基于全網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的低壓智能配電系統(tǒng)

孫寶華

（中國(guó)瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌 330038）

1 低壓智能配電系統(tǒng)概述

傳統(tǒng)低壓配電系統(tǒng)包括低壓配電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)， 系統(tǒng)中主要電器設(shè)備為低壓電器以及由低壓電器組合而成的低壓成套開關(guān)設(shè)備和成套控制設(shè)備[1]。傳統(tǒng)低壓配電系統(tǒng)存在諸多局限， 在操作性、 便捷性、安全性和可靠性方面仍有待進(jìn)一步提升：1）普遍存在信息孤立的問(wèn)題， 不同廠家的監(jiān)控子系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，運(yùn)維難度大。 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不全面，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。 2）日常巡檢和維護(hù)需要投入大量的人力物力，而且事前無(wú)預(yù)警；事后查找問(wèn)題及檢修處理的速度慢等[2]。 隨著智能配電系統(tǒng)技術(shù)的不斷革新， 高級(jí)型智能配電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究已經(jīng)取得了一定的突破，其中，智能化、網(wǎng)絡(luò)化作為低壓配電系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)已經(jīng)具備了成熟的條件， 未來(lái)發(fā)展空間巨大。

智能配電系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括硬件電路、軟件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信，這三者是提高智能配電系統(tǒng)的關(guān)鍵因素[3]。1）硬件電路。 傳統(tǒng)低壓配電柜電動(dòng)機(jī)控制中心與電動(dòng)機(jī)機(jī)旁控制單元的接線模式仍以控制電纜硬接線的方式為主。 這種接線方式接線工作量大，不利于維護(hù)。 2）軟件系統(tǒng)。 傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)監(jiān)控需要配套諸多I/O 模塊和硬接線端子，系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜。3）網(wǎng)絡(luò)通信。目前，國(guó)內(nèi)企業(yè)所采用的傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)控制中心（MCC）與現(xiàn)場(chǎng)的連接還大都是通過(guò)電纜連接的方式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的傳遞， 并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)一體化。有的產(chǎn)品雖然有帶網(wǎng)絡(luò)通信的現(xiàn)場(chǎng)操作面板，但它是與PLC/DCS 控制器進(jìn)行通信，而不是與電動(dòng)機(jī)保護(hù)器通信, 在控制系統(tǒng)未投入的情況下不能單機(jī)調(diào)試；有的產(chǎn)品雖然有可擴(kuò)展的第二通信接口，但現(xiàn)場(chǎng)帶通信的元件或設(shè)備往往存在價(jià)格較高或數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定的問(wèn)題。隨著技術(shù)的進(jìn)步，電動(dòng)機(jī)保護(hù)器可采用的或可支持的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議越來(lái)越多， 包括MODBUS、PROFIBUS-DP，或直接采用工業(yè)以太網(wǎng)，因此建立一個(gè)基于全網(wǎng)絡(luò)通信的智能配電系統(tǒng)的條件已基本成熟。

為此， 本文設(shè)計(jì)了一種基于全網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的智能電動(dòng)機(jī)控制中心（iMCC），其主回路由斷路器、接觸器和電動(dòng)機(jī)保護(hù)器組成。 該控制中心是以電動(dòng)機(jī)保護(hù)器為核心，將設(shè)備網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)融為一體。與傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)控制中心（MCC）相比，iMCC 具有接線簡(jiǎn)便、維護(hù)量少、信息化程度高等優(yōu)點(diǎn)，順應(yīng)國(guó)家工業(yè)信息化戰(zhàn)略，具有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)生產(chǎn)檢修的需求， 對(duì)于某臺(tái)具有負(fù)載性質(zhì)的電動(dòng)機(jī)， 一般需進(jìn)行兩地控制， 即機(jī)旁控制和DCS/PLC 集中控制。 本次設(shè)計(jì)的低壓智能配電系統(tǒng)具有全網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為了實(shí)現(xiàn)兩地控制目的，電動(dòng)機(jī)機(jī)旁控制箱與智能電動(dòng)機(jī)控制中心、 智能電動(dòng)機(jī)控制中心與DCS/PLC 控制器均通過(guò)通信線纜連接，DCS/PLC 控制器又分別連接工程師站、操作員站和交換機(jī)。

電動(dòng)機(jī)機(jī)旁控制箱采集現(xiàn)場(chǎng)控制指令和顯示電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)， 智能電動(dòng)機(jī)控制中心獨(dú)立完成電動(dòng)機(jī)控制，DCS/PLC 控制器接收工程師站和操作員站的控制指令， 并向智能電動(dòng)機(jī)控制中心發(fā)送控制指令； 工程師站和操作員站則用于對(duì)電動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控和可視化操作，并提供電動(dòng)機(jī)故障預(yù)警與診斷。

電動(dòng)機(jī)機(jī)旁控制箱設(shè)置有網(wǎng)絡(luò)通信模塊， 智能電動(dòng)機(jī)控制中心配置具有至少兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信接口的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器， 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器分別與電動(dòng)機(jī)機(jī)旁控制箱和DCS/PLC 控制器進(jìn)行通信。 其低壓智能配電系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 基于全網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的低壓智能配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓補(bǔ)

低壓智能配電系統(tǒng)包括：工程師站101、操作員站102、交換機(jī)103、DCS/PLC 控制器104、智能電動(dòng)機(jī)控制中心105、電動(dòng)機(jī)機(jī)旁控制箱106。 電動(dòng)機(jī)機(jī)旁控制箱106 采用通信網(wǎng)絡(luò)與智能電動(dòng)機(jī)控制中心105 相連，用于電動(dòng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)就地監(jiān)控，具有采集電動(dòng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)控制指令和顯示電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的功能，智能電動(dòng)機(jī)控制中心105， 具備邏輯運(yùn)算功能和可編程功能，能獨(dú)立完成電動(dòng)機(jī)控制，并通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)與電動(dòng)機(jī)機(jī)旁控制箱106、DCS/PLC 控制104 器相連,在數(shù)據(jù)傳輸上起到承上啟下的作用；DCS/PLC 控制器104， 利用通信網(wǎng)絡(luò)與智能電動(dòng)機(jī)控制中心105和工作站相連；工作站（包括工程師站101 和操作員站102）采用通信網(wǎng)絡(luò)與DCS/PLC 控制器104 相連，用于對(duì)電動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控和可視化操作， 并提供電動(dòng)機(jī)故障預(yù)警與診斷；交換機(jī)103，將系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)上傳至能源管理系統(tǒng)服務(wù)器， 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。

由于傳統(tǒng)的MCC、PLC/DCS 控制系統(tǒng)、 能源管理系統(tǒng)通常都是獨(dú)立運(yùn)作的， 相互的資源無(wú)法得到充分地交流或共享，造成資源的浪費(fèi)或重復(fù)投資。通過(guò)上述低壓智能配電系統(tǒng)， 可將MCC 配電系統(tǒng)、DCS/PLC 控制系統(tǒng)、 企業(yè)的能源管理系統(tǒng)相互連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的共享。 配電開關(guān)、接觸器、電能計(jì)量、故障信息、現(xiàn)場(chǎng)能源的儀表等參數(shù)都可進(jìn)入后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)， 從而為企業(yè)構(gòu)建一個(gè)整體的網(wǎng)絡(luò)和信息架構(gòu)，使電氣、現(xiàn)場(chǎng)儀表、通信設(shè)備元件得以高效利用和信息共享。 這樣建立的企業(yè)后臺(tái)系統(tǒng)才是一個(gè)完整、豐富的，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并得出決策方案的管理平臺(tái)。

可以看出， 智能電動(dòng)機(jī)控制中心在其中起到了核心作用。 1）智能電動(dòng)機(jī)控制中心配置至少具有兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信接口的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器， 所有的控制和保護(hù)功能都是中央處理單元室微處理器執(zhí)行， 包括聯(lián)鎖功能、運(yùn)行計(jì)算、診斷和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及自動(dòng)控制級(jí)與電機(jī)回路之間的高性能通信等。 2）系統(tǒng)集成了電流互感器，可以檢測(cè)電流，過(guò)流保護(hù)、過(guò)流報(bào)警、電流限制、On/Off 返回值檢測(cè)信號(hào)，運(yùn)行次數(shù)和時(shí)間的計(jì)算等參數(shù)都是以電流作為參考值。 3）與傳統(tǒng)的電機(jī)控制回路相比， 智能電動(dòng)機(jī)控制中心簡(jiǎn)化了電機(jī)的控制回路，減少了接線，相應(yīng)地也減少了故障點(diǎn)。 4）單獨(dú)的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器就可以實(shí)現(xiàn)控制和監(jiān)視功能以及信號(hào)處理，不需要增加過(guò)載繼電器、熱敏電阻計(jì)算電路、電流互感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換等元器件。 這些功能的實(shí)現(xiàn)完全不需要控制電流接線。 起停開關(guān)直接接到基本單元的輸入， 接觸器線圈通過(guò)基本單元的輸出控制，不需要互鎖的輔助觸點(diǎn)。DCS/PLC 控制器通過(guò)通信總線傳送起/停指令至電動(dòng)機(jī)保護(hù)器，電動(dòng)機(jī)保護(hù)器把運(yùn)行、停止、過(guò)載故障、過(guò)熱故障、電流、電壓、電量等信號(hào)通過(guò)總線傳輸至DCS/PLC 控制器。

3 方案實(shí)施

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路， 以某銅鈷礦實(shí)施為例對(duì)智能電動(dòng)機(jī)控制中心的具體應(yīng)用進(jìn)行分析。

某銅鈷礦項(xiàng)目是集采、選、冶工藝于一體的大型銅鈷資源綜合利用項(xiàng)目，生產(chǎn)原料來(lái)自兩個(gè)尾礦庫(kù)，庫(kù)內(nèi)堆存的是某銅鈷選礦廠排出的尾礦。 本項(xiàng)目擬采用水力采礦、兩段攪拌浸出、高低品位萃取、電積提銅、沉鈷的生產(chǎn)工藝從尾礦中回收銅、鈷資源，選冶后的尾渣泵送至新尾渣庫(kù)堆存。 銅濕法冶煉工藝包括浸取—萃取反萃取—電積3 部分， 構(gòu)成3 個(gè)循環(huán)，見(jiàn)圖2。

圖2 銅濕法冶煉工藝流程示意（單位：g/L）

圖3 低壓智能配電系統(tǒng)的配電柜外觀

由圖2 可知，氧化銅礦中銅主要以孔雀石、硅孔雀石等礦物形式存在。 浸取時(shí)， 酸與銅礦石發(fā)生反應(yīng)，使銅溶解進(jìn)入浸取液，富含銅離子的溶液進(jìn)入萃取作業(yè)，萃取過(guò)程中銅離子和萃取劑的質(zhì)子交換，進(jìn)入負(fù)載有機(jī)相，質(zhì)子則進(jìn)入萃余液，萃余液酸度重新提高后，返回浸出工序繼續(xù)浸取銅礦石；富含銅離子的負(fù)載有機(jī)相則進(jìn)入反萃工序， 將銅離子傳送至電積貧液，重新獲得銅離子的電積富液進(jìn)入電積車間。在電積過(guò)程中，銅在陰極析出，陽(yáng)極則析出氧氣并產(chǎn)生等摩爾的硫酸。

根據(jù)該工藝流程，全廠設(shè)置泵站、過(guò)濾、洗滌、沉淀、萃取、電積、干燥等17 座車間變電所，分別對(duì)各工段的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行配電和控制。 由于工藝介質(zhì)為礦漿，需要大量的泵來(lái)作為輸送動(dòng)力，因此該廠低壓電動(dòng)機(jī)超過(guò)了1 200 多臺(tái)。

電動(dòng)機(jī)回路系統(tǒng)的典型功能有起停控制、 保護(hù)聯(lián)鎖、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)置、事件報(bào)警、各類曲線顯示、故障報(bào)警、故障記錄、設(shè)備機(jī)械信息、報(bào)表查詢及打印和用戶權(quán)限管理等功能。結(jié)合自動(dòng)化、智能化的技術(shù)特點(diǎn)，低壓智能配電系統(tǒng)模型主要由控制層、網(wǎng)絡(luò)層和主站層三層結(jié)構(gòu)體系組成。

1）控制層負(fù)責(zé)智能配電系統(tǒng)和配電設(shè)備的信息采集和控制，主要由接觸器、電動(dòng)機(jī)保護(hù)器、控制器組成。在控制室完成對(duì)電動(dòng)機(jī)的在線監(jiān)控，并發(fā)出相應(yīng)的操作指令， 保證全廠生產(chǎn)系統(tǒng)安全可靠地完成起動(dòng)、聯(lián)鎖、運(yùn)行、停止等動(dòng)作，必要時(shí)可以切換到手動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)行人為干預(yù)。

2）網(wǎng)絡(luò)層為主站和終端之間提供良好的通信支持，應(yīng)具有強(qiáng)大的通信和數(shù)據(jù)處理能力，為后臺(tái)管理系統(tǒng)、 保護(hù)裝置等各種智能設(shè)備提供接口和協(xié)議的轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)處理功能， 實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)的透明傳輸。 網(wǎng)絡(luò)層支持多通信口， 支持通信鏈路的冗余，支持光纖通信，并具備在強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾、高濕度、高粉塵、腐蝕性氣體等環(huán)境下正常工作的性能。

3）主站層要求滿足穩(wěn)定、開放、靈活的原則。 為保障整個(gè)集中控制監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，主站層根據(jù)采集數(shù)據(jù)和共享信息對(duì)智能配電網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)控、分析決策，并提供人機(jī)交互界面。 主站層負(fù)責(zé)與智能電動(dòng)機(jī)控制中心、 具備通信接口的智能設(shè)備的實(shí)時(shí)通信，對(duì)整個(gè)廠區(qū)的設(shè)備運(yùn)行情況、電能質(zhì)量情況進(jìn)行在線監(jiān)控，并實(shí)現(xiàn)相關(guān)的分析、統(tǒng)計(jì)和診斷功能。

這種以主站為核心、終端為底層、通信網(wǎng)絡(luò)為神經(jīng)的控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)故障的快速處理，風(fēng)險(xiǎn)和隱患的識(shí)別及消除。 該項(xiàng)目低壓智能配電及信息管控系統(tǒng)的配電柜外觀如圖4 所示。 其結(jié)構(gòu)緊湊， 布局合理，采用標(biāo)準(zhǔn)化元件方案，具有獨(dú)有的二次走線通道，有效保障了智能方案通信的高質(zhì)量； 沒(méi)有過(guò)多的殘余布線，整體簡(jiǎn)潔明了，易于維護(hù)，非常適合智能化低壓智能配電系統(tǒng)的現(xiàn)行發(fā)展要求。 用戶反饋該配電系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信可靠，控制時(shí)效性強(qiáng)，故障率很低。

3 結(jié)論

綜上所述，傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)控制中心（MCC）多采用硬接線的模式， 且?guī)ㄐ诺脑蛟O(shè)備普遍價(jià)格較高。采用基于全網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的智能配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，電動(dòng)機(jī)機(jī)旁控制箱與智能電動(dòng)機(jī)控制中心直接采用通信線纜相連接， 不僅可以降低帶通信接口的元件或設(shè)備的成本造價(jià)， 其智能化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采集的數(shù)據(jù)量是傳統(tǒng)硬接線模式難以企及的。 所有數(shù)據(jù)在此網(wǎng)絡(luò)中自由交換和分析融合， 有效提高了對(duì)全廠用電設(shè)備控制的穩(wěn)定性和性能性， 成為電氣控制的一個(gè)重要方向。同時(shí)，因?yàn)閷?duì)傳統(tǒng)電纜連接的方式進(jìn)行了減量和優(yōu)化，智能電動(dòng)機(jī)控制中心（iMCC）在后期維護(hù)上也具有較大優(yōu)勢(shì)。工程應(yīng)用實(shí)踐也表明，基于全網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的低電壓智能化配電系統(tǒng)有效改善了傳統(tǒng)低壓配電系統(tǒng)的諸多問(wèn)題，在降低工程造價(jià)、減少運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本、提高集成度和兼容性、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、降低調(diào)試維護(hù)工作量等方面具有積極意義。