Основные функции и разнообразие микропроцессорных систем в электроэнергетике

Микропроцессоры и микроконтроллеры – это универсальные или специализированные средства автоматизации обработки данных.

Современные возможности автоматизированной обработки дискретных и аналоговых сигналов с помощью МП и МК определяют 3 основные функции их использования: контроль, измерение и управление. Перечисленные функции являются базовыми, на основе которых строятся все без исключения технические системы, в том числе общепромышленные, судовые и транспортные.

В судовых электроэнергетических системах, электроустановках и других технических средствах МП и МК находят все более широкое применение и, выполняя указанные основные функции, помогают осуществлять конечную цель – обеспечение требуемого качества электроэнергии потребителей в процессе эксплуатации технических средств.

На рис. 16 упрощенно и условно представлены конкретизированные функции и системы на основе применения микроконтроллеров и МПС в электроэнергетических системах.

Схема расположения систем с использованием МП и МК (рис. 17) условно показывает возрастающую их сложность и поглощение простых систем бо­лее сложными (по вертикали). Кроме этого существуют и дру­гие взаимосвязи – по горизон­тали и перекрестные. На прак­тике, в условиях программно-ап­паратной реализации четких гра­ниц между указанными систе­мами может не существовать, часто одна система поглощает другую, поскольку не может быть реализована без нее. Например, функция отображения состояния объекта может быть реализована простейшими средствами типа светодиодных индикаторов для построения цветных мнемосхем на лицевых панелях щитов и в то же время может быть реализована сложнейшими средствами, включая цифровую обработку сигналов, для получения аналогичных мнемосхем на экранах мониторов систем управления электростанциями. Точно также возможны различные реализации приборов и индикаторов для отображения режимных параметров работы энергообъектов. Поэтому представленная схема является одним из возможных вариантов классификации МПС в электроэнергетике по функциональному признаку.

Широкое внедрение микропроцессорных средств измерений для получения объективной информации об объекте является основой для всего последующего развития электроэнергетических систем (ЭЭС). Поэтому, в первую очередь, следует обратить внимание на функции измерения и контроля параметров объекта – токов, напряжений, температуры, давления и т. д. Это позволяет рассматривать возможность реализации нового поколения систем предупредительной сигнализации, регистрации и осциллографирования режимных параметров, без которых немыслима эксплуатация большинства современных энергообъектов.

Последующие направления использования МП связаны с различной степенью развития аппаратной или программной части МПС.

Так на основе функций измерений и контроля путем добавления исполнительных устройств (дискретного типа) управления коммутационной аппаратурой реализуются функции защитной автоматики.

Дальнейшее совершенствование алгоритмов (регулирование в замкнутых системах с обратными связями) и исполнительных устройств (уже аналогового типа) позволяет получить новые системы управления качеством электроэнергии. В рамках этих систем может быть рассмотрен огромный класс систем регулирования и управления, в том числе хорошо знакомые регуляторы частоты и активной мощности, напряжения и реактивной мощности генераторных агрегатов ЭЭС, регуляторы электроприводов, источники и системы бесперебойного электропитания, включая схемы импульсно-фазового управления (СИФУ) тиристорных агрегатов и инверторы на полупроводниковых IGBT-структурах.

Развитие в МПС математических способностей, т. е. программного обеспечения и методов моделирования, позволяет реализовать системы диагностики, предсказывающие поведение систем по накопленным к текущему моменту данным.

Промежуточное положение по сложности реализации алгоритмов и устройств занимают автоматизированные системы различного назначения: системы настройки и поиска неисправностей, системы функционального контроля и др.

Рассмотрим пример комплексной системы управления техническими средствами корабля, из которого видно, что развитие микропроцессорных систем оказывает влияние не только на бортовую аппаратуру ЭЭС, но и других систем строящихся и проектируемых судов.

Тех­нологии цифровой обработки дан­ных успешно внедрены во многих проектах судовых систем электро­энергетики (ЭЭС), систем беспере­бойного электропитания (СБЭ) и в аппаратуре управления общекорабельных систем гидравлики, сжатого воздуха, вентиляции и кондиционирования, пресной и забортной воды, систем контроля запасов масел и топлива, систем предупреждения и борьбы с пожарами и затоплением и многих дру­гих. Предприятия-разработчики выводят на рынок аппаратуру КСУ ТС на основе импортных и отечественных компонентов, предлагают типовые и оригинальные алгоритмы цифровой обработки данных, как в классе промышленных персональных ЭВМ - для организации автоматизированных рабочих мест операторов (АРМ), так и в классе микроконтроллеров (МК) – для локальной обработки данных в распределенных системах. Многоуровневые распределенные системы управления с локальными вычислительными сетями и магистралями для обмена данными и командами управления, подобные представленной на рис.18, с успехом используются во многих текущих проектах и разрабатываются в новых, то есть становятся неотъемлемой частью КСУ ТС.

Рисунок 18. Типовая структура КСУ ТС с межприборной магистралью: 1- центральный пост управления; 2- линия связи (проводная или оптоволоконная); 3 – магистральные приемо-передатчики; 4- удаленные приборы ОКС; 5- приборы ЭЭС; 6- прибор ГЭУ; Д – датчики; ИО – исполнительные органы

Новой традицией становятся комплекты аппаратуры СУТС, включающие компьютер (централизованный пульт управления), проводную или оптоволоконную магистраль и локальные (периферийные) приборы, в составе которых имеются вычислительные модули, интерфейсные модули для подключения к магистрали, модули ввода-вывода данных для непосредственной связи с объектом управления.

Однако новейшим достижением является обретение «интеллекта» для модулей ввода-вывода. С использованием микроконтроллеров (в том числе и отечественных) такие модули способны выполнять основные, наиболее критичные с точки зрения обеспечения безопасности и безаварийности, функции самостоятельно, без обязательной, ранее, паузы на обращение к удаленным вычислительным средствам системы и получение ответа. В связи с новыми свойствами и функциями эти модули становятся контроллерами обработки событий КОС или контроллерами предобработки данных КПО, а вместе с контроллером обмена данных КОД по магистрали, составляют унифицированный периферийный прибор (рисунок 19), способный решать задачи любого из приборов ОКС, ЭЭС или даже ГЭУ. При этом микропроцессорные модули могут быть универсальными. Разница между модулями для обработки дискретных и аналоговых сигналов нивелируется встроенным в микроконтроллер АЦП, таким образом настроить модуль на работу с дискретными или аналоговыми данными достаточно просто, активацией соответствующей части программного обеспечения, например с помощью переключателя режима в модуле.

Рисунок 19. Вид и структура универсального периферийного прибора КСУ ТС

Новейшими достижениями в области автоматического управления техническими объектами являются технологии управления с использованием теории нечетких множеств, нечеткой логики, суть которой заключается в следующем. Для управления объектами любой сложности вполне достаточно весьма ограниченного набора и форм воздействий на исполнительные органы, например: увеличить или уменьшить напряжение или ток через обмотку электродвигателя или подачу топлива в дизель-генератор и т.п. Алгоритм должен состоять в том, чтобы по реакции объекта управления осуществить правильную интенсивность управляющего воздействия и для этого нет настоятельной необходимости выполнять сложнейшие вычисления с использованием подробных математических моделей, тем более что точность вычислений, как правило, сопоставима с неопределенностью целого ряда исходных данных. Накопленный опыт в практической реализации данных алгоритмов [3] для разнообразных технических систем применим и востребован в КСУ ТС, включая и системы электроэнергетики, а также системы бесперебойного электропитания [4,5]. Рассматриваемые далее примеры МПС это иллюстрируют. Однако прежде чем приступить к рассмотрению конкретных примеров, следует остановиться на общих вопросах создания МПС. Это позволит лучше понять предлагаемые решения.