Wykorzystanie układów płynnego uruchamiania do rozwiązywania problemów związanych z włączaniem zasilania silników i cyberbezpieczeństwem

Trójfazowe silniki asynchroniczne o mocy znamionowej od dziesiątek do setek koni mechanicznych, zasilane z linii prądu zmiennego stanowią siłę napędową wielu zastosowań komercyjnych i przemysłowych. Zwykle prądy sterujące takimi silnikami mieszczą się w zakresie od około 10A do ponad 1000A, przy napięciach linii od nieco ponad 200V_~ nawet do 700V_~. Problem dla projektantów polega na tym, że duże prądy pobierane podczas rozruchu mogą uszkodzić silnik i wpłynąć na obciążenie.

Jednostka sterująca płynnym uruchamianiem pomiędzy linią prądu zmiennego a silnikiem steruje początkowym prądem rozruchowym poprzez zarządzanie przyspieszeniem i momentem obrotowym podczas rozruchu silnika, optymalizując w ten sposób parametry działania silnika i minimalizując niepożądane skutki. Bardziej zaawansowane układy płynnego uruchamiania zawierają zaawansowane funkcje maksymalizujące parametry działania, zapewniają ochronę elektryczną i termiczną, charakteryzują się mnogością opcji łączności i zabezpieczają przed cyberatakami.

W niniejszym artykule omówiono funkcje układów płynnego uruchamiania. Przedstawiono w nim sposób stosowania jednostek sterujących Altivar Soft Starter ATS480 firmy Schneider Electric.

Funkcje układów płynnego uruchamiania

Układ płynnego uruchamiania jest używany z silnikiem w celu zmniejszenia początkowego prądu rozruchowego i sterowania momentem obrotowym w okresie przejściowym podczas rozruchu. Stopniowo zwiększa on napięcie przykładane do silnika, co skutkuje płynnym przyspieszaniem z minimalnym przyspieszeniem drugiego stopnia (tempem zmiany przyspieszenia).

Rozruszniki zwykle dają użytkownikom możliwość regulacji rozruchowego momentu obrotowego i czasu przyspieszania w celu dopasowania tych parametrów do różnych zastosowań. Mogą one znacznie obniżać prądy rozruchowe potrzebne dla ruszenia i ograniczać prądy podczas przyspieszania.

Nowsze układy płynnego uruchamiania oferują dodatkowe funkcje, które zwiększają sprawność, utrzymują wysoki współczynnik mocy (PF) dzięki dynamicznej korekcji współczynnika mocy, zwiększają bezpieczeństwo elektryczne, wykrywają anomalie w liniach i silnikach, zapewniają łączność z siecią oraz rozwiązują problemy związane z cyberbezpieczeństwem.

Przykładem możliwości i funkcji najnowocześniejszych układów płynnego uruchamiania jest seria Altivar Soft Starter ATS480 firmy Schneider Electric (ilustracja 1).

Ilustracja 1: oprócz podstawowych funkcji, seria Altivar Soft Starter ATS480 zawiera wiele funkcji zaawansowanych. (Źródło ilustracji: Schneider Electric)

Jednostki te zawierają sześć tyrystorów i algorytm sterowania momentem obrotowym, który kontroluje przyspieszanie, zwalnianie i zatrzymywanie trójfazowych asynchronicznych silników klatkowych o mocy do 900kW. Szeroka gama modeli z tej serii obsługuje napięcia robocze od 208 do 690V i prądy od 17 do 1200A. Wszystkie jednostki spełniają ogólnoświatowe normy, certyfikaty i przepisy, określające parametry działania, bezpieczeństwo, sprawność, kompatybilność elektromagnetyczną (EMC), stopień zanieczyszczenia oraz wstrząsy i drgania.

Jednostki ATS480 zawierają wiele różnych typów zabezpieczeń linii, rozruszników i odbiorników, takich jak:

• Zabezpieczenie przed zanikiem fazy (linia)
• Zintegrowane zabezpieczenie termiczne (silnik)
• Zabezpieczenie termiczne (rozrusznik)
• Zabezpieczenie przed przeciążeniem prądowym (silnik)
• Zabezpieczenie przed niedostatecznym obciążeniem (silnik)
• Zabezpieczenie przed nadmiernym czasem rozruchu, blokadą wirnika (silnik)
• Zabezpieczenie przed zanikiem fazy w silniku (silnik)
• Zabezpieczenie przed brakiem fazy zasilania linii (linia, silnik)
• Zabezpieczenie termiczne (silnika) poprzez bezpośrednie połączenie z termistorem o dodatnim współczynniku temperaturowym (PTC), bądź z 2 lub 3-przewodowym rezystancyjnym czujnikiem temperatury (RTD) w postaci sondy platynowej PT100

Obwody można podłączać na wiele sposób, aby zaspokoić różnorodne potrzeby zastosowań docelowych. Jedna z podstawowych przykładowych konfiguracji jest przeznaczona do sterowania lokalnego. Wymaga ona przeprowadzenia ręcznego ponownego uruchomienia po zresetowaniu błędu, nawet w przypadku użycia ze sterowaniem zdalnym (ilustracja 2). W tym przypadku operator naciska przycisk S3, aby przeprowadzić ponowne uruchomienie.

Ilustracja 2: jedna z wielu opcji oprzewodowania układu płynnego uruchamiania. Użytkownik musi ręcznie zainicjować ponowne uruchomienie po zresetowaniu błędu, naciskając przycisk S3. (Źródło ilustracji: Schneider Electric)

Specyfikę oznaczeń komponentów opisano w tabeli 1.

Tabela 1: oznaczenia komponentów dla ilustracji 2. (Źródło ilustracji: Schneider Electric)

Jednostki ATS480 są również wyposażone w dyskretne styki zwierne (NO) i rozwierne (NC) przekaźnika elektromechanicznego o prądzie znamionowym 2A, napięciu znamionowym 250V_~ oraz wyjścia cyfrowe 30V typu otwarty kolektor. Wspomniane styki i wyjścia upraszczają wdrażanie dodatkowych funkcji, takich jak lampki kontrolne lub urządzenia pomocnicze.

Łączność i cyberbezpieczeństwo

Oprócz zaawansowanych funkcji układu płynnego uruchamiania, wszystkie jednostki ATS480 obsługują szeroki zakres opcji łączności. Każda jednostka ATS480 posiada dwa porty RJ45 dla połączeń na potrzeby konfiguracji i aktualizacji oprogramowania układowego oraz zewnętrzny terminal w postaci wyświetlacza tekstowego lub graficznego. Każda z nich jest również wyposażona w jedno gniazdo na dodatkowy moduł komunikacyjny, obsługujący protokoły Modbus TCP, Ethernet/IP, CANopen, PROFINET lub PROFIBUS DP.

Taka łączność oczywiście budzi obawy dotyczące bezpieczeństwa. Aby rozwiązać ten problem, jednostki z omawianej serii wyposażono w zgodne z „najlepszymi praktykami” rozwiązania w zakresie cyberbezpieczeństwa, które mają chronić przed celowymi działaniami złośliwymi (włamania) oraz wynikającymi z dobrej woli, ale nieostrożnymi działaniami personelu lub wykonawców. Takie zabezpieczenia obejmują zarządzanie kontami, w tym uwierzytelnianie i autoryzację użytkowników, a także wiele warstw ochrony przy użyciu haseł. Istnieją również celowe ograniczenia dotyczące różnych portów, funkcji i źródeł.

Zabezpieczenia wyższego poziomu obejmują dogłębną, proaktywną ochronę do zarządzania zdarzeniami związanymi z cyberbezpieczeństwem, w tym szczegółowe dzienniki aktywności i czasu pracy. Cyfrowo podpisane oprogramowanie układowe i klucze kryptograficzne poprawiają autentyczność zainstalowanego oprogramowania układowego i wszelkich uaktualnień. Dzięki temu w każdym cyklu włączenia zasilania używane jest prawidłowe oprogramowanie układowe.

Pomyślano również o interfejsie człowiek-maszyna

Oprócz rozbudowanej łączności, wiele instalacji płynnego uruchamiania wymaga również zapewnienia natychmiastowej i bezpośredniej dostępności dla operatora. Dostęp ten rozpoczyna się od inicjacji podstawowych funkcji uruchamiania (RUN) i zatrzymywania (STOP) za pośrednictwem dyskretnych, dobrze widocznych i wyraźnie oznaczonych przełączników na silniku lub układzie, bądź w ich pobliżu. Są one często wymagane przez regulacyjne normy bezpieczeństwa.

Aby spełnić te wymagania, jednostki ATS480 można połączyć przewodowo z dwoma niezależnymi przełącznikami, jednym do uruchamiania i jednym do zatrzymywania, lub jednym przełącznikiem uruchamiania i zatrzymywania (ilustracja 3).

Ilustracja 3: układ płynnego uruchamiania można podłączyć tak, aby używał dwóch niezależnych przycisków do zatrzymywania i uruchamiania lub jednego przełącznika o podwójnej roli. (Źródło ilustracji: Schneider Electric)

Do podstawowej konfiguracji, uruchamiania i interakcji projektanci mogą wykorzystać terminal w postaci ośmiowierszowego wyświetlacza tekstowego VW3A1113 (ilustracja 4). Dostępne złącze RJ45 pozwala na podłączenie i zamontowanie tego terminala z przodu układu płynnego uruchamiania lub na drzwiach obudowy za pomocą akcesoriów do montażu zdalnego.

Ilustracja 4: terminal w postaci ośmiowierszowego wyświetlacza tekstowego VW3A1113 łączy się z układem płynnego uruchamiania za pomocą złącza RJ45 i obsługuje on podstawowe funkcje konfiguracji, uruchamiania i interakcji. (Źródło ilustracji: Schneider Electric)

Ten wielojęzyczny moduł (obsługujący j. angielski, francuski, hiszpański, włoski, niemiecki i chiński, a inne języki dostępne są do pobrania) wymaga hasła logowania w celu zapewnienia bezpieczeństwa systemu. Po podłączeniu możne on być stosowany do realizacji następujących funkcji:

• Sterowanie, regulacja i konfiguracja układu płynnego uruchamiania
• Wyświetlanie wartości prądu silnika, wejścia/wyjścia oraz danych maszyny
• Zapisywanie i pobieranie konfiguracji
• Powielanie konfiguracji z jednego zasilanego układu płynnego uruchamiania na innym, który również jest zasilany

Do bardziej zaawansowanych funkcji diagnostyki, sterowania, monitorowania i zarządzania plikami można użyć menedżera typów urządzeń (DTM) oraz oprogramowania SoMove firmy Schneider w połączeniu z komputerem PC i terminalem w postaci wyświetlacza graficznego.

O obudowie i kształcie decyduje moc znamionowa

Chociaż jednostki z grupy Altivar Soft Starter ATS480 posiadają te same funkcje, możliwości, interfejs użytkownika i opcje łączności, różnią się poziomami sterowanej mocy. To od niej zależy dobór obudowy i kształtu, co można łatwo zobaczyć, porównując komponenty tej serii o najniższej i najwyższej mocy.

Urządzenie ATS480D17Y (ilustracja 5, po lewej stronie) jest przeznaczone do zasilania trójfazowych silników prądu zmiennego (i sterowania nimi) przy prądzie 17A z linii o napięciu od 208 do 690V_~ i działa przy zasilaniu sterującym o napięciu od 110 do 230V_~. Ma wysokość 275mm, szerokość 160mm, głębokość 8mm i waży zaledwie 5kg.

Ilustracja 5: najmniejsze (po lewej) i największe (po prawej) jednostki z grupy Altivar Soft Starter ATS480 są podobne pod względem funkcjonalnym, ale ich specyfikacje dotyczące obsługiwanych prądów mają różne zakresy. (Źródło ilustracji: Schneider Electric)

Z kolei urządzenie ATS480M12Y (ilustracja 5, po prawej) jest przystosowane do znacznie większego prądu 1200A przy napięciu od 208 do 690V_~ i działa przy zasilaniu sterującym o napięciu od 110 do 230V_~. Pomimo cech i funkcji niemal identycznych z jednostką 17A, jest znacznie większe - ma wysokość 890mm, szerokość 770mm i głębokość 329mm, natomiast waży 115kg.

Podsumowanie

Układy płynnego uruchamiania są niezbędnym łącznikiem między wielofazową linią prądu zmiennego oraz średnimi i dużymi trójfazowymi silnikami prądu zmiennego, w których zarządzają początkowym prądem rozruchowym. Grupa produktów Altivar Soft Starter ATS480 firmy Schneider Electric służy do obsługi silników o prądach od 17A do 1200A, oferuje zróżnicowane opcje łączności z siecią i podwyższone cyberbezpieczeństwo. Omawiane produkty realizują również różne funkcje poprawiające parametry działania, bezpieczeństwo i niezawodność.