Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные типы технологического оборудования, применяемого в кабельном производстве 7
1.1. Класснфикация кабельного оборудования 7
1.2. Состав технологических линии 9
Глава 2. Анализ типовых задач кабельного производства 20
2.1. Типовые задачи кабельной отрасли 20
2.2. Варианты решения типовых задач с помощью частотно-регулируемого электропривода 24
2.2.1 Регулирование скорости 25
2.2.2. Регулирование натяжения 27
2.3. Моделирование контура поддержания натяжения 34
Глава 3. Концепция комплексной автоматизации процесса производства проводов и кабелей на базе частотно-регулируемого электропривода 45
3.1. Адаптированная версия ПЧ «Универсал» для решения задач кабельной отрасли 45
3.2. Цифровая промышленная сеть 48
3.2.1. Применение промышленной сети для автоматизации кабельной линии 49
3.2.2. Обзор существующих промышленных сетей 52
3.2.3. CAN-интерфейс 56
3.3. Состав и распределение задач среди устройств сетевого окружения.59
3.4. Разработка специализированного протокола обмена 61
Глава 4. Проектирование экспериментальной перемоточной линии 68
4.1. Типовой состав перемоточных линий 68
4.2. Статические нагрузки в перемоточных линиях 69
4.3. Состав оборудования линии 74
4.3.1. Отдающее Устройство 76
4.3.2. Тяговое Усгройство 78
4.3.3. Приемное устройство SO
4.4. Система управления перемоточной линии 82
4.5. Пульт управления линией на базе ПК SS
Глава 5. Экспериментальное исследование созданной перемоточном линии 94
5.1. «Ручной» режим 94
5.2. «Заправочный» режим 95
5.3. Работа линии в режиме «Автомат» 97
Заключение 102
Список использованной литературы
- Класснфикация кабельного оборудования
- Варианты решения типовых задач с помощью частотно-регулируемого электропривода
- Адаптированная версия ПЧ «Универсал» для решения задач кабельной отрасли
- Статические нагрузки в перемоточных линиях
Введение к работе
Актуальность темы. Современное кабельное производство ориентировано на создание высокопроизводительных автоматических линий с совмещенными технологическими процессами. Например, типичный представитель кабельного технологического оборудования экструзионные линии могут содержать в себе процессы волочения, отжига, изолирования (одно-, двух-, трехслойного), скрутки, нанесения маркирующих знаков с измерением на проход основных параметров изделия - диаметра, эксцентриситета и др.
Кабельные линии стараются выполнить по принципу модульного построения на основе типовых узлов. К таким типовым модулям относятся: приемные и отдающие устройства, технологические узлы, ванны охлаждения, тяговые устройства. Даже такие консервативные виды оборудования, как крутильное, изолировочное, бронировочные машины в современном исполнении построены по модульному принципу.
Еще одной особенностью построения кабельных линий является протяженность в пространстве, иногда они достигают сотни метров, а это приводит к сложностям при электрическом соединении их узлов и визуального контроля за работой линии в целом.
Очевидно, что регулируемый многодвигательный электропривод кабельных линий, работающий в режиме электрического вала, должен обеспечивать не только согласованное управление модулями в статических и динамических режимах работы, но и обеспечивать согласованную работу с многочисленными датчиками, приборами контроля и управления. Например, качественное управление электроприводом либо экструдера, либо тягового устройства от приборов контроля диаметром изделия позволяет, как экономить изоляционный материал, так и изготавливать более качественную продукцию.
В кабельном машиностроении, как и в других отраслях промышленности, наблюдается резкий спрос на регулируемый электропривод на базе преобразователей частоты (ПЧ) - асинхронный двигатель (АД). Хорошие технико-экономические показатели, удобство в
СП,
-)
эксплуатации, надежность вызывает повышенный интерес у потребителя. Следует отметить, что ПЧ, как правило, имеют сетевую поддержку и позволят строить на своей базе распределенные цифровые системы управления (СУ), позволяющие реализовывать алгоритмы группового и согласованного управления оборудованием, мониторинг параметров линии, системы протоколирования и диагностирования аварийных ситуаций и предотвращения дальнейшего их развития, подключение цифровых технологических датчиков, что исключительно важно при решении задач комплексной автоматизации протяженных кабельных линий.
В настоящее время на многих отечественных заводах используются высокоавтоматизированные кабельные технологические линии. К сожалению, в большинстве своем они импортного производства и весьма дорогие, с соответствующими проблемами при эксплуатации и обслуживании. Для большинства промышленных предприятий они просто не доступны.
Изложенное, позволяет утверждать, что разработка системы комплексной автоматизации кабельных линий на базе отечественных преобразователей частоты и контроллеров с сетевыми возможностями является актуальной задачей.
Цель диссертационной работы - создание модульной, гибкой системы комплексной автоматизации кабельной линии на базе специализированных ПЧ и контроллеров с сетевыми возможностями отечественного производства, обеспечивающих групповое и согласованное управление электроприводами линии и вспомогательным оборудованием, реализацию системы протоколирования и наблюдения технологических параметров, удобный интерфейс оператора.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были решены следующие задачи:
1. Анализ типовых задач кабельного машиностроения и разработка
вариантов их решения на базе частотно-регулируемого
электропривода.
-
Адаптация функций стандартного преобразователя частоты «Универсал» для решения типовых задач кабельной отрасли.
-
Разработка концепции комплексной автоматизации кабельных линий на базе специализированных ПЧ и контроллеров с сетевыми возможностями.
-
Проектирование экспериментальной перемоточной линии. Создание алгоритмов и программного обеспечения контроллера линии, визуализации и управления линией на базе персонального компьютера (ПК). Синтез контура поддержания натяжения, системы согласованного управления оборудованием линии и раннего предупреждения аварий.
-
Техническая реализация и экспериментальные исследования разработанной САУ на базе экспериментальной перемоточной линии.
Методы исследования. Моделирование контура поддержания натяжения проводилось в среде Simulink пакета Matlab. Специализированное программное обеспечение (ПО) разрабатывалось в интерактивной среде Code Composer Studio и отлаживалось на ПЧ типа «Универсал» в составе модулей экспериментальной перемоточной линии.
Основные практические результаты диссертации состоят в разработке:
-
адаптированной версии рабочего алгоритмического и программного обеспечения отечественного преобразователя частоты «Универсал» для решения типовых задач кабельной отрасли;
-
программного обеспечения контроллера МК9.1 линии, реализующего групповое, согласованное управление ПЧ;
-
программы «Монитор» на базе ПК для оперативного управления и индикации состояния модулей линии и технологических параметров.
Создана экспериментальная перемоточная линия, которая может служить прототипом для новых разработок в кабельной отрасли.
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на заседании кафедры «Автоматизированный электропривод» Московского энергетического института (технического университета)
Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 печатные работы.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений; количество страниц 157, иллюстраций 103, число наименований использованной литературы 25 на 2 страницах, приложений 5 на 46 стр.
Класснфикация кабельного оборудования
Оборудование для производства проводов и кабелей состоит из различных специализированных машин и агрегатов, установленных в порядке соответствующем технологии производства. С целью определения состава технологических линий, специфики работы электропривода отдельных модулей, в данной главе представлена классификация и обзор структур некоторых типов технологического оборудования для производства кабельных изделий.
Исторически сложившаяся классификация кабельного оборудования базируется преимущественно на двух признаках: назначении машины и ее принципе действия [1]. Основное технологическое оборудование можно разделить на следующие виды: волочильное; крутильное; изолировочное; крутильно-изолировочное; экструзионное; эмалировочное; прессовое; бронировочное; оплеточное.
К вспомогательному оборудованию относятся: бумагорезательное и плеикорезательиое; тростильное; перемоточное и др. Экструзиошюе оборудование подразделятся по назначению: экструдеры для наложения изоляции - небольшой диаметр червяка; экструдеры для наложения оболочки и защитного шланга - при больших диаметрах червяка.
Обмоточные машины - машины для наложения изоляции методом обмотки нитями, лентами, пленками п проч., относятся к изолировочному оборудованию. В зависимости от расположения обмотчиков обмоточные машины разделяются на виды: с центральными обмотчиками; с эксцентричными обмотчиками. Эксцентричные обмотчики подразделяются на подвиды: простые; плоские; тангенциальные; полутангенциальные.
В настоящее время все виды кабелей изготавливаются с пенополиэтиленовой изоляцией. Эмаль-агрегаты разделяются: вертикальные; горизонтальные.
Прессовое оборудование характеризуется различными признаками, основными из которых являются: материал оболочки: алюминий, свинец; режим работы: периодический, непрерывный; тип исполнения конструкции: горизонтальные, вертикальные; привод: гидравлический, электромеханический. -9 Броииравочное оборудование подразделяется па виды в зависимости от рода брони: лентобронмровочные машины; проволоко-броиировочные машины; лентопроволочные бропировочные машины. Оплеточные машины различают по принципу действия: карусельные; челночные. Машины для оплетки стальной защитной лентой называются бронеоплеточными.
Таким образом, из представленной классификации кабельного оборудования видно, что оно подразделяется на множество типов, принадлежность к которым для одного оборудования определяется назначением, а для другого принципом действия. Поскольку основным типом привода кабельных агрегатов является электропривод, то, учитывая многообразие типов оборудования данной отрасли, можно судить о многочисленности и разнообразии типов используемого электропривода и способов регулирования координат исполнительных механизмов с его помощью.
Варианты решения типовых задач с помощью частотно-регулируемого электропривода
Поддержание натяжения - характерная для кабельной отрасли задача, решение которой требуется в таких устройствах как: отдающие; приемные.
Кроме того, в кабельном машиностроении встречаются решения, в которых поддержание натяжения осуществляется внутри технологического участка, как, например, в экструзионных линиях, когда второе тяговое устройство, стоящее после экструдера, обеспечивает постоянство натяжения в зоне наложения изоляции. Традиционно натяжение поддерживают двумя способами: параметрически; с использованием компенсатора.
Параметрическое поддержание натяжения используется, как правило, в тихоходных линиях, таких как обмоточные линии, и даже может быть применено в экструзионных линиях наложения оболочки или ошланговывания, если линейная скорость их работы не высока и перемещаемое изделие допускает изменение натяжения в процессе работы линии. Параметрическое поддержание натяжения удобно реализовывать иа -24 базе систем ИТ-Д. В самом простом варианте, когда не требуется высокой томности поддержания натяжения, электропршюд по системе ИТ-Д работает без обратных связей в режиме «источника момента». В этом случае момет-па валу двигателя постоянен и не зависит от угловой скорости, т.к. действие ЭДС двигателя подавлено источником тока, момент зависит только от величины сигнала задания. Для обеспечения поддержания натяжения при изменении радиуса намотки реализуется режим постоянства мощности, в котором система управления замкнута обратной связью по величине ЭДС двигателя [7,10].
Во всех случаях, когда требуется высокая точность поддержания натяжения, когда недопустимы рывки изделия и требуется согласование скоростей в условиях нелинейно изменяющихся моментов сопротивления и инерции вращающихся масс - используются компенсаторные системы .поддержания натяжения. Данные системы зарекомендовали себя хорошей надежностью и точностью поддержания натяжения, поэтому до сих пор широко используются в кабельном машиностроении. Кроме того, технология производства некоторых изделий не допускает изменения натяжения провода и рывков, как в экструзионных линиях наложения изоляционных материалов, поскольку выходным параметром качества изделия является его электрическое сопротивление, величина которого изменяется при вытягивании провода.
В настоящее время электропривод по системе ПЧ-АД активно развивается, пользуется повышенным спросом у потребителя и является наиболее перспективным современным типом регулируемого электропривода. Данная работа посвящена разработке системы комплексной автоматизации кабельных линий на базе частотно-регулируемого электропривода. В настоящий момент можно уверенно утверждать, что частотно-регулируемый электропривод основательно вошел в сферу регулируемого электропривода. На рынке изготовителей ПЧ конкурируют крупнейшие мировые производители.
Встречаются два основных закона регулирования: U/f = const или скалярное управление и векторное управление, а также их вариации (с и без IR-компенсациеп, с и без датчика и проч.). Другие преобразователи предоставляют несколько вариантов управления двигателем, в соответствии с классическими законами управления, широкий спектр настроек параметров СУ, позволяющих использовать интеллектуальную мощь ПЧ под задачи автоматизации небольшого агрегата. Наряду с зарубежными преобразователями, существуют ПЧ отечественного производства, серийно выпускаемые под маркой «Универсал».
На кафедре АЭП МЭИ совместно с рядом отечественных фирм была разработана серия преобразователей частоты «Универсал» с системой управления на базе сигнальных микроконтроллеров Texas Instruments TMS320F24xx. позволяющих управлять асинхронным двигателем промышленного исполнения. Микропроцессорная часть системы управления ПЧ постоянно развивается и совершенствуется, благодаря создаваемым на кафедре версиям контроллеров. Разработаны две версии преобразователей: со скалярной и с векторной СУ. Скалярная версия характеризуется предельно кратким списком настраиваемых параметров, с возможностью «отката» к заводским уставкам, что позволяет легко и быстро настраивать блок.
Рассмотрим решение выделенных типовых задач средствами частотно-регулируемого электропривода на базе ПЧ «Универсал».
Адаптированная версия ПЧ «Универсал» для решения задач кабельной отрасли
Первый, базовый подход предлагаемой концепции состоит в использовании адаптированной версии серийного преобразователя частоты «Универсал» для решения типовых задач кабельного машиностроения, анализ которых был произведен во второй главе.
Как отмечалось ранее, для решения задач, связанных с регулированием и поддержанием угловой скорости вращения двигателя, решение которых требуется в волочильных машинах, лептообмотчиках, тяговых устройствах и проч., достаточно стандартных средств, входящих в серийную версию преобразователя «Универсал»: ? настраиваемый задатчнк интенсивности с линейной и «s»-o6pajnou (кривая второго порядка) характеристикой для обеспечения плавного разгона двигателя; ? настраиваемая кривая закона регулирования U/f = const с возможностью включения IR компенсации, для обеспечения неизменной жесткости характеристик и величины критического момента двигателя во всем диапазоне регулирования скорости, включая низкие частоты;
? модули обработки сигналов с внешних аналоговых и квадратурных датчиков скорости; ? встроенный ПИ-регулятор технологической переменной позволяет реализовывать замкнутую САУ с отрицательным сигналом по скорости вращения двигателя, обеспечивая астатическое регулирование скорости; ? параметрическая настройка типа останова двигателя: выбег, динамическое торможение, частотное торможение; ? параметрическая настройка источника сигнала задания: местный SPI-пульт управления (на корпусе блока); внешний пульт управления, с аналоговым заданием на частоту; удаленный CAN пульт управления;
Для обеспечения задач поддержании натяжения, в ПО адаптированной версии ПЧ добавлены разработанные автором программные модули: бездатчикового поддержания натяжения, регулирования натяжения с прямым и косвенным измерением радиуса, поддержание натяжения с использованием компенсатора.
Автоматизация многодвигательного электропривода входящего в состав кабельной линии потребовала модернизации программного обеспечения драйвера сетевой поддержки преобразователя, основные результаты которой представлены в таблице 3.1. Модифицированная версия ПО позволяет осуществлять дистанционное управление преобразователем по CAN-сети, осуществлять его удаленное параметрирование и конфигурирование.
Термин «Fieldbus» в переводе с английского звучит как «промышленная сеть» [13]. Он не определяет протокол или архитектуру сети и не является собственностью какой-либо компании. Этот термин скорее определяет сферу применения, чем тип сетевой реализации. Промышленная сеть (ПС) это в первую очередь среда передачи данных. Кроме того, она включает в себя набор протоколов обмена, регламентирующих правила обмена информацией. Благодаря использованию разных протоколов, можно объединить устройства разных производителен в единую сеть и обеспечить взаимодействие нижнего и верхнего уровней АСУ. ПС это область рынка, в которой сталкиваются интересы многих корпораций, где ведется борьба стандартов, поэтому неизбежно возникает множество видов сетевой шины, протоколов обмена, лоббируемые отдельными компаниями.
В большинстве своем отечественные системы автоматизации процесса изготовления кабеля — аналоговые и лишь единицы, относящиеся, как правило, к совместным с зарубежными фирмами проектам, используют потенциал микропроцессорной техники, В настоящее время существуют прецизионные цифровые измерительные датчики, позволяющие не только наблюдать, но и осуществлять качественное регулирование технологическим процессом. В этой связи очень важно, обеспечить обмен данными и возможность подключения подобных устройств, к системам управления линиями. Кроме того, вопросы протоколирования и диагностирования событий, отображения технологических параметров лини являются актуальными и также требуют решения проблем подключения и обмена информацией между измерительными устройствами и устройствами отображения.
Традиционно системы управления строились по принципу централизованного управления, при котором все оконечные устройства (датчики и исполнительные механизмы) подключаются к одному вычислительному устройству с помощью многочисленных проводов, посредством которых последнее осуществляет сбор и обработку информации, производит подачу команд оперативного управления [14].
Статические нагрузки в перемоточных линиях
Например, посылка команд оперативного управления имеет наивысший приоритет, поскольку его код равен «0000b». Запрос переменных / параметров - самый низкий, его код «ОЮОЬ».
Кроме кода типа сообщения, на приоритет влияет и остальные биты имени: тип устройства и битовый список приемников сообщения. Чем 1 меньше номер ГТЧ - тем выше его приоритет. Каждому типу сообщения О соответствует вполне определенное содержание данных сообщения (до восьми байт): Посылка команд оперативного управления - сообщение, содержащее слово управления, задание частоты или технологической переменной, ; фактическое значение технологической переменной с удаленного датчика, фактическое значение корректирующего воздействия с удаленного датчика. Модификация параметров - сообщение, используемое при і ь модификации переменных (параметров). Содержит адреса (фактически сдвиг ! по таблице адресов) двух переменных и их значения. U-.
Запрос переменных/параметров - сообщение с запросом значений переменных другого узла сети. Содержит два адреса (сдвиг по таблице адресов) интересующих переменных.
Ответ па запрос переменных/параметров - сообщение, используемое для отправки значений переменных узла после получения запроса. Содержит адреса и соответствующие значения переменных, адреса которых (сдвиг по таблице адресов) были ранее получены данным узлом (предыдущий тип сообщения).
По сравнению со стандартизированными протоколами обмена, специализированный обладает рядом достоинств: S Управление преобразователями в полном объеме (передача команд, оперативного управления, режим группового управления, модификация параметров, посылка запросов на значения переменных/параметров, автоматический ответ на полученный запрос); S Минимальное количество видов сообщений. Предельная простота интерпретации данных; S Содержание сообщения жестко регламентируется его типом; S Номер ПЧ или ПУ задается бит-флагом, что позволяет указывать список ПЧ или ПУ, которым одновременно предназначается данное сообщение; S Минимальные требования к ресурсам процессора. Драйвер CAN занимает меньше 10% общего объема программного обеспечения ПЧ; S Все узлы могут пользоваться передаваемой информацией, не инициируя повторных запросов, тем самым, снижая загрузку сети. В процессе отладки группового управления по сети возникла необходимость внесения в протокол обмена ряда уточнений, которые были проведены и состоят в следующем: / При получении команды оперативного управления «СТОП», драйвер ПЧ не воспринимает присланное задание на частоту, передаваемое обычно вместе с командой оперативного управления; S Если слово оперативного управления не содержит команды «СТОП», но задание на частоту в данном сообщении равно нулю, драйвер ПЧ не воспришшает его, обрабатывая лишь слово оперативного управления. Это позволяет менять режим САУ, не изменяя задания; S Если необходимо установить задание па частоту равным пулю, необходимо воспользоваться сообщением типа модификация параметров.
Важной особенностью предложенного протокола обмена является использование свойственное CAN шине принципа широковещания. На его основе реализуется механизм группового управления, который заключается в том, что одно общее сообщение может быть одновременно воспринято и обработано сразу несколькими ПЧ, номера которых указаны в имени сообщения.
На рис 3.11 представлена иллюстрация группового управления, согласно которому мастер сети (ПК, контроллер и проч.)-отправляет одно сообщение (например, команду пуск, стоп или величину задания), указывая, кому именно оно адресовано. На рисунке это 2 и 16 ПЧ. Свойство широковещания позволяет осуществлять согласованное управление группы приводов, обеспечивая требуемую технологию и предотвращая развитие аварийных ситуаций.
