CNG電機接線端子故障監(jiān)控裝置的設(shè)計與實現(xiàn)

郭忠華

（中海石油葫蘆島精細化工有限責(zé)任公司，遼寧葫蘆島125000）

0 引言

低壓大功率電動機因額定電流較大，已超出最大截面單根電纜的載流量，工程上均采用兩路電纜并聯(lián)供電。我廠壓縮天然氣裝置兩臺壓縮機撬裝設(shè)備采用355 kW大功率防爆變頻電機，額定電流650 A，實際運行電流630 A，設(shè)計采用兩路185 mm2電纜并聯(lián)供電。當(dāng)接線端子接觸電阻為0.01 Ω時，6個接線端子的接觸發(fā)熱總功率達6 kW，短時間內(nèi)可損壞電機端子和絕緣，對接觸電阻要求很高。同時，由于隔爆型電機的接線盒需能承受較高的內(nèi)部爆炸壓力，接線盒壁厚較厚且密閉，通過紅外測溫儀人工外部巡檢無法及時獲知內(nèi)部端子的發(fā)熱狀況。在運行狀況下，兩路并聯(lián)電纜其中一根因接觸不良發(fā)熱，進而熔斷燒毀，另一根則承受全部負載電流，但此時因變頻器采集的是各相總電流，三相總電流仍然基本平衡，不能提供缺相及電流不平衡保護，直到完好相的單根電纜因承受過電流燒毀后變頻器才會識別到缺相，保護停機，此時電機端子、引線及絕緣已損壞。

為避免再次發(fā)生故障，經(jīng)分析，決定對電機端子的接觸狀態(tài)進行實時在線監(jiān)測預(yù)警和保護停機改造。

1 改造方案選取及原理

圖1為電機和電纜系統(tǒng)等效電路，其中R1、R2分別為兩路并聯(lián)電纜的直流電阻，L1、L2分別為兩路并聯(lián)電纜的感抗，R1′和R2′分別為各路電纜兩端的接觸總電阻，即每路電纜與電機接線端子和變頻器柜內(nèi)輸出電抗器母排的接觸電阻之和，因此該裝置也可反映出配電柜內(nèi)接觸是否良好。

圖1 系統(tǒng)等效電路

電纜1的電流：

電纜2的電流：

因并聯(lián)電纜的長度、規(guī)格、敷設(shè)方式相同，正常情況下，Z電纜1=Z電纜2，I1=I2，兩路電纜電流差接近為零，當(dāng)端子接觸電阻R1′因接觸不良增加時，將引起I1減小，I2增大，進而導(dǎo)致電流差值增加，通過檢測電流差值變化可以監(jiān)控端子接觸狀況和負載均衡度。

本系統(tǒng)選擇溫度直接檢測和電流差對比檢測兩種方法同時使用，系統(tǒng)組成如圖2所示，采用PLC+觸摸屏方案，考慮施工安裝的便捷性，電流檢測兩臺機組分別采用TRMS真有效值霍爾電流變送器和普通電磁式互感器。PLC及電流變送器安裝于A機控制柜中，普通電磁式互感器及電流測控模塊AMC16B安裝于B機控制柜中，兩機柜間采用Modbus總線通信，A機6路電流和A、B機溫度信號采用PLC模擬量擴展模塊采集，B機的電流、電壓、運行信號和報警、停機信號通過Modbus總線采集和控制，溫度檢測采用熱敏電阻103AT+玻璃纖維樹脂套管自制而成，具有較高的耐熱性和絕緣性，體積小，易于貼附安裝，符合《爆炸性環(huán)境第4部分：由本質(zhì)安全型“i”保護的設(shè)備》（GB 3836.4—2010）對簡單無源元件的定義[1]，不破壞電機接線盒內(nèi)防爆結(jié)構(gòu)，滿足《爆炸性環(huán)境第2部分：由隔爆外殼“d”保護的設(shè)備》GB 3836.2—2010隔爆要求[2]。

圖2 系統(tǒng)組成框圖

2 PLC程序設(shè)計

本系統(tǒng)核心采用西門子S7-200 PLC，實現(xiàn)電流采集和運算，通信口Port1作為Modbus主站端口，用于讀寫AMC16B的電力參數(shù)和開關(guān)量控制，通信端口Port0作為PPI端口與觸摸屏連接，因AMC16B模塊的Modbus協(xié)議僅支持寫多個數(shù)據(jù)保持寄存器的10H功能碼，不支持寫單個寄存器的06H功能碼，而S7-200的Modbus主站庫在使用中會自動根據(jù)Count端設(shè)置的數(shù)據(jù)個數(shù)發(fā)送10H或06H功能碼，因此，對AMC16B的開關(guān)量輸出控制，只能將Count設(shè)置為2，一次寫入兩個寄存器，其中一個寄存器寫為空操作。PLC程序編寫如圖3所示。

圖3 PLC程序編寫

3 觸摸屏組態(tài)

HMI采用MCGS-TPC7062Ti型觸摸屏，完成數(shù)值及報警信息顯示、參數(shù)設(shè)置、報警設(shè)置、故障記錄、歷史曲線、實時曲線、權(quán)限管理等功能，通過VNC或Modbus/TCP協(xié)議，本改造可使用電腦和手機客戶端通過Wi-Fi或有線網(wǎng)絡(luò)遠程監(jiān)視和操作。圖4為組態(tài)主界面。

圖4 組態(tài)界面

3.1 報警自動亮屏

因機組啟動操作不通過本觸摸屏實現(xiàn)，平時屏幕處于背光關(guān)閉狀態(tài)，為便于操作人員使用，監(jiān)測開機運行狀況，將機組運行信號接入PLC，當(dāng)CNG壓縮機組啟動瞬間或有報警發(fā)生、通信超時、儀表變送器故障異常時，觸摸屏?xí)詣訂拘蚜疗? min，該功能通過TPC系統(tǒng)控制實現(xiàn)，在報警策略中使用腳本編程，程序如下：

其中Data05定義為背光自動關(guān)閉控制字，Data05為1自動滅屏有效，為0無效，通過程序控制自動滅屏無效，背光則會自動亮起。

3.2 參數(shù)設(shè)置模塊

為使PLC及系統(tǒng)具有普適性和通用性，可以任意接入各種不同量程的變送器，在參數(shù)設(shè)置界面可以修改設(shè)置模擬量A/D轉(zhuǎn)換后的上下限值和對應(yīng)的量程上下限，通過這些參數(shù)的調(diào)整也可以對各通道變送器的漂移、干擾、線性系數(shù)等誤差進行校正，這些參數(shù)修改次數(shù)較少，為防止數(shù)據(jù)丟失，設(shè)計永久保存按鈕，將修改后的參數(shù)保存在PLC的E2PROM中，而不是斷電保持寄存器中，不受PLC保持電池或超級電容電量消耗的影響，用戶在點擊修改參數(shù)文本框時會彈出登錄對話框，僅擁有管理員密碼才能修改，部分腳本程序如下：

!LogOn()

用戶組=!CheckUserGroup("管理員組")

3.3 趨勢曲線

歷史曲線、實時曲線可以設(shè)置上下限坐標(biāo)以匹配不同測量范圍的儀表，或者使曲線處于最佳顯示范圍，歷史曲線可以設(shè)置查詢起始日期、時間和時長，當(dāng)設(shè)置時長低于1 h，橫軸時間單位自動變?yōu)榉昼?，部分腳本程序如下：

歷史曲線.控件0.SetTrendVisible(1,A1顯示開關(guān))

歷史曲線.控件0.SetTrendVisible(3,A差顯示開關(guān))

歷史記錄起始時間=歷史曲線.控件0.GetXStart()

歷史曲線.控件0.SetTrendRange(3,A歷史電流差高度,A歷史電流差高度*(-1))

歷史曲線.控件0.SetTrendRange(1,A歷史電流高度,0)

IF A機電流歷史時間長度1 < 1.0 THEN 歷史曲線.控件0.SetXUnit("分鐘")

IF A機電流歷史時間長度1 < 1.0 THEN 歷史曲線.控件0.SetXLength(A機電流歷史時間長度1*60)

3.4 報警設(shè)置及報警記錄

該界面可設(shè)置報警閾值、回差、延時等參數(shù)，報警記錄采用自定義表格，可將報警發(fā)生瞬間的溫度電流等各項參數(shù)存儲到觸摸屏FlashROM中。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)設(shè)計采用PLC+觸摸屏方案，通過端子溫度檢測和電流差比較實現(xiàn)了電機接線端子狀態(tài)和電纜負載均衡度的實時在線監(jiān)控，為壓縮天然氣裝置的安全運行提供有效保護；通過實際運行，驗證了普通電磁式電流互感器在變頻器輸出端PWM諧波條件下的測量精度，在變頻輸出頻率為20～50 Hz范圍內(nèi)，普通電磁式電流互感器測量精度與TRMS霍爾傳感器一致，且穩(wěn)定性、抗干擾能力較TRMS霍爾電流變送器強，為今后設(shè)計選型提供了應(yīng)用經(jīng)驗。