На главную

Статьи, публикации, архив номеров  

«     2018     2017  |   2016  |   2015  |   2014  |   2013  |   2012  |   2011  |   2010  |   2009  |   2008  |   »
«     Январь  |   Февраль  |   Март  |   Апрель  |   Май  |   Июнь  |   Июль  |   Август  |   Сентябрь  |   Октябрь  |   Ноябрь  |   Декабрь     »

Системный подход

01.07.2015 Информационное обеспечение процессов автоматизации технологических комплексов в агроэнергетике

 

Информационное обеспечение процессов автоматизации технологических комплексов в агроэнергетике

 

Современные предприятия агропромышленного комплекса имеют все признаки промышленных предприятий в том смысле, что на них выполняются сложные технологические автоматизируемые процессы, хотя и со своей спецификой. Но до настоящего времени при управлении ими с помощью компьютерной техники по соответствующим алгоритмам базой для информационного обеспечения служат наборы датчиков для решения только разрозненных задач АСУ ТП. И ни на одном предприятии животноводческого комплекса республики еще нет АСКУЭ.

Недостатком подобного положения является то, что не используется основное преимущество АСУ ТП, имеющей в своей основе единую базу данных, ведение которой обеспечивает достоверную и полную информацию с синхронизацией замеров и резервированием. До настоящего времени задача комплексного подхода при разработке проектов автоматизации объектов агропрома, например животноводческого комплекса, не ставилась, потому что только часть технологических процессов на сегодня может быть автоматизирована, а другая пока неавтоматизируема вообще из-за отсутствия необходимых датчиков, имеющих дистанционные выходы.

 

В статье рассмотрены проблемы комплексной автоматизации в АПК, а также проблемы повышения точности и чувствительности при измерении потребления электроэнергии.

Проанализирован зарубежный опыт по разработке новых быстродействующих и высокочувствительных датчиков мощности и силы тока. Обоснована необходимость моделирования нагрузок и проведения коррекции результата измерений датчиков тока в АСУЭ.

Рассмотрен пример синтеза работ, касающихся устройств управления и защиты электродвигателя и его состояния.

 

The article deals with the problem of complex automation in agriculture, as well as the problem of increasing the accuracy and sensitivity of the measurement of energy consumption.

Foreign experience to develop new high-speed and high-sensitive power sensors and current strength is analyzed in the article. Authors assessed the necessity of modeling and loads of correcting the measurement result of the current sensors in the AEAS.

An example of the synthesis of the work related to the control and protection of the motor and its condition is considered.

 

Сказанное относится в первую очередь к диагностированию оборудования. Технологические циклы на объектах сельского хозяйства хотя и достаточно строгие, но высокая степень неравномерности электрических нагрузок приводит к сложным режимам работы оборудования (в основном это электропривод). Срок его службы напрямую зависит как от режимов работы, так и от внешних условий – температуры, влажности, показателей качества электроэнергии. Даже задачи автоматизированного диагностирования решаются частично, на что указывается в [1], где приводится пример разработки одного из вариантов устройства диагностирования электродвигателя.

Проблема комплексной автоматизации технологических процессов в агропромышленном комплексе в последнее время дополнительно усложнилась и по той причине, что с развитием малой энергетики, использованием средств преобразовательной техники в электрических сетях и в электропотребляющем оборудовании появилась необходимость повсеместного контроля качества электроэнергии и поддержания его показателей в необходимых пределах. Подобный контроль требует прежде всего использования современных датчиков тока и напряжения в темпе электропотребления по мгновенным значениям параметров, учитывая, что согласно действующим стандартам на качество электроэнергии необходимо проведение анализа не только основной гармоники тока и напряжения, но и высших – до сороковой включительно.

Кроме того, к самому учету энергии предъявляются все более жесткие требования. Они обусловлены как ростом доли потребителей с невысокой единичной мощностью, что характерно для многих осветительных установок, радиоэлектронной аппаратуры, регулируемого электропривода, компьютерной и бытовой техники, так и ростом числа генерирующих установок современной нетрадиционной энергетики (фотоэлектрические установки, аккумуляторы). В то же время названные выше энергопотребляющие установки при своем большом числе составляют значимый потенциал энергосбережения, оценить который можно только на основании точных замеров потребляемой мощности.

Замена индукционных электросчетчиков электронными только частично решает проблему повышения точности и чувствительности при замерах, так как в узле учета используются трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН) (при U ≥ 10 кВ), принцип работы которых остался прежним, основанным на законе электромагнитной индукции. Хотя такие трансформаторы претерпели множество изменений (в основном конструктивных), они не избавились от ряда недостатков, к которым следует отнести явления феррорезонанса, гистерезиса, насыщения, остаточного намагничивания и др.

Недостатки этих традиционных трансформаторов обусловили необходимость разработки преобразователей, которые были бы основаны на иных принципах работы. Например, приходящие на смену традиционным оптические трансформаторы тока и напряжения обладают преимуществом по сравнению с их электромагнитными аналогами по многим показателям. Так, при переходе на цифровые интерфейсы в оптических ТТ и ТН можно снизить объемы неучтенной энергии в 10 раз; из-за широкой полосы пропускания сигналов (не менее 6 кГц) имеется возможность производить полный анализ не только количества, но и качества электроэнергии в части гармоник (до 100 гармоник) и переходных процессов (для релейной защиты), обеспечивается большой динамический диапазон (0,1–200 % Iном) и высокая точность (0,1–0,2 %) измерений, достигаемая за счет использования поляризованных световых сигналов и их цифровой обработки [2, 3].

Сегодня значительных успехов добилась преобразовательная техника – в нашем случае техника преобразования переменного тока в постоянный и наоборот. Например, современный электропривод, в том числе регулируемый, содержит ряд измерительных преобразователей (датчиков) тока, мощности, температуры, напряжения, предназначенных для обеспечения работы защит, диагностики и мониторинга электродвигателя и силовых преобразователей, а также мониторинга электропривода в целом. Наиболее сложной задачей разработки измерительных преобразователей является создание быстродействующих и высокочувствительных датчиков мощности и силы тока. Рассмотрим некоторые из современных разработок данного назначения, выполненных за рубежом.

В [4] рассмотрены особенности датчиков тока компенсационного типа с элементом Холла и индукционные датчики компенсационного типа, совершенствование которых призвано исключить их активное влияние на измеряемый ток. Полное исключение этого влияния невозможно, так как для функционирования датчиков необходимо отдельное питание (как правило, ±15 В). Для датчиков компенсационного типа требуется дополнительное питание еще и для обеспечения вторичного, выходного тока при наличии первичного тока на входе. В отличие от трансформаторов тока датчики тока могут измерять и постоянный, и переменный токи.

Совершенствование датчика Холла привело к разработке датчика тока компенсационного типа, имеющего вторичную обмотку, намотанную на магнитном сердечнике. В данной обмотке формируется магнитное поле, противоположное по направлению полю, созданному током в первичной цепи, что позволяет достичь нулевого магнитного потока в сердечнике. Кроме того, в подобном датчике выход представлен в виде источника тока, а не напряжения, что является преимуществом, поскольку подобный вариант реализации менее восприимчив к источникам помех. Тем не менее и у подобных датчиков суммарная погрешность достаточно высокая, так как она обусловлена тремя составляющими, складываемыми квадратично: погрешность усиления (1 %), погрешность, обусловленная нелинейностью (0,5 %), и погрешность начального смещения, обусловленная остаточной намагниченностью магнитного сердечника (0,2 %). Квадратичное сложение названных погрешностей дает величину 1,14 %. Если добавить ухудшение компенсации магнитного потока за счет отклонений амплитуды и частоты тока в условиях реальной эксплуатации электропотребляющих установок, то можно согласиться, что снижение реальных метрологических характеристик рассматриваемых датчиков неизбежно.

Моделирование ТТ позволяет наиболее полно учесть нелинейные свойства магнитопроводов, в том числе магнитные потери. Это обеспечивает и максимально точную оценку погрешности трансформаторов тока. В [5] предлагается модель ТТ, способная выполнить подобные функции. Для исследования был взят трансформатор с магнитопроводом из аморфного сплава ГМ414 с улучшенными характеристиками. Математическую основу моделирования составили уравнения, описывающие процессы в измерительном трансформаторе тока для мгновенных значений токов и напряжений:

(1)

(2)

F = В(Н)Sм; (3)

(4)

где F – основной магнитный поток;

е2 – ЭДС вторичной обмотки;

R2, Rн – сопротивления вторичной обмотки и нагрузки;

L2 – индуктивность рассеяния вторичной обмотки;

В, Н – индукция и напряженность магнитного поля в магнитопроводе;

lм – длина средней линии магнитопровода;

Sм – площадь поперечного сечения магнитопровода;

w2 – число витков вторичной обмотки трансформатора, w1 = 1.

Результат моделирования с использованием зависимостей (1)–(4) для конкретного ТТ с магнитопроводом из аморфного сплава ГМ414 показал, что динамические кривые намагничивания сплава по данным изготовителя и полученные кривые обнаружили приемлемое совпадение. Таким образом, уже на этапе проектирования моделирование измерительных трансформаторов тока позволяет наиболее точно прогнозировать их основные параметры, а следовательно, и метрологические характеристики. Особенно важно проведение подобного моделирования, когда ТТ встроен в сложный измерительный преобразователь и при этом имеют место переходные процессы при электропотреблении, что в современной электроэнергетике распространено повсеместно.
Сравнение стоимости датчика на базе трансформатора и датчика с резистивным сенсором показывает, что второй вариант, как правило, экономически выгоднее. При этом его технические характеристики оказываются соизмеримыми или даже лучшими. Учитывая, что до 90 % модулей используется в преобразователях малого и среднего диапазона мощности с током до 100 А, выбор в пользу резистивных шунтов в данном случае вполне оправдан (см. табл.).

 

Таблица

Сравнение стоимости и потерь мощности при использовании трансформатора тока и резистивного шунта

Ток, А

Трансформатор, %

Шунт, %

Относительная стоимость

0–10

100

≈45

10–100

100

≈75

100–250

100

≈90

Потери (от общей мощности)

1

7

0,3

10

2

0,8

100

0,3

0,9

250

0,1

0,9

При использовании резистивных датчиков в сильноточных схемах основной проблемой является отвод тепла, выделяемого шунтом. Например, при измерении тока от 100 до 400 А на каждой фазе потери мощности, обуславливающей тепловыделение, составляют от 11 до 42 Вт на фазу (номинальные значения) и от 42 до 94 Вт на фазу (максимальные значения) – по данным [6] для шунтовых модулей серии SKKR различной модификации.

Разработка нового поколения датчиков напряжения обусловлена теми же причинами, что и разработка современных ТТ. В [7] описывается новое поколение датчиков напряжения, соответствующее современным стандартам измерений, с улучшенными характеристиками для гальванически изолированного измерения напряжения в диапазоне 50–2 000 В. Здесь же отмечено, что, например, датчик DVL вписывается в профиль датчика напряжения на эффекте Холла LV100, но его объем и масса намного меньше. Датчик построен на основе электронных компонентов и потому относительно нечувствителен к внешним магнитным полям в сравнении с датчиком на эффекте Холла и магнитометрическими датчиками, имеющими магнитный сердечник. Электроника этих датчиков специально спроектирована для обеспечения низкого уровня энергопотребления и малых потерь в первичной цепи, благодаря чему исчезает необходимость во внешних радиаторах при сохранении высокого уровня надежности и экономии энергии для конечного пользователя. Подобные преимущества обеспечивают возможность размещать датчики под кожухами электродвигателей и в герметичных корпусах.

Применение в датчиках DVL инновационных решений обеспечивает измерение напряжения с суммарной погрешностью не хуже ±0,5 % Uн (номинального входного напряжения) при номинальной температуре и не хуже ±1,0 % от Uн во всем рабочем диапазоне температур (от –40 до +85 °С).

Главными достоинствами современных датчиков [8] являются наличие входа с цифровым кодом, передача сигнала на расстояние и, разумеется, приемлемые метрологические характеристики и стоимость. В последнее время достигнуты большие успехи в разработке новых вариантов фотодатчиков, оптических (аналоговых и дискретных), микроволновых и радиолокационных. Для данных принципов работы характерно исключение необходимости встраивания датчиков в объект контроля и управления, что упрощает конструктивные решения при построении АСКУЭ энергообъекта.

Не менее важной проблемой является обеспечение предъявленных датчикам тока метрологических характеристик на всех диапазонах измерений. Рассмотрим варианты решения подобной проблемы на примере измерительных трансформаторов тока, для которых разработан и введен в действие межгосударственный стандарт IEC 60044-1-2013. Поскольку идентичный вариант стандарта в виде ГОСТа принят Межгосударственным советом по стандартизации метрологии и сертификации, в который входят и представители Республики Беларусь, то следует полагать, что в ближайшем будущем подобный стандарт будет основным документом, регламентирующим требования к ТТ, предназначенным «для передачи измерительной информации приборам измерения, защиты, автоматики, сигнализации и управления в электрических цепях переменного тока при номинальных частотах от 15 до 100 Гц», как это изложено в тексте межгосударственного стандарта [9].

Согласно стандарту [9], под токовой погрешностью понимается погрешность коэффициента трансформации, который в действительности может быть отличным от его номинального значения. Токовую погрешность вычисляют по формуле:

(5)

где Кт – номинальный коэффициент трансформации;

Iв – значение действительного вторичного тока;

Iп – значение действительного первичного тока.

Наличие нелинейностей в трансформаторе тока, являясь причиной возникновения высокочастотных гармонических искажений тока намагничивания и вторичного тока, делает применение векторного представления погрешностей неоправданным. По этой причине предпочтение отдается понятию полной погрешности ТТ, которая характеризует наличие отклонений от идеального ТТ, вызванных присутствием во вторичной цепи высокочастотных гармоник, отсутствующих в первичной цепи (в стандарте [9] первичный ток всегда считается синусоидальным).

Под полной погрешностью ТТ понимается разность между мгновенным действительным значением вторичного тока, помноженным на номинальный коэффициент трансформации, и мгновенным значением первичного тока. Полную погрешность ТТ dтп определяют по формуле:

(6)

где Iд – действующее значение тока первичной обмотки;

iмв – мгновенное значение тока вторичной обмотки;

iмп – мгновенное значение тока первичной обмотки;

t – мгновенное значение времени;

Т – продолжительность одного периода.

Приведенная выше формула расчета полной погрешности справедлива при установившемся режиме работы. Если, например, в течение некоторого времени tk измеряемые токи существенно отличаются от токов в установившемся режиме работы, то результат расчетов по формуле (6) будет также отличаться. Таким образом, для получения достоверных результатов расчет полной погрешности в пределах продолжительности одного периода синусоиды тока необходимо проводить на всех режимах работы ТТ, начиная с минимальных нагрузок, учитывая, что показатели качества электрической энергии, в том числе несинусоидальность тока и напряжения, существенно зависят как от вида нагрузок, так и от их величин. Примером этому могут служить токовые кривые, приведенные на рис. 1, где iп, iмп, iмв соответственно мгновенные значения действительного первичного тока, тока первичной обмотки и тока вторичной обмотки. Если кривая iп является синусоидой, то кривые iмп и, соответственно, iмв таковыми не являются.

 

 

При рассмотрении способов определения погрешности ТТ прямым методом с применением эталонных трансформаторов (ЭТ) в [9] замечено, что при использовании этих методов важно, чтобы полная погрешность эталонного трансформатора была незначительной для данных условий применения. Недостаточно того, чтобы полная погрешность его была просто известна, поскольку она, имея искаженную волнообразную форму, сложна по своей природе (рис. 1). Любая полная погрешность ЭТ не может быть использована для поправки результатов измерений при испытаниях. Частично решить данную проблему можно, применив схему с двумя эталонными трансформаторами (рис. 2), но подобное решение дорогостоящее и может быть обоснованно только в редких случаях.

 

 

Из изложенного выше следует, что метрологическая аттестация трансформаторов тока в условиях нелинейных нагрузок превращается в формальную процедуру, потому что при разной степени нелинейности и разных долях таких нагрузок во времени будут разными и погрешности учета. Выходом из создавшегося положения является переход к систематической оценке числовых характеристик погрешности в темпе технологических процессов, разработке алгоритмов учета этих характеристик в технико-экономических обоснованиях и расчетах за электропотребление, если ТТ используется и для организации узла коммерческого учета энергии. Однако в этом случае необходимо внесение изменений в соответствующие стандарты, до настоящего времени исключающие возможность корректировки результатов измерений.

Несмотря на ряд нерешенных вопросов, сегодня нет оснований для того, чтобы отказываться от разработки и внедрения локальных автоматизированных систем учета энергии (АСУЭ), так как при соблюдении ряда условий можно получить результат хотя и не в полном объеме, но за более короткий срок и с меньшими затратами.

Рассмотрим пример обеспечения такой возможности, в котором предложено устройство управления и защиты асинхронного электродвигателя с применением микропроцессорного счетчика СС-301 «Гран-электро». На рис. 3 приведена схема устройства управления и защиты электродвигателя на основе микропроцессорного электросчетчика и микропроцессорного контроллера. Устройство обеспечивает:

 

 

• управление, защиту и автоматизацию работы электропривода с трехфазным электронным электродвигателем;

• измерение, контроль и сигнализацию по параметрам состояния электродвигателя и электропривода в целом;

• измерение, контроль и сигнализацию по параметрам вспомогательного оборудования;

• хранение информации и ее передачу по телекоммуникационной сети;

• сбор информации о состоянии технологического объекта управления с возможностью считывания данных;

• обработку входных аналоговых и дискретных сигналов и данных;

• формирование выходных дискретных сигналов и данных в соответствии с алгоритмом управления;

• возможность ввода параметров технологического процесса;

• работу в наладочном и автоматическом режимах;

• возможность связи с компьютером верхнего уровня по интерфейсной сети.

Несколько лет назад получила «право на жизнь» другая схема автоматизированного устройства для асинхронного электродвигателя, описанная в [1] и приведенная на рис. 4, где представлено устройство диагностирования состояния двигателя. Рассмотрим вопрос разработки комплексной системы, включающей все перечисленные функции и имеющей единую элементную базу и общее программное обеспечение, что вполне реализуемо, поскольку одна система дополняет другую как в части информационных, так и в части программных модулей, корректировка которых при их синтезе может быть обеспечена.

 

 

При синтезе систем, представленных на рис. 3 и 4, следует иметь в виду существенно возрастающую в этом случае роль параметра «текущее время» и сигналов «включено», «выключено» коммутационной аппаратуры. Подобный параметр и сигналы необходимы и при решении задач коммерческого (или технического) учета энергии, и при отслеживании времени работы электродвигателя, что важно при расчете срока его службы и других диагностируемых показателей. В электронном счетчике имеется возможность корректировать часы по сигналу точного времени и фиксировать факт перерыва подачи электроэнергии и включения нагрузки в сеть. Это поспособствует созданию достаточно универсальной АСУЭ электродвигателя как единичной и оптимизируемой нагрузки по ряду важных параметров.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Информационное обеспечение процессов автоматизации технологических процессов в агроэнергетике для создания функционально достаточных АСУЭ представляет собой сегодня наборы разрозненных технических и программных решений из-за отсутствия постановки задачи по созданию единых комплексов АСУЭ как по производствам, так и по отдельным энергопотребляющим объектам и установкам.

Для разработки АСУЭ объектов и производств агропрома необходимо проведение анализа соответствующих разрозненных модулей АСУЭ для технологических процессов и разработка на его основе комплексных АСУЭ, обеспечивающих оптимальное управление технологическими процессами, диагностику оборудования, цифровую релейную защиту, ведение единой информационной базы, решение задач метрологического обеспечения с учетом существенного роста числа и мощности потребителей с нелинейными вольт-амперными характеристиками.

Анализ зарубежного опыта по разработке новых датчиков и их систем показывает, что в ближайшем будущем в производстве можно ожидать появления ряда разработок, основанных на новых принципах получения сигналов об измеряемых величинах. Поскольку их стоимость постоянно уменьшается, это существенно сократит срок окупаемости комплексных АСУЭ.

Существенный рост числа и мощности потребителей энергии с нелинейными вольт-амперными характеристиками обусловил изменение требований к метрологической аттестации систем АСУЭ. В связи с этим появилась необходимость моделирования нагрузок и, соответственно, проведение коррекции результатов измерений, полученных от датчиков, в частности от датчиков тока. Выполненные для этого методики требуют рассмотрения и получения разрешения на применение.

Рассмотренный в статье пример возможного синтеза двух самостоятельных работ, касающихся устройств управления и защиты электродвигателя и диагностики его состояния, показал, что эта возможность реализуема. Подобные примеры не единичны, поэтому синтез разрозненных АСУЭ в агроэнергетике оправдан и имеет хорошие перспективы.

 

Евгений ЗАБЕЛЛО,
доктор технических наук, профессор,
Владимир ДАЙНЕКО,
кандидат технических наук, доцент,
Виталий БУЛАХ,
инженер,
Валерий ЕПИФАНОВ,
аспирант, БГАТУ

 

(Статья поступила в редакцию 22.04.2015 г.)

 

Контакты

Беларусь: 220121, г. Минск
а/я 72
Тел.: +375 (17) 385-94-44,
385-96-66

Факс: +375 (17) 392-33-33
Gsm: +375 (29) 385-96-66 (Vel)

Е-mail: energopress@energetika.by
E-mail отдела рекламы:
reklama@energetika.by

© ОДО Энергопресс, 2003—2009. Все права защищены.
Мониторинг состояния сайта
Создание сайта Атлант Телеком