Eugeniusz ZIÓŁKOWSKI 1 Wydział Odlewnictwa AGH, Kraków

Transkrypt

1 Eugeniusz ZIÓŁKOWSKI 1 Wydział Odlewnictwa AGH, Kraków 1. Wprowadzenie. Szczegółowa analiza poboru mocy przez badan maszyn czy urzdzenie odlewnicze, zarówno w aspekcie technologicznym jak i ekonomicznym, jest moliwa wówczas, gdy dysponuje si systemem cigłego monitoringu poboru mocy czynnej, biernej i całkowitej. Monitorowanie to mona zrealizowa za pomoc specjalizowanych przyrzdów pomiarowych, które stanowi samodzieln jednostk rejestrujc pobór mocy i/lub energii elektrycznej, albo za pomoc układów pomiarowych połczonych z komputerem. 2. Koncepcja oceny pracy urzdze odlewniczych. Jednym z najwaniejszych wskaników oceny efektywnej pracy maszyny lub urzdzenia odlewniczego, zasilanego z sieci energetycznej, jest zuycie energii elektrycznej. W przypadku wielu urzdze przemysłowych istotna jest take dynamika poboru mocy pozornej (całkowitej) oraz poszczególnych składników tej mocy (moc czynna i moc bierna indukcyjna lub pojemnociowa). W celu pełnej analizy efektywnej pracy badanego urzdzenia, jest celowe wykonanie systemu monitorujcego chwilowe wartoci poboru wszystkich składników mocy w czasie rzeczywistym,. Wyniki pomiaru poboru mocy w funkcji czasu, z uwzgldnieniem kolejnych etapów procesu technologicznego, umoliwi na pełniejsz ocen, zarówno technologiczn, jak równie ekonomiczn i ekologiczn funkcjonowania badanego urzdzenia odlewniczego. Urzdzenia odlewnicze zasilane z sieci energetycznej mog pracowa w rónych układach zasilania jedno- lub trójfazowego. W układach trójfazowych wyrónia si kilka wersji połcze z sieci energetyczn i dlatego projektowany system musi by na tyle uniwersalny, aby mógł realizowa pomiar dla kadego z tych układów. W pracy [1] przedstawiono róne rozwizania urzdze pomiarowych słucych do pomiaru poboru mocy i zuycia energii elektrycznej, którymi dysponuje Katedra Mechanizacji, Automatyzacji i Projektowania Odlewni Wydziału Odlewnictwa AGH. Urzdzenia te nie umoliwiaj rejestracji poboru mocy urzdze o duej dynamice, dlatego z tych wzgldów wykonano projekt nowego układu pomiarowego do monitorowania chwilowych wartoci poboru mocy. Układ ten realizuje nastpujce zadania: pomiar chwilowych wartoci poboru składników mocy czynnej, biernej i pozornej, zarówno w układach zasilania jednofazowego, jak i trójfazowego 3- i 4-przewodowego, oddzielenie galwaniczne torów pomiarowych od portów komunikacyjnych komputera, przesyłanie wyników do komputera, w którym zainstalowany bdzie program do gromadzenia, przetwarzania i wizualizacji tych wyników, 1 dr in., Wydział Odlewnictwa AGH 93

2 Odlewnictwo XXI wieku technologie, maszyny i urzdzenia odlewnicze realizacj duej liczby pomiarów w jednostce czasu o wysokiej dokładnoci. W systemie niezbdne jest zastosowanie odpowiednich podzespołów elektronicznych i elektroenergetycznych. Wstpnie załoono, i system bdzie si składał z nastpujcych modułów: modułu wejciowych obwodów pomiarowych, zawierajcego przetworniki napiciowe i prdowe, galwanicznie odprzone od dalszej czci układu pomiarowego i komputera, mikroprocesorowego modułu przetwarzania mierzonych wielkoci, modułu transmisji szeregowej (w wybranym standardzie), którego zadaniem jest przesłanie wyników pomiarów do komputera, komputera klasy IBM PC wyposaonego w odpowiedni interfejs komunikacyjny wraz z programem komputerowym sterujcym całoci systemu łcznie z gromadzeniem, przetwarzaniem i wizualizacj wyników pomiarów. 3. Przegld specjalizowanych układów scalonych do pomiaru chwilowych wartoci poboru mocy. Przed dokonaniem wyboru specjalizowanego układu scalonego, realizujcego pomiar mocy pobieranej przez urzdzenia odlewnicze naleało dobra elementy wejciowego układu pomiarowego. Po przeprowadzeniu analizy danych technicznych zawartych w katalogach i notach aplikacyjnych oraz uwzgldnieniu dostpnoci i ceny poszczególnych przetworników wielkoci elektrycznych wybrano przetworniki napiciowe i prdowe ameryka skiej firmy LEM [2]. Przetworniki napicia LV-25P umoliwiaj pomiar napicia stałego, przemiennego lub impulsowego w zakresie V, z izolacj galwaniczn. Przetwornik ten pracuje w układzie z zamknit ptl sprzenia zwrotnego z analogowym wyjciem prdowym. Do pomiaru chwilowych wartoci prdu wybrano przetwornik prdowy typu LA-25-NP. Przetwornik ten realizuje pomiar prdu stałego, przemiennego i impulsowego w zakresach pomiarowych do 5, 6, 8, 12 i 25 A z izolacj galwaniczn. System wejciowych obwodów pomiarowych w projektowanej wersji posiada trzy tory pomiarowe (dla układów trójfazowych), składajce si z jednego przetwornika napiciowego LV-25P oraz jednego przetwornika LA-25NP w kadym torze. Wymienione przetworniki wraz z dodatkowymi elementami elektronicznymi s zasilane napiciem stałym ±15 V. Do realizacji pomiaru wartoci chwilowych napicia i prdu w układach jednoi trójfazowych mona na przykład wybra specjalizowane układy scalone ADE7754 firmy Analog Devices [3] lub CS5451A firmy Cirrus Logic [4]. Na rysunku 1 przedstawiono struktur funkcjonaln układu ADE7754. Jak wynika ze schematu funkcjonalnego (rys. 1), układ ADE7754 posiada sze 16-bitowych przetworników analogowo-cyfrowych (3 wejcia napiciowe i 3 prdowe dla poszczególnych faz zasilania). Wszystkie ustawienia wartoci poszczególnych rejestrów układu oraz odczyt wartoci mierzonych składników mocy s realizowane przez odpowiednio napisany program komputerowy. Na rysunku 2 pokazano schemat aplikacyjny, proponowany przez producenta układu ADE Nowa Sól r.

3 Rys. 1. Schemat funkcjonalny układu scalonego typu ADE7754 [3] Rys. 2. Schemat aplikacyjny układu scalonego typu ADE7754 [3] Układ scalony CS5451A jest szeciokanałowym przetwornikiem, którego schemat blokowy przedstawiono na rysunku 3. Układ ten posiada wbudowany interfejs szeregowy pozwalajcy na transmisj danych do mikroprocesora odpowiedzialnego za dalsze przetwarzanie wyników pomiarów. Szczegółowe dane techniczne tego układu s dostpne na stronie internetowej producenta [4]. 95

4 Odlewnictwo XXI wieku technologie, maszyny i urzdzenia odlewnicze Rys. 3. Schemat blokowy układu CS5451A firmy Cirrus Logic [4] Na podstawie noty aplikacyjnej [4], na rysunku 4 przedstawiono typowy schemat jednego toru połcze tego układu z obwodami wejciowymi (przetworniki napicia i prdu) z zaznaczonym ródłem napicia referencyjnego i okrelonymi napiciami zasilania. Interfejs szeregowy układu CS5451A jest połczony z odpowiednimi portami wybranego mikroprocesora AVR firmy ATMEL. Prace nad rozwizaniem prototypowym s prowadzone z zastosowaniem mikroprocesora ATMega32 [5], którego podstawowe cechy s nastpujce: 131 rozkazów mikroprocesora, maksymalna czstotliwo zegara taktujcego 16 MHz, 32 KB pamici Flash (gwarantowane cykli zapisu/kasowania), 1 KB pamici EEPROM (gwarantowane cykli zapisu/kasowania), 2 KB wewntrznej pamici SRAM, interfejsy programowania: JTAG (IEEE std ) oraz SPI Master/Slave, liczniki: dwa 8-bitowe i jeden 16-bitowy, licznik czasu rzeczywistego, 4 kanały PWM, omiokanałowy 10-bitowy przetwornik ADC, programowalny port USART, 32 programowalne wejcia/wyjcia, 6 trybów oszczdzania energii. Zadaniem mikroprocesora AVR w systemie bdzie odbieranie informacji z układu CS5451A, a nastpnie ich przetwarzanie w celu dalszego przesłania poprzez interfejs szeregowy do komputera. W mikroprocesorze przewiduje si take moliwo wprowadzenia wstpnych oblicze numerycznych oraz przesyłania do podłczonego wywietlacza LCD wyników tych oblicze i ewentualnych dodatkowych informacji. 96 Nowa Sól r.

5 Rys. 4. Typowy schemat połcze układu CS5451A [4] Przesłanie z mikroprocesora do komputera wyników pomiarów i ewentualnych wyników oblicze numerycznych realizuje si poprzez transmisj w wybranym standardzie komunikacyjnym. W opracowywanym systemie monitoringu poboru mocy połoono nacisk na jego mobilno. Osign j mona poprzez zastosowanie komputera typu notebook oraz odpowiednio obudowanego układu z przetwornikami i układem mikroprocesorowym. Etap pierwszy realizacji takiego rozwizania zakłada wykorzystanie portów USB do komunikacji układu mikroprocesorowego z komputerem. Jeeli podczas testów rozwizanie to okae si mało funkcjonalne, to zostanie zrealizowana transmisja w standardzie RS422. Realizacja komunikacji mikroprocesora ATMega32 z komputerem bdzie polegała na zastosowaniu układu FT245BM firmy Future Technology Devices Intl. Ltd. [6]. Układ ten pozwala na prac w trybie emulacji portu COM albo na prac jako typowy port USB. W pierwszym przypadku transmisja moe si odbywa z prdkoci 300 KB/s, natomiast w drugim z prdkoci 1 MB/s. Niezbdne sterowniki do współpracy tego układu scalonego z portem USB komputera s bezpłatne i mona je pobra ze strony producenta układu FT245BM. 97

6 Odlewnictwo XXI wieku technologie, maszyny i urzdzenia odlewnicze 4. Wnioski. Koncepcja oceny efektywnoci pracy urzdzenia odlewniczego jest oparta na analizie całkowitego lub chwilowego poboru mocy przez maszyny i urzdzenia odlewnicze. Głównym elementem tego systemu mog by specjalizowane układy scalone ADE7754 firmy Analog Devices albo CS5451A firmy Cirrus Logic. Zastosowane w tym projekcie przetworniki napiciowe i prdowe firmy LEM umoliwiaj uzyskanie wysokiej dokładnoci pomiarowej wraz z galwanicznym odprzeniem układu mikroprocesorowego i komputera od linii zasilajcej badane urzdzenie. System pomiaru poboru mocy moe zosta zainstalowane wewntrz szafy sterowniczej urzdzenia odlewniczego bd w postaci mobilnej, aby moliwe było sprawne wykonywanie bada rónych maszyn odlewniczych w warunkach odlewni, z uwzgldnieniem rónych standardów trójfazowego układu zasilania badanego urzdzenia, z jednoczesnym zapewnieniem bezpiecznej obsługi tego systemu. Wdroony system pomiarowy pozwala na szczegółow ocen pracy stosowanego urzdzenia odlewniczego, zarówno w aspekcie technologicznym, jak i ekonomicznym. 5. Literatura. 1. Wrona R., Ziółkowski E.: Koncepcja systemu monitoringu chwilowego poboru mocy przez maszyny i urzdzenia odlewnicze. Mat. XXIX Konferencji Naukowej z okazji wita Odlewnika Wydział Odlewnictwa AGH, Kraków, 2005, s Nowa Sól r.