автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка системы комплексной автоматизации кабельной линии на базе преобразователей частоты и контроллеров с сетевыми возможностями

На правах рукописи

РЕЗВИН СЕРГЕЙ БОРИСОВИЧ

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ КОМПЛЕКСНОЙ АВТОМАТИЗАЦИИ КАБЕЛЬНОЙ ЛИНИИ НА БАЗЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ И КОНТРОЛЛЕРОВ С СЕТЕВЫМИ ВОЗМОЖНОСТЯМИ

Специальность 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2005

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированный электропривод» Московского энергетического института (технического университета).

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат технических наук, доцент Козаченко Владимир Филиппович доктор технических наук, профессор Пречисский Владимир Антонович кандидат технических наук Голыгин Александр Федорович ООО НПП «Спецкабель»

Защита диссертации состоится «24» июня 2005 года в 16 час. 00 мин. в аудитории М-611 на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д.13, корп. М.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим отправлять по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан Ж МЬ/ 200^7.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.02 к.т.н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современное кабельное производство ориентировано на создание высокопроизводительных автоматических линий с совмещенными технологическими процессами. Например, типичный представитель кабельного технологического оборудования экструзионные линии могут содержать в себе процессы волочения, отжига, изолирования (одно-, двух-, трехслойного), скрутки, нанесения маркирующих знаков с измерением на проход основных параметров изделия - диаметра, эксцентриситета и др.

Кабельные линии стараются выполнить по принципу модульного построения на основе типовых узлов. К таким типовым модулям относятся: приемные и отдающие устройства, технологические узлы, ванны охлаждения, тяговые устройства. Даже такие консервативные виды оборудования, как крутильное, изолировочное, бронировочные машины в современном исполнении построены по модульному принципу.

Еще одной особенностью построения кабельных линий является протяженность в пространстве, иногда они достигают сотни метров, а это приводит к сложностям при электрическом соединении их узлов и визуального контроля за работой линии в целом.

Очевидно, что регулируемый многодвигательный электропривод кабельных линий, работающий в режиме электрического вала, должен обеспечивать не только согласованное управление модулями в статических и динамических режимах работы, но и обеспечивать согласованную работу с многочисленными датчиками, приборами контроля и управления. Например, качественное управление электроприводом либо экструдера, либо тягового устройства от приборов контроля диаметром изделия позволяет, как экономить изоляционный материал, так и изготавливать более качественную продукцию.

В кабельном машиностроении, как и в других отраслях промышленности, наблюдается резкий спрос на регулируемый электропривод на базе преобразователей частоты (ПЧ) - асинхронный двигатель (АД). Хорошие технико-экономические показатели, удобство в

эксплуатации, надежность вызывает повышенный интерес у потребителя. Следует отметить, что ПЧ, как правило, имеют сетевую поддержку и позволят строить на своей базе распределенные цифровые системы управления (СУ), позволяющие реализовывать алгоритмы группового и согласованного управления оборудованием, мониторинг параметров линии, системы протоколирования и диагностирования аварийных ситуаций и предотвращения дальнейшего их развития, подключение цифровых технологических датчиков, что исключительно важно при решении задач комплексной автоматизации протяженных кабельных линий.

В настоящее время на многих отечественных заводах используются высокоавтоматизированные кабельные технологические линии. К сожалению, в большинстве своем они импортного производства и весьма дорогие, с соответствующими проблемами при эксплуатации и обслуживании. Для большинства промышленных предприятий они просто не доступны.

Изложенное, позволяет утверждать, что разработка системы комплексной автоматизации кабельных линий на базе отечественных преобразователей частоты и контроллеров с сетевыми возможностями является актуальной задачей.

Цель диссертационной работы - создание модульной, гибкой системы комплексной автоматизации кабельной линии на базе специализированных ПЧ и контроллеров с сетевыми возможностями отечественного производства, обеспечивающих групповое и согласованное управление электроприводами линии и вспомогательным оборудованием, реализацию системы протоколирования и наблюдения технологических параметров, удобный интерфейс оператора.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были решены следующие задачи:

1. Анализ типовых задач кабельного машиностроения и разработка вариантов их решения на базе частотно-регулируемого электропривода.

2. Адаптация функций стандартного преобразователя частоты «Универсал» для решения типовых задач кабельной отрасли.

3. Разработка концепции комплексной автоматизации кабельных линий на базе специализированных ПЧ и контроллеров с сетевыми возможностями.

4. Проектирование экспериментальной перемоточной линии. Создание алгоритмов и программного обеспечения контроллера линии, визуализации и управления линией на базе персонального компьютера (ПК). Синтез контура поддержания натяжения, системы согласованного управления оборудованием линии и раннего предупреждения аварий.

5. Техническая реализация и экспериментальные исследования разработанной САУ на базе экспериментальной перемоточной линии.

Методы исследования. Моделирование контура поддержания натяжения проводилось в среде Simulink пакета Matlab. Специализированное программное обеспечение (ПО) разрабатывалось в интерактивной среде Code Composer Studio и отлаживалось на ПЧ типа «Универсал» в составе модулей экспериментальной перемоточной линии.

Основные практические результаты диссертации состоят в разработке:

1. адаптированной версии рабочего алгоритмического и программного обеспечения отечественного преобразователя частоты «Универсал» для решения типовых задач кабельной отрасли;

2. программного обеспечения контроллера МК9.1 линии, реализующего групповое, согласованное управление ПЧ;

3. программы «Монитор» на базе ПК для оперативного управления и индикации состояния модулей линии и технологических параметров.

Создана экспериментальная перемоточная линия, которая может служить прототипом для новых разработок в кабельной отрасли.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на заседании кафедры «Автоматизированный электропривод» Московского энергетического института (технического университета)

Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 печатные работы.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений; количество страниц 157, иллюстраций 103, число наименований использованной литературы 25 на 2 страницах, приложений 5 на 46 стр.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы и необходимость создания распределенной системы управления технологических кабельных линий на базе специализированных ПЧ и высокопроизводительных контроллеров. Сформулированы цель и задачи исследований, дана общая характеристика работы.

В первой главе представлена классификация оборудования для производства проводов и кабелей. Показано, что состав большинства технологических линий можно представить в виде типовых модулей, каждый из которых выполнят свою технологическую задачу. Представлены примеры состава экструзионной, обмоточной, бронировочной и оплеточной линий в виде типовых модулей, иллюстрирующие схожесть структур и используемых типовых модулей в разных технологических линиях.

Во второй главе проанализированы типовые задачи кабельного машиностроения, такие как: поддержание угловой скорости вращения двигателей на заданном уровне, включая плавный разгон и торможение (тяговые устройства (ТУ), экструдеры, лентообмотчики и проч.), поддержание натяжения изделия (приемные устройства (ПУ), отдающие устройства (ОУ) и проч.). Предложены различные варианты их решения на базе частотно-регулируемого электропривода. Показано, что для решения задач регулирования и поддержания скорости можно использовать стандартные средства серийных ПЧ (рис. 1):

Ограничение рывков и ускорений с помощью встроенного задатчика интенсивности с настраиваемой линейной или «s»-образной характеристикой при разгоне или торможении двигателя; Поддержание скорости с точностью до 3-5% ПЧ со скалярной СУ. Закон регулирования U/f = const, IR-компенсация, диапазон регулирования 1:10;

Астатическое регулирование скорости, используя встроенный ПИ регулятор.

3..5%

СО

м

задатчик интенсивности

закон U/f=const с IR-компенсацией Рис.1

астатическое регулирование

Векторная версия СУ ПЧ «Универсал» с датчиком положения ротора обеспечивает астатическое регулирование скорости в диапазоне 1:100. Все три типовых решения, в том числе ПЧ с векторным управлением (ВУ), экспериментально исследованы на образцах кабельных механизмов, таких как: ТУ, стрейнер, ПУ.

При решении задачи поддержания натяжения с помощью ПЧ использовались три подхода:

• бездатчиковое поддержание натяжения;

• системы регулирования натяжения с прямым и косвенным измерением

текущего радиуса намотки;

• компенсаторный принцип поддержания натяжения

Применение систем бездатчикового поддержания натяжения актуально для случаев отсутствия возможности применения компенсатора, например в системах поддержания натяжения изолировочной пленки в лентообмотчиках, или в случае невысоких требований к уровню

поддержания натяжения, например в ПУ тихоходных линий с изготавливаемым кабельным изделием достаточной прочности. Принцип работы бездатчиковой системы следующий: Натяжение кабельного изделия:

М

натяжения р 1 (1)

намотки

Выразив момент на валу через мощность, получим:

р

Рнаткни, = - = согт; (2)

Таким образом, постоянство силы натяжения определяется отношением мощности на валу двигателя и линейной скоростью перемещения изделия. Скорость линии, как правило, постоянна и определяется скоростью тягового устройства Значит, для поддержания натяжения необходимо постоянство мощности (рис.2). Этот принцип давно реализован в отечественных электроприводах кабельного оборудования, построенных по системе ИТ-Д (д.т.н. Ильинский Н.Ф., каф. АЭП МЭИ). Его реализация применительно к частотно-регулируемым электроприводам со скалярной

М

Рис.2

СУ состоит в следующем:

В ПЧ со звеном постоянного тока активная мощность на валу пропорциональна напряжению на звене постоянного тока и„ и току 1й:

Р = Ш„1Л-, (3)

Значения Ud> !d измеряются датчиками. Поддерживая Id на уровне, обеспечивающем Р = const, получаем постоянное натяжение изделия. Точность поддержания натяжения около 15%.

Более качественное поддержание натяжения достигается в системах регулирования натяжения с учетом изменения радиуса намотки изделия на базе ПЧ с ВУ с корректировкой задания на момент по текущему значению Кнамотки (рис.3). Радиус можно измерять напрямую с помощью датчика, либо косвенно рассчитывать по значениям со6арабаиа и УЛЙН. Система косвенного поддержания натяжения была разработана в диссертационной

Рис.4

работе Чуева П.В. (кафедра АЭП МЭИ) и при реализации показала точность поддержания натяжения около 10%.

Компенсаторный принцип поддержания натяжения всегда используется в экструзионных линиях наложения изоляции. Это связано с

тем, что чем тоньше изолированная жила, тем выше линейная скорость изолирования, тем больше влияние больших динамических нагрузок, при незначительных допустимых величинах натяжения на проводе. Постоянство натяжения обеспечивается самим компенсатором, работающим по принципу полиспаста (рис.4). Груз на подвижном блоке роликов определяет натяжение провода. Задачей электропривода ПУ или ОУ является поддержание положения подвижного блока в средней позиции. Это достигается с помощью замкнутой СУ по положению каретки компенсатора. Компенсаторный способ поддержания натяжения является наиболее точным и распространенным из всех существующих, поскольку учитывает изменение моментов сопротивления, также сглаживает рывки провода и является накопителем при смене барабанов.

Специфической особенностью поддержания натяжения при приеме в технологическую тару является изменение радиуса намотки, которое оказывает влияние на динамические свойства системы. Для исследования контура натяжения провода, в среде ЗппиНпк пакета Ма11аЬ была реализована модель, согласно структурной схеме управления (рис.5). Механическая часть электропривода представлена двухмассовой расчетной схемой (рис.6). Первая масса включает приведенные значения

Рис.5

С]2

I П11 1-\|\|\|-1 П12 1

ч-V „-У2

4-Т -»Тс2

-Л

Рис.6

всех масс ПУ (ОУ), вторая - масса компенсатора. Система уравнений соответствующая структуре на рис.5:

- и -

~ Рсг = тУгР

р

В результате моделирования (рис.7а,б) удалось получить параметры регулятора ПЧ ПУ(ОУ), удовлетворяющие всему диапазону изменения радиуса намотки, определить максимальное ускорение линии. С помощью

икомпоу,икомппу(В) ^УпрУпУпрУтУпр^0)

"К

а) б) Рис.7

полученной модели можно синтезировать параметры регуляторов для разных типоразмеров технологической тары.

Сравнение экспериментальных (рис.8а) исследований и результатов

и«омп(В)

/*

«.о

Цкомп(В)

J

2 3 4 5 6 7

3 4 5 6 7 6 9

а)

б)

Рис.8

моделирования (рис.86) показали адекватность модели контура поддержания натяжения.

В третьей главе предложена концепция комплексной автоматизации кабельной линии на базе частотно-регулируемого электропривода, суть которой состоит в следующем:

а) Кабельная линия строится на базе модулей с электроприводами на базе специализированных ПЧ «Универсал», адаптированных к решению типовых задач производства проводов и кабелей, таких как:

• регулирование и поддержание скорости;

• регулирование и поддержание натяжения. Каждый ПЧ в составе модуля обеспечивает:

• технологический процесс своего участка;

• связь с дискретным и аналоговым окружением модуля;

• отработку сетевых команд контроллера линии.

б) Система управления кабельной линии базируется на цифровой промышленной сети (ЦПС) и реализуется по принципу распределенного построения, позволяя не загружать контроллер линии локальными задачами каждого модуля. В работе осуществлен выбор ЦПС. Показано, что СА>1-сеть наиболее удобна для согласованного управления ПЧ. ЦПС позволяет снизить затраты при создании и дальнейшей эксплуатации линии за счет:

• применения экранированной витой пары для передачи данных в место соединительных проводов;

• снижения количества коммутационной аппаратуры;

• значительного сокращения количества клеммных соединений;

• гибкости структуры, позволяющей изменять состав оборудования.

в) Объединение всего оборудования линии в единую сеть с помощью специализированных аппаратных средств, разработанных на каф. АЭП МЭИ (рис.9):

• ПЧ серии «Универсал», адаптированных для решения типовых задач кабельного машиностроения;

Рис.9

• серии DSP контроллеров реального времени управления (КРВУ), для управления оборудованием линии;

• интеллектуальных плат дискретного и аналогового ввода - вывода, для связи с дискретным и аналоговым технологическим окружением модулей;

• ПК с CAN адаптером, для отображения основных технологических параметров линии и, в случае необходимости, осуществления оперативного управления ПЧ.

Предлагаемый подход подразумевает возможность непосредственного подключения к CAN-шине цифровых технологических датчиков, номенклатура которых к настоящему времени охватывает множество их типов.

В ПО ПЧ и контроллера линии реализован новый метод программной реализации управляющих автоматов (к.т.н. Козаченко В.Ф. кафедра АЭП МЭИ), позволяющий программисту реализовать в программном коде технологическую карту процесса, составленную технологом линии. Использование специализированных средств

разработки ПО, применяемых при программировании программируемых логических контроллеров (ПЖ), как правило, приводит к потере смысловой связи между конечным программным кодом и реализуемым технологическим процессом. Не существенное изменение алгоритма работы вытекает порой в полномасштабную разработку нового ПО, вызывая значительные материальные затраты. Осуществление алгоритма работы с помощью управляющих автоматов позволяет добавлять или уменьшать количество состояний оборудования, тем самым, добиваясь требуемого алгоритма работы без существенной доработки ПО.

г) Использование специализированного протокола обмена. Несмотря на сравнительную молодость CAN - интерфейса, существует несколько стандартизированных протоколов обмена, самыми известными из которых являются: CANopen, DeviceNet, CAN Kingdom, SDS. Наиболее удобен для решения задач сетевого управления двигателями является CANopen, однако анализ требуемой производительности и ресурсов контроллера показал, что хотя быстродействия используемой серии контроллеров достаточно для его реализации, они не располагают требуемым свободным объемом памяти. Поэтому при непосредственном участии автора был разработан специализированный протокол обмена, обладающий рядом достоинств:

• управление режимами работы ПЧ, изменение параметров, наблюдение за текущими переменными;

• минимальное количество видов сообщений и, следовательно, предельная простота интерпретации полученных данных;

• оригинальная кодировка номеров ПЧ, позволяющая адресовать общее сообщение указанному набору адресатов (до 16 ПЧ, до 16 пультов управления);

• содержание сообщения жестко регламентируется протоколом в соответствии с его типом;

• совместное использование передаваемой информации, не инициируя повторных запросов, - снижает нагрузку сети;

• минимальные требования к ресурсам контроллера - драйвер занимает менее 10% от общего объема ПО ПЧ.

Предложенные в концепции подходы позволяют автоматизировать кабельную линию на уровне датчиков, ПЧ и управляющего КРВУ, осуществить механизмы отображения параметров линии, протоколирование технологической информации и аварийных режимов с помощью ПК. Автоматизация линии является необходимым этапом при построении АСУ ТП кабельного производства.

В четвертой главе рассмотрена технология проектирования кабельных линий на примере перемоточной линии. С целью отладки предложенной СУ линии во ВНИИКП была спроектирована экспериментальная перемоточная линия, в состав которой вошло • большинство типовых модулей технологических линий по нанесению

изоляционных материалов, таких как ТУ, ПУ типа УПУ-800 с компенсатором, ОУ типа УОУ-8ОО с компенсатором (рис.10). Конструкция ПУ и ОУ идентичны, за исключением наличия у первого механизма раскладки, работающего по принципу «гладкий вал». Основные параметры линии представлены в таблице 1.

Рис.10

Каждый узел линии, в соответствии с модульным принципом ее построения, был укомплектован отдельным электрическим шкафом с ПЧ «Универсал 2.2» и необходимой аппаратурой защиты. Кроме того, в шкафу ТУ дополнительно установлен контроллер линии с БР! модулем

дискретного ввода вывода (МДВВ 9.1). Все ГТЧ и контроллер соединены между собой САМ-шиной.

Таблица 1

Сечение перематываемых проводов, мм2 1,5... 30

Диаметры перематываемых проводов, мм 2...6

Максимальная скорость перемотки, плавно регулируемая, м/мин 100

Усилие натяжения, максимальное, Н 200

Шаг раскладки плавно регулируемый, мм/об 3 ... 24

ЗАСИ переменного напряжения, кВ до 15

Размеры приемной/отдающей тары

Диаметр «щеки», мм 800

Диаметр «животика», мм 400

Расстояние между «щек», мм 500

Полная ширина, мм 600

Для поддержания натяжения провода при его сходе с барабана ОУ и приеме в барабан ПУ используются компенсаторы рычажного типа. Согласно данному принципу, системы управления ОУ и ПУ замкнуты по положению компенсаторов и обеспечивают поддержание положения подвижного блока роликов своего компенсатора в рабочем диапазоне хода каретки. Регулирование и поддержание линейной скорости движения провода обеспечено ПЧ ТУ, СУ которого замкнута обратной связью по угловой скорости вращения двигателя. Управления линией возложено на контроллер МК9.1, для чего было разработано специализированное ПО обеспечивающее работу перемоточной линии в трех режимах; «Ручной», «Заправочный», «Автомат».

«Ручной» режим предназначен для этапа наладки оборудования. Каждый модуль линии работает автономно, в соответствии с выбранными параметрами.

В «Заправочном» режиме согласования работы модулей не требуется, однако контроллер определяет задание на частоту каждого ПЧ в соответствии с текущим режимом работы САУ.

В режиме «Автомат» контроллер обеспечивает:

• автоматизированный процесс перемотки провода, осуществляя групповую посылку команд оперативного управления;

• останов линии по факту пробоя изоляции;

• подсчет метража перемотанного провода, автоматическое замедление и останов линии по факту достижения заданного метража линии;

• идентификацию нештатного останова любого ПЧ с последующим остановом всей линии.

Для индикации параметров и управления линией было разработано специализированное ПО ПК, позволяющее осуществлять выборочное и групповое управление ОУ, ПУ, ТУ линии, наблюдать текущие параметры каждого ПЧ и контроллера, реализовать протоколирование аварийных ситуаций с сохранением их в файл. В программе «Монитор» предусмотрена возможность построения графиков по выборке значений наблюдаемых переменных хранящейся в памяти контроллера. При необходимости, к ПК линии можно подключить принтер, для распечатки протоколов работы.

Разработанный комплекс ПО экспериментальной перемоточной линии позволяет осуществлять не противоречивое одновременное управление модулями установки посредством:

• дискретных входов каждого ПЧ (местные пульты управления);

• CAN шины (ПК с программой монитор);

• SPI платы ввода/вывода (общий пульт линии), с последующей трансляцией групповых команд на шину.

Интерпретация команд любого канала управления осуществляется в соответствии с текущим режимом работы линии. Так в режиме «автомат» команда «пуск» ОУ или ПУ с местного пульта управления будет блокирована контроллером линии с помощью механизма идентификации аварийных ситуаций.

В пятой главе представлены экспериментальные исследования на созданной перемоточной линии. Произведены испытания для всех режимов работы линии: «Ручной» (рис.8а), «Заправочный» (рис.11) и «Автомат».

Цкомп оу.Мкомп пу(В)

7 35

^комп оу

| .... 1'. 4 8 12 16 20 24 28 32 36

Рис.11

Согласованность работы модулей линии иллюстрируют осциллограммы режима «Автомат»:

• Групповой пуск ОУ, ПУ, ТУ и плавный разгон линии до заданной скорости (рис. 12а);

• Графики зависимостей выходных частот каждого ПЧ от времени построены программой «Монитор» (12.6);

• Автоматическое групповое замедление и останов по факту достижения предопределенного значения метража (рис. 13а);

• Групповой останов модулей при команде «Стоп» линии (рис. 136);

• Автоматический групповой останов всех модулей линии при идентификации СУ контроллера сигнала «Пробой», факта нештатного останова или аварии любого модуля линии (рис. 13в).

'пч оу.^пч пу.'пч ту (Гц)

а)

б)

Рис.12

икомп оу ^комп пу(В)

7} 3 6

е| з

2 5

42

П'

г

1(05

икомппу

и

и

"То 2С 30' "^'"""'Ю 60 '0 ВО 00

а)

иКомп (В)

7 35 6 3 5 25 икомл оу|

4 2

г А 5 итг'ту у

икомп лу

и

^комп оу ^КОМП пу (В)

/ к и«4

^тг ту

>мп пу

04 08 12 16 20 24 26 32 16

б) в)

Рис.13

Проведенные исследования показали высокую скорость (доли секунды) реакции системы на наличие аварийной ситуации в любом из модулей линии, избегая дальнейшего ее развития и сохранение целостности перематываемого изделия.

В заключении обобщены основные результаты и выводы по работе.

В приложении приведены:

• специализированный протокол обмена по САЫ;

• электрические принципиальные схемы, схемы подключений, перечень аппаратуры ПУ, ОУ, ТУ;

• результаты моделирования контура поддержания натяжения для различных радиусов намотки и темпов разгона линии;

• фотографии оборудования созданной линии.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В работе получены следующие основные результаты:

1. Проанализированы типовые задачи кабельной отрасли Предложены варианты их решения на базе частотно-регулируемого электропривода.

2. Разработано специализированное алгоритмическое и программное обеспечение, позволяющее адаптировать стандартный ПЧ «Универсал» под типовые задачи кабельного машиностроения.

3 Предложена структура многоуровневой системы автоматизации кабельной линии со специализированными ПЧ, интеллектуальными

-20-

0-9249

платами ввода/вывода и интеллекту DSP-контроллером, обеспечивают времени, в том числе согласованну! модулей.

4. Разработана и изготовлена эксперт —---

Создано комплектное программное 7250

приводов и линии в целом. Реализо1

режимах «Автомат», «Заправочный» и «Ручной». На базе ПК с CAN адаптером реализован пульт оперативного управления с отображением основных параметров линии. Разработан механизм автоматической идентификации аварийных ситуаций и предотвращения дальнейшего из развития.

5. Проведены экспериментальные исследования созданной перемоточной линии доказавшие правильность предложенных алгоритмов управления и перспективность использования частотно-регулируемого электропривода в кабельной отрасли.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Резвин С.Б. Преобразователи частоты «Универсал» с сетевыми возможностями на базе CAN-интерфейса // Девятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тез. докл. в 3-х том. Издательство МЭИ. - 2003. т.2. - С. 114-115

2. Резвин С.Б. Система поддержания натяжения провода на базе частотно-регулируемого электропривода // Одиннадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тез. докл. в 3-х том. Издательство МЭИ. - 2005. т.2. - С.143

3. Козаченко В.Ф., Резвин С.Б. Разработка перспективных средств и структур комплексной автоматизации кабельных линий на базе преобразователей частоты // Труды МЭИ. Электропривод и системы управления - 2004. - Вып.680. - С.4-10

Печ. л. ш_ Тираж foe

Заказ tSH

Введение.

Глава 1. Основные типы технологического оборудования, применяемого в кабельном производстве.

1.1. Классификация кабельного оборудования.

1.2. Состав технологических линии.

Глава 2. Анализ типовых задач кабельного производства.

2.1. Типовые задачи кабельной отрасли.

2.2. Варианты решения типовых задач с помощью частотно-регулируемого электропривода.

2.2.1. Регулирование скорости.

2.2.2. Регулирование натяжения.

2.3. Моделирование контура поддержания натяжения.

Глава 3. Концепция комплексной автоматизации процесса производства проводов и кабелей на базе частотно-регулируемого электропривода.

3.1. Адаптированная версия ПЧ «Универсал» для решения задач кабельной отрасли.

3.2. Цифровая промышленная сеть.

3.2.1. Применение промышленной сети для автоматизации кабельной линии.

3.2.2. Обзор существующих промышленных сетей.

3.2.3. CAN-интерфейс.

3.3. Состав и распределение задач среди устройств сетевого окружения.

3.4. Разработка специализированного протокола обмена.

Глава 4. Проектирование экспериментальной перемоточной линии.

4.1. Типовой состав перемоточных линий.

4.2. Статические нагрузки в перемоточных линиях.

4.3. Состав оборудования линии.

4.3.1. Отдающее Устройство.

4.3.2. Тяговое Устройство.

4.3.3. Приемное устройство.

4.4. Система управления перемоточной линии.

4.5. Пульт управления линией на базе ПК.

Глава 5. Экспериментальное исследование созданной перемоточной линии.

5.1. «Ручной» режим.

5.2. «Заправочный» режим.

5.3. Работа линии в режиме «Автомат».

Современное кабельное производство ориентировано на создание высокопроизводительных автоматических линий с совмещенными технологическими процессами. Например, типичный представитель кабельного технологического оборудования экструзионные линии могут содержать в себе процессы волочения, отжига, изолирования (одно-, двух-, трехслойного), скрутки, нанесения маркирующих знаков с измерением на проход основных параметров изделия - диаметра, эксцентриситета и др.

Кабельные линии стараются выполнить по принципу модульного построения на основе типовых узлов. К таким типовым модулям относятся: приемные и отдающие устройства, технологические узлы, ванны охлаждения, тяговые устройства. Даже такие «консервативные» виды оборудования, как крутильное, изолировочное, бронировочные машины в современном исполнении построены по модульному принципу.

Еще одной особенностью построения кабельных линий является протяженность в пространстве, иногда они достигают сотни метров и включают множество машин, а это приводит к сложностям при электрическом соединении их узлов и визуального контроля за работой линии в целом.

Очевидно, что регулируемый многодвигательный электропривод кабельных линий, работающий в режиме, схожем режиму электрического вала, должен обеспечивать не только согласованное управление модулями в статических и динамических режимах работы, но и обеспечивать согласованную работу с многочисленными датчиками, приборами контроля и управления. Например, качественное управление электроприводом либо экструдера, либо тягового устройства от приборов контроля диаметром изделия позволяет, как экономить изоляционный материал, так и изготавливать более качественную продукцию.

В кабельном машиностроении, как и в других отраслях промышленности, наблюдается резкий спрос на регулируемый электропривод на базе преобразователей частоты (ПЧ) - асинхронный двигатель (АД). Технико-экономические показатели системы ПЧ-АД не уступают системе тиристорный преобразователь - двигатель постоянного тока (ТП-Д), при этом удобство в эксплуатации и надежность вызывает повышенный интерес у потребителя. Следует отметить, что ПЧ, как правило, имеют сетевую поддержку и позволят строить на своей базе распределенные цифровые системы управления (СУ), позволяющие реализовывать алгоритмы группового и согласованного управления оборудованием, мониторинг параметров линии, системы протоколирования и диагностирования аварийных ситуаций и предотвращения дальнейшего их развития, подключение цифровых технологических датчиков, что исключительно важно при решении задач комплексной автоматизации протяженных кабельных линий.

В настоящее время на многих отечественных заводах используются высокоавтоматизированные кабельные технологические линии, электропривод которых - частотно-регулируемый. К сожалению, в большинстве своем они импортного производства и весьма дорогие, с соответствующими проблемами при эксплуатации и обслуживании. Для большинства промышленных предприятий они просто не доступны.

Изложенное, позволяет утверждать, что разработка системы комплексной автоматизации кабельных линий на базе отечественных преобразователей частоты и контроллеров с сетевыми возможностями является актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является создание модульной, гибкой системы комплексной автоматизации кабельной линии на базе специализированных ПЧ и контроллеров с сетевыми возможностями отечественного производства, обеспечивающих групповое и согласованное управление электроприводами линии и вспомогательным оборудованием, реализацию системы протоколирования и наблюдения технологических параметров, удобный интерфейс оператора.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были решены следующие задачи:

1. Анализ типовых задач кабельного машиностроения и разработка вариантов их решения на базе частотно-регулируемого электропривода.

2. Адаптация функций стандартного преобразователя частоты «Универсал» для решения типовых задач кабельной отрасли.

3. Разработка концепции комплексной автоматизации кабельных линий на базе специализированных ПЧ и контроллеров с сетевыми возможностями.

4. Проектирование экспериментальной перемоточной линии. Создание алгоритмов и программного обеспечения контроллера линии, визуализации и управления линией на базе персонального компьютера (ПК). Синтез контура поддержания натяжения, системы согласованного управления оборудованием линии и раннего предупреждения аварий.

Техническая реализация и экспериментальные исследования разработанной САУ на базе экспериментальной перемоточной линии.

Выводы по главе:

1. Реализованная система управления линии в соответствии-с предложенной концепцией автоматизации работоспособна и удовлетворяет техническому заданию.

2Пчонтуры поддержания натяжения провода ОУ и ПУ обеспечивают сход и прием кабельного изделия с требуемым натяжением.

3. ПЧ тягового устройства обеспечивает плавный разгон линии до установившегося значения линейной скорости.

4. Контроллер обеспечивает работу линии в трех режимах и реализует автоматизированный процесс перемотки провода с автоматическим остановом по факту достижения требуемой величины метража.

5. Система автоматической идентификации аварийных ситуаций обеспечивает автоматический останов линии, не нарушая целостности перематываемого изделия.

6. ПК с программой «Монитор» позволяет осуществлять оперативный контроль основных параметров линии и реализовывать управление ПЧ линии, в том числе и групповое.

Заключеиис

1. Проанализированы типовые задачи кабельной отрасли. Предложены варианты их решения, на базе частотно-регулируемого электропривода.

2. Разработано специализированное алгоритмическое и программное обеспечение, позволяющее адаптировать стандартный ПЧ «Универсал» под задачи кабельного машиностроения.

3. Предложена структура многоуровневой системы автоматизации кабельной линии со специализированными ПЧ, интеллектуальными платами ввода / вывода и интеллектуальными датчиками, а также DSP - контроллером, обеспечивающим управлением линией в реальном времени, в том числе согласованную работу всех интеллектуальных модулей.

4. Разработана и изготовлена экспериментальная перемоточная линия. Создано комплектное программное обеспечение отдельных приводов и линии в целом. Реализованы алгоритмы работы в режимах «Автомат», «Заправочный» и «Ручной». На базе ПК с CAN адаптером реализован пульт оперативного управления с отображением основных параметров линии. Разработан механизм автоматической идентификации аварийных ситуаций и предотвращения их дальнейшего развития.

5. Проведены экспериментальные исследования созданной перемоточной линии доказавшие правильность предложенных алгоритмов управления и перспективность использования частотно-регулируемого электропривода в кабельной отрасли.

1. Белорусов Н.И., Лакерник P.M., Ларина Э.Т. и др. Производство кабелей и проводов. М.: Энергоиздат, 1981. - 632 с.

2. Луценко Г.И., Квасников С.А., Ульянов Г.Н., Шляхтер Г.Н. Гибкое автоматизированное производство городских телефонных кабелей // Международная конференция: Сбор. докл. Интерэлектро. 1987. - С.310-330

3. Рябинин Д.Д., Лукач Ю.Е. Червячные машины для переработки пластических масс и резиновых смесей. — М.: Издательство «Машиностроение», 1965.-363 с.

4. Пешков И.Б. Обмоточные провода. М.: Энергоатомиздат, 1983 - 352 с.

5. Куранов И.В., Шепелев И.М., Куранов А.И. Автоматизация кабельного и резинотехнического оборудования. М.: Издательство «Машиностроение», 1965.-372 с.

6. Ключев В.И. Теория электропривода. М.: Энергоатомиздат, 2001. - 704 с.

7. Ильинский Н.Ф. Основы теории, исследование и разработка электроприводов по системе источник тока двигатель: Автореф. дис. докт. техн. наук. - М., 1978. - 38 с.

8. Сарач Б.М. Разработка электроприводов с параметрическими источниками тока для транспортирующих устройств установок кабельного производства: Автореф. дис. канд. техн. наук. М., 1985. - 20 с.

9. Саватеева И.С. Разработка многодвигательных электроприводов кабельных агрегатов с электрическим согласованием скоростей: Автореф. дис. канд. техн. наук. — М., 1986. 20 с.

10. Резвин Б.М. Исследование режимов и разработка электроприводов по системе источник тока двигатель: Канд. дисс. - М., 1979. - 196 с.

11. Ильинский Н.Ф. Основы электропривода. М.: Издательство МЭИ, 2003. - 224 с.

12. Чуев П.В. Разработка систем векторного управления асинхронными приводами на базе специализированных сигнальных микроконтроллеров: Автореф. дис. канд. техн. наук. М., 2002. - 20 с.

13. Гусев С.А. Краткий экскурс в историю промышленных сетей // Современные Технологии Автоматизации. 2000. - №4. - С.78-84

14. Кругляк К.В. Промышленные сети: цели и средства // Современные Технологии Автоматизации. — 2002. №4. - С.6-17

15. Козаченко В.Ф. Метод реализации дискретных автоматов // Электричество. 2003. - №8. - С.56-67

16. Ильинский Н.Ф., Козаченко В.Ф. Общий курс электропривода. М.: Энергоатомиздат, 1992. - 544 с.

17. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. М.: Энергия, 1980. -928 с.

18. Иоргачев Д.В., Бондаренко О.В., Дащенко А.Ф., Усов А.В. Волоконно-оптические кабели. Одесса: «Астропринт», 2000. 315 с.

19. Анучин А.С., Козаченко В.Ф. Архитектура и программирование DSP-микроконтроллеров TMS320x24xx для управления двигателями в среде Code Composer. М.: Издательство МЭИ, 2003. 96 с.

20. Поздеев А.Д. Электромагнитные и электромеханические процессы в частотно-регулируемых асинхронных электроприводах. Чебоксары, Изд-во Чувашского ун-та, 1998. - 172 с.

21. TMS320F243/F241/C242 DSP Controllers. Reference Guide. System and Peripherals. Texas Instruments, 2002. - 383 c. (spru276c)

22. Understanding the CAN Controller on the TMS320C24x DSP Controller. Application Report. Texas Instruments, 1998. - 78 c. (spra500)

23. CAN Specification 2.0, Part B. Can In Automation, 1999. - 38 c.

24. CAN Specification. Version 2.0. Robert Bosch, 1991. - 72 c.

25. Comparing CAN, Ethernet, and RS-485 for Motor Control Applications. -Texas Instruments, 2004. 38 c. (sprpl08)