Микроконтроллерное управление асинхронным электроприводом запорной арматуры тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Каракулов, Александр Сергеевич

• Каракулов, Александр Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Каракулов, Александр Сергеевич

Введение

ГЛАВА 1. Анализ требований к электроприводу запорной арматуры

1.1. Особенности конструкции и эксплуатации запорной арматуры

1.2. Исходные положения для формирования требований к электроприводу задвижки

1.3. Формирование требований к электроприводу задвижки

1.4. Управление технологическим процессом перекрытия сечения задвижки

1.5. Измерение координат в электроприводе задвижки

1.6. Защиты электропривода арматуры

1.7. Коммуникационные функции

1.8. Анализ существующих конструкций электроприводов задвижек 34 % 1.9. Влияние редуктора с промежуточными телами качения на характеристики электропривода

1.10. Технические предпосылки разработки и совершенствования микропроцессорных систем управления электроприводами задвижек

Выводы

ГЛАВА 2. Концепция разработки программного обеспечения и алгоритмов управления для электроприводов арматуры

2.1. Основные тенденции в области технологий создания программно* го обеспечения для встроенных систем управления

2.2. Основные проблемы разработки программного обеспечения для электроприводов

2.3. Алгоритм формирования события

2.4. Базовый компонент алгоритма управления

2.5. Методика синтеза алгоритма управления с применением компонентов

2.6. Классификация процедур программного обеспечения электропри

2.7. Обеспечение выполнения процедур в реальном времени

2.8.Разработка шаблона программного обеспечения для системы управления электроприводом

Выводы

ГЛАВА 3. Математическое моделирование работы электропривода задвижки

3.1. Разработка модели асинхронного двигателя

3.2. Модель тиристорного регулятора напряжения

3.3 Исследование работы системы ТРН-АД

3.4. Разработка способа идентификации момента электропривода

3.5. Модель электропривода с преобразователем частоты

Выводы

ГЛАВА 4. Синтез алгоритма управления для электропривода с тиристорным регулятором

4.1. Формирование требований к алгоритму управления электроприводом с тиристорным регулятором

4.2. Компонент исходного состояния системы (ОСТАНОВ)

4.3. Компонент проверки короткого замыкания (ТЕСТ)

4.4. Компонент запуска электропривода (СТАРТ)

4.5. Компонент формирования ударного момента (УДАР)

4.6. Компонент обеспечения максимальной скорости (ДВИЖЕНИЕ)

4.7. Компонент обеспечения работы на упор (УПОР)

4.8. Особенности работы спроектированной системы

4.9. Синтез алгоритма управления для электропривода с преобразователем частоты

Основные результаты работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Микроконтроллерное управление асинхронным электроприводом запорной арматуры»

Актуальность темы. На современном уровне развития микропроцессорных средств и силовой электроники среди критериев оценки эффективности электропривода на передний план выходят степень адаптации устройства к обслуживаемому процессу, себестоимость, надежность и время разработки.

Электропривод запорной арматуры применяется в технологическом процессе перекачки нефтепродуктов. Нарушение нормального хода процесса может привести к тяжелым экономическим и экологическим последствиям. В связи с этим при разработке системы управления данного электропривода необходимо решать задачи как повышения надежности самого устройства (в том числе и его программного обеспечения), так и его способности обеспечивать функционирование в различных эксплуатационных ситуациях.

Современный электропривод арматуры представляет собой сложный мехатронный модуль, объединяющий в себе систему управления, асинхронный двигатель и редуктор. Снижение себестоимости, повышение надежности и компактности электронного блока управления связано с применением однопроцессорных систем, что в свою очередь вносит существенное ограничение на вычислительные возможности системы управления. Тем не менее, система управления должна обеспечивать все необходимые процессы, протекающие в современном электроприводе: формирование задания на скорость и момент в зависимости от внешних сигналов и условий, электромеханическое преобразование энергии в двигателе с максимальной степенью эффективности, формирование защит двигателя, преобразователя и механизма, поддержка коммуникаций с другими микропроцессорными системами.

Анализ состояния вопроса показал, что можно получить новые эксплуатационные характеристики электропривода арматуры за счет применения встроенной микропроцессорной системы управления. Вышеизложенное обуславливает актуальность задач, решаемых в диссертации, определяет цели и задачи исследования.

Работа проводилась в рамках планов НИОКР «АК ОАО Транснефть» на 2002-2004 гг.

Целью работы является повышение эффективности электропривода запорной арматуры магистрального нефтепродуктопровода за счет разработки и применения микроконтроллерного управления.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Проанализировать основные требования, предъявляемые к электроприводам запорной арматуры.

2. Разработать методику создания программного обеспечения для однопроцессорных блоков электронного управления, позволяющего обеспечивать выполнение всех задач электропривода в режиме реального времени и с учетом рабочих областей применяемых алгоритмов управления.

3. Разработать математические модели электропривода запорной арматуры со встроенными преобразователем частоты и тиристорным регулятором и провести исследование электропривода на разработанных моделях.

4. Разработать и экспериментально проверить методики синтеза алгоритма управления, обеспечивающего максимальную производительность, максимальный цикловой КПД и требуемые ограничения по моменту и токовым перегрузкам для электропривода запорной арматуры с тиристорным регулятором напряжения и преобразователем частоты.

Методы исследований. В диссертационной работе использовались теоретические и экспериментальные методы. Теоретическое исследование основано на методах математического моделирования. Использован математический аппарат дифференциального и интегрального исчисления, а также численные методы при решении систем дифференциальных уравнений. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях и на действующих нефтепроводах в полевых условиях.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Выявлено изменение коэффициента передачи по моменту волнового редуктора с промежуточными телами качения, входящего в состав электропривода задвижки, в зависимости от режима работы и передаваемого момента.

2. Предложен способ формирования алгоритма управления, позволяющий учесть ограничения на рабочие области фазового пространства имеющихся программных процедур управления системы и процедур восстановления её координат.

3. Предложен способ обеспечения расчета основных задач электропривода в режиме реального времени и универсальный шаблон мультизадачного приложения.

4. Разработаны алгоритмы достижения максимальной производительности для электропривода запорной арматуры с учетом ограничений, вносимых рабочими областями применяемых алгоритмов восстановления координат и управления.

Практическая ценность работы:

1. Обеспечено снижение затрат на ремонт и эксплуатацию запорной арматуры за счет увеличения точности ограничения момента на выходном валу электропривода.

2. Повышена безопасность технологического процесса перекачки нефтепродуктов за счет создания нового алгоритма работы защит электропривода и обеспечения максимально возможной скорости движения.

3. Предложена методика создания программного обеспечения, которая позволила снизить время разработки и повысить надежность программного обеспечения. Разработанное на базе данной методики программное обеспечение позволяет выполнять вычисления в режиме реального времени.

4. Разработано прикладное программное обеспечение, позволяющее исследовать процессы в электроприводе арматуры методом имитационного моделирования.

Реализация результатов работы. На предприятии ЗЛО «Элеси» (г.Томск) освоено серийное производство электронных блоков «БУР», «ПБЭ-2,5» и «ESD-VC» для управления электроприводами запорной арматуры «ЭПЦ» и «Ангстрем» (производства ЗАО «ТомЗЭЛ» г.Томск) и электропривода «Томприн» (производства «Сибирский машиностроитель», г.Томск). Данные блоки эксплуатируются в АК «Транснефть» и АК «Транснефтепродукт», а также экспортируются в другие страны в составе электропривода «Элесиб» (производства ЗАО «Элеси»). Методика разработки мультизадачного программного обеспечения является базовой при разработке новых устройств управления двигателями в ЗАО «Элеси», и используется в учебном процессе кафедры ЭПЭО ТПУ при изучении курса «Микропроцессорные системы управления».

На защиту выносятся:

1. Методика разработки алгоритма управления с учетом ограничений, накладываемых рабочими областями применяемых программных процедур управления и восстановления координат.

2. Структура организации программного обеспечения для электроприводов с микропроцессорной системой управления, реализующая необходимые функции управления в режиме реального времени.

3. Алгоритмы достижения максимальной производительности с учетом имеющихся ограничений для электропривода арматуры с тиристор-ным регулятором напряжения и преобразователем частоты.

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

- на международных научно-технических конференциях «Электромеханические преобразователи энергии», г.Томск 2002-2005 гг.

- на всероссийской научно-практической конференции «Системы автоматизации в образовании, науке, производстве», г.Новокузнецк 2003 г.

- на научно-практических конференциях «Современные средства и системы автоматизации», г.Томск 2002-2005 гг.

- на международной научно-практической конференции «Электропривод переменного тока», г.Екатеринбург 2005 г.

- на международной научно-технической конференции «Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы», г. Томск 2003 г.

- на научно-технической конференции «Электротехника, электромеханика и электротехнологии», г. Новосибирск 2005 г.

- на 5-том конгрессе нефтегазопромышленников России, г.Казань 2004 г.

Публикации. Результаты выполненных исследований отражены в 20 научных работах, в том числе 16 статьях и тезисах докладов, 3-х отчетах по НИОКР и 1 патенте РФ.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Каракулов, Александр Сергеевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В работе получены следующие основные результаты:

1. Экспериментально исследована работа редуктора с промежуточными телами качения. Установлена зависимость коэффициента передачи по моменту редуктора от его режима работы и передаваемого момента.

2. Разработано микроконтроллерное управление электроприводом задвижки, позволяющее формировать требуемый момент для системы с ти-ристорным регулятором напряжения или обеспечивать максимальную производительность для системы с преобразователем частоты при выполнении ограничений, в том числе на рабочие области применяемых программных процедур управления и восстановления координат.

3. Разработано специализированное программное обеспечение для блоков управления электроприводами, обеспечивающее выполнение задач в реальном времени. Программное обеспечение было применено для однопроцессорных блоков управления электроприводами, в которых используется специализированный DSP-контроллер [46, 47].

4. Разработаны программные продукты, позволяющие моделировать работу электропривода задвижки при различных эксплуатационных ситуациях.

5. Разработана методика синтеза алгоритма управления, позволяющая использовать экспериментальные данные для определенного количества состояний системы с последующей комбинацией переходов по этим состояниям для достижения поставленной цели с учетом заданных ограничений.

6. Предложенные технические решения приняты промышленностью в серийное производство и в настоящее время эксплуатируются на неф-те- и продуктопроводах России, замещая собой импортные электроприводы. Электроприводы с микропроцессорными блоками управления (рис. 1.17,1.18) позволили значительно снизить издержки на эксплуатацию и повысить безопасность эксплуатации нефтепроводов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Каракулов, Александр Сергеевич, 2005 год

1. Алтунпн А.Е., Семухин М.В. Модели и алгоритмы принятия решений в нечетких условиях: Монография. Тюмень: Издательство Тюменского государственного университета, 2000. 352 с.

2. Антропов А.А., Гарганеев А.Г., Каракулов А.С., Ланграф С.В., Нечаев М.А. Опыт разработки преобразователя частоты для асинхронного электропривода общепромышленного применения//Электротехника. № 9. 2005. С.23-26

3. Антропов А. А., Гарганеев А. Г., Каракулов А. С., Ланграф С. В., Нечаев М. А. Серия преобразователей частоты компании ЭЛЕСИ для общепромышленного применения//Сборник трудов конференции ЭППТ-2005, УГТУ-УПИ, 2005. С. 85-89

4. Белов М.П. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов: Учебник для вузов М.: Академия, 2004. - 576 с.

5. Гарганеев А.Г., Каракулов А.С., Ланграф С.В., Поскребышев А.К. Обеспечение энергетической эффективности электроприводов циклического действия// Известия ТПУ №6, 2005 г.

6. Гончаров Ю., Технология разработки eXpressDSP. Часть III. Ядро реального времени DSP/BIOS // CHIP NEWS. 2001. № 6. С.23-26.

7. Гошко А.И. Арматура трубопроводная целевого назначения. Выбор. Эксплуатация. Ремонт. М.: Машиностроение, 2003 - 432 с.

8. Гошко А.И. Трубопроводная арматура. Классификация. Исполнения. Термины и определения. Технический справочник из серии «Эксплуатация и ремонт арматуры, трубопроводов, оборудования. М.: Инструмент, 2003. -126 с.

9. Гумеров А.Г., Гумеров Р.С., Акбердин A.M. Эксплуатация оборудования нефтеперекачивающих станций. М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2001. - 475 с.

10. Дмитриенко Ю.А., Шрейнер Р.Т. Оптимальное частотное управление асинхронными электроприводами Кишинев:Изд-во Штиинца, 1982. - 223 с.

11. Дроздов П.А. Разработка новых алгоритмов управления вентильно-индукторных электроприводов: Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд.техн.наук: 05.09.03 Москва, 2002. - 20 с.

12. Козаченко В.Ф. Микроконтроллеры: Руководство по применению 16-разрядных микроконтроллеров Intel MCS-196/296 во встроенных системах управления. М.:Эком. 1997. 688 с.

13. Козаченко В.Ф., Грибачев С.А. Новые микроконтроллеры фирмы Texas Instrumenst TMS32x24x для высокопроизводительных встроенных систем управления электроприводами// CHIP NEWS. 1998. № 11-12. С. 2-6.

14. Клевцов А.В. Средства оптимизации потребления электроэнергии. — М.: СОЛОН-Пресс, 2004. 240 с.

15. Кпючев В.Н. Теория электропривода: Учеб. для вузов. 2-е изд.перераб.и доп. - М.: Энергоатомиздат, 2001. - 704 с.

16. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. — М.: Высшая школа, 2001. 274 с.

17. Ланграф С.В. Определение момента асинхронного двигателя в статическом режиме// Материалы пятой научно-практической конференции (Томск, 21-22 октября 2004 г.). Изд-во Томского университета систем управления и радиоэлектроники, 2004. С. 53, 54.

18. Липаев В.В. Обеспечение качества программных средств. Методы и стандарты.Серия «Информационные технологии». М.:Синтег, 2001 380 с.

19. Олссон Г., Дж.Пиани. Цифровые системы автоматизации и управления. СПб.: Невский Диалект, 2001. - 557 с.

20. Патент № 36478. Россия. Электропривод. // Брезгин А.Е., Каракулов А.С., Черемисин В.Н., Антропов А.А. Пр. от 22.10.2003.

21. Паулк Марк, Куртисс Билл. Модель зрелости процессов разработки программного обеспечения. М.: Богородский печатник, 2002. - 256 с.

22. Рыбалев А.Н. Энергосберегающий частотно-управляемый асинхронный электропривод механизмов циклического действия : Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук:05.09.03. -Благовещенск, 1999.-26 е.

23. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005610006. Россия. Программа для регулятора напряжения// Черемисин В.Н., Каракулов А.С., Саидов B.C., Антропов А.А., Кириленко М.А. 11.01.04.2005.

24. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 20056111020. Россия. Программное обеспечение блока управления ESD-V// Черемисин В.Н., Каракулов А.С., Саидов B.C., Антропов А.А., Кириленко М.А. 27.04.2005.

25. Сейнов С.В. Трубопроводная арматура. Исследования. Производство. Ремонт. М.: Машиностроение, 2002. - 392 с.

26. Сейнов С.В., Сейнов Ю.С. Задвижки клиновые. Использование. Техническое обслуживание. Ремонт. Технический справочник из серии «Эксплуатация и ремонт арматуры, трубопроводов, оборудования. М.: Инструмент, 2003.- 144 с.

27. Современная прикладная теория управления : Оптимизационный подход в теории управления/Под ред.А.А.Колесникова. Таганрог:Изд-во ТРТУ, 2000. 4.1 -400 с.

28. Справочник по автоматизированному электроприводу /Под.ред.В.А.Елисеева и А.В.Шинянского. М.: Энергоатомиздат, 1983. -616 с.

29. Трубопроводный транспорт нефти./ Г.Г.Васильев, Г.Е.Коробков,А.А.Коршак и др.; под ред. С.М.Вайнштока. М.: ООО «Не-дра-Бизнесцентр», 2002. - 407 с.

30. Фершиши Н.Б. Повышение эффективности и экономичности асинхронных электроприводов, работающих в циклических режимах : Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд.техн.наук:05.09.03. -Минск, 1998.-16 е.

31. Фукалов Р.В. Разработка универсальной модульной бездатчиковой системы управления вентильно-индукторного электропривода: Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд.техн.наук: 05.09.03 Москва, 2005. 20 С.

32. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. Екатеринбург: УРО РАН, 2000. - 654 с.

33. Шубенко В. А., Браславский И .Я. Тиристорный асинхронный электропривод с фазовым управлением. М.:Энергия, 1972. - 200 с.

34. Энергосберегающий асинхронный электропривод: Учеб.пособие для студ.высш.учеб.заведений / И.Я.Браславский, З.Ш.Ишматов, В.Н.Поляков; под ред.И.Я.Браславского М.:Издательский центр «Академия»,2004. - 256с.

35. A.M. Trzynadlowski, R.L. Kirlin, S.F. Legowski. Space vector PWM technique with minimum switching losses and a variable pulse rate, IEEE Transactions on Industrioal Electronics, vol. 44, no. 2, 1997, pp. 173-181.

36. A. Munoz-Garcia, A. Lipo, D. W. Novotny. A new induction motor open-loop speed control capable of low frequency operation. IEEE Industry Applications Society Annual Meeting , New Orleans, Louisiana, October 5-9, 1997. pp. 13-18

37. С. Canudas de Wit, A. Youssef, J.P. Barboty, Ph. Martinz, and F. Malraitz. Observability Conditions of Induction Motors at Low Frequencies. Sydney, Australia, Dec., 2000 pp. 17-25

38. Giovanna Oriti, Alexander L. Julian, Thomas A. Lipo. A New Space Vector Modulation Strategy for Common Mode Voltage Reduction IEEE IAS Annual Meeting, 1995 pp. 2451-2458.

39. Joachim Holtz. Controlled AC drives with ride-through capability of power interruption./ IEEE Transactions on Industry Applications Vol.30, No.5 Sept/Oct.1994, pp.1275-1283.

40. Joachim Holtz. Methods for Speed Sensorless Control of AC Drives. Sensorless Control of AC Motors. IEEE Press Book, 1996.

41. O. Wasynczuk, S. D. Sudhoff, K. A. Corzine, Jerry L. Tichenor, P. C. Krause. A Maximum Torque per Ampere Control Strategy for Induction Motor Drives. IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 11, No. 2, March 1996, pp. 213-219.

42. Paoli, A., L. Marconi and C. Bonivento. A fault-tolerant strategy for induction motors. Proceedings of the 40th IEEE Conference on Decision and Control, 2001, pp. 179-184.

43. P. Poure, F. Aubepart, F. Braun. Ics for Real Time Motion control: A design methodology for rapid prototyping. Proceedings of PCIM 2001 Conference on Power Conversion and Intelligent Motion, Volume Intelligent Motion, June 2001 pp. 405-410.

44. Tazi K., Monmasson E., Louis J.P., Ics for Real Time Motion control: A design methodology for rapid prototyping Proceedings of the 9 th International

45. Conference on Power Electronics and Motion Control EPE-PEMC 2000, Kosice, Slovakia, 5-7 September 2000, pp.7-180-7-185.