CC BY
44
Климаш В. С. Klimash V S.
Соколовский М. А. Sokolovsky M. Л.
аспирант кафедры «Промышленная электроника», ФГБОУВО «Комсомольский-на-Амуре государственный университет», г. Комсомольск-на-Амуре, Российская Федерация
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Промышленная электроника», ФГБОУ ВО «Комсомольский-на-Амуре государственный университет», г. Комсомольск-на-Амуре, Российская Федерация
УДК 621.316.14
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ
В статье представлены устройство и функциональные возможности системы управления и контроля энергопотребления энергетических и технологических электроустановок. Существующие MES-системы для управления энергохозяйством обычно ориентированы на сбор и хранение данных, диспетчеризацию и контроль состояния компонентов системы, а системы управления технологическим процессом в основном предназначены для контроля и управления технологическими операциями и параметрами процесса. При этом взаимодействие между системой управления энергохозяйством и системой управления технологическими процессами ограничено или отсутствует. Система управления и контроля энергопотребления является MES-системой, предназначенной для устранения технических противоречий, неизбежно возникающих при воздействии на энергопотребление технологической системы. В большинстве случаев такое воздействие приводит к снижению производительности или остановке технологического процесса с соответствующим недовыпуском готовой продукции. Предлагаемое техническое решение предназначено для создания эффективной системы энергосбережения, которая оптимизирует требуемые параметры энергоэффективности производственных процессов, а также обеспечивает соответствие промышленного предприятия современным экологическим требованиям. Кроме этого, система осуществляет управление и контроль электротехническими системами, построенными на базе современного электропривода и силовых распределительных устройств с микропроцессорным управлением. Современное оборудование с микропроцессорным управлением, как правило, уже адаптировано для работы в составе систем диспетчеризации, управления и сбора данных и имеет в своем составе один или несколько информационных интерфейсов, предназначенных для функционирования в составе промышленных информационных сетей. Стандартные протоколы передачи данных между устройствами, такие как Modbus, Profibus, TCP/IP и др., позволяют вводить дополнительные элементы в систему, например, средства измерения, системы регулируемого электропривода, распределительные и другие устройства, а также оперативно модернизировать программно-аппаратный комплекс в целом. Дополнительно в статье даны примеры построения информационно-измерительных комплексов, а также практические рекомендации по вводу элементов системы в эксплуатацию.
Ключевые слова: электротехническая система, управление энергопотреблением, система дистанционного управления, MES-система, промышленная информационная сеть.
ELEcTRicAL FAciLiTiES AND SYSTEMS
CONTROL SYSTEM AND ENERGY CONSUMPTION MONITORING
The device and functionality of a control system and monitoring of energy consumption of power and technological electroinstallations are presented in article. The existing MES-systems for management of power economy are usually focused on collecting and data storage, scheduling and control of a condition of components of system, and control systems of technological process are generally intended for monitoring and management of technological and operations of process parameters. At the same time, interaction between a control system of power economy and the process control system limited or is absent. The control system and monitoring of energy consumption is the MES-system intended for elimination of the technical contradictions which are inevitably arising at impact on energy consumption of technological system. In most cases, such influence leads to decline in production or a stop of technological process, with the corresponding underproduction of finished goods. The proposed technical solution is intended for creation of efficient system of energy saving which optimizes the required parameters of energy efficiency of productions and also will provide compliance of the production enterprise to the modern ecological requirements. Besides the system exercises control and monitoring of the electrotechnical systems constructed on the basis of the modern electric drive and power distributing devices with a microprocessor control. The modern inventory with a microprocessor control is usually already adapted for work as a part of the systems of scheduling, management and acquisition and incorporates one or several informational interfaces intended for functioning as a part of the production informational networks. Reference transfer protocols of data between devices, such as Modbus, Profibus, TCP/IP, etc. allow to enter padding elements into the system, for example, of a gage, the systems of the adjustable electric drive, distributing and other devices and also to quickly modernize a hardware and software system in general. Follow-up in article examples of creation of informational and measuring complexes and also practical recommendations about input of elements of system in operation are given.
Key words: electrotechnical system, management of energy consumption, system of distance steering, MES-system, production informational network.
Введение
В настоящее время ПАО «Федеральная сетевая компания Единой энергетической системы» и ОАО «Научно-технический центр ФСК ЕЭС» проводят работу по модернизации единой электроэнергетической системы России в соответствии с концепцией интеллектуальной энергосистемы с активно-адаптивной сетью [1]. В соответствии с концепцией, потребители электрической энергии привлекаются к активному участию в процессах управления режимами работы энергосистемы, при этом повышаются качество и надежность электроснабжения, а также снижается стоимость покупки электрической энергии для потребителя. Для участия в процессах, протекающих в единой электроэнергетической системе, промышленному предприятию необходима система управления и контроля энергопотребления не только системы электроснабжения, но и технологических процессов. Существующие MES-системы для управления энергохозяй-
ством обычно ориентированы на сбор и хранение данных, диспетчеризацию и контроль состояния компонентов системы [2], а системы управления технологическим процессом в основном решают узкий круг задач, направленных на контроль и управление технологическими операциями и параметрами процесса [3]. При этом взаимодействие между системой управления энергохозяйством и системой управления технологическими процессами ограниченно или отсутствует.
Система управления и контроля энергопотребления
Система управления и контроля энергопотребления представляет собой MES-систему (образовано от англ. manufacturing execution system — система управления производством) и состоит из иерархического программно-аппаратного комплекса, изображенного на рисунке 1. Здесь G — питающая сеть, ВВ — высоковольтный выключатель, Т — силовой трансформатор, НВ — низковольт-
ный выключатель, ЭП — регулируемый электропривод, П — технологический процесс, ТН — трансформатор напряжения, ЭВМ — электронно-вычислительная машина, SQL — сервер базы данных, SCADA — система диспетчерского управления и сбора данных, OPC — сервер обмена данными, АСУЭ — автоматизированная система управления энергоснабжением, АСУТП — автоматизированная система управления технологическим процессом, РМ1 — рабочее место, РМ2 — дополнительное рабочее место.
Функции защиты, автоматики и контроля трансформатора напряжения выполняет «Сириус-ТН». Защита, автоматика, управление и контроль выключателя ввода — «Сириус-2В». Основная дифференциальная защита силового трансформатора — «Сириус-Т». Каждый терминал может иметь несколько интерфейсов связи, таких как RS485 и Ethernet с протоколом Modbus, что очень удобно при построении системы управления. Для анализа параметров электрических сетей низкого напряжения удобно применять многофункциональные измерительные приборы серии «SENTRON PAC», производитель «Siemens». Наличие интер-
фейсов связи RS485 или Ethernet, а также оптимальная функциональность в различных моделях приборов позволяет подобрать нужное устройство. Кроме этого, встроенные релейные и цифровые входы и выходы позволяют решать дополнительные задачи телеуправления и телесигнализации. Контроль и защита ввода низкого напряжения реализованы на автоматическом выключателе серии «Susol» отечественного производителя ЗАО «Электрощит-ТМ-Самара», который выполняет функции не только контроля, защиты и дистанционного управления ввода, но и производит измерение параметров питающей сети.
Наличие интерфейса RS485/Modbus и Profibus-DP дает возможность быстрого внедрения устройства в систему АСУТП. Для управления электрическим приводом в настоящее время широко применяются разнообразные модели преобразователей частоты, электропривода постоянного тока и сервоприводов. Эти устройства могут не только дистанционно управлять электрическим двигателем, но и в сочетании с дополнительным оборудованием получают дополнительную информацию о механизме.
Рисунок 1. Структурная схема системы управления
Electrical facilmes and systems
Например, при помощи подключенного к преобразователю частоты инкрементного или абсолютного энкодера можно измерить частоту вращения или угол поворота вала двигателя, а через аналоговый вход получить информацию с измерительного устройства, установленного на механизме.
Использование универсальных промышленных интерфейсов и протоколов обмена данными дает возможность с минимальными затратами внедрять в существующие сети новые информационно-измерительные комплексы. На рисунке 2 изображен информационно-измерительный комплекс подъемного крана. Здесь LAN — информационная сеть, Ш — шины постоянного напряжения, Д1 — датчик сети постоянного тока, Д2 — датчик электропривода 1, Д3 — датчик электропривода 2, Д4 — датчик электропривода 3, ПЛК — программируемый логический контроллер, ЭП1 — электропривод подъема, ЭП2 — электропривод передвижения тележки, ЭП3 — электропривод передвижения моста. Перемещение грузоподъемного
механизма в пространстве, а также подъем/ опускание груза выполняются при помощи частотно-регулируемых электроприводов ЭП1, ЭП2 и ЭП3, каждый из которых состоит из преобразователя частоты и асинхронного электродвигателя. Датчики Д1, Д2, Д3 и Д4 предназначены для измерения параметров энергопотребления как отдельно для каждого привода, так и для всего комплекса. Каждый датчик состоит из измерителя постоянного тока и измерителя постоянного напряжения отечественного производителя ОАО «НИИЭМ» серий «ДТХ» и «ДНХ» соответственно. Оба устройства имеют интерфейс «Аналоговая токовая петля», при помощи которого приборы подключаются к аналоговым входам программируемого логического контроллера.
Кроме этого, к релейным выходам ПЛК подключены дискретные входы преобразователей частоты электроприводов для управления передвижением грузоподъемного крана. Во время работы асинхронного двигателя в режиме торможения им вырабатывается
ЭП1
ЭП2
ЭПЗ
Рисунок 4. Функциональная схема измерительного комплекса
энергия, которая через преобразователь частоты электропривода поступает на шины постоянного напряжения и служит для питания других электроприводов. Для повышения эффективности шины грузоподъемного крана присоединяют к сети постоянного напряжения. Таким образом, появляется возможность объединить общей сетью различные устройства, имеющие шины постоянного напряжения. Например, комплекс грузоподъемных кранов [4].
Программная часть
Программная часть системы (рисунок 1) устанавливается на электронно-вычислительной машине под управлением операционной системы «Windows». К стандартным устройствам ввода/вывода персонального компьютера подключается аппаратная часть системы. Для удаленного управления и сбора данных могут использоваться стандартные проводные и беспроводные информационные сети. LAN — интерфейс (Local Area Network), самое распространенное устройство связи при организации локальной проводной сети. Большие скорости передачи данных, 100 Мбит/с по стандартной витой паре, дают возможность работать с системой управления в реальном масштабе времени. Общераспространенные Wi-Fi адаптеры в зависимости от расстояния между устройствами и наличия преград позволяют организовывать беспроводные локальные сети со скоростью обмена информацией между устройствами до 108 Мбит/с.
Сбор, обработка и подготовка данных с устройств осуществляются при помощи OPC-сервера «Modbus Universal MasterOPC», производитель «ИнСАТ» (Россия). OPC-сервер (образовано от англ. OLE for Process Control) представляет собой комплекс программных решений, предназначенный для решения задач управления объектами автоматизации и технологическими процессами. Сервер с определенной периодичностью «опрашивает оборудование», подключенное к сети, используя уникальный для каждого устройства адрес, что минимизирует ошибки при обмене данными. SQL-сервер предназначен для хранения и манипуляций с информацией, хранящейся в базе данных, при этом
обеспечивается высокая защищенность данных путем использования специальных алгоритмов чтения-записи, резервного копирования и восстановления баз данных после сбоев. Собранные OPC-сервером данные поступают в SCADA-систему (образовано от англ. Supervisory Control And Data Acquisition — система управления и сбора данных), где обрабатываются и записываются. Управляющая программа выполнена на основе SCADA-системы «CX-Supervisor», производитель «OMRON» (Япония).
Управляющая программа имеет следующие функции.
Управление: оперативное управление каждым элементом, входящим в состав системы; регулирование параметров процессов и управление отдельными объектами по заданным алгоритмам; запуск/останов/смена режимов управляемого электропривода; включение/отключение распределительных устройств; работа с блоками телеуправления.
Контроль работы: централизованный контроль состояния объектов, входящих в систему; контроль работы регулируемого электропривода (функционирование, наличие ошибок); контроль работы средств измерения; контроль состояния распределительных устройств и блоков телесигнализации.
Дополнительные задачи: графическая и математическая обработка значений измеренных величин; визуализация системы и протекающих процессов; построение графиков входных/выходных зависимостей; фиксация отклонений от норм контролируемых процессов; программируемые наборы параметров для разных видов промышленных механизмов; переключение режимов управления; ведение архивов и создание отчетов.
При необходимости системой можно управлять дистанционно с удаленных рабочих мест, а также взаимодействовать с другими системами управления и сбора данных, таких как автоматизированная система управления энергоснабжением (АСУЭ) или автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУТП).
На примере преобразователя частоты рассмотрим последовательность ввода в систему управления нового устройства. Промыш-
ленные преобразователи частоты общего назначения независимо от производителя, за редким исключением, имеют одинаковую структурную схему. Рассмотрим частотно-регулируемый электропривод CIMR-V7 производства компании «OMRON» (Япония), который изображен на рисунке 3, и имеет следующие основные функциональные возможности: управление электродвигателем в режиме скалярного или векторного управления, поддержание номинального крутящего момента при низких частотах, высокая несущая частота, функция точного останова, встроенный ПИД-регулятор, вход терморезистора с положительным ТКС для защиты двигателя от перегрева.
Силовой вход (Я/Ы, S/L2, Т^3) преобразователя частоты подключен к трехфазной питающей сети, а к силовому выходу (и/Т1, У/Т2, W/T3) подключен трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Интерфейс ЯБ-422 (или ЯБ-485) предназначен для управления и обмена сообщениями по информационным сетям. Порт интерфейса подключается к существующей промышленной сети, связанной с системой
управления и контроля. Для идентификации устройства в сети преобразователю частоты назначается уникальный адрес. Для организации связи в информационной сети CIMR-V7 поддерживает протокол Modbus RTU, коммуникационный протокол, разработанный компанией Modicon.
При информационном обмене используются следующие стандартные функции протокола Modbus:
0x03 (чтение данных) — читает данные из заданного числа регистров;
0x08 (тест на эхо-возврат) — принятое сообщение DSR возвращается в качестве ответа. Эта функция используется для контроля состояния канала обмена;
0x10 (запись данных) — данные, сопровождающие сообщение, записываются в заданное число регистров.
А также широковещательное сообщение с адресом 0х00, которым устанавливаются значения регистров 0х01 и 0х02.
Согласно руководству по эксплуатации, определяем номера регистров, необходимых для работы с устройством. Если планируется оперативно менять настройки преобразова-
Рисунок 3. Схема подключения преобразователя частоты CIMR-V7
теля частоты, то используются номера регистров из диапазона 0x0101-0x01B3, где содержатся рабочие параметры.
Для управления двигателем и контроля работы привода используются следующие регистры:
0х01 (команда RUN) — установкой соответствующих битов регистра осуществляются запуск двигателя, смена направления вращения, сброс аварии, контроль состояния многофункциональных входов;
0х02 (эталон частоты) — путем установки соответствующего значения регулируется частота вращения двигателя;
0х03 (коэффициент усиления Uf-характе-ристики) — в соответствии с установленным значением изменяется величина выходного напряжения;
0х09 (выход инвертора) — установкой соответствующих битов регистра осуществляется управление релейным и цифровыми выходами;
Регистры из диапазона 0х20-0х39 отображают текущее состояние преобразователя частоты, имеющиеся аварии, значения величин, измеренных на выходе преобразователя и в звене постоянного тока.
Выбранные номера регистров конфигурируются в списке переменных OPC-сервера, после чего сервер автоматически производит чтение/запись требуемых регистров преобразователя частоты.
С помощью штатных средств CX-Super-visor создаем визуальный образ введенного преобразователя частоты, электродвигателя и приводного механизма с необходимыми
Список литературы
1. Основные положения концепции интеллектуальной энергосистемы с активно-адаптивной сетью. М.: ОАО «ФСК ЕЭС», 2012. 51 с.
2. Бедерак Я.С., Дегтярев А.В. Применение АСУЭ на промышленных предприятиях для решения задач энергосбережения // Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит. 2010. № 5 (75). С. 28-35.
3. Степанов В.П., Андреев В.В., Емельянов С.А. Управление технологическими процессами на компрессорных станциях с
полями отображаемых величин и производим подключение к вновь введенным в ОРС-сервер переменным. Из списка с предустановленными параметрами выбираем настройки, необходимые для работы с данным типом оборудования. Если такой тип оборудования отсутствует или требуется большее число предустановленных значений, то создается и сохраняется новый набор. В завершении производится настройка необходимых характеристик разгона и торможения электродвигателя, параметров ПИД-регулятора.
Выводы
В процессе опытной эксплуатации управляющая система применялась для работы по выявлению дополнительного потенциала энергосбережения как отдельных машин и механизмов, так и технологических комплексов [5].
При использовании программно-аппаратного комплекса, учитывающего особенности функционирования систем энергоснабжения и технологических процессов, появилась возможность внедрения различных энергосберегающих алгоритмов управления энергопотреблением промышленного предприятия, в том числе без остановки непрерывных технологических процессов [6].
Исследование протекающих процессов выполнялось в короткие сроки. Этому способствовала гибкость системы, позволяющая быстро провести эксперимент путем не сложного ввода в работу дополнительных измерительных приборов, силовых распределительных устройств или регулируемого электропривода.
учетом работы автоматизированной системы управления энергоснабжением // Известия вузов. Электромеханика. 2011. № 3. С. 69-71.
4. Патент 142676 Российская Федерация, МПК В 66 С 13/22 (2006.01). Система частотно-регулируемых электроприводов для комплекса грузоподъемных кранов / Климаш В.С., Соколовский М.А. (РФ). 2013145059; заявл. 08.10.2013; Опубл. 27.06.2014, Бюл. 18.
5. Климаш В.С., Соколовский М.А. Система дистанционного управления энергетическими и технологическими установками //
Электротехнические комплексы и системы управления. 2015. № 4. С. 42-46.
6. Климаш В.С., Соколовский М.А. Система рационального управления энергопотреблением промышленного предприятия // Горное оборудование и электромеханика. 2017. № 4. С. 25-31.
References
1. Osnovnye polozhenija koncepcii inte-llektual'noj jenergosistemy s aktivno-adaptivnoj set'ju. M.: OAO «FSK EJeS», 2012. 51 s.
2. Bederak Ja.S., Degtjarev A.V. Prime-nenie ASUJe na promyshlennyh predprijatijah dlja reshenija zadach jenergosberezhenija // Jenergosberezhenie. Jenergetika. Jenergoaudit. 2010. № 5 (75). S. 28-35.
3. Stepanov V.P., Andreev V.V., Emel'ja-nov S.A. Upravlenie tehnologicheskimi proces-
sami na kompressornyh stancijah s uchetom raboty avtomatizirovannoj sistemy upravlenija jenergosnabzheniem // Izvestija vuzov. Jelektro-mehanika. 2011. № 3. S. 69-71.
4. Patent 142676 Rossijskaja Federacija, MPK B 66 C 13/22 (2006.01). Sistema chasto-tno-reguliruemyh jelektroprivodov dlja kom-pleksa gruzopod'emnyh kranov / Klimash V.S., Sokolovskij M.A. (RF). 2013145059; zajavl. 08.10.2013; Opubl. 27.06.2014, Bjul. 18.
5. Klimash V.S., Sokolovskij M.A. Sistema distancionnogo upravlenija jenergeticheskimi i tehnologicheskimi ustanovkami // Jelektro-tehnicheskie kompleksy i sistemy upravlenija. 2015. № 4. S. 42-46.
6. Klimash V.S., Sokolovskij M.A. Sistema racional'nogo upravlenija jenergopotrebleniem promyshlennogo predprijatija // Gornoe oboru-dovanie i jelektromehanika. 2017. № 4. S. 25-31.
