基于全網絡結構的低壓智能配電系統

孫寶華

（中國瑞林工程技術股份有限公司，江西南昌 330038）

1 低壓智能配電系統概述

傳統低壓配電系統包括低壓配電系統和控制系統， 系統中主要電器設備為低壓電器以及由低壓電器組合而成的低壓成套開關設備和成套控制設備[1]。傳統低壓配電系統存在諸多局限， 在操作性、 便捷性、安全性和可靠性方面仍有待進一步提升：1）普遍存在信息孤立的問題， 不同廠家的監控子系統無法實現互聯互通，運維難度大。 監測數據不全面，無法實現實時監控。 2）日常巡檢和維護需要投入大量的人力物力，而且事前無預警；事后查找問題及檢修處理的速度慢等[2]。 隨著智能配電系統技術的不斷革新， 高級型智能配電系統關鍵技術研究已經取得了一定的突破，其中，智能化、網絡化作為低壓配電系統的未來發展趨勢已經具備了成熟的條件， 未來發展空間巨大。

智能配電系統的系統結構主要包括硬件電路、軟件系統、網絡通信，這三者是提高智能配電系統的關鍵因素[3]。1）硬件電路。 傳統低壓配電柜電動機控制中心與電動機機旁控制單元的接線模式仍以控制電纜硬接線的方式為主。 這種接線方式接線工作量大，不利于維護。 2）軟件系統。 傳統電動機監控需要配套諸多I/O 模塊和硬接線端子，系統設計復雜。3）網絡通信。目前，國內企業所采用的傳統電動機控制中心（MCC）與現場的連接還大都是通過電纜連接的方式進行現場信號的傳遞， 并沒有實現網絡一體化。有的產品雖然有帶網絡通信的現場操作面板，但它是與PLC/DCS 控制器進行通信，而不是與電動機保護器通信, 在控制系統未投入的情況下不能單機調試；有的產品雖然有可擴展的第二通信接口，但現場帶通信的元件或設備往往存在價格較高或數據傳輸不穩定的問題。隨著技術的進步，電動機保護器可采用的或可支持的網絡協議越來越多， 包括MODBUS、PROFIBUS-DP，或直接采用工業以太網，因此建立一個基于全網絡通信的智能配電系統的條件已基本成熟。

為此， 本文設計了一種基于全網絡結構的智能電動機控制中心（iMCC），其主回路由斷路器、接觸器和電動機保護器組成。 該控制中心是以電動機保護器為核心，將設備網絡技術、控制網絡技術、通信技術融為一體。與傳統電動機控制中心（MCC）相比，iMCC 具有接線簡便、維護量少、信息化程度高等優點，順應國家工業信息化戰略，具有廣闊的應用市場。

2 系統架構

根據生產檢修的需求， 對于某臺具有負載性質的電動機， 一般需進行兩地控制， 即機旁控制和DCS/PLC 集中控制。 本次設計的低壓智能配電系統具有全網絡結構，為了實現兩地控制目的，電動機機旁控制箱與智能電動機控制中心、 智能電動機控制中心與DCS/PLC 控制器均通過通信線纜連接，DCS/PLC 控制器又分別連接工程師站、操作員站和交換機。

電動機機旁控制箱采集現場控制指令和顯示電動機工作狀態， 智能電動機控制中心獨立完成電動機控制，DCS/PLC 控制器接收工程師站和操作員站的控制指令， 并向智能電動機控制中心發送控制指令； 工程師站和操作員站則用于對電動機遠程監控和可視化操作，并提供電動機故障預警與診斷。

電動機機旁控制箱設置有網絡通信模塊， 智能電動機控制中心配置具有至少兩個網絡通信接口的電動機保護器， 電動機保護器分別與電動機機旁控制箱和DCS/PLC 控制器進行通信。 其低壓智能配電系統如圖1 所示。

圖1 基于全網絡結構的低壓智能配電系統網絡拓補

低壓智能配電系統包括：工程師站101、操作員站102、交換機103、DCS/PLC 控制器104、智能電動機控制中心105、電動機機旁控制箱106。 電動機機旁控制箱106 采用通信網絡與智能電動機控制中心105 相連，用于電動機現場就地監控，具有采集電動機現場控制指令和顯示電動機工作狀態的功能，智能電動機控制中心105， 具備邏輯運算功能和可編程功能，能獨立完成電動機控制，并通過通信網絡與電動機機旁控制箱106、DCS/PLC 控制104 器相連,在數據傳輸上起到承上啟下的作用；DCS/PLC 控制器104， 利用通信網絡與智能電動機控制中心105和工作站相連；工作站（包括工程師站101 和操作員站102）采用通信網絡與DCS/PLC 控制器104 相連，用于對電動機遠程監控和可視化操作， 并提供電動機故障預警與診斷；交換機103，將系統運行的基礎數據上傳至能源管理系統服務器， 進行數據分析和處理。

由于傳統的MCC、PLC/DCS 控制系統、 能源管理系統通常都是獨立運作的， 相互的資源無法得到充分地交流或共享，造成資源的浪費或重復投資。通過上述低壓智能配電系統， 可將MCC 配電系統、DCS/PLC 控制系統、 企業的能源管理系統相互連接并進行數據信息的共享。 配電開關、接觸器、電能計量、故障信息、現場能源的儀表等參數都可進入后臺數據庫， 從而為企業構建一個整體的網絡和信息架構，使電氣、現場儀表、通信設備元件得以高效利用和信息共享。 這樣建立的企業后臺系統才是一個完整、豐富的，可以進行數據分析并得出決策方案的管理平臺。

可以看出， 智能電動機控制中心在其中起到了核心作用。 1）智能電動機控制中心配置至少具有兩個網絡通信接口的電動機保護器， 所有的控制和保護功能都是中央處理單元室微處理器執行， 包括聯鎖功能、運行計算、診斷和統計數據以及自動控制級與電機回路之間的高性能通信等。 2）系統集成了電流互感器，可以檢測電流，過流保護、過流報警、電流限制、On/Off 返回值檢測信號，運行次數和時間的計算等參數都是以電流作為參考值。 3）與傳統的電機控制回路相比， 智能電動機控制中心簡化了電機的控制回路，減少了接線，相應地也減少了故障點。 4）單獨的電動機保護器就可以實現控制和監視功能以及信號處理，不需要增加過載繼電器、熱敏電阻計算電路、電流互感器、模數轉換等元器件。 這些功能的實現完全不需要控制電流接線。 起停開關直接接到基本單元的輸入， 接觸器線圈通過基本單元的輸出控制，不需要互鎖的輔助觸點。DCS/PLC 控制器通過通信總線傳送起/停指令至電動機保護器，電動機保護器把運行、停止、過載故障、過熱故障、電流、電壓、電量等信號通過總線傳輸至DCS/PLC 控制器。

3 方案實施

根據上述設計思路， 以某銅鈷礦實施為例對智能電動機控制中心的具體應用進行分析。

某銅鈷礦項目是集采、選、冶工藝于一體的大型銅鈷資源綜合利用項目，生產原料來自兩個尾礦庫，庫內堆存的是某銅鈷選礦廠排出的尾礦。 本項目擬采用水力采礦、兩段攪拌浸出、高低品位萃取、電積提銅、沉鈷的生產工藝從尾礦中回收銅、鈷資源，選冶后的尾渣泵送至新尾渣庫堆存。 銅濕法冶煉工藝包括浸取—萃取反萃取—電積3 部分， 構成3 個循環，見圖2。

圖2 銅濕法冶煉工藝流程示意（單位：g/L）

圖3 低壓智能配電系統的配電柜外觀

由圖2 可知，氧化銅礦中銅主要以孔雀石、硅孔雀石等礦物形式存在。 浸取時， 酸與銅礦石發生反應，使銅溶解進入浸取液，富含銅離子的溶液進入萃取作業，萃取過程中銅離子和萃取劑的質子交換，進入負載有機相，質子則進入萃余液，萃余液酸度重新提高后，返回浸出工序繼續浸取銅礦石；富含銅離子的負載有機相則進入反萃工序， 將銅離子傳送至電積貧液，重新獲得銅離子的電積富液進入電積車間。在電積過程中，銅在陰極析出，陽極則析出氧氣并產生等摩爾的硫酸。

根據該工藝流程，全廠設置泵站、過濾、洗滌、沉淀、萃取、電積、干燥等17 座車間變電所，分別對各工段的電動機進行配電和控制。 由于工藝介質為礦漿，需要大量的泵來作為輸送動力，因此該廠低壓電動機超過了1 200 多臺。

電動機回路系統的典型功能有起停控制、 保護聯鎖、實時數據采集、參數設置、事件報警、各類曲線顯示、故障報警、故障記錄、設備機械信息、報表查詢及打印和用戶權限管理等功能。結合自動化、智能化的技術特點，低壓智能配電系統模型主要由控制層、網絡層和主站層三層結構體系組成。

1）控制層負責智能配電系統和配電設備的信息采集和控制，主要由接觸器、電動機保護器、控制器組成。在控制室完成對電動機的在線監控，并發出相應的操作指令， 保證全廠生產系統安全可靠地完成起動、聯鎖、運行、停止等動作，必要時可以切換到手動狀態，進行人為干預。

2）網絡層為主站和終端之間提供良好的通信支持，應具有強大的通信和數據處理能力，為后臺管理系統、 保護裝置等各種智能設備提供接口和協議的轉換以及數據處理功能， 實現不同系統的數據的透明傳輸。 網絡層支持多通信口， 支持通信鏈路的冗余，支持光纖通信，并具備在強電磁場干擾、高濕度、高粉塵、腐蝕性氣體等環境下正常工作的性能。

3）主站層要求滿足穩定、開放、靈活的原則。 為保障整個集中控制監控系統的穩定、可靠運行，主站層根據采集數據和共享信息對智能配電網進行監控、分析決策，并提供人機交互界面。 主站層負責與智能電動機控制中心、 具備通信接口的智能設備的實時通信，對整個廠區的設備運行情況、電能質量情況進行在線監控，并實現相關的分析、統計和診斷功能。

這種以主站為核心、終端為底層、通信網絡為神經的控制系統，可實現故障的快速處理，風險和隱患的識別及消除。 該項目低壓智能配電及信息管控系統的配電柜外觀如圖4 所示。 其結構緊湊， 布局合理，采用標準化元件方案，具有獨有的二次走線通道，有效保障了智能方案通信的高質量； 沒有過多的殘余布線，整體簡潔明了，易于維護，非常適合智能化低壓智能配電系統的現行發展要求。 用戶反饋該配電系統數據通信可靠，控制時效性強，故障率很低。

3 結論

綜上所述，傳統電動機控制中心（MCC）多采用硬接線的模式， 且帶通信的元件或設備普遍價格較高。采用基于全網絡結構的智能配電系統設計，電動機機旁控制箱與智能電動機控制中心直接采用通信線纜相連接， 不僅可以降低帶通信接口的元件或設備的成本造價， 其智能化網絡結構采集的數據量是傳統硬接線模式難以企及的。 所有數據在此網絡中自由交換和分析融合， 有效提高了對全廠用電設備控制的穩定性和性能性， 成為電氣控制的一個重要方向。同時，因為對傳統電纜連接的方式進行了減量和優化，智能電動機控制中心（iMCC）在后期維護上也具有較大優勢。工程應用實踐也表明，基于全網絡結構的低電壓智能化配電系統有效改善了傳統低壓配電系統的諸多問題，在降低工程造價、減少運營維護成本、提高集成度和兼容性、提高系統穩定性、降低調試維護工作量等方面具有積極意義。