電機保護器M102-P在水泥熟料生產線中的應用

郭 劍（合肥固泰自動化有限公司，安徽 合肥 230051）

0 前言

水泥生產企業屬于能耗高，污染大同時需要設備連續不間斷運行的行業，而電機設備是水泥生產企業應用最廣泛的動力裝置，對電動機設備可靠性和穩定性的要求較高，一旦發生事故就必須盡快查明原因及時處理，以保證及時恢復生產。傳統電動機的控制和保護只能通過普通電氣元件，電纜與DCS系統進行點對點硬件連接，保護功能少，獲取的狀態信息有限，無法實現對電動機的綜合保護和詳細的故障檢測及遠程通訊等更高要求。隨著智能電氣設備的更新換代和工藝控制流程的不斷完善，尤其是自動化和智能化等生產要求，迫切需要完善電動機控制和保護，實現對生產過程的測控、故障診斷及集中管理等功能。

1 采用傳統電氣控制回路保護方式

巴西MZBA水泥粉磨站系統位于巴西東北部城市莫索羅境內，原水泥粉磨站系統擁有大量低壓三相異步電動機，在電機控制和保護中利用傳統的電動機控制回路，見圖1。在此控制回路中，主電路由斷路器QF、接觸器KM的主觸頭、熱繼電器FR的熱元件與電動機M構成。當電動機過載時，熱繼電器脫扣以保護電動機，與接觸器搭配使用在電路中起斷相保護作用。控制回路中由現場按鈕箱(轉換開關、起/停按鈕)、熔斷器、接觸器的常開/常閉觸頭、來自DCS控制系統的觸點、熱繼電器的輔助觸點等組成，由此實現在現場通過起/停按鈕或由中控DCS系統控制電動機的起動和停止。

原水泥磨系統電機控制和保護利用傳統的斷路器、接觸器、熱繼電器等普通電氣元件來實現，可靠性差，保護功能不全面，無法對電動機實施有效的保護，易造成因保護不及時造成電動機停機或故障。此外所有連接都是通過硬接線連接來實現對電動機回路的控制，設備維護不方便，傳送信息有限。

圖1 傳統的電動機控制回路

2 采用電機保護器M102-P保護方式

圖2 電機保護器M102-P的電動機控制回路

巴西MZBA3000t/d熟料水泥生產線是合肥水泥研究設計院在原有水泥磨系統基礎上新增設計的一條熟料生產線，該項目在低壓電動機的保護和控制上，選用了基于現場總線的ABB電動機控制和保護單元（Motor Control&Protection Unit，縮寫為MCU），采用電機保護器M102-P的控制回路，見圖2。在此控制回路中，主電路由斷路器+接觸器+電動機保護器構成，其中電機保護器是回路中最主要的核心元件。當電動機的額定電流≤63A時，主回路的三相出線可以直接穿過M102-P的電流測量單元，實現對電動機三相電流的測量取樣，用來實現對電動機的保護及現場中控的顯示。當額定電流>63A時不能用于直接測量，需要配合外部電流互感器CT(二次側輸出為1A或5A)進行電流測量。M102-P直接將電源的三相火線及中性線接到電壓輸入端子，以實現對電動機三相線電壓和相電壓的測量取樣。M102-P額定工作電壓為DC24V，按開關量外部輸入電源劃分，可分為AC240V、DC24V兩種，前者有9點開關量輸入，后者有13點開關量輸入。考慮到MZBA3000t/d熟料水泥生產線皮帶輸送機，提升機等都安裝有拉繩開關、跑偏開關，料位開關等，所需開關量輸入較多，故為所有電機機配置了開關量輸入電源為DC24V的M102-P。M102-P還具有先進的現場總線接口ProfibusDP的通信設計，保證了與DCS系統通信的快速可靠，同時能快速響應上位機的實時查詢等要求并執行相應操作。M102-P標準的配置，為熟料水泥生產線低壓電動機提供了一整套專業化的集保護、控制、監測與通訊于一體的智能化管理方案。電機保護器M102-P主要功能如下。

（1）保護功能。完善的電機保護是對電機運行過程中的各種運行狀況的詳細信息進行采集跟蹤，通過對故障報警、保護動作（保護脫扣）以及動作延時時間的設定來實現及時準確的保護，保證生產的安全。在設備可能產生重大故障前，及時發出報警信號，并記錄故障信息，方便維護人員查找故障原因并作出及時處理，避免不必要的停機，最大限度地保證設備運行的有效性。M102-P通過對電動機的三相電壓、三相電流、漏電電流、接觸器狀態、主開關狀態的實時監測，實現對電動機的多種保護，完善的電機全面綜合保護功能，保證了水泥廠生產工作的安全連續運行。

（2）控制功能。M102-P可實現各種不同的電機起動控制方式，電動機的控制權限包括現場控制及遠程控制，通過對控制權限的選擇規定電機控制的優先權。各種需要的電動機起動控制方式已集成在裝置中；包括直接起動、正反轉直接起動、Y/Δ起動、自耦變壓器降壓起動、軟起動器控制等。

（3）監測功能。M102-P提供豐富的電機運行監測功能，監測數據經現場總線上傳到上位機集中管理，同時通過安裝在開關柜面板上的操作面板MD直接顯示，用戶可以直接通過面板查看各電參量值，操作面板上還有相應的指示燈，可以直接顯示裝置目前的工作狀態，在發生故障時還以文本方式指示警告原因或脫扣原因。M102-P可以監測電機運行、停機、故障脫扣等狀態信號，可以監測電機故障信息，包括過載、斷相、三相不平衡、接地故障、電機熱保護等信息。

（4）通訊功能。M102-P通過RS485接口，采用ProfibusDP通信協議，與DCS系統進行通信，Profi?bus DP是一種主-從式的現場總線協議，M102-P在DCS系統結構中它作為Profibus從站。M102-P的Profibus DP通訊接口芯片采用西門子公司的SPC3芯片，通訊介質通常采用屏蔽雙絞線，其通訊速率最大為1.5 Mbit/s。在DCS系統硬件配置中M102-P的通訊連接，見圖3。

3 電機保護器M102-P的優勢

圖3 電機保護器M102-P的通訊連接

ABB電機保護器M102-P在巴西MZBA3000t/d熟料生產線的應用中，和原水泥粉磨站系統傳統的電機控制方式相比較已經充分體現出諸多的優越性，主要表現在以下幾點：

（1）M102-P電機保護器由基于微處理器技術開發研制的電動機保護與控制裝置，各種保護功能可通過參數設置軟件MCUSetup輕松設置，通過對三相電流、電壓的監測，實現對電動機的智能化保護、控制及監測，為電動機提供的完備保護，避免了因電動機過載，堵轉，接地故障，斷相等可能故障導致的生產事故，可以滿足絕大多數用戶的需要，最大限度地保證了電機設備運行的穩定性與安全性。

（2）M102-P是具有先進的現場總線接口，采用了Profibus現場總線技術，以I/O站為基礎，與總線控制器相結合，盡量發揮現場總線布線靈活的優勢，通過接線方式設計的改變，本系統比傳統結構的DCS更節省了I/O模件數量及裝置室的空間；同時減少了大量電纜，可以極大節省安裝費用，降低系統成本。同時，M102-P標準的配置，完善的功能，大大簡化了系統回路的維護，提高了水泥生產的連續性和可靠性。

（3）隨著新一代的控制系統如FCS、NCS等的廣泛應用，傳統的電氣元器件難以實現集中管理、分散控制的要求，M102-P Profibus DP/RS485的通訊設計，保證了與上位機通訊的快速可靠，同時能快速響應上位機的實時查詢等要求并執行相應操作。

（3）此外，M102-P增加了一些特殊的控制功能，如:分組起動，自動重起動，起動次數限制等，防止電動機的頻繁啟動等，可以滿足在一些特殊情況下的應用，而在傳統的控制方式中，實現這些功能比較困難。

4 結語

本水泥熟料生產線控制系統投入運行后，系統運行安全、穩定、可靠，能夠滿足水泥工業生產所需的各項工藝技術指標，所選用的基于現場總線的ABB電機保護器M102-P為水泥廠低壓電動機提供了一整套專業化的集保護、控制、監測與通訊于一體的智能化管理方案，在現場使用考核中具有良好的穩定性、實時性和先進性，全面提升了水泥企業的自動化程度，同時對提高水泥產品產量、質量，降低能耗，實現“生態文明建設”等方面都有著顯著的經濟效益和社會效益。