"Разработка цифроаналоговой системы измерения скорости главного привода блюминга"
ВВЕДЕНИЕ
Обжимные прокатные станы (блюминги и слябинги) на сегодняшний день являются основными для производства прокатной продукции. От их надежной и ритмичной работы зависит производство товарного проката (лист, арматура, проволока и т. д.). Большинство обжимных станов на Украине введено в эксплуатацию 20-30 лет назад, и их оборудование нуждается в модернизации. В частности, эффективным средством для улучшения эксплуатационных характеристик обжимных станов является переход от аналоговых к дискретным системам управления. Дискретные системы управления по сравнению с аналоговыми обладают следующими достоинствами: помехозащищенность, возможность создания комплексной системы автоматизации и управления на основе использования промышленных контроллеров. На эти контроллеры можно возложить кроме функций управления еще и дополнительные функции, такие как функции контроля, диагностики, динамической визуализации и т. д. Кроме того, дискретные датчики имеют более высокую точность измерения контролируемых координат.
Решению одного из таких вопросов - разработке цифроаналоговой системы измерения скорости главного привода блюминга, и посвящена данная работа.
1 АНАЛИЗ ИЗВЕСТНЫХ СПОСОБОВ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ИМПУЛЬСНЫХ ДАТЧИКОВ
В настоящее время при использовании частотных первичных измерительных преобразователей (ЧПИП) в системах управления электроприводами применяют два типа преобразователей: фотоэлектрические и индуктивные /1-3/.
Фотоэлектрические ЧПИП основаны на использовании фотоэлектрической системы, состоящей из осветителя и приемника света, между которыми находится диск с отверстиями, щелями или муаровыми полосами. Модуляция светового потока осуществляется с помощью диска, связанного с объектом измерения или контроля.
Индуктивные ЧПИП основаны на использовании воздушных поворотных (круговых) трансформаторов с печатными обмотками, так называемых индуктосинов. Наибольшее распространение получили фотоимпульсные датчики. И те и другие выдают периодический сигнал частоты равномерно распределенных по окружности ротора датчика, который жестко соединен с валом регулируемого двигателя, вращающегося с частотой n.
Выдавая сигнал, строго пропорционально средней скорости, частотный датчик не вносит никакой установившейся погрешности.
Точность частотных датчиков зависит от измеряемой величины и может превосходить на несколько порядков предельную точность аналоговых датчиков. Инструментальная ошибка частотных датчиков скорости составляет 0,01…0,001%
Частотные системы обладают большей помехоустойчивостью, так как исчезновение одного импульса приводит к кратковременному и незначительному искажению сигнала.
В зависимости от элементной базы системы регулирования частотные сигналы фотоимпульсных датчиков преобразуются в напряжение (для аналоговых систем) или в параллельный код (для процессорных систем). В последнем случае используют преобразователи частота-код (ПЧК). Их выполняют двух типов: ПЧК, основанные на подсчете числа импульсов входной частоты fВХ за фиксированное время ТИ, и ПЧК, основанные на измерении периода.
ПЧК первого типа, называемые преобразователями с непосредственным отсчетом частоты, вырабатывают код
где - частота вращения первичного импульсного преобразователя (ПИП); N- число импульсов, вырабатываемых за 1 оборот ПИП.
Интервал измерения Т обычно формируется помощью вспомогательного счетчика, на вход которого поступает высокостабильная частота fT , причем начало счета синхронизируется с приходом первого из импульсов измеряемой частоты fВХ, которое подсчитываются в основном счетчике. После окончания интервала ТИ содержимое основного счетчика переносится в буферный регистр, после чего основной счетчик обнуляется, а во вспомогательный вводится начальный код N0.
Абсолютная погрешность измерения не превосходит одного импульса (результат получается с недостатком). Приведенная погрешность где FМАКС соответствует wДВ. МАКС, а относительная погрешность равна F-1 и увеличивается при уменьшении wДВ.
При построении ПЧК второго типа, основанном на измерении ериода входной частоты fВХ, счетчик заполняется импульсами высокой частоты на протяжении периодов fВХ, так что зафиксированный счетчиком код, причем относительная ошибка измерения . Так как значение обратно пропорционально измеряемой частоте вращения, то код F находится по формуле.
Величину FO можно определить из равенства
Емкость счетчика для измерения GИЗМ определяется из выражения.
Такие ПЧК при максимальной входной частоте позволяют получить значительно меньшее время измерения, однако оно увеличивается при уменьшении wДВ; кроме того, следует учесть время, необходимое для вычисления обратной зависимости. Уменьшение времени измерения существенно ограничивается неравномерностью следования импульсов обратной связи, вызванных технологическими погрешностями при изготовлении ПИП, и его сопряжением с двигателем, что вызывает эффект, равносильный пульсациям напряжения тахогенератора в аналоговых регуляторах частоты вращения, и вынуждают увеличивать . Недостатком этого метода является также большая емкость счетчика, так что при вычислении F приходится оперировать с большим числом разрядов. Поэтому может оказаться целесообразным введением нескольких диапазонов измерения, каждому из которых соответствует свои значения и FO.
Для обеспечения максимальной точности в зоне минимальных скоростей можно использовать второй метод, а для максимальных скоростей - первый.
2 ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ СИСТЕМ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ
ГЛАВНЫХ ПРИВОДОВ ОБЖИМНЫХ СТАНОВ
К главному приводу обжимных станов предъявляют высокие требования, основные из которых следующие: широкий диапазон и плавность регулирования скорости; оптимальное протекание переходных процессов, учитывая то, что стан работает в основном в переходных режимах; экономичность регулирования; высокая перегрузочная способность; эксплуатационная надежность; высокие динамические качества.
Для систем регулирования скорости электроприводов можно выделить три системы, замкнутых обратной связью по напряжению, скорости и ЭДС. Системы, замкнутые обратной связью по напряжению, имеют низкую точность, невысокое быстродействие. Поэтому, при тех требованиях, которые предъявляются к главным приводам обжимных станов, системы с обратной связью по напряжению не обеспечивают необходимые динамические свойства и требуемое быстродействие. При применении систем с обратной связью по ЭДС возникают сложности в реализации самого датчика ЭДС. Это связано с тем, что большинство главных приводов обжимных станов работают с ослаблением магнитного потока и датчик ЭДС имеет инерционное звено с постоянной времени якорной цепи. В связи с этим используют системы с обратной связью по скорости. Для систем, реализованных на аналоговой элементной базе типа УБСР, в качестве датчиков скорости используют тахогенераторы постоянного тока. Они содержат в своем выходном напряжении переменную составляющую, относительная амплитуда которой может доходить до 10% полезного сигнала в зависимости от типа тахогенератора и способа его сочленения с валом двигателя /4/.
В выходном сигнале наряду с постоянной составляющей содержатся оборотные пульсации, частота которых равна частоте вращения тахогенератора. Это наиболее ярко выраженные пульсации. Также присутствуют полюсные, коллекторные и зубцовые, которые пропорциональны скорости вращения тахогенератора и зависят от его конструктивного исполнения. Амплитуда оборотных пульсаций зависит от способа сопряжения тахогенератора с выходным валом механизма. Для их снижения используют полужесткие муфты и гибкие валы. Наилучшие результаты по снижению уровня помех обеспечивает конструктивное исполнение двигателей со встроенным тахогенератором. Помехи в выходном напряжении таких тахогенераторов практически отсутствуют. Однако у них может наблюдаться эффект трансформации переменной составляющей напряжения возбуждения в якорную цепь. Ее частота постоянна и зависит от схемы питающего обмотку возбуждения выпрямителя.
Особенностью главных приводов обжимных станов также являются большая установленная мощность, большие габариты, моменты и высокий уровень динамических нагрузок (масса прокатываемых слитков от 3 до 20 тонн). В связи с этим в линии привода возникают механические колебания, передающиеся на входной вал, на механические крепления тахогенератора и на сам тахогенератор, как встроенного в двигатель, так и установленного вне его.
Включение фильтра на выходе тахогенератора требует снижения коэффициента усиления системы регулирования, что приводит к снижению быстродействия и ухудшению статических свойств /5/.
На рис.2.1 показана реконограмма напряжения тахогенератора, контролирующего скорость главного привода клети 950 ДМЗ. Запись выходного напряжения тахогенератора была произведена с помощью цифрового регистратора "RECON-04XMC" с частотой 2000 Гц. Для контроля скорости на каждом из двух двигателей главного привода клети 950 (далее речь будет идти об одном двигателе) установлены тахогенераторы, сочлененные с валами двигателей с помощью редукторов с передаточным числом равным 5. Редуктор предназначен для расширения диапазона выходного напряжения тахогенератора. Номинальная скорость вращения двигателя равна 60 об/мин, максимальная, при ослаблении потока, 110 об/мин. Таким образом, максимальная частота вращения тахогенератора составляет 550 об/мин. На приведенной реконограмме видно, что в сигнале скорости присутствуют практически все перечисленные пульсации, составляющие примерно 8% от полезного сигнала.
Рисунок 2.1 - Реконограмма выходного напряжения тахогенератора ПН-28,5 главного привода клети 950 при скорости вращения 19 об/мин
Несмотря на многолетний опыт эксплуатации главных приводов с обратной связью по скорости с применением тахогенераторов, проблема надежности канала измерения скорости остается актуальной.
3 РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ ИЗМЕРИТЕЛЯ СКОРОСТИ
Для повышения точности канала измерения скорости главного привода предлагается использовать фотоимпульсный растровый датчик ДИФР-1-800. Принцип действия датчика основан на фотоэлектрическом преобразовании угловых перемещений входного вала в пропорциональное число электрических импульсов. Датчик включает в себя: подвижную систему, оптическую систему считывания информации и электронный блок. Подвижная система содержит входной вал, на фланце которого жестко приклеен и закреплен отцентрированный растровый диск. Оптическая система считывания информации состоит из светодиода, растровой линзы и фотоприемников. Световой поток от светодиода проходит через растровую линзу и растровый диск. При вращении растрового диска меняется пропускание света через растровое сопряжение, а также фототок, поступающий с сигнальных фотодиодов. Одновременно постоянный световой поток поступает на компенсационные фотодиоды.
Растровый диск и растровая линза в паре создают обтюрационное сопряжение. На растровой линзе растры расположены в два сектора, сдвинутые относительно друг друга на ? шага растра. Два фотодиода, установленные под каждым из этих секторов растровой линзы и сопрягаемых с ними растрами дисков выдают аналоговые сигналы основных импульсов серии А и В. Фотодиод, расположенный в центральной части растровой линзы, выдает аналоговый сигнал R о достижении каждого полного оборота вала.
В датчике применена компенсационная электрическая схема усиления и формирования сигналов, которая создается при помощи дополнительных фотодиодов для основных сигналов А и В и одного оборота R, и вырабатывающая постоянный уровень фототока, который: автоматически компенсирует изменение постоянного уровня светового потока при изменениях условий эксплуатации, старении элементов, колебаниях напряжения питания. Регулирование величины компенсирующего фототока осуществляется при помощи регулировочных винтов, перекрывающих световой поток перед компенсирующими фотодиодами.
Электронный блок датчика содержит блоки формирователей, стабилизаторов, направления вращения и светодиод. В блоке формирователей расположены фотоусилители, компараторы и выходные усилители. В блоке стабилизации расположены стабилизатор тока светодиода и стабилизатор напряжения питания датчика.
Импульсные сигналы А и В с блока формирователей поступают на блок направления вращения, схема которого путем логической обработки вырабатывает потенциальные прямой и инверсный сигналы направления вращения и , формируемые по каждому фронту сигналов А и В, а также вырабатывается сигнал М2, соответствующий удвоенной разрешающей способности датчика.
Диаграммы напряжений выходных сигналов датчика представлены на рис.3.1
На рис.3.2 представлена функциональная схема измерителя скорости главного привода клети 950. Фотоимпульсный датчик ДИФР-1-800 установлен на валу редуктора. Датчик выдает 800 импульсов на один оборот тахогенератора. Таким образом, учитывая то, что передаточное число редуктора равно 5, установленный датчик выдает 4000 импульсов на один оборот двигателя. Для получения полной информации о скорости и направлении вращения двигателя используются сигналы , , и сигнал "готовность". - последовательность импульсов, количество которых зависит от частоты вращения двигателя. Сигнал - такой же, но инверсный. Сигнал - дискретный сигнал, характеризующий направление вращения двигателя. Он имеет два состояния -"логическую единицу" (направление вперед) и "логический ноль" (направление назад). Сигнал "готовность" характеризует исправное состояние датчика, наличие питающего напряжения и его готовность к работе. Эти четыре сигнала поступают на блок гальванических развязок , в котором кроме гальванической развязки установлено устройство защиты от помех для сигналов и устройство удвоения частоты импульсов (путем сложения последовательности импульсов и ,), а для сигнала - узел задержки на 50 мс. Эта задержка связана с тем, что возможно существование ложных сигналов об изменении направления вращения, связанных с зазорами в кинематических передачах двигатель-редуктор. А при реальном изменении знака скорости задержка в 50 мс остается незаметной. После блока , три стандартных нормализованных с логическими уровнями ТТЛ сигнала, уже пригодных для обработки с помощью ЭВМ, поступают в рабочую станцию системы контроля и управления скоростными режимами главного привода клети 950 на плату Octagon 5300. Плата 5300 является универсальным модулем, который предназначен для подсчета событий, измерения частоты, формирования синхроимпульсов, последовательностей с широтно-импульсной модуляцией и сеток частот. В составе модуля 5300 имеются 3-канальный счетчик и 3-канальный счетчик/таймер. Каналы счета имеют гальванически изолированные входы для снижения влияния на систему электромагнитных помех, а также для устранения гальванической связи с источниками внешних сигналов. Каналы счетчика/таймера функционируют со стандартными нормализованными логическими уровнями ТТЛ и имеют тактовые входы, входы запуска и счетные выходы. Модуль 5300 также имеет восемь линий дискретного ввода-вывода. Настройка линий на ввод или вывод осуществляется программно.
Сигнал последовательности импульсов + поступает на счетный вход clk счетчика/таймера нулевого канала (со второго двигателя сигнал поступает на такой же вход первого канала). Счетчик/таймер представляет собой интегральную микросхему 82С54 производства компании INTEL. Дискретные сигналы направления вращения и готовности к работе поступают на линии дискретного ввода-вывода, представляющие собой интегральную микросхему 82С55. Обработка поступившей информации, вычисление скорости каждого двигателя осуществляется с помощью процессорной платы Advantech 6168. Эта плата представляет собой промышленный одноплатный компьютер с процессором Celeron, частотой до 500 МГц и интерфейсами VGA/AGP, SCSI, Ethernet. Обмен данными и командами между платами 5300 и 6168 производится с помощью коммуникационной шины ISA. Процессорная плата 6168 выполняет программно настройку нулевого и первого канала счетчика/таймера на подсчет импульсов, поступающих на вход clk. Эта настройка выполнена таким образом, что импульсы, приходящие на clk, отнимаются от некоторого числа, заранее записанного в буфер счетчика. Опрос буферной памяти счетчика осуществляется каждые 10 мс. Также каждые 10 мс производится опрос линий дискретного ввода-вывода о состоянии датчика и направлении вращении двигателя.
Измерение скорости является одной из многих задач, возложенных на систему контроля и управления скоростными режимами главного привода клети 950.
4 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА РАБОТЫ ИЗМЕРИТЕЛЯ
Блок-схема алгоритма работы измерителя скорости (вычисление значения скорости на основе информации, полученной от импульсных датчиков) главного привода клети 950. Алгоритм работы можно условно разбить на две части. В первой части (блоки 1-3) происходит настройка таймера/счетчика каналов 0 и 1 на подсчет импульсов, загружается начальное число в буферную память счетчика, производится настройка линии ввода-вывода на ввод, устанавливается время дискретизации 10 мс (таким образом, считывание информации с буферной памяти счетчика и состояния линий ввода-вывода будет происходить каждые 10 мс). Первая часть алгоритма выполняется один раз, при запуске всей программы. Вторая часть алгоритма (блоки 4-10) непосредственно осуществляет считывание состояния буферной памяти счетчика и состояния линии ввода. Затем, в зависимости от значения числа импульсов, осуществляется расчет скорости по одному из двух алгоритмов. Полученный результат или выводится на кран монитора и используется в системе контроля и управления скоростными режимами. Масштабный коэффициент вычисляется исходя из значений передаточного числа редуктора, числа импульсов на один оборот датчика, периода дискретизации измерений.
Разработанная цифроаналоговая система измерения скорости прошла опытно-промышленное опробование и введена в эксплуатацию в системе контроля и управления скоростными режимами лавного привода клети 950 Донецкого металлургического завода. На рис 4.2 представлен внешний вид экрана монитора дежурного по машинному залу, на который выводится информация о скорости вращения привода в виде линейной диаграммы и численного значения. Диапазон измерения от 1 до 120 об/мин.
Достоинством разработанной системы является высокая помехозащищенность и удобство представления информации для контроля и компьютерной обработки.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе рассмотрены основные методы измерения скорости электроприводов, акцентировано внимание на частотных датчиках скорости, способных обеспечивать достаточно высокую точность измерения. Также произведен анализ известных способов измерения скорости с применением импульсных датчиков Показан пример реализации микропроцессорного измерителя скорости на IBM PC совместимых контроллерах, которые своими особенностями обеспечивают возможность широкого применения данных устройств в системах автоматизации в промышленности, на транспорте и других отраслях.
Результаты научной работы использованы в системе контроля и управления скоростными режимами главного привода клети 950 обжимного стана 950/900 ДМЗ. Применение разработанного цифрового измерителя скорости повысило эксплуатационную надежность системы управления главным приводом.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
1. Тун А. Я. Системы контроля скорости электропривода. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 168 с.
2. Розкаряка П.И., Светличный А.В. Цифроаналоговые системы управления скоростью электропривода. Сборник: Материалы международной студенческой научно-технической конференции 16-19 мая 2000 года "Проблемы автоматизации технологических объектов и технологических процессов". С 151.
3. Перельмутер В.М., Соловьев А.К. Цифровые системы управления тиристорными электроприводами. -Киев: Технiка, 1983, - 104 С.
4. Трохин В.М., Перельмутер В.М., Энтина В.И. и др. Цифроаналоговые системы автоматического управления .-Киев: Технiка , 1979,- 160 С.
5. Вультер Дж. Датчики в цифровых системах М.: Энергоиздат,1981.-200 С.
