江蘇安科瑞電器制造有限公司 范宏博

傳統(tǒng)的電動機(jī)保護(hù)元件大多是采用熱繼電器，其工作原理是采用雙金屬片是由不同膨脹系數(shù)的兩片金屬鉚合而成，當(dāng)電流通過時它將產(chǎn)生熱量，并向膨脹系數(shù)小的一邊彎曲，電流的大小和彎曲的程度成正比，當(dāng)電動機(jī)過載時，熱元件中流過電流變大，產(chǎn)生熱量增加，經(jīng)過一定時間，雙金屬片推動導(dǎo)板使動觸點(diǎn)斷開，切斷電動機(jī)控制回路，切斷電動機(jī)電源，使電動機(jī)得到保護(hù)。但熱繼電器存在致命缺陷，包括整定粗糙、受環(huán)境影響大、重復(fù)性差、誤差大及功能單一等，已無法滿足污水處理廠越來越高的要求，智能電動機(jī)保護(hù)器的出現(xiàn)大大改觀了熱繼電器留下的種種弊端。因此，某污水處理廠通過使用智能電動機(jī)保護(hù)器取代了熱繼電器，并融接現(xiàn)場總線技術(shù)，形成一個設(shè)備級的自動化控制系統(tǒng)，擺脫原始的“硬接線"控制方式，實(shí)現(xiàn)與自動化系統(tǒng)的信號交接與信息傳遞。本文介紹的是智能電動機(jī)保護(hù)器在污水廠污水處理過程中的應(yīng)用，通過現(xiàn)場總線連為一體，并將數(shù)據(jù)通過通訊接口傳送到控制室中的PLC與監(jiān)視器，方便控制室的控制設(shè)備實(shí)時監(jiān)視現(xiàn)場電動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。智能電動機(jī)保護(hù)器具有保護(hù)功能強(qiáng)大、各類參數(shù)設(shè)置方便，人機(jī)溝通容易、三相電流及故障信息等顯示直觀，功耗小(小于1w)等優(yōu)點(diǎn)，是對電機(jī)監(jiān)控發(fā)展的必然趨勢，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用情況來看，已取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

智能電動機(jī)保護(hù)器應(yīng)用于污水廠的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

某污水處理廠控制系統(tǒng)由監(jiān)控軟件，若干水泵控制箱等通過總線連接方式組成，水泵可實(shí)現(xiàn)手動或自動控制，PLC選用SIMATIC S7-200 SMAR，CPU模塊本體集成以太網(wǎng)接口和RS485串口，支持以太網(wǎng)接口下載程序，通過信號板擴(kuò)展通信端口、模擬量和數(shù)字量通道，把污水處理過程中的水位傳感器的開關(guān)量信號以及壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、PH值等模擬量信號參數(shù)接入到現(xiàn)場總線中。上位機(jī)監(jiān)控軟件采用力控組態(tài)軟件來實(shí)現(xiàn)，軟件提供的大量可導(dǎo)入設(shè)置和等值化工具，實(shí)現(xiàn)包括變量、數(shù)據(jù)庫、I/O設(shè)備、對象數(shù)據(jù)、圖庫等的高度復(fù)用，從而提高了工程的組態(tài)效率。同時可以實(shí)施遠(yuǎn)程控制，這樣提高了工作效率。現(xiàn)場主要用來顯示工藝流程圖、報(bào)表、現(xiàn)場泵參數(shù)、工藝參數(shù)以及報(bào)警顯示，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場監(jiān)控運(yùn)行和實(shí)時在線記錄。

圖1 總體方案圖從圖1 總體方案圖中可以看出，在整個系統(tǒng)中ARD系列智能電動機(jī)保護(hù)器只是作為系統(tǒng)的設(shè)備級實(shí)施對象控制的一個組成部分，與控制箱之間通過通信功能進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息的傳輸和交換，對受控電機(jī)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時控制與監(jiān)視，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制和網(wǎng)絡(luò)管理，使現(xiàn)場電機(jī)設(shè)備運(yùn)行在好的狀態(tài)，傳統(tǒng)的熱繼電器只能對受控設(shè)備進(jìn)行控制，而不能實(shí)施監(jiān)控管理。

智能電動機(jī)保護(hù)器

ARD系列智能電動機(jī)保護(hù)器能對電動機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的過載/欠載保護(hù)、斷相保護(hù)、電流不平衡保護(hù)、接地/漏電保護(hù)、短路保護(hù)、起動超時保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、阻塞保護(hù)、過壓/欠壓保護(hù)、外部故障保護(hù)等多種數(shù)字保護(hù)功能。電動機(jī)的保護(hù)可以實(shí)現(xiàn)分段式保護(hù)，分為啟動過程和運(yùn)行過程分別對電動機(jī)進(jìn)行保護(hù)。起動過程中投入起動超時保護(hù)、斷相保護(hù)、電流不平衡保護(hù)、接地/漏電保護(hù)、短路保護(hù)、tE時間保護(hù)功能;起動過程結(jié)束后將其他保護(hù)投入。當(dāng)電機(jī)正常工作時，可以通過保護(hù)器顯示模塊實(shí)時查詢電機(jī)工作電流和電壓、功率等參數(shù)。帶通訊功能電動機(jī)保護(hù)器的微處理器將采集信號通過現(xiàn)場總線至PLC系統(tǒng)并顯示在工控機(jī)上。當(dāng)故障發(fā)生時，保護(hù)器迅速執(zhí)行脫扣等保護(hù)動作，并記錄發(fā)生故障的類型、時間以及電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)等。圖2中電流檢測是通過標(biāo)配的電流互感器ZT來實(shí)現(xiàn)的，其中QA為空氣斷路器;QAC1，QAC2，QAC3為接觸器，可實(shí)現(xiàn)電動機(jī)星-三角起動;A1為ARD3智能電動機(jī)保護(hù)器，1，2為電源端子， T1和T2端子連接電動機(jī)內(nèi)部熱敏電阻，14~22為輸入端子，可連接現(xiàn)場起動、停止按鈕、復(fù)位按鈕、外部故障輸入和控制權(quán)限設(shè)置等信號;7、8、9、10、11、12、95、96、97、98、為繼電器輸出端子，輸入輸出端子功能可編程設(shè)定，LCD顯示模塊可通過接口與ARD3智能電動機(jī)保護(hù)器連接，操作面板上有8個LED指示燈，8個按鈕，用來直觀地顯示各種測量參數(shù)和設(shè)置參數(shù)。

圖2 ARD3智能電動機(jī)保護(hù)器典型控制

智能配電及控制方式

某污水處理廠是一座新建的采用改良工藝的中型污水處理廠，一期工程為日處理污水?dāng)?shù)萬立方米。整個工藝流程主要由污水貯存池、污水調(diào)節(jié)池、混合反應(yīng)池、接觸厭氧池、曝氣池、PH調(diào)整池、Ca(OH)2、H2SO4池、PAC池、NaClo池、沉淀池、污泥貯存池、鼓風(fēng)機(jī)、污泥脫水池、消毒池組成。

圖3 現(xiàn)場工藝流程圖圖3為現(xiàn)場工藝流程圖。污水貯存池主要用于廠里產(chǎn)生的經(jīng)過柵格處理以后的廢水貯存：高水位時1#2#水泵需同時啟動，中水位時1#2#水泵間隔4小時交替啟動，低水位時1#2#水泵停止，其中LA為液位測試探頭;污水調(diào)節(jié)池是用以調(diào)節(jié)進(jìn)、出水，不受廢水高峰流量或濃度變化的影響，在廢水處理之前設(shè)的水池：高水位時3#4#水泵需同時啟動，中水位時3#4#水泵間隔4小時交替啟動，低水位時3#4#水泵停止，其中LB為液位測試探頭;混合反應(yīng)池主要是在廢水處理過程中，往混合反應(yīng)池加藥劑，使污水進(jìn)行凈化，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的水池：通過讀取PH計(jì)的值控制在高中低水位時M1、M2、M7、M9、M13電磁閥的開關(guān)來實(shí)現(xiàn);PH調(diào)整池：在水處理過程當(dāng)中進(jìn)行PH的調(diào)整，進(jìn)行排放，不合格則重新進(jìn)調(diào)節(jié)池：主要通過讀取PH值在高中低水位控制11#、12#水泵的起停及M3、M4、M8電磁閥的開關(guān)來實(shí)現(xiàn);接觸厭氧池：利用厭氧菌的作用，使有機(jī)物發(fā)生水解、酸化和甲烷化，去除廢水中的有機(jī)物，并提高污水的可生化性，有利于后續(xù)的耗氧處理：M5電動閥開合大小根據(jù)所測壓力傳感器信號得到;曝氣池：池內(nèi)提供一定污水停留時間，滿足好氧微生物所需要的氧量以及污水與活性污泥充分接觸的混合條件：通過控制M11、M14電磁閥的開關(guān)實(shí)現(xiàn);沉淀池主要用于在廢水處理過程中水質(zhì)當(dāng)中，去除水質(zhì)當(dāng)中的雜質(zhì)，通過加絮凝劑與雜質(zhì)一起沉淀下去：通過控制M15電磁閥的開關(guān)實(shí)現(xiàn)，M6電動閥開合大小根據(jù)所測壓力傳感器信號得到;Ca(OH)2池是一種強(qiáng)堿用于調(diào)節(jié)PH值，H2SO4池是一種高腐蝕性的無機(jī)強(qiáng)酸用于調(diào)節(jié)PH值，都是通過讀取LC/LD液位測試探頭判斷水位高低后控制7#、8#水泵的開關(guān)實(shí)現(xiàn);PAC池用于污水處理中雜質(zhì)的沉淀：通過讀取LC/LD液位測試探頭判斷水位高低后控制5#、6#水泵的開關(guān)實(shí)現(xiàn);NaClo池主要對水質(zhì)進(jìn)行消毒、漂白：通過讀取LK液位測試探頭判斷水位高低后控制16#、17#水泵的開關(guān)實(shí)現(xiàn);污泥貯存池:主要用于污水處理過程中沉淀產(chǎn)生的雜質(zhì)污泥：通過讀取LL液位測試探頭判斷水位高低后控制13#、14#水泵的開關(guān)實(shí)現(xiàn);鼓風(fēng)機(jī)是在曝氣池曝氣過程中，使污水與空氣充分接觸：通過讀取LC/LI液位測試探頭判斷水位高低后控制13#、14#水泵的開關(guān)實(shí)現(xiàn)，其中1*、2*為鼓風(fēng)機(jī)。在整個工藝流程中，電機(jī)設(shè)備數(shù)量很多，通過改造工程在系統(tǒng)中加入ARD3智能電動機(jī)保護(hù)器對現(xiàn)場電機(jī)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測、保護(hù)和控制后，提高了整個控制系統(tǒng)的安全性、可靠性。

智能電動機(jī)保護(hù)器運(yùn)行評述

ARD3智能電動機(jī)保護(hù)器的電流檢測是通過外置的小型專用電流互感器來實(shí)現(xiàn)的，額定載流能力達(dá)100A的饋電電纜可由互感器的3個預(yù)制穿孔中通過，節(jié)省了現(xiàn)場級的空間、布線和附加設(shè)備。其中250A、800A大電流可采用專用電流互感器。由于ARD3智能電動機(jī)保護(hù)器具有在線故障診斷、報(bào)警和運(yùn)行時間等強(qiáng)大的記錄功能，提供一路RS-485通訊接口將相關(guān)信息進(jìn)行上傳，并且能夠?qū)崿F(xiàn)多種協(xié)議的選擇(Modbus-RTU/Profibus-DP)，通過RS-485與上位機(jī)之間的通信，用戶在中心控制室上位機(jī)可以查詢所有電機(jī)設(shè)備的相關(guān)信息，隨時診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和優(yōu)化現(xiàn)場設(shè)備的控制，使整個系統(tǒng)設(shè)備一直運(yùn)行在節(jié)能狀態(tài)。同時在中心控制室可以對ARD3智能電動機(jī)保護(hù)器器進(jìn)行在線參數(shù)化，無需在各設(shè)備間奔波進(jìn)行電動機(jī)饋電裝置參數(shù)化，也無需使系統(tǒng)停機(jī)，系統(tǒng)可用率提高。當(dāng)通信系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障時，ARD3智能電動機(jī)保護(hù)器仍能正常獨(dú)立安全運(yùn)行，運(yùn)行模式由自動切換至手動模式，此時可以通過ARD3智能電動機(jī)保護(hù)器顯示模塊上的按鈕或現(xiàn)場外接按鈕盒對設(shè)備進(jìn)行控制，停機(jī)時間縮短。ARD3智能電動機(jī)保護(hù)器采用模塊化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式，方便安裝于現(xiàn)場控制箱，且具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能適應(yīng)各種工礦環(huán)境工作，可對污水處理廠各個節(jié)點(diǎn)的電動機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時處理，有效地提高了電機(jī)設(shè)備利用率。

結(jié)束語

隨著城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，人口數(shù)量的增加，工業(yè)科技的發(fā)展，對于生活用水、工業(yè)用水也在逐年增加，在此條件下，通過建立污水處理廠對所有的污水進(jìn)行集中處理、形成中水，再利用，才能達(dá)到利用率。該污水處理廠系統(tǒng)建成后，通過使用智能電動機(jī)保護(hù)器對低壓電機(jī)提供一整套專業(yè)化的集控制、保護(hù)與監(jiān)測于一體的智能化管理模式，使得現(xiàn)場電機(jī)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、安全，其維護(hù)量幾乎為零，系統(tǒng)投運(yùn)后，自動化程度高，工作人員維護(hù)量小，出水水質(zhì)能達(dá)到國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，該污水處理廠對智能電動機(jī)保護(hù)器的應(yīng)用，對于提高污水處理電氣控制系統(tǒng)的自動化水平起到積極的推動作用，將是一個很好的榜樣。(選型詳見附錄。)

附錄

1、 產(chǎn)品選型

表1 額定電流

表2 額定電流附加說明

注：表2數(shù)據(jù)適用于AC400V，50Hz，1500轉(zhuǎn)/分的四極鼠籠式電動機(jī)表3 起動方式

備注：1) 手動模式：保護(hù)器參與控制，起動方式為直接起動(全壓起動)、雙向起動時，保護(hù)器設(shè)置為手動模式。2) 兩步模式：保護(hù)器參與控制，起動方式為星/三角起動(兩繼電器)、自耦變壓器(兩繼電器)時，保護(hù)器設(shè)置為兩步模式。表4 附加功能

表5 顯示方式

注： 1、附加功能可以同時選擇多種，起動方式、額定電流只能選擇一種，如有一臺電動機(jī)電流為45A，直接起動需要有通訊功能、剩余電流保護(hù)、溫度保護(hù)功能，顯示方式為分體液晶顯示，訂貨型號為ARD3—100T/LTC-90L。2、剩余電流分為接地電流和漏電流，二者只能選其一。接地電流采用三相電流矢量和疊加而成;漏電流通過使用零序互感器檢測，在訂貨時注明漏電流信號量程，便于出廠設(shè)置，漏電互感器標(biāo)配。3、4～20mA模擬量出廠默認(rèn)為電動機(jī)2倍額定電流，即電動機(jī)2倍額定電流對應(yīng)20mA，0對應(yīng)4mA。用戶可選擇模擬量對應(yīng)的電量參數(shù)：如A相電流，B相電流，C相電流，AB線電壓，BC線電壓，CA線電壓，有功功率等。DC4mA對應(yīng)所選變量的小值，DC20mA對應(yīng)所選變量的大值，訂貨時注明具體要求，否則按默認(rèn)值設(shè)置。4、過載保護(hù)選擇是tE時間保護(hù)或反時限過載保護(hù)，默認(rèn)是反時限過載保護(hù)，需要tE保護(hù)時要在訂貨單中注明，否則按默認(rèn)值設(shè)置。5、電動機(jī)保護(hù)器應(yīng)與其產(chǎn)品編號一致的電流互感器、零序電流互感器配套使用。6、通訊功能C、CP只能二選一。