隧道通风控制系统改造案例应用于高级工一体化教学探
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摘 要：本文以厦门某隧道通风控制系统改造为例，分析介绍了如何通过对原设计电路的修改，结合ABB软启动器的性能特点，实现对动力设备的有效控制。并把实际运行中的成功案例应用于预备技师阶段教学，从案例教学中使学生全面、深入地了解ABB PSS PSTB系列软启动器的使用方法、技术特点，并且达到工学一体的教学效果。
关键词：大功率射流风机 软启动器 高级工
目前，技工院校正在进行着一场史无前例的课程改革，以往是理论课在课堂里上，用实验验证理论课程内容，后来，采用理论实验一体。现在，进行一体化课程改革，做到工学一体，引进企业生产任务，提炼典型工作任务和代表性工作任务，充分体现了做中学、学中做的特点，深入了解学生的个体特性，因材施教。但在教学过程中，教师自己设计、自己改造的成功案例应用于教学中，能充分体现出新知识的应用，并积累成功经验。
一、隧道通风控制系统项目改造
1.选择软启动器
对厦门某隧道的运行维护，射流风机须连续进行。电动机的控制要求是平滑启动和停止，要有效降低启动电流，防止浪涌电流出现，并且不能降低电动机的启动转矩。软启动器可以降低电动机的启动电流，实现电动机平稳启动，是传统星-三角、自耦降压启动器的最佳换代产品。本项目采用ABB PSS PSTB系列软启动器。ABB PSS PSTB系列软启动器集成了软启动、软停车和节能等功能，控制三相晶闸管的导通角，按不同的控制要求调节电压，从而控制电动机。变频器主要调节电动机的速度，是通过改变电源频率，从而调节电源电压，实现电动机的调速功能。它有软启动器的降压启动功能，但构造和价格比软启动器昂贵。软启动器只改变启动电压而不改变电源频率，电动机启动完成后，软启动器会旁路退出运行。
2.启动方式的选择
射流风机属于电动机的扩展，用途不同。电动机在额定电压下启动，需要的电流为额定电流的4～7倍。射流风机需要频繁启动、停止，在启动过程中，强大的启动电流，会造成电网的线路电压波动，影响其他设备正常运行，而且对前端变压器产生较大冲击。因此，电动机启动方式的选择尤为重要。
厦门某隧道排风系统进出主隧道共有39台射流风机，一台功率30kW。传统电动机启动方式有Y/△降压启动、自耦变压器降压启动、串电阻降压启动。传统降压启动都是利用接触器等器件控制，降低启动电压，缺点是启动电压有跳变，不能实现电动机的平滑启动。在工业应用中，功率大于7.5kW的电动机，一般不采用直接启动方式。隧道的射流风机属于大功率电动机，启停会对电网造成较大冲击，因此选择软启动器作为射流风机的启动方式，可以实现电动机的平滑启动和停机。
软启动器是降低加载到电动机定子绕组上的电压来降低电动机的启动电流，在设定的启动时间内，经过调压装置调节电压，使电压连续平稳地上升，电动机转速也随之平稳上升，当电压升至额定电压时，电动机达到额定转速。此时，软启动器旁路，电动机实现完全启动，在额定电压下运行。
3.项目改造内容
厦门某隧道通车运行8年来，配电系统低压开关时常出现跳闸现象，甚至有时使高压开关跳闸。而重新上电恢复，照明系统、风机系统、水泵系统一切运行正常，没有发现故障问题所在点。
通过对大功率射流风机运行控制图的综合分析。射流风机一组三台，30kW/台，同时启动，启动电流大，造成线路压降过大，并影响其他设备运行，并对变压器造成一定损伤；射流风机的瞬时同时停止，形成电流涌流，冲击其他设备运行，同网络中的电脑主机时常会烧毁主机电源，给隧道正常运行带来诸多安全隐患。现用PLC和软启动器对这套设备进行改造，每组增加主电源开关和热继电器。用软启动器控制射流风机，软启动器引出信号去PLC。编写PLC程序控制软启动器的启动时间和停止时间。
软启动器设定电压提升时间：斜坡发生函数升压控制方式简单，没有电流闭环控制，而采用控制晶闸管导通角，启动时间设置在4s左右。设定停止时间电压下降速度，在本控制系统中，不允许电动机同时瞬时停机。为减少或防止电动机瞬时停机，实现电动机逐渐停机，即软停车，晶闸管得到PLC给定的停止指令后，逐渐减小导通角，按PLC给定的时间直至全关闭，时间设置为4s。部分电气原理图如图1所示。
一组三台射流风机在中控室可以直接远程控制，经常开启间隔时间短（2s内同时开启），单台一对一的控制。同时启动时电流大，容易使开关跳闸。同时关闭产生电流涌流，也使开关跳闸。每台射流风机在主程序中都是独立的启停，一组是三台，从PLC引出信号去触摸屏，在触摸屏中制作相关控制开关，可以在触摸屏中设置启停间断时间和对射流风机的控制。
通过上述分析，先对一组开关电箱控制回路进行改造，要求开启射流风机时在＂同一组供电电源＂的应每台间隔15s，关闭射流风机时每台间隔5s。在控制箱增加安装一个FX2n-48MR PLC确保控制射流风机启动与停止。远程控制是以组为单位，三菱FX2n-48MR PLC取远程控制的信号来完成启动与停止；就地控制线路不变；在Y001、Y002、Y003的輸出端接启动中间继电器，当某台射流风机故障检修时，拔起启动中间继电器，这样不会使故障检修射流风机控制电箱二次控制电路处于工作状态，两台可照常运行，并且加设置软停控制。编写部分程序如图2所示。
二、教学应用
1.传统教学案例的不足之处
首先，书本、杂志等传统案例是专家学者根据实际情况提炼出来的、具有一定模拟仿真的特性。我们应用于教学中，很容易脱离实际情况，或者说没有实际载体，知识点很抽象，学生很难理解。其次，书本上的案例，任课教师没有实际接触、应用或情景再现过，不能体会到该案例的真正技术重点和要点。调试设备时，平时编写的程序经仿真后认为非常完美；但到现场，经调试后发现有诸多问题，这才是技术的真正重点和难点，也恰恰是书本上案例的最大不足之处。
2.把自己做的项目案例转化成教学资源
负责项目改造的教师对隧道通风控制系统改造案例进行项目描述：改造前控制系统运行特点、能耗情况、故障频繁度、用到哪些技术；改造过程中应用了哪些新设备、新技术、新工艺、新材料，新设备的技术优势和特点，现阶段有哪些方面的应用；改造后控制系统运行情况、节能情况、故障率情况；本系统应用了哪些新技术、市场上目前该项技术的发展前沿和应用前景怎么样；在调试过程中遇到了哪些问题，这些问题是怎么解决的，解决问题的过程中查询了哪些资料。这些问题要逐一用表格、文字描述、记录清楚。
教师把该案例充分转化成教学资源。负责项目改造的教师提炼典型工作任务，通过三个维度（工作对象、工具材料设备与资料、工作要求）对典型工作任务进行描述，并提炼出代表性的工作任务，对代表性的工作任务进行描述，转换成教学课程，设置三维教学目标。学生能从该案例中充分学习项目改造、设备维修、新技术、新设备应用等知识，并可以充分调动学生的学习积极性，使学生在学中做、做中学，还可以让学生在学校正常学习过程中积累丰富的＂现场＂经验。
三、小结
软启动器应用与隧道射流风机的控制，极大地改善了电动机的启动性能，有效保障了设备的正常、连续运行。本控制系统经改造后，极大地降低了运行故障率，有效保障了隧道设备的全天候运行。随着科学技术的发展，软启动器会越来越得到广泛的应用。教师把项目改造中应用软启动器的知识充分转换成教学资源，必然能极大地促进教学改革，让学生能在有限的教学载体上学习更多有价值的知识和积累更丰富的＂现场＂经验。
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