К настоящему времени электромагнитные подшипники для роторных машин перестали быть экзотикой для промышленности, зарекомендовали себя как экономически эффективная, современная и прогрессивная технология, но еще не стали привычным отработанным продуктом. Происходит это потому, что система магнитного подвеса СМП (собственно магнитные подшипники МП + аппаратура управления ими АМП) представляют собой совокупность разнородных систем, таких как механическая часть, электромеханическая и система регулирования. Каждая часть системы влияет на другие, и их взаимодействие трудно поддается адекватному математическому описанию именно из-за их разнородности. Предприятиям-изготовителям магнитных подшипников необходимо иметь в своем штате квалифицированных специалистов в каждой из этих областей, которые способны работать еще и на стыке этих областей. Это непростая задача.
Исторически в России работают несколько производителей СМП. Среди российских компаний можно назвать ОАО «Корпорация ВНИИЭМ», ОАО «ОДК-ГТ», ООО Фирма «Калининградгазприборавтоматика», среди иностранных компаний – мировой лидер S2M-SKF (Франция), Waukesha Bearings (Великобритания). Каждая из компаний имеет свой подход к проектированию СМП, старается сохранить свои коммерческие и технологические тайны от конкурентов и это понятно. Именно по этой причине достаточно сложно получить полное представление о принципах построения СМП разными компаниями: существующая доступная информация, как правило, имеет поверхностный, рекламный характер. Тем не менее, в этой статье авторы попытаются изложить основные тенденции развития СМП, которые становятся понятны из разрозненных источников, доступной литературы и т.п., и обосновать свой взгляд на каждый упомянутый пункт.
DSP или промышленные микроконтроллеры?
Для использования в цифровой аппаратуре управления магнитными подшипниками компаниями-производителями использовались различные микроконтроллеры, которые можно было разделить на две основные группы: DSP (Digital Signal Processor – цифровой сигнальный процессор) и промышленные микроконтроллеры общего назначения. Принципиальное отличие состоит в том, что основные расчетные операции сигнальный процессор выполняет, как правило, значительно быстрее, чем промышленный микроконтроллер. А так как скорость работы системы управления является принципиальной характеристикой СМП, то следовал почти однозначный вывод – более правильно использовать DSP.
Однако, как и всегда в этом мире, существует другая сторона вопроса, которая состоит в том, что СМП требует от регулирующего органа не только скорости, но и хорошо развитой периферии, например, наличия таймеров, ЦАП/АЦП, модуля широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и т.п. В случае использования DSP вся эта периферия наращивалась как внешние устройства, что естественно существенно замедляло скорость реакции всей системы. В случае же использования подходящего промышленного контроллера необходимая периферия уже встроена в микроконтроллер, имеет свой периферийный контроллер, не зависящий от центрального ядра и поэтому не снижает вычислительной мощности контроллера при обработке внешних сигналов. Таким образом, выбор регулирующего органа не является такой уж однозначной задачей, как это казалось сначала.
На самом деле жизнь поставила все на свои места, и в настоящее время передовые DSP получили развитую периферию, а современные промышленные контроллеры имеют встроенный DSP. Таким образом, шансы уравнялись, и далее результат уже зависит больше от квалификации разработчиков, чем от выбора микроконтроллера.
Усложнение функций контроллера СМП
В настоящее время среди разработчиков СМП существует тенденция к усложнению сервисных функций управления, расширения количества представлений режимов работы, т.е. нагружение управляющего контроллера СМП помимо функции собственно регулирования сопутствующими функциями (например, отображением скорости вращения, температуры обмоток МП и окружающей их среды, осевой силы и т.п.). Естественно, целью такого усложнения является получение большого количества информации, которая могла бы позволить быстрее и правильнее реагировать на изменяющуюся, в том числе, и нештатную ситуацию.
Однако нештатные ситуации, например, повышение температуры обмоток МП, повышение температуры усилителей мощности, превышение уставок токов и вибраций ротора и т.п. могут быть вызваны всего двумя причинами:
- нештатным режимом работы агрегата;
- аварией в датчиковой системе, электромагнитах или АМП.
В первом случае АМП не управляет рабочим процессом, а только передает параметры СМП на САУ ГПА. Таким образом, нет необходимости вводить в аппаратуру управления МП индикацию этих величин, они должны сразу передаваться на САУ агрегата и служить указанием о необходимости изменения режима работы агрегата.
Во втором случае агрегат необходимо немедленно отключать, поэтому в аппаратуре управления необходимо предусмотреть достаточное количество защит от аварийных ситуаций.
Устранение лишних функций упрощает (т.е. делает более надежной) и удешевляет (т.е. делает более коммерчески оправданной) аппаратуру управления. Поэтому, на наш взгляд, не имеет особого смысла дублировать большинство сигналов в САУ ГПА и на дисплее АМП. Все сигналы, на нештатные значения которых невозможно отреагировать непосредственно на месте установки АМП, должны передаваться только в САУ ГПА. В самой же АМП должны быть предусмотрены только защиты от аварийных ситуаций в самой аппаратуре и от ситуаций на агрегате, приводящих к аварии АМП. Конечно, при этом в АМП должна быть предусмотрена как телеметрическая передача необходимых внутренних сигналов по согласованному протоколу, так и калиброванные выходы внутренних датчиков (перемещений, токов, температур, скорости вращения и т.д.). Последние должны быть стандартизованы преобразователями 4-20 мА для выдачи их, в случае необходимости, на САУ ГПА.
Индикация параметров системы на аппаратуре управления
Появление всякого рода гаджетов с возможностью быстрой обработки данных провоцирует их использование для отображения каких-то усложненных образов процесса на аппаратуре управления: траекторий движения ротора, спектров вибраций, корреляций, анимации и т.п. Во многих случаях насыщение аппаратуры АМП дополнительными функциями измерения и индикации обуславливается также рекламными соображениями.
Но по описанным в п.2 причинам нет необходимости использовать сложные устройства индикации на аппаратуре управления – дежурный оператор все равно не пользуется ими, все управление и наблюдение ведется от САУ ГПА, которая расположена удаленно от отсека автоматики (Рисунок 1 – скорость вращения ротора, виброперемещения по осям подшипников, степень сжатия).
С другой стороны при настройке и пуско-наладке СМП сервисные специалисты, находясь в отсеке автоматики, активно пользуются индикацией параметров и состояния системы. Современное программное обеспечение для управляющих контроллеров СМП позволяет получать все необходимые характеристики системы, включая частотный и корреляционный анализ, отображение траекторий движения ротора и даже, при наличии соответствующих датчиков, форм колебаний всей роторной системы.
Однако для служб эксплуатации наиболее востребованными являются две сервисные функции, (необходимость в которых возникает обычно при работах на агрегате, требующих разборки подшипниковых узлов), а именно:
- определение амплитудно-частотных характеристик замкнутой системы управления на взвешенном роторе (Рисунок 2);
- коррекция параметров системы управления программным путем без выключения аппаратуры управления и даже при работе агрегата (Рисунок 3). Эти операции могут проводиться сервисной службой или подготовленной службой эксплуатации как с использованием устройств индикации, предусмотренных в АМП, так и с помощью внешнего ноутбука.
Как показал наш опыт, более сложные измерения, которые проводятся сервисным персоналом при пуско-наладочных работах, удобнее проводить не с использованием встроенных в АМП функций измерения и диагностики, а с помощью как внешнего компьютера, так и дополнительных аналоговых приборов. Это, на первый взгляд, спорное утверждение основывается на мнении сервисного персонала о неудобстве управления одновременно несколькими виртуальными приборами на одном дисплее.
Таким образом, вопрос о необходимости расширении функций индикации состояния и управления параметрами СМП на встроенном дисплее также не однозначен. В соответствии с веянием времени, специалисты ОАО «ОДК-ГТ» в настоящее время оснащают выпускаемые АМП современным монитором с большим набором возможностей измерения и управления характеристиками СМП (рисунок 4).
Таким образом, если принять тезис об ограничении количества информации, отображаемой на дисплее АМП, то можно прийти к выводу, что сама аппаратура может работать в режиме «черного ящика» и не требовать наблюдения служб эксплуатации в процессе работы – все необходимые сведения о работе СМП индицируются на САУ ГПА. На самой АМП необходима только информация о результатах диагностики внутренних защит (при внутренних авариях) и, возможно, стартовой проверки системы. Такое построение СМП, на наш взгляд, соответствует современным принципам организации систем управления – все параметры системы, по которым может производиться управление режимом работы агрегата, должны быть представлены на САУ ГПА, а сама СМП требует внимания только при внутренних нарушениях или авариях, приводящих к необходимости проверок и/или ремонта.
Увеличение жесткости каналов регулирования СМП
Известно, что электромагнитные подшипники имеют принципиальный неустранимый физический недостаток – меньшую жесткость по сравнению с традиционными подшипниками, качения или скольжения. Следствием этой особенности МП являются большие вибрации ротора при внешних возмущениях, например, предпомпажных нагрузках. Само по себе, в пределах допустимых уровней, это не приводит к неприятным последствиям. Однако наличие на роторе других конструктивных элементов с зазорами, например, лабиринтных и сухих уплотнений заставляет проектантов более жестко подходить к разрешенным уровням вибраций. Кроме того, требования по повышению КПД компрессора требуют уменьшения рабочих зазоров в проточных частях компрессора. Поэтому часто высказывается мысль о необходимости увеличения жесткости МП для уменьшения амплитуды вибраций и расширения диапазона положительного демпфирования.
Принимая эти, в целом справедливые требования, необходимо одновременно принимать во внимание, что увеличение жесткости МП сверх определенных пределов может повлечь за собой:
- потерю устойчивости системы при высокочастотных возмущениях из-за насыщения усилителя, например, при вибрациях с частотой вращения, лопаточных вибрациях и т.п.;
- потерю устойчивости на внешних резонансах из-за увеличения общего коэффициента усиления на высоких частотах – изгибные колебания ротора, колебаний фундамента, приводной машины.
Мировой лидер по системам магнитного подвеса компания SKF-S2M до недавнего времени придерживалась практики получения максимально возможной жесткости для конкретного типа машины, применяя усложненные алгоритмы управления. Однако некоторые заказчики указывали на нестабильную работу таких систем особенно при нестационарных высокочастотных воздействиях на ротор. Специалисты ОАО «ОДК-ГТ», наоборот, выбирают параметры СМП, исходя из минимально допустимой (по условиям работы агрегата) жесткости СМП. Такой подход позволяет несколько повысить устойчивость системы к внешним высокочастотным воздействиям и улучшить стабильность ее характеристик.
Силовое питание аппаратуры управления
В выборе технических решений по организации силового питания АМП у заказчиков и изготовителей СМП также не наблюдается согласованного подхода.
В первоначальных разработках СМП в качестве основного источника питания использовалась питания трехфазная сеть 220/380 В с выпрямителем, а в качестве резервного – сеть постоянного тока 110/220 В. Оба источника включались по схеме «выбора наибольшего напряжения». Такая схема применялась в аналоговой аппаратуре СУМП-М, в довольно большом количестве находящейся в эксплуатации, а также в первой цифровой аппаратуре АМП. Эта схема, в том виде, в котором она применялась, не имела стабилизации силового питания усилителей.
Поэтому изменение напряжения питания влияло на характеристики каналов СМП, а при переключении на резервное питание могли происходить скачки напряжения питающего усилители и, как следствие, возникали помехи в цепях вторичного питания. Это, в свою очередь, приводило к броскам ротора при переходе с основного силового питания на резервное и наоборот. Кроме того, импульсные помехи от ШИМ- усилителей практически без ослабления проходили в резервную сеть постоянного тока. Поэтому руководства отрасли предписывали применение помехоподавляющих фильтров в цепях резервного питания и установку источников бесперебойного питания (ИБП) на входе основного питания аппаратуры.
В современном поколении цифровой аппаратуры АМП-1 была применена стабилизация силового питания усилителей с помощью промежуточных DC|DC преобразователей, что устранило указанные выше недостатки. Кроме того, такое решение давало возможность организовать питание усилителей напряжением, не зависящим от напряжения резервной сети постоянного тока. При использовании такой схемы питания отпадает необходимость установки ИБП для основного питания и существенно снижаются помехи по цепи резервного питания аппаратуры. Испытания, проведенные на КС «Перегребненское» ООО «Газпром трансгаз Югорск» на аппаратуре АМП-1, подтвердили правильность такого технического решения.
Необходимо, однако, отметить, что в аппаратуре управления зарубежных фирм, в частности SKF-S2M, традиционно применялась схема питания с включением специализированного ИБП непосредственно в состав аппаратуры. При этом полностью отпадала необходимость в резервной сети постоянного тока, и реализовывались все преимущества, указанные выше для аппаратуры АМП-1. Такое решение предпочтительно для объектов, на которых затруднительна организация надежной резервной сети, в частности на местах добычи газа, на платформах и т.д.
Поэтому в модернизированной аппаратуре АМП-1 была реализована возможность установки встроенного ИБП с возможностью питания аппаратуры от однофазной сети. Такое техническое решение также было проверено на одном из агрегатов ООО «Газпром трансгаз Югорск». Однако службы эксплуатации некоторых газотранспортных предприятий указывали на сложность получения резервных аккумуляторов в отдаленных районах и возможные затруднения при возникновении отказов ИБП.
Резюмируя сказанное, можно считать наиболее удобным выпуск двух модификаций АМП-1 (или аналогичных аппаратур управления), отличающихся только организацией силового питания.
Основной модификацией для применения на большинстве объектов газотранспортных предприятий следует считать аппаратуру с основным питанием от сети 380 В и резервным – от сети постоянного тока 220В. Для объектов, имеющих слабую сеть постоянного тока или не имеющих такой сети, следует применять модификацию АМП-1 со встроенным ИБП.
Импортозамещение
Этот вопрос отнесен к разряду спорных потому, что при очевидной для всех архиважности вопроса, его политизированность заставляет некоторые компании не решать проблемы реально, а делать вид, что они решаются. В сфере магнитных подшипников (МП) это проявляется следующим образом. Исторически на российском рынке присутствовали два западных производителя (SKF – Франция и Waukesha Bearings – Великобритания), а также один основной российский производитель ОАО «Корпорация ВНИИЭМ». Последний не показал свою эффективность по разным причинам, другие российские производители на рынок не допускались по причинам, далеким от технических. Таким образом, в сложные для России времена остро встал вопрос импортозамещения в области производства магнитных подшипников.
Как это обычно и бывает, желание быстро отрапортовать о решении проблемы приводит к имитации этого решения. Считается, что достаточной мерой является локализация производства в России. В данном случае, однако, это контрпродуктивная мера, так как западные предприятия-производители готовы передать российским предприятиям по лицензии только собственно производство (при этом не делая его независимым от западных технологий), не передавая технологии микроконтроллерного управления процессом и, тем более, программные продукты.
Таким образом, при обострении политической ситуации в мире подобное «импортозамещение» не дает возможности самостоятельной работы российских компаний в этом направлении.
Вывод очевиден. Для высокотехнологичных продуктов импортозамещение должно включать в себя не только «локализацию», но и следующие, именно российские позиции:
- технологию (know-how);
- разработчиков-держателей этой технологии;
- конструкторскую документацию;
- предприятия-изготовители ключевых высокотехнологичных модулей продукта;
- службу сервиса;
- комплектующие.
Только в этом наборе мы можем считать себя независимыми и самостоятельными в применении технологии магнитных подшипников. Вынужденное исключение составляют комплектующие, например, промышленные микроконтроллеры с необходимыми характеристиками, которые пока не производятся в России. ОАО «ОДК-ГТ» использует европейские микроконтроллеры, которые доступны и на азиатском рынке.
В настоящее время на российском рынке появились производители, соответствующие приведенному перечню, например, ОАО «ОДК-ГТ», ООО Фирма «Калининградгазприборавтоматика».
ВЫВОДЫ
1. Расчет и проектирование систем магнитного подвеса это сложная многопараметрическая задача, при решении которой нельзя добиться однозначного оптимума по всем показателям одновременно и приоритетом является достижение приемлемого компромисса.
2. Аппаратура должна работать в режиме «черного ящика» - выполнять все функции по стабилизации ротора на всех режимах и передавать в САУГПА полный объем информации о работе СМП. На индикаторе АМП целесообразно отображать только внутреннее состояние аппаратуры.
3. На территории России должен быть сосредоточен весь цикл производства и возобновления технологии: идея-разработка-производство-ПНР-сервис.
