Układy napędowe w produkcji mleka w proszku

Popularność komunikacyjnych sieci polowych w obecnych rozwiązaniach sterowania procesów przemysłowych powoduje, że projektanci większych systemów coraz częściej stosują urządzenia wykonawcze wyposażone w moduł komunikacyjny. Upraszcza to znacząco okablowanie obiektowe, zmniejsza liczbę wejść/wyjść analogowych i cyfrowych w sterowniku oraz ułatwia obsługę z poziomu interfejsu operatora HMI. Usprawnia też diagnostykę usterek i prowadzenie działań serwisowych.

Podstawowe elementy systemu

Złożoność technologii procesu wytwarzania mleka w proszku wymaga zastosowania szybkiego i wydajnego sterownika, przyjaznego systemu HMI oraz niezawodnych, regulowanych układów napędowych. System zbudowany jest na bazie sterownika Siemens S7-400, rozproszonej sieci modułów RIO firmy Siemens, systemu SCADA Wonderware oraz 54 falowników Danfoss serii VLT Automation Drive FC 302 z modułami komunikacyjnymi Profibus, które rozmieszczono w kilku polach szafy sterowniczej, szafach lokalnych a także jako samodzielne jednostki napędów.

Jednym z głównych założeń projektantów systemu była duża elastyczność sterowania napędami i minimalizacja połączeń kablowych. Stąd decyzja o połączeniu falowników z użyciem magistrali Profibus, a pozostałych elementów obiektowych poprzez magistralę ASI. Falowniki o mocach mniejszych niż 45 kW zostały zamontowane w zespole szaf sterowania napędów (MCC), natomiast pozostałe falowniki umieszczono poza szafami MCC – na obiekcie, w pobliżu urządzeń technologicznych.

Użyte falowniki

Falowniki Danfoss FC 302, dzięki swojej modułowości i wielu dostępnym opcjom, dają duże możliwości sterowania, a większość funkcji falownika dostępna jest poprzez magistralę Profibus. W omawianym rozwiązaniu zastosowano w falownikach moduł Profibus DP V0/V1 (MCA101) oraz moduł dodatkowego wejścia zasilania 24 V_DC dla układów sterowania (MCB 107). Moduł MCB107 zainstalowany w falowniku umożliwia komunikację z falownikiem po odłączeniu jego zasilania sieciowego. W sytuacji odłączenia falownika, tj. np. w przypadku wyłączenia napędu wyłącznikiem remontowym lub zadziałania zabezpieczenia sieciowego falownika, operator zachowuje komunikację z falownikiem i możliwość zdalnego zdiagnozowania przyczyny wyłączenia lub restartu urządzenia po przywróceniu zasilania do falownika.

Moduł MCA101 obsługuje dwa profile sterujące Profibus:

• przyjęty przez organizację Profinet i Profibus International profil PROFIdrive, specjalnie przystosowany do układów napędowych z przemiennikami;
• profil Danfoss FC, opracowany specjalnie dla falowników Danfoss.

Szczegółowy opis programowania transmisji PLC-falownik, tj. wybór rodzaju danych/parametrów wymienianych pomiędzy PLC a falownikiem (wybór typu PPO), tworzenie ramki zapytania (CTW) i odczyt ramki odpowiedzi (STW) z falownika, zawarte są w instrukcji modułu MCA101. W instrukcji zamieszczono też przykładowe fragmenty programów napisanych w języku STEP 7 dla sterowników Siemens. Programista w łatwy sposób może przesłać zadaną liczbę obrotów, poszczególne komendy do falownika i odczytać aktualny jego status.

Komunikacja i użycie profili

Opisany sposób komunikacji z falownikami dotyczy całej rodziny falowników: FC 100, FC 200 i FC 300. Falowniki serii FC 100 są stosowane do aplikacji wentylacyjnych HVAC, serii FC 200 do aplikacji pompowych, a serii FC 300 – do aplikacji stało-momentowych i innych, specjalnych. Dla każdego typu falownika producent udostępnia na swoich stronach internetowych pliki .gsd, wymagane do konfiguracji sprzętowej sieci Profibus.

Układy napędowe z falownikami obsługują różne urządzenia technologiczne, często o specyficznych wymogach względem parametrów regulacji. Niekiedy powstaje potrzeba, aby wybrane parametry falownika były zmieniane zależnie od wymogów danej fazy procesu. Dlatego oprócz możliwości zmiany nastaw, użytkownik powinien mieć możliwość zmiany parametrów falownika poprzez magistralę Profibus, co umożliwia profil PROFIdrive.

Zmiana parametrów falownika możliwa jest w dwóch specjalnych trybach: DPV0 oraz DPV1 Master klasy 1 (np. sterownik PLC) i Master klasy 2 (np. komputer PC). Oba tryby pozwalają na dostęp do parametrów falownika i ich zmianę. Tryb DPV1 daje większe możliwości, zwłaszcza jeśli chodzi o komunikację cykliczną i acykliczną. Pozwala to na ciągły dostęp i zmianę większości parametrów falownika z poziomu urządzenia Master klasy 1 i Master klasy 2.

Parametry i ograniczenia sieci

W opisywanym systemie sterowania proszkownią mleka, główna szafa napędowa MCC zawiera 27 falowników FC 302 o łącznej mocy 272 kW. Druga szafa napędowa zawiera 27 falowników o łącznej mocy 946 kW. W szafach napędów umieszczono także moduły wejść/wyjść ET200S, przekaźniki interfejsowe oraz niezbędny osprzęt elektryczny.

Jednym z ograniczeń sieci Profibus jest maksymalny rozmiar segmentu sieci. Dopuszcza ona maksymalnie do 31 jednostek typu slave. Jeśli struktura zawiera więcej niż 31 jednostek, wymagany jest dla kolejnego segmentu wzmacniacz (repeter). Jedna sieć Profibus z jednym urządzeniem Master może maksymalnie objąć 121 falowników i trzy repetery.

Ograniczona jest też maksymalna łączna długość segmentu sieci Profibus. W zależności od prędkości transmisji (187,5 kBaud do 12 MBaud), maksymalna łączna długość jednego segmentu z 31 falownikami może wynieść odpowiednio 1000 m (przy 187,5 kBaud) i 100 m (przy 12 MBaud). W opisanym systemie z 54 falownikami utworzono dwa segmenty sieci Profibus.

Pomocne oprogramowanie

Podczas tworzenia aplikacji przydatne okazało się oprogramowanie oferowane przez Danfossa. Chodzi przede wszystkim o program MCT 10, który ułatwia i znacznie przyspiesza konfigurację i parametryzację falowników z notebooka, szczególnie przy większej liczbie urządzeń połączonych magistralą Profibus. W najprostszej konfiguracji program MCT 10 może komunikować się z pojedynczym falownikiem przez port USB. Kolejna konfiguracja to komunikacja z siecią falowników połączonych interfejsem RS-485. Jeśli chcemy połączyć się z siecią falowników połączonych magistralą Profibus, konieczna jest karta Profibus (np. CP5511 firmy Siemens), zainstalowana w komputerze PC lub laptopie.

Program umożliwia przygotowanie parametrów wszystkich falowników i, jeśli mają wpisane wcześniej adresy Profibus, parametryzację przez sieć wszystkich falowników. MCT 10 jest wygodnym narzędziem do uruchamiania i monitorowania pracy poszczególnych napędów. Oprócz szybkiej parametryzacji, pozwala na przeglądanie aktualnych alarmów, ostrzeżeń i rejestru błędów wybranego falownika. Są one aktualizowane w każdym cyklu zapisu/odczytu danych z falownika.

MCT 10 umożliwia również monitorowanie bieżących parametrów wybranego napędu. Służy do tego funkcja Scope Folder, w której można zdefiniować maks. 6 kanałów rejestracji parametrów. Przykładowo, mogą to być: prąd napędu, napięcie DC, wartość zadana Profibus itd. Istnieją dwa tryby rejestracji parametrów: PC Polling Chanel oraz Drive Real Time Channel. W pierwszym można rejestrować parametry od arbitralnie zdefiniowanego czasu startu rejestracji, w drugim – od momentu wybranego zdarzenia. Jeśli chcemy rejestrować parametry w przypadku wystąpienia konkretnego zdarzenia, np. przekroczenia ograniczenia prądowego, stosujemy tryb Drive Real Time Channel. Pozwala on na zdefiniowanie sposobu wyzwalania rejestracji przy wystąpieniu tego zdarzenia.

Projektowanie i uruchomienie

Wszystkie falowniki Danfoss rodziny FC mają wbudowany moduł programowy SLC, czyli sekwencyjny sterownik zdarzeń. Prosty edytor grafów przejść, będący modułem programu MCT 10, pozwala na definicję zachowania się falownika przy wystąpieniu określonego warunku logicznego, wyniku operacji porównania, osiągnięcia stanu licznika, itp. Dowolne zdarzenie zdefiniowane w module SLC może wyzwalać opisane wcześniej rozpoczęcie rejestracji wybranych parametrów falownika w archiwum Scope Folder. Program Scope Folder umożliwia także eksport zarejestrowanych danych do pliku Excel w celu dalszej ich obróbki.

W trakcie projektowania szaf napędowych MCC ważnym aspektem był ich system chłodzenia. Pomieszczenie rozdzielni, w którym umieszczone są szafy, jest klimatyzowane, zapewniając tym samym odpowiednie parametry powietrza. Dla zapewnienia cyrkulacji powietrza chłodzącego w szafie każde z jej pól wyposażono w wentylatory nawiewne oraz kratki wywiewne. Sumaryczny, wymagany przepływ powietrza chłodzącego falowniki został uzyskany poprzez odpowiedni dobór wentylatorów.

Wszystkie jednostki FC 302 wyposażono dodatkowo w lokalne panele LCP, co jednak nie było konieczne ze względu na pełną diagnostykę falowników prowadzoną magistralą Profibus z poziomu systemu sterowania. Oczywiście wymagało to pewnych nakładów pracy ze strony programistów sterownika PLC – w tym przypadku sterownika Siemens S7-400.

Podczas uruchamiania systemu okazało się, że czas potrzebny na testowanie i ustawianie napędów jest znacznie krótszy niż przy podobnej wielkości aplikacjach z tradycyjnym sterowaniem analogowo-cyfrowym. Rozruch przebiegł bardzo sprawnie, a wszystkie kolejne konfiguracje falowników zostały na bieżąco udokumentowane w odpowiednich plikach archiwum serwisowego.

Lech Ptaszyński,
Schulz Infoprod