ARD智能电动机控制器在工业生产过程控制中的应

日期:2019-11-08编辑作者:北京赛车官方正版投注

摘要:本文介绍安科瑞电气有限公司ARD智能电动机控制器,在低压电动机控制、保护、测量、通讯等方面的最新解决方案,供工程设计中参考。关键词:低压电动机智能控制保护测量通讯现场总线

电机运行中主要发生的故障包括:起动超时、过载、堵转、缺相、不平衡、过热、欠载、过压、欠压等。因此智能保护器需要监测电机的工作电压、工作电流和机壳温度。

2 概述 ARD系列智能电动机保护器,具有过载、断相、不平衡、欠载、接地/漏电、堵转等保护功能。产品有ARD2简易型系列和ARD3高级型系列两大类。ARD保护器可与接触器、电动机起动器等电器元件构成电动机控制保护单元,具有远程自动控制、现场直接控制、面板指示、信号报警、现场总线通信等功能。可广泛应用于煤矿、石化、冶炼、电力、建筑等行业的配电领域。3 适用环境 工作温度:-10℃~ 55℃ 贮存温度:-20℃~ 65℃ 相对湿度:5%~95%不结霜 海拔:≤2500m 污染等级:2级 防护等级:IP20 安装类别:III级 运用场合:煤矿、石化、冶炼、电力、船舶、以及民用建筑等领域4 产品规格4.3 ARD3系列智能电动机保护器4.3.1 功能 ARD3智能电动机保护器,适用于额定电压至AC 690V、额定电流至AC 800A、额定频率为50/60Hz的电动机。产品体积小,结构紧凑,安装方便,在低压控制终端柜和1/4模数及以上各种抽屉柜中可直接安装使用,提高了控制回路的可靠性和自动化水平。 ARD3采用模块化的产品结构形式,包括主体、互感器检测模块、远程显示模块。根据需要选配ARD3的功能模块或附件,与接触器、电动机起动器等电器元件构成电动机控制保护单元,有远程自动控制、现场直接控制、面板指示、信号报警、现场总线通信等功能。适用于煤矿、石化、冶炼、电力、船舶、以及民用建筑等领域。4.3.2 型号说明 北京赛车官方正版投注 1

一、概述随着工业自动化水平的提高及各行业电动机应用的增多,单机容量的增大,这一数量庞大的电动机,按电压等级可分为10kV电动机、6kV电动机、380V电动机,按重要性可分为1类负荷、2类负荷、3类负荷,按容量可分为大型电动机、中型电动机、小型电动机。单纯的依赖DCS系统,或PLC控制系统,仅能完成对电动机的基本控制功能,而其保护、测量、整定、故障记录等功能还依赖大量的其他外围设备来完成,随着微机通讯技术的发展,采用分散分布式的结构集中控制、保护、测量、通讯功能于一体的综合自动化装置将是今后发展的方向。微机式智能保护设备可靠性、安全性在不断的提高,其功能也更加完善,应用更加广泛,以国外著名的电气公司相继推出低压电动机综合保护和控制设备为标志,一种全新的低压马达控制保护解决方案诞生,比较有代表性的有:阿尔斯通公司、罗克韦尔公司、东芝公司、西门子公司。ARD电动机保护器是目前国内具有国际水平的马达智能保护控制单元,在国内具有一定代表性。ARD在电动机控制中,取代了传统方案中的许多繁杂的二次接线,仅需接触器配合就可完成多种操作和大量的保护通讯功能。操作功能具有:直接起动、双向起动、星三角起动、停车等功能,可以编程就地操作或者设成远程控制,另外还可以通过编程器实现断路器的“三遥”测控。保护功能具有:过载反时限、过流、漏电接地、欠流、三相不平衡、热保护、接触器吸合状态检测、起动超时、欠压等保护功能。监视功能:三相运行电流显示、电机起动电流显示。维护功能:起动次数、运行时间、接触器故障、历史故障信息查看、报警信息显示等功能。通讯功能:具有RS485接口,可挂接PROFIBUS现场总线、MODBUS现场总线。可实现“四遥”功能。二、ARD系列电动机保护器的突出优势ARD电动机保护器,是国内比较有影响力的产品。现在,电动机馈线保护控制系统从设计、安装、调试到投入运行,其周期越来越短,而对装置的要求却日益提高,这就要这个系统必须结构紧凑,智能化程度高,功能强大,使每台电动机均有最佳的保护,并且接线尽量简单。ARD正是基于以上要求设计的。1.1 ARD本身除具备正常的直接起动、双向起动、星三角起动、停车等控制功能外,还能通过编程器,编程为就地操作或者远程控制。使得传统方案中复杂的二次接线,如:起、停逻辑电路,电气互锁逻辑电路,都可以取消,ARD的一切逻辑都由芯片完成,大大降低了接线成本。1.2 保护功能更加完善,导致电动机的过载原因很多,如负荷过载、相故障、转子失速、起动超时,装置针对以上故障都可以进行正确判断并且进行保护。ARD除具有过载、过流、欠流、漏电故障保护外,还可以实现三相电流不平衡,电机断相保护、过热保护和接地故障监视功能。通过编程器可对装置参数进行设定。取消了传统功能单一结构复杂的热继电器、电流表、互感器、变送器、I/O模块、大熔点的操作按钮、以及二次继电器和线缆等。1.3 配合操作显示模块,具有电流、故障类别、起动电流、起动时间、操作次数等显示功能。ARD显示模块可进行定值设置,性能测试,故障查询等多种操作。通过串行接口,与现场总线系统的连接,实现通讯组网,总线控制。1.4 小巧的体积和灵活的安装方式。ARD可配显示模块使用,也可以单独使用,可以水平安装,也可以竖直安装,ARD的体积81.5×90×86,整个体积大约只有一个接触器大小。总之,ARD取代传统的接线,既节约了元器件,使总投资成本下降,又大幅度提高电机控制的可靠性和自动化水平。

智能电机控制中心(IMCC)的控制结构大都是总线型分布式网络结构,系统中有中央控制器负责调度和监控所有电机的运行。根据所使用的中央控制器(大多为PLC)的不同,系统的通讯协议有MODBUS、Fieldbus和以太网等。其中最常见的是MODBUS协议。MODBUS协议的物理层是基于RS485的半双工通讯网络,电机保护器在其中是处于从机地位。

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电流传感器类型众多,主要包括磁芯电流互感器、霍尔传感器、分流电阻。而电机保护器所连接的电机容量主要以几千瓦至数十千瓦的电机为主,因此电机相电流主要在数安培至几十安培。因此采用电流互感器为电流采集单元,具有量程宽、发热小、隔离电压高等优点。同时在不改变处理电路的参数的同时,采用不同变比的电流传感器可以方便地改变电机保护器的电流检测量程,从而可以方便地用于更大容量的电机保护。

ARD系列智能电动机保护器1 江苏安科瑞电器ARD系列保护器符合标准 GB/T14048.1-2000低压开关设备和控制设备总则 GB14048.4-2003低压开关设备和控制设备 机电式接触器和电动机起动器 GB14048.5-2001低压开关设备和控制设备 控制电路电器和开关元件,第1部分:机电式控制电路电器 GB/T17626.4-2006电快速瞬变脉冲群抗扰度试验 GB/T17626.5-2006浪涌抗扰度试验 JB/T 10736-2007 低压电动机保护器

图1 传统方案图2 ARD马达保护方案三、先进的控制单元硬件线路有两大部分,马达控制器的核心部件为MCF51EM256,主要完成数据采集,数据处理及各种控制和保护功能;PROFIBUS-DP接口核心部件为VPC3和12C5A,SPC3为PROFIBUS-DP专用协议芯片,负责将主站送来的数据拆包,并将其送往12C5A,同时将12C5A传来的数据打包,上传给主站。12C5A是MCF51EM256和VPC3之间的桥梁,负责将MCF51EM256送来的数据传给VPC3,同时将VPC3拆包后的数据下传给MCF51EM256。马达控制器和PROFIBUS-DP接口之间采用RS485串行接口交换数据,马达控制器和PROFIBUS-DP接口为两块相对独立的模块,如不需联网,可以不选用此功能,这样可以降低产品的成本。 图3 ARD原理图四、简便快捷的操作功能ARD具备非常广泛的控制功能,它可以灵活的作为电动机直接起动器,双向起动器,星三角起动器,同时还可以作为变级开关,电磁阀起动器。由于该装置实际上就是一套分散分布式的低压马达智能控制保护系统,所以它同其它的控制系统仍保持相对的独立性,当上一级的控制系统或通讯系统发生故障,它可自动切换到手动模式,来控制负荷的停运或者继续运行,而此时,该装置所保护的电动机连续运行的可能性大大加强。按照ARD所做的电动机二次线,和传统的二次线相比较,我们会发现,在满足了各种条件的要求下,二次控制回路变得简洁,标准,使我们彻底的摆脱了原来大量落后的继电器给我们带来的困扰,一次设计也更加得心应手,配合操作显示模块,完成各种测量,显示,操作功能。ARD可以使用已定义好的控制功能和基本的连锁要求,来完成我们一些普通电动机控制,最大限度的减少程序输入的工作量,减少出现错误的可能性,缩短程序循环的时间,更好的保证可靠性,同时可以更大程度的减少我们二次设计的工作量。装置可对电动机的接地故障进行保护和连续监视,对于三线式接线的电动机,可通过装置内部的接地故障检测装置进行,另外,还可以通过连接一只外部矢量和电流互感器,精确的测出接地故障电流,通过对设定电流进行比较,来实现电动机失速保护。五、新方案应用范例ARD智能马达控制器在应用上很灵活,通讯和显示模式都是可选的,但其基本操作保护功能不改变。5.1单机操作应用在分散工作环境中,有大量单台电机在工业生产中运行,这些电机可不要通讯功能,仅需可靠的起、停、故障保护、故障分析、运行参数查看。以很低的成本就能实现以上功能。其接线原理图如下:a)直接起动接线方式 图4b)双向起动接线方式ARD输出两个触点,通过控制两个接触器控制电机的正反转,也可以选用光耦触点输入,实现远距离控制 图5c)星-三角起动接线方式ARD输出两个触点,通过时序控制三个接触器,形成星三角起动方式,星三角起动的时序可整定。 图6d)出线测控应用通过跟断路器组合,实现“三遥”可监视三相电流和断路器的分、合状态,同时可用电平方式和脉冲方式对断路器进行合、分操作。 图75.2总线组网MMC马达控制中心MCC马达控制中心是ARD最能展示其优势的应用的地方,可以通过组网集中控制电机,通过串行接口,实现与现场总线系统的连接,可选用PROFIBUS或MODBUS协议,通过通讯组网,控制中心可以采集到每台电机的当前运行参数,同时也可以通过上位机的组态软件,对所有电机实现逻辑操作控制,实现工程师工作站,做到马达控制中心的无人值守。ARD具有小巧的结构,对于100A以下的ARD马达控制器可安装于1/4的抽屉柜,820A以下的ARD可以安装于1/2的抽屉柜,采用上述设备的具有可通讯功能的智能型低压开关柜,可将所有的控制保护,测量,通讯,功能集成在一个抽屉元内,使设计的整个控制系统相互之间的连线非常少,节省了控制级与现场之间的布线成本。抽屉式开关柜朝紧凑型发展是必然的,ARD智能控制器在MCC控制中心的应用,使二次接线更加简捷,低廉。同时提高了控制回路的可靠性和自动化水平。目前,由于电机的应用涉及到发电,化工,环保等多种工业场所,在这些场所ARD都能发挥其智能控制的优势。ARD可通过串行接口,实现与现场总线系统的连接,通过通讯组网,可实现“四遥”监控管理。总线系统结构分两种分别如下图:系统结构图: 图8 图9图8结构可选MODBUS或PROFIBUS两种协议进行数据传输,ARD马达控制器当选用MODBUS协议时,N最多可为255个站,当选用PROFIBUS时,N最多可选用127个站,但每31个从站之间需加一个中继。图9结构采用DP协议网关进行数据传输,由于采用网关,最多可接127×32个从站。图中主站根据需要可选工控电脑、PLC、HMI等,传输介质根据工程需要可选:屏蔽双绞线、光纤、无线传输或电力载波等。ARD可采用PROFIBUS或者成本低廉的MODBUS现场总线组网,在工业控制系统中,我们可以把就地ARD马达控制保护器和上级DCS系统之间构成高性能的通讯,所有的控制命令,运行数据均可通过屏蔽双绞线,玻璃纤维光缆传输,这样我们在保证传输数据准确,迅速,传输距离远的同时,可以大量的节省由当地至集控室的联系电缆。六、ARD电动机保护器选型ARD2F型号如下所示:1. ARD2F型号如下所示: 图10 ARD2F型号说明表1 额定电流 表2 额定电流附加说明 注:表2数据适用于AC400V,50Hz,1500转/分的四极鼠笼式电动机表3 附加功能代码 注:1、带有起动控制时,保护器最多提供2个起动继电器用于顺序控制外部2个接触器的闭合/断开,从而实现电动机的不同起动方式;2、温度保护的测量范围:热电阻100Ω——30kΩ;3、对于无显示要求的客户,必须在一批订单中订购一个90FL显示单元,作为调试使用。 七、结束语综上所述,对于工业生产的低压马达控制保护系统,提供了一种崭新的概念,通过ARD即可实现对电动机完全的保护和监控,也可实现其他动力出现的“三遥”测控,而无需再另外安装其他保护和控制设备。因此,使总投资成本下降,又大幅度提高电机控制的可靠性和自动化水平,新型马达控制保护方案的推广运用是必然的趋势。

同时,由于电机的类型、容量和负载类型不同,电机保护的参数也不尽相同,所以需要能够针对不同的电机设置保护参数。

电压直接通过电阻分压获得,因此整个电机控制器是共热地的系统。电阻采用的是高阻抗高耐压类型电阻,同时为了提高电压采集回路的过电压能力,电压分压电路采用多电阻串联形式,从而降低每一个电阻上的额定压降,同时提高整个支路的最高耐压。

0 引言

温度传感器采用常见的铂电阻传感器或者NTC热敏电阻,保护器硬件上设计有对应的热电阻信号调理电路。由于热电阻都是非线性器件,因此温度采集处理通道都需要进行非线性处理,为了减少硬件电路的复杂程度,因此实际热电阻调理单元只是设计采用一个仪表放大器,而热电阻的非线性处理由MCU完成。另外还有一路MCU芯片内置的半导体温度传感器,用于检测保护器内的温度,从而防止由于系统过热而导致控制出错。

2.1 MCU

3.2 ADC的配置和使用

该系列芯片采用ARM公司32位的C0rtex M3为核心,最高主频为72MHz,Cortex核心内部具有单周期的硬件乘法和除法单元,所以适合用于高速数据的处理。

2 系统硬件设计

系统软件中,全局监控软件用来循环扫描各个单元子程序的状态,包括模数转换器的数据采样,数据采集完成后对数据进行计算,而后根据计算结果和预先设置的电机参数,结合保护策略判断出当前电机的状态。最后通过LCD显示器和输出控制接口发出相应的状态信息和控制功能。

3 系统软件设计

对于电压和电流的采集,系统采用同步采样模数,即同时采集同一个通道的电压和电流值;同时在采样通道配置寄存器中,将三个电压电流通道依次排列,使得在一次定时器触发下,一次性完成所有通道的转换。

芯片还带有丰富的通讯单元,包括多达5个异步串行接口、1个USB从器件、1个CAN器件、I2C和SPI等模块。

2.4 通讯电路

LCD模块的访问时序与SRAM的相同,而且可以通过配置引脚选择为8080或者6800类型的接口时序。图2是STM32芯片的FSMC接口与LCD的电气连接,这里的液晶是采用的8080接口时序。

电机保护器设计为MODBUS从机,所有的电机运行状态、控制状态等参数都是放置在系统约定地址的寄存器中。同时MODBUS从机需要给每一个电机控制器预置一个网络中唯一的从机地址,所以还需要使用按键和LCD屏幕来设置从机地址。

电动机保护装置有很多种,目前使用得比较普遍的还是基于金属片机械式的热继电器,它结构简单,在保护电动机过载方面具有反时限特性。但它的保护功能少,无断相保护,对电机发生通风不畅、扫膛、堵转、长期过载、频繁启动等故障也不能起保护作用。此外,热继电器还存在重复性能差、大电流过载或短路故障后不能再次使用、调整误差大、易受环境温度影响而误动或拒动、功耗大、耗材多、性能指标落后等缺陷。

智能电机保护器中,MCU只要完成电流和电压的采样、计算、分析来实现各种保护功能,并且实时显示线路的参数和记录故障状态。

由于电机保护器内部是共热地系统,所以RS485远程通讯需要与控制器主回路隔离。对于RS485收发器的隔离,需要对通讯信号和收发器的供电进行隔离。电机保护器的通讯接口设计的通讯波特率最高需要达到57.6kbps,因此需要使用高速光耦或者数字隔离芯片完成对通讯信号的隔离。

本文提出一种基于STM32系列新品的智能电机保护器,本设计充分利用了STM32芯片的资源,提供必要的外围器件构成了一个完整的系统。实际应用证明,此系统能有效保护电机,且具有结构简单、功能完善、接口丰富等优点,根据实际需要还可以开发出诸如USB、CAN open等接口,因此此系统可以更广泛地应用于工业生产各个领域。

数字隔离芯片是一种新型的器件,TI、ADI和Silicon Lab等公司都有推出拥有各自专利的数字隔离器件,但各家芯片的引脚封装和引脚功能大部分都是兼容的,可以直接替换。相对传统的高速光耦,数字隔离器件具有功耗低、传输速率高、兼容3V/5V系统和外设简单等优点。实际连接电路如图3所示。

再者,为了使智能保护继电器能够满足当前流行的智能电机控制中心(IMCC)的需求,智能电机保护器还需要具有网络通讯功能。

系统设计采用点阵形式STN黑白液晶显示(LCD)模块,相比TFT彩色LCD模块,具有使用温度范围宽、寿命长、强光下仍可以阅读的优点。

电机保护器主要需要采集电流、电压和温度这三个模拟量来对电机的运行状态进行监测和保护。

STM32F芯片的FSMC模块是一个支持静态存储器(SRAM)、NOR F1ash和PSRAM的多功能静态存储器控制器。可以支持8位或者16位宽度的存储器。

为响应国家节能减排的要求,采用基于微控制器的电子式电机保护器替代现有热继电器,具有广大的市场。设计采用集成丰富外设的STM32系列ARM芯片为核心的智能电机保护器,具有响应速度快、附加芯片少、生产调试简单、生产及社会效益高等优点。

LCD模块内置的控制器采用的并行数据通讯接口,包括数据总线、读写控制线、器件选通和复位引脚。系统设计时,使用STM32F103xD芯片的多功能静态存储器控制器(FSMC)与LCD模块相连。

对于独立应用的电机保护器,需要能够设置保护参数,显示当前的运行状态,当发生故障时候还需要显示故障类型。因此电机保护器需要有显示单元。

3.3 远程通讯

ARD智能电动机控制器在工业生产过程控制中的应用北京赛车官方正版投注。芯片具有三个独立的转换周期,最低为1μs的高速模数转换器,三个独立的数模转换器带有各自独立的采样保持电路,所以特别适合三相电机控制、电网监测和多参数仪器设备的使用。

由于FFT需要一组数据进行计算,所以为了最低程度的CPU干预,系统设计使用了DMA来完成转换结果的传递。程序设计时,需要设置两块数据存放区,用于采样数据的交替存放;同时DMA传递的字节计数的预置值即为傅立叶转换数组长度乘以采集的通道数。

MCU是电机保护器的核心部分,主要负责数据采集、数据处理、输出控制和参数设置。这里采用的是ST公司最新推出的STM32F103xD系列ARM芯片。

4 结语

1 智能保护器功能及硬件架构

2.3 液晶显示

电机是工业生产领域中最主要的驱动源,如何有效地监控电机的运行状态,保护电机回路,提高电机的运行时间,减少电机故障,对工厂整体电网的运行十分关键。

2.2 模拟量采集单元

ARD智能电动机控制器在工业生产过程控制中的应用北京赛车官方正版投注。由于电机保护器采集的是50Hz工频电压电流,同时为了能够监测到电网中的高次谐波成分(主要是3次谐波),因此在ADC的采样频率需要设置在工频的整数倍,从而使得采样快速傅立叶(FFT)运算时得到最准确的精度。同时,数据采样时,由于计算功率需要同时采集电压、电流值,因此在系统设计时,将三相的参数分别分配到两个模数转换器,而将温度量放置在第三个模数转换器。所有的模数转换均采用内部定时器中断触发。

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3.1 监控程序

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关键词: 功能 电动机 马达 接触器

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