автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка системы управления преобразователя частоты с встроенными функциями группового управления оборудованием и косвенного определения технологических параметров

Введение.

Глава 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ КОНЦЕПЦИЙ АВТОМАТИЗАЦИИ НАСОСНЫХ УСТАНОВОК

СРЕДСТВАМИ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫХ ПРИВОДОВ.

1.1. Эффективность внедрения систем с частотнорегулируемыми приводами на насосных установках.

1.1.1. Энергетические потери и виды регулирования.

1.1.2. Экономическая эффективность применения частотно-регулируемых приводов.

1.2. Обзор функциональных возможностей современных частотно-регулируемых приводов.

1.3. Анализ перспективных структур управления групповыми рабочими станциями.

1.3.1. Типовые задачи станций группового управления.

1.3.2. Автоматизация технологического объекта средствами дискретных управляющих элементов.

1.3.3. Централизованное управление технологическим оборудованием с применением микропроцессорной системы.

1.3.4. Локальный узел автоматизации на базе встроенного контроллера частотно-регулируемого привода.

1.4. Постановка задачи комплексной автоматизации объектов с групповыми рабочими станциями средствами встроенного контроллера преобразователя частоты серии «Универсал».

Глава 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК СО СТАНЦИЯМИ

ГРУППОВОГО УПРАВЛЕНИЯ.

2.1. Анализ задач управления групповыми рабочими станциями на примере СГУ2.

2.1.1. Станция группового управления СГУ2, структура, алгоритмы управления.

2.1.2. Дискретные управляющие устройства.

2.1.3. Перспективные структуры построения управляющих дискретных автоматов.

2.2. Разработка программно-аппаратных средств управления процессами переключения агрегатов СГУ.

2.2.1. Задачи управления групповыми станциями с несколькими рабочими агрегатами.

2.2.2. Анализ методов безударного переключения рабочих насосных агрегатов с преобразователя частоты на питающую сеть.

2.2.3. Анализ методов безударного переключения рабочих насосных агрегатов с сети на преобразователь частоты.

2.2.4. Циклический алгоритм управления многодвигательной групповой рабочей станцией.

2.3. Измерение скорости привода с импульсным датчиком положения средствами контроллера преобразователя частоты.

2.3.1. Использование блока базовых таймеров встроенного контроллера преобразователя частоты в задаче измерения скорости.

2.3.2. Метод измерения скорости вращения привода.

2.3.3. Расчет скорости.

2.3.4. Области применения предложенного метода измерения скорости.

2.4. Результаты и выводы.

Глава 3. АНАЛИЗ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПРОГРАММНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ДИСКРЕТНОГО АВТОМАТА ДЛЯ ВСТРОЕННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ.

3.1. Организация дискретного управляющего автомата с функциями диспетчеризации процессов групповых рабочих станций.

3.1.1. Структура дискретного управляющего автомата.

3.1.2. Таблица состояний дискретного управляющего автомата.

3.1.3. Алгоритм управления дискретного автомата.

3.2. Анализ существующих методов программной реализации дискретных управляющих автоматов.

3.2.1. Табличный метод реализации дискретного управляющего автомата.

3.2.2. Метод вычисления логических функций перехода и выхода.

3.2.3. Метод тестирования битовых переменных.

3.3. Дискретный управляющий автомат с матричным селектором входных переменных.

3.3.1. Предпосылки разработки нового метода.

3.3.2. Разработка метода программной реализации дискретного управляющего автомата.

3.3.3. Сравнение методов реализации дискретных управляющих автоматов.

3.4. Результаты и выводы.

Глава 4. СИСТЕМА РЕГИСТРАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВКИ НА БАЗЕ ВСТРОЕННОГО КОНТРОЛЛЕРА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ.

4.1. Разработка методов косвенного определения параметров электропривода и технологического объекта.

4.1.1. Косвенное определение электрической мощности насосной установки и потребляемой электроэнергии.

4.1.2. Косвенное определение расхода и перекачиваемого объема жидкости насосной установки.

4.2. Система регистрации параметров частотно-регулируемого привода и технологической установки.

4.2.1. Структура системы регистрации параметров.

4.2.2. Функциональные особенности встроенного контроллера преобразователя частоты в системе регистрации параметров.

4.3. Результаты и выводы.

В настоящее время во всем мире широко реализуется частотный способ управления асинхронными электроприводами, который сегодня рассматривается не только с точки зрения экономии потребляемой энергии, но и с точки зрения совершенствования управления технологическим процессом.

В промышленно развитых странах техника применения частотно-регулируемых приводов (ЧРП) используется более 20 лет. В течение этого времени закладывались научные и методические основы, разрабатывались и совершенствовались технические средства управления электроприводом, совершенствовались технологические процессы и оборудование, корректировались учебные курсы для подготовки специалистов. Накоплен достаточно большой опыт в принятии технических решений при создании систем, использующих этот тип приводов, ряд решений стандартизован. Однако это относится к положению дел за рубежом.

В нашей стране сложилась несколько иная ситуация. Первые частотно-регулируемые привода начали появляться на российском рынке в начале 90-х годов [1 - 4]. Специалисты кафедры автоматизированного электропривода МЭИ принимали активное участие в исследовании функциональных особенностей преобразователей частоты и развитии ЧРП [5]. На тот момент практически все привода, попадающие на наш рынок, имели достаточно низкое функциональное наполнение: блоки программирования параметров, встроенные регуляторы и др. были доступны лишь при наличии специальных аппаратных модулей, требующих дополнительных финансовых вложений. Приблизительно с того же времени на кафедре АЭП ведется разработка и внедрение преобразователей частоты для энергосбережения на насосных установках коммунального хозяйства [6, 7].

Первые преобразователи частоты как зарубежного, так и отечественного производства для установки на объект требовали либо дополнительных устройств сопряжения, реализованных на релейной логике, либо внешних управляющих контроллеров. Эксплуатация первых ЧРП подтвердила экономическую целесообразность их использования в энергосберегающих технологиях, несмотря на большие капитальные вложения в их внедрение [8 -11].

В настоящее время стремительное развитие силовой полупроводниковой техники и микроэлектроники, снижение ценовых показателей на подобную продукцию и появление ее на российском рынке дали возможность отечественным разработчикам создать серию преобразователей частоты с мощной встроенной цифровой системой управления, отвечающих международным стандартам [12-14]. С наблюдаемым экономическим ростом и появлением свободных средств на реконструкцию и возведение новых промышленных объектов частотно-регулируемые асинхронные привода находят повсеместное применение. Однако в сложившейся на рынке ситуации предпочтение отдается продукции именитых зарубежных фирм, несмотря на ее высокую стоимость. Отечественный производитель пока может выставить на рынок конкурентоспособную продукцию, только обеспечив решение комплексной задачи управления технологической установкой, оснащенной частотно-регулируемым приводом. Вместе с этим стоимость дополнительных средств управления не должна сильно выходить за рамки стоимости предлагаемого преобразователя частоты. Поэтому разработка и реализация алгоритмов, расширяющих набор функций встроенного контроллера преобразователя частоты в рамках комплексной автоматизации технологических установок, представляется актуальной задачей.

Целью настоящей работы является разработка методов, алгоритмов и программного обеспечения для встроенной системы управления преобразователя частоты, обеспечивающих реализацию функции комплексной автоматизации технологической установки без применения специальных дорогостоящих средств управления, таких как промышленные контроллеры.

Для достижения намеченной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1) анализ принципов построения и структур управления групповыми рабочими станциями,

2) анализ принципов построения и реализации дискретных управляющих устройств,

3) разработка методов построения, алгоритмов и программного обеспечения дискретного управляющего автомата, реализуемого на встроенной системе управления преобразователя частоты,

4) анализ способов и разработка алгоритмов управления процессами переключения рабочих агрегатов станций группового управления,

5) разработка методов косвенного определения параметров электропривода и технологической установки средствами встроенной системы управления преобразователя частоты,

6) анализ принципов построения и способов реализации на встроенном контроллере преобразователя частоты системы регистрации параметров технологической установки.

Научная новизна работы.

Предложена и обоснована структурная схема управления групповыми рабочими станциями средствами встроенного микроконтроллера преобразователя частоты.

Разработана методика построения дискретного автомата, обеспечивающего диспетчеризацию внутренних процессов преобразователя частоты и внешних процессов технологической установки, реализуемого программным способом на встроенном микроконтроллере преобразователя частоты и экспериментально доказана рациональность использования предложенного метода по сравнению с существующими методами.

Проведен функциональный анализ станций группового управления и предложены способы управления режимами переключения рабочих агрегатов, обеспечивающие перевод приводных двигателей с преобразователя частоты на питающую сеть и обратно без применения специальных аппаратных средств синхронизации.

Разработаны методы косвенного определения параметров электропривода и технологического объекта, реализуемые на встроенном контроллере преобразователя частоты.

Предложена структура и разработаны алгоритмы построения системы регистрации параметров технологической установки на базе встроенного 9 контроллера преобразователя частоты, обеспечивающей возможность включения частотно-регулируемого привода в комплекс автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУТП). На защиту выносятся:

• структурная схема управления групповыми рабочими станциями,

• метод построения и реализации дискретного управляющего автомата,

• способы управления режимами переключения рабочих агрегатов станций группового управления,

• методы косвенного определения электрической мощности и расхода жидкости насосной установки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам проделанной работы можно отметить следующее:

1) показано и практически подтверждено, что дискретное управление оборудованием групповых рабочих станций целесообразно осуществлять средствами встроенного контроллера преобразователя частоты,

2) разработан метод программной реализации дискретного управляющего автомата на базе встроенного контроллера преобразователя частоты, не уступающий по показателям качества традиционным методам реализации,

3) разработаны аппаратно-программные средства управления процессами переключения рабочих агрегатов насосных установок без применения специальных аппаратов синхронизации, существенно расширяющие диапазон регулирования технологических переменных, не увеличивая при этом установленную мощность преобразователей частоты,

4) реализация функции измерения скорости привода во встроенной системе управления преобразователя частоты позволяет не только осуществлять точную синхронизацию для решения задач переключения, но также дает возможность управления технологическими параметрами привода по скорости и ее производным, что позволяет расширить область применения частотно-регулируемых приводов в промышленности, в частности в станкостроении,

5) разработанная методика косвенного определения электрической мощности и расхода носителя и получения интегральных оценок потребляемой электроэнергии и объема расходуемого носителя позволяет средствами встроенного контроллера преобразователя частоты контролировать технологические параметры установки и производить некоммерческий учет ресурсов без применения специальных дорогостоящих измерительных приборов,

110

6) предложенные принципы построения системы регистрации параметров на базе встроенного контроллера преобразователя частоты обеспечивают возможность включения частотно-регулируемого привода в комплекс АСУТП,

7) предложенные и разработанные методы, алгоритмы и программное обеспечение существенно расширяют функции преобразователя частоты и обеспечивают решение задач комплексной автоматизации технологических установок, не прибегая к дополнительным затратам на приобретение специальных аппаратных и программных средств, что позволяет значительно повысить уровень конкурентоспособности частотно-регулируемых приводов отечественных производителей на российском рынке.

1. YASKAWA Varispeed PWM 1.verter. Instruction Manuals.

2. MICROFLO Series AC Motor Speed Controller. Instruction Manuals.

3. Allen-Bradlly Частотно-управляемый электропривод переменного тока. Руководство пользователя. 1336 PLUS 5.0 - 1996.

4. Бычкова Е.В., Прудникова Ю.И. Обзор современных зарубежных преобразователей частоты и опыт их применения / Научно-технический семинар. Энергосберегающий электропривод насосов и вентиляторов в промышленности и коммунальном хозяйстве. - 1995.

5. Кудрявцев А.В. Развитие частотно-регулируемого асинхронного электропривода на кафедре АЭП МЭИ. // Электротехника. 2000. №2 С. 4750.

6. Кудрявцев А.В. Богаченко Д.Д. Ладыгин А.Н. и др. Преобразователь частоты для регулируемого электропривода широкого применения // Электротехника .1994. №7.

7. Частотно-регулируемый электропривод насоса системы водоснабжения зданий / А.В. Кудрявцев, Д.Д. Богаченко, А.Н. Ладыгин и др. // Вестник МЭИ. 1995. №1 С. 73-75.

8. Ильинский Н.Ф. Энергосбережение в центробежных машинах средствами электропривода // Вестник МЭИ. 1995. №1 С. 53-62.

9. Энергосберегающая насосная станция (опыт практической реализации) / Б.М. Сарач, А.Ю. Зиновьев, С.Н. Трубецкой, В.Н. Кузнецова // Вестник МЭИ. 1995. №1 С. 63-66.

10. Ильинский Н.Ф. Энергосберегающий электропривод насосов и вентиляторов / Научно-технический семинар. Энергосберегающий электропривод насосов и вентиляторов в промышленности и коммунальном хозяйстве. - 1995.

11. Ильинский Н.Ф. Преобразователи частоты в энергосберегающем электроприводе насосов. // Преобразователи частоты в современном электроприводе. Доклады научно-практического семинара. М.: - Изд-во МЭИ, 1998. С. 56-66.

12. Кудрявцев А.В., Ладыгин А.Н. Современные преобразователи частоты в электроприводе. // Преобразователи частоты в современном электроприводе. Доклады научно-практического семинара. М.: - Изд-во МЭИ, 1998. С. 4-30.

13. Остриров В.Н. и др. Преобразователи для асинхронных частотно-регулируемых электроприводов широкого применения // Приводная техника. 1997. №2 С. 15-17.

14. М. Козлов, А. Чистяков. Эффективность внедрения систем с частотно-регулируемыми приводами // Современные технологии автоматизации. 2001. №1 С. 76-82.

15. Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. М.: Энергия, 1977.

16. Флоринский М.М., Рычагов В.В. Насосы и насосные станции. 3-е изд. М.: Колос, 1976.-387с.: ил.

17. Козаченко В.Ф. и др. Комплект аппаратно-программных средств для встраиваемых систем прямого цифрового управления электроприводами на базе микроконтроллера INTEL 8хС196МН // CHIP NEWS. 1999. №1.

18. MITSUBISHI Transistorized Inverter FR-E500.

19. HITACHI SJ300 Series Inverter. Instruction Manual.21. ABB ACS 600 Каталог 2000

20. SIEMENS Simovert Masterdrives Vector Control. Single-Motor and MultiMotor Drives 2,2 kW to 2300 kW / Katalog DA 65.10 1998/99

21. Schneider Electric. Telemecanique Altivar 58. Преобразователи частоты для асинхронных двигателей. Каталог.

22. Schneider Electric. Altivar 28. Преобразователи частоты для асинхронных двигателей. Каталог.

23. А. Бармин, М. Ташлицкий. Преобразователи частоты фирмы Simens // Современные технологии автоматизации. 2000. №4 С. 6-19.

24. Преобразователи частоты серии «УНИВЕРСАЛ». Руководство пользователя.

25. Электропривод транзисторный регулируемый асинхронный АТ01. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Корпорация «Триол». 1997.

26. Козаченко В.Ф. Микроконтроллеры: руководство по применению 16-разрядных микроконтроллеров Intel MCS-196/296 во встроенных системах управления. М.: Издательство ЭКОМ, 1997.- 688 е.: ил.

27. Баранов С.И. Синтез микропрограммных автоматов. -Л.: Энергия, 1979-232 с.

28. Ильинский Н.Ф., Козаченко В.Ф. Общий курс электропривода: Учеб. для вузов. -М.: Энергоатомиздат, 1992.-544 е.: ил.

29. Котов В.Е. Сети Петри. -М.: Наука. 1984. 160 с.

30. Шалыто A.A. Автоматное проектирование программ. Алгоритмизация и программирование задач логического управления. // «Известия академии наук. Теория и системы управления» №6 2000. С. 63-81.

31. Лезнов Б.С. Экономия электроэнергии в насосных установках. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 144 е.: ил.

32. Элементы конструирования низковольтных электротехнических установок. Часть 1. В.А. Анисимов, А.О. Горнов / Под ред. В.В. Москаленко. М.: Изд-во МЭИ, 1994. - 120 с.

33. Зиновьев А.Ю. Оптимизация электропривода центробежных машин. / Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. 1998.

34. Современные технологии и информационное обеспечение в задачах интеграции промышленных предприятий. / О. Синенко, Н. Кунцевич, В. Леныиин. // Мир компьютерной автоматизации. 2001. №3 С. 4-11.

35. Перцовский И.М. Комплексная автоматизация промышленного предприятия: новые преимущества и новые проблемы. // Мир компьютерной автоматизации. 2001. №3 С. 12-15.

36. Д. Егоров. Автоматизированная система мониторинга и управления водозаборным узлом // Современные технологии автоматизации. 2000. №4 С. 26-31.

37. С. Гусев. Краткий экскурс в историю промышленных сетей. // Современные технологии автоматизации. 2000. №4 С. 78-84.

38. Создание автоматизированной системы диспетчерского управления водопроводной станцией. // Современные технологии автоматизации. 2002. №1 С. 20-25.

39. Козаченко В.Ф. Основные тенденции развития встроенных систем управления двигателями и требования к микроконтроллерам // CHIP NEWS. 1999. №1

40. Козаченко В.Ф., Обухов H.A. и др. Высокопроизводительные встраиваемые системы управления двигателями на базе сигнального микроконтроллера TMS320F241 // CHIP NEWS. 2000. №5

41. А. Темирев, В. Козаченко, Н. Обухов и др. Контроллеры МК11.3 для высокопроизводительных систем прямого цифрового управления двигателями. // CHIP NEWS. 2002. №4. С. 24-30.

42. Сарач М.Б. Система косвенного определения параметров технологического процесса на базе преобразователя частоты «Универсал» / МЭИ (ТУ) М., 2002. - 8 с. - Библиогр.: 3 назв. - Деп. в Информэлектро 31.05.2002, №2-эт2002.

43. Сарач М.Б., Козаченко В.Ф., Остриров В.Н., Ионов A.A. Управление групповыми рабочими станциями средствами преобразователя частоты «Универсал» / МЭИ (ТУ) М., 2002. - 14 с. - Библиогр.: 2 назв. - Деп. в Информэлектро 31.05.2002, №3-эт2002.