PLC在電動機綜合保護中的應用

分類：技術教程日期：2007-04-04 00:00:00

1 引言
電動機的應用幾乎涵蓋了工農業生產和人類生活的各個領域，在這些應用領域中，電動機常常運行在惡劣的環境下，導致產生過流、短路、斷相、絕緣老化等事故。對于應用于大型工業設備重要場合的高壓電動機、大功率電動機來說，一旦發生故障所造成的損失無法估量。
電動機常見的故障可分為對稱故障和不對稱故障兩大類。對稱故障包括:過載、堵轉和三相短路等，這類故障對電動機的損害主要是熱效應，使繞組發熱甚至損壞，其主要特征是電流幅值發生顯著變化;不對稱故障包括:斷相、逆相、相間短路、匝間短路等，這類故障是電動機運行中最常見的一類故障。不對稱故障對電動機的損害不僅僅是引發發熱，更重要的是不對稱引起的負序效應能造成電動機的嚴重損壞。因而，對大型電動機進行綜合保護非常重要。
2 基于PLC的電動機綜合保護
對電動機的保護可以分為以下幾類:
在電動機發生故障時，為了保護電動機，減輕故障的損壞程度，繼電保護裝置的快速性和可靠性十分重要。在單機容量日益增大的情況下，電機的額定電流可達數千甚至幾萬安，這就給電動機的繼電保護提出了更高的要求。傳統的繼電保護裝置已經無法滿足要求，因此微機保護應運而生。

PLC是用來取代傳統的繼電器控制的，與之相比，PLC在性能上比繼電器控制邏輯優異，特別是可靠性高、設計施工周期短、調試修改方便、而且體積小、功耗低、使用維護方便。因此，本文研究了基于可編程控制器(PLC)的電動機綜合監控和保護系統的方法。
3 系統硬件設計
3.1 系統的總體結構
基于可編程控制器(PLC)的電動機綜合監控和保護系統的總體結構如圖1所示。

3.2 PLC機型選擇及擴展
選擇PLC機型應考慮兩個問題:
(1) PLC的容量應為多大？
(2) 選擇什么公司的PLC及外設。在本系統中，包含以下輸入輸出點，見附表,本系統共包括12路開關量，7路模擬量。

SIMATIC S7-200系列PLC是由西門子公司生產的小型PLC，其特點是:SIMATIC S7-200系列PLC適用于各行各業，各種場合中的檢測，監測及控制的自動化，S7-200系列的強大功能使得其無論在獨立運行中，或相連成網絡皆能實現復雜控制功能，因此S7-200系列具有極高的性能/價格比。
S7-200 CPU 224集成14輸入/10輸出共24個數字量I/O點,可連接7個擴展模塊，最大擴展至168路數字量I/O點或35路模擬量I/O點;13K字節程序和數據存儲空間;6個獨立的30KHz高速計數器，2路獨立的20KHz高速脈沖輸出，具有PID控制器;1個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協議、MPI通訊協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，是具有較強控制能力的控制器。根據系統的實際情況，結合以上特點，SIMATIC S7-200 CPU 224完全可以作為本系統的主機。
CPU224可擴展7個模塊，而其本身具有14輸入/10輸出共24點數字量，因此已無須數字量擴展模塊。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等模擬量擴展模塊。根據以上技術數據，選擇兩個EM231作為模擬量輸入模塊，這樣共可以擴展4×2=8路模擬量輸入。
4 系統軟件設計
4.1 主程序
程序開始，從輸入單元檢測輸入量，首先判斷KM是否閉合，如果閉合，說明電動機已經處于運行狀態，此時應無法按下啟動按鈕，若KM未曾閉合，則說明電動機處于停機狀態，可以按啟動按鈕。接著判斷啟動按鈕是否按下，若是，則繼續下面的程序，若否，則重新檢測。如果按鈕已經按下，則檢測電動機是否啟動，若是，則繼續下面的程序，若否，則轉入欠壓保護子程序，若是電動機已經啟動，則判斷起動是否成功，若是，則繼續下面的程序，若否，則轉入起動保護。如果電動機已經正常起動，則綠燈亮。接著判斷停止按鈕是否按下，若否，則繼續下面的程序，若是，則程序直接結束，開始下一次掃描。
如果停止按鈕并未按下，即電動機仍然在運行中，則進行運行過程中的故障判斷，首先檢測是否發生短路故障，方法是:檢測三相電流，再判斷Imax是否大于整定值，若是則跳轉至保護動作子程序段，電動機起動短路保護，警報響，并且短路故障指示燈亮。若否，則繼續下面的程序。接著判斷是否發生斷相故障，方法是:檢測三相電流，判斷是否有某相電流為零，或者檢測Umn，判斷是否不為零，如果其中之一滿足，則跳轉至保護動作子程序段，電動機起動斷相保護，警報響，并且斷相故障指示燈亮。若否，則繼續下面的程序。接著判斷是否發生欠壓故障，方法參見欠壓保護子程序說明。接著判斷是否發生接地故障，方法是:檢測I0，若大于整定值則跳轉至保護動作子程序段，電動機起動接地保護，警報響，并且接地故障指示燈亮。接著判斷是否發生過負荷故障，方法是:檢測三相電流，若到達整定時限后，電流仍大于整定值，則跳轉至保護動作子程序段，電動機起動過負荷保護，警報響，并且過負荷故障指示燈亮。若判斷未發生過負荷故障，則程序完成一次掃描，再次從第一條開始，進行第二次掃描，所以結束是指一個循環的結束，并不是整個程序的結束。
4.2 欠壓保護子程序
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，則跳轉至保護動作子程序段，電動機起動欠壓保護，警報響，并且欠壓故障指示燈亮。若未發生欠壓故障，則直接結束本次循環。
4.3 起動時間過長保護子程序
在該程序段中，采集三相電流量，若發現在起動過程中，電流大于整定值，或在整定時間到達后，電流仍大于另一整定值，則跳轉至保護動作子程序段，起動時間過長保護動作，警報響，并且起動故障指示燈亮。
5 結束語
通過本系統設計、試驗與運行，得到如下結論:
(1) 利用PLC進行電動機綜合保護硬件簡單可靠。
(2) 可以采用梯形圖語言進行編程，簡單易行。
(3) 系統運行可靠，便于檢修維護。
(4) 由于采用集成綜合設計，系統體積小、功耗低、使用操作方便。