Szabályozás korszerű, állandó fordulatszámú villamos hajtásokkal

Egy évtizede jelentek meg és egyre terjednek a szabályozó szerelvényeken is az eddig csak elzáró szerelvényeken megszokott villamos hajtások. Jogosan merül fel a kérdés: Alkalmasak erre a feladatra? A teljesség igénye nélkül megpróbálom az ezzel kapcsolatos műszaki kérdéseket megválaszolni, és ahol lehetséges összehasonlításokat is végezni.

Előnyök:
- nem szükséges külön kiépítést igénylő energiaforrás (levegő, olaj)
- az alkalmazott csigakerekes áttétel önzáró, ezért a szerelvény pozícióban tartása nem igényel energiát,
- a meghajtó üzemeltetése és karbantartása, tartalék alkatrészei azonosak az elzáró szerelvényekével,
- csúszó- és forgósszáras adapterrel is szállítható, kiegészítő áttételekkel jól szerelhető,
- gyakran a hajtás bekerülési ára is kedvezőbb más megoldásoknál.

Miért nem volt eddig?
A hajtások szélesebb körű alkalmazását a harmadik generáció (jobboldali kép) megjelenése tette lehetővé (ld. PID.hu magazin korábbi e tárgyú cikksorozatát) amely a korábban gyakran felmerülő problémákra a következő megoldásokat kínálja:

1. Nagymértékű kopás, a gyakori nyitás-zárások következtében növekvő pontatlanság:
- Az első és második generációs hajtások a nyomatékmérést egy rugóval alátámasztott csiga elmozdulásából állapították meg. Ez jelentősen növelte a váltakozó terhelés melletti elhasználódást. A harmadik generációs hajtások kivétel nélkül rögzített csigával rendelkeznek és a nyomatékot elektronikus úton mérik.
- Korábban a kenőanyag az áttételekből gyakran kipréselődött, a harmadik generációs hajtások áttételei viszont széles hőmérséklettartományú szintetikus olajfürdőbe merülnek.
- A harmadik generációs hajtások mágneses vagy optikai helyzetérzékelője súrlódó alkatrészektől mentes, pontosságát teljes élettartama alatt megőrzi.
- A hajtások beállítása megbontás nélkül történik, tehát szennyező anyagok bekerülése vagy a beállításkor okozott sérülés kizárt.
- Az újkori hajtások nagy pontossággal beállítható nyomatékvédelme jobban óvja a szerelvényt a sérülésektől.
- A kiegészítő áttételek gyártói is felkészültek, és kifejlesztették pontosabb megmunkálású és kiegészítő kenésű típusaikat.

2. Jelentős a túlfutás, nehézkesek a kis elmozdulások, lassú a beállás:
- A mozgó alkatrészek tömege jelentősen csökkent (jobboldali ábránkon egy korábbi tipus...). A hajtásokat felszerelők ezt saját bőrükön is érzik - egyre ritkábban igényelhetnek darut a beépítéshez :-))
- Nagy nyomatékú és kis tehetetlenségű motorok alkalmazásával elérhetővé vált a nagyobb sebesség kis elmozdulással, gyors megállással.
- Egyenáramú fék alkalmazása is lehetséges a szilárdtest relékkel szerelt hajtások esetén a túlfutások megakadályozására. Ehhez külső vezérlés nem szükséges, a hajtás elektronikájából automatikusan történik.
- Elérhetővé vált a nagy pontosságú sorozatgyártás, a legtöbb holtjáték ma már a szerelvényre építéskor keletkezik ezért annak a pontos illesztése lett ezen a téren a legfőbb feladat.
- A helyzetérzékelő pontossága az újabb hajtások esetében már 7.5 fok, tehát a beállási pontosság meghatározása a működtetéshez szükséges impulzusok számának kiszámítására egyszerűsödik.

3. Állandó sebesség, lassú irányváltás
- Az intelligens hajtások megszakítások beiktatásával a futásidőt növelni képesek. Ezt nyitó és záró irányban külön-külön, a szakaszos üzem kezdő és befejező pozíciójának megadásával tehetjük meg. A hajtás kiválasztást tehát az igényelt leggyorsabb működés alapján kell végeznünk!
- Alapkivitelben a hajtások óránkénti 60 indításra és 15 perc egyszeri üzemidőre méretezettek. Nagyobb igénybevételhez rendelhetőek óránkénti 1200 indításra méretezett hajtások is, melyeket 3 másodpercenként folyamatos irányváltásra kényszeríthetünk, de ezt akár másodpercenként is megtehetjük, ha vannak ezt követő hosszabb stabil időszakok. Egy másodpercnél gyorsabb irányváltás a kapcsolóvezérelt aszinkron motoroknál ma nem lehetséges.
- Ha azonnali (túlfutás nélküli) beállást szeretnénk, több osztásnyit kell áldoznunk egy kívánt pozícióra (7,5 fok vagy többszöröse), ez pedig a fordulatok számának növeléséhez (kiegészítő lassító áttétel alkalmazásához) vezet, és a futásidő növekedésével jár. Ha elfogadjuk azt hogy a hajtás túlfut és kis visszafutással áll be automatikusan, az egyosztásos beállást is megcélozhatjuk ami igen gyors működést eredményez. Már üzemelnek olyan szivattyúindítást vezérlő DN700 PN75 pillangószelepek, amelyekre alapkivitelű villamos hajtást szereltek és nyitásidejük 10 s zárásidejük 45 s és 1 bar pontossággal végzik a szabályozást, a kiváltott technológia bekerülési árának hatodáért.

4. Bizonytalan helyzetbeállíthatóság?
A pozícionáló már beköltözött a harmadik generációs hajtásokba, tehát a feladat: csak annyi: Közölni kell a hajtással milyen helyzetbe szeretnénk állítani, és a hajtás a kért pozíciót beállítható módon elfoglalja. Ehhez az alábbi beállítások állnak rendelkezésre:
- Holtsáv (deadband): Mekkora különbségi jelnek kell megjelennie az aktuális helyzethez képest a hajtás indulásához.
- Indítási késleltetés (motion inhibit time) : Meddig kell az előirt különbségi jelnek folyamatosan jelen lennie ahhoz, hogy a hajtás a kért pozícióba elinduljon (a tranziens zavarvédelmen túl kiváló eszköz a felesleges gyakori működések egyszerű megakadályozására)
- A legfejlettebb hajtásoknál megközelítési zóna: A kért helyzet megközelítésekor a hajtás automatikusan szakaszos üzemmódba vált a túlfutás megakadályozására, a beállási sebesség és pontosság növelésére (ezzel a gyors működés mellett maximális pontosság érhető el).
- Nyitott és zárt helyzethez tartozó vezérlőjel tárolása egy gombnyomással, megbontás nélkül (akár fordítottan arányosan is), amivel sok beállítási időt takarítunk meg.

A hajtások alkalmazási korlátainak és előnyeinek véleménybefolyásoló összefoglalása helyett, javaslom a szabályzó szerelvények kiválasztóinak és üzemeltetőinek, hogy a fenti szempontok figyelembevételével minden esetben vizsgálják meg, tudnak-e alkalmazni szabályzó villamos hajtásokat. Az erre fordított idő jelentéktelen az elérhető előnyökhöz képest. Minden esetben a fő hangsúly a technológia és az elvárások pontos ismeretén van, és az ezt követő gondos kiválasztás garantálja az eredményt. Egy rosszul kiválasztott hajtáson a jó beállítás már csak javíthat de nem segíthet. Az első meghatározó lépéseknél már szinte minden eldőlt.

Kommunikáció:
Ha a szerelvény a helyére került, kommunikálni is kell vele, és ez is egy elég szerteágazó téma ami csak növeli a szabályozó szerelvények kiválasztásával foglalkozók "örömét" (hiszen sok munkával, a technológia egy igen kis de annál problémásabb részét hozod össze - és a kudarc a tiéd, siker pedig nincs hisz mi sem természetesebb annál hogy működnie kell ;-)).

Röviden a lehetőségekről :

1. Vezérlés nyit-zár paranccsal:
Az aszinkron motoros hajtás lelkében is fuzzy. Vállalkozó szellemű és elszánt szakemberek bármely más vezérlést háttérbe szorító komplexitású algoritmust képesek rá készíteni. (Fehér holló, de láttam működésben is: cím a szerkesztőségben...)
Szemléltetésül a baloldalon láthatunk egy huzalozott kommunikációt. A tervező a bal felső sarokban minősítette is az alkalmazott módszert. :o) (Cirill betűk, pirossal bekerítve...)

2. Helyzetbeállítás analóg vezérlőjellel
A legelterjedtebb, de nem a legszerencsésebb megoldás. Mint eddig is bevált módszert rutinosan alkalmazzák, vagy a hajtás megörökli az eddig jól bevált vezérlést (ami jóval a hajtás képességei alatt teljesít majd). Néhány szó az okokról :
- A hajtás a differenciáló tag okozta lökésekkel nem tud mit kezdeni, hisz ha törik, ha szakad, ő konstans sebességgel halad a célja felé, az integráló tag korrekcióit viszont igen jól hasznosítja éppen állandó sebességéből adódóan. Képtelen túlreagálni, de igen szereti a szögletes mozgást.
- Tulajdonképpen mindig két szabályzót kell összehangolnunk (pl. a nyomásszabályozó és a hajtás pozíciószabályozója), és ez nem egyszerű feladat. Nem a minimális értékek beállítása a hajtásnál adja a legjobb eredményt !! Sajnos a hajtást vezérlő PID szabályzó sokszor nem tud mit kezdeni a hajtás furcsa viselkedésével… (Az autotuning-ot el is felejthetjük…).
- Az analóg jel kötelező szűrése miatt azonnali reagálást nem várhatunk el.
- Sokat költünk arra, hogy egy számított értéket analóg jellé alakítsunk és utána azt a hajtásnál visszaalakítsuk.
Ezek ellenére aki erre a feladatra felkészült és ismeri a buktatóit, igen jó eredményt érhet el. Itt is a célszerű kiválasztás elveiből kell kiindulni, nem pedig az adott helyzeten megpróbálni uralkodni.

3. Buszos vezérlés
A legtöbbet ez hozza ki a szabályozó hajtásból, és a kezdeti idegenkedés ellenére elterjedőben van, amelyre az alábbiak adnak magyarázatot :
- A vezérlőben keletkező parancs torzulás nélkül jut a hajtáshoz, és ott azonnal végrehajtásra kerül. (Egy csavart érpáron 9600 bps-es MODBUS-sal is másodpercenként 20 új pozíciót adhatunk meg, vagy lekérdezhetjük egy hajtás minden paraméterét.)
- A buszos rendszerek korszerűbbik része gyűrűbe fűzhető és kiegészítő hardverelemek nélkül redundanciát biztosit, így egyszeri kábelhiba esetén nincs funkcióvesztés, tehát a hagyományos analóg vezérlésnél biztonságosabb.
- A hajtás digitális és analóg be- kimenetein a szabályzást érintő jeleket fogadhatunk és dolgozhatunk fel, információt vagy parancsot adhatunk ki.
- A hajtás és a szerelvény paramétereiről hibajelzéseket és diagnosztikai adatokat kérhetünk le. (Nyomaték, feszültség stb.)
- A tervezőnek nem kell minden vezérlési és kijelzési lehetőséget egyenként figyelembe vennie, mérlegelnie, hiszen a buszon a hajtás minden funkciója elérhető.

Még egy előny: Hajtásba integrált szabályzó:
Felső beavatkozás nélkül, helyben végzi a (szint, nyomás, stb.) szabályozás feladatát, mintha az eszközök Foundation Fieldbus-ra lennének kötve! Ebben az esetben is a legcélszerűbb buszon kommunikálni.

A cikk elsősorban a harmadik generációs, megbontás nélkül beállítható "intelligens" hajtásokról szólt, de ma már nem csak szabályozáshoz, hanem bármely szerelvény működtetéséhez ezek beszerzése a célszerű, mert teljesítményükben jóval többet nyújtanak elődeiknél. Remélem, rövid összefoglalóm segített eligazodni az állandó fordulatszámú aszinkronmotoros szabályzó villamos hajtások alkalmazhatóságának elvei között (amelyeket az egyszerűség kedvéért csak hajtásnak tituláltam, remélem nem sértve ezzel szakmai köröket), és a PID.HU korábbi anyagainak hozzáolvasását javasolva remélem, hogy a szabályozó szelepes cikksorozat e részének záró sorait nyugodt mosollyal fogadja a kedves olvasó.

www.verestsa.hu