王海芹

安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定

摘要：本文介紹安科瑞電氣有限公司ARD智能電動(dòng)機控制器，在低壓電動(dòng)機控制、保護、測量、通訊等方面的新解決方案，供工程設計中參考。

關(guān)鍵詞：低壓電動(dòng)機 智能控制 保護測量 通訊 現場(chǎng)總線(xiàn)

一、概述：

    隨著(zhù)工業(yè)自動(dòng)化水平的提高及各行業(yè)電動(dòng)機應用的增多，單機容量的增大，這一數量龐大的電動(dòng)機，按電壓等級可分為10kV電動(dòng)機、6kV電動(dòng)機、380V電動(dòng)機，按重要性可分為1類(lèi)負荷、2類(lèi)負荷、3類(lèi)負荷，按容量可分為大型電動(dòng)機、中型電動(dòng)機、小型電動(dòng)機。

    單純的依賴(lài)DCS系統，或PLC控制系統，僅能完成對電動(dòng)機的基本控制功能，而其保護、測量、整定、故障記錄等功能還依賴(lài)大量的其他外圍設備來(lái)完成，隨著(zhù)微機通訊技術(shù)的發(fā)展，采用分散分布式的結構集中控制、保護、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。

    微機式智能保護設備可靠性、安全性在不斷的提高，其功能也更加完善，應用更加廣泛，以外的電氣公司相繼推出低壓電動(dòng)機綜合保護和控制設備為標志，一種全新的低壓馬達控制保護解決方案誕生，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(mén)子公司。ARD電動(dòng)機保護器是目前具有水平的馬達智能保護控制單元，在具有一定代表性。

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

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

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

    監視功能：三相運行電流顯示、電機起動(dòng)電流顯示。

    維護功能：起動(dòng)次數、運行時(shí)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現場(chǎng)總線(xiàn)、MODBUS現場(chǎng)總線(xiàn)?？蓪?shí)現“四遙”功能。

二、ARD系列電動(dòng)機保護器的突出勢

    ARD電動(dòng)機保護器，是比較有影響力的產(chǎn)品?，F在，電動(dòng)機饋線(xiàn)保護控制系統從設計、安裝、調試到投入運行，其周期越來(lái)越短，而對裝置的要求卻日益提高，這就要這個(gè)系統結構緊湊，智能化程度高，功能強大，使每臺電動(dòng)機均有佳的保護，并且接線(xiàn)盡量簡(jiǎn)單。ARD正是基于以上要求設計的。

    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(chē)等控制功能外，還能通過(guò)編程器，編程為就地操作或者遠程控制。使得傳統方案中復雜的二次接線(xiàn)，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(xiàn)成本。

    1.2保護功能更加完善，導致電動(dòng)機的過(guò)載原因很多，如負荷過(guò)載、相故障、轉子失速、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。ARD除具有過(guò)載、過(guò)流、欠流、漏電故障保護外，還可以實(shí)現三相電流不平衡，電機斷相保護、過(guò)熱保護和接地故障監視功能。通過(guò)編程器可對裝置參數進(jìn)行設定。取消了傳統功能單一結構復雜的熱繼電器、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(xiàn)纜等。

    1.3配合操作顯示模塊，具有電流、故障類(lèi)別、起動(dòng)電流、起動(dòng)時(shí)間、操作次數等顯示功能。ARD顯示模塊可進(jìn)行定值設置，性能測試，故障查詢(xún)等多種操作。通過(guò)串行接口，與現場(chǎng)總線(xiàn)系統的連接，實(shí)現通訊組網(wǎng)，總線(xiàn)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(gè)體積大約只有一個(gè)接觸器大小。

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

圖1 傳統方案

圖2 ARD馬達保護方案

三、的控制單元

    硬件線(xiàn)路有兩大部分，馬達控制器的核心部件為MCF51EM256，主要完成數據采集，數據處理及各種控制和保護功能；PROFIBUS-DP接口核心部件為VPC3和12C，SPC3為PROFIBUS-DP協(xié)議芯片，負責將主站送來(lái)的數據拆包，并將其送往12C，同時(shí)將12C傳來(lái)的數據打包，上傳給主站。12C是MCF51EM256和VPC3之間的橋梁，負責將MCF51EM256送來(lái)的數據傳給VPC3，同時(shí)將VPC3拆包后的數據下傳給MCF51EM256。馬達控制器和PROFIBUS-DP接口之間采用RS485串行接口交換數據（通訊協(xié)議滿(mǎn)足MODBUS），馬達控制器和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(jiǎn)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(kāi)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智能控制保護系統，所以它同其它的控制系統（如DCS系統）仍保持相對的獨立性，當上一級的控制系統或通訊系統發(fā)生故障，它可自動(dòng)切換到手動(dòng)模式，來(lái)控制負荷的停運或者繼續運行，而此時(shí)，該裝置所保護的電動(dòng)機連續運行的可能性大大加強。

    按照ARD所做的電動(dòng)機二次線(xiàn)，和傳統的二次線(xiàn)相比較，我們會(huì )發(fā)現，在滿(mǎn)足了各種條件的要求下，二次控制回路變得簡(jiǎn)潔，標準，使我們*的擺脫了原來(lái)大量落后的繼電器給我們帶來(lái)的困擾，一次設計也更加得心應手，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(lái)完成我們一些普通電動(dòng)機控制，大限度的減少程序輸入的工作量，減少出現錯誤的可能性，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計的工作量。

    裝置可對電動(dòng)機的接地故障進(jìn)行保護和連續監視，對于三線(xiàn)式接線(xiàn)的電動(dòng)機，可通過(guò)裝置內部的接地故障檢測裝置進(jìn)行，另外，還可以通過(guò)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(guò)對設定電流進(jìn)行比較，來(lái)實(shí)現電動(dòng)機失速保護。

五、新方案應用范例

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

    5.1單機操作應用

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

    a)直接起動(dòng)接線(xiàn)方式

圖4

     b)雙向起動(dòng)接線(xiàn)方式

     ARD輸出兩個(gè)觸點(diǎn)，通過(guò)控制兩個(gè)接觸器控制電機的正反轉，也可以選用光耦觸點(diǎn)輸入，實(shí)現遠距離控制

圖5

     c)星-三角起動(dòng)接線(xiàn)方式

     ARD輸出兩個(gè)觸點(diǎn)，通過(guò)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(xiàn)測控應用

    通過(guò)跟斷路器組合，實(shí)現“三遙”可監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(xiàn)組網(wǎng)MMC馬達控制中心

    MCC馬達控制中心是ARD能展示其勢的應用的地方，可以通過(guò)組網(wǎng)集中控制電機，通過(guò)串行接口，實(shí)現與現場(chǎng)總線(xiàn)系統的連接，可選用PROFIBUS或MODBUS協(xié)議，通過(guò)通訊組網(wǎng)，控制中心可以采集到每臺電機的當前運行參數，同時(shí)也可以通過(guò)上位機的組態(tài)軟件，對所有電機實(shí)現邏輯操作控制，實(shí)現工程師工作站，做到馬達控制中心的無(wú)人值守。

    ARD具有小巧的結構，對于100A以下的ARD馬達控制器可安裝于1/4的抽屜柜，820A以下的ARD可以安裝于1/2的抽屜柜，采用上述設備的具有可通訊功能的智能型低壓開(kāi)關(guān)柜，可將所有的控制保護，測量，通訊，功能集成在一個(gè)抽屜元內，使設計的整個(gè)控制系統相互之間的連線(xiàn)非常少，節省了控制級與現場(chǎng)之間的布線(xiàn)成本。

    抽屜式開(kāi)關(guān)柜朝緊湊型發(fā)展是必然的，ARD智能控制器在MCC控制中心的應用，使二次接線(xiàn)更加簡(jiǎn)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，由于電機的應用涉及到發(fā)電，化工，環(huán)保等多種工業(yè)場(chǎng)所，在這些場(chǎng)所ARD都能發(fā)揮其智能控制的勢。

    ARD可通過(guò)串行接口，實(shí)現與現場(chǎng)總線(xiàn)系統的連接，通過(guò)通訊組網(wǎng)，可實(shí)現“四遙”監控管理。

    總線(xiàn)系統結構分兩種分別如下圖：

    （1）系統結構圖：

圖8

圖9

    圖8結構可選MODBUS或PROFIBUS兩種協(xié)議進(jìn)行數據傳輸，ARD馬達控制器當選用MODBUS協(xié)議時(shí)，N多可為255個(gè)站，當選用PROFIBUS時(shí)，N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結構采用DP協(xié)議網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數據傳輸，由于采用網(wǎng)關(guān)，多可接127×32個(gè)從站。圖中主站根據需要可選工控電腦、PLC、HMI等，傳輸介質(zhì)根據工程需要可選：屏蔽雙絞線(xiàn)、光纖、無(wú)線(xiàn)傳輸或電力載波等。

    ARD可采用PROFIBUS或者成本低廉的MODBUS現場(chǎng)總線(xiàn)組網(wǎng)，在工業(yè)控制系統中，我們可以把就地ARD馬達控制保護器和上級DCS系統之間構成高性能的通訊，所有的控制命令，運行數據均可通過(guò)屏蔽雙絞線(xiàn)，玻璃纖維光纜傳輸，這樣我們在保證傳輸數據準確，迅速，傳輸距離遠的同時(shí)，可以大量的節省由當地至集控室的電纜。

六、ARD電動(dòng)機保護器選型

    ARD2F型號如下所示：

    1.ARD2F型號如下所示：

圖10 ARD2F型號說(shuō)明 

表1  額定電流

 表2 額定電流附加說(shuō)明

注：表2數據適用于AC400V，50Hz，1500轉/分的四極鼠籠式電動(dòng)機

表3 附加功能代碼

    注：1、帶有起動(dòng)控制時(shí)，保護器多提供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(kāi)，從而實(shí)現電動(dòng)機的不同起動(dòng)方式（如Y-?轉換起動(dòng)、正反轉控制，自耦降壓起動(dòng)等）；

       2、溫度保護的測量范圍：熱電阻100Ω～30kΩ；

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

 表4 顯示方式

七、結束語(yǔ)

    綜上所述，對于工業(yè)生產(chǎn)的低壓馬達控制保護系統，提供了一種嶄新的概念，通過(guò)ARD即可實(shí)現對電動(dòng)機*的保護和監控，也可實(shí)現其他動(dòng)力出現的“三遙”測控，而無(wú)需再另外安裝其他保護和控制設備。因此，使總投資成本下降，又大幅度提高電機控制的可靠性和自動(dòng)化水平，新型馬達控制保護方案的推廣運用是必然的趨勢。

參考文獻：

《ST500馬達智能控制器在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制中的應用》

《現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展及其在開(kāi)關(guān)柜中的應用》

《智能化低壓電控配電系統外對照》

《帶PROFIBUS-DP接口的智能馬達控制器》