基于现场总线以及OPC技术的智能化马达控制中心

作者：厦门ABB低压设备公司 林春玲

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ABB公司最新开发了基于现场总线以及OPC技术的新型智能化马达控制中心MNS iS系统。其结构更加模块化和标准化，使得设计和应用更加简单；采用智能传感器从而使得一二次分离的结构增加了系统的可靠性和操作人员的安全性；采用了通用的网络设备和OPC技术，系统更具开放性；不同的上层控制管理系统可同时从MNS iS获取信息；同时满足DCS快速响应的要求以及其他上层监测系统全面信息传递的要求。 MNS iS是基于ABB 传统抽出式紧凑型低压开关柜MNS 3.0 和智能化开关柜MNS INSUM经验的基础上，于2005年推出的升级版。 新产品进行了设计概念上以及多项技术上的革新。 从设计概念上看，MNS iS是智能化马达控制中心的一个整体解决方案，不仅仅考虑了马达保护的智能元件，而且综合考虑了通信和网络结构的需要，在柜体结构上和检测技术上进行了革新。MNS iS使马达控制中心达到了前所未有的标准化与模块化。并在结构上达到了一次与二次部分的完全分离，使产品更加易于使用、维护、甚至升级。 它采用了通用的第三方硬件和软件，增加了产品的开放性与通用性。 MNS iS智能化马达控制中心的结构特点 1.一次部分 MNS iS的一次部分采用抽屉式设计， 称为M Starter，抽屉内仅安装马达回路的一次元器件如主开关和接触器。众所周知，马达保护回路的一次部分元器件配合变化不多，但控制部分的要求则千变万化。如果把控制部分从主回路中分离出来，主回路标准化是可能的。 MNS iS中，各种不同类型的马达起动器回路的一次元器件的选型和配合根据IEC60947-4-1 马达保护和配合TYPE 2类型的要求选定，并被固定下来，这个一次回路所需的抽屉尺寸也就得以确定。所有不同额定功率的马达起动器回路可以被分成标准的30～40种抽屉，再考虑到不同的起动方式（如DOL、 REV、SD），短路容量（50kA、 80kA等）以及主开关的类别（如断路器或者熔断器），有限数量的抽屉类型就被确定下来，以进行标准化生产。设计人员不再需要进行诸如主开关，接触器的选型。在知道马达回路的各项参数后，惟一的M Starter即被确定。例如：3kW 马达起动器, 400V, 50kA, 主开关采用MCCB, 直接起动 。 根据这些信息就可以惟一确定一个M Starter, 其尺寸为6E/4。根据其订货号，客户即可从厂家直接购买到经过功能测试的，完整的一次抽屉。其内部的元件配合、结构和组装已经得到了完整的考虑和优化的设计。 2.智能传感器 在M Starter 内部，MNS iS采用了一项对于低压开关柜行业来说全新的智能传感技术。它是从汽车工业中沿用而来的一项基于分流电阻的智能传感技术，通过一块嵌入导体的芯片来完成检测功能。智能传感器被安装于M Starter的出线端， 可以同时测得出线端导体上的电压、电流以及温度。传感器的输出为数字信号， 通过数据线接入端子，并经由二次转接件（Control condapter）引出至MNS iS控制模块的插槽。智能传感器代替了传统的电流互感器，并带来了电流互感器所不具备的优点。首先，体积减小，节省了安装空间。其次， 精度提高。传统的CT根据电磁感应的原理工作，因为磁饱和的特性，它的测量值是非线性的，仅能保证一个中间测量范围的精度。 而智能传感器在其全测量范围内的测量值均数字化，精度得到了良好的保证。再次，减少了传感器线圈所带来的功率损耗，降低了柜子的发热量。 3.二次控制、保护和通信单元 MNS iS 的保护和控制单元是M Control。 M Control采用可插拔式安装，直接插入二次转接件的卡槽内。它能读取从M Starter内部的智能传感器输出的数字化的电参量信号， 并在内部的微处理器对所读取的电参量，以及从M Starter中引出的开关量信号进行计算和判断，通过输出信号控制接触器的分合闸达到马达的保护和控制功能。 因为M Control读取的是数字或开关量信号， 对于不同功率的马达回路，M Control的硬件是完全相同的， 而要实现不同的保护功能， M Control 可以下载不同的软件模块。 M Control 还具备通信功能， 可以将检测到的马达回路的所有电参量、保护信息、 状态信息，甚至维护信息发送到柜子的通信中心M Link，M Link再将信息上传至上层控制系统。 M Control 的保护功能包括： 热过载保护；热过载保护（防爆电机）；相不平衡保护；缺相保护；欠电压保护；马达温度保护（PTC）；接地故障保护；堵转保护；欠载保护；空载保护；基于功率因数的欠载保护；起动次数限制保护；紧急停车。 M Control 的监测功能包括： 马达状态监测（起停、分合闸、脱扣状态）；相电流；出线电缆温度；计算的热容量；脱扣剩余时间；复位剩余时间；相电压；功率因数；有功功率；无功功率；视在功率；接地故障电流；频率；数字输入输出量；模拟输入输出量。 M Control可传递的维护信息包括： 出线温度信息；接触器开合次数信息；马达运行时间信息；M Starter的插拔次数信息；M Starter 的类型监测；M Control 自身的位置监测。 M Control可传递的系统信息包括： 安全模式；控制权限设定；主开关分合闸位置监测；接触器分合闸位置反馈；起动器Ready指示；控制电压监测；自动重起动。 4.一二次分离的结构设计 MNS iS 采用了一二次部分完全分离的结构设计。MNS iS有两个电缆小室， 二次元件M Control以及所有的控制线、通信线都布置在位于柜子左边的控制电缆室内，而一次电缆则布置在位于柜子右边的电力电缆室内。一次部分M Starter 通过已经将所有的接线预先接好的二次转接件与控制部分M Control 相连接。一次出线则与传统的MNS 3.0相同，小于全宽度的抽屉（6E/4, 6E/2）通过一次转接件将出线端子引出至电缆小室，等于全宽度的抽屉（6E、8E 及以上）则直接经过电缆接线单元引出至电缆小室。 一二次分离的设计最大程度地减小了电力电缆对通信电缆引起的干扰，并使不同专业的人员在各自独立的区域进行接线和维护工作，较好地保证了人员的安全性。一二次解耦的设计也使得将来随着电子技术的发展，有更好的控制和保护单元时，单独对二次元件的更新换代成为可能。 系统网络结构与通信 在MNS iS系统里，M Control 收集到的信息被传送到通信接口模块M Link. 它是一个通信中心， 一个M Link向下连接M Control，向上它提供多个不同协议的通信接口以接入上层控制系统和电气工作站。如通过现场总线Modbus RTU 或Profibus DP协议接入DCS，同时还可以通过Ethernet TCP/IP协议接入电气工作站。 M Link 与M Control之间的通信采用的是RS485接口，10base-I 协议进行通信。最多60个M Control可以接入一个M Link。M Link可以通过现场总线与上层DCS控制系统进行通信。这时候M Link相当于主从通信结构下一个标准的从机。当用户的马达个数多于60个时，可以使用多个M Link，每一个M Link都有自己惟一的一个IP地址，M Link间可以通过Ethernet连接组成局域网络。 1 .人机界面 带有标准网络接口的网络浏览设备可以方便地接入由M Link连接而成的局域网络，如个人电脑或M View。M View是一个通用的第三方产品：触摸屏，电子产品市场上销售的带有标准网络接口的触摸屏都可以接入。个人电脑通过网络线接入M Link或通过集线器接入由多个M Link组成的局域网后，不需要另外安装任何软件， 只需点击网络浏览器（ie），并在地址栏内键入其中一台M Link的IP地址，这个局域网络内的所有M Link就会被显示出来，选择其中一台M Link点击进入，屏幕将显示这台M Link所连接的开关柜，并且每一个马达回路的实际位置和状态都能通过一个直观的图形界面显示出来。继续选择某一个马达回路并进入，就能完整地浏览所有的测量、告警和保护等状态信息，并根据操作权限的设定，还可以对马达进行启／停等操作。 2. M Control的参数设定 M Link 内的存储器记录着与之相连的所有M Control的位置、马达参数和配置信息。在插入一个新的M Control时，M Control会自动读取自己所在的位置信息，（如柜号1，高度3，位置2），M Link根据已获得的位置信息就能发现并确定新的M Control，并将存储的参数和配置信息自动下发给它，M Control的配置就自动完成了。这种方式使得开关柜的调试过程十分简单，也给用户在柜子的使用过程中带来方便，在用户需要更换M Control的时候，仅需更换一个硬件，软件过程自动完成，即插即用。 M Link下发给M Control的配置信息中包括某个位置上的M Control所对应的M Starter的类型信息，这个信息告诉M Control在此位置上它应该对应的M Starter的惟一类型。当M Starter 与M Control连接好之后，M Control将从所连接的M Starter上读取它的类型信息并进行比较，如果发现不匹配，则M Control 会发出位置错误告警，此回路的操作功能被封闭，用户不能操作；当正确的M Starter被插入到这个位置上时，告警复位，用户操作功能恢复正常。 3.时间同步 大型工业用户的控制网络通常希望在整个控制网络所发生的所有事件和告警都有一个共同的时间标签。在MNS iS 中，M Link可作为一个时间服务器，为所有的M Control 提供时间信息，MNS iS从而可以提供带有统一时间标签的信息。若用户的网络中已经有时间服务器时，M Link可以从网络读取时间信息以供M Control使用； 若用户网络中没有时间服务器，M Link可以被设置为M Control 共用的时间服务器，当网络中连接有多个M Link的时候，仅设置其中的一台M Link为时间服务器，而其他的M Link则从被设置为时间服务器的M Link 上读取时间信息，这样网络内所发生的所有告警、脱扣等事件就可以有一个共同的时间标签。 4. OPC Server 采用现场总线方式与过程控制系统进行的信息交换都基于一个通用的数据格式标准，如Profibus 或者Modbus. 信息交换的数据格式是预先定义好的，如iS 采用的Profibus 协议是Profibus用户组织制定的马达管理类通信标准。现场总线方式进行的数据交换响应速度快，但信息量受到较大的限制。而对于资产管理系统，电气监测站或者SCADA系统来说，关于马达控制中心的完整的信息则是必要的。MNS iS提供了这种可能性，那就是经由M Link，通过用于数据交换的OPC 接口，大量的信息可以被传送至上层的监测系统。 OPC是OLE for Process Control的缩写，意为用于过程控制的对象连接和嵌入技术。这项技术使得不同的上层系统与开关柜系统内的智能化元件能够进行信息交换，而无需附加的任何各自的硬件或软件接口程序。多个OPC用户可以连入MNS iS OPC Server, 这就使得不同的应用程序都可以从MNS iS的智能化元件接收信息。 MNS iS的OPC server安装在上层系统的连接服务器内，成为控制系统的一部分。它能够自动搜索网络中所有的M Link，并且自动配置并进行数据交换。 MNS iS能够同时处理多个应用的信息请求，例如，过程控制系统通过现场总线获得数据的同时，上层SCADA系统也通过OPC数据交换获得一个报告。 结论 市场上常见的智能化马达控制中心往往是将具有智能化的功能综合保护元器件，安装在传统的开关柜内，使之具有通信功能。然而这并不是一个整体的马达控制中心的方案。 MNS iS在考虑了马达回路的保护控制功能以外，还配和系统的通信功能和网络结构整体考虑了开关柜体结构的设计，使之成为一个标准化、模块化、易操作且功能强大的系统，设计或使用人员无需花费过多的精力研究各种界面或接口，系统有很好的兼容性和开放性。(end)

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