Układy wielonapędowe z przetwornicami VLT Automation Drive FC 302 w instalacji produkcji mleka w proszku

Stosowanie układów napędowych o regulowanej wydajności staje się dziś standardem w automatyce przemysłowej. Podyktowane jest to zarówno względami ekonomicznymi (optymalizacja zużycia energii), jak i możliwościami, jakie oferują obecne przetwornice częstotliwości. Popularność komunikacyjnych sieci polowych w obecnych rozwiązaniach sterowania procesów przemysłowych powoduje, iż projektanci większych systemów coraz częściej stosują urządzenia wykonawcze (jak przetwornice częstotliwości, siłowniki zaworów, przetworniki pomiarowe etc.) 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, a także diagnostykę usterek i prowadzenie działań serwisowych.

W wielu projektach technologicznych w przemyśle przetwórczym kontrola procesu musi być prowadzona bardzo precyzyjnie, a wszelkie awarie szczegółowo diagnozowane. Wśród różnorodnych zastosowań falowników przez firmę Schulz Infoprod ciekawą aplikacją jest system sterowania procesem wytwarzania mleka w proszku.

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

Jednym z głównych założeń projektantów systemu sterowania była duża elastyczność sterowania napędami i minimalizacja połączeń kablowych. Stąd decyzja o sterowaniu falownikami przez magistralę Profibus, a pozostałymi elementami obiektowymi – przez 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.

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 daje nam możliwość komunikacji z falownikiem po odłączeniu jego zasilania sieciowego. Tak więc w sytuacji odłączenia falownika (np. w przypadku wyłączenia napędu wyłącznikiem remontowym lub zadziałania zabezpieczenia sieciowego falownika) operator zachowuje komunikację z falownikiem i możliwość zdalnego zdiagnozowania przyczyny wyłączenia, jak również restartu urządzenia po przywróceniu zasilania do falownika.

Moduł MCA101 obsługuje dwa profile słowa sterującego Profibus: profil PROFIdrive, który jest przyjętą przez organizację Profibus specjalną wersją protokołu Profibus dla układów napędowych z przemiennikami i 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, zawarty jest w instrukcji modułu MCA101. W instrukcji zamieszczono również 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.

Opisany sposób komunikacji z falownikami dotyczy całej rodziny falowników: FC 100, FC 200 i FC 300. Falowniki serii FC 100 stosowane są do aplikacji wentylacyjnych HVAC, serii FC 200 stosowane do aplikacji pompowych, serii FC 300 – do aplikacji stało-momentowych i aplikacji 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.

Profil PROFIdrive umożliwia zmianę parametrów falownika w dwóch specjalnych trybach: DPV0 oraz DPV1 Master klasy 1 (np. sterownik PLC) i Master klasy 2 (np. komputer PC). Generalnie, bez wnikania w szczegóły programowania, oba tryby pozwalają na dostęp do parametrów falownika i ich zmianę. Tryb DPV1 daje większe możliwości, zwłaszcza możliwość komunikacji cyklicznej i acyklicznej, co pozwala na ciągły dostęp i zmianę większości parametrów falownika tak z poziomu urządzenia Master klasy 1, jak i Master klasy 2.

W opisywanym systemie sterowania proszkownią mleka główna szafa napędowa MCC zawiera 27 falowników FC 302 o łącznej mocy 272 kW, podczas gdy 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, obejmujący maksymalnie do 31 jednostek typu slave. Jeśli struktura zawiera więcej niż 31 jednostek, wymagany jest dla kolejnego segmentu wzmacniacz (repeater). Jedna sieć Profibus z jednym urządzeniem Master może maksymalnie objąć 121 falowników plus trzy repeatery.

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

Bardzo przydatnym narzędziem jest program MCT 10, oferowany przez firmę Danfoss. Ułatwia on 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 notebooku.

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 (parametry wybranego falownika można zmieniać on-line) pozwala na przeglądanie aktualnych alarmów, ostrzeżeń i rejestru błędów wybranego falownika (maks. do 200 alarmów i ostrzeżeń). Są one aktualizowane w każdym cyklu zapisu/odczytu danych z falownika.

Program MCT 10 umożliwia także monitorowanie bieżących parametrów wybranego napędu. Służy do tego funkcja Scope Folder, w której można zdefiniować maks. 6 kanałów rejestracji parametrów (np. prąd napędu, napięcie DC, wartość zadaną Profibus itp.). Istnieją dwa tryby rejestracji parametrów: PC Polling Chanel oraz Drive Real Time Channel. W pierwszym możemy rejestrować parametry od umownego czasu 0:00:00 startu rejestracji, w drugim – możemy rejestrować od momentu wybranego zdarzenia. Jeśli chcemy rejestrować parametry w przypadku wystąpienia konkretnego zdarzenia (np. przekroczenia ograniczenia prądowego), stosujemy tryb Drive Real Time Channel, w którym można zdefiniować sposób wyzwalania rejestracji przy wystąpieniu tego zdarzenia.

Wszystkie falowniki Danfoss rodziny FC mają wbudowany moduł programowy SLC (sekwencyjny sterownik zdarzeń). Prosty edytor typu graf 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 generować opisany wcześniej start 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 chłodzącego. Dla zapewnienia cyrkulacji powietrza chłodzącego w szafie każde z pól szafy wyposażono w wentylatory nawiewne oraz kratki wywiewne. Sumaryczny wymagany przepływ powietrza chłodzącego falowniki został zapewniony przez dobór wentylatorów o odpowiedniej wydajności.

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 czas inżyniera rozruchu spędzony przy testowaniu i ustawianiu napędów okazał się 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
Danfoss VLT Drives Partner
ul. Duszna 5, 60-208 Poznań
tel. 61 865 07 84, fax 61 865 07 86
e-mail: info@schulz-infoprod.pl
www.schulz-infoprod.pl
www.danfoss.pl/napedy

źródło: Danfoss; Schulz Infoprod