Цифровая или аналоговая система управления

Цифровую или аналоговую систему управления тиристорным преобразователем выбрать?
Данный вопрос сегодня всегда встаёт среди эксплуатационников при покупке новых преобразователей, или модернизации имеющихся. Будь то тиристорный выпрямитель, электроприводов постоянного тока, возбудитель синхронной машины, регулятор переменного напряжения (тока) на тиристорах, часто называемый регулятором мощности.
Но зачастую люди выбирающие поставщика преобразователя не совсем понимают, в чём разница и все плюсы, и минусы обоих систем управления. Поэтому часто выбор падает на цифровую систему лишь потому, что она более современная и у многих в связи с этим возникает мнение, что цифровая значит более надёжная.
В данной статье сравним обе системы управления, расскажем обо всех их плюсах и минусах в наиболее простых словах.
Для примера возьмем обычный трёхфазный тиристорный преобразователь (выпрямитель), с системой управления позволяющей ограничить величины выпрямленного напряжения и максимально допустимого тока, построенного по так называемой системе подчинённого регулирования. Структурная схема представлена на рисунке 1.

Структурная схема

Рис.1

Разделим систему управления, на несколько основных частей под номерами 1, 2, 3.
Вкратце по сокращениям:
ЗИ – задатчик интенсивности. Его функция при появлении сигнала задания подать его на регулятор напряжения с плавным нарастанием с определённым темпом.
РН – регулятор напряжения. Его функция ограничить максимальное напряжение выдаваемое выпрямителем.
РТ – регулятор тока. Его назначение такое же, как и у регулятора напряжения только ограничивает максимальный ток.
СИФУ – система импульсно фазового управления. Её функция, формирование сигналов управления для тиристоров в необходимый период времени согласно напряжению сети.
БЗ – блок защит. Формирует сигнал отключение преобразователя, снятие импульсов с тиристоров при возникновении максимально допустимого значения тока (либо напряжения).
ПР – потенциальная развязка. Данный блок предназначен для разделения и понижения сигналов высоких напряжений, токов.
И так АНАЛОГОВАЯ система управления. Для специалистов сразу возникает вся её структура, это микросхемы операционных усилителей, ключи, логические элементы и-не, или-не и тому подобные. Для менеджеров по закупкам, ориентирующимся в электрооборудовании зачастую это слово (аналоговая) ни о чём не говорит кроме как «аналоговая – это прошлый век».
Почему аналоговая? От слова АНАЛОГ. Данная система управления построена на обработке сигналов напряжений сети, выпрямленного напряжения, тока и выдачу сигнала в той же аналогичной форме но с меньшими величинами. Более понятно 380 вольт сети, 440 вольт выпрямленного напряжения, понижается до уровня в районе напряжений 10 вольт. Это происходит при помощи трансформаторов для переменного напряжения, оптических развязок для постоянного напряжения и подаётся на микросхемы системы управления, которые по нужному закону заранее определённому, обрабатывают сигналы и выдают импульсы на тиристоры и так же их снимают при необходимости.
Ниже на рисунке 2 представлена фотография аналоговой платы управления, с выделенными тремя частями под номерами 1, 2, 3, функционально соответствующим рисунку 1.

analogovaia

Рис.2

Номером один выделена часть регуляторов напряжения, тока, задатчика интенсивности. Это по перечню максимум три микросхемы (ценой до 500 рублей) и обвязка в виде резисторов, конденсаторов, диодов и стабилитронов.
Номером два выделена часть, в структурной схеме это блок защит. Здесь на трёх микросхемах собрана защита по току, и индикация наличия всех трёх фаз питающего напряжения и их правильность чередования.
И наконец, номер три это система импульсно фазового управления (СИФУ), формирует импульс для каждого тиристора в каждой фазе тиристорного преобразователя. Далее с СИФУ импульсы для гальванической развязки могут подаваться на импульсные трансформаторы и после них уже на тиристор, а иногда вместо импульсных трансформаторов ставят оптические микросхемы как на рисунке 3.

СИФУ

Рис.3

Всю структуру обработки сигналов напряжений и тока представленной на структурной схеме рисунок 1, аналоговая система производит при помощи операционных усилителей и логических цифровых элементов и выдаёт на тиристоры импульсы.
Перейдём к цифровой системе управления построенной по той же структурной схеме.
Цифровая как вы понимаете, потому что обработка сигнала в дискретной, цифровой форме. Но чтобы сигнал напряжения (тока) обработать в цифровой форме, его нужно преобразовать из того же аналогового и потом снова выдать на тиристор опять же в аналоговой форме.
А теперь что бы ни повторяться сразу об отличии. Так вот, что в структурной схеме и на фото аналоговой платы обозначено цифрами 1, 2, 3 заменяет микроконтроллер, в который вшивается программа обрабатывающая аналоговые сигналы уже преобразованные в цифровой форме. На рисунке 4 микроконтроллер, который так же обвязан дополнительными микросхемами, резисторами, конденсаторами, диодами и транзисторами.

Контроллер

Рис.4

Всю схему обработке сигналов на структурной схеме рисунок 1, здесь производится программно. Программу пишет программист по описанной логике работы системы управления, и тут точность и правильность работы системы зависит от того как он качественно и правильно напишет программу и какая скорость обработки данных контроллером на изменение какой либо величины.
Плюсы и Минусы обоих систем автоматического управления.
Прежде чем говорить о плюсах и минусах обоих САУ скажу сразу о надёжности. Мнение, что цифровая система более надежна, чем аналоговая полный бред. На надёжность систем управления влияет только качество комплектующих материалов, то есть микросхем, транзисторов, конденсаторов, диодов и стабилитронов, что в аналоговой, что и в цифровой их множество. Если смотреть на плату с аналоговой и цифровой САУ то в аналоговой их по количеству, скорее всего меньше чем в цифровой.
В аналоговой САУ всегда использовалась 500 серия отечественных интегральных микросхем, которые периодически выходили из строя в связи с качеством производства, особенно эта серия и другие типы микросхем была некачественная в начале 90-х годов прошлого века, когда рухнул СССР и вместе с ним начала рассыпаться целая отрасль по производству электронных компонентов.
На сегодняшний день в аналоговых САУ используются в основном импортные аналоги отечественных микросхем, которые до сих пор производятся зарубежными компаниями и довольно высокого качества. Но и от 500 серии, отечественного производства, которая была выпущена в СССР в огромнейших количествах, и до сих пор имеется на складах компаний торгующими электронными компонентами никто не отказывается. Это связано с рядом положительных качеств этой серии, таких как обработка сигнала и отсутствия импортного аналога этой микросхемы по быстродействию, нагрузочной способностью, высокой стабильностью динамических параметров при изменении температуры и качества напряжения электропитания.
ИТАК, ПЛЮСЫ ДРУГ ОТНОСИТЕЛЬНО ДРУГА.
Аналоговая
1) Наиболее проста в производстве, что даёт ей низкую стоимость.
2) В поставке всегда комплект электрических принципиальных схем с перечнем элементов.
3) Ремонта пригодность, так сказать в полевых условиях в отличие от цифровой. Максимум замена микросхемы стоимостью не более 1000 рублей. Вопрос лишь о наличии в штате работника умеющий определить неисправность и её устранить. Или как вариант вызов специалиста от производителя к месту установки преобразователя.
4) Отсутствие дополнительных преобразований в цифровой сигнал, что даёт ей большее быстродействие по сравнению с цифровой. Хотя сегодня контроллеры имеют такие скорости обработки данных, что этот плюс, скорее всего, ушёл в прошлое.
5) Работоспособность в условиях плохого качества электроэнергии.
6) Устойчивость к электромагнитным помехам.
7) Не требует развязки от силового питания.
8) Отсутствие программы и операционной системы, которая может дать сбой.
9) Стабильность работы при низких и высоких температурах окружающей среды, без каких либо дополнительных климатических установок.
Цифровая
1) Гибкость системы управления. Логика работы может быть изменена при помощи перепрошивки программы, что не возможно в аналоговой без замены платы управления.
2) Изменение коэффициентов, динамических характеристик программным путём. Не требует перепайки резисторов, конденсаторов, для изменения величин регулируемых параметров и характеристик.
3) Возможность объединения нескольких преобразователей и механизмов с цифровыми САУ в одну систему общего контроля и управления технологическим процессом, так называемую SCADA. Хотя сегодня на рынке множество аналого-цифровых преобразователей, которые позволяют аналоговые САУ включить в данную систему управления.
4) Точность регулирования, некоторые САУ позволяют управление сигналами как минимум до трёх знаков после запятой.
Ну вот я бы сказал и все плюсы цифровой системы управления.
Ну а теперь о МИНУСАХ
Аналоговая.
1) Изменение характеристик регулирования через определённый период и необходимость так называемой сезонной наладки. Связанно с изменением параметров резисторов и конденсаторов, которые определяют коэффициенты усиления операционных усилителей под воздействием температуры.
2) Изменение динамических характеристик только путём перепайки элементов, если с резисторами можно обойти этот минус применением переменных резисторов, то с конденсаторами этого не обойти. В цифровых САУ это осуществляется программно через компьютер или панель оператора.
3) Ту точность управления как один-два знака после запятой аналоговой САУ сложно поддерживать в связи с первыми двумя пунктами в отличие от цифровых САУ.
4) Интеграция в общую систему управления производством или технологическим процессом только посредством применения аналогово-цифровых преобразователей.
Цифровая.
1) Не ремонта пригодна вне завода изготовителя. При личном общении с официальными дилерами одной известной компании из трёх букв на вопрос о ремонтопригодности их преобразователей ответили. На малых мощностях так сказать на токи до 300А при выходе из строя САУ её ремонт экономически не выгоден и встанет в цену самого преобразователя.
2) Возможность программного сбоя. Общаясь с людьми работающие с вооружёнными силами РФ, рассказывают, что применение импортного контроллера в военной техники только через проверку в Москве. И практически в каждом втором контроллере, поставляемом в Россию вшито приложении, которое неизвестно когда сработает.
3) Поддержка программного обеспечения и сервисное постгарантийное обслуживание ограниченно по времени. Купив такую САУ и лет через пять в случае возникновения каких либо сбоев и, обратившись на завод изготовитель, вы услышите ответ: Данные преобразователи в связи с их устареванием сняты с производства три года назад и больше не обслуживаются, только подлежат замене на новый. Были в нашей практике такие ответы.
4) Отсутствие электрических принципиальных схем с перечнем элементов в комплекте поставке, что исключает возможность какого либо самостоятельного ремонта в послегарантийный период. С преобразователем вы получите книжку со схемой подключения, описанием кучи программных настроек, описанием возможных ошибок и больше ничего.
5) Помехонеустойчивость. Зачастую преобразователи некоторых производителей требуют отдельной линии питания со стабилизированным напряжением для системы управления.
6) Более высокая сложность производства и импортная комплектация даёт ей более высокую себестоимость по сравнению с аналоговой системой, обеспечивающей аналогичные характеристики.
7) Не работает при низких и высоких температурах окружающей среды без климатической системы контроля. Обязательно в комплекте подогрев и кондиционер при работе в неотапливаемых помещениях или термокейс. Данный фактор значительно увеличивает цену преобразователя.
В заключении советы по выбору преобразователя.
Итак, это случилось, имеющийся преобразователь советских времён вышел из строя или в связи с расширением производства требуется новый. Наши советы.
В случае выхода из строя системы управления тиристорным преобразователем не стоит спешить в покупке нового в замен старому. Это связано с тем, что силовая часть (тиристоры, силовые вводные автоматы, реакторы, трансформаторы) зачастую в очень хорошем состоянии, так как преобразователи времён СССР делались с высоким запасом прочности и на качественной элементной базе. Тут стоит купить лишь одну систему управления и смонтировать её в шкаф имеющегося преобразователя. Некоторые производители, в том числе и наша компания, выпускают такие блоки и предоставляют услуги по монтажу и наладке на объекте заказчика. Это значительно снизит ваши расходы по сравнению с покупкой нового.
При покупке нового, необходимо точно определиться с характеристиками, которые должен поддерживать преобразователь, будь то привод, выпрямитель или тиристорный регулятор мощности. Это связано с тем, что стоимость системы управления напрямую зависит от тех характеристик преобразователя, которые он должен поддерживать. Так цифровой тиристорный регулятор мощности без ограничения максимальных значений напряжения и тока с работой на активно индуктивную нагрузку, по стоимости будет раза в два дешевле аналоговой системы управления с ограничением максимальных значений напряжения, тока и максимально токовыми защитами и работай на любой тип нагрузки.
Итак, вы точно должны знать, что требуется от вашего преобразователя и передать эти данные производителю:
1) Однофазная или трёхфазная питающая сеть.
2) Номинальные выдаваемые данные. Номинальное рабочее напряжение, ток. Так как может потребоваться понижающий трансформатор.
3) Требуется или нет плавность открытия и если да то время, за которое преобразователь должен открыться.
4) Как будет формироваться сигнал задания и его величина.
5) Как будет подаваться сигнал пуск и стоп.
6) Требуется ли дистанционное управление и откуда.
7) Виды защит, по которым преобразователь должен отключиться или наоборот не запуститься. Максимальное напряжение, ток, перегрузка, температура, нулевая защита, земля и т.п.
8) Тип нагрузки, на которую будет работать преобразователь. Активная, индуктивная, ТЭН, Трансформатор, Электродвигатель. Купив тиристорный преобразователь переменного напряжения для работы на резистивно-индуктивную нагрузку вы не сможете его заставить работать на трансформатор. Вы точно должны дать производителю тип нагрузки и номинальные параметры, будь то трансформатор или электродвигатель.
9) Ограничение максимальных параметров выдаваемых преобразователем. Напряжение, ток или, к примеру, температуру нагреваемой среды для так называемых тиристорных регуляторов мощности. Так же это может быть и другая физическая величина, контролируемая технологическим процессом, такие как скорость механизма для приводов постоянного тока, длина, давление и т.п.
10) Требуется ли объединение в SCADA.
11) Какая точность поддержания контролируемой величины.
12) Иные данные, на которые преобразователь должен как то отрабатывать. К примеру, можно сделать тиристорный преобразователь с системой управления для ТЭНов который будет сразу открываться, а затем при достижения ТЭНами определённой температуры закрываться полностью, тем самым будут возникать резкие броски тока на ТЭНах тем самым снижая их срок службы и в связи инерционности, большой разбег в температурах. А можно купить преобразователь, который будет плавно открываться в течение минуты, к примеру, а при достижении температуры к нужному значении снижать напряжение до половины и поддерживать его, давая чуть больше чуть меньше тем самым увеличивая стабильность в показаниях температуры. Естественно цена между такими преобразователями будет существенно отличаться.
13) Ну а какая должна быть САУ преобразователя, цифровая или аналоговая выбирать ВАМ……