Cистемы управления электроприводами

• Перечень используемых условных обозначений, сокращений, терминов
• 1. ОПИСАНИЕ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАБОРАТОРНОГО КОМПЛЕКСА ИССЛЕДОВАНИЙ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ
• 1.1 Описание и анализ работы лабораторного комплекса исследований электроприводов
• 1.1.1 Описание лабораторного комплекса
• 1.1.2 Описание конструкции лабораторного стенда ПЧ-АД
• 1.1.3 Структурная схема стенда ПЧ-АД
• 1.1.4 Электромашинный агрегат
• 1.1.5 Панель оператора
• 1.1.6 Шкаф управления электрического привода
• 1.2 Описание принципа работы программируемого логического контролера SIMATIC S7−300. Программное обеспечение STEP 7
• 1.2.1 Устройство и принцип работы программируемого логического контролера SIMATIC S7−300
• 1.2.2 Программное обеспечение STEP 7
• 1.3 Техническое описание системы диспетчеризации и управления WinCC
• 2. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УДАЛЕННОГО МОНИТОРИНГА И УПРАВЛЕНИЯ
• 2.1 Разработка структуры системы удаленного мониторинга и управления
• 2.1.1 Технологический процесс управления и мониторинга
• 2.1.2 Мониторинг лабораторного стенда
• 2.1.3 Структура системы удаленного мониторинга и управления
• 2.1.4 Коммуникационные связи и обмен данными СУМиУ
• 2.2 Моделирование статических характеристик асинхронного двигателя в пакете MATLAB
• 2.3 Описание алгоритма программы лабораторного комплекса
• 2.4 Описание Scada — приложения СУМиУ
• 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
• 3.1 Разработка методического обеспечения по работе с программным пакетом Step7
• 3.1.1 Интерфейс рабочего окна SIMATIC Manager
• 3.1.2 Создание проекта в SIMATIC Manager
• 3.2 Разработка методического обеспечения по работе с программным пакетом WinCC
• 3.2.1 Создание проекта
• 3.2.2 Запуск и останов выполнения проекта
• 4. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ
• 4.1 Характеристика экспериментального процесса дипломной работы
• 4.2 Санитарно-гигиеническая характеристика лаборатории и меры безопасности
• 4.3 Технические мероприятия, обуславливающие безопасное ведение экспериментальной работы
• 4.4 Противопожарные мероприятия и средства пожаротушения
• 5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТА
• 5.1 Расчёт капитальных затрат на создание данного проекта
• 5.2 Расчёт эксплуатационных затрат проекта
• 5.3 Расчет доходной части за год пользования проектом комплекса
• 5.4 Расчет срока окупаемости проекта
• Список используемых источников

Перечень используемых условных обозначений, сокращений, терминов

СУМиУ — система удаленного мониторинга и управления

ПЛК — программируемый логический контроллер

ОС — операционная система

ТЭО — технико-экономическое обоснование

ПЭВМ — Персональная Электронно-Вычислительная Машина

ЧДД — чистый дисконтированный доход

ВНД — внутренняя норма доходности

Современный этап развития промышленных электроприводов и систем автоматического управления характеризуется широким спектром разнообразных новаторских предложений, которые рождаются благодаря проведению научно-исследовательских и экспериментальных работ. Ведущие производители на рынке техники для электропривода и автоматизации технологических комплексов предлагают много интересных устройств и технических решений на их основе. Благодаря этому сегодня с помощью современной техники становится возможным решение практически любого технического задания и реализации систем автоматического управления объектом с очень высоким уровнем сложности (будь то отдельный механизм или целый цех, завод со сложной структурой связанных между собой технологических комплексов).

Вообще, электропривод переменного тока на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и преобразователь частоты является основным видом электромеханического превращения энергии, который успешно применяется на предприятиях. Новейшие технологии и разработки, в частности те, которые требуют глубокой или полной перестройки производства остаются недостижимой целью для предприятий и фабрик, а старые системы нерегулируемого привода уже настолько отжили себя, что являются убыточными в любом случае и никак не поддаются модернизации.

Применение электропривода переменного тока в системе «преобразователь частоты — асинхронный двигатель» на сегодняшний день является наиболее распространенной системой автоматизированного электропривода, потому что управление асинхронной машиной с помощью преобразователя частоты является простым, эффективным и экономичным способом реализации регулируемого электропривода. Углубленное изучение теоретического материала относительно асинхронного частотно-регулируемого электропривода, осваивание программного обеспечения для работы с преобразователем частоты, приобретение практического опыта работы с электромеханическим оборудованием и проведения практических исследований в реальных условиях является актуальными аспектами данной работы.

В связи с очень широким распространением систем частотного управления во всех сферах промышленности и не только, проводится большое количество теоретических и практических исследований по данной теме в условиях различных научно-исследовательских центров и высших учебных заведений.

Задачи, решаемые в данной работе:

— разработка структурной схемы системы удаленного мониторинга и управления;

— определение списка основных мониторируемых параметров стенда ПЧ-АД;

— моделирование типовых статических нагрузок используя пакет MATLAB;

— разработка и реализация в пакете Step7 алгоритма программы ПЛК для имитации нагрузки;

— адаптация системы диспетчерского управления WinCC под реализуемые задачи;

— разработка методических указания по работе в программных пакетах Step7 и WinCC .

1. ОПИСАНИЕ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАБОРАТОРНОГО КОМПЛЕКСА ИССЛЕДОВАНИЙ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

1.1 Описание и анализ работы лабораторного комплекса исследований электроприводов

1.1.1 Описание лабораторного комплекса

Лабораторный комплекс исследований электроприводов включает в себя стенд «преобразователь частоты — асинхронный двигатель (ПЧ-АД)», стенд «преобразователь частоты — синхронный двигатель (ПЧ-СД)», стенд «преобразователь частоты — двигатель постоянного тока (ПЧ-ДПТ)», рабочую станцию преподавателя, интерактивную доску, панельные промышленные компьютеры (рис. 1).

Рисунок 1 — Структурная схема лабораторного комплекса Промышленный панельный компьютер и рабочая станция преподавателя объединены в одну сеть. Преподавательская станция, интерактивная доска и видеопроектор, представляют собой комплекс оперативного отображения информации.

В рамках выпускной квалификационной работы особое внимание уделено стенду «преобразователь частоты — асинхронный двигатель».

Оборудование стенда выполняет следующие задачи:

— ввод и распределение трехфазного переменного тока номинального напряжения 380 В, 50 Гц;

— защита электроприемников от перегрузок и токов короткого замыкания;

— мониторинг состояния электродвигателей, параметров питающей сети;

— комплексное управление стендом с использованием панели оператора;

— регулирование скорости вращения электродвигателей, с помощью частотных преобразователей.

1.1.2 Описание конструкции лабораторного стенда ПЧ-АД

Конструктивно, в состав стенда входит шкаф «Ш1» и панель «П1».

Электропитание стенда производится от источника электроэнергии 380 В, 50 Гц.

Вся применяемая коммутационная аппаратура производства фирмы «Siemens». Ввод кабелей осуществляется снизу через вводные кабельные панели. Подключение кабелей осуществляется к клеммам соответствующих клеммных групп.

Электропроводка внутри шкафов и панелей проложена в закрытых пластмассовых вентилируемых кабельных коробах и в оплетке для кабелей и проводов из материала, не поддерживающего горение.

При эксплуатации стенда ПЧ-АД следует руководствоваться нормативными документами: «Правилами устройства электроустановок», «Правилами эксплуатации электроустановок потребителей», «Межотраслевыми правилами по охране труда (правила безопасности) при эксплуатации электроустановок», «Правилами пожарной безопасности Российской Федерации».

1.1.3 Структурная схема стенда ПЧ-АД

Лабораторный стенд ПЧ-АД предназначен для исследования электрического привода для управления электрических машин постоянного и переменного тока. Структурная схема стенда ПЧ-АД приведена в приложении.

В состав лабораторной установки входят:

— электромашинный агрегат;

— панель оператора;

— шкаф управления электрического привода.

1.1.4 Электромашинный агрегат

Электромашинный агрегат представляет собой соединенные на одном валу три электрические машины:

— машину постоянного тока (220 В, 1,0 кВт);

— трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (380 В, 1,5 кВт);

— трехфазный синхронный двигатель (380 В, 1,52 кВт).

1.1.5 Панель оператора

В панель оператора установлен промышленный компьютер SIMATIC Panel PC 577C.

SIMATIC Panel PC 577C может использоваться при автоматизации технологических процессов. Устройство сконструировано для установки в контрольных шкафах и пультах, 19 дюймовые шкафы/стойки, и поворотные рукава (стрелы). Благодаря небольшой глубине монтажа (83 мм для 15″ Touch), он может использоваться в ограниченном объеме.

Благодаря открытости интерфейсов PC и мощности процессора Core2Duo, он может использоваться как основа для различных приложений.

SIMATIC HMI IPC577C позволяет осуществить:

— визуализацию вблизи от рабочих машин;

— комплексное решение с пакетом визуализации SIMATIC WinCC;

— управление на основе PC с помощью пакета SIMATIC WinAC PLC.

1.1.6 Шкаф управления электрического привода

Шкаф управления электрического привода включает в себя такие органы управления как:

— универсальный программируемый контроллер SIMATIC S7−300;

— микропроцессорный преобразователь SIMOREG DC MASTER;

— преобразователи частоты SINAMICS S110 и SINAMICS S120;

— устройство плавного пуска асинхронных электродвигателей DANFOSS MCD201;

— универсальный преобразователь SIMEAS.

Микропроцессорный преобразователь SIMOREG DC MASTER

SIMOREG DC MASTER совместно с машиной постоянного тока входит в состав узла имитации нагрузки на валу.

Устройство имеет подходящие типы как для сложных приводных задач, так и для стандартных решений. Применяется для двигателей постоянного тока, имеющих номинальный ток обмотки якоря от 15 до 2000А и может быть расширен до 10 000 А (путем параллельного соединения преобразователей, максимально — 5 блоков). Приводы являются высоко динамичными, время возбуждения либо время нарастания вращающего момента находится в пределах до 10 мс.

Настройка привода постоянного тока производится через устройство параметризации. Установка параметров может также производиться с помощью персонального компьютера с использованием удобных меню — для быстрого ввода в эксплуатацию. Преобразователь имеет открытую и стандартизированную систему полевых шин PROFIBUS-DP с использованием коммуникационного модуля CBP2, подключение к персональному компьютеру через интерфейс RS232 и коммуникацию по типу «узел — узел». При этом PROFIBUS-DP-центральное средство коммуникации между средствами автоматизации. Модуль CBP2 устанавливается непосредственно в электронный бокс SIMOREG DC MASTER.

В состав преобразователя входит панель управления OP1S (Operation Panel) -опциональное устройство, с помощью которого можно выполнять настройку. Благодаря расширенному текстовому дисплею, системе меню и подсказок процесс наладки значительно упрощается.

1.2 Описание принципа работы программируемого логического контролера SIMATIC S7−300. Программное обеспечение STEP 7

1.2.1.Устройство и принцип работы программируемого логического контролера SIMATIC S7−300

Программируемый контроллер SIMATIC S7−300 имеет модульную конструкцию. Модули, из которых составляется требуемая конфигурация контроллера, могут быть центральными (располагаться по соседству с центральным процессором CPU) или распределенными. Конфигурация контроллера SIMATIC S7−300 установленного в стенде включает в себя:

— стойку, используемую для размещения и соединения модулей между собой;

— модуль ввода и вывода дискретных сигналов SIPLUS SM 323, который используется для преобразования входных дискретных сигналов контроллера в его внутренние логические сигналы, а также для преобразования внутренних логических сигналов контроллера в его выходные дискретные сигналы;

— центральный процессор CPU 315−2PN/DP с встроенным интерфейсом ведущего DP-устройства, используемый для размещения и обработки программы пользователя. Процессор является активным узлом сети PROFIBUS, который циклически обменивается данными со своими ведомыми DP-устройствами.

Память CPU логически разделена на области. Программа пользователя располагается в загрузочной памяти и в рабочей памяти. Конструктивно загрузочная память является частью CPU или отдельным встраиваемым модулем памяти. Вводимая программа и конфигурация оборудования записываются в загрузочную память.

Рабочая память конструктивно является частью CPU и представляет собой RAM-память. В оперативной памяти содержатся исполняемые части программы пользователя: код программы и данные пользователя.

Принцип работы ПЛК заключается в обработке по прикладной программе пользователя данных с модулей входов (например, сигналов от подключенных датчиков) и последующей выдачей управляющих сигналов, посредством модулей выходов и модулей связи, обеспечивающих подключение исполнительных устройств (рис.2).

Рисунок 2 — Принцип работы контроллера

Из программатора программа пользователя целиком, включая данные конфигурации, пересылается в загрузочную память. Операционная система CPU копирует части программного кода и данных в рабочую память. Когда программа считывается программатором из CPU, блоки выбираются из загрузочной памяти с текущими значениями адресов данных из рабочей памяти.

Загрузочная память в CPU для S7−300 состоит из встроенной RAM-памяти, которая может целиком вмещать программу. Для защиты от сбоев питания используется модуль EPROM флэш-памяти в качестве носителя для данных и программ пользователя. Таким образом, обеспечивается сохранность данных без применения резервной батареи.

1.2.2 Программное обеспечение STEP 7

Программный пакет STEP 7 это программное обеспечение для создания проектов, обеспечивающих комплексное решение задачи автоматизации на основе программируемых логических контроллеров SIMATIC S7−300 фирмы Siemens. Промышленное программное обеспечение SIMATIC разработано с учетом требований международного стандарта DIN EN 6.1131−3, что облегчает изучение программного обеспечения.

Пакет STEP 7 включает разработку программных и аппаратных средств, в рамках одного проекта. На основе требований к программной и аппаратной частям выполняется создание и конфигурирование сетей, рабочих программ и блоков данных для решения конкретной задачи.

Программа SIMATIC S7 является структурированной программой, что означает, что данные и установки для системы автоматизации структурированы внутри проекта и представлены в виде объектов (блоков), обладающих определенными функциями, соответствующими их положению в сетевой и иерархической структуре системы. Различные классы приоритетов позволяют располагать в определенном порядке прерывания исполняемой программы пользователя.

STEP 7 работает с переменными различных типов, начиная с переменных двоичного типа (BOOL), численных форматов (INT или REAL) и заканчивая сложными типами, такими как массивы.

Для организации работы по конфигурированию, программированию и тестированию программной части системы автоматического управления процессами служит утилита SIMATIC Manager. Эта программа содержит все функции, необходимые для создания проекта. При необходимости SIMATIC Manager инициирует запуск других утилит в графическом виде (рис. 3). Единый интерфейс обеспечивает возможность единообразного выполнения всех этапов работ.

Рисунок 3 — Приложения запускаемые SIMATIC Manager

Программные средства применяются для:

— конфигурирования и параметрирования аппаратуры (HWConfig);

— конфигурирования сетей и соединений (NetPro, приложения задания PROFIBUS-адреса и установки интерфейса PC/PG);

— загрузки и тестирования пользовательской программы (утилита для наблюдения и изменения переменных, диагностические функции, LAD/FBD/STL редактор).

В процессе конфигурирования определяется состав оборудования в целом, разбиение оборудования на модули, способы подключения, используемые сети, выбираются настройки для используемых модулей. Система проверяет правильность использования и подключения отдельных компонент. Завершается конфигурирование загрузкой выбранной конфигурации в оборудование. Программирование контроллеров производится редактором программ, обеспечивающим написание программ на одном из трех наиболее распространенных языках:

— LAD — язык релейно-контактной логики;

— FBD — язык функциональных блочных диаграмм;

— STL — язык списка инструкций Возможность наблюдения за текущим состоянием программы, доступное при использовании любого языка программирования, обеспечивает не только удобную отладку программного обеспечения, но и быстрый поиск неисправностей в подключаемом оборудовании, даже если оно не имеет средств диагностики.

Унификация промышленного программного обеспечения SIMATIC базируется на трех основных принципах:

— единое управление данными проекта, при котором символьные переменные, параметры конфигурирования и настройки хранятся в единой базе данных и доступны всем инструментальным средствам. Это позволяет экономить время и исключать возникновение ошибок из-за многократного ввода одних и тех же данных;

— согласованная система инструментальных средств: для каждой фазы выполнения проекта могут использоваться свои, наиболее удобные для выполнения этих задач, инструментальные средства;

— открытость для интеграции в офисную среду управления производством системной платформы промышленного ПО SIMATIC.

Высокую производительность промышленного программного обеспечения SIMATIC обеспечивают:

— проблемно-ориентированные инструментальные средства, обеспечивающие простоту решения широкого круга задач автоматизации;

— многократное использование секций программы. Написанные ранее секции программ могут сохраняться в виде библиотек и легко копироваться в новые проекты;

— параллельная разработка отдельных частей проекта несколькими проектировщиками;

— встроенные диагностические функции, существенно снижающие время отладки любой программы;

1.3 Техническое описание системы диспетчеризации и управления WinCC

WinCC представляет собой мощный интерфейс для взаимодействия между человеком и машиной и является современной системой с удобным пользовательским интерфейсом. Она подходит для применения как в офисах, так и на производстве, функционально закончена и надежна в работе, эффективно проектируется и легко приспосабливается к решению как простых, так и сложных задач. Вместе со встроенной базой данных WinCC образует информационный центр для вертикальной интеграции всего стенда.

Система WinCC обеспечивает управление и наблюдение за процессами, происходящими на установке. Связь между WinCC и установкой обеспечивается с помощью системы управления (рис. 4).

Проект является основой для конфигурирования интерфейса пользователя в системе WinCC. В рамках проекта производится создание и редактирование всех объектов, которые необходимы для управления процессом и наблюдения за ним.

Рисунок 4 — WinCC в структуре системы управления и мониторинга Система WinCC предоставляет следующие возможности:

— наблюдение за процессом. Графическое представление процесса отображается на экране. Экран обновляется при каждом изменении состояния процесса;

— управление процессом посредством задания уставки, а также подачей управляющих сигналов на запуск и останов двигателя с помощью интерфейса пользователя;

— мониторинг процесса. В случае критического состояния процесса автоматически подается аварийный сигнал. Если превышено предустановленное заданное значение, то на экран выводится сообщение;

— архивирование данных процесса. Во время работы WinCC значения процесса можно распечатать или поместить их в электронный архив. Это упрощает документирование процесса и обеспечивает последующий доступ к старым производственным данным.

К базовым компонентам WinCC относятся программное обеспечение для конфигурирования (CS) и программное обеспечение среды исполнения (RT) (рис. 5).

Общая процедура создания проекта осуществляется в проводнике WinCC. Проводник является ядром программного обеспечения для конфигурирования, в котором отображается структура всего проекта. Также в нем осуществляется администрирование проекта. С помощью проводника WinCC можно получить доступ к различным редакторам. Каждый редактор относится к определенной подсистеме WinCC (табл. 1).

Рисунок 5 — Базовые компоненты WinCC

Таблица 1 Подсистемы WinCC

Программное обеспечение WinCC имеет непосредственный доступ к базе переменных и сообщений контроллера SIMATIC, а также использует их коммуникационные параметры для настройки связи. Это позволяет с самого начала избежать больших затрат времени на многократный ввод данных и поиск источников ошибок. Кроме того, встроенные диагностические возможности обеспечивают поддержку обслуживающего персонала в течение всего жизненного цикла системы.

2 РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УДАЛЕННОГО МОНИТОРИНГА И УПРАВЛЕНИЯ

2.1 Разработка структуры системы удаленного мониторинга и управления

Основной технологический процесс стенда ПЧ-АД — процесс исследования электропривода, включающий управление режимами нагрузки и снятие характеристик двигателей.

К особенностям объекта автоматизации, влияющим на технологический процесс исследования, необходимо отнести факт, что используемые программные технические средства и программное обеспечение должны обеспечивать гибкость, быстродействие, безопасность в работе и возможность увеличения функций системы путем разработки дополнительных программных продуктов.

2.1.1 Технологический процесс управления и мониторинга

В разнообразных видах исследования электроприводов могут быть выделены повторяющиеся операции, входящие составной частью в процесс исследования, а именно:

— подготовка стенда к испытанию, включая подготовку и поверку стендовых систем включающая диагностику соединения между оборудованием стенда по сети PROFIBUS, конфигурация параметров электропривода, запуск и проверка системы диспетчерского управления WinCC;

— испытания по требуемой программе: выбор режимов нагрузки, задание скорости и момента;

— измерение и регистрация параметров, характеризующих работу привода и питающей сети;

— снятие рабочих характеристик и обработка полученных результатов эксперимента;

2.1.2 Мониторинг лабораторного стенда

Под мониторингом стенда понимается мониторинг параметров, который заключается в наблюдении и регистрации данных представляющих собой совокупность измеренных значений параметров, получаемых на неразрывно примыкающих друг к другу интервалах времени, в течение которых значения параметров существенно не изменяются.

Работа стенда оценивается множеством параметров. Полный и минимально необходимый перечень этих параметров, задействованных для оценки работы привода при исследовании, представлен в «таблице 2».

Таблица 2 Контролируемые параметры лабораторного стенда

Примечание: *- зависит от выбранного диапазона измерения тока и напряжения

Помимо измеряемых параметров, слежение ведется за состоянием преобразователей частоты SINAMICS S110, SINAMICS S120, универсального преобразователя SIMOREG DC MASTER, а также устройства плавного пуска асинхронных электродвигателей Danfoss MCD201. Мониторируются следующие состояния:

— готовность к включению;

— устройство в состоянии работа;

— произошел сбой включения;

— задержка включения устройства;

— предупреждение о возможном возникновении неисправности;

— рассогласование заданного значения параметра и фактического значения контролируемого параметра превышает допустимое значение;

2.1.3 Структура системы удаленного мониторинга и управления

Целью создания системы удаленного мониторинга и управления является автоматизация процессов управления, сбора, регистрации, обработки информации и визуального контроля параметров в режиме реального времени при исследованиях.

Основными функциями системы является:

— автоматизированная проверка готовности системы и технологических систем стенда к ведению учебного процесса, контроль работоспособности систем стенда, управляющих запуском и моделированием режимов нагрузки двигателей;

— автоматизированное измерение и обработка контролируемых параметров стенда и состояния оборудования в реальном масштабе времени;

— эффективное представления данных и осциллографирование параметров электроприводов в различных режимах нагрузки на видеомониторах;

— сигнализация предаварийных и аварийных режимов работы электроприводов и их предотвращение.

Система удаленного мониторинга и управления отвечающая современным требованиям должна быть построена по принципу распределенной многоуровневой системы. Структура системы удаленного мониторинга и управления отражена в графической части на листе 2.

На нижнем уровне расположен электромашинный агрегат, представляющий собой соединенные на одном валу машины постоянного тока, трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором и трехфазный синхронный двигатель.

На среднем уровне находится система автоматизации стенда, в котором применяются устройства входящие в шкаф управления и функционирующие в режиме реального времени. К ним относятся ПЛК SIMATIC S7−300, преобразователи частоты SINAMICS S110 и SINAMICS S120, преобразователь SIMOREG DC MASTER, устройство плавного пуска DANFOSS MCD201, универсальный преобразователь SIMEAS. Специализированное программное обеспечение стенда поддерживать стандартный протокол обмена данными ОРС, а также поддерживает концепцию SCADA — систем. Программируемый контроллер осуществляют обработку по прикладной программе пользователя данных с модулей связи, обеспечивающих подключение исполнительных устройств (например, преобразователей частоты) и последующей выдачей на них управляющих сигналов, и, в случае необходимости, предоставляет данные на верхний уровень — панель оператора промышленного исполнения и рабочую станцию преподавателя.

Верхний уровень реализован на базе компьютеров, работающих под управлением операционной системы Windows 7 Professional и оснащенных специализированным программным обеспечением SIMATIC WinCC V7.0, которое выполняет функции приема и распределения потоков данных со среднего уровня и наглядного отображения процесса исследования.

Достоверность данных должна быть обеспечена требуемой скоростью ввода данных. В цикле работы системы мониторинга большое количество времени занимает визуализация данных. Стоит отметить, что средняя скорость реакции человека, составляющей в среднем 0,1 секунды. Поэтому увеличение скорости работы цикла отображения программы свыше 10 Гц нецелесообразно из-за того, что информация, выводимая на устройства визуализации, не сможет быть воспринята пользователями.

Разделение СУМиУ на систему управления и систему диспетчеризации позволяет регистрировать технологические параметры с высокой точностью и эффективностью. Это достигается за счет того, что значения контролируемых параметров опрашиваются системой управления с постоянной дискретностью, так как эта система не выполняет действий, которые могут увеличить время цикла опроса. Все действия, связанные с обработкой команд, поступающих от оператора, выполняет система диспетчеризации, она же поддерживает хранение данных, их документирование, наглядное графическое представление. Система управления выполняет действия, связанные с вводом информации от объекта исследования, ее обработкой и выдачей управляющих сигналов.

2.1.4 Коммуникационные связи и обмен данными СУМиУ

Промышленная шина для технологических процессов PROFIBUS

В рассматриваемом стенде «Преобразователь Частоты — Асинхронный Двигатель» (ПЧ-АД) связь с распределенной периферией осуществляется посредством сети PROFIBUS, при этом используется соответствующая служба обмена PROFIBUS-DP.

Международный стандарт PROFIBUS является промышленной шиной для технологических процессов. Сеть PROFIBUS использует первый и второй уровни модели OSI. PROFIBUS технология, стандартизованная в соответствии с IEC 61 158 и IEC 61 784, основана на двухпроводной системе RS-485 полудуплексной передачи.

Служба обмена PROFIBUS-DP определяет, как происходит обмен данными между коммуникационными узлами, и как эти данные обрабатываются. Служба обмена базируется на протоколе обмена, который помимо всего прочего описывает процедуру координации работы между коммуникационными узлами.

PROFIBUS-DP обеспечивает стандартный интерфейс для передачи двоичных данных между интерфейсным модулем центрального программируемого контроллера и приборами полевого уровня. Интерфейсный модуль называют ведущим DP-устройством, а приборы полевого уровня ведомыми DP-устройствами. Широкому распространению PROFIBUS-DP способствует то, что PROFIBUS-DP является независимым от производителей стандартом для подключения стандартных ведомых DP-устройств.

PROFIBUS использует сервис SRD, который позволяет отправлять и получать данные в одном цикле обмена, Этот способ обмена очень удобен при работе с устройствами ввода-вывода, поскольку в одном цикле можно и отправить, и получить данные.

Для передачи данных используется NRZ-кодирование и 11-битный формат, включающий стартовый бит (0), 8 бит данных младшими разрядами вперед, бит паритета (четный) и стоп-бит (1)(рис. 6).

Рисунок 6 — Формат передачи данных Сообщение в PROFIBUS называется телеграммой. Телеграмма может содержать до 256 байт, из них 244 байта данных, и заголовок телеграммы длиной 11 служебных байт (рис. 7). Все телеграммы имеют заголовки одинаковой длины, за исключением телеграммы с названием Data_Exchange.

Рисунок 7 — Структура телеграммы PROFIBUS

Поля телеграммы на рис. имеют следующее содержание:

SD — стартовый разделитель. Используется для указания начала телеграммы и ее формата.

LE — длина передаваемых данных (DA+SA+FC+DSAP+SSAP+DU);

LEr — повторение поля LE с целью его резервирования;

DA — адрес устройства-получателя телеграммы;

SA — адрес отправителя;

FC — код типа телеграммы;

DSAP — устройство-получатель использует это поле, чтобы определить, какой тип сервиса нужно выполнить;

SSAP — порт отправителя;

DU — данные длиной от 1 до 244 байт;

FCS — контрольная сумма телеграммы (сумма значений полей DA+SA+ FC+DU, по модулю 255);

ED — признак конца.

Структура сети PROFIBUS

Стенд представляет собой систему с одним ведущим DP-устройством и группой ведомых DP-устройств (рис. 8) В такой сети одно ведущее DP-устройство управляет несколькими ведомыми DP-устройствами.

Рисунок 8 — Структура системы ведущего DP-устройства Мастером выступает программируемый контроллер (станция) SIMATIC S7−300, в качестве ведомых преобразователи частоты SINAMICS S110 и SINAMICS S120, преобразователь SIMOREG DC MASTER, универсальный измерительный прибор SIMEAS P, а также устройство плавного пуска асинхронных электродвигателей Danfoss MCD201.

SIMATIC S7−300 имеет модульную конструкцию и включает в себя центральный процессор CPU 315−2PN/DP с встроенным интерфейсом ведущего DP-устройства, используемый для размещения и обработки программы пользователя. Процессор является активным узлом сети PROFIBUS, который циклически обменивается данными со «своими» ведомыми DP-устройствами. Ведомые DP-устройства системы являются пассивными узлами сети и не получают доступа к шине.

Линия передачи PROFIBUS представляет собой экранированный кабель «витая пара». Электрическая сеть PROFIBUS спроектирована в виде линейной структуры. Скорость передачи данных 1.5 Мбит/с, время реакции до одной миллисекунды.

Характерной чертой PROFIBUS является детерминированный цикл обмена данными через шину в режиме реального времени благодаря использованию принципа ведущий/ведомый, который гарантирует определенное время цикла шины и определенные времена реакции абонентов шины.

Обмен данными в сети PROFIBUS

Ведущее устройство должно параметрировать и конфигурировать ведомое устройство перед тем, как оно сможет обмениваться с ним пользовательскими данными. Если это имеет место, то готовность к работе ведомого устройства проверяется ведущим с помощью диагностических данных. Если ведомое устройство сообщает готовность для параметрирования, ведущее посылает в ответ данные параметрирования и конфигурирования.

После повторной проверки готовности к работе ведомого устройства с помощью диагностических данных, ведущее начинает циклически обмениваться с ведомым пользовательскими данными (рис. 9).

Рисунок 9 — Инициализации ведомого устройства и циклический обмен пользовательскими данными С помощью данных параметрирования Set_Prm ведомому устройству сообщаются локальные и глобальные параметры, свойства и функции. Содержание данных параметрирования устанавливается при проектировании ведущего устройства.

Структура телеграммы для параметрирования состоит из нескольких частей. Важнейшие составляющие телеграммы параметрирования:

— Station-Status — состояние станции, содержит специфические для ведомого устройства функции и настройки. Здесь определяется, должен ли быть активирован контроль срабатывания. Определяется, открыт или закрыт доступ к устройству.

— Watchdog — контроль времени срабатывания, определяет выход из строя ведущего устройства. Ведомое устройство может эксплуатироваться на шине с контролем или без контроля времени срабатывания. Руководствуясь шинной конфигурацией и установленной скоростью передачи определяется время контроля срабатывания, которое может быть установлено при проектировании в шинных параметрах.

— Ident-Number — идентификационный номер ведомого устройства, присваивается при сертификации и хранится в GSD-файле. Ведомое устройство принимает телеграмму параметризации, если указанный в телеграмме номер совпадает с собственным. Благодаря этому предотвращается ошибочное параметрирование.

— User-Prm-Data — начальные установки или регулировочные параметры.

С помощью конфигурационной телеграммы ведущее устройство сообщает подчиненному через формат опознавания объем и структуру участвующих в обмене входных/выходных данных. Области входных/выходных данных, которые содержат связанную информацию и которые не могут передаваться структурами байтов или слов, обрабатываются как консистентные данные. К ним относятся области наборы параметров для привода.

Посредством запроса диагностических данных ведущее устройство проверяет на фазе запуска, имеется ли ведомое устройство и готово ли оно для параметрирования. Сообщаемые ведомым диагностические данные состоят из обязательной (определенной) и необязательной (специфической) диагностической части. Через диагностические данные подчиненное устройство сообщает ведущему свое рабочее состояние и в случае диагностики причину диагностического сообщения. Ведомое имеет возможность сообщать с помощью ответных телеграмм службы Data_Exchange на ведущее локальные диагностические данные, которые требует ведущее для оценки.

Ведомое проверяет принятые от ведущего данные параметрирования и конфигурирования. Если нет ошибок и ведущему разрешены желаемые установки, ведомое сообщает ведущему, что оно готово для обмена данными. С этого момента ведущее обменивается ведомым запроектированными пользовательскими данными При обмене пользовательскими данными, ведомое реагирует на телеграммы-запросы Data_Exchange ведомого, который его параметрировал и конфигурировал. Другие телеграммы пользовательских данных ведомое отбрасывает. Внутри пользовательских данных нет дополнительных управляющих или структурных знаков для описания передаваемых данных, то есть передаются чистые пользовательские данные.

2.2 Моделирование статических характеристик асинхронного двигателя в пакете MATLAB

При исследовании электропривода наибольший интерес представляет реакция электродвигателя электромашинного агрегата и его механической характеристики на различные виды механических характеристик производственных механизмов.

Механической характеристикой механизма называют зависимость между угловой скоростью и моментом сопротивления механизма, приведенными к валу двигателя щ=f (Mс).

Среди всего многообразия выделяют несколько характерных типов механических характеристик механизмов:

1. Характеристика с моментом сопротивления, не зависящим от скорости. Такой характеристикой обладают, например, подъемные краны, лебедки, поршневые насосы при неизменной высоте подачи.

2. Характеристика с моментом сопротивления, линейно зависящим от скорости. Такая зависимость присуща, приводу генератора постоянного тока с независимым возбуждением, работающему на постоянную нагрузку.

3. Характеристика с нелинейным возрастанием момента. Типичными примерами здесь могут служить характеристики вентиляторов, центробежных насосов, гребных винтов. Для этих механизмов момент сопротивления Мс зависит от квадрата угловой скорости щ.

Механической характеристикой электродвигателя называется зависимость его угловой скорости от вращающего момента щд = f (Mс).

В состав электромашинного агрегата входят синхронный и асинхронный двигатели. При исследовании наибольший интерес представляет влияние различных видов производственных механизмов на асинхронный двигатель.

Рассмотрим, в чем состоит особенность кривой механической характеристики асинхронного двигателя при разных видах статической нагрузки на валу и как обеспечить возможность автоматического построения непрерывной, полной механической характеристики асинхронного двигателя.

Основной трудностью при получении механической характеристики асинхронного двигателя в различных прикладных пакетах является его опрокидывание при выходе на неустойчивые участки. Зачастую механическую характеристику асинхронного двигателя предлагается строить по точкам, последовательно задавая момент нагрузки и сохраняя полученную при этом скорость вращения. При такой методике точки механической характеристики могут быть получены только на участке устойчивой работы, а снятие режима короткого замыкания требует дополнительного изменения в модели. Помимо этого, к недостаткам данного подхода можно отнести, его трудоемкость, поскольку качество полученной характеристики напрямую зависит от количества точек.

MATLAB совместно с Simulink и SimPowerSystem позволяют исследовать процессы и параметры электрических машин, которые зачастую недоступны в реальных объектах. В библиотеках этих пакетов имеются многочисленные виртуальные элементы и измерительные приборы, позволяющие исследовать электрическую цепь любой сложности.

Основными преимуществами подхода являются:

— простота получения характеристик, исключающая необходимость использования дополнительных моделей для различных режимов работы двигателя;

— значительное сокращение времени на построение и наглядность представления;

— возможность анализа процессов в двигателе при его работе на неустойчивом участке механической характеристики.

Методика позволяет выбрать необходимые параметры модели нагрузки, автоматически строить механическую характеристику и переходные процессы работы двигателя, что дает возможность анализировать процессы в АД во всем диапазоне скоростей. Для понимания работы асинхронных машин необходимо знать, как будут изменяться токи, при вариации нагрузки на валу. Для этих целей была разработана виртуальная лабораторная установка представленная на рисунке 10.

Рисунок 10 — Модель для исследования асинхронной машины Установка включает в себя:

— источник переменного напряжения AC Voltage Source из библиотеки SimPowerSystems/Electrical Sources;

— блок для удобства извлечения переменных машины из вектора Machines Measurement Demux из библиотеки SimPowerSystems /Machines;

— блок Display для количественного представления измеренных частоты вращения (рад/с) и момента (Нм) в ходе проведения исследования;

— блок Scope для наблюдения токов обмотки ротора и статора, а также скорости и момента асинхронной машины из главной библиотеки Simulink/Sinks;

— блок XY Graph для построения статической нагрузки и механической характеристики машины из главной библиотеки Simulink/Sinks ;

— блок Constant для задания и расчета механического момента на валу машины из главной библиотеки Simulink/Sources;

— блок Мuх, объединяющий два сигнала в один векторный из главной библиотеки Simulink/Sygnal Routing.

— блок Voltage Measurement, измеряет мгновенного значения напряжения между двумя узлами схемы из библиотеки SimPowerSystems/Measurements;

— блок To Workspace, сохраняет данные в рабочей области, библиотека Simulink/Sinks;

— блок Clock, формирует сигнал, величина которого на каждом шаге расчета равна текущему времени моделирования, библиотека Simulink/Sources;

— блок переключателя Switch, библиотека Simulink/Commonly Used Blocks;

— блок задания функции Fcn, библиотека Simulink/User-Defined Functions;

— блок Product, выполняет вычисление произведения текущих значений сигналов, библиотека Simulink/Commonly Used Blocks;

— блок Ramp, источник линейно изменяющегося воздействия, библиотека Simulink/Sources;

— исследуемую трехфазную асинхронную машину Asynhronous Machine из библиотеки SimPowerSystem /Machines.

В полях окна настройки параметров асинхронной машины последовательно задаются:

— тип ротора (Rotor Type), в выпадающем меню этого поля задаем короткозамкнутый ротор;

— система отсчета при анализе (Stationary) — неподвижная относительно статора;

— Номинальная мощность, действующее линейное напряжение и номинальная частота;

— сопротивление и индуктивность статора;

— сопротивление и индуктивность ротора;

— взаимная индуктивность;

— момент инерции, коэффициент трения и число пар полюсов;

— начальные условия для моделирования (скольжения, положение ротора, токи статора и их начальные фазы).

Параметры машины частично берутся из паспортных данных, а частично рассчитываются при помощи программы в MATLAB, текст которой приведен в приложении.

Далее параметры заносятся в окно настройки блока Asynhronous Machine (рис. 11).

Промоделируем основные типы статических нагрузок. В результате получили механические характеристики производственных механизмов и АД. Переходные процессы в АД приведены в приложении.1. Характеристика с моментом сопротивления, не зависящим от скорости.

Рисунок 11 — Окно настройки параметров асинхронной машины Рисунок 12 — Механическая характеристика механизма и АД

2. Характеристика с моментом сопротивления, линейно зависящим от скорости Рисунок 13 — Механическая характеристика механизма и АД

3. Характеристика с нелинейным возрастанием момента, момент сопротивления Мс зависит от квадрата угловой скорости щ «Рисунок «.

Рисунок 14 — Механическая характеристика механизма и АД

4. Снятие естественной механической характеристики, в установившемся режиме работы двигателя.

Рисунок 15 — Механическая характеристика АД во время разгона и естественная МХ АД

2.3 Описание алгоритма программы лабораторного комплекса

Анализ комплексной задачи автоматизации означает ее подразделение на меньшие задачи или функции в соответствии со структурой управляемого процесса. Разделенная на части пользовательская программа может быть легко сконфигурирована и запрограммирована. Структурирование программы упрощает процесс ее отладки, обслуживания и поддержки.

ПЛК SIMATIC-S300 предназначен для работы с различными типами блоков, которые могут быть в составе пользовательской программы и в которых могут сохраняться соответствующие данные. Состав набора блоков, входящих в программу, определяется требованиями процесса.

Организационные блоки OB представляют собой интерфейс между операционной системой и программой пользователя.

Функции FC содержит частное функциональное решение программы. При этом функции могут быть запрограммированы для работы с параметрами. В результате такие функции могут применяться в повторяющихся выражениях, в том числе для выполнения сложных вычислений.

Системные функции SFC — это функции с параметрами, встроенные в операционную систему CPU. Их имена (номера) и их функции жестко определены.

Функциональные блоки FB имеют те же возможности, что и функции. Кроме того функциональные блоки имеют свою собственную область памяти в виде экземплярных блоков данных. Поэтому функциональные блоки пригодны для использования в часто повторяющихся, сложных вычислениях.

Блоки данных DB — это области данных программы, в которых данные пользователя организованы в определенную структуру.

В начале цикла обработки программы операционная система (ОС) заполняет область отображения входов, сбрасывает таймер контроля длительности цикла, после этого вызывает для обработки блок ОВ1. В конце цикла обработки ОС переписывает в выходные модули значения из области отображения выходов, после чего начинается следующий цикл обработки. В блоке ОВ1 можно вызывать функции и функциональные блоки. После обработки вызванного блока управление передается блоку, из которого был произведен вызов данного блока. В структуре программы присутствует подпрограмма для имитации типовых статических нагрузок, которая должна обрабатываться через одинаковые, заранее заданные, промежутки времени. Для ее выполнения используется блок обработки циклических прерываний ОВ35 отвечающий за циклический расчет момента нагрузки и вызываемый каждые 100 миллисекунд. Алгоритм работы программы приведен в графическом материале лист 3,4.

Алгоритм работы программы условно может быть разбит на логические блоки:

— установление соединения между SIMATIC S7−300 и преобразователем SIMOREG DC MASTER, устройством плавного пуска асинхронных электродвигателей Danfoss MCD201, преобразователями частоты SINAMICS S110 и SINAMICS S120 по сети PROFIBUS;

— установка задания по скорости и подача управляющих сигналов для преобразователей частоты и устройства плавного пуска;

— расчет и задание по выбранному закону момента для SIMOREG DC MASTER;

— выполнение защитных функций от одновременного включения синхронного и асинхронного двигателей;

— выполнение действий согласно слову управления приходящему из системы диспетчерского управления WINCC.

Выделим наиболее важные функциональные блоки, функции и организационные блоки программы:

FB1 — производит пересчет принятых от преобразователя SIMOREG DC MASTER значений скорости, напряжения, момента, активной мощности и тока в формат пригодный для вывода в WinCC.

FB2 — блок перевода заданного в WINCC значения момента и скорости в формат пригодный для передачи SIMOREG DC MASTER, SINAMICS S110/S120.

— FB4 — чтение слова состояния Danfoss MCD201;

— FB11 — пересчет принятых от SINAMICS S110/S120 значений скорости, напряжения, момента, активной мощности и тока в формат пригодный для вывода в WinCC;

— FB35 — расчет момента нагрузки для снятия естественной механической характеристики;

— FB36 — расчет момента нагрузки от квадрата скорости на валу;

— FB37 — расчет линейного закона задания момента нагрузки от скорости на валу;

— FB283 — настройка соединения и обмена консистентными данными между ПЛК и ПЧ;

— FC2 — вызывает FB2, FB11, FB283, отвечает за квитирование ошибки;

— FC3 — вызывает FB2, FB11, FB283, отвечает за квитирование ошибки;

— FC4 — вызывает FB2, FB1, устанавливает соединение с SIMOREG DC MASTER и организует обмен консистентными данными. Отвечает за режим задания постоянного момента, защищая от одновременного задания нескольких режимов задания нагрузки;

— OB80 — вызывается операционной системой CPU, когда происходит ошибка времени. Под ошибкой времени понимается превышение максимального время цикла, пропуск прерываний по времени, вследствие сдвига времени вперед или слишком большая задержка при обработке класса приоритета;

— OB82 — используется для оценки стартовой информации модуля с диагностическими возможностями или получения точной диагностической информации о произошедшей ошибке;

— OB86 — используется для обнаружения отказа стойки. Под отказом стойки понимают разрыв соединительного кабеля, неисправность децентрализованного источника питания на стойке, отказ ведомого устройства;

— OB121 — вызывается ОС, когда появляется ошибка программирования, например, адресованные таймеры не существуют, вызванный блок не загружен.

2.4 Описание Scada — приложения СУМиУ

Перед началом работы необходимо произвести включение рабочей станции преподавателя и панели оператора, после чего запустить проект системы диспетчерского управления WinCC.

При запуске проекта на панели оператора появляется рабочее окно (рис. 16), которое позволяет эффективно осуществлять мониторинг и управление лабораторным стендом.