CNG電機接線端子故障監控裝置的設計與實現

郭忠華

（中海石油葫蘆島精細化工有限責任公司，遼寧葫蘆島125000）

0 引言

低壓大功率電動機因額定電流較大，已超出最大截面單根電纜的載流量，工程上均采用兩路電纜并聯供電。我廠壓縮天然氣裝置兩臺壓縮機撬裝設備采用355 kW大功率防爆變頻電機，額定電流650 A，實際運行電流630 A，設計采用兩路185 mm2電纜并聯供電。當接線端子接觸電阻為0.01 Ω時，6個接線端子的接觸發熱總功率達6 kW，短時間內可損壞電機端子和絕緣，對接觸電阻要求很高。同時，由于隔爆型電機的接線盒需能承受較高的內部爆炸壓力，接線盒壁厚較厚且密閉，通過紅外測溫儀人工外部巡檢無法及時獲知內部端子的發熱狀況。在運行狀況下，兩路并聯電纜其中一根因接觸不良發熱，進而熔斷燒毀，另一根則承受全部負載電流，但此時因變頻器采集的是各相總電流，三相總電流仍然基本平衡，不能提供缺相及電流不平衡保護，直到完好相的單根電纜因承受過電流燒毀后變頻器才會識別到缺相，保護停機，此時電機端子、引線及絕緣已損壞。

為避免再次發生故障，經分析，決定對電機端子的接觸狀態進行實時在線監測預警和保護停機改造。

1 改造方案選取及原理

圖1為電機和電纜系統等效電路，其中R1、R2分別為兩路并聯電纜的直流電阻，L1、L2分別為兩路并聯電纜的感抗，R1′和R2′分別為各路電纜兩端的接觸總電阻，即每路電纜與電機接線端子和變頻器柜內輸出電抗器母排的接觸電阻之和，因此該裝置也可反映出配電柜內接觸是否良好。

圖1 系統等效電路

電纜1的電流：

電纜2的電流：

因并聯電纜的長度、規格、敷設方式相同，正常情況下，Z電纜1=Z電纜2，I1=I2，兩路電纜電流差接近為零，當端子接觸電阻R1′因接觸不良增加時，將引起I1減小，I2增大，進而導致電流差值增加，通過檢測電流差值變化可以監控端子接觸狀況和負載均衡度。

本系統選擇溫度直接檢測和電流差對比檢測兩種方法同時使用，系統組成如圖2所示，采用PLC+觸摸屏方案，考慮施工安裝的便捷性，電流檢測兩臺機組分別采用TRMS真有效值霍爾電流變送器和普通電磁式互感器。PLC及電流變送器安裝于A機控制柜中，普通電磁式互感器及電流測控模塊AMC16B安裝于B機控制柜中，兩機柜間采用Modbus總線通信，A機6路電流和A、B機溫度信號采用PLC模擬量擴展模塊采集，B機的電流、電壓、運行信號和報警、停機信號通過Modbus總線采集和控制，溫度檢測采用熱敏電阻103AT+玻璃纖維樹脂套管自制而成，具有較高的耐熱性和絕緣性，體積小，易于貼附安裝，符合《爆炸性環境第4部分：由本質安全型“i”保護的設備》（GB 3836.4—2010）對簡單無源元件的定義[1]，不破壞電機接線盒內防爆結構，滿足《爆炸性環境第2部分：由隔爆外殼“d”保護的設備》GB 3836.2—2010隔爆要求[2]。

圖2 系統組成框圖

2 PLC程序設計

本系統核心采用西門子S7-200 PLC，實現電流采集和運算，通信口Port1作為Modbus主站端口，用于讀寫AMC16B的電力參數和開關量控制，通信端口Port0作為PPI端口與觸摸屏連接，因AMC16B模塊的Modbus協議僅支持寫多個數據保持寄存器的10H功能碼，不支持寫單個寄存器的06H功能碼，而S7-200的Modbus主站庫在使用中會自動根據Count端設置的數據個數發送10H或06H功能碼，因此，對AMC16B的開關量輸出控制，只能將Count設置為2，一次寫入兩個寄存器，其中一個寄存器寫為空操作。PLC程序編寫如圖3所示。

圖3 PLC程序編寫

3 觸摸屏組態

HMI采用MCGS-TPC7062Ti型觸摸屏，完成數值及報警信息顯示、參數設置、報警設置、故障記錄、歷史曲線、實時曲線、權限管理等功能，通過VNC或Modbus/TCP協議，本改造可使用電腦和手機客戶端通過Wi-Fi或有線網絡遠程監視和操作。圖4為組態主界面。

圖4 組態界面

3.1 報警自動亮屏

因機組啟動操作不通過本觸摸屏實現，平時屏幕處于背光關閉狀態，為便于操作人員使用，監測開機運行狀況，將機組運行信號接入PLC，當CNG壓縮機組啟動瞬間或有報警發生、通信超時、儀表變送器故障異常時，觸摸屏會自動喚醒亮屏5 min，該功能通過TPC系統控制實現，在報警策略中使用腳本編程，程序如下：

其中Data05定義為背光自動關閉控制字，Data05為1自動滅屏有效，為0無效，通過程序控制自動滅屏無效，背光則會自動亮起。

3.2 參數設置模塊

為使PLC及系統具有普適性和通用性，可以任意接入各種不同量程的變送器，在參數設置界面可以修改設置模擬量A/D轉換后的上下限值和對應的量程上下限，通過這些參數的調整也可以對各通道變送器的漂移、干擾、線性系數等誤差進行校正，這些參數修改次數較少，為防止數據丟失，設計永久保存按鈕，將修改后的參數保存在PLC的E2PROM中，而不是斷電保持寄存器中，不受PLC保持電池或超級電容電量消耗的影響，用戶在點擊修改參數文本框時會彈出登錄對話框，僅擁有管理員密碼才能修改，部分腳本程序如下：

!LogOn()

用戶組=!CheckUserGroup("管理員組")

3.3 趨勢曲線

歷史曲線、實時曲線可以設置上下限坐標以匹配不同測量范圍的儀表，或者使曲線處于最佳顯示范圍，歷史曲線可以設置查詢起始日期、時間和時長，當設置時長低于1 h，橫軸時間單位自動變為分鐘，部分腳本程序如下：

歷史曲線.控件0.SetTrendVisible(1,A1顯示開關)

歷史曲線.控件0.SetTrendVisible(3,A差顯示開關)

歷史記錄起始時間=歷史曲線.控件0.GetXStart()

歷史曲線.控件0.SetTrendRange(3,A歷史電流差高度,A歷史電流差高度*(-1))

歷史曲線.控件0.SetTrendRange(1,A歷史電流高度,0)

IF A機電流歷史時間長度1 < 1.0 THEN 歷史曲線.控件0.SetXUnit("分鐘")

IF A機電流歷史時間長度1 < 1.0 THEN 歷史曲線.控件0.SetXLength(A機電流歷史時間長度1*60)

3.4 報警設置及報警記錄

該界面可設置報警閾值、回差、延時等參數，報警記錄采用自定義表格，可將報警發生瞬間的溫度電流等各項參數存儲到觸摸屏FlashROM中。

4 結語

本系統設計采用PLC+觸摸屏方案，通過端子溫度檢測和電流差比較實現了電機接線端子狀態和電纜負載均衡度的實時在線監控，為壓縮天然氣裝置的安全運行提供有效保護；通過實際運行，驗證了普通電磁式電流互感器在變頻器輸出端PWM諧波條件下的測量精度，在變頻輸出頻率為20～50 Hz范圍內，普通電磁式電流互感器測量精度與TRMS霍爾傳感器一致，且穩定性、抗干擾能力較TRMS霍爾電流變送器強，為今后設計選型提供了應用經驗。