数字驱动

Jonas Berge解释了变速驱动如何成为数字工厂架构的一部分。

Jonas Berge

在流程应用环境中,最普遍的最终 控制元件可能是控制阀,但是变 速驱动(VSD)或者可调频的驱动 器—变频驱动(变频器),也可以被 用作最终元件。

传统流程行业应用交流驱动的场合包括水泵 及其他液体泵、风扇和鼓风机的控制,煤炭、 原木、矿石和其他原材料传送带的控制,以及 水泥和类似泥沙类副产品等大型物品传送的控 制。另外,压缩机、挤压机、混合器、搅拌 机、切片机、研磨机等设备也需要交流驱动。

尽管存在单向和三向交流电机的些许不同, 但是其主要构成模块和运行原理是一致的。首先,是整流器将交流供电转化为直流电;接下 来中间电路进行滤波、调节直流电阶度;最后 是逆变器根据远程控制系统设定的频率,将直 流电转化为交流电,获得理想的速度以及电机 最优的磁化强度对应的电压。

输出波形生成技术是不同交流驱动器之间 的主要区别所在。现代逆变电路的主要元件叫 做绝缘栅双极晶体管,这是一种功率半导体器 件(通常用来取代早期的晶闸管),可以将直流电 转化为交流电。

在安装的时候,变速驱动中的配置选项对 于必须一一进行测试的工程师来说,实在是太 多了。对于不同的应用配置交流电机的时候, 一台驱动的参数可以达到数百个。绝大部分的 交流驱动可以对电机和驱动系统进行有效的诊 断,甚至有一些可以进行预测型诊断。

为了帮助工程师们更加方便的进行安装、 解决诊断方面的问题,驱动产品制造商现在使 用电子设备描述语言(EDDL),定义驱动器如何 在系统中显示,从而简化驱动安装。总线技术 和EDDL将仪表和控制与电气和开关设备集成, 可以让工厂随意的分别选择控制系统和电气 系统,从而实现了紧密集成,用户可以轻松 使用。

使用总线 驱动有很多来自DCS的控制信号,以及 发送给DCS的离散和模拟状态反馈信号(见表 1)。所有这些信号的硬布线都是非常昂贵的。 除了大量的布线之外,这些传统硬布线系统通 常还需要许多模拟和离散输入输出卡,以及为 每一台驱动准备的多个系统标签。此外,确定 尺寸、计划I/O以及安装和测试的工作量,也 需要大量的工程工作。而项目后续如果进行变 更,则需要相当大规模的返工并且导致拖延。 由于这些高成本动因的存在,许多信号通常没有使用,因此,由于关键信息的缺乏,驱动的功能也就 没有充分发挥,工厂员工更好的管理驱动控制流程也就无从 谈起。

总线技术提供了一个更好的解决方案:为多台驱动使用 单一绞线,而不是为每一台驱动使用多对绞线。这样就不再 需要大量的线缆、导管、沟槽、I/O卡,也减少了编组、安装 和测试的工作量,因此大大降低了项目成本。

每一条总线都可以支持多台驱动的所有控制和反馈信 号,也可以提供远程配置和诊断接入。这里提到的后一种功 能如果没有开放电气面板就不可能实现。因为信号是借助 “软”编组的,即便是最后一分钟的项目变更也可以轻松实 现,不需要加入I/O卡,不需要加入额外的驱动、不需要加入 额外的控制信号、也不需要来自驱动的状态反馈。

管理设备 很多流程工厂针对不同的应用使用不同的总线技术:典 型的可以使用FF总线流程控制和报警、硬布线Hart用于安全 系统仪表、WirelessHart用于指示,而Profibus-DP用于电机 控制。

因此,工程师们可能会被要求了解多项技术,以保证能 够维护多种仪表的正常运行,比如压力及温度传感器、阀门 以及包括驱动和电机启动器在内的电机控制装置。

在过去的手动操作中,驱动配置和诊断通常是在当地的 电气设备室中通过驱动器表面的小型本地显示器和键盘完 成,或者使用每个制造商各自专门的软件和线缆。如果大型 和小型驱动来自不同的制造商,而用于维护和更换的驱动却 来自另外一家供应商,就会有不止一个软件应用,每一个软 件的外观和感觉也都不一样。

但是,要让工程师们掌握每一个品牌、每一个型号设备 或是驱动的程序,实在是太困难了,这也会让工作陷于停 滞,甚至软件和诊断还可能被错误使用。除此之外,每一个 软件还都需要得到IT部门的许可,并且保持更新。在单一共 享框架程序内的设备专属软件驱动也存在同样的问题。EDDL标准(IEC 61804-3)为这些问题提供了一个解决方案。 电子设备描述语言是唯一同时兼容Hart 、基金会

现场总线、Profibus 和Wireless Hart 标准的设备集成技 术。EDDL(www.eddl.org)使所有使用这些协议的设备在其生 命周期内都可以基于相同的智能设备管理软件进行管理。也 就是说,管理Profibus-DP上驱动的通用软件,同样也可以管 理FF总线、Hart和WirelessHart上的仪表。

这就意味着,不同的速度驱动器可以使用相同的智能设 备管理软件进行试车、配置和诊断。该软件也可以作为工厂 的现场仪表—软件,提供全天候的设备报警监控。

一致的观感

因为EDDL使用标准文件格式,所以如果要添加新的驱动 器类型,只需要在电脑上简单的拷贝EDDL文件就可以完成, 而不会涉及到与软件安装相关的问题,也无所谓许可管理。 保证系统及时更新也非常容易,并且由于EDDL文件并不是驱 动软件,也不会出现因为Windows新版而导致软件过时的情 况。与之相反,新的EDDL文件不会让工作站操作系统被淘 汰,也就保护了企业在设备和系统上的投资。

EDDL文件与其他设备或者系统软件中的文件相互干扰, 具有足够的稳定性。因此,EDDL是在DCS自身上唯一许可的 设备集成技术,比如显示帮助操作员从流程问题中识别出驱 动错误的关键诊断信息。

因为设备管理软件可以显示所有制造商定义内容和结构 的设备,而无论软件来自哪家制造商、是何种类型以及使用 何种协议,都具有一致的观感,所以设备混合显示也同样具 有一致性,并且易于使用。

通过EDDL,不再需要安装和学习众多设备诊断和配置的 程序,因此工程师们也就更加容易管理工厂中的各种设备, 并且工作效率也更高。智能设备管理软件将会成为每日工作 的重要组成部分。

驱动制造商已经开始使用EDDL定义它们的驱动如何在控 制系统中显示。驱动与DCS的数字集成,连同智能设备管理 软件,使得可视化软件、报警及事件日志、审计追踪和历史 记录成为可能,并且不需要一套单独的系统。这也就是说, 可以在一处查看所有的设备报警,一旦检测到一个驱动故 障,就可以通过设备管理软件对该驱动进行检查,而不需要 借助设备控制室或者开放式电气面板。

现有的智能设备管理应用可以升级到EDDL,不需要对设 备进行任何改变。对于那些还没有设备管理软件的系统,有 几种方式可以将软件加入系统,包括网关、multiplexers和无 线适配器。

工程师的任务 由EDDL提供的统一显示信息,帮助系统将信息传递给需 要进行设备和驱动维护的工程师。举例来说,人机界面显示 是基于任务的,搭配使用易读指示表的设备总览界面,可以 显示诸如速度和负载之类的总体状态和运营信息。而新加的 界面可以识别制造商、驱动模型编号、等级、版本,还包括 产品图片帮助在设备室内找到所需的驱动。

在安装环节,驱动是一种复杂的设备,需要取决于有很 多设置的应用环境。然而,由驱动制造商的专家创建的EDDL 向导,可以对工程师有帮助作用。比如说,工程师可以选择风扇/泵、压缩机、传送带或者基本应用,然后一步一步根据 向导,输入所需信息。

向导根据先验选择,仅仅显示合理的选项,并确认输入 值。通过这种方式,工程师不会被不相关的设置误导或者干 扰,他们也不会漏掉需要的输入。通过减少错误,时间也得 到了节约。

在屏幕上,识别信息、安装参数和诊断指数分别通过可 读标示进行标注,而不像过去那样借助记忆或者仅仅为注册 单位编号。帮助文档和注释帮助工厂技师了解驱动制造商专 家希望提供的技术信息。

驱动诊断包括低交流电压、相损失或者不平衡、电机以 及制动电阻电流过载、超速、机械负载过大、IGBT或者电机 过热、热缩温度过高、电机对于驱动过小等方面的报警。 驱动具有诸如热缩温度、负载/扭矩这些内部变量,它们 对于故障确定非常有用,但是却没有被记录到DCS和历史数 据库当中。然而,设备管理软件中显示的EDDL趋势表,使得 跟踪温度随时间的上升情况或者温度与某种特定状况的变化 更加容易。

对于“手动操作”,操作员可以驾驭来自设备管理软件 的控制系统信号,控制驱动,比如通过驱动表面的本地键盘 设置速度,不需要借助设备室或者开放式电气面板。

数字优势 总线技术与EDDL的融合,提供了很多单独硬布线信号不 具备的优势。这些优势包括安装成本更低、试车时间更多、 变更的灵活性更大、可以在控制室内进行安装和诊断。 EDDL向导、图片、层级菜单结构以及易读标签,也可以 帮助工程师节约时间、避免错误。因此,智能设备管理软件 和诊断将会成为日常维护工作必不可少的组成部分。

电机控制与DCS的无缝集成,即便是在他们来自不同制 造商的情况下也可实现,这是EDDL的功劳。工厂不再必须要 购买来自同一家供应商的控制系统和电气系统,也可以实现 这些系统的紧密集成。变速驱动已经成为数字工厂架构的组 成部分,可以利用现场智能提升工厂绩效。

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