低压电机综保在炼化装置中的应用

摘 要：随着电气自动化技术的发展，炼化企业对低压电机的保护、控制、维护管理提出了新的要求。现主要针对低压电机综保的功能和故障案例进行探讨，并探究提高自控设备可靠性的策略。

关键词：低压电机综保;电气自动化;现场总线;终端电阻

1    低压电机综保的功能

电气自动化具有强弱电、模/数、软件与硬件相结合的特点，涉及电力、电子、过程控制、计算机、通信等多个专业，具有交叉学科的性质，现在已经成为生产运行的重要技术保障。电气自动化控制设备的可靠性直接影响着自动化控制系统的稳定性，而电机综保是目前电气自动化中非常重要的电机保护装置。

1.1    低压电机综保概述

传统的低压电机保护，一般以热元件为主，保护功能单一、精度差，而低压电机综保在功能上实现了大幅度的飞跃。低压电机综保采用微机对电动机的运行参数实施监控，它可以对电动机提供过载、过热、外部故障、堵转、缺相不平衡、低电压、过电压、负序、欠载、接地等保护，并有测量、操作控制、自我诊断、运行、故障录波、维修和诊断数据记录功能，可配置现场总线与上位机（DCS等）组成整个自动化系统。

图1为低压电机综保典型结构图。

1.2    低压电机综保与传统保护的区别

如表1所示，低压电机综保对于传统保护来说有了质的飞跃。

Mapping表是综保数据与DCS数据进行关联、交换的一个映射，类似一个翻译的功能。采用通信方式后低压综保可以传输电流/功率这样的模拟量信号，而且可根据需求按实际传输或百分比传输，也可以传输状态、故障，或接收正转、反转、停车、锁定等命令信号。这些数据可根据各企业需求而定制。

1.3    电机综保的部分功能介绍

1.3.1    低电压再启动（抗晃电功能）

炼化裝置对设备的连续稳定运行要求非常高，当电网因雷击、短路或其他原因而发生短时电压波动时，电动机因此停车后，如何在短时间内可靠地恢复生产运行是我们需要解决的问题。而这使用综保功能都很容易实现，只要考虑综保控制电源的稳定，在综保里设置好相应参数，装置就能在电网波动电压恢复到重启动电压定值以上时，根据失电时间确定立即重启、延时重启或不重启。该功能对炼化企业具有重要意义，其能在晃电发生后的极短时间内保证生产设备按优先等级分批重启，减轻事故后果。

1.3.2    电机运行管理功能

利用报警菜单，可根据“设备位号” “时间”“变位信息” “故障类型（Alarm/Trip）”等字段对故障信息进行排序，为故障分析处理带来极大的方便，尤其是在发生系统故障时，有利于找出初始故障点，为快速恢复生产提供技术支持。

低压电机综保除电机保护控制功能外，还能为技术管理人员制定电机维护策略提供详实的数据支持。电机综保可以提供电机的实时电流、热容量、功率、累积运行时间、启动次数等数据，同时可根据需求设定累积运行时间的提示告警，这些信息可以为用户对电机进行维护管理提供详实的历史数据，以便制定具有针对性的维护策略，提高预防性维修的准确性。另外，一些综保还能对各测量值进行录波，为故障判断提供依据。

2    常见故障分析

下面介绍一些典型事故案例，供大家参考。

2.1    通信故障

如果采用通信控制的方式，那么必然要求通信稳定性极高，通信中断不仅会使上位系统无法采集到信息，还会出现失控的状态。因此，在发生通信故障时如何迅速找到故障点成为亟待解决的问题。

经验判断法：依赖运行维护人员的工作经验，通过一些典型故障现象，先初步判断是单点的通信故障还是线路故障，然后逐一排查。一般来说，单一的设备故障大多为综保本身的原因所致，用替换备件的方法来试验。而线路上的故障，需要维护人员对网络的拓扑结构非常熟悉，知道每个分支、节点的作用，必要时也可借助一些诊断软件查找故障点。

一般除因接触不良、断线引起的故障外，另一个需要重视的地方为线路中的终端电阻。Profibus网络连接器已经内置了终端和偏置电阻，通过一个DIP开关接通或断开。网络终端的插头其终端电阻开关必须放在“ON”的位置，中间站点的插头其终端电阻开关应放在“OFF”位置。

虽然每个DP插头都配置有终端电阻，但当最后一个节点因检修隔离时，将引起网络通信异常或无法通信。为了抑制RS485信号的反射和畸变，DIP开关需要置“ON”位，由DP插座上的6脚和5脚提供DC5 V工作电源使终端电阻起作用。当终端站点停电时，将引起网络通信异常或无法通信，所以末端终端电阻必须使用有源终端。如图2所示，当最后一个设备停电检修时，回路中仍然有终端电阻存在，不会影响整个网络的通信。

2.2    固件升级带来的影响

一些低压微机综保因专利保护的因素，其底层一些逻辑功能是不开放的，外部用户不能知悉其中的逻辑功能，则只能使用其上层开放的一些参数配置和典型的应用方案。

案例一：某进口电机综保功能强大，人机界面也非常友好，判断故障查询排序方便，但其内部的逻辑功能是封闭的，用户不仅不能二次开发，甚至对其逻辑功能也无法知悉。

案例二：某企业更换一批旧的综保后，发现新的综保在一些大功率电机上出现一启动就报“接地跳车”的故障，而电机本身并没有故障，换上旧的综保后此故障就不再出现。因没有其底层的数据，只能推测新版本的V2.4e的综保是不是升级后更改了逻辑。发函询问研发人员，果然得到其回复：在V2.4b版本后，接地、不平衡保护等在启动阶段就投入，造成大功率电机尤其是风机类负载启动时保护误动。

解决办法：经厂家确认，新的综保重新刷入旧版的固件配置文件后，故障解除。在此也希望厂家研发人员在更新时注明更新的内容，并告知用户。

2.3    直流接地

控制电源是综保最脆弱的地方，一般多分支接地是因为多个电源点造成了正负电源接地问题。由于自动化系统中每个故障分支都会共享终端系统，所以多分支接地问题查找十分困难。如果出现了一条接地线路，其他支路点依然存在，此时需要对供电系统进行排查，处理十分繁琐[1]。

案例：某低压电机综保采用DC24 V（±12 V浮地）控制电源，由直流屏集中供电。直流屏馈线支路众多，当发生某一回路正接地或负接地时，直流屏就会报警，运行及维护人员需在短时间内查出故障点，否则当发展到正负馈线都接地时，整个24 V系统将崩溃，系统中的低压电机综保都会跳闸。而目前的查找办法还只停留在试拉回路上，需要工艺生产能配合切换负载才行。

3    提高低压电机综保可靠性的策略

低压电机综保作为电气自动化控制设备中重要的一环，受到各方面影响，又因其高度集成化、抗压能力弱[2]，并且可能由于一个很小的故障导致设备停止运行，因此要想对其故障进行预防，不仅要考虑传统继保维护策略，还要考虑其外围设施、附近的其他电气设备等等，其中最首要的是在设计阶段就要统筹考虑。

3.1    控制电源的选择

综保的控制电源选择集中供电方式还是独立供电？

集中供电：此方式便于实现低电压再启动功能，不用对每个综保进行单独配置，利于型号图纸统一。但对整个系统风险较大，直流屏故障或者直流母线故障都会造成整个系统的崩溃，而且对于一些需要工作地的负载，用直流屏集中供电也不合适。

独立供电：此方式单个综保故障不会影响整个系统的运行，但如要实现低电压再启动功能，该综保就需要安装抗晃电模块，比集中供电在电路设计上要稍复杂些，而且影响抽屉的互换性。虽然抗晃电模块所能支撑的时间大约也就几秒，但对短时的电网波动还是有效的。

3.2    冗余机制

为了保障控制的可靠性，需应用冗余资源来克服设备故障，这里的冗余技术主要指硬件冗余。

通信能实现以前难以实现的数据远传和遥控功能，但通信质量受太多因素干扰，一旦通信中断，就将十分危险。在设计时应保留部分硬线控制功能，在特别重要的设备上还要保留硬线传输的作用。而对通信要求高、有通信控制要求的场合来说，单通信系统就需要有冗余机制。

以下对通信冗余做一个简单阐述。通信冗余：在设计时配置通信介质的冗余，并采用与其配套的软件检测、信息校验、时间冗余等措施。

（1）Profibus系统。Profibus采用串行通信方式，速度快，但其系统可靠性却由此受到制约，电机综保在整个自动化系统中只是从站的角色，要实现冗余功能，需满足3个条件：

1）至少从站设备上有2个通信口;

2）2个独立的Profibus从站协议栈;

3）一个在2个协议栈之间进行数据与状态信息交换的冗余通道[3]。

满足以上要求的设备非常少，只有少量国外厂商推出过相应产品。

（2）Modbus系统。Modbus所有节点连到一条公共总线上，某个节点故障一般不会影响到其他节点的工作，可靠性高。要满足冗余条件，每个设备也需要有2个通信口，再配合冗余的通信管理机，就能实现比较理想的冗余功能。目前已经有大量国内厂商推出了相关产品[4]。

不管采用何种协议，变电站至仪控中心的长距离通信线都是非常重要的传输介质，长距离应尽量采用光纤通信。另外有一个比较成熟的方式，即在综保与上位机的中间安装特定的网关或者通信管理机，只需要对通信管理机或网关进行冗余配置，这样所花的费用不高，又能达到长线路冗余的作用，而且还能带来另一个好处——仪控中心的上位机只需对这个网关/通信管理机进行访问，这就极大地提高了通信效率，而网关/通信管理机对下游每个综保的通信，因为距离较短，可以采用更高速的通信方式，所有的通信协议转换都可以在通信管理机中实现。

典型的通信结构如图3所示。

通信线的布线方式、与临近的动力线距离、终端电阻、控制回路的阻容吸收、中间继电器的隔离等都关系到设备投运后的稳定性。

3.3    定期维护

这里的“定期维护”并不仅仅指硬件上的维护保养、定期更换，还有一个更重要的方面——软件参数的定期备份。低压综保庞大的数据库如果不进行专业维护，定期更新保存，当有需要时将会非常被动。另外，受系统开发因素的影响，几年前开发的综保监控平台是在当时的计算机操作系统下运行的。而随着计算机本身从32位系统发展为64位系统，工业软件是否能相应升级也成为需要考虑的问题，这一点在设备选型設计时需要有所预判。

4    展望与建议

低压综保已经不算特别新的技术，很多企业早已采用，只是使用深度不同，有的只用了其中的保护功能，有的用到信号传输功能，有的需要远程控制，更深的用到设备管理功能。至于运用到哪一层，需要各企业内部评估，涉及人员、工艺操作习惯、设备管理等众多因素。低压综保的应用关系到整个工艺生产的可靠性，如果人员或现场条件不具备，直接做深度应用，未必能达到相应的效果。

本文还只是对硬件方面的应用进行了讨论，而软件方面涉及不多。对于整个电气自动化系统来说，电机综保的内部逻辑和与外部沟通的协议机制，包括人机界面、数据检索功能等是电机综保运用的核心，这之中更体现出了人的因素和价值，还有待于我们更深入地学习、理解、开发，这对电气从业人员来说又是一个新的探索方向。另外，从设备管理角度上讲，自动化设备的分级管理、专业的维护及使用也对电气从业人员提出了更高的要求[5]。

最后也对设备研发人员提个建议：在研发时充分考虑技术及相关平台的发展，做好将来升级的准备，避免用户被动地整体更新。

[参考文献]

[1] 刘彧挥.电气自动化系统接地问题分析与研究[J].数字通信世界，2019（5）：252.

[2] 郑欣.提高电气自动化控制设备可靠性的策略[J].中国新通信，2019，21（10）：225-226.

[3] 许小林.PROFIBUS-DP控制系统可靠性技术研究[D].杭州：浙江大学，2003.

[4] 王克静.MODBUS通信冗余系统[J].电器工业，2011（10）：59-61.

[5] 赵志兵.电气自动化控制设备故障预防与检修技术[J].城市建设理论研究（电子版），2015，5（34）：153.

收稿日期：2020-03-23

作者简介：李潇（1976—），男，浙江宁波人，工程师，研究方向：电气自动化、工程管理。