Размер шрифта: A AA Изображения Выключить Включить Цвет сайта Ц Ц Ц Обычная версия сайта
СКИТУ Сибирский казачий институт технологий и управления
(филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования
«Московский государственный университет технологий и управления
имени К. Г. Разумовского (Первый казачий университет)»



Адрес: 644010, г. Омск, ул. Пушкина, 63
тел.: +7 (3812) 36 25 86 (директор),
+7 (3812) 31 15 26 (отборочная комиссия)
e-mail: omsk@mgutm.ru
сайт: www.mgutu-omsk.3dn.ru
Главная » 2015 » Декабрь » 24 » О современном инженерном подходе к проектированию автоматизированных электроприводов

О современном инженерном подходе к проектированию автоматизированных электроприводов

Подковко Николай Фёдоровичподковко

к.т.н., доцент
кафедры проектирования и автоматизации производств
СКИТУ

 

В данной статье рассмотрен современный инженерный подход к проектированию автоматизированных электроприводов. Предложен обобщенный алгоритм проектирования электропривода, а также рассмотрены некоторые   проблемы, возникающие в процессе проектирования и модернизации электроприводов.
Проектирование автоматизированных электроприводов (ЭП) традиционно является не простой задачей в силу разнородности элементов электропривода и сложности процессов, которыми нужно управлять.  Причем за последние два десятилетия, несмотря на интенсивное развитие и внедрение средств вычислительной техники, актуальность задач  эффективного проектирования автоматизированного ЭП еще более возросла. Это связано, прежде всего, с необходимостью решения двух проблем:
– выбора комплектующих для ЭП;
– соответствия разрабатываемого (или модернизируемого) ЭП все более жестким требованиям к динамическим и точностным показателям, а также требованиям по энергопотреблению, функциональности, безопасности и экологии.

Остановимся подробнее  на первой проблеме.
В настоящее время на мировом и быстро развивающемся российском рынках представлен очень большой ассортимент комплектующих для ЭП, поэтому выбор наилучшего варианта, например по соотношению цена/качество, даже у опытных специалистов часто вызывает определенные трудности. В качестве примера рассмотрим рынок частотных преобразователей (ЧП). В России активно продвигают свою продукцию практически все ведущие мировые брэнды по ЧП – это:
•    международные компании, группы, концерны и корпорации – SCHNEIDER ELECTRIC, VACON GROUP, SEW-EURODRIVE, Danfoss, ЭМЕРСОН (Control Techniques), Omron, АББ, Parker Hannifin;
•    европейские компании и фирмы – Emotron, «Karl E. Brinkmann GmbH» (КЕВ), SIEI, Siemens, Invertek Drives, TECORP, Lenze, Bosch Rexroth;
•    японские – FUJI Electric, Mitsubishi Electric, Toshiba, Hitachi;
•    южнокорейские – HYUNDAI, LG (LS Industrial Systems);
•    тайваньские и китайские – Delta Electronics, PROSTAR, ELM (Shenzhen Winner S&T Co., Ltd), Shenzhen POWTRAN Technology;
•    американские – Rockwell Automation, General Electric.
В последние годы заметно укрепили свои позиции на рынке российские производители преобразователей частоты – Веспер, «Эффективные Системы», КОМБАРКО, Овен, "Оптим Электро", ЭРАСИБ, Промышленная Группа «Приводная Техника».
Перечисленные выше компании предлагают услуги по внедрению и сопровождению не только частотных преобразователей, но и построенных на их основе комплектных электроприводов для всего спектра промышленных применений, а так же для ЖКХ, сельского хозяйства, бытовых устройств. Еще большее количество компаний и фирм задействовано в сфере оказания услуг по проектированию и внедрению автоматизированного ЭП (в том числе и комплектного). Среди российских наиболее известны: фирма "РУСЭЛ¬ПРОМ-Мехатроника", предприятие ООО «ЧЭАЗ - ЭЛПРИ», компания ООО «АлексПривод», департамент электропривода ООО «НПФ «Ракурс», проект «TOSMA» (TOSHIBA INTERNATIONAL CORPO¬RATION (Toshiba & Mitsubishi Electric) и Специализированная инжиниринговая компания Севзапмонтажавтоматика). Как правило, для заказчиков предусмотрен полный набор услуг (проектирование, разработка, производство, поставка, монтаж, обучение обслуживающего персонала, сервисное обслуживание).
Такой рост рынка обусловлен не только объективными потребностями в автоматизации, но и следующими факторами:
– интенсивным развитием всех компонентов ЭП (электрических двигателей, силовых полупроводниковых приборов и преобразователей, микропроцессорных средств управления) и на этой основе созданием ЭП, обладающих качественно новыми, недостижимыми прежде характеристиками;
– совершенствованием алгоритмов управления,
– выполнением поставщиками комплектующих требований стандартизации, сертификации и унификации;
– разумным сочетанием интегрированных решений (имеется ввиду интеграция электродвигателя с преобразователями, управляющими устройствами и рабочими механизмами – мехатронные модули, мотор-ролики, мотор-колеса, мотор-шпиндели, поворотные столы,  модули движения различных типов (линейные, поворотные, двух - и многоосевые) и т.д.) с
блочно-модульным принципом построения систем.
Благодаря этим факторам поставщики оборудования имеют возможность предлагать эффективные решения для любых, как общепромышленных, так и специализированных применений ЭП, оперативно и гибко подстраиваться под требования заказчика. В принципе, если серьезная фирма берется за разработку или модернизацию ЭП,  то это уже практически гарантирует, что в итоге будет найдено решение, удовлетворяющее технологическим, тех-ническим и эксплуатационным требованиям заказчика. Однако проблема заключается в том, будет ли это решение оптимальным с точки зрения общих затрат? Не переплатит ли заказчик за те программно-аппаратные опции, которые в будущем никогда не будут востребованы? Но возможна и еще худшая ситуация, когда предприятие-заказчик, чрезмерно доверившись положительному опыту работы фирмы-поставщика на других подобных предприятиях, с целью экономии закупает у этой фирмы не самое современное или даже морально устаревшее оборудование. Также в таких случаях велика вероятность, что какие-либо на первый взгляд незначимые нюансы работы ЭП не будут учтены, а это может в дальнейшем привести к серьезным проблемам при эксплуатации нового или модернизированного ЭП. Еще следует учитывать известное стремление многих, занимающихся внедрением автоматизированного ЭП, фирм ориентироваться на узкий круг поставщиков (или даже на одного поставщика) комплектующих, интересы которых они представляют на рынке.   
Ответ на поставленные выше вопросы очевиден. Начальный этап проектирования ЭП  необходимо завершать выбором комплектующих ЭП и соответственно выбором поставщиков комплектующих. Причем эта проектная процедура должна выполняться инженерными службами организации-заказчика в обязательном порядке независимо от объема или масштаба планируемых работ. Например, при замене устаревшего ЭП на более современный, нерегулируемого ЭП на регулируемый, разработке зачастую экономически более выгодного импортозамещающего ЭП, а также автоматизированного ЭП для уни-кальных технологических установок. Решению именно этой проблемы выбора должно быть подчинено проектирование на начальном этапе.
Этот подход (структурная схема на рис. 1) основывается на общепринятой в теории проектирования электропривода последовательности процедур и сводится, по сути, к выбору системы ЭП, определению типа и передаточного числа механической передачи (если она необходима) и конечно типа, номинальной мощности и номинальной скорости приводного электродвигателя.  Он если и не позволяет сразу однозначно определить поставщиков комплектующих, то, во всяком случае, определяет условия и границы поиска и значительно упрощает дальнейший выбор.

 рисунок 1
 
Рис. 1. Начальный этап проектирования ЭП

Необходимо на этом этапе рассматривать как минимум один альтернативный вариант, а еще лучше несколько вариантов, так как при этом увеличивается вероятность достижения оптимального решения. Типичные альтернативы:
– безредукторный ЭП, или с редуктором;
– линейный электродвигатель, или обычный, но с механической передачей типа винт-гайка и т.п.;
– варианты с различными типами электродвигателей (асинхронный, шаговый, вентильный синхронный, вентильный постоянного тока, вен-тильно-индукторный и т.д.).
Разумеется, при проектировании электропривода должны в первую очередь оцениваться возможности применения инновационных решений. В основном это программно-аппаратные комплексы силовых преобразователей электрической энергии и устройств управления, которые постоянно совершенствуются за счет значительного прогресса в области силовой и информационной электроники и развития цифровых технологий управления. Инновационные или передовые решения появляются и в других элементах электропривода. Например, разработанный в ЗАО «Combarco» уникальный адаптивный дисковый планетарный вариатор [1] или перспективные вентильно-индукторные электродвигатели.
Окончательный выбор фирм-поставщиков комплектующих (рис. 1) осуществляется по лучшему или приемлемому соотношению цена/качество, т.е. с учетом не только технических параметров и функциональности, как элементов, так и в целом ЭП, но и суммарных затрат, а также уровня и стоимости сервисных услуг, оказываемых поставщиками.
В силу необходимости учета многих факторов и ограничений, многозадачности и многовариантности проектирование электропривода – это вообще говоря, сложная и трудоемкая задача, требующая как достаточно глубоких знаний и широкой эрудиции от разработчика, так и привлечения компьютерных технологий (САПР, баз данных (БД), моделирующих программ и в определенных случаях SDK – комплектов средств разработки ПО).  Использование помимо общепринятого пакета Matlab объектно-ориентированных САПР с обширными БД позволит значительно упростить и повысить эффективность проектирования электропривода. Подобные САПР уже внедрены в учебный процесс на ведущих кафедрах, готовящих специалистов электромехаников.  В свободном интернет-доступе имеются два русскоязычных программных продукта – «САПР ЭП» [2] и «eDrive» [3], которые, несмотря на их бесплатный статус и нацеленность, прежде всего на решение учебных задач, позволяют в значительной степени автоматизировать процесс проектирования ЭП. «Узким местом» с точки зрения автоматизации является процедура «Выбор фирм-поставщиков комплектующих ЭП» (рис. 1). Хорошим решением здесь может быть создание достаточно полной, постоянно обновляемой и специализированной БД по всем комплектующим ЭП с хорошо развитой системой формирования запросов. В идеале эта БД должна быть доступна через on-line сервис бесплатно или за разумную плату, подобно тому, как это реализовано в крупнейших компьютерных супермаркетах, к примеру, в НИКСе (http://www.nix.ru/).
 Очевидно, что весь процесс проектирования ЭП не может быть завершен выбором фирм-поставщиков комплектующих электропривода. Как минимум еще необходима конструктивно-технологическая проработка проекта для обеспечения эргономичности оборудования. К сожалению, конструктивно-технологическим вопросам разработчики ЭП зачастую не уделяют должного внимания. Чтобы подчеркнуть исключительно важную роль повышения конструкторского и технологического уровня оборудования на  рис. 2 конструктивно-технологическая проработка проекта выделена в виде отдельного этапа проектирования электропривода.

рисунок 2
 
Рис. 2. Обобщенный алгоритм проектирования ЭП

В дальнейшем в соответствии с обобщенным алгоритмом (рис. 2) процесс проектирования может либо практически завершиться, либо перейти к этапу «Разработка алгоритма регулирования» в зависимости от ответов на два логически взаимосвязанных вопроса – «ЭП регулируемый?» и «Требуется новый алгоритм регулирования?». Слово «новый» во втором вопросе означает алгоритм регулирования, которого нет в программной части микропроцессорного устройства управления поставщика оборудования. Все ведущие электротехнические корпорации выпускают для ЭП серии компьютерных средств автома-тизации, в виде гибко программируемых систем. Такие системы комплектуются не только сервисным ПО,  наборами библиотек, программ и решений от производителей микроконтроллеров, но и SDK, то есть набором разработчика программного обеспечения, упрощающим программную реализацию разработанных алгоритмов микропроцессорного регулирования.
В последнее время разрабатываются алгоритмы, позволяющие реализовать практически любые сложные законы регулирования, ранее считавшиеся нерациональными, обеспечить новые потребительские свойства, такие как адаптацию под новые или изменяющиеся  условия применения, самонастройку и оптимизацию регуляторов, контроль, диагностику. Прослеживается тенденция к внедрению все более сложных алгоритмов регулирования и управления: бездатчикового управления с наблюдателями состояния; управления с глубокой обратной связью; адаптивного управления с использованием эталонной модели; применения нечетких (fazzy-) регуляторов, нейронных сетей и генетических алгоритмов. Поэтому случаи, когда в процессе проектирования ЭП приходится выполнять этап разработки алгоритма регулирования (рис. 2) встречаются все чаще.
Что касается отладки, настройки и адаптации системы управления (рис. 2), то этот процесс обязателен для любого регулируемого ЭП, причем осуществляется он, как правило, либо автоматически, либо в диалоговом режиме с помощью сервисного ПО. Поэтому этапом проектирования его можно назвать с большой натяжкой, хотя в случае разработки алгоритма регулирования и здесь будут присутствовать элементы творчества.     
Подводя итог можно сказать, что современный инженерный подход к проектированию автоматизированных ЭП заключается, прежде всего, в интенсивном использовании различного рода ПО на протяжении всего процесса проектирования. В зависимости от назначения и состава применяемого ПО можно выделить три этапа проектирования.
1. Начальный этап, завершающийся выбором фирм-поставщиков комплектующих ЭП. Здесь применяется разнообразное ПО – моделирующие программы, САПР, БД. Они должны быть специализированными для ЭП, либо содержать элементы ЭП (например, в составе программы моделирования Simulink из математического пакета Matlab).
2. Этап конструкторско-технологической проработки проекта. Применяется конструкторско-технологическое ПО как универсальное (наиболее известны AutoCAD, КОМПАС), так и отраслевой направленности.
3. Завершающий этап проектирования с вводом ЭП в эксплуатацию. Характеризуется, прежде всего, ориентацией на использование фирменного ПО, поставляемого вместе с комплектующими ЭП. Это сервисное ПО, наборы ПО от производителей микроконтроллеров, SDK. Так же возможно, а иногда (например, в случае разработки сложного алгоритма регулирования)  и необходимо, использование САПР и моделирующих программ из первого этапа проектирования.

Литература
1. Вариаторы и мотор-вариаторы серии UDL. – Режим доступа: http://www.combarco.ru/production/variators/
2. Система автоматизированного проектирования электроприводов. – Режим доступа: http://andr-romanov.narod.ru/apep.html
3. Скачивание архивов программы eDrive и литературы. – Режим доступа: http://edrive.narod.ru/
 

Категория: Высшее образование сегодня и завтра | Просмотров: 4438 | Добавил: scale  
Ключевые слова: проектирование, Статьи, автоматизация, электропривод | Рейтинг: 5.0/1
Статья размещена 24.12.2015 в 12:39
Оценить статью:
Всего комментариев: 0
avatar
Проверка тиц Яндекс.Метрика

Разработка и сопровождение сайта: scale
Хостинг от uCozЯндекс.Метрика
Сейчас на сайте: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0