智能电动机保护和监控技术在HVAC节能项目中的实践应用———智能电动机保护和监控技术在HVAC节能项目中的实践应用

摘 要:针对原始简陋和低效的电机控制保护方式常见的因短路、过载、堵转、缺相等原因造成的电动机运行事故，提出基于DCS分布式控制系统融电机监测、保护、控制为一体的智能解决方案。通过实际案例介绍,可为不同设备的数据采集和通讯提供友好交换、开放透明的交互平台；具有实时采集记录功能和在线分析、判断和预测电动机设备故障的能力，实现对电动机实施主动性智能分析和诊断的监控保护，保障系统高效安全运行的目的。
关键词  节能；智能控制；DCS分布控制系统；MPE智能电机保护器

0    引言
电动机将电能转换成机械能，在现代自动化控制领域中占有难以替代的位置。目前，许多企业仍在继续沿用传统电动机保护和控制方式。早在上世纪末，国务院就已经批准明令禁止生产使用JR0-16系列热继电器，但部分企业多种原因不顾安全要求仍在继续使用。每年因短路、过载、堵转、缺相等电动机运行故障导致的事故损失屡见不鲜，给企业造成重大经济损失，成为制约企业不断优化自动化控制能力，提高生产力和市场竞争力的瓶颈。
传统的电动机控制柜多由电压互感器、电流互感器，电压表、电流表、有功功率表等指针式模拟电气仪表和测量转换开关构成测量单元；采用断路器、交流接触器和控制按钮或转换开关构成控制单元；通过热继电器、中间继电器、电气联锁和机械连锁构成保护单元。
现代工业自动化产品涵盖了工业传感器、控制器、检测器、调速系统、传动系统、伺服系统以及现场总线和组态软件等等。能够为工业自动化生产提供智能化监测和控制的全面解决方案。

1    应用案例
日前某中央空调制冷站节能改造项目摒弃了传统落后的电动机控制方式，采用基于现代工业自动化产品基础上的智能化监测、保护和控制全面解决方案。
该项目属中外合资企业，中央制冷站配置有：YORK螺杆式制冷机组1920kW（电功率337 kW）×4台，冷冻水泵55 kW×5台（4用1备），冷却水泵37×5台（4用1备），冷却塔风机15 kW×4台，主要用于工艺性用冷，年耗电量约为350万kWh，年度电费约为184万元。经过HVAC（暖通空调）智能节能控制管理系统改造后，取得年节电率约32％好成绩。

2    DCS分布式控制系统
该智能节能控制管理系统采用分布式控制系统（DCS，Distributed Control System）。引入了计算机技术、自动控制技术和现代数据通讯技术构成各种功能模块，实现对包括电动机运行参数在内的诸多生产过程参数的在线保护、监测、分析、统计和控制。其特点是现场由可编程逻辑控制器（PLC，Programmable Logic Controller）、变频器（INV，inverter）和智能电机保护器（MPE，Motor Protection Equipment）等具有微处理器功能的控制器实施分散控制，实时数据通过网络Modbus数据总线传输到控制管理层，实现分散控制，集中监控管理的目的。系统由监控管理层、网络通信层和现场控制层三部分构成，其网络架构图见图1。

 

  图1 分布式中央空调节能控制管理系统 3.1.监控管理层 由系统组态软件和计算机、打印机、USP不间断电源等共同组成了监控管理层（管理中心主站），俗称上位机。实现对远程采集的现场设备运行参数实施数据分析、统计和计算处理，并以数字、图形、报表和声光等方式为系统运行操作管理人员提供人机交互的控制界面。 主站系统第一层为操作系统及系统软件。第二层为系统支持软件层，包括组态软件、数据库系统、HVAC（Heating, Ventilation and Air Conditioning暖通空调）节能控制管理系统模型、数据采集和传输。 节能控制管理系统模型主要指HVAC系统设备对象化及网络拓扑；数据库系统可分为：运行数据库、基础数据库、标准数据库和历史数据库等，依托紫金桥组态软件的属性；遵循统一的通讯协议从不同的数据终端（如PLC、INV、MPE、传感器和触摸屏等）采集各种参量数据，但并不进行处理，再通过网络传输和分发给需要这些数据的系统。第三层为基础应用层，将采集过来的数据经过各种处理，通过HMI（Human-Machine Interface）人机界面显示给用户。第四层为高级应用层，它所产生的数据主要是供节能控制系统进一步管理和决策用。 系统将保护和监控功能、负荷和危险分散化。克服了集中式控制系统可靠性较差，当上位机发生故障或者上位机与子系统通信中断时，子系统的节能控制运行将停止，最多只能保持原状态运行而无法进行实时跟踪的节能系统运行的缺点。在上位机发生故障或者上位机与下位机之间通信中断时，下位机仍能单兵作战完成对电动机的保护以及信号采集、比较、控制运算和输出控制量等过程，使节能控制系统的可靠性得到大幅度提高。同时，加快了各子系统电机保护和节能控制的响应速度，使之具有各子系统以多种组合方式运行的灵活性。 3.2.网络通信层 通过RS-232/RS-485通讯接口将现场终端设备和监控管理中心服务器互相联系起来并实现数据共享的结果，按照统一的Modbus-RTU

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