Благодаря простоте конструкции, высокой надежности и невысокой стоимости асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором (далее по тексту АД), является наиболее распространённым электродвигателем. Свыше 85% всех электрических машин - это трехфазные асинхронные электродвигатели. АД обычно рассчитаны на срок службы 15-20 лет без капитального ремонта, при условии их правильной эксплуатации. Под правильной эксплуатацией АД понимается его работа в соответствии с номинальными параметрами, указанными в паспортных данных электродвигателя. Однако в реальной жизни имеет место значительное отступление от номинальных режимов эксплуатации. Это, в первую очередь, плохое качество питающего напряжения и нарушение правил технической эксплуатации: технологические перегрузки, условия окружающей среды (повышенные влажность, температура), снижение сопротивления изоляции, нарушение охлаждения. Последствием таких отклонений являются аварийные режимы работы АД. В результате аварий ежегодно выходят из строя до 10% применяемых электродвигателей. Выход из строя АД приводит к тяжелым авариям и большому материальному ущербу, связанному с простоем технологических процессов, устранением последствий аварий и ремонтом вышедшего из строя электродвигателя, стоимость которого составляет примерно 70% от цены нового двигателя. Помимо этого, работа на аварийных режимах ведет к повышенному энергопотреблению из сети, увеличению потребляемой реактивной мощности.
Совершенно очевидно, что применение надежной и эффективной защиты от аварийных режимов работы значительно сократит количество и частоту аварийных ситуаций и продлит срок службы АД, сократит расход электроэнергии и эксплутационные расходы. Но, для того, чтобы выбрать эту защиту необходимо знать, как и от чего необходимо защищать АД, а также специфику процессов протекающих в нем в случае аварий.
Современные стандарты большинства стран мира, включая и Россию, предъявляют все более высокие требования к безопасной эксплуатации асинхронных электродвигателей. Высокие показатели надежности и долговечности АД возможны только при условии их эксплуатации при номинальных или близких к ним режимах, что можно обеспечить только установкой надлежащей защиты.
Существуют разные подходы к обеспечению максимально возможной защиты двигателя, предлагающие как аналоговые, так и цифровые устройства для достижения этой цели. Но, практически все они имеют и целый ряд существенных недостатков, влияющих на качество работы: одни отличаются неоправданной избирательностью, у других отсутствует отстройка от процесса пуска, третьи не реагируют на токи короткого замыкания или перегруза и т. д. Для того, чтобы правильно выбрать защитное устройство, необходимо знать, как и от каких аварий защищает конкретное устройство, принцип их действия и конструктивные особенности.
Электродвигатели часто устанавливаются в производственной зоне, содержащей и другие объекты, требующие контроля. Поэтому возможность совмещения в одной проектной базе устройства защиты электродвигателя и устройства сбора и контроля информации, предназначенного для управления широким набором оборудования: от непосредственно рабочего, до периферийного представляется достаточно перспективным решением.
Таким образом, актуальность предложенной системы автоматического контроля и управления базируется на следующих пунктах:
Целью работы является проектирование, разработка и практическое внедрение на основании проведенных исследований [1] блока интеллектуальной токовой защиты и системы сбора и контроля информации в производственных условиях.
Научная новизна:
- Создана новая математическая модель алгоритмов защиты АД
- Разработана интегральная программная модель для реализации следующих задач
а) защиты трёхфазных асинхронных двигателей
б) обеспечения связи аппаратных комплексов с разной архитектурой
в) сбора информации и управления оборудованием в производственных условиях
Практическая ценность:
На основании полученных моделей [1] будут спроектированы, разработаны и внедрёны в производство интеллектуальный блок защиты АД и система сбора и контроля информации в производственных условиях.
2. Обзор работ, близких по тематике
Гузенко Светлана Викторовна
«Оценка пожарной опасности асинхронных электродвигателей, эксплуатирующихся на промышленных предприятиях»
Получена аналитическая зависимость вероятности возникновения пожаров при эксплуатации асинхронных электродвигателей от частоты появления обрывов фазных проводников, длительности существования такого режима, частоты появления горючего материала на корпусах электродвигателей и сроков его осмотров, а также от надежности системы отключения защитного коммутационного аппарата и сроков его диагностики.
Полученные данные в результате исследования позволяют выбрать интервал времени между проверками отключения защитного коммутационного аппарата и срока проверки наличия горючего материала (пыли) на корпусах асинхронных электродвигателей, при котором вероятность пожаров при эксплуатации на промышленных предприятиях АД будет отвечать норме ГОСТ 12.1.004-91. Это позволит почти полностью исключить случаи появления пожаров при эксплуатации электродвигателей.
Разработана математическая модель и предложена методика, которые позволяют прогнозировать вероятность появления возможных пожаров от эксплуатации асинхронных электродвигателей, разрабатывать организационные и технические мероприятия, позволяющие обеспечивать нормируемый ГОСТ 12.1.004-91 уровень пожарной безопасности.
Мартыненко Сергей Владимирович
«Создание тепловой защиты асинхронного двигателя 6 кВ с.н. ТЭС»
Мурашов Евгений Александрович
"Координирующая SCADA-система управления МНЛЗ"
Проведено ознакомление с объектом управления и спроектирована информационная система контроля и управления МНЛЗ. Для разработанной системы определен состав задач контроля и управления, структура информационных потоков. Проведен анализ существующих SCADA – систем и выбрана Trace Mode. Спроектирована локальная сеть для АСУ ТП МНЛЗ.
Рыбалко Ольга Александровна
«Определение влияния параметров работы асинхронного двигателя и питающей сети на его нагрев и полезную мощность»
Разработаны алгоритмы определения допустимой по условиям нагрева токовой нагрузки закрытого АД с начальным нагревом, при запусках через заданный интервал времени, а также при переменной величине нагрузки; определено влияние параметров повторно-кратковременных режимов (S4) на допустимую полезную мощность; разработаны основные положения математической модели нагрева группы АД—при отключении напряжения во время работы в номинальном режиме—при подаче напряжения и сомозапуске.
Даны практические рекомендации по определению полезной мощности в кратковременных режимах S2 для АД с начальным нагревом, при запусках через определенный интервал времени, а также при переменной величине нагрузки; для работы закрытого АД в повторно-кратковременных режимов (S4) разработаны рекомендации по определению предельных параметров режима (число включений в час, допустимая мощность); определена допустимая мощность взрывозащищенных АД в продолжительном режиме S1 при несимметрии сети. Получены расчётно-теоретические оценки нагрева обмоток двигателей группового привода при отключении напряжения и самозапуске.
Проведен расчетно-теоретический анализ и обобщение экспериментальных данных по определению влияния несимметрии напряжения на нагрев и допустимую мощность взрывозащищенных АД в продолжительном режиме работы S1.
Разработаны основные положения математических моделей мощных закрытых АД в режиме S1 - отключение напряжения (выбег) - самозапуск.
1. Разработаны методы определения допустимого тока статора (полезной мощности) закрытого АД в кратковременных режимах:
- при переменной нагрузке;
- с начальным нагревом обмотки статора.
Выполнено ряд контрольных расчетов для взрывозащищенных АД.
2. Определен допустимый уровень токовой нагрузки обмотки статора для серии взрывозащищенных АД в кратковременных режимах (при неизменном характере нагрузки) с различной продолжительностью нагружения.
3. Определено влияние параметров повторно-кратковременного режима S4 на допустимую полезную мощность закрытого АД.
4. Определено влияние несимметрии напряжения и допустимой полезной мощности закрытого АД.
5. Отработаны основные положения определения теплового состояния АД в режиме S1—отключение напряжения (выбег)—самозапуск.
Федюк Оксана Александровна
"Специальные вопросы расчета асинхронных двигателей"
Рассматривается вопрос расчета переходного процесса в сети электроснабжения при пуске АД, определяется реальная величина напряжения на его зажимах, изменяющегося в процессе пуска, получены реальные величины пусковых моментов, пусковых потерь и времени пуска, а также рассчитаны кривые нагрева обмоток с учетом всех отмеченных факторов.
Разработаны методики расчета теплового состояния закрытых обдуваемых АД в продолжительном, кратковременном и повторно-кратковременных режимах работы с учетом реальных величин напряжений на зажимах в процессе пуска.
Мишлаков Дмитрий Александрович
«Автоматизация анализа аварийных ситуаций в электрических системах»
Разработана экспертная система, предназначенная для работы в составе автоматизированной системы оперативного управления локальными объектами электроэнергетической системы
Разработан метод автоматизированного анализа аварийных ситуаций непосредственно после их появления.
Метод использует аналоговые и дискретные сигналы, вызванные повреждениями и изменениями схемы соединений оборудования электрической системы, отражающими состояние выключателей, устройств релейной защиты и автоматики. Метод позволяет оценивать работу устройств релейной защиты и автоматики, выключателей.
Резник Роман Николаевич
«Исследование и разработка системы автомвтизации учета и контроля технологических процессов рудного двора доменного цеха металлургического комбината»
Шамшин Сергей Викторович
«Автоматизированная система контроля содержания алюминия в потоке боксита»
Разработан метод расчёта концентрации алюминия в боксите с динамичной поправкой результатов к условиям внешней среды и точных значений концентрации, которые были получены по результатам химического анализа.
Система помогает решить очень важную проблему в области обогащения алюминия на глинозёмных предприятиях, а также обеспечить максильную эффективность производства и его экологическую безопасность при оптимальных финансовых затратах на закупку сырья.
Ширкова Екатерина Алексеевна
«Автоматизированные системы коммерческого учета электроэнергии»
Разработана модель автоматизированной системы коммерческого учета электроэнергии и обоснованы методы оценки эффективности от её внедрения в производство. Проведён сравнительный анализ автоматизированных систем фирм, действующих на украинском рынке АСКУЭ, который может быть полезен потенциальным заказчикам таких систем, а также фирмам, разрабатывающим системы такого класса.
Пилипенко Олег Игоревич
«Расчетно-теоретический анализ теплового состояния взрывозащищенных асинхронных двигателей в режимах короткого замыкания и после них»
Решена задача расчетно-теоретического определения всего комплекса вопросов по определению токов обмоток статоров и роторов, (короткозамкнутые ротора одноклеточные, двухклеточные, глубокопазные с бутылочным пазом ротора) в функции времени короткого замыкания, нагревов обмоток при КЗ с учетом насыщения и вытеснения тока, а также исследования характера изменения температуры всех основных элементов конструкции АД при его нахождении в отключенном состоянии или при работе в номинальном режиме.
Разработаны методики численного расчета теплового состояния взрывозащищенных АД в режимах КЗ и после них, которые могут быть использованы во всех заинтересованных органах.
Воронцова Мария Александровна
«Разработка и исследование компьютеризированной системы мониторинга технологических показателей процесса производства азотной кислоты и диагностики производственного оборудования в условиях ОАО "Концерн "СТИРОЛ"»
- разработан драйвер связи объекта с ПЭВМ;
- построена подсистема технической диагностики оборудования по производству азотной кислоты на базе нейронных сетей. Построенная подсистема позволяет верно идентифицировать утечки, т.е. определять в какой момент времени в каком блоке произошел сбой. Исходными данными для работы подсистемы являлись искусственно генерируемые величины технологических параметров. В дальнейшем предполагается проверить работоспособность подсистемы с использованием в качестве входных величин реальные данные, полученные от датчиков, расположенных на объекте;
- спроектирована СУБД, организующая сбор и обработку хозрасчетной информации. В дальнейшем планируется расширить функциональные возможности данной подсистемы;
- проведено технико-экономическое обоснование создания подсистем такого рода.
Кроме уже упомянутых направлений развития подсистемы организована локальная сеть со следующими функциями:
- организация получения данных от бюро учета (ежесуточно);
- организация пересылки отчетов руководству предприятия (ежедневно);
- организация обработки запросов, поступающих не только от оператора, но и от руководства предприятия (в произвольное время).
Капустин Константин Николаевич
«Исследование и обоснование структуры и параметров микропроцессорного устройства контроля вибрации вентиляторов главного проветривания угольных шахт»
2.2 Обзор национального уровня
2.3 Публикации мирового уровня
"Основы тепловой модели двигателя и её применения в защите двигателя"
Название издания: Protective Relay Engineers, 2005 58th Annual Conference for
В статье обсуждаются основы тепловой модели двигателя и её математическая интерпретация, а также физика различных состояний двигателя (перегруз, непредусмотренная остановка, слишком частые или продолжительные запуски, использование рабочих циклов). Пояснены временные константы тепловой модли и другие технические аспекты, влекущие соответствующие изменения в алгоритме тепловой модели. Другие разделы, освещённые в статье, показывают, что подробная и информативная документация по двигателю, совместно с координацией между инженером защиты и поставщиком, ведут к надлежащему выбору параметров тепловой защиты двигателя.
В статье представлен детальный обзор остановки, ускорения двигателя и соответствующие тепловые кривые, пояснена сущность тепловой ёмкости и конкретизировано её влияние на выбор средства тепловой защиты. Также обсуждаются некоторые дополнительные методы, такие как кривые перегруза, зависимые от напряжения и перебоя, предназначенные для определения тепловой ёмкости в областях нестандартных применений двигателя. В статье представлена концепция соответствия тепловых временных констант для случаев циклической нагрузки на двигатель.
Кроме этого, продемонстрирована работа алгоритма тепловой модели на практических примерах.
В статье также описан реальный случай, показывающий как применять и настраивать тепловую модель в случае высокоинерционной загрузки двигателя. В таком контексте в статье также анализируются некоторые ключевые темы, которые обеспечивают безопасную работу двигателя совместно с наличием приемлемых характеристик конструкции двигателя.
Авторы: Godsey, B. | Midence, R. | Premerlani, W. | Shulman, E. | M, Thaku | Venkataraman, B.
Опубликовано: IEEE
"Electronically enhanced low voltage motor protection and control"
"(Низковольтная защита и управление двигателем с увеличенным содержанием электроники)"
Название издания: Industry Applications, IEEE Transactions on Abstract
Наибольшая разница в защите и управлении двигателем сегодня и в будущем будет состоять в увеличенном количестве электроники. Системы, основанные на электромеханике, ограничены простыми режимами защиты и обычно имеют одинаковое соотношение между входом (например, ток) и реакцией (например, отклонение).
Микроконтроллеры, с их повышенной скоростью обработки и наборами запрограммированных инструкций, дают разработчикам средство и свободу в реализации набора методов защиты, а также в их индивидуальной настройке.
Возможности компьютеризации позволяют разработчикам совместить в современных системах защиты двигателя множество функций, включающих функции управления, которые раньше реализовывались исключительно схемами с жёсткой логикой. Сейчас разработчик может провести переоценку требований к защите двигателя и предоставить уникальное решение. Также становится возможной замена высокоуровневых контроллеров на специализированные, встроенные в систему защиты. Такая система может обеспечивать передачу данных на общезаводские системы управления. Если раньше такие решения были непрактичны ввиду своей сложности/стоимости, то теперь это становится вполне доступным.
Авторы: Bartheld, R.G. | Farag, S.F. | May, W.E.
Том: 30
Опубликовано: IEEE
"Интеллектуальные микрокпроцессорные устройства для улучшенной защиты двигателя, гибкое управление и коммуникация на бумажной фабрике."
Название издания: IEEE Transactions on Industry Applications
Повреждения двигателя на обычной бумажной фабрике очень дорогостоящи. Каждый час после среднестатистической поломки мотора и до починки обходится в сумму до $20000.
Починка моторов оборачивается, например, для североамериканской фабрики Champion International на сумму более $10,000,000 в год.
Потеря продукции, связанная с этими поломками может достигать поражающих величин, таких как $1,000,000 в день.
Учитывая эти факты,Champion International разработала программу использования оборудования интеллектуального управления и защиты двигателя во всех новых сборках, где это возможно, а также для замены отслужившего срок эксплуатации оборудования защиты двигателя. Комбинация улучшенной защиты двигателя, гибкого управления и коммуникации дала возможность Champion осуществлять прямое управление и наблюдение за своими процессами.
Улучшенные возможности нового оборудования обеспечивают заблаговременное предупреждение о возникающих проблемах, минимизируют время простоя и улучшают результаты роботы процессов. В статье показана история замены устаревшего электромеханического оборудования защиты и управления. Дополнительно обсуждается современное поколение технологий защиты двигателя и потребность в новом поколении оборудования для защиты двигателя, предоставляющего полную защиту от всех известных недопустимых режимов работы.
Авторы: Farag, S.F. | Jhaveri, M.K.
Том: 33
Год публикации: 1997
Опубликовано: Institute of Electrical & Electronics Engineers (IEEE)
"Improving existing motor protection for medium voltage motors."
"Улучшение существующей защиты двигателя для двигателей со средним вольтажом."
Название издания: IEEE Transactions on Industry Applications
Авторы анализируют поломки двигателя и связанные с ними затраты. Возможности и ограничения старых форм защиты двигателя, таких как реле, использующих модель индукции тока, контрастируют с желаемой защитой. Возможности различных типов реле, базирующихся на микропроцессорах рассмотрены с точки зрения на них, как на подходящих кандидатов для улучшения защиты двигателя. Приведен пример проекта, разработанного как часть фундаментальной модификации, а также соответствующие экономические выкладки.
Авторы: Paoletti, G.J. | Rose, A.
Том: 25
Год публикации: 1989
Опубликовано: Institute of Electrical & Electronics Engineers (IEEE)
"Устройства для защиты двигателя с усовершенствованными функциями и возможностью передачи данных."
Название издания: Institute of Electrical and Electronics Engineers Incorporated Industry Applications Society 41st Annual
Последние усовершенствования в технологиях и конструкции управления двигателями дали результат в виде использования электронных компонент в новых стартерах двигателя и в специфических реле для защиты от перегрузок.
Преимущества использования электроники в пускателях двигателя включают: расширенные функции защиты против поломок различных типов, улучшенные характеристики, способность передавать информацию с контроллера или другой системы управления непосредственно на пускатель.
Такая комбинация даёт возможность пользователям на участках управления производственными процессами непосредственно контролировать и наблюдать за элементами таких процессов. Это позволяет предотвратить потенциальные повреждения двигателя, минимизировать время простоя и улучшить резуальтаты производственных процессов.
Авторы: Alwin, P.E.
Опубликовано: IEEE
"A New Data-Gathering and Control System "
Название издания: IEEE Transactions on Communications
Автоматическая система сбора и контроля информации C-2000 представляет текущие инновации в области управления производством. Система состоит из главной станции, расположенной в центре коммуникационной сети, связанной с некоторым количеством удалённых станций. Необычно эффективная структура сетевого сообщения, в совокупности с высокой скоростью устройства сопряжения, приводит к исключительно высокой скорости информационного обмена.
Также в системе предусмотрена эффективная система безопасности сообщения. Система делится на модули как на функциональном, так и на аппаратном уровне, что позволяет ей быть эффективной при любых требованиях к размеру оборудования.
Авторы: Sanders, R.
Том: 15
Опубликовано: Institute of Electrical & Electronics Engineers (IEEE)
3. Результаты и выводы магистерской работы
3.1. Описание полученных и планируемых результатов по теме
3.1.1 Выбор и обоснование аппаратной и программной базы для проектирования и разработки
СКСИ состоит из нескольких составных частей, каждая из которой реализует определенные функции. Подробную информацию о назначении и связи между составляющими системы можно получить в [1]. Эта работа содержит обоснование выбранного оборудования и ПО, а также их основные параметры
Аппаратная часть
a) RTU-188
Рабочая станция сети построена на микросхеме RTU-188. Основные характеристики модуля следующие:
- Процессор Am188ES/40 МГц
- Статическое ОЗУ 512 кбайт
- Флеш-память 512 кбайт
- Два последовательных порта СОМ1: RS4232 - неизолированный, COM2: RS4232/422/485 - изолированный
- Сторожевой таймер
- Восемь изолированных 12-разрядных аналоговых входов
- Шестнадцать изолированных дискретных выходов
- Изолированный удалённый сброс
Микросхема RTU-188 имеет следующий вид:
Рисунок 1 - Микросхема RTU188
Выбор микросхемы RTU-188 обоснован его следующими свойствами:
- Модуль микроконтроллера RTU-188 - это автономное устройство, которое может быть подключено к сети RS232/RS422/RS485.
- Модуль содержит несколько гальванически-развязанных аналоговых и дискретных каналов ввода-вывода.
- Микроконтроллер RTU-188 обладает расширенным диапазоном температур и высокой надежностью.
Недостатком данной микросхемы является её высокая стоимость. А поскольку количество модулей в системе определяется количеством рабочих станций, то есть контролируемых участков, то фактическую стоимость системы будет определять микросхема RTU-188. Это проблема в будущем планируется решить путём отказа от этой микросхемы и заменой её собственно-разработанной платой на микроконтроллерах PIC.
b) ЖКИ
В качестве LCD-дисплея выбран алфавитно-цифровой ЖК-модуль BOLYMIN BC1604A на основе контроллера HD44780. Он подключается к модулю RTU-188 и используется для организации вывода текущей информации непосредственно на объекте в реальном времени. Выбор данного оборудования обоснован его следующими свойствами:
- Задняя подсветка позволяет эксплуатировать его в условиях с пониженным или нулевым освещением
- Большой диапазон рабочих температур (-20°С … +70°С)
- Поддержка русского алфавита
ЖКИ имеет следующий вид:
Рисунок 2 - ЖКИ BOLYMIN BC1604A
c) ADAM 4510
Коммуникационный модуль серии ADAM 4510 выполняет преобразование протокола RS-485 в RS-232, самостоятельно распознавая направление передачи. Выбор данного оборудования обоснован его следующими свойствами:
- Поддержка разных скоростей работы и разных форматов кадра, которые возможно устанавливать и во время работы
- Расширенным диапазоном температур эксплуатации и хранения (от -40 до +85?C), который избавляет от необходимости использовать специальные системы подогрева или охлаждения
- Широким диапазоном питающего напряжения (от +10 до +30В)
- Высокой помехоустойчивостью
- Высоким уровнем гальванической изоляции интерфейсов
- Защитой от выбросов напряжения до 500В по цепям питания
Конвертер имеет следующий вид:
Рисунок 3 - Преобразователь интерфейсов ADAM 4510
d) PIC18F452
Блок токовой защиты построен на базе микроконтроллера PIC18F452. Основные преимущества микроконтроллеров семейства PIC:
- Электрически программируемые ППЗУ
- Минимальное энергопотребление
- Высокую производительность
- Хорошо развитая RISC-архитектура
- Минимальные размеры.
Основные параметры PIC18F452:
Максимальная частота работы 40 МГц
Наличие энергонезависимой памяти
Поддержка интерфейсов RS232 и RS485
Наличие аппаратного умножителем 8*8 за один такт
Наличие многоканального 10-и разрядного АЦП
Система команд микроконтроллеров PIC18 поддерживает использование языка высокого уровня Си
Многократно программируемая память программ.
Программная часть
a) SCAD система Advantech Studio 5.1
Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) - это программное средство, предназначенное для создания автоматизированных рабочих мест операторов по наблюдению за состоянием технологического процесса и управлению им. В состав этого продукта входит комплекс драйверов, которые охватывают большинство из существующих на сегодняшней день протоколов связи, набор стандартных экранных форм, которые позволяют визуально отобразить протекающие в системе процессы, математический и процедурный аппарат, который фактически представляет собой язык программирования высокого уровня.
SCADA системы являются классом управляющих систем, используемых во множестве приложений для обеспечения централизированного контроля. SCADA системы обычно выпускают в виде COTS-подобных моделей разработки, с базовым продуктом, конфигурируемым под нужды каждого конкретного покупателя. Иногда также они имеют прямой контроль безопасности и критических функций, такие системы могут помочь в организации безопасного управления и часто являются жизненно важными для управления критической гражданской инфраструктурой.
Хотя каждая SCADA уникальна и системы оличаются, главным образом, между предметными областями, есть и некоторое число общих черт в каждой SCADA системе. По этим причинам большинство компаний, которые предоставляют SCADA системы разрабатывают и поддерживают несколько SCADA продуктов. Основными продуктами являются RTU и главные станции, которые разрабатываются так, чтобы работать совместно и по-отдельности. Базовый продукт может быть настроен множеством способов посредством системы интеграции. Каждое приложение будет использовать разно количество RTU и главных станций, чтобы соответствовать требованиям своего оборудования, баланса и избыточности. Другие параметры конфигурации включают:
- выбор архитектуры "железа", включая модули, чтоб соединить оборудование и инфраструктуру связи.
- разметку полей данных и управления в моделях данных и связи RTU и главной станции
- личную настройку экранов и условий сигналов тревоги
- интеграцию с другими информационными системами
b) Microchip MPLAB IDE v7.00
MPLAB IDE – это программное обеспечение, предназначенное для разработки приложений для микроконтроллеров фирмы Microchip. MPLAB IDE представляет собой интегральную среду разработки, поддерживающую все выпускаемые модели микроконтроллеров. В состав продукта входит набор отладчиков, симуляторов, программаторов, предназначенных для написания, тестирования, отладки программного кода и прошивки микроконтроллера при подключении платы одного из поддерживаемых программаторов. MPLAB IDE предоставляет пользователю удобный интерактивный интерфейс, возможность контроля и модификации всех программно доступных регистров и областей памяти, набор шаблонов для составления стандартных фрагментов кода, справки по языку ассемблер фирмы microchip и всем необходимым программным составляющим, а также другие полезные возможности.
3.1.2. Реализация протокола(-ов) связи внутри сети
Существует несколько протоколов физического уровня канала для промышленных сетей, но на данный момент один из наиболее распространённых является RS-485.
В протоколе RS-485 для передачи и приёма данных используется COM-порт, дешевый, но медленный. RS-485 - это полудуплексный протокол, то есть передача данных может проходить в двух направлениях в сети с обязательным распределением времени. Сеть, построенная на RS-485, представляет собой приёмо-передатчик, объединённые витой парой. По одному проводу (назовём его условно "А"), проходит оригинальный сигнал, а по другому (условно "В") - его инверсная копия. Таким образом, между двумя проводами витой пары всегда существует разница потенциалов: пи "1" она положительная, а при "0" - отрицательная.
Рисунок 4 - Диаграмма сигналов в протоколе RS-485
Сеть с такой разницей потенциалов имеет высокую стойкость к синфазным помехам, то есть к тем, которые действуют на оба провода одновременно. Поскольку большинство помех синфазные - это очень важное преимущество. Более того, на долгом участке электрической линии всегда ест разница потенциалов. При дифференцированной передачи это не имеет значение ( точки зрения информационной составляющей), потому что информацию содержит не состояние одного провода в текущей момент времени, а разница состояний обоих. Однако изменение уровней не повредят данные в канале.
Передача происходит следующим образом:
Передатчик устанавливает на линии единичный уровень напряжения. Передача начинается посыланием бита с нулевым уровнем (старт-бита), далее идут биты данных младшим битом вперёд. Завершается процесс передачей одного или двух битов с уровнем "единица" (стоп-битов).
Электрический сигнал кадра передачи имеет следующий вид:
Рисунок 5 - Формат кадра RS-485
В начале работы нужно наладить связь между двумя устройствами на одинаковую скорость передачи и форма кадра. Но почти всегда эти параметры не нужно изменять во время работы, поэтому они устанавливаются в процессе инициализации рабочей станции сети. Типовой диапазон скоростей: 2400…115200Бод. Чем больше скорость, тем больше вероятность ошибки. Таким образом, скорость выбрана из тех параметров, которые удовлетворяют требованиям системы, как стандартная скорость для связи через COM-порт - 9600Бод. Формат кадра определяется количеством стоп-битов, количество битов данных, назначением девятого бита данных, если он есть, наличием и типом проверки паритет. Для реализации в системе выбрана следующая комбинация: один стартовый и один стоповый бит, 8 бит данных, без проверки паритета. Таким образом длина кадра составляет десять бит.
3.1.3. Разработка и реализация программного обеспечения главной станции сети
Как упоминалось выше, главная станция сети организована на базе системы Advantech Studio 5.1.
В первоначальную настройку программы входит настройка на рабочий протокол приёма-передачи, то есть установка драйвера протокола. Поскольку как описывалось выше, в качестве физического протокола был выбран RS-485, соответствующий ему драйвер "Serial Tx/Rx". Настройка его параметром приведена на рисунке:
Электрический сигнал кадра передачи имеет следующий вид:
Рисунок 6 - Настройки параметров драйвера
Окно Advanced Setting содержит настройки по умолчанию, которые определяют таймауты, размеры буферов и другое. Главное окно Communication Parameters должно быть настроена следующим образом: связь осуществляется через COM1, поэтому отобран это порт среди существующих. Параметры скорости и формата физического кадра отобраны соответственно параметрам рабочей станции. Поле ETX Char (Hex) определяет как будет заканчиваться сообщение. Если в поле стоит N - это означает, что конец передачи будет определяться по количеству символов, число которых указано в процессе настройки протокола.
Для обработки полученной информации используется встроенный модуль Math(), а для вывода её на экран используются графические инструменты.
Пример рабочего экрана главной станции приведен на рисунке:
Рисунок 7 - Пример рабочего экрана главной станции
Диспетчер может наблюдать состояние десяти дискретных датчиков и одного аналогового в цифровом виде и в виде тумблера. Кроме это, на экране присутствует поле даты и времени.
На следующем скриншоте можно наблюдать систему в действии. Часть дискретных датчиков теперь находятся в единичном положении и аналоговый тумблер показывает значение приблизительно 4В.
Рисунок 8 - Пример рабочего экрана главной станции
3.1.4. Разработка и реализация программного обеспечения рабочей станции сети
Рабочая станция сети базируется на микросхеме RTU-188. Функция рабочей станции состоит в сборе информации с датчиков в определённые моменты времени, дискретизация аналоговой информации, анализе и выводе полученных показаний или заранее определённых сообщений на экран жидкокристаллического индикатора (ЖКИ). Вторая функция рабочей станции - пересылка информации через моноканал к главной станции сети.
На базе имеющихся аппаратных средств была разработана теоретическая и практическая модели системы сбора и контроля информации. На данный момент реализовано сетевое и прикладное программное обеспечение рабочей и главной станций сети. Конструктивно реализована связь рабочей станции с датчиками и ЖК-индикатором, связь рабочей и главной станции сети с использованием конвертера интерфейсов. Работоспособность модели подтверждена результатами отладки и тестирований. Целью дальнейшей разработки является реализация протокола Modbus для поддержки большего числа рабочих станций и расширения возможностей управления ими. На рисунке 3.6 показан принцип функционирования целевой системы сбора и контроля информации. Программно реализован этап сбора информации с датчиков, вывод их на ЖКИ и передача пакета информации по каналу к главной станции сети с установленной SCADA системой.
Рисунок 9 - Алгоритм функционирования рабочей станции
Упрощённо алгоритм функционирования рабочей станции на данном этапе разработки представлен на рисунке 3.7
Рисунок 10 - Алгоритм функционирования рабочей станции
Подробнее про разработанную систему можно прочесть в научно-исследовательской работе "Система контроля информации в промышленной среде" Клешнина И.С. и научно-исследовательской работе "Система сбора информации в промышленной среде" Земцовой Т.А.
3.1.5. Разработка и реализация программного обеспечения интеллектуального блока токовой защиты
Блок токовой защиты предназначен для контроля тока, питающего асинхронный двигатель. Основные виды защит, которые он реализует следующие:
- Максимальная токовая защита
- Защита о перегрузки
- Защита от недопустимой асимметрии фаз
- Защита от обрыва цепи
Вкратце будут рассмотрены принципы построения каждой из защит.
Максимальная токовая защита (МТЗ)
МТЗ основана на определении величины среднеквадратического значения тока каждой фазы за каждую половину периода сетевого напряжения и сравнении с текущей уставкой. Срабатывание защиты МТЗ фиксируется в энергонезависимой памяти (ЭНП) и на соответствующем индикаторе. При срабатывании МТЗ дальнейшая работа блокируется до ручного сброса.
Защита от перегрузки (ПГЗ)
Защита реализована на основе тепловой модели как функция времени срабатывания от величины, превышающей 105% номинального тока. Срабатывание защиты ПГЗ фиксируется в энергонезависимой памяти (ЭНП) и на соответствующем индикаторе. При срабатывании ПГЗ дальнейшая работа блокируется до ручного сброса.
Защита от недопустимой асимметрии фаз (АСС)
Защита срабатывает при разнице среднеквадратических сигналов токов разных фаз более чем на 20%. Срабатывание защиты АСС фиксируется в энергонезависимой памяти (ЭНП) и на соответствующем индикаторе. При срабатывании АСС дальнейшая работа блокируется до ручного сброса.
Защита от обрыва цепи
Защита от обрыва цепи срабатывает если среднеквадратический сигнал тока менее 20% от номинального. В случае срабатывании этой защиты дальнейшая работа блокируется до ручного сброса.
Алгоритм работы блока приведен ниже.
Рисунок 8 - Блок-схема работы БТЗ. (Часть 1).
Рисунок 9 - Блок-схема работы БТЗ. (Часть 2).
3.2. Выводы и заключения
В результате проведенной на данный момент работы, спроектирована, разработана и находится на стадии экспериментальных исследования система сбора и контроля информации в производственных условиях. Разработана большая часть математической модели защиты АД. С помощью симулятора, встроенного в среду разработки MPLAB IDE, отлажены алгоритмы функционирования блока токовой защиты. Таким образом, поставленные задачи по выбору аппаратной и программной базы, обоснованию конфигурации сети, и разработкам программного обеспечения решены. В первом приближении решена задача реализации протоколов связи внутри сети. Этот вопрос подлежит дальнейшей доработке.
[1] Научно-исследовательская работа "Система контроля информации в промышленной среде" Клешнина И.С.
[2] Научно-исследовательская работа "Система сбора информации в промышленной среде" Земцовой Т.А.
[3] Магистерская работа "Система сбора и контроля информации. Блок интеллектуальной токовой защиты" Земцовой Т.А.
[4] "АЦ ЖКИ модули на основе контроллера HD44780"
[5] "RS-485" Бень Є.О.
[6] "RS-422 and RS-485 Application Note"
[7] "Fastwel RTU-188 Руководство пользователя"
"Приложение А. Встроенные устройства микроконтроллера AM188ES"
[8] "ADAM 4510/4510S User's Manual"
[9] "Advantech Studio v5.1 Technical Reference Manual"
[10] "Advantech Studio v5.1 Getting Started Guide"
[11] "MPLAB IDE Quick Start Guide"
[12] "MPLAB ICD 2 In-Circuit Debugger User's Guide"
[13] "Общая электротехника с основами электроники" Данилов И.А., Иванов П.М.
[14] "Курс электротехники" Паначевный Б. И.
[15] "Выбор уставок срабатывания защит асинхронных электродвигателей напряжением выше 1 кВ" Александров А.М.
[16] "MOTOR PROTECTION AGAINST SINGLE-PHASING", Copyrighted Division Bussman
[17] "A Product-Based Assurance Model for Mixed-Integrity Markets", Brenton Atchison and Alena Griffiths
