Industrijska elektronika

Autori: Nedeljković Nenad dipl.ing
Đukić Miodrag dipl.ing

Primenjeni sistemi

Kontakt: danen2@ptt.yu

REKONSTRUKCIJA LINIJE ZA FINO IZVLAČENJE ŽICE FAS 16 I LINIJE ZA POUŽAVANJE ČETVORKI SETIC

Linije za fino izvlačenje žice u Fabrici kablova Zaječar stare su preko 25 godina i, usled starosti, pojavili su se učestali kvarovi. Kako pogon za izvlačenje žice nema odgovarajuću pogonsku spremnost, gotovo uvek je jedna od linija u kvaru.

Praksa je pokazala da se kvarovi najcešce javljaju u elektronici za kontrolu brzine namotavanja žice. Zbog toga se u rekonstrukciji mašine krenulo upravo od pogona za namotavanje žice. 

1. Opis prethodnog stanja

Linija za fino izvlacenje žice ima dva pogona: glavni vucni pogon i pogon namotavanja žice. Postojeci pogon namotavanja žice je sa asinhronim motorom i spojnicom, gde se naponom na spojnici reguliše brzina namotavanja, dok je brzina obrtanja pogonskog motora konstantna.

Slika 1. Principijelna šema regulisanja brzine namotavanja žice

Na slici 1 je prikazana principijelna šema regulisanja brzine namotavanja žice. Spojnicom namataca upravlja "danser" cija je uloga da u toku namotavanja uskladuje brzinu namotavanja sa brzinom linije, regulišuci napon spojnice. Kako se u toku namotavanja puni doboš sa žicom, dolazi do povecanja precnika namotavanja, pa s obzirom da je brzina izvlacenja (linijska brzina) konstantna, "danser" mora smanjivati brzinu namotavanja, smanjivanjem napona spojnice. Veza izmedu linijske brzine (V) i brzine namotavanja (w) je data izrazom:

(1)

gde je r - poluprecnik namotavanja.

Sa slike se vidi da se regulacija brzine namotavanja prakticno izvodi regulisanjem položaja "dansera", odnosno oržavanjem "dansera" u željenom položaju. "Danser" zapravo predstavlja akumulator odredene kolicine žice. Kako je prethodno opisano, u toku namotavanja žice dolazi do porasta precnika namotavanja, pa ako se ne smanji brzina namotavanja kolicina žice koja se namota je veca od kolicine koja nailazi. Kao posledica toga javlja se veca potrošnja akumulirane žice u "danseru" i on ide ka gornjem položaju. Usled toga se javlja greška položaja "dansera" koja ulazi u PID regulator koji smanjuje napon na spojnici. Time se smanjuje brzina namotavanja žice i "danser" se vraca u neutralni položaj. U realnom pogonu "danser" sporo osciluje, sa ucestanošcu reda herca, po cemu je i dobio naziv. Informacija o položaju dasera dobija se sa potenciometra koji je mehanicki spregnut sa "Danserom".

Kao što je u uvodu receno, postojeca elektronika kojom je realizovano opisano rešenje stara je preko 25 godina, uradena je u analognoj tehnici i stvara dosta problema u radu. Zbog veoma cestih kvarova moralo se pristupiti njenoj kompletnoj izmeni i nalaženju novih rešenja kojima bi ovi problemi bili prevazideni.

2. Opis novog idejnog rešenja

Jedno od prvih pitanja koje se logicno namece pri rekonstrukciji pogona namotavanja je izbor tipa pogona kojim treba zameniti postojeci pogon. Na vecini linija za namotavanje /odmatanje primenjen je pogon sa motorima jednosmerne struje sa nezavisnom pobudom (MJSNP), pa je jedna od prvih ideja koja se javila bila primena ovakvih pogona. Kako se radi o regulaciji položaja, na regulator brzine obrtaja MJSNP treba dodati i PID regulator položaja. U Fabrici kablova Zajecar je odavno razvijen regulator brzine obrtanja MJSNP sa PID ulazom za danser, tako da realizacija pogona na prethodno opisani nacin ne bi predstavljala problem. Medutim, nekoliko je razloga zašto se odustalo od ovakvog rešenja. Najpre, kod opisanog pogona je za regulaciju položaja neophodno imati informacije o brzini (tahogenerator ili enkoder) i struji (strujni transformatori ili strujni senzori) što ce dodatno uticati i na cenu realizacije. Dalje, motor jednosmerne struje sa nezavisnom pobudom je skuplji u poredenju sa asinhronim motorima i daleko je teži za održavanje (cetkice) u datim uslovima rada. I na kraju, radi se o pogonu male snage (oko 1.5 kW).

Slika 2. Principijelna šema regulisanja brzine namotavanja žice kod predloženog novog rešenja

Iz opisanih razloga, kao idejno rešenje, razmatrana je primena pogona sa asinhronim motorom, gde bi, umesto postojece spojnice, regulacija bila ostvarena napajanjem motora pomocu U/f invertora (slika 2). Ovakvo rešenje omogucavalo je da se zadrži isti princip kao i kod prethodnog. Kod izbora regulatora znacajan faktor bila je cena regulatora. Da cena primenjenog rešenja ne bi bila previsoka odluceno je da se odabere neki jeftiniji regulator, ali oni, po pravilu, nisu posedovali PID regulacioni blok, pa je odluceno da se on razvije primenom PIC mikrokontrolera. Bez obzira što postoje mnoga analogna rešenja, ovakav izbor bio je opravdan i iz razloga što u pogonu postoji 14 ekvivalentnih mašina. U tom smislu, dovoljno je bilo na jednoj naci optimalne parametre, a onda ih samo prepisati i kod ostalih 13. Sa druge strane, rešenja sa analognim kolima znacila bi probleme sa ofsetom i svaka mašina bi morala posebno da se podešava. Pored toga, zbog velikih mogucnosti PIC kontrolera, pored pomenute aplikacije, on je u perspektivi mogao biti iskorišcen i za kontrolu i drugih procesa na liniji za izvlacenje, kao što je na primer sistem za kontrolu žarenja (odpuštanje mehanickih napona koji nastaju pri izvlacenju). Ovakvo rešenje pružilo je neogranicene mogucnosti nadogradnje, pa se moglo ocekivati i postojanje mogucnosti da jedan PIC kontroler kontroliše celokupnu liniju za izvlacenje.

3. Praktična realizacija

Za prakticnu realizaciju prethodno opisanog idejnog rešenja odabran je U/f invertor Allen Bradley 2,2 kW sa analognim komadnim naponom 0-10V. Ovo je jeftin a dobar frekventni regulator, koji u svojoj kontrolnoj elektronici nema PID regulacioni blok. Za upravljacki signal U/f invertora korišcen je analogni izlaz iz digitalnog PID regulatora.

Realizacija je izvršena pomocu mikrokontrolera PIC 16F873 (slika 3) koji ima: petokanalni multipleks A/D 10-bitni konvertor, dva PWM izlaza sa 10-bitnom rezolucijom koji su iskorišceni za analogne izlaze, tj. za D/A konverziju. Naime, željeni izlazni napon (iz digitalnog PID-a je 10-bitni broj) srazmeran je širini umpulsa u PWM signalu, a kontinualni analogni signal se dobija filtriranjem ovog signala.

Pored toga mikrokontroler poseduje i 4 K programske FLASH memorije, RAM od 368 bajta i EEPROM od 356 bajta za pamcenje ulaznih parametara. Takode i tri tajmera, modul za serijsku komunikaciju kao i druge hardverske mogucnosti.
Pri softverskoj realizaciji PID regulacionog bloka pošlo se od poznatog zakona upravljanja kojim se realizuje jednostavan redni analogni PID regulator:

(2)

Diskretizacijom ovog zakona, sa vremenom odabiranja T, dobija se diskretni zakon upravljanja:

(3)

Prethodna jednacina predstavlja nerekurzivni ili pozicioni digitalni PID zakon upravljanja. 

Pošto dinamika sistema nije sa sigurnošcu mogla da se predvidi softverski je omogucena promena periode odabiranja (T). Za promenu ucestanosti odabiranja (fs) odabran je opseg od 1 od 20 Hz.

Zbog nepoznavanja dinamike sistema, odnosno nepoznavanja uticaja poremecaja kao što su: pun-prazan doboš, razlicite brzine izvlacenja, razliciti preseci žice kao i kvalitet bakra umesto zakona upravljanje datog izrazom (3) primenjen je sledeci zakon upravljanja:

(4)

gde je:

e(k) - greška u trenutku kT
Kp - konstanta koja izražava proporcionalani uticaj
Ki - konstanta koja izražava integralni uticaj (udeo)
Kd - konstanta koja izražava diferencijalni uticaj
Konstante Ti i Td koje se javljaju u izrazu (3) racunaju se na sledeci nacin:

(5)

(6)

Pokazalo se i da je menjanje konstanti Ki i Kd umesto konstanti Ti i Td i softverski jednostavnije. 

Ulazni parametari su Kp, Ki, Kd i fs. Njihove vrednosti su u intervala od 0 do 1. Tako da su zbog lakše i brže matematike prestavljene u obliku a/255, gde je a elemenat skupa (0,255).

Ovo je tipican DSP sistem (Digital Signal Processing).

Slika 3. Šema mikrokontrolerskog rešenja PID regulacionog bloka

Softver je raden u asembleru. Celokupna matematika je dvo bitna, odnosno, ogranicena je na 10 bita, zbog 10-bitne rezolucije A/D i D/A konvertora. Pošto je PWM modul hardverski realizovan, sracunatu vrednost izlaza iz PID-a se samo upiše u odgovarajuce registre PWM modula (CCP1CON, CCPR1L), a procesor sam generiše PWM sigmal.

Analizom brzine izvršavanja programa i prakticnom proverom došao sam do zakljucka da je maksimalna ucestalo odabiranja nešto preko 3 kHz, pri radnom takti od 20 MHz. Ovo znaci da ovaj PID može da kontroliše procese do 1 kHz, što je više nego dovoljno za potrebe u industriji.

Podešavanje parametara PID-a i ucestalosti odabiranja vrši se preko tri tastera i displeja (SMART LCD LM16X212), koji su povezani preko jednog konektora sa kontrolerom. Tako da se za podešavanje svih 14 kontrolera koristi samo jedan displej i tri tastera. 

Posto postoji i serijska veza, nju sam takode iskoristio, pa je moguce menjanje parametara i preko PC-a. Program za PC je uraden u programskom paketu "Delphi".

4. Rezultati ispitivanja

Nakon prakticne realizacije prva ispitivanja obavljena su u labaratoriji. Najpre je testiran PID regulator u otvorenoj sprezi (raskinuta povratna veza), tako što su na ulaz dovodeni signali pravougaonog talasnog oblika (0 do 5 V) ucestanosti 30 Hz. Referentni signal je softverski podešen na 2,5 V (511 binarno) i sniman je odziv na osciloskopu. Ucestanost odabiranja bila je podešena na 1000 Hz. Na slikama 4, 5 i 6 su prikazani odzivi regulatora snimljeni pri razlicitim vrednostima ulaznih parametara.

Slika 4. Odziv regulatora pri: Kp=0, Ki=35/256, Kd=90/256	Slika 5. Odziv regulatora pri: Kp=80/256, Ki=40/256, Kd=0	Slika 6. Odziv regulatora pri: Kp=50/256, Ki=35/256, Kd=90/256

Pre puštanja sistema u pogon izvršeno je i povezivanje realizovanog PID bloka sa U/f regulatorom i motorom i u labaratoriji je testirano ponašanje sistema PID- U/f regulator - asinhroni motor.

Provera u realnim pogonskim uslovima izvršena je na liniji SETIC. Umesto namataca na njoj je kontrolisan odmatac. Ispitivanja su pokazala da je veoma brzo izvršena stabilizacija "dansera", i to pri sledecim vrednostima ulaznih parametara:

Kp=40/255, Ki=80/255, Kd=20/255 i fs=4 Hz.

5. Zaključak

U radu je prikazano jedno tehnicko rešenje primenjeno u Fabrici kablova Zajecar pri rekonstrukciji pogona za namotavanje žice linije za fino izvlacenje žice. Izvršenom rekonstrukcijom je pogon sa asinhronim motorom i spojnicom koja je služila za regulaciju brzine namotavanja, zamenjen pogonom U/f invertor - asinhroni motor. 

Iz ekonomskih razloga pri realizaciji je upotrebljen U/f invertor Allen Bradley 2,2 kW sa analognim komadnim naponom 0-10V, a neophodna PID regulacija koju ovaj invertor ne poseduje realizovana je primenom PIC mikrokontrolera. Ispitivanja izvršena u laboratorijskim i pogonskim uslovima potvrdila su valjanost primenjenog rešenja i pokazala da je njegova primena moguca i na liniji za použavanje cetvorki i telefonskih parica. 

U periodu od ugradnje do danas (više od 6 meseci) nije bilo primedbe na stabilnost pogona.

Za ocekivati je da prikazano rešenje takode može naci primenu i u brojnim drugim aplikacijama, pa cak i u daleko složenijim sistemima, posebno iz razloga što je opisana realizacija zahtevala korišcenje samo jednog dela mogucnosti primenjenog mikrokontrolera. x

C o p y r i g h t  1998-2002  mikroElektronika. A l l  R i g h t s   R e s e r v e d . Za sva pitanja obratite se redakciji.