Средства измерений Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 33 УДК.621.313 ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ И УПРАВЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА МНОГООБОРОТНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ Распопов В.Я., Алалуев Р.В, Иванов Ю.В., Малютин Д.М. Тульский государственный университет, г. Тула, Российская Федерация Рассмотрена информационно-измерительная и управляющая система нового поколения многооборотного электропривода трубопроводной арматуры высокого уровня интел- лектуализации. (E-mail: tgupu@yandex.ru) Ключевые слова: многооборотный электрод, трубопроводная арматура. Введение В настоящее время актуальной является задача создания нового поколения многообо- ротных интеллектуальных электроприводов (ЭП) запорной арматуры высокопроизводи- тельных транспортных магистралей. Такие ма- гистрали уже широко применяются в мировой экономике и имеют реальную перспективу на применение в будущем. Принадлежность к но- вому поколению ЭП трубопроводной арма- туры, эффективность его функционирования во многом определяются структурой построения информационно–измерительной и управляю- щей системы (ИИиУС) ЭП и уровнем ее интел- лектуализации. Практически все производители проводят работы по повышению уровня интел- лектуализации ИИиУС ЭП. Высокий уровень ин- теллектуализации ЭП достигнут фирмой AUMA (Германия), ЗАО «Тулаэлектропривод» (Рос- сийская Федерация) и другими производите- лями [1, 2]. В работе рассмотрена ИИиУС мно- гооборотного ЭП трубопроводной арматуры нового поколения разработки Тульского госу- дарственного университета и ОАО «Мичурин- ский завод «Прогресс» [3,4]. Информационно-измерительная и управля- ющая система многооборотного электропри- вода трубопроводной арматуры нового по- коления Структурная схема ИИиУС многооборот- ного ЭП трубопроводной арматуры нового по- коления представлена на рисунке. Блок питания и коммутации предназна- чен для обеспечения коммутации цепей ЭП и промышленных сетей с помощью клеммной колодки и разъема промышленного интерфейса CAN, а также выработки низковольтного напряжения питания +5 В, +24 В для работы блока местного управления. Блок измерения параметров электропи- тания располагается в блоке питания и комму- тации. Блок конструктивно состоит из двух подблоков: питания измерителя параметров питания и собственно измерителя параметров питания. Блок измерения параметров электро- питания предназначен для контроля параметров входного напряжения питания (380 В, 3 Ф, 50 Гц). Блок позволяет измерять действующее значение напряжения питания, частоту и пе- риод питающей сети, потребляемый ток, значе- ния активной, реактивной и полной мощности, значение коэффициента мощности, величину потребленной электроэнергии, а также опреде- лять аварийные режимы работы ЭП: обрыв фаз, скачок напряжения питающей сети, просадку напряжения питающей сети; по сигналам дат- чиков блока измерения параметров питания можно судить о текущем моменте на валу дви- гателя. Технические характеристики блока из- мерения параметров электропитания приве- дены в таблице 1, состав – в таблице 2. Схема измерения параметров питания имеет собственный параметрический источник питания, гальванически связанный с сетевым напряжением. Источник питания выполнен в виде отдельной платы. Напряжения питания +15 В и –15 В используются для питания уси- лителей сигнала токовых трансформаторов T1, TT2, TT3, а напряжение питания +5 В – для пи- тания измерителя ADE7758 и микроконтрол- лера Atmega32. Они конструктивно располага- Средства измерений 34 Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 Р и су н о к 1 – С тр у к ту р н ая с х ем а и н ф о р м ац и о н н о – и зм ер и те л ьн о й и у п р ав л яю щ ей с и ст ем ы м н о го о б о р о тн о го э л ек тр о п р и во д а тр у б о п р о во д н о й а р м ат у р ы н о во го п о к о л ен и я Средства измерений Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 35 ются на плате измерителя. Микросхема ADE7758 представляет собой интегральный счетчик электроэнергии. В ней реализован при- ем сигнал с датчиков тока и напряжения. В ка- честве датчиков тока используются трансфор- маторы тока CSNT651-001 cо схемой согласо- вания. Ее основным элементом является бал- ластный резистор, преобразующий токовый сигнал с выхода трансформатора тока в напря- жение. Напряжение, снимаемое с балластного резистора схемы согласования, подается на встроенный АЦП измерителя пара-метров пи- тания ADE7758. Измеренные значения тока и напряжения позволяют автоматически рассчи- тать все основные характеристики питания внутри ADE7758. Таблица 1 – Характеристики подблока измерения параметров электропитания № п/п Технические характеристики Значение 1 Частота питающей сети 50 Гц 2 Количество фаз питающего напряжения 3 3 Действующее напряжение питающей сети 380 В 4 Интерфейс передачи данных SPI 5 Максимальная длина кабеля передачи данных 0,5 м 6 Максимальная скорость передачи 50 кБит/с 7 Погрешности измерений не более 2 % 8 Максимальный измеряемый ток 50 A Таблица 2 – Состав подблока измерения параметров электропитания № п/п Наименование (тип) Обозначение, тип 1 Микроконтроллер Atmega32 2 Интегральный измеритель параметров питания ADE7758 3 Трансформатор тока CSNT651-001 4 Схема согласования – 5 Делитель напряжения – 6 Источник питания 7МРЭП-88-00/115-10.001. Связь измерителя параметров питания с микроконтроллером осуществляется посредст- вом помощью последовательного интерфейса SPI, с помощью которого возможно чтение и запись всех внутренних регистров ADE7758. Помимо этого, для подсчета количества по- требленной электроэнергии и калибровки ADE7758 в микроконтроллер вводятся сигналы AFCP, VARCP, представляющие собой частот- но-модулированные сигналы с частотой выдачи импульсов, пропорциональной актив-ной и ре- активной мощности соответственно. На микро- контроллер также выведен сигнал запроса пре- рывания IRQ. Микросхема поддерживает 19 различных нештатных ситуаций, в том числе просадки и пики напряжений по всем трем фа- зам, переход фазы через нуль, ошибки чередо- вания фаз, ошибки питающего напряжения 5 В. Эти прерывания обрабатываются встроенным микропроцессором и по интерфейсу SPI передаются на пульт местного управления электроприводом. Устройство местного подогрева предназ- начено для работы при температурах ниже – 45 ºС. Устройство предотвращает подачу пита- ющего напряжения на схемы до тех пор, пока температура не достигнет -40ºС. Для того, чтобы достичь температуры -40ºС, применяется нагревательный элемент. Технические характе- ристики устройства местного подогрева приве- дены в таблице 3, состав – в таблице 4. Ус- тройство работает в температурном диапазоне от –55 до +60 ºС и предназначено для предва- рительного прогрева электронного блока. Включение питания всего блока возможно только после предварительного прогрева. Для включения питания применяются трехфазные контакторы. Датчик температуры AD22100 Средства измерений 36 Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 вырабатывает аналоговый сигнал, пропорцио- нальный температуре окружающей среды. Датчик температуры конструктивно распола- гается в пульте местного управления. Этот сигнал подается на два триггера Шмидта. Триггер Шмидта 1 настроен на пороги сраба- тывания – 35 и – 30 ºС и предназначен для управления через контактор нагревательным элементом. Триггер Шмидта 2 настроен на по- роги –40 ºС, –38 ºС и предназначен для управ- ления подачей питания на блок управления приводом. Устройство местного подогрева включает в себя 2 нагревательных элемента: один располагается в пульте местного управ- ления, а другой – в блоке питания и коммута- ции. Таблица 3 – Технические характеристики устройства местного подогрева № Технические характеристики Значение 1 Температура выключения подогрева -35ºС 2 Температура включения подогрева -30ºС 3 Минимальная температура включения блока управления -40ºС 4 Температура включения подогрева -30ºС Таблица 4 – Состав устройства местного подогрева № Наименование (тип) Обозначение, тип 1 Контактор - 2 Нагревательный элемент - 3 Источник питания +5,+15,-15В 4 Триггер Шмидта 1 - 5 Триггер Шмидта 2 - 6 Датчик температуры AD22100 7 Мощность нагревательного элемента 1кВт Пульт местного управления предназна- чен для управления работой ЭП запорной арма- туры. Он обеспечивает прием команд и выдачу служебной информации по промышленной сети CAN. В него встроены кнопки управления, све- тодиодные и сегментные индикаторы, обеспе- чивающие формирование команд управления ЭП запорной арматуры, сигнализацию состоя- ния ЭП, сигнализацию кода ошибок, дистанци- онное управление ЭП промышленной сети. Пульт местного управления обеспечивает связь между всеми элементами блока управления ЭП. Для этого в состав пульта местного управления введены 6 интерфейсов. Интерфейс CAN пред- назначен для связи с промышленной сетью (для физической организации связи применяется микросхема MAX3053ESA). Интерфейс RS-485 используется для обеспечения связи с блоком управления электродвигателем (для физи- ческой организации связи применяется микро- схема интерфейса RS485-ADM-485). Интерфейс UART0 представляет собой оп- тически развязанный интерфейс типа UART (оптическая развязка осуществляется с помо- щью оптопар 4N35 или аналогов). Интерфейс SPI0 представляет собой оптически развязанный интерфейс типа SPI. Оптическая развязка осу- ществляется с помощью оптопар 4N35 или анало- гов. Интерфейс предназначен для связи с блоком измерения параметров питания. Интерфейс SPI1 служит для связи с блоком измерения положе- ния арматуры или с датчиком положения арма- туры. Интерфейс SPI2 используется для под- ключения к нему блоков, входящих в состав пульта местного управления. Через этот интер- фейс подключены АЦП типа AD7730, обеспе- чивающие оцифровку сигналов тензоре- зистивных датчиков момента, а также внутренние часы, выполненные на базе DS3234SN. Они обеспечивают возможность работы таймера, а также ведение журнала работы. Часы имеют собственный незави- Средства измерений Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 37 симый источник питания типа CR2032 для обеспечения их функционирования при от- сутствии питания. Пульт местного управления может полу- чать команды непосредственно из промышлен- ной сети или при помощи 4 кнопок управления: «Открыть», «Закрыть», «Стоп», «Дисплей». Кнопка «Дисплей» позволяет выбрать режим индикации различных параметров ЭП при ко- ротком нажатии и перейти в раздел настроек или сервисных данных при длинном нажатии. Кнопка «Закрыть» служит для закрывания ар- матуры в соответствии с текущими настрой- ками ЭП, а в режимах настройки параметров и индикации сервисных данных – для изменения настройки или выключения функции. Кнопка «Открыть» используется для открытия арматуры в соответствии с текущими настрой- ками ЭП, а в режимах настройки параметров и индикации сервисных данных – для изменения настройки или включения функций. Кнопка «Стоп» позволяет произвести остановку дви- жения арматуры, а в режимах настройки пара- метров и индикации сервисных данных изменить настройку или включить/выключить функцию. Светодиодные индикаторы «Откры- то», «Закрыто», «Промежуточное положение» отображают текущее состояние привода. После включения питания ЭП инициали- зируется и переходит в режим индикации ос- новных параметров. Переключение между ин- дицируемыми параметрами осуществляется с помощью кнопки «Дисплей». Индицируются следующие параметры: текущий механический момент, открытие в %, текущее время, текущая дата, индикационный код VIN привода, макси- мальный момент на открытие, максимальный момент на закрытие, текущий код датчика по- ложения арматуры, цифровой код, соответ- ствующий положению «открыто» арматуры; цифровой код, соответствующий положению «закрыто» арматуры, время до закрытия арма- туры, время до открытия арматуры, код ошибки, режим выключения по моменту и по положению, наличие ошибок в канале передачи данных по промышленной сети. Меню пара- метров сервиса также включает индикацию потребленной энергии, напряжения питания, потребляемого тока, числа циклов открытия- закрытия, числа доступных приводов в про- мышленной сети, числа циклов до техни- ческого обслуживания: ввод специального кода для технического обслуживания. Датчик положения арматуры предназна- чен для определения текущего положения и ско- рости движения запорного органа. Технические характеристики датчика положения арматуры приведены в таблице 5, состав – в таблице 6. Таблица 5 – Технические характеристики датчика положения арматуры № п/п Технические характеристики Значение 1 Напряжение питания 5 В 2 Интерфейс передачи данных SPI 3 Максимальная длина кабеля передачи данных 0,5 м 4 Максимальная скорость передачи данных 50 кБит/с 5 Число дисков 5 6 Разрядность каждого диска 5 7 Тип кодирования Код Грея 8 Максимальное число измеряемых оборотов 1300 9 Частота ПЛИС 400 МГц 10 Тип датчиков положения Оптический ИК датчик 11 Диапазон измеряемой скорости вращения До 6000 об/мин 12 Тип датчика скорости Оптический ИК датчик 13 Тип кодирования Квадратурный сигнал со сдвигом фаз 90 º Средства измерений 38 Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 Таблица 6 – Состав датчика положения арматуры № п/п Наименование (тип) Обозначение, тип 1 Программируемая логическая интегральная схема EPM240T100I 2 Генератор 12.888 Мгц – 3 Источник питания для оптических прерывателей ADP3335AR-3 4 5 разрядные датчики положения дисков KTIR0A11S Датчик положения арматуры подключа- ется к пульту местного управления ЭП с помо- щью интерфейса SPI. Генератор вырабатывает прецизионный уровень частоты для обеспече- ния работы счетчиков ПЛИС. ПЛИС обеспе- чивает прием и обработку 4 разрядного квад- ратурного сигнала от блока измерения скорости вращения электродвигателя, а также 25-разряд- ного кода Грея, получаемого от датчиков по- ложения дисков. Блок измерения скорости вращения электродвигателя состоит из 4 оп- тических прерывателей, располагаемых на оси вала двигателя под углом 90 º в соответствии. На валу двигателя находится полудисковый модулятор, который при вращении пересекает все прерыватели. Каждый из прерывателей генерирует прямоугольные импульсы. В результате на выходе схемы получается 4-x разрядный квадратурно-модулированный сиг- нал. В ПЛИС измеряется период сигнала и направление вращения. Для измерения поло- жения арматуры применяется редуктор, состоящий из 4 цилиндрических зубчатых пе- редач. Общее передаточное число редуктора 4096. С учетом того, что на выходном валу ЭП применена ускоряющая передача 1:3, общее число оборотов выходного вала, которое может подсчитать датчик, – 1365. На каждой из пяти осей редуктора располагается дисковый моду- лятор с нанесенным на него 5 разрядным кодом Грея. Считывание значений кода Грэя осу- ществляется оптическими прерывателями KTIR0A11S, работающими на отражение. Учитывая, поскольку первый диск вращается с утроенной скоростью точность определения положения выходного вала ЭП составит 3,75 º. Считанные со всех пяти дисков значения положения диска передаются в ПЛИС, где происходит их предварительная обработка, заключающаяся в пересчете показаний всех датчиков из кода Грэя в двоичный код. Датчик момента предназначен для выра- ботки сигнала, пропорционального текущему моменту на выходном валу ЭП. ЭП запорной арматуры снабжен двумя тензорезистивными датчиками силы типа С9В: один измеряет механический момент при открывании арматуры, второй – механический момент при закрывании арматуры. Технические характери- стики датчика момента приведены в таблице 7. Датчик момента представляет собой металли- ческую пластину, деформация которой осу- ществляется при помощи толкателя. Измерение деформации осуществляется тензометрическим полным мостом. Датчик питается прецизион- ным уровнем напряжения 5 В, вырабатывае- мым в пульте местного управления. Выходной сигнал датчика момента поступает на пульт местного управления. Таблица 7 – Технические характеристики датчика момента № п/п Технические харак- теристики Значение 1 Схема подключения 4-проводная 2 Тип схемы Полный мост 3 Класс точности 0,5 4 Температурный диапазон уточняется 5 Сопротивление моста 300–400 Ом 6 Диапазон измерения 0,5–20 кН 7 Размер плеча 120 мм 8 Диапазон измерения момента 60–2400 Нм Блок управления двигателем ДБМ пред- назначен для управления бесконтактным моментным двигателем. Он реализует следу- ющие основные функции: контролируемый старт/стоп двигателя; изменение направления вращения вала двигателя с безопасным остано- вом при резкой смене направления вращения; Средства измерений Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 39 изменение скорости по команде от системы управления электроприводом; стабилизация ско- рости при изменении напряжения питания; за- щита электродвигателя от токовых перегрузок и короткого замыкания; защита от бросков импуль- сного тока; регулировка порога срабатывания токовой защиты; защита от перегрева; защита от одновременного включения транзисторов верх- него и нижнего плеча инвертора; защита от ра- боты при неверной комбинации сигналов датчи- ков положения ротора; внешняя сигнализация о возникновении аварии; питание непосредственно от силовой цепи; измерение момента на выходном валу привода и выдачу сигнала на от- ключение электродвигателя при превышении заданной величины; изменение заданного значе- ния момента по сигналу от системы управления электроприводом; программирование заданной скорости вращения выходного вала электропри- вода от системы управления электроприводом; перевод выходного вала электропривода в задан- ное положение по сигналу от системы управле- ния электроприводом; выдача в систему управле- ния электроприводом информации об ошибках функционирования; выдача в систему управления электроприводом телеметрической информации (скорость вращения, текущее положение выход- ного вала, потребляемая мощность, температура обмоток электродвигателя). В состав блок управ- ления входят: датчик положения ротора, стабили- затор напряжения, блока питания, датчик тока, трехфазный мост, оптическая развязка, датчик положения, микроконтроллер. Микроконтроллер вырабатывает управляю- щие ШИМ сигналы, которые через оптическую развязку поступают на трехфазный мост, пред- ставляющий собой трехфазный инвертор. На микроконтроллер поступают сигналы от датчи- ков тока, датчика температуры и датчика поло- жения. Связь модуля управления 5ДБМ140-4-3,7- 3 с пультом местного управления осуществля- ется по интерфейсу связи RS485 с помощью пре- образователя интерфейса ADM485. Заключение Модификации разработанной ИИиУС обеспечивают управление ЭП с различными типами электродвигателей (двигатель бескон- тактный моментный (М1), двигатель асинхрон- ный мощностью до 5,5 кВт с регулированием частоты вращения (М2) и без регулирования частоты вращения (М3), двигатель асинхрон- ный мощностью до 100 Вт (М4)). Блок управле- ния может принимать и выполнять команды управления, получаемые им по средствам про- мышленной сети CAN, а также команды от встроенного пульта местного управления, зада- ваемые при помощи кнопок. Блок управления может осуществлять самотестирование и те- стирование различных частей электропривода (элек- тродвигатель, редуктор) и в случае ошибок или ава- рии вырабатывать сигналы для центральной управляющей ЭВМ. В блоке местного управле- ния реализуются основные интеллектуальные функции электропривода: 1. Работа привода в сети с использованием протокола обмена информацией CANopen дает возможность более эффективно обнаруживать ранний отказ компонентов и тем самым снизить время простоя. 2. Самодиагностика – позволяет выйти на уровень безопасности, соответствующий тре- бованиям IEC 61508. 3. Хранение диагностических данных дает возможность проводить анализ долговремен- ной работы привода. 4. Визуализация параметров работы при- вода на световых индикаторах позволяет кон- тролировать основные состояния работы при- вода и положения арматуры. 5. Дистанционное управление приводом по проводным каналам связи – служит для реали- зации удобного интерфейс управления при ис- пользовании привода в труднодоступных ме- стах и обеспечения высокой надежности канала связи. 6. Контроль положения арматуры в состо- яниях «открыто» и «закрыто. 7. Контроль положения арматуры в про- межуточных состояниях – позволяет устанав- ливать промежуточные положения арматуры, обеспечивая регулирование потока в трубопро- воде. 8. Кроме управления направлением движе- ния привода в системе возможны установка времени задержки между реверсами, запрет вращения в крайних положениях в направлении дальнейшего закрытия или открытия. 9. В блоке управления электропривода ре- ализованы методы остановки по положению и метод остановки по моменту. 10. Автоматическая калибровка привода – позволяет автоматически настроить привод в зависимости от типа арматуры. Средства измерений 40 Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 11. Устройство местного подогрева дает возможность избежать выпадения влаги на элементах электронных схем и механических элементах конструкции, а также обеспечивает работу привода при температурах менее – 40 ºС. 12. Установка выходной скорости вала привода – реализуется программно в пульте местного управления, что существенно сокра- щает типоразмерный ряд электроприводов. 13. Изменение выходной скорости вала привода в процессе работы позволяет при необходимости обеспечить программный ре- жим движения запорной арматуры и обеспечи- вает защиту от гидроудара и кавитации. При поступлении сигнала «авария» эта функция позволяет выполнить перемещение рабочего органа в заранее заданное положение с заранее заданной скоростью. 14. Обеспечение стабильной работы при- вода при отклонении напряжения питания и частоты – обеспечивает защиту привода и увеличивает срок службы двигателя. 15. Постоянный мониторинг крутящего момента – позволяет отказаться от использова- ния моментных выключателей, при этом реги- страция диаграмм крутящего момента и срав- нение их с опорной диаграммой раскрывают дополнительные возможности по диагностике привода и арматуры. Работа выполнена при финансовой под- держке Министерства образования и науки РФ. Список использованных источников 1. Средства управления приводами AUMA MATIC AM01.1-AM02.1, AME×B0.1, AME×C0.1. Описание продукции, 19с. 2. Мозжечков, В.А. Третье поколение тульских электроприводов для атомных станций. – се- рия ЭП4 / В.А. Мозжечков / Арматуро- строение, №2 (65) – Санкт-Петербург, 2010. – С.82-85. 3. Родионов, В.И. Электродвигатели для интел- лектуального электропривода трубопровод- ной арматуры / В.И. Родионов [и др.] // Инженерный журнал «Справочник» с При- ложением № 7 (172). – М. : Спектр, 2011. – С. 11–16. 4. Пашин, А.А. Базовая кинематическая схема многопоточного квазидифференциального многооборотного электропривода / А.А. Па- шин [и др.] // Инженерный журнал «Справочник» с Приложением № 7 (172. – М. : Спектр, 2011. – С. 37–-41. Raspopov V.J., Alaluev R.V., Ivanov J.V., Malyutin D.M. Information-measuring and operating system of the multiturnaround electric drive of pipeline armature It is considered the information-measuring and operating system of new generation for the multiturna- round electric drive of pipeline armature of high level of intellectualization. (E-mail: tgupu@yandex.ru) Key Words: multiturnaround electric drive, pipeline armature. Поступила в редакцию 14.10.2011.