ARD智能电动机控制器在工业生产过程控制中的应用

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

、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，其功能也加完善，应用加广泛，以外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，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电动机保护器是目内具有水平的马达智能保护控制单元，在内具有定代表性。

    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（多种等级曲线可选）、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势

    ARD电动机保护器，是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*的保护，并且接线尽量简单。ARD正是基于以上要求设计的。

    1.1ARD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的切逻辑都由芯片完成，大大降低了接线成本。

    1.2保护功能加完善，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。（见下图1图2传统方案与ARD方案的比较）

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12C，SPC3为PROFIBUS-DP协议芯片，负责将主站送来的数据拆包，并将其送往12C，同时将12C传来的数据打包，上传给主站。12C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（通讯协议满足MODBUS），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（如DCS系统）仍保持相对的独立性，当上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*的摆脱了原来大量落后的继电器给我们带来的困扰，次设计也加得心应手，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，来完成我们些普通电动机控制，zui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，好的保证可靠性，同时可以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，还可以通过连接只外部矢量和电流互感器，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4

     b)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5

     c)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6

    d)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7

    5.2总线组网MMC马达控制中心

    MCC马达控制中心是ARDzui能展示其势的应用的地方，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，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：

    （1）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，Nzui多可为255个站，当选用PROFIBUS时，Nzui多可选用127个站，但每31个从站之间需加个中继。

    图9结构采用DP协议网关进行数据传输，由于采用网关，zui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zui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（如Y-?转换起动、正反转控制，自耦降压起动等）；

       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，必须在批订单中订购个90FL显示单元，作为调试使用。 

 表4 显示方式

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，提供了种崭新的概念，通过ARD即可实现对电动机*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。

参考文献：

《ST500马达智能控制器在工业生产过程控制中的应用》

《现场总线技术的发展及其在开关柜中的应用》

《智能化低压电控配电系统内外对照》

《带PROFIBUS-DP接口的智能马达控制器》

作者简介：赵娜，女，汉族，本科，工程师，主要研究方向为智能建筑供配电监控系统 131 22003722，