基于西门子PROFIBUS协议智能马达控制中心在某氯化项目中的应用

1、概述      马达控制中心又称电机控制中心或电动机控制中心，英文名称为MOTOR CONTROL CENTER，简称MCC。智能 MCC将马达过载、缺相、接地故障、失速、堵转、欠载电流、马达超温、电流不平衡等故障通过内置PROFIBUS网络传输到控制中心（PLC）、监控中心（PC机），并获得简化的故障排除方法。智能化MCC已被广泛用于冶金、纺织、轻工、石化、电力等厂矿企业以及交通运输和市政建设等行业。在某氯化钾项目中，整个系统全部选用智能化MCC实现所有设备的控制、监测保护以及电力监控等功能。 智能MCC 其特点是将传统对单一的马达进行保护延伸到对设备运行状态进行监控。并采用独特的中央母线设计，内嵌先进的网络总线PROFIBUS，器件上采用西门子的接触器、交流变频器、软启动器和PLC，以及安科瑞 （Acrel）的ARD系列马达保护器、ACR系列多功能网络仪表、ACR系列谐波表等产品，构成了结构合理、占地面积小、包含各种先进的自动控制设备、现场总线控制的完整的自动化系统控制装置。   2、项目介绍      某氯化钾项目，在原有年产30万吨的基础上扩大到年产100万吨的规模。把西门子自动化系统产品的全方位应用到该氯化钾项目中，实现了从110KV供电向下的全部控制功能，系统中使用了上百套安科瑞（Acrel）的电力监控仪表和ARD系列马达保护器，以及西门子的变频器和PLC（可编程序控制器），是西门子自动化产品在中国的最典型应用，并与无线网络系统、GPS定位系统一起组成了一个先进的工厂自动化系统。此系统的一个显著特点是整个系统通过使用了智能化MCC，实现了所有设备的网络控制与监控，也是目前在中国地区内使用罗克韦尔智能化MCC产品数量最多、规模最大的一个系统。   3、系统结构       氯化钾生产工艺整个过程包括原矿的采集、原矿的输送和由原矿加工成产品几部分。原矿的采集是通过多条水采机组在盐田中不断的采掘，并将采掘到的矿料输送到岸上的泵站；原矿的输送就是将由水采机组采集到的原矿通过多级泵站输送，经过数十公里输送到加工厂；加工厂将源源不断的原矿经过过滤、结晶、并加入化学药剂，经过物理化学过程生产出成品氯化钾。水采机组和加工厂两部分的控制设备全部安装在智能化MCC柜体内。 3.1 水采机组系统       水采机组系统包括岸基站、六套水采船和六套活动加压站系统。岸基站为水采机组控制系统的中心，包括一台操作员站、一台工程师站和一套由SLC5/05组成的可编程序控制器系统，负责对岸基站设备的控制；操作站、工程师站、可编程序控制器之间使用以太网并通过无线以太网电台与六套水采船通信。六套水采船的控制系统完全一样，每套水采船由6面MCC柜体组成。 上位机包括二台前操作员站、二台后操作员站；下位机由S7-300组成的可编程序控制器系统，占用MCC柜体的1个单元，实现对整个水采船的控制；前后操作员站、可编程序控制器之间使用以太网并通过无线以太网电台向上与岸基站通信，向下通过无线串行电台与活动加压站通信。六台活动加压站的控制系统也完全一样，分别与六条水采船相对应，每套活动加压站系统由4面MCC柜体组成。 活动加压站系统包括一个PanelView 550操作监控站和一套由S7-300组成的可编程序控制器系统，实现活动加压站的控制。 3.2 加工厂系统       加工厂系统按照工艺过程分成十个子控制系统，包括加工厂1-6号系统、冷结晶1号系统、冷结晶2号系统、干燥车间系统和包装车间系统。加工厂中心控制室中配备了6台操作员站和1台工程师站，在上一级采用了以太网网络，在下一级采用PROFIBUS网络。加工厂系统中每个子系统中MCC柜的配置与水采机组类似，不再介绍。   4、智能MCC配置       系统中所有智能化MCC柜进线电源为交流380V，3相4线制，频率50Hz,最大允许故障电流为50KA；每面柜配有水平电缆线槽和垂直电缆线槽(变频柜除外)，使得电缆联结及铺设非常方便。通过PROFIBUS总线将西门子PLC、交流变频器、软启动器，以及安科瑞（Acrel）的智能电动机保护器、ACR系列多功能网络表、ACR系列谐波表等电力监控单元连接起来，实现了PROFIBUS现场总线控制。本系统所设计的MCC主要包括以下几个单元： l         主进线单元 主进线单元分别为西门子断路器,允许故障电流为50KA。配置电子脱扣单元。 l         计量单元 开关柜内配置安科瑞（Acrel）新型ACR系列多功能网络仪表、谐波表，可以同时检测电压、电流、有功、无功、电能、以及谐波等电参数,通过内置PROFIBUS网络接口, 可将以 上电气参数通过现场总线PROFIBUS上传至监控中心。 l         馈电单元 所有馈电单元均为西门子断路器，允许故障电流为65KA。 l         电机起动单元
    柜内所有起动单元通断控制元件均采用西门子断路器，根据实际负荷及电机满载电流选型配置。热继电器为MCS-E3电子式智能脱扣保护等级,手动复位。该热继电器直接配装在接触器上，实现电机的控制和保护。E3过载继电器有两个4开关量输入点，2个开关量输出点，1个输出触点控制接触器的控制线圈，由操作站通过内置的PROFIBUS通讯协议发出控制指令；E3过载继电器还具有可编程保护功能(报警,跳闸,延时,禁止视窗)，可以保护电机因过载、失相/相间不平衡、堵转(起动/运行)、接地等而引起的故障。 l         变频器单元
    在活动加压站内配置了1 台132KW 西门子变频器；1台600KW 西门子变频器，在水采机内配置了3 台132KW 西门子变频器；1台西门子的450KW变频器，进线均采用刀熔开关，配PROFIBUS通讯模件,柜门安装人机操作面板。所有变频器既可以从操作面板进行本地控制，也可在操作站通过PROFIBUS实现网络控制；变频器的运行状态也通过PROFIBUS显示在操作站上。 l         PROFIBUS网络
    MCC柜内置PROFIBUS网络，通过PROFIBUS网络可以将所有控制参数反馈至操作站，并将控制指令下达给每个电机控制单元，使得整个MCC系统成为数字式控制MCC，减少了控制线的接线，对外除了动力电缆, 不需要任何常规控制电缆，从而大大提高了系统的可靠性与稳定性。   5、基于PROFIBUS协议智能MCC系统架构

基于PROFIBUS协议MCC系统架构图         系统分为三层:现场设备层、PLC数据处理层以及运行监控层。现场控制层由现场智能设备、现场智能仪表、远程I/O 和网络设备构成。在现场设备层，通过PROFIBUS总线，集成具有通信功能的智能线路保护设备、电机驱动控制设备以及ET200S数据采集与控制装置等。如西门子的软起动器、变频器，安科瑞的ACR系列多功能网络仪表、ACR系列谐波仪表及ARD系列智能电动机保护器等。       PLC数据处理层位于现场设备层和运行监控中心层之间，主要完成上下层之间的网络连接转换和信息的处理交换。通过PROFIBUS现场总线，把采集的数据传送到PLC数据处理层，对数据作规范化预处理，处理的数据与时标相对应，并可在数据缓冲区中储存一周。PLC获取和处理的数据有选择性地上传到控制中心，以便于集中监视现场工况信息；同时，下达来自于控制中心的遥控和遥调信息给现场设备层的各类智能设备及仪表。通过组态编程，PLC能够自动控制现场设备层的智能设备。运行监控层由高速工业以太网以及连接在总线上的担任监控任务的工作站或显示操作站、工程师站、PLC/DCS 控制器组成。       本系统中通过应用智能MCC，实现了：       1）只将动力电缆和一根PROFIBUS网线引入MCC柜中，无需控制电缆进入MCC柜中，节省了大量PLC I/O模件；
      2）MCC抽屉单元控制回路简单标准，复杂的连锁功能只需通过PLC编程实现；
      3）改变MCC抽屉单元模数或位置非常方便，只需将新抽屉的PROFIBUS网线插入垂直线槽内PROFIBUS接口即可；
      4）相同容量及运行方式MCC抽屉单元不存在特殊的控制回路，可以节省大量抽屉备件；
      5）现场施工任务简单化，减少了控制电缆敷设量及校对工作两，大大降低了故障几率。   6、PROFIBUS通讯电力仪表产品 基于PROFIBUS协议测量与控制装置、功能—览表                                产品名称 型号 基本功能 可编程数显智能表 PZ80-E4/CP 测量有功能电能（EPI/EPE）、无功电能（EQL/EQC）、有功功率、无功功率、功率因数、以及三相电压、三相电流、频率。面框尺寸：80mm*80mm 开孔尺寸：76mm*76mm 可编程数显智能表 PZ96-E4/CP 测量有功能电能（EPI/EPE）、无功电能（EQL/EQC）、有功功率、无功功率、功率因数、以及三相电压、三相电流、频率。面框尺寸：96mm*96mm 开孔尺寸：88mm*88mm 网络多功能电力仪表 ACR220E/CP 集成全部电力参数的测量（如单相或三相的电流、电压、有功、无功、视在功率、频率、功率因数），以及全面的电能计量和考核管理，同时具有遥信、遥控功能。面框尺寸：96mm*96mm 开孔尺寸：88mm*88mm 网络多功能电力仪表 ACR220EL/CP 网络多功能电力仪表 ACR320E/CP 集成全部电力参数的测量（如单相或三相的电流、电压、有功、无功、视在功率、频率、功率因数），以及全面的电能计量和考核管理，同时具有遥信、遥控功能。面框尺寸：120mm*120mm 开孔尺寸：108mm*108mm ACR谐波仪表 ACR230ELH/CP 三相交流电量测量、复费率电能计量、四象限电能计量、谐波分析、电网质量分析、遥信、遥控、电网波形实时跟踪显示及SOE事件记录等功能。面框尺寸：96mm*96mm 开孔尺寸：88mm*88mm ACR谐波仪表 ACR330ELH/CP 三相交流电量测量、复费率电能计量、四象限电能计量、谐波分析、电网质量分析、遥信、遥控、电网波形实时跟踪显示及SOE事件记录等功能。面框尺寸：120mm*120mm 开孔尺寸：108mm*108mm 马达保护器 ARD2F+CP 对电动机运行过程中出现的起动超时、过载、断相、不平衡、欠载、接地/漏电、阻塞、外部故障等多种情况进行保护。 配电线路过负荷监控装置 ACM3+CP 适用于突然断电比过负荷造成的损失更大的配电线路，其过负载保护应作用于信号而不应作用于切断电路的场合。并具有三相电流、电压、功率、漏电、频率等电参数测量功能。   7、结论 本系统是应用西门子自动化产品与安科瑞智能化MCC产品相结合的成功典型，整个系统共使用了400多面智能MCC柜，全部采用PROFIBUS现场总线完成了所有软起动器和变频器等设备的网络控制保护及电力监控,实现了结构合理、控制灵活、性能可靠、操作安全方便。     参考文献 [1]      上海安科瑞电气股份有限公司产品手册.2010.08版 [2]      西门子手册