智能型電動機(jī)保護(hù)器及其組網(wǎng)應(yīng)用

言穆昀(中國市政工程華北設(shè)計研究總院，天津 300074)

0 引言

在現(xiàn)代化市政行業(yè)中，電動機(jī)是一切動力機(jī)械的基礎(chǔ)，隨著工藝控制的進(jìn)步和自動化程度的提高，迫切需要完善電動機(jī)的保護(hù)和控制功能，以實現(xiàn)對生產(chǎn)過程和機(jī)械設(shè)備的遙控、遙測、遙調(diào)及故障診斷等。同時，市政行業(yè)本身就是大通量、滿負(fù)荷連續(xù)運轉(zhuǎn)，對電動機(jī)設(shè)備的可靠性要求很高，一旦發(fā)生事故，必須馬上查找原因并及時消除，恢復(fù)生產(chǎn)。在以往的行業(yè)設(shè)計中一直采用斷路器、接觸器和熱繼電器完成電動機(jī)的短路和過載保護(hù)，通過中間繼電器的逐級搭接，輸出和接收PLC信號，以實現(xiàn)遠(yuǎn)方集中控制。這樣做，首先是設(shè)計接線繁雜，造成誤動作;其次是出線電纜多，造成敷設(shè)困難;三是受到熱繼電器等元件質(zhì)量的限制，常造成電動機(jī)燒毀，給企業(yè)增加了勞動強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)損失。故電動機(jī)的保護(hù)和控制在企業(yè)安全生產(chǎn)中起到舉足輕重的作用。

1 傳統(tǒng)的電動機(jī)保護(hù)及存在的問題

我國《通用用電設(shè)備配電設(shè)計規(guī)范》規(guī)定:“交流電動機(jī)應(yīng)裝設(shè)短路保護(hù)和接地故障保護(hù)，并應(yīng)根據(jù)具體情況分別裝設(shè)過載保護(hù)、斷相保護(hù)和低電壓保護(hù)”。對電動機(jī)短路保護(hù)一般采用熔斷器或斷路器瞬動過電流脫扣器。這種保護(hù)一旦動作，電動機(jī)將基本燒毀(定子線圈短路或接地)。對于“過載、斷相、低電壓”這種不正常的工作狀態(tài)，使用者可以靠保護(hù)電路自動切除或人工發(fā)現(xiàn)后手動切除。絕大多數(shù)電動機(jī)過載保護(hù)常采用熱繼電器或斷路器的長延時過電流脫扣器，其整定電流按電動機(jī)額定電流的1.05～1.2倍整定，并保證正常起動時不動作。對斷相保護(hù)一般采用熱繼電器。對低電壓保護(hù)，一般采用斷路器的低電壓脫扣器或起動器線圈?？梢?，在傳統(tǒng)的電動機(jī)保護(hù)中，熱繼電器是個關(guān)鍵性元件。

熱繼電器就是利用熱元件(兩種不同熱膨脹系數(shù)的金屬片)通過電流時產(chǎn)生熱量使雙金屬片彎曲，從而推動彈簧瞬跳機(jī)構(gòu)動作的過流繼電器，其整定電流是通過凸輪位置的改變，從而調(diào)整推桿的起始位置和彈簧的彈力來達(dá)到的。熱繼電器屬電流信號的間接保護(hù)，具有成本低等優(yōu)點，但是其本身也存在著對立面。例如:低倍過載反時限動作和極限過載應(yīng)及時動作與6倍過載定時限內(nèi)應(yīng)不動作的矛盾，以及斷相過載及時動作與三相不平衡應(yīng)穩(wěn)定的矛盾。同時，熱繼電器易受外部環(huán)境溫度影響，電流調(diào)整不方便，并且不精準(zhǔn)。因此，國家淘汰了落后的 JR0、JR9、JR14、JR15、JR16-A、B、C、D 等系列熱繼電器。

2 智能型電動機(jī)綜合保護(hù)器

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的高速發(fā)展，智能型電動機(jī)綜合保護(hù)器應(yīng)運而生。它采用16位工業(yè)級微處理器(CPU)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過采集三相交流電流、電壓、零序電流、熱電阻、4～20 mA模擬量和多路開關(guān)量等信號，經(jīng)軟件模擬熱積累過程，再按各種保護(hù)特性、測量數(shù)據(jù)、控制邏輯進(jìn)行智能化處理比較，從而達(dá)到保護(hù)、控制、測量于一體，通過組網(wǎng)還可以實現(xiàn)在線監(jiān)測。

(1)保護(hù)功能:它具有起動超時保護(hù)、過(輕)載保護(hù)、缺相或三相不平衡保護(hù)、過(欠)電壓保護(hù)、短路和堵轉(zhuǎn)保護(hù)、漏電保護(hù)(外接漏電電流互感器)和單相接地保護(hù)(三相電流矢量疊加計算得到中性電流)等十余項。特別是它的外部保護(hù)和漏電保護(hù)對市政行業(yè)中潛水電機(jī)的保護(hù)有著非?，F(xiàn)實的意義，它既保證了電動機(jī)設(shè)備的安全運行，又確保了員工的人身安全。

(2)控制功能:它可以滿足各種起動控制方式，如直接起動、雙向雙速起動、電阻降壓起動、星三角降壓起動、自耦變壓器降壓起動等。具有多路開關(guān)量輸入(出)，可以就地方便地進(jìn)行操作、調(diào)試等工作，還可以通過RS-485通信接口實現(xiàn)計算機(jī)后臺監(jiān)控管理中的“遙信”和“遙控”功能，對電動機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程起、?？刂?。

(3)測量功能:它可以對該電機(jī)回路的電流和電壓進(jìn)行交流采樣，具體可以測量回路中的三相電流、電壓、功率、功率因數(shù)、頻率等電力參數(shù)，通過顯示模塊就地顯示，并可以通過RS-485通信接口實時傳輸?shù)接嬎銠C(jī)后臺監(jiān)控管理系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)“遙測”功能。

(4)在線監(jiān)測功能:它具有通信模塊，可方便地接入現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中，這樣控制室操作人員在后臺微機(jī)上就可以完成所有保護(hù)器的各種保護(hù)整定數(shù)據(jù)的調(diào)閱、修改和整定。同時，在線監(jiān)測電機(jī)的運行負(fù)載和供電電源的質(zhì)量，為及早發(fā)現(xiàn)過載和接地故障等創(chuàng)造了條件。此外，后臺微機(jī)強(qiáng)大的信息管理功能，可有效記錄各臺電動機(jī)的型號、運行方式和歷史維護(hù)記錄，為保證工藝系統(tǒng)的安全生產(chǎn)、減少事故停車提供了可靠依據(jù)。

(5)保護(hù)邏輯框圖如圖1所示。

圖1 保護(hù)邏輯框圖

3 智能型電動機(jī)保護(hù)器的組網(wǎng)應(yīng)用

3.1組網(wǎng)

作為電動機(jī)綜合保護(hù)器個體設(shè)備，實現(xiàn)就地保護(hù)是其基本功能，但從工廠低壓電力系統(tǒng)自動化層面來看，其智能通信方面的功能也特別重要。

以前電動機(jī)的電氣參數(shù)(I、U、P等)是通過變送器送至DCS模擬量采集板的，而電動機(jī)的狀態(tài)參數(shù)(故障、運行等)是通過硬接線方式接入到DCS的開關(guān)量采集板的，就控制而言，則是由DCS的開關(guān)量輸出板卡接至電氣設(shè)備的開關(guān)控制回路中。由于工廠電動機(jī)多，如果每臺設(shè)備的模擬量和信號量都是靠硬接線方式輸入/輸出，必定造成系統(tǒng)成本高，設(shè)計、施工復(fù)雜，日常維護(hù)困難等。

因此，換個角度來看問題，將電動機(jī)保護(hù)器納入工廠低壓電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)，構(gòu)成DCS系統(tǒng)的一個獨立子系統(tǒng):利用電動機(jī)保護(hù)器的RS-485通信接口，采用低速的485/Modbus網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)通信管理機(jī)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)高速網(wǎng)絡(luò)傳輸。

(1)間隔層:電動機(jī)保護(hù)器把模擬量、開關(guān)量數(shù)字化，實現(xiàn)測量、控制功能，并能上行發(fā)送測量和其他信息，接收命令下傳信息。

(2)前置層:網(wǎng)絡(luò)通信控制器也稱“通信管理機(jī)”、“DPU”或“網(wǎng)關(guān)”，標(biāo)準(zhǔn)的通信接口規(guī)約，采集各個測控單元的上傳信息，并下達(dá)控制命令，把數(shù)據(jù)匯總后再上傳至DCS系統(tǒng)。

(3)站端控制層:實現(xiàn)電氣設(shè)備的遙信、遙控、遙測和遙調(diào)功能，通過監(jiān)控組態(tài)軟件對設(shè)備運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控、電氣參數(shù)實時測量、事故異常報警、事故記錄和打印、各種圖表匯總等，同時還可以與上級系統(tǒng)通信。

3.2應(yīng)用

以丹東華通設(shè)備為例，說明組網(wǎng)在市政工程中的應(yīng)用。

包頭市北郊污水處理廠升級改擴(kuò)建工程:新建2座變電站，改造1座變電站，同時還有為工藝設(shè)備提供現(xiàn)場供配電和控制。

基于每個站點的監(jiān)控數(shù)據(jù)量相對較少的特點，設(shè)計成“分層分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)”，采用2000R+型網(wǎng)絡(luò)通信管理機(jī)，實現(xiàn)對智能儀表的集中管理，整理優(yōu)化后的數(shù)據(jù)通過光纖以太網(wǎng)絡(luò)上送至監(jiān)控中心。

(1)變電站:系統(tǒng)由安裝在抽屜柜內(nèi)的PDM系列電動機(jī)保護(hù)控制器50臺、智能儀表110臺、2000 R+型網(wǎng)絡(luò)通信管理機(jī)8臺和監(jiān)控主機(jī)組成?，F(xiàn)場層設(shè)備接口:RS-485，標(biāo)準(zhǔn)的Modbus通信規(guī)約;現(xiàn)場層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu):總線單網(wǎng)形式;現(xiàn)場層數(shù)據(jù)傳媒介質(zhì):屏蔽雙絞線;設(shè)計總線帶載標(biāo)準(zhǔn):每條總線20臺智能設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn);前置通信層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu):總線單網(wǎng)形式;前置通信層數(shù)據(jù)傳媒介質(zhì):4芯單膜光纖;與其他管理系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)形式:2000 R+型網(wǎng)絡(luò)通信管理機(jī)單獨RS-485接口共享;前端控制層管理形式:單機(jī)系統(tǒng)管理。

(2)生物池:生物池是污水處理廠的核心工段，長150 m，寬90 m。共有28臺水下推進(jìn)器分布安裝在池內(nèi)8個溝道內(nèi)，每臺水下推進(jìn)器由PDM系列電動機(jī)保護(hù)控制器(安裝在就地電控箱)控制，每14臺保護(hù)器和1臺2000 R+型網(wǎng)絡(luò)通信管理機(jī)通過屏蔽雙絞線組成一個子系統(tǒng)，共2組。管理機(jī)上行配置10/100 M工業(yè)以太網(wǎng)，將RAM中的數(shù)據(jù)信息送至 DCS系統(tǒng)，同時接收DCS對低壓電機(jī)的控制指令。

(3)該工程通過一年多的運營，始終保持和DCS系統(tǒng)(西門子)良好的上傳下達(dá)，實現(xiàn)了電機(jī)控制總線制。

4 結(jié)語

(1)智能電動機(jī)保護(hù)器替代傳統(tǒng)的熱繼電器是發(fā)展趨勢，并進(jìn)入普及階段。

(2)智能電動機(jī)保護(hù)器除保護(hù)功能外，還具有實現(xiàn)組網(wǎng)需求的網(wǎng)絡(luò)通信功能，并滿足可靠性及實用性的需求。

(3)工廠DCS組網(wǎng)技術(shù)由原始的硬接線方式向現(xiàn)場總線方式轉(zhuǎn)變。

(4)合理實現(xiàn)組網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備是網(wǎng)絡(luò)通信管理機(jī)，通過它可以很好地解決與DCS系統(tǒng)信息共享問題。

［1］董桁.發(fā)電廠電氣系統(tǒng)監(jiān)控納入DCS的應(yīng)用［J］.四川電力技術(shù)，2003(6):29-31.