Full Text

Большая часть электроэнергетических потребностей и задач в обеспечении качества работы современной роботизированной промышленности и транспорта приходится на долю электрических приводов. Особую важность приобретают процессы высокоточной настройки и корректной эксплуатации приводной техники, позволяющие сократить энергопотребление разрабатываемых технологических систем управления (СУ) и повысить эффективность их работы в режиме реального времени (РРВ). Для эффективного проектирования и выбора приводной техники целесообразна адекватная оценка механических характеристик рабочих механизмов и реакции электропривода на них. Это необходимо для настройки привода под определенный тип нагрузки и обеспечения оптимального течения технологического процесса. Однако на практике подобные исследования зависимостей нагрузки на внедряемый электропривод проводятся не всегда. Таким образом, задача разработки автоматизированной информационной системы (АИС), осуществляющей стендовое полунатурное моделирование различных видов статических нагрузок электропривода в РРВ, представляется актуальной и практически значимой. Структура АИС полунатурного моделирования статической нагрузки электроприводов Целью разрабатываемой АИС является автоматизация процессов сбора, передачи, обработки информации, визуального контроля параметров и управления в режиме реального времени. В качестве основных выделены следующие функции: - автоматизированная проверка готовности и контроль работоспособности систем стенда, управляющих запуском и моделированием режимов нагрузки двигателей; - автоматизированное измерение и обработка контролируемых параметров стенда и состояния оборудования в РРВ; - наглядное представление данных и осциллографирование параметров электроприводов в различных режимах нагрузки. На основании приведенных функций, а также с учетом существующих решений по анализу и синтезу структур информационно-измерительных и управляющих систем, [1, 2, 3] построим обобщенную структурную схему АИС полунатурного моделирования статической нагрузки электроприводов, рис. 1. Рис. 1. Структурная схема АИС полунатурного моделирования статической нагрузки электроприводов На рисунке приняты обозначения: 1 – набор датчиков и исполнительных устройств электромашинного агрегата; 2 – частотные преобразователи; 3 – программируемый логический контроллер (ПЛК); 4 – программное обеспечение (ПО) имитации статической нагрузки; 5 – значение имитируемого процесса 1..N; 6 – коммуникационный драйвер; 7 – ПО среды исполнения РРВ; 8 – база данных среды исполнения РРВ; 9 – графическая среда исполнения; 10 – ПО конфигурирования. Математическое обеспечение АИС полунатурного моделирования электроприводов При исследовании электропривода наибольший интерес представляет реакция электродвигателя электромашинного агрегата на типовые статические нагрузки, создаваемые подключенными механизмами [4]. Под механической характеристикой будем понимать зависимость между угловой скоростью и моментом сопротивления, приведенными к валу двигателя ω = f(Mc). Уравнение динамики электромеханической системы имеет следующий вид: (1) где M, J, w, Mc – соответственно электромагнитный момент, развиваемый машиной, ее момент инерции и частота вращения, а также момент сопротивления на валу. Из (1) следует, что для устойчивой работы двигателя, приводящего в действие какой-либо механизм, необходимо определенное сочетание параметров механических характеристик двигателя M(w) и нагрузки Мс(w). Двигатель работает устойчиво, когда жесткость его механической характеристики в точке статического равновесия (при M = Мс) меньше жесткости нагрузки: (2) Таким образом, выполнение условия (2) при имитации нагрузки на виртуальной модели и реальной установке является основным условием работы асинхронного двигателя (АД) на устойчивой части механической характеристики. Чаще всего используется следующие типовые статические нагрузки электропривода: – с моментом сопротивления Мс, не зависящим от скорости ω. Такой характеристикой обладают подъемные краны, лебедки, поршневые насосы при неизменной высоте подачи. Если нагрузить машину положительным моментом, то при его значениях, больше максимального электромагнитного момента в двигательном режиме, появляется ускоряющий момент, и частота вращения начинает стремительно падать по кривой механической характеристики. В таком случае получение статически устойчивых точек является невозможным; – с моментом сопротивления Мс, линейно зависящим от скорости ω. Зависимость присуща приводу генератора постоянного тока с независимым возбуждением, работающему на постоянную нагрузку. Если представить момент нагрузки линейной функцией, проходящей через начало координат, получаем следующее: Мс = α · ω, (3) где α – жесткость механической характеристики. Таким образом, изменяя угол наклона характеристики относительно оси момента, получаем статически устойчивую работу двигателя во всем диапазоне скоростей; – с моментом сопротивления Мс, зависящим от квадрата угловой скорости ω. Примерами служат характеристики вентиляторов, центробежных насосов, гребных винтов. При работе двигателя на вентиляторную нагрузку наблюдается полная статическая устойчивость, которая обеспечивает выполнение условия (2) в двигательном режиме. Программно-аппаратная реализация АИС Для полунатурного моделирования была разработана программно управляемая подсистема имитации на базе ПЛК, аналогичная [5]. В качестве базового контроллера выбран SIMATIC S7-300 фирмы Siemens. Принцип работы и состав подсистемы, а также переход от подсистемы с реальным объектом с учетом результатов моделирования в MatLab к структуре подсистемы имитации пояснены на рис. 2. Рис. 2. Схема перехода от структуры с реальным объектом к подсистеме имитации нагрузки Слева на рисунке показана упрощенная схема управления технологическим механизмом 3, являющимся реальной нагрузкой АД 2, подключенному к СУ 1. Справа показана упрощенная схема управления имитируемым технологическим механизмом, реализующим нагрузку АД 2* с СУ 1* на основе двигателя постоянного тока 3*, управляемого системой имитации нагрузки 4*. Блок математического моделирования, реализуемый в пакете MatLab, используется для уточнения параметров СУ 1 и 1*, а также формирования характеристик системы имитации нагрузки 4*. Блок управления двигателем постоянного тока реализован на основе микропроцессорного преобразователя SIMOREG DC MASTER. Левая часть каждой подсистемы, включающая АД с СУ, остается постоянной. В правой части происходит замена технологического механизма на двигатель постоянного тока с СУ. В результате имитации производится задание момента сопротивления на валу, близкое к реальному объекту, вследствие чего процессы в АД будут совпадать с процессами при работе на реальную нагрузку. Таким образом, подсистема имитации может быть использована при проведении исследовательских и инженерных работ по настройке СУ приводами на различные виды технологических механизмов, включая производственные и транспортные задачи. Конфигурация ПЛК SIMATIC S7-300 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 ПЛК логически разделена на области. Программа пользователя располагается в загрузочной и в рабочей памяти. Принцип работы ПЛК заключается в обработке по прикладной программе пользователя данных с модулей входов (например, сигналов от привода) и последующей выдачей управляющих сигналов, посредством модулей выходов и модулей связи, обеспечивающих подключение исполнительных устройств. Для создания ПО ПЛК SIMATIC S7-300 АИС используется программный пакет STEP 7, включающий модули для разработки программных и аппаратных средств, в рамках одного проекта. На основе требований к программной и аппаратной частям АИС осуществлены создание и конфигурирование промышленной сети РРВ, рабочих программ и блоков данных. Для конфигурирования, программирования и тестирования программной части АИС использовалась утилита SIMATIC Manager. Программа SIMATIC Manager является структурированной программой, а это 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. Алгоритм работы программы ПЛК разбит на логические блоки: - установление соединения между SIMATIC S7-300 и универсальным преобразователем SIMOREG DC MASTER по сети PROFIBUS; - выполнение действий согласно слову управления, приходящему из системы диспетчерского управления WinCC; - расчет и задание по выбранному закону момента и обмен телеграммами с SIMOREG DC MASTER; - пересчет параметров, принимаемых в телеграмме, в вид, пригодный для отображения системой диспетчерского управления WinCC. В результате на экран панели оператора выполняется вывод трендов. В зависимости от выбранного режима отображаются механические характеристики производственных механизмов. Оценка точности и адекватности формирования статической нагрузки с использованием программного пакета MatLab MatLab совместно с Simulink и SimPowerSystem позволяет исследовать процессы и параметры электрических машин, которые зачастую не доступны в реальных объектах. В библиотеках этих пакетов имеются различные элементы и измерительные приборы, позволяющие исследовать электрическую цепь любой сложности [6]. С целью оценки формирования статической нагрузки электропривода была разработана виртуальная лабораторная установка, включающая блоки моделирования АД и блок задания момента. Виртуальная установка позволяет выбрать необходимые параметры модели нагрузки, строить механическую характеристику технологического механизма и двигателя, что необходимо для анализа. Ниже на рис. 3, 4, 5 представлены результаты моделирования типовых статических нагрузок в MatLab и механические характеристики при натурной имитации на реальном оборудовании в РРВ. Незначительные отклонения от результатов моделирования связаны с инерционностью подсистемы имитации. Цифрой 1 обозначен график механической характеристики при моделировании в MatLab, 2 – график механической характеристики при натурной имитации. Рис. 3. Режим постоянного задания момента сопротивления Рис. 4. Задание момента сопротивления в зависимости от скорости на валу Рис. 5. Задание момента сопротивления в зависимости от квадрата скорости на валу Точность процесса имитации нагрузки непосредственно связана с понятием ошибки. Для количественной оценки ошибки предложено использовать среднюю абсолютную ошибку [7]: (4) где n – количество измерений; yм – значение модели нагрузки в MatLab; yэ – экспериментальное значение ряда, полученное на стенде. Помимо точности процесса имитации не менее важной является оценка адекватности разработанной системы. Под адекватностью полунатурного моделирования нагрузки будем понимать степень соответствия результатов, полученных при эксперименте на стенде, данным по разработанной модели в MatLab. Для оценки адекватности теоретических значений используется критерий согласия χ2. Согласно критерию принимаются две последовательности значений – модели Fм и экспериментальные значения Fэ. Необходимо проверить гипотезу Fм на адекватность. Для этого рассчитаем величину V [7]: (5) Расчеты показали, что для всех режимов имитации нагрузки ошибка лежит в пределах от 2 до 6 %. При этом точность процесса полунатурного моделирования составляет от 94 до 98 %. Адекватность предложенного метода полунатурного моделирования принимается с вероятностью от 95 до 99 %, что свидетельствует о достаточно высоком качестве работы АИС. Таким образом, АИС полунатурного моделирования типовых статических нагрузок электропривода в РРВ, включая режимы постоянного задания момента сопротивления, задания момента сопротивления в зависимости от скорости на валу, задания момента сопротивления в зависимости от квадрата скорости на валу, показала высокую точность и адекватность в рамках предложенной программно-аппаратной реализации. Практическое применение АИС предложенной программно-аппаратной реализации способствует корректной настройке СУ электроприводов под произвольные виды нагрузок, имитируемые стендом, для приложений реального времени промышленности, робототехники, транспорта и др.

About the authors

Aleksey Vladimirovich Kychkin

Email: aleksey.kychkin@gmail.com

Dmitriy Aleksandrovich Dadenkov

Email: dadenkov@mail.ru

Al'bert Borisovich Bilalov

Email: albert_bil@mail.ru

References

Statistics

Views

Abstract - 21

PDF (Russian) - 80

Refbacks

• There are currently no refbacks.