摘要:本文介紹安科瑞電氣有限公司ARD智能電動機(jī)控制器,在低壓電動機(jī)控制、保護(hù)、測量、通訊等方面的解決方案,供工程設(shè)計中參考。
關(guān)鍵詞:低壓電動機(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)自動化水平的提高及各行業(yè)電動機(jī)應(yīng)用的增多,單機(jī)容量的增大,這一數(shù)量龐大的電動機(jī),按電壓等級可分為10kV電動機(jī)、6kV電動機(jī)、380V電動機(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機(jī)、中型電動機(jī)、小型電動機(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、雙向起動、星三角起動、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現(xiàn)斷路器的“三遙”測控。
保護(hù)功能具有:過載反時限(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、起動超時、欠壓等保護(hù)功能。
監(jiān)視功能:三相運行電流顯示、電機(jī)起動電流顯示。
維護(hù)功能:起動次數(shù)、運行時間、接觸器故障、歷史故障信息查看、報警信息顯示等功能。
通訊功能:具有RS485接口,可掛接PROFIBUS現(xiàn)場總線、MODBUS現(xiàn)場總線??蓪崿F(xiàn)“四遙”功能。
二、ARD系列電動機(jī)保護(hù)器的突出優(yōu)勢
ARD電動機(jī)保護(hù)器,是比較有影響力的產(chǎn)品?,F(xiàn)在,電動機(jī)饋線保護(hù)控制系統(tǒng)從設(shè)計、安裝、調(diào)試到投入運行,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)計的。
1.1ARD本身除具備正常的直接起動、雙向起動、星三角起動、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、起動超時,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、起動電流、起動時間、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,整個體積大約只有一個接觸器大小。
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機(jī)直接起動器,雙向起動器,星三角起動器,同時還可以作為變級開關(guān),電磁閥起動器。
由于該裝置實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,它可自動切換到手動模式,來控制負(fù)荷的停運或者繼續(xù)運行,而此時,該裝置所保護(hù)的電動機(jī)連續(xù)運行的可能性大大加強(qiáng)。
按照ARD所做的電動機(jī)二次線,和傳統(tǒng)的二次線相比較,我們會發(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)錯誤的可能性,縮短程序循環(huán)的時間,更好的保證可靠性,同時可以更大程度的減少我們二次設(shè)計的工作量。
裝置可對電動機(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,來實現(xiàn)電動機(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、運行參數(shù)查看。以很低的成本就能實現(xiàn)以上功能。其接線原理圖如下:
a)直接起動接線方式
圖4
b)雙向起動接線方式
ARD輸出兩個觸點,通過控制兩個接觸器控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn),也可以選用光耦觸點輸入,實現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制
圖5
c)星-三角起動接線方式
ARD輸出兩個觸點,通過時序控制三個接觸器,形成星三角起動方式,星三角起動的時序可整定。
圖6
d)出線測控應(yīng)用
通過跟斷路器組合,實現(xiàn)“三遙”可監(jiān)視三相電流和斷路器的分、合狀態(tài),同時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)前運行參數(shù),同時也可以通過上位機(jī)的組態(tài)軟件,對所有電機(jī)實現(xiàn)邏輯操作控制,實現(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,功能集成在一個抽屜元內(nèi),使設(shè)計的整個控制系統(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。同時提高了控制回路的可靠性和自動化水平。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,實現(xiàn)與現(xiàn)場總線系統(tǒng)的連接,通過通訊組網(wǎng),可實現(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,Nzui多可為255個站,當(dāng)選用PROFIBUS時,Nzui多可選用127個站,但每31個從站之間需加一個中繼。
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,可以大量的節(jié)省由當(dāng)?shù)刂良厥业碾娎|。
六、ARD電動機(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
保護(hù)器額定電流 | 變比設(shè)置 | 互感器一次側(cè)圈數(shù) | 適用電機(jī)范圍(kW) | 可整定電流范圍(A) |
1 | 支持 | 5圈 | 0.12-250 | 0.1-999 |
5 | 1圈 | 0.12-250 | 0.1-999 | |
1.6 | 不支持 | 1圈 | 0.12-0.55 | 0.4-1.6 |
6.3 | 1圈 | 0.75-2.2 | 1.6-6.3 | |
25 | 1圈 | 3-11 | 6.3-25 | |
100 | 1圈 | 15-45 | 25-100 | |
250 | 1圈 | 55-132 | 63-250 | |
800 | 1圈 | 160-250 | 250-800 |
表2 額定電流附加說明
電動機(jī)額定功率(kW) | 電動機(jī)額定電流(A) | 選配保護(hù)器額定電流 | 整定電流范圍(A) |
| 電動機(jī)額定 功率(kW) | 電動機(jī)額定 電流(A) | 選配保護(hù)器額定電流 | 整定電流范圍(A) |
0.12 | 0.42 | 1.6 | 0.40-1.6 | 30 | 57 | 100 | 25-100 | |
0.37 | 1 | 1.6 | 0.40-1.6 | 37 | 69 | 100 | 25-100 | |
0.55 | 1.5 | 1.6 | 0.40-1.6 | 45 | 81 | 100 | 25-100 | |
0.75 | 2 | 6.3 | 1.6-6.3 | 55 | 100 | 100 | 25-100 | |
1.1 | 2.5 | 6.3 | 1.6-6.3 | 75 | 135 | 250 | 63-250 | |
2.2 | 5 | 6.3 | 1.6-6.3 | 90 | 165 | 250 | 63-250 | |
3 | 6.5 | 25 | 6.3-25 | 110 | 200 | 250 | 63-250 | |
5.5 | 11 | 25 | 6.3-25 | 132 | 240 | 250 | 63-250 | |
7.5 | 14.8 | 25 | 6.3-25 | 160 | 285 | 800 | 250-800 | |
11 | 21 | 25 | 6.3-25 | 200 | 352 | 800 | 250-800 | |
15 | 28.5 | 100 | 25-100 | 220 | 388 | 800 | 250-800 | |
18.5 | 35 | 100 | 25-100 | 250 | 437 | 800 | 250-800 | |
22 | 42 | 100 | 25-100 | / | / | / | / |
注:表2數(shù)據(jù)適用于AC400V,50Hz,1500轉(zhuǎn)/分的四鼠籠式電動機(jī)
表3 附加功能代碼
附加功能 | 代號 | 附加功能 | 代號 | |
起動控制(包含K功能) | Q | 漏電保護(hù) | L | |
開關(guān)量輸入 | K | 4~20mA模擬量輸出 | M | |
溫度保護(hù) | T | 失壓重起(抗晃電) | SU | |
報警(可編程輸出) | J | SOE事件記錄 | SR | |
通訊接口 | Modbus_RTU | C | 電壓功能(相序、功率、功率因數(shù)) | U |
Profibus_DP | CP | |||
DeviceNet | CD | tE時間保護(hù) | tE |
注:1、帶有起動控制時,保護(hù)器zui多提供2個起動繼電器用于順序控制外部2個接觸器的閉合/斷開,從而實現(xiàn)電動機(jī)的不同起動方式(如Y-?轉(zhuǎn)換起動、正反轉(zhuǎn)控制,自耦降壓起動等);
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90FL顯示單元,作為調(diào)試使用。
表4 顯示方式
代號 | 規(guī)格 |
90FL | LCD液晶顯示模塊尺寸為90×70,開孔86×66(單位mm) |
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即可實現(xiàn)對電動機(jī)*的保護(hù)和監(jiān)控,也可實現(xiàn)其他動力出現(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化水平,新型馬達(dá)控制保護(hù)方案的推廣運用是必然的趨勢。
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》