CC BY
158
____________________________ © С.И. Малафеев, П.М. Афанасьев,
Н.А. Серебренников, 2009
С.И. Малафеев, П.М. Афанасьев, Н.А. Серебренников
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ СИСТЕМ ГИДРОМЕХАНИЗАЦИИ: РАЗРАБОТКИ
КОМПАНИИ «ОБЪЕДИНЕННАЯ ЭНЕРГИЯ»
Рассматриваются современное состояние и тенденции развития электротехнического оборудования и систем управления для земснарядов. На основе анализа мехатронных комплексов земснарядов определены основные направления их совершенствования. Дано описание и приведены характеристики комплектного оборудования для земснарядов, выпускаемого ООО «Компания «Объединенная Энергия».
Ключевые слова: электротехническое оборудование, земснаряды, мехатрон-ный комплекс.
Современное развитие техносферы характеризуется постоянным возрастанием масштабов деятельности человека, связанных с нарушением экологического баланса как локальных, так и глобального масштабов. Сохранение существующей потребительской экономико-технологической системы неизбежно ведет к деградации и катастрофе. Результаты исследований, выполненных различными организациями и специалистами, свидетельствуют о том, что стабилизация биосферы и техносферы возможна только при создании новых отраслей промышленности, связанных с восстановлением природных систем, переработкой отходов и др.
В полной мере сказанное относится к водным объектам. Происходит деградация русл рек, профилей озер и заливов, накопление в водоемах опасных предметов и др. В добывающей промышленности увеличивается объем работ, связанных с разработкой обводненных месторождений.
В этих условиях возрастает актуальность задачи технического обеспечения очистительных, дноуглубительных, берегоукрепительных, строительных, земляных, горных и других работ. Все современные высокопроизводительные машины для указанных технологических процессов содержат множество различных механизмов с электроприводами разных типов. Производительность и эффективность использования ресурса машины определяется главным образом техническими характеристиками приводных агрега-
тов. Поэтому важным направлением повышения производительности и эффективности работы земснарядов и другой техники является совершенствование электрооборудования, систем приводов и средств управления.
В настоящей работе выполнен анализ современного состояния и основных направлений совершенствования электрооборудования для земснарядов, основанный на опыте проектирования и промышленного освоения новой техники для отечественных машин ООО «Компания «Объединенная Энергия», Москва.
Актуальные задачи совершенствования электрооборудования земснарядов
Переход к электрооборудованию и системам управления нового поколения для земснарядов характеризуется функциональным и конструктивным объединением электромеханических преобразователей с энергетическими и информационными компонентами с высоким уровнем организации процессов управления, т.е. созданием мехатронных комплексов [1]. Использование для управления машиной технических средств с качественно повышенными характеристиками обусловливает актуальность новых теоретических и прикладных задач совершенствования систем электропитания и управления. К важнейшим задачам совершенствования электрооборудования земснарядов можно отнести следующие.
1. Создание мехатронного комплекса машины с качественно новыми характеристиками на основе синергетического объединения различных подсистем с компьютерным управлением при высоком уровне конструктивной, информационной и электромагнитной совместимости механических, электронных и информационно-управляющих компонентов. Это обусловливает актуальность совершенствования всех компонентов мехатронного комплекса для обеспечения их эффективного взаимодействия.
2. Повышение надежности и безопасности работы всех подсистем комплекса на основе использования объектноориентированных технических средств управления, учитывающих специфические особенности работы земснаряда и условий его эксплуатации, а также специализированных систем контроля, диагностики и защиты.
3. Современный земснаряд - эргатическая система. Увеличение объемов работ в сложных условиях приводит к возрастанию психологической нагрузки и ответственности за решения, прини-
маемые оператором в процессе работы. Это обусловливает повышение требований к человеко-машинному интерфейсу и его совершенствование на основе современных информационных технологий.
4. Работа технологического агрегата оценивается различными показателями, учитывающими производительность, энергопотребление, износ и ресурс оборудования и др. Создание мехатронного комплекса предусматривает разработку и использование новых компьютерных систем контроля параметров технологических процессов, нагрузок и состояния электрооборудования земснаряда, а также координат его положения.
Технический уровень современных земснарядов зависит от качества проектных решений, выполняемых на основе информационных технологий, качества изготовления, определяемого технологическим оборудованием, а также используемых электронных систем управления. Здесь ведущая роль принадлежит современным технологиям автоматизации производственных процессов (SCADA-технологиям), позволяющим достичь высокого уровня при решении задач управления, сбора, обработки, передачи, хранения и отображения информации [2].
Основные компоненты АСУ земснарядом
На рис. 1 показана общая функциональная схема автоматизированной системы управления земснарядом. Система организована на базе рабочей станции оператора, установленной в диспетчерском центре (операторной). Операторская панель локального мониторинга и управления представляет собой компактную вычислительную машину со встроенным жидкокристаллическим дисплеем (рис. 2). Для реализации функций управления панель снабжена блоками кнопочного управления и сенсорными экранами.
Операторская панель предоставляет пользователю следующие функции:
1. Визуализация параметров технологического процесса в текстовом или графическом режимах.
2. Управление и обработка аварийных сообщений, регистрация времени и даты возникновения аварийных сообщений.
3. Ручное управление с помощью функциональных кнопок или сенсорного экрана.
Датчики температуры обмоток и подшипников грунтонасоса ^ • • •
Датчики Л электрических параметров и состояния электрооборудования )
Рис. 1. Автоматизированная система управления земснарядом
4. Возможность свободного программирования графики и настройки функциональных клавиш.
5. Построение диаграмм и трендов, отображение сводных отчетов.
Система мониторинга обеспечивает отображение основных параметров(напряжение и нагрузка) сетей 6 кВ и 380 В, основных параметров (нагрузка, температура обмоток) главных
Рис. 2. Рабочее место оператора
приводов, состояние (перегрузка и авария) вспомогательных приводов, технологических параметров (давление, вакуум, расход, плотность) земснаряда и регистрации всех отображаемых параметров в энергонезависимой памяти.
1. Отображение параметров в удобном графическом интерфейсе (рис. 3) позволяет оператору контролировать все необходимые параметры. Для сбора информации от различных датчиков используются интерфейсы RS485 и CAN. Система мониторинга обеспечивает отображение на операторской панели основных параметров электропитающей системы (напряжение и нагрузка) сетей 6кВ и 380В, основных параметров (нагрузка, температура обмоток) главных приводов, состояние (перегрузка и авария) вспомогательных приводов, технологических параметров (давление, вакуум, расход, плотность) земснаряда.
Для организации алгоритмов автоматизированного управления земснарядом система имеет специальный интерфейс
Рис. 3. Пример экрана операторской панели
ввода/вывода, к которому подключаются как датчики, измеряющие необходимые параметры технологического процесса, так и исполнительные механизмы, с помощью которых система управления может вносить корректировки в ход процесса.
Сервер, выполненный на базе промышленного компьютера, обеспечивает базу данных реального времени, оперативную и архивную базы данных, передача команд управления контроллерам с верхнего уровня управления, предоставление требуемой информации, поддержку работы радиомодемов для обеспечения взаимодействия с удаленными контроллерами и подсистемами, синхронизацию работы различных подсистем, а также решение ряда других конкретных задач.
Комплектное электроборудование для земснарядов Специализированный комплект электрооборудования земснаряда предназначен для распределения и защиты высоковольтной
(~3, 6 кВ) и низковольтной (~3, 380 В, ~3, 220 В переменного и 24 В постоянного тока) сетей, а также для управления и защиты электродвигателей главных и вспомогательных приводов.
1. Комплектный распределительный пункт (КРП), устанавливаемый на берегу, предназначен для электропитания земснаряда силовым напряжением 3~6кВ и компенсации реактивной мощности.
Все высоковольтное оборудование встроено в стандартный контейнер с воздушным (кабельным) вводом и кабельным выводом. Для коммутации высоковольтных цепей предусмотрен разъем высоковольтный штепсельный типа РВШ - 6(10)/400 УХЛ1.Разъем обеспечивает соединение двух отрезков силового гибкого кабеля с резиновой изоляцией, присоединения кабеля к шкафам комплектных распределительных устройств, приключательным пунктам, передвижным комплектным трансформаторным подстанциям и другим устройствам с напряжением питания 6 или10 кВ. При использовании разъемов обеспечиваются повышенные удобство, быстрота, надежность и безопасность коммутации.
2. Комплектный распределительный пункт КРП, размещаемый на земснаряде (рис. 4), обеспечивает распределение напряжения ~ 6 кВ и управления главными приводами (гидрорыхлителя и грунтонасоса) земснаряда.
Устройство оснащено микропроцессорным блоком защиты типа БЗМ-4, который предназначен для защиты присоединений от междуфазных токов коротких замыканий без выдержки времени; перегрузок по току - (максимальной токовой защиты)с независимой регулируемой выдержкой времени; обрыва одной фазы в цепи питания. Микроконтроллерное устройство обеспечивает повышенную надежность защиты и практически исключает ложные срабатывания [3].
3. Электроприводы земснаряда. Для управления высоковольтным асинхронным двигателем с фазным ротором использовано тиристорное устройство «мягкого» пуска. Устройство реализует алгоритм пуска путем переключения секций сопротивления в цепи ротора в функции времени.
Шунтирование первых ступеней пускового сопротивления производится тиристорами, шунтирование последней ступени и одновременное шунтирование роторной обмотки в конце пуска
производится контактором. Устройство обеспечивает защиты от неправильного чередования фаз и недопустимого
Рис. 4. Комплект электрошкафов земснаряда
отклонения напряжения сети 220 В, затянувшегося пуска, короткого замыкания в силовых цепях, коммутационных перенапряжений в цепи ротора. Управление процессом пуска производится с помощью специального контроллера.
Для управления электродвигателями рамоподъемной лебедки применены транзисторные преобразователи частоты, обеспечивающие плавный пуск, регулирование скорости и защитное отключение.
4. Контроль сопротивления изоляции. Электрооборудование земснаряда получает питание от сети с изолированной нейтралью трансформатора, содержит тиристорные, транзисторные и диодные
преобразователи, работает в тяжелых условиях, поэтому особое значение имеет контроль сопротивления изоляции. Опыт эксплуатации и теоретический анализ показывают, что сетям с преобразователями рода тока при наличии гальванической связи между цепями переменного и постоянного токов присущ ряд специфических особенностей [4]. В частности, для них недействительны известные закономерности протекания токов утечки на землю (или корпус автономного объекта), установленные для сетей постоянного и переменного токов. На основе анализа процессов установлено, что электрическая сеть с преобразователем рода тока является более опасной, чем сети постоянного и переменного тока [4].
Для обеспечения безопасной эксплуатации электрооборудования земснаряда применены специальные устройства контроля сопротивления изоляции цепей 220 В и 380 В, реа-гирующие как на однофазные, так и на однополюсные утечки токов на землю. Принцип действия аппаратов типа «Аргус» ос-нован на измерении сопротивления изоляции с помощью тес-тового напряжения специальной формы, подключенного к контролируемой сети через добавочные резисторы. В ап-паратах предусмотрена светодиодная сигнализация при снижении сопротивления изоляции менее двух заданных значений.
5. Рабочее место оператора оснащено креслом-пультом (рис. 5)- удобным виброзащитным сиденьем с подлокотниками, которое легко настраивается под антропометрические характеристики конкретного человека; снижает утомляемость машиниста; гарантирует снижение вероятности профессиональных заболеваний (виброгасящие свойства кресла перенастраиваются индивидуально по весу машиниста). Кресло имеет консоли управления и индикации, снабженные командоконтроллерами управления вспомогательными электроприводами), панелями световой индикации состояния электрооборудования, аппаратами управления коммутацией цепей главных и вспомогательных приводов.
Разработанное электрооборудование в настоящее время используется для комплектации земснарядов, выпускаемых ЗАО «Цимлянский судомеханический завод». Успешная эксплуатация оборудования в тяжелых климатических условиях Крайнего Севера свидетельствует о его высоком техническом уровне и больших перспективах широкого использования.
Заключение
Повышение технического уровня и эффективности функционирования земснарядов достигается при соответствующих технических средствах управления, которые обеспечивают реализацию требуемых алгоритмов управления, как сточки зрения выполняемых функций, так и обеспечения необходимого быстродействия; ускоренную адаптацию к конкретным условиям использования, включая конструктивные, технологические, эргономические и психофизиологические факторы применения новой Рис. 5. Кресло мшииниапа техники; возможность примене-
ния новейших средств автоматики и электроники, преемственность классических технических решений и максимальное использование творческого потенциала разработчиков; электромагнитную совместимость оборудования и удовлетворительную работу средств управления при ухудшении электромагнитной среды; высокую надежность при тяжелых условиях эксплуатации и рациональное электропотребление.
В условиях современного развития гидромеханизации как наиболее эффективного, экономичного и высокопроизводительного способа комплексной механизации очистительных, дноуглубительных, а также земляных и горных работ, возрастает актуальность ускоренного технического перевооружения добывающих предприятий на качественно новом уровне, сопоставимом или превосходящем соответствующий уровень развитых стран.
Создание нового высокопроизводительного эффективного оборудования для гидромеханизации требует приоритетного развития научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, направленных на совершенствование существующей и разработку новой техники.
1. Малафеев С.И., Серебренников Н.А. Создание электрооборудования и систем управления для экскаваторов на основе мехатронной технологии / Горное оборудование и электромеханика. 2007, № 12. - С. 29 - 34.
2. Андреев Е.Б., Куценко Н.А., Синенко О.В. SCADA-системы: взгляд изнутри. - М., Издательство «РТСофт», 2004. - 176 с.
3. Малафеев С.И., Мамай В.С., Серебренников Н.А. и др. Микроконтроллер-ное устройство для защиты электрической сети от однофазных замыканий на землю / Электротехника, 2000, № 1, с. 40 -42.
4. Малафеев С.И., Серебренников Н.А., Фролкин В.Г. Анализ электрической сети с преобразователем рода тока при нарушениях сопротивления изоляции/ Электротехника, 2004, № 12. - С. 11-14.
S.I. Malopheev, P.M. Afanasiev, N.A. Serbrennikov
THE ELECTROTECHNICAL EQUIPMENT FOR SYSTEMS OF HYDROMECHANIZATION: DEVELOPMENT OF THE COMPANY«JOINT POWER»
Are considered a modern condition and tendencies of development of the electrotechnical equipment and control systems for dredges. On the basis of the analysis of the dredge’s mechatronics complexes the basic directions of their perfection are determined. The description is given and characteristics of the complete equipment for dredges, let released of Company«Joint Power» are resulted.
— Коротко об авторах ---------------------------------------------
Малафеев С.И. — доктор технических наук, профессор, Действительный член Международной энергетической академии, главный научный сотрудник ООО «Компания «Объединенная Энергия», sim_vl@nm.ru Афанасьев П.М. - главный конструктор ООО «Компания «Объединенная Энергия», apm@jpc.ru
Серебренников Н.А. - Действительный член Международной энергетической академии, Генеральный директор ООО «Компания «Объединенная Энергия», silver@jpc.ru
