» » » Интерфейс преобразователей частоты и его взаимодействие с автоматикой насосных установок

Интерфейс преобразователей частоты и его взаимодействие с автоматикой насосных установок

26.04.2013

Использование преобразователей частоты для регулирования производительности и энергоэффективности насосных установок в настоящее время получило широкое распространение. Обеспечение качественным водоснабжением промышленных предприятий, административных и жилых зданий реализуется устройствами автоматизации различного уровня. При этом преобразователи частоты, которые используются в системах водоснабжения, должны иметь интерфейсы взаимосвязи с управляющей автоматикой, реализованные с использованием дискретных, аналоговых и цифровых каналов передачи данных.


Дискретное управление преобразователем частоты насосной установки

Простейшим интерфейсом, которым можно реализовать управление преобразователем частоты насосной установки, являются дискретные входы/выходы.

Дискретные входы у преобразователей частоты предназначены для подачи команд пуска и останова двигателя, изменения режимов работы преобразователя, переключения на работу с фиксированными скоростями вращения, плавного регулирования скорости насоса.

К дискретным выходам преобразователя частоты относятся релейные и транзисторные выходы, предназначенные для выдачи логических сигналов о неисправности преобразователя, достижении заданной частоты, достижении предела по току, подачи команды для включения дополнительных нерегулируемых насосов.

Большинство простейших задач управления насосами вполне могут быть решены с применением только дискретных управляющих сигналов. Так, например, система поддержания уровня с применением поплавковых датчиков верхнего, нижнего и аварийного уровней, а также элементов сигнализации о переливе либо сухом ходе насоса решается с помощью простейшего преобразователя частоты Lenze серии ESMD.

Схематический вид установки для подкачки воды в бак представлен на рисунке:

image

Схема подключения поплавковых датчиков SQ1..SQ3 к преобразователю имеет вид:

image

Здесь:

  • SQ1 – датчик нижнего уровня;
  • SQ2 – датчик верхнего уровня;
  • SQ3 – датчик «перелива»;
  • SB1 – кнопка сброса ошибки оператором;
  • М1 — электродвигатель насоса;
  • QF1 – автоматический выключатель для защиты преобразователя.

Кнопки «ПУСК», «СТОП», устройство сигнализации об аварии и силовой контактор на схеме не указаны.

Обратите внимание, что поплавковые датчики SQ2, SQ3 необходимо установить таким образом, чтобы по достижению уровня воды контакт датчика размыкался!

Размыкание цепи датчика SQ3 расценивается преобразователем как авария, и он останавливает двигатель в режиме свободного выбега.

Особенностью работы с дискретными входами частотного преобразователя является то, что входы могут конфигурироваться для выполнения различных функций с помощью изменения значений соответствующих параметров. В случае использования преобразователя частоты Lenze серии ESMD параметры, определяющие функции дискретных входов представлены в таблице:

Код Параметр Конфигурация
Заводская Возможные варианты
CE1 Функция дискретного входа Е1 1 1 – фиксированная скорость 1
2 – фиксированная скорость 2
3 – динамическое торможение
4 – направление вращения
5 – быстрый останов
6 – вращение по часовой стрелке
7 – вращение против часовой стрелки
8 – UP (увеличение значения уставки)
9 – DОWN (уменьшение значения уставки)
10 – установка сигнала «Авария»
11 – сброс сигнала «Авария»
12 – Ускорение / замедление 2
13 – Деактивация ПИ-регулятора
14 – фиксированная скорость 1 c ПИ-регулятором
15 – фиксированная скорость 2 c ПИ-регулятором
CE2 Функция дискретного входа Е2 4
CE3 Функция дискретного входа Е3 3

Для реализации управления насосом необходимо произвести программное конфигурирование преобразователя под конкретную задачу. Для предложенной схемы конфигурация параметров СЕ1..СЕ3 должна быть следующей:

№ параметра Значение Назначение Примечание
СЕ1 10 Установка сигнала «Авария» При срабатывании датчика SQ3 преобразователь останавливается по внешней ошибке
СЕ2 8 Увеличение значения уставки Увеличивается значение уставки «электронного потенциометра»
СЕ3 9 Уменьшение значения уставки Увеличивается значение уставки «электронного потенциометра»

«Электронный потенциометр» — функция плавного изменения уставки задания скорости вращения с помощью дискретных входов. Его логика при управлении насосом для данной схемы заключается в следующем:

  • при разомкнутом SQ1 поплавковом выключателе и замкнутом SQ2 двигатель разгоняется до своей максимальной скорости;
  • при замыкании датчика SQ1 скорость двигателя остается максимальной;
  • при размыкании датчика SQ2 скорость двигателя уменьшается до нуля;
  • при замыкании датчика SQ2 скорость двигателя остается нулевой;
  • при размыкании SQ1 двигатель снова разгоняется до максимальной скорости и цикл повторяется.

Аналогичным образом конфигурируются и дискретные выходы преобразователя частоты.

Обратите внимание, что несрабатывание реле может быть вызвано в первую очередь неправильным конфигурированием преобразователя!

В преобразователе частоты Lenze серии ESMD функция релейного выхода определяется параметром С08 согласно таблице:

Код Параметр Конфигурация
Заводская Возможные варианты
C08 Конфигурация релейного выхода 1 0 – готовность преобразователя
1 – неисправность
2 – двигатель вращается
3 – двигатель вращается по ч.с.
4 – двигатель вращается против ч.с.
5 – выходная частота = 0 Гц
6 – вышел на заданную частоту
7 – превышение порога fmin
8 – достижение токового предела
9 – Сигнал обратной связи находится в пределах min/max
10 – Сигнал обратной связи находится в пределах min/max

Еще следует отметить, что в преобразователях частоты чаще всего контакты релейного выхода не имеют потенциала, то есть являются сигналом типа «сухой контакт». Для коммутации нагрузки либо элементов сигнализации необходимо использовать внешний источник электропитания.

Схема включения световой сигнализации при переливе для предыдущего примера имеет вид:

image

HL1 – устройство световой сигнализации.

При переходе преобразователя частоты в состояние «Авария» реле замыкается и включается лампа аварийной сигнализации. Отключение сигнализации возможно при:

  • отключении/включении силового питания преобразователя;
  • сбросе состояния «Авария» с помощью программируемого дискретного входа;
  • снятии разрешения работы преобразователя.

Для конфигурирования реле преобразователя частоты на выдачу сигнала неисправности необходимо установить значение параметра «С08» равным единице.

Таким образом, с использованием дискретных сигналов позволяет реализовать:

  • управление логикой работы преобразователя;
  • плавное изменение скорости вращения электродвигателя;
  • выдача сигнала об аварийной ситуации в системе.

Для плавного регулирования скорости в системе с внешним регулятором технологического процесса, выдачи сигналов о текущей скорости и загрузке преобразователя необходимо использовать еще и аналоговые сигналы.


Аналоговое управление преобразователем частоты насосной установки

Для более сложных задач управления насосами, взаимосвязанной их работы, точного поддержания технологического параметра (давления, расхода, уровня) необходимо использовать аналоговые сигналы по току и напряжению. Типовыми аналоговыми сигналами, используемыми в преобразователях частоты насосных установок, являются сигналы по напряжению 1..5В, 0..10В и току 4..20мА.

Они поступают на преобразователь частоты с датчиков давления, расхода, внешних технологических контроллеров. Здесь следует отметить, что для передачи сигналов от датчиков давления и расхода в основном используется токовый сигнал 4..20мА. Этот сигнал менее чувствителен к помехам, что позволяет расположить датчик технологического параметра удаленно от шкафа управления с преобразователем частоты. В то же время контроллер чаще всего расположен рядом с преобразователем частоты, что позволяет использовать сигналы по напряжению без помех.


Потенциометр как источник аналогового задания скорости вращения электродвигателя

В ряде случаев для простого управления производительностью насоса используется потенциометр, конструктивно расположенный на лицевой панели блока управления.

Любопытной особенностью применения потенциометра для задания скорости вращения является то, что конечный потребитель часто сталкивается с проблемой выбора номинального сопротивления. Дело в том, что для большинства преобразователей частоты значение подключаемого потенциометра находится в достаточно широких пределах и составляет 1..10кОм. При величине опорного напряжения 5В значение тока, протекающего через потенциометр, лежит в пределах 0,5..5мА.

В этом случае выбор рекомендуемого сопротивления определится удаленностью потенциометра от преобразователя частоты. Дело в том, что при использовании потенциометра с большим сопротивлением по сигнальному проводу будет протекать меньший ток, иногда соизмеримый с токами помех. Такое подключение возможно при установке потенциометра в том же блоке управления, что и преобразователем частоты. Во всех остальных случаях рекомендуется подключение потенциометра с меньшим сопротивлением. Следует помнить, что сигнальные провода от потенциометра должны прокладываться отдельно от силовых проводов электропитания для исключения влияния электромагнитных помех.

Использование потенциометра как источника задания скорости вращения насоса является крайне редким. Чаще всего с его помощью задается уставка по давлению, а стабилизация давления реализуется внутренним программным ПИД – регулятором преобразователя частоты. Подключение датчика давления при этом осуществляется на другой аналоговый вход преобразователя частоты.

Здесь вступает в силу одно из ограничений применения многих преобразователей частоты для насосных систем – при необходимости регулирования уставки давления от потенциометра необходимо использовать преобразователь частоты с двумя аналоговыми входами.

При этом схема подключений управляющих аналоговых сигналов на примере преобразователя частоты Lenze серии ESV имеет вид:

image

Здесь PR1 –задающий потенциометр сопротивлением 1..10кОм; PD1 – датчик относительного давления Kobold с аналоговым выходным сигналом 4..20мА. Перемычка между клеммами 1 и 4 определяет разрешение работы преобразователя, перемычка между клеммами 1 и 13А – включение программного ПИД – регулятора давления.

Для реализации управления насосом необходимо произвести программное конфигурирование преобразователя под конкретную задачу. Для предложенной схемы конфигурация параметров должна быть следующей:

№ параметра Описание Значение Примечание
Р100 Источник команды пуска 1 Управление с клеммной колодки
Р101 Стандартный источник задающей уставки 1 0-10 В постоянного тока (при предложенном подключении сигнал с потенциометра)
Р102 Минимальная частота вращения 20.0 Адаптировать к процессу с учетом ограничений*
Р103 Максимальная частота вращения 50.0
Р104 Время разгона 5.0 Адаптировать к процессу
Р105 Время торможения 5.0
Р110 Способ пуска 1 Пуск при подаче питания
Р121 Функция входа ТВ-13А 1 Включен режим ПИД – регулирования с заданием технологического параметра от входа 0..10 В
Р200 Режим ПИД — регулирования 1 Включен по логике «нагревателя»
Р201 Источник обратной связи ПИД — регулятора 0 Датчик давления подключен ко входу 4..20 мА
Р207 Пропорциональная составляющая ПИД – регулятора 5.0 Адаптировать к процессу
Р208 Интегральная составляющая ПИД – регулятора 0.0
Р209 Дифференциальная составляющая ПИД – регулятора 0.0

*) – при установлении малой частоты вращения, насос не создает давления, а лишь потребляет электроэнергию;
 — при установлении частоты вращения насоса выше номинальной двигатель будет перегреваться.

Остальные параметры соответствуют заводским настройкам и могут быть скорректированы специалистом для оптимальной работы с конкретным двигателем и механизмом.

Разумеется, представленная схема не содержит большого количества элементов, дополнительно использующихся для управления насосами. Так, устройство управления насосом дополнительно содержит контакторы для прямого пуска насоса в случае неисправности преобразователя, переключатель режимов работы «автоматический/ручной», индикаторы наличия электропитания и работоспособности преобразователя.


Использование аналоговых выходов преобразователя

Для индикации работы преобразователя и его согласованной работы в технологическом процессе используются аналоговые выходы преобразователя. При этом сигнал на выходе будет пропорционален сигналу, определяемом при параметризации преобразователя. Так, например, для преобразователя частоты Lenze серии ESV аналоговый выход (клемма 30) может быть сконфигурирован параметром Р150.

Аналоговые выходы преобразователя могут использоваться для пропорционального управления исполнительными механизмами, дополнительным оборудованием, другими преобразователями частоты. Одним из вариантов такого подхода является управление несколькими преобразователями частоты насосов, работающими на одну гидравлическую сеть. При этом высокие требования к точности передачи сигнала по скорости отсутствуют, то есть использование аналогового сигнала будет вполне оправдано.

Схема подключения ведущего и ведомого преобразователей частоты имеет вид:

image

Здесь UZ1 – преобразователь частоты ведущего насоса, UZ2 – преобразователь частоты ведомого насоса.

Также аналоговые выходы преобразователя могут использоваться для индикации параметров работы электродвигателя, в частности его скорости, нагрузки, потребляемой мощности. Часто преобразователь частоты устанавливается внутрь электромонтажного ящика для защиты преобразователя от пыли и влаги, соблюдения условий электробезопасности, защиты от механических повреждений. При этом панель индикации самого преобразователя оказывается закрытой от пользователя и возникает необходимость использования выносного пульта управления либо панели оператора, устанавливаемой на лицевую панель электромонтажного ящика.

image

В то же время для большинства применений достаточно индикации только одного из рабочих параметров, например скорости вращения либо нагрузки. В этом случае может использоваться аналоговый выход преобразователя, к которому подключается измерительный прибор с соответствующим входом. Преимуществом такого подхода является возможность масштабирования сигнала преобразователя в единицах пользователя на цифровом измерительном приборе. Так, к примеру, сигнал по нагрузке либо скорости преобразователя может быть переведен в килограммы, метры, бары либо другие единицы измерения, отображаемые на дисплее.

Пример подключения аналогового выхода преобразователя к измерительному прибору с аналоговым входом 0..10В от компании Autonics MT4W-DV-4x представлен на схеме:

image


Частотный вход управления преобразователем частоты

Используется для управления преобразователем частоты от внешнего программируемого логического контроллера. В системах автоматики насосных установок практически не используется, так как имеется только в высокоточных и дорогих преобразователях, рекомендуемых к использованию в других приводных задачах. В редких случаях, когда контролируется расход воды, к частотному входу преобразователя частоты подключается импульсный выход датчика расхода.

image


Управление по последовательному интерфейсу

Если необходимо реализовать управление от внешнего контроллера несколькими преобразователями частоты, расположенных на удалении друг от друга, то оптимальным решением является передача управляющих сигналов по последовательному интерфейсу. По этому же интерфейсу возможна передача данных о текущем состоянии преобразователя, параметрах его работы.

При этом если выбранный интерфейс поддерживает шинную топологию, то значительно сокращается число проводов для передачи данных.

Основные последовательные интерфейсы и протоколы, реализованные в преобразователях частоты:

Интерфейс Протокол
RS485 Modbus RTU
Profibus DP
CANbus CANopen
DeviceNet

Для управления преобразователями частоты насосных установок в основном используется Modbus RTU с передачей данных по интерфейсу RS485 вследствие своей простоты, доступности и простоты реализации.

Modbus RTU – это протокол, в котором реализован один «мастер», то есть одно устройство опрашивает остальные приборы. В системах насосной автоматики таким устройством выступает внешний программируемый логический контроллер.

При управлении по Modbus RTU на преобразователь передаются «командное слово» и «задание скорости», а с преобразователя читаются «слово состояния» и «текущая скорость». В командном слове установкой соответствующих битов реализуется полное управление логикой работы преобразователя.

Особенностью Modbus RTU является то, что регистры памяти, в которые необходимо передавать «командное слово» и «задание скорости» имеют разные адреса для различных серий преобразователей частоты. Поэтому, к существенным недостаткам управления по последовательному интерфейсу, является невозможность замены отказавшего преобразователя новым, аналогичным по техническим характеристикам, также содержащим Modbus RTU, но другого производителя либо другой серии.

Еще одной особенностью управления по последовательному интерфейсу является сложность реализации местного управления. Дело в том, что чаще контроллер, управляющий автоматикой насосных установок, расположен далеко от преобразователя частоты. При аварийном отключении одного преобразователя частоты контроллер индицирует тайм-аут передачи данных и может уйти в ошибку, индицируя об обрыве последовательного интерфейса.

Поэтому используются два основных подхода при реализации переключения между дистанционным управлением по последовательному интерфейсу и местным от потенциометра:

  • Переход в режим местного управления осуществляется контроллером путем посылки бита, разрешающего работу от местного задания скорости.
  • Отключается управление по сети с помощью дискретного входа самого преобразователя частоты. При этом в соответствующий бит «слова статуса» преобразователь устанавливает единицу.

Схема подключения преобразователя частоты при первом подходе не имеет существенных особенностей, так как переключение управляющих сигналов реализуется программно.

Второй подход рассмотрим подробно на примере работы с преобразователем частоты Lenze серии ESV.

image

SA1 – тумблер переключения режимов работы «Автоматический/ручной».

Для предложенной схемы конфигурация параметров должна быть следующей:

№ параметра Описание Значение Примечание
Р100 Источник команды пуска 1 Управление с клеммной колодки
Р101 Стандартный источник задающей уставки 1 0-10 В постоянного тока (при предложенном подключении сигнал с потенциометра)
Р102 Минимальная частота вращения 20.0 Адаптировать к процессу с учетом ограничений*
Р103 Максимальная частота вращения 50.0
Р104 Время разгона 5.0 Адаптировать к процессу
Р105 Время торможения 5.0
Р110 Способ пуска 1 Пуск при подаче питания
Р121 Функция входа ТВ-13А 7 Управление скоростью двигателя по сети
Р122 Функция входа ТВ-13B 1 Управление запуском двигателя по сети

При размыкании оператором SA1 управление преобразователем по сети полностью отключается, и привод переходит в режим управления от потенциометра. При этом преобразователь в регистр «слова состояния» устанавливает бит, сигнализирующий о том, что управление по сети отключено. Внешний контроллер должен среагировать соответствующим образом, то есть прекратить передачу управляющих команд на преобразователь частоты и только следить за текущим «словом состоянии».


Комплексное управление преобразователем частоты

Из предыдущих схем следует, что управление преобразователем может быть успешно реализовано с использованием комбинации дискретных, аналоговых и цифровых сигналов. При этом достигается полная управляемость процессом за счет простого переключения режимов работы преобразователя, возможности точного и плавного регулирования скорости от внешнего управляющего устройства, коррекции параметров преобразователя в процессе работы.

Разработчику систем автоматизации насосных установок приходится выбирать, каким образом будет осуществляться управление преобразователем, как будут индицироваться сообщения о неисправности системы, какие функции будут доступны оператору в режиме ручного управления. Для этого он должен определиться с ответами на следующие вопросы.

Вопрос 1. Имеется ли внешний программируемый логический контроллер с интерфейсом RS485, на котором можно реализовать управление несколькими преобразователями частоты?

В случае положительного ответа очевидным становится преимущество использования цифровой передачи данных как для управления преобразователем, так и для анализа его состояния. Индикацию состояния преобразователя можно представить на панели оператора, расположенной рядом с контроллером. В блоке управления достаточно установить индикатор наличия питания, индикатор работоспособности преобразователя и двигателя, а также тумблера для перевода преобразователя в режим ручного управления и запуска для работы с фиксированной скоростью.

Вопрос 2. Имеются ли у преобразователя более одного аналогового входа?

Очевидно, что при регулировании давления датчик с аналоговым выходом подключается к аналоговому входу преобразователя. Если у преобразователя нет второго аналогового входа, то управление им можно реализовать только с помощью дискретных входов, либо последовательного интерфейса.

Вопрос 3. Используется ли в системе датчик технологического параметра с аналоговым выходом?

Часто при управлении насосами достаточно использовать датчики уровня и давления с дискретным выходом. При этом также отпадает необходимость плавного задания установки с помощью последовательного интерфейса либо потенциометра. Чаще всего работа преобразователя частоты осуществляется на фиксированных скоростях, определяемых при наладке системы и изредка корректируемых оператором в процессе эксплуатации.

Вышеперечисленные вопросы и ответы далеко не в полной мере позволяют определить необходимость использования дискретных, аналоговых либо цифровых сигналов управления и контроля, однако могут существенно упростить процедуру выбора проектировщиком способа управления преобразователями частоты насосных установок.