进口电动机控制系统的结构和功能解析

下面以西门子大型同步电动机系统的控制系统为例（见文后插页图4-8和图4-9），对进口电动机控制系统的结构和功能进行解析。

图4-9 电动机控制柜（MMCP）内的详细配置

1.控制柜（MMCP）

西门子同步电动机采用无刷励磁同步电动机，随机配备控制柜（简称MMCP，英文含义为Main Motor Control Panel-主电动机控制屏）。柜内配有PLC主控制系统（采用S7-300/CPU-312）及分布式控制系统（ET200S）、励磁控制系统SIMO-TRAS、电动机综合保护继电器7UM62、并网控制系统7VE61、人机界面OP227以及电量输入转换模块UMG507。

2.励磁控制系统

电流控制方式在MMCP控制系统中可设定为：

1）恒功率因数控制。

2）恒无功控制。

3）恒励磁电流控制。

励磁电流的给定值是由MMCP控制系统PLC通过PROFI-BUS-DP总线以通信方式给定。PLC根据用户选定的励磁控制方式计算所需励磁电流，通过通信总线给定到励磁控制器SIM-OTRAS。

在实际使用中，励磁控制方式设为恒功率因数控制。同步电动机根据用户设定的功率因数运行。电网电压、负载变化时，PLC控制系统会调整励磁控制器的励磁电流输出，使功率因数保持恒定。当同步电动机负载较轻时，由于同步电动机的有功功率较小，在恒功率控制模式下，MMCP控制系统给定的励磁电流可能低于SIMOTRAS HD的输出下限，会出现“励磁电流低限”报警。该报警在空气压缩机轻载运行时出现，属于过渡运行状态，不需进一步处理。

3.MMCP的PLC控制系统

由西门子S7-300系列PLC组成，包括CPU控制模块、CP-342通信模块、PROFIBUS通信总线、ET200扩展模块及输入输出模块。

PROFIBUS总线系统将SIMOTRAS励磁系统、OP227人机界面、电量变换输入模块（UMG507或SIMEAS P）、CPU控制模块、CP-342通信模块、两个ET200S扩展模块组成的微型扩展子站，联为一体。

CPU控制模块是控制系统的主体，装载PLC系统程序和用户程序，并设有PROFIBUS-DP和PROFIBUS-MPI接口，用户可用配备有CP5511、CP5512等PROFIBUS通信接口的计算机，通过这两个接口访问MMCP控制系统。

CP-342通信模块可将MMCP控制系统与外围其他控制系统（如变频软起动器）通过PROFIBUS总线连接起来，实现多种控制功能。例如两台电动机共享同一台起动设备，上一级控制系统访问MMCP控制系统。

两个以IM151模块为通信接口组成的ET200S微型扩展子站，分别负责处理MMCP控制系统以外的输入、输出信号处理，和控制系统内部的输入、输出信号处理。

其中-A2子站负责控制系统内的输入、输出：

1）综合保护继电器和并网装置的状态反馈。

2）无刷励磁系统的状态反馈和保护检测信号。

3）各个内部配电开关的状态反馈。

4）信号灯的状态输出。

5）内部继电器的指令输出等。

-A3子站负责控制系统以外的输入、输出：

1）外围各高压断路器的指令输出和状态反馈。

2）电动机绕组、电动机冷却器各部分温度反馈。

3）油站油压反馈，电动机轴瓦油流量反馈。

4）到DCS的来往接点信号。

这些I/O信息通过连接在通信扩展模块IM151上的PROFI-BUS-DP总线传送到CPU模块进行处理，并通过总线将CPU模块的指令输出到这些子站的输出模块上进行指令输出。

4.电量变送器模块

电量变送器模块（UMG507或SIMEAS P）的作用是将电压互感器和电流互感器二次输出的电压（标称交流100V信号）和电流（标称交流1A/5A）信号，进一步变换处理为PLC控制系统能够接收的数字量信号，并通过所连接的PROFIBUS总线将这些信号送到控制系统CPU模块中。

电量变换处理模块主要处理电动机电压、电流，计算得出电动机功率因数、运行功率等参数，显示在电量变送器的人机界面上，同时会将这些电量信号送到控制系统CPU模块中。CPU模块计算得出电动机的实际功率因数，并据此调整SIMOTRAS输出励磁电流，使电动机功率因数与用户对功率因数设定值相符。

5.OP227显示屏(www.xing528.com)

OP227显示屏是用户与控制系统的人机界面，它位于MMCP控制系统PROFIBUS总线连接的终端，采用多级菜单形式向用户提供信息。用户可通过该菜单查询：

1）电动机是否具备起动条件。

2）电动机运行数据信息（含运行电压、电流、功率因数，电动机绕组温度、循环冷却风温）。

3）励磁电流、电压。

4）各断路器的当前状态。

5）当前报警、故障状态；历史报警、故障信息。

6）设置系统时间，显示信息的语言等。

用户可通过查询随机技术文件熟悉人机界面菜单的结构和内容。当前控制系统出现报警、故障等情况时，OP人机界面MESSAGE按钮旁的红灯会亮起，这时用户可按此按钮进行信息查询。当前故障消除时，用户可按确认键进行确认，故障消除后红灯会熄灭。

6.电动机综合电气保护器

电动机综合电气保护器7UM62对电动机提供全面的保护，包括；

1）差动保护。

2）两段电流过流保护。

3）过载保护。

4）负序过载保护。

5）失步保护。

6）失磁保护。

7）接地保护。

8）过电压、低电压保护。

9）逆功率保护。

10）过频、欠频保护。

综合电气保护器7UM62检测到电量信号超过保护器内设定的保护定值后，向PLC控制系统-A2子站发出一个跳闸指令，PLC控制系统CPU收到这个跳闸指令后，通过-A3子站向断路器发出跳闸指令，断路器执行跳闸。

综合电气保护器7UM62具备自检功能。当它自检发现自身存在故障时，向PLC控制系统-A2子站发出报警信息。PLC控制系统CPU收到报警信息后，会向用户发出报警信号。

7.PROFIBUS总线通信

在以上提及的IM151接口模块、SIMOTRAS励磁系统、OP227人机界面，UMG电量变送器中都具有PROFIBUS总线通信功能。它可以接收符合PROFIBUS通信规约的通信信号。在此通信关系中，MMCP控制系统CPU模块以主动方式将信号“写入”（输出）到IM151接口模块、SIMOTRAS HD励磁系统、OP人机界面，并主动读取这些设备的关键参数反馈，称之为“主-从”通信方式。其中CPU模块称之为“主”设备，而系统中的其他设备称为“从”设备。

西门子的大型同步电动机的控制系统集成了西门子PLC控制技术、通信控制技术、电动机调速技术等多种技术。这些技术的掌握，除了需要仔细研读随机技术文件外，还需要掌握西门子S7-300控制系统知识、PROFIBUS通信知识、电动机调速系统（针对励磁控制系统而言）知识。为方便读者搭建一个学习、实践的软件（含调试工具）平台，下面给出一个西门子大型同步电动机控制系统的软件清单：

1）STEP7（V5.3）——PLC控制系统的核心软件。

2）DIGSI（V4.6）——电气综合保护器的调试工具。

3）PROTOOL（V9.0）——适用于OP170人机界面的调试工具。

4）WINCC FLEXSIBLE——适用于OP277人机界面的调试工具。

5）DRIVE MONITOR（V5.2）或DRIVE ES——电动机调速（励磁系统）软件工具。

6）SIMEAS PAR——电量变换模块SIMEAS P的调试工具；电量变换模块JANITZA的调试工具一般会随机提供。

以上软件只提供了最低版本要求，随着设备配置不同，可能需要用户到西门子网站下载升级服务软件包。用户除了系统学习西门子控制系统的知识外，可以通过软件的“帮助”文件进一步加强学习和了解西门子控制系统的知识。