基于以太网技术的智能电机管理单元在化工行业的应用

2023-03-06徐建德

机电信息 2023年3期

徐建德

（厦门ABB低压电器设备有限公司，福建厦门 361006）

0 引言

随着5G、物联网、人工智能等新型先进技术的发展和应用，工业生产正大踏步地进入智能化时代，即“工业4.0”时代[1]。智能工厂对数据传输具有高实时性、高可靠性的要求，而现有工业配电设备的通信方式仍以现场总线为主，其因实时性差、网络建设复杂、维护困难等缺点不能满足智能化的建设要求。

在这种背景下，ABB公司推出了新一代的智能电机管理单元MC510，集丰富、标准的功能于一身，且提供了冗余的工业以太网接口，能够有效且方便地集成于工厂管理系统和工业控制系统，实现高速和海量的数据传输，并对设备运行状况进行大数据分析，帮助客户实现配电智能化。

1 现场总线技术的特点分析

现场总线以其数字通信的优势已逐步替代了DC0～10 V或0～20 mA/4～20 mA现场仪表的模拟量信号。世界上现行的现场总线有几十种，就目前工业控制领域来看，使用较多的通信协议有Profibus现场总线、Modbus现场总线等。

1.1 Profibus现场总线

目前，Profibus现场总线应用最为广泛的为Profibus DP（分布式，Decentralized Peripherals），专门用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。一条总线电缆可连接126个站点，通信速率为9.6 kb/s～12 Mb/s，其允许高速度周期性的小批量数据通信，适用于对时间要求苛刻的自动化控制系统。Profibus DP允许构成单主站或多主站系统，主站之间采用令牌传送方式，主站与从站之间采用主从方式[2]。

RS-485传输技术是Profibus DP最常用的一种传输技术，其传输介质可以是光纤电缆或屏蔽双绞线。电气传输时常采用总线型拓扑结构，每一个RS-485网段最多为32个站点，在总线两端必须使用终端电阻。

1.2 Modbus现场总线

Modbus是莫迪康公司于1979年首先推出的基于RS-485总线的串行通信协议，其易用性、开放性及可扩充性的特点，使其成为目前工业领域通信协议的通用标准。Modbus协议使用主/从模式，其应答式的通信方式要求每一个从设备都有一个唯一的预定义地址（1～247），主设备依据地址与从设备通信。

目前，Modbus常用的通信协议以Modbus-RTU和Modbus-TCP为主。

1.2.1 Modbus-RTU通信协议

Modbus-RTU是一种单主站的主/从通信模式，通信链路在任意从站只有单路的引入和引出，即菊花瓣的接线方式。Modbus-RTU支持的通信速率为1.2～187.5 kb/s，每条RTU串行通信链路可最多连接32个从站，为保证响应速度，一般按15～20套从站配置为宜。Modbus-RTU协议采用轮询方式进行数据通信，即主站依次向从站发出请求，从站接收到主站数据请求后才能发送数据。

Modbus-RTU的传输介质最常用的是符合RS-485规范的屏蔽双绞线，其最大通信距离一般由通信线材品质、波特率大小设置以及从站个数等因素决定。当通信距离不够时，可以通过增加RS-485中继器来延长通信距离。

1.2.2 Modbus-TCP通信协议[3]

Modbus-TCP协议是在Modbus-RTU协议的基础上加上MBAP报文头，并且由于TCP是基于可靠连接的服务，因此不需要RTU协议中的CRC校验码，较低层的TCP/IP协议栈保证了数据包传递的正确性。

Modbus-TCP通过TCP/IP以太网协议进行传输，相较于Modbus-RTU和Profibus DP通信协议，Modbus-TCP的通信速度更快、通信数据量更大，且可以灵活地组成多种网络拓扑结构，并方便未来跟随互联网的发展而进行技术升级。

基于此，ABB新一代智能电机管理单元MC510采用了Modbus-TCP通信协议。

2 带以太网接口的电机管理单元MC510

MC510是基于电流与电压测量的智能型电机保护控制装置，其功能强大，可以帮助客户更专业地控制、保护和监测低压电机，其优势表现在：

2.1 测量功能

MC510既可以实现电压、电流、有功和无功等电参量的测量和计算，也可以通过适配热点监控模块监测抽屉内一次接插件的温度及开关柜内铜排搭接点的温度，保障系统的可靠运行。

2.2 控制功能

各种必要的电机启动控制方式已集成在MC510装置中，客户可以通过参数设置软件直接选取需要的启动控制方式。

2.3 保护功能

MC510通过对电机的三相电压、三相电流、零序电流、主开关状态、接触器状态的实时监测，实现对电机的完善保护。

2.4 通信功能

MC510采用RJ45接口，提供了冗余的10/100 Mb/s自适应工业以太网接口，支持Modbus-TCP通信协议，通信速率是传统通信网络的数百倍，使得信息能够被全方位地传输给所需部门。MC510通信功能通过了网络安全认证，避免了网络攻击的风险。

2.5 维护功能

MC510通过监视脱扣次数、启动次数、运行时间、抽屉插拔次数和事件记录等对电机进行维护管理，当超出设定值时，MC510将发出告警信号，辅助客户制定设备维护计划。

3 MC510在化工项目中的应用

3.1 项目背景

某大型纤维化工项目的不间断连续生产要求电气设备的安全稳定运行，传统的维护及巡检方式效率低，且需要消耗大量的人力和物力，也未必能及时发现设备运行隐患，为此提出相应的调整方案。智能低压设备融合互联网技术和智能传感器，可实现远程监测、控制和设定，取代人工定期巡检，实现提前预警设备故障和前瞻性维护，取代了事后维修模式，减少了计划外停机时间，确保了化工项目供电系统的可靠性。

传统的现场总线协议受限于通信速率及传输数据量，很难满足客户工厂智能化的需求。MC510智能电机管理单元与工业以太网Modbus-TCP完美结合，以其10/100 Mb/s的高通信速率使得运行实时状况能被准确地判断处理，并能提供详细的故障诊断和事件日志，帮助客户进行大数据分析，实现配电的高可靠性及智能化。

3.2 项目以太网结构选型配置

本项目配置了智慧型马达监控系统（IMCS），用于收集低压电机回路的各项数据，实现基于实时数据趋势图进行趋势分析、跳脱资讯查询、马达保护器参数修改、统计分析报表以及设备维护保养等功能。IMCS经由Modbus-TCP以太网协议直接整合智能电机管理单元MC510，MC510采用环型拓扑冗余结构以实现通信的可靠性，保证了链路上任一节点故障均不会影响整个系统通信，受影响节点可通过另一个链路恢复与后台的通信。同时，客户要求在低压柜内配置一套高端冗余的PLC，并通过冗余的通信接口与DCS通信。除此之外，连接PLC及MC510的交换机硬件上采用冗余配置并满足MRP冗余协议，以保证通信的实时性、有效性和可靠性。

基于工业以太网搭建的智能电机管理单元MC510的网络拓扑如图1所示。

MC510环型拓扑能够很好地保证单个抽屉的抽出维护不影响其他抽屉的通信，但当两个及以上抽屉抽出维护时，会导致中间正常运行的抽屉的通信中断。为解决这一问题，在低压开关柜的电缆室内安装有以太网环路开关MS571，保证MC510的抽屉抽出时整个系统的以太网通信还能正常工作。其工作原理如图2所示，正常情况下，抽屉内电机管理单元MC510通过MS571上的BUS接口同其他MC510抽屉通信；当抽屉抽出后，MS571可以自动旁路该回路，使得环网自动恢复连接，系统以太网通信不受影响。

图2 MC510用于抽屉的环型拓扑示意图

3.3 非接触式的抽屉一次接插件测温

一次接插件是低压开关柜的关键部件，其温度过高会使元件性能降低，使用寿命缩短，严重时可引发火灾及大范围短路，危害设备和人身安全，因此需要对抽屉内关键部件温度进行实时连续的监测。

MC510抽屉采用非接触式的红外测温传感器IR51，通过检测一次插发射出的红外能量，实现对抽屉进/出线侧一次插的实时在线温度管理。热点监控模块MT561有两个通道，每个通道最多可以连接6个红外测温传感器IR51。MT561通过I/O BUS直接连接至MC510，MC510将采集的数据实时传送至智慧型马达监控系统IMCS及DCS系统，后台系统可对测得的温度进行判断，当温度超过设定的告警值或脱扣值时，可进行报警或自动切断相应回路电源，以保障系统安全运行。图3为一次接插件红外测温结构示意图。