ARD智能電動機控制器在工業(yè)生產過程控制中的應用

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

關鍵詞：低壓電動機 智能控制 保護測量 通訊 現(xiàn)場總線

、概述：

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

    單純的依賴DCS系統(tǒng)，或PLC控制系統(tǒng)，僅能完成對電動機的基本控制功能，而其保護、測量、整定、故障記錄等功能還依賴大量的其他外圍設備來完成，隨著微機通訊技術的發(fā)展，采用分散分布式的結構集中控制、保護、測量、通訊功能于體的綜合自動化裝置將是今后發(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，其功能也加完善，應用加廣泛，以外的電氣公司相繼推出低壓電動機綜合保護和控制設備為標志，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、西門子公司。ARD電動機保護器是目內具有水平的馬達智能保護控制單元，在內具有定代表性。

    ARD在電動機控制中，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成遠程控制，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、接觸器吸合狀態(tài)檢測、起動超時、欠壓等保護功能。

    監(jiān)視功能：三相運行電流顯示、電機起動電流顯示。

    維護功能：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。可實現(xiàn)“四遙”功能。

二、ARD系列電動機保護器的突出勢

    ARD電動機保護器，是內比較有影響力的產品。現(xiàn)在，電動機饋線保護控制系統(tǒng)從設計、安裝、調試到投入運行，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)必須結構緊湊，智能化程度高，功能強大，使每臺電動機均有*的保護，并且接線盡量簡單。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、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程控制。使得傳統(tǒng)方案中復雜的二次接線，如：起、停邏輯電路，電氣互鎖邏輯電路，都可以取消，ARD的切邏輯都由芯片完成，大大降低了接線成本。

    1.2保護功能加完善，導致電動機的過載原因很多，如負荷過載、相故障、轉子失速、起動超時，裝置針對以上故障都可以進行正確判斷并且進行保護。ARD除具有過載、過流、欠流、漏電故障保護外，還可以實現(xiàn)三相電流不平衡，電機斷相保護、過熱保護和接地故障監(jiān)視功能。通過編程器可對裝置參數(shù)進行設定。取消了傳統(tǒng)功能單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顯示模塊可進行定值設置，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，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馬達保護方案

三、先進的控制單元

    硬件線路有兩大部分，馬達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，負責將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），馬達控制器和PROFIBUS-DP接口為兩塊相對獨立的模塊，如不需聯(lián)網，可以不選用此功能，這樣可以降低產品的成本。

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，電磁閥起動器。

    由于該裝置實際上就是套分散分布式的低壓馬達智能控制保護系統(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，當上級的控制系統(tǒng)或通訊系統(tǒng)發(fā)生故障，它可自動切換到手動模式，來控制負荷的停運或者繼續(xù)運行，而此時，該裝置所保護的電動機連續(xù)運行的可能性大大加強。

    按照ARD所做的電動機二次線，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，標準，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，次設計也加得心應手，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，來完成我們些普通電動機控制，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，好的保證可靠性，同時可以大程度的減少我們二次設計的工作量。

    裝置可對電動機的接地故障進行保護和連續(xù)監(jiān)視，對于三線式接線的電動機，可通過裝置內部的接地故障檢測裝置進行，另外，還可以通過連接只外部矢量和電流互感器，的測出接地故障電流，通過對設定電流進行比較，來實現(xiàn)電動機失速保護。

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(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的正反轉，也可以選用光耦觸點輸入，實現(xiàn)遠距離控制

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行合、分操作。

圖7

    5.2總線組網MMC馬達控制中心

    MCC馬達控制中心是ARDzui能展示其勢的應用的地方，可以通過組網集中控制電機，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，控制中心可以采集到每臺電機的當運行參數(shù)，同時也可以通過上位機的組態(tài)軟件，對所有電機實現(xiàn)邏輯操作控制，實現(xiàn)工程師工作站，做到馬達控制中心的無人值守。

    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關柜，可將所有的控制保護，測量，通訊，功能集成在個抽屜元內，使設計的整個控制系統(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，由于電機的應用涉及到發(fā)電，化工，環(huán)保等多種工業(yè)場所，在這些場所ARD都能發(fā)揮其智能控制的勢。

    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，可實現(xiàn)“四遙”監(jiān)控管理。

    總線系統(tǒng)結構分兩種分別如下圖：

    （1）系統(tǒng)結構圖：

圖8

圖9

    圖8結構可選MODBUS或PROFIBUS兩種協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，ARD馬達控制器當選用MODBUS協(xié)議時，Nzui多可為255個站，當選用PROFIBUS時，Nzui多可選用127個站，但每31個從站之間需加個中繼。

    圖9結構采用DP協(xié)議網關進行數(shù)據(jù)傳輸，由于采用網關，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，在工業(yè)控制系統(tǒng)中，我們可以把就地ARD馬達控制保護器和上級DCS系統(tǒng)之間構成高性能的通訊，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)準確，迅速，傳輸距離遠的同時，可以大量的節(jié)省由當?shù)刂良厥业碾娎|。

六、ARD電動機保護器選型

    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/分的四極鼠籠式電動機

表3 附加功能代碼

    注：1、帶有起動控制時，保護器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)電動機的不同起動方式（如Y-?轉換起動、正反轉控制，自耦降壓起動等）；

       2、溫度保護的測量范圍：熱電阻100Ω～30kΩ；

       3、對于無顯示要求的客戶，必須在批訂單中訂購個90FL顯示單元，作為調試使用。 

 表4 顯示方式

七、結束語

    綜上所述，對于工業(yè)生產的低壓馬達控制保護系統(tǒng)，提供了種嶄新的概念，通過ARD即可實現(xiàn)對電動機*的保護和監(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)生產過程控制中的應用》

《現(xiàn)場總線技術的發(fā)展及其在開關柜中的應用》

《智能化低壓電控配電系統(tǒng)內外對照》

《帶PROFIBUS-DP接口的智能馬達控制器》

作者簡介：趙娜，女，漢族，本科，工程師，主要研究方向為智能建筑供配電監(jiān)控系統(tǒng) 131 22003722，