Автоматизированный электропривод

Анализ мирового опыта создания нового и модернизации действующего технологического оборудования показывает высокую динамику развития регулируемых электроприводов, компьютерных средств автоматизации, использования информационных средств. Она обусловлена стремлением к максимальному повышению производительности технологического оборудования и качества производимой продукции.
Все ведущие электротехнические корпорации выпускают регулируемые электроприводы комплектно с компьютерными средствами автоматизации в виде гибко программируемых систем, предназначенных для широкого использования. Окупаемость средств, вложенных в такие системы, является наиболее быстрой. Кроме применения регулируемые электроприводы совместно с технологическими устройствами используются в качестве средств регулирования технологических переменных — уровня, давления, влажности, температуры, дозирования, производительности и др.
Можно выделить следующие общие тенденции развития электроприводов, имеющие устойчивый характер:

  • постоянно расширяющееся применение регулируемых электроприводов в промышленном оборудовании, транспорте, авиационной и космической технике, медицине, бытовой технике для достижения новых качественных результатов в технологии;
  • замена нерегулируемых электроприводов регулируемыми в энергоемком оборудовании (насосы, компрессоры, вентиляторы и др.) с целью энергосбережения;
  • распространение блочно-модульных принципов построения электроприводов, информационных средств, средств управления и систем управления в целом;
  • динамичная компьютеризация электроприводов, механизмов, агрегатов и комплексов и новая идеология проектирования систем;
  • дальнейшее развитие методов каскадного (подчиненного) управления, получивших широкое распространение в электроприводах и органично применимых к управлению технологическими переменными и интегральными показателями качества обработки, переработки и производства вещества;
  • активное развитие и внедрение систем диагностирования, обслуживания, визуализации технологических процессов и процессов управления.
Под электроприводом понимается «электромеханическая система, состоящая в общем случае из взаимодействующих преобразователей электроэнергии, электромеханических и механических преобразователей, управляющих и информационных устройств и устройств сопряжения с внешними электрическими, механическими, управляющими и информационными системами, предназначенная для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением в целях осуществления технологического процесса».
Регулируемые электроприводы, как правило, являются и автоматизированными; многие операции в них выполняются средствами управления без участия оператора. Принимая во внимание, что основными средствами управления в электроприводах являются программируемые микроконтроллеры и (или) промышленные компьютеры, уместно определять современный автоматизированный электропривод как компьютеризированный. Это определение подходит для интегрированных систем многодвигательных электроприводов, объединяемых с компьютерными средствами автоматизации и разветвленными информационными сетями в составе технологических агрегатов и комплексов.
При исследовании вариантов электроприводов используют различные способы их классификации. В качестве классификационных признаков, например, используют:
  • виды движения электродвигателей (вращательный, поступательный, линейный, многокоординатный);
  • способ соединения двигателя с исполнительным органом (редукторный, безредукторный, конструктивно-интегрированный);
  • регулируемость (нерегулируемый, многоскоростной, регулируемый);
  • число электродвигателей (одно-, многодвигательный);
  • число исполнительных органов (индивидуальный, групповой);
  • степень автоматизации (ручной, полуавтоматический, следящий, позиционный, программный, стабилизирующий).
Наиболее общая классификация электроприводов с соответствующими терминами и определениями для каждой классификационной градации дана в работе. Классификационными признаками являются: функциональное назначение, принцип преобразования электрической энергии в механическую, структура электропривода, техническая реализация.

С учетом отмеченных ранее тенденций развития автоматизированных электроприводов ведущие электротехнические корпорации мира осуществляют разработку и продажу электроприводов главной для себя и перспективной для рынка серии с широкими функциональными и структурными возможностями, различными вариантами их технической реализации по условиям применения для самых разнообразных машин и механизмов. В главных сериях электроприводов разных корпораций можно отметить много аналогичных признаков. Классификационными являются потребительские признаки, характеризующие функциональные, конструктивные и энергосберегающие возможности электроприводов, их электромагнитную совместимость с технологической средой.

Автоматизация современных технологических объектов сопровождается применением большого числа электромеханических систем, с помощью которых решаются задачи повышения качества продукции и эффективности технологического оборудования. Во многих случаях автоматические системы управления электроприводами следует рассматривать как взаимосвязанные системы, так как в состав технологического оборудования могут входить десятки электроприводов, объединенных по цепям управления, питания и нагрузки. Стремление к электросбережению в результате замены нерегулируемых электроприводов регулируемыми приводит к необходимости рассматривать взаимосвязи электромеханических систем по цепям нагрузки в объектах, для которых ранее такие задачи не ставились. Следует отметить и взаимосвязь выходных переменных электромеханических систем при формировании технологических показателей обрабатываемых изделий, характеризующих их качество. Эта взаимосвязь осуществляется через систему функциональных устройств технологического объекта.

Развязка, или декомпозиция систем наиболее эффективно выполняется не только средствами и алгоритмами управления, но и использованием параметров и свойств электрических, механических и функциональных компонентов автоматизированных технологических комплексов, т.е. тех компонентов, которые традиционно относятся к объектам управления и при проектировании систем считаются неизменными. Это важно учитывать при проектировании новых объектов и модернизации действующих.

Современные компьютеризированные электроприводы оснащаются большой библиотекой программных средств, с помощью которых можно решать многие функциональные задачи управления технологическим оборудованием разного производственного назначения. Эти средства распространяются на нижний (управление локальным оборудованием) и средний (координированное управление оборудованием) уровни управления и ориентированы на связь с верхним (административным) уровнем.

Под типовым технологическим оборудованием (машинами и комплексами) понимают такое оборудование, которое имеет существенные и особые функциональные признаки в технологическом процессе. Типизация технологических комплексов возможна только применительно к процессу производства конкретного изделия и носит всегда отраслевой характер. Типизация же машин и механизмов производится в соответствии с функциональными особенностями выполнения ими части технологического процесса и не имеет отраслевой направленности. Имеется много машин и механизмов, выполняющих одинаковые или аналогичные операции в технологических процессах разных отраслей промышленности. Такие машины и механизмы можно объединить в типовые функциональные группы, например резательного, подъемно-транспортного и другого оборудования.
Классификация машин и механизмов по выполняемым ими функциям в технологическом процессе приведена ниже.Определим основные общетехнические понятия.

Рабочая машина — устройство, выполняющее механические движения с целью преобразования материала (вещества). Рабочие машины разделяются на технологические, преобразующие форму, свойства, положение материала (обрабатываемого вещества), и транспортные, преобразующие положение материала (перемещаемого вещества). Понятие рабочей машины является одним из частных случаев понятия машины. К другим относятся следующие понятия:

  • энергетическая машина — устройство, преобразующее любой вид энергии в механическую и наоборот (электродвигатели, электрогенераторы и др.);
  • информационная машина — устройство, преобразующее информацию (шифровальные машины, ЭВМ и др.); утрачивает значение в настоящее время.


Рабочая машина включает в себя несколько (систему) механизмов. Механизм — система тел, предназначенная для преобразования движения одного или нескольких тел в требуемые движения других твердых тел. Обычно в механизме имеется входное звено, приходящее в движение от воздействия двигателя (в частности электродвигателя) и выходное звено, соединенное с исполнительным органом рабочей машины. Если в преобразовании движения участвуют жидкие или газообразные тела, то механизм называется гидравлическим или пневматическим.

Исполнительный орган рабочей машины — часть рабочей машины, непосредственно осуществляющая преобразование формы, свойства, положения материала в технологическом процессе. Технологический агрегат — устройство, объединяющее технологическую машину, которая выполняет механические движения с целью преобразования формы, свойства и положения материала, с устройствами, обеспечивающими тепловые, химические и другие (не механические) воздействия на материал в процессе производства продукции. Такое объединение или присоединение называется агрегатированием. В частном случае под агрегатом понимают объединение двигателя с насосом (насосный агрегат) или двигателя с компрессором (компрессорный агрегат) и др.

Технологический комплекс — совокупность рабочих машин и технологических агрегатов, составляющих одно целое при выполнении технологического процесса. Примерами технологических комплексов являются прокатный стан, бумагоделательная машина, кордная линия, представляющие собой систему машин и технологических агрегатов для осуществления соответственно прокатки металла, изготовления бумаги в рулонах, корда для покрышек.

Технологический процесс — совокупность последовательных действий и методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья, материала или полуфабриката, осуществляемых в процессе производства продукции.

Производство — процесс создания материальных благ. Исторически сложилось так, что отдельные механизмы, выполняющие в производстве операции перемещения, подъема (транспортеры, подъемники, манипуляторы, кантователи и др.) стали называть производственными механизмами. К ним относят и простые рабочие машины, содержащие два—четыре механизма (краны, лифты, экскаваторы и др.)/ Совершенствование простых рабочих машин в ходе технического прогресса превращало их в простые технологические комплексы, но термин машина сохранился. Например, бумаго- или картоно-дела-тельными машинами называют простые машины и крупные комплексы, содержащие большое число технологических агрегатов.

Электроустановками называют совокупность машин, аппаратов, линий и вспомогательного оборудования (вместе с сооружениями и помещениями, в которых они установлены), предназначенных для производства, преобразования, трансформации, передачи, распределения электрической энергии. Многие машины, агрегаты и механизмы имеют специфичное название с учетом отраслевого применения. Например, намоточные устройства в металлургии называются моталками, а в целлюлозно-бумажной промышленности — накатами. Технологические функции этих устройств одинаковы. При сохранении сложившейся терминологии основные акценты в книге делаются на функциональные особенности оборудования в технологическом процессе и функции управления приводами, механизмами, агрегатами и комплексами.