基于PLC的散熱風(fēng)機(jī)控制電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

邢云龍 王 斌 汪浩然

（中國衛(wèi)星海上測(cè)控部，江陰 214431）

測(cè)控天線的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)由伺服電機(jī)提供。為了滿足測(cè)控天線的跟蹤性能，伺服電機(jī)在工作過程中需要高速運(yùn)轉(zhuǎn)并頻繁加減速，造成了伺服電機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)發(fā)熱問題。如果任由伺服電機(jī)內(nèi)部熱量累積，則會(huì)導(dǎo)致伺服電機(jī)電樞部位過熱，影響伺服電機(jī)的工作性能，嚴(yán)重時(shí)甚至燒毀伺服電機(jī)電樞，造成伺服電機(jī)不能正常工作，影響測(cè)控任務(wù)的執(zhí)行。因此，需要及時(shí)疏散伺服電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的熱量，以降低伺服電機(jī)電樞部位工作溫度，保證伺服電機(jī)始終處于良好的工作狀態(tài)。目前，測(cè)控天線采用的伺服電機(jī)散熱方式多采用風(fēng)機(jī)直吹的風(fēng)冷方式。所以，散熱風(fēng)機(jī)在測(cè)控天線運(yùn)轉(zhuǎn)過程中發(fā)揮著不可或缺的作用。

1 散熱風(fēng)機(jī)工作特性

由于測(cè)控天線運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的特殊要求，通常采用調(diào)速直流伺服電機(jī)進(jìn)行天線動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。某型測(cè)控天線的方位系統(tǒng)采用4臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其中1#、2#為一組，3#、4#為一組，每組通過行星減速機(jī)將電機(jī)動(dòng)力輸出到天線減速箱來驅(qū)動(dòng)天線方位系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)[1]。每臺(tái)伺服電機(jī)附帶一臺(tái)X型離心散熱風(fēng)機(jī)，供電為交流380 V。為保證散熱風(fēng)機(jī)正常發(fā)揮工作效能，散熱風(fēng)機(jī)與天線伺服電機(jī)同時(shí)接入可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）。當(dāng)PLC確認(rèn)伺服電機(jī)加電正常后會(huì)控制散熱風(fēng)機(jī)加電，對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行風(fēng)冷降溫。因?yàn)镻LC的中央處理器（Central Processing Unit，CPU）的運(yùn)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(dòng)作似乎是同時(shí)的，散熱風(fēng)機(jī)晚于伺服電機(jī)啟動(dòng)的時(shí)間里并不會(huì)大量累積伺服電機(jī)熱量。散熱風(fēng)機(jī)實(shí)際安裝位置如圖1所示。

圖1 散熱風(fēng)機(jī)實(shí)際安裝圖

2 散熱風(fēng)機(jī)的PLC邏輯控制關(guān)系

測(cè)控天線散熱風(fēng)機(jī)的工作過程是基于PLC控制的反饋控制原理實(shí)現(xiàn)的。PLC內(nèi)部CPU程序通過對(duì)散熱風(fēng)機(jī)供電電路上繼電器輸入的狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算分析，從而對(duì)該繼電器發(fā)出吸合、斷開指令來控制散熱風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)。

PLC有輸入、輸出接口。當(dāng)PLC輸入端子連接的外部按鈕斷開時(shí)，即PLC無法收到有效的反饋信號(hào)，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(shè)定）。當(dāng)PLC輸入端子連接的外部按鈕閉合時(shí)，PLC的控制電源（一般為直流24 V）的正極（或負(fù)極）經(jīng)過外部觸點(diǎn)到達(dá)公共端，最終回到電源負(fù)極（或正極），實(shí)現(xiàn)閉環(huán)。此時(shí)，PLC輸出接口電路將CPU送出的弱電控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成實(shí)際需要的強(qiáng)電信號(hào)輸出，向被控制對(duì)象的各種執(zhí)行元件輸出控制信號(hào)，從而達(dá)到控制被控對(duì)象工作的目的[2]。

為了保護(hù)設(shè)備，天線散熱風(fēng)機(jī)的PLC邏輯控制關(guān)系中加入了設(shè)備電源檢測(cè)設(shè)備，如圖2所示。

圖2 散熱風(fēng)機(jī)的PLC邏輯控制關(guān)系示例

3 案例分析

在某型測(cè)控天線的例行天線結(jié)構(gòu)檢查維護(hù)過程中，崗位人員對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行工作性能狀態(tài)檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，該天線3#、4#伺服電機(jī)對(duì)應(yīng)的散熱風(fēng)機(jī)不能隨伺服電機(jī)的加電正常啟動(dòng)，1#、2#散熱風(fēng)機(jī)啟動(dòng)正常且工作正常。散熱風(fēng)機(jī)的電路連接，如圖3所示。

圖3 散熱風(fēng)機(jī)的電路連接

根據(jù)故障排查處置原則，通過梳理設(shè)備層級(jí)關(guān)系，并結(jié)合當(dāng)前故障現(xiàn)象，首先排除散熱風(fēng)機(jī)交流380 V供電問題，然后崗位人員對(duì)3#、4#散熱風(fēng)機(jī)工作性能進(jìn)行檢查。通過測(cè)量散熱風(fēng)機(jī)電樞阻值，測(cè)得3#散熱風(fēng)機(jī)電樞阻值為56.8 Ω，4#散熱風(fēng)機(jī)電樞阻值為57.1 Ω（散熱風(fēng)機(jī)電樞阻值正常值范圍為60 Ω）， 說明3#、4#散熱風(fēng)機(jī)性能良好。在故障復(fù)現(xiàn)過程中，崗位人員發(fā)現(xiàn)在對(duì)3#、4#任意一臺(tái)伺服電機(jī)加電時(shí)，散熱風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)的220 V交流接觸器（KM6）沒有吸合動(dòng)作，導(dǎo)致3#、4#散熱風(fēng)機(jī)供電電路為斷路狀態(tài)。3#、4#散熱風(fēng)機(jī)沒有電力供應(yīng)，故不能正常啟動(dòng)。崗位人員用外力使KM6強(qiáng)制吸合后，3#、4#散熱風(fēng)機(jī)可正常啟動(dòng)并正常工作。通過崗位人員的故障商討，初步認(rèn)定為KM6性能損壞，因而不能向PLC反饋有效信號(hào)。組織對(duì)KM6進(jìn)行備件更換，更換后3#、4#散熱風(fēng)機(jī)依舊不能隨伺服電機(jī)的加電而啟動(dòng)。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(fēng)機(jī)的啟動(dòng)過程進(jìn)行試驗(yàn)比對(duì)，結(jié)合PLC指示燈的指示狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，3#、4#任意一臺(tái)伺服電機(jī)加電時(shí)，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(shí)間工作造成內(nèi)部程序錯(cuò)亂導(dǎo)致的[3]。因?yàn)閸徫徊痪邆鋵?duì)PLC內(nèi)部程序檢查的條件，所以只能通過對(duì)PLC進(jìn)行斷電重啟和備件更換來排查故障原因。分別對(duì)PLC進(jìn)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(fēng)機(jī)的邏輯控制程序網(wǎng)絡(luò)，如圖5所示。

圖5 散熱風(fēng)機(jī)的邏輯控制程序網(wǎng)絡(luò)

分析PLC程序網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)，PLC對(duì)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(cè)量與監(jiān)控繼電器（QM1、QM2）送出的。結(jié)合散熱風(fēng)機(jī)電路連接圖檢查QM2反饋信號(hào)的有效性發(fā)現(xiàn)，QM2沒有送出380 V供電輸出的反饋信號(hào)，意味著QM2對(duì)PLC沒有進(jìn)行有效的交流和380 V供電信息反饋，使得控制散熱風(fēng)機(jī)工作的鏈路沒有實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋，PLC不能對(duì)控制散熱風(fēng)機(jī)加電的繼電器（KM6）發(fā)出吸合指令。隨即對(duì)QM2進(jìn)行備件更換，3#、4#散熱風(fēng)機(jī)恢復(fù)正常啟動(dòng)。測(cè)量與監(jiān)控繼電器接線圖，如圖6所示。

圖6 測(cè)量與監(jiān)控繼電器接線圖

4 分析與改進(jìn)

測(cè)控設(shè)備精密程度高，集成度高。為保護(hù)設(shè)備安全并實(shí)現(xiàn)設(shè)備操控的智能化，伺服驅(qū)動(dòng)設(shè)備采用安裝保護(hù)器件與設(shè)置PLC程序相結(jié)合的方法，在供電線路上設(shè)置保險(xiǎn)絲和空氣開關(guān)的基礎(chǔ)上，安裝了測(cè)量與監(jiān)控繼電器，增加了相序保護(hù)功能，可保證電站供電相序與設(shè)備接線相序不一致時(shí)或是電站供電異常時(shí)的設(shè)備安全[4]。

根據(jù)該型測(cè)控天線指標(biāo)設(shè)計(jì)要求，天線方位系統(tǒng)采用4臺(tái)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在設(shè)備電路設(shè)計(jì)過程中，天線方位系統(tǒng)的電路上安裝了2臺(tái)測(cè)量與監(jiān)控繼電器。在設(shè)備的實(shí)際使用過程中發(fā)現(xiàn)，這種設(shè)計(jì)既存在過度保護(hù)和占用內(nèi)部器件空間的問題，又增加了單點(diǎn)失效環(huán)節(jié)，對(duì)提升設(shè)備穩(wěn)定性能意義不大。崗位人員分析散熱風(fēng)機(jī)電路連接圖并結(jié)合設(shè)備操作實(shí)際發(fā)現(xiàn)，可以優(yōu)化散熱風(fēng)機(jī)的控制電路，并通過調(diào)整保護(hù)器件的安裝位置，減少保護(hù)器件的安裝數(shù)量。

通過圖7與圖8的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，散熱風(fēng)機(jī)控制電路調(diào)整后，一臺(tái)測(cè)量與監(jiān)控繼電器對(duì)兩組散熱風(fēng)機(jī)的供電同時(shí)進(jìn)行監(jiān)控與保護(hù)，依然可以對(duì)設(shè)備器件起到保護(hù)作用，而且可以減少機(jī)柜內(nèi)部電路布線和保護(hù)器件的使用數(shù)量，優(yōu)化設(shè)備內(nèi)部安裝空間，減少設(shè)備單點(diǎn)失效環(huán)節(jié)的同時(shí)降低設(shè)備安裝成本[5]。通過與設(shè)計(jì)人員的溝通，結(jié)合實(shí)際工作驗(yàn)證，散熱風(fēng)機(jī)保護(hù)電路的調(diào)整和PLC內(nèi)部程序的優(yōu)化不僅完全滿足設(shè)備實(shí)際使用要求，也符合設(shè)備的安全防護(hù)要求。

圖7 調(diào)整后的散熱風(fēng)機(jī)電路連接

圖8 調(diào)整后的散熱風(fēng)機(jī)邏輯控制程序

5 結(jié)語

通過對(duì)測(cè)控天線散熱風(fēng)機(jī)控制異常的故障案例進(jìn)行排查與原因分析、處置，進(jìn)一步梳理了設(shè)備內(nèi)部器件之間的層級(jí)關(guān)系與PLC內(nèi)部邏輯控制程序的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了設(shè)備電路設(shè)計(jì)可以優(yōu)化的空間，并進(jìn)行了實(shí)際改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)證明，散熱風(fēng)機(jī)控制電路的調(diào)整和PLC內(nèi)部程序的優(yōu)化并不影響設(shè)備電路的實(shí)際操控與保護(hù)，具有可行性。