Введение

На сегодняшний день электродвигатели используются во всех отраслях промышленности. При этом, как известно, ток потребления электродвигателя зависит от характера нагрузки.

Яркими примерами технологических процессов, где измерение тока двигателя очень важно, являются:

• измельчение твердого продукта (дробление);
• поддержание консистенции (перемешивание);
• экструзия при помощи шнекового пресса.

В этой статье будут рассмотрены основные проблемы, возникающие при автоматизации подобных процессов и различные пути для их решения.

Техника безопасности

1. Примеры технологических процессов

1.1. Измельчение твердого продукта (дробление)

На рисунке 1 показана типовая дробильная установка.

Она состоит из:

• конвейера, который осуществляет подачу сырья;
• непосредственно самой дробилки.

В обоих случаях применяются электродвигатели. Сырьем для дробилки зачастую является горная порода.

Избыточная подача сырья приводит к перегрузке электродвигателя, вращающего дробилку. Недостаточная подача, в свою очередь, свидетельствует о неэффективном использовании ресурсов имеющегося оборудования, т.к. влечет за собой работу в холостом режиме, а следовательно и негативный экономический эффект. Для достижения наилучшей эффективности процесс подачи материала необходимо автоматизировать.

Схема управления в таком случае достаточно проста: в зависимости от загруженности дробилки регулируется скорость подачи сырья, т. е. конвейера. Это возможно осуществить с помощью преобразователя частоты (ПЧ). Для этого необходимо подключить к ПЧ датчик, который будет являться обратной связью. Этого достаточно для организации самостоятельного узла управления.

Алгоритм работы системы заключается в следующем: сигнал от датчика обратной связи показывает текущий уровень загрузки дробилки. В зависимости от этого, преобразователь частоты будет уменьшать или увеличивать обороты двигателя подающего конвейера.

В качестве датчика обратной связи могут применяться оптические или ультразвуковые датчики (рисунок 2).

Датчик производит измерение уровня бесконтактно и передает сигнал на частотный преобразователь. Соответственно, чем выше уровень материала, тем выше нагрузка на двигатель дробилки.

Однако, у таких решений есть несколько недостатков. Если процесс дробления сопровождается образованием пыли, использование оптических датчиков невозможно, так как пыль препятствует прохождению светового луча. Этого недостатка лишены ультразвуковые датчики, которые работают даже при высокой запыленности. Тем не менее, оба описанных метода измерений не учитывают размер фракции горной породы, от которого наиболее зависит нагрузка электродвигателя.

1.2. Поддержание консистенции (перемешивание)

В процессах, связанных с перемешиванием продукта (например, производство шоколада), зачастую возникает необходимость отслеживать консистенцию (степень густоты) среды.

Консистенцию можно определять, основываясь на плотности перемешиваемого продукта. Однако, определение плотности является сложной задачей, связанной с рядом особенностей:

• большинство датчиков плотности (плотномеров) предназначены для работы только с маловязкими жидкостями;
• плотномеры требуют непосредственного контакта со средой. Установка их в емкость проблематична из-за наличия перемешивающего устройства;
• повышенная температура ограничивает применение некоторых датчиков;
• постоянно работающий миксер вносит погрешность в измерения.

В связи с этим, от определения плотности зачастую либо отказываются, либо определяют её в лаборатории.

1.3. Экструзия при помощи шнекового пресса

Еще один вид процессов, в которых возникает необходимость отслеживания режимов работы электродвигателя — процессы экструзии с использованием шнековых прессов. При этом происходит формирование изделий из полимерных материалов путем выдавливания расплава через специальную форму. Один из типовых примеров такого процесса — экструзия пластика.

На рисунке 4 приведена функциональная схема такого процесса.

Сырье загружается сначала в бункер, а после поступает непосредственно в пресс с помощью подающего шнека. Для вращения подающего шнека и шнекового пресса используются асинхронные двигатели.

Неравномерная подача сырья приводит к образованию воздушных пустот в расплаве и нежелательных полостей в готовых изделиях. А в случае избыточной подачи сырья может возникнуть перегрев бункера из-за передачи температуры от расплавленной массы.

Поэтому регулирование скорости подачи сырья из бункера обязательно для выпуска качественной продукции и повышения производительности.

2. Нагрузка на валу двигателя и ток потребления

Все описанные процессы имеют общую черту, а именно: применение асинхронных электродвигателей для различных задач. Благодаря этому свойству, задача автоматизации этих процессов становится не такой сложной, как кажется на первый взгляд.

Как уже было упомянуто ранее, при увеличении нагрузки на валу двигателя увеличивается и ток, потребляемый им. Таким образом, именно ток определяет текущий режим работы двигателя. Зная текущий ток потребления, можно судить о состоянии оборудования и процесса в целом. На шильдике двигателя указывается его номинальный ток, соответствующий нормальному режиму работы двигателя. Помимо этого, есть несколько других режимов:

• Холостой ход. Соответствует работе двигателя без нагрузки (как правило, порядка 30% - 50% от номинального тока).
• Перегрузка. Двигатель потребляет больший ток, чем номинальный (индивидуально для каждой модели, принято считать ток свыше 110...120% от номинального).

Для отслеживания тока потребления наиболее подходящими датчиками являются измерительные преобразователи тока Seneca T201, которые и будут рассмотрены далее.

3. Бесконтактные датчики тока Seneca T201

Внешне датчики похожи на классические измерительные трансформаторы тока, однако функционально это уже другие приборы.

Рассмотрим их отличительные особенности:

• в отличие от трансформаторов тока, измерительные преобразователи тока Seneca на выходе формируют унифицированный аналоговый сигнал (4...20мА или 0...10В) или имеют цифровой интерфейс RS-485 и протокол Modbus RTU;
• преобразователи серии T201 имеют высокий класс точности и имеют свидетельство об утверждении типа средств измерений;
• принцип действия обычных трансформаторов тока основывается на электромагнитной индукции и рассчитан на работу с переменным током. В линейке датчиков тока Seneca присутствуют и модификации, способные работать как на переменном, так и на постоянном токе (T201DCH, основанные на эффекте Холла);
• преобразователи T201 обладают высокой перегрузочной способностью (например, для стандартной модификации Т201 - до 800А);
• в датчиках предусмотрена возможность настройки диапазона измерения с помощью DIP-переключателей, а также включения фильтрации, для игнорирования превышения тока индуктивной нагрузки при пуске.

Описанные преимущества позволяют успешно использовать датчики во всех описанных выше технологиях:

• Измельчение твердого продукта (дробление). В процессе дробления можно добиться автоматического поддержания скорости движения конвейера в зависимости от загрузки двигателя дробилки. Использование токовых датчиков T201 наиболее предпочтительно, так как потребляемый двигателем ток напрямую зависит от нагрузки на валу, определяемой размером фракции сырья (см. рисунок 6).



• Поддержание консистенции (перемешивание). В процессах перемешивания также используются бесконтактные датчики тока (рисунок 7). На основании измеренного тока формируется зависимость загруженности двигателя от консистенции сырья. Полученные таким образом данные о консистенции (плотности) используются в системе автоматического регулирования процесса перемешивания.



• Экструзия при помощи шнекового пресса. Измерение тока двигателя шнекового пресса позволяет регулировать скорость подачи сырья из бункера. Это реализуется при помощи частотного преобразователя, управляющего двигателем подающего шнека. Датчик тока Т201 подключается к ПЧ и выступает в качестве датчика обратной связи для автоматического регулирования. Функциональная схема процесса приведена на рисунке 8.

4. Пример применения датчиков Seneca T201

Рассмотрим более подробно применение бесконтактных измерителей тока в процессах дробления совместно с частотным преобразователем.

В примере используется частотный преобразователь ELHART EMD-MINI. ПЧ имеет аналоговый вход 4...20 мА (0...10 В), который можно использовать для задания скорости вращения. При этом логика регулирования будет обратной: чем больше сигнал от датчика тока (выше нагрузка), тем медленнее должен вращаться конвейер. Если контейнер дробилки загружен слишком сильно, то подача нового материала должна быть остановлена на некоторое время.

Бесконтактный датчик подбирается по номинальному току основного двигателя (дробилки), который указывается на шильдике. Датчик следует подбирать с запасом, при этом существует возможность подстройки диапазона измерения датчика. К примеру, если номинальный ток двигателя дробилки составляет 23А, то можно использовать преобразователь Seneca T201, настроенный на диапазон 0...30А. Настройка датчика осуществляется при помощи DIP-переключателей, расположенных на корпусе (необходимое положение переключателей показано на рисунке 9).

В свою очередь, частотный преобразователь подбирается по номинальному току двигателя конвейера. Для подключения датчика Т201 к ПЧ дополнительно понадобится блок питания =24V DC. На рисунке 10 принципиальная электрическая схема подключения:

Сигнал от измерителя тока Seneca T201 подключается на аналоговый вход преобразователя частоты. Для работы ПЧ в режиме измерения тока 4...20 мА необходимо установить DIP-переключатель на корпусе частотного преобразователя в положение, показанное на рисунке 11.

В данном примере к дискретному выходу ПЧ подключена сигнальная лампа для индикации перегрузки основного двигателя. Данный выход можно также использовать и для других целей (например, для остановки частотного преобразователя).

Настройки преобразователя частоты приведены в таблице 1.

* - Зависит от параметров применяемого двигателя
** - Параметр настраивается в зависимости от объекта

Заключение

В описанном выше примере применение преобразователя частоты совместно с датчиком тока позволяет осуществлять точный контроль подачи материала, при этом:

• повышается экономическая эффективность, так как исключается простой оборудования;
• осуществляется дополнительная защита основного двигателя дробилки за счет остановки подачи материала;
• уменьшается влияние человеческого фактора за счет автоматизации процесса.

В данной статье были рассмотрены три типовые примера применения датчиков тока Seneca T201 в процессах дробления, перемешивания и экструзии. Во всех рассмотренных случаях использование этих датчиков является оптимальным решением для контроля нагрузки электродвигателя.

Инженер ООО «КИП-Сервис»
Черемисин П.В.