浅谈智能MCC在造纸行业中的应用

浅谈智能MCC在造纸行业中的应用
刘朝华
（湖南骏泰新材料科技有限责任公司，湖南怀化，418000）
摘要: 简要介绍了智能电动机控制中心（Motor Control Center，MCC）的结构、原理、智能MCC自动化控制系统的配置方法及在实际工程中的应用，结合笔者工作实例，例举了西门子公司的智能控制产品并对其进行了分析。

关键词: 智能MCC；总线通讯；智能马达控制器；I/O；PROFIBUS DP总线
Application of Intelligent MCC in Papermaking Industry
LIU Zhaohua
（Hu’nan Juntai New Material Technology Co. LTD., Huaihua, Hu’nan Province, 418000）
（E-mail: liuzhaohua666@）
Abstract: This paper briefly introduced the structure and principle of intelligent MCC, the configuration method of intelligent MCC automatic control system and its application in practical engineering, and analyzed the control components of the intelli-gent MCC of SIEMENS company based on the author's working example.
Key words: Intelligent MCC; Bus communication; Intelligent motor controller; I/O; PROFIBUS DP bus
在国民经济的各领域中，如电力、石油、化工、冶金、矿山、造纸、轻工、汽车、船舶工业、交通运输、市政建设、食品饮料、水处理、垃圾处理、制药等，电动机得到越来越广泛的应用。

为了使电动机正常运行并可靠工作，需要对单台电动机和一条生产线的电动机进行统一的控制和保护。

现场总线技术和通信技术的发展并渗透到自动化控制领域的趋势，改变了传统控制系统架构，使得工业控制技术欣然由自动化向智能化过渡；同时，世界各国自动化产品厂商为顺应自动化技术的变革，纷纷研发出各自的智能化产品，为现场总线技术和通信技术向控制技术渗透提供了丰富的物质支持（包括硬件和软件）。

就MCC而言，通过在传统的MCC中植入智能热继电器和变频器、软启动器中插接通讯模块、进线断路器内嵌入智能元件及现场操作箱设置现场远程I/O等手段来融接现场总线技术，从而完成传统MCC顺利向智能MCC的技术交接，使智能MCC成为一个设备级的自动化控制系统。

1 智能MCC系统架构
智能MCC在结构形式上与传统MCC基本没有区别，可选择抽屉式或控制柜底板安装，主要区别在于元器件配置、系统控制内核和系统架构上。

在整个系统中，智能MCC只是作为系统的设备及实施对象控制的一个控制单元， 与控制器之间通过现场总线进行数据和信息的传输和交换，对受控设备进行实时控制和监视，从而实现系统的网络控制和网络管理，使现场设备运行在最优状态。

而传统MCC只能对受控设备进行控制，不能实施管理。

智能MCC的核心部件是具备通讯和控制功能的控制元件，对单纯的配电回路（仅提供电源输出，主要是大电源回路）而言，需要配电电源开关，如空气断路器等具备通讯功能；因此传统MCC大都采用空气断路器外加可选通讯模块和能实现远程控制的电动操作系统。

对于电动机控制回路而言，则要求其主要控制元件（变频器、软启动器、智能马达保护器）具备通讯功能。

目前，大部分的变频器和软启动器都具备通讯功能，但各不同品牌的产品具体处理方法不一，如西门子的变频器自带有PROFIBUS DP 通讯功能，ABB的变频器则根据系统所采用的通信
收稿日期：2019-04-25
作者简介：刘朝华先生，电气工程师；主要从事工厂电气自动化控制、PLC编程、总线通讯、变频调速和纸机传动系统方面的工作。

协议不同可确定不同配置的通讯模块；软启动器与变频器相类似；对直接启动的普通电机回路而言，其核心部件就是智能马达保护器，进口品牌，如ABB公司的MSD和MSR系列、西门子公司的SIMOCODE Pro系列、Rockwell公司的SMC系列、施耐德公司的TeSys系列，智能马达保护器通讯协议一般为PROFIBUS DP、MODBUS、DeviceNet、CANBUS等。

2智能MCC系统特点
智能MCC系统的开放性、互操作性、互换性、可集成性强。

智能MCC是在现场总线技术平台上对受控设备进行控制，而现场总线通讯协议的公开化，决定了系统的开放性。

各自动化产品生产商在公开性和一致性的总线标准基础上研发出各自的产品，并在产品中注入各自专长的技术要素，如把控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中。

这样，不同厂家的设备之间可实现无障碍地互连并进行信息交换，使得各类设备之间具有良好的互操作性和互换性，为系统集成和系统优化提供更多的选择。

系统搭接简洁、规范、易于维护。

智能MCC 系统现场操作箱内设置现场远程I/O，通过现场总线传输现场指令和状态，可省去大量的现场控制电缆，特别是对于连锁控制较复杂的系统，省去了大量错综复杂的设备之间的连线，使得整个系统变得简洁、易于维护；另外，现场智能设备可完成远程参数设定和修改等参数化工作，增强了系统的可维护性。

控制系统的主回路设备配置可实现标准化，使系统原理图模型化，为系统设计、安装、调试、应用和维护减少大量的重复性劳动，提高工作效率。

系统现场适应性强。

智能MCC系统设备较强的互换性增强了系统的适应性，使得其在大大小小的系统中运用自如。

现场总线可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能适应各种工况环境。

系统准确性和可靠性高。

智能MCC系统中嵌入的现场总线控制系统具有在线故障诊断、报警、记录功能，从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。

同时，由于系统结构简洁、连线减少，系统智能设备内部处理功能加强，大大减少了系统故障点和信号的往返传输，提高了系统可靠性。

系统扩展性好、资源利用率高。

变频器、软启动器、进线断路器等设备本身可完成自动控制的基本功能，使现场总线构成一种新的、全分布式的控制系统体系结构，具有高度分散性和可扩展性；同时，通过建立友好的系统通信界面，与控制层或管理层实现网络连接，实时采集、分析和处理现场信息，随时诊断设备的运行状态，优化现场设备的控制，实现系统设备的网络管理和网络控制，使整个系统设备一直运行在最优节能状态，延长了设备的使用寿命，节约系统能源的同时也充分利用了有限的设备资源。

系统性价比高。

智能MCC系统融入现场总线控制系统后，使得系统结构简洁，生产成本大大降低，而系统功能大幅加强，具有较高的性价比，且非常人性化，方便技术人员维护。

3 智能MCC系统实例分析
随着智能MCC系统在现场总线控制系统中应用的推广，其优越的性能特点逐渐被用户热捧，并主导自动化控制技术的潮流。

下面是智能MCC系统在湖南骏泰浆纸有限公司（怀化）年产40万t漂白硫酸盐木浆厂（以下简称骏泰浆厂）其中一个车间的应用实例。

3.1项目简介
骏泰浆厂是泰格林纸集团的重点投资项目，对集团和怀化等周边地区的发展都有非常重大的影响。

骏泰浆厂充分利用怀化地区丰富的森林资源，投资此项目将拥有广阔前景。

骏泰浆厂项目规模较大、现场仪器仪表设备繁杂且分布面积广，非常适合运用现场总线控制系统进行系统控制，驱动控制单元选用智能MCC。

3.2 系统结构图
骏泰浆厂抄纸车间拥有电机400台，总功率为11550 kW，电机控制复杂，这些都对电机控制提出了很高的要求。

其控制系统结构图如图1所示。

3.3智能MCC系统中的主要控制元器件
智能MCC系统中的一些主要控制元器件，以下主要介绍软启动器、变频器及智能马达保护器。

3.3.1软启动器
（a）软启动器是由西门子提供的3RW44系列（见图2），通过小母排及固定支架安装在柜内。

（b）软启动回路需具有过流、过载、缺相、接地、温度检测等保护功能，并具有内置旁路功能和重载启动功能。

（c）软启动器具有总线通讯（PROFIBUS DP）等功能，需要单独配置DP通讯模块（见图3）。

图1 骏泰浆厂项目智能MCC 监控系统
图2 西门子3RW44系列软启动器
图3 DP 通讯模块
图4 西门子SIMOCODE 3UF7
PROC 智能马达保护器
3.3.2 变频器（柜）
（a ）变频器（400 V ）主要采用西门子装机装柜型的大功率G150和小功率G120系列。

（b ）变频器具有电机过流、过载、缺相、接地、温度检测等保护功能，需有重载启动功能。

（c ）变频器具有总线通讯（PROFIBUS DP ）等功能，在控制单元CU320和CU240上集成DP 通讯端口。

3.3.3 智能马达保护器
智能马达保护器采用西门子原装进口的SIMOCODE 3UF7 PROC 产品（见图4）。

车间内没有特殊要求的电机控制基本上都是由智能马达保护器进行控制的。

智能马达保护器具有保护和监控（过载、过热保护、接地故障检测）、电机控制（监控+连锁）、通讯（操作、服务、数据诊断、控制命令）
等功能。

智能MCC 系统能够实现电机的各种保护，如缺相不平衡保护、接地保护、欠电流保护、堵转保护、热敏电阻电机保护、起动加速超时保护、外部故障保护、过电流保护等。

各种保护需能及时准确地动作，并能够提供可编程的输入、输出无源节点。

常用的配置是一个基本模块配一个电流检测模块。

电流检测模块作为系统的必选模块，可以检测电流。

过流保护、过流报警、On/Off 返回值检测信号、电流限制，运行次数和运行时间等参数的计算都是以电流作为参考值。

图5为骏泰浆厂某车间的智能MCC 控制原理图。

由图5可知，与传统的MCC 控制回路相比，智能马达保护系统—SIMOCODE Pro 系统大大地简化了电机的控制回路，从而减少了接线，相应地减
少了故障点。

单独的SIMOCODE Pro系统就可以实现控制和监视功能以及信号处理，不需要增加过载继电器、热敏电阻计算电路、电流互感器、模数转换等，这些功能的实现完全不需要控制电路接线。

起停开关直接接到基本单元的输入，接触器线圈通过基本单元的输出控制，不需要互锁的辅助触点。

SIMOCODE Pro的基本单元具有集成的PROFIBUS DP接口（SUB-D插座或螺丝接线端子）且波特率自适应；采用标准SUB-D接口时，最高可支持的波特率为12 MBit/s，采用螺丝接线端子时，最高可支持的波特率为1.5 MBit/s。

通过PROFIBUS DP总线可发送2个状态字和1个模拟信号字（见图6）。

图7为智能马达保护器与上位机通讯和智能马达保护器在DCS系统中的工作界面。

3.4PROFIBUS DP通讯网络
在工程应用中，智能MCC柜种使用的PROFIBUS DP现场总线通常为电气介质（屏蔽双绞线）或光纤，前者更为常用。

PROFIBUS DP现场总线网络结构的基本信息如下：
• 每个DP线上，最大连接从站数量为122（典型值为≤100），如图8所示。

• 每个DP线上，最多由10 个网段组成（串联
图5 骏泰浆厂某车间智能MCC控制原理图
图6 PROFIBUS DP总线操作界面图
图7 智能马达保护器与上位机通讯和智能马达保护器在DCS系统中的工作界面
图8 DP线上从站分布示意图
使用9个中继器用以通讯电源），网段之间由中继器连接，每个网段最多连接32个从站（包括中继器）；中继器不占用从站地址，但被视为从站。

通讯波特率为：9.60~93.75 kBit/s、187.5 kBit/s、500 kBit/s、1500 kBit/s、3~12 MBit/s。

• 在每个DP线的两端要使用终端电阻，尤其末端处应连接有源终端电阻。

• 正确选用总线连接器：集成终端电阻的总线连接器/没有终端电阻的总线连接器。

相比于传统的MCC，建立于通讯技术之上的智能MCC使得工程应用更加方便快捷，除实现多种完善的电机保护功能外，仅需两根屏蔽双绞线或光纤连接即可满足无人值守的需求。

通过通讯接口，可实现MCC的“四遥”测控功能。

采用智能MCC加控制系统，再配备相关软件即可实现MCC控制中心所需的监控管理，满足无人值守要求。

但智能MCC最大的难度在其通讯处理，而通讯对系统的接地、通讯电缆的安装接线、柜体的抗屏蔽等方面要求较高。

在配置一个具体的智能MCC 系统时，应注意通讯回路数量、采用的现场总线、上位机、MCC柜内元器件性能等相互间的关系，充分发挥现场总线的性能。

根据以往的经验，每条通讯回路的实际接点数量应该控制在允许数量的1/2~2/3的范围内；对于智能MCC系统内部的现场总线而言，选择适宜的速率也很重要。

根据经验，一般设定为1.5 MB/s或者500 KB/s。

当回路数量较多时，应合理地配备中继器，通讯电缆选用原装西门子紫色通信电缆。

在条件允许的情况下，尽量采用树形结构而不是链式结构，这样能大大降低通讯故障率。

4结语
本课题通过对现代工业中智能MCC系统的应用进行了具体分析，了解智能MCC系统配置的具体内容，以及对工业生产中具体的智能MCC系统实例进行分析，从而充分地了解智能MCC系统在现代工业应用中的优越性。

笔者相信，随着科学水平的进一步提高，智能MCC系统一定能够更加完善，也一定能够更广泛地被应用于现代工业中。

CPP。