CC BY
175
УДК 621.833
B.Н. Поляков, техн. директор, (4872) 35-19-59,
(Россия, Мичуринск, ОАО «Мичуринский завод «Прогресс»),
C.А. Заморин, гл. специалист (Россия, ТО ТЭП),
А.П. Никитин, зам. ген. директора, (495) 550-66-78, етко [email protected] (Россия, Москва, ЗАО «НПП «ЭМКО-Динамика»)
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ОДНООБОРОТНЫЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ СЕРИИ «ПРОГРЕСС»
Приводятся описание структуры электроприводов, изготовляемых ОАО «Мичуринский завод «Прогресс», и перечень выполняемых ими функций. Дано сравнение конструктивно-технических решений таких устройств с электроприводами других производителей.
Ключевые слова: автоматизированные системы управления технологическими процессами, электропривод.
Электроприводы в автоматизации технологических процессов занимают доминирующее место. Повсеместное развитие автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) на базе микропроцессорной техники предъявляют новые требования к своим важнейшим компонентам - электроприводам. Десятилетиями сложившиеся принципы управления электроприводами, основанные на реверсивных магнитных пускателях и автоматических выключателях со встроенными токовыми защитами от коротких замыканий обмотки и перегрузок, перестали быть совместимыми с оборудованием современных программно-технических комплексов АСУ ТП.
Основными претензиями к традиционным средствам управления электроприводами следует считать:
- Невозможность обеспечения автоматическими выключателями с встроенными токовыми защитами, электродвигателей мощностью ниже 1 кВт с учетом сопротивления кабельной линии связи, внутреннего сопротивления выключателя, а ,значит, электродвигатель обречен на развитие «пожара» при повреждениях изоляции или заклинивании механической части привода.
- Негативное влияние коммутационных электромагнитных возмущений при работе электромагнитных пускателей на работу микропроцессорных элементов системы управления.
- Отсутствие постоянной проверки целостности электрических цепей не обеспечивает контроль готовности для приводов, применяемых в системах безопасности, а именно задвижек в системах технологических защит энергетического оборудования.
Современное развитие силовой электроники и микропроцессорной техники создали предпосылки решить хронические недостатки в традици-
онных принципах управления электроприводами - разработать системы управления, совместимые с современными распределенными программно-техническими комплексами. Наряду с устранением недостатков устаревших принципов управления, появляются новые сервисные функции, способы экономии материалов и информационных ресурсов. Наличие процессора и оперативной памяти в модулях управления, создает возможность управлять приводами по каналам цифровой связи и выполнять локальные задачи, сокращая загрузку центрального процессора АСУ ТП, например, блокировки, регулирование, местное управление, сигнализацию и др.
Электроприводы серии «Прогресс»
Тенденции развития АСУ ТП в виде требований к новым конструкциям, коснулись и большинства производителей отечественных электроприводов, которые привели к появлению на нашем рынке интеллектуальных, надежных и экономичных изделий. К такому классу электроприводов следует отнести электроприводы, разработанные НПП «ЭМКО-Динамика» г. Москва и серийно выпускаемые Мичуринским заводом «Прогресс» с 2004 года.
Приступая к разработке электроприводов серии «Прогресс», разработчики учитывали опыт, полученный при создании и выпуске первых своих изделий на Курском заводе «Прибор»; недостатки, выявленные в ранних конструкциях; современные достижения в области элементной базы микропроцессорной техники и силовой электроники; новые конструкционные материалы и технологические решения, в том числе в области обработки и поверхностного упрочнения металлов, а так же требования современных АСУ ТП, как отечественных, так и приходящим к нам из-за рубежа. Таким образом, главная поставленная задача заключалась в создании и выпуске серии интеллектуальных, высоконадежных и эффективных электроприводов нового поколения, отличающихся малыми габаритно-весовыми показателями и низкой потребляемой мощностью.
В комплект поставки электроприводов серии «Прогресс» входят:
- электромеханизмы типов МРО, МЗО;
- блоки коммутационные БК1(В), БК3(В) предназначенные для подключения электромеханизмов к кабельной сети объектов;
- исполнительные автоматы (блоки управления) АИ-401А(М). АИ-50(М), которые могут устанавливаться в модули управления (до 10 шт.), а модули управления могут размещаться в шкафах управления (ШУ) с числом модулей управления до 7 шт.;
- переносные пульты для настройки, диагностики и местного управления (ППУ-1А) или адаптер связи АИ - ПК (стыковка через СОМ-порт) и программное обеспечение (ПО).
Исполнительные электромеханизмы типа МРО, МЗО
Реверсивные электромеханизмы вращательного движения МРО, МЗО (рис.1), группы исполнения С2 по ГОСТ 12997-84, вид взрывозащиты
«взрывонепроницаемая оболочка» по ГОСТ Р51330.0-99, маркировка взрывозащиты 1ЕхйПЕТ5Х по ГОСТ Р 51330.1-99, предназначены для управления запорной и регулирующей однооборотной трубопроводной арматурой (клапанами, кранами, затворами, заслонками и т.п.).
а б
Рис.1. Исполнительные механизмы электроприводов: а - тип МЗО-40/10-0,25В; б - тип МРО-800/50-0,5В
Механизм обеспечивает выполнение следующих операций:
- перемещение рабочего органа арматуры в пределах 200 угловых градусов в любом направлении в зависимости от последовательности чередования фаз напряжения электропитания (для механизмов на базе асинхронных двигателей) или полярности напряжения электропитания (для механизмов на базе коллекторных двигателей;
- перемещение рабочего органа арматуры в любом направлении посредством ручного привода механизма;
- сигнализацию в исполнительный автомат положения выходного органа механизма (цифровой код).
Защита механизма и рабочего органа арматуры от перегрузки при работе электродвигателя осуществляется исполнительным автоматом АИ-401 А(М) или АИ-50(М), к которому подключается механизм.
Технические характеристики электромеханизмов приведены в таблице.
Технические характеристики электромеханизмов
Тип электромеханизма Номинальный/максимальный противодействующий момент нагрузки, Нм Масса электромеханизма, кг Потребляемая Мощность (при Мном), Вт
МЗО-15/15-0,25В 15/18 1,5 5
МЗО-40/10-0,25В 40/60 3,3 30
МРО-63/8 -0,5В 63/110 9,5 170
МРО-250/15-0,5В 250/450 14,5 170
МРО-800/50-0,5В 800/1400 19,5 170
МРО-2000/125-0,5В 2000/3500 25,5 170
Для электромеханизмов допускается не более 10 рабочих циклов подряд с перерывами между открытием и закрытием арматуры не менее 1 с с последующим перерывом продолжительностью не менее 10 мин.
Режим работы механизма при управлении арматурой - повторно-кратковременный, при нагрузке от холостого хода до максимальной, с частотой включения в 1 час не более 630 и относительной продолжительности перемещения выходного органа (ПВ) до 25 %.
Механизм состоит из следующих основных узлов размещенных в прочном стальном корпусе:
- двигательного отсека с резистивным датчиком положения выходного органа механизма, блоком интерфейса механизма, двумя сальниковыми кабельными вводами;
- силового отсека с цилиндрическими и планетарными ступенями редуктора и ручным приводом. В силовом отсеке расположены цилиндрические зубчатые передачи, необратимая муфта, муфта предельного момента, дифференциальная ступень редуктора с червячной передачей от ручного привода, выходная силовая планетарная ступень редуктора. В узле ручного привода имеется муфта предельного момента, препятствующая повреждению механизма и арматуры при работе ручным приводом. В выходном органе механизма посредством шлицевого соединения и стопорного кольца установлен сменный сухарь, в котором имеется квадратное (круглое под вал со шпонкой) отверстие для соединения со шпинделем арматуры (нагрузки). Конструктивное исполнение механизма по способу монтажа - фланцевое. Положение в пространстве произвольное с обеспечением удобства доступа к ручному приводу механизма. Внутренние упоры в механизме отсутствуют. Местный указатель положения может быть установлен в переходном фланце между электромеханизмом и арматурой.
В случае превышения противодействующего момента нагрузки на выходном органе механизма сверх установленного в исполнительном автомате максимального значения, исполнительный автомат, управляющий механизмом, переводит электродвигатель механизма в режим динамического торможения и затем отключит его. При неисполнении команды (отсутствии вращения выходного органа механизма) в течение 1,5 с исполнительный автомат отключает электродвигатель. Муфта предельного момента посредством пробуксовки обеспечивает защиту механизма при динамических перегрузках. Благодаря наличию необратимой муфты в кинематической цепи механизма крутящий момент передается только в одну сторону - со стороны двигателя на выходной орган;
- датчика положения с интерфейсным блоком, где производится преобразование информации от датчика положения выходного органа механизма в цифровой код, с последующей передачей этой информации по каналу связи ЯБ-485 в блок управления. Данное решение принципиально отличает механизмы серии «Прогресс» от приводов-аналогов, где приме-
няются микровыключатели с кулачковыми механизмами или используются токовый выход указателя положения. Этим достигается сокращение числа линий передачи сигналов от механизма к управляющему контроллеру, при высокой помехозащищенности передаваемой информации (в условиях электромагнитных помех), появляется возможность отнесения механизма на значительное удаление (до 1000 м) от блока управления, что может оказать решающее значение при выборе механизмов для специфических объектов управления - там, где присутствуют большие вибрации, широкий температурный диапазон, спецсреды и прочее. Также это существенно сокращает и упрощает процедуру настройки крайних положений механизма в процессе эксплуатации. Механизмы имеют один (МЗО-15, МЗО-40) или два сальниковых ввода (МРО), через которые проходят информационные и силовые цепи подключения механизма. Эти кабели имеют ограниченную длину: 1,6...1,8 м. Поэтому для подключения электромеханизмов к кабельной сети объектов используются коммутационные блоки БК1(В), БК3(В), которые монтируются вблизи арматуры. В общем случае они представляют собой чисто коммутационные устройства, но могут иметь в своем составе и кнопки для ручного дистанционного управления электромеханизмом, выполняя функции вынесенного пульта управления. Запрет и разрешение на работу этого пульта формируется со стороны АСУ ТП или шкафа управления с исполнительными автоматами. По объекту прокладываются всего два кабеля: информационный (витые пары) и силовой. В качестве рекомендуемых кабелей можно предложить BELDEN 1633ENH, Cat.5 enhanced FRNC IEC332-1 (ГОСТ Р МЭК 332-196) и КВВГнг - LS 4х1,5 соответственно.
Исполнительные автоматы (блоки управления)
Тенденции логического развития структур управления в направлении их децентрализации, предполагают интеллектуализацию самого нижнего уровня систем-датчиков, исполнительных органов и механизмов. Следуя классификации электроприводов [1], электроприводы серии «Прогресс» относятся к приводам четвертого поколения. Новые качества, которые при этом приобретает электропривод, достигаются благодаря наделению интеллектом блока управления, за счет применения в исполнительном автомате (блоке управления) двухядерного микропроцессора. За счет распараллеливания задач: выполнение управления силовым модулем и двигателем возложено на один процессор, а функции диспетчеризации, обработки входных команд управления, формирования внешних сигналов состояния выполняет второй процессор, достигается высокая производительность вычислительной системы блока управления. Наличие энергонезависимого запоминающего устройства (ЭНЗУ), хранящего параметры настроек управления, позволяет пользователю по своему усмотрению конфигурировать свойства электропривода в зависимости от стоящих задач.
Исполнительные автоматы поставляются в двух исполнениях:
- АИ-50 и АИ-401А - для исполнения команд управления в виде дискретных сигналов (типа «сухой контакт» или 24 В, при токе управления не более 10 mA и токе сигнализации состояния до 40 mA);
- АИ-50М и АИ-401АМ - для информационного обмена по каналу межконтроллерной связи RS-485 (протокол связи - MOD BUS, с опциями по скорости передачи информации от 19,2 до 115,2 кБит/с). Возможен вариант поставки этих блоков управления и с наличием в них дискретных входов управления, например, как резервные каналы управления в особо ответственных случаях или для организации ручного управления от местных операторских пультов.
Исполнительные автоматы (блоки управления) обеспечивают выполнение следующих функций:
- исполнение рабочих команд ЗАКРЫТЬ (МЕНЬШЕ) и ОТКРЫТЬ (БОЛЬШЕ), принимаемых по дискретным входам и цифровому каналу управления; рабочей команды УСТАНОВИТЬ ЗАДАННОЕ ПОЛОЖЕНИЕ, принимаемой по цифровому каналу управления. Требуемое положение задается в процентах от величины заданного хода. Универсальность этой команды заключается в том, что она может заменить команды ЗАКРЫТЬ и ОТКРЫТЬ, для которых требуемые положения составляют 0 и 100 % соответственно. При исполнении рабочих команд возможно регулирование скорости (времени) перемещения выходного органа электромеханизма как в большую, так и в меньшую сторону относительно номинального значения. Номинальное значение времени перемещения выходного органа электромеханизма указывается в его обозначении, например, для МРО-250/15-0,5 В, время перемещения выходного органа на угол 180 градусов составляет 15 с. Если электромеханизм установлен на шаровой кран (дисковый затвор) и в АИ установлена частота питающего напряжения 25 Гц, то полное время открытия/закрытия при повороте на 90 градусов составит 15 с, на номинальной частоте (50 Гц) оно составит 7,5 с. При отработке команды УСТАНОВИТЬ ЗАДАННОЕ ПОЛОЖЕНИЕ предусмотрен режим перезадания этой команды (с выдачей нового значения положения выходного органа механизма до завершения исполнения текущей команды). Циклограмма управления предусматривает автоматическое выполнение, при необходимости, динамического торможения и реверса. Предусмотрены также команды установки рабочего органа механизма в фиксированные положения. Таких положений два, значения этих положений программируются в процентах от заданного хода при проведении настроек исполнительного автомата.
Для дискретных рабочих команд возможно программирование двух режимов исполнения: режим пропорционального управления (команда исполняется, пока присутствует на входе) и режим с запоминанием команды
(до ее завершения). При этом команда может быть «короткой», длительностью не менее 0,2 с (селекция по длительности производится в АИ, исключая тем самым ложную реакцию на воздействие помех).
Для отмены исполняемых рабочих команд ЗАКРЫТЬ/ОТКРЫТЬ используются команды на противовключение, а для команды УСТАНОВИТЬ ЗАДАННОЕ ПОЛОЖЕНИЕ команда СТОП;
- автоматическое отключение электродвигателя механизма при достижении выходным органом положений или ЗАКРЫТО, или ОТКРЫТО, или заданного положения - это режим, где критерием завершения команды является требуемое положение. Возможно завершение рабочей команды при достижении выходным органом положений ЗАКРЫТО или ОТКРЫТО, но при условии регистрации величины заданного момента -режим завершения по усилию при достижении максимального уплотнения. Эти режимы программируются пользователем по своему усмотрению;
- автоматическое отключение электродвигателя механизма при неисполнении в течение 1,5...3 с рабочей команды, т.е. отсутствие перемещения выходного органа в указанном интервале времени со снятием исправности и диагностикой отсутствия движения;
- автоматическое отключение электродвигателя механизма при регистрации величины противодействующего момента свыше установленного предельного значения, раздельно по направлению движения. АИ самостоятельно обеспечивает комплекс алгоритмов по защите привода и арматуры, исключая необходимость реализации внешних релейных блокировок сигналов управления;
- настройку электропривода. Для настройки электроприводов под конкретную арматуру вскрывать электромеханизмы не требуется. Настройка электропривода осуществляется только в исполнительном автомате посредством переносного пульта ППУ-1А, или ПК, или непосредственно от АСУ ТП с цифровым управлением. Настройка предусматривает программирование следующих параметров: настройку значений конечных и промежуточных положений выходного органа электромеханизма; настройку значений максимального и пускового момента на выходном органе электромеханизма, настройку режимов исполнения рабочих команд и режимов индикации состояния; настройку скоростей перемещения выходного органа электромеханизма, раздельно для каждой рабочей команды; настройку типов аналогового выходного сигнала;
- контроль исправности электропривода. Диагностика состояния электропривода осуществляется в двух режимах: при включении питания проводится тест включения (ТВ) - наиболее полный контроль работоспособности, включающий диагностику оборудования более чем по тридцати параметрам и тест основной работы (ТОР). ТВ может так же проводиться при получении внешней команды от АСУ ТП по цифровому каналу управ-
ления или по команде от пульта ППУ-1А. Детальная расшифровка результатов диагностики может проводиться как в АСУ ТП, так и с помощью ППУ-1А или ПК;
- сигнализацию исправности электропривода на лицевой панели, в АСУ ТП по дискретному каналу и по каналу межконтроллерной связи; положений ЗАКРЫТО и ОТКРЫТО на лицевой панели и в АСУ ТП, а так же признаков промежуточных (путевых) положений; признаков перегрузки при исполнении команд в АСУ ТП раздельно для команд на закрытие и открытие; признака исполнения рабочей команды; действительного положения выходного органа электромеханизма (сигнал 4... 20 mA или 0.. .20 mA или 0.5 mA) по аналоговому каналу или в процентах по каналу межконтроллерной связи.
В процессе исполнения команды производится непрерывное измерение величины противодействующего момента (усилия) с последующим вычислением максимального значения и соответствующего этому значения положения выходного органа электромеханизма.
Электропитание силовой части исполнительных автоматов АИ-401А и АИ-401АМ может осуществляться как от однофазного источника переменного тока напряжением 220 В, так и от источника постоянного тока напряжением 200.330 В, а информационной части - от источника постоянного тока напряжением 24 В. Электропитание силовой и информационной частей исполнительных автоматов АИ-50 и АИ-50М - от источника постоянного тока напряжением 24 В. Возможность запитки силовой части АИ-401А (М) дополнительно и от источника постоянного тока (аккумуляторная батарея), делает простым способ сохранения работоспособности электропривода, в случае исчезновения источника питания переменного тока.
Габаритные размеры АИ-401А(М) и АИ-50(М) одинаковы: 40x128x200 мм при весе 450 и 320 грамм соответственно.
Исполнительные автоматы могут устанавливаться в стандартный 19 дюймовый крейт, образуя модуль управления с общим числом до 10 блоков управления. Модули управления устанавливаются в шкафы управления, с общим числом исполнительных автоматов до 70 шт. Шкафы управления двухстороннего доступа, со стеклянной лицевой дверью (степень защиты IP54 по ГОСТ 14254-80) фирмы «RITALL». Имеют в проекции размеры 600x620 мм, высота определяется числом крейтов и в максимуме составляет 1920 мм. Применение данных шкафов упрощает компоновочные решения, например, количество шкафов управления по сравнению со шкафами РТЗО сокращается в 5.9 раз. Шкафы имеют систему принудительной вентиляции с температурными датчиками, встроенные источники вторичного электропитания 24 В для запитки информационных подсистем исполнительных автоматов, источники питания 24 В для запитки дискрет-
ных цепей команд управления, источник питания 24 В для запитки цепей состояния (по требованию заказчика). Такое количество источников питания объясняется применением в исполнительных автоматах по всем внешним цепям гальванических развязок, что существенно повышает помехозащищенность и надежность работы системы управления. В состав шкафа входит система фильтрации и подавления помех по цепям питания. Внешние кабели подключаются к исполнительным автоматам через разъемы BLZ - 5,08 с винтовыми клеммами фирмы «Weidmuller». Применение указанных разъемов существенно упрощает монтаж кабелей в шкафу управления, а в дальнейшем и эксплуатацию, обеспечивая легкую замену, при необходимости, блоков управления.
В настоящее время многие зарубежные и отечественные производители например, в [2], предлагают пользователю функционально схожие изделия. Однако, на наш взгляд, ряд конструктивно-технических решений и особенностей исполнения как самого электромеханизма, так и блока управления, выделяют электроприводы серии «Прогресс», ставя их в отдельный ряд неполноповоротных электроприводов.
В заключение следует отметить, что данные электроприводы успешно эксплуатируются с 2002 года на регулирующих клапанах в котло-турбинных цехах, на регуляторах подачи газа и мазута, на насосных станциях, в химических цехах, цехах ХВО различных объектов энергетики, металлургии, нефтяного и газового комплексов.
Список литературы
1. Сироткин В.Л. Смарт-приводы как следствие развития систем АСУ ТП или к вопросу выбора электроприводов для арматуры // Армату-ростроение. 2007. №1(46). С.48-51.
2. «Intellect» общепромышленного электропривода / А. Гарганеев [и др.] // Журнал интеллектуальных технологий. 2007. №8. С.48-55.
A.P . Nikitin, V.N. Poljakov, S.A. Zamorin
INTELLECTUAL SINGLE-TURN ELECTRIC DRIVES OF THE SERIAL «PROGRESS»
The exposition of pattern of the electric drives produced by Michurin of Plant ««Progress», and the list of functions executable by them is resulted. Comparison of is constructional-technical solutions of such devices with electric drives of other producers is produced.
Key words: the automized control systems of operating procedures, the electric
drive.
Получено 18.10.11
