Комплект аппаратно-программных средств для встраиваемых систем прямого цифрового управления электроприводами на базе микроконтроллера Intel 8xC196MH

Введение

В статье рассматривается состав и возможности комплекта аппаратных средств и базового программного обеспечения, разработанного совместно специалистами Московского энергетического института и Всероссийского научно-исследовательского института электромеханики для построения высокопроизводительных систем прямого цифрового управления приводами со статическими преобразователями частоты на биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT) и силовых интеллектуальных модулях (IPM). Комплект ориентирован на управление асинхронными, синхронными, шаговыми, вентильными и вентильно-индукторными двигателями в диапазоне мощностей от сотен до 150 кВт. Кроме функций прямого цифрового управления преобразователем он поддерживает дружественный интерфейс с оператором и системой управления верхнего уровня, а также может осуществлять управление дополнительным технологическим оборудованием рабочих станций.

Состав комплекта

В состав комплекта входят (рис. 1):

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

Контроллер ПС-196-1 предназначен для реализации встроенных систем прямого цифрового управления электроприводами переменного тока с различными типами исполнительных двигателей. Адаптация конт-роллера к конкретному типу привода обеспечивается коммутацией переключателей на плате контроллера и поставкой специализированного программного обеспечения.

Рис. 1 Комплект аппаратных средств для встраиваемых систем управления приводами

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

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

Назначение

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

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

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

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

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

Технические характеристики

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

Рис. 4 Общий вид преобразователей частоты серии "Универсал"

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

Примеры применений

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

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

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

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

• разомкнутой или замкнутой системы управления;
• регулирования с помощью встроенного цифрового регулятора частоты вращения исполнительного двигателя или заданного параметра технологического процесса (давления, температуры, расхода и т.д.);
• оптимальной структуры регулятора — пропорциональный, пропорционально-интегральный, пропорционально- интегрально-дифференциальный, оптимизированный на базе фази-логики;
• оптимальных параметров цифрового регулятора;
• удобного источника ввода управляющего воздействия в реальном времени:
• аналоговый сигнал в одном из промышленных стандартов;
• цифровой код по последовательному каналу связи (RS-232, RS-485) от промконтроллера или управляющего компьютера;
• дискретный сигнал (с числом линий до 3) от командоаппарата или внешнего пульта управления пользователя;
• цифровой сигнал от встроенного пульта оперативного управления;
• цифровой сигнал от внутренних часов реального времени (для организации программного управления по часовым, суточным, недельным и другим циклограммам).

Рис. 6 Преобразователь низкой частоты ПНЧИ-3

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

Рис. 7 Система управления многокардионатным дискретных электроприводом

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

МЭИ, кафедра Автоматизированного электропривода
Тел. (095) 362-7151, факс (095) 273-1348
E-mail: kozachenko@aep.mpei.ac.ru
НПП ВНИИЭлектромеханики, тел. 924-7038