Проектирование системы управления асинхронным двигателем с разработкой программы при различных законах управления

МIНIСТЕРСТВО ОСВIТИ УКРАЇНИ

Державна Гiрнича Академiя України

Кафедра Автоматизацiї виробничiх процесiв

ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА

ДО ДИПЛОМНОГО ПРОЕКТУ

На тему

Розробка системи керування асiнхронним двигуном с детальним розробленням программ при рiзних законах управлiння

Студент групи АТс-92

Казначеєв В'ячеслав Сергiйович

Керiвник проекту

Соседка В.Л. _______________

Консультанти:

Пацера С.Т. _______________

Мiрошник Г.А _____________

Шереметьєва I.В. ___________

Завiдуючий кафедрою проф.

Ткачев В.В. ________________

Днiпропетровськ 1997р.

РЕФЕРАТ

Дипломный проект стр., рис. , табл.

Проектирование системы, система управления, асинхронный двигатель, закон управления, цифровой сигнал, реализация, интегральная микросхема, переходный процесс, расчет.

Описан объект автоматического управления - асинхронный двигатель. Цель работы- разработка системы управления асинхронным двигателем с разработкой программы при различных законах управления. Выполнен обзор существующих схем управления и сформулированы технические требования к системе. Показано, что частотное управление асинхронным двигателем не удовлетворяет требованиям, в связи с чем предложено применить закон управления напряжением двигателя в функции частоты и нагрузки, обеспечивающих снижение потерь в двигателе, предложенный М. П. Костенко. Разработана функциональная схема системы управления, использующая цифровые сигналы.

Выполнено проектирование системы - разработана принципиальная схема и печатная плата системы управления асинхронным двигателем при помощи интерфейса RS-232C. Рассчитана максимально возможная скорость передачи данных в канале связи. Разработан протокол обмена и программа верхнего уровня, моделирующая работу двигателя при различных законах управления.

Предприняты меры по обеспечению безопасности при работе с объектом управления.

Определена плановая стоимость разработки и плановая прибыль.

ВВЕДЕНИЕ

Автоматизация производства на основе микроэлектронной техники для развития и совершенствования существующих и создающихся технологических производств, является одним из важных направлений производства.

Особенностью современного этапа развития автоматизации производства является появление и массовое применение качественно новых технических средств, изготовление сетей на базе микроэлектроники. Внедрение автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) приобретает особое значение в связи с ростом требований к скорости вычисления, переработки и выдачи информации. Поэтому разработка и исследование структур и режимов функционирования АСУ ТП на основе микроЭВМ является актуальной задачей. Использование микроЭВМ позволяет на порядок снизить затраты, обеспечивает повышение эффективности и расширение функциональных возможностей.

Одно из основных положений автоматизации процессов организационного управления заключается в создании безбумажной технологии обработки информации.

Программное обеспечение систем с персональными микроЭВМ выгодно отличается своей простотой, проблемной направленностью.

Основной, определяющей целью управления оборудованием, технологическими и производственными процессами с помощью АСУ ТП является повышение производительности труда, улучшение качества продукции и использования материально-сырьевых и топливно-энергетических ресурсов. Дальнейшее совершенствование АСУ ТП связано с повышением их экономической эффективности путем индустриального создания автоматизированных технологических комплексов с АСУ ТП.

Одним из существенных препятствий на пути индустриализации создания АСУ ТП являются традиционные методы (трудоемкие) программирования ЭВМ и недостаточная адаптивность типовых АСУ ТП к более широкому кругу условий работы объектов управления. Преодолеть эти препятствия для предприятий, самостоятельно внедряющих АСУ ТП можно, во-первых, передачей значительной степени программного обеспечения из универсальных ОЗУ в ПЗУ микропроцессорных функциональных блоков, из которых и следует формировать логическую и вычислительную часть АСУ ТП, т. е. передачей задач традиционного программирования в область массового производства устройств электронной техники; во-вторых, развитием специализированных операционных систем АСУ ТП, обладающих широкими возможностями к адаптации и работающими с микропроцессорными функциональными блоками; в-третьих, созданием программно-аппаратурных средств реализации диалоговых режимов настройки и работы АСУ ТП.

Уровень автоматизации производственных процессов, производительность труда и качество выпускаемой продукции определяется силовой электровооруженностью труда, основу которой составляют регулируемые электрические машины.

Целью настоящего дипломного проекта является разработка автоматической системы регулирования электропривода с мощным высоковольтным короткозамкнутым асинхронным двигателем c детальной разработкой программ для управляющей ЭВМ верхнего уровня.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1 Общие сведения

В силу своих конструктивных особенностей асинхронная машина лишена ряда недостатков, присущих машинам постоянного тока. В частности, отсутствие коллектора и щеток в асинхронном короткозамкнутом двигателе (АД) обуславливает большую предельную единичную мощность, лучшие весо-габаритные показатели, более высокую перегрузочную способность и допустимую скорость изменения момента, более высокие скорости вращения, чем машины постоянного тока. Известно, что преимущества АД наиболее полно реализуются при частотном управлении, что обуславливает постоянное вытеснение регулируемого электропривода постоянного тока частотно-регулируемым асинхронным электроприводом во всех отраслях промышленности.

В настоящее время около половины вырабатываемой электроэнергии потребляется нерегулируемыми двигателями переменного тока, среди которых значительную часть составляют мощные высоковольтные АД. Регулирование скорости мощных высоковольтных АД, исключение режимов прямых пусков - эффективные факторы повышения производительности рабочих механизмов, снижения эксплуатационных расходов, экономии электроэнергии. Рабочими механизмами мощных высоковольтных электроприводов являются: подъемники горной и металлургической промышленности, вентиляторы, насосы, газодувки, компрессоры горной, металлургической, химической промышленности, атомной энергетики.

С разработкой и освоением серийного производства мощных силовых полупроводниковых приборов появилась возможность широкого применения мощных высоковольтных преобразователей частоты (ПЧ) для питания обмоток высоковольтных АД. Таким образом, появилась возможность создания регулируемых по скорости мощных высоковольтных асинхронных электроприводов.

Известно, что механические и динамические характеристики, энергетические показатели АД в частотно-регулируемом электроприводе определяются: принятым законом частотного управления, способом частотного управления, алгоритмической и аппаратной реализацией автоматической системы регулирования (АСР) электропривода.

Несмотря на большое количество разработанных и исследованных структур АСР для низковольтных электроприводов, применение их для мощных высоковольтных электроприводов не представляется возможным. Это связано с особенностями высоковольтного электропривода, а именно:

значительным усложнением непосредственного измерения параметров электропривода;

условием минимальной асимметрии питающих токов, вытекающей из требования к повышенной энергетике электропривода;

применением трехфазного двухобмоточного АД, питающегося от двухсекционного преобразователя частоты, вытекающим из условия улучшенных энергетических, регулировочных свойств и способа наращивания выходной мощности.

Кроме перечисленных особенностей необходимо отметить, что значительная часть высоковольтных АД рассчитана на высокие скорости вращения (6000 об/мин и выше), что исключает возможность применения вращающихся на валу АД датчиков.

Таким образом, на основании анализа приведенных законов, способов, технических устройств частотного управления асинхронными электроприводами, можно сделать следующие выводы.

Для мощных высоковольтных электроприводов механизмов, работающих с постоянным моментом сопротивления на валу с частыми пускотормозными режимами, целесообразно применение закона частотного управления с постоянством потокосцепления ротора, отличающегося наивысшей перегрузочной способностью и обеспечивающего наилучшие динамические свойства двигателя.

Для мощных высоковольтных электроприводов механизмов, работающих с вентиляторным моментом сопротивления на валу, благодаря своим высоким энергетическим показателем и простоте технической реализации целесообразно использовать закон частотного управления по минимуму потерь.

В силу своих преимуществ по сравнению с другими способами частотного управления, а именно: простоте технической реализации (по сравнению с векторными способами) и лучшими динамическими и статическими показателями (по сравнению с амплитудными способами) предпочтителен квазивекторный способ частотного управления.

Для наращивания мощности электропривода и одновременного повышения его энергетических показателей, используются трехфазные двухобмоточные двигатели с пространственным сдвигом между трехфазными статорными обмотками, питающимися от двух трехфазных преобразователей частоты токами (напряжениями) с фазовым сдвигом в 30 эл.град.

Известные в настоящее время технические устройства для частотного управления асинхронным электроприводом в полной мере не отвечают требованиям, предъявляемым к мощному высоковольтному электроприводу и им присущи следующие недостатки:

ограниченная низкоскоростными электроприводами область применения, необходимость изготовления специальной машины или переделка серийной, применение специальных устройств для механического сочленения валов, невозможность применения в запыленных и агрессивных средах, что обусловлено наличием датчиков на валу и внутри машины;

высокая сложность технической реализации, обусловленная наличием сложных технических устройств: координатного преобразования, векторных фильтров, фазовращателей, функциональных преобразователей, блоков коррекции мгновенного значения частоты;

наличие большого числа датчиков, осуществляющих высоковольтную гальваническую развязку;

невысокая надежность, что обусловлено наличием датчиков на валу и внутри машины, высокой сложностью технической реализации блоков АСР, датчиков, осуществляющих высоковольтную гальваническую развязку.

1.2 Техническое описание системы

В основе математического описания АД при переменной частоте питающей сети лежит общая теория электрических машин.

Основой для математического описания АД служат уравнения, составленные в фазовых координатах. Особенностью АД является совокупность магнитосвязанных цепей с коэффициентами само- и взаимоиндукции, периодически изменяющимися в функции угла поворота ротора относительно статора. В зависимости от степени насыщения магнитной системы машины, эти коэффиценты могут зависеть еще и от токов во всех обмотках. Уравнения могут быть составлены либо в трехфазной системе координат, либо в двухфазной для обобщенной машины. При записи уравнений в фазовых координатах получают систему дифференциальных уравнений высокого порядка ( в трехфазной системе координат число уравнений равно 14) с переменными коэффициентами. Пользоваться такой системой для исследования электромеханических процессов, происходящих в АД не представляется возможным в связи с громоздкостью, наличием переменных коэффициетов, нелинейностью. Дальнейшее упрощение и преобразование исходной системы уравнений основывается на следующем общем методе. При этом уравнения в фазовых координатах преобразуются к уравнениям, выраженным через обобщенные (результирующие) векторы, вводится система относительных единиц для токов, напряжений, потокосцеплений, скоростей вращения, частот, моментов, активных, индуктивных сопротивлений. Введение системы относительных единиц упрощает вид уравнений, а выражение переменных через результирующие векторы приводит к виду дифференциальных уравнений, при котором коэффициенты дифференциальных уравнений ненасыщенной машины являются постоянными величинами. Для насыщенной машины необходимо вводить зависимость величин этих коэффициентов от магнитного состояния машины.

После указанных преобразований получают систему дифференциальных уравнений шестого порядка с постоянными коэффициентами, что значительно упрощает описание АД и делает возможным использование этой системы для ииследования электромеханических процессов, протекающих в АД. Дальнейшее преобразование полученной системы уравнений сводится к переводу векторов, входящих в уравнение, в различные системы координат (в зависимости от цели решаемой задачи).

При математическом описании АД принят ряд допущений, соответствующих идеализированному представлению АД:

фазные обмотки симметричны, одинаковы, воздушный зазор по все окружности ротора одинаков;

не учитываются потери в стали, а также высшие гармоники магнитодвижущей силы и рабочего потока;

параметры АД постоянны и не зависят от токов в обмотках АД;

системы питающих токов (напряжений) симметричны.

Технические характеристики рассматриваемого АД приведены в таблице 1

Таблица 1

Наименование параметров	Электродвигатель АО2-52-4
1. Номинальная мощность, Pн	10 кВт
2. Номинальное напряжение (фазное), Uн	220 В
3. Номинальный (фазный) ток, Iн	19 А
4. Номинальная скорость,	1460 об/мин
5. Номинальный момент, Mн	65.4 н.м.
6. Момент инерции, J	0.09 кгм2
7. Число пар полюсов, 2p	4
8. Номинальная частота, fн	50 Гц
9. Активное сопротивление статора, rs	0.45 Ом
10. Активное сопротивление ротора, rr	0.7 Ом
11. Индуктивность рассеяния статора, ls	4310-4 Гн
12. Индуктивность рассеяния ротора, lr	5110-4 Гн
13. Взаимная индуктивность статора и ротора, Lm	0.1045 Гн

Система уравнений для идеализированного трехфазного короткозамкнутого АД в системе координат, вращающейся с произвольной скоростью _к с использованием системы относительных единиц согласно [ ], имеет вид:

где - обобщенные векторы, соответственно, напряжения, тока, потокосцепления статора;

- обобщенные векторы, соответственно, тока и потокосцепления ротора;

- активные сопротивления, соответственно, статора и ротора;

L_m - взаимная индуктивность статора и ротора;

- индуктивность рассеяния, соответственно, статора и ротора;

- соответственно, электромагнитный момент и момент сопротивления на валу АД;

H - момент инерции ротора АД;

- угловая скорость вращения ротора АД;

p - символ дифференцирования по времени.

Установившемуся режиму работы АД (все производные в фомуле равны нулю) системе соответствует T-образная схема замещения АД, изображенная на рисунке 1, где I - ток намагничивания АД; ₁ - частота питающей сети.

При математическом описании АД принята система относительных единиц, базовые значения которой определяются системой:

- базовый ток;

- базовое напряжение;

- базовая скорость;

- базовая частота;

- базовое время;

- базовый момент;

- базовая индуктивность;

- базовое потокосцепление;

- базовое сопротивление;

- базовый момент инерции.

Целью дипломного проекта является разработка и исследование автоматической системы регулирования (АСР) асинхронного высоковольтного электропривода на базе автономного инвертора тока с трехфазным однообмоточным двигателем с детальной разработкой программы высокого уровня при различных законах управления.

В ходе конкретизации из поставленной цели выделены следующие задачи.

Провести анализ известных законов управления применительно к высоковольтным электроприводам и определять на основе анализа рациональные законы и способы частотного управления высоковольтного злектропривода для разрабатываемых АСР.

Синтезировать автоматическую систему регулирования высоковольтного электропривода с трехфазным однообмоточным с учетом следующих требований, предъявляемым к АСР высоковольтного электропривода.

Реализовывать для электроприводов, работающих с постоянным моментом сопротивления в частых пуско-тормозных режимах управление по закону с постоянством потокосцепления ротора, обеспечивающему работу электропривода в интенсивных динамических режимах.

Иметь минимальное количество датчиков на валу и внутри машины.

Иметь минимальное количество датчиков, осуществляющих высоковольтную гальваническую развязку.

Реализовывать управление трехфазным двухобмоточным короткозамкнутым асинхронным двигателем.

Обеспечивать минимальную сложность технической реализации АСР.

Исследовать разработанные АСР в составе электропривода в динамических и статических режимах работы.

1.3 Анализ существующих средств автоматизации

Известные в настоящее время технические устройства для частотного управления асинхронным электроприводом в полной мере не отвечают требованиям, предъявляемым к мощному высоковольтному электроприводу и им присущи следующие недостатки:

ограниченная низкоскоростными электроприводами область применения, необходимость изготовления специальной машины или переделка серийной, применение специальных устройств для механического сочленения валов, невозможность применения в запыленных и агрессивных средах, что обусловлено наличием датчиков на валу и внутри машины;

высокая сложность технической реализации, обусловленная наличием сложных технических устройств: координатного преобразования, векторных фильтров, фазовращателей, функциональных преобразователей, блоков коррекции мгновенного значения частоты;

наличие большого числа датчиков, осуществляющих высоковольтную гальваническую развязку;

невысокая надежность, что обусловлено наличием датчиков на валу и внутри машины, высокой сложностью технической реализации блоков АСР, датчиков, осуществляющих высоковольтную гальваническую развязку.

1.4 Обоснование системы автоматического управления

При частотном управлении асинхронными двигателями наиболее часто используются следующие законы: поддержание постоянства потокосцепления статора (Y₁=const), поддержание постоянства главного потока машины (Y₀=const), поддержание постоянства потокосцепления ротора (Y₂=const), и регулирование величины потокосцепления в зависимости от величины нагрузочного момента (Y₁, Y₀, Y₂) =f(M)).

Первый закон реализуется при поддержании постоянного отношения ЭДС статора к угловой частоте поля. Основным недостатком такого закона является пониженная перегрузочная способность двигателя при работе на высоких частотах, что обусловлено увеличением индуктивного сопротивления статора и, следовательно, снижением потокосцепления в воздушном зазоре между статором и ротором при увеличении нагрузки.

Поддержание постоянства главного потока повышает перегрузочную способность двигателя, но усложняет аппаратную реализацию системы управления и требует либо изменений конструкции машины, либо наличия специальных датчиков.

При поддержании постоянного потокосцепления ротора, момент двигателя не имеет максимума, однако при увеличении нагрузки увеличивается главный магнитный поток, приводящий к насыщению магнитных цепей и, следовательно, к невозможности поддержания постоянства потокосцепления ротора.

Общим недостатком законов с поддержанием постоянства потокосцепления являются: низкая надежность, обусловленная наличием датчиков, встраиваемых в двигатель, и потери в стали при работе двигателя с нагрузочным моментом меньше номинального. Эти потери вызваны необходимостью поддержания постоянного номинального потокосцепления в различных режимах работы.

Существенно повысить КПД двигателя можно путем регулирования магнитного потока статора (ротора) в зависимости от величины нагрузочного момента (скольжения). Недостатками такого управления являются низкие динамические характеристики привода, обусловленные большой величиной постоянной времени ротора, из-за чего магнитный поток машины восстанавливается с некоторой задержкой и сложность технической реализации системы управления.

На практике группа законов с постоянством магнитного потока получила распространение для динамичных электроприводов, работающих с постоянным моментом сопротивления на валу и с частыми ударными приложениями нагрузки. В то время как группа законов с регулированием магнитного потока в функции нагрузки на валу применяется для низкодинамичных электроприводов и для приводов с “вентиляторной” нагрузкой.

В то же время существует ряд приводов таких механизмов как насосы, компрессоры, конвейеры и т. д., которые занимают промежуточное положение между динамичными и низкодинамичными, и для которых существующие системы не в полной мере удовлетворяют предъявляемым к этим приводам требованиям. Высокодинамичные привода имеют сложную систему управления и повышенные энергетические потери при недогрузе двигателей, а низкодинамичные привода не всегда способны отработать быстрые изменения статического момента.

На основании вышесказанного можно сделать вывод, что существующие системы не в полной мере отвечают требованиям, предъявляемым к электроприводам c асинхронными двигателями.

Учитывая, что в настоящее время большинство приводов таких механизмов как вентиляторы, насосы, компрессоры и т. д. имеют нерегулируемый привод, актуальной является задача выбора системы управления. Причем система управления должна обеспечивать достаточно высокое быстродействие, надежность и высокие энергетические характеристики привода.

Как уже было отмечено, высокими энергетическими характеристиками обладают системы с регулированием магнитного потока в функции нагрузки. Увеличить их динамические характеристики можно путем форсировки статорного напряжения (тока) во время переходных процессов и частых формирований управляющих воздействий. Получить высокую надежность можно за счет применения упрощенной системы регулирования, отказа от встроенных в двигатель и механически связанных с ротором датчиков.

На рис. показана структурная схема системы, поддерживающей постоянство угла между векторами тока статора (I₁₎ и потокосцепления ротора (Y₂₎, что равнозначно поддержанию постоянства относительного скольжения двигателя. Система управления состоит из: задатчика интенсивности (1); программируемого контроллера (2); блока широтно - импульсного модулятора (3); асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором (4); датчика тока (5) и блока определения угла (6). Поддержание постоянства угла между I₁ и Y₂ обеспечивает работу двигателя в области номинального режима с максимальными значениями КПД и cos(j). Кроме того, привод, обладая абсолютно жесткой механической характеристикой, что обусловлено постоянством относительного скольжения, получает возможность точного регулирования скорости вращения ротора путем изменения частоты поля.

Для технической реализации системы с поддержанием постоянства коэффициента полезного действия электродвигателя необходимо знать либо мгновенные величины относительного скольжения либо величину угла между током статора и потокосцеплением ротора. Измерить скольжение можно с помощью электромеханического или цифрового датчика скорости, угол между I₁ и Y₂ - с помощью датчиков напряжения и датчиков фазных токов. Так как датчик скорости существенно повышает стоимость системы регулирования, эксплуатационные затраты и ухудшает общую надежность системы, то более предпочтителен вариант системы с обратной связью по углу между векторами тока статора и потокосцепления ротора.

Существующие в настоящее время методы определения угла между I₁ и Y₂, например [1, 2, 3], имеют низкое быстродействие (не более шести измерений искомого угла за один оборот вектора поля) и невысокую точность измерения, обусловленную “дрейфом нуля” аналоговых элементов схемы и вводом в алгоритм определения углов активного сопротивления статора, значение которого изменяется в широких пределах при нагреве двигателя.

Рассмотрим алгоритм определения угла между I₁ и Y₂, лишенный вышеуказанных недостатков. Для обоснования алгоритма построим векторную диаграмму асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, отложив вдоль действительной оси R_a ток намагничивания I₀, определенный по известным реактивным параметрам асинхронного двигателя и измеренным значениям фазных токов и напряжений.

Значение углов между I₁ и Y₂ можно определить в реальном масштабе времени, когда вращение вектора тока статора статора I₁ определяется частотой питания асинхронного двигателя и в ускоренном масштабе времени, когда вращение вектора тока I₁ определяется в модели выбранным шагом временного интервала и быстродействием микропроцессорной системы. Второй вариант измерения углов более предпочтителен, так как позволяет осуществить больше измерений. По измеренным значениям фазных токов двигателя определяем величину вектора тока I₁ и совмещаем его в модели с действительной осью Ra, а затем переводим (в произвольный момент времени t₁) вектор тока I₁ в неподвижную, относительно статора, систему координат, то есть начинает выполняться программа, согласно которой вектор тока I₁ поворачивается против часовой стрелки со скоростью, определяемой быстродействием микропроцессорной системы и выбранным шагом временного интервала.

Из Т-образной схемы замещения (рис. 3) видно, что

то есть векторы тока и потокосцепления ротора взаимно перпендикулярны. В процессе поворота угол между векторами I₀ и Y₂ g(t) будет изменяться согласно выражения:

(1)

где a=w₀t - текущий угол между вектором тока статора и действительной осью Ra. В момент времени t₂ вектор тока статора I₁ займет положение OC, при котором векторы тока ротора I₂ и потокосцепления ротора Y₂ взаимно перпендикулярны, то есть g(t₂)=g.

Из рис. видно, что при g(t₂)=g выполняется соотношение:

I₁sinb=BC=AC+AB.

Величина отрезка AB определяется из подобия треугольников OBA и OED:

Так как AC = i₂ (из векторной диаграммы), то

BC = I₂ + = .

Величина отрезка AC определяется из треугольника АFC:

(2)

Таким образом, изменяющийся во времени угол g(t) будет равен углу между векторами тока намагничивания I₀ и потокосцепления ротора Y₂ асинхронного двигателя в момент выполнения равенства:

. (3)

Из векторной диаграммы (рис. ) видно, что искомый угол b между векторами тока статора I₁ и потокосцепления ротора Y₂ будет определяться как:

b = a(t₂) + g(t2) = w₀t + g

2. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

2.1 Наименование и область применения

Разрабатываемое устройство называется: автоматическая система управления асинхронным двигателем.

Область применения разрабатываемого устройства не ограничивается горнодобывающей промышленностью и может использоваться на любых предприятиях для управления машинами с асинхронным приводом.

2.2 Основание для проведения разработки

Проектируемая АСУ предназначена для управления асинхронным двигателем и осуществляет регулирование и измерение его основных параметров.

Автоматизированная система управления асинхронным двигателем может применяться для замены уже установленных систем управления устаревших образцов. При этом требуются минимальные капитальные затраты, но достигается значительное улучшение работы объекта управления.

2.3 Цель и назначение разработки

Целью создания АСУ является повышение технико-экономических показателей работы асинхронного двигателя. При этом эффективность управления достигается за счет применения современных методов управления технологическими процессами, а также использования новейших технических средств автоматизации.

2.4 Требования к системе

Распределение функций АСУ должно быть выполнено с целью достижения высокой устойчивости системы к отказам ее структурных компонентов и сочетаться с централизацией функций принятия решений по управлению технологическим процессом.

В целях повышения надежности функционирования АСУ должно быть предусмотрено резервирование ее структурных компонентов.

АСУ должна быть реализована в виде структуры, состоящей из определенного количества функциональных подсистем и отражающей принципы декомпозиции АСУ как по технологическому признаку, так и в соответствии с иерархией реализуемых задач управления.

2.4.1 Требования к комплексу решаемых задач

Для реализации поставленных задач система должна обеспечивать:

пуск и останов двигателя;

изменение частоты вращения вала двигателя;

регистрацию (вывод на экран и печать) основных параметров двигателя (информация должна представляться на экране оператору в удобной для чтения форме: в виде таблиц и графиков);

экстренный останов двигателя в случае поступления аварийного сигнала от датчиков (при отклонении параметров от допустимых технологических пределов);

резервирование измерительных каналов.

2.4.2 Нижний уровень

Нижний уровень должен решать задачи сбора информации с датчиков технологических параметров, контроль исправности датчиков и линий связи, контроль параметров и сигнализация об отклонениях их за допустимые технологические пределы, а также передает их в АСУ верхнего уровня.

2.4.3 Верхний уровень

Верхний уровень АСУ выполняет функции диалогового взаимодействия с оператором, включающие в себя отображение, накопление и анализ данных по измеренным параметрам двигателя, рассчитанным значениям параметров двигателя.

2.4.4 Требования к надежности

В качестве комплексного показателя надежности
(учитывающего безотказность и ремонтопригодность) согласно ГОСТ 24.701-86 должен использоваться коэффициент готовности, определяющий вероятность работоспособности системы в любой произвольно выбранный момент времени в соответствии с режимом работы объекта управления.

Коэффициент готовности для системы в целом должен составить :

для автоматического режима (с учетом надежности датчиков)

Кг=0,995;

для автоматического режима (без учета надежности датчиков)

Кг=0,998;

для режима ручного (дистанционного) управления

Кг=0,998.

2.4.5 Требования к безопасности

При проектировании АСУТП должны быть предусмотрены меры по обеспечению безопасности при монтаже, эксплуатации, обслуживанию и ремонту технических средств в соответствии с действующими нормативными документами :

Санитарные нормы проектирования промышленных предприятий СН 245-71, утвержденные Госстроем СССР 05.02.71г.;

Правила устройства электроустановок ПУЭ-76;

Пожарная автоматика зданий и сооружений СНиП 2.04.09-84г.;

Система стандартов безопасности труда (ССБТ). Оборудование производственное. Общие требования безопасности ГОСТ 12.2.003-74;

ССБТ. Цвета сигнальные и знаки безопасности, ГОСТ 12.4.026-76;

Уровень освещенности рабочих мест персонала АСУ должен соответствовать характеру и условиям труда. Должны быть предусмотрены защита от слепящего действия света и устранение бликов.

Для помещения микропроцессорной техники должна быть разработана система автоматического пожаротушения. Все помещения, в которых размещаются средства АСУ, должны быть оборудованы автоматической пожарной сигнализацией.

Требования к безопасности электрических изделий, используемых в АСУ, должны соответствовать
ГОСТ 12.2.007.0-75.

Требования к безопасности средств вычислительной техники, используемой в АСУ, должны соответствовать ГОСТ 25861-83.

Все внешние элементы технических средств АСУ, находящиеся под напряжением, должны иметь защиту от случайного прикосновения.

Все технические средства должны иметь защитное заземление.

2.4.6 Требования к эргономике и технической эстетике

Отделка помещений микропроцессорной техники и центрального поста управления (ЦПУ) должна быть выполнена в светлых тонах.

Рабочее место технологического персонала центрального поста управления должно соответствовать требованиям ГОСТ 22269-76 и ГОСТ 21958-76.

Конструкция рабочих мест должна обеспечить быстроту, простоту экономичность технического обслуживания и ремонта в нормальных и аварийных условиях.

Все щиты и пульты, расположенные в ЦПУ, должны быть совмещенными (с размещением средств управления по проектам электрооборудования и АСУТП) и разработаны головным исполнителем.

Конструкция и расположение щитов, пультов в ЦПУ должны обеспечить обозримость и простоту обслуживания.

Форма представления информации на видеокадрах должна обеспечивать наглядность, достоверность и однозначное понимание представляемой информации. Должны быть приняты меры для снижения зрительной нагрузки на оператора. Видеокадры должны быть разработаны с учетом психофизиологических особенностей восприятия человека.

2.4.7 Требования к эксплуатации, техническому обслуживанию, ремонту и хранению компонентов системы

В зависимости от функционального назначения технических средств, а также для рациональной компоновки и удобства обслуживания, технические средства должны располагаться в следующих помещениях :

центральном посту управления;

помещении микропроцессорной техники.

Площадь помещений должна соответствовать требованиям предприятий-изготовителей по размещению и обслуживанию технических средств и санитарных норм СН245-71.

В помещениях должны быть обеспечены санитарно-гигиенические условия эксплуатации комплекса технических средств ( КТС ) в соответствии со СННП 2.04.05-86, СН 245-71, СН 512-78.

В помещениях микропроцессорной техники и ЦПУ должно быть предусмотрено кондиционирование воздуха.

При проектировании электроснабжения и систем искусственного освещения помещений для размещения технических средств необходимо выполнять требования "Правил устройств электроустановок" (ПУЭ), СНИП П-4-79, а также требования глав СНИП по электрическим устройствам.

При определении предельно допустимых концентраций агрессивных примесей в помещении, предельно допустимой амплитуды и частоты вибрации, воздействующей на средства АСУТП, необходимо руководствоваться СН 245-71.

Все вышеперечисленные требования, а также требования к площадям для размещения средств АСУ, прорабатываются на стадии технического проекта и выдаются в задании на проектирование помещений.

Расположение кабельных трасс должно исключать воздействие высокой температуры, масла, воды, а также быть удобным для монтажа и демонтажа.

Должны быть обеспечены условия хранения технических средств АСУ для микроклиматического района с умеренным климатом. Срок пребывания изделия в соответствующих условиях устанавливается техническими условиями хранения изделий.

В помещениях для хранения средств вычислительной техники (СВТ) не должно быть агрессивных примесей (паров, кислот, щелочей), вызывающих коррозию.

СВТ хранят в упаковке в складских помещениях при температуре воздуха 535С и относительной влажности не более 85%. Допускается хранение в более жестких условиях, если проведена консервация СВТ в соответствии с требованиями ГОСТ 9.014-78 способом, обеспечивающим сохранность СВТ при средних условиях хранения в течение 9 месяцев.

Для сокращения общего времени обслуживания комплекса технических средств должно быть организовано параллельное обслуживание устройств этого комплекса в соответствии с инструкциями по эксплуатации на эти изделия.

Состав ЗИП должен быть определен в процессе проектирования и включен в спецификацию оборудования.

2.4.8 Требования к защите информации от несанкционированного доступа

Должна быть обеспечена программная и аппаратная защита от неквалифицированных действий пользователя и от попыток несанкционированного доступа пользователей к внутрисистемной информации.

В зависимости от статуса пользователя должны быть предусмотрены различные уровни доступа к внутрисистемной информации.

2.4.9 Требования по сохранности информации при авариях

Требования по сохранности информации в системе обеспечиваются выбором технических средств, содержащих аппаратные и программные средства защиты информации, а также соответствующими организационными решениями.

Для обеспечения сохранности информации при авариях в системе электропитания, а также при кратковременных скачках напряжения питающей сети, необходимо осуществлять питание СВТ от отдельных трансформаторов силовой подстанции по двум независимым стабилизированным вводам.

2.4.10 Требования к защите от влияния внешних воздействий

Для защиты КТС АСУ от влияния внешних воздействий необходимо выполнить следующие мероприятия:

устройства, расположенные возле источников радиопомех, должны быть экранированы ;

для защиты линий связи аналоговых, цифро-импульсных, кодированных сигналов и линий межмашинной связи от наводок, вызванных внешним переменным или импульсным электрическим полем, необходимо поместить линию в экранирующую оплетку, заземленную в одной точке ;

при выборе уровня напряжения дискретных сигналов следует руководствоваться РТМ 25.212-85 ;

укладка в один жгут цепей электропитания, слаботочных цепей и цепей передачи информации не допускается ;

в необходимых случаях следует предусмотреть экранирование помещений, в которых будут расположены технические средства АСУ ;

напряженность внешнего магнитного поля в местах размещения СВТ не должна превышать 400 А/м ;

СВТ должны иметь отдельные контуры защитного заземления, организованные в соответствии с "Правилами устройства электроустановок" и техническими условиями эксплуатации технических средств. Заземление должно быть автономным. Подключение к нему силового оборудования и электроприемников другого назначения не допускается ;

в помещении микропроцессорной техники должна быть предусмотрена отдельная (автономная) магистраль схемного зануления. Магистраль выполнить в соответствии с "Правилами устройства электроустановок" и техническими условиями на эти средства.

При проектировании помещений, в которых размещаются технические средства АСУ, необходимо принять меры, уменьшающие механические воздействия от работы оборудования прокатного цеха. Вибрация в этих помещениях не должна превышать по частоте 25 Гц, а по амплитуде - 0,1 мм.

2.5 Требования к видам обеспечения

2.5.1 Требования к математическому обеспечению

Состав математического обеспечения системы должен обеспечивать выполнение функций всех ее компонентов (систем), реализуемых с помощью программируемых технических средств.

Математическое обеспечение системы содержит следующие компоненты :

общесистемные алгоритмы, обеспечивающие функционирование системы в целом ;

алгоритмы сбора и обработки информации ;

алгоритмы реализации отдельных задач ;

Для реализации однотипных задач необходимо использовать однотипные алгоритмы.

Алгоритмы должны быть работоспособны при любых значениях входной и обрабатываемой информации.

2.5.2 Требования к информационному обеспечению

База данных АСУ должна быть распределена в соответствии с принципами декомпозиции комплекса технических средств и адекватна иерархической структуре АСУ с распределенными функциями обработки информации.

Информационный обмен между компонентами АСУ должен обеспечивать целостность распределенной базы данных системы.

Информационный обмен между системами АСУТП в зависимости от уровня иерархии и распределения их по техническим средствам должен осуществляться путем:

передачи унифицированных сигналов ;

передачи межсистемных сообщений и запросов ;

использования общих информационных баз.

Для обеспечения сохранности информации при сбоях или авариях в системе электропитания технических средств АСУТП должны быть предусмотрены следующие меры :

дублирование входного потока сигналов и сообщений;

формирование дублирующих баз данных на магнитных носителях;

применение энергонезависимых оперативных запоминающих устройств;

квитирование межсистемных сообщений.

Должен быть предусмотрен контроль входной информации каждой системы на достоверность, в т. ч. контроль достоверности информации, вводимой оператором вручную.

Должна быть предусмотрена возможность восстановления базы данных АСУ с использованием дублирующей базы данных и архивной информации.

2.5.3 Требования к лингвистическому обеспечению

Требования к применению языков программирования, языков взаимодействия пользователей и технических средств системы, а также требования к кодированию и декодированию данных, средствам манипулирования данными и способам организации диалога определяются применяемым для реализации АСУТП комплексом технических средств.

Человеко-машинное взаимодействие при вводе-выводе информации должно осуществляться в интерактивном режиме с помощью клавиатуры и дисплея для подсистем верхнего и среднего уровней АСУ. Для подсистем нижнего уровня АСУ ввод исходных данных может осуществляться с помощью задатчиков и сервисных устройств комплекса технических средств.

Должны быть обеспечены единство и однозначность кодирования информации различных уровней системы.

В целях защиты информации от несанкционированного доступа должна быть предусмотрена система паролей с различными уровнями доступа для различных категорий пользователей с разной мерой ответственности.

2.5.4 Требования к программному обеспечению

Программное обеспечение АСУТП должно быть достаточным для реализации всех функций системы.

Требования к независимости программных средств от используемых средств вычислительной техники и операционной системы не предъявляются.

Базовое и тестовое программное обеспечение должны поставляться в составе комплекса технических средств.

Прикладное программное обеспечение подсистем нижнего уровня может быть создано путем конфигурирования стандартных программных модулей с использованием инструментального комплекса техническим средств. При необходимости должны быть разработаны дополнительные программные модули и средства.

Требования к необходимости согласования вновь разрабатываемых программных средств с фондом алгоритмов и программ не предъявляются.

2.5.5 Требования к техническому обеспечению

В качестве средств вычислительной техники должны быть применены персональные ЭВМ (ПЭВМ) на верхнем уровне АСУ и микропроцессорный комплекс технических средств на нижнем уровне системы. Техническое обеспечение АСУТП должно быть построено по иерархическому принципу и обеспечивать выполнение функций, описанных в техническом задании данного дипломного проекта.

Комплекс технических средств АСУТП должен обеспечивать бесперебойное функционирование системы.

Для получения первичной входной информации должны быть использованы датчики, измерительные и нормирующие преобразователи с унифицированными характеристиками.

Комплекс технических средств АСУТП должен отвечать следующим критериям :

обеспечение минимального времени на обслуживание ;

наглядность и простота пользования средствами отображения, сигнализации и дистанционного управления ;

высокая автоматизация процессов запуска, останова и сервисного обслуживания ;

удобство пользования справочными, архивными и сервисными данными.

3. СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

3.1 Выбор технических средств

Исходя из формулировки задачи определим технические средства необходимые для реализации устройства с заданными характеристиками и свойствами.

Для контроля скорости вала двигателя будем использовать тахогенератор сопряженный с валом рабочего двигателя, сигнал от которого заведем на аналогово-цифровой преобразователь находящийся непосредственно в разрабатываемой системе. Для преобразования непрерывного сигнала в цифровую форму представления выберем микросхему 1113ПВ1.

Сигналы от АЦП будем передавать на однокристальный микроконтроллер КР1816ВЕ51 выбранный по причине его аналогичности контроллеру Intel87C51FX, соответствия команд этих контроллеров и соответствия по уровням сигналов с ЭВМ выпускаемыми Intel, а также необходимости оперирования с данными представленными в параллельном формате, а также передачи обработанной информации в последовательном формате. Для ведения статистики работы системы потребуется ЭВМ типа IBM AT286 или более поздние модели.

Для получения информации о процессах, происходящих в системе, потребуются датчики. Для коммутации датчиков с модулем микроконтроллера используем принцип опроса и передачи информации о состоянии дискретных датчиков. Сопряжение будет осуществляться по линии связи посредством кабеля ТРШ.

Для гальванической развязки цепей линии связи и цепей микроконтроллера будем использовать оптроны, которые необходимы для преобразования сигналов представленных в линии связи импульсами тока в импульсы напряжения ТТЛ-уровня.

3.2 Разработка структурной схемы

Разработку структурной схемы автоматического управления асинхронным двигателем начнем с необходимости контроля температуры корпуса двигателя, частоты вращения вала двигателя.

Кроме того для получения информации о скорости вращения вала двигателя расположим тахогенератор, вал которого жестко сопряжен с валом рабочего двигателя. Двухпроводная линия связи соединяет тахогенератор с блоком управления.

Для контроля работы двигателя и ведения статистики этой работы контроллер соединяется с ЭВМ верхнего уровня.

Таким образом структурная схема будет содержать систему датчиков, устройства сбора и промежуточной передачи информации, устройство управления работой установки и машины верхнего уровня.

3.3 Разработка функциональной схемы

Функциональную схему можно условно разбить на блоки:

блок центрального процессора;

блок ввода и преобразования аналоговых сигналов;

блок ввода-вывода дискретных сигналов;

линейные модули;

блок гальванических развязок.

3.3.1 Блок центрального процессора

Блок центрального процессора содержит однокристальный микроконтроллер КР1816ВЕ51, далее - контроллер, микросхему ППЗУ и устройства сопряжения. Для обеспечения доступа к памяти на разрешающий вход микросхемы ППЗУ - К537РФ6 заведен стробирующий выход адреса контроллера ALE, который свидетельствует об установке адреса ячейки памяти ППЗУ на шине адреса. При наличии сигнала выбора микросхемы для ППЗУ, оно (ППЗУ) выставляет на шину данных содержимое ячейки по указанному адресу. В остальных случаях выходы микросхемы памяти находятся в высокоимпедансном состоянии.

Также один из портов контроллера используется как вход от блока ввода и преобразования аналоговых сигналов, как строб завершения преобразования.

Четыре бита этого же порта используются для управления и опроса блока ввода дискретных сигналов, причем два бита - как управляющие и два как информационные.

3.3.2 Блок ввода и преобразования аналоговых сигналов

Базовым элементом блока ввода и преобразования аналоговых сигналов является аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), который преобразует сигнал постоянного двуполярного тока в цифровой десятиразрядный двоичный код.

При поступлении сигнала на разрешение преобразования от контроллера АЦП замеряет сигнал на входе, и после завершения преобразования вместе с сигналом “Конец преобразования” выставляет на шину данных код.

3.3.3 Блок ввода-вывода дискретных сигналов

Блок ввода дискретных сигналов предназначен для ввода, нормализации и гальванической развязки сигналов от дискретных датчиков. Блок ввода дискретных сигналов работает совместно с выносными линейными модулями, объединение которых производится двухпроводной линией связи.

Опрос датчиков осуществляется последовательно время-импульсным квитированием сигналов. Цикл опроса разбит на 2 временных интервала - подготовительный и контрольный. Подготовительный сигнал необходим для заряда линейных модулей. Контрольный интервал разбит на 64 временных позиции, 62 из которых несут информацию о состоянии датчиков, 2 позиции выделены для контроля обрыва проводов линии связи.

Блок ввода дискретных сигналов формирует в линию связи специальные положительные и отрицательные импульсы. Импульсами положительной полярности пpоизводится питание и синхронизация pаботы модулей линейных. Ответные импульсы от модулей линейных фоpмиpуются во время пpохождения импульсов отрицательной полярности.

3.3.4 Математическое описание асинхронного двигателя

Асинхронная машина представляет собой систему, как минимум двух обмоток, одна из которых расположена на неподвижной части (статоре), другая на вращающейся части (роторе) машины. Момент машины образуется в результате взаимодействия токов в этих обмотках. Трехфазная обмотка статора подключается к питающей сети, трехфазная обмотка ротора замкнутая. Обмотки статора и ротора магнитосвязаны, поэтому потокосцепление обмотки статора определяется как токами, протекающими по трем фазам обмотки статора, так и токами фаз ротора. Это же относится и к обмотке ротора. Таким образом, имеются две трехфазные обмотки, вращающиеся одна относительно другой. Если к обмотке статора приложено трехфазное напряжение, а обмотка ротора замкнута, то мгновенные значения фазных напряжений статора и ротора задаются следующими уравнениями:



Исходя из теории результирующего вектора, описанной в [ ], умножим первое и четвертое уравнения системы (1) на , второе и пятое на , третье и шестое на . Суммируя полученные произведения, получим:

, или

где потокосцепления Y₁ и Y₂ зависят от токов ротора и статора, а также от индуктивностей обмоток машины.



Определим величины потокосцеплений статора и ротора. Предположим, что статор и ротор трехфазного асинхронного двигателя имеют симметричные обмотки, воздушный зазор по всей окружности ротора одинаков, магнитное поле в воздушном зазоре распределено синусоидально, оси обмоток статора и ротора не совпадают, образуя произвольный угол j (рис. 1).

Устанавливаем величину полного магнитного потока, сцепленного со статорной обмоткой фазы A. Для этого учитываем магнитные поля, созданные фазными токами I_1A, I_1B, I_1C. Принимаем, что индуктивности фазных обмоток статора одинаковы и равны l₁, взаимные индуктивности фаз A-B, A-C и B-C также одинаковы и равны l₀ (по условиям симметрии асинхронной машины). Тогда общий магнитный поток, сцепленный со статорной обмоткой фазы A выразится следующим образом:

.

Подставив вместо I_1C величину (-I_1A-I_1B) (так как сумма фазных токов асинхронного двигателя равна нулю), получим:

.

Проделав аналогичные операции с фазами B и C, запишем следующую систему уравнений:

Заметим, что индуктивность фазной обмотки статора включает в себя индуктивности от полей рассеяния и от главного потока, то есть

l₁=l_1l+l₁₀ (4)

Так как, в общем случае, взаимная индуктивность двух обмоток со сдвинутыми на некоторый угол осями равна произведению взаимной индуктивности, которая имела бы место при совпадении осей обмоток, на косинус угла между осями, то взаимную индуктивность можно выразить соотношением:

(5)

Учитывая выражения (4) и (5), преобразуем систему уравнений (3) к следующему виду:

где L₁ = l_1l + 1,5l₁₀ = l_1l + L₀ - полная индуктивность фазы статора.

Рассуждая аналогичным образом относительно обмотки ротора, получим следующие выражения для фазных потокосцеплений роторной обмотки с собственным потоком: