wstecz | dalej  

 Archiwum Process Control Club 2003, poz.23

 
 


Sterowniki programowalne firmy Modicon jako
regulatory napięcia i częstotliwości generatora synchronicznego małej mocy

 

Adrian NOCOŃ*, Roman JAKUBCZAK**
*Katedra Maszyn i Urządzeń Elektrycznych Politechniki Śląskiej
**Schneider Electric Polska Sp. z o.o.

 

Streszczenie. W artykule przedstawiono badania laboratoryjne prezentujące możliwości wykorzystania sterowników programowalnych PLC firmy Modicon (www.schneiderautomation.com, www.schneider-electric.pl) w zamkniętych układach regulacji na przykładzie układu regulacji napięcia i częstotliwości generatora synchronicznego małej mocy pracującego samotnie.


SPIS TREŚCI

1. Wprowadzenie
2. Sterowniki programowalne firmy Modicon TSX MICRO (TSX3722) i TSX PREMIUM (PMX57102)
3. Opis stanowiska laboratoryjnego do badań sterowników
4. Przykładowe wyniki badań laboratoryjnych
5. Podsumowanie
Literatura


1. Wprowadzenie

     Sterowniki programowalne wyposażone w moduły analogowych wejść i wyjść są urządzeniami umożliwiającymi budowę dowolnych układów regulacji, zarówno klasycznych [3], [4] (wykorzystujących standardowe algorytmy regulatorów PID), jak i opartych o teorię logiki rozmytej [5].
     Prosta obsługa i programowanie sterowników pozwalają na zastosowanie ich we wszystkich dziedzinach przemysłu (regulacja, monitoring). Duże możliwości dostosowania i procedury dodatkowe, takie jak np. filtry, predestynują sterowniki w szczególności do zastosowania jako układy regulacji maszyn elektrycznych.
     W niniejszej pracy przedstawiono możliwości wykorzystania sterowników programowalnych jako regulatorów typu PI w układzie zamkniętym do regulacji napięcia i częstotliwości generatora synchronicznego małej mocy pracującego samotnie ([2]) i napędzanego obcowzbudnym silnikiem prądu stałego.


2. Sterowniki programowalne firmy Modicon TSX MICRO (TSX3722) i TSX PREMIUM (PMX57102)

     Do badań użyto sterowników: Modicon TSX3722 Micro (fot.1), będącego własnością Katedry Maszyn i Urządzeń Elektrycznych Politechniki Śląskiej w Gliwicach (www.polsl.gliwice.pl/~imue); sterownika Modicon Premium z procesorem TPMXP57102 (fot.2) udostępnionym przez Katowicki oddział firmy Schneider Electric (www.schneider-electric.pl).

Fot. 1

Fot. 2

Fot. 1. PLC klasy Micro

Fot. 2. PLC klasy Premium

     Aby sterownik PLC mógł spełniać rolę regulatora musi zostać wyposażony w moduły wejść i wyjść analogowych. W badanych sterownikach zamontowano następujące moduły (pełniejsze dane o prezentowanych sterownikach i ich wyposażeniu dodatkowym odszukać można na stronach producenta www.schneiderautomation.com lub www.schneider-electric.pl):

     Aby sterownik PLC mógł spełniać rolę regulatora musi zostać wyposażony w moduły wejść i wyjść analogowych. W badanych sterownikach zamontowano następujące moduły:

  • dla TSX3722 - AEZ801 (8 wejść napięciowych +/- 10V); ASZ401 (4 wyjścia napięciowe +/- 10V o obciążalności 30mA);

  • dla PMX57102 - AEY800 (8 wejść napięciowych +/- 10V); ASY401 (4 wyjścia napięciowe +/- 10V o obciążalności 30mA).

     Do sterowania napięciem (poprzez zmianę prądu wzbudzenia generatora) i częstotliwością (poprzez zmianę napięcia twornika silnika napędowego) zostały wykorzystane algorytmy regulatorów typu PID implementowane w badanych sterownikach.
     W sterowniku Micro algorytm regulatora typu PID uruchamiany jest poprzez wywołanie (blok operacji w tak zwanej „labelce”) funkcji PID (Rys. 1) o następującej składni:

PID('reg1', 'generator', %MW10, %MW11, %M10, %MW20:43)

gdzie:

'reg1' i 'generator' - 

opis funkcji (komentarz);

%MW10 - 

zmienna określająca wartość wejścia regulatora, sygnał sprzężenia zwrotnego;
%MW11 -  zmienna określająca wartość wyjścia;
%MW20:43 -  tablica określająca parametry regulatora, między innymi: TP - wzmocnienie części proporcjonalnej, TI - stała czasowa całkowania, TD - stała czasowa różniczkowania, SP - wartość zadana regulatora.

 Rys. 1
Rys. 1. Wywołanie algorytmu PID w sterowniku TSX Micro.

     Zmianę nastawień regulatora uzyskujemy poprzez umieszczenie w kodzie programu przypisania wartości danej zmiennej (np. %MW23:=10 - stała czasowa całkowania równa 10s). Zmiany takie można powiązać z określonymi przez programistę zdarzeniami.

Rys. 2
Rys. 2. Wywołanie algorytmu PID w sterowniku TSX Premium

    Oprogramowanie sterownika Premium zostało wyposażone w interfejs graficzny (Rys.2) pozwalający na konfiguracje regulatorów – tak zwany LOOP CONTROLLER. W module tym istnieje możliwość bezpośredniej zmiany nastawień regulatora przez wpisanie wartości w odpowiednie miejsce tabeli konfiguracyjnej. Ponadto interfejs umożliwia wybór dodatkowych funkcji przetwarzania sygnałów między innymi takich jak: ograniczania wartości, filtracja czy zmiana trybu pracy regulatora przy zmianach określonych wejść sterowania.
    Niezależnie od nastawień regulatora oprogramowanie pozwala na tak zwane forsowanie wyjścia (tzn. przerwania procesu regulacji i podania na wyjście regulatora zadanej wartości) i podgląd wartości wejść i wyjść oraz zmiany nastawień regulatora w trybie pracy „online”.
    Bardzo przydatną funkcją dostępną w sterowniku Premium jest symulator pracy regulatora. Pozwala on na sprawdzenie jak zachowa się wyjście przy narzuconej (wymuszonej przez programistę) wartości wejściowej.


3. Opis stanowiska laboratoryjnego do badań sterowników

     Stanowisko laboratoryjne (rys.3) składało się z zespołu prądotwórczego (o następujących danych znamionowych: prądnica synchroniczna -  Pn = 4 kW; Un = 400 V; In = 5.8 7.2 A; nn = 3000 obr/min; = 1 0.8; = 0.78; Ufn = 54 V; Ifn = 5.6 A; napędowy silnik obcowzbudny prądu stałego -  Pn = 5.5 kW; Un = 220 V; In = 29.6 A; nn = 3000 obr/min; Uwn = 180 V; Iwn = 0.936 A), dwóch sześciopulsowych prostowników sterowalnych wraz z układami wyzwalania bramkowego oraz sterownika programowalnego i komputera nadzorującego pracę całości układu.

Rys. 3
Rys. 3. Schemat ideowy stanowiska laboratoryjnego.

     Jako regulator napięcia generatora synchronicznego przyjęto pojedynczy regulator typu PI (PID przy zerowej stałej czasowej różniczkowania) z ograniczeniem wynikającym z maksymalnej wartości prądu wzbudzenia, o nastawieniach dobranych według optimum modułowego. Do regulacji prędkości obrotowej silnika napędowego (częstotliwości napięcia generatora) zastosowano kaskadowe połączenie dwóch regulatorów PI (podrzędny regulator prądu twornika i nadrzędny regulator prędkości obrotowej) o nastawieniach wynikających z optimum modułowego, dla regulatora prądu, oraz z optimum symetrii, dla regulatora prędkości.
     Badane sterowniki zostały zaprogramowane tak, aby oprócz jak najkrótszego czasu regulacji przy jak najmniejszych przeregulowaniach, zachodziło ([1]):

  • ograniczanie maksymalnej wartości prądu i napięcia generatora synchronicznego (zabezpieczenie przed przegrzaniem uzwojenia i uszkodzeniem jego izolacji);

  • ograniczanie maksymalnej wartości prądu wzbudzenia generatora;

  • blokowanie zasilania twornika silnika napędowego przy braku jego wzbudzenia (zabezpieczenie przed rozbiegnięciem się silnika);

  • blokowanie zasilania uzwojenia wzbudzenia generatora przy niskiej prędkości obrotowej (uwzględnienie spadku wydajności chłodzenia uzwojenia wzbudzenia generatora).

     Wszystkie powyższe ograniczenia zostały zrealizowane przez zastosowanie zmiennych pomocniczych przechowujących bit błędu (wartość 1 gdy zachodzi warunek ograniczenia, np. %M1 = 1 gdy Itg > Itg dop ), blokujący lub ograniczający wartość napięcia sterowania prostowników tyrystorowych.
     Do rejestracji wykorzystano cyfrowy oscyloskop Tektronix wraz z układem separującym (prądowe i napięciowe przetworniki LEM).
     Do oprogramowania badanych sterowników użyto programu PL7 PRO V3.4.


4. Przykładowe wyniki badań laboratoryjnych

     W trakcie badań laboratoryjnych przeprowadzono pomiary dla następujących stanów przejściowych zespołu prądotwórczego:

  • rozruch i zatrzymanie zespołu prądotwórczego, bez obciążenia;

  • zmiana wartości zadanej napięcia twornika generatora, zmiana częstotliwości zadanej generatora (zmiana wartości zadanej prędkości obrotowej silnika);

  • zmiana obciążenia zespołu.

Wybrane przykładowe przebiegi, dla stanów dynamicznych generatora, przedstawiono na rys. 4 i 5.

Rys. 4
Rys. 4. Przebieg napięcia twornika (Ut) i prądu wzbudzenia generatora (If)
w czasie skokowej zmiany napięcia zadanego zespołu.

 

   Rys. 5
Rys. 5. Przebieg napięcia twornika (Ut) i prądu wzbudzenia generatora (If)
w czasie załączenia obciążenia zespołu.


5. Podsumowanie

     Zastosowanie modułów wejść i wyjść analogowych w sterownikach programowalnych umożliwia wykorzystanie ich jako regulatorów wielkości elektrycznych (prąd, napięcie) i nieelektrycznych (temperatura, wilgotność). Niewielkie gabaryty, budowa modułowa (prosta rozbudowa), „przyjazne” oprogramowanie, obsługa wejść i wyjść cyfrowych (dwustanowych) stwarzają ogromne możliwości do konstrukcji dowolnie skomplikowanych układów regulacji.
     W przypadku umieszczenia bloku PID w zadaniu głównym procesora (MAST-Task) cykl sterownika (czas niezbędny do wykonania programu ) trwa od 10 do 50ms co zasadniczo ogranicza możliwość zastosowanie sterowników klasy MICRO dla obiektów dynamicznych o małych stałych czasowych (np. małej mocy silniki elektryczne). Przy ostrzejszych wymaganiach czasowych, blok PID można umieścić w zadaniu „FAST” sterownika, co przy odpowiednio szybkich kanałach analogowych (posiada je sterownik klasy Premium) daje duże możliwości w regulacji procesów o dużej dynamice. Dla bardzo dużych wymagań co do dynamiki i dokładności np. pozycjonowania – rozwiązaniem może być sterownik Modicon TSX Premium z modułami pozycjonującymi. Moduły te (z ang. motion control modules) posiadają własne szybkie układy regulacji, które pracują niezależnie od cyklu procesora PLC. 
     Jednakże wyniki badań dowiodły, że jest możliwe „poprawne” sterowanie zespołem prądotwórczym o mocy rzędu kilku kilowatów. Dlatego nie widać przeszkód w zastosowaniu sterowników do nadzoru, a przede wszystkim do regulacji napięcia i częstotliwości (obrotów silnika napędowego) w dużych zespołach prądotwórczych pracujących jako awaryjne lub autonomiczne źródła zasilania. Przy niskiej cenie najmniejszych rodzajów sterowników nie jest opłacalne projektowanie i budowanie specjalistycznych układów regulacji generatorów synchronicznych, co jest obecnie regułą w firmach produkujących agregaty prądotwórcze.
     W trakcie badań laboratoryjnych nie zaobserwowano różnic pomiędzy działaniem algorytmu PID w sterownikach Micro i Premium. Największą różnicę stanowi jednak oprogramowanie dla poszczególnych sterowników. Konieczność określania parametrów pracy regulatora za pośrednictwem zmiennych jest uciążliwa, ale nie stanowi problemu dla programisty choć trochę znającego zasady programowania sterowników PLC. Sytuacja taka ma miejsce w oprogramowaniu sterownika TSX37 Micro. Odmienna sytuacja występuje w sterowniku Premium, w którym wygodny graficzny interfejs użytkownika pozwala na szybkie i „przyjemne” oprogramowanie regulatora.


Literatura

[1] Cholewa S., Janson Z.: Nowoczesne układy wzbudzenia i regulacji napięcia generatorów synchronicznych, Wiadomości elektrotechniczne, 2000/4, s. 197-201.
[2] Hu Y., Cirstea M., McCormick M., Haydock L.: Modelling and simulation of a variable speed stand-alone generator system, Power Electronics and Variable Speed Drives, September 2000, s. 372-377.
[3] Jammes A.: Intelligent LV switchboards, Publikacje Techniczne Schneider Electric, 1997.

[4]

Logiaco S.: Electrical installation dependability studies, Publikacje Techniczne Schneider Electric, 1997.

[5]

Nocoń A.: Sterownik programowalny TSX378 Micro jako rozmyty regulator napięcia generatora synchronicznego małej mocy, ZN Pol. Śl. Elektryka z.177, s.227-232.
[6] Dokumentacja techniczna sterownika TSX 37 05 / 37 08 / 37 10 / 37 20.
[7] Dokumentacja techniczna sterownika TSX 57 / PMX 57 / PCX 57.
[8] Dokumentacja techniczna oprogramowania PL7 Micro/Junior/Pro/Pro Dyn (Version V3).
[9] Dokumentacja techniczna oprogramowania PL7 FUZ.