摘要: 本篇介紹了ABB公司最新開(kāi)發(fā)的基于現(xiàn)場(chǎng)總線以及OPC技術(shù)的新型智能化馬達(dá)控制中心MNS iS系統(tǒng)，從產(chǎn)品的硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主要功能，通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)幾個(gè)主要方面進(jìn)行了介紹和分析。MNS iS的結(jié)構(gòu)更加模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化，使得設(shè)計(jì)和應(yīng)用更加簡(jiǎn)單；采用智能傳感器從而使得一二次分離的結(jié)構(gòu)增加了系統(tǒng)的可靠性和操作人員的安全性；采用了通用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和OPC技術(shù)，系統(tǒng)更具開(kāi)放性；不同的上層控制管理系統(tǒng)可同時(shí)從MNS iS獲取信息；同時(shí)滿足DCS快速響應(yīng)的要求以及其它上層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)全面信息傳遞的要求。
關(guān)鍵詞：馬達(dá)控制中心（Motor Control Center），模塊化(Modularize)，智能傳感器(Smart Sensor)，現(xiàn)場(chǎng)總線(Field Bus)，OPC技術(shù)(OPC Technology)
An integrated Intelligent Motor control center based on field bus and OPC technology
Abstract: An integrated intelligent Motor control center-MNS iS based on field bus and OPC technology is introduced. MNS iS's hardware, cubicle structure, main functions, and communication system structure are introduced. Modular and standard design makes it easier for engineering and operation; The separation of power and control parts achieved via using the smart sensor enhance the system reliability and safety; The common third party hardware & OPC technology makes it an open system. Different applications are allowed to receive information from MNS iS simultaneously; Fieldbus interface allows it for quick response to DCS and OPC technology allows it to provide much more detailed information.
0引言
MNS iS是基于ABB 傳統(tǒng)抽出式緊湊型低壓開(kāi)關(guān)柜MNS 3.0 和智能化開(kāi)關(guān)柜MNS INSUM經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上于2005年推出的升級(jí)版。 新產(chǎn)品進(jìn)行了設(shè)計(jì)概念上以及多項(xiàng)技術(shù)上的革新。
從設(shè)計(jì)概念上看，MNS iS是智能化馬達(dá)控制中心的一個(gè)整體解決方案，不僅僅考慮了馬達(dá)保護(hù)的智能元件，而且綜合考慮了通訊和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的需要，在柜體結(jié)構(gòu)上和檢測(cè)技術(shù)上進(jìn)行了革新。MNS iS使馬達(dá)控制中心達(dá)到了前所未有的標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化。并在結(jié)構(gòu)上達(dá)到了一次與二次部分的完全分離，使產(chǎn)品更以易于使用，維護(hù)，甚至升級(jí)。 它采用了通用的第三方硬件和軟件，增加了產(chǎn)品的開(kāi)放性與通用性。
1 MNS iS智能化馬達(dá)控制中心的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
1．1一次部分
MNS iS的一次部分采用抽屜式設(shè)計(jì)， 稱為M Starter，抽屜內(nèi)僅安裝馬達(dá)回路的一次元器件如主開(kāi)關(guān)和接觸器。眾所周知，馬達(dá)保護(hù)回路的一次部分元器件配合變化不多，但控制部分的要求則千變?nèi)f化。如果把控制部分從主回路中分離出來(lái)，主回路標(biāo)準(zhǔn)化是可能的。
MNS iS中，各種不同類型的馬達(dá)起動(dòng)器回路的一次元器件的選型和配合根據(jù)IEC60947-4-1 馬達(dá)保護(hù)和配合TYPE 2類型的要求選定，并被固定下來(lái)，這個(gè)一次回路所需的抽屜尺寸也就得以確定。所有不同額定功率的馬達(dá)起動(dòng)器回路可以被分成標(biāo)準(zhǔn)的30到40種抽屜，再考慮到不同的起動(dòng)方式（如DOL， REV，SD），短路容量（50kA, 80kA,等）以及主開(kāi)關(guān)的類別（如斷路器，或者是熔斷器），有限數(shù)量的抽屜類型就被確定下來(lái)，以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。設(shè)計(jì)人員不再需要進(jìn)行諸如主開(kāi)關(guān)，接觸器的選型。在知道馬達(dá)回路的各項(xiàng)參數(shù)后，唯一的M Starter即被確定。例如：
3kw 馬達(dá)起動(dòng)器, 400V, 50kA, 主開(kāi)關(guān)采用MCCB, 直接起動(dòng)
根據(jù)這些信息就可以唯一確定一個(gè)M Starter, 其尺寸為6E/4。根據(jù)其訂貨號(hào)，客戶即可從廠家處直接購(gòu)買到經(jīng)過(guò)功能測(cè)試的，完整的一次抽屜。其內(nèi)部的元件配合，結(jié)構(gòu)和組裝已經(jīng)得到了完整的考慮和優(yōu)化的設(shè)計(jì)。
1．2智能傳感器
在M Starter 內(nèi)部，MNS iS采用了一項(xiàng)對(duì)于低壓開(kāi)關(guān)柜行業(yè)來(lái)說(shuō)全新的智能傳感技術(shù)。它是從汽車工業(yè)中沿用而來(lái)的一項(xiàng)基于分流電阻的智能傳感技術(shù)，通過(guò)一塊嵌入導(dǎo)體的芯片來(lái)完成檢測(cè)功能。智能傳感器被安裝于M Starter的出線端， 可以同時(shí)測(cè)得出線端導(dǎo)體上的電壓，電流以及溫度。傳感器的輸出為數(shù)字信號(hào)， 通過(guò)數(shù)據(jù)線接入端子，并經(jīng)由二次轉(zhuǎn)接件（Control condapter）引出至MNS iS控制模塊的插槽。智能傳感器代替了傳統(tǒng)的電流互感器，并帶來(lái)了電流互感器所不具備的優(yōu)點(diǎn)。首先，體積減小，節(jié)省了安裝空間。其次， 精度提高。傳統(tǒng)的CT根據(jù)電磁感應(yīng)的原理工作，因?yàn)榇棚柡偷奶匦?，它的測(cè)量值是非線性的，僅能保證一個(gè)中間測(cè)量范圍的精度。 而智能傳感器在其全測(cè)量范圍內(nèi)的的測(cè)量值均數(shù)字化，精度得到了良好的保證。再次，減少了傳感器線圈所帶來(lái)的功率損耗，降低了柜子的發(fā)熱量。
1．3二次控制、保護(hù)和通信單元
MNS iS 的保護(hù)和控制單元是M Control。 M Control采用可插拔式安裝，直接插入在二次轉(zhuǎn)接件的卡槽內(nèi)。它能讀取從M Starter內(nèi)部的智能傳感器輸出的數(shù)字化的電參量信號(hào)， 并在內(nèi)部的微處理器對(duì)所讀取的電參量，以及從M Starter中引出的開(kāi)關(guān)量信號(hào)進(jìn)行計(jì)算和判斷，通過(guò)輸出信號(hào)控制接觸器的分合閘達(dá)到馬達(dá)的保護(hù)和控制功能。 因?yàn)镸 Control讀取的是數(shù)字或開(kāi)關(guān)量信號(hào)， 對(duì)于不同的功率的馬達(dá)回路，M Control的硬件是完全相同的， 而要實(shí)現(xiàn)不同的保護(hù)功能， M Control 可以下載不同的軟件模塊。 M Control 還具備通訊功能， 可以將檢測(cè)到的馬達(dá)回路的所有電參量，保護(hù)信息， 狀態(tài)信息，甚至維護(hù)信息發(fā)送個(gè)柜子的通訊中心M Link, M Link再將信息上傳至上層控制系統(tǒng)。
M Control 的保護(hù)功能包括：
熱過(guò)載保護(hù)
熱過(guò)載保護(hù)（防爆電機(jī)）
相不平衡保護(hù)
缺相保護(hù)
欠電壓保護(hù)
馬達(dá)溫度保護(hù)（PTC）
接地故障保護(hù)
堵轉(zhuǎn)保護(hù)
欠載保護(hù)
空載保護(hù)
基于功率因數(shù)的欠載保護(hù)
起動(dòng)次數(shù)限制保護(hù)
緊急停車
M Control 的監(jiān)測(cè)功能包括：
馬達(dá)狀態(tài)監(jiān)測(cè)（起停，分合閘，脫扣狀態(tài)）
相電流
出線電纜溫度
計(jì)算的熱容量
脫扣剩余時(shí)間
復(fù)位剩余時(shí)間
相電壓
功率因數(shù)
有功功率
無(wú)功功率
視在功率
接地故障電流
頻率
數(shù)字輸入輸出量
模擬輸入輸出量
M Control可傳遞 的維護(hù)信息包括：
出線溫度信息
接觸器開(kāi)合次數(shù)信息
馬達(dá)運(yùn)行時(shí)間信息
M Starter的插拔次數(shù)信息
M Starter 的類型監(jiān)測(cè)
M Control 自身的位置監(jiān)測(cè)
M Control可傳遞 的系統(tǒng)信息包括：
安全模式
控制權(quán)限設(shè)定
主開(kāi)關(guān)分合閘位置監(jiān)測(cè)
接觸器分合閘位置反饋
起動(dòng)器Ready指示
控制電壓監(jiān)測(cè)
自動(dòng)重起動(dòng)
1．4一二次分離的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
MNS iS 采用了一二次部分完全分離的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。MNS iS有兩個(gè)電纜小室， 二次元件M Control以及所有的控制線、通訊線都布置在位于柜子左邊的控制電纜室內(nèi)，而一次電纜則布置在位于柜子右邊的電力電纜室內(nèi)。一次部分M Starter 通過(guò)已經(jīng)將所有的接線預(yù)先接好的二次轉(zhuǎn)接件與控制部分M Control 相連接。一次出線則與傳統(tǒng)的MNS 3.0相同，小于全寬度的抽屜（6E/4, 6E/2）通過(guò)一次轉(zhuǎn)接件將出線端子引出至電纜小室，等于全寬度的抽屜（6E ，8E 及以上）則直接經(jīng)過(guò)電纜接線單元引出至電纜小室。
一二次分離的設(shè)計(jì)最大程度上地減小了電力電纜對(duì)通訊電纜引起的干擾，并使不同專業(yè)的人員在各自獨(dú)立的區(qū)域進(jìn)行接線和維護(hù)工作，較好地保證了人員的安全性。一二次解耦的設(shè)計(jì)也使得將來(lái)隨著電子技術(shù)的發(fā)展，有更好的控制和保護(hù)單元時(shí)，單獨(dú)對(duì)二次元件的更新?lián)Q代成為可能。
2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與通訊
在MNS iS系統(tǒng)里，M Control 收集到的信息被傳送到通訊接口模塊M Link. 它是一個(gè)通訊中心， 一個(gè)M Link向下連接M Control，向上它提供多個(gè)不同協(xié)議的通訊接口以接入上層控制系統(tǒng)和電氣工作站。如通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線Modbus RTU 或Profibus DP協(xié)議接入DCS，同時(shí)還可以通過(guò)Ethernet TCP/IP協(xié)議接入電氣工作站。
M Link 與M Control之間的通訊采用的是RS485接口，10base-I 協(xié)議進(jìn)行通訊。最多60個(gè)M Control可以接入一個(gè)M Link。M Link可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線與上層DCS控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊。這時(shí)候M Link相當(dāng)于主從通訊結(jié)構(gòu)下一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的從機(jī)。當(dāng)用戶的馬達(dá)個(gè)數(shù)多于60個(gè)時(shí)，可以使用多個(gè)M Link，每一個(gè)M Link都有自己唯一的一個(gè)IP地址，M Link間可以通過(guò)Ethernet連接組成局域網(wǎng)絡(luò)。
2.1 人機(jī)界面
帶有標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口的網(wǎng)絡(luò)瀏覽設(shè)備可以方便地接入由M Link連接而成的局域網(wǎng)絡(luò)，如個(gè)人電腦或M View。M View是一個(gè)通用的第三方產(chǎn)品：觸摸屏，電子產(chǎn)品市場(chǎng)上銷售的帶有標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口的觸摸屏都可以接入。個(gè)人電腦通過(guò)網(wǎng)絡(luò)線接入M Link或通過(guò)集線器接入由多個(gè)M Link組成的局域網(wǎng)后，不需要另外安裝任何軟件， 只需點(diǎn)擊網(wǎng)絡(luò)瀏覽器（ie），并在地址欄內(nèi)鍵入其中一臺(tái)M Link的IP地址，這個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有M Link就會(huì)被顯示出來(lái)，選擇其中一臺(tái)M Link，點(diǎn)擊進(jìn)入，屏幕將顯示這臺(tái)M Link所連接的開(kāi)關(guān)柜，并且每一個(gè)馬達(dá)回路的的實(shí)際位置和狀態(tài)都能通過(guò)一個(gè)直觀的圖形界面顯示出來(lái)。繼續(xù)選擇某一個(gè)馬達(dá)回路并進(jìn)入，就能完整地瀏覽所有的測(cè)量、告警和保護(hù)等狀態(tài)信息，并根據(jù)操作權(quán)限的設(shè)定，還可以對(duì)馬達(dá)進(jìn)行起停等操作。
2.2 M Control的參數(shù)設(shè)定
M Link 內(nèi)的存儲(chǔ)器記錄著與之相連的所有M Control的位置，馬達(dá)參數(shù)和配置信息。在插入一個(gè)新的M Control的時(shí)候，M Control會(huì)自動(dòng)讀取自己所在的位置信息，（如柜號(hào)1，高度3，位置2），M Link根據(jù) 獲得的位置信息就能發(fā)現(xiàn)并確定新的M Control，并將存儲(chǔ)的參數(shù)和配置信息自動(dòng)下發(fā)給它，M Control的配置就自動(dòng)完成了。這種方式使得開(kāi)關(guān)柜得調(diào)試過(guò)程十分簡(jiǎn)單，也給用戶在柜子的使用過(guò)程中帶來(lái)方便，在用戶需要更換M Control的時(shí)候，僅需更換一個(gè)硬件，軟件過(guò)程自動(dòng)完成，即插即用。
M Link下發(fā)給M Control的配置信息中包括某個(gè)位置上的M Control所對(duì)應(yīng)的M Starter的類型信息，這個(gè)信息告訴M Control在此位置上它應(yīng)該對(duì)應(yīng)的M Starter的唯一類型。當(dāng)M Starter 與M Control連接好之后，M Control將從所連接的M Starter上讀取它的類型信息并進(jìn)行比較，如果發(fā)現(xiàn)不匹配，則M Control 會(huì)發(fā)出位置錯(cuò)誤告警，此回路的操作功能被封閉，用戶不能操作；當(dāng)正確的M Starter被插入到這個(gè)位置上時(shí)，告警復(fù)位，用戶操作功能恢復(fù)正常。
2.3時(shí)間同步
大型工業(yè)用戶的控制網(wǎng)絡(luò)通常希望在整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)所發(fā)生的所有事件和告警都有一個(gè)共同的時(shí)間標(biāo)簽。在MNS iS 中，M Link可以作為一個(gè)時(shí)間服務(wù)器，為所有的M Control 提供時(shí)間信息，MNS iS從而可以提供帶有統(tǒng)一時(shí)間標(biāo)簽的信息。若用戶的網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)有時(shí)間服務(wù)器時(shí)，M Link可以從網(wǎng)絡(luò)讀取時(shí)間信息以供M Control使用； 若用戶網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有時(shí)間服務(wù)器，M Link可以被設(shè)置為M Control 共用的時(shí)間服務(wù)器，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中連接有多個(gè)M Link的時(shí)候，僅設(shè)置其中的一臺(tái)M Link為時(shí)間服務(wù)器，而其它的M Link則從被設(shè)置為時(shí)間服務(wù)器的M Link 上讀取時(shí)間信息，這樣網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有所發(fā)生的所有告警、脫扣等事件就可以有一個(gè)共同的時(shí)間標(biāo)簽。
2.4 OPC Server
采用現(xiàn)場(chǎng)總線方式與過(guò)程控制系統(tǒng)進(jìn)行的信息交換都基于一個(gè)通用的數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)，如Profibus 或者M(jìn)odbus. 信息交換的數(shù)據(jù)格式是預(yù)先定義好的，如iS 采用的Profibus 協(xié)議是Profibus用戶組織制定的馬達(dá)管理類通訊標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)場(chǎng)總線方式進(jìn)行的數(shù)據(jù)交換響應(yīng)速度快，但信息量受到較大的限制。而對(duì)于資產(chǎn)管理系統(tǒng)，電氣監(jiān)測(cè)站或者SCADA系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，關(guān)于馬達(dá)控制中心的完整的信息則是必要的。MNS iS提供了這種可能性，那就是經(jīng)由M Link，通過(guò)用于數(shù)據(jù)交換的OPC 接口，大量的信息可以被傳送至上層的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
OPC是’OLE for Process Control’的縮寫，意為用于過(guò)程控制的對(duì)象連接和嵌入技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)使得不同的上層系統(tǒng)與開(kāi)關(guān)柜系統(tǒng)內(nèi)的智能化元件能夠進(jìn)行信息交換，而無(wú)需附加的任何各自的硬件或軟件接口程序。多個(gè)OPC用戶可以連入MNS iS OPC Server, 這就使得不同的應(yīng)用程序都可以從MNS iS的智能化元件接收信息。
MNS iS的OPC server安裝在上層系統(tǒng)的連接服務(wù)器內(nèi)，成為控制系統(tǒng)的一部分。它能夠自動(dòng)搜索網(wǎng)絡(luò)中所有的M Link，并且自動(dòng)配置并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
MNS iS能夠同時(shí)處理多個(gè)應(yīng)用的信息請(qǐng)求，例如，過(guò)程控制系統(tǒng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線獲得數(shù)據(jù)的同時(shí)，上層SCADA系統(tǒng)正通過(guò)OPC數(shù)據(jù)交換獲得一個(gè)報(bào)告。
結(jié)束語(yǔ)
市場(chǎng)上常見(jiàn)的智能化馬達(dá)控制中心往往是將具有智能化的功能綜合保護(hù)元器件，安裝在傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)柜內(nèi)，使之具有通訊功能。然而這并不是一個(gè)整體的馬達(dá)控制中心的方案。MNS iS在考慮了馬達(dá)回路的保護(hù)控制功能以外，還配和系統(tǒng)的通訊工能和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)整體考慮了開(kāi)關(guān)柜體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使之成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化，模塊化，易操作而功能強(qiáng)大的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)或使用人員無(wú)須花費(fèi)過(guò)多的精力研究各種界面或接口，系統(tǒng)有很好的兼容性和開(kāi)放性。
（轉(zhuǎn)載）
