基于以太網(wǎng)技術(shù)的智能電機(jī)管理單元在化工行業(yè)的應(yīng)用

徐建德

（廈門ABB低壓電器設(shè)備有限公司，福建 廈門 361006）

0 引言

隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新型先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，工業(yè)生產(chǎn)正大踏步地進(jìn)入智能化時(shí)代，即“工業(yè)4.0”時(shí)代[1]。智能工廠對數(shù)據(jù)傳輸具有高實(shí)時(shí)性、高可靠性的要求，而現(xiàn)有工業(yè)配電設(shè)備的通信方式仍以現(xiàn)場總線為主，其因?qū)崟r(shí)性差、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)復(fù)雜、維護(hù)困難等缺點(diǎn)不能滿足智能化的建設(shè)要求。

在這種背景下，ABB公司推出了新一代的智能電機(jī)管理單元MC510，集豐富、標(biāo)準(zhǔn)的功能于一身，且提供了冗余的工業(yè)以太網(wǎng)接口，能夠有效且方便地集成于工廠管理系統(tǒng)和工業(yè)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高速和海量的數(shù)據(jù)傳輸，并對設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，幫助客戶實(shí)現(xiàn)配電智能化。

1 現(xiàn)場總線技術(shù)的特點(diǎn)分析

現(xiàn)場總線以其數(shù)字通信的優(yōu)勢已逐步替代了DC0～10 V或0～20 mA/4～20 mA現(xiàn)場儀表的模擬量信號。世界上現(xiàn)行的現(xiàn)場總線有幾十種，就目前工業(yè)控制領(lǐng)域來看，使用較多的通信協(xié)議有Profibus現(xiàn)場總線、Modbus現(xiàn)場總線等。

1.1 Profibus現(xiàn)場總線

目前，Profibus現(xiàn)場總線應(yīng)用最為廣泛的為Profibus DP（分布式，Decentralized Peripherals），專門用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信。一條總線電纜可連接126個(gè)站點(diǎn)，通信速率為9.6 kb/s～12 Mb/s，其允許高速度周期性的小批量數(shù)據(jù)通信，適用于對時(shí)間要求苛刻的自動化控制系統(tǒng)。Profibus DP允許構(gòu)成單主站或多主站系統(tǒng)，主站之間采用令牌傳送方式，主站與從站之間采用主從方式[2]。

RS-485傳輸技術(shù)是Profibus DP最常用的一種傳輸技術(shù)，其傳輸介質(zhì)可以是光纖電纜或屏蔽雙絞線。電氣傳輸時(shí)常采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每一個(gè)RS-485網(wǎng)段最多為32個(gè)站點(diǎn)，在總線兩端必須使用終端電阻。

1.2 Modbus現(xiàn)場總線

Modbus是莫迪康公司于1979年首先推出的基于RS-485總線的串行通信協(xié)議，其易用性、開放性及可擴(kuò)充性的特點(diǎn)，使其成為目前工業(yè)領(lǐng)域通信協(xié)議的通用標(biāo)準(zhǔn)。Modbus協(xié)議使用主/從模式，其應(yīng)答式的通信方式要求每一個(gè)從設(shè)備都有一個(gè)唯一的預(yù)定義地址（1～247），主設(shè)備依據(jù)地址與從設(shè)備通信。

目前，Modbus常用的通信協(xié)議以Modbus-RTU和Modbus-TCP為主。

1.2.1 Modbus-RTU通信協(xié)議

Modbus-RTU是一種單主站的主/從通信模式，通信鏈路在任意從站只有單路的引入和引出，即菊花瓣的接線方式。Modbus-RTU支持的通信速率為1.2～187.5 kb/s，每條RTU串行通信鏈路可最多連接32個(gè)從站，為保證響應(yīng)速度，一般按15～20套從站配置為宜。Modbus-RTU協(xié)議采用輪詢方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，即主站依次向從站發(fā)出請求，從站接收到主站數(shù)據(jù)請求后才能發(fā)送數(shù)據(jù)。

Modbus-RTU的傳輸介質(zhì)最常用的是符合RS-485規(guī)范的屏蔽雙絞線，其最大通信距離一般由通信線材品質(zhì)、波特率大小設(shè)置以及從站個(gè)數(shù)等因素決定。當(dāng)通信距離不夠時(shí)，可以通過增加RS-485中繼器來延長通信距離。

1.2.2 Modbus-TCP通信協(xié)議[3]

Modbus-TCP協(xié)議是在Modbus-RTU協(xié)議的基礎(chǔ)上加上MBAP報(bào)文頭，并且由于TCP是基于可靠連接的服務(wù)，因此不需要RTU協(xié)議中的CRC校驗(yàn)碼，較低層的TCP/IP協(xié)議棧保證了數(shù)據(jù)包傳遞的正確性。

Modbus-TCP通過TCP/IP以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行傳輸，相較于Modbus-RTU和Profibus DP通信協(xié)議，Modbus-TCP的通信速度更快、通信數(shù)據(jù)量更大，且可以靈活地組成多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并方便未來跟隨互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展而進(jìn)行技術(shù)升級。

基于此，ABB新一代智能電機(jī)管理單元MC510采用了Modbus-TCP通信協(xié)議。

2 帶以太網(wǎng)接口的電機(jī)管理單元MC510

MC510是基于電流與電壓測量的智能型電機(jī)保護(hù)控制裝置，其功能強(qiáng)大，可以幫助客戶更專業(yè)地控制、保護(hù)和監(jiān)測低壓電機(jī)，其優(yōu)勢表現(xiàn)在：

2.1 測量功能

MC510既可以實(shí)現(xiàn)電壓、電流、有功和無功等電參量的測量和計(jì)算，也可以通過適配熱點(diǎn)監(jiān)控模塊監(jiān)測抽屜內(nèi)一次接插件的溫度及開關(guān)柜內(nèi)銅排搭接點(diǎn)的溫度，保障系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

2.2 控制功能

各種必要的電機(jī)啟動控制方式已集成在MC510裝置中，客戶可以通過參數(shù)設(shè)置軟件直接選取需要的啟動控制方式。

2.3 保護(hù)功能

MC510通過對電機(jī)的三相電壓、三相電流、零序電流、主開關(guān)狀態(tài)、接觸器狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的完善保護(hù)。

2.4 通信功能

MC510采用RJ45接口，提供了冗余的10/100 Mb/s自適應(yīng)工業(yè)以太網(wǎng)接口，支持Modbus-TCP通信協(xié)議，通信速率是傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)百倍，使得信息能夠被全方位地傳輸給所需部門。MC510通信功能通過了網(wǎng)絡(luò)安全認(rèn)證，避免了網(wǎng)絡(luò)攻擊的風(fēng)險(xiǎn)。

2.5 維護(hù)功能

MC510通過監(jiān)視脫扣次數(shù)、啟動次數(shù)、運(yùn)行時(shí)間、抽屜插拔次數(shù)和事件記錄等對電機(jī)進(jìn)行維護(hù)管理，當(dāng)超出設(shè)定值時(shí)，MC510將發(fā)出告警信號，輔助客戶制定設(shè)備維護(hù)計(jì)劃。

3 MC510在化工項(xiàng)目中的應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目背景

某大型纖維化工項(xiàng)目的不間斷連續(xù)生產(chǎn)要求電氣設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，傳統(tǒng)的維護(hù)及巡檢方式效率低，且需要消耗大量的人力和物力，也未必能及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行隱患，為此提出相應(yīng)的調(diào)整方案。智能低壓設(shè)備融合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能傳感器，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測、控制和設(shè)定，取代人工定期巡檢，實(shí)現(xiàn)提前預(yù)警設(shè)備故障和前瞻性維護(hù)，取代了事后維修模式，減少了計(jì)劃外停機(jī)時(shí)間，確保了化工項(xiàng)目供電系統(tǒng)的可靠性。

傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線協(xié)議受限于通信速率及傳輸數(shù)據(jù)量，很難滿足客戶工廠智能化的需求。MC510智能電機(jī)管理單元與工業(yè)以太網(wǎng)Modbus-TCP完美結(jié)合，以其10/100 Mb/s的高通信速率使得運(yùn)行實(shí)時(shí)狀況能被準(zhǔn)確地判斷處理，并能提供詳細(xì)的故障診斷和事件日志，幫助客戶進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)配電的高可靠性及智能化。

3.2 項(xiàng)目以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)選型配置

本項(xiàng)目配置了智慧型馬達(dá)監(jiān)控系統(tǒng)（IMCS），用于收集低壓電機(jī)回路的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)趨勢圖進(jìn)行趨勢分析、跳脫資訊查詢、馬達(dá)保護(hù)器參數(shù)修改、統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表以及設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)等功能。IMCS經(jīng)由Modbus-TCP以太網(wǎng)協(xié)議直接整合智能電機(jī)管理單元MC510，MC510采用環(huán)型拓?fù)淙哂嘟Y(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)通信的可靠性，保證了鏈路上任一節(jié)點(diǎn)故障均不會影響整個(gè)系統(tǒng)通信，受影響節(jié)點(diǎn)可通過另一個(gè)鏈路恢復(fù)與后臺的通信。同時(shí)，客戶要求在低壓柜內(nèi)配置一套高端冗余的PLC，并通過冗余的通信接口與DCS通信。除此之外，連接PLC及MC510的交換機(jī)硬件上采用冗余配置并滿足MRP冗余協(xié)議，以保證通信的實(shí)時(shí)性、有效性和可靠性。

基于工業(yè)以太網(wǎng)搭建的智能電機(jī)管理單元MC510的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

MC510環(huán)型拓?fù)淠軌蚝芎玫乇ＷC單個(gè)抽屜的抽出維護(hù)不影響其他抽屜的通信，但當(dāng)兩個(gè)及以上抽屜抽出維護(hù)時(shí)，會導(dǎo)致中間正常運(yùn)行的抽屜的通信中斷。為解決這一問題，在低壓開關(guān)柜的電纜室內(nèi)安裝有以太網(wǎng)環(huán)路開關(guān)MS571，保證MC510的抽屜抽出時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的以太網(wǎng)通信還能正常工作。其工作原理如圖2所示，正常情況下，抽屜內(nèi)電機(jī)管理單元MC510通過MS571上的BUS接口同其他MC510抽屜通信；當(dāng)抽屜抽出后，MS571可以自動旁路該回路，使得環(huán)網(wǎng)自動恢復(fù)連接，系統(tǒng)以太網(wǎng)通信不受影響。

圖2 MC510用于抽屜的環(huán)型拓?fù)涫疽鈭D

3.3 非接觸式的抽屜一次接插件測溫

一次接插件是低壓開關(guān)柜的關(guān)鍵部件，其溫度過高會使元件性能降低，使用壽命縮短，嚴(yán)重時(shí)可引發(fā)火災(zāi)及大范圍短路，危害設(shè)備和人身安全，因此需要對抽屜內(nèi)關(guān)鍵部件溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)的監(jiān)測。

MC510抽屜采用非接觸式的紅外測溫傳感器IR51，通過檢測一次插發(fā)射出的紅外能量，實(shí)現(xiàn)對抽屜進(jìn)/出線側(cè)一次插的實(shí)時(shí)在線溫度管理。熱點(diǎn)監(jiān)控模塊MT561有兩個(gè)通道，每個(gè)通道最多可以連接6個(gè)紅外測溫傳感器IR51。MT561通過I/O BUS直接連接至MC510，MC510將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至智慧型馬達(dá)監(jiān)控系統(tǒng)IMCS及DCS系統(tǒng)，后臺系統(tǒng)可對測得的溫度進(jìn)行判斷，當(dāng)溫度超過設(shè)定的告警值或脫扣值時(shí)，可進(jìn)行報(bào)警或自動切斷相應(yīng)回路電源，以保障系統(tǒng)安全運(yùn)行。圖3為一次接插件紅外測溫結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 一次接插件紅外測溫系統(tǒng)

4 結(jié)語

本文對智能電機(jī)管理單元MC510在某纖維化工項(xiàng)目中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)闡述。得益于集成的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，MC510可以滿足客戶高速數(shù)據(jù)傳輸以及大數(shù)據(jù)分析的要求，幫助客戶實(shí)現(xiàn)智能配電，提高化工廠運(yùn)維安全水平及效率，保障了電力供應(yīng)的連續(xù)性和可靠性，其應(yīng)用前景必將越來越廣闊。