基于西門子PROFIBUS協議智能馬達

 控制中心在某氯化項目中的應用

上海安科瑞電氣股份有限公司

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1、概述

馬達控制中心又稱電機控制中心或電動機控制中心，英文名稱為MOTOR CONTROL CENTER，簡稱MCC。智能 MCC將馬達過載、缺相、接地故障、失速、堵轉、欠載電流、馬達超溫、電流不平衡等故障通過內置PROFIBUS網絡傳輸到控制中心（PLC）、監控中心（PC機），并獲得簡化的故障排除方法。智能化MCC已被廣泛用于冶金、紡織、輕工、石化、電力等廠礦企業以及交通運輸和市政建設等行業。在某氯化鉀項目中，整個系統全部選用智能化MCC實現所有設備的控制、監測保護以及電力監控等功能。

智能MCC 其特點是將傳統對單一的馬達進行保護延伸到對設備運行狀態進行監控。并采用獨特的中央母線設計，內嵌先進的網絡總線PROFIBUS，器件上采用西門子的接觸器、交流變頻器、軟啟動器和PLC，以及安科瑞 （Acrel）的ARD系列馬達保護器、ACR系列多功能網絡儀表、ACR系列諧波表等產品，構成了結構合理、占地面積小、包含各種先進的自動控制設備、現場總線控制的完整的自動化系統控制裝置。

2、項目介紹

某氯化鉀項目，在原有年產30萬噸的基礎上擴大到年產100萬噸的規模。把西門子自動化系統產品的全方位應用到該氯化鉀項目中，實現了從110KV供電向下的全部控制功能，系統中使用了上百套安科瑞（Acrel）的電力監控儀表和ARD系列馬達保護器，以及西門子的變頻器和PLC（可編程序控制器），是西門子自動化產品在中國的最典型應用，并與無線網絡系統、GPS定位系統一起組成了一個先進的工廠自動化系統。此系統的一個顯著特點是整個系統通過使用了智能化MCC，實現了所有設備的網絡控制與監控，也是目前在中國地區內使用羅克韋爾智能化MCC產品數量最多、規模最大的一個系統。

3、系統結構

氯化鉀生產工藝整個過程包括原礦的采集、原礦的輸送和由原礦加工成產品幾部分。原礦的采集是通過多條水采機組在鹽田中不斷的采掘，并將采掘到的礦料輸送到岸上的泵站；原礦的輸送就是將由水采機組采集到的原礦通過多級泵站輸送，經過數十公里輸送到加工廠；加工廠將源源不斷的原礦經過過濾、結晶、并加入化學藥劑，經過物理化學過程生產出成品氯化鉀。水采機組和加工廠兩部分的控制設備全部安裝在智能化MCC柜體內。

3.1 水采機組系統

水采機組系統包括岸基站、六套水采船和六套活動加壓站系統。岸基站為水采機組控制系統的中心，包括一臺操作員站、一臺工程師站和一套由SLC5/05組成的可編程序控制器系統，負責對岸基站設備的控制；操作站、工程師站、可編程序控制器之間使用以太網并通過無線以太網電臺與六套水采船通信。六套水采船的控制系統完全一樣，每套水采船由6面MCC柜體組成。

上位機包括二臺前操作員站、二臺后操作員站；下位機由S7-300組成的可編程序控制器系統，占用MCC柜體的1個單元，實現對整個水采船的控制；前后操作員站、可編程序控制器之間使用以太網并通過無線以太網電臺向上與岸基站通信，向下通過無線串行電臺與活動加壓站通信。六臺活動加壓站的控制系統也完全一樣，分別與六條水采船相對應，每套活動加壓站系統由4面MCC柜體組成。

活動加壓站系統包括一個PanelView 550操作監控站和一套由S7-300組成的可編程序控制器系統，實現活動加壓站的控制。

3.2 加工廠系統

加工廠系統按照工藝過程分成十個子控制系統，包括加工廠1-6號系統、冷結晶1號系統、冷結晶2號系統、干燥車間系統和包裝車間系統。加工廠中心控制室中配備了6臺操作員站和1臺工程師站，在上一級采用了以太網網絡，在下一級采用PROFIBUS網絡。加工廠系統中每個子系統中MCC柜的配置與水采機組類似，不再介紹。

4、智能MCC配置

系統中所有智能化MCC柜進線電源為交流380V，3相4線制，頻率50Hz,最大允許故障電流為50KA；每面柜配有水平電纜線槽和垂直電纜線槽(變頻柜除外)，使得電纜聯結及鋪設非常方便。通過PROFIBUS總線將西門子PLC、交流變頻器、軟啟動器，以及安科瑞（Acrel）的智能電動機保護器、ACR系列多功能網絡表、ACR系列諧波表等電力監控單元連接起來，實現了PROFIBUS現場總線控制。本系統所設計的MCC主要包括以下幾個單元：

l 主進線單元

主進線單元分別為西門子斷路器,允許故障電流為50KA。配置電子脫扣單元。

l 計量單元

開關柜內配置安科瑞（Acrel）新型ACR系列多功能網絡儀表、諧波表，可以同時檢測電壓、電流、有功、無功、電能、以及諧波等電參數,通過內置PROFIBUS網絡接口, 可將以

上電氣參數通過現場總線PROFIBUS上傳至監控中心。

l 饋電單元

所有饋電單元均為西門子斷路器，允許故障電流為65KA。

l 電機起動單元
    柜內所有起動單元通斷控制元件均采用西門子斷路器，根據實際負荷及電機滿載電流選型配置。熱繼電器為MCS-E3電子式智能脫扣保護等級,手動復位。該熱繼電器直接配裝在接觸器上，實現電機的控制和保護。E3過載繼電器有兩個4開關量輸入點，2個開關量輸出點，1個輸出觸點控制接觸器的控制線圈，由操作站通過內置的PROFIBUS通訊協議發出控制指令；E3過載繼電器還具有可編程保護功能(報警,跳閘,延時,禁止視窗)，可以保護電機因過載、失相/相間不平衡、堵轉(起動/運行)、接地等而引起的故障。

l 變頻器單元
    在活動加壓站內配置了1 臺132KW 西門子變頻器；1臺600KW 西門子變頻器，在水采機內配置了3 臺132KW 西門子變頻器；1臺西門子的450KW變頻器，進線均采用刀熔開關，配PROFIBUS通訊模件,柜門安裝人機操作面板。所有變頻器既可以從操作面板進行本地控制，也可在操作站通過PROFIBUS實現網絡控制；變頻器的運行狀態也通過PROFIBUS顯示在操作站上。

l PROFIBUS網絡
    MCC柜內置PROFIBUS網絡，通過PROFIBUS網絡可以將所有控制參數反饋至操作站，并將控制指令下達給每個電機控制單元，使得整個MCC系統成為數字式控制MCC，減少了控制線的接線，對外除了動力電纜, 不需要任何常規控制電纜，從而大大提高了系統的可靠性與穩定性。

5、基于PROFIBUS協議智能MCC系統架構

基于PROFIBUS協議MCC系統架構圖

系統分為三層:現場設備層、PLC數據處理層以及運行監控層。現場控制層由現場智能設備、現場智能儀表、遠程I/O 和網絡設備構成。在現場設備層，通過PROFIBUS總線，集成具有通信功能的智能線路保護設備、電機驅動控制設備以及ET200S數據采集與控制裝置等。如西門子的軟起動器、變頻器，安科瑞的ACR系列多功能網絡儀表、ACR系列諧波儀表及ARD系列智能電動機保護器等。

PLC數據處理層位于現場設備層和運行監控中心層之間，主要完成上下層之間的網絡連接轉換和信息的處理交換。通過PROFIBUS現場總線，把采集的數據傳送到PLC數據處理層，對數據作規范化預處理，處理的數據與時標相對應，并可在數據緩沖區中儲存一周。PLC獲取和處理的數據有選擇性地上傳到控制中心，以便于集中監視現場工況信息；同時，下達來自于控制中心的遙控和遙調信息給現場設備層的各類智能設備及儀表。通過組態編程，PLC能夠自動控制現場設備層的智能設備。運行監控層由高速工業以太網以及連接在總線上的擔任監控任務的工作站或顯示操作站、工程師站、PLC/DCS 控制器組成。

本系統中通過應用智能MCC，實現了：

1）只將動力電纜和一根PROFIBUS網線引入MCC柜中，無需控制電纜進入MCC柜中，節省了大量PLC I/O模件；
    2）MCC抽屜單元控制回路簡單標準，復雜的連鎖功能只需通過PLC編程實現；
    3）改變MCC抽屜單元模數或位置非常方便，只需將新抽屜的PROFIBUS網線插入垂直線槽內PROFIBUS接口即可；
    4）相同容量及運行方式MCC抽屜單元不存在特殊的控制回路，可以節省大量抽屜備件；
    5）現場施工任務簡單化，減少了控制電纜敷設量及校對工作兩，大大降低了故障幾率。

6、PROFIBUS通訊電力儀表產品

基于PROFIBUS協議測量與控制裝置、功能—覽表

7、結論

本系統是應用西門子自動化產品與安科瑞智能化MCC產品相結合的成功典型，整個系統共使用了400多面智能MCC柜，全部采用PROFIBUS現場總線完成了所有軟起動器和變頻器等設備的網絡控制保護及電力監控,實現了結構合理、控制靈活、性能可靠、操作安全方便。

參考文獻

[1] 上海安科瑞電氣股份有限公司產品手冊.2010.08版

[2] 西門子手冊