内容摘要:可编程控制器是一种广泛应用于工业的新型控制器，具有结构简单，抗干扰性强，编程方便等特点。本次高压热变电阻软启动装置的补水系统改造，采用PLC自动控制技术取代了人为的手动补水，实现了对热变电阻装置水阻箱补水的自动化控制，从而提高了装置的工作稳定性和可靠性，而且还大大降低了我们的劳动强度，降低了设备故障率，保障了生产的安全稳定运行。
关键词：热变电阻软起动 水阻柜 PLC 三菱FX3u 全自动补水
一、高压热变电阻软起动装置介绍
(一）装置概述
高压热变电阻软起动装置（简称热变电阻）用于大中型高压鼠笼交流异步电动机或异步起动的高压同步电动机，作电阻降压起动之用。使用该装置起动的电机具有起动电流小且恒定、转矩逐步增加的软起动特性，起动过程中无电流冲击和机械冲击，起动时对电网影响小，无电磁干扰、是起动电抗器和自耦降压起动器的理想替代产品, 相对于大容量高压变频软起动而言，又具有明显的操作简单、免维护、无谐波污染等优势。
高压热变电阻软起动装置广泛用于电压等级3kV、6kV、10kV，功率范围250kW~45000kW甚至更大容量电机的降压软起动。
（二）工作原理
高压热变电阻软起动装置由具有负温度特性的三相平衡电阻组成。当该电阻通入电流时，电阻体温度逐步升高而电阻值逐步减小，从而使电机端电压逐步升高，起动转矩逐步增加，以实现电机平稳起动且降低起动电流的目的。
该装置可与高压软起动控制柜、隔离柜、切换柜、星点控制柜组成，成套供应，接入电机起动回路,具有起动电动机和完成电机起动过程中的保护的功能。
（三）高压热变电阻软起动装置具有以下基本性能特点：
1、恒电流，软起动：起动电流为电机额定运行电流的2.0～3.5倍,降低了电机起动发热，有效地延长电机使用寿命；
2、确保一次起动成功，不受电网电压波动和负载变动的影响；
3、起动平稳，对机械设备无冲击；
4、对电网影响小，起动时电网压降小；
5、起动时功率因数高；
6、无谐波污染；
7、静态变阻起动，安全可靠；
8、操作简单，免维护，低成本。
(1) 直接起动电流曲线
(2) 串热变电阻后起动电流曲线
（四）水电阻配制
每相水电阻柜电液箱需加入约5t水，故水电阻应在软起动柜安装完毕并补水后再进行配制，以免增加起动柜安装就位的难度。水电阻由软化水加适量的电液粉（即电解质，学名碳酸氢钠，即小苏打）配制而成。由于主风机与备用主风机电机功率不一样大，计算出的电阻值也不一样大，配制时按照大的计算阻值来进行配制。
按模拟试车的顺序起动，观察起动电流是否在规定的范围以内。若起动电流开始过大，说明电阻配小了，此时应降低电阻液浓度，方法是从水箱中抽出部分液体，同时加入等量的清水，搅匀后重新试车。若起动电流开始过小，接触器短接时又冲击过大，说明电阻配得过大了，应减小，此时应增加电阻液浓度，方法是抽出部分液体加入适量的电液粉，注意一次不要加得太多，充分溶解注入水箱，经过调节直到起动电流正常为止。
电阻值的计算：
应知电机定子额定电压U1e ，定子额定电流I1e，直接起动电流倍数Ki(参照电机随机资料或按6倍估算),目标起动电流倍数Kiˊ（参照表五 ）
计算电机起动阻抗 Z=U1e /(1.73*Ki*I1e) Ω
电机起动等效电阻 r=0.2*Z Ω
计算电机串热变电阻后回路总阻抗 Zˊ=U1e/(1.73*Kiˊ*I1e) Ω
电机串热变电阻后回路等效总电阻 rˊ2=Zˊ2 - x2 Ω
热变电阻计算值RQ=rˊ- r Ω
注：计算热变电阻的电阻值时，应考虑当时配制阻值的季节情况，夏季时，略小一些，冬季时，略大一些。
（五）电阻配置
根据计算阻值配电阻，边配液边测量，测量电流5~20A。
热变电阻阻值测量电路如下：
FU熔断器2A B调压器5KVA A交流电流表0.5级 V交流电压表
调节自耦调压器,使电流表指示为约5Ａ
热变电阻值R（Ω）＝V（V）／I（A）
注：测试之前确认调压器220V相线与零线不能接反。
加电解粉时，应先将电解粉用水充分溶解后缓慢注入水箱中，边加边测量，使其有充分溶解的时间（约半小时左右），防止过量。
例如：需配置2Ω电阻时，先将电压升至10V，加电解液时电流会上升，当电流升至2.5A-3A之间时，应停止加电解液，然后开始配另外两相；过大约半小时后,再每相检测一遍,直到电压为10V，电流为5A为止。
二、高压热变电阻软起动装置使用过程中存在的问题
根据多年来使用高压热变电阻软起动装置的经验，总结出以下几点使用过程中的问题及不便:
（一）因热变电阻软启动装置没有配备相应的保护系统，在投入运行、启动电动机的过程中不能保护和监控负载及系统的安全，只有简易的水阻液位、温度及隔离开关的报警功能，需要有专门的高压综合保护装置配套使用；
（二）因热变电阻软启动装置的热变电阻为软化水加适量的电液粉配置而成，其使用过程是由温度的变化来达到电阻调节电压的目的，所以此装置对环境温度有一定的要求，冬夏两季的温差变化会对设备的使用产生一定的影响；
（三）如果负载启停次数频繁，在负载启动过程中因电流热效应而是水阻液产生高温，会加剧水阻液的蒸发消耗，导致我们使用过程中需要对水箱实时的进行补水；
（四）在装置的连锁系统中，如果水阻液的温度、液位信号动作于负载的控制系统，会导致负载停车，造成不必要经济损失；或者因液位低，导致系统连锁，无法及时启动负载，影响了正常的生产工作。
三、改造思路
通过对高压热变电阻软起动装置的简单概述，我们了解到了其诸多的优点，而通过我们多年的使用经验，也总结出了该装置几点不足，我们根据实际进行了相应的解决处理：
（一）首先第一条不足我们通过配套上级高压开关柜及南瑞继保的相关综合保护装置，实现了对线路、负载的综合保护及监控；
（二）第二条不足通过对配电室加装空调来控制室内的环境温度，可以有效防止因环境因素对装置使用造成的影响；
（三）第三条不足则是我们在使用该装置多年来存在的最大或者说最不便的不足之处，因负载启动频次过多，造成水阻液的过快消耗，不仅加大了日常的工作量，而且因补水不及时，影响负载不能及时起动，甚至出现装置启动后水阻液因自然蒸发出现液位报警连锁停车，造成较大的经济损失。所以我们考虑对该装置水阻柜的补水进行PLC自动化改造，减少多余工作量，提高装置的运行稳定性。
在进行改造之前，我们需要自行设计安装一套补水用的管线阀组系统。
四、PLC（可编程控制器）介绍
（一）PLC与继电器控制系统的比较
首先，我们需要先选择用什么样改造方式，在PLC问世之前，继电器接触器控制在工业控制领域中占有主导地位。而继电器控制系统是采用固定接线的硬件实现控制逻辑。如果生产任务发生了变化，就必须重新设计，改变硬件结构，这样就造成了时间和资金的浪费。另外，大型控制系统用继电器接触器控制，使用的继电器数量较多，控制系统的体积大，耗电量多，而且继电器触点为机械式触点，工作频率较低，在频繁动作情况下寿命较短，造成系统故障、系统可靠性差。为了解决这一问题，美国数字设备公司（DEC）于1969年研制出了世界上第一台可编程控制器，并在GM公司汽车自动装配线上使用，随后，日本、德国等相继引入了这项技术，可编程控制器由此迅速发展起来。
80年代以来，随着大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，16位和32位的微处理器为核心的可编程控制器得到迅速发展。这时的PLC具有了高数计数、PID调节和数据通信功能，从而使PLC的应用范围不断扩大。
PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用和设计的，它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数运算等操作命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械和生产过程。
PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术，半导体集成技术，自动控制技术，数字技术和通信网络技术发展起来的一种通用工业自动化控制装置。该装置采用可编程控制的存储器存储用户指令，用软件编程实现特定的逻辑、顺序、定时、计数、运算和一些特殊的功能，具有通用性强、灵活性好、接线简单、可靠性高、抗干扰强等特点。
（二）PLC的基本组成及工作原理
目前，可编程控制器的产品很多，不同的厂家生产的PLC以及同一厂家生产的不同型号的PLC，其结构各有不同，但就其工作原理和基本组成而言是大致相同的。它们都是以微处理器为核心结构，其功能的实现不仅基于硬件的作用，更要靠软件的支持。实际上可编程控制器就是一种新型的工业控制计算机。PLC主要是由微处理器CPU、存储器、输入/输出模块、I/O接口、通信接口及其电源组成。PLC是一种存储程序用的控制器。用户某一对象的具体控制要求编写控制程序，用编程器将程序键入到PLC的用户程序存储器中寄存。PLC的控制功能就是通过运行用户程序来实现的，其工作方式分为输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段。
（三）三菱FX3u PLC
我们此次选择三菱FX3u-48M型PLC，由此PLC构成的补水装置相对灵活，多变，可根据热变电阻软启动装置的运行方式，通过编程完成各种复杂的逻辑和功能，最大限度的保障水箱液位。基于三菱FX3u-48M型PLC控制的补水系统，其可靠性高,操作方便,动作迅速,外部接线简单,不同的方案只需通过转换开关就能方便的选择相应的控制模式,从而提高装置的安全运行水平。
（二）设计要求：
1、当‘系统投入’旋钮置于off时，系统停止黄灯亮，此时系统处于停止状态；
2、当‘系统投入’旋钮置on，两台高压软启动电动机柜全部处于分闸状态，且热变电阻软启动装置的所有隔离开关全部分闸时，系统投入绿灯亮，此时系统处于热备状态；
3、高压热变电阻软启动装置在日常运行时，补水系统处于投入状态，三水箱任意水位限位器SQ：A2/B2/C2的限位（低水位）达到后，系统发出水位下限报警，PLC启动自吸泵M，同时启动三台柜顶的电动阀 F：a/b/c对三相水箱同时进行补水。补水过程中任意水位限位器SQ：A1/B1/C1的限位（高水位）达到后，PLC会立即关闭相应电磁阀 F：a/b/c；
4、当软启动装置的三相水箱全部达到水位上限后，PLC关闭所有补水阀 F：a/b/c的同时会控制水泵M停止运行，在3S的延时时间后，Fa/b/c三阀再次全部打开进行泄水泄压，防止自吸泵和阀门在关闭后管线内存在残留的积水，在温度过低时如果积水冻结会造成PPR管线破裂，而且还可以防止在水箱带电状态因阀门故障漏水产生的事故。20S的泄压泄水延时后，PLC控制补水电磁阀全部关闭，系统再次进入热备状态。
以上过程为自动补水系统的一个完整的工作步骤。
（三）程序及安装的特殊要求：
1、只有系统处于投入状态而且任何一相水箱达到水位上限的情况下管道排水功能才具备开启条件；
2、当任意一相水箱水位达到下限时，PLC会启动水位报警功能。在高压电机运行时，因此时补水系统无法投入工作，蜂鸣报警可通过复位按钮进行消音，但当两台高压电机停止时出现水位下限报警，此时消音功能失效，只有对水箱进行补水且下限位信号解除后PLC才会停止报警；
3、补水时当任意一相水箱水位达到上限极限时（补水上限限位器失灵），触发极限水位报警，此时系统紧急停止补水，复位按钮可复位报警蜂鸣器；
4、液位限位开关采用干簧管磁力感应开关，在浮子立柱上钻入铁质自攻丝配合使用；极限液位开关采用浮球式磁力感应开关，防止限位开关失灵后补水过多流出箱体，造成水阻变化或漏电事故。
六、结束语
可编程控制器是一种广泛应用于工业的新型控制器，具有结构简单，抗干扰性强，编程方便等特点。本次高压热变电阻软启动装置的补水系统改造，采用PLC自动控制技术取代了人为的手动补水，实现了对热变电阻装置水阻箱补水的自动化控制，从而提高了装置的工作稳定性和可靠性，而且还大大降低了我们的劳动强度，降低了设备故障率，保障了生产的安全稳定运行。
由于个人能力有限，其中还有许多的不足，一些比较高级的指令没有运用到。但是通过这次的毕业设计使我对PLC的使用和电气控制方面的知识又有了更加深刻的理解，并让我对程序设计和实际操作方面有了进一步的提高，为我在以后的相关工作中积累了更加丰富的经验。
参考文献:
1.《电气控制与可编程控制器应用技术》主编：郁汉琪
2.《三菱FX/Q系列PLC自学手册》主编：陈忠平
3.《PLC原理与运用》主编：李国厚
4.《HTR系列高压热变电阻软起动装置产品说明书》大力电工襄樊公司
5.《FX3u系列微型可编程控制器硬件手册》
工种及职业等级：维修电工高级技师
题 目：高压热变电阻软启动装置的PLC改造
姓 名：王萌
工作单位：利华益利津炼化有限公司
论文作者:王萌
论文发表刊物:《电力设备》2018年第14期
论文发表时间:2018/8/20
标签：电阻论文; 装置论文; 补水论文; 电流论文; 高压论文; 水箱论文; 系统论文; 《电力设备》2018年第14期论文;