Засоби автоматизації устаткування є одним з основних шляхів підвищення продуктивності застосовуваних у промисловості робочих машин, зниження енергоспоживання, а також оперативного контролю над станом технологічного процесу і введення резерву. Ці засоби не тільки підвищують ефективність виробництва, але також полегшують побут людини в її повсякденному житті. В останні роки значний прогрес у цій області пов'язан із застосуванням мікропроцесорів і мікроконтролерів.
Сучасні пристрої автоматизації виготовляються уніфікованими, тобто їх реалізація для різних застосувань здійснюється шляхом їх програмування. Серед таких пристроїв особливе місце займають електронні програмовані реле (інтелектуальні реле). Програмування в них полегшене, тому може бути вільно опановане людиною, і зводиться до внесення в пам’ять релейних схем, настроювання параметрів елементів керування.
Німецька електротехнічна компанія Moeller випускає серію програмованих керуючих реле EASY, що в перекладі означає "легко". Реле EASY призначені для контролю й керування різними технологічними процесами, для розв'язання завдань малої й середньої автоматизації. Гама програмованих реле дозволяє охопити дуже широке коло завдань [1].
Сімейство електронних програмовалних реле німецької фірми Moeller представлено у цей час серіями EASY500, EASY700, EASY800. Обладнання представляє собою малогабаритні керуючі прилади, які здатні вирішувати сучасні завдання автоматизації й контролю технологічних процесів [1].
Програмування можна здійснювати за допомогою комп'ютера із програмним забезпеченням EASY-SOFT, яке дозволяє легко виконувати конфігурацію системи, конструювати програми простою мовою релейно-контактних схем з використанням функціональних блоків, проводити налагодження в режимі імітації, а також безпосередньо за допомогою клавіш на передній панелі реле EASY [1].
Використовуючи програмовані реле "EASY" можна реалізувати реле напруги, схеми АВР, а також схеми енергозбереження. Ці реле дозволяють замінити релейно-контактні схеми на програми, що реалізують необхідні закони керування.
Одним з основних і важливих питань, пов'язаних з електропостачанням, є захист двигунів, тиристорних перетворювачів, інших трифазних споживачів при неприпустимому зниженні симетричної напруги, асиметрії лінійної напруги, зворотнім чергуванні фаз. Не менш важливим є й питання АВР (автоматичного введення резерву), яке служить для відновлення живлення споживачів шляхом автоматичного приєднання резервного джерела живлення при відключенні робочого, що приводить до знеструмлення електрообладнання.
Говорячи про різні захисти, сьогодні не можна забувати й про необхідність енергозбереження в електричних мережах.
Реалізація програмних функцій керування такими технологічними процесами має значну гнучкість, що дозволяє створювати дискретні автомати для обладнань захисту й автоматики низьковольтних електричних мереж.
Дискретні керуючі пристрої можуть бути реалізовані на електричних реле й на безконтактних логічних елементах. Програмовані реле створені шляхом поєднання обчислювальної техніки, релейної безконтактної автоматики й циклового програмованого керування технологічним устаткуванням. Вони зберігають характерні риси всіх цих трьох класів пристроїв і можуть бути віднесені до кожного з них. Для визначення послідовності відпрацьовування етапів циклу керування у програмованих реле проводиться чергове опитування вхідних сигналів. Потім відповідно до заданої програми формуються сигнали на відповідних виходах і вмикаються ті виконавчі апарати, для яких на входах сформувалися необхідні логічні умови для їх включень [1].
Таким чином, використання програмованих реле дозволяє досягти вдосконалення існуючої ідеології процесу проектування, змінити традиційні підходи проектувальників, залучити їх до розробки більш досконалих алгоритмів і програм керування.
Тема виконується згідно з розділами плану Національної академії наук України: постанова №55, п.1.7.4.1, 1.7.8.
Мета роботи: вивчити принципи побудови цифрових захистів з пуском по напрузі на основі реле EASY фірми Moeller, пристроїв електроавтоматики із заданими циклограмами, реалізувати програмні функції керування технологічними процесами.
Ідея роботи: існуючу схему цифрового реле напруги, схеми АВР і релейно-контакторну схему насосної установки реалізуємо в блоках реле EASY, роблячи при цьому схеми більш надійними майже без збільшення вартості всієї системи.
Основні завдання розробок і досліджень:
1) ознайомлення із застосуванням програмних реле для реалізації дискретних автоматизованих пристроїв;
2) вивчення функціональних можливостей і основних параметрів реле "EASY";
3) опис синтезу структурної схеми й програмування цифрового реле напруги;
4) опис синтезу структурної схеми й програмування АВР трансформатора;
5) програмування релейно-контакторної схеми насосної установки.
Предмет розробок і досліджень: побудова цифрових захистів з пуском по напрузі на основі реле EASY фірми Moeller, релейно-контакторних схем пристроїв автоматики, а також методи синтезу цифрових автоматів.
Об'єкт розробок і досліджень: реле EASY фірми Moeller.
Методи й методика досліджень: усі внутрішні функції реле реалізуються у програмній формі. Програма створюється у вигляді рисунка електричної схеми, що містить вхідні кола, контакти й котушки відповідних реле та з'єднуючих їх ліній. Введення програми здійснюється:
1) від вбудованого пульта із клавіатурою й індикацією на Р - К дисплеї;
2) від спеціального чіпа (модуля або карти пам'яті), що зберігає програму;
3) від персонального комп'ютера (за допомогою програми "EASY-SOFT").
У даній магістерській роботі ми використовували програму "EASY-SOFT".
Є варіанти виконання реле, у яких кнопки й дисплей відсутні. Їхнє програмування здійснюється тільки за допомогою персонального комп'ютера.
Введена програма може бути захищена за допомогою пароля.
Є варіанти виконання реле, у яких кнопки й дисплей відсутні. Їхнє програмування здійснюється тільки за допомогою персонального комп'ютера.
Наукова новизна: складання нових логічних схем, які дозволяють реалізувати програмним шляхом цифрове реле напруги, АВР, програмування релейно-контакторної схеми насосної установки.
Практичне значення отриманих результатів: на основі розроблених схем можна знизити споживання електричної енергії, зменшити габарити, виключивши у схемах додаткові елементи, і, таким чином, зробити схему більш дешевою, збільшити надійність схем, спростити налагодження й діагностику помилок.
Огляд досліджень і розробок за темою в ДонНТУ, м. Донецьк: розробки і магістерські роботи, що пов'язані з використанням цифрового програмованого реле EASY фірми Moeller, побудовою захистів з пуском по напрузі, на кафедрі ЕПМ не виконувалися. Донецька фірма «Сігруп» використовую готові програми.
Огляд досліджень і розробок за темою в Україні: у Донбаській Державній Машинобудівній Академії (м. Краматорськ, Україна) студент Аксьонов В.П і Шеремет, к.т.н., доц. займалися програмною реалізацією закону управління технологічним процесом переміщення конвеєра на базі мікроконтролера SIMATIC S7-200. Даний контролер, як і реле EASY, дозволяє замінити релейно-контактні схеми на програму, що реалізує необхідні закони управління.
У Одеському Національному Політехнічному Університеті проводяться дослідження основ програмування електронних реле корпорації Moeller, вивчаються сфери їх застосування [1].
Огляд досліджень і розробок за темою в світі: : фірма Moeller має свої представництва більш, ніж в 30 країнах світу (Росія, Німеччина, Італія і ін.). Реле EASY широко застосовується в разлічніх областях (для створення схем АВР, водопостачання (поливання/зрошування), освітлення, управління транспортерами, змішувачами, автошторами і т.п).
У Росії проводили розробки по створенню схем автоматики, вивчалися принципи їх дії, показана мікропроцесорна технічна реалізація автоматичних пристроїв [4], в [5] викладені основи теорії і фізичні принципи роботи елементів і систем електроавтоматики, розглянуті їх структурні схеми і ін.
Але, не дивлячись на наявність великої кількості літератури, готових розроблених програм за допомогою реле EASY по темі магістерської роботи немає, що свідчить про новизну розробки.
Дискретні керуючі пристрої можуть бути реалізовані на електричних реле й на безконтактних логічних елементах. Програмовані електроннi реле призначені для заміни традиційних пристроїв електроавтоматики, побудованих на релейних і безконтактних логічних елементах. На вiдмiну від останніх, які є спеціальними пристроями, що розробляються й виготовляються за індивідуальними проектами, програмовані реле універсальні. Вони створені шляхом поєднання обчислювальної техніки, релейної безконтактної автоматики й циклового програмного керування технологiчним устаткуванням. Програмовані реле зберігають характерні риси всіх цих трьох класів пристроїв і можуть бути віднесені до кожного з них. Для визначення послідовності відпрацьовування етапів циклу керування у програмованих реле проводиться чергове опитування вхідних сигналів. Потiм відповідно до заданої програми формуються сигнали на вiдповiдних виходах і включаються ті виконавчі апарати, для яких на входах сформувалися необхідні логічні умови для їхніх включень.
Програмовані реле є особливим видом керуючих мiнi-ЕОМ, які можна назвати керуючими логічними машинами послідовної дії. Програмовані реле мають специфічні риси:
1. Полегшення програмування, яке виконується, як правило, у формі заздалегідь складеної релейної електричної принципової схеми. Завдання програми ведуть на клавіатурі ручного введення в символах принципіальної релейної схеми шляхом натиснення на кнопки і послідовного вибору замикаючого або розмикаючого контакту, котушки апарату і тому подібне. У цьому випадку програмування може здійснювати цеховий обслуговуючий персонал з мінімальною спеціальною підготовкою в області програмування ЕОМ. При використанні спеціальних карт пам'яті, в яких записана схема з'єднань і налаштування елементів, завантаження програми у програмоване реле і його запуск може виконуватися персоналом без спеціальної підготовки. Програмування може здійснюватися також з використанням спеціального комп'ютерного програмного забезпечення з подальшим переписуванням програми з комп'ютера у програмоване реле. Наприклад, для реалізації на програмованому реле «EASY» синтезованої вище схеми управління (рис. 1.1), програма, що управляє, створюється у вигляді, представленому на рис. 1.2.
Рис. 1.1 - Релейна схема управління
Рис. 1.2 - Керуюча програма для реле EASY
Тут символи I без інверсії відповідають замикаючим контактам, а з інверсією - розмикаючим. Символ Q позначає вихідний сигнал керуючого пристрою.
2. Можливість використання безпосередньо в цехових умовах (більша перешкодозахищеність), гальванічна розв'язка від зовнішніх кіл, розширений діапазон можливих умов експлуатації.
3. Модульність побудови (входи, виходи і об'єм пам'яті нарощується з певним кроком).
4. За складністю програмовані реле знаходяться між міні - ЕОМ і традиційними схемами електроавтоматики; мають менший об'єм електронних пристроїв і меншу, ніж міні - ЕОМ, ємкість пристроїв, які запам'ятовують.
5. Програмне забезпечення реле дозволяє забезпечувати виконання додаткових функцій, а саме таймерів, які забезпечують витримки часу, лічильників для рахунку імпульсів і багатьох інших функцій.
Різні типи програмованих реле відрізняються числом входів і виходів і їх електричними даними (рід струму, напруга, комутаційність), найбільшим числом можливих етапів програми, ємкістю пристроїв пам'яті для запам'ятовування інформації [1].
Сімейство електронних програмованих реле німецької фірми Moeller, які також відомі як керовані реле, представлена в даний час серіями Easy500, Easy700, Easy800. Пристрої є малогабаритними приладами, які управляють і здатні вирішувати сучасні завдання автоматизації і контролю технологічних процесів. Напруги живлення пристроїв можливі на постійному струмі: 12 B DC, 24 B DС і на змінному струмі: 24 B AC, 115/240 B AC. Напруга вхідних сигналів збігається за виглядом і величиною з обраною напругою живлення. Вихідні кола пристроїв постійної напруги можуть бути релейними або транзисторними, а пристроїв змінної напруги – лише релейними. Всі внутрішні функції реле реалізуються у програмній формі. За аналогією до відомих пристроїв за програмними функціями зберігаються назви: таймери, реле часу, лічильники, компаратори і ін.
Таблиця 2.1 – Основні параметри реле
| Параметри і функції | Кількість елементів чи функцій | |
|---|---|---|
| EASY700 | EASY800 | |
| Напруга живлення, 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 |
| Споживана потужність | 10 BA AC; 3,4 Вт DC | 10 BA AC; 3,4 Вт DC |
| Кількість цифрових входів/виходів | 12/6 R; или 12/8 T | 12/6 R; или 12/8 Т |
| Аналогові входи/виходи (0-10 В) | 2/- | 4/1 |
| Входи для підрахунку імпульсів (швидкі входи) | 4/1 кГц | 4/5 кГц |
| Навантаження вихідних кіл | R-8 A; T-0.5 A | R-8 A; T-0.5 A |
| P-К дисплей, клавіатура | Є, нема | Є, нема |
| Крок програми на дисплеї | 3 контакти, 1 котушка | 4 контакти, 1 котушка |
| Кількість кроків (рядок) програми | 128 | 256 |
| Текстовий дисплей, кількість текстів (кадрів) | 16 текстів по 48 знаків | 32 текста по 64 знака |
| Таймер тижневий/ річний | 4/4 | 32/32 |
| Багатофункційне реле часу | 16 | 32 |
| Лічильник з можливістю зміни напрямку лічби | 16 | 32 |
| Лічильник годин роботи | 4 | 4 |
| Аналоговий компаратор | 16 | 32 |
| Позначка – внутрішнє реле пам’яті (проміжне реле) | 32 | 96 |
| Габарити (В*Ш*Г), мм | 107,5*90*58 | 107,5*90*72 |
| Ступінь захисту | IP20 | IP20 |
У реле є наступні види виходів : транзисторні (8 виходів з допустимим струмом 0,5 А, допускається паралельне включення 4 вихідних транзисторів для комутації навантаження до 2А), 6 релейних; входів: 12 транзисторних і 12 релейних, а також входи і виходи модулів розширення, входи і виходи при роботі в інформаційній мережі.
Релейні виходи. У реле Easy700 і модулів розширення встановлено по 6 вихідних реле і, відповідно, 6 вихідних контактів. Реле здатне комутувати активні струми до 8А і реактивні – до 2А. Фізично кожен з контактів вихідного реле є замикаючим (нормально розімкненим). У програмах можна використовувати віртуальні розмикаючі (нормально замкнуті) контакти цих реле. Всі релейні виходи потенційно ізольовані один від одного і від інших кіл керуючого реле. Тому контакти реле принципово можна встановлювати в будь-яких місцях низьковольтних схем. Можна також використовувати спільну точку для всіх контактів, а напругу живлення для навантаження використовувати будь -яку необхідну. У реле 2 входи можуть використовуватися як аналогові (0-10 В).
P–кнопки – це 4 додаткових кнопки для подачі команд керування. Активувати ці кнопки можна в системному меню. Їх можна використовувати як самостійні органи керування, наприклад, для пуску системи, так і для зручності наладки, як імітатори спрацьовування інших контактів. Їх зручно використовувати для контролю або тестування будь-яких кіл, наприклад, справності кола аварійної звукової або світлової сигналізації.
У реле є також реле – маркери, що виконують роль допоміжних або проміжних реле. Є можливість використовувати до 32 реле-маркерів.
При проектуванні в реле Easy700 надається можливість використовувати наступні функціональні модулі: компаратор аналогових величин/тригер; лічильник-реле; відображення тексту; тижневий і річний таймери (таймер має резервну батарею живлення, внаслідок чого він буде знаходитись у робочому стані навіть в разі зникнення живлення); лічильник годин роботи; реле часу (16 реле для виміру часу замикання і розмикання контактів); можливість додавання модулів розширення і передачі даних; модуль скидання [1]; 2 високошвидкісних входи, 1 кГц; 1 Ethernet порт [3].
Реле Easy800 має наступні функціональні модулі: модуль арифметичних операцій; модуль логічних операцій; лічильники імпульсів у прямому і зворотному напрямі із встановленням верхньої і нижньої меж спрацьовування і переустановленням поточної величини; лічильники частоти; швидкі лічильники (декілька модулів, що виконують функції швидкого рахунку); лічильники приросту кодованих величин; компаратори; тексти; модуль даних; модуль скидання; модуль отримання даних з мережі NET (і виводу в мережу); таймери; лічильник числа годин роботи; реле часу (32 реле) [1]; 4 високошвидкісних входу, 5 кГц; 1 Ethernet порт [3].
Для захисту двигунів, перетворювальних тиристорів, інших трифазних споживачів при недопустимому зниженні симетричної напруги, асиметрії міжфазної напруги, зворотному чергуванні фаз служать реле ЕЛ-10-1 (з витримкою часу) і ЕЛ-10-2 (без витримки часу). На вході реле (рис. 3.1) включені порогові елементи ПЕ1, ПЕ2, ПЕ3, які створюють пороговий блок (ПБ) для порівняння з напругою Uо уставки амплітуд трифазної напруги (рис. 3.2, а). З виходу ПБ (рис. 3.2, б, в, г) прямокутні імпульси поступають в логічний блок ЛБ, на тригери T1 і T2 і логічний елемент І. Формовані в ЛБ прямокутні імпульси (рис. 3.2, ж) через диференціальне RC?коло (рис. 3.2, з) подаються на схему тимчасової установки (СТУ), яка з витримкою часу відкриває транзистор VT вихідного підсилювача (ВП). Якщо контрольована напруга симетрична і близька до номінального значення, то вихідні імпульси не призводять до спрацьовування СТУ і ВП. Коли зміна трифазної напруги і порядок чергування фаз виходять за межі допуску, на виході ЛБ зникає нормована послідовність імпульсів. При цьому після закінчення витримки часу в СТУ видається сигнал на ВП і вихідне реле спрацьовує.
Рис. 3.1 – Схема цифрового реле напруги
Рис. 3.2 – Діаграма напруги
Припустімо, зникла напруга на фазі А (рис. 3.2, а, б), при цьому перестає працювати тригер Т1 і на його виході з'являється логічний 0 (рис. 3.2, д). Тригер Т2 перестає перемикатися (рис. 3.2, ж). На виході RС-кола сигнал зникає (рис. 3.2, з), на вхід СТУ і ВП не подається сигнал ЛБ, і реле відключає коло [2]. Для вирішення такого роду завдань (захисту двигунів, перетворювальних тиристорів, інших трифазних споживачів) можна використовувати програмовані реле «EASY» фірми Moeller. Вони дозволяють замінити релейно-контактні схеми на програму, що реалізовує необхідні закони керування.
У такому разі одразу виникає питання: навіщо використовувати реле «EASY», якщо є реле ЕЛ-10? Далі, після розповіді про це реле і надання розробленої схеми, буде проведена порівняльна характеристика достоїнств і недоліків даних реле.
Реле «EASY» фірми Moeller можуть бути використані для різних використань шляхом їх програмування, тобто розробки і внесення до пам'яті цих пристроїв відповідних керуючих программ [1].
Програма створюється у вигляді рисунка електричної схеми, що містить вхідні кола, контакти і котушки відповідних реле і ліній, що з’єднують їх. Введення програми здійснюється від персонального комп'ютера (за допомогою програми EASY-SOFT), чим ми і займалися в даній роботі. Але введення програми може також здійснюватися від вбудованого пульта з клавіатурою і індикацією на Р–К дисплеї, від спеціального чіпа (модуля або карти пам'яті), що зберігає програму. Введена програма може бути захищена за допомогою пароля. Є варіанти виконання реле, в яких кнопки і дисплей відсутні. Їх програмування здійснюється за допомогою персонального комп'ютера [1].
Програмна реалізація цифрового реле напруги представлена на рис.3.3.
Рис. 3.3 – Керуюча програма цифрового реле напруги
Розроблена схема виконує функції розглянутих раніше цифрових реле напруги ЕЛ-10-1, ЕЛ-10-2.
У нашій схемі використовуються віртуальні елементи. Аналогові сигнали кожної фази А, В, С контролюються чотирма компараторами. Тригери Т1 і Т2 виконані на реле маркерах М01, М02. Вихідне коло є котушкою Q01. Реле часу контролює проходження імпульсів у фазі С. Якщо вони не проходять, то реле часу Т01 розмикається i на виході сігнала немає.
Для зручності налаштування і експлуатації під час роботи реле ділянки схеми, по яких «проходить струм», підсвічуються. При зникненні напруги і її подальшому відновленні конфігурація схеми і налаштування зберігаються.
При зникненнi фази А і В зникає сигнал (рис.3.4, ж), а при зникненнi фази С запускається реле часу і через задану витримку часу перекриває вихід (рис.3.4, ж). Витримка часу має бути більша за час перемикання імпульсів, ми поставили 10 секунд.
Тепер, описавши схеми, розглянемо їх достоїнства і недоліки.
Реле ЕЛ-10 має наступні недоліки:
1) короткі імпульси на виході RC-кола можуть перенавантажувати вихідний транзистор, отже, необхідне підвищення його потужності;
2) крім того, наявність коротких імпульсів призводить до ненадійного (помилкового) спрацьовування реле;
3) схема даного цифрового реле є дуже дорогою за рахунок наявності в ній потужного транзистора, СТУ і ВП.
Порівняно з даним реле розроблена схема має наступні переваги:
1) немає RC-коло, подовжений імпульс, що дозволяє позбавитися від транзистора, СТУ і ВП, тобто зробити схему надійнішою і дешевшою;
2) схему можна доповнити іншими видами захистів і автоматики.
Вартість реле “EASY” порівняна з вартістю додаткових елементів (транзистора, СТУ і ВП).
Таким чином, використання програмованих реле «EASY» дозволяє спростити наявні схеми, реалізувавши задані функції програмно. З їх допомогою можна досягти здобуття надійніших і дешевших схем у системах керування.
У даній магістерській роботі планується також програмування схем АВР і релейно-контакторної схеми насосної установки.
Використання мікропроцесорів і мікроконтролерів в системах керування настільки підвищило їх потенційні можливості, що в даний час їх вважають такими, що володіють елементами інтелекту людини.
При використанні програмованих реле змінюються підходи і навіть ідеологія процесу проектування. Традиційний підхід полягає в розробці спеціалізованих регуляторів системи автоматичного керування при оптимальному поєднанні її складності і вартості з якістю виконання заданих функцій. Нові підходи, при збереженні загальної мети, вiдрiзняються тим, що у руки проектувальникові даються потужніші, з широкими можливостями, керуючі пристрої, які можуть реалізувати задані функції програмно, практично без збільшення вартості всієї системи керування. Більш того, ці нові можливості спонукають проектувальника «вмикати» свою фантазію і направляти її на розробку досконаліших алгоритмів і програм керування, тим самим покращувати якість життя людини на виробництві і в побуті [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.
Під час написання даного автореферату магістерська робота не завершена. Остаточний варіант роботи можна отримати у автора або наукового керівника після грудня 2010 року.