Zdalna transmisja danych i sterowanie w czasie rzeczywistym napędów przemysłowych z przemiennikami częstotliwości.
JERZY SZYMAŃSKI, Politechnika Radomska
1
Streszczenie:
W referacie przedstawiono korzyści ekonomiczne ze stosowania łączności przewodowej protokołem przemysłowym RS485 i bezprzewodowej: GSM, ETERNET, w nowoczesnych układach napędowych z przemiennikami częstotliwości.
Napięciowe przemienniki częstotliwości są obecnie powszechnie stosowane w napędach z silnikami indukcyjnymi o regulowanej prędkości obrotowej. Są to urządzenia energoelektroniczne, które poprzez zmianę częstotliwości i amplitudy napięcia na wyjściach mocy falownika, energooszczędnie regulują prędkość obrotową i moment silników elektrycznych prądu przemiennego. Przemysłowy przemiennik częstotliwości składa się z prostownika, obwodu pośredniego, falownika oraz układu sterowania i zabezpieczeń. Schemat blokowy, najczęściej obecnie stosowanego przemiennika częstotliwości typu napięciowego przedstawia rys. 1. Przemienniki stosowane są powszechnie w sieciach niskonapięciowych z silnikami o mocach do ok. 1MW.
Rys. 1. Schemat blokowy napięciowego przemiennika częstotliwości
Sterowanie przemienników częstotliwości tradycyjnie realizowane było poprzez wejścia/wyjścia analogowe i cyfrowe. Obecnie przemienniki częstotliwości wyposażone są w interfejsy komunikacji szeregowej typu RS485. Ten sposób sterowania i wymiany danych między urządzeniami jest coraz powszechniej stosowany i stał się standardowym portem komunikacyjnym.
Rozproszone układy napędów przemysłowych wymagają niejednokrotnie transmisji bezprzewodowej wykorzystującej modemy transmisji radiowej lub GSM. W układach bardziej złożonych do sterowania i wymiany danych wykorzystuje się także technologie internetowe.
Koszty wymiany informacji w instalacjach napędowych są bardzo zmniejszone przy wykorzystaniu dwuprzewodowej transmisji szeregowej RS485 poprzez zredukowanie liczby kabli sterowniczych i zwiększenie niezawodności instalacji w stosunku do rozwiązań tradycyjnych. Szacuje się, że całkowite koszty okablowania sterowniczego kształtują się między 200USD i 400USD za jedno połączenie [1]. Dla zapewnienia prawidłowej pracy pojedynczego przemiennika częstotliwości należy przesyłać do sterownika pełniącego rolę komputera zarządzającego nawet do 200 różnych parametrów. W przypadku większych systemów sterowania lub wymagających zwiększenia szybkości przesyłu danych pomiędzy przemiennikiem i sterownikami PLC stosuje się protokóły transmisji szeregowej typu: Profibus, Modbus, DeviceNet, LonWorks.
Dużym ułatwieniem programowania przemienników częstotliwości w typowych aplikacjach przemysłowych jest odpowiedni pakiet oprogramowania narzędziowego producenta przemiennika częstotliwości. Typowe oprogramowanie producenta umożliwia wprowadzenie właściwych nastaw programowych dla danej aplikacji, pełny monitoring i archiwizację nastaw programowych, zarówno poprzez połączenie kablowe przemiennika częstotliwości z przenośnym komputerem jak i poprzez łącze bezprzewodowe, np. GSM.
Komunikacja między komputerem PC i przemiennikiem częstotliwości z zastosowaniem interfejsu RS485 może być zrealizowana przez lokalne połączenie przewodowe lub zdalne połączenie bezprzewodowe z wykorzystaniem modemu. Na rys. 2 przedstawiono schemat połączenia komputera PC z przemiennikami częstotliwości. Analiza pracy przemiennika częstotliwości może obejmować ocenę stanu technicznego przemiennika częstotliwości oraz warunki pracy napędu.
Rys. 2. Schemat połączenia komputera PC z przemiennikami częstotliwości
Wyniki oceny stanu pracy napędu przemiennikowego uzyskiwane są w formie zestawienia tabelarycznego i graficznego wybranych wielkości elektrycznych i mechanicznych. W przypadku potrzeby wykonuje się przeprogramowanie i optymalizację nastaw programowych przemiennika częstotliwości w analizowanym układzie napędowym. Większość nastaw programowych może być zwykle wprowadzana do przemiennika w czasie pracy napędu, tj. bez jego zatrzymywania, co umożliwia szybkie porównanie wpływu tych nastaw na rzeczywiste osiągi napędu, np. w czasie zadawania nastaw regulatora PID.
Do dwuprzewodowej magistrali RS485 może być dołączonych do kilkudziesięciu przemienników częstotliwości. W instalacjach rozproszonych i środowisku o dużym prawdopodobieństwie wystąpienia silnych zaburzeń elektromagnetycznych stosuje się transmisję światłowodową. W typowych warunkach eksploatacji rozproszonych napędów z przemiennikami częstotliwości wykorzystywana jest bezprzewodowa transmisja radiowa. Koszty budowy sieci łączności radiowej są zwykle wyższe niż koszty budowy łączności GSM. Jednak przy budowie systemów wizualizacji, gdzie przesyłane są duże ilości danych i monitorowane napędy z przemiennikami częstotliwości nie są umieszczone w znacznym rozproszeniu łączność radiowa jest tańsza w eksploatacji od łączności GSM. Obecnie łączność GSM wykorzystywana jest głównie do informowania o awaryjnych stanach pracy rozproszonych stacji napędowych z przemiennikami częstotliwości np. ciśnieniowych przepompowni ścieków, wody czy paliw. Zależność kosztów transmisji danych od rodzaju łączności bezprzewodowej i ilości przesyłach informacji ilustruje rys. 3.
Rys. 3. Zależność kosztów transmisji danych do rodzaju łączności bezprzewodowej i ilości przysłanych danych
Wizualizacja wybranych wielkości elektrycznych i mechanicznych napędu pozwala uzyskać istotne informacje o własnościach napędu maszyny roboczej, umożliwia także prześledzenie pracy silnika, tj. przebiegów: częstotliwości, prądu, napięcia, mocy, temperatury, momentu, obrotów itp., w funkcji czasu. Oprogramowanie narzędziowe producenta przemienników umożliwia zdalne przeprogramowanie przemiennika częstotliwości celem poprawy jego własności elektrycznych, np. zwiększenia energooszczędności. Poprawę własności mechanicznych silnika uzyskuje się przez zadawanie odpowiednich parametrów rozruchu i hamowania. Otrzymane nastawy programowe przemienników częstotliwości i dane pomiarowe można archiwizować i wykorzystywać do dalszego przetwarzania [4]. Rys. 4 przedstawia widok okna programu w trybie on-line do wizualizacji wybranych parametrów napędu z jednym przemiennikiem i silnikiem. Zwykle nie stosuje się rozwiązań aby jeden przemiennik częstotliwości zasilał kilka równolegle dołączonych silników. W takich rozwiązaniach utrudnione jest monitorowanie i prawidłowe zabezpieczenie pojedynczego silnika.
Rys. 4. Okno programu do wizualizacji w trybieon-line wybranych parametrów napędu
Szybka i bezbłędna archiwizacja nastaw programowych mikroprocesorowych urządzeń energoelektronicznych w chwili obecnej ma ważne znaczenie w związku koniecznością ich szybkiego odtwarzania w przypadku napraw serwisowych lub wymiany karty sterowania tych urządzeń, w szczególności dotyczy to przemienników częstotliwości w napędach maszyn przemysłowych.
Poniżej zaprezentowano możliwości analizy pracy przemienników częstotliwości przy użyciu zdalnej łączności modemowej do transmisji danych. Nawiązano łączność pomiędzy elektrociepłownią ET ”EKOTERM” w Żywcu i firmą Centrum Elektroniki i Automatyki ELPOL w Radomiu, autoryzowanym partnerem serwisowym firmy Danfoss. Z komputera serwisowego w Radomiu badano przemiennik częstotliwości typu VLT6052/30kW, który zastosowano do napędu silnika asynchronicznego pompy mieszającej. Odczytane w rzeczywistych warunkach pracy napędu wartości wybranych parametrów elektrycznych sterowanego silnika przedstawiono w postaci graficznej na rys. 5. Po analizie otrzymanych wyników skorygowano nastawy programowe przemiennika dla zwiększenia energooszczędności i poprawy dynamiki napędu. Nowe nastawy programowe przemiennika częstotliwości zarchiwizowano na dysku komputera serwisowego [5].
Rys 5. Charakterystyki elektryczne badanego napędu sporządzone na podstawie danych rejestrowanych on-line poprzez zdalną łączność modemową
Stosowanie łącza RS485 do wymiany danych z przemiennikami częstotliwości umożliwia realizowanie sterowania i wizualizację procesu technologicznego. Transmisja szeregowa umożliwia przekazywanie do systemu sterowania większych ilości informacji niż można uzyskać za pomocą we/wy analogowych i cyfrowych. W 2001 roku firma ELPOL była generalnym wykonawcą modernizacji napędu dwóch pomp obiegowych dla ciepłowni ATEX w Zamościu. Po modernizacji pomp obiegowych dla zmniejszenia wydajności i ciśnienia dysponowanego można było zastąpić silniki 320kW/6kV, silnikami 200kW/0,4kV – SEE315M4Bz. Silniki pomp zasilono niskonapięciowymi przemiennikami częstotliwości, specjalizowanymi dla układów pompowych. Ważnym zadaniem zastosowanego sterowania było maksymalizowanie energooszczędności układu pompowego przy w zadanym zakresie zmian wydajności tłoczenia i różnicy ciśnień na zasilaniu i powrocie sieci [3]. W zastosowanym rozwiązaniu niezależnie sterowano pracą każdej pompy utrzymując jej punkt pracy w miejscu o maksymalnej sprawności. Przemienniki połączono przez łącza transmisji szeregowej RS485 ze stacją operatorską, komputerem PC z systemem operacyjnym Windows 2000. Sterowanie i monitoring zrealizowano w oparciu o popularne w Polsce oprogramowanie InTouch, amerykańskiej firmy Wonderware, rys. 6.
Praca układu sterowania pomp wykonana w nowoczesny sposób nie powoduje tu żadnych dodatkowych kosztów eksploatacyjnych i całkowity zwrot kosztów inwestycji wskutek uzyskanych oszczędności szacuje się na okres 2,5 – 3 lata. Napędy pompowo – wentylacyjne zwykle nie wymagają stosowania szybszych protokółów transmisji szeregowej.
Rys. 6. Schemat synoptyczny umożliwiający nadzór i sterowanie pracą pomp obiegowych.
W maszynach o szybkiej reakcji na wymuszenia zewnętrzne, z dużą szybkością wymiany danych i ich dużą ilością lub ze względu na unifikację systemu komunikacji stosuje się najczęściej w Polsce transmisję szeregową danych opartą na standardzie PROFIBUS DP. Taką transmisję danych zastosowano przy modernizacji gąsienicowego układu jazdy koparki węgla brunatnego SRs1200 w KWB w Koninie. Głównym mankamentem układu jazdy koparki przez modernizacją były problemy z wykonaniem skrętu w trudnych warunkach gruntowych. Problem ten można było rozwiązać poprzez zmianę układu napędowego na umożliwiający niezależne sterowanie prędkością obrotową poszczególnych silników, model układu jezdnego koparki przedstawiono na rys.7.
Rys. 7. Model 1:30 napędu gąsienic w koparceSRs 1200 z silnikami AC zasilanymi czterema przemiennikami częstotliwości.
Prace polegały na zastąpieniu napędów z silnikami DC nowoczesnymi napędami z silnikami AC zasilanymi napięciowymi przemiennikami częstotliwości połączonymi wspólną szyną DC. Wspólna szyna DC przemienników takiego napędu umożliwienia przepływ energii od silników pracujących generatorowo, tj. silników pracujących z gąsienicami przesuwanymi po krótszym łuku w czasie skrętu. Przyjęte założenia do opracowania algorytmów sterowania poszczególnymi silnikami, które posłużyły do napisania oprogramowania sterownika PLC i zostały zweryfikowane w oparciu o zbudowany model, układu jezdnego koparki. Wykorzystanie zasilania silników przemiennikami częstotliwości umożliwiło ich pracę powyżej prędkości nominalnych. Zastosowano silniki o mocy 90kW i obrotach 750 obr./min. Moment nominalny takiego silnika wynosi 1200Nm. Przy pracy z prędkością ok. 980 obr./min., tj. w strefie regulacji ze stałą mocą, będzie on wynosił ok. 900Nm.
Sterownie takim napędem wymaga szybkiej reakcji głównego sterownika maszyny na dane zbierane z poszczególnych przemienników układu jezdnego i innych napędów koparki. Awaria koparki niesie poważne koszty ekonomiczne, dlatego niezawodne sterowanie pracą zespołów napędowych i profesjonalizm jego wykonania ma tutaj podstawowe znaczenie.
Zastosowanie transmisji szeregowej do sterowania w czasie rzeczywistym urządzeniami energoelektronicznymi rozwija się szybko i niesie wymierne korzyści ekonomiczne. Użytkownik otrzymuje znacznie więcej informacji o warunkach pracy wykorzystywanych silników napędowych. Obok łączności przewodowej funkcjonuje w przemyśle łączność bezprzewodowa, która dynamicznie się rozwija i jest coraz bardziej odporna na zakłócenia elektromagnetyczne. Zdalne sterowanie maszynami produkcyjnymi staje się już codzienną praktyką w wielu przedsiębiorstwach. Ze względu na powszechność otoczenia sieciami GSM oraz szybkie zmniejszanie się kosztów przesyłu danych tymi sieciami należy sądzić, że zaczną one dominować w wymianie danych i sterowaniu instalacji rozproszonych na znacznych odległ...
pawelek11164