接觸器控制線路（簡稱繼電器控制系統）來實現，由于接線回路復雜、維護工作量大、可靠性低等原因，目前已很少采用這種方式。雖然繼電器控制系統已經很少使用，但是其中有些名詞概念對當前的計算機控制系統仍具有指導意義。與本文有關的兩個名詞如下：（1）當同時按下起動和停止兩個按鈕時，電動機被起動，稱為“起動優先”線路；（2）當同時按下起動和停止兩個按鈕時，電動機被停止，則稱之為“停止優先”線路[1]。

根據這兩個名詞定義，我們可以得知，在機旁和中控室兩地的操作信號，誰首先實現起停電動機，說明誰具有“優先權”。即存在4種控制方式：機旁起動優先、機旁停止優先、中控起動優先、中控停止優先。由于工業環境為了巡視和檢修安全，更多的是采用機旁停止優先，那我們也就重點討論：在機旁停止優先的前提下，機旁起動優先（以下簡稱機旁優先）和中控起動優先（以下簡稱中控優先）的實現方法和特點。

目前工業自動化控制系統下，每臺電力拖動的機械設備有三種起停工況：調試或檢修時的現場單機起停操作、調試或檢修時的中控單機起停操作、正常投運后中控根據工藝流程組起組停操作。前兩種起停工況對于“機旁優先”或“中控優先”有比較明顯的用途區別，后一種工況只能在中控進行操作，這個階段是優先權選擇后的結果，所以我們主要在前兩種工況下進行討論。

本文以最簡單的鼠籠電動機單向直接起動控制回路[1]（抽屜柜回路）為例，對目前常用的幾種電動機控制方式進行簡單分析。

2.1 電動機機旁優先控制方式

圖1是最常見的電動機機旁優先控制原理圖。其主回路（也稱一次回路）為籠型電動機典型接線[2]，二次回路中SA為現場按鈕盒，安裝于機旁附近，現場按鈕盒上布置有3個按鈕開關：1個起動按鈕S1，1個停機按鈕S2，1個帶鑰匙選擇開關S3，用于選擇“機旁”(或稱為“就地”，用字母L表示)、“0”（檢修位置，即檢修時選擇此位，機旁和中控均不能起停操作）、“中控”(或稱為“遠程”，用字母C表示)。

圖1 電動機機旁優先控制原理圖

這種控制方式的選擇權限在現場，且現場按鈕盒上的停機按鈕S2在“機旁”或“中控”均可以操作停止電動機（即前文所講的“停止優先”）。當選擇開關選擇“機旁”時，機旁起動按鈕S1可以直接起動電動機，中控信號此時無效；當選擇開關選擇“中控”時，中控驅動信號可以直接起、停電動機，起動按鈕S1此時無效，但是現場停機按鈕S2和轉換開關S3的操作不受中控室限制，仍具有優先操作權。

圖2是電動機機旁優先控制方式下，與計算機控制系統之間的IO信號，共3個。

圖2 電動機機旁優先控制方式IO信號

2.2 電動機手動中控優先控制方式

圖3是早前論文和具體工程中最常見的電動機中控優先控制原理圖。從圖3可以看到，一次回路接線與機旁優先控制方式完全相同，而二次回路的現場按鈕盒沒有轉換開關，只有起動按鈕S1和停機開關S2，也就是現場沒有選擇權，也就無法通過硬件設備實現選擇，仍具備停機優先。現場起動按鈕S1接進計算機控制系統，通過中控允許或授權后操作才能起作用。

圖3 電動機手動中控優先控制原理圖

這種控制方式有兩點須注意。一是現場按鈕盒上停機開關S2必須是旋轉開關或帶自鎖功能的按鈕開關，才可以實現停機。若是普通按鈕，按下后開始停機，松開后復位，中控顯示因備妥信號丟失而出現報警提示（有時按下和復位太快，備妥信號也不丟失），同時因為中控驅動信號仍保持，電動機繼續起動運行，給現場人員和設備帶來很多隱患和危險；第二是必須在中控操作畫面上給每臺設備增加“機旁”和“中控”選擇（或叫授權，或叫解鎖）。只有中控設置手動權限選擇，才不會在單機調試或檢修時，中控和現場的操作產生混亂，這也是筆者把這種控制方式稱作“手動”中控優先的原因。

圖4所示為電動機手動中控優先控制方式下，與計算機控制系統之間的IO信號，共4個。類似這種控制方式，也有設計人員在現場按鈕盒增設帶鑰匙選擇開關，并將選擇開關的2個信號均接入計算機控制系統，硬件選擇設備在機旁，但是實際選擇權限仍在中控室，仍需中控手動選擇或授權，控制效果基本相同，并增加了2個IO信號，使得控制系統重復和累贅。

圖4 電動機手動中控優先控制方式IO信號

還有一種是在圖3的一次回路增加現場可視斷路器，并帶有起動按鈕和停止按鈕[3]，這兩個按鈕信號都接入中控，使現場具有徹底并直觀的斷開點而保證機旁安全。這種控制方式使電氣投資大幅度增加，也增加了故障點，只有較少外資工業生產線會選擇此控制方式。

2.3 電動機自動中控優先控制方式

圖5是筆者設計并在多個工程已經應用的電動機自動中控優先控制原理圖。顯而易見，圖5更接近于圖1，一次回路完全相同，二次回路中也有現場按鈕盒SA，現場按鈕盒上布置按鈕開關的數量、形式和作用均相同，也同樣是“停止優先”。選擇權限硬件同樣在機旁，選擇開關的“0”位、“中控”位和機旁優先控制方式的效果相同，不同的是“機旁”位置增加了一個中控“起動的條件”，也就是說現場起動按鈕S1必須在控制程序里該電動機的“起動條件”滿足后才能有效操作。起動的優先權仍然是在中控，和第2種控制方式不同之處是不需要中控手動授權或解鎖，由程序自動完成判斷，若條件滿足，則自動允許現場起動，反之，說明該電動機的某個或某些起動條件不滿足，比如軸承潤滑油溫度不滿足、所拖動機械設備的減速機儀表監測信號有異常等，不允許被起動，強制起動可能會造成設備損害或危險。

圖5 電動機自動中控優先控制原理圖

圖6為電動機自動中控優先控制方式下，與計算機控制系統之間的IO信號，共4個。與第2種控制方式相比，少了1個現場起動的DI點，多了一個允許起動的DO點，IO信號總數相同。

圖6 電動機自動中控優先控制方式IO信號

3 三種優先控制方式的特點

從上文中三種優先控制方式的簡介基本已經能看出它們之間的異同。概述如下：

機旁優先側重點是現場操作的便利和安全，對設備機旁起動所需要的必要條件沒有限制，只能靠操作人員的經驗來把握。

手動中控優先側重點是中控的操作權限，嚴格保證了設備起動的必要條件，而導致機旁無法直接操作起動（PLC程序里強制給定屬于非正常操作，不屬于本文討論議題），也無法直觀確定電動機是否不會被中控起動，如果現場和中控溝通出現障礙（沒聽見或聽錯）或中控對現場狀況誤判，給現場調試或檢修時的人員帶來安全隱患。

自動中控優先正好彌補了以上兩種控制方式的不足之處，既能保證現場有安全和直觀的檢修選項“0”位，也能保證設備起動條件不足時不會被機旁誤起動

在機旁優先已普遍使用后，之所以要采用中控優先的原因：在實現工藝流程和工業生產需要的前提下，核心問題是為了保證人員安全和設備安全。

圖7基本可以反映出三種優先控制方式對人員安全和設備安全的側重點。

圖7 三種優先控制方式對人員安全和設備安全的側重點

當前在大力發展工業4.0，計算機控制技術也已經越來越成熟和可靠，與工業生產也越來越聯系緊密。即使在工廠建設安裝階段,PLC或DCS均需具備調試需求,否則大型設備不允許、也無法安全開展調試工作。

這里需要澄清一點，有些電氣工程師說第2種中控優先“更適合環境惡劣、粉塵含量大”的水泥廠，因為“現場按鈕盒容易進灰，造成開關觸點接觸不良”[3]，電氣設備的防護等級或選型不滿足現場使用環境，并不是某種控制方式的優點或缺點。而且，現在的水泥、礦渣等工業企業，粉塵排放等環保要求越來越嚴格，很多老廠也在改造治理，廠區環境也已明顯改善。

4 結論

筆者根據多個工程項目的實踐、對比，結合上文的分析可看出，自動中控優先控制是目前對工業生產線人員安全和設備安全兼顧最平衡的一種控制方式。由于配置和接線很接近，這種控制方式也最適合用于一條工業生產線上部分電動機機旁優先、另一部分電動機要求中控優先這兩種控制方式共存的工程。當然，自動中控優先控制方式并不是適用所有工業生產線。實際工程中，需要根據不同場合、不同設備的要求、投資成本等因素，來綜合選擇適合工藝控制環節并安全、可靠、經濟的控制方式。