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
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(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。
1.1ARD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。(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(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(如DCS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：
(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，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
|
保护器额定电流
|
变比设置
|
互感器一次侧圈数
|
适用电机范围（kW）
|
可整定电流范围(A)
|
|
1
|
支持
|
5圈
|
0.12-250
|
0.1-999
|
|
5
|
1圈
|
0.12-250
|
0.1-999
|
|
1.6
|
不支持
|
1圈
|
0.12-0.55
|
0.4-1.6
|
|
6.3
|
1圈
|
0.75-2.2
|
1.6-6.3
|
|
25
|
1圈
|
3-11
|
6.3-25
|
|
100
|
1圈
|
15-45
|
25-100
|
|
250
|
1圈
|
55-132
|
63-250
|
|
800
|
1圈
|
160-250
|
250-800
|
表2 额定电流附加说明
|
电动机额定功率（kW）
|
电动机额定电流（A）
|
选配保护器额定电流
|
整定电流范围（A）
|
|
电动机额定
功率（kW）
|
电动机额定
电流（A）
|
选配保护器额定电流
|
整定电流范围（A）
|
|
0.12
|
0.42
|
1.6
|
0.40-1.6
|
30
|
57
|
100
|
25-100
|
|
0.37
|
1
|
1.6
|
0.40-1.6
|
37
|
69
|
100
|
25-100
|
|
0.55
|
1.5
|
1.6
|
0.40-1.6
|
45
|
81
|
100
|
25-100
|
|
0.75
|
2
|
6.3
|
1.6-6.3
|
55
|
100
|
100
|
25-100
|
|
1.1
|
2.5
|
6.3
|
1.6-6.3
|
75
|
135
|
250
|
63-250
|
|
2.2
|
5
|
6.3
|
1.6-6.3
|
90
|
165
|
250
|
63-250
|
|
3
|
6.5
|
25
|
6.3-25
|
110
|
200
|
250
|
63-250
|
|
5.5
|
11
|
25
|
6.3-25
|
132
|
240
|
250
|
63-250
|
|
7.5
|
14.8
|
25
|
6.3-25
|
160
|
285
|
800
|
250-800
|
|
11
|
21
|
25
|
6.3-25
|
200
|
352
|
800
|
250-800
|
|
15
|
28.5
|
100
|
25-100
|
220
|
388
|
800
|
250-800
|
|
18.5
|
35
|
100
|
25-100
|
250
|
437
|
800
|
250-800
|
|
22
|
42
|
100
|
25-100
|
/
|
/
|
/
|
/
|
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
|
附加功能
|
代号
|
附加功能
|
代号
|
|
起动控制（包含K功能）
|
Q
|
漏电保护
|
L
|
|
开关量输入
|
K
|
4～20mA模拟量输出
|
M
|
|
温度保护
|
T
|
失压重起（抗晃电）
|
SU
|
|
报警（可编程输出）
|
J
|
SOE事件记录
|
SR
|
|
通讯接口
|
Modbus_RTU
|
C
|
电压功能(相序、功率、功率因数)
|
U
|
|
Profibus_DP
|
CP
|
|
DeviceNet
|
CD
|
tE时间保护
|
tE
|
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(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，必须在一批订单中订购一个90FL显示单元，作为调试使用。
表4 显示方式
|
代号
|
规格
|
|
90FL
|
LCD液晶显示模块尺寸为90×70，开孔86×66（单位mm）
|
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。
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国内外对照》
《带PROFIBUS-DP接口的智能马达控制器》