ОАО «АБС ЗЭиМ Автоматизация». Дарвин А.А. Интеллектуальные электроприводы – надежные и безопасные для систем автоматизации

Новинкой 2020 года являются новые исполнения приводов с крутящим моментом до 500 Н*м с питанием постоянного тока 24 В для применения в системах пожаротушения, вентиляции и системах безопасности.

Для управления электроприводами применяются интеллектуальные блоки управления КИМ1, КИМ2 и КИМ3, отличающиеся набором функций управления, защит и диагностик.

Технические характеристики ЭП

Номинальный крутящий момент однооборотного МЭО (Ф) составляет от 40 до 6 000 Н•м. Номинальный полный ход выходного вала – 0,25 и 0,63 об., номинальное время полного хода выходного вала – 6, 9, 10, 12, 25, 63, 160 сек. Режим работы – S2 с продолжительностью непрерывной работы до 10 мин или S4 (ПВ 25 %), число пусков – до 1 500 в час. Однооборотные ЭП оснащены червячным редуктором с самоторможением (до 1 000 Нм), планетарно-цилиндрическим редуктором (свыше 1 000 Нм). Максимальный крутящий момент выключения ПЭМ составляет от 40 до 9 000 Н•м.

Диапазон числа оборотов выходного вала для закрытия/открытия арматуры – от 0,5 до 40 000 об. Скорость вращения выходного вала – от 5 до 180 об./мин. Режим работы – S2 с продолжительностью непрерывной работы до 20 мин или S4 (ПВ 25 %), число пусков – до 630 в час. Многооборотные приводы оснащены планетарным редуктором с высоким КПД и присоединительным фланцем по ОСТ (по заказу ISO 5210).

Максимальное усилие на штоке ПЭП, МЭПК составляет от 2,5 до 50 кН•м, диапазон настройки хода штока – от 3 до 170 мм, время полного хода штока – от 50 до 300 сек. Для прямоходных ЭП характерно горизонтальное расположение корпуса редуктора, улучшающее его сейсмостойкость. Четвертьоборотные ЭП (ПЭО) и многооборотные ЭП (ПЭМ) могут комплектоваться редукторами для повышения крутящего момента до 100 000 Нм и 10 000 Нм соответственно и обеспечивать необходимое требование по времени хода (рис. 1). ПЭО могут использоваться в составе арматуры больших диаметров – кранов Ду до 1 000 мм, затворов Ду до 1 600 мм, многооборотные – в составе задвижек Ду до 800 мм.

Основные типы и особенности ЭП

Новая линейка электроприводов построена по модульному принципу. Состав модульной конструкции ЭП представлен на рисунке 1.

Также для данной линейки приводов характерны: управление моментом и скоростью (для ЭП с КИМ3), наличие встроенного тиристорного или транзисторного бесконтактного реверсивного преобразователя.

Предусмотрено взрывозащищенное исполнение – взрывонепроницаемая оболочка «d», маркировка взрывозащиты 1Ex d IIB T4 Gb или 1Ex d IIС T4 Gb. Сейсмостойкость ЭП составляет 9 баллов по MSK-64, ЭМС – третья группа с критерием функционирования А по ГОСТ 32137.

К основным функциональным возможностям данной линейки ЭП относятся: степень защиты корпуса от влаги и пыли IP67 (IP68), абсолютный бесконтактный датчик положения и момента на эффекте Холла, возможность прямого измерения момента на выходном валу, индикация состояния концевых и моментных выключателей, батареи резервного питания, наличие основного питания, сигнала «неисправность», полная защита электродвигателя и внутренних узлов блока управления.

Предусмотрен также встроенный обогреватель для низких температур, питание осуществляется от сети 220, 380 и 400 В или сети постоянного тока 24 вольта. Для жестких условий эксплуатации возможно выносное исполнение блока КИМ3, отдельно от электропривода.

Климатические исполнения ЭП

Интеллектуальные ЭП (рис. 2) выпускаются в стандартном, низко- и высокотемпературном исполнениях, также разработаны глубоководное и огнестойкое исполнения данного оборудования.

• Стандартное климатическое исполнение У1 предназначено для использования в средних широтах при температурах от –40 до +60 °С.

• Низкотемпературное исполнение УХЛ1 предназначено для использования в условиях Крайнего Севера, где требуется максимальная надежность приводов, при температурах от –63 до +65 °С. В данном исполнении предусмотрен встроенный нагреватель от основного кабеля питания, обогревающий внутренний отсек ЭП, используются двигатели с повышенным крутящим моментом, применяются авиационные смазки.

• Высокотемпературное исполнение У1 рассчитано на диапазон температур от –40 до +85 °С, такие электроприводы предназначены для использования в теплоэнергетической отрасли.

• Оборудование в исполнении IP68 для морских судов, плавучих платформ и затапливаемых объектов (климатические исполнения ОМ1 и В5) может работать под водой на глубине до 30 м в течение 48 часов и выполнять основные функции – открытие и закрытие арматуры. ЭП в данном исполнении предназначены для использования в судоходстве, гидроэнергетической и нефтегазовой отраслях.

• Огнестойкое исполнение ЭП, выполненное согласно требованиям СТО «Газпром» 2-4.1-2122008, предназначено для работы при температурах до 1 000 °С. В процессе проведенных испытаний ЭП с блоком управления огнезащитная термоизоляция обеспечила работоспособность привода при огневом углеводородном воздействии с температурой 750-1 000 °С в течение 30 мин, т. е. в условиях пожара. В процессе испытаний контроль работоспособности ЭП проводился через каждые 10 минут путем выполнения тестовых циклов «открыть – закрыть» с пульта дистанционного управления ЭП при номинальной нагрузке.

Блок управления КИМ2

КИМ2 предназначен для управления МЭО (Ф), ПЭМ, ПЭП, ПЭО и максимально обеспечивает базовые функции ЭП. В составе КИМ2 предусмотрен электронный индикатор – четырехразрядный LED, бесконтактный тиристорный (транзисторный для двигателей постоянного тока) силовой коммутатор, обладающий фактически неограниченным ресурсом для регулирования, бесконтактный цифровой датчик положения, а также электронный цифровой датчик момента (рис. 3).

КИМ2 обеспечивает защиту по току от обрыва или перекоса фаз, по отсутствию вращения выходного вала привода и контроль напряжения питания.

Кнопки местного управления и настройки с механической блокировкой позволяют обойтись без проведения технических работ, подстройки концевых и моментных выключателей.

КИМ2 поддерживает следующие способы управления: дискретное, аналоговое (позиционер), сетевое (Modbus RTU, Profibus DP). Устройство оснащено bluetooth-интерфейсом с ПО для связи с КПК с ОС Android или ПК, дальность действия составляет до 10 м.

Батарея автономного питания КИМ2 обеспечивает контроль и индикацию положения и момента ЭП при отсутствии основного питания. Предусмотрена возможность подключения внешнего резервного источника питания на 24 В. Есть один внутренний источник питания постоянного тока 24 В, 50 мА для питания внешних цепей.

В составе конструкции КИМ2 реализован поворот лицевой панели на месте эксплуатации, расположено до шести кабельных вводов.

Блок управления КИМ3

КИМ3 оснащен двумя дисплеями: графическим и цифровым с автономным питанием, бесконтактным реверсивным тиристорным пускателем или транзисторным преобразователем частоты и способен осуществлять регулирование скорости движения в диапазоне от 10 до 100 % (рис. 4).

Два интерфейсных канала RS-485 (MODBUS RTU с настраиваемой картой регистров, PROFIBUS DP/PA, FF Н1, HART) обеспечивают возможность резервирования для подключения к контроллеру АСУ ТП. Интерфейс ZigBee предназначен для связи с пультом настройки ПН3 с дальностью действия до 150 м, USB-интерфейс используется для подключения к ПК (ПО «Конфигуратор»).

В составе устройства есть два внутренних источника питания постоянного тока 24 В, 200 мА для внешних цепей. Батарея автономного питания обеспечивает контроль и индикацию положения и момента ЭП при отсутствии основного питания. Предусмотрено измерение тока и напряжения питающей сети для защиты электропривода. Предпусковой обогреватель обеспечивает работу ЭП при температуре ниже –40 °С.

КИМ3 также оснащен системой самодиагностики, в нем предусмотрено ведение архива событий с временными метками, а также проверка неполного хода ПНХ (PST) для ответственной арматуры в системах ПАЗ. Реализован точный подход в крайние положения и выход в заданную точку с плавным снижением скорости. В конструкции КИМ3 предусмотрено до восьми кабельных вводов.

Самодиагностика ЭП и диагностика арматуры

Все интеллектуальные ЭП оснащаются системами диагностики электропривода (самодиагностики). При самодиагностике КИМ3 создает архив данных о работе и состоянии ЭП и арматуры в энергонезависимой памяти. Осуществляется хранение базового тренда момента и ходовых токов при движении и измерение текущего тренда момента и токов в цепи электродвигателя. После этого данные записываются в архив, графики момента (токов) выводятся на дисплей привода.

Данные архива сохраняются на ПК в виде текстового файла для дальнейшего их анализа с целью определения правильности функционирования и степени износа для своевременного предотвращения сбоев и проведения планово-предупредительных (профилактических) работ.
Режим тестового движения (проверка неполного хода ПНХ (PST)) предполагает программируемые параметры движения, задание глубины и периода тестирования.

Диагностика цепей управления и напряжения питания основана на алгоритмах проверки цепей управления на обрыв и короткое замыкание (КЗ), а также на постоянном мониторинге напряжения сети и диагностике электрических параметров двигателя.

Управление ЭП по интерфейсу ZigBee

Интерфейс ZigBee позволяет осуществлять беспроводную связь между ЭП с КИМ3 и пультом ПН-3 с радиусом действия до 150 м, а на открытой местности – до 1 км. По интерфейсу ZigBee можно выполнять настройку, диагностику и управление приводами с КИМ3, расположенными в труднодоступных местах – например, в колодцах или под землей, а также с вертолета, если привод расположен далеко от базы, а посадка в месте установки невозможна.

Приводы с беспроводным интерфейсом ZigBee могут строить сеть с одним главным шлюзом. Предполагается, что в дальнейшем каждый ЭП будет связан с другим ЭП в радиусе приема. На текущий момент данная разработка находится в стадии НИОКР.

Многоконтурная топология в данном случае повышает отказоустойчивость за счет дублирования коммуникации. В случае сбоя одного устройства автоматически применяется альтернативный путь связи.

Кроме того, ЭП могут управляться при помощи смартфона на Android с сервисной программой «Конфигуратор» (доступно в PlayMarket).

ЭП со встроенным частотным преобразователем

Встроенный частотный преобразователь в составе ЭП позволяет осуществлять плавное изменение скорости вращения в диапазоне от 10 до 100 %, плавный пуск и торможение и точный останов. Система отличается отсутствием пускового тока и возможностью использования стандартного асинхронного или синхронного двигателя, в т. ч. с постоянными магнитами. Встроенный частотный преобразователь нечувствителен к перепадам напряжения сети и может использоваться с приводами с напряжением питания 220 В.

ЭП со встроенным частотным преобразователем представляет собой оптимальный вариант реализации функции «Безопасного положения НО/НЗ» с бесперебойным питанием привода от UPS. Плавное изменение скорости и точный выход в требуемое положение существенно сокращает лишние перемещения, увеличивает ресурс арматуры, делает регулирование более эффективным.

Функциональная безопасность в интеллектуальных электроприводах с КИМ3 обеспечивается повышением надежности блока исполнения команды ESD («Авария»); резервированием входов ESD («Авария»); функцией проверки неполного хода ПНХ (PST), а также возможностью работы от внешнего источника бесперебойного питания для установки в безопасное положение в случае отключения основного питания.

Аварийной функцией «Безопасного положения НО/НЗ» оснащены несколько типов ЭП.

Таким образом, электроприводы, оснащенные интеллектуальными блоками управления, обладают высокими эксплуатационными характеристиками, обеспечивают безопасную работу систем автоматизации промышленных процессов и производств предприятия, позволяют своевременно выполнять диагностику оборудования, отличаются энергоэффективностью, запасом по усилию и стойкостью к перепадам напряжения, потому успешно применяются на многих предприятиях страны.

Размещено в номере: «Вестник арматуростроителя», № 4 (60) 2020