摘要：電動機設(shè)備是水泥企業(yè)中應(yīng)用廣泛的動力裝置，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)，電動機作為水泥行業(yè)設(shè)備的動力來源，其安全、穩(wěn)定可靠的運轉(zhuǎn)對水泥行業(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智能型電動機保護器在某水泥廠的實際應(yīng)用，并闡述了ARD2F智能型電動機保護器產(chǎn)品的特點及其智能化保護、測量、控制和通訊等，供工程設(shè)計中參考。

一、 引言

隨著現(xiàn)代化水泥工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模擴大，生產(chǎn)設(shè)備也越來越大型化，因此所需用的拖動電動機的功率也越來越大。水泥廠生產(chǎn)工藝流程較復雜，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，低壓電動機作為水泥生產(chǎn)過程中常用的機組，數(shù)量多、種類復雜，隨著科學技術(shù)的不斷進步和工藝控制過程的不斷完善，尤其是適應(yīng)自動化生產(chǎn)要求，迫切需要開發(fā)和完善電動機的控制和保護設(shè)備，實現(xiàn)對整個自動化生產(chǎn)過程和大型機械設(shè)備的遙控、遙測、遙調(diào)、故障診斷以及集中控制等功能。

水泥生產(chǎn)是一項較龐大的工程，生產(chǎn)環(huán)境比較惡劣，粉塵污染嚴重，受生產(chǎn)工藝的限制使得其工作場所的通風條件差且環(huán)境溫度較高，而且需要設(shè)定大量的工作站點，包括原料控制站、破碎站、原料粉磨站、熟料庫控制站、水泥磨控制站、水泥包裝控制站等，然而在這些站點中使用了大量低壓電動機來控制其他設(shè)備的運行，運用簡單的電壓表、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)無法滿足電廠設(shè)備自動化生產(chǎn)的要求。水泥行業(yè)生產(chǎn)過程的特點為長周期運行，一旦開機，在沒有特殊情況發(fā)生的前提下，一般不會停機?，F(xiàn)代化大型水泥企業(yè)年運轉(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，一旦故障停機就會造成巨大的經(jīng)濟損失。智能型電動機保護器可實現(xiàn)重載起動，實現(xiàn)對電動機的溫度保護，還提供多種測控功能和控制模式，能夠滿足水泥生產(chǎn)過程對電機設(shè)備的整體保護及其控制要求，不僅能提高電機設(shè)備的運行能力、延長電機設(shè)備的使用壽命，同時也能提高企業(yè)生產(chǎn)效率、節(jié)約能源。本文以ARD2F智能型電動機保護器在水泥生產(chǎn)中的實際應(yīng)用進行具體介紹。

二、水泥生產(chǎn)對保護器的功能要求

水泥行業(yè)電機是大容量、高負荷連續(xù)運轉(zhuǎn)的設(shè)備，電動機長期承受大負荷，就會使繞組上溫度上升過高而降低絕緣性能甚至損壞絕緣，縮短電動機的使用壽命，因此，對水泥生產(chǎn)過程中電機設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性及功能要求非常高。在生產(chǎn)運行或設(shè)備檢修過程中，常見的電動機故障可分為以下幾種：

1、機械故障

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

2)軸承損壞：由于軸承裝配不當、定/轉(zhuǎn)子鐵心軸向錯位或重新對轉(zhuǎn)軸機加工后精度不夠、電動機本體運行溫升過高等;

3)振動：由于電動機本身或傳動裝置不良等。

2、電氣故障

1)缺相運行：電動機發(fā)生堵轉(zhuǎn)時電流比正常工作的電流大得多。在此情況下，運行時間過長或過于頻繁起動，將會導致電動機繞組燒毀;

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

3)三相電流不平衡：由于電動機外部電源電壓不平衡或內(nèi)部繞組匝間短路或電動機維修時線圈匝數(shù)錯誤或接線錯誤等。

ARD2F 系列智能電動機保護器(以下簡稱保護器)能對電動機運行過程中出現(xiàn)的多種故障情況進行保護，并設(shè)有 SOE 故障事件記錄功能，方便現(xiàn)場維護人員查找故障原因。本保護器具有 RS485 遠程通訊接口， DC4～20mA 模擬量輸出，方便與 PLC、PC 等控制機組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。實現(xiàn)電動機運行的遠程監(jiān)控。

因此，對某水泥廠電機設(shè)備進行合理的維護是很有必要的，對ARD2F智能型電動機保護器具體功能要求如下：

(1)完善的電機保護功能

保護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、電動機電能等電力參數(shù)，以及電動機運行過程中的各種運動狀態(tài)等信號，經(jīng)保護器內(nèi)部處理運算，從而實現(xiàn)對過載反時限、過載定時限、接地、起動超時、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時間、外部故障、起動次數(shù)限制、運行時間報警、故障次數(shù)報警等整體綜合保護，進而保證水泥廠生產(chǎn)工作的安全連續(xù)運行。

(2)及時排除電動機運行故障功能

水泥生產(chǎn)現(xiàn)場電動機運行過程中通過電動機保護器對電機設(shè)備進行檢測，當電動機出現(xiàn)狀況時應(yīng)及時發(fā)出報警信號，并記錄故障信息，方便維護人員查找故障原因并作出及時的處理，保證故障發(fā)生時電機設(shè)備動作的可靠性和靈敏性。

(3)對現(xiàn)場各設(shè)備進行遠程監(jiān)測功能

水泥生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境比較惡劣，保護器不僅要提供電機設(shè)備的保護功能，而且要求能夠帶RS-485通訊接口，經(jīng)過Modbus-RTU/Profibus-DP通訊協(xié)議與上位機管理系統(tǒng)進行通訊連接，實現(xiàn)實時監(jiān)測電動機的運行狀態(tài)以及運行過程中的電力參數(shù)，保證后臺操作人員能讀取、修改水泥成產(chǎn)現(xiàn)場電動機保護器的各種整定參數(shù)并通過后臺人機界面實時觀察當前現(xiàn)場電動機控制回路的工作狀態(tài)、供電電源質(zhì)量等，實現(xiàn)對生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備遠程實時監(jiān)控。

三、應(yīng)用案例

水泥生產(chǎn)工藝流程較多，所以將保護器合理的應(yīng)用于電動機保護設(shè)備控制回路的同時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、接觸器、電動機以及其他設(shè)備構(gòu)成控制系統(tǒng)，工程師通過監(jiān)控計算機以及生產(chǎn)管理軟件完成對整個系統(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，通過遠程控制軟件實現(xiàn)對現(xiàn)場相應(yīng)的電機設(shè)備等的控制。

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

圖2 ARD2F智能型電動機保護器應(yīng)用于某水泥廠電動機設(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設(shè)備較多，大于110KW及以上的電機，均采用在主回路裝設(shè)電流互感器?？紤]到水泥生產(chǎn)工藝的不同和企業(yè)投入的資金，電動機需要不同的起動方式，ARD2F智能型電動機保護器提供靈活的聯(lián)鎖功能，實現(xiàn)直接啟動、雙向啟動、星/三角啟動、自耦變壓器啟動等，使水泥廠大型設(shè)備的電機得到了合理保護和控制[2]。

四、ARD2F產(chǎn)品介紹

ARD2F智能電動機保護器適用于額定電壓至660V的低壓電動機回路，集保護、測量、控制、通訊、運維于一體。其完善的保護功能確保電動機安全運行，帶有邏輯可編程功能，可以滿足多種控制方式。可選配不同通訊模塊適應(yīng)現(xiàn)場通訊需求。

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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 系列電動機保護器使用 MODBUS-RTU 通訊協(xié)議，MODBUS 協(xié)議詳細定義了校驗碼、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的通訊線上信號沿著相反的兩個方向傳輸。首先，主計算機的信號尋址到一臺終端設(shè)備(從機)，然后，終端設(shè)備發(fā)出的應(yīng)答信號以相反的方向傳輸給主機。

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

CRC 校驗碼：錯誤校驗(CRC)域占用兩個字節(jié)，包含了一個 16 位的二進制值。CRC 值由傳輸設(shè)備計算出來，然后附加到數(shù)據(jù)幀上，接收設(shè)備在接收數(shù)據(jù)時重新計算 CRC 值，然后與接收到的 CRC 域中的值進行比較，如果這兩個值不相等，就發(fā)生了錯誤。

生成一個 CRC 的流程為：

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

2、把數(shù)據(jù)幀中的一個字節(jié)的 8 位與 CRC 寄存器中的低字節(jié)進行異或運算，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。

4、如果低位為 0，重復第三步(下一次移位);如果低位為 1，將 CRC 寄存器與一個預設(shè)的固定值(0A001H)進行異或運算。

5、重復第三步和第四步直到 8 次移位，這樣處理完了一個完整的八位。

6、重復第 2 步到第 5 步來處理下一個八位，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

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

保護功能包括過載反時限、過載定時限、接地、起動超時、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時間、外部故障、起動次數(shù)限制、運行時間報警、故障次數(shù)報警。

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

5路可編程DO輸出，滿足直接起動，星—三角起動，自耦變壓器起動，等多種起動方式，可通過通訊總線實現(xiàn)主站對電動機的遙控“起/?！?。

可選抗晃電功能：支持晃電立即再啟動、失壓重起動。

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，可實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控。

具有故障記錄、起動記錄、停車記錄、DI變位記錄和再起動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

隨著電子技術(shù)及通訊技術(shù)的不斷發(fā)展。電動機保護器也在朝著多元化方向發(fā)展，電動機保護器在水泥企業(yè)的應(yīng)用也越來越廣泛，合理選擇電機設(shè)備的保護功能和保護方式，可提高設(shè)備運行的可靠性，能夠預防并杜絕電機燒毀，同時減少了因非計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