ARD智能電動(dòng)機(jī)控制器在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中的應(yīng)用

摘要：本文介紹安科瑞電氣有限公司ARD智能電動(dòng)機(jī)控制器，在低壓電動(dòng)機(jī)控制、保護(hù)、測量、通訊等方面的解決方案，供工程設(shè)計(jì)中參考。

關(guān)鍵詞：低壓電動(dòng)機(jī) 智能控制 保護(hù)測量 通訊 現(xiàn)場總線

一、概述：

    隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的提高及各行業(yè)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用的增多，單機(jī)容量的增大，這一數(shù)量龐大的電動(dòng)機(jī)，按電壓等級可分為10kV電動(dòng)機(jī)、6kV電動(dòng)機(jī)、380V電動(dòng)機(jī)，按重要性可分為1類負(fù)荷、2類負(fù)荷、3類負(fù)荷，按容量可分為大型電動(dòng)機(jī)、中型電動(dòng)機(jī)、小型電動(dòng)機(jī)。

    單純的依賴DCS系統(tǒng)，或PLC控制系統(tǒng)，僅能完成對電動(dòng)機(jī)的基本控制功能，而其保護(hù)、測量、整定、故障記錄等功能還依賴大量的其他外圍設(shè)備來完成，隨著微機(jī)通訊技術(shù)的發(fā)展，采用分散分布式的結(jié)構(gòu)集中控制、保護(hù)、測量、通訊功能于一體的綜合自動(dòng)化裝置將是今后發(fā)展的方向。

    微機(jī)式智能保護(hù)設(shè)備可靠性、安全性在不斷的提高，其功能也更加完善，應(yīng)用更加廣泛，以國外的電氣公司相繼推出低壓電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)和控制設(shè)備為標(biāo)志，一種全新的低壓馬達(dá)控制保護(hù)解決方案誕生，比較有代表性的有：阿爾斯通公司、羅克韋爾公司、東芝公司、西門子公司。ARD電動(dòng)機(jī)保護(hù)器是目前具有水平的馬達(dá)智能保護(hù)控制單元，在具有一定代表性。

    ARD在電動(dòng)機(jī)控制中，取代了傳統(tǒng)方案中的許多繁雜的二次接線，僅需接觸器配合就可完成多種操作和大量的保護(hù)通訊功能。

    操作功能具有：直接起動(dòng)、雙向起動(dòng)、星三角起動(dòng)、停車等功能，可以編程就地操作或者設(shè)成遠(yuǎn)程控制，另外還可以通過編程器實(shí)現(xiàn)斷路器的“三遙”測控。

    保護(hù)功能具有：過載反時(shí)限（多種等級曲線可選）、過流、漏電接地、欠流、三相不平衡、熱保護(hù)、接觸器吸合狀態(tài)檢測、起動(dòng)超時(shí)、欠壓等保護(hù)功能。

    監(jiān)視功能：三相運(yùn)行電流顯示、電機(jī)起動(dòng)電流顯示。

    維護(hù)功能：起動(dòng)次數(shù)、運(yùn)行時(shí)間、接觸器故障、歷史故障信息查看、報(bào)警信息顯示等功能。

    通訊功能：具有RS485接口，可掛接PROFIBUS現(xiàn)場總線、MODBUS現(xiàn)場總線?？蓪?shí)現(xiàn)“四遙”功能。

二、ARD系列電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的突出優(yōu)勢

    ARD電動(dòng)機(jī)保護(hù)器，是比較有影響力的產(chǎn)品?，F(xiàn)在，電動(dòng)機(jī)饋線保護(hù)控制系統(tǒng)從設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試到投入運(yùn)行，其周期越來越短，而對裝置的要求卻日益提高，這就要這個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，智能化程度高，功能強(qiáng)大，使每臺電動(dòng)機(jī)均有*的保護(hù)，并且接線盡量簡單。ARD正是基于以上要求設(shè)計(jì)的。

    1.1ARD本身除具備正常的直接起動(dòng)、雙向起動(dòng)、星三角起動(dòng)、停車等控制功能外，還能通過編程器，編程為就地操作或者遠(yuǎn)程控制。使得傳統(tǒng)方案中復(fù)雜的二次接線，如：起、停邏輯電路，電氣互鎖邏輯電路，都可以取消，ARD的一切邏輯都由芯片完成，大大降低了接線成本。

    1.2保護(hù)功能更加完善，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的過載原因很多，如負(fù)荷過載、相故障、轉(zhuǎn)子失速、起動(dòng)超時(shí)，裝置針對以上故障都可以進(jìn)行正確判斷并且進(jìn)行保護(hù)。ARD除具有過載、過流、欠流、漏電故障保護(hù)外，還可以實(shí)現(xiàn)三相電流不平衡，電機(jī)斷相保護(hù)、過熱保護(hù)和接地故障監(jiān)視功能。通過編程器可對裝置參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。取消了傳統(tǒng)功能單一結(jié)構(gòu)復(fù)雜的熱繼電器、電流表、互感器、變送器、I/O模塊、大熔點(diǎn)的操作按鈕、以及二次繼電器和線纜等。

    1.3配合操作顯示模塊，具有電流、故障類別、起動(dòng)電流、起動(dòng)時(shí)間、操作次數(shù)等顯示功能。ARD顯示模塊可進(jìn)行定值設(shè)置，性能測試，故障查詢等多種操作。通過串行接口，與現(xiàn)場總線系統(tǒng)的連接，實(shí)現(xiàn)通訊組網(wǎng)，總線控制。

    1.4小巧的體積和靈活的安裝方式。ARD可配顯示模塊使用，也可以單獨(dú)使用，可以水平安裝，也可以豎直安裝，ARD的體積81.5×90×86，整個(gè)體積大約只有一個(gè)接觸器大小。

總之，ARD取代傳統(tǒng)的接線，既節(jié)約了元器件，使總投資成本下降，又大幅度提高電機(jī)控制的可靠性和自動(dòng)化水平。（見下圖1圖2傳統(tǒng)方案與ARD方案的比較）

圖1 傳統(tǒng)方案

圖2 ARD馬達(dá)保護(hù)方案

三、的控制單元

    硬件線路有兩大部分，馬達(dá)控制器的核心部件為MCF51EM256，主要完成數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理及各種控制和保護(hù)功能；PROFIBUS-DP接口核心部件為VPC3和12C，SPC3為PROFIBUS-DP協(xié)議芯片，負(fù)責(zé)將主站送來的數(shù)據(jù)拆包，并將其送往12C，同時(shí)將12C傳來的數(shù)據(jù)打包，上傳給主站。12C是MCF51EM256和VPC3之間的橋梁，負(fù)責(zé)將MCF51EM256送來的數(shù)據(jù)傳給VPC3，同時(shí)將VPC3拆包后的數(shù)據(jù)下傳給MCF51EM256。馬達(dá)控制器和PROFIBUS-DP接口之間采用RS485串行接口交換數(shù)據(jù)（通訊協(xié)議滿足MODBUS），馬達(dá)控制器和PROFIBUS-DP接口為兩塊相對獨(dú)立的模塊，如不需聯(lián)網(wǎng)，可以不選用此功能，這樣可以降低產(chǎn)品的成本。

圖3 ARD原理圖

四、簡便快捷的操作功能

    ARD具備非常廣泛的控制功能，它可以靈活的作為電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)器，雙向起動(dòng)器，星三角起動(dòng)器，同時(shí)還可以作為變級開關(guān)，電磁閥起動(dòng)器。

    由于該裝置實(shí)際上就是一套分散分布式的低壓馬達(dá)智能控制保護(hù)系統(tǒng)，所以它同其它的控制系統(tǒng)（如DCS系統(tǒng)）仍保持相對的獨(dú)立性，當(dāng)上一級的控制系統(tǒng)或通訊系統(tǒng)發(fā)生故障，它可自動(dòng)切換到手動(dòng)模式，來控制負(fù)荷的停運(yùn)或者繼續(xù)運(yùn)行，而此時(shí)，該裝置所保護(hù)的電動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行的可能性大大加強(qiáng)。

    按照ARD所做的電動(dòng)機(jī)二次線，和傳統(tǒng)的二次線相比較，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，在滿足了各種條件的要求下，二次控制回路變得簡潔，標(biāo)準(zhǔn)，使我們*的擺脫了原來大量落后的繼電器給我們帶來的困擾，一次設(shè)計(jì)也更加得心應(yīng)手，配合操作顯示模塊，完成各種測量，顯示，操作功能。

    ARD可以使用已定義好的控制功能和基本的連鎖要求，來完成我們一些普通電動(dòng)機(jī)控制，zui大限度的減少程序輸入的工作量，減少出現(xiàn)錯(cuò)誤的可能性，縮短程序循環(huán)的時(shí)間，更好的保證可靠性，同時(shí)可以更大程度的減少我們二次設(shè)計(jì)的工作量。

    裝置可對電動(dòng)機(jī)的接地故障進(jìn)行保護(hù)和連續(xù)監(jiān)視，對于三線式接線的電動(dòng)機(jī)，可通過裝置內(nèi)部的接地故障檢測裝置進(jìn)行，另外，還可以通過連接一只外部矢量和電流互感器，的測出接地故障電流，通過對設(shè)定電流進(jìn)行比較，來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)失速保護(hù)。

五、新方案應(yīng)用范例

    ARD智能馬達(dá)控制器在應(yīng)用上很靈活，通訊和顯示模式都是可選的，但其基本操作保護(hù)功能不改變。

    5.1單機(jī)操作應(yīng)用

    在分散工作環(huán)境中，有大量單臺電機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中運(yùn)行，這些電機(jī)可不要通訊功能，僅需可靠的起、停、故障保護(hù)、故障分析、運(yùn)行參數(shù)查看。以很低的成本就能實(shí)現(xiàn)以上功能。其接線原理圖如下：

    a)直接起動(dòng)接線方式

圖4

     b)雙向起動(dòng)接線方式

     ARD輸出兩個(gè)觸點(diǎn)，通過控制兩個(gè)接觸器控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，也可以選用光耦觸點(diǎn)輸入，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制

圖5

     c)星-三角起動(dòng)接線方式

     ARD輸出兩個(gè)觸點(diǎn)，通過時(shí)序控制三個(gè)接觸器，形成星三角起動(dòng)方式，星三角起動(dòng)的時(shí)序可整定。

圖6

    d)出線測控應(yīng)用

    通過跟斷路器組合，實(shí)現(xiàn)“三遙”可監(jiān)視三相電流和斷路器的分、合狀態(tài)，同時(shí)可用電平方式和脈沖方式對斷路器進(jìn)行合、分操作。

圖7

    5.2總線組網(wǎng)MMC馬達(dá)控制中心

    MCC馬達(dá)控制中心是ARDzui能展示其優(yōu)勢的應(yīng)用的地方，可以通過組網(wǎng)集中控制電機(jī)，通過串行接口，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場總線系統(tǒng)的連接，可選用PROFIBUS或MODBUS協(xié)議，通過通訊組網(wǎng)，控制中心可以采集到每臺電機(jī)的當(dāng)前運(yùn)行參數(shù)，同時(shí)也可以通過上位機(jī)的組態(tài)軟件，對所有電機(jī)實(shí)現(xiàn)邏輯操作控制，實(shí)現(xiàn)工程師工作站，做到馬達(dá)控制中心的無人值守。

    ARD具有小巧的結(jié)構(gòu)，對于100A以下的ARD馬達(dá)控制器可安裝于1/4的抽屜柜，820A以下的ARD可以安裝于1/2的抽屜柜，采用上述設(shè)備的具有可通訊功能的智能型低壓開關(guān)柜，可將所有的控制保護(hù)，測量，通訊，功能集成在一個(gè)抽屜元內(nèi)，使設(shè)計(jì)的整個(gè)控制系統(tǒng)相互之間的連線非常少，節(jié)省了控制級與現(xiàn)場之間的布線成本。

    抽屜式開關(guān)柜朝緊湊型發(fā)展是必然的，ARD智能控制器在MCC控制中心的應(yīng)用，使二次接線更加簡捷，低廉。同時(shí)提高了控制回路的可靠性和自動(dòng)化水平。目前，由于電機(jī)的應(yīng)用涉及到發(fā)電，化工，環(huán)保等多種工業(yè)場所，在這些場所ARD都能發(fā)揮其智能控制的優(yōu)勢。

    ARD可通過串行接口，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場總線系統(tǒng)的連接，通過通訊組網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)“四遙”監(jiān)控管理。

    總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分兩種分別如下圖：

    （1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖：

圖8

圖9

    圖8結(jié)構(gòu)可選MODBUS或PROFIBUS兩種協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，ARD馬達(dá)控制器當(dāng)選用MODBUS協(xié)議時(shí)，Nzui多可為255個(gè)站，當(dāng)選用PROFIBUS時(shí)，Nzui多可選用127個(gè)站，但每31個(gè)從站之間需加一個(gè)中繼。

    圖9結(jié)構(gòu)采用DP協(xié)議網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由于采用網(wǎng)關(guān)，zui多可接127×32個(gè)從站。圖中主站根據(jù)需要可選工控電腦、PLC、HMI等，傳輸介質(zhì)根據(jù)工程需要可選：屏蔽雙絞線、光纖、無線傳輸或電力載波等。

    ARD可采用PROFIBUS或者成本低廉的MODBUS現(xiàn)場總線組網(wǎng)，在工業(yè)控制系統(tǒng)中，我們可以把就地ARD馬達(dá)控制保護(hù)器和上級DCS系統(tǒng)之間構(gòu)成高性能的通訊，所有的控制命令，運(yùn)行數(shù)據(jù)均可通過屏蔽雙絞線，玻璃纖維光纜傳輸，這樣我們在保證傳輸數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，迅速，傳輸距離遠(yuǎn)的同時(shí)，可以大量的節(jié)省由當(dāng)?shù)刂良厥业碾娎|。

六、ARD電動(dòng)機(jī)保護(hù)器選型

    ARD2F型號如下所示：

    1.ARD2F型號如下所示：

圖10 ARD2F型號說明 

表1  額定電流

 表2 額定電流附加說明

注：表2數(shù)據(jù)適用于AC400V，50Hz，1500轉(zhuǎn)/分的四鼠籠式電動(dòng)機(jī)

表3 附加功能代碼

    注：1、帶有起動(dòng)控制時(shí)，保護(hù)器zui多提供2個(gè)起動(dòng)繼電器用于順序控制外部2個(gè)接觸器的閉合/斷開，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的不同起動(dòng)方式（如Y-?轉(zhuǎn)換起動(dòng)、正反轉(zhuǎn)控制，自耦降壓起動(dòng)等）；

       2、溫度保護(hù)的測量范圍：熱電阻100Ω～30kΩ；

       3、對于無顯示要求的客戶，在一批訂單中訂購一個(gè)90FL顯示單元，作為調(diào)試使用。 

 表4 顯示方式

七、結(jié)束語

    綜上所述，對于工業(yè)生產(chǎn)的低壓馬達(dá)控制保護(hù)系統(tǒng)，提供了一種嶄新的概念，通過ARD即可實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)*的保護(hù)和監(jiān)控，也可實(shí)現(xiàn)其他動(dòng)力出現(xiàn)的“三遙”測控，而無需再另外安裝其他保護(hù)和控制設(shè)備。因此，使總投資成本下降，又大幅度提高電機(jī)控制的可靠性和自動(dòng)化水平，新型馬達(dá)控制保護(hù)方案的推廣運(yùn)用是必然的趨勢。

參考文獻(xiàn)：

《ST500馬達(dá)智能控制器在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中的應(yīng)用》

《現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展及其在開關(guān)柜中的應(yīng)用》

《智能化低壓電控配電系統(tǒng)外對照》

《帶PROFIBUS-DP接口的智能馬達(dá)控制器》