Aktuální vydání

celé číslo

01

2024

Automatizace skladování, logistiky a manipulace s materiálem

Programovatelné automaty, průmyslové počítače, jednotky I/O, bezpečnostní systémy

celé číslo

Řídicí systém pohonu vyvažovacího tunelu

Řídicí systém pohonu vyvažovacího tunelu

Počátkem srpna 2006 předala firma ZAT a. s. do provozu ve Škoda Power a. s. řídicí systém pohonu vyvažovacího tunelu. Vyvažovací tunel je důležité pracoviště, kde jsou dynamicky vyvažovány rotory, a to z produkce Škoda i dalších výrobců. Rotor je při vyvažování a odstřeďování roztáčen na pracovní, resp. maximální otáčky s přesností 0,05 %. K roztáčení a brzdění je využíván stejnosměrný dvojmotor o výkonu 2× 3,5 MW. Motor je napájen měničem dodaným firmou ČKD, který byl instalován i s řídicím systémem Mark od firmy ČKD zhruba před dvaceti lety. V posledních letech měl počítač původního řídicího sytému několik poruch, a proto měl být vyměněn. Vzhledem k tomu, že na řídicím systému bylo provedeno několik úprav a nebyl k dispozici původní algoritmus řízení, byl řídicí systém počátkem roku 2006 podroben analýze. Bylo zjištěno, že řídicí počítač funguje jen jako zadávací jednotka, která předává řídicím obvodům měniče žádanou frekvenci, a pokud se skutečné otáčky přiblíží žádaným, aktivuje signál pro fázovou korekci. Logické spouštěcí obvody byly založeny na relé starých dvacet let. Odborníci navrhli rekonstrukci, která zahrnovala instalaci nového řídicího systému na základě průmyslového logického automatu Simatic S7 300 včetně nového pole pro rozváděč.

Technické vybavení vyvažovacího tunelu

Vyvažovací tunel se skládá z mnoha subsystémů, z nichž nejdůležitější jsou olejové hospodářství, vakuová technika, chladicí systém, větrání, měření a pohon. Většina systémů je ovládána rozváděči vyvažovacího zařízení Schenck, které jsou umístěny ve velínu. Výjimkou je právě pohon s řídicími rozváděči instalovanými u strojovny, zatímco jeho ovládání je umístěno ve velínu. Systém pohonu tunelu zahrnuje tato zařízení:

  • vysokonapěťové vypínače o 22 kV v rozvodně,
  • transformátory 22 kV/930 V,
  • tyristorový měnič,
  • stejnosměrné rychlovypínače,
  • vyhlazovací tlumivky,
  • stejnosměrný dvojmotor se spojkou,
  • převodovku s převodem 1 : 4,96,
  • mezihřídel s natáčecím členem,
  • kardanovou hřídel,
  • přídavnou převodovku,
  • systém vzduchového chlazení.
Obr. 1.

Obr. 1. Schéma pohonu vyvažovacího tunelu
Obr. 2. Operátorské pracoviště – ovládání pohonu

Systém umožňuje vyvažovat rotory, jejichž hmotnost může být v širokém rozsahu. K přenosu krouticího momentu na rotor jsou určeny kardanové hřídele o zatížitelnosti od 750 N·m do 40 000 N·m. Pro vyšší zatížení se používá běh se dvěma motory, mezi které je zařazena spojka. Pro nižší zatížení stačí běh jen s jedním motorem. Maximální otáčky rotoru na vstupu do tunelu jsou 4 300 min–1. Pro jejich zvýšení se používá přídavná převodovka s převodem 1 : 2,229, která je umístěna přímo v tunelu. Schéma pohonu je uvedeno na obr. 1.

Požadavky na regulaci

Na kvalitu regulace jsou kladeny velké požadavky. Otáčky v ustálené hodnotě musí mít maximální odchylku 0,05 %. Typicky by tedy při otáčkách 3 000 min–1 měla odchylka činit jednu otáčku za minutu. Dalším požadavkem je, aby při zvyšování otáček nebylo překmitnutí nastavených otáček větší než 0,1 %. Obr. 2. Původní systém regulace byl implementován přímo v měniči. Ten reguloval otáčky s regulační odchylkou přibližně do 50 min–1. Dále disponoval fázovou korekcí, která dokázala regulační odchylku redukovat na 1 min–1 s poměrně dlouhou časovou konstantou. Tyto obvody byly analogové. V poslední době však fázová korekce vykazovala závady, které vedly až k nestabilitě pohonu. Původní funkce řídicího počítače spočívala v tom, že zadal vyšší otáčky než cílové. Po přiblížení cílových a skutečných otáček zadal cílové otáčky a zapnul fázovou korekci měniče. Nový řídicí systém byl navržen tak, aby nevyužíval fázové korekce. Doregulování na cílové otáčky se dělá modifikací žádaných otáček.

Struktura řídicího systému

Řídicí systém je tvořen třemi stanicemi, které komunikují po sběrnici Profibus. Centrální jednotka je umístěna v rozvodně, ve které se nachází i měnič. Vzdálené vstupy a výstupy ET200 jsou umístěny v ovládacím pultu ve velínu. Tyto vstupy a výstupy zajišťují vazbu na rozváděče vyvažovacího systému Schenck a na ovládací prvky na pultu. V pultu je též umístěn operátorský panel TP 270, který je určen k ovládání pohonu (obr. 2).

Obr. 3.

Obr. 3. Monitorovací obrazovka přípravy

Použitím distribuovaného systému se velmi výrazně uspořila kabeláž. Původní řídicí systém, který byl kromě počítače Mark umístěn v rozvodně měniče, využíval desítku mnohažilových kabelů. Ty byly též příčinou zarušení původního řídicího systému. Nový systém byl navržen tak, aby jeho vstupy a výstupy byly od ostatního technologického vybavení galvanicky odděleny. Logické signály jsou odděleny pomocí relé. Spojité signály jsou odděleny galvanickými oddělovači (proudové signály –1 mA, +1 mA) nebo izolovanými výstupy řídicí jednotky Simatic. Žádané otáčky jsou zadávány kvadraturním frekvenčním signálem. Vzhledem k tomu, že v nabídce jednotky Simatic (ale ani jiných automatů) není výstup tohoto druhu, musel být navržen a vyvinut speciální převodník. Ten podle popisu požadované funkce vyvinula firma Tedia s. r. o. Převodník se velmi snadno ovládá přes kartu digitálních výstupů a má rozlišení 13 bitů. Vykazuje vysokou stabilitu výstupní frekvence a zajišťuje správné průběhy kvadraturních signálů i přepínání frekvencí.

Obr. 4.

Obr. 4. Průběh žádané hodnoty z generátoru

Řídicí systém zajišťuje všechny funkce, které jsou třeba pro roztočení rotoru. Ve fázi přípravy obsluha zadá velikost kardanové hřídele, navolí provoz s jedním nebo dvěma motory, směr otáčení a hladiny, na kterých se otáčky pohonu ustálí. Řídicí systém kontroluje správnost navolení provozu, neboť jsou přípustné jen některé kombinace. Obsluha dále zapne systémy ventilace pohonu a napájení měniče. Řídicí systém kontroluje připravenost okolních zařízení a na obrazovce operátorského panelu přehledně zobrazuje splnění podmínek pro zapnutí pohonu (obr. 3). Zapnutím sepnou vysokonapěťové vypínače, nabudí se motory a sepnou stejnosměrné rychlovypínače. Jestliže tato sekvence proběhne v pořádku, je možné spustit pohon.

Funkce řídicího systému

Řídicí systém zadává do měniče požadované hodnoty otáček a maximálního krouticího momentu. Při rozběhu pracuje měnič v režimu s konstantním proudem. V této fázi neprobíhá žádná regulace. Otáčky, které řídicí systém žádá, jsou nižší než cílové. Během najíždění je měřeno úhlové zrychlení derivací otáček. Pro jeho výpočet jsou používány nelineární filtry. Jestliže poklesne zrychlení, je regulátor v řídicím systému bezrázově přepnut do režimu zpětnovazební regulace. Zároveň je aktivován generátor požadované hodnoty.

Obr. 5.

Obr. 5. Vliv použitého generátoru žádané hodnoty na tvar přechodové charakteristiky uzavřené smyčky při použití shodného PI regulátoru (simulace)

Generátor zajistí lineární nárůst požadované hodnoty z hodnoty snížené na cílovou. Strmost nárůstu požadované hodnoty je odvozena jako podíl maximálního zrychlení během nájezdu po proudovém omezení. Aby bylo potlačeno překročení cílové hodnoty, byl generátor ještě rozšířen o generátor S-křivky. Ta zjišťuje spojitý pokles zrychlení tak, aby bylo dosaženo cílových otáček při právě nulovém zrychlení. Průběh žádané hodnoty otáček a zrychlení ukazuje obr. 4. Na obr. 5 je potlačení překmitu použitím generátoru žádané hodnoty s lineárním nárůstem a s nárůstem ve tvaru druhé mocniny, která odpovídá zaoblení S-křivky. Je zřejmé, že použití zaoblení časového průběhu žádané hodnoty podle druhé mocniny vede ke snížení překmitu. Současně je umožněn vyšší počáteční nárůst žádané hodnoty (tj. v oblasti lineárního nárůstu), a tím i další urychlení dojezdu na cílové otáčky. Generátor požadované hodnoty je spouštěn v pevné periodě 200 ms, stejně jako řídicí regulátor.

Vlastnosti regulátoru

Speciální požadavky na regulaci vedly k vytvoření nového bloku regulátoru pro tuto aplikaci. Jde o PI regulátor s dopřednou vazbou (obr. 6).

Obr. 6.

Obr. 6. Blokové schéma regulátoru; SP – žádaná hodnota otáček, PV – měřené otáčky, TRA – hodnota otáček pro výstup v režimu sledování, TR/AUT – binární signál pro přepínání režimu regulátoru, MV – akční zásah, P – proporcionální zesílení, DV – dopředná vazba, Ti – diskrétní integrátor

Dále je blok regulátoru vybaven saturací, jejíž hodnoty jsou ovlivňovány žádanou hodnotou (modrá vazba). Saturace regulátoru je indikována jako jeden z poruchových stavů. Důležitou součástí je algoritmus pro vysledování integrační složky (zelená vazba). Ten zajišťuje bezrázové přepnutí mezi zpětnovazebním a programovým chodem regulátoru. Též zabraňuje unášení integrační složky v případě saturace. Zvláštností použitého regulátoru jsou dvě integrační časové konstanty. Protože je nežádoucí, aby byla požadovaná hodnota příliš překračována, je v případě záporné regulační odchylky použita třikrát kratší integrační časová konstanta. Vliv tohoto přepínání je zřejmý z obr. 7.

Obr. 7.

Obr. 7. Vliv přepínání integrační složky na přechodovou charakteristiku; spodní průběhy jsou výřezy s upraveným měřítkem osy y (simulace)

Při návrhu a nastavení regulátoru byla využita apriorní informace o statickém zesílení řízeného systému. Měnič má dva kvadraturní vstupy. Jeden signalizuje skutečné a druhý žádané otáčky. Elektronika vnitřního regulátoru měniče pracuje tak, aby byly obě tyto hodnoty shodné. Z hlediska nadřazeného regulátoru v řídicím systému má regulovaný systém statické zesílení rovno jedné – z toho vyplývá nastavení dopředné vazby. Dále je zřejmé, že hodnota výstupu by se neměla výrazně lišit od žádané hodnoty. Hranice omezení výstupu jsou tedy dynamicky upravovány podle žádané hodnoty. K dispozici však nebyly další důležité signály, chyběl především signál o aktivaci proudového omezení. Spojitý signál o proudu kotvy byl sice znám, ale vzhledem k širokému rozsahu používaných momentů (100 : 1) a základnímu kalibračnímu rozsahu (–1 mA až +1 mA) jej nebylo možné v podstatě využít.

K měření otáček bylo nutné použít nynější snímač, který zajišťuje zpětnou vazbu pro tyristorový měnič. Ten generuje frekvenci zhruba 4 kHz při otáčkách rotoru 3 000 min–1. Pro dodržení požadované přesnosti je nutné měřit alespoň jednu sekundu čítačem v jednotce Simatic. To je však pro regulaci v dynamické oblasti příliš pomalé. Vzhledem k tomu, že přesná hodnota je nutná jen v ustáleném provozu, byly vytvořeny dvě hodnoty otáček. Jedna je měřena a aktualizována po 200 ms. Druhá je též aktualizována po 200 ms, ale je vypočítána jako vlečný průměr z pěti posledních hodnot. Pokud probíhá regulace po najížděcí křivce, jsou použity „rychlé“ hodnoty. Na ustálené hladině jsou použity „přesné“ hodnoty otáček. Tento přístup dovoluje používat pro měření běžné čítačové karty.

Závěr

Řídicí systém v uvedeném provedení předčil požadavky zadání. Během zkušebního provozu v srpnu a září minulého roku byly vyzkoušeny všechny provozní režimy. Ve všech případech dosáhl řídicí systém požadované kvality regulace.

(ZAT a. s.)

ZAT a. s.
K Podlesí 541
261 80 Příbram VI
tel.: +420 318 652 111
fax: +420 318 627 471
e-mail: zat@zat.cz
http://www.zat.cz