Przedstawiona w podrozdziale 1.4 tematyka narzuca w pewien sposób strukturę pracy. Struktura pracy odzwierciedla strukturę systemu projektowania i realizacji m ikroprocesorowych sterowników urządzeń energoelektronicznych, pokazaną w rozdziale 3.
Poszczególne rozdziały i w dużym zarysie ich kolejność odpow iadają blokom z rys. 3.1 zamieszczonego w rozdziale 3.
W rozdziale 4 zaprezentowano pierwszy etap procesu projektowania i realizacji sterowników. Zbudowano go na w zór systemu doradczego, wyróżnając bazę wiedzy (podrozdział 4.2) i m echanizm wnioskowania (podrozdział 4.3). Podsum owaniem rozdziału jest algorytm doboru systemu mikroprocesorowego (punkt 4.3.4).
rozdział 1 - Wstąp
Drugi etap procesu projektowania i realizacji sterowników przedstawiono w rozdziale 5, w yróżniając tam projektowanie sterownika, jego uruchamianie, oraz wykonanie oprogramowania. Pierwszy i trzeci z tych kroków przedstawiono w postaci algorytmów, które są częścią ogólnego algorytmu z rozdziału 3. K ońcow a część rozdziału poświęcona jest metodom sztucznej inteligencji i możliwościom ich w ykorzystania w sterowaniu mikroprocesorowym.
Rozdziały 6 i 7 poświęcone są sterowaniu mikroprocesorowemu napędu z falownikiem MSI i silnikiem indukcyjnym. Zagadnienie to wydzielono z tego powodu, że je s t to najbardziej złożone zadanie w energoelektronice. D odatkow ą m otyw acją do takiego usytuowania informacji o sterowaniu tego szczególnego napędu energoelektronicznego była potrzeba przekazania usystematyzowanej wiedzy ja k ą posiada autor w tym względzie. Rozdział 6 zawiera omówienie wybranych istotnych zagadnień sterowania napędu z falownikiem M SI i silnikiem indukcyjnym. W rozdziale 7 pomieszczono opisy zrealizowanych przemysłowych systemów mikroprocesorowych sterowania napędu z falownikiem MSI. Punkt 7.2.5 jest poświęcony rozwiązaniom, w których zastosowano ekspertowe metody sterowania. Natomiast podrozdział 7.3 ujmuje dwa istotne zagadnienia optymalizacji parametrów pracy sterownika.
Zasadniczą część pracy kończą wnioski.
Poza głów ną częścią pracy zamieszczono, jako dodatki, szczegółowy opis zrealizowanych układów sterowania mikroprocesorowego urządzeń energoelektronicznych. Na wyróżnienie zasługuje dodatek 2, w którym przedstawiono proces realizacji mikroprocesorowego układu sterowania, poczynając od założeń wstępnych postawionego zadania, poprzez wykonanie, do uruchomienia. W tym przykładzie odzwierciedlono dokładnie to co w sposób ogólny zawiera rozdział 3 - System realizacji sterowania mikroprocesorowego w energoelektronice. W dodatku 2 przedstawia się sterowanie napędu prądu stałego z połączeniem sprężystym.
2. CEL I ZAŁOŻENIA PRACY
Zrealizowane przez autora prace w zakresie sterowania mikroprocesorowego urządzeń energoelektro
nicznych, nabyte w ten sposób doświadczenie oraz analiza stanu aktualnego tej problematyki pozw alają na sformułowanie celu pracy.
C E L PR A C Y :
Celem pracy jest zebranie i przedstawienie całościowe, bazujące na doświadczeniu, problematyki związanej z projektowaniem i realizacją sterowania mikroprocesorowego urządzeń energoelektronicznych. Przy tym problematykę tą przyjęto przedstawić tak, aby odpowiednie informacje m iały strukturę systemu przeznaczonego do:
• analizy (m.in. wyboru),
• projektowania (schemat elektryczny, obwód drukowany),
• testowania,
• uruchamiania,
• programowania,
• dokumentowania
mikroprocesorowych układów sterowania urządzeń energoelektronicznych, zawierającego zbiór przepisów, dotyczących postępowania w określonych zbadanych lub przewidywanych sytuacjach, z uwzględnieniem wymagań wykonania przemysłowego.
ZA ŁO ŻEN IA :
Do pracy przyjęto następujące założenia ograniczające:
• Praca obejmuje sterowanie mikroprocesorowe wszystkich typowych urządzeń energoelektronicznych (np.
zawierających prostowniki, falowniki, przekształtniki DC/DC itp.)
• M ożliwości układowe i programowe mikroprocesorów przedstawia się w pracy na przykładzie układów produkowanych przez wiodące firmy światowe: Zilog, Intel, Texas Instruments, Analog Devices.
• System ma obejmować: część program ową (projektowanie, oprogram owanie sterownika, symulacja) i układow ą (uruchamianie, testowanie, diagnozowanie), powiązany w iedzą inżynierską.
• Część pracy obejmuje problematykę sterowania mikroprocesorowego napędu z falownikiem napięcia MSI i silnikiem indukcyjnym klatkowym jako najtrudniejszego zadania sterowania w energoelektronice (układ powszechnie stosowany w przemyśle).
• Sterowanie dotyczy w znacznej mierze realizacji przemysłowych (odpowiednie wymagania i wyższa niezawodność).
• Analiza w przeważającej części oparta jest o w iedzą ekspercką.
3. SYSTEM REALIZACJI STEROWANIA MIKROPROCESOROWEGO W ENERGOELEKTRONICE
Sterowanie mikroprocesorowe urządzeń energoelektronicznych jest realizowane w określony sposób i w określonym systemie/środowisku. Sposób realizacji przedstawia rysunek 3.1, odzwierciedlając jednocześnie system/środowisko realizacji.
Sterownik przekształtnika energoelektronicznego jest tylko częścią urządzenia, w związku z czym jego projektowanie jest związane ze strukturą całości otoczenia, w którym ma funkcjonować. Dlatego proces rozpoczyna się od sformułowania zadania, czyli określenia podstawowych funkcji realizowanego urządzenia.
W sformułowaniu zadania określa się wymagania odnoszące się do przekształtnika energoelektronicznego oraz procesu technologicznego, który jest realizowany.
Te wstępne informacje w ym agają uściślenia. T ypow ą drogą ich uzyskania jest przeprowadzenie symulacji komputerowych w celu:
- określenia właściwych parametrów elementów przełączających i biernych przekształtnika,
- stwierdzenia na ile funkcjonowanie przekształtnika jest zgodne z założeniami w określonych warunkach, - pokazanie jego zachowania w stanach awaryjnych i in.
W zależności od zasadniczych celów jakie zostały postawione w sformułowanym zadaniu, istnieje możliwość zastosowania odpowiedniego programu symulacyjnego (SPICE, TCAD, NAP, M ATLAB-SIM ULINK). Symulacje pozw alają nie tylko zaprojektować właściwie sam przekształtnik, ale także ustalić wymagania dotyczące jego układu sterowania. Dopiero na bazie takich symulacji, wspartych doświadczeniem projektanta (inżyniera) w zakresie energoelektroniki i układów sterowania, można postawić zadanie dla sterownika m ikroprocesorowego tego urządzenia.
• p ostaw ien ie zad an ia sterow an ia (m ik rop rocesorow ego) Zadania takie powinny obejmować:
- sposób komunikacji z otoczeniem,
-w ym agania dotyczące realizacji przełączeń zaworów (np. minimalne/maksymalne czasy trwania impulsów, częstotliwość przełączeń, czas martwy itp.),
- struktury implementowanych (programowo i układowo) układów sterowania i regulacji,
- wymagania względem pomiaru wielkości elektrycznych i nieelektrycznych lub odtwarzania wielkości niemierzonych (np. wejścia analogowe/cyfrowe, częstotliwość próbkowania),
- opis sprzężeń z nadzorowanymi zabezpieczeniami urządzenia (np. nadprądowym, nadnapięciowym i in.), - szczegóły funkcji specjalnych (komunikacja ze sterownikiem nadrzędnym, zbieranie danych, archiwizacja).
- wymagania ze względu na kompatybilność elektromagnetyczną, - szczegóły konstrukcji (osobna/zespolona z obwodami głównymi).
Tak ogólnie sformułowane zadania m uszą zostać uszczegółowione w celu zebrania informacji decydujących o wyborze określonej struktury systemu mikroprocesorowego (typ mikroprocesora, elementy peryferyjne), tak jak pokazano to w rozdziale 4 niniejszej pracy.
• ster o w n ik d ed yk ow an y czy m od u łow y?
W ynikiem tego etapu jest wybranie jednej z dwóch dróg dalszego postępowania, zw iązanych z postacią systemu mikroprocesorowego. W yróżnia się dwie postacie systemu/sterownika:
1).sterownik dedykowany (sterownik zaprojektowany specjalnie dla określonego urządzenia)
2).sterownik modułowy (system/sterownik mikroprocesorowy uniwersalny zbudowany w oparciu o uniwersalny system kart (mikroprocesor, wejścia/wyjścia) oraz specjalizowane oprogramowanie wspom agające pracę).
rozdział 3 - System realizacji sterowania mikroprocesorowego w energoelektronice
t
s te ro w n ik
m o d u ło w y s te ro w n ik d e d y k o w a n y
T .
d o b ó r s y s te m u m ik r o p r o c e s o r o w e g o
}
SYSTEM DORADCZY
w y k o n a n ie s c h e m a tu s te ro w n ik a
OrCAD, Protel, PCAD
w y k o n a n ie projektu o b w o d u d ru k o w a n e g o
re a liza cja o b w o d u d ru k o w a n e g o
4
s p r a w d z e n ie p o p ra w n o ś c i w y k o n a n ia o b w o d u d ru k o w a n e g o
m o n ta ż e le m e n tó w
s p ra w d z e n ie p o d s ta w o w y c h IU
... |
programy testująceTUnKCJI s t erow m ka .... ...
tw o rze n ie o p ro g ra m o w a n ia I s te ro w n ik a I * '
te s to w a n ie o p ro g ra m o w a n ia
(programy.makroasemblei kompilator 'C' (Archimedes, Keil, Intel)
emulator układowy i EPROM-ów
\ąrogramator EPROM-ów/
oscyloskop, próbnik stanów
logicznych
w y k o n a n ie d o k u m e n ta c ji k o ń c o w e j
komputer, drukarka, ploter
Rys.3.1 Struktura systemu dla projektowania i realizacji sterowników mikroprocesorowych
rozdział 3 - System realizacji sterowania mikroprocesorowego w energoelektronice
=> (S T E R O W N IK M O D U Ł O W Y )
Rozwiązanie to, sterownik modułowy, nie wchodzi w zakres pracy. Jest ono często spotykane przy pracach typu badawczego, laboratoryjnego, gdzie wymagana jest większa elastyczność, możliwość modyfikacji struktury sterownika. S ą to najczęściej układy w postaci kart z określonym m ikroprocesorem przystosowane do zamontowania w komputerze PC. Zwykle dodatkowo są wyposażane w oprogramowanie użytkowe ułatwiające ich programowanie. Należy tu jednak wskazać na wysokie koszty takiego rozwiązania, najczęściej wielokrotnie przewyższające cenę podobnego sterownika dedykowanego.
W yróżnienie w systemie realizacji sterownika modułowego podyktowane zostało wymogiem systematycz
ności podejścia. Pewne informacje o sterowniku modułowym znajdują się w punkcie 4.2.2.
=> (S T E R O W N IK D ED Y K O W A N Y )
• dobór system u m ik rop rocesorow ego
W tym etapie powstaje system mikroprocesorowy sterownika dedykowanego. Tworzy się go na podstawie wcześniej ustalonych zadań i określonych w arunków ekonomicznych przedsięwzięcia. Tworzenie systemu mikroprocesorowego polega na wyborze właściwej jednostki centralnej (mikroprocesora), elementów peryferyjnych (pamięci, układy wej/wyj cyfrowych, przetwornik A/C itp.) i połączeniu ich w jed n o litą strukturę.
Proces ten może zostać wykonany za pom ocą systemu doradczego (ekspertowego - w niniejszej pracy w rozdziale 4 autor przedstawia tylko zarys takiego systemu doradczego).
• w yk on an ie schem atu sterow n ik a
Dotyczy to sterownika dedykowanego, jako rozwiązania typowego dla urządzeń energoelektronicznych, które m uszą mieć zw artą konstrukcję. Gabaryty takiego sterownika m uszą być jak najmniejsze, ilość połączeń z otaczającymi modułami przekształtnika ograniczona, a ich długość minimalna. Występuje tu również czynnik ekonomiczny - koszt sterownika musi być odpowiednio niski w stosunku do kosztu pozostałych m odułów i obwodów głównych przekształtnika.
Zaprojektowanie sterownika polega na wykreśleniu jego schematu elektrycznego (połączeń), za pom ocą jednego z wielu programów użytkowych (narzędziowych) do tego przeznaczonych (OrCAD, Protel). W łaściwie wykonany schemat musi uwzględniać wszystkie wymagania dotyczące połączeń zastosowanych elementów. Jest to warunek właściwego toku dalszych etapów pracy.
• w yk on an ie projektu ob w od u d ru k ow an ego
Przygotowany schemat staje się punktem wyjściowym do wykonania projektu obwodu drukowanego sterownika. Wykorzystuje się do tego celu programy narzędziowe, zwykle stanowiące całość z programami do projektowania schematów. Projektowanie jest wspomagane przez dodatkowe narzędzia programowe, służące do kontroli poprawności zaprojektowanego obwodu drukowanego.
• realizacja ob w od u d ru k ow an ego
Problematyka realizacji obwodu drukowanego leży poza zakresem niniejszej pracy. Fizyczna realizacja obwodu drukowanego jest zwykle, w przypadku małych i średnich przedsiębiorstw, pow ierzana firmom specjalistycznym.
• sp raw d zen ie p op raw n ości w y k o n a n ia ob w od u d ru k ow an ego
W ykonany obwód drukowany sterownika powinien podlegać kontroli poprawności wykonania przed wlutowaniem elementów.
W technice światowej służą do tego celu urządzenia specjalistyczne. Poprzez przyłączenie sond do określonych punktów obwodu drukowanego można sprawdzić czy połączenia są wykonane zgodnie z projektem oraz czy zapewniona jest odpowiednia wytrzymałość napięciowa izolacji.
W praktyce małych laboratoriów i małych przedsiębiorstw kontrola jest wykonywana wizualnie.
Sprawdzenie poprawności w ykonania pozwala na znaczne zmniejszenie całkowitych kosztów w ytw arzania sterownika mikroprocesorowego.
• m on taż elem en tów
Montaż elementów może być realizowany na dwa sposoby. Może to być:
- montaż przewlekany oraz/i - powierzchniowy.
W m ontażu wykorzystuje się dwie zasadnicze techniki lutowania:
rozdział 3 - System realizacji sterowania mikroprocesorowego w energoelektronice
- lutowanie na fali oraz/i - lutowanie rozpływowe.
W przypadku produkcji jednostkowej stosuje się montaż z lutowaniem ręcznym.
Ostatnim etapem procesu montażu jest usunięcie pozostałości topnika za pom ocą specjalnie dobranych rozpuszczalników.
Najczęściej wlutowuje się wszystkie elementy sterownika bez cząstkowego sprawdzania poprawności działania.
• sp raw d zen ie p od staw ow ych funkcji sterow n ik a
Sprawdzeniu w pierwszej kolejności podlega m ikroprocesor w raz z jego otoczeniem. Sprawdza się współpracę jednostki centralnej z blokami pamięci (EPROM, RAM), układami wejść/wyjść cyfrowych (klawiatura, wyświetlacz), blokami analogowymi (wejścia i wyjścia).
Wygodnymi narzędziami dla realizacji tego celu są:
- emulatory układowe, pozwalające na wgląd w strukturę sterownika z punktu widzenia mikroprocesora oraz - proste programy testujące poszczególne bloki funkcjonalne sterownika (bez użycia emulatora).
• tw orzen ie o p rogram ow yw an ia sterow n ik a
Oprogramowywanie sterownika rozpoczyna się po sprawdzeniu i stwierdzeniu poprawności jego funkcjonowania. Oprogramowanie tworzy się poprzez konstruowanie kolejnych procedur, które realizują poszczególne zadania nałożone na sterownik. W tej jak i poprzedniej fazie m ogą być wykorzystywane, w zależności od potrzeb i możliwości, narzędzia w postaci emulatora układowego, emulatora EPROM -ów, programatora, oraz programy narzędziowe: makroasembler i kompilator 'C'.
• testow an ie op rogram ow an ia
Opracowywanie oprogramowania sterownika to proces iteracyjny polegający na sprawdzaniu poprawności działania programu sterownika przez jego testowanie i w przypadku wykrycia kolejnych błędów, powrocie do fazy pisania programu. Końcowa decyzja o zakończeniu pracy musi być oparta na stwierdzeniu poprawnej realizacji wszystkich zadań, postawionych sterownikowi na początku procesu projektowania i realizacji.
Testowanie może być realizowane przy współpracy z rzeczywistym obiektem lub jego modelem. To pierwsze rozwiązanie jest niewygodne i może być niebezpieczne, co wynika z niepewności co do poprawności działania kolejnych procedur. Wykorzystanie modelu zabezpiecza przed groźnymi następstwami awarii, ale wymaga budowy dodatkowego elementu - modelu systemu, którego konstrukcja może być trudna. Rozwiązanie najtańsze i nie wymagające nakładów to kontrola sygnałów wyjściowych za pom ocą oscyloskopu i innych elementów sygnalizacyjnych i na podstawie tego wnioskowania, co do poprawności działania urządzenia. Niestety jest ono jednocześnie najbardziej zawodne ze względu na brak sprzężenia zwrotnego od modelowego lub rzeczywistego urządzenia.
Elementem znacznie zmniejszającym awaryjność sterownika je st jego testowanie w podwyższonej temperaturze w urządzeniach do tego przystosowanych (autoklaw).
• w yk on an ie d ok u m en tacji końcow ej
Zakończenie pracy przy oprogramowaniu sterownika pozwala na przygotowanie końcowej dokumentacji pracy. Podstawowymi elementami takiej dokumentacji powinny być schematy sterownika i obwodu drukowanego wydruk programu sterownika oraz jego schematów blokowych.
Każdy z wymienionych etapów jest opisany zbiorem wskazówek i zasad postępowania, będących wynikiem doświadczeń człowieka - eksperta, posiadającego odpowiednio dużą w iedzę w zakresie projektowania i realizacji m ikroprocesorowych układów sterowania. Taka struktura systemu ma szansę ułatwić pracę kolejnym projektantom i zmniejszyć nie tylko koszt urządzenia, ale także ryzyko popełnienia zasadniczego błędu.