基于西門子PROFIBUS協(xié)議智能馬達(dá)

 控制中心在某氯化項(xiàng)目中的應(yīng)用

上海安科瑞電氣股份有限公司

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1、概述

馬達(dá)控制中心又稱電機(jī)控制中心或電動(dòng)機(jī)控制中心，英文名稱為MOTOR CONTROL CENTER，簡(jiǎn)稱MCC。智能 MCC將馬達(dá)過載、缺相、接地故障、失速、堵轉(zhuǎn)、欠載電流、馬達(dá)超溫、電流不平衡等故障通過內(nèi)置PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂浦行模≒LC）、監(jiān)控中心（PC機(jī)），并獲得簡(jiǎn)化的故障排除方法。智能化MCC已被廣泛用于冶金、紡織、輕工、石化、電力等廠礦企業(yè)以及交通運(yùn)輸和市政建設(shè)等行業(yè)。在某氯化鉀項(xiàng)目中，整個(gè)系統(tǒng)全部選用智能化MCC實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備的控制、監(jiān)測(cè)保護(hù)以及電力監(jiān)控等功能。

智能MCC 其特點(diǎn)是將傳統(tǒng)對(duì)單一的馬達(dá)進(jìn)行保護(hù)延伸到對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。并采用獨(dú)特的中央母線設(shè)計(jì)，內(nèi)嵌先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)總線PROFIBUS，器件上采用西門子的接觸器、交流變頻器、軟啟動(dòng)器和PLC，以及安科瑞 （Acrel）的ARD系列馬達(dá)保護(hù)器、ACR系列多功能網(wǎng)絡(luò)儀表、ACR系列諧波表等產(chǎn)品，構(gòu)成了結(jié)構(gòu)合理、占地面積小、包含各種先進(jìn)的自動(dòng)控制設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)總線控制的完整的自動(dòng)化系統(tǒng)控制裝置。

2、項(xiàng)目介紹

某氯化鉀項(xiàng)目，在原有年產(chǎn)30萬(wàn)噸的基礎(chǔ)上擴(kuò)大到年產(chǎn)100萬(wàn)噸的規(guī)模。把西門子自動(dòng)化系統(tǒng)產(chǎn)品的全方位應(yīng)用到該氯化鉀項(xiàng)目中，實(shí)現(xiàn)了從110KV供電向下的全部控制功能，系統(tǒng)中使用了上百套安科瑞（Acrel）的電力監(jiān)控儀表和ARD系列馬達(dá)保護(hù)器，以及西門子的變頻器和PLC（可編程序控制器），是西門子自動(dòng)化產(chǎn)品在中國(guó)的最典型應(yīng)用，并與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)一起組成了一個(gè)先進(jìn)的工廠自動(dòng)化系統(tǒng)。此系統(tǒng)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)通過使用了智能化MCC，實(shí)現(xiàn)了所有設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)控制與監(jiān)控，也是目前在中國(guó)地區(qū)內(nèi)使用羅克韋爾智能化MCC產(chǎn)品數(shù)量最多、規(guī)模最大的一個(gè)系統(tǒng)。

3、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

氯化鉀生產(chǎn)工藝整個(gè)過程包括原礦的采集、原礦的輸送和由原礦加工成產(chǎn)品幾部分。原礦的采集是通過多條水采機(jī)組在鹽田中不斷的采掘，并將采掘到的礦料輸送到岸上的泵站；原礦的輸送就是將由水采機(jī)組采集到的原礦通過多級(jí)泵站輸送，經(jīng)過數(shù)十公里輸送到加工廠；加工廠將源源不斷的原礦經(jīng)過過濾、結(jié)晶、并加入化學(xué)藥劑，經(jīng)過物理化學(xué)過程生產(chǎn)出成品氯化鉀。水采機(jī)組和加工廠兩部分的控制設(shè)備全部安裝在智能化MCC柜體內(nèi)。

3.1 水采機(jī)組系統(tǒng)

水采機(jī)組系統(tǒng)包括岸基站、六套水采船和六套活動(dòng)加壓站系統(tǒng)。岸基站為水采機(jī)組控制系統(tǒng)的中心，包括一臺(tái)操作員站、一臺(tái)工程師站和一套由SLC5/05組成的可編程序控制器系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對(duì)岸基站設(shè)備的控制；操作站、工程師站、可編程序控制器之間使用以太網(wǎng)并通過無(wú)線以太網(wǎng)電臺(tái)與六套水采船通信。六套水采船的控制系統(tǒng)完全一樣，每套水采船由6面MCC柜體組成。

上位機(jī)包括二臺(tái)前操作員站、二臺(tái)后操作員站；下位機(jī)由S7-300組成的可編程序控制器系統(tǒng)，占用MCC柜體的1個(gè)單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)水采船的控制；前后操作員站、可編程序控制器之間使用以太網(wǎng)并通過無(wú)線以太網(wǎng)電臺(tái)向上與岸基站通信，向下通過無(wú)線串行電臺(tái)與活動(dòng)加壓站通信。六臺(tái)活動(dòng)加壓站的控制系統(tǒng)也完全一樣，分別與六條水采船相對(duì)應(yīng)，每套活動(dòng)加壓站系統(tǒng)由4面MCC柜體組成。

活動(dòng)加壓站系統(tǒng)包括一個(gè)PanelView 550操作監(jiān)控站和一套由S7-300組成的可編程序控制器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)活動(dòng)加壓站的控制。

3.2 加工廠系統(tǒng)

加工廠系統(tǒng)按照工藝過程分成十個(gè)子控制系統(tǒng)，包括加工廠1-6號(hào)系統(tǒng)、冷結(jié)晶1號(hào)系統(tǒng)、冷結(jié)晶2號(hào)系統(tǒng)、干燥車間系統(tǒng)和包裝車間系統(tǒng)。加工廠中心控制室中配備了6臺(tái)操作員站和1臺(tái)工程師站，在上一級(jí)采用了以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，在下一級(jí)采用PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)。加工廠系統(tǒng)中每個(gè)子系統(tǒng)中MCC柜的配置與水采機(jī)組類似，不再介紹。

4、智能MCC配置

系統(tǒng)中所有智能化MCC柜進(jìn)線電源為交流380V，3相4線制，頻率50Hz,最大允許故障電流為50KA；每面柜配有水平電纜線槽和垂直電纜線槽(變頻柜除外)，使得電纜聯(lián)結(jié)及鋪設(shè)非常方便。通過PROFIBUS總線將西門子PLC、交流變頻器、軟啟動(dòng)器，以及安科瑞（Acrel）的智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器、ACR系列多功能網(wǎng)絡(luò)表、ACR系列諧波表等電力監(jiān)控單元連接起來，實(shí)現(xiàn)了PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線控制。本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的MCC主要包括以下幾個(gè)單元：

l 主進(jìn)線單元

主進(jìn)線單元分別為西門子斷路器,允許故障電流為50KA。配置電子脫扣單元。

l 計(jì)量單元

開關(guān)柜內(nèi)配置安科瑞（Acrel）新型ACR系列多功能網(wǎng)絡(luò)儀表、諧波表，可以同時(shí)檢測(cè)電壓、電流、有功、無(wú)功、電能、以及諧波等電參數(shù),通過內(nèi)置PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)接口, 可將以

上電氣參數(shù)通過現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS上傳至監(jiān)控中心。

l 饋電單元

所有饋電單元均為西門子斷路器，允許故障電流為65KA。

l 電機(jī)起動(dòng)單元
    柜內(nèi)所有起動(dòng)單元通斷控制元件均采用西門子斷路器，根據(jù)實(shí)際負(fù)荷及電機(jī)滿載電流選型配置。熱繼電器為MCS-E3電子式智能脫扣保護(hù)等級(jí),手動(dòng)復(fù)位。該熱繼電器直接配裝在接觸器上，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制和保護(hù)。E3過載繼電器有兩個(gè)4開關(guān)量輸入點(diǎn)，2個(gè)開關(guān)量輸出點(diǎn)，1個(gè)輸出觸點(diǎn)控制接觸器的控制線圈，由操作站通過內(nèi)置的PROFIBUS通訊協(xié)議發(fā)出控制指令；E3過載繼電器還具有可編程保護(hù)功能(報(bào)警,跳閘,延時(shí),禁止視窗)，可以保護(hù)電機(jī)因過載、失相/相間不平衡、堵轉(zhuǎn)(起動(dòng)/運(yùn)行)、接地等而引起的故障。

l 變頻器單元
    在活動(dòng)加壓站內(nèi)配置了1 臺(tái)132KW 西門子變頻器；1臺(tái)600KW 西門子變頻器，在水采機(jī)內(nèi)配置了3 臺(tái)132KW 西門子變頻器；1臺(tái)西門子的450KW變頻器，進(jìn)線均采用刀熔開關(guān)，配PROFIBUS通訊模件,柜門安裝人機(jī)操作面板。所有變頻器既可以從操作面板進(jìn)行本地控制，也可在操作站通過PROFIBUS實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制；變頻器的運(yùn)行狀態(tài)也通過PROFIBUS顯示在操作站上。

l PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)
    MCC柜內(nèi)置PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)，通過PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)可以將所有控制參數(shù)反饋至操作站，并將控制指令下達(dá)給每個(gè)電機(jī)控制單元，使得整個(gè)MCC系統(tǒng)成為數(shù)字式控制MCC，減少了控制線的接線，對(duì)外除了動(dòng)力電纜, 不需要任何常規(guī)控制電纜，從而大大提高了系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

5、基于PROFIBUS協(xié)議智能MCC系統(tǒng)架構(gòu)

基于PROFIBUS協(xié)議MCC系統(tǒng)架構(gòu)圖

系統(tǒng)分為三層:現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、PLC數(shù)據(jù)處理層以及運(yùn)行監(jiān)控層。現(xiàn)場(chǎng)控制層由現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)智能儀表、遠(yuǎn)程I/O 和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成。在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層，通過PROFIBUS總線，集成具有通信功能的智能線路保護(hù)設(shè)備、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制設(shè)備以及ET200S數(shù)據(jù)采集與控制裝置等。如西門子的軟起動(dòng)器、變頻器，安科瑞的ACR系列多功能網(wǎng)絡(luò)儀表、ACR系列諧波儀表及ARD系列智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器等。

PLC數(shù)據(jù)處理層位于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層和運(yùn)行監(jiān)控中心層之間，主要完成上下層之間的網(wǎng)絡(luò)連接轉(zhuǎn)換和信息的處理交換。通過PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線，把采集的數(shù)據(jù)傳送到PLC數(shù)據(jù)處理層，對(duì)數(shù)據(jù)作規(guī)范化預(yù)處理，處理的數(shù)據(jù)與時(shí)標(biāo)相對(duì)應(yīng)，并可在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中儲(chǔ)存一周。PLC獲取和處理的數(shù)據(jù)有選擇性地上傳到控制中心，以便于集中監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)工況信息；同時(shí)，下達(dá)來自于控制中心的遙控和遙調(diào)信息給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的各類智能設(shè)備及儀表。通過組態(tài)編程，PLC能夠自動(dòng)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的智能設(shè)備。運(yùn)行監(jiān)控層由高速工業(yè)以太網(wǎng)以及連接在總線上的擔(dān)任監(jiān)控任務(wù)的工作站或顯示操作站、工程師站、PLC/DCS 控制器組成。

本系統(tǒng)中通過應(yīng)用智能MCC，實(shí)現(xiàn)了：

1）只將動(dòng)力電纜和一根PROFIBUS網(wǎng)線引入MCC柜中，無(wú)需控制電纜進(jìn)入MCC柜中，節(jié)省了大量PLC I/O模件；
    2）MCC抽屜單元控制回路簡(jiǎn)單標(biāo)準(zhǔn)，復(fù)雜的連鎖功能只需通過PLC編程實(shí)現(xiàn)；
    3）改變MCC抽屜單元模數(shù)或位置非常方便，只需將新抽屜的PROFIBUS網(wǎng)線插入垂直線槽內(nèi)PROFIBUS接口即可；
    4）相同容量及運(yùn)行方式MCC抽屜單元不存在特殊的控制回路，可以節(jié)省大量抽屜備件；
    5）現(xiàn)場(chǎng)施工任務(wù)簡(jiǎn)單化，減少了控制電纜敷設(shè)量及校對(duì)工作兩，大大降低了故障幾率。

6、PROFIBUS通訊電力儀表產(chǎn)品

基于PROFIBUS協(xié)議測(cè)量與控制裝置、功能—覽表

7、結(jié)論

本系統(tǒng)是應(yīng)用西門子自動(dòng)化產(chǎn)品與安科瑞智能化MCC產(chǎn)品相結(jié)合的成功典型，整個(gè)系統(tǒng)共使用了400多面智能MCC柜，全部采用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線完成了所有軟起動(dòng)器和變頻器等設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)控制保護(hù)及電力監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)合理、控制靈活、性能可靠、操作安全方便。

參考文獻(xiàn)

[1] 上海安科瑞電氣股份有限公司產(chǎn)品手冊(cè).2010.08版

[2] 西門子手冊(cè)