CC BY
3
Олехвер Алексей Иванович, канд. техн. наук, доцент, [email protected]. Россия, Санкт-Петербург, Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова
ANALYSIS OF EXISTING AUTOMATED DESIGN OF TECHNOLOGIES SOLUTIONS FOR MANUFACTURING
OF STAMPING PRODUCTS
A.I. Olekhver, V.S. Gradov, A.S. Melnychuk
The article discusses the existing domestic and foreign solutions that allow automating the process of designing technological processes based on the operations of processing materials by pressure. The main advantages and disadvantages of software packages are noted.
Key words: technology, stamping, automation, finite element method.
Olekhver Aleksey Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, leshicher@mail. ru, Russia. Saint-Petersburg. Baltic state technical university "VOENMEH" named after D.F. Ustinov
УДК 628
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-62-63
ИНТЕЛЛЕКТУАЛИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА. ПРОБЛЕМЫ И РЕШЕНИЯ
С.Л. Горобченко, Д.А. Ковалёв, М.В. Тарабан, А.В. Теппоев, С.А. Войнаш
Статья рассматривает проблемные вопросы, связанные с интеллектуализацией электропривода. Показано, что широкому внедрению интеллектуальных электроприводов мешают многие проблемы, связанные с недостаточной готовностью инфраструктуры и собственными проблемами интеллектуальных устройств для работы в электроприводах и электросетях с высокими электромагнитными помехами. Представлены рекомендации по эксплуатации интеллектуальных электроприводов без существенных проблем, но чтобы была возможность в полной мере использовать их преимущества. Приведены данные по интеллектуальным контроллерам электродвигателей, и новым видам устройств, например, FPGA, которые позволяют объединять универсальные ШИМ-блоки, интерфейсы преобразователей и специфические предварительно сконфигурированные блоки управления двигателем, а также имеющих встроенные контроллеры с соответствующими программными драйверами. Также приведены данные по усовершенствованным датчикам и силовым устройствам для более эффективного использования интеллектуальных электроприводов. Сделан вывод о необходимости комплексного подхода к анализу условий работы и выбору оптимальных интеллектуальных устройств, комплектующих привод, что значительно повысит быстроту их внедрения, увеличит срок эксплуатации электроприводов и улучшит их КПД.
Ключевые слова: электропривод, интеллектуализация, проблемы, рекомендации, интеллектуальные контроллеры электродвигателей, FPGA, интеллектуальные датчики, силовые устройства, выбор.
С быстрым ростом промышленных электронных технологий пришло понимание того, что системы управления электроприводом промышленных механизмов, кроме выполнения операций запуска и останова, должны контролировать все стадии производственного процесса, сокращать простои, повышать безопасность, увеличивать производительность оборудования, а также выполнять самодиагностику электронных систем и иметь еще целый набор полезных функций. Именно поэтому накопленный за многие годы опыт передовых методов управления и защиты электропривода привел к появлению современных систем интеллектуального управления электродвигателями.
Современные устройства и блоки управления электродвигателями (БУЭ) обладают встроенными функциями «интеллекта», - они способны заранее запрограммированным образом реагировать на возникающую в технологическом процессе последовательность событий для достижения поставленных целей и удержания системы в заданных режимах работы.
Интеллектуальная система - это совокупность электронного оборудования, программного обеспечения и линий связи для управления, защиты и контроля технологических параметров инженерного оборудования. Основные функциональные отличия интеллектуального электропривода от традиционного состоят в наличии устройства управления электродвигателем, устройства контроля положения и т.д.
Преобразователь может быть как внешним, так и встроенным непосредственно в корпус привода. В состав интеллектуального электропривода обязательно входит технологический контроллер со специальными электронными модулями. Именно его наличие делает электропривод интеллектуальным и придает ему свойства, которые не могут быть реализованы в традиционном электроприводе, а именно:
- возможность свободно программировать циклограмму работы привода и реализовывать различные автоматические регуляторы и устройства;
- возможность обмена информацией между приводом и внешними устройствами по цифровым последовательным интерфейсам с применением специализированных протоколов Modbus, Profibus, CAN и др., что, в свою очередь, дает возможность встраивать электроприводы в современные системы управления промышленными объектами и объектами инфраструктуры без привлечения дополнительных устройств сопряжения;
- микропроцессорный контроллер в сочетании с бесконтактным энергонезависимым датчиком положения - энкодером - позволяет производить настройку привода без вскрытия корпуса с помощью пульта с инфракрасным приемо-передатчиком.
Рис.1. Промышленный электропривод
Основными недостатками интеллектуального электропривода являются:
- высокая критичность к качеству питающего напряжения;
- подверженность различным электрическим и электромагнитным помехам;
- эмиссия электрических и электромагнитных помех во внешнюю среду;
- относительно высокая стоимость электропривода.
Эти недостатки и являются основным препятствием широкого применения интеллектуального привода в российской промышленности. Все приведенные недостатки интеллектуальных электроприводов (кроме высокой стоимости) можно охарактеризовать одним термином: недостаточная электромагнитная совместимость (ЭМС) с внешней средой [1].
Анализ технических характеристик применяемых в России интеллектуальных электроприводов как отечественного, так и зарубежного производства показывает, что в подавляющем большинстве случаев они соответствуют требованиям стандартов и нормативных документов по ЭМС. Более того, во многих случаях требования стандартов выполняются с большим запасом. Например, в соответствии с ГОСТ 13109-97 в точке присоединения к трехфазной сети напряжением 0,38 кВ предельное отклонение не должно превышать ±10 % от номинального значения. При этом для электроприводов станкостроения устойчивость к отклонениям указанного параметра от номинального значения составляет в пределах от -40 до +30%.
Для эксплуатации интеллектуальных электроприводов без существенных проблем, и при этом в полной мере используя их преимущества, приведем ряд рекомендаций.
1. Обеспечение качества питающей электросети. Для использования интеллектуальных электроприводов на технологической установке необходимо оценить качество питающей электрической сети, особенно если электроприводы монтируются на установку, находящуюся в эксплуатации длительный срок. Если отклонение параметров сети существенно отличается от стандартных, следует применять меры по приведению указанных отклонений в стандартные рамки, вплоть до установки развязывающих трансформаторов с регуляторами напряжения и системами бесперебойного питания.
2. Оптимальный выбор интерфейса. Необходимо определиться с интерфейсом, через который будет осуществляться связь привода с системой управления технологической установкой. Большинство электроприводов и блоков управления снабжены последовательным интерфейсом RS-485, сот-портом RS-232 и параллельным интерфейсом в виде линий передачи отдельных дискретных или аналоговых сигналов. Использование последовательного интерфейса для включения интеллектуальных электроприводов в АСУ ТП или другую систему управления технологическим объектом является предпочтительным по условиям ЭМС. Интерфейс RS-485 при правильном выборе наиболее устойчив к электромагнитным помехам. Кроме того, информативность последовательного интерфейса существенно выше интерфейса параллельного. Если электропривод включается в существующую релейную систему управления, то следует использовать преобразователь интерфейсов ESD-TV. При этом линия связи системы управления с электроприводом будет наиболее устойчивой к действию помех.
Параллельный интерфейс следует использовать тогда, когда количество приводов на объекте невелико, т.е. исчисляется одним-двумя десятками штук. Протяженность линии связи от привода до системы управления не должна превышать нескольких десятков метров, причем экран должен быть изолирован от несущих конструкций и должен заземляться только в одной точке.
3. Использование фильтров. На линиях связи со стороны системы управления должны устанавливаться фильтрующие элементы и ограничители перенапряжений. При использовании электроприводов со встроенными преобразователями энергии (регуляторами напряжения или преобразователями частоты) в распределительных устройствах следует устанавливать групповые индуктивно-емкостные фильтры для исключения эмиссии помех в питающую сеть. Можно также рекомендовать питание указанных электроприводов через разделительный трансформатор.
4. Использование цифровых протоколов. Использование в SMM (System Management Mode) открытой коммуникационной сети PROFIBUS дает возможность присоединить к обычной двухпроводной витой паре более 124 устройств - объектов управления, создавая, таким образом, перспективу значительной экономии на материалах и работах по монтажу оборудования. Помимо этого в системе имеется возможность коммуникации по шинам SPA bus, LON bus, IEC 60870-5-103, IEC 61850, DNP 3.0 или Modbus.
5. Использование интеллектуальных реле. Интеллектуальные реле имеют программно сложную, но чрезвычайно удобную и простую в использовании настройку конфигурации, что исключает дорогостоящий и трудоемкий процесс программирования. Графический интерфейс пользователя позволяет пользователям легко выбрать приложение и настройку системных и локальных параметров. Программирования или сложной настройки для этого не требуется [2, 3].
Интеллектуальные контроллеры электродвигателей. Улучшение рабочих характеристик привело к появлению множества недорогих интеллектуальных контроллеров электродвигателей, позволивших расширить диапазон пользовательских и промышленных приложений.
Проведем обзор микроконтроллеров (МК) для управления электроприводом известных производителей. Первое, что обращает на себя внимание при рассмотрении современных контроллеров электродвигателей, это то, что схема управления всегда определяется типом управляемого двигателя. Однако между двигателями габарита 10X и еще больших размеров и двигателями, разработанными всего лишь несколько лет назад, существует серьезная разница. К тому же, современные электродвигатели стали менее дорогими и более интеллектуальными [4].
Все это сопровождается растущими требованиями к контроллерам электродвигателей во многих областях. Управление электродвигателями является комплексной задачей, при решении которой разработчики должны не только понимать весь комплекс операций, но и уметь применять современные аппаратные средства и программные алгоритмы. Поэтому неудивительно, что к разработке контроллеров электродвигателей в последнее время подключились поставщики FPGA и IP-решений.
При использовании шаговых электродвигателей разработчикам приходится усложнять алгоритмы управления для повышения эффективности. Для этого необходимо определять граничные условия для всей электромеханической системы и принимать во внимание такие переменные как температура, механические разрушения, ускорение, скорость, напряжение питания, вибрации и т.д.
В настоящее время широкое распространение получили приводы для электродвигателей переменного и постоянного тока, включая универсальные двигатели переменного и постоянного тока, высокочастотные бесщеточные и щеточные универсальные двигатели с ШИМ, индукционные, частотно-регулируемые (VFD), а также шаговые электродвигатели [5].
Интеллектуальные интегральные схемы (ИС) управления двигателями расширяют возможности регулирования работы многофазных двигателей, наиболее распространенных бесщеточных двигателей постоянного тока и трехфазных индукционных двигателей. МК и DSP позволяют осуществлять сравнительно недорогое векторное управление (ВУ), которое является серьезным математическим методом, повышающим эффективность управления бесщеточными индукционными двигателями постоянного и переменного тока. Это позволяет также уменьшать размеры двигателей, стоимость и потребление мощности, что достигается за счет непосредственного измерения поля внутри двигателя.
Другим способом оперативного управления является косвенный метод ВУ. В этом случае конфигурация поля двигателя измеряется не напрямую, а рассчитывается по математической модели электродвигателя. Упор здесь делается на повышение эффективности управления электродвигателем, для чего и применяется интеллектуальное регулирование, позволяющее экономить электроэнергию. Это особый случай применения VFD-схем. Такие схемы оптимизируют ускорение и замедление электродвигателя и выключают его, когда он не используется [6, 7].
VFD является системой управления скоростью вращения электрического двигателя переменного тока за счет регулирования частоты напряжения, подаваемого на электродвигатель. Основная схема применения частотно-регулируемых приводов в схемах управления приведена на рис.2.
Мощность синусоидального сигнала
Мощность
ситдо переменной
Механическая мощность
Интерфейс оператор»
Рис.2. Применение частотно-регулируемых приводов в схемах управления
VFD также называют приводом с регулируемой частотой (AFD), приводом с переменной скоростью (VSD), приводом переменного тока, микроприводом или инверторным приводом. Поскольку напряжение меняется одновременно с частотой, такие приводы называют иногда регуляторами переменного тока с переменным напряжением и переменной частотой (VVVF).
Назначение FPGA. Небольшие OEM-компании (компании-производители, изготавливающие оборудование и использующие электроприводы в качестве комплектующих) при разработке систем управления электродвигателями все большее внимание уделяют FPGA, которые позволяют объединять универсальные ШИМ-блоки, интерфейсы преобразователей и специфические предварительно сконфигурированные блоки управления двигателем. Во встроенном в FPGA контроллере имеются соответствующие программные драйверы.
Основным достоинством FPGA является возможность применения IP по управлению двигателями, например, компании Alizem. Эта компания предлагает полный комплект IP по управлению и диагностике двигателей, разработанный для высокоэффективных и безопасных домашних приложений.
Altera при разработке системы управления двигателем для домашних устройств Cyclone III FPGA использовала IP-продукт, созданный компанией Alizem. Все созданные кампанией Alizem IP-продукты для управления электродвигателями спроектированы по ее собственному алгоритму. Полный привод синхронного электродвигателя с постоянным магнитом, включающий ШИМ и цепи регулирования тока, реализованный на базе недорогого Altera Cyclone III FPGA, состоит примерно из 500 логических элементов.
Actel (в настоящее время вошедшая в состав Microsemi) использует для управления двигателями собственные интеллектуальные FPGA для смешанных сигналов — SmartFusion (см. рис. 3). Компания утверждает, что они являются единственными устройствами, объединяющими FPGA, процессор ARM Cortex-M3 и программируемые аналоговые функции. Actel предлагает изготавливать изделия по техническим условиям заказчика с защитой IP, при этом обеспечивая простоту в эксплуатации.
Осмоомои контур I регулирования | приложения |
Другие компо менты систем [интерфейс поп (г ювателн. сеть, соединения)
Двигатель PMS
ГТрофипи [jew MOB стирки (программы)
Контроллер ура»« L и температуры
Команда по ирутжчему моменту
Сигнал оце«(Н скорости
Процессор 1Чюь II
Cyclone III FPGA
Рис. 3. FPGA Altera, используемый совместно с IP-продуктом Alizem
Усовершенствованные датчики и силовые устройства. Ключевые компоненты систем управления двигателями также улучшают свои технические характеристики, благодаря росту интеллектуализации. Рассмотрим для примера 12-разрядный чип магнитного энкодера Renishaw. Этот чип реализован по технологии кодировщика OnAxis, но отличается от него большей функциональностью и меньшей стоимостью. Кодировщик оснащен UVW-выходами с 16 полюсами (8 пар полюсов), выходами тахогенератора и потенциометра, а также выходами синусоидальных сигналов. Его разрешение составляет 12 разрядов (4096 шагов за оборот) с программируемым положением нуля. Кодировщик работает в диапазоне напряжений 3,3.. .5 В, а при работе от аккумуляторов может использоваться опция режима ожидания.
Он может быть как уже запрограммированным, так и со встроенным чипом EEPROM для хранения программ пользователя. Кодировщик может работать со скоростью до 60 тыс. оборотов в минуту в температурном диапазоне -40...125°C.
Компания Rohm Semiconductor применила SiC-технологию для организации серийного выпуска первых модулей на базе SiC MOSFET с вертикальным затвором и барьерами Шоттки, используемыми для управления двигателями автомобилей. Устройства, рассчитанные на работу при 600 В и 450 А, характеризуются эффективностью на 50% большей, чем аналогичные кремниевые модули и могут работать при температуре до 200°C.
Заключение. Вопросы интеллектуализации электроприводов напрямую связаны с широким использованием интеллектуальных средств автоматизации, контроллеров и усовершенствованием датчиков и силовых устройств.
Для эффективного внедрения интеллектуального электропривода, необходимо обеспечить ряд условий. К ним можно отнести подготовку питающей электросети, оптимальный выбор интерфейса, использование фильтров, цифровых протоколов и с целью упрощения начала внедрения - использование интеллектуальных реле. Особое внимание следует уделять выбору контроллеров, специализированных на выполнении функций электроприводов, создающих различные компоновочные решения, в частности, FPGA.
Комплексный подход к анализу условий работы и выбору оптимальных интеллектуальных устройств, комплектующих привод, значительно увеличивают срок эксплуатации электроприводов и улучшают их КПД.
Список литературы
1. Википедия электронный ресурс. [Элнктронный ресурс] URL: https://ru.wikipedia.org (дата обращения: 10.05.2023).
2. Время электроники [Элнктронный ресурс] URL: https://russianelectronics.ru (дата обращения: 10.05.2023).
3. Prom electric электронный ресурс. [Элнктронный ресурс] URL: https://prom-electric.ru (дата обращения: 10.05.2023).
4. Мещеряков В.Н., Ипполитов В.А., Сычев М.Н., Сычев Н.И., Крюков О.В. Системы интеллектуального электропривода переменного тока с релейными регуляторами и адаптивными корректирующими устройствами. [Элнктронный ресурс] URL: https://www.litres.ru/booka-v-saushev/intellektualnaya-diagnostika-sistem-elektrooborudovaniya-i-svy-67894496 (дата обращения: 10.05.2023).
6. Поляков А.Е., Чесноков А.В., Филимонова Е.М Электрические машины, электропривод и системы интеллектуального управления электротехническими комплексами. [Элнктронный ресурс] URL: https://znanium.com/catalog/document?id=367044 (дата обращения: 10.05.2023).
7. Кабдин Н.Е., Сторчевой В.Ф. Электропривод. М., ИНФРА-М, 2017, 420 с.
Горобченко Станислав Львович, канд. техни. наук, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна,
Ковалёв Дмитрий Александрович, канд. техн. наук, доцент, [email protected]. Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна,
Тарабан Мария Всеволодовна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет,
Теппоев Алексей Викторович, канд. техн. наук, доцент, [email protected]. Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова,
Войнаш Сергей Александрович, младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории, sergev voi^mail.ru, Россия, Казань, Казанский федеральный университет
INTELLIGENCE OF ELECTRIC DRIVE. PROBLEMS AND SOLUTIONS S.L. Gorobchenko, D.A. Kovalev, M.V. Taraban, A. V. Teppoev, S.A. Voinash
The article examines problematic issues related to the intellectualization of electric drives. It is shown that the widespread implementation of intelligent electric drives is hampered by many problems associated with insufficient infrastructure readiness and the inherent problems of intelligent devices for operating in electric drives and power networks with high electromagnetic interference. Recommendations are presented for the operation of intelligent electric drives without significant problems, but in order to be able to fully use their advantages. Data is provided on intelligent motor controllers, and new types of devices, for example, FPGAs, which allow combining universal PWM blocks, converter interfaces and specific pre-configured motor control units, as well as having built-in controllers with corresponding software drivers. Data is also provided on advanced sensors and power devices for more efficient use of intelligent electric drives. The conclusion is made about the need for an integrated approach to the analysis of operating conditions and the selection of optimal intelligent devices that complete the drive, which will significantly increase the speed of their implementation, increase the service life of electric drives and improve their efficiency.
Keywords: electric drive, intellectualization, problems, recommendations, intelligent motor controllers, FPGA, smart sensors, power devices, choice.
Gorobchenko Stanislav Lvovich, candidate of technical sciences, [email protected]. Russia, St. Petersburg, St. Petersburg State University of Industrial Technologies and Design,
Kovalev Dmitry Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected]. Russia, St. Petersburg, St. Petersburg State University of Industrial Technologies and Design,
Taraban Maria Vsevolodovna, candidate of technical sciences, docent, [email protected]. Russia, St. Petersburg, St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering,
Teppoev Aleksey Viktorovich, candidate of technical sciences, docent, av^^^^ox^, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg State Forest Technical University named after S.M. Kirov,
Voinash Sergey Aleksandrovich, junior researcher at the research laboratory, sergey_voi@mail. ru, Russia, Kazan, Kazan Federal University
УДК 53.083.91
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-66-67
РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫМ СТЕНДОМ С ИНЕРЦИАЛЬНЫМИ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ И ЦИФРОВОЙ СИСТЕМОЙ УПРАВЛЕНИЯ И АНАЛИЗ
ЕГО ПОГРЕШНОСТЕЙ
Д.М. Калихман, Е.А. Депутатова, С.В. Пчелинцева, В.О. Горбачев
Рассматриваются вопросы формирования алгоритмов управления прецизионных стендов для контроля гироскопических приборов с цифровыми системами управления и инерциальными чувствительными элементами в рамках общей концепции их построения, на основании которой можно формировать поверочные схемы государственных первичных эталонов угловых скоростей, из схемотехнических решений которых как частные случаи могут формироваться схемотехнические решения иерархически подчинённых им эталонов, также содержащих в своём составе инерциальные чувствительные элементы и цифровые системы управления. Рассматриваются алгоритмы цифрового управления одного из вариантов подобных схем, а также погрешности стендов, возникающие в контуре управления и их влияние на точностные характеристики стендов.
Ключевые слова: эталон задания и хранения угловой скорости, мехатронная система, цифровая система управления, измеритель угловой скорости, акселерометр, прецизионный поворотный стенд, погрешность.
Введение. В статье [1], вышедшей в журнале «Гироскопия и навигация» № 3 за 2022 год была предложена концепция построения прецизионных стендов с инерциальными чувствительными элементами для контроля гироскопических приборов, причем было сказано, что на основе предложенной концепции можно сформировать как государственный первичный эталон задания и хранения угловой скорости, так и создавать иерархически подчиненные ему эталоны. Основная идея состоит в том, что в качестве инерциальных чувствительных элементов применяются два измерителя угловой скорости с высокими показателями по стабильности нулевого сигнала и масштабного коэффициента, две тройки измерителей линейного ускорения (ИЛУ), измеряющих, соответственно, центростремительное и тангенциальное ускорение точек их крепления к платформе стенда, и высокоточный угловой энкодер. В качестве дополнительных источников информации в иерархически подчиненных эталонах могут применяться датчики Холла. Цифровая система управления, а также математические алгоритмы обработки информации и фильтрации помех превращают предлагаемые установки в современные мехатронные системы, что в сочетании с первичными измерителями разной физической природы существенно повышают точностные характеристики предлагаемых стендов. В работе [1] было представлено схемотехническое решение с измерителями угловой скорости ИУС-1 и ИУС-2, в качестве которых было рекомендовано применять лазерные (ЛГ), волоконно-оптические (ВОГ), волновые твердотельные (ВТГ) и гироскопы, основанные на эффекте ядерного магнитного резонанса (ЯМГ), т.е. те типы
