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淺談智能馬達(dá)控制中心MCC在冶金行業(yè)的應(yīng)用
摘要：分析智能馬達(dá)控制中心MCC的特點(diǎn)和構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，智能器件以及軟件。通過(guò)案例介紹了智能MCC在冶金行業(yè)轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：馬達(dá)控制中心；自動(dòng)控制；智能器件；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。
1 引言
電機(jī)控制中心(motor control center，MCC)產(chǎn)品在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用，可以集成各種電機(jī)控制和過(guò)程監(jiān)控設(shè)備。在傳統(tǒng)的MCC產(chǎn)品應(yīng)用中，控制系統(tǒng)主要是通過(guò)硬接線來(lái)實(shí)現(xiàn)與MCC的信息的傳輸，接線非常復(fù)雜，同時(shí)傳輸?shù)男畔⒁灿邢蕖?/font>
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能化器件的發(fā)展，誕生了將硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)三者緊密地集成在起的新型的智能馬達(dá)控制中心(iMCC)。其特點(diǎn)為：(1)含有內(nèi)置的通信網(wǎng)絡(luò)；(2)各單元含有具有網(wǎng)絡(luò)通信功能的智能化器件；(3)含有MCC專用的監(jiān)控軟件；(4)與控制系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，而不是硬接線傳輸信息。
2智能馬達(dá)控制中心MCC
2.1 NetLinx技術(shù)
NetLinx(圖1)是個(gè)開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)包括：
(1) DeviceNet適用于相對(duì)少量的數(shù)據(jù)通信的簡(jiǎn)單智能設(shè)備，減少硬接線，降低接線安裝成本。
(2) ControlNet適用于中量的數(shù)據(jù)通信，較高的確定性和/或冗余。
(3) EtherNet用于工廠級(jí)管理信息通信，特點(diǎn)是信息量大，傳輸速率高。
圖1 NetLinx三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
2.2內(nèi)置DeviceNET電纜以下特性：
(1) 減少由于控制端子原因造成的故障。
(2) 減少PLC系統(tǒng)I/O量，包括開(kāi)關(guān)量和模擬量。
(3) 減少控制電纜及相應(yīng)施工材料和人力成本。
2.3智能馬達(dá)控制元件
2.3.1 E3智能馬達(dá)保護(hù)器
E3智能馬達(dá)保護(hù)器提供下列主要功能：
(1)超越普通過(guò)載保護(hù)器的增強(qiáng)的保護(hù)功能。
(2)包括零序接地故障、PTC熱電阻輸入和過(guò)載、缺相、失速、堵轉(zhuǎn)、欠載、電流不平衡保護(hù)等。所有保護(hù)均采用數(shù)字化設(shè)定，準(zhǔn)確可靠，同時(shí)提供報(bào)警或/和脫扣功能。
(3)報(bào)警設(shè)定提供預(yù)先報(bào)警：提供預(yù)維護(hù)功能，提知道故障內(nèi)容。
(4)內(nèi)置式DeviceNet(DN)通信：所有控制不再需要外部PLC I/O模塊。
(5)提供4輸入點(diǎn)2輸出點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸入輸出點(diǎn)：用于采集接觸器和斷路器狀態(tài)及控制接觸器動(dòng)作。
(6)可設(shè)置保護(hù)報(bào)警功能：各種保護(hù)報(bào)警都可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要設(shè)置或屏蔽。
(7)內(nèi)部存儲(chǔ)使用信息：E3提供對(duì)用戶生產(chǎn)有用的預(yù)防性信息，包括脫扣預(yù)警時(shí)間、復(fù)位時(shí)間、熱容利用百分比以及近期5次報(bào)警和脫扣原因記錄等，另外還包括其他測(cè)量參數(shù)。
2.3.2 DeviceNet系統(tǒng)附件(DSA)
DSA主要用來(lái)控制普通馬達(dá)起動(dòng)器，并采集斷路器、接觸器和常規(guī)過(guò)載繼電器狀態(tài)。
(1) DSA提供4個(gè)輔助輸入點(diǎn)，適合于監(jiān)視觸點(diǎn)狀態(tài)、分?jǐn)嚅_(kāi)關(guān)、過(guò)載脫扣和手動(dòng)/自動(dòng)切換狀態(tài)。
(2) DSA提供2個(gè)輔助輸出點(diǎn)，用來(lái)直接控制馬達(dá)起動(dòng)器線圈(NEMA規(guī)格5或者IEC標(biāo)準(zhǔn)下304A接觸器)。
(3) (3)DSA提供DeviceNET設(shè)備接口，可以通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸器的控制及相應(yīng)狀態(tài)的檢測(cè)。
(4) DSA不能傳輸模擬量，所以般用于非關(guān)鍵設(shè)備的電機(jī)控制。還有帶DeviceNet通信的變頻器和軟起動(dòng)器。
2.4 MCC監(jiān)視軟件
智能MCC配置有專用軟件，檢測(cè)MCC的各種數(shù)據(jù)及狀態(tài)。MCC軟件減少了代價(jià)不菲的MCC監(jiān)視畫(huà)面軟件的開(kāi)發(fā)費(fèi)用，提供了即插即用的解決方案，即便是計(jì)算機(jī)新手樣能夠應(yīng)付自如。以下幾點(diǎn)給出了典型的智能電機(jī)控制中心軟件的基本特性。
(1)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信．配置和構(gòu)建集成通信網(wǎng)絡(luò)通常是非常耗時(shí)的事情。然而，理想情況下，MCC制造商將用戶特定信息(自定義或標(biāo)準(zhǔn)圖紙)，如節(jié)點(diǎn)地址和波特率下載到MCC產(chǎn)品，然后測(cè)試整個(gè)系統(tǒng)的功能和通信精度。
(2)顯示預(yù)先組態(tài)的畫(huà)面，提供常見(jiàn)的參數(shù)：智能MCC軟件可提取用戶定義的數(shù)據(jù)文件，顯示相關(guān)畫(huà)面，預(yù)定義軟件畫(huà)面非常有幫助。
(3)柜面布置圖：提供MCC柜面的實(shí)際布置圖，顯示單元類型、狀態(tài)及各種信息。
(4)D定回路的詳細(xì)信息圖：提供相應(yīng)回路的各種信息。
(5)數(shù)據(jù)訪問(wèn)可以在任何級(jí)別的網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行，用戶可以在任何級(jí)別的網(wǎng)絡(luò)上F問(wèn)MCC數(shù)
據(jù)，如設(shè)備網(wǎng)、控制網(wǎng)或以太網(wǎng)。
(6)包含所有和用戶相關(guān)的文檔：綜合的文檔庫(kù)軟件提供了完整的文檔集，用以減少故障出現(xiàn)時(shí)找不到元件手冊(cè)的情況。這些文檔包括：①單元接線圖；②MCC柜面布置圖；③產(chǎn)品用戶手冊(cè)；④備品備件列表。
2.5成本估計(jì)
智能MCC采用了通信網(wǎng)絡(luò)電纜來(lái)取代各種硬接線。但是MCC產(chǎn)品通常是工廠內(nèi)預(yù)接線，而且線纜很短，批量又多，成本比較低。這種情況下DeviceNet的勢(shì)很明顯：①傳統(tǒng)MCC傳統(tǒng)的器件和硬接線；②DeviceNet MCC智能器件和通信電纜；③PLC系統(tǒng)分別為傳統(tǒng)的I/O模塊和通信模塊；④兩種情況下都要求開(kāi)關(guān)控制，要求每個(gè)單元對(duì)1～4個(gè)輸入點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
較之傳統(tǒng)MCC，DeviceNet MCC成本基本與之持平。但是DeviceNet連接的方式給用戶帶來(lái)的好處卻是顯然的。單元的移動(dòng)的靈活性增強(qiáng)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)接線和文檔等。而且，采用新型智能元件如E3、交流變頻器、軟起動(dòng)器等，付出不大的代價(jià)，卻能夠得到諸多高級(jí)控制和監(jiān)視、診斷功能，給客戶帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益更大。所以，智能MCC解決方案正越來(lái)越成為許多重要場(chǎng)合，如石化、冶金、水泥、造紙等行業(yè)應(yīng)用的選。
2.6點(diǎn)分析
智能MCC以減少設(shè)計(jì)、安裝和文檔編制時(shí)間的形式實(shí)現(xiàn)了可觀的成本節(jié)約。節(jié)省經(jīng)費(fèi)的原因是對(duì)電纜的需求大大減少，包括電纜支架和接口設(shè)備，例如終端箱、控制系統(tǒng)I/O模塊和插入繼電器。事實(shí)上，與傳統(tǒng)的MCC安裝相比，智能MCC用戶報(bào)告的安裝成本降低了15％。用戶通過(guò)改進(jìn)診斷實(shí)現(xiàn)額外的成本節(jié)約，這有助于更快地進(jìn)行故障排除。
如果沒(méi)有智能電機(jī)控制、預(yù)配置的MCC軟件以及允許技術(shù)人員收集數(shù)據(jù)和配置設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，工程N(yùn)41"J將被迫使用反復(fù)試驗(yàn)的方法。有了所有這些特性，工程師們花了幾分鐘的時(shí)間來(lái)解決每個(gè)問(wèn)題，而不是幾個(gè)小時(shí)。
3案例分析
3.1項(xiàng)目背景
案例興澄特鋼的轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)，水處理系統(tǒng)，RH系統(tǒng)的主要機(jī)械設(shè)備和設(shè)施均從外進(jìn)口，對(duì)相應(yīng)的控制設(shè)備的要求也很高。合適的MCC成為項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵。
3.2智能MCC在興澄特鋼的應(yīng)用
智能MCC在興澄特鋼的轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)，水處理系統(tǒng)，RH系統(tǒng)都到了應(yīng)用。圖2為智能MCC的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。系統(tǒng)特點(diǎn)：智能電機(jī)控制中心在柜體結(jié)構(gòu)中內(nèi)置設(shè)備網(wǎng)通信電纜，并貫穿整個(gè)電機(jī)控制中心組，每個(gè)柜體中預(yù)留6個(gè)設(shè)備網(wǎng)接口用于垂直槽。設(shè)備網(wǎng)通信電纜用于傳輸控制數(shù)據(jù)，有效減少了PLC I/O模塊和硬接線的數(shù)量。
圖2轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)MCC的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)
本系統(tǒng)中有兩種智能MCC接口模塊：DSA模塊和E3 PLUS模塊用于馬達(dá)的直接起動(dòng)。
(1)DSA模塊主要用在不需要模擬量和報(bào)警信息傳送的電機(jī)啟動(dòng)控制單元中。本系統(tǒng)的主要輸入信號(hào)有：電機(jī)準(zhǔn)備就緒、手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換、操作和故障等，輸出信號(hào)為設(shè)備的啟動(dòng)和停止信號(hào)。具有DN通信接口，4DI/2DO。用于傳輸相關(guān)器件的開(kāi)合狀態(tài)。
(2)E3 PLUS是種電子智能電機(jī)保護(hù)器，用于電機(jī)控制單元，能夠向上位控制系統(tǒng)提供模擬信號(hào)和及電機(jī)的各種狀態(tài)信號(hào)。與DSA模塊樣，E3 PLUS模塊具有內(nèi)置的DN網(wǎng)絡(luò)接口，提供4DI/2DO。同時(shí)，E3 PLUS具有過(guò)載、缺相、缺相、失速、閉鎖、接地故障、PTC熱電阻輸人等可編程保護(hù)功能。該系統(tǒng)中較多地使用了E3 PLUS，使得軟硬件及網(wǎng)絡(luò)得以緊密結(jié)合，整合了MCC監(jiān)控和廠級(jí)網(wǎng)絡(luò)有效連接。智能電機(jī)控制中心的監(jiān)控軟件能獲得較之于傳統(tǒng)的電機(jī)控制中心更多的設(shè)備級(jí)診斷功能。它能夠在內(nèi)部看到和監(jiān)控每個(gè)電機(jī)。如果電機(jī)跳閘，智能電機(jī)控制中心可以指示跳閘原因：缺相、失速、過(guò)載或接地故障，并可以方便地與控制層和網(wǎng)絡(luò)層連接。
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(guò)程中出現(xiàn)的過(guò)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
技術(shù)參數(shù) | 技術(shù)指標(biāo) | |||
ARD2(L) | ARD2F | ARD3 | ||
輔助電源 | 電壓 | AC85V~265V/DC100V~350V | ||
功耗 | ≤7VA | ≤15VA | ||
額定工作電壓 | AC380V/AC660V，50Hz/60Hz | |||
額定工作電流 | 1A（0.1～9999） | |||
5A（0.1～9999） | ||||
1.6A（0.4A～1.6A） | ||||
6.3A（1.6A～6.3A） | ||||
25A（6.3A～25A） | ||||
100A（25A～100A） | ||||
250A（63A～250A） | ||||
800A（250A～800A） | ||||
繼電器輸出觸點(diǎn)容量 | AC250V/3A；DC30V/3A | AC250V/6A | ||
開(kāi)關(guān)量輸入 | 2路 | 9路 | ||
環(huán)境 | 工作溫度：-10ºC～55ºC | |||
貯存溫度：-20ºC～65ºC | ||||
相對(duì)濕度：5﹪～95﹪不結(jié)露 | ||||
海拔高度：≤2000m | ||||
污染等級(jí) | 2 | |||
防護(hù)等級(jí) | IP20 | 主體IP20,顯示單元IP45 | ||
安裝類別 | III級(jí) | |||
4.2.2模塊式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器
技術(shù)參數(shù) | 技術(shù)指標(biāo) | ||
ARD3T輔助電源 | AC/DC110/220V或AC380V，功耗≤15VA | ||
電機(jī)額定工作電壓 | AC380V/660V，50Hz/60Hz | ||
電動(dòng)機(jī)額定工作電流 | 1.6（0.40A-2.00A） | 使用測(cè)量模塊測(cè)量 | |
6.3（1.6A-6.3A） | |||
25（6.3A-25A） | |||
100（25A-100A） | |||
250（63A-250A） | 采用外置電流互感器+測(cè)量模塊 | ||
800（250A-800A） | |||
漏電 | 50mA-1A | 采用測(cè)量模塊+漏電流互感器 | |
3A-30A | |||
繼電器輸出觸點(diǎn)容量 | 阻性負(fù)載 | AC250V、6A；DC24V、6A | |
感性負(fù)載 | AC250V、2A；DC24V、2A | ||
主體開(kāi)關(guān)量輸入、輸出 | 4DI、4DO，DI可以為干節(jié)點(diǎn)或濕節(jié)點(diǎn) | ||
開(kāi)關(guān)量模塊 | 4DI、3DO，DI可以為干節(jié)點(diǎn)或濕節(jié)點(diǎn) | ||
溫度模塊 | 外接傳感器類型：PT100、PT1000、Cu50、PTC、NTC 傳感器路數(shù)：3路 傳感器對(duì)應(yīng)測(cè)量范圍： PT100/PT1000：-50°C～+500°C Cu50：-50°C～+150°C PTC/NTC：100Ω～30kΩ | ||
模擬量模塊 | 可實(shí)現(xiàn)：2路4～20mA輸入測(cè)量，2路4～20mA變送輸出4～20mA輸入測(cè)量精度±0.5%4～20mA輸出帶載能力為≤500Ω | ||
主體通訊 | RS485：Modbus-RTU | ||
通訊模塊 | RS485：雙Modbus-RTU、Profibus | ||
環(huán)境 | 工作溫度 | -10ºC～55ºC | |
貯存溫度 | -25ºC～65ºC | ||
相對(duì)濕度 | ≤95﹪不結(jié)露，無(wú)腐蝕性氣體 | ||
海拔 | ≤2000m | ||
污染等級(jí) | 3級(jí) | ||
防護(hù)等級(jí) | 主體IP20，分體顯示模塊IP45（安裝在柜體上） | ||
安裝類別 | III級(jí) | ||
4.3產(chǎn)品選型
功能 | ARD2 | ARD2L | ARD2F | ARD3 | ARD3T | ||
應(yīng)用場(chǎng)合 | 低壓0.4kv-1.14kv電動(dòng)機(jī)保護(hù) | ||||||
保護(hù)功能 | 起動(dòng)超時(shí) | √ | √ | √ | √ | √ | |
過(guò)載 | √ | √ | √ | √ | √ | ||
欠載 | √ | √ | √ | √ | √ | ||
短路 | √ | √ | √ | √ | √ | ||
阻塞 | √ | √ | √ | √ | √ | ||
堵轉(zhuǎn) | √ | √ | √ | √ | √ | ||
不平衡 | √ | √ | √ | √ | √ | ||
反饋超時(shí) |
|
|
|
| √ | ||
外部故障 | ■ | ■ | ■ | √ | √ | ||
模塊結(jié)構(gòu)故障 |
|
|
|
| √ | ||
內(nèi)部故障 |
|
|
|
| √ | ||
過(guò)壓 |
|
| ■ | ■ | ■ | ||
欠壓 |
|
| ■ | ■ | ■ | ||
斷相 | √ | √ | √ | √ | √ | ||
相序 |
|
| ■ | ■ | ■ | ||
過(guò)功率 |
|
| ■ | ■ |
| ||
欠功率 |
|
| ■ | ■ | ■ | ||
tE時(shí)間 |
|
| ■ | ■ | ■ | ||
主體溫度保護(hù) |
|
| ■ | ■ | √ | ||
主體溫度傳感器故障 |
|
|
|
| √ | ||
模塊溫度保護(hù) |
|
|
|
| ■ | ||
模塊溫度傳感器故障 |
|
|
|
| ■ | ||
報(bào)警 | ■ | ■ | ■ | √ | √ | ||
失壓重起（抗晃電） |
|
| ■ | ■ | ■ | ||
4-20mA輸入保護(hù) |
|
|
|
| ■ | ||
剩余電流 （選種） | 接地 | √ | √ | √ | √ | √ | |
漏電 | ■ | ■ | ■ | ■ | ■ | ||
通訊功能 | Modbus_RTU | ■ | ■ | ■ | ■ | √ | |
雙Modbus_RTU |
|
| ■ |
| ■ | ||
開(kāi)關(guān)量 輸入 | 2路 | ■ | ■ |
|
|
| |
6路 |
|
|
|
|
| ||
8路 |
|
|
|
| 4路標(biāo)配4路選配 | ||
9路 |
|
| ■ | √ |
| ||
繼電器 輸出 | 4路 | 2路標(biāo)配 2路選配 |
|
|
| ||
5路 |
|
| 2路標(biāo)配 3路選配 | √ |
| ||
6路 |
|
|
|
|
| ||
7路 |
|
|
|
| 4路標(biāo)配3路選配 | ||
液位信號(hào)輸入 | 浮球式液位傳感器輸入 |
|
|
|
|
| |
干簧式液位傳感器輸入 |
|
|
|
|
| ||
液位變送輸入 |
|
|
|
|
| ||
起動(dòng)控制 |
|
| ■ | √ | √ | ||
4-20mA模擬量輸出 | ■ | ■ | ■ | ■ | ■ | ||
事件記錄 | 8條事件記錄 | ■ | ■ |
|
| √ | |
20條事件記錄 |
|
| ■ | ■ |
| ||
運(yùn)行信息記錄 |
|
| √ | √ | √ | ||
邏輯功能 | 定時(shí)器 |
|
|
|
| √ | |
計(jì)數(shù)器 |
|
|
|
| √ | ||
真值表 |
|
|
|
| √ | ||
參數(shù)測(cè)量 | 三相電流 | √ | √ | √ | √ | √ | |
漏電流 |
|
| ■ | ■ | ■ | ||
三相電壓 |
|
| ■ | ■ | ■ | ||
功率、功率因數(shù) |
|
| ■ | ■ | ■ | ||
頻率 | √ | √ | √ | √ | √ | ||
電能 |
|
|
| ■ | ■ | ||
PTC/NTC |
|
| ■ | ■ | √ | ||
4-20mA輸入 |
|
|
|
| ■ | ||
測(cè)溫模塊 |
|
|
|
| ■ | ||
液位高度 |
|
|
|
|
| ||
界面顯示 | LED數(shù)碼管顯示 | √ |
|
|
|
| |
LCD液晶顯示 |
| √ | ■ | ■ | ■ | ||
說(shuō)明：“√”表示具備，“■”表示可選。
5.結(jié)束語(yǔ)
隨著智能設(shè)備的成本不斷下降，智能MCC為控制系統(tǒng)提供了個(gè)利用技術(shù)中獲益的好機(jī)會(huì)，包括改善診斷、提高系統(tǒng)可靠性、設(shè)計(jì)靈活性和簡(jiǎn)化布線。雖然穩(wěn)定、可靠的設(shè)計(jì)對(duì)于幫助控制故障和減少停機(jī)時(shí)間至關(guān)重要，但同樣重要的是當(dāng)今智能MCC的設(shè)備級(jí)網(wǎng)絡(luò)功能。智能MCC技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到既實(shí)用又經(jīng)濟(jì)地利用網(wǎng)絡(luò)化智能電機(jī)控制設(shè)備的地步。這種技術(shù)為高級(jí)監(jiān)視、控制和診斷提供了擴(kuò)展的機(jī)會(huì)，為用戶提供了重要的新信息，以防止或減少停機(jī)時(shí)間。
由于大多數(shù)信息可以遠(yuǎn)程獲取，因此智能MCC可以通過(guò)減少啟動(dòng)和故障排除過(guò)程中暴露在危險(xiǎn)電壓下來(lái)幫助提高安全性。在這個(gè)注重減少開(kāi)支的時(shí)代，成本是實(shí)施這項(xiàng)新技術(shù)的動(dòng)力。
綜合上述點(diǎn)，智能MCC將成為未來(lái)MCC項(xiàng)目的重要任務(wù)。
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