智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器在水泥廠的應(yīng)用案例

摘要：電動(dòng)機(jī)設(shè)備是水泥企業(yè)中應(yīng)用廣泛的動(dòng)力裝置，而水泥生產(chǎn)企業(yè)屬于能耗高、污染大又需要設(shè)備連續(xù)不間斷工作的行業(yè)，電動(dòng)機(jī)作為水泥行業(yè)設(shè)備的動(dòng)力來(lái)源，其安全、穩(wěn)定可靠的運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)水泥行業(yè)的平穩(wěn)生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用，本文綜合介紹安科瑞ARD2F智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器在某水泥廠的實(shí)際應(yīng)用，并闡述了ARD2F智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器產(chǎn)品的特點(diǎn)及其智能化保護(hù)、測(cè)量、控制和通訊等，供工程設(shè)計(jì)中參考。

一、 引言

隨著現(xiàn)代化水泥工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大，生產(chǎn)設(shè)備也越來(lái)越大型化，因此所需用的拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率也越來(lái)越大。水泥廠生產(chǎn)工藝流程較復(fù)雜，可以總結(jié)水泥生產(chǎn)過程為生料制備(一磨)、熟料煅燒(一燒)、水泥粉磨(二磨)。因此，低壓電動(dòng)機(jī)作為水泥生產(chǎn)過程中常用的機(jī)組，數(shù)量多、種類復(fù)雜，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和工藝控制過程的不斷完善，尤其是適應(yīng)自動(dòng)化生產(chǎn)要求，迫切需要開發(fā)和完善電動(dòng)機(jī)的控制和保護(hù)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)過程和大型機(jī)械設(shè)備的遙控、遙測(cè)、遙調(diào)、故障診斷以及集中控制等功能。

水泥生產(chǎn)是一項(xiàng)較龐大的工程，生產(chǎn)環(huán)境比較惡劣，粉塵污染嚴(yán)重，受生產(chǎn)工藝的限制使得其工作場(chǎng)所的通風(fēng)條件差且環(huán)境溫度較高，而且需要設(shè)定大量的工作站點(diǎn)，包括原料控制站、破碎站、原料粉磨站、熟料庫(kù)控制站、水泥磨控制站、水泥包裝控制站等，然而在這些站點(diǎn)中使用了大量低壓電動(dòng)機(jī)來(lái)控制其他設(shè)備的運(yùn)行，運(yùn)用簡(jiǎn)單的電壓表、電流表、電能表和頻率表等由于受到通信功能不夠靈活、儀表功能單一等多種條件的約束，已經(jīng)無(wú)法滿足電廠設(shè)備自動(dòng)化生產(chǎn)的要求。水泥行業(yè)生產(chǎn)過程的特點(diǎn)為長(zhǎng)周期運(yùn)行，一旦開機(jī)，在沒有特殊情況發(fā)生的前提下，一般不會(huì)停機(jī)?，F(xiàn)代化大型水泥企業(yè)年運(yùn)轉(zhuǎn)率很高，這樣就需要有高質(zhì)量的、高可靠性的電氣設(shè)備保證其生產(chǎn)過程的連續(xù)不間斷性，一旦故障停機(jī)就會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器可實(shí)現(xiàn)重載起動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的溫度保護(hù)，還提供多種測(cè)控功能和控制模式，能夠滿足水泥生產(chǎn)過程對(duì)電機(jī)設(shè)備的整體保護(hù)及其控制要求，不僅能提高電機(jī)設(shè)備的運(yùn)行能力、延長(zhǎng)電機(jī)設(shè)備的使用壽命，同時(shí)也能提高企業(yè)生產(chǎn)效率、節(jié)約能源。本文以ARD2F智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器在水泥生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行具體介紹。

二、水泥生產(chǎn)對(duì)保護(hù)器的功能要求

水泥行業(yè)電機(jī)是大容量、高負(fù)荷連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備，電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期承受大負(fù)荷，就會(huì)使繞組上溫度上升過高而降低絕緣性能甚至損壞絕緣，縮短電動(dòng)機(jī)的使用壽命，因此，對(duì)水泥生產(chǎn)過程中電機(jī)設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性及功能要求非常高。在生產(chǎn)運(yùn)行或設(shè)備檢修過程中，常見的電動(dòng)機(jī)故障可分為以下幾種：

1、機(jī)械故障

1)掃膛：由于軸承損壞、軸彎或者檢修人員裝配不當(dāng)，導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子產(chǎn)生摩擦;

2)軸承損壞：由于軸承裝配不當(dāng)、定/轉(zhuǎn)子鐵心軸向錯(cuò)位或重新對(duì)轉(zhuǎn)軸機(jī)加工后精度不夠、電動(dòng)機(jī)本體運(yùn)行溫升過高等;

3)振動(dòng)：由于電動(dòng)機(jī)本身或傳動(dòng)裝置不良等。

2、電氣故障

1)缺相運(yùn)行：電動(dòng)機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)電流比正常工作的電流大得多。在此情況下，運(yùn)行時(shí)間過長(zhǎng)或過于頻繁起動(dòng)，將會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)繞組燒毀;

2)繞組短路或接地：匝間短路的主要原因是電機(jī)溫度異常升高而導(dǎo)致的，而接地故障大多是由于繞組絕緣損壞;

3)三相電流不平衡：由于電動(dòng)機(jī)外部電源電壓不平衡或內(nèi)部繞組匝間短路或電動(dòng)機(jī)維修時(shí)線圈匝數(shù)錯(cuò)誤或接線錯(cuò)誤等。

ARD2F 系列智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器(以下簡(jiǎn)稱保護(hù)器)能對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的多種故障情況進(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。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。

因此，對(duì)某水泥廠電機(jī)設(shè)備進(jìn)行合理的維護(hù)是很有必要的，對(duì)ARD2F智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器具體功能要求如下：

(1)完善的電機(jī)保護(hù)功能

保護(hù)器通過采集電路中的三相交流電流、三相交流電壓、剩余電流、PTC熱電阻阻值、電動(dòng)機(jī)電能等電力參數(shù)，以及電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中的各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等信號(hào)，經(jīng)保護(hù)器內(nèi)部處理運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)過載反時(shí)限、過載定時(shí)限、接地、起動(dòng)超時(shí)、漏電、欠載、斷相、堵轉(zhuǎn)、阻塞、短路、溢出、不平衡(電流、電壓)、過功率、欠功率、過壓、欠壓、相序、溫度、tE時(shí)間、外部故障、起動(dòng)次數(shù)限制、運(yùn)行時(shí)間報(bào)警、故障次數(shù)報(bào)警等整體綜合保護(hù)，進(jìn)而保證水泥廠生產(chǎn)工作的安全連續(xù)運(yùn)行。

(2)及時(shí)排除電動(dòng)機(jī)運(yùn)行故障功能

水泥生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中通過電動(dòng)機(jī)保護(hù)器對(duì)電機(jī)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)狀況時(shí)應(yīng)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)的處理，保證故障發(fā)生時(shí)電機(jī)設(shè)備動(dòng)作的可靠性和靈敏性。

(3)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能

水泥生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較惡劣，保護(hù)器不僅要提供電機(jī)設(shè)備的保護(hù)功能，而且要求能夠帶RS-485通訊接口，經(jīng)過Modbus-RTU/Profibus-DP通訊協(xié)議與上位機(jī)管理系統(tǒng)進(jìn)行通訊連接，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)以及運(yùn)行過程中的電力參數(shù)，保證后臺(tái)操作人員能讀取、修改水泥成產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的各種整定參數(shù)并通過后臺(tái)人機(jī)界面實(shí)時(shí)觀察當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)機(jī)控制回路的工作狀態(tài)、供電電源質(zhì)量等，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

三、應(yīng)用案例

水泥生產(chǎn)工藝流程較多，所以將保護(hù)器合理的應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)保護(hù)設(shè)備控制回路的同時(shí)要能夠滿足水泥廠的大型控制系統(tǒng)的要求。某水泥廠控制系統(tǒng)通過Profibus DP通訊接口與PC機(jī)、接觸器、電動(dòng)機(jī)以及其他設(shè)備構(gòu)成控制系統(tǒng)，工程師通過監(jiān)控計(jì)算機(jī)以及生產(chǎn)管理軟件完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、處理、顯示和監(jiān)視功能，并在滿足權(quán)限和邏輯時(shí)，通過遠(yuǎn)程控制軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)相應(yīng)的電機(jī)設(shè)備等的控制。

水泥廠采用保護(hù)器用于電機(jī)保護(hù)控制回路，取代熱繼電器等作為電動(dòng)機(jī)的過載保護(hù)和控制元件，而且利用先進(jìn)的通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了水泥生產(chǎn)中電機(jī)設(shè)備控制的自動(dòng)化。通過將90L顯示模塊嵌入安裝在開關(guān)抽屜的活動(dòng)面板內(nèi)，來(lái)簡(jiǎn)化水泥廠控制柜內(nèi)接線，使得配電室內(nèi)設(shè)備運(yùn)行情況及故障狀態(tài)清晰可見，方便工程師隨時(shí)調(diào)整系統(tǒng)、設(shè)定參數(shù)和顯示、監(jiān)控以及檢修維護(hù)。將ARD2F保護(hù)器應(yīng)用于某水泥廠生產(chǎn)線電機(jī)設(shè)備的控制回路，實(shí)現(xiàn)水泥廠對(duì)電機(jī)保護(hù)的要求。如圖2是ARD2F智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器應(yīng)用于某水泥廠電動(dòng)機(jī)設(shè)備控制回路工作原理圖：

圖2 ARD2F智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器應(yīng)用于某水泥廠電動(dòng)機(jī)設(shè)備控制回路接線圖

由于現(xiàn)代水泥工廠采用的大型電機(jī)設(shè)備較多，大于110KW及以上的電機(jī)，均采用在主回路裝設(shè)電流互感器。考慮到水泥生產(chǎn)工藝的不同和企業(yè)投入的資金，電動(dòng)機(jī)需要不同的起動(dòng)方式，ARD2F智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器提供靈活的聯(lián)鎖功能，實(shí)現(xiàn)直接啟動(dòng)、雙向啟動(dòng)、星/三角啟動(dòng)、自耦變壓器啟動(dòng)等，使水泥廠大型設(shè)備的電機(jī)得到了合理保護(hù)和控制[2]。

四、ARD2F產(chǎn)品介紹

ARD2F智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器適用于額定電壓至660V的低壓電動(dòng)機(jī)回路，集保護(hù)、測(cè)量、控制、通訊、運(yùn)維于一體。其完善的保護(hù)功能確保電動(dòng)機(jī)安全運(yùn)行，帶有邏輯可編程功能，可以滿足多種控制方式?？蛇x配不同通訊模塊適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)通訊需求。

?

該產(chǎn)品采用分體式結(jié)構(gòu)，由主體、顯示單元、互感器組成，可適應(yīng)各種柜體的安裝。

技術(shù)參數(shù)

ARD2 系列電動(dòng)機(jī)保護(hù)器使用 MODBUS-RTU 通訊協(xié)議，MODBUS 協(xié)議詳細(xì)定義了校驗(yàn)碼、數(shù)據(jù)序列等，這些都是特定數(shù)據(jù)交換的必要內(nèi)容。MODBUS協(xié)議在一根通訊線上使用主從應(yīng)答式連接(半雙工)，這意味著在一根單獨(dú)的通訊線上信號(hào)沿著相反的兩個(gè)方向傳輸。首先，主計(jì)算機(jī)的信號(hào)尋址到一臺(tái)終端設(shè)備(從機(jī))，然后，終端設(shè)備發(fā)出的應(yīng)答信號(hào)以相反的方向傳輸給主機(jī)。

MODBUS 協(xié)議只允許在主機(jī)(PC，PLC 等)和終端設(shè)備之間通訊，而不允許獨(dú)立的終端設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，這樣各終端設(shè)備不會(huì)在它們初始化時(shí)占據(jù)通訊線路，而限于響應(yīng)到達(dá)本機(jī)的查詢信號(hào)。

CRC 校驗(yàn)碼：錯(cuò)誤校驗(yàn)(CRC)域占用兩個(gè)字節(jié)，包含了一個(gè) 16 位的二進(jìn)制值。CRC 值由傳輸設(shè)備計(jì)算出來(lái)，然后附加到數(shù)據(jù)幀上，接收設(shè)備在接收數(shù)據(jù)時(shí)重新計(jì)算 CRC 值，然后與接收到的 CRC 域中的值進(jìn)行比較，如果這兩個(gè)值不相等，就發(fā)生了錯(cuò)誤。

生成一個(gè) CRC 的流程為：

1、預(yù)置一個(gè) 16 位寄存器為 0FFFFH(全 1)，稱之為 CRC 寄存器。

2、把數(shù)據(jù)幀中的一個(gè)字節(jié)的 8 位與 CRC 寄存器中的低字節(jié)進(jìn)行異或運(yùn)算，結(jié)果存回 CRC 寄存器。

3、將 CRC 寄存器向右移一位，高位填以 0，低位移出并檢測(cè)。

4、如果低位為 0，重復(fù)第三步(下一次移位);如果低位為 1，將 CRC 寄存器與一個(gè)預(yù)設(shè)的固定值(0A001H)進(jìn)行異或運(yùn)算。

5、重復(fù)第三步和第四步直到 8 次移位，這樣處理完了一個(gè)完整的八位。

6、重復(fù)第 2 步到第 5 步來(lái)處理下一個(gè)八位，直到所有的字節(jié)處理結(jié)束。

7、 CRC 寄存器的值就是 CRC 的值。

功能特點(diǎn)

支持基波和全波電力參數(shù)測(cè)量(U、I、P、Q、S、PF、F、EP、EQ)，電流及電流不平衡度、電流正序、負(fù)序、零序分量、電壓、三相電壓相角、剩余電流。

保護(hù)功能包括過載反時(shí)限、過載定時(shí)限、接地、起動(dòng)超時(shí)、漏電、欠載、斷相、堵轉(zhuǎn)、阻塞、短路、溢出、不平衡(電流、電壓)、過功率、欠功率、過壓、欠壓、相序、溫度、tE時(shí)間、外部故障、起動(dòng)次數(shù)限制、運(yùn)行時(shí)間報(bào)警、故障次數(shù)報(bào)警。

9路可編程DI輸入，默認(rèn)采用內(nèi)置DC24V電源，也可選擇外部有源濕接點(diǎn)。

5路可編程DO輸出，滿足直接起動(dòng)，星—三角起動(dòng)，自耦變壓器起動(dòng)，等多種起動(dòng)方式，可通過通訊總線實(shí)現(xiàn)主站對(duì)電動(dòng)機(jī)的遙控“起/?！薄?/p>

可選抗晃電功能：支持晃電立即再啟動(dòng)、失壓重起動(dòng)。

可選配MODBUS_RTU通訊、PROFIBUS DP通訊，支持不超過2路通訊接口。

可選配1路DC4-20mA模擬量輸出接口，與DCS系統(tǒng)相接，可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控。

具有故障記錄、起動(dòng)記錄、停車記錄、DI變位記錄和再起動(dòng)記錄等各類事件記錄。

顯示界面液晶顯示，支持中/英文切換。

五、結(jié)束語(yǔ)

隨著電子技術(shù)及通訊技術(shù)的不斷發(fā)展。電動(dòng)機(jī)保護(hù)器也在朝著多元化方向發(fā)展，電動(dòng)機(jī)保護(hù)器在水泥企業(yè)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，合理選擇電機(jī)設(shè)備的保護(hù)功能和保護(hù)方式，可提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性，能夠預(yù)防并杜絕電機(jī)燒毀，同時(shí)減少了因非計(jì)劃停車而造成的損失，降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本。

審核編輯：湯梓紅