CC BY
83
crease of efficiency of electric networks 6-35 kV. It is presented results of a study of possible ways of improving the reliability and efficiency of electricity supply, assessment of impact of implementation on the example of territorial network organizations.
Keywords: efficiency, analysis, energy losses, territorial grid company, electricity consumers, reliability, tariff, electricity, power quality, reliability.
УДК 621.316.722.076.12
ОСОБЕННОСТИ РАЗРАБОТКИ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ
ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
© 2015
Е. С. Глибин, кандидат технических наук, доцент кафедры «Промышленная электроника»
А. А. Шевцов, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Промышленная электроника»
Тольяттинский государственный университет, Тольятти (Россия)
Аннотация. Статья посвящена рассмотрению особенностей проектирования и создания электронных микропроцессорных устройств, а также их программного обеспечения для измерения любых параметров электрической энергии в сетях переменного напряжения. Показана важность контроля и повышения качества электроэнергии путем использования компенсационных устройств, таких, как конденсаторные батареи или полупроводниковые компенсаторы неактивных составляющих полной мощности. Сделан вывод, что использование традиционных измерительных устройств, представленных на рынке, зачастую не обеспечивает всей необходимой информацией о качестве электроэнергии при научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах по созданию новых компенсационных устройств. Представлены особенности процесса разработки измерителя параметров электрической энергии на различных этапах. Описана структурная схема устройства. Выбран математический аппарат для вычисления параметров электроэнергии. Спроектирован алгоритм работы измерителя. Описан подход разработки программы для измерителя, когда сначала код анализа электроэнергии на языке Си++, реализующий сложные математические операции, отлаживается не в реальном времени на персональном компьютере, а затем без изменений используется в программе измерителя, работающей в реальном времени. Реализован алгоритм расчета параметров электроэнергии в среде программирования Microsoft Visual C++ и его отладка при анализе экспериментальных кривых токов и напряжения контактной машины МШУ-300, полученных с помощью цифрового осциллографа. Описаны особенности перевода программы для персонального компьютера для анализа кривых токов и напряжений и вычисления параметров электрической энергии не в реальном времени в программу микроконтроллера измерительного устройства. Представлены результаты работ по созданию и испытанию опытного образца.
Ключевые слова: датчик тока, датчик напряжения, измерительные устройства, контактная сварка, мощность искажений, ПЛИС, полупроводниковый компенсатор, реактивная мощность, энергосбережение.
Повышение качества электрической энергии, а также ее рациональное использование являются актуальными и важными задачами для экономики [1]. Известно, что в состав электрической энергии, которую потребляет различное промышленное технологическое оборудование, например, мощные источники питания электромеханических устройств [2-4] или сварочные источники питания [5, 6], входит активная составляющая, за счет которой непосредственно осуществляется работа, и значительная неактивная составляющая. Неактивные составляющие мощности являются неотъемлемой частью технологического процесса из-за использования полупроводниковых преобразователей или реактивных элементов в составе оборудования.
36
И, как правило, имеют негативные характеристики: вызывают повышенные потери в электрической сети, повышают вероятность выхода из строя параллельно работающего высокотехнологичного оборудования, каналов связи, особенно беспроводных. Для решения этой проблемы используются как традиционные устройства, например батареи конденсаторов, так и все чаще применяются активные методы коррекции внешних воздействий на технологические объекты, например, использование полупроводниковых компенсирующих устройств [7, 8]. Следовательно, при выборе конкретного решения для снижения неактивных составляющих мощности возникает необходимость в точном вычислении различных параметров элек-
трической энергии: потребляемой мощности, коэффициентов мощности нагрузки, спектрального состав, тока нагрузки и напряжения в точках присоединения нагрузки к сети и т. д.
С одной стороны, существует большое количество параметров электрической энергии, а также способов их вычисления [9]. При этом такие параметры, как реактивная мощность, мощность искажений, коэффициент мощности в системах с несинусоидальными токами и напряжениями, являются неоднозначными и могут вычисляться по-разному, с различными результатами.
С другой стороны, промышленностью выпускается целый ряд традиционных приборов для их измерения: вольтметры, амперметры, ваттметры, специализированные электронные устройства для измерения нескольких параметров (например, коэффициента мощности и гармоник, активной и полной мощности) [10, 11].
Таким образом, при разработке новых устройств энергосбережения функционала существующих измерительных приборов оказывается недостаточно [12]. Конечно, возможно использование компьютерной системы сбора данных, с последующей обработкой результатов [13, 14]. Однако зачастую этот подход неудобен из-за громоздкости, дороговизны оборудования, пониженной мобильности и ряда других причин. Логичным решением является разработка измерителя параметров элек-
трической энергии с использованием программируемых устройств, таких как микропроцессоры или программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), реализующие необходимые вычисления.
Структурная схема простейшего устройства, непрерывно измеряющая и отображающая электрические параметры, может выглядеть, как показано на рисунке 1 , а.
В общем случае измерительное устройство для массового производства следует разрабатывать на основе микропроцессора. Это требует разработки печатной платы, в состав которой входит микропроцессор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), источник питания микросхем, дисплей, микросхемы их сопряжения и вспомогательные цепи. В лабораторных же условиях при создании небольшого числа измерителей экономически оправданным и удобным является использование готовых отладочных модулей, на основе ПЛИС. Особо следует отметить, что использование ПЛИС позволяет создавать специализированные процессорные системы, которые позволяют организовать выполнение ряда функциональных действий с программного уровня, как в микропроцессорах, на аппаратный уровень. При должном старании можно получить структуру максимально оптимизированную на решение узкой задачи с большим быстродействием, чем у универсальных микропроцессорных систем.
Рисунок 1 - Структурная схема измерителя: а) обобщенная; б) на основе платы ввода-вывода ПЛИС
В состав таких плат, как правило, входят источник питания, АЦП, цифро-аналоговые преобразователи, жидкокристаллический экран для отображения информации, кнопки и переключатели для организации взаимодействия с пользователем, динамик, оперативная память для работы программ и flash-память для их хранения при отключении питания, контроллеры MIDI и USB интерфейсов и
т. д. Коммутация устройств осуществляется программно. Структурная схема устройства на основе ПЛИС показана на рисунке 1, б. Устройство состоит из двух узлов: измерительного модуля с датчиками тока и напряжения и платы ввода-вывода. В состав измерительного модуля кроме датчиков тока и напряжения также входят масштабирующие усилители и источник питания.
37
Рассмотрим программное обеспечение измерителя энергетических параметров. Вычислительное ядро программы представлено модулем для вычисления активной мощности, реактивной мощ-
S = л/Р2 + Q2 + D2;
1 T
P = - \ u(t У(*d
ад > 2
Q= Z П?1 ln (t Л Un (тУ*Т V 1 0 v 0 J dt
n=0 J
12
(1)
D =
_1
2T
(t )n (t ) - lm (t )un (t ))2 dt
-|12
0 m=0n=0
Анализ выражений показывает, что на уровне вычислительной системы необходимо выполнять следующие операции: умножение, в том числе и для возведения в квадрат, сложение, извлечение квадратного корня. Активная мощность достаточно просто вычисляется заменой интегрирования конечной суммой произведения измеренных мгновенных значений тока и напряжения за период сетевого напряжения. Вычисление реактивной мощности и мощности искажения сложнее. Для их на-
ности, мощности искажения, действующих значений тока и напряжения. Составляющие полной мощности рассчитываются по следующим выражениям [15, 16]:
хождения необходимо предварительно определить спектральный состав тока и напряжения путем разложения в ряд Фурье [17, 18]. Именно эта задача и может быть решена с помощью ПЛИС путем задания структуры, оптимальной для вычисления тригонометрических функций на аппаратном уровне.
Отладку кода программы, выполняющую такие достаточно сложные вычисления, удобно производить не на работающем устройстве, а на компьютере, используя в качестве источника данных предварительно снятые кривые тока и напряжения. На рисунке 2 показана реализация в среде программирования Microsoft Visual C++ программы PowerLab, выполняющей вычисления параметров электрической энергии по заданным кривым, полученным экспериментально с помощью цифрового осциллографа при измерении параметров контактной сварочной машины МШУ-300 [19-20].
Рисунок 2 - Скриншот главного окна программы PowerLab
Часть программы, выполняющей вычисления параметров электрической энергии, написана на языке программирования Си в виде независимого модуля. Это позволяет компилировать модуль без изменений под современные ПЛИС различных производителей: Xilinx, Altera, выполняя оптими-
зацию кода и результирующей структуры ПЛИС уже в специализированных отладочных программных средствах.
Далее разработанный программный модуль отлаживается путем переноса проекта в среду Mat-lab Simulink и использованием в виде пользова-
38
тельского блока расчета параметров электрической энергии. Кроме этого, использование Simulink позволяет провести имитационное моделирование работы измерителя. Результаты работы отдельной программы, имитационной модели в Simulink, сравнивались с результатами расчета в программах математических вычислений Mathcad и с показаниями традиционных измерительных приборов. Только после достижения задаваемой или требуемой точности и скорости работы модуль вычисления используется для работы в среде Altium Designer, где выполняется собственно формирование структуры ПЛИС.
Блок-схема алгоритма работы программы, вычисляющей энергетические параметры, показана на рисунке 3. Структуру алгоритма можно разделить на две части:
1) аппаратно-зависимые измерения АЦП и значений таймера, вывод информации на ЖК-дисплей;
2) аппаратно-независимый модуль расчета параметров электрической энергии по кривым тока нагрузки и сетевого напряжения.
Расчет гармонического состава кривых тока и напряжения, их анализ и вычисление параметров электрической энергии требует значительных вычислительных затрат, однако эти действия не требуется производить в реальном времени. В реальном времени должна осуществляться подготовка данных для расчета. При использовании отладочной платы Altium Nanoboard 3000 с ПЛИС, работающий на частоте 50 МГц, первая версия измерителя, функционирующая по описанному алгоритму, позволяла выполнить до 60 измерений в течение периода пар напряжение/ток на частоте 50 Гц. Это сильно ограничивало количество гармоник, участвующих в анализе компонентов мощности и позволяло получить невысокую точность измерений.
Рисунок 3 - Блок-схема работы измерителя параметров электрической энергии
В результаты оптимизации программного модуля измерений выделены следующие особенности разработки, приведенные в виде рекомендаций:
1. Моменты считывания значений тока и напряжения с АЦП должны быть максимально близки по времени. Как правило, использование одного АЦП с несколькими коммутируемыми каналами дешевле, чем использование отдельного АЦП в каждом канале измерений, соответственно, такой способ построения системы сбора данных при частотах до нескольких сотен килогерц наиболее распространен. По такому принципу выполнен и мо-
дуль АЦП на плате Nanoboard. При опросе входных каналов возникает временная задержка, которая применительно к нашему случаю приводит к появлению фазового сдвига между измеряемыми током и напряжением, что приводит к дополнительным погрешностям в вычислениях, а при некоторых условиях и вовсе может качественно поменять картину. Соответственно, для снижения роли этого эффекта команды считывания значений тока и напряжения должны находиться в программе максимально близко друг к другу.
39
2. Данные с АЦП считываются в целочисленном виде. Масштабирование же при решении задачи вычисления энергетических параметров следует располагать не на этапе считывания отдельных значений АЦП в реальном масштабе времени, а уже при переходе к вычислению, например, составляющих полной мощности. Соответственно, значения, считываемые с АЦП, следует сохранять без преобразования типов или каких-либо дополнительных действий.
3. Определение периода колебания физической величины в системах сбора данных всегда было отдельно задачей с не всегда очевидными решениями. В нашем приложении будем определять период по значению напряжения с АЦП при достижении напряжением значения 0 В. При этом в качестве дополнительного приема можно ввести минимальный период, на который необходимо реагировать системе, чтобы избежать влияния шумов АЦП.
4. Как известно, существует два основных способа считывания и сохранения данных - синхронный и асинхронный. При использовании асин-
хронного способа данные считываются потоком, без привязки в общем случае к каким-либо событиям. При этом заполняется некоторый массив. В результате измерений за период в массиве может оказаться такое большое количество точек замеров, что вычисление параметров займет избыточное время. Выходом может быть либо переход на синхронный способ заполнения ячеек массива значениями с АЦП с привязкой к прерываниям, либо использования механизма «прореживания» значений в сохраненных массивах, ограничив их число некоторым пределом.
После приведенных оптимизаций измеритель позволил обрабатывать до 800 точек в период при частоте 50 Гц. Фотография рабочего экрана измерителя приведена на рисунке 4.
Представленный измеритель может использоваться при разработке новых устройств для энергосбережения и исследовании их энергопотребления в различных режимах, в том числе и аварийных [21].
Рисунок 4 - Физическая реализация измерителя параметров электрической энергии
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Жежеленко И. В. Показатели качества электроэнергии на промышленных предприятиях. М. : Энергия, 1977. 128 с., ил.
2. Ивашин В. В., Позднов М. В., Прядилов А. В. Электромагнитный вибратор с управляемой часто-
той колебаний // Наука - производству. 2004. № 4. С. 46-47.
3. Ивашин В. В., Позднов М. В., Прядилов А. В. Вибрационный источник крутильных колебаний // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2010. № 3. С. 56-59.
40
4. Ивашин В. В., Медведев В. А., Позднов М. В. Резонансный вибратор // Патент на изобретение RUS 2177840. 10.12.1999.
5. Лебедев В. К., Кучук-Яценко С. И., Чверт-ко А. И. Машиностроение. Энциклопедия. Оборудование для сварки. М. : Т. IV-6. 1999. 496 с.
6. Банов М. Д. Технология и оборудование контактной сварки: Учебник для студ. Учреждений сред. проф. Образования / Михаил Денисович Банов. М. : Издательский центр «Академия», 2005. 224 с.
7. Железко Ю. С. Компенсация реактивной мощности и повышения качества электроэнергии. М. : Энергоатомиздат, 1985. 224 с., ил. (Экономия топлива и электроэнергии).
8. Железко Ю. С. Компенсация реактивной мощности в сложных электрических системах. М. : Энергоиздат, 1981. 200 с., ил.
9. Гольдштейн Е. И., Сулайманов А. О., Гурин Т. С. Мощностные характеристики электрических цепей при несинусоидальных токах и напряжениях. ТПУ, Томск, 2009, Деп. в ВИНИТИ, 06.04.09, № 193. 2009. 146 с.
10. Клаассен К. Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике / Пер. с англ.: Е. В. Воронов, А. Л. Ларин. М. : Постмаркет, 2000.350 с. : ил.
11. Рег Дж. Промышленная электроника. М. : ДМК Пресс; 2011. 1136 с. : ил.
12. Глибин Е. С., Шевцов А. А. Ценовые аспекты выбора компенсатора неактивных составляющих мощности при работе с контактными сварочными машинами // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки. 2009. № 2 (24). С. 152-158.
13. Певчев В.П. Использование программы MICRO CAP при моделировании процесса срабатывания импульсных электромеханических устройств // Электротехника № 4. 2010. С. 55-59.
14. Glibin E. S., Shevtsov A. A. Modelling the functioning of compensation systems in resistance welding equipment // Welding International. 2010. Т. 24. № 12. С. 969-972.
15. Патент РФ 2103779 C1, кл. H02J3/18, 1998 Способ динамической компенсации неактивных составляющих мощности.
16. Агунов М. В. Энергетические процессы в электрических цепях с несинусоидальными режимами и их эффективность // Кишинев-Тольятти : МолдНИИТЭИ, 1997. 84 с.
17. Егоров А.И. Обыкновенные дифференциальные уравнения с приложениями. 2-е изд., испр. М. : ФИЗМАТЛИТ, 2005. 384 с.
18. Жук В. В., Натансон Г. И. Тригонометрические ряды Фурье и элементы теории аппроксимации. Л. : Изд-во Ленингр. ун-та, 1983. 188 с.
19. Климов А. С. Основы технологии и построения оборудования для контактной сварки. Учебное пособие. Тольятти. ТГУ-2004 г. 170 с.
20. Шевцов А. А., Глибин Е. С. Источник питания контактной сварочной машины // Патент на изобретение RUS 2421311 08.04.2009.
21. Шевцов А. А., Глибин Е. С. Исследование аварийных режимов работы полупроводникового компенсатора // Вектор науки Тольяттинского государственного университета № 1 (31). 2015. С.55-61.
DEVELOPMENT OF SOFTWARE FOR MEASURING ELECTRICAL PARAMETERS
© 2015
E. S. Glibin, Ph.D., associate professor of «Industrial electronics»
A. A. Shevtsov, Ph.D., Associate Professor, Head of the «Industrial electronics»
Togliatti State University, Togliatti (Russia)
Annotation. The article considers the features of the design and creation of electronic microprocessor-based devices, as well as software for the measurement of all parameters of electric power in AC voltage. The importance of monitoring and improving the quality of electricity through the use of compensatory devices such as capacitor banks or semiconductor compensators inactive components of total power. It is concluded that the use of traditional measuring devices available on the market often does not provide the necessary information about the quality of electricity in the research and development work to create new compensation devices. The features of the development process for measuring parameters of electric power at different stages. Discloses a block diagram of the device. Selected mathematical tool for calculating the parameters of electricity. Designed algorithm of the meter. The approach of development programs for the meter when the first power analysis code in C ++ implements complex mathematical operations, not being debugged in real time on a PC and then used without modification in the program of the meter works in real time. The algorithm for calculating the parameters of electric power in the pro-
41
gramming environment Microsoft Visual C ++ and debugging the analysis of experimental curves of current and voltage of the machine contact MTPU-300, obtained with a digital oscilloscope. The features of the translation program for the personal computer to analyze the current and voltage curves and to calculate the parameters of electrical energy is not in real time in the microcontroller's program of the measuring device. The results of works on creation and testing of prototypes.
Key words: current sensor, voltage sensor, measuring devices, resistance welding, power distortion, FPGA, semiconductor compensator reactive power, energy
УДК 681.5 © 2015
МОДЕРНИЗАЦИЯ ТОКАРНО-ВИНТОРЕЗНОГО СТАНКА
В. В. Королев, кандидат технических наук, доцент кафедры «Промышленная электроника, Тольяттинский государственный университет, Тольятти (Россия)
Р. Е. Петров, инженер-электроник
ООО «Фагор Аутомэйшн Рус», Москва (Россия)
Аннотация. Представлены результаты модернизации токарно-винторезного станка 16К20Ф3. Модернизация проведена с использованием элементов, производимых фирмой Fagor. Произведен расчет и выбор электроприводов главной подачи и приводов осей, а также блока питания и коммутационных оптоволоконных кабелей. Выбрана система ЧПУ и написана программа для нее.
Ключевые слова: блок питания, модернизация станка, оптический кабель, программируемый логический контроллер, сервопривод, система ЧПУ, токарно-винторезный станок, электропривод, электродвигатель привода осей, электродвигатель шпинделя.
В случаях, когда станок выпущен давно, но продолжает использоваться на предприятии, для улучшения его эксплуатационно-технических характеристик прибегают к, так называемому, процессу модернизации оборудования. Данный процесс представляет собой комплекс инженерноконструкторских работ по разработке проекта и внесению изменений в заводскую конструкцию станка с целью продления его срока службы и улучшению эксплуатационных параметров. Для станков со встроенными системами ЧПУ процесс модернизации можно разбить на два этапа: модернизация механической части станка и модернизация системы числового программного управления (УЧПУ). Замена системы ЧПУ на современную позволяет использовать в процессе обработки на станке все новые и современные технологии, появившиеся в последнее время, что, в свою очередь, уменьшает время обработки и увеличивает её качество.
В данном проекте произведена инженерная проработка проекта по замене устаревшей ЧПУ (Контур 2ПТ-71 производства 1972 года) на станке 16К20Ф3 на современную, отвечающую всем требованиям производительности и безопасности, систему УЧПУ (Fagor 8055 TC). Данная модернизация потребует замены системы приводов и электродвигателей станка на новые, отвечающие стандартам безопасности.
Результатом данной модернизации является современный токарный станок, обладающий высокой точностью и быстродействием, возможностью коммуникации с персональным ЭВМ посредством интерфейсов RS-232 и Ethernet. Так же имеется возможность загрузки программ деталей из CAD систем, что ускоряет процесс создания программ обработки и создает удобства для работы на станке оператору и обслуживающему персоналу.
Станок 16К20 является распространенной моделью токарного станка на территории Российской Федерации и бывших стран СНГ. Для данного станка существует модификация 16К20Ф3, отличающаяся наличием системы УЧПУ, установленной на заводе-изготовителе.
Станок является типичным токарным станком, обладает одним шпинделем и двумя осями (плоскостями передвижения резца). Ось Z представляет собой продольный суппорт. Ось X представлена поперечным и резцовым суппортом.
Главный привод шпинделя оснащен трехступенчатой коробкой передач, обладающей следующими характеристиками:
- передача I - 12,5-200 об/мин;
- передача II - 50-800 об/мин;
- передача III - 125-2000 об/мин.
Конструкция шпиндельного узла в значительной мере определяет эксплуатационные показатели станка, то есть применяемые режимы реза-
42
