В настоящей статье дан обзор управляющего модуля Вариант DC и его сравнение с модулем управления (control module) Sinamics DCM.
Введение
Современные металлургические производства предъявляют повышенные требования к системам электропривода, обеспечивающим точное управление скоростными и моментными характеристиками прокатных станов, кранового оборудования и других агрегатов. В условиях интенсивных нагрузок и жестких эксплуатационных режимов особое значение приобретает надежность преобразователей постоянного тока, выступающих ключевым звеном в цепочке управления. Однако использование импортных решений, таких как Sinamics DCM от фирмы Siemens, сопряжено с существенными рисками: зависимостью от иностранных поставщиков, длительными сроками поставки запасных частей, повышенными затратами на замену и техническое обслуживание, что в конечном итоге снижает общую эффективность производственных процессов.
Переход на современные отечественные цифровые системы управления соответствует стратегии импортозамещения в тяжелой промышленности и обеспечивает сбор данных о работе технологических агрегатов для систем управления верхнего уровня, а также расширенную диагностику и быстрый поиск неисправностей.
Научно-производственным предприятием «Автоматизированные системы и комплексы» разработана и производится линейка тиристорных преобразователей постоянного тока Вариант DC для модернизации существующих систем электропривода и внедрения на новых технологических объектах. Вся конструкторская документация, схемотехника и программное обеспечение разработаны в АСК. Разработка привода опиралась на 35-летний опыт инженеров предприятия в области наладочных работ.
Переход на современные отечественные цифровые системы управления соответствует стратегии импортозамещения в тяжелой промышленности и обеспечивает сбор данных о работе технологических агрегатов для систем управления верхнего уровня, а также расширенную диагностику и быстрый поиск неисправностей.
Назначение линейки Вариант DC
Преобразователь Вариант DC разработан для точного управления скоростью и моментом электродвигателей постоянного тока. Его применение обеспечивает стабильную работу приводных систем в условиях интенсивных производственных нагрузок. Устройство поддерживает необходимую точность регулирования параметров при обработке металлов, что критично для технологических процессов в металлургической отрасли.
Основными областями использования Вариант DC являются приводы прокатных станов, моталок и рольгангов, где требуются высокая динамика и перегрузочная способность. Преобразователи способны работать в циклических режимах с резкими изменениями нагрузки.
Линейка преобразователей Вариант DC предназначена для монтажа в шкаф и включает:
· преобразователи с встроенным силовым выпрямителем с номинальным током от 15 до 3000А и напряжением от 400 до 950В
· система управления как отдельный модуль для управления внешним силовым трехфазным тиристорным выпрямителем цепи якоря.
Преобразователи Вариант DC реализованы на базе модульной архитектуры, обеспечивающей гибкость конфигурации и упрощение ремонта. На рисунке ниже показан внешний вид преобразователя и управляющего модуля.
Конструкция и архитектура
Конструктивно преобразователи выпускаются в отдельном металлическом корпусе для монтажа в шкаф, все платы электроники покрываются лаком для защиты от неблагоприятных условий окружающей среды. Габаритные размеры корпуса преобразователей максимально приближены к размерам аналогичных Sinamics DCM.
Модуль управления Вариант DC обеспечивает управление четырёх квадрантным внешним выпрямителем и встроенным трехфазным возбудителем на ток до 63А.
Работа в четырех квадрантном режиме особенно важна для реверсивных прокатных станов, где требуется быстрое изменение направления вращения и момента. Дополнительно четырех квадрантный режим позволяет осуществлять рекуперацию энергии при торможении, что снижает энергопотребление в типовых циклах прокатки.
Совместно с модулем управления могут применяться выпрямительные секции производства АСК типа СВПР на номинальные токи 1400, 2500, 3150 и 4000А. Секции могут включаться последовательно или параллельно. Предусмотрена работа преобразователей по 12-ти пульсной схеме.
Управление тиристорами выпрямителя секции может осуществляется по оптоволоконному кабелю через модули оптических разветвителей. Такое решение дает возможность размещать секции удаленно от системы управления.
Дублирование критических элементов особенно актуально для промышленных применений, где непрерывность технологических процессов критически важна. Преобразователи Вариант DC могут быть установлены совместно с Sinamics DCM, например под управлением контроллера Simatic, для «холодного» резервирования в ответственных применениях. Такое решение резко сокращает время восстановления работоспособности системы электропривода. Упомянутая конфигурация уже внедрена и работает в металлургической промышленности.
Ключевым компонентом преобразователя является микропроцессорная система управления, которая выполняет функции регулирования скорости и момента, поддерживая точное управление электроприводом. Автоматическое регулирование выполняется с отрицательной обратной связью по выбранной функции. Способ управления основан на регулировании выпрямленного напряжения путем формирования необходимого угла открытия тиристоров внешнего выпрямителя.
Общая функциональная схема системы управления приведена на рисунке ниже.
32-разрядная архитектура микроконтроллера с тактовой частотой 150 МГц позволяет реализовать достаточное быстродействие для высококачественного регулирования во время переходных процессов. Ответственные функциональные блоки системного программного обеспечения реализованы на ПЛИС и в синхронном быстром цикле 20 мкс.
Панель оператора
Управление электроприводом выполняется с цветной сенсорной панели оператора или от контроллера верхнего уровня по сетям Profinet, Profibus DP или Modbus RTU.
Настройка преобразователя выполняется с панели оператора с диагональю 4.3 дюйма или персонального компьютера по сети Ethernet включая работу по Wi-Fi. Опционально панель оператора большего размера можно установить на дверь шкафа. Для настройки и контроля работы привода разработан простой и удобный интерфейс. На рисунке ниже показан режим настройки контура якорной цепи. При нажатии на элементы звеньев открываются всплывающие окна с параметрами данного звена. Для удобства наладки, всплывающие окна можно передвигать по экрану, открывать сразу несколько. Контакт на входе сумматора интерактивный – наладчик может на экране подключать или отключать вычислитель ЭДС. Во время проведения теста можно перемещаться по другим экранам (Аварии, Главный экран, Данные и т.д., кроме экранов других тестов) – при этом система будет оставаться в режиме теста.
В панели оператора предусмотрено три уровня доступа: дежурный, наладчик и сервис. Уровни доступа отличаются возможностями в настройках системы управления. Для архивирования аварийных событий и настроек установлена съемная SD-карта памяти. Запись настроек на карту памяти возможна для всех уровней доступа.
Система управления преобразователем имеет возможность обрабатывать входные аналоговые и дискретные сигналы в том числе сигналы от импульсного датчика скорости (энкодера) и тахогенератора. Предусмотрена возможность задания скорости вращения двигателя аналоговым входным сигналом. Аналоговые и дискретные входы/выходы дают возможность контролировать состояние привода, его основные параметры и наличие аварий.
В некоторых проектах могут потребоваться дополнительные алгоритмы работы привода. Вариант DC имеет достаточное количество функциональных блоков со свободно подключаемыми входами и выходами для реализации пользовательских логических схем. В состав библиотеки функциональных блоков входят элементы И, ИЛИ, НЕ, RS-тригеры, сумматоры, компараторы, умножители, делители и ограничители аналоговых сигналов. Один из экранов с функциональными блоками для конфигурирования логического контроллера показан на рисунке ниже.
Настройка
Гибкая настройка параметров позволяет оптимизировать характеристики привода под конкретные эксплуатационные условия практически любых двигателей, применяемых в отечественной промышленности. Для обеспечения надежной и эффективной работы системы электропривода Вариант DC имеет развитую систему тестов и настроек:
• Тест дискретных входов;
• Тест дискретных выходов;
• Калибровка датчиков;
• Тест управляющих импульсов возбудителя;
• Тест СИФУ возбудителя без напряжения;
• Тест СИФУ возбудителя с напряжением;
• Настройка контура тока возбуждения;
• Тест управляющих импульсов моста якоря;
• Тест СИФУ моста якоря без напряжения;
• Тест СИФУ моста якоря с напряжением;
• Настройка контура тока якоря;
• Формирователь кривой намагничивания;
• Настройка контура скорости двигателя;
• Настройка контура ЭДС
Аварии и предупреждения
Система защит и диагностики обеспечивает своевременное выявление неисправностей и безопасность работы. Предусмотрено два типа событий: предупреждение и авария. Срабатывание защиты переводит систему управления в состояние «Авария» или «Не готов».
Возникновение предупреждения не переводит привод в аварийное состояние. Всего в системе управления разработчиками установлено 103 аварии и 87 предупреждений. Аварийные события архивируются на внешнюю карту памяти с меткой времени. Основные функции контроля перечислены ниже:
• контроль связи;
• контроль состояния цепи аварийного отключения;
• контроль состояния управляющих сигналов;
• контроль состояния силовых предохранителей;
• контроль вентиляции и температуры;
• контроль состояния датчиков;
• контроль напряжения питания собственных нужд;
• контроль силового напряжения;
• контроль токов;
• контроль скорости;
• контроль ЭДС;
• обрыв цепи якоря или возбуждения;
• контроль состояния внешнего возбудителя
Испытания работы системы регулирования во время переходных процессов
Во время стендовых испытаний на двигатель в режиме холостого хода система управления Вариант DCпродемонстрировала отличные показатели быстродействия и плавности регулирования. На осциллограммах ниже показана работа регулятора тока якорной цепи при изменении задания тока на 40%. На графиках видно, что изменение задания было отработано регулятором за три пульса т.е. примерно за 10 миллисекунд.
Осциллограммы работы регулятора при изменении задания на 40% и реверсе тока якоря продемонстрированы на ниже.
Сравнительные технические характеристики Вариант DC и Sinamics DCM
В связи с широкой распространённостью в промышленности преобразователей постоянного тока Sinamics DCM в таблице ниже приведены основные технические характеристики модулей управления. Сравнительный анализ технических характеристик подтверждает взаимозаменяемость управляющих модулей. Поэтому при модернизации систем электропривода не требуется увеличивать страховой запас модулей, даже если они разнотипные.
Эксплуатация
В конце ноября 2024 управляющие модули Вариант DC были использованы в проекте модернизации металлургического оборудования рольганг-телеги УНРС 4,6 ПАО «НЛМК». В рамках проекта выполнена модернизация силового оборудования и системы управления. Устаревшая релейно-контакторная схема с применением преобразователей постоянного тока Simoreg DC, была заменена на современную. В связи с важностью бесперебойной работы технологического оборудования в проекте была использована схема с резервированием управляющих модулей. Модули управления Вариант DC являются основными, Sinamics DCM резервными. В качестве силовой части преобразователей используются тиристорные секции СВПР-1300-460-УХЛ4. Система автоматизации реализована на ПЛК Simatic S7-1500. Связь с электроприводом выполняется по сети Profibus DP.
Особенностью проекта является перемещение рольганг-телеги во время которого может возникнуть прерывание подачи напряжения в цепи якоря на время до 8 сек. Модули управления Вариант DC настроены таким образом, что пропажа напряжения не вызывает переход системы управления в аварийное состояние.
В результате реализации проекта и внедрения Вариант DC была обеспечена бесперебойность работы технологического оборудования и снижено время простоев.
На фото ниже система управления Вариант DC, установлена в шкафу слева. Рядом справа установлен резервный CM Sinamics DCM.
Обучение, ремонт и сервисное обслуживание
Жизненный цикл промышленного оборудования включает этапы разработки, производства, инжиниринга, сервисного обслуживания, ремонтов и обучения персонала заказчика. На предприятии АСК все упомянутые этапы реализованы полностью. Инженеры из отдела сервисного обслуживания могут проводить ремонты или обслуживание оборудования с выездом на промплощадку. Высокая квалификация ремонтного персонала позволяет ремонтировать и обслуживать практически все виды широко распространённой в промышленности преобразовательной техники. Наличие запасных частей и складского резерва позволяет оперативно устранять неисправности или производить быструю замену преобразователей.
Наличие на промплощадке специально разработанных испытательных и учебных стендов, а также опытного инженерно-технического персонала позволяет проводить обучения по индивидуальным программам учитывая все требования заказчиков. Предприятие АСК обеспечивает полный цикл технической поддержки заказчиков от предпроектного обследования до ремонтного обслуживания и обучения.
Заключение
Сравнительный анализ технических показателей, испытания и промышленная эксплуатация позволяют утверждать, что модуль управления Вариант DC является полноценной не уступающей по техническим характеристикам заменой устаревшим Simoreg СM, Sinamics DCM или преобразователям DCS от компании ABB.
Сегодня на отечественном рынке преобразователей постоянного тока Вариант DC является единственной альтернативой полностью Российского производства способной конкурировать по цене, качеству и совместимости с лучшими зарубежными аналогами.
Экономический эффект от модернизации устаревших систем электропривода обеспечивается: повышением характеристик работы технологического оборудования, минимизацией затрат на модернизацию, увеличением надежности работы, а также снижением стоимости ремонта и технического обслуживания.
Мы приглашаем всех заинтересованных лиц посетить наше предприятие и убедиться в достоверности представленной в настоящей статье информации.
АО «Автомтизированные системы и комплексы»
620066, Екатеринбург, ул. Студенческая, 1 стр. Д
тел.: (343) 385-97-75 факс: (343) 385-97-75 доб 1125
e-mail: asc@asc-ural.ru web: www.asc-ural.ru