Разработка и исследование многокоординатных электроприводов на базе частотно-регулируемых электродвигателей и промышленных информационных сетей

Применение современных систем многокоординатного электропривода достаточно часто позволяет упростить кинематические схемы разнообразных технологических установок путем согласованного управления частотно-регулируемыми электроприводами индивидуальных осей. Получение высоких точностных и динамических показателей в многокоординатных системах управления движением достигается как за счет применения специальных быстродействующих электроприводов по каждой координате, так и за счет их согласованного централизованного управления с помощью специального контроллера управления движением, имеющего достаточно мощный и высокопроизводительный процессор. В таких системах применяются специальные высокоскоростные интерфейсы для связи центрального контроллера с электроприводами. Если для конкретных применений технологические требования по точности и быстродействию относительно невелики, то применение упомянутых выше специализированных технических средств может быть нерациональным по экономическим соображениям. Примерами таких применений могут служить раскройные столы, плоттеры, упаковочные машины и многие другие. В этих случаях альтернативным вариантом построения многокоординатных систем движения может быть применение в качестве исполнительных устройств частотно-регулируемых электроприводов общепромышленного назначения (ПЧ-АД), координация их перемещений с помощью типового программируемого контроллера (ГОЖ) и применение для реализации информационных связей в системе интерфейсов, традиционно применяемых в распределенных АСУТП. Применение типового оборудования позволяет снизить стоимость системы, упрощает её эксплуатацию, расширяет возможности дальнейшей модернизации. Диссертация посвящена исследованию подобных систем и разработке способов улучшения их технических показателей. Изложенное позволяет считать тему диссертации весьма актуальной.

Цель диссертационной работы — разработка новых методик экспериментального исследования и проектирования систем управления движением, позволяющих эффективно использовать общепромышленные компоненты при реализации многокоординатных электроприводов. Предметом исследований являются многокоординатные электроприводы на базе асинхронных двигателей с преобразователем частоты и общепромышленные контроллеры в качестве генератора траектории и контроллера согласования осей.

Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи: анализ составляющих частей задержек управляющего воздействия, передающегося по цифровым промышленным сетям передачи данныханализ влияния квантования по времени управляющего сигнала выхода регулятора положения на качество переходных процессов при управляющих и возмущающих воздействияхразработка способов компенсации влияния квантованного по времени сигнала управления на качество переходного процессаэкспериментальная проверка разработанного способа управления при его реализации в многокоординатных системах управления движением на базе на общепромышленных компонентовразработка алгоритма выбора и проверки аппаратной части и программного обеспечения системы управления многокоординатным электроприводом для обеспечения требуемых показателей движения.

Методы исследования. При решении поставленных в диссертационной работе задач использованы: положения теории автоматического управления, теории автоматизированного электропривода, методы компьютерного имитационного моделирования (в среде Matlab/Simulink). Экспериментальные исследования проводились на промышленных образцах программируемых контроллеров и частотно-регулируемых электроприводов с применением фирменных (Shneider Electric) аппаратно-программных средств отладки.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждена совпадением основных теоретических результатов, полученных в результате компьютерного моделирования, и экспериментальных данных, полученных при реализации исследуемых систем на базе общепромышленных компонентов.

Научные положения, выносимые на защиту:

• Предложена эффективная структура управления осями многокоординатного электропривода, компенсирующая негативное влияние квантования по времени управляющего сигнала в распределенных системах управления движением с помощью корректирующих сигналов, получаемых из генератора траектории и эталонной модели объекта управления.

• Выработаны рекомендации по способу расчета эталонной модели в ПЛК. Определены требования к быстродействию контроллера для реализации эталонной модели объекта управления.

• Предложен способ экспериментальной оценки реальных значений задержек при обмене информацией по цифровым сетям между ведущим и ведомым устройствами.

• Разработана методика итерационного проектирования многокоординатных электроприводов на базе общепромышленных компонентов, которая включает в себя этапы предварительного выбора основных компонентов, проведение экспериментальных исследований для определения недостающих параметров, моделирование системы с целью определения её статических и динамических показателей, конфигурирование и программирование ПЧ и ПЛК с учётом обмена информацией между ними.

Основные практические результаты диссертации состоят в реализации на базе различных типов ПЛК и частотно-регулируемых электроприводов многокоординатных систем управления движением, способных решать типовые задачи позиционного и контурного управления. Результаты могут быть рекомендованы предприятиям, связанным с разработкой и производством многокоординатного электропривода для различных сфер применения.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на XVII (Москва, 2011 г.) Международной научно-технической конференции студентов и, аспирантов, на заседаниикафедры Автоматизированного электропривода федерального1 государственного бюджетного/ образовательного учреждения высшего' профессионального образования, «Национальный исследовательский университет «МЭИ».

Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 печатные работы (в том числе одна ¦ в рецензируемом научном журнале, рекомендуемом Высшей Аттестационной Комиссией Министерства образования и науки Российской. Федерации).

Структура и объем работы. Диссертационная работа, состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы из* 58<наименований. Ее содержание изложено на 142 страницах машинописного текста, .включая 117 иллюстраций и 7 таблиц.

Основные результаты диссертационной работы:

1. Исследовано на компьютерной модели влияние квантования по времени управляющего сигнала в распределенных системах управления движением на качество переходных процессов в контуре регулирования положения. Исследования выполнялись на компьютерной модели. Установлено, что даже при интервале квантования Td, соизмеримом с эквивалентной некомпенсируемой постоянной времени внутренних контуров регулирования, перерегулирование превышает 10%. При Td = 157^ перерегулирование возрастает до 80%, дальнейшее увеличение Td приводит к неустойчивости системы.

2. Проанализированы факторы, определяющие реальное значение задержек во времени для различных структур управления движением. При реализации регуляторов положения индивидуальных осей в ПЛК эквивалентное значение Td зависит от: числа управляемых осей, времени цикла обработки программы передающего устройства, принимающего устройства, заданной скорости передачи данных. Кроме того, Td может быть не постоянным и иметь широкий диапазон изменения из-за многих факторов, начиная от объема передаваемой в пакете информации, числа и приоритетов выполняемых в ПЛК задач и заканчивая специфическими настройками цикла работы контроллера.

3. В результате экспериментальной оценки реальных значений задержек-при обмене информацией по цифровым сетям между ведущим и ведомым устройствами установлено, что для ПЛК Twido, имеющего однозадачный цикл выполнения программы, при использовании специальной макробиблиотеки управления ПЧ ATV DRIVE Macro значение Td на порядок больше, чем при применении макробиблиотеки общего назначения СОММ Macros. При максимальной скорости 38,4 кБит/с для Modbus RTY минимально возможное время задержки при посылке слова Td= 3,6 мс, а при использовании макросов чтения CJRD1W и записи CWR1 W одного слова реальное значение Td при обмене между Twido и ATV 71 достигает 25 мс.

4. Предложен и экспериментально проверен способ коррекции сигнала управления, передаваемого по информационной сети в качестве задания контура регулирования скорости, компенсирующий негативное влияние квантования по времени и обеспечивающий требуемое качество переходного процесса по управляющему воздействию. Коррекция эффективно действует, если интервал квантования не превышает 30% от времени переходного процесса.

5. Выработаны рекомендации по способу расчета эталонной модели в ПЛК. При П-регуляторе положения и настройке на технический оптимум порядок системы дифференциальных уравнений модели может быть понижен до второго порядка без существенного ухудшения качества переходного процесса в контуре положения с коррекцией. Определены требования к быстродействию контроллера для реализации эталонной модели объекта управления — шаг интегрирования г, = згц.

6. Корректирующее воздействие в рассматриваемой структуре управления не устраняет ошибок от возмущающих воздействийосновным из. которых является нагрузка. Установившуюся ошибку можно устранить различными способами, например, с помощью ПИ-регулятора скорости, однако динамическая ошибка останется. Вплоть до Та = 5ГЦ дискретность управляющего воздействия не оказывает существенного влияния на переходный процесс. Максимальное отклонение по положению возрастает всего на 4% по сравнению с моделью без квантования.

7. На базе анализа существующих компьютерных средств поддержки проектирования систем управления движением и полученных автором результатов^ теоретических и экспериментальных исследований предложена методика! итерационного проектирования многокоординатных электроприводов на базе общепромышленных компонентов. Она предполагает накопление экспериментальной, базы данных по динамическим показателям функционирования промышленных образцов ПЛК и ПЧ, моделирование системы с целью определения её статических и динамических показателей в реальных условиях управления-многокоординатным электроприводом, конфигурирование и программирование ПЧ и ПЛК с учётом обмена информацией между ними. г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.