Цифровая коррекция алгоритмов управления асинхронными электроприводами с частотным управлением, применяемых в транспортных механизмах линий непрерывного производства

В промышленных агрегатах чаще всего применяют асинхронные электроприводы со стандартными и различными инновационными методами управления. Эти методы управления имеют ряд особенностей и проблем, которые достаточно хорошо изучены, им посвящены статьи исследователей из разных стран и исследовательских центров [1–13].

Несомненными достоинствами асинхронных электроприводов с частотным управлением является и доступная цена их основных элементов – электродвигателей и преобразователей частоты ведущих мировых компаний (например – Schneider Electric, Франция).

Однако в агрегатах, в которых требуется получить лучшие технические характеристики, приходится искать инновационные решения по алгоритмам управления. Таким инновационным проектом оказался и проект модернизации системы приводов комплекса окраски листовых материалов. В этом проекте были использованы результаты ряда теоретических исследований специалистов кафедры автоматизированного электропривода ЮжноУральского государственного университета [14–19].

В проведенных в течение нескольких лет лабораторных исследованиях было показано, что в асинхронных электроприводах с частотным управлением на базе стандартных преобразователей частоты «среднего» класса технической сложности и ценовых характеристик могут быть реализованы алгоритмы управления, в значительной степени улучшающие статические и динамические характеристики приводов, а именно – статические точности поддержания скорости вращения электродвигателей, и существенно уменьшающие динамические провалы при набросах нагрузки, а также время переходных процессов в этих режимах. Эти алгоритмы были опробованы в электроприводах производственной линии окраски листового материала (древесноволокнистых плит). Зарегистрированные процессы токов статоров электродвигателей производства подтвердили теоретические положения и результаты экспериментов в лаборатории. Следующим шагом внедрения этих результатов должен стать вариант реализации, приемлемый для промышленных установок электропривода.

Постановка задачи

На агрегатах рассматриваемой технологической линии (рис. 1) в 2018 году была проведена модернизация. Вместо одного ПЧ, управляющего шестью приводами групп валков, установлено три

Рис. 1. Линия окраски листового материала

Рис. 2. Электрическая схема линии до модернизации

Рис. 3. Электрическая схема линии после модернизации

преобразователя компании S c hnei d er Electric (рис. 2, 3). Также в с хе му был в ключе н пр о гра м миру е мый лог и ческий контроллер той же фирмы с програм м ой, уточня ю щей з ада н и я н а скорости вра щ ен и я эл е ктродвигателе й д л я выра в нивания линейных скоростей. Подробн о процесс мо де рн и заци и рас с мотрен в п убликациях [18, 19 ].

Введение раздельного управления частью приводов позволило значительно улучшить качество переходных процессов тока и скорости в момент захвата листа двумя группами валков одно временно (рис. 4, 5), что, в свою очередь, привело к снижению количества бракованных изделий с 20–25 до 5–15 %. Тем не менее введение дополнительных преобразователей частоты требовало серьезного усложнения системы управления линией, так как для каждого преобразователя частоты требовалось подавать задание скорости пропорционально заданию на основной преобразователь (ПЧ1). Также соотношения скоростей основного (ПЧ1) и дополнительных (ПЧ2–ПЧ4) преобразователей частоты изменяются при смене валков.

Рис. 4. Броски тока статора двигателя привода валков при захвате листа двумя группами валков до модернизации

Рис. 5. Броски тока статора двигателя привода валков при захвате листа двумя группами валков после модернизации

Указанную проблему удалось решить введением в систему управления программируемого логического контроллера (PLC) и введением системы коэффициентов пересчета скоростей дополнительных преобразователей частоты относительно основного преобразователя частоты К1–К4 (рис. 6). Для решения данной задачи был выбран PLCTM241CE24R компании Schneider Electric.

Также оперативность настройки параметров линии и удобство работы оператора были повышены за счет применения человеко-машинного интерфейса (HMI) в виде панели оператора XBT511 той же компании (рис. 7).

Рис. 6. Организация управления линией программируемым логическим контроллером

Рис. 7. Управление линией с HMI

О дна ко, н е с мот ря на з начител ьное с ниже н ие кол иче с тв а б ра к ов а н ны х из де л ий, опр е де ле нное кол ичес тв о б ра к а сох ранил о с ь, чт о с ильно с ниж а е т эконо м ич е с ку ю эфф ектив нос ть р аботы линии.

В работах [14– 1 7] ра с см а трив а е тс я ра з ра бо тан н ы й ав тора м и м е тод ко рре кци и с татиче ски х и ди на м иче ск и х х а ра кте р ис т ик а с и нх рон ны х эл ек троприв одов в виде ди на м и че с кой по л ожител ьной обратной связи по току статора (DP F ). Такая кор р е кц ия , п о пре дпо л ож ению а в торов , да с т в оз мо ж нос ть п о луч ить не обх о дим о е ка че ств о п ерех одн ых проце с сов при за хв а те л ист а однов ре м е нно дву м я гр уп па ми в а л ков и , т а ки м об раз ом , пол нос тью и с кл юч ить и ли с в ес т и к м и н имуму количе с тв о бр акованных изделий.

Реализация предлагаемой коррекции подразумевает необходимость введения в цепь коррекции апериодического звена первого или второго порядка. Применение аналоговых корректирую- щих устройств на промышленной линии затруднено по ряду причин. Однако программируемые логические контроллеры компании Schneider Electric имеют возможность реализации не только дискретных функций управления технологическим оборудованием, но и возможность реализации различных динамических звеньев, например, фильтра первого порядка (рис. 8).

С целью реализации коррекции в виде DPF на промышленной линии разработан алгоритм (рис. 9), программное обеспечение и принципиальная схема (рис. 10).

Предварительно проведен ряд экспериментальных исследований на лабораторном стенде, подробно описанный в работах [14–17], подтвердивший эффективность реализации предлагаемой коррекции с помощью программируемого логического контроллера. Результаты проведенных экспериментов в данной статье не рассматриваются, так как были опубликованы ранее.

Pin Diagram

This figure shows the pin diagram of the Filter_PTl function block:

— IjcEn 8001

— ij-lput 8Ы1

— UCydnme fZAF

FHter_PTl

— LtFltrTime M — i.xErrRst №

8001 q.xEn — ЙХХ q_xBusy — SEAL qj-Oput —

8001 q_xErr — UfNT q_uiErrId —

Functional Description

The Filcer_PTl function block provides a PT1 transfer function. The output value increases to 63% of input value within the time period equal to filter time constant. The output value reaches to 95% of input value after the time period equal to 3 * Filter time constant and then reaches gradually to 100% of the input value.

This figure shows the output profile functionality of the Filter_PTl function block: q_rOput

Рис. 8. Реализация фильтра первого порядка в ПЛК Schneider Electric на языке функциональных блоков

Рис. 9. Алгоритм работы DPF

Рис. 10. Электрическая схема линии окраски листового материала с реализацией на ПЛК управления линией и коррекции характеристик асинхронных приводов

Экспериментальные результаты

После подтверждения эффективности предлагаемых решений в лабораторных условиях система управления и алгоритмы коррекции характеристик асинхронных электроприводов реализованы на промышленной линии окраски листового материала.

Проведен сравнительный анализ диаграмм тока статора и скорости при различных алгоритмах управления приводами, показавший преимущества применения DPF для управления приводами линий окраски.

На рис. 11 приведены диаграммы тока статора и скорости при управлении приводом протяжки листа с помощью векторного управления, замкнутого по скорости.

На рис. 12 приведены аналогичные диаграммы для системы управления с коррекцией DPF. Параметры процессов приведены в таблице.

На рис. 11 и рис. 12 Тпп – время переходного процесса при захвате листа; Тпл – время протяжки листа; Iст1 – ток статора при работе привода без листа; Iст2 – ток статора при протяжке листа; Апп – максимальная амплитуда тока при переходном процессе; t1, t2 – время начала и конца протяжки листа.

Необходимо обратить внимание на более динамичные переходные процессы с меньшим перерегулированием в системе с DPF, также немаловажным фактором является меньшее значение тока статора в статическом режиме, что повышает энергетические показатели линии.

В результате внедрение предлагаемой коррекции (DPF), реализованной на программируемом логическом контроллере, снизило количество бракованных изделий до 0,5–1 %, и повысило оперативность настройки, что в целом крайне положительно сказалось на экономических показателях промышленной линии при отсутствии значительных затрат на модернизацию.

г™ = 0,35c;   ?™ = 8.08с

а)

Рис. 11. Диаграммы тока статора (а) и скорости (б) привода с замкнутым по скорости векторным управлением

б)

7™ = 0,22с; 7™ = 7,84с

Icml = 2,0А; 7ст2 = 2ДА

а)

Рис. 12. Диаграммы тока статора (а) и скорости (б) привода со скалярным управлением с DPF

б)

Параметры переходных процессов тока на приводах линии окраски листового материала при различных алгоритмах работы системы управления

Структура	Т пп , с	А пп , А	I ст1 , А	I ст2, А	Т пл , с
Векторное управление	0,35	0,65	2,35	2,51	8,08
Скалярное управление с DPF+	0,22	0,58	2,0	2,1	7,84

Заключение

Применение программируемых логических контроллеров компании Schneider Electric для управления промышленными линиями по непрерывной обработке листовых материалов дает возможность не только реализовать дискретные функции управления механизмами линий, но и реализовывать различные алгоритмы коррекции характери- стик, управляемых PLC электроприводов, включающих различные динамические звенья.

Внедрение алгоритмов коррекции статических и динамических характеристик асинхронных электроприводов, применяемых на промышленных линиях, дает возможность значительно повысить энергетическую и экономическую эффективность оборудования.