Средства автоматизации оборудования являются одним из основных путей повышения производительности применяемых в промышленности рабочих машин, снижения энергопотребления, а также оперативного контроля за состоянием технологического процесса и ввода резерва. Эти средства не только повышают эффективность производства, но также облегчают быт человека в его повседневной жизни. В последние годы значительный прогресс в этой области связан с применением микропроцессоров и микроконтроллеров.
Современные устройства автоматизации изготавливаются унифицированными, т.е. их реализация для различных применений осуществляется путем их программирования. Среди таких устройств особое место занимают электронные программируемые реле (интеллектуальные реле). Программирование в них облегчено, поэтому может быть свободно освоено человеком, и сводится к внесению в память релейных схем, настройки параметров элементов управления.
Немецкая электротехническая компания Moeller выпускает серию программируемых управляющих реле EASY, что в переводе означает «легко». Реле EASY предназначены для контроля и управления различными технологическими процессами, для решения задач малой и средней автоматизации. Гамма программируемых реле позволяет охватить очень широкий круг задач [1].
Семейство электронных программируемых реле немецкой фирмы Moeller представлено в настоящее время сериями EASY500, EASY700, EASY800. Устройства являются малогабаритными управляющими приборами, которые способны решать современные задачи автоматизации и контроля технологических процессов [1].
Программирование можно осуществлять с помощью компьютера с программным обеспечением EASY-SOFT, которое позволяет легко выполнять конфигурацию системы, конструировать программы на простом языке релейно-контактных схем с использованием функциональных блоков, проводить отладку в режиме имитации, а также непосредственно с помощью клавиш на передней панели реле EASY [1].
Используя программируемые реле «EASY» можно реализовать реле напряжения, схемы АВР, устройств электроавтоматики, а также схемы энергосбережения. Эти реле позволяют заменить релейно-контактные схемы на программы, реализующие необходимые законы управления.
Одним из основных и важных вопросов, связанных с электроснабжением, является защита двигателей, тиристорных преобразователей, других трехфазных потребителей при недопустимом снижении симметричного напряжения, асимметрии междуфазного напряжения, обратном чередовании фаз. Не менее важным является и вопрос АВР (автоматического включения резерва), которое служит для восстановления питания потребителей путем автоматического присоединения резервного источника питания при отключении рабочего, приводящего к обесточиванию электроустановок.
Говоря о различных защитах, сегодня нельзя забывать и о необходимости энергосбережения в электрических сетях.
Реализация программных функций управления такими технологическими процессами имеет значительную гибкость, что позволяет создавать дискретные автоматы для устройств защиты и автоматики низковольтных электрических сетей.
Дискретные управляющие устройства могут быть реализованы на электрических реле и на бесконтактных логических элементах. Программируемые реле созданы путем слияния вычислительной техники, релейной бесконтактной автоматики и циклового программного управления технологическим оборудованием. Они сохраняют характерные черты всех этих трех классов устройств и могут быть отнесены к любому из них. Для определения последовательности отработки этапов цикла управления в программируемых реле проводится поочередный опрос входных сигналов. Затем в соответствии с заданной программой формируются сигналы на соответствующих выходах и включаются те исполнительные аппараты, для которых на входах сформировались необходимые логические условия для их включений [1].
Таким образом, использование программируемых реле позволяет добиться усовершенствования существующей идеологии процесса проектирования, изменить традиционные подходы проектировщиков, привлечь их к разработке более совершенных алгоритмов и программ управления.
Тема выполняется выполняется согласно разделам плана Национальной академии наук Украины: постановление №55, п.1.7.4.1, 1.7.8.
Цель работы: изучить принципы построения цифровых защит с пуском по напряжению на основе реле EASY фирмы Moeller, устройств электроавтоматики с заданными циклограммами, реализовать программные функции управления технологическими процессами.
Идея работы: существующую схему цифрового реле напряжения, схемы АВР и релейно-контакторную схему насосной установки реализуем в блоках реле EASY, делая при этом схемы более надежными практически без увеличения стоимости всей системы.
Основные задачи разработок и исследований:
1) ознакомление с применением программных реле для реализации дискретных автоматизированных устройств;
2) изучение функциональных возможностей и основных параметров реле «EASY»;
3) описание синтеза структурной схемы и программирование цифрового реле напряжения;
4) описание синтеза структурной схемы и программирование АВР трансформатора;
5) программирование релейно-контакторной схемы насосной установки.
Предмет разработок и исследований: построение цифровых защит с пуском по напряжению на основе реле EASY фирмы Moeller, релейно-контакторных схем устройств автоматики, а также методы синтеза цифровых автоматов.
Объект разработок и исследований: реле EASY фирмы Moeller.
Методы и методика исследований: все внутренние функции реле реализуются в программной форме. Программа составляется в виде рисунка электрической схемы, содержащей входные цепи, контакты и катушки соответствующих реле и соединяющих их линий. Ввод программы осуществляется:
1) от встроенного пульта с клавиатурой и индикацией на Ж–К дисплее;
2) от специального чипа (модуля или карты памяти), хранящего программу;
3) от персонального компьютера (с помощью программы «EASY–SOFT»).
В данной магистерской работе мы использовали программу «EASY–SOFT».
Есть варианты исполнения реле, у которых кнопки и дисплей отсутствуют. Их программирование осуществляется только с помощью персонального компьютера.
Введенная программа может быть защищена посредством пароля.
Научная новизна: составление новых логических схем, которые позволяют реализовать программным путем цифровое реле напряжения, АВР, программирование релейно-контакторной схемы насосной установки.
Практическое значение полученных результатов: на основе разработанных схем можно снизить потребление электрической энергии, уменьшить габариты, исключив в схемах дополнительные элементы, и, таким образом, сделать схему более дешевой, увеличить надежность схем, упростить наладку и диагностику ошибок.
Обзор исследований по теме в ДонНТУ, г. Донецке: разработки и магистерские работы, связанные с использованием цифрового программируемого реле EASY фирмы Moeller, построением защит с пуском по напряжению, на кафедре ЭПГ не производились. Донецкой Фирмой "Сигруп" используются готовые программы.
Обзор исследований по теме в Украине: в Донбасской государственной машиностроительной академии (г. Краматорск, Украина) студент Аксенов В.П и Шеремет, к.т.н., доц. занимались программной реализацией закона управления технологическим процессом перемещения конвейера на базе микроконтроллера SIMATIC S7-200. Данный контроллер, как и реле EASY, позволяет заменить релейно-контактные схемы на программу, реализующую необходимые законы управления.
В Одесском Национальном Политехническом Университете проводятся исследования основ программирования электронных реле корпорации Moeller, изучаются области их применения [1].
Обзор исследований по теме в мире: фирма Moeller имеет свои представительства более, чем в 30 странах мира (Россия, Германия, Италия и др.). Реле EASY широко применяется в различних областях (для создания схем АВР, водоснабжения (поливка/орошение), освещения, управления транспортерами, смесителями, автошторами и т.п). В России проводили разработки по созданию схем малой автоматики, изучались принципы их действия, показана микропроцессорная техническая реализация автоматических устройств [4], в [5] изложены основы теории и физические принципы работы элементов и систем электроавтоматики, рассмотрены их структурне схемы и др.
Но, несмотря на наличие большого количества литературы, готовых разработанных программ с помощью реле EASY по теме магистерской работы нет, что свидетельствует о новизне разработки.
Дискретные управляющие устройства могут быть реализованы на электрических реле и на бесконтактных логических элементах. Программируемые электронные реле предназначены для замены традиционных устройств электроавтоматики, построенных на релейных и бесконтактных логических элементах. В отличие от последних, которые являются специальными устройствами, разрабатываемыми и изготовляемыми по индивидуальным проектам, программируемые реле универсальны. Они созданы путем слияния вычислительной техники, релейной бесконтактной автоматики и циклового программного управления технологическим оборудованием. Программируемые реле сохраняют характерные черты всех этих трех классов устройств и могут быть отнесены к любому из них. Для определения последовательности отработки этапов цикла управления в программируемых реле проводится поочередный опрос входных сигналов. Затем в соответствии с заданной программой формируются сигналы на соответствующих выходах и включаются те исполнительные аппараты, для которых на входах сформировались необходимые логические условия для их включений [1].
Программируемые реле являются особым видом управляющих мини-ЭВМ, которые можно назвать управляющими логическими машинами последовательного действия. Программируемые реле имеют специфичные черты:
1. Облегчение программирования, которое выполняется, как правило, в форме предварительно составленной релейной электрической принципиальной схемы. Задание программы ведут на клавиатуре ручного ввода в символах принципиальной релейной схемы путем нажатия на кнопки и последовательного выбора замыкающего или размыкающего контакта, катушки аппарата и т. п. В этом случае программирование может осуществлять цеховой обслуживающий персонал с минимальной специальной подготовкой в области программирования ЭВМ. При использовании специальных карт памяти, в которых записана схема соединений и настройки элементов, загрузка программы в программируемое реле и его запуск может выполняться персоналом без специальной подготовки. Программирование может осуществляться также с использованием специального компьютерного программного обеспечения с последующим переписыванием программы из компьютера в программируемое реле. Например, для реализации на программируемом реле «EASY» синтезированной выше схемы управления (рис. 1.1), управляющая программа составляется в виде, представленном на рис. 1.2.
Рис. 1.1 - Релейная схема управления
Рис. 1.2 - Управляющая программа для реле EASY
Здесь символы I без инверсии соответствуют замыкающим контактам, а с инверсией - размыкающим. Символ Q обозначает выходной сигнал управляющего устройства.
2. Возможность использования непосредственно в цеховых условиях (большая помехозащищенность), гальваническая развязка от внешних цепей, расширенный диапазон допустимых условий эксплуатации.
3. Модульность построения (входы, выходы и объем памяти наращивается с определенным шагом).
4. По сложности программируемые реле находятся между мини-ЭВМ и традиционными схемами электроавтоматики; имеют меньший объем электронных устройств и меньшую, чем мини-ЭВМ, емкость запоминающих устройств.
5. Программное обеспечение реле позволяет обеспечивать выполнение дополнительных функций, а именно таймеров, обеспечивающих выдержки времени, счетчиков для счета импульсов и многих других функций.
Различные типы программируемых реле отличаются числом входов и выходов и их электрическими данными (род тока, напряжение, коммутационная способность), наибольшим числом возможных этапов программы, емкостью устройств памяти для запоминания информации [1].
Семейство электронных программируемых реле немецкой фирмы Moeller, называемых также управляемыми реле, представлено в настоящее время сериями EASY500, EASY700, EASY800. Устройства являются малогабаритными управляющими приборами, которые способны решать современные задачи автоматизации и контроля технологических процессов. Напряжения питания устройств возможны на постоянном токе: 12 B DC, 24 B DС и на переменном токе: 24 B AC, 115/240 B AC. Напряжение входных сигналов совпадает по виду и величине с выбранным напряжением питания. Выходные цепи устройств на постоянном напряжении могут быть релейными или транзисторными, а устройств на переменном напряжении – только релейными. Все внутренние функции реле реализуются в программной форме. По аналогии с известными устройствами за программными функциями сохраняются названия: таймеры, реле времени, счетчики, компараторы и др.
Таблица 2.1 – Основные параметры реле
| Параметры и функции | Количество элементов или функций | |
|---|---|---|
| EASY700 | EASY800 | |
| Напряжения питания, В | 12 B DC; 24 B DC; 24 B AC;115/240 B AC | 12 B DC; 24 B DC; 24 B AC;115/240 B AC |
| Потребляемая мощность | 10 BA AC; 3,4 Вт DC | 10 BA AC; 3,4 Вт DC |
| Количество цифровых входов/выходов | 12/6 R; или 12/8 T | 12/6 R; или 12/8 Т |
| Аналоговые входы/выходы (0-10 В) | 2/- | 4/1 |
| Входы для подсчета импульсов (быстрые входы) | 4/1 кГц | 4/5 кГц |
| Нагрузка выходных цепей | R-8 A; T-0.5 A | R-8 A; T-0.5 A |
| Ж-К дисплей, клавиатура | Есть, нет | Есть, нет |
| Шаг программы на дисплее | 3 контакта, 1 катушка | 4 контакта, 1 катушка |
| Количество шагов (строк) программы | 128 | 256 |
| Текстовый дисплей, количество текстов (кадров) | 16 текстов по 48 знаков | 32 текста по 64 знака |
| Таймер недельный / годовой | 4/4 | 32/32 |
| Многофункциональное реле времени | 16 | 32 |
| Счетчик с возможностью изменения направления счета | 16 | 32 |
| Счетчик часов работы | 4 | 4 |
| Аналоговый компаратор | 16 | 32 |
| Метка – внутреннее реле памяти (промежуточное реле) | 32 | 96 |
| Габариты (В*Ш*Г), мм | 107,5*90*58 | 107,5*90*72 |
| Степень защиты | IP20 | IP20 |
В реле имеются следующие виды выходов : транзисторные (8 выходов с допустимым током 0,5 А, допускается параллельное включение 4 выходных транзисторов для коммутации нагрузки до 2А), 6 релейных; входов: 12 транзисторных и 12 релейных, а также входы и выходы модулей расширения, входы и выходы при работе в информационной сети.
Релейные выходы. У реле EASY700 и модулей расширения установлено по 6 выходных реле и, соответственно, 6 выходных контактов. Реле способно коммутировать активные токи до 8А и реактивные - до 2А. Физически каждый контакт выходного реле является замыкающим (нормально разомкнутым). В программах можно использовать виртуальные размыкающие (нормально замкнутые) контакты этих реле. Все релейные выходы потенциально изолированы друг от друга и от других цепей управляющего реле. Поэтому контакты реле принципиально можно устанавливать в любых местах низковольтных схем. Можно также использовать общую точку для всех контактов, а напряжение питания для нагрузки использовать любое необходимое. У реле 2 входа могут использоваться как аналоговые (0-10 В).
P-кнопки - это 4 дополнительные кнопки для подачи команд управления. Активировать эти кнопки можно в системном меню. Их можно использовать как самостоятельные органы управления, например, для пуска системы, так и для удобства наладки, как имитаторы срабатывания других контактов. Их удобно использовать для контроля или тестирования каких-либо цепей, например, исправности цепи аварийной звуковой или световой сигнализации.
В реле имеются также реле - маркеры, выполняющие роль вспомогательных или промежуточных реле. Имеется возможность использовать до 32 реле-маркеров.
При проектировании в реле EASY700 предоставляется возможность использовать следующие функциональные модули: компаратор аналоговых величин/триггер; счетчик-реле; отображение текста; недельный и годовой таймеры (таймер имеет резервную батарею питания, в результате чего он будет в рабочем состоянии, даже в случае исчезновения питания); счетчик числа часов работы; реле времени (16 реле для измерения времени замыкания и размыкания контактов); возможность добавления модулей расширения и передачи данных; модуль сброса [1]; 2 высокоскоростных входа, 1 кГц; 1 Ethernet порт.[3]
Реле EASY800 имеет следующие функциональные модули: модуль арифметических операций; модуль логических операций; счетчики импульсов в прямом и обратном направлении с уставкой верхнего и нижнего пределов срабатывания и переустановкой текущей величины; счетчики частоты; быстрые счетчики (несколько модулей выполняющих функции быстрого счета); счетчики приращения кодированных величин; компараторы; тексты; модуль данных; модуль сброса; модуль получения данных из сети NET (и вывода в сеть); таймеры; счетчик числа часов работы; реле времени (32 реле) [1]; 4 высокоскоростных входа, 5 кГц; 1 Ethernet порт [3].
Для защиты двигателей, тиристорных преобразователей, других трехфазных потребителей при недопустимом снижении симметричного напряжения, асимметрии междуфазного напряжения, обратном чередовании фаз служат реле ЕЛ-10-1 (с выдержкой времени) и ЕЛ-10-2 (без выдержки времени). На входе реле (рис.3.1) включены пороговые элементы ПЭ1, ПЭ2, ПЭ3, образующие пороговый блок (ПБ) для сравнения с напряжением Uо уставки амплитуд трехфазного напряжения (рис.3.2, а). С выхода ПБ (рис. 3.2, б, в, г) прямоугольные импульсы поступают в логический блок ЛБ, на триггеры T1 и T2 и логический элемент И. Формируемые в ЛБ прямоугольные импульсы (рис. 3.2, ж) через дифференциальную цепочку RC (рис. 3.2, з) подаются на схему временной установки (СВУ), которая с выдержкой времени открывает транзистор VT выходного усилителя (ВУ). Если контролируемое напряжение симметрично и близко к номинальному значению, то выходные импульсы не приводят к срабатыванию СВУ и ВУ. Когда изменение трехфазного напряжения и порядок чередования фаз выходят за пределы допуска, на выходе ЛБ исчезает нормируемая последовательность импульсов. При этом по истечении времени выдержки в СВУ выдается сигнал на ВУ и выходное реле срабатывает.
Рис. 3.1 – Схема цифрового реле напряжения
Рис. 3.2 – Диаграмма напряжений
Допустим, исчезло напряжение на фазе А (рис. 3.2, а, б), при этом перестает работать триггер Т1 и на его выходе появляется логический 0 (рис.3.2, д). Триггер Т2 перестает переключаться (рис. 3.2, ж). На выходе RС-цепочки сигнал пропадает (рис. 3.2, з), на вход СВУ и ВУ не подается сигнал ЛБ, и реле отключает цепь [2].
Для решения такого рода задач (защиты двигателей, тиристорных преобразователей, других трехфазных потребителей) можно использовать программируемые реле «EASY» фирмы Moeller. Они позволяют заменить релейно-контактные схемы на программу, реализующую необходимые законы управления.
В таком случае сразу возникает вопрос: зачем использовать реле «EASY», если есть реле ЕЛ-10? Далее, после рассказа об этом реле и предоставления разработанной схемы, будет проведена сравнительная характеристика достоинств и недостатков данных реле.
Реле «EASY» фирмы Moeller могут быть использованы для различных применений путем их программирования, т.е. разработки и внесения в память этих устройств соответствующих управляющих программ [1].
Программа составляется в виде рисунка электрической схемы, содержащей входные цепи, контакты и катушки соответствующих реле и соединяющих их линий. Ввод программы осуществляется от персонального компьютера (с помощью программы EASY?SOFT), чем мы и занимались в данной работе. Но ввод программы может также осуществляется от встроенного пульта с клавиатурой и индикацией на Ж-К дисплее, от специального чипа (модуля или карты памяти), хранящего программу. Введенная программа может быть защищена посредством пароля. Есть варианты исполнения реле, у которых кнопки и дисплей отсутствуют. Их программирование осуществляется с помощью персонального компьютера [1].
Программная реализация цифрового реле напряжения представлена на рис.3.3.
Рис. 3.3 – Управляющая программа цифрового реле напряжения (Анимация. Состоит из 4 кадров, весит 76.5 Кб, количество циклов повторений 5.)
Разработанная схема выполняет функции рассмотренных ранее цифровых реле напряжения ЕЛ-10-1, ЕЛ-10-2.
В нашей схеме используются виртуальные элементы. Аналоговые сигналы каждой фазы А, В, С контролируются 4 компараторами. Триггеры Т1 и Т2 выполнены на реле маркерах М01, М02. Выходная цепь представляет собой катушку Q01. Реле времени контролирует прохождение импульсов в фазе С. Если они не проходят, то реле времени Т01 размыкается и на выходе ничего нет.
Для удобства настройки и эксплуатации во время работы реле участки схемы, по которым «проходит ток», подсвечиваются. При исчезновении напряжения и его последующем восстановлении, конфигурация схемы и настройки сохраняются.
При пропадании фазы А и В исчезает сигнал (рис.3.4, ж), а при пропадании фазы С запускается реле времени и через заданную выдержку времени перекрывает выход (рис.3.4, ж). Выдержка времени должна быть больше времени переключения импульсов, мы поставили 10 секунд.
Теперь, описав схемы, рассмотрим их достоинства и недостатки.
Реле ЕЛ-10 имеет следующие недостатки:
1) короткие импульсы на выходе RC-цепочки могут перегружать выходной транзистор, следовательно, необходимо повышение его мощности;
2) кроме того, наличие коротких импульсов приводит к ненадежному (ложному) срабатыванию реле;
3) схема данного цифрового реле является очень дорогой за счет наличия в ней мощного транзистора, СВУ и ВУ.
В сравнении с данным реле разработанная схема имеет следующие достоинства:
1) нет RC-цепочки, удлинён импульс, что позволяет избавиться от транзистора, СВУ и ВУ, т.е. сделать схему более надёжной и дешевой;
2) схему можно дополнить другими видами защит и автоматики.
Стоимость реле “EASY” сравнима со стоимостью дополнительных элементов (транзистора, СВУ и ВУ).
Таким образом, применение программируемых реле «EASY» позволяет упростить имеющиеся схемы, реализовав заданные функции программно. С их помощью можно добиться получения более надежных и дешевых схем в системах управления.
В данной магистерской работе планируется также программирование схем АВР и релейно-контакторной схемы насосной установки.
Применение микропроцессоров и микроконтроллеров в системах управления настолько повысило их потенциальные возможности, что в настоящее время их считают обладающими элементами интеллекта человека.
При использовании программируемых реле изменяются подходы и даже идеология процесса проектирования. Традиционный подход заключается в разработке специализированных регуляторов системы автоматического управления при оптимальном сочетании ее сложности и стоимости с качеством выполнения заданных функций. Новые подходы, при сохранении общей цели, отличаются тем, что в руки проектировщика даются более мощные, с широкими возможностями, управляющие устройства, которые могут реализовать заданные функции программно, практически без увеличения стоимости всей системы управления. Более того, эти новые возможности побуждают проектировщика «включать» свою фантазию, и направлять ее на разработку более совершенных алгоритмов и программ управления, чем улучшать качество жизни человека на производстве и в быту [1].
1) Андрющенко О.А., Водичев В.А. Электронные программируемые реле EASY и MFD–Titan. Украина, Одесса, 2006 г. 223 с.
2) Схемотехника МИС. Компьютерный электропривод.-URL: http://window.edu.ru
3) Официальный сайт продукции Moeller в России.-URL: http://www.moeller.ru
4) Овчаренко Н.И. Автоматика электрических станций и электроэнергетических систем: Учебник для вузов / Под ред. А.Ф. Дьякова. - М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2003. – 504 с.: ил.
5) Коновалов Л.И., Петелин Д.П. Элементы и системы электроавтоматики: Учеб. Пособие для студентов вузов.- М.: Высш. школа, 1980.- 192 с., ил.
При написании данного автореферата магистерская работа не завершена. Окончательный вариант работы можно получить у автора или научного руководителя после декабря 2010 года.