Электроприводы altivar как средство автоматизации технологических установок.
Мисюренко В.А.
В последние годы в Украине все более активно внедряются в производство частотно-управляемые асинхронные электроприводы. Это объясняется, с одной стороны, высокой эффективностью их внедрения в производство, когда в ряде случаев срок окупаемости не превышает 0.5-2 года, а с другой стороны, наличием на рынке страны широкой гаммы электроприводов от ведущих мировых производителей, таких как Siemens, ABB, Schneider Electric, Omron и др. В то же время, потребители в силу ряда причин не владеют достаточной информацией о функциональных возможностях и особенностях использования современных частотно-управляемых электроприводов. Это особенно касается тех свойств, которые делают частотно-управляемый электропривод мощным средством автоматизации технологической установки и облегчают его интегрирование в АСУ ТП. В итоге, на этапе проектирования и внедрения принимаются часто неоптимальные решения, которые не позволяют использовать в полной мере функциональные возможности, заложенные производителем в преобразователь частоты.
В этой связи рассмотрим некоторые основные задачи автоматизации, которые могут быть успешно решены при применении частотно-управляемого электропривода. Анализ проведем на примере электроприводов серии Altivar, которые выпускаются предприятиями концерна Schneider Electric. Выбор данной серии объясняется многолетним личным опытом авторов внедрения данного класса электроприводов, а также тем, что эта серия интегрировала в себя последние научно-технические и технологические достижение в области преобразовательной техники.
Сегодня концерн Schneider Electric предлагает на рынке Украины, кроме ранее известных преобразователей частоты Altivar 28, 58,68 / 1/, новые серии Altivar 11 и Altivar 38. Altivar 11 предназначен для двигателей мощностью 0,18- 2,2 кВт трехфазного напряжения 220В. Преобразователь питается от однофазной сети 200-240В. Он заменяет ранее выпускавшийся преобразователь частоты Altivar 08, расширяя мощностной ряд, и предлагая новые функциональные дополнительные и сервисные возможности. Преобразователь частоты Altivar 38 является, по сути, модернизацией серии 58, направленной на расширение ряда мощностей (0,75- 315 кВт) и оптимизации для работы с турбомашинами (насосные и вентиляционные установки).
Благодаря современным алгоритмам векторного управления и широким функциональным возможностям преобразователи частоты Altivar позволяют создать регулируемый электропривод практически для любых промышленных механизмов с любым характером изменения нагрузки: вентиляторы и насосы, подъемно-транспортные механизмы, конвейеры, упаковочно-погрузочное оборудование и т.п. /2/
Одной из отличительной и характерной особенностью преобразователей частоты Altivar является их гибкость и адаптация к решению задач автоматизации технологической установки и интегрирования в АСУ ТП.
Рассмотрим некоторые наиболее характерные решения, используемые в электроприводах Altivar для выполнения задач автоматизации. Рассматриваемые задачи иллюстрируются примерами внедрений, выполненных авторами на предприятиях Украины.
Задача автоматического регулирования (стабилизации)
1. Регулирование скорости.
Применение сложных алгоритмов векторного управления без применения обратной связи по скорости позволяет достичь диапазона регулирования D=100 и статической точности 0,3-0,5Sн, где Sн - номинальное скольжение двигателя, при изменении момента нагрузки от нуля до номинального значения. Использование цифрового ПИ-регулятора скорости и внешней обратной связи от импульсного датчика скорости позволяет расширить диапазон регулирования скорости до D = 1000 при статической точности 0,02% (Altivar 58) или 0,01%(Altivar 68). При этом, быстродействие внутреннего контура регулирование момента составляет порядка 2мс (Altivar 68).
Пример: электропривод шнекового дозатора.
На ряде предприятий пищевой промышленности авторами внедрены регулируемые асинхронные электроприводы шнековых дозаторов на базе преобразователей частоты Altivar 28 (установленная мощность двигателей не превышала нескольких кВт). Задача механизма - перемещение сыпучего продукта с точным дозированием его количества путем контроля веса. Взвешивание происходит непрерывно в процессе подачи продукта на рабочей скорости. Для обеспечения точного взвешивания при приближения веса к заданной величине рабочая скорость электропривода снижается и при достижении контрольного веса дозатор останавливается.
Особенность управления преобразователем частоты:
• отсутствие задающего потенциометра; два фиксированных значения скорости задаются через активизацию одного из логических входов, сконфигурированного для выполнения этой задачи. Команды на управление преобразователем поступают на его логические входы от контроллера, управляющего технологической установкой, или от специализированного весового контроллера.
• для повышения статической точности поддержания заданной скорости при изменении нагрузки на валу двигателя в преобразователе частоты сконфигурирована функция компенсации скольжения двигателя.
2. Регулирование положения рабочего органа машины.
В электроприводе Altivar 58 предусмотрена возможность применения опционной платы программируемого регулятора положения. Плата позволяет создать позиционную систему, которая управляет траекторией движения исполнительной оси механизма.
Для простых задач позиционирования применяется решение управление перемещением от путевых датчиков. В этом случае возможно использование специальной платы в случае применения Altivar 58 или применение несложного контроллера (программируемого реле) для формирования команд управления электроприводом на базе Altivar 11, 28, 68.
Пример решения задачи простого позиционирования: электропривод тележки машины для набивки ТЭНов.
Машина предназначена для заполнения трубок с установленными в них нагревательными спиралями изолирующим порошком окиси магния. Окись магния поступает из бункера через подвижную технологическую трубку, которые перемещаются в вертикальном направлении при помощи каретки. При движении вниз каретки выполняются подготовительные операции, а движение вверх соответствует рабочей операции. По условиям технологии необходимо задавать различные скорости движения каретки с точной установкой в заданных точках пути и осуществлять вибрацию зафиксированных трубок ТЭН,ов от электромагнитов.
Тахограммы движения каретки приведены на рисунке:
Было принято решение использовать электропривод Altivar 18 (предшественник Altivar 28) с назначенными двумя логическими входами для активизации 4-х заданных фиксированных скоростей. Изменение скоростей и остановка формируются командами от путевых выключателей. Управление преобразователем, а также работой всей машиной осуществляется от промышленного контроллера типа Nano производства Schneider Electric.
3. Регулирование технологического параметра (давление, расход и пр.)
Для обеспечения регулирования технологического параметра в программном обеспечении преобразователей частоты серии Altivar предусмотрена активизация ПИ регулятора (Altivar 28, 38,58) или ПИД-регулятора (Altivar 68). С точки зрения настройки и адаптации регулятора к конкретным условиям работы механизма наиболее широкие возможности заложены в электроприводах серий Altivar 38 и 68. В электроприводе Altivar 38 настраиваемыми параметрами регулятора являются: коэффициенты пропорциональной и интегральной составляющих регулятора, коэффициент жесткости обратной связи и постоянная времени фильтра в цепи обратной связи. Через активизацию соответствующих логических входов преобразователя частоты возможна установка одного из четырех значений задания технологического параметра, а также осуществление ручного (разомкнутая САР) или автоматического режима работы (замкнутая САР).
Особенностью ПИД-регулятора преобразователя частоты Altivar 68 является следующее: возможность внешнего задания через аналоговый вход или по линии связи, задание двух фиксированных значений скорости путем активизации логических входов, сконфигурированных для этой цели, раздельное регулирование коэффициентов пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих регулятора, наличие настраиваемого задатчика интенсивности в цепи задания регулируемого технологического параметра, наличие настраиваемого ограничения на выходе регулятора, режим безударного перехода из ручного в автоматический режим работы системы.
Пример1. Электропривод насоса экстракционной линии кофе.
Суть проблемы.
В процессе производства растворимого кофе нужно получить из молотого кофе жидкий экстракт требуемой концентрации. С этой целью через колонны-экстракторы, заполненные молотым кофе, пропускается перегретая вода (температурой до 120 0С и давлением до 16-19 атм.). Для обеспечения требуемой концентрации подача воды должна осуществляться с фиксированным расходом. Наличие внешних возмущений (изменение сопротивления трубопровода, изменеиие температуры воды) приводит к необходимости регулирования давления, создаваемого насосом, с тем, чтобы поддерживать неизменным расход воды.
Решение проблемы.
Оснащение насоса преобразователем частоты типа Altivar 28 и создание замкнутой системы автоматического регулирования расхода с использованием ПИ регулятора преобразователя частоты. Функциональная схема САР приведена на рис.2 Датчик расхода построен с использованием дифференциального манометра, измеряющего падение давления на входе и выходе дросселирующей шайбы. Сигнал, пропорциональный давлению, получаю извлечением квадратного корня из давления.
Пример2. Электропривод дымососа медно-плавильной печи
Задача состоит в том, что необходимо регулировать разрежение в печи в соответствии с технологическим процессом плавки. Печь оснащена мощной системой фильтров для очистки отходящих газов. Предусмотрена сложная система отвода газов в рабочем и аварийном режимах работы. Заданием предусматривалась автоматизация работы установки и координация ее работы с другим технологическим оборудованием печи.
Для отвода газов и создания разрежения в печи используется вентилятор-дымосос, который оснащен асинхронным короткозамкнутым двигателем мощностью 400 кВт.
Было принято решения создания замкнутой системы автоматического регулирования разрежения с использованием частотного способа регулирования скорости вентилятора. С этой целью был применен преобразователь частоты серии Altivar 68, мощностью 500 кВт. Для автоматизации процесса регулирования и управления установкой, контроля и диагностики применен контроллер TSX MICRO и операторская панель Magelis (оба - производства Schneider Electric). На контроллере реализована функция ПИД-регулятора, который входит в состав САР разрежения. Аналоговый выход контроллера задает частоту преобразователя Altivar 68. Предусмотрен ручной и автоматический режим работы системы. Все команды управления и контроля осуществляются оператором через операторскую панель. Заданием предусматривалась возможность ручного или автоматического перехода с основного на резервный вентилятор дымососа, при этом питание двигателей обоих вентиляторов осуществляется от одного преобразователя. Переключение осуществляется контакторами на выходе преобразователя по командам контроллера автоматически или вручную. Поэтому для сохранения контроля теплового состояния отключенного двигателя в преобразователе частоты активизирована функция переключения двигателей (выбор одного или другого набора параметров).
Задачи управления многодвигательным (двухдвигательным) электроприводом.
• Задача управление работой группы насосов (до 5-ти насосов).
Цель управление-поддержание заданного давления в трубопроводе при изменении в широком диапазоне расхода жидкости. Задача реализуется в электроприводе типа Altivar 38, 58 с применением специальной опционной платы. Это достигается тем, что преобразователь управляет работой одного регулируемого насоса, подключая на параллельную работу или отключая по мере необходимости дополнительные нерегулируемые насосы. Пример реализации описан в /2/
• Задача синхронизации работы двух электроприводов (создание т.н. электрического вала).
Эта задача реализуется на базе электропривода Altivar 58 c применением платы программируемого регулятора положения и работой двух электроприводов в режиме "ведущий - ведомый". Использование инкрементальных датчиков скорости с высокой разрешающей способностью (до 1000 импульсов на оборот для двигателей с номинальной скоростью 1500 об/мин) позволяет получить высокое быстродействие системы и высокую точность синхронизации.
• Задача выравнивание нагрузки двух механически связанных двигателей.
Задача требует выравнивание моментов на валу двух частотно-управляемых электроприводов, связанных механически. Рассмотрим, как решается эта задача в электроприводе Altivar 68 (версия программного обеспечения PSR6). Предполагается наличие двух электроприводов с внешней обратной связью по скорости. Задание скорости подается одновременно на оба преобразователя частоты. Первый электропривод исполняет роль ведущего, момент двигателя которого вводится в виде аналогового сигнала как задание для контура регулирования момента второго электропривода. Последний работает в режиме ведомого. Он содержит регулятор равенства моментов. Оба момента измеряются при помощи эстиматоров момента. Сигнал с выхода регулятора момента подается как сигнал внутренней коррекции задания скорости второго электропривода, благодаря чему его скорость корректируется до тех пор, пока момент нагрузки не распределится равномерно между двумя двигателями. На рис. 3 приведена структурная схема контура регулирования момента ведомого электропривода.
Задача контроля, сигнализации, блокировки и защиты электромеханической системы.
В электроприводах Altivar осуществляется постоянный мониторинг работы преобразователя и двигателя. Благодаря наличию диалоговой панели оператор может вывести на дисплей ряд текущих параметров, характеризующих режим работы и состояние электропривода (ток двигателя, момент нагрузки, мощность, развиваемую двигателем, скорость, тепловое состояние преобразователя и двигателя и т.д.). В преобразователях частоты предусмотрена развитая система защиты как самого преобразователя, так и двигателя, которая блокирует преобразователь в случае возникновения аварийной ситуации. Соответствующая информация выводится на дисплей панели управления. Так, например, в преобразователе Altivar 68 ведется журнал аварийных событий, в котором записывается и хранится информация о 16-ти последних аварийных отключениях. В журнале отмечается номер аварийного отключения, причина аварии, общее время наработки на момент аварийного отключения, а также дается информация о текущих значениях параметров электропривода за 10 мс до момента возникновения аварии (выходная частота, скорость двигателя, ток двигателя, напряжение в промежуточной цепи постоянного тока и т.д.) Такая идеология построения мониторинга и защиты позволяет в ряде случаев предупредить возникновения аварийного состояния, а в случае аварии - диагностировать причину аварии для ее быстрейшей ликвидации.
Особенности управления электроприводами Altivar
Как правило, все преобразователи серии Altivar позволяют осуществлять локальное (с клавиатуры панели управления) и/или дистанционное управление. В последнем случае оно может быть реализовано через аналоговые и дискретные входы и клеммник или по линии связи. Наличие 4-х и более логических входов, из которых один предназначен для реализации команды пуск/стоп, а остальные являются свободно конфигурируемыми, позволяет реализовать программное управление для воспроизведения электроприводом сложных законов движения: многоступенчатые тахограммы с различным темпом ускорения и замедления и различным режимом остановки, дозированные перемещения и т.п. Нормированные логические сигналы управления позволяют непосредственно подключать к логическим входам выходные сигналы PLC (промышленного логического контроллера) в виде сухих контактов реле или потенциальных сигналов. Преобразователь частоты Altivar 68 обладает дополнительными возможностями по управлению. Он содержит 4 блока компараторов с настраиваемым гистерезисом для наблюдения за аналоговыми сигналами и 2 логических блока, реализующих стандартные логические функции: И, ИЛИ, РАВНО, НЕ РАВНО. На входы компараторов и логических блоков можно подключить как внутренние сигналы, так и внешние. Имеются также блоки фильтров, временной задержки. Выходы функциональных блоков программируются на выполнение действия, которое должен реализовать электропривод при выполнении запрограммированных условий. Выходные сигналы функциональных блоков могут использоваться как внутренние команды преобразователя частоты, так и внешние команды, формируемые через реле или по линии связи. Все это расширяет существенно возможности по формированию сигналов управления, контроля и защиты электропривода и технологической установки.
Интегрирование электроприводов Altivar в АСУ ТП
Преобразователи частоты серии Altivar 28, 38,58 имеют последовательный порт RS 485, что позволяет каждый из них подключить к локальной сети и организовать по ней управление, контроль и настройку электропривода. Обмен информацией с преобразователями частоты организуется по протоколу Modbus RTU. Пример такой сети приведен на рис.4. Понятно, что отдельные элементы системы могут отсутствовать (компьютер, контроллер) и, напротив, сеть может быть дополнена, например, операторской панелью.
Более широкие возможности для интегрирования электроприводов в сеть АСУ ТП открываются, если их оснастить специальными коммуникационными платами. Такую возможность предоставляют серии Altivar 38,58 и 68.
Преобразователи частоты серии Altivar 38,58 имеют пять типов коммуникационных плат, которые работают по протоколам:Fipio, Modbus Plus, Interbus, AS-I, Profibus DP.
Преобразователь Altivar 68 может быть оснащен платами с протоколом: Fipio, Modbas plus, Profibas DP. Первые две платы требуют использования интерфейсного модуля, последняя - подключается непосредственно к клеммнику преобразователя частоты. Наиболее широкие возможности предоставляет плата Profibus DP. При ее использовании можно по сети управлять работой преобразователя Altivar 68, считывать информацию о параметрах и текущем состоянии электропривода, производить конфигурирование и настройку преобразователя частоты.
Выводы
Проведенный анализ функциональных возможностей преобразователей Altivar, а также примеры построения электроприводов на их основе дают основание утверждать о широких возможностях данной серии в области автоматизации технологических установок и их интегрирования в АСУ ТП.