Технические средства интеллектуализации СУИМ

К техническим средствам интеллектуализации в соответствии с приведенной выше функциональной схемой СУИМ относят сле- дующие:

– интеллектуальные ИМ;

– программируемые логические контроллеры (ПЛК) ИМ;

– технологические измерители-регуляторы, регуляторы мик- ропроцессорные универсальные, сигнализаторы;

– многоканальные модули ввода-вывода и управления рас- пределенных СУИМ (MDS-модули);

– бесконтактные симисторные пускатели и микропроцессор- ные СПЭ.

Интеллектуальные ИМ – к сожалению, в полном смысле этого слова крайняя редкость. Такой ИМ должен «на месте» со- держать все необходимые средства интеллектуализации и являться полнофункциональным децентрализованным модулем. Как прави- ло, из всех средств интеллектуализации собственно ИМ оснащают только блоком сигнализации положения (БСПМ), подключенным к полевой сети, что позволяет микропроцессорному контроллеру ИМ или контроллеру верхнего уровня выполнять функции управ- ления, диагностики и защиты механизма. Некоторые ЭИМ содер- жат встроенные СПЭ. Наличие встроенного цифрового регулятора внешней (технологической) координаты, модулей аналогового и дискретного ввода-вывода, а также коммуникационных средств позволяет наделить такой ИМ интеллектуальными качествами. К таким ИМ можно отнести, в частности, ЭИМ переменной скорости с частотно-регулируемыми децентрализованными электроприво- дами фирмы Siemens, Omron, Danfoss и др.

Программируемые логические контроллеры (ПЛК), или контроллеры исполнительных механизмов (КИМ) – специализиро- ванные цифровые компьютеры, используемые для автоматизации технологических процессов. В отличие от компьютеров общего назначения ПЛК имеют развитые устройства ввода-вывода сигна- лов датчиков и исполнительных механизмов, приспособлены для длительной работы без обслуживания, а также для работы в небла- гоприятных условиях окружающей среды. ПЛК являются устрой- ствами реального времени.

В современных ПЛК числовые операции реализуются наравне с логическими, но во многих технических приложениях по-преж- нему преобладают логические команды. В программируемых ло-

гических контроллерах обеспечивается доступ к отдельным битам памяти, в то время как большинство процессоров и компьютеров обеспечивает только одно-, двух- или четырехбайтовую адресацию.

ПЛК, как правило, не имеют развитых средств интерфейса типа клавиатуры и дисплея, устанавливаются в шкафах, часто – на DIN-рейку. Их программирование, диагностика и обслуживание производятся подключаемыми для этой цели программаторами – специальными устройствами (устаревшая технология) или устрой- ствами на базе PC или ноутбука – со специальным программным обеспечением, а иногда и специальными интерфейсными платами. В системах управления технологическими процессами ПЛК взаи- модействуют с системами человеко-машинного интерфейса: опера- торскими панелями или автоматизированными рабочими местами (АРМ) операторов на базе PC. Датчики и исполнительные устройст- ва подключаются к ПЛК индивидуально или централизованно: в стойку ПЛК устанавливаются модули ввода-вывода, подключен- ные к датчикам и исполнительным устройствам отдельными про- водами, или по методу распределенной периферии, когда удален- ные от ПЛК датчики и исполнительные устройства связаны с ПЛК общей сетью, например сетью Profibus с протоколом DP.

На российском рынке в достаточно широком ассортименте представлены ПЛК как отечественных, так и зарубежных фирм. Среди отечественных разработчиков средств автоматизации, включая ПЛК, следует выделить такие фирмы, как ОАО «МЗТА» (г. Москва), ОАО «ЗЭиМ» (г. Чебоксары), НПФ «КонтрАвт» (г. Нижний Новгород), НПФ «ОВЕН» (г. Москва), НПФ «КРУГ» (г. Пенза) и др. Среди зарубежных фирм – производителей ПЛК можно выделить Siemens, Mitsubishi, Omron, Danfoss и др.

Технологические измерители-регуляторы являются специа- лизированными или универсальными микропроцессорными уст- ройствами, обеспечивающими численное задание технологическо- го параметра (переменной), измерение и индикацию технологиче- ской переменной в цифровой форме, а также выработку управляющего воздействия на исполнительный механизм в функ- ции вычисленной ошибки регулирования.

В последние годы наибольшее распространение в системах автоматизации технологических процессов находят универсальные измерители-регуляторы. Эти регуляторы призваны обеспечивать следующие основные требования:

– подключение различных типов датчиков различных техноло- гических координат (температуры, давления, расхода, уровня и т.п.); достигается за счет применения унифицированных токовых (0–5, 0–20, 4–20 мА) или «напряженческих» (0–1, 0–10 В) сигналов;

– позволяют с панели вводить численные значения заданных технологических координат и наблюдать действительные значения контролируемых координат в достаточно широком диапазоне;

– реализовывают различные законы управления исполнитель- ными механизмами (двух- и трехпозиционного управления, типо- вые П-, И-, ПИ-, ПИД-, ПДД-законы непрерывного управления);

– изменяют параметры управления в достаточно широком диапазоне и имеют высокую точность воспроизведения законов управления;

– формируют выходной сигнал в различных формах и техни- ческих реализациях (транзистор с открытым коллектором, реле, оптосимистор, транзистор в активном режиме и др.).

Существует достаточно много как отечественных, так и зару- бежных фирм, выпускающих многочисленные серии микропроцес- сорных измерителей-регуляторов. Среди российских фирм одну из наиболее полных линеек таких аппаратных модулей выпускает НПФ «КонтрАвт», которая производит регуляторы температуры (терморегуляторы), измерители-регуляторы и сигнализаторы, ПИД-регуляторы, контроллеры температуры, давления, уровня и других технологических параметров. Микропроцессорное ис- полнение обеспечивает высокие технические характеристики, функциональные возможности и надежность выпускаемых прибо- ров. Все регуляторы сертифицированы, зарегистрированы Гос- стандартом в Госреестре средств измерений. Имеется также разре- шение Госгортехнадзора и Горнорудничного надзора. Оборудова- ние допущено к применению на взрывоопасных производствах.

Дадим краткую характеристику основных серий измерителей- регуляторов серии «МЕТАКОН», нашедших широкое применение в СУИМ.

Серия «МЕТАКОН-512/522/532/562» – одно-, двух-, трех-, шестиканальные измерители-сигнализаторы и позиционные регу- ляторы температуры; применяются для двух-, трехпозиционного регулирования температуры, давления, влажности и других техно- логических параметров (до шести каналов по два компаратора в каждом), а также для сигнализации. Выходы: n-p-n -транзистор с открытым коллектором, реле, оптосимистор, транзисторный ак- тивный ключ.

Серия «МЕТАКОН-513/523/533» – одно-, двух-, трехканаль- ные ПИД-регуляторы (контроллеры)-сигнализаторы и регуляторы температуры для управления нагревом или охлаждением с помо- щью ТЭНов и компрессоров; предназначены для ПИД-управления дискретным ШИМ-сигналом устройствами однонаправленного действия: ТЭН, компрессоры холодильников и т.п. Выход: реле или транзисторный ключ.

Серия «МЕТАКОН-514/524/534» – одно-, двух-, трехканаль- ные ПИД-регуляторы температуры и сигнализаторы для управле- ния процессами с помощью задвижек, трехходовых клапанов, ис- полнительных механизмов типа МЭО; предназначены для ПДД- управления дискретным ШИМ-сигналом реверсивными исполни- тельными механизмами интегрирующего типа – МЭО (запорная арматура). Выход: реле или транзисторный ключ.

Серия «МЕТАКОН-613» – программные регуляторы, сигна- лизаторы и таймеры для управления технологическими процесса- ми в соответствии с заданными временными диаграммами; пред- назначены для ПИД-управления дискретным ШИМ-сигналом уст- ройствами однонаправленного действия: ТЭН, компрессоры холодильников и тому подобное по временной диаграмме (про- грамме). Автоматическая настройка параметров ПИД-регулятора. Управление внешними сигналами. Выходы – транзисторные клю- чи: два на ШИМ, два от компараторов. Библиотека программ: 10

временных диаграмм по 20 участков каждый. Масштабирование линейных сигналов. Основная погрешность измерений не более 0,1 %. Имеется трехканальный таймер для управления тремя до- полнительными устройствами с привязкой к временным диаграм- мам. Предназначены для работы в распределенных системах сбора данных и управления.

Серия «МЕТАКОН-614» – аналогична предыдущей, но пред- назначена для ПИД- и ПДД-управления дискретным ШИМ- сигналом реверсивными исполнительными механизмами интегри- рующего типа – МЭО (запорная арматура) по временной диаграм- ме (программе). Управление внешними сигналами. Выходы – транзисторные ключи: два на ШИМ, два от компараторов.

Серия «МЕТАКОН-515» – быстродействующий универсаль- ный контроллер: быстродействующий одноканальный ПИД- регулятор с одним универсальным, двумя дискретными входами и функцией извлечения квадратного корня с функциями сигнали- зации. Токовые входной и управляющий сигналы, высокое быст- родействие делают прибор наиболее подходящим для управления пневмопреобразователями, преобразователями частоты и другими устройствами, рассчитанными на унифицированные сигналы.

Выходы: один токовый на управ- ление, один токовый на регистрацию, три реле. Встроенный источник пита- ния 24 В. Внешний вид контроллера- регулятора приведен на рис. 10.2.

Серия Т-424 – универсальный контроллер с функцией регулятора отношений и с сигнализацией, имеет

Рис. 10.2. Внешний вид

контроллера-регулятора

«МЕТАКОН-515»

токовый выход на управление или ретрансляцию. Локальный ПИД-регу- лятор с четырьмя программно на- страиваемыми входами. Наличие то-

ковых входов и выхода, функции извлечения квадратного корня, а также регулятора соотношений делают прибор Т-424 наиболее

подходящим для применения в химическом и нефтехимическом производствах. Встроенный источник питания 24 В. Выходы: один токовый, один транзисторный ключ, три реле.

Многоканальные модули ввода-вывода и управления распре- деленных СУИМ обеспечивают периферийный ввод-вывод анало- говых и дискретных сигналов в распределенных управляющих системах и системах сбора данных. Это так называемые MDS- модули (Modules for Distributed Systems). На рис. 10.3 приведен внешний вид модуля DIO (Discrete Input-Output), производимого НПФ «КонтрАвт».

Модули позволяют управ- лять сигналами по сети исполни- тельными устройствами (реле, пускатели, клапаны, соленоиды и проч.), а также вводить по сети в системы сбора данных и управ- ления состояние аналоговых сиг- налов (датчиков аналоговых ко- ординат СУИМ) или дискретных

устройств (кнопки, расцепители, датчики прерывания, дискрет- ные выходы контрольно-регули- рующих приборов и проч.).

Рис. 10.3. Внешний вид MDS-

модуля дискретного ввода-вывода фирмы «КонтрАвт»

В модулях DIO-4/4 имеется четыре канала ввода и четыре ка- нала вывода. В модуле DIO-16BD каждый из 16 каналов может быть запрограммирован как на ввод, так и на вывод.

MDS-модули поддерживают протоколы MODBUS RTU, RNet и DCS (ASCII протокол, совместимы с модулями Adam от фирмы Advantech).  Для облегчения возможности интеграции модулей в SCADA-системы разработаны OPC-сервер для регуляторов

«МЕТАКОН» (поддержка серии «МЕТАКОН» и MDS-модулей по протоколу RNet) и OPC-сервер для MDS-модулей (поддержка MODBUS RTU). OPC-серверы распространяются бесплатно.

Бесконтактные симисторные, тиристорные пускатели и микропроцессорные СПЭ также наделяются интеллектуальными функциями, позволяющими существенно расширить функциональ- ные возможности ЭИМ в распределенных системах управления.

На рис. 10.4 приведен внешний вид пускателя бесконтактного ре- версивного (ПБР), предназначенного для управления трехфазным асин- хронным электродвигателем ИМ постоянной скорости.

Основное назначение пускате- лей – бесконтактное реверсивное управление регулирующими и за- порными приводами трубопровод-

Рис. 10.4. Внешний вид

пускателя бесконтактного реверсивного

ной арматуры.

ПБР-3И применяется для при- водов с трехфазными электродвига- телями; ПБР-2И – для приводов

с однофазными электродвигателями.

Пускатели могут выполнять следующие функции, в том числе интеллектуальные:

– реверсивное управление по командам «открыть», «закрыть»,

подаваемым на дискретные входы пускателя;

– управление от аналогового сигнала задания положения или скорости движения;

– выполнение команд управления от контроллера или компь- ютера, подаваемых через один или два интерфейса RS-485 (прото- кол MODBUS);

– выполнение функции аварийного управления – по дискрет- ной или сетевой команде выполнить предустановленное действие (закрыть, открыть, стоп);

– остановка в крайних положениях по сигналам концевых или моментных выключателей;

– выполнение дожима при закрытии или открытии по моменту;

– блокирование управления электроприводом при наличии на входе сигнала «запрет»;

– торможение электродвигателя способом противовключения;

– вывод аналогового сигнала положения электропривода;

– выполнение команд настройки, управления, контроля со- стояния от внешнего пульта настройки или компьютера, подклю- чаемых через интерфейс RS-232 или RS-485;

– формирование сигнала «готовность»;

– защитное отключение электродвигателя, формирование сигнала «неисправность», индикация неисправности;

– тепловая защита электродвигателя привода.

Пускатели имеют два источника питания G1 и G2 (24 В, 30 мА), предназначенных:

– G1 для активизации дискретных входных и выходных цепей пускателя;

– G2 для питания датчика положения привода.

Источники могут использоваться и для других цепей. Есть исполнения пускателей с источниками, гальванически связанными с входными цепями, и с изолированными от входных цепей источ- никами.

Помимо пускателей серии ПБР выпускаются бесконтактные пускатели с интеллектуальными функциями иных типов:

– БУЭР1-30-02 – блок управления однофазным электродвига- телем по резервированному цифровому каналу RS-485 (два кана- ла): пуск, останов, защита двигателя от перегрузок по току, само- диагностика;

– БУЭР3-30-03 – блок управления электрифицированной за- движкой (ЭЗ) с трехфазным электродвигателем: открыть, закрыть, отмена команды, индикация состояния задвижки, диагностика двигателя;

– усилители тиристорные трехпозиционные ФЦ-0610, ФЦ- 0611; обеспечивают пуск, реверс, торможение при снятии входно- го сигнала и защиту асинхронного двигателя от перегрузок, осу- ществляют сигнализацию об исчезновении напряжения питания

или несоответствии входных и выходных сигналов, имеют регули- руемые уставки защиты и длительности торможения. Внешний вид тиристорного усилителя приведен на рис. 10.5;

– блок управления реверсивными механизмами БУРМ-220. Симисторный блок управления исполнительными механизмами типа МЭО или электромагнитными клапанами. Применяется со- вместно с Т-424 и «МЕТАКОН-5×4»;

 

Рис. 10.5. Внешний вид бесконтактного тиристорного усилителя серии ФЦ

– блок коммутации реверсив- ный (БКР). Симисторное управле- ние асинхронными электродвигате- лями исполнительных механизмов типа МЭО, электромагнитными клапанами. Применяется совместно с регуляторами «МЕТАКОН-5×4»,

«МЕТАКОН 614»;

– блок симисторный БС-Х- Х-Н. Бесконтактная коммутация нагрузки переменного тока в сис-

темах промышленной автоматизации. Максимальное коммутируе- мое напряжение: 240–240 В, 440–440 В. Способ коммутации сило- вой цепи – при переходе тока нагрузки через ноль.

Для управления ЭИМ переменной скорости (насосов, вентиля- торов, компрессоров, РО металлорежущих станков, роботов- манипуляторов, подъемно-транспортных механизмов и др.) широ- кое применение находят интеллектуальные микропроцессорные СПЭ как для приводов постоянного, так и для приводов перемен- ного тока [25, 29, 31]. В основе их – очень широкая линейка сило- вых преобразователей, причем преимущественно зарубежных фирм (Siemens, Omron, Schneider Electric и др.). Данная тематика наиболее полно освещается в дисциплинах «Электронные преоб- разовательные устройства» и «Автоматизированные электропри- воды типовых производственных механизмов». Отметим только основные тенденции в развитии интеллектуальных СУИМ пере- менной скорости на примере наиболее широко представленных на российском рынке СПЭ фирмы Siemens:

– доминирование во всех отраслях промышленности и кон- кретных промышленных установках частотно-регулируемых мик- ропроцессорных электроприводов переменного тока (применение прежде всего асинхронных электроприводов на основе СПЭ серий MICROMASTER, SIMOVERT MASTERDRIVES, для распреде- ленных СУИМ – SIMODRIVE POSMO, SINAMICS G (S) 110-120, ET 200S, COMBIMASTER 411 и др.);

– применение в качестве сервоприводов трехфазных син- хронных электродвигателей типа 1FK6 и аналогичных с возбужде- нием от постоянных магнитов, управляемых от СПЭ типа SIMOVERTMASTERDRIVESVector Control;

– модернизация приводов постоянного тока в части замены аналоговых преобразователей на микропроцессорные с СПЭ серии SIMOREG, которые являются полностью цифровыми компактны- ми устройствами для питания цепей якоря и возбуждения приво- дов постоянного тока с изменяемой скоростью вращения;

– интегрирование интеллектуальных модулей в части объедине- ния СПЭ с ЭИМ. В частности, в новейших электроприводах движе- ния (motion) контроллер, СПЭ и ЭИМ интегрированы в модуль управления нового многоосевого привода типа SINAMICS S120. Следовательно, вся система, со-

стоящая из контроллера и привода, является очень компактной и бы- стродействующей. SIMOTION D поставляется в трех вариантах (D425, D435 и D445), что обес- печивает максимальную масшта-

бируемость и гибкость. Область применения распространяется от простых одноосевых приложе- ний до высокопроизводительных

Рис. 10.6. Электропривод движения ИМ серии SIMOTION D

многоосевых станков. SIMOTION D снабжен двумя встроенными интерфейсами PROFIBUS с PROFIdrive и двумя встроенными ин- терфейсами Industrial Ethernet. Внешний вид интегрированного электропривода движения ИМ приведен на рис. 10.6.