Устройство для плавного пуска группы электродвигателей

Изобретение относится к области электротехники, а именно к системам управления, и может быть использовано для управления группой электродвигателей в насосных и компрессорных станциях на магистральных газонефтепроводах, на машиностроительных, металлургических и др. предприятиях. Техническим результатом является повышение помехозащищенности, надежности, расширение функциональных возможностей, снижение трудоемкости и стоимости устройства. В устройстве для плавного пуска группы электродвигателей установлены программируемые логические микроконтроллеры, оснащенные аппаратными устройствами ретрансляции сигналов и наделенные функцией самодиагностики в ячейках, в шкафах с контрольно-измерительными приборами и автоматикой четырех агрегатов (КИПиА), территориально распределенных. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к системам управления, и может быть использовано для управления группой электродвигателей в насосных и компрессорных станциях на магистральных газонефтепроводах, на машиностроительных, металлургических и др. предприятиях.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения, принятым за прототип, является устройство для плавного пуска группы электродвигателей серии УБПВД-В (каталог «Электроприводная техника» ABS Holdings, сентябрь 2007 г.). Устройство (на фиг.1 показана однолинейная схема устройства) содержит рабочие ячейки 1, подключенные к приводным электродвигателям агрегатов 5, головную ячейку 2, блоки силовых ключей 3, пусковые ячейки 4, систему управления силовыми ключами 6, технологический контроллер 7, шкафы с контрольно-измерительными приборами и автоматикой четырех агрегатов (далее шкафы КИПиА) 8; систему управления верхнего уровня (АСУ ТП) 9; кабели управления 10, выполненные из проводов, при этом ячейки 1, 2, 4 оснащены выключателями.

Технологический контроллер 7 осуществляет управление поочередным пуском одного из приводных электродвигателей агрегатов 5. Для этого технологический контроллер 7 опрашивает состояние всех основных элементов устройства 1-6, 8 и в случае исправности дает команды на включение выключателей в головной 2 и в соответствующей пусковой 4 ячейках. Затем технологический контроллер 7 посылает сигнал - команду на включение блоков силовых ключей 3. Система управления силовыми ключами 6 плавно увеличивает угол отпирания силовых ключей 3, осуществляя плавный безударный пуск одного из приводных электродвигателей агрегатов 5. При достижении одним из приводных электродвигателей агрегатов 5 синхронной скорости технологический контроллер 7 включает выключатель в соответствующей рабочей ячейке 1, переводя питание электродвигателя на питание от сети. Затем технологический контроллер 7 отключает блоки силовых ключей 3, головную 2 и пусковую 4 ячейки. Аналогичным образом осуществляется пуск остальных электродвигателей. Связь технологического контроллера 7 с выключателями в головной 2, рабочих 1 и пусковых 4 ячейках со шкафами КИПиА 8 осуществляется по проводным кабелям управления 10, содержащим в среднем 14 проводов в одном кабеле. Связь системы управления силовыми ключами 6 с каждым блоком силовых ключей 3 также осуществляется по проводным кабелям.

Недостатками данного устройства являются:

- низкая помехозащищенность, обусловленная применением проводных кабелей, где в одном кабеле одновременно протекают слаботочные сигналы (10-20 мА) на входы технологического контроллера и сигналы с выходов контроллера на включение выключателей. Последние из указанных сигналов могут быть значительными, например, с выключателями типа ВБЭМ-10-20 могут достигать 40-80 А. Кроме того, магнитные поля силовых кабелей с напряжением 6 или 10 кВ, проходящих рядом в кабельных каналах или по кабельным лоткам, также создают большие электромагнитные наводки на кабелях управления;

- низкая надежность, обусловленная большим количеством соединений, сосредоточенных в одном месте, так как разъемы в шкафу контроллера содержат большое количество рядом расположенных контактов силовых и сигнальных цепей.

- сложность и высокая трудоемкость устройства, обусловленные использованием большого количества проводных кабелей, их прокладкой и проверкой правильности их подключения.

Технический результат заявляемого устройства - повышение помехозащищенности, надежности, расширение функциональных возможностей, снижение трудоемкости и стоимости устройства.

Технический результат достигается тем, что в устройство для плавного пуска группы электродвигателей, содержащее головную, рабочие, пусковые ячейки, каждая из которых оснащена выключателями, блоки силовых ключей по числу фаз электродвигателя, приводные электродвигатели агрегатов, систему управления силовыми ключами, соединенную с технологическим контроллером, систему управления верхнего уровня, шкафы с контрольно-измерительными приборами и автоматикой агрегатов, кабели управления, введены в головную, пусковые и рабочие ячейки, блоки силовых ключей, шкафы с контрольно-измерительными приборами и автоматикой четырех агрегатов программируемые логические микроконтроллеры, входы связи программируемых логических микроконтроллеров, расположенных в ячейках и в шкафах с контрольно-измерительными приборами и автоматикой четырех агрегатов соединены между собой и с технологическим контроллером по линейной схеме «кольцо», причем логические входы и выходы программируемых логических микроконтроллеров, расположенных в головной, рабочих и пусковых ячейках, предназначены для соединения с выключателями. Входы связи программируемых логических микроконтроллеров, расположенных в блоках силовых ключей, соединены с системой управления силовыми ключами, по крайней мере, по схеме «звезда». Кабели управления выполнены, по крайней мере, оптоволоконными. Программируемые логические микроконтроллеры, расположенные в ячейках и в шкафах с контрольно-измерительными приборами и автоматикой четырех агрегатов, содержат устройство ретрансляции сигналов технологического контроллера. Программируемые логические микроконтроллеры, расположенные в блоках силовых ключей, содержат электронные ключи для формирования формы управляющих импульсов силовых ключей. Программируемые логические микроконтроллеры в блоках силовых ключей содержат оптические входы приема сигналов о состоянии силовых ключей. Программируемые логические микроконтроллеры, расположенные в ячейках и в шкафах с контрольно-измерительными приборами и автоматикой четырех агрегатов, содержат дополнительное устройство ретрансляции сигналов технологического контроллера, обеспечивающее резервное соединение по линейной схеме «кольцо, проложенное в обратном направлении, встречно первому.

Сущность заявляемого технического решения заключается в установке программируемых логических микроконтроллеров, оснащенных аппаратными устройствами ретрансляции сигналов и наделенных функцией самодиагностики в ячейках, в шкафах с контрольно-измерительными приборами и автоматикой, территориально распределенных по объекту. Кабели управления выполнены оптоволоконными.

На фиг.2 представлена принципиальная схема устройства, где приняты следующие обозначения:

1 - рабочие ячейки;

2 - головная ячейка;

3 - блоки силовых ключей;

4 - пусковые ячейки;

5 - приводные электродвигатели агрегатов;

6 - система управления силовыми ключами;

7 - технологический контроллер;

8 - шкафы с контрольно-измерительными приборами и автоматикой четырех агрегатов (далее шкафы КИПиА);

9 - система управления верхнего уровня (далее АСУ ТП);

10 - кабели управления, по крайней мере, выполненные оптоволоконными;

11 - программируемые логические микроконтроллеры (далее ПЛК).

Устройство для плавного пуска группы электродвигателей содержит рабочие ячейки 1, головную ячейку 2, подключенные входами к питающей сети, блоки силовых ключей 3, расположенные между выходами головной ячейки 2 и входами пусковых ячеек 4, приводные электродвигатели агрегатов 5, подсоединенные к выходам соответствующих рабочих ячеек 1 и пусковых ячеек 4, систему управления силовыми ключами 6, расположенную между блоками силовых ключей 3 и технологическим контроллером 7, осуществляющим связь со шкафами с контрольно-измерительными приборами и автоматикой четырех агрегатов 8 и системой управления верхнего уровня АСУТП 9. Во всех ячейках 1, 2, 4, а также в блоках силовых ключей 3 и в шкафах с контрольно-измерительными приборами и автоматикой четырех агрегатов 8 установлены программируемые логические микроконтроллеры 11. Программируемые логические микроконтроллеры 11, расположенные в ячейках 1, 2, 4 и в шкафах КИПиА 8, соединены между собой и с технологическим контроллером 7 по линейной схеме «кольцо» с помощью кабеля управления 10. Программируемые логические микроконтроллеры 11, расположенные в блоках силовых ключей 3, соединены с системой управления силовыми ключами 6 кабелями управления 10 по схеме «звезда». Логические входы и выходы программируемых логических микроконтроллеров 11 в ячейках 1, 2, 4 соединены соответственно с электрическими цепями выключателей в ячейках 1, 2, 4 и электрическими цепями автоматики агрегатов в шкафах с контрольно-измерительными приборами 8. Программируемые логические микроконтроллеры 11, расположенные в ячейках 1, 2, 4, и в шкафах с контрольно-измерительными приборами 8 содержат одно или два устройства ретрансляции сигналов технологического контроллера 7. Это аппаратное устройство, осуществляющее передачу сигналов от оптических входов связи к оптическим выходам без их обработки микропроцессором. Программируемые логические микроконтроллеры 11, расположенные в блоках силовых ключей 3, содержат также электронные ключи для формирования необходимой формы управляющих импульсов для силовых ключей и оптические входы для приема сигналов датчиков о состоянии силовых ключей.

Устройство работает следующим образом.

При подаче питания на элементы устройства происходит их инициализация, затем самодиагностика. Затем технологический контроллер 7 опрашивает состояние всех основных элементов устройства 1-6, 8-10 и в случае исправности и готовности к работе сообщает в систему управления верхнего уровня АСУТП 9 или на пульт оператора о готовности устройства к работе. ПЛК 11 опрашивают состояние и положение выключателей в ячейках 1, 2, 4, состояние источников питания катушек выключателей, состояние защит и блокировок. Информацию о состоянии ячеек 1, 2, 4 (готовность к работе или причину неготовности) в виде короткого сообщения ПЛК 11 передают в технологический контроллер 7. По команде оператора технологический контроллер 7 дает команды на включение выключателей в головной 2 и в соответствующей пусковой 4 ячейках путем передачи короткого указания соответствующим ПЛК 11. Затем технологический контроллер 7 дает команду на включение блоков силовых ключей 3. Система управления силовыми ключами 6 плавно увеличивает угол отпирания силовых ключей в блоках 3, осуществляя плавный безударный пуск приводных электродвигателей агрегатов 5. При достижении электродвигателем синхронной скорости технологический контроллер 7 включает выключатель в рабочей ячейке 1 с помощью соответствующего ПЛК 11, переводя питание приводного электродвигателя агрегата 5 на питание от сети. Затем технологический контроллер 7 передает задания: системе управления силовыми ключами 6 - на отключение блоков силовых ключей 3, в головную 2 и пусковую 4 ячейки - на отключение выключателей. В обратном направлении ПЛК 11 присылают в технологический контроллер 7 отчеты о выполненных заданиях. Аналогичным образом осуществляется пуск остальных электродвигателей. Связь технологического контроллера 7 с программируемыми логическими микроконтроллерами ПЛК 11 в головной 1, рабочих 2 и пусковых ячейках 4 со шкафами КИПиА 8 может осуществляться по двойному оптическому кольцу. Причем второе резервное кольцо проложено встречно первому. Это позволяет иметь не только резерв, но и быстро найти место обрыва связи и неисправное устройство ретрансляции сигнала.

В сравнении с прототипом введение в устройство для плавного пуска группы электродвигателей программируемых логических микроконтроллеров и размещение их непосредственно в ячейках, в шкафах КИПиА и в блоках силовых ключей, позволило:

- повысить надежность устройства и живучесть системы управления, т.к. основные элементы активны, выполняется их самодиагностика, передача сообщений выполняется по оптоволокну. Наличие второго резервного оптического кольца, проложенного встречно с первым, позволило не только сохранить работоспособность системы при отказе в одном из каналов связи, но и быстро определить причину и место отказа;

- повысить быстродействие каналов связи за счет устройств ретрансляции сигнала (теперь низкое быстродействие микропроцессоров в ПЛК и даже их отказ не сказывается на работоспособности и быстродействии каналов связи);

- резко сократить затраты как материальные, так и временные на сам кабель, на разводку, монтаж и проверку подключения кабеля;

- сократить затраты на наладку системы и на ввод ее в эксплуатацию;

- снизить стоимость системы и повысить ее конкурентоспособность, т.к. ПЛК и технологический контроллер выполнены на базе массовых и недорогих микропроцессоров, не обладающих высокими скоростными характеристиками и большой памятью;

- быстро выполнять проекты привязки системы к объекту, а в дальнейшем дополнительное расширение функциональных возможностей за счет подключения новых ПЛК к шине связи. При этом не требуется модернизация аппаратных средств, а модернизация программного продукта - незначительна.

Проведены испытания заявляемого устройства, показавшие положительные результаты. Планируется внедрение предлагаемого технического решения в устройстве для плавного пуска группы электродвигателей.

1. Устройство для плавного пуска группы электродвигателей, содержащее головную, рабочие, пусковые ячейки, каждая из которых оснащена выключателями, блоки силовых ключей по числу фаз электродвигателя, приводные электродвигатели агрегатов, систему управления силовыми ключами, соединенную с технологическим контроллером, систему управления верхнего уровня, шкафы с контрольно-измерительными приборами и автоматикой агрегатов, кабели управления, отличающееся тем, что в головную, пусковые и рабочие ячейки, блоки силовых ключей, шкафы с контрольно-измерительными приборами и автоматикой четырех агрегатов введены программируемые логические микроконтроллеры, входы связи программируемых логических микроконтроллеров, расположенных в ячейках и в шкафах с контрольно-измерительными приборами и автоматикой четырех агрегатов, соединены между собой и с технологическим контроллером по линейной схеме «кольцо», причем логические входы и выходы программируемых логических микроконтроллеров, расположенных в головной, пусковых и рабочих ячейках, предназначены для соединения с выключателями.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что входы связи программируемых логических микроконтроллеров, расположенных в блоках силовых ключей, соединены с системой управления силовыми ключами, по крайней мере, по схеме «звезда».

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что кабели управления выполнены, по крайней мере, оптоволоконными.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что программируемые логические микроконтроллеры, расположенные в ячейках и в шкафах с контрольно-измерительными приборами и автоматикой четырех агрегатов, содержат устройство ретрансляции сигналов технологического контроллера.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что программируемые логические микроконтроллеры, расположенные в блоках силовых ключей, содержат электронные ключи для формирования формы управляющих импульсов силовыми ключами.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что программируемые логические микроконтроллеры в блоках силовых ключей содержат оптические входы приема сигналов о состоянии силовых ключей.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что программируемые логические микроконтроллеры, расположенные в ячейках и в шкафах с контрольно-измерительными приборами и автоматикой четырех агрегатов, содержат дополнительное устройство ретрансляции сигналов технологического контроллера, обеспечивающее резервное соединение по линейной схеме «кольцо».

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что резервное соединение по линейной схеме «кольцо» проложено в обратном направлении, встречно первому.