淺談在水泥熟料生產(chǎn)線中 采用了智能電機(jī)保護(hù)器

劉丹
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：本文介紹了傳統(tǒng)電氣控制回路保護(hù)方式和電機(jī)保護(hù)器保護(hù)方式，分析了電機(jī)保護(hù)器的主要功能和優(yōu)勢(shì)，給出了在巴西MZBA3000t/d熟料生產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用，該控制系統(tǒng)投入運(yùn)行后，系統(tǒng)運(yùn)行安全、穩(wěn)定、可靠，能夠滿足水泥工業(yè)生產(chǎn)所需的各項(xiàng)工藝技術(shù)指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：電氣控制; 電機(jī)保護(hù)器;

0 引言
  水泥生產(chǎn)企業(yè)屬于能耗高，污染大同時(shí)需要設(shè)備連續(xù)不間斷運(yùn)行的行業(yè)，而電機(jī)設(shè)備是水泥生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)用廣泛的動(dòng)力裝置，對(duì)電動(dòng)機(jī)設(shè)備可靠性和穩(wěn)定性的要求較高，一旦發(fā)生事故就必須盡快查明原因及時(shí)處理，以保證及時(shí)恢復(fù)生產(chǎn)。傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的控制和保護(hù)只能通過普通電氣元件，電纜與DCS系統(tǒng)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)硬件連接，保護(hù)功能少，獲取的狀態(tài)信息有限，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的綜合保護(hù)和詳細(xì)的故障檢測(cè)及遠(yuǎn)程通訊等更高要求。隨著智能電氣設(shè)備的更新?lián)Q代和工藝控制流程的不斷完善，尤其是自動(dòng)化和智能化等生產(chǎn)要求，迫切需要完善電動(dòng)機(jī)控制和保護(hù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的測(cè)控、故障診斷及集中管理等功能。

1 采用傳統(tǒng)電氣控制回路保護(hù)方式
  巴西MZBA水泥粉磨站系統(tǒng)位于巴西東北部城市莫索羅境內(nèi)，原水泥粉磨站系統(tǒng)擁有大量低壓三相異步電動(dòng)機(jī)，在電機(jī)控制和保護(hù)中利用傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)控制回路，見圖1。在此控制回路中，主電路由斷路器QF、接觸器KM的主觸頭、熱繼電器FR的熱元件與電動(dòng)機(jī)M構(gòu)成。當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載時(shí)，熱繼電器脫扣以保護(hù)電動(dòng)機(jī)，與接觸器搭配使用在電路中起斷相保護(hù)作用。控制回路中由現(xiàn)場(chǎng)按鈕箱(轉(zhuǎn)換開關(guān)、起/停按鈕)、熔斷器、接觸器的常開/常閉觸頭、
  來自DCS控制系統(tǒng)的觸點(diǎn)、熱繼電器的輔助觸點(diǎn)等組成，由此實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)通過起/停按鈕或由中控DCS系統(tǒng)控制電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和停止。

圖1 傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)控制回路

  原水泥磨系統(tǒng)電機(jī)控制和保護(hù)利用傳統(tǒng)的斷路器、接觸器、熱繼電器等普通電氣元件來實(shí)現(xiàn)，可靠性差，保護(hù)功能不，無法對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)施的保護(hù)，易造成因保護(hù)不及時(shí)造成電動(dòng)機(jī)停機(jī)或故障。此外所有連接都是通過硬接線連接來實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)回路的控制，設(shè)備維護(hù)不方便，傳送信息有限。

2 采用電機(jī)保護(hù)器保護(hù)方式
  巴西MZBA3000t/d熟料水泥生產(chǎn)線是合肥水泥研究設(shè)計(jì)院在原有水泥磨系統(tǒng)基礎(chǔ)上新增設(shè)計(jì)的一條熟料生產(chǎn)線，該項(xiàng)目在低壓電動(dòng)機(jī)的保護(hù)和控制上，選用了基于現(xiàn)場(chǎng)總線的電動(dòng)機(jī)控制和保護(hù)單元（Motor Control & Protection Unit，縮寫為MCU），采用電機(jī)保護(hù)器的控制回路，見圖2。在此控制回路中，主電路由斷路器+接觸器+電動(dòng)機(jī)保護(hù)器構(gòu)成，其中電機(jī)保護(hù)器是回路中主要的核心元件。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的額定電流≤63A 時(shí)，主回路的三相出線可以直接穿過的電流測(cè)量單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)三相電流的測(cè)量取樣，用來實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)及現(xiàn)場(chǎng)中控的顯示。當(dāng)額定電流>63A 時(shí)不能用于直接測(cè)量，需要配合外部電流互感器 CT (二次側(cè)輸出為 1A 或 5A)進(jìn)行電流測(cè)量。直接將電源的三相火線及中性線接到電壓輸入端子，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)三相線電壓和相電壓的測(cè)量取樣。額定工作電壓為DC24V，按開關(guān)量外部輸入電源劃分，可分為AC240V、DC24V兩種，前者有9點(diǎn)開關(guān)量輸入，后者有13點(diǎn)開關(guān)量輸入?？紤]到MZBA3000t/d熟料水泥生產(chǎn)線皮帶輸送機(jī)，提升機(jī)等都安裝有拉繩開關(guān)、跑偏開關(guān)，料位開關(guān)等，所需開關(guān)量輸入較多，故為所有電機(jī)機(jī)配置了開關(guān)量輸入電源為DC24V的。還具有先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)總線接口PrfibusDP的通信設(shè)計(jì)，保證了與DCS系統(tǒng)通信的快速可靠，同時(shí)能快速響應(yīng)上位機(jī)的實(shí)時(shí)查詢等要求并執(zhí)行相應(yīng)操作。標(biāo)準(zhǔn)的配置，為熟料水泥生產(chǎn)線低壓電動(dòng)機(jī)提供了一整套化的集保護(hù)、控制、監(jiān)測(cè)與通訊于一體的智能化管理方案。電機(jī)保護(hù)器主要功能如下。

圖2 電機(jī)保護(hù)器的電動(dòng)機(jī)控制回路

（1）保護(hù)功能。 完善的電機(jī)保護(hù)是對(duì)電機(jī)運(yùn)行過程中的各種運(yùn)行狀況的詳細(xì)信息進(jìn)行采集跟蹤，通過對(duì)故障報(bào)警、保護(hù)動(dòng)作（保護(hù)脫扣）以及動(dòng)作延時(shí)時(shí)間的設(shè)定來實(shí)現(xiàn)及時(shí)準(zhǔn)確的保護(hù)，保證生產(chǎn)的安全。在設(shè)備可能產(chǎn)生重大故障前，及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并記錄故障信息，方便維護(hù)人員查找故障原因并作出及時(shí)處理，避免不必要的停機(jī)，保證設(shè)備運(yùn)行的性。通過對(duì)電動(dòng)機(jī)的三相電壓、三相電流、漏電電流、接觸器狀態(tài)、主開關(guān)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的多種保護(hù)，完善的電機(jī)綜合保護(hù)功能，保證了水泥廠生產(chǎn)工作的安全連續(xù)運(yùn)行。
（2）控制功能?？蓪?shí)現(xiàn)各種不同的電機(jī)起動(dòng)控制方式，電動(dòng)機(jī)的控制權(quán)限包括現(xiàn)場(chǎng)控制及遠(yuǎn)程控制，通過對(duì)控制權(quán)限的選擇規(guī)定電機(jī)控制的優(yōu)先權(quán)。各種需要的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制方式已集成在裝置中；包括直接起動(dòng)、正反轉(zhuǎn)直接起動(dòng)、Y/Δ起動(dòng)、自耦變壓器降壓起動(dòng)、軟起動(dòng)器控制等。
（3）監(jiān)測(cè)功能。 提供豐富的電機(jī)運(yùn)行監(jiān)測(cè)功能，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)總線上傳到上位機(jī)集中管理，同時(shí)通過安裝在開關(guān)柜面板上的操作面板 MD 直接顯示，用戶可以直接通過面板查看各電參量值，操作面板上還有相應(yīng)的指示燈，可以直接顯示裝置目前的工作狀態(tài)，在發(fā)生故障時(shí)還以文本方式指示警告原因或脫扣原因。 可以監(jiān)測(cè)電機(jī)運(yùn)行、停機(jī)、故障脫扣等狀態(tài)信號(hào)，可以監(jiān)測(cè)電機(jī)故障信息，包括過載、斷相、三相不平衡、接地故障、電機(jī)熱保護(hù)等信息。
（4）通訊功能。通過RS485接口，采用Profibus DP通信協(xié)議，與DCS系統(tǒng)進(jìn)行通信，Profibus DP是一種主-從式的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，在DCS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中它作為 Profibus 從站。 的Profibus DP通訊接口芯片采用西門子公司的SPC3芯片，通訊介質(zhì)通常采用屏蔽雙絞線，其通訊速率為1.5 Mbit/s。在DCS系統(tǒng)硬件配置中
的通訊連接，見圖3。

圖3 電機(jī)保護(hù)器的通訊連接

3 電機(jī)保護(hù)器的優(yōu)勢(shì)
  電機(jī)保護(hù)器在巴西MZBA3000t/d熟料生產(chǎn)線的應(yīng)用中，和原水泥粉磨站系統(tǒng)傳統(tǒng)的電機(jī)控制方式相比較已經(jīng)充分體現(xiàn)出諸多的*性，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：
（1）電機(jī)保護(hù)器由基于微處理器技術(shù)開發(fā)研制的電動(dòng)機(jī)保護(hù)與控制裝置，各種保護(hù)功能可通過參數(shù)設(shè)置軟件 MCUSetup輕松設(shè)置，通過對(duì)三相電流、電壓的監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的智能化保護(hù)、控制及監(jiān)測(cè)，為電動(dòng)機(jī)提供的完備保護(hù)，避免了因電動(dòng)機(jī)過載，堵轉(zhuǎn)，接地故障，斷相等可能故障導(dǎo)致的生產(chǎn)事故，可以滿足絕大多數(shù)用戶的需要，保證了電機(jī)設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性。
（2）是具有先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)總線接口，采用了Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，以I/O站為基礎(chǔ)，與總線控制器相結(jié)合，盡量發(fā)揮現(xiàn)場(chǎng)總線布線靈活的優(yōu)勢(shì)，通過接線方式設(shè)計(jì)的改變，本系統(tǒng)比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的DCS更節(jié)省了I/O模件數(shù)量及裝置室的空間；同時(shí)減少了大量電纜，可以極大節(jié)省安裝費(fèi)用，降低系統(tǒng)成本。同時(shí)， 標(biāo)準(zhǔn)的配置，完善的功能，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)回路的維護(hù)，提高了水泥生產(chǎn)的連續(xù)性和可靠性。
（3）隨著新一代的控制系統(tǒng)如FCS、NCS等的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的電氣元器件難以實(shí)現(xiàn)集中管理、分散控制的要求， Profibus DP/RS485的通訊設(shè)計(jì)，保證了與上位機(jī)通訊的快速可靠，同時(shí)能快速響應(yīng)上位機(jī)的實(shí)時(shí)查詢等要求并執(zhí)行相應(yīng)操作。
（4）此外， 增加了一些特殊的控制功能，如:分組起動(dòng)，自動(dòng)重起動(dòng)，起動(dòng)次數(shù)限制等，防止電動(dòng)機(jī)的頻繁啟動(dòng)等，可以滿足在一些特殊情況下的應(yīng)用，而在傳統(tǒng)的控制方式中，實(shí)現(xiàn)這些功能比較困難。

4.安科瑞智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器介紹
4.1產(chǎn)品介紹
  智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器(以下簡(jiǎn)稱保護(hù)器)，采用單片機(jī)技術(shù)，具有抗干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定可靠、數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等特點(diǎn)。保護(hù)器能對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的過載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉(zhuǎn)、阻塞、外部故障等多種情況進(jìn)行保護(hù)，并設(shè)有SOE故障事件記錄功能，方便現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員查找故障原因。適用于煤礦、石化、冶煉、電力、以及民用建筑等領(lǐng)域。本保護(hù)器具有RS485遠(yuǎn)程通訊接口，DC4-20mA模擬量輸出，方便與PLC、PC等控制機(jī)組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4.2技術(shù)參數(shù)
4.2.1數(shù)字式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器

4.2.2模塊式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器

4.3產(chǎn)品選型

說明：“√"表示具備，“■"表示可選。

5結(jié)束語
  本水泥熟料生產(chǎn)線控制系統(tǒng)投入運(yùn)行后，系統(tǒng)運(yùn)行安全、穩(wěn)定、可靠，能夠滿足水泥工業(yè)生產(chǎn)所需的各項(xiàng)工藝技術(shù)指標(biāo)，所選用的基于現(xiàn)場(chǎng)總線的 電機(jī)保護(hù)器為水泥廠低壓電動(dòng)機(jī)提供了一整套化的集保護(hù)、控制、監(jiān)測(cè)與通訊于一體的智能化管理方案，在現(xiàn)場(chǎng)使用考核中具有良好的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性和先進(jìn)性，提升了水泥企業(yè)的自動(dòng)化程度，同時(shí)對(duì)提高水泥產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量，降低能耗，實(shí)現(xiàn)“生態(tài)文明建設(shè)"等方面都有著顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)
[1]郭 劍.電機(jī)保護(hù)器在水泥熟料生產(chǎn)線中的應(yīng)用
[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2020.06版