王海芹

（安科瑞電氣股份有限公司，上海 嘉定  201801）

摘要：電動(dòng)機設備是水泥企業(yè)中應用廣泛的動(dòng)力裝置，而水泥生產(chǎn)企業(yè)屬于能耗高、污染大又需要設備連續不間斷工作的行業(yè)，電動(dòng)機作為水泥行業(yè)設備的動(dòng)力來(lái)源，其安全、穩定可靠的運轉對水泥行業(yè)的平穩生產(chǎn)起著(zhù)至關(guān)重要的作用，本文綜合介紹安科瑞ARD3智能型電動(dòng)機保護器在某水泥廠(chǎng)的實(shí)際應用，并闡述了ARD3智能型電動(dòng)機保護器產(chǎn)品的特點(diǎn)及其智能化保護、測量、控制和通訊等，供工程設計中參考。

關(guān)鍵詞：水泥行業(yè)、電動(dòng)機保護、智能化、通訊

一、 引言

     隨著(zhù)現代化水泥工業(yè)生產(chǎn)規模增大，生產(chǎn)設備也越來(lái)越大型化，因此所需用的拖動(dòng)電動(dòng)機的功率也越來(lái)越大。水泥廠(chǎng)生產(chǎn)工藝流程較復雜，可以總結水泥生產(chǎn)過(guò)程為生料制備（一磨）、熟料煅燒（一燒）、水泥粉磨（二磨）。因此，低壓電動(dòng)機作為水泥生產(chǎn)過(guò)程中常用的機組，數量多、種類(lèi)復雜，隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和工藝控制過(guò)程的不斷完善，尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)要求，迫切需要開(kāi)發(fā)和完善電動(dòng)機的控制和保護設備，實(shí)現對整個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程和大型機械的遙控、遙測、遙調、故障診斷以及集中控制等功能^[1]。

    水泥生產(chǎn)是一項較龐大的工程，生產(chǎn)流程的環(huán)境比較惡劣，粉塵污染嚴重，通風(fēng)條件差，工作場(chǎng)所溫度較高，而且需要設定大量的工作站點(diǎn)，包括原料控制站、破碎站、原料粉磨站、熟料庫控制站、水泥磨控制站、水泥包裝控制站等，然而在這些站點(diǎn)中使用了大量低壓電動(dòng)機來(lái)控制其他設備的運行，運用簡(jiǎn)單的電壓表、電流表、電能表和頻率表等受到通信功能不夠靈活、儀表功能單一等多種條件的約束，已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足電廠(chǎng)設備自動(dòng)化生產(chǎn)的要求。水泥行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的特點(diǎn)為長(cháng)周期運行，一旦開(kāi)機，在沒(méi)有特殊情況下，一般不會(huì )停機，現代化大型水泥企業(yè)年運轉率很高，這樣就有高質(zhì)量的、可靠的電氣設備保證其生產(chǎn)過(guò)程的連續不間斷性，一旦故障停機就會(huì )造成巨大的經(jīng)濟損失。特別是大型高壓電動(dòng)機，一般都拖動(dòng)球磨機、回轉窯、風(fēng)機等重載啟動(dòng)設備，對其制造質(zhì)量和使用要求都很高，正確的安裝、使用、維護、保養，才能保證長(cháng)周期的運轉，為企業(yè)創(chuàng )造更高的經(jīng)濟效益。而智能型電動(dòng)機保護器可實(shí)現重載起動(dòng)，實(shí)現對電動(dòng)機的溫度保護，還提供多種測控功能和控制模式，能夠滿(mǎn)足水泥生產(chǎn)過(guò)程對電機設備的保護、控制要求，不僅能提高電機設備的運行能力、延長(cháng)電機設備的使用壽命，而且能提高企業(yè)生產(chǎn)效率、節約能源。本文以ARD3智能型電動(dòng)機保護器在水泥生產(chǎn)中的實(shí)際應用進(jìn)行具體介紹。

二、水泥生產(chǎn)對保護器的功能要求

    水泥行業(yè)電機是大容量、高負荷連續運轉的設備，電動(dòng)機長(cháng)期承受多大負荷，就會(huì )使溫度上升過(guò)高而損壞絕緣，縮短電動(dòng)機的使用壽命，因此，對水泥生產(chǎn)過(guò)程中電機設備的可靠性、穩定性及功能要求非常高。在生產(chǎn)運行或設備檢修過(guò)程中，常見(jiàn)的電動(dòng)機故障可分為以下幾種：

   1、機械故障

   1）掃膛：由于軸承損壞、軸彎或者檢修人員裝配不當，導致定轉子產(chǎn)生摩擦；

   2）軸承損壞：由于軸承裝配不當、定/轉子鐵心軸向錯位或重新對轉軸機加工后精度不夠、電動(dòng)機本體運行溫升過(guò)高等；

   3）振動(dòng)：由于電動(dòng)機本身或傳動(dòng)裝置不良等。

   2、電氣故障

   1）缺相運行：電動(dòng)機發(fā)生堵轉時(shí)電流比正常工作的電流大得多。在此情況下，運行時(shí)間過(guò)長(cháng)或過(guò)于頻繁起動(dòng)，將會(huì )導致電動(dòng)機繞組燒毀；

   2）繞組短路或接地：匝間短路的大原因是電機溫度異常升高而導致的，而接地故障大多是由于繞組絕緣損壞；

   3）三相電流不平衡：由于電動(dòng)機外部電源電壓不平衡或內部繞組匝間短路或電動(dòng)機維修時(shí)線(xiàn)圈匝數錯誤或接線(xiàn)錯誤等。

   因此，對某水泥廠(chǎng)電機設備進(jìn)行有效的維護是很有必要的，對ARD3智能型電動(dòng)機保護器具體功能要求如下：

  （1）完善的電機保護功能

    保護器通過(guò)采集電路中的三相交流電流、三相交流電壓、剩余電流、PTC熱電阻阻值、電動(dòng)機電能等電力參數，以及電動(dòng)機運行過(guò)程中的各種運動(dòng)狀態(tài)等信號，經(jīng)保護器內部處理運算，從而實(shí)現對電動(dòng)機起動(dòng)超時(shí)、過(guò)載、阻塞、欠載、斷相、三相電流不平衡、剩余電流（接地/漏電）、溫度、外部故障、相序、過(guò)壓、欠壓、欠功率、過(guò)功率等綜合保護，進(jìn)而保證水泥廠(chǎng)生產(chǎn)工作的安全連續運行。

   （2）及時(shí)排除電動(dòng)機運行故障功能

    水泥生產(chǎn)現場(chǎng)電動(dòng)機運行過(guò)程中通過(guò)電動(dòng)機保護器對電機設備進(jìn)行檢測，當電動(dòng)機出現狀況時(shí)應及時(shí)發(fā)出報警信號，并記錄故障信息，方便維護人員查找故障原因并作出及時(shí)的處理，保證故障發(fā)生時(shí)電機設備動(dòng)作的可靠性和靈敏性。

   （3）對各設備進(jìn)行遠程監測功能

    水泥生產(chǎn)現場(chǎng)環(huán)境較惡劣，保護器不僅要提供電機設備的保護功能，而且要能夠過(guò)RS-485通訊接口，經(jīng)過(guò)Modbus-RTU/Profibus-DP通訊協(xié)議與上位機管理系統進(jìn)行通訊連接，實(shí)現實(shí)時(shí)監測電動(dòng)機的運行狀態(tài)以及運行過(guò)程中的電力參數，保證后臺操作人員能讀取、修改水泥成產(chǎn)現場(chǎng)電動(dòng)機保護器的各種整定參數并通過(guò)后臺人機界面實(shí)時(shí)觀(guān)察當前現場(chǎng)電動(dòng)機控制回路的工作狀態(tài)、供電電源質(zhì)量等，實(shí)現遠程監控。

三、典型工程應用案例

    在水泥行業(yè)工程應用中，由于水泥生產(chǎn)流程復雜，電動(dòng)機裝置數量較多，因此需要選用安科瑞ARD3智能型電動(dòng)機保護器來(lái)對工業(yè)現場(chǎng)電機設備進(jìn)行有效保護，既能使電動(dòng)機充分發(fā)揮其過(guò)載能力，又能提高電力拖動(dòng)系統的可靠性和生產(chǎn)過(guò)程的連續性。水泥廠(chǎng)采用保護器用于電機保護控制回路，取代熱繼電器等作為電動(dòng)機的過(guò)載保護和控制元件，而且利用的通訊技術(shù)，實(shí)現了水泥生產(chǎn)中電機設備控制的自動(dòng)化。通過(guò)將90L顯示模塊嵌入安裝在開(kāi)關(guān)抽屜的活動(dòng)面板內，來(lái)簡(jiǎn)化了水泥廠(chǎng)控制柜內接線(xiàn)，使得配電室內設備運行情況及故障狀態(tài)清晰可見(jiàn)，方便工程師隨時(shí)調整系統、設定參數和顯示、監控以及檢修維護。將ARD3保護器應用于某水泥廠(chǎng)生產(chǎn)線(xiàn)電機設備的控制回路中，實(shí)現了水泥廠(chǎng)對電機保護的要求：（見(jiàn)圖1 ARD3智能型電動(dòng)機保護器應用于某水泥廠(chǎng)電動(dòng)機設備控制回路接線(xiàn)圖）

   （1）過(guò)載保護功能

   ARD3智能型電動(dòng)機保護器通過(guò)讀取電流互感器檢測到的三相電流值，判斷電動(dòng)機出現過(guò)載運行后，實(shí)現了在設定的報警或脫扣（延時(shí)）時(shí)間內發(fā)出報警或脫扣信號。

   （2）堵轉保護功能

    水泥廠(chǎng)電動(dòng)機在起動(dòng)過(guò)程中，如果由于現場(chǎng)工作環(huán)境影響以及電機設備自身的原因造成電機出現堵轉現象，保護器能夠及時(shí)判斷出電動(dòng)機起動(dòng)發(fā)生此類(lèi)故障并及時(shí)作出相應處理。

   （3）三相不平衡保護功能

    斷相/不平衡故障運行時(shí)對電動(dòng)機的危害很大，當電動(dòng)機發(fā)生斷相或三相電流嚴重不平衡時(shí)，當不平衡率達到保護器設定值時(shí)，保護器按照設定的要求保護，發(fā)出停車(chē)或報警，確保電動(dòng)機的安全運行。

   （4）故障判斷及記錄功能

    當電動(dòng)機出現某種故障時(shí)，保護器切斷電動(dòng)機電源的同時(shí)處于保護狀態(tài)并保存故障類(lèi)型、時(shí)間及電機運行參數等信息，電機保護器通過(guò)識別與記憶電路對故障予以設別、記憶和指示，方便了檢修人員查出故障原因。故障排除后，按下顯示模塊上的復位按鈕即可復位保護器，故障指示燈消失，保證了電動(dòng)機能夠再次啟動(dòng)。

   （5）抗晃電功能

    在某水泥廠(chǎng)水泥生產(chǎn)過(guò)程中，在電網(wǎng)故障造成電壓瞬間較大幅度的波動(dòng)或者短時(shí)間斷電又恢復，可以使電動(dòng)機保護器重新起動(dòng)，保證電動(dòng)機的平穩運行。

   （6）在線(xiàn)監測功能

    控制室操作人員可通過(guò)保護器的通訊，在后臺人機界面上實(shí)現對水泥生產(chǎn)線(xiàn)上保護器的各種保護整定參數的讀取和設定，同時(shí)在線(xiàn)監測電機運行負載和供電電源質(zhì)量，并有效記錄各電機型號、運行方式和歷史維護記錄以及出現的故障信息，為水泥生產(chǎn)線(xiàn)的安全生產(chǎn)提供了可靠依據。

圖1  ARD3智能型電動(dòng)機保護器應用于某水泥廠(chǎng)電動(dòng)機設備控制回路接線(xiàn)圖

    水泥生產(chǎn)工藝流程較多，所以將保護器有效的應用于電動(dòng)機保護設備控制回路的同時(shí)要能夠滿(mǎn)足水泥廠(chǎng)的大型控制系統的要求。如圖2是某水泥廠(chǎng)控制系統的整體結構圖，現場(chǎng)由多個(gè)控制站點(diǎn)組成，通過(guò)標準RS-485通訊接口與PC機、接觸器、電動(dòng)機以及其他設備構成集中式控制系統，工程師通過(guò)監控計算機以及生產(chǎn)管理軟件完成對整個(gè)系統設備的數據采集、處理、顯示和監視功能，并在滿(mǎn)足權限和邏輯時(shí)，通過(guò)遠程控制軟件實(shí)現對現場(chǎng)相應的電機設備等的控制。由于現代水泥工廠(chǎng)采用的大型電機設備較多，大于110KW及以上的電機，均采用在主回路裝設電流互感器?？紤]到水泥生產(chǎn)工藝的不同和企業(yè)投入的資金，電動(dòng)機需要不同的起動(dòng)方式，ARD3智能型電動(dòng)機保護器提供靈活的聯(lián)鎖功能，實(shí)現直接啟動(dòng)、雙向啟動(dòng)、星/三角啟動(dòng)、自耦變壓器啟動(dòng)等，使大型設備的電機得到了有效保護和控制^[2]。

圖2 某水泥廠(chǎng)控制系統結構圖

    由圖3 所示為ARD3智能型電動(dòng)機保護器在水泥廠(chǎng)的實(shí)際工程應用，主要由服務(wù)器、各個(gè)控制站點(diǎn)、保護器和現場(chǎng)設備組成，服務(wù)器通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)采集現場(chǎng)各電機設備的運行工況，并為工程師站和操作員站提供服務(wù)，其中帶有Modbus總線(xiàn)的保護器通過(guò)通訊管理機接入監控網(wǎng)絡(luò )，Profibus總線(xiàn)直接接入服務(wù)器網(wǎng)絡(luò )，服務(wù)器與工程師站、操作員站通過(guò)交換機連接在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò )中。

圖3  ARD3智能型電動(dòng)機保護器工程應用

    系統功能：（1）各電動(dòng)機的工況顯示：三相交流電流、三相交流電壓、零序電流、功率、電動(dòng)機電能、接觸器狀態(tài)、保護器的各個(gè)報警信息等；（2）各電機保護整定數據的調整、修改和整定；（3）完善的數據存儲機制，可實(shí)時(shí)查看各電機設備的管理信息和報警信息、故障信息；（4）電能統計、電源供電質(zhì)量等；（5）故障未發(fā)生時(shí)提前報警。綜上所述，將保護器應用于水泥生產(chǎn)自動(dòng)控制系統中后方便了工程師對控制系統進(jìn)行維護、管理^[2]。

四、ARD3智能型電動(dòng)機保護器在某水泥行業(yè)運行效果

    水泥生產(chǎn)線(xiàn)上使用的電機設備使用的周期、壽命越長(cháng)，其為企業(yè)帶來(lái)的經(jīng)濟價(jià)值也就越高，因此對電動(dòng)機的保護也是相當重要。ARD3智能型電動(dòng)機保護器運用到水泥行業(yè)，給水泥的自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程帶來(lái)如下運行效果：

   （1）系統信息集中化

    水泥廠(chǎng)電氣設計除了用于一般供配電外，還要完成大量電機設備的拖動(dòng)控制設計。采用ARD3智能型電動(dòng)機保護器的通訊功能進(jìn)行組網(wǎng)后，用戶(hù)可以通過(guò)上位機讀取各個(gè)裝置節點(diǎn)的參數，如：電動(dòng)機三相交流電流、三相交流電壓、電動(dòng)機運行狀態(tài)、電動(dòng)機電能、電動(dòng)機運行故障信息等，工程師根據這些信息實(shí)現了對現場(chǎng)所有的電機設備的運行情況實(shí)時(shí)分析處理，不再需要現場(chǎng)每個(gè)裝置處配備一個(gè)工程師來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)監視，提高了整個(gè)控制系統的安全性、可靠性。保護器模擬量輸出4-20mA模擬量信號給控制系統，便于工程師集中控制。

    （2）智能化控制保護

    保護器直接串接于控制回路，電動(dòng)機出現過(guò)電流、斷相、超溫等故障時(shí)，將及時(shí)終止電動(dòng)機的運行，并對各種故障信息作出相應的指示。保護器能自動(dòng)識別手動(dòng)控制回路和自動(dòng)控制回路，對于自動(dòng)控制回路，能記憶自鎖，避免電動(dòng)機在故障狀態(tài)時(shí)重復起動(dòng)，加劇電動(dòng)機損壞。同時(shí)，水泥廠(chǎng)大型電機檢測元件采用穿芯式結構的電流互感器，與主電路形成*隔離，提高了自身的可靠性，又*解決了接線(xiàn)端子的發(fā)熱問(wèn)題，且互換性好^[3]。

    （3）故障記錄便于現場(chǎng)問(wèn)題分析

    電動(dòng)機工作在環(huán)境惡劣的水泥生產(chǎn)中，很容易出現故障，并且故障原因多樣化。采用ARD3智能型電動(dòng)機保護器，電動(dòng)機發(fā)生故障后，將備用電動(dòng)機及時(shí)投入而不影響運行機制，保護器強大的故障記錄功也為維護人員節省了大量的時(shí)間，提高了生產(chǎn)的效率及系統運行可靠性。

五 結束語(yǔ)

    隨著(zhù)電子技術(shù)及通訊技術(shù)的不斷發(fā)展。電動(dòng)機保護器也在朝著(zhù)多元化方向發(fā)展，電動(dòng)機保護器在水泥企業(yè)的應用也越來(lái)越廣泛，合理選擇電機設備的保護功能和保護方式，可提高設備運行的可靠性，能夠預防并杜絕電機燒毀，同時(shí)減少了因非計劃停車(chē)而造成的損失，降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本。

參考文獻：

[1]智能電網(wǎng)用戶(hù)端電力監控/電能管理/電器安全系統解決方案產(chǎn)品手冊.安科瑞電氣股份有限公司.2013.01

[2]楊建華,劉葳.電動(dòng)機保護器在水泥行業(yè)的應用.水泥技術(shù).2009(05)

[3]電動(dòng)機保護器的歷史及現狀.上海神引雙華電器有限公司