低壓電機綜保在煉化裝置中的應(yīng)用

摘 要：隨著電氣自動化技術(shù)的發(fā)展，煉化企業(yè)對低壓電機的保護、控制、維護管理提出了新的要求。現(xiàn)主要針對低壓電機綜保的功能和故障案例進行探討，并探究提高自控設(shè)備可靠性的策略。

關(guān)鍵詞：低壓電機綜保;電氣自動化;現(xiàn)場總線;終端電阻

1? ? 低壓電機綜保的功能

電氣自動化具有強弱電、模/數(shù)、軟件與硬件相結(jié)合的特點，涉及電力、電子、過程控制、計算機、通信等多個專業(yè)，具有交叉學(xué)科的性質(zhì)，現(xiàn)在已經(jīng)成為生產(chǎn)運行的重要技術(shù)保障。電氣自動化控制設(shè)備的可靠性直接影響著自動化控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而電機綜保是目前電氣自動化中非常重要的電機保護裝置。

1.1? ? 低壓電機綜保概述

傳統(tǒng)的低壓電機保護，一般以熱元件為主，保護功能單一、精度差，而低壓電機綜保在功能上實現(xiàn)了大幅度的飛躍。低壓電機綜保采用微機對電動機的運行參數(shù)實施監(jiān)控，它可以對電動機提供過載、過熱、外部故障、堵轉(zhuǎn)、缺相不平衡、低電壓、過電壓、負(fù)序、欠載、接地等保護，并有測量、操作控制、自我診斷、運行、故障錄波、維修和診斷數(shù)據(jù)記錄功能，可配置現(xiàn)場總線與上位機（DCS等）組成整個自動化系統(tǒng)。

圖1為低壓電機綜保典型結(jié)構(gòu)圖。

1.2? ? 低壓電機綜保與傳統(tǒng)保護的區(qū)別

如表1所示，低壓電機綜保對于傳統(tǒng)保護來說有了質(zhì)的飛躍。

Mapping表是綜保數(shù)據(jù)與DCS數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)、交換的一個映射，類似一個翻譯的功能。采用通信方式后低壓綜?？梢詡鬏旊娏?功率這樣的模擬量信號，而且可根據(jù)需求按實際傳輸或百分比傳輸，也可以傳輸狀態(tài)、故障，或接收正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停車、鎖定等命令信號。這些數(shù)據(jù)可根據(jù)各企業(yè)需求而定制。

1.3? ? 電機綜保的部分功能介紹

1.3.1? ? 低電壓再啟動（抗晃電功能）

煉化裝置對設(shè)備的連續(xù)穩(wěn)定運行要求非常高，當(dāng)電網(wǎng)因雷擊、短路或其他原因而發(fā)生短時電壓波動時，電動機因此停車后，如何在短時間內(nèi)可靠地恢復(fù)生產(chǎn)運行是我們需要解決的問題。而這使用綜保功能都很容易實現(xiàn)，只要考慮綜?？刂齐娫吹姆€(wěn)定，在綜保里設(shè)置好相應(yīng)參數(shù)，裝置就能在電網(wǎng)波動電壓恢復(fù)到重啟動電壓定值以上時，根據(jù)失電時間確定立即重啟、延時重啟或不重啟。該功能對煉化企業(yè)具有重要意義，其能在晃電發(fā)生后的極短時間內(nèi)保證生產(chǎn)設(shè)備按優(yōu)先等級分批重啟，減輕事故后果。

1.3.2? ? 電機運行管理功能

利用報警菜單，可根據(jù)“設(shè)備位號” “時間”“變位信息” “故障類型（Alarm/Trip）”等字段對故障信息進行排序，為故障分析處理帶來極大的方便，尤其是在發(fā)生系統(tǒng)故障時，有利于找出初始故障點，為快速恢復(fù)生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

低壓電機綜保除電機保護控制功能外，還能為技術(shù)管理人員制定電機維護策略提供詳實的數(shù)據(jù)支持。電機綜?？梢蕴峁╇姍C的實時電流、熱容量、功率、累積運行時間、啟動次數(shù)等數(shù)據(jù)，同時可根據(jù)需求設(shè)定累積運行時間的提示告警，這些信息可以為用戶對電機進行維護管理提供詳實的歷史數(shù)據(jù)，以便制定具有針對性的維護策略，提高預(yù)防性維修的準(zhǔn)確性。另外，一些綜保還能對各測量值進行錄波，為故障判斷提供依據(jù)。

2? ? 常見故障分析

下面介紹一些典型事故案例，供大家參考。

2.1? ? 通信故障

如果采用通信控制的方式，那么必然要求通信穩(wěn)定性極高，通信中斷不僅會使上位系統(tǒng)無法采集到信息，還會出現(xiàn)失控的狀態(tài)。因此，在發(fā)生通信故障時如何迅速找到故障點成為亟待解決的問題。

經(jīng)驗判斷法：依賴運行維護人員的工作經(jīng)驗，通過一些典型故障現(xiàn)象，先初步判斷是單點的通信故障還是線路故障，然后逐一排查。一般來說，單一的設(shè)備故障大多為綜保本身的原因所致，用替換備件的方法來試驗。而線路上的故障，需要維護人員對網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常熟悉，知道每個分支、節(jié)點的作用，必要時也可借助一些診斷軟件查找故障點。

一般除因接觸不良、斷線引起的故障外，另一個需要重視的地方為線路中的終端電阻。Profibus網(wǎng)絡(luò)連接器已經(jīng)內(nèi)置了終端和偏置電阻，通過一個DIP開關(guān)接通或斷開。網(wǎng)絡(luò)終端的插頭其終端電阻開關(guān)必須放在“ON”的位置，中間站點的插頭其終端電阻開關(guān)應(yīng)放在“OFF”位置。

雖然每個DP插頭都配置有終端電阻，但當(dāng)最后一個節(jié)點因檢修隔離時，將引起網(wǎng)絡(luò)通信異?；驘o法通信。為了抑制RS485信號的反射和畸變，DIP開關(guān)需要置“ON”位，由DP插座上的6腳和5腳提供DC5 V工作電源使終端電阻起作用。當(dāng)終端站點停電時，將引起網(wǎng)絡(luò)通信異?；驘o法通信，所以末端終端電阻必須使用有源終端。如圖2所示，當(dāng)最后一個設(shè)備停電檢修時，回路中仍然有終端電阻存在，不會影響整個網(wǎng)絡(luò)的通信。

2.2? ? 固件升級帶來的影響

一些低壓微機綜保因?qū)＠Ｗo的因素，其底層一些邏輯功能是不開放的，外部用戶不能知悉其中的邏輯功能，則只能使用其上層開放的一些參數(shù)配置和典型的應(yīng)用方案。

案例一：某進口電機綜保功能強大，人機界面也非常友好，判斷故障查詢排序方便，但其內(nèi)部的邏輯功能是封閉的，用戶不僅不能二次開發(fā)，甚至對其邏輯功能也無法知悉。

案例二：某企業(yè)更換一批舊的綜保后，發(fā)現(xiàn)新的綜保在一些大功率電機上出現(xiàn)一啟動就報“接地跳車”的故障，而電機本身并沒有故障，換上舊的綜保后此故障就不再出現(xiàn)。因沒有其底層的數(shù)據(jù)，只能推測新版本的V2.4e的綜保是不是升級后更改了邏輯。發(fā)函詢問研發(fā)人員，果然得到其回復(fù)：在V2.4b版本后，接地、不平衡保護等在啟動階段就投入，造成大功率電機尤其是風(fēng)機類負(fù)載啟動時保護誤動。

解決辦法：經(jīng)廠家確認(rèn)，新的綜保重新刷入舊版的固件配置文件后，故障解除。在此也希望廠家研發(fā)人員在更新時注明更新的內(nèi)容，并告知用戶。

2.3? ? 直流接地

控制電源是綜保最脆弱的地方，一般多分支接地是因為多個電源點造成了正負(fù)電源接地問題。由于自動化系統(tǒng)中每個故障分支都會共享終端系統(tǒng)，所以多分支接地問題查找十分困難。如果出現(xiàn)了一條接地線路，其他支路點依然存在，此時需要對供電系統(tǒng)進行排查，處理十分繁瑣[1]。

案例：某低壓電機綜保采用DC24 V（±12 V浮地）控制電源，由直流屏集中供電。直流屏饋線支路眾多，當(dāng)發(fā)生某一回路正接地或負(fù)接地時，直流屏就會報警，運行及維護人員需在短時間內(nèi)查出故障點，否則當(dāng)發(fā)展到正負(fù)饋線都接地時，整個24 V系統(tǒng)將崩潰，系統(tǒng)中的低壓電機綜保都會跳閘。而目前的查找辦法還只停留在試?yán)芈飞?，需要工藝生產(chǎn)能配合切換負(fù)載才行。

3? ? 提高低壓電機綜?？煽啃缘牟呗?/p>

低壓電機綜保作為電氣自動化控制設(shè)備中重要的一環(huán)，受到各方面影響，又因其高度集成化、抗壓能力弱[2]，并且可能由于一個很小的故障導(dǎo)致設(shè)備停止運行，因此要想對其故障進行預(yù)防，不僅要考慮傳統(tǒng)繼保維護策略，還要考慮其外圍設(shè)施、附近的其他電氣設(shè)備等等，其中最首要的是在設(shè)計階段就要統(tǒng)籌考慮。

3.1? ? 控制電源的選擇

綜保的控制電源選擇集中供電方式還是獨立供電？

集中供電：此方式便于實現(xiàn)低電壓再啟動功能，不用對每個綜保進行單獨配置，利于型號圖紙統(tǒng)一。但對整個系統(tǒng)風(fēng)險較大，直流屏故障或者直流母線故障都會造成整個系統(tǒng)的崩潰，而且對于一些需要工作地的負(fù)載，用直流屏集中供電也不合適。

獨立供電：此方式單個綜保故障不會影響整個系統(tǒng)的運行，但如要實現(xiàn)低電壓再啟動功能，該綜保就需要安裝抗晃電模塊，比集中供電在電路設(shè)計上要稍復(fù)雜些，而且影響抽屜的互換性。雖然抗晃電模塊所能支撐的時間大約也就幾秒，但對短時的電網(wǎng)波動還是有效的。

3.2? ? 冗余機制

為了保障控制的可靠性，需應(yīng)用冗余資源來克服設(shè)備故障，這里的冗余技術(shù)主要指硬件冗余。

通信能實現(xiàn)以前難以實現(xiàn)的數(shù)據(jù)遠傳和遙控功能，但通信質(zhì)量受太多因素干擾，一旦通信中斷，就將十分危險。在設(shè)計時應(yīng)保留部分硬線控制功能，在特別重要的設(shè)備上還要保留硬線傳輸?shù)淖饔谩６鴮νㄐ乓蟾?、有通信控制要求的場合來說，單通信系統(tǒng)就需要有冗余機制。

以下對通信冗余做一個簡單闡述。通信冗余：在設(shè)計時配置通信介質(zhì)的冗余，并采用與其配套的軟件檢測、信息校驗、時間冗余等措施。

（1）Profibus系統(tǒng)。Profibus采用串行通信方式，速度快，但其系統(tǒng)可靠性卻由此受到制約，電機綜保在整個自動化系統(tǒng)中只是從站的角色，要實現(xiàn)冗余功能，需滿足3個條件：

1）至少從站設(shè)備上有2個通信口;

2）2個獨立的Profibus從站協(xié)議棧;

3）一個在2個協(xié)議棧之間進行數(shù)據(jù)與狀態(tài)信息交換的冗余通道[3]。

滿足以上要求的設(shè)備非常少，只有少量國外廠商推出過相應(yīng)產(chǎn)品。

（2）Modbus系統(tǒng)。Modbus所有節(jié)點連到一條公共總線上，某個節(jié)點故障一般不會影響到其他節(jié)點的工作，可靠性高。要滿足冗余條件，每個設(shè)備也需要有2個通信口，再配合冗余的通信管理機，就能實現(xiàn)比較理想的冗余功能。目前已經(jīng)有大量國內(nèi)廠商推出了相關(guān)產(chǎn)品[4]。

不管采用何種協(xié)議，變電站至儀控中心的長距離通信線都是非常重要的傳輸介質(zhì)，長距離應(yīng)盡量采用光纖通信。另外有一個比較成熟的方式，即在綜保與上位機的中間安裝特定的網(wǎng)關(guān)或者通信管理機，只需要對通信管理機或網(wǎng)關(guān)進行冗余配置，這樣所花的費用不高，又能達到長線路冗余的作用，而且還能帶來另一個好處——儀控中心的上位機只需對這個網(wǎng)關(guān)/通信管理機進行訪問，這就極大地提高了通信效率，而網(wǎng)關(guān)/通信管理機對下游每個綜保的通信，因為距離較短，可以采用更高速的通信方式，所有的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換都可以在通信管理機中實現(xiàn)。

典型的通信結(jié)構(gòu)如圖3所示。

通信線的布線方式、與臨近的動力線距離、終端電阻、控制回路的阻容吸收、中間繼電器的隔離等都關(guān)系到設(shè)備投運后的穩(wěn)定性。

3.3? ? 定期維護

這里的“定期維護”并不僅僅指硬件上的維護保養(yǎng)、定期更換，還有一個更重要的方面——軟件參數(shù)的定期備份。低壓綜保龐大的數(shù)據(jù)庫如果不進行專業(yè)維護，定期更新保存，當(dāng)有需要時將會非常被動。另外，受系統(tǒng)開發(fā)因素的影響，幾年前開發(fā)的綜保監(jiān)控平臺是在當(dāng)時的計算機操作系統(tǒng)下運行的。而隨著計算機本身從32位系統(tǒng)發(fā)展為64位系統(tǒng)，工業(yè)軟件是否能相應(yīng)升級也成為需要考慮的問題，這一點在設(shè)備選型設(shè)計時需要有所預(yù)判。

4? ? 展望與建議

低壓綜保已經(jīng)不算特別新的技術(shù)，很多企業(yè)早已采用，只是使用深度不同，有的只用了其中的保護功能，有的用到信號傳輸功能，有的需要遠程控制，更深的用到設(shè)備管理功能。至于運用到哪一層，需要各企業(yè)內(nèi)部評估，涉及人員、工藝操作習(xí)慣、設(shè)備管理等眾多因素。低壓綜保的應(yīng)用關(guān)系到整個工藝生產(chǎn)的可靠性，如果人員或現(xiàn)場條件不具備，直接做深度應(yīng)用，未必能達到相應(yīng)的效果。

本文還只是對硬件方面的應(yīng)用進行了討論，而軟件方面涉及不多。對于整個電氣自動化系統(tǒng)來說，電機綜保的內(nèi)部邏輯和與外部溝通的協(xié)議機制，包括人機界面、數(shù)據(jù)檢索功能等是電機綜保運用的核心，這之中更體現(xiàn)出了人的因素和價值，還有待于我們更深入地學(xué)習(xí)、理解、開發(fā)，這對電氣從業(yè)人員來說又是一個新的探索方向。另外，從設(shè)備管理角度上講，自動化設(shè)備的分級管理、專業(yè)的維護及使用也對電氣從業(yè)人員提出了更高的要求[5]。

最后也對設(shè)備研發(fā)人員提個建議：在研發(fā)時充分考慮技術(shù)及相關(guān)平臺的發(fā)展，做好將來升級的準(zhǔn)備，避免用戶被動地整體更新。

[參考文獻]

[1] 劉彧揮.電氣自動化系統(tǒng)接地問題分析與研究[J].數(shù)字通信世界，2019（5）：252.

[2] 鄭欣.提高電氣自動化控制設(shè)備可靠性的策略[J].中國新通信，2019，21（10）：225-226.

[3] 許小林.PROFIBUS-DP控制系統(tǒng)可靠性技術(shù)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2003.

[4] 王克靜.MODBUS通信冗余系統(tǒng)[J].電器工業(yè)，2011（10）：59-61.

[5] 趙志兵.電氣自動化控制設(shè)備故障預(yù)防與檢修技術(shù)[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2015，5（34）：153.

收稿日期：2020-03-23

作者簡介：李瀟（1976—），男，浙江寧波人，工程師，研究方向：電氣自動化、工程管理。