Zdalna transmisja danych i sterowanie w czasie

Zdalna transmisja danych i sterowanie w czasie rzeczywistym
napędów przemysłowych z przemiennikami częstotliwości.
JERZY SZYMAŃSKI, Politechnika Radomska
Streszczenie:
W referacie przedstawiono korzyści ekonomiczne ze
stosowania łączności przewodowej protokołem
przemysłowym RS485 i bezprzewodowej: GSM,
ETERNET, w nowoczesnych układach napędowych z
przemiennikami częstotliwości.
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.
WPROWADZENIE
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.
prostownik stopień pośredni
falownik
3x380V
RS485
M
układ sterowania i zabezpieczeń
ZDALNE
STEROWANIE
I
DIAGNOSTYKA
PRZEMIENNIKÓW CZĘSTOTLIWOŚCI
analogowe i cyfrowe wejścia-wyjścia sterujące
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. 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.
1
Koszt transmisji
danych
Łączność
modemem GSM
Łączność
modemem radiowym
Ilość przesyłanych danych
Rys. 3. Zależność kosztów transmisji danych do rodzaju
łączności bezprzewodowej i ilości przysłanych danych
Rys. 2. Schemat połączenia
przemiennikami częstotliwości
komputera
PC
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.
z
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. 4. Okno programu do wizualizacji
on-line wybranych parametrów napędu
w
trybie
Szybka
i
bezbłędna
archiwizacja
nastaw
programowych
mikroprocesorowych
urządzeń
2
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.
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.
PRZYKŁADOWE
RALIZACJE
TRANSMISJI
DANYCH W RZECZYWISTYCH NAPĘDACH Z
PRZEMIENNIKAMI CZĘSTOTLIWOŚCI.
Moc[kW], Prąd[A],
Napięcie[V] x10
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].
40
30
20
10
0
40
42
44
46
48
Rys. 6. Schemat synoptyczny umożliwiający nadzór i
sterowanie pracą pomp obiegowych.
50
Cząstotliwość [Hz]
Moc
Prąd
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.
Napięcie
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
3
Rys. 7. Model 1:30 napędu
SRs 1200 z silnikami AC
przemiennikami częstotliwości.
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 odległościach.
Coraz częściej sięgamy do technologii internetowych
w tych działaniach. Przesyłanie informacji o stanie
pracy maszyny w postaci krótkiej wiadomości SMS
do operatora czy serwisanta, z jednoczesnym
przesłaniem jej pocztą elektroniczną (e-mail) do
komputera serwisowego w dowolne miejsce na
świecie nie budzi już dużego zdziwienia.
Wykorzystanie łącza RS485 w przemiennikach
częstotliwości umożliwia ponadto wzajemne
komunikowanie się tych urządzeń bez konieczności
wykorzystywania
dodatkowych
wejść/wyjść
analogowych
i
cyfrowych
przemiennika
częstotliwości i sterownika PLC. Takie rozwiązanie
komunikacji między urządzeniami prowadzi do
znacznego obniżenia kosztów budowy instalacji
sterowania napędami, powiększenia niezawodności z
jednoczesną możliwością lokalnego i zdalnego
diagnozowania zespołów napędowych maszyn
roboczych.
gąsienic w koparce
zasilanymi czterema
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.
LITERATURA
1.Jensen J. R., Cyfrowa transmisja danych w stacjach
uzdatniania wody i oczyszczalniach ścieków. The
Danfoss Journal PL, nr 2/99.
2.Projekt celowy nr 10 T12 022 2000 C/5273
„Modernizacja
układu
jezdnego
koparek
eksploatowanych w kopalniach węgla brunatnego (serii
SRs 1200) – 2001.06.18
3.Radliński R. „System sterowania i monitoringu
Ciepłowni Szopinek” Biuletyn Automatyki ASTOR
1/2002
4.Szymański J., Zdalna transmisja danych i sterowanie
w czasie rzeczywistym napędów z przemiennikami
częsttliwości firmy Danfoss. Napędy i Sterowanie 4/2001
5.Zdalna diagnostyka przemiennkowych napędów
w kotłach WR-25 w MZEC ET „EKOTERM” w Żywcu
– D.T., CEiA ELPOL , Radom 1998
Dr inż. JERZY SZYMAŃSKI
E-mail: [email protected]
Politechnika Radomska,
Zakład Maszyn
i Urządzeń Elektrycznych
WNIOSKI
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
Specjalizacja:
Przekształtniki Energoelektroniczne,
Bezpieczeństwo Użytkowania
Urządzeń Elektrycznych,
Przemysłowe Technologie Internetowe.
4