Оценка надежности резервированных систем

Надёжность автоматизированной системы является ком­плексной характеристикой системы и состоит из нескольких по­казателей, основными из которых являются безотказность и ре­монтопригодность. Безотказность численно характеризуется средней наработкой до отказа обозначающейся буквой Т, или интенсивностью отказов X, а также вероятностью без­отказной работы P(r) в течение заданного времени t. Ремонтопригодность характеризуется средним временем восстановления после отказа Тв или вероятностью восстановления в течение заданного време­ни. Для расчёта показателей надёжности сложных систем, со­стоящих из большого количества элементов, используют метод декомпозиции (расчёт надёжности по частям).

Резервированный элемент (контроллер, датчик и др.) при расчёте надёжности можно рассматривать как один элемент системы, если для него найдены показатели надёжности.

Графики, приведённые на рис. 21, иллюстрируют вероят­ность безотказной работы системы, в которой после отказа од­ного из элементов не выполняется его замена или ремонт. Если же замена элемента производится сразу, то понятие вероятно­сти безотказной работы теряет значение. Актуальной становит­ся длительность перехода на резерв, а также продолжитель­ность выполнения «горячей» замены или восстановления после отказа. Поэтому для обслуживаемых систем автоматизации це­лью резервирования является обеспечение непрерывности процесса управления или увеличение коэффициента готовно­сти, но не увеличение вероятности безотказной работы. По этим же характеристикам система с г олосованием превосходит все остальные.

Рис. 21. Вероятность безотказной работы ПЛК с Го= 500 тыс. ч в течение времени наработки для случаев дублирования, голосования по схеме 2ооЗ и при отсутствии резервирования (графики а и б отличаются масштабом)

Поскольку автоматизированная система выполняет множе­ство самостоятельных задач (функций), то параметры надёжно­сти по ГОСТ 24.701-86 [27] оцениваются не для всей системы, а для каждой выполняемой функции отдельно.

3-13Технологии автоматизации инженерных зданий на основе технологии LonWorks (оборудование от wago и Thermokon)

Платформа LonWorks использует сетевой протокол LonTalk который является стандартом ANSI/EIA 709.1, основой для европейского стандарта автоматизации зданий EN 14908 и це­лого ряда других стандартов. Главный плюс технологии LON - гибкость открытой системы. Разработчики, системные ин­теграторы и пользователи имеют пол­ную свободу выбора оборудования LonWorks среди более чем 350 компа­ний-производителей, входящих в ассо­циацию LonMark International. Эта не­коммерческая ассоциация обеспечивает выработку технических, в том числе отраслевых, рекомендаций, а также сертификацию и информацион­ную поддержку. В настоящее время технология LON смогла завоевать прочное место на рынке автоматизации зданий.

Создание версий ПО, и разработка оригинального ПО является очень важной стороной работы Ther­mokon.

Весь спектр оборудования Ther­mokon по решению задач автоматического кон­троля и управления освещённостью, влажностью, температурой, вентиля­цией имеет версии, оснащённые LON-интерфейсом, либо может поставлять­ся совместно с модулями подключения к LON-сети.

Основные преимущества реализа­ции проектов систем диспетчеризации и автоматизации на основе открытой технологии LonWorks и применения в качестве распределённой системы ввода-вывода системы WAGO I/O, постро­енной на модулях серии 750 компании WAGO. Ориентация на международный стандарт LonWorks даёт возмож­ность предлагать заказчику самые современные и лучшие решения в области автоматизации инженерных систем. Использование протокола LonWorks позволяет легко объединять и интегрировать самое различное оборудо­вание от разных производителей. Большинство современных произ­водителей инженерного оборудова­ния предусматривает комплектно или в качестве дополнительных оп­ций возможность передачи инфор­мации о состоянии оборудования по протоколу LonTalk; это позволя­ет с минимальными затратами ин­тегрировать в систему диспетчери­зации большую часть «тяжёлых» инженерных систем, таких как сис­темы кондиционирования, венти­ляции, холодоснабжения, отопле­ния и др. Использование контроллеров 750-319и 750-819 позволяет преобразовы­вать данные о системах, которые не имеют возможности передачи информации с протоколом в сетевые переменные LonWorks для использования другим оборудовани­ем и передачи в систему диспетчери­зации. Модульность оборудования серии 750 и большой выбор типов модулей ввода/вывода в этой серии даёт воз­можность оптимальным образом по­добрать контроллерную сборку в соответствии с решаемой задачей и с минимальными затратами изменить её состав (даже после того как шка­фы автоматики собраны) в случае, если проектное решение меняется. Контроллеры с поддержкой LonWorks серии 750 могут выполнять не только задачу представления сигналов на входах и выходах контроллера в виде сетевых переменных LonWorks (базо­вый контроллер 750-319), но и выполнять функции по управлению и регу­лированию технологических процес­сов (программируемый контроллер 750-819) с последующей передачей необходимых данных в сеть LonWorks для использования другими устрой­ствами, а также в единую систему диспетчеризации всего комплекса инженерных систем и оборудования объекта.

Свое оборудование Thermokon пред­ставляет 9 группами изделий: панели управления для помещений; освещённость и присутствие; влажность; качество воздуха; давление; температура; силовые тиристоры; модули ввода-вывода с LON-интерфейсом; беспроводная сенсорная система EasySens; принадлежности.

С помо­щью панелей управления осуществляется из­мереняются температуры, а также управление HVAC (от англ. heating, ventilating and air-conditioning — отопление, вентиля­ция и кондиционирование воздуха) и освещённостью

Освещенность и присутствие: Датчики освещённости Датчики присутствия серий.

Влажность: датчики относи­тельной влажности для помещений; для воздуховодов систем отопления, вентиляции и кон­диционирования; для использования внутри и вне поме­щений; датчики конденсата; датчики протечки.

Качество воздуха

Датчики настроены на распознавание сигаретного дыма, водорода, углеки­слого газа, этанола и аммония. Кроме того, они определяют присутствие газов и испарений на основе эф­фекта их окисления кислоро­дом воздуха с соответствую­щим изменением темпера­туры и преобразованием это­го изменения в электрический сиг­нал — таким образом распознаются запах пота, запахи мебели и предметов интерьера.

3-14Общие правила 3аземление в системах промышленной автоматизации. Автоматизация эстакады налива жидкого аммиака в ж/д цистерны

Под заземлением понимают как со­единение с грунтом Земли, так и со­единение с некоторым «общим прово­дом» электрической системы, относи­тельно которого измеряют электриче­ский потенциал.

Под защитным заземлением пони­мают электрическое соединение про­водящих частей оборудования с грун­том Земли через заземляющее устрой­ство с целью защиты персонала от по­ражения электрическим током.

Заземляющим устройством называ­ют совокупность заземлителя (то есть проводника, соприкасающегося с зем­лёй) и заземляющих проводников [5].

Общим проводом (проводником) на­зывают проводник в системе, относи­тельно которого отсчитываются по­тенциалы. Обычно он является общим для источника питания и под­ключённых к нему электронных уст­ройств. Примером может быть про­вод, общий для всех 8 входов 8-ка-нального модуля аналогового ввода с одиночными (недифференциальны­ми) входами. Общий провод во мно­гих случаях является синонимом зем­ли, но он может быть вообще не со­единён с грунтом Земли.

Сигнальным заземлением называют соединение с землёй общего провода цепей передачи сигнала.

Сигнальная земля делится на цифро­вую землю и аналоговую. Сигнальную аналоговую землю иногда делят на землю аналоговых входов и землю анало­говых выходов.

Силовой землёй будем называть об­щий провод в системе, соединённый с защитной землей, по которому проте­кает большой ток (большой по сравне­нию с током для передачи сигнала).

В основе такого деления земель ле­жит различный уровень чувствитель­ности к помехам аналоговых и цифро­вых цепей, а также сигнальных и мощ­ных (силовых) цепей и, как правило, гальваническая развязка между ука­занными землями в системах про­мышленной автоматизации. Глухозаземлённой нейтралью называ­ется нейтраль трансформатора или ге­нератора, присоединённая к заземли-телю непосредственно или через ма­лое сопротивление (например, через трансформатор тока).

Нулевым проводом называется про­вод сети, соединённый с глухоза-землённой нейтралью.

Изолированной нейтралью называет­ся нейтраль трансформатора или гене­ратора, не присоединённая к заземляю­щему устройству.

Занулением называют соединение оборудования с глухозаземлённой нейтралью трансформатора или гене­ратора в сетях трёхфазного тока или с глухозаземлённым выводом источни­ка однофазного тока [5].

Далее мы будем также использовать термин «кондуктивный» – от слова conductor (проводник), то есть связан­ный с проводимостью материала. На­пример, кондуктивная помеха наво­дится через проводник, соединяющий две цепи.

Основная идея гальванической раз­вязки заключается в том, что в элек­трической цепи полностью устраняет­ся путь, по которому возможна пере­дача кондуктивной помехи.

Для применения гальванической развязки система автоматизации де­лится на автономные изолированные подсистемы, между которыми отсут­ствуют проводники (гальванические связи). Каждая подсистема имеет свою локальную землю. Подсистемы заземляют только для обеспечения электробезопасности и локальной за­щиты от помех.

Автоматизация эстакады налива жидкого аммиака в ж/д цистерны

Наполнение железнодорожных цис­терн аммиаком производится на эста­кадах. В процессе наполнения жидкий аммиак поступает из производствен­ных изотермических хранилищ по продуктопроводу на двухстороннюю эста­каду, с которой аммиак подаётся в же­лезнодорожные цистерны. Одновре­менно с этим производится приём из наполняемых цистерн газообразного и излишков жидкого аммиака в обрат­ную линию для обработки и возврата в производственные хранилища. Учас­ток эстакады, обслуживающий одну цистерну, называется фермой.

Операция налива цистерны включа­ет в себя несколько стадий:

• подготовка цистерны к наливу (при­соединение раздаточных шлангов фермы, продувка цистерны с вырав­ниванием давления);

• налив в цистерну аммиака до задан­ного уровня;

• перевод цистерны в транспортируе­мое состояние (закрытие клапанов-отсекателей, отсоединение раздаточ­ных шлангов).

Назначение и функции системы

Основным назначением данной АСУ ТП является контроль процесса налива жидкого аммиака, преследующий та­кие цели:

• снижение влияния человеческого фактора и повышение безопасности обслуживающего персонала при на­ливе жидкого аммиака; уменьшение выбросов в окружаю­щую среду жидкого и газообразного аммиака;

• контроль расхода жидкого аммиака и регистрация истории технологичес­кого процесса.

В соответствии с этим система долж­на реализовывать следующие функции:

• измерение и обработка сигналов, поступающих от датчиков и объектов управления, установленных на эста­каде налива жидкого аммиака в же­лезнодорожные цистерны;

• контроль работоспособности обору­дования и средств измерения, вклю­чая компоненты АСУ ТП;

• регистрация нештатных ситуаций со звуковым оповещением оператора и персонала на наливной эстакаде;

• автоматическое формирование ко­манд управления отсечными клапа­нами на линиях жидкого и газооб­разного аммиака в соответствии с технологическим регламентом вы­полнения данных операций;

• управление отсечными клапанами по командам оператора;

• автоматическое поддержание давле­ния в сбросной линии газообразного аммиака;

• технический учёт расхода аммиака;

• отображение параметров технологи­ческого процесса и поддержка ин­терфейса с оператором;

• накопление и хранение технологи­ческой информации во внутренней базе данных и отображение её по за­просу оператора.

Кроме того, к данной АСУ ТП были предъявлены дополнительные требования:

• разделение всей системы на две неза­висимые части — автоматизирован­ную систему управления (далее — САУ) и систему противоаварийной автоматической защиты (ПАЗ);

• резервирование управляющих эле­ментов системы;

• учёт существующих факторов уровня полевого КИП, связанных с заменой устаревшего и установкой нового оборудования.

Архитектура системы

В соответствии с требованиями по безопасности и функциональности АСУ ТП предприятием «Терси-КБ» была разработана и внедрена сложная многоуровневая система

На нижнем уровне системы находят­ся датчики и исполнительные механиз­мы, установленные на технологичес­ком трубопроводе наливной эстакады. Часть датчиков смонтирована вместе с другим оборудованием в специальных монтажных стойках

На среднем уровне систе­мы размещаются щит авто­матики, щит управления и центральный щит. Все щиты сис­темы выполнены на базе шкафов производства Rittal со степенью защиты от влаги и пыли IP55. Ввод кабелей в щиты осуществляется через цоколь шкафа с последую­щим закреплением кабель­ными зажимами и герметиза­цией входных отверстий. Доступ ко всем щитам, кроме щита автоматики, — двухсто­ронний.

Технологический контрол­лер САУ состоит из процес­сорного блока и блоков вво­да-вывода серии PLC4 про­изводства «Терси-КБ». Про­цессорный блок выполнен на базе промышленного встраиваемого процессорно­го модуля РСМ-3350 (более современный аналог — модуль РСМ-3375) стандарта РС/104 производства компании Advantech.

Используемые блоки ввода-вывода серии PLC4 сгруппированы по типу сигналов ввода-вывода в четыре ли­нейки и подключены к дополнитель­ному порту Ethernet 10Base-T процес­сорного блока через коммутатор Ether­net. Обмен данными с блоками ввода-вывода производится по протоколу Modbus TCP.

В состав верхнего уровня системы входят щит серверный и автоматизиро­ванные рабочие места (АРМ) операто­ра и инженера. Щит серверный пока­зан в центре на рис. 3. В его состав вхо­дят архивно-конфигурационный сер­вер, коммутатор сети Ethernet верхнего уровня и система бесперебойного пи­тания АСУ ТТЛ. Архивно-конфигурациошшй сервер представляет собой компьютер в про­мышленном исполнении с резервиро­ванным блоком питания на базе сер­верной платформы Advantech IPC-610.Вся информация о ходе технологи­ческого процесса непрерывно отобра­жается на экране АРМ оператора. На экране АРМ постоянно присутствуют окно мнемосхем, окно событий и па­нель инструментов с кнопками быстро­го вызова необходимых программ. При возникновении аппаратной неисправности в комплексе на экране всплывает окно со списком диагностических па­раметров, детализирующих общее сос­тояние системы вплоть до состояния отдельного блока ввода-вывода.

3-15 Беспроводные решения для автоматизации тех. процессов

Беспроводные решения Smart Wireless от компании Emerson предоставляют возможность непосредственного подключения контрольно-измерительных приборов в беспроводную сеть с последующим получением информации в систему управления через беспроводной шлюз. Каждый датчик оснащается собственной антенной и незави-симым источником электропитания для поддержания работоспособности в течение длительного времени. Решение Smart Wireless работает в диапазоне частот 2,4 ГГц. При этом оно надежно сосуществует с другими беспроводными сетями , установленными на предприятии (сети безопасности, управления, а также мобильные пульты).

Решение Smart Wireless от компании Emerson обеспечивает доступ к той информации, которую ранее невозможно было получить вообще, либо доступ к которой требовал больших затрат. Затраты на традиционное проводное подключение составляют значи-тельную часть любого проекта, связанного с установкой измерительных приборов. Стоимость проводов, дополнительного аппаратного обеспечения и трудозатраты повышают стоимость любого проекта вне зависимости от его размеров. Высокие затраты – это одно из самых больших препятствий на пути внедрения новых технологий или добавления новых точек измерений. Решение Smart Wireless позволяет снизить затраты на установку до 90 %, позволяя добавлять новые точки измерения. Возможности оптимизации энергопотребления, встроенные во все измерительные приборы и программные решения Rosemount, позволяют продлить срок службы модуля питания, а также поддерживать надежность измерений, используя протокол HART для передачи данных и диагностической информации. Модуль питания с длительным сроком службы является искробезопасным, т.е. его можно использовать на опасных участках производства. Беспроводные приборы Rosemount устанавливаются точно так же, как и традиционные. Многоуровневый подход к обеспечению безопасности беспроводных сетей позволяет поддерживать защиту сети от несанкционированного доступа. Приборы в беспроводной сети используют методы шифрования, аутентификации, верификации, защиты от помех и управления ключами для обеспечения отправки данных только через беспроводной шлюз. Преобразователь Rosemount 702 дискретного сигнала в беспроводной позволяет считывать значения с дискретных выходов и передавать их в беспроводную сеть. Данный преобразователь может использоваться для контроля уровня в резервуарах или для контроля переключения клапанов. Беспроводной шлюз 1420 отвечает за управление сетью, безопасность и интеграцию в систему верхнег уровня. Шлюз является точкой входа для передачи данных от беспроводных приборов, которые затем преобразовываются в формат, совместимый с другими системами. Через сеть Ethernet или последовательное соединение RS-485 возможна системная интеграция с помощью ModBus, OPC, TCP/IP. Беспроводной шлюз 1420 позволяет получать измеренные значения, которые ранее не собирались, а также обеспечивает высокий уровень безопасности, возможность расширения беспроводной сети и дополнительные функциональные возможности для промышленности. В основе решения Smart Wireless лежит технология самоорганизующихся беспроводных сетей. Каждый прибор является полноправным независимым участником беспроводной сети и способен самостоятельно обмениваться данными с другими приборами. Каждый прибор может передавать как свою информацию, так и информацию от других приборов, являясь при этом транслятором сигнала. Каждый прибор автоматически находит наиболее удобный путь для передачи сигнала в шлюз. При возникновении препятствий для прохождения сигнала по уже однажды пройденному маршруту сеть автоматически перестроится

3-16. Внедрение сертифицированных систем безопасности на промышленных предприятиях.

Определение сертифицированной системы безопасности на производстве

Цель разработки стандарта стандартов по безопаснос­ти EN-954 — предоставить чёткую основу для проектирования и функционирования любо­го элемента системы управления машин и механизмов, связанного с обеспече­нием безопасности людей и оборудования. Данный стандарт имеет широкую область применения, он применим для предприятий машиностроительного, металлургического комплексов, пище­вой, деревообрабатывающей промыш­ленности и любых других предприятий, имеющих оборудование с движущими­ся механическими частями, которые представляют опасность для человека.

Основы безопасности:

1. Для обеспечения безопасности в машинах и установках применяются специальные устройства (датчики безо­пасности), при срабатывании которых формируется сигнал на отключение опасного механизма.

Назначением датчиков безопасности является, во-первых, формирование сиг­нала экстренного отключения всех по­тенциально опасных механизмов уста­новки при ручной активации датчика. К подобным датчикам относятся различ­ные аварийные кнопки и выключатели.

Во-вторых, контроль опасной зоны или пространства на удалении от уста­новки, а также непосредственно у самой установки. К устройствам данного типа относятся магнитные или концевые выключатели защитных дверей (ограж­дений), тросовые выключатели, конта­ктные маты, оптоэлектронные средства защиты: световые барьеры и завесы, лазерные сканеры, различные блокирую­щие замки для контроля доступа.

Данная концепция системы безопас­ности обладает важной особенностью: при возникновении аварийной ситуации при срабатывании датчика блокируется только та часть установки, которая пред­ставляет опасность для человека. При этом работа остальных механизмов уста­новки не нарушается и потерь времени на незапланированные остановки техно­логического процесса не происходит.

2. Вся система (цепь) безопасности, начиная от датчика и кончая исполни­тельным устройством механизма (ка­тушкой реле, контактора, клапана или электродвигателя), должна быть серти­фицирована на соответствующую кате­горию безопасности.

Согласно стандарту EN-954-1 все эле­менты системы безопасности (датчик безопасности, сертифицированное уст­ройство безопасности и исполнительное устройство) нормируются по пяти кате­гориям безопасности (В1, 1, 2, 3, 4), категория будет тем выше, чем большую угрозу для безо­пасности персонала представляет дан­ная установка или машина. Таким образом, все отключающие (дискретные) сигналы отдатчиков безо­пасности не должны идти непосред­ственно на исполнительное устройство либо через промежуточное устройство, не сертифицированное категорией бе­зопасности.

Все сигналы датчиков в обязательном порядке должны обрабатываться только специальными сертифицированными устройствами безопасности (рис. 1). После обработки сигналов датчиков сертифицированное устройство безо­пасности генерирует сигнал на отклю­чение исполнительных устройств (реле, контакторов, клапанов) всех потенци­ально опасных механизмов.

Самыми распространёнными типами сертифицированных устройств безопас­ности являются реле безопасного от­ключения и контроллеры безопасного отключения.

Н аличие сертифицированного устрой­ства безопасности в качестве промежу­точного звена между датчиком безопас­ности и исполнительным устройством диктуется требованиями стандарта EN-954-1 к системе обеспечения безопас­ности установки по целому ряду причин.

Рис. 1. Структурная схема сертифицированной системы

• В случае опасной ситуации (напри­мер, при экстренном нажатии кнопки аварийного останова) необходима повышенная надёжность в отключении исполнительных устройств.

• В системе безопасности установки должны обнаруживаться все возмож­ные неисправности как входных це­пей (цепей датчиков безопасности), например короткое замыкание в ава­рийной кнопке, так и выходных цепей (цепей исполнительных устройств).

• Кроме сертификации на определён­ную категорию (по EN-954-1), реле безопасности (или контроллер безопасности) в зависимости от типа отк­лючения исполнительного устройства сертифицируются на категорию оста­нова 0 или 1 согласно EN 60204-1. Это продиктовано требованием оста­нова для конкретного механизма. На­пример, если механизм имеет большие маховые массы, то осуществлять его торможение путем снятия напряжения питания с исполнительного устройства не представляется возможным. В этом случае используется управляемый оста­нов механизма за фиксированный про­межуток времени (согласно категории 1 по EN 60204-1).

Преимущества сертифицированной системы безопасности перед традиционными системами безопасности. Применение же сертифицированных устройств безопасности позволяет избе­жать возникновения подобных нештат­ных ситуаций, так как данные устрой­ства постоянно осуществляют контроль за исправностью как входных цепей управления, так и исполнительных уст­ройств. Если во время работы оборудо­вания возникает неисправность, то опе­ратор сразу увидит сигнал аварии на пульте управления и вовремя остановит работу вплоть до выяснения причины неисправности.

Особенности сертифицированной системы безопасности. Система безопасности установки яв­ляется автономной от общей АСУ ТП установки, её сигналы воздействуют при этом только на те механизмы, которые представляют потенциальную опасность для человека. Система безопасности установки имеет более высокий приоритет перед общей АСУ ТП установки, так как от её функционирования напрямую зависит безопасность персонала и обо­рудования. Поэтому настраивать и вносить изме­нения в параметры данной системы мо­жет только уполномоченный персонал цеха, отвечающий за безопасность обо­рудования, то есть передавать данные и управлять системой в автоматическом режиме общая АСУ ТП не имеет права.Только система безопасности может передавать данные в общую АСУ ТП с целью информации, диагностики и ви­зуализации параметров системы (на­пример, на панели оператора).

3-17

3-18

3-19 Энергосберегаюшие технологии на основе частотно-регулируемого электропривода (ЧРЭ) переменного тока.

В настоящее время подавляющее большинство управляемых электроприводов строится на базе асинхронных электродвигателей и преобразователей частоты, где преобразователь частоты выполнен по такой схеме: неуправляемый выпрямитель – автономный управляемый инвертор напряжения – то есть сначала электрическая энергия сети преобразуется в постоянный ток, а потом инвертор создает трехфазный электрический ток переменной частоты. Различают два основных принципа управления преобразователями частоты.

К первому принципу относится система скалярного управления, часто называемая частотным управлением, основной задачей которой является формирование фазных напряжений на основании заданных значений амплитуды и частоты, получаемых путем широтно-импульсной модуляции (ШИМ) инвертора, огибающие которых и представляют собой трехфазное напряжение для питания асинхронного электродвигателя. Данный принцип является наиболее простым способом реализации частотного управления и благодаря относительно низкой стоимости широко используется для привода механизмов, не предъявляющих высоких требований к качеству регулирования скорости. В первую очередь, это относится к электроприводам насосов, вентиляторов, компрессоров. Данный класс механизмов обладает широкими потенциальными возможностями энерго- и ресурсосбережения, которые успешно реализуются при внедрении указанного типа преобразователей.

Ко второму принципу систем управления относятся система векторного управления, обеспечивающая характеристики асинхронного электродвигателя, близкие к характеристикам привода постоянного тока. Эти свойства системы достигаются за счет разделения каналов регулирования потокосцепления и скорости вращения электродвигателя, не достижимого при использовании скалярного управления. При построении указанных систем используется векторное представление физических величин. Преобразователи, использующие данный принцип управления, имеют сравнительно высокую стоимость и применяются в механизмах с повышенными требованиями к качеству регулирования скорости, например приводы в станках, лифтах, кранах.

Наиболее простой вариант использования ПЧ, когда одним преобразователем управляется один электродвигатель, например электродвигатель лифта, станка-качалки, дымососа котла и т.д. В данном случае преобразователь подключается непосредственно к одному электродвигателю и руководит его работой в зависимости от заданных параметров и получаемой от датчиков информации. При этом эффект от работы электропривода определяется снижением расхода электроэнергии и повышением качества регулируемого технологического параметра, который чаще всего и определяет качество продукции. При таком варианте использования ПЧ удельная стоимость преобразователя на 1 кВт мощности максимальна и решение об установке ПЧ, как правило, принимается по необходимости регулирования технологических параметров, хотя расчеты показывают, что составляющая экономии электроэнергии часто позволяет окупить затраты на установку ПЧ менее чем за один год и далее приносить чистую экономию. Если на объекте расположено несколько электроприводов, работающих во взаимосвязанном режиме, то целесообразно рассмотреть установку преобразователя в комплексе с системой управления электроприводов – так называемую станцию управления электроприводами. Типовая станция управления (СУ) включает в себя:

• шкаф управления, в котором размещаются коммутационная аппаратура, частотный преобразователь, дополнительный программируемый логический контроллер (при необходимости решать сложные задачи управления), аппаратура защит и сигнализации;

• датчики контролируемых параметров и исполнительные механизмы системы управления.

Типичным примером такого варианта использования ПЧ является станция управления группой насосов, когда диапазон регулирования по расходу изменяется в широких пределах и, в зависимости от расхода, работает один, два или три насоса, обеспечивая заданный уровень давления.

Оценка экономической эффективности от внедрения преобразователей частоты

Определение экономической эффективности, которую можно получить от внедрения преобразователей частоты является насущной проблемой. Потребителю хотелось бы до приобретения ПЧ иметь гарантии, что средства будут израсходованы не зря: общие утверждения о том, что экономия электроэнергии составит 30-80%, требуют подтверждения. К сожалению, универсальной методики на все случаи применения ПЧ нет и быть не может, так как объем экономии зависит от многих факторов, характерных для данной конкретной установки. Однако существуют большое количество типовых решений, применяемых в народном хозяйстве, например системы отопления и горячего и водоснабжения на центральных тепловых пунктах (ЦТП). Московским энергетическим институтом (МЭИ) разработана методика оценки экономической эффективности применения частотного электропривода в системах водоснабжения зданий. Для расчета экономии, во многих проспектах используется следующая формула:

N1 – N2 = r · g · Q (H1 – H2)

где: Q – расход, Н – напор, N – мощность потребляемая электродвигателем.

То есть снижение потребляемой мощности пропорционально потере напора при дросселировании. Однако здесь не учтено то, что при снижении напора насоса частотным регулированием меняются характеристики и самого насоса – при варианте убирающегося сопротивления в сети. Правильнее для вычисления величины снижения потребляемой мощности пользоваться законами подобия насосов, а именно:

где: n – частота вращения.

То есть снижение потребляемой мощности пропорционально снижению оборотов двигателя в кубе. Пример показывает, что даже в системах с постоянным расходом можно получить эффект от применения ПЧ. Очень важно чтобы величина уставки давления соответствовала минимальному напору при максимальном расходе. Если поставить датчик давления непосредственно у потребителя, то при уменьшении расхода у потребителя автоматически снижается необходимый напор, т.е. заданный параметр регулирования для ПЧ будет формироваться Q-H характеристикой сети.

Из вышеизложенного по оценке экономической эффективности от внедрения ПЧ для насосных станций можно сделать следующие выводы:

1. Суммарное снижение потребления электроэнергии при использовании преобразова-

телей частоты может достигать 50% и даже при идеально подобранных насосах, работающих на сеть с переменным расходом.

2. Для обеспечения максимального эффекта экономии от применения ПЧ необходимо

предварительно провести обследование и изучение сети. Сейчас это достаточно просто – есть пе- реносные ультразвуковые расходомеры, позволяющие быстро и точно определить фактические характеристики сети и насосного агрегата.

3. Все здесь сказанное относится к работе сетей с правильным подбором насосов. Как

правило, насосы для сети подбираются с «запасом», запас при применении ПЧ не теряется, при нештатном увеличении расхода ПЧ с таким насосом обеспечит и нештатный режим.

4. После внедрения ПЧ на электродвигателе насосного агрегата необходимо заново производить настройку и регулировку работы сети для максимального снижения потребления электроэнергии, в противном случае экономический эффект от внедрения ПЧ будет неполным.

Для оценки экономической эффективности от применения преобразователей частоты в любом случае необходимо организовать установку приборов учета электрической энергии и произвести замеры электропотребления до установки ПЧ и после его установки. Кроме установки ПЧ нужно провести все необходимые регулировки и настройки в работе системы.

3-20

3-21 Понятие сервер. Использование серверных технологий в автоматизации технологических процессов.

Сервер (от англ. server, обслуживающий):

• Сервер (программное обеспечение) — программное обеспечение, принимающее запросы от клиентов.

• Сервер (аппаратное обеспечение) — компьютер (или специальное компьютерное оборудование), выделенный и/или специализированный для выполнения определенных сервисных функций.

Применение сервосистем в линиях сложных автоматизированных производств, а также в станках среднего и малого уровня автоматизации становится характеристикой дальновидной политики предприятия. Всем строгим требованиям производства удовлетворяют современные сервосистемы, обладающие высокой динамикой, большим диапазоном регулирования, широкими коммуникационными возможностями – вот неполный список преимуществ сервосистем перед приводами постоянного и переменного тока. Все перечисленные характеристики имеют огромное значение при модернизации старых технологических линий новыми электромеханическими узлами, а именно сервосистемами.

Мировая тенденция увеличения доли сервоприводов по отношению к обычным приводам переменного тока в области производства свидетельствует о важности и актуальности данного направления приводной техники.

Сервопривод — это система привода,которая в широком диапазоне регулирования скорости обеспечивает динамичные, высокоточные процессы с возможностью их хорошей повторяемости.

Современные технологические процессы предъявляют следующие требования к сервоприводам:

● высокая динамика,

● широкий диапазон регулирования,

● высокая перегрузочная способность,

● малая погрешность позиционирования,

● малая погрешность стабилизации скорости,

● малая погрешность стабилизации момента вращения.

Синхронные серводвигатели.Они представляют собой синхронные моторы с возбуждением от постоянных магнитов со встроенным датчиком положения ротора. Главным преимуществом синхронных сервомоторов является низкий момент инерции ротора относительно вращающего момента. Такое преимущество даёт возможность создавать системы сверхвысокого быстродействия. Время разгона до номинальной частоты вращения составляет десятки миллисекунд, реверс с максимальной скорости происходит в пределах одного оборота ротора двигателя.

Основные характеристики синхронных двигателей:

● высокая динамика,

● перегрузочная способность до 3,5 номинальных моментов электродвигателя,

● высокая степень защиты в стандартном исполнении — IP65,

● не требуется принудительная вентиляция во всём диапазоне регулирования, в том числе при нулевой скорости с номинальным моментом электродвигателя,

● большая частота вращения 8000 об./мин,

● встроенный в обмотку статора терморезистор в стандартном исполнении,

● возможность заказа мотора со встроенным тормозом для применения ввертикальных перемещениях.

3-22

3-23

Умный дом - это интеллектуальная система, комплекс программно-технических средств управления обеспечивающих надёжную, согласованную и автоматическую работу всех инженерных систем в доме.Такая система грамотно распределяет ресурсы, снижает эксплуатационные затраты и обеспечивает понятный интерфейс контроля и управления. Умный дом живёт по заранее прописанным алгоритмам, которые делают жизнь человека комфортной и мобильной, избавленной от суеты и домашних забот. Системы Умный дом обладают множеством различных функций, охватывающих все сферы жизни.Комплексная система безопасности эффективно охраняет Умный дом не только от непрошенных гостей, но и от аварийных ситуаций:

При чрезвычайном происшествии интеллектуальная система безопасности самостоятельно принимает все возможные меры для устранения опасности, оповещает о ЧП владельца дома и все необходимые инстанции. Благоприятный климат в Умном доме создают системы вентиляции, кондиционирования и отопления. В каждом помещении может быть задана своя недельная программа со своими температурными и временными установками. Это позволяет добиться оптимального управления отоплением дома и дает экономию электроэнергии. Слаженную работу всех инженерных коммуникаций в доме обеспечивает система диспетчеризации. Система диспетчеризации контролирует также качество работы и исправность всех инженерных объектов. При обнаружении неполадок система, по возможности, самостоятельно исправляет поломки или сообщает о них в сервисную службу. Интеллектуальная система диспетчеризации позволяет продлить срок службы всех инженерных коммуникаций Умного дома, сэкономить технические ресурсы, снижает расходы на эксплуатацию за счёт своевременного выявления неполадок и грамотного распределения нагрузок. Опция энергосбережения помогает сэкономить на счетах за электроэнергию, благодаря умным системам, которые настроены на постоянный автоматический контроль потребления электричества. Сценарное освещение управляет всеми источниками света согласно заданному Вами алгоритму. Под «умным домом» (intelligent building) следует понимать систему, которая должна уметь распознавать конкретные ситуации, происходящие в здании, и соответствующим образом на них реагировать: одна из систем может управлять поведением других по заранее выработанным алгоритмам. Умный дом» в первоначальном смысле означает «здание, готовое к изменениям» или «приспосабливаемое (гибкое) здание», инженерные системы которого способны обеспечить адаптацию к возможным изменениям в будущем.Здание проектируют таким образом, чтобы все системы его управления могли интегрироваться друг с другом с минимальными затратами, а их обслуживание было бы организовано оптимальным образом. Проект обязательно предполагает возможность наращивать и видоизменять конфигурации инсталлированных систем.

• BPT - система домашней автоматизации с распределённым интеллектом, использующая закрытый протокол передачи данных. В качестве шины используется стандартная витая пара UTP. Реализуется управление освещением, домашней автоматикой, кондиционированием, отоплением, инженерной и охранной сигнализацией, домофонией. Основные мотивы выбора данной системы - низкая стоимость оборудования, простота монтажа и пуско-наладки. Система совместима с любыми типами электроустановочных изделий.

• LanDrive - платформа для построения шинных распределённых систем управления внутренним и уличным освещением, силовыми нагрузками, электроприборами, а также такими системами, как отопление, кондиционирование, вентиляция, охранная сигнализация, контроль доступа и протечек воды. Также возможно управление аудио- и видеотехникой, домашними кинотеатрами, жалюзи, рольставнями, шторами, воротами, насосами, двигателями. В основном ориентирована на применение в составе «умного дома», но в последнее время всё чаще применяется в системах учёта и сбережения энергоресурсов, контроля доступа, охранно-пожарных системах.

• . UBI (Универсальный шинный интерфейс). Данный интерфейс обеспечивает комбинированную передачу по витой паре (UTP, FTP) сигналов управления умным домом, сигналов Ethernet (компьютерная сеть, цифровое видеонаблюдение, цифровое телевидение и телефония, Интернет). Своими идеей и корнями уходит к концепции взаимодействия открытых систем на базе международной многоуровневой модели ISO OSI. В будущем все здания станут интеллектуальными, и будут объединены между собой. По мнению большинства специалистов, модель взаимодействия открых систем OSI идеально подходит для объединения в единое целое решений и технологий различных производителей электронного оборудования, будь то электроника стиральной машины, домашнего кинотеатра, системы вентиляции здания или легкового автомобиля. Уже сейчас многие производители (например, Legrand) оборудования для инженерных сетей интеллектуальных зданий предпринимают немалые усилия по унификации кабельных систем под разные технологии и разное назначение. Введено понятие «Оптимальных сетей». В правильно спроектированном интеллектуальном здании структурированные кабельные системы и оборудование автоматизации здания не зависят друг от друга. Конечному пользователю не нужно заботиться о том, чтобы в кокретном месте была телевизионная розетка или телефонная. Кабельные системы универсальны и унифицированы. То есть назначение для розетки можно придумать потом. Также потом можно выбрать и конечную реализацию системы автоматизации (будь то EIB, C-BUS, X-10 или что-либо еще).

• C-Bus - протокол для домашней автоматизации, а также автоматизации зданий, спортивных сооружений и т.д. C-Bus - это система с распределённым интеллектом (без центрального процессора), использующая кабель 5-категории (Cat.5), длина которого в одном сегменте может составлять 1000м. Таких сегментов в одну систему можно объединять до 255. В сети используется 36В переменного тока. Протокол C-Bus используется в Австралии, Новой Зеландии, Азии, на Ближнем Востоке, в России, США, Южной Африке, Великобритании и других частях Европы, включая Грецию, Прибалтику, Румынию и другие страны. В США C-Bus представлен под маркой «SquareD Clipsal». Протокол C-Bus был создан Clipsal Integrated Systems для использования в системах домашней автоматизации и системах управления освещением зданий.

• X10 - протокол управления электроприборами. Сигнал передается по электрическим проводам либо в радиодиапазоне. Недостатки - низкая скорость передачи информации и помехозащищенность, проблема ложного срабатывания, отсутствие обратной связи приёмника с передатчиком, возможны конфликты устройств X10 разных производителей и несанкционированный доступ к устройствам X10 по электросети.

• Z-wave - это первый открытый беспроводный стандарт домашней автоматизации, под который может производить оборудование любой желающий производитель. В настоящее время, насчитывается около 160 производителей, поддержавших данную технологию (Danfoss A/S, Intel, Intermatic, Leviton, Monster Cable, Universal Electronics, Wayne Dalton, BuLogics, ControlThink, Hawking Technology, HomeSeer, Inlon, Innovus A/S, Jasco Products, KTC Tech, Lagotek, Lantic Systems, Logitech, Merten, Navicom Technologies, Panasonic, uControl, ViewSonic, Xanboo, ELK Products и многие другие).Разработчик беспроводной технологии Z-Wave - калифорнийская компания Zensys - предложила довольно удачное решение для системы Умный дом, основанное на принципе mesh-сети. Zensys разработала чип, достоинствами которого являются низкая цена, малое потребление энергии и крохотные размеры, что дает возможность интегрировать его в любое устройство.

3-24

3-25 Электродвигатели — непременная составляющая подъемно-транспортного и автоматизированного оборудования: конвейеров, автоматизированных складов, штабелеров, упаковочных автоматов и иной складской техники. В складском и подъемно-транспортном оборудовании наиболее широко применяют электродвигатели пяти типов:

- электродвигатели постоянного тока с возбуждением от постоянного магнита;

- асинхронные электродвигатели переменного тока. Их применяют в оборудовании непрерывного цикла, например, в обычных конвейерах;

- серводвигатели (сервомоторы).Они работают в машинах, которые должны совершать точные движения, перемещать и позиционировать грузы на строго определенные места: в штабелерах, автоматических складских системах;

- линейные асинхронные двигатели. Используются в оборудовании, для которого важна прежде всего высокая скорость работы, например, в сортировочных машинах;

-мотор-ролики (или мотор-барабаны), т. е. ведущие герметичные ролики, внутри которых заключены небольшие электродвигатели и редукторы. Используются для привода конвейеров, работающих периодически.

Асинхронные двигатели переменного тока проще и дешевле электродвигателей других типов, поэтому в настоящее время их применяют все чаще. При выборе асинхронного двигателя следует учитывать два фактора — к.п.д. преобразования энергии и тип исполнения агрегата.

КПД. В ряде стран законодательством установлена минимальная величина к.п.д. для электродвигателей приводов, однако многие производители изготавливают электродвигатели по более жестким стандартам. Если, выбирая электродвигатель, вы видите, что он соответствует стандарту NEMA Premium, то это гарантирует его высокий к.п.д., надежность и экономичность. У электродвигателей обычного качества к.п.д. равен 75...85%, у агрегатов высшего качества — 85...95%. Как считают специалисты, агрегаты с высоким к.п.д. стоят намного дороже обычных, но если электродвигатель будет работать непрерывно, он окупится быстро. Кроме того, благодаря экономии энергии улучшается экологическая обстановка, на которую все больше обращают внимание в цивилизованных государствах.

Тип исполнения — важная характеристика при выборе электродвигателя. Существует пять

основных исполнений асинхронных электродвигателей:

ODP (Open drip proof) — «каплезащищенный электродвигатель открытого исполнения». Этот тип электродвигателей наиболее широко используют в промышленности. Они не оборудованы вентилятором и имеют проемы в корпусе, через которые внутрь может проникнуть грязь и влага, поэтому использовать такие электродвигатели рекомендуется только в закрытых помещениях;

TEFC (Totally Enclosed FanCooled) — «закрытого типа с вентиляторным охлаждением». Эти двигатели оборудованы вентилятором, создающим поток воздуха через их корпус. Вентилятор герметизирован, и инородные частицы и жидкости не могут проникнуть в электродвигатель извне. Электродвигатели в исполнении TEFC часто применяют в конвейерах;

TENV (Totally Enclosed Non-Ventilated Motor) - закрытого типа без охлаждения». Эти электродвигатели также используются в подъемно-транспортном оборудовании складов, если есть внешний источник, создающий воздушный поток для охлаждения двигателя;

ТЕВС (Totally Enclosed Blower-Cooled Motor) — «охлаждаемый обдувом». Эти двигатели комплектуют собственным вентилятором, но расположенным и управляемым снаружи. Электродвигатели типа ТЕВС обычно применяют в оборудовании высокой мощности: в подъемных кранах, лебедках и т. п. или в оборудовании, работающем с переменной скоростью, где электродвигатель иногда может работать с частотой вращения, близкой к нулю;

EPFC (Explosion Proof Fan Cooled Motor) — «во взрывозащищенном исполнении с вентиляторным охлаждением». Используются в условиях высокого содержания в воздухе горючих и взрывоопасных элементов, например, паров бензина, других нефтепродуктов, аммиака, угольной пыли и проч.

Возможности применения любого асинхронного электродвигателя расширяются благодаря использованию электропривода с частотным регулированием (VFD). Асинхронные электродвигатели традиционной конструкции работают с постоянной частотой. Электропривод с частотным регулированием позволяет менять скорость двигателя и всей машины. В складском подъемно-транспортном оборудовании электроприводы с частотным регулированием позволяют максимально увеличивать скорость в «пиковые» периоды работы и снижать в другое время, благодаря чему экономится энергия и средства. К.п.д.

СЕРВОДВИГАТЕЛИ Эти двигатели занимают свою особую нишу - они работают в оборудовании, где требуется точное регулирование положения и скорости движений: в роботизированном оборудовании, штабелерах и подобных складских машинах. Эти устройства специально разработаны как электродвигатели с якорем малого диаметра, но развивающие высокий крутящий момент. Чем меньше якорь, тем меньше инерция и, следовательно, электродвигатель быстрее разгоняется, и машина работает быстрее. Серводвигатели оснащают также системами управления по обратной связи: по сигналам тахометра, датчиков линейных перемещений и аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Благодаря управлению по сигналам от этих приборов увеличивается точность движений и регулирования скорости машин. Серводвигатели применяют в оборудовании и системах, где требуется высокая точность движений. Электродвигатели этого типа применяют также в оборудовании и системах, где необходима большая точность синхронизации - в машинах, выполняющих установку (позиционирование) грузов на стеллажах автоматизированных складов.

ЛИНЕЙНЫЕ АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ Линейные асинхронные электродвигатели - новинка в отрасли складского подъемно-транспортного оборудования. Они позволяют значительно увеличить скорость движений машин при замечательной их повторяемости и точности. Линейный асинхронный двигатель генерирует магнитное поле, которое перемещает ползун (пластину) в двигателе. Обычно ползун прикрепляется к объекту, который должен передвигаться магнитным полем: например, в сортировочных машинах ползун электродвигателя соединен с подвижным лотком распределителя. В такой конструкции нет деталей, подверженных износу. Линейные асинхронные электродвигатели обеспечивают точность движений до 0,0335 мм на 1 м перемещения, т. е. позволяют выполнять прецизионные работы. Насколько уникальна такая способность устройств, иллюстрирует тот факт, что толщина человеческого волоса составляет около 0,09 мм, т. е. в три раза больше! Скорость работы линейных асинхронных электродвигателей очень высокая — до 5 м/с, а следовательно, длительность рабочих циклов у них небольшая и производительность на высочайшем уровне. Скорость перемещения ползуна на разных отрезках в течение одного цикла можно менять, а можно задавать пошаговое перемещение — это очень полезное качество для некоторых автоматических машин.

МОТОР-РОЛИКИ В последнее время в конвейерах все шире стали применять мотор-ролики. Конструкция их проста. Внутри ведущего ролика устанавливается миниатюрный электродвигатель постоянного тока, работающий от напряжения 24 В, и редуктор. В обычных конвейерах один мотор-ролик приходится на 9 обычных роликов. По словам специалистов, если конвейер перемещает грузы непрерывным потоком, привод от наружных электродвигателей более экономичен. Конвейеры с мотор-роликами рентабельны и используются в основном в тех случаях, когда надо накапливать поступающие грузы на конвейере, а затем перемещать их дальше либо когда требуется разделять поток грузов на группы и перемещать грузы группами.

У мотор-роликов целый «букет» преимуществ. Уровень шума от конвейеров, оснащенных мотор-роликами, значительно ниже, чем от обычных конвейеров. Они позволяют экономить энергию: не только благодаря более высокому к.п.д. мотор-роликов, но и потому, что конвейер работает только тогда, когда надо. Еще одно преимущество — более высокий уровень систем управления мотор-роликами. В настоящее время выпускаются конвейеры с мотор-роликами, развивающие скорость до 90 м/мин, а если поток грузов уменьшился, можно снизить скорость до 30 м/мин, уменьшив таким образом износ деталей конвейера и энергопотребление. Наконец, мотор-ролик практически не нуждается в техобслуживании. Поскольку он работает лишь тогда, когда надо, его ресурс продляется на годы. Когда электродвигатель выйдет из строя, мотор-ролик заменяют другим практически без остановки конвейера.

Вентильный электропривод: В самом общем случае вентильным можно назвать любой электропривод, в котором регулирование режима работы электродвигателя производится с помощью управляемых вентильных (полупроводниковых) преобразователей электрической энергии: выпрямителя, импульсного регулятора постоянного тока, преобразователя частоты. В более узком, общепринятом смысле вентильный электропривод (ВЭП) или вентильный двигатель (ВД) представляет собой электромеханотронную систему, в которой объединенысинхронная электрическая машина, как правило, с возбуждением от постоянных магнитов , электронный коммутатор (инвертор), посредством которого осуществляется питание обмоток якоря машины, и система автоматического управления инвертором, оснащенная необходимыми измерительными устройствами (датчиками). Традиционно управление ключами инвертора ВЭП осуществляется в функции положения ротора синхронного двигателя. Благодаря своим высоким эксплуатационным характеристикам, СДПМ являются наиболее перспективными электрическими машинами в диапазоне малых и средних мощностей, особенно для моментных систем электропривода. СДПМ конструктивно просты, надежны, имеют абсолютно жесткие механические характеристики и не требуют затрат энергии на возбуждение.

3-26 Резервирование промышленных сетей Ethernet на втором уровне OSI:стандарты и технологии.

3-27 Уровни безопасности систем автоматизации. Критерии выбора компонентов с уровнем SIL3 для РСУи систем ПАЗ в соответствии со стандартам МЭК.

3-28.OPC Unified Architecture: изменение в популярной технологии информационных обменов с точки зрения инжинера.

3-29.Сети Real Time Ethernet:от теории к практической реализации.Oт классической полевой шины(fieldbus) к EtherCAT

3-30.Технология питания IP устройств по сигнальному кабелю” Power over Ethernet”и ее реализация в промышленном сетевом оборудовании.

3-27

3-28 ОРС Unified Architesture: изменения в популярной технологии информационных обменов с точки зрения инженера

1

2