西門子PLC在電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)上的應(yīng)用

1  引言
    電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用幾乎涵蓋了工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類生活的各個(gè)領(lǐng)域，在這些應(yīng)用領(lǐng)域中，電動(dòng)機(jī)常常運(yùn)行在惡劣的環(huán)境下，導(dǎo)致產(chǎn)生過流、短路、斷相、絕緣老化等事故。對(duì)于應(yīng)用于大型工業(yè)設(shè)備重要場(chǎng)合的高壓電動(dòng)機(jī)、大功率電動(dòng)機(jī)來說，一旦發(fā)生故障所造成的損失無法估量。
電動(dòng)機(jī)常見的故障可分為對(duì)稱故障和不對(duì)稱故障兩大類。對(duì)稱故障包括:過載、堵轉(zhuǎn)和三相短路等，這類故障對(duì)電動(dòng)機(jī)的損害主要是熱效應(yīng)，使繞組發(fā)熱甚至損壞，其主要特征是電流幅值發(fā)生顯著變化;不對(duì)稱故障包括:斷相、逆相、相間短路、匝間短路等，這類故障是電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中見的一類故障。不對(duì)稱故障對(duì)電動(dòng)機(jī)的損害不僅僅是引發(fā)發(fā)熱，更重要的是不對(duì)稱引起的負(fù)序效應(yīng)能造成電動(dòng)機(jī)的嚴(yán)重?fù)p壞。因而，對(duì)大型電動(dòng)機(jī)進(jìn)行綜合保護(hù)非常重要。

    2  基于PLC的電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)

    對(duì)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)可以分為以下幾類:
    在電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，為了保護(hù)電動(dòng)機(jī)，減輕故障的損壞程度，繼電保護(hù)裝置的快速性和可靠性十分重要。在單機(jī)容量日益增大的情況下，電機(jī)的額定電流可達(dá)數(shù)千甚至幾萬安，這就給電動(dòng)機(jī)的繼電保護(hù)提出了更高的要求。傳統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置已經(jīng)無法滿足要求，因此微機(jī)保護(hù)應(yīng)運(yùn)而生。 PLC是用來取代傳統(tǒng)的繼電器控制的，與之相比，PLC在性能上比繼電器控制邏輯優(yōu)異，特別是可靠性高、設(shè)計(jì)施工周期短、調(diào)試修改方便、而且體積小、功耗低、使用維護(hù)方便。因此，本文研究了基于可編程控制器（PLC）的電動(dòng)機(jī)綜合監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)的方法。

    3  系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

    3.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
    基于可編程控制器（PLC）的電動(dòng)機(jī)綜合監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    3.2 PLC機(jī)型選擇及擴(kuò)展
    選擇PLC機(jī)型應(yīng)考慮兩個(gè)問題:
    （1） PLC的容量應(yīng)為多大？
    （2） 選擇什么公司的PLC及外設(shè)。在本系統(tǒng)中，包含以下輸入輸出點(diǎn)，見附表,本系統(tǒng)共包括12路開關(guān)量，7路模擬量。

   SIMATIC S7-200系列PLC是由西門子公司生產(chǎn)的小型PLC，其特點(diǎn)是:SIMATIC S7-200系列PLC適用于各行各業(yè)，各種場(chǎng)合中的檢測(cè)，監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化，S7-200系列的強(qiáng)大功能使得其無論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能，因此S7-200系列具有的性能/價(jià)格比。
    S7-200 CPU 224集成14輸入/10輸出共24個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn),可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，擴(kuò)展至168路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn);13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間;6個(gè)獨(dú)立的30KHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20KHz高速脈沖輸出，具有PID控制器;1個(gè)RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力;I/O端子排可以很容易地整體拆卸，是具有較強(qiáng)控制能力的控制器。根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況，結(jié)合以上特點(diǎn)，SIMATIC S7-200 CPU 224可以作為本系統(tǒng)的主機(jī)。
    CPU224可擴(kuò)展7個(gè)模塊，而其本身具有14輸入/10輸出共24點(diǎn)數(shù)字量，因此已無須數(shù)字量擴(kuò)展模塊。但由于有7路模擬量輸入，故需選擇模擬量輸入模塊。S7-200系列提供了EM231，EM232，EM235等模擬量擴(kuò)展模塊。根據(jù)以上技術(shù)數(shù)據(jù)，選擇兩個(gè)EM231作為模擬量輸入模塊，這樣共可以擴(kuò)展4×2=8路模擬量輸入。

    4  系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    4.1 主程序
    程序開始，從輸入單元檢測(cè)輸入量，首先判斷KM是否閉合，如果閉合，說明電動(dòng)機(jī)已經(jīng)處于運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)無法按下啟動(dòng)按鈕，若KM未曾閉合，則說明電動(dòng)機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)，可以按啟動(dòng)按鈕。接著判斷啟動(dòng)按鈕是否按下，若是，則繼續(xù)下面的程序，若否，則重新檢測(cè)。如果按鈕已經(jīng)按下，則檢測(cè)電動(dòng)機(jī)是否啟動(dòng)，若是，則繼續(xù)下面的程序，若否，則轉(zhuǎn)入欠壓保護(hù)子程序，若是電動(dòng)機(jī)已經(jīng)啟動(dòng)，則判斷起動(dòng)是否成功，若是，則繼續(xù)下面的程序，若否，則轉(zhuǎn)入起動(dòng)保護(hù)。如果電動(dòng)機(jī)已經(jīng)正常起動(dòng)，則綠燈亮。接著判斷停止按鈕是否按下，若否，則繼續(xù)下面的程序，若是，則程序直接結(jié)束，開始下一次掃描。
    如果停止按鈕并未按下，即電動(dòng)機(jī)仍然在運(yùn)行中，則進(jìn)行運(yùn)行過程中的故障判斷，首先檢測(cè)是否發(fā)生短路故障，方法是:檢測(cè)三相電流，再判斷Imax是否大于整定值，若是則跳轉(zhuǎn)至保護(hù)動(dòng)作子程序段，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)短路保護(hù)，警報(bào)響，并且短路故障指示燈亮。若否，則繼續(xù)下面的程序。接著判斷是否發(fā)生斷相故障，方法是:檢測(cè)三相電流，判斷是否有某相電流為零，或者檢測(cè)Umn，判斷是否不為零，如果其中之一滿足，則跳轉(zhuǎn)至保護(hù)動(dòng)作子程序段，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)斷相保護(hù)，警報(bào)響，并且斷相故障指示燈亮。若否，則繼續(xù)下面的程序。接著判斷是否發(fā)生欠壓故障，方法參見欠壓保護(hù)子程序說明。接著判斷是否發(fā)生接地故障，方法是:檢測(cè) I0，若大于整定值則跳轉(zhuǎn)至保護(hù)動(dòng)作子程序段，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)接地保護(hù)，警報(bào)響，并且接地故障指示燈亮。接著判斷是否發(fā)生過負(fù)荷故障，方法是:檢測(cè)三相電流，若到達(dá)整定時(shí)限后，電流仍大于整定值，則跳轉(zhuǎn)至保護(hù)動(dòng)作子程序段，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過負(fù)荷保護(hù)，警報(bào)響，并且過負(fù)荷故障指示燈亮。若判斷未發(fā)生過負(fù)荷故障，則程序完成一次掃描，再次從條開始，進(jìn)行第二次掃描，所以結(jié)束是指一個(gè)循環(huán)的結(jié)束，并不是整個(gè)程序的結(jié)束。
    4.2 欠壓保護(hù)子程序
    在該程序段中，采集A相和C相的電壓量，求出其平均值，再與整定值相比較，若小于整定值，則跳轉(zhuǎn)至保護(hù)動(dòng)作子程序段，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)欠壓保護(hù)，警報(bào)響，并且欠壓故障指示燈亮。若未發(fā)生欠壓故障，則直接結(jié)束本次循環(huán)。
    4.3 起動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)保護(hù)子程序
    在該程序段中，采集三相電流量，若發(fā)現(xiàn)在起動(dòng)過程中，電流大于整定值，或在整定時(shí)間到達(dá)后，電流仍大于另一整定值，則跳轉(zhuǎn)至保護(hù)動(dòng)作子程序段，起動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)保護(hù)動(dòng)作，警報(bào)響，并且起動(dòng)故障指示燈亮。

    5  結(jié)束語

    通過本系統(tǒng)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)與運(yùn)行，得到如下結(jié)論:
    （1） 利用PLC進(jìn)行電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)硬件簡(jiǎn)單可靠。
    （2） 可以采用梯形圖語言進(jìn)行編程，簡(jiǎn)單易行。
    （3） 系統(tǒng)運(yùn)行可靠，便于檢修維護(hù)。
    （4） 由于采用集成綜合設(shè)計(jì)，系統(tǒng)體積小、功耗低、使用操作方便。