Комплект аппаратно-программных средств для встраиваемых систем прямого цифрового управлени

   
В. Козаченко, Н. Шишов, М. Черняк
С. Иванов, С. Куцаков, М. Смернитский
Комплект аппаратно-программных средств для встраиваемых систем прямого цифрового управления электроприводами на базе микроконтроллера Intel 8xC196MHВведение

В статье рассматривается состав и возможности комплекта аппаратных средств и базовогопрограммного обеспечения, разработанного совместно специалистами Московского энергетического институтаи Всероссийского научно-исследовательского института электромеханики для построения высокопроизводительныхсистем прямого цифрового управления приводами со статическими преобразователями частоты на биполярных транзисторахс изолированным затвором (IGBT) и силовых интеллектуальных модулях (IPM). Комплект ориентирован на управлениеасинхронными, синхронными, шаговыми, вентильными и вентильно-индукторными двигателями в диапазоне мощностей отсотен до 150 кВт. Кроме функций прямого цифрового управления преобразователем он поддерживает дружественныйинтерфейс с оператором и системой управления верхнего уровня, а также может осуществлять управление дополнительнымтехнологическим оборудованием рабочих станций.
Состав комплекта

В состав комплекта входят (рис. 1):

  • Универсальный микропроцессорный контроллер ПС-196-1;
  • Пульт оперативного управления МПУ-7.3;
  • Модуль ввода/вывода дискретных сигналов МДВВ-7.3.

Контроллер ПС-196-1 предназначен для реализации встроенных систем прямого цифрового управленияэлектроприводами переменного тока с различными типами исполнительных двигателей. Адаптация конт-роллера кконкретному типу привода обеспечивается коммутацией переключателей на плате контроллера и поставкой специализированногопрограммного обеспечения.


Рис. 1 Комплект аппаратных средств для встраиваемых систем управления приводами

Для ввода в систему импульсных сигналов, например, в приводах с вентильными двигателями, комплектрасширяется дополнительным модулем ввода/вывода импульсных сигналов МВВИ-7.3. Структура контроллера допускаетподключение произвольного числа карт расширения, в частности, для увеличения числа дискретных входов/выходов.Программное обеспечение контроллера является объектно-ориентированным и поставляется под заказ. Имеютсяследующие комплекты базового программного обеспечения:

  • Загрузчик, монитор-отладчик, монитор реального времени.
  • Библиотека поддержки ЖК-дисплея и клавиатуры.
  • Комплект рабочих программ управления преобразователями частоты для асинхронных частотно-регулируемыхэлектроприводов широкого назначения (насосы, вентиляторы, компрессоры и т.д.).
  • Комплект рабочих программ векторного управления синхронными двигателями от преобразователей частоты, в том числедля двухпроцессорных систем с рабочим и диагностическим контроллерами (атомная энергетика, робототехника).
  • Комплект рабочих программ управления многокоординатными (одновременно до 4-х осей) шаговыми приводами отинверторов тока с дроблением шага и без, встроенными функциями контроля выпадения двигателей из синхронизма(точные привода приборов и медицинской техники, лазерных комплексов по обработке материалов, привода подачи станков,насосов дозаторов).
  • Комплект рабочих программ управления 2-, 3-, 4-х фазными вентильно-индукторными двигателями с цифровымиконтурами тока и скорости, вводом сигналов обратных связей от датчиков на элементах Холла или от импульсныхдатчиков. Комплект рабочих программ бездатчикового управления вентильно-индукторными приводами.
  • Комплект рабочих программ управления двухфазными асинхронными двигателями от преобразователей частоты.
Назначение

  • Высокопроизводительные встроенные системы прямого цифрового управления приводами переменного тока сасинхронными, синхронными, шаговыми, вентильными и индукторными двигателями.
  • Стабилизированные источники вторичного питания, системы бесперебойного питания.
  • Преобразователи частоты с инверторами напряжения и тока на основе силовых IGBT-, MOSFET-, OMNIFET-транзисторов,интегрально-гиб-ридных драйверов и силовых интеллектуальных модулей IPM.
  • Устройства первичного сбора и обработки информации.
  • Одноплатные промышленные программируемые контроллеры.


Рис. 2 Типовая струтура силовой части статического преобразователя частоты на интеллектуальных силовых модулях

На рис. 2 в качестве примера показана типовая структура построения силовой части преобразователя частоты длярегулирования скорости асинхронных двигателей с использованием предлагаемого комплекта программно-аппаратных средств.Преобразователь частоты обеспечивает управление асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором (АД)путем взаимосвязанного регулирования выходной частоты и напряжения преобразователя в соответствии с оптимальнымдля заданного механизма законом изменения U(f). В состав преобразователя частоты входят: трехфазный автономныйинвертор напряжения (PM) на транзисторах с изолированным затвором (IGBT) и управляемый тиристорный выпрямитель(UZ). Управляемый вы-прямитель служит для плавного заряда конденсаторов фильтра звена постоянного тока при включениипитания преобразователя.
    Автономный трехфазный мостовой инвертор напряжения построен на основе интеллектуальных силовых модулей IPM.Конденсатор С1 предотвращает перенапряжения на ключах при коммутации, выполняя функции снаббера. Инверторуправляется непосредственно микропроцессором 8хС196МH через драйверы UD. Реализуется режим симметричной синусоидальнойцентрированной широтно-импульсной модуляции на несущей частоте до 20 кГц. Поддерживается также режим широтно-импульсноймодуляции базовых векторов, что позволяет поднять диапазон регулирования синусоидального выходного напряжения дономинального напряжения двигателя.
    Для реализации необходимых защит преобразователя в контроллер вводятся сигналы датчиков напряжения (TV1) и тока(TA1) в звене постоянного тока, датчика тока утечки (TA2), а также датчиков токов фаз (TA3-5). При возникновенииаварийной ситуации в инверторе ее код поступает в контроллер по прерыванию, и выполняется необходимый набордействий по безопасному отключению инвертора и предупреждению обслуживающего персонала.


Рис. 3 Блок-схема контроллера ПС-196-1

Контроллер обеспечивает прямое цифровое управление всеми компонентами привода, включая дополнительные устройстваприема рекуперативной энергии торможения, электромагнитный тормоз, исполнительные устройства технологической автоматики.
Технические характеристики

Блок-схема контроллера ПС-196-1 представлена на рис. 3. В качестве центрального процессораиспользуется самый высокопроизводительный микроконтроллер фирмы Intel из серии специализированныхмикроконтроллеров для управления двигателями 8xC196MH. Его периферийные устройства и, прежде всего,генератор периодических сигналов, АЦП и процессор событий оптимизированы для эффективного управления нетолько асинхронными приводами, но и приводами с вентильными и вентильно-индукторными двигателями.
    Главная особенность контроллера ПС-196-1 состоит в его универсальности. Он спроектирован так, что путемустановки переключателей на плате может быть быстро адаптирован к задаче управления приводом любого типа.Являясь одноплатным устройством, он вместе с тем имеет большой набор встроенных интерфейсов, превращающихего в промышленный контроллер, способный дополнительно управлять параметрами технологического процесса.Основные технические характеристики контроллера приведены в табл. 1.
    Отметим некоторые важные особенности. Контроллер имеет набор интерфейсов, допускающих использование впреобразователях частоты драйверов различных фирм с различными уровнями входных напряжений. Кроме того,возможно использование удобных для пользователя схем включения источников питания драйверов, вплоть доиндивидуального источника питания драйвера каждого отдельного ключа.
    Все выходы контроллера (даже ШИМ-выходы) являются перепрограммируемыми, что позволяет сконфигурироватьструктуру ввода/вывода конт-роллера в соответствии с требованиями пользователя.


Рис. 4 Общий вид преобразователей частоты серии "Универсал"

Пульт оперативного управления обеспечивает интерфейс с оператором, управление преобразователем частотыи/или приводом в реальном времени, отображение на дисплее текущего состояния системы и значений наблюдаемыхпеременных, интерактивный режим настройки параметров и конфигурации системы управления. Его основныетехнические параметры приведены в табл. 2.
    Конструкция пульта управления допускает использование алфавитно-цифровых дисплеев различных фирм, вчастности VK2003, VK2006 VIKAY; PC1602LSR-GH2-H; POWERTIP и др. Применяется клавиатура FT750-70347516фирмы BOPLA. Пульт поставляется в нескольких вариантах, как для встраивания в передние панели преобразователейчастоты, так и в отдельном корпусе для подключения к системе плоским кабелем.
    Модуль ввода/вывода дискретных сигналов МДВВ7.3 обеспечивает ввод потенциальных сигналов и сигналовтипа “сухой” контакт, а также вывод дискретных сигналов переключающими контактами реле или открытымколлектором транзистора. Он обеспечивает интерфейс с промышленными программируемыми контроллерами,командоаппаратами, датчиками состояния технологического процесса и исполнительными устройствами промышленнойавтоматики. Модуль используется тогда, когда встроенных возможностей контроллера по обеспечению дискретноговвода/вывода недостаточно. Технические характеристики модуля представлены в табл. 3.
Примеры применений

На рис. 4 показан общий вид преобразователей частоты серии “УНИВЕРСАЛ” для частотно-регулируемыхприводов с асинхронными двигателями мощностью от 15 до 160 кВт, выпускаемых Заводом БиомедицинскогоПриборостроения (г. Пущино). Преобразователи предназначены для регулирования скорости вращения насосов,вентиляторов, компрессоров, буровых, судовых и других механизмов, использующих в качестве приводныхасинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором. Они обеспечивают плавный пуск, торможение идлительную работу механизма в рабочем диапазоне частот вращения, ручное, а также автоматическое регулированиезаданного технологического параметра (давления, расхода, температуры, напора и т.п.) путем изменения скоростиисполнительного двигателя.
    Потребителю предоставляются широкий спектр возможностей:

  • увеличивать производительность механизма за счет оптимизации режимов работы привода и обслуживаемогоим технологического процесса при регулировании скорости в широком диапазоне (до 10:1 в разомкнутой схемевключения и до 30:1 в замкнутой схеме включения с дополнительным датчиком скорости);
  • увеличивать ресурс работы электрического и механического оборудования за счет: ограничения пусковыхтоков асинхронного двигателя при “мягком” пуске от преобразователя частоты, исключения механических ударовв передачах и гидравлических ударов в трубопроводах; автоматической блокировки длительной работы привода взонах возможного механического резонанса;
  • поддерживать с заданной точностью скорость исполнительного двигателя или подчиненный параметр технологическогопроцесса (давление, расход, температуру и т.д.). Реализовывать астатические системы регулирования, в которыхточность поддержания заданных переменных определяется лишь точностью используемых датчиков;
  • обеспечивать энергосбережение и ресурсосбережение. Например, экономия электроэнергии и воды при замененерегулируемого электропривода насосных установок систем коммунального водоснабжения на частотно-регулируемыйдостигает 50% и выше;
  • обеспечивать программное управление скоростью или регулируемой технологической переменной по часовым, суточным,недельным и месячным циклам в реальном времени (для насосных устройств такая возможность позволяет, например,организовывать требуемую программу дозирования жидких сред);
  • выполнять комплексную автоматизацию технологических процессов за счет использования регулируемых электроприводовс высокими энергетическими характеристиками при высоком качестве синусоидального выходного напряжения, формируемогопреобразователями частоты, высоком КПД и коэффициенте мощности привода;
  • строить на базе отдельного преобразователя частоты рабочие станции и станции группового управления сразунесколькими объектами. Например — несколькими насосами с возможностями автоматического резервирования, учетавремени наработки каждым из механизмов, оптимизацией распределения нагрузки между ними, а также с реализациейвспомогательных функций технологической автоматики — управления дискретными исполнительными устройствами (заслонками,задвижками, электромагнитными клапанами и т.д.);
  • объединять несколько регулируемых электроприводов с преобразователями частоты в сети с согласованнымуправлением. При этом управление осуществляется в реальном времени от промышленных программируемых контроллеровили компьютеров. Реализовывать системы “электрического вала” или пропорционального согласованного управленияскоростью неограниченного числа приводов;
  • организовывать удаленную диспетчеризацию состояния привода и подчиненного технологического процесса побыстродействующим последовательным каналам связи;
  • резко повысить культуру производства за счет использования высокоинтеллектуальных устройств, способныхне только выполнять самодиагностику неисправностей и аварий, принимать необходимые меры по предупреждениюразвития аварий, но и обеспечивать автоматическую адаптацию режимов работы и параметров преобразователя кразличным типам исполнительных устройств, характеру и величине нагрузки;
  • осуществлять косвенное измерение ряда параметров привода и технологического процесса без использованиядополнительной дорогостоящей измерительной аппаратуры, например, расхода электроэнергии и расхода воды вприводах насосов (цель — наблюдение и учет, определение эффективности системы автоматизации, раннее обнаружениеи предупреждение аварий в объекте управления).


Рис. 5 Функциональные возможности системы управления на примере "Универсал"

Отличительная особенность предлагаемой системы управления состоит в возможности гибкой перенастройки не толькопараметров привода, но и структуры системы управления в соответствии со спецификой задачи автоматизации — рис. 5.На практике это означает для пользователя возможность выбора:

  • разомкнутой или замкнутой системы управления;
  • регулирования с помощью встроенного цифрового регулятора частоты вращения исполнительного двигателя илизаданного параметра технологического процесса (давления, температуры, расхода и т.д.);
  • оптимальной структуры регулятора — пропорциональный, пропорционально-интегральный, пропорционально-интегрально-дифференциальный, оптимизированный на базе фази-логики;
  • оптимальных параметров цифрового регулятора;
  • удобного источника ввода управляющего воздействия в реальном времени:
  • аналоговый сигнал в одном из промышленных стандартов;
  • цифровой код по последовательному каналу связи (RS-232, RS-485) от промконтроллера или управляющего компьютера;
  • дискретный сигнал (с числом линий до 3) от командоаппарата или внешнего пульта управления пользователя;
  • цифровой сигнал от встроенного пульта оперативного управления;
  • цифровой сигнал от внутренних часов реального времени (для организации программного управления по часовым,суточным, недельным и другим циклограммам).
    Источник задания частоты или технологической переменной определяется пользователем исходя из имеющихся в егораспоряжении задающих устройств.
    Блок ограничения и защиты привода от механиче-ских резонансов исключает длительную работу привода в опасныхзонах, обеспечивая их проход “на ходу”. Универсальный задатчик интенсивности автоматиче-ски формирует линейныеили S-образные тахограммы разгона/торможения, выполняя в случае необходимости не только ограничения ускорений,но и ограничения рывков. Универсальный интерполятор кривой U(f) автоматически формирует требуемое напряжение наобмотках двигателя в функции текущей частоты с задатчика интенсивности по нескольким опорным точкам, заданнымпользователем в качестве параметров.


Рис. 6 Преобразователь низкой частоты ПНЧИ-3

На рис. 6 показан статический преобразователь частоты, поставляемый НППВНИИЭМ для очень ответственных приводов управления и защиты реакторов атомных электростанций. Привода поставляютсяи на экспорт, в частности, для атомной электростанции в г. Моховец в Словакии.
    В качестве исполнительных используются синхронные двигатели. Отличительная особенность привода — реализациясистемы векторного управления на базе двух контроллеров ПС-196-1, с качественным поддержанием синусоидальныхтоков статора во всех режимах работы. Один из контроллеров является рабочим и выполняет функции оперативногоуправления приводом. Второй контроллер является диагностическим и выполняет функции цифрового наблюдателя.Оба контроллера получают одни и те же команды от системы управления верхнего уровня и анализируют одни и теже сигналы обратных связей с датчиков. Если состояние объекта управления для заданного режима работы (в статикеи в динамике) не отвечает требуемому, то диагностический контроллер идентифицирует аварийную ситуацию и “берет”управление приводом на себя.
    Развитая система диагностирования работоспособности всех элементов привода предполагает также автоматическуюпроверку каждым из контроллеров состояния контроллера-партнера. В состав программного обеспечения включенымодули монитора реального времени и цифрового осциллографирования переменных привода. Это позволяет подключатьк работающей в реальном времени системе управления портативный компьютер и выполнять интерактивное наблюдениеза состоянием привода. Система позволяет также выполнить оперативную подстройку параметров регуляторов, еслиэто потребуется.


Рис. 7 Система управления многокардионатным дискретных электроприводом

На рис. 7 показана система управления многоосевым электроприводом с шаговыми двигателями, выпускаемая Заводом“Новатор” (г. Истра). Привод используется в установках многокомпонентного дозирования жидких сред и системахуправления обжатием в волочильных станах.
    Система обеспечивает: управление шаговыми двигателями (до 4-х) в режиме электрического дробления шага с заданнымкоэффициентом дробления (от 1 до 64) или без него; автоматический контроль выпадения двигателей из синхронизма(если на валу установлены дополнительные датчики); позиционный или контурный режимы работы привода. В первомслучае обеспечивается старт-стопная тахограмма отработки любого заданного положения, вплоть до одного дробногошага, а во втором — встроенная линейная и круговая интерполяция.
    Рассмотренные выше примеры свидетельствуют о перспективности предлагаемого в статье комплектапрограммно-аппаратных средств для построения эффективных встроенных систем управления приводамиразличных типов.

МЭИ, кафедра Автоматизированного электропривода
Тел. (095) 362-7151, факс (095) 273-1348
E-mail: Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript
НПП ВНИИЭлектромеханики, тел. 924-7038






Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.