Раздел 3. Системы управления технологическим оборудованием

Раздел 3. Системы управления технологическим оборудованием

Тема 3.1 Классификация систем управления оборудованием

1. Разновидности систем управления технологическим оборудованием

2. Особенности и характеристики систем управления

3. Структура систем управления оборудованием

1. Управление - это целенаправленное воздействие на какой-либо объект или протекающий процесс с целью качественного или количественного изменения параметров и достижения определенных целей.

Всякое управление технологическим объектом включает в себя следующие компоненты:

- сбор первичных сведений об управляемом объекте (сведения об изделии, оборудовании и приемах обработки, записанные в УП), вторичных сведений (сведения, полученные во время управления)

- обработку полученных сведений (выполнение необходимых расчетов, анализ данных, проверка условий и т.д.);

Рекомендуемые материалы

- выводы и принятие необходимых решений;

- обеспечение управляющих воздействий.

УЧПУ наиболее полно и эффективно реализует все компоненты автоматического управления. ЧПУ придает технологическому оборудованию гибкость, так как перестройка его на новый вид технологического процесса, изделий сводится к переналадке оборудования и загрузке УЧПУ новыми управляющими программами с перезаписью новых параметров в массивы данных.

Классификация СУТО.

•      По структуре: одноступенчатая и двухступенчатая.

1. Одноступенчатая - центральный диспетчерский пункт (ЦДП) имеет непосредственные линии связи и каналы телемеханики со всеми объектами и комплексами производства.

2. Двухступенчатая - связь осуществляется через промежуточные пункты (операторские или диспетчерские).

•      По характеру использования:

1. для оперативного вмешательства в ход процесса;

2. для совершенствования организации управления;

3. для создания новых схем и конструкций, совершенствования машин и комплексов.

•      По степени централизации:

1.     централизованные (характеризуются наличием в системе единого командоаппарата, с помощью которого осуществляется управляющее воздействие на рабочие органы станка, определяющие требуемую последовательность, скорость, подачу, величину перемещений.)

Преимущества - компактность, малопротяженность линий связи.

Недостатки - значительные затраты на переоборудование из-за изменения конструкции командоаппарата.

Пример: коленвал токарно-револьверного станка;

2.     децентрализованные (характеризуются отсутствием командоаппарата, управляющее воздействие формируется каждым отдельным рабочим органом, с помощью упоров и путевых выключателей). Все операции в таких системах выполняются последовательно.

Преимущества - возможность организации управления значительным количеством объектов; исключение последующих сигналов при невыполнении предыдущих, быстрое перерегулирование.

Недостатки - большая протяженность линий связи (увеличение погрешности), из-за регулировки и переустановки упоров значительные затраты времени.

Пример:  робототехнический комплекс (РТК) следящего привода.

•      По управлению движением:

1. путевые (управление по положению с помощью путевых выключателей, упоров, кулачков);

2. командные (управление по времени с помощью командоаппаратов и ПМК);

•      По типу программоносителя: магнитные ленты и диски; перфокарты и перфоленты; ЛВС - локально-вычислительные сети; копиры и шаблоны; кулачки и маховые механизмы.

•      По элементной базе: электрические; механические; гидравлические и пневматические.

2. Задачи СУТО: 1) Обеспечение требуемых действий исполнительных механизмов.

2) Обеспечение заданных режимов.

3) Обеспечение требуемых параметров объекта производства.

4) Выполнение вспомогательных параметров.

Требования.

1) Обеспечение высокой мобильности.

2) Обеспечение выполнения сложных задач функционирования.

3) Простота конструкции и низкая себестоимость.

4) Возможность дистанционного управления.

5) Возможность саморегулирования.

Команды СУТО.

- Технологические - предусмотренные техпроцессом.

- Цикловые - изменение параметров, инструмента, СОЖ, реверс.

- Служебные - выполняемые с помощью логических операций.

Классификация систем, по характеру информации записанной на программоносителе; системы непрерывные, дискретные и дискретно-непрерывные.

В непрерывных системах программа записывается непрерывно. Если применяется система с фазовой модуляцией, то программа представляется синусоидальным напряжением, фаза которого пропорциональна программируемым перемещениям; в системах с амплитудной модуляцией перемещениям пропорциональна амплитуда этого напряжения.

Таблица 1 - Примеры применения СУТО

В дискретных (импульсных) системах информация о перемещениях задается соответствующим числом импульсов. Если механизм перемещения оснащен датчиком импульсов и для учета перемещения используется счетная схема, то систему называют счетно-импульсной. Если исполнительным устройством является шаговый двигатель, то систему называют шагово-импульсной.

В импульсно-фазовых устройствах ЧПУ суммирование импульсов, задаваемых программой, производится в фазовом преобразователе, выходной, сигнал которого в виде угла сдвига фазы переменного напряжения пропорционален количеству импульсов программы.

Классификация систем по изменению режимов обработки системы ЧПУ

По изменению режимов обработки системы ЧПУ подразделяются на цикловые, программные и адаптивные.

Цикловые системы осуществляют движения с повторяющимися циклами. В них применяется кулачковое, аппаратное, микропрограммное и программируемое управления. При кулачковом управлении используют для задания режимов штекерные панели, аппаратное управление осуществляют при помощи релейно-контактной или бесконтактной аппаратуры. Для микропрограммного управления применяют запоминающие устройства микрокоманд, а программируемое управление режимами обработки основано на использовании средств программируемой логики.

В программных системах ЧПУ изменение режимов обработки осуществляется программными средствами с использованием программоносителя или памяти ЭВМ.

Применение адаптивного управления позволяет производить автоматическое изменение режима обработки независимо от программы.

Числовое программное управление обеспечивает управление по нескольким координатам, поэтому его широко применяют на многооперационных станках (обрабатывающих центрах) с автоматической сменой инструмента и обрабатываемых деталей.

3. Все СУТО включают в себя следующие узлы (Рисунок 37): считывающее устройство, предназначенное для ввода управляющей программы с программоносителя (СУ); пульта ввода (ПВ); который предназначен для ввода управляющей программы с помощью клавиатуры, а также для назначения режимов работы, подачи разовых команд и индикации контроля состояния устройства; узла ввода (УВв), обеспечивающего выбор режима ввода, режима управления станком и устройством, вызов автоматических циклов по специальной команде G80 с встраиванием в циклы фактических параметров, управление лентопротяжным механизмом в старт-стопном режиме во время отработке управляющей программы (УП) и управление перемоткой ленты в начало программы, расшифровку адресов команд, временное хранение их содержимого и ввод в соответствующие регистры памяти содержимого команд по расшифрованному адресу. Кроме того, данное устройство управляет лентопротяжным механизмом во время поиска кадра N, заданного на переключателе

Рисунок 37- Структурная схема типового позиционного УЧПУ

Пульт коррекции (ПК) предназначен для набора и хранения коррекции по предусмотренным адресам. Узел коррекции (УК) обеспечивает последовательное считывание цифровой информации, установленной на переключателях, ввод считываемой информации с нормализацией по запросам в УП в соответствующие адреса (адреса инструментов или координат).

Пульт индикации (ПИ) обеспечивает индикацию информации на экране по задействованным адресам (построчно или по страницам) и представляет собой лучевую трубку, в левой части которой растровые строки индицируют действительное положение рабочих органов, а в правой части - заданные значения в УП. Пульт индикации может работать в рабочем и проверочном (без отработки) режимах, что дает возможность получить необходимую информацию. Пульт индикации вместе с пультом ввода является видеомонитором.

Узел скорости (УС) обеспечивает управление скоростями по действующим координатам, управление торможением и выбором направления движения.

Узел оперативной памяти (УОП) имеет память для хранения вводимой информации и информации результатов вычислений во время обработки. Кроме того, УОП имеет ПЗУ для хранения состава автоматических циклов с адресами. G81 - G89.

Узел обслуживания (УО) - это специализированный микропроцессор, который выполняет обработку геометрической информации, т.е. вычисление угла рассогласования по всем управляемым координатам, выполняет функции таймера, управляет пультом индикации.

Узел датчиков (УД) предназначен для преобразования сигналов датчиков положения в код УЧПУ, питания датчиков и усиления сигналов.

Блок внешних разъемов (БРВ) представляет собой стандартный интерфейс в виде адаптера или микроконтроллера. Обеспечивает связь УЧПУ с электроавтоматическими устройствами станка и управление ими. БРВ предназначен для расшифровки, формирования и распределения сигналов управления к исполнительным механизмам, а так же для сбора и хранения информации состояния объекта, сигналов состояния рабочих органов, сигналов готовности.

Тема 3.2 Системы числового программного управления промышленным оборудованием

1. Классификация СЧПУ

2. Структура систем числового программного управления

1. Система числового программного управления – комплекс устройств и оборудования, включающий в себя: УЧПУ; объект управления; электроавтоматические устройства, осуществляющие непосредственное управление узлами объекта; оснастку и инструмент; программное и математическое обеспечение; средства контроля.

УЧПУ можно классифицировать по различным признакам.

Классификация систем по особенностям структуры системы ЧПУ: контурные и комбинированные системы ЧПУ

Контурные системы ЧПУ позволяют производить обработку криволинейных поверхностей при фрезеровании, точении, шлифовании и других видах металлообработки. В этих системах программируется траектория перемещения режущего инструмента, поэтому их часто называют системами управления движением.

Комбинированные системы ЧПУ представляют собой сочетание позиционных и контурных и называются также универсальными. Они находят применение в многооперационных станках, где требуется позиционно-контурное управление.

При обозначении модели станка с ЧПУ, оснащенного позиционной системой, к ней добавляют индекс «Ф₂ », оснащенного контурной системой — индекс «Ф_З » и комбинированной - индекс «Ф₄ ». Индекс «Ф₁ » в обозначении модели станка свидетельствует об оснащении станка цифровой индикацией и ручным управлением.

Позиционные системы ЧПУ

Системы ЧПУ металлорежущими станками классифицируются по различным признакам. По виду рабочих движений станка системы ЧПУ могут быть разделены на позиционные, контурные и комбинированные.

Позиционные системы ЧПУ позволяют производить относительное перемещение инструмента и заготовки от одной точки (позиции) к другой.

Такое управление используется в сверлильных, расточных и других станках, на которых обработка выполняется после установки инструмента в заданной позиции.

Поскольку основной задачей для таких систем является перемещение инструмента (детали) в заданные координаты, их называют также системами координатного управления и управления положением.

2. При разработке современных универсальных УЧПУ стремятся придать этим устройствам свойства унификации, т. е. создают их на базе унифицированных узлов, которые обладают большой функциональной гибкостью. При разработке УЧПУ предусматривают более полную автоматизацию программирования, возможность встраивания УЧПУ в объект управления, который в свою очередь может встраиваться в технологический модуль или более крупный технологический комплекс, а также стыковку УЧПУ с другими УЧПУ, СЧПУ и ЭВМ более высокого ранга.

Применяемые микроЭВМ своей функциональной структурой и математическим обеспечением проблемно сориентированы на управление всевозможными технологическими объектами. В микроЭВМ организация вычислительного процесса и операции логики предусматривает осуществление обработки информации управления, передачи данных и принятия информации с объекта управления в реальном масштабе времени.

Для упрощения проблемной ориентации микроЭВМ и другие устройства архитектурно, функционально и конструктивно оформляют в виде отдельных модулей. Универсальные УЧПУ, созданные на базе микро-ЭВМ, могут включать в себя различные функциональные модули.

Микропроцессорный модуль (МП) может включать в себя основной и вспомогательный микропроцессоры, причем основной обрабатывает информацию управления и планирования, а вспомогательный работает над подготовкой информации. Например, вспомогательный микропроцессор работает в системе автоматического программирования, рассчитывает траекторию движения методом линейно-круговой интерполяции, а основной обрабатывает информацию управления всеми устройствами. В МП метод обмена информацией магистральный, а управление имеет микропрограммную организацию, поэтому МП включает в себя, как правило, самостоятельный модуль микропрограммного управления. В МП могут входить буферные регистры для удобства оперирования форматами данных. Кроме того, МП могут быть многосекционными, что дает возможность наращивать секции и оперировать любыми необходимыми форматами. Модуль устройства управления (УУ) обеспечивает организацию управления устройствами СЧПУ.

Модуль оперативной памяти (ОП) предназначен для хранения оперативной информации. В него может входить модуль стековой памяти для организации всевозможных прерываний УП («стек» от англ. слова штабель, кипа). Этот модуль предназначен для запоминания данных перед прерыванием УП. Стековые регистры запоминают содержимое счетчиков, адреса данных перед прерыванием для восстановления их в основной программе после возвращения из прерывания (данные регистры обмениваются информацией в следующем порядке: первый адрес записывается, последний считывается).

Модули постоянной памяти неперепрограммируемые в виде постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) и перепрограммируемые в виде перепрограммируемого запоминающего устройства (ППЗУ) предназначены для хранения постоянной информации.

В модулях буферной памяти хранится промежуточная информация, что дает возможность обмениваться пакетированными данными, а также обмениваться информацией с устройствами, работающими с разными скоростями.

Интерфейсные модули типа адаптера служат для связи с различными терминалами (пульт индикации, печатающее устройство, дисплей и т. д.).

Модули микроконтроллеров (МК) управляют всевозможными внешними устройствами при общем управлении центральным процессором.

Модули интервального таймера предназначены для задания временных интервалов, необходимых для согласования работающих устройств.

Модули связи с объектом управления включают в себя устройства ЦАП и АЦП и микроконтроллеры, управляющие ими, которые служат для преобразования сигналов УЧПУ и электроавтоматических устройств станка в необходимый вид; логические микроконтроллеры, которые обрабатывают команды, подаваемые на ОУ в микроконтроллере заданные логические уравнения управления рабочими органами преобразуются в сигналы, формирующие логико-временные циклы управления электроавтоматическими устройствами.

Модули операционных устройств (программные адаптеры) преобразуют информацию одного вида в информацию другого вида. Модули адаптивного управления предназначены для сбора, обработки технологической информации и организации корректирующей УП.

Структурная схема типового универсального УЧПУ показана на рисунке 38. Устройство состоит из нескольких типовых модулей.

Рисунок 38 Структурная схема типового универсального УЧПУ

Процессор (Пр) является программированным преобразователем информации и включает в себя: арифметико-логическое устройство (АЛУ), служащее для математической обработки информации и выполнения операций анализа; устройство управления (УУ) обеспечивает управление работой процессора по микропрограммному алгоритму (одноуровневая или многоуровневая организация управления).

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) предназначено для хранения управляющих и организующих программ, управляющих программ для управления электроавтоматическими устройствами станка с помощью программируемого командоконтроллера, для хранения параметров технологического объекта и УЧПУ, массивов, обслуживающих и корректирующих программ, стандартных подпрограмм и других массивов данных. ПЗУ хранит программы стандартных циклов (процедур), УП обработки информации, стандартные микропрограммы управления различными устройствами с помощью адаптеров (адаптеры управления приводами, пультом индикации и т. д.), стандартные программы управления другими аппаратными средствами.

ППЗУ служит для записи программы логических микроконтроллеров, управляющих электроавтоматическими устройствами технологического объекта, записи УП контроллеров обращения к внешним устройствам, записи тестовых программ и т. д.

Пульт оператора (ПО) предназначен для оперативного вмешательства в работу СЧПУ, т. е. подачи команд ручного управления, назначения режимов работы, для просмотра УП, ее редактирования, контроля работы системы, диалога с УЧПУ и т.д.

К внешним устройствам (ВУ) могут относиться: системы тестового контроля, видеомониторы (устройства, включающие в себя дисплей и клавиатуру для загрузки УЧПУ командами или управляющими программами, для вызова и просмотра их), видеотерминалы, всевозможные печатающие устройства (принтеры), пульты программирования в коде ISO или в машинно-ориентированном языке, пульты программирования УП электроавтоматическими устройствами технологического оборудования, вычислительные системы автоматического программирования и ЭВМ более высокого ранга.

Таймер (Т) организует метки реального масштаба времени, необходимые для управления всеми устройствами, в том числе и объектом управления.

Интерфейс типа контроллера обмена (КО1) служит для обеспечения связи УЧПУ с внешними устройствами управления, управления обменом информацией со всеми внешними устройствами.

Связь с объектом управления и основными устройствами объекта осуществляется через стандартный интерфейс типа Q = bus, представляющий собой контроллер управления обменом информации, и магистраль обмена на 16 разрядов. Контроллер обмена с объектом управления (К02) обеспечивает управление обменом информацией между технологическим объектом и УЧПУ с помощью шин местного интерфейса (ШИ).

Многоканальные аналого-цифровые преобразователи (АЦП) служат для преобразования аналоговых сигналов, полученных от датчиков обратной связи (ЦОС), расположенных в технологическом объекте, в цифровой код УЧПУ (число каналов обусловлено числом управляемых координат).

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) преобразуют цифровые коды в аналоговые сигналы и выдают их на исполнительные устройства (на электроавто­матические устройства и приводы).

Узлы приема (ПК) и вывода (ВК) кодов являются как бы буферными портовыми устройствами для временного хранения информации обмена, расшифровки адресов команд и т. д.

Технологический объект (ТО) с исполнительными механизмами, электроавтоматическими устройствами (ЭУ) и измерительной системой реализует команды управления и контроль исполнения с помощью ДОС.

Тема 3.3 Микропроцессорные устройства программного управления

1. Структурная схема микропроцессорных устройств

2. Программируемые микроконтроллеры

3. Современные тенденции в разработке МикроЭВМ

1. МикроЭВМ оперируют значительно меньшим числом команд, чем большие ЭВМ, но все равно оно достигает нескольких десятков и для их записи в двоичном коде требуется не менее шести разрядов. Так как адресуемый объем ПЗУ обычно составляет несколько десятков тысяч, чаще всего слов, адресная часть команды должна содержать разрядов, т. е. полная «длина» команды должна быть порядка разрядов, что при обычной «длине» ячеек памяти микроЭВМ, составляющей разрядов, требует трех ячеек памяти ПЗУ. Это одна из особенностей мини-ЭВМ и микроЭВМ, усложняющая программирование и снижающая результирующее быстродействие их, которое обычно не превышает 150—200 тыс. операций типа сложения в 1 с.

МикроЭВМ обычно оперирует одноадресной системой команд, при которой адресная часть команды имеет только один адрес — адрес операнда, который необходимо передать в АЛУ. Другой операнд всегда находится в аккумуляторе; результат действия АЛУ над двумя операндами всегда остается в аккумуляторе. Команды бывают нескольких типов: команды пересылок, например, «передать данные из ОЗУ в ЦП»; команды арифметических операций, например, «сложить» или «вычесть»; команды логических операций, например, «сравнить два числа»; команды, перехода «перейти», «вызвать», «возвратить»; специальные команды, например, «останов». Полный список команд, которыми оперирует микроЭВМ, дается в сопроводительной документации на ЭВМ.

В общей сложности в программе может быть много тысяч команд, которые необходимо составить и отработать, а затем записать в ПЗУ.

Структурная схема типового секционного МП показана на рисунке 39, МП состоит из двух функциональных модулей: микропрограммного устройства управления (МПУУ) и операционного устройства (ОУ), построенного из отдельных секций. МПУУ включает в себя: память микрокоманд (ПМК), которая предназначена для хранения принимаемых команд; контрол­лер последовательности микрокоманд (КПМК), основным назначением которого является реализация управляющих структур (фрагментов), встречающихся в микрокомандах. Таким образом, контроллер обеспечивает дешифрацию кода операции команды для обращения к первой микрокоманде микропрограммы, фор­мирует адреса следующих микрокоманд, как линейной последовательности, так и условных или безусловных переходов к микропрограмме. Кроме того, некоторые контроллеры могут хранить признак переходов, уп­равлять прерываниями на микропрограммном уровне. Как правило, в комплект микропроцессора входят мо­дули контроллеров последовательности микрокоманд для организации управления в различных режимах.

Рисунок 39 - Структурная схема типового секционного микропроцессора

МПУУ работает следующим образом. Код операции (КОП) с регистра команд поступает на вход контроллера последовательности микрокоманд (КПМК), и на выходе регистра адреса микрокоманды (РАМК) контроллера формируется адрес первой микрокоманды (АМК) выполняемой микропрограммы. Микрокоманда, подлежащая реализации в текущем микрокомандном цикле, считывается из памяти в регистры микрокоманд (РМК).

 Микрокоманда содержит три основных поля, содержание которых хранится в соответствующих узлах:

1) поле кода микрооперации (КМО), определяющее вид операции, выполняемой одним из устройств микро-ЭВМ;

2) поле, в котором закодированы признаки результата (КПР), поступающие из ОУ в контроллер и анализируемые контроллером при выполнении команд условного перехода по данным признакам условия;

3) поле, в котором содержится код адреса для формирования адреса следующей команды (АСМК). После выполнения считанной микрокоманды цикл повторяется. Управляющие сигналы микрокоманд подаются в соответствующие устройства микроэвм.

ОУ предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций. ОУ собирают из секций процессорных элементов, каждый из которых содержит арифметико-логическое устройство (АЛУ), регистры общего назначения (РОН), аккумулятор (А) — накапливающий регистр, дешифратор микрооперации (ДШМО), буфер данных (БД) и буфер адреса (БА), позволяющие временно хранить адрес (Л) и данные (Д).

Одной из особенностей ОУ является вертикальное разбиение, что требует меньшего числа передач кодов между отдельными БИС. Шины данных, шины адреса и кода микроопераций объединяются в общую маги­страль. Основными достоинствами секционных МП являются возможность разработки микроЭВМ с макси­мальным соответствием структуре характеризуемых задач, исключение избыточности структуры и разрядов, выбор произвольной нестандартной разрядности. Наличие независимых адресных шин и шин входных и выходных данных (шины адресов и данных могут быть различных форматов) позволяет организовать сопряжение с памятью и периферийными устройствами без использования мультиплексирования.

2. Программируемые логические микроконтроллеры (ПЛМК) в основном ориентированы на реализацию логических функций и используются вместо релейных схем управления, т.е. для управления полупроводниковыми схемами электроавтоматических устройств технологических объектов.

ПЛМК реализуют функции командоаппаратов и микроконтроллеров и создаются на базе микроЭВМ. Данные микроЭВМ можно рассматривать как универсальную программно-настраиваемую модель цифрового управляющего автомата. Возможность применения ПЛМК в качестве универсального локального устройства управления разными технологическими процессами достигается путем внесения в ПЛМК программы, определяющей алгоритм работы конкретного объекта управления без изменения его электрической структуры.

В состав ПЛМК, как минимум, входят логический микропроцессор с блоком управления, оперативная память, пульт настройки и загрузки управляющей программы и устройство связи с объектом управления (Рисунок 40).

Рисунок 40 - Программируемый логический микроконтроллер

На рисунке 40 представлена обобщенная структурная схема ПЛМК, в который входят различные устройства. Центральный логический процессор (ЦЛП) обеспечивает логическую обработку поступающей информации в соответствии с записанной программой в памяти программы и моделирует конкретную релейную схему. Устройство управления логического процессора опрашивает все входы и выходы блока регистров, производит логическое сравнение состояния входов и выходов и по результатам сравнения включает или выключает те или иные исполнительные органы через схему устройства связи с объектом управления. Микроконтроллер с помощью программного таймера и счетчика последовательно, строка за строкой, опрашивает (сканирует) память программ и с помощью ЦЛП производит вычисления логических функций согласно уравнениям, поступающим из памяти программ, и заносит вычисленные значения в память данных. После того, как опрос памяти окончился, устройство управления микроконтроллера выполняет обмен данными между входными и выходными регистрами блока регистров и памятью данных. Затем опрос памяти программ повторяется от начала до конца.

Таким образом, опрос памяти программ и обмен данными периодически повторяется в процессе управления. Однократный проход логического процессора по всей программе называют циклом полного опроса (сканирование) памяти, а время, в течение которого этот цикл исполняется, временем цикла. Оно характеризует быстродействие микроконтроллера.

Программируемые логические микроконтроллеры реализуют относительно простые функции управления и обладают рядом важных особенностей. Первая из них заключается в том, что циклы непрерывно повторяются в режиме управления объектом. Циклы состоят из отдельных фраз следующего содержания: «фотографирования» состояния узлов объекта (опрос выходов), переработки данных совместно с данными новой фразы и выдачи управляющих сигналов на исполнительные органы. «Фотографирование» состояния объекта управления в данный момент времени реализуется вводом в соответствующие ячейки памяти сигналов опроса состояния объекта (получение ответов от соответствующих аппаратов).

Вторая особенность ПЛМК заключается в том, что для программирования используют простейшие специализированные, но эффективные языки программирования или языки символического задания алгоритмов управления: простые, описывающие релейно-контактные схемы; логических функций; описывающие УП с помощью операторов управления; символического кодирования и т. д.

Третьей особенностью ПЛМК является то, что они могут функционировать без постоянного обслуживающего персонала в процессе эксплуатации.

3. Широкие возможности для построения устройств ЧПУ открывает применение микропроцессоров и мини-ЭВМ.

Алгоритм функционирования станка или группы станков зависит от сложности конфигурации обрабатываемой детали, получения требуемых точности обработки и шероховатости поверхности.

Для решения задач обработки деталей простой конфигурации при невысоких требованиях к точности и качеству обработки алгоритм функционирования должен быть достаточно простым.

Процессор ЭВМ в этом случае может быть выполнен на базе стандартных блоков, из которых создается управляющее устройство. Оно воспроизводит модель управления станком, допускает параллельное выполнение операций, реализующих несложные функции. Такие управляющие устройства получили название цифровых моделей. Промышленность выпускает такие системы ЧПУ типа Н22, НЗЗ, построенные на микроэлектронных элементах. Они предназначены для управления станками и осуществляют позиционирование, прямоугольное и контурное (в плоскости) управление. Перестройка алгоритмов управления в таких системах невозможна.

Микро ЭВМ отличаются от мини-ЭВМ меньшими разрядностью слова и объемом памяти, реализованы на минимальном числе интегральных схем с большой степенью интеграции и служат для создания автоматических систем управления несложными объектами; устройств связи с мини-ЭВМ, персональными компьютерами (ПК) и др.

Переход от многокристалльного микропроцессора к одно-кристалльному и, наконец, к микроЭВМ, размещенной на одном кристалле, создает наибольший экономический эффект при реализации упрощенных ЭВМ. Многокристальные микропроцессоры обладают большей функциональной полнотой, вычислительной мощностью и производительностью и наиболее эффективны при построении микро- и мини-ЭВМ для управления более сложными установками и технологическими процессами.

Тема 3.4 Системы адаптивного программного управления

1. Структурная схема системы управления с блоком адаптации

2. Функциональная схема.

1.  Принцип построения СЧПУ основан на том, что управление действует согласно заданному алгоритму, определенному управляющей программой в соответствии с первичными сведениями об управляемом объекте, технологическом процессе и его параметрах, а также коррекции и перестройке алгоритма управления на основании полученных вторичных сведений об управляемом объекте (сведения об изменении исходных данных, отклонение фактических параметров от тех значений, которые предусматривались в УП, и т. д.).

СЧПУ с такой организацией управления получила название адаптивной СЧПУ. Для подобной системы УП формирует цель управления (алгоритмы управления, определяющие траекторию движения рабочих органов, их скорости, а также другие технологические параметры и команды на основании известных сведений об объекте управления, заготовке, приемах обработки, инструменте и т. д.), к которой должна стремиться система управления. Таким образом, для адаптивных СЧПУ записанная УП, определяющая заданный алгоритм управления объектом и заданные параметры, является информацией о целях управления, и при изменении обстановки в управляемом объекте такая система будет адаптироваться, менять дисциплину управления с учетом изменившихся конкретных условий, т. е. устройство управления будет вырабатывать дополнительные инструкции управления к существующей УП.

В универсальных УЧПУ, создаваемых на базе микроЭВМ для обеспечения адаптивного управления, создаются специальные интерфейсные модули для связи объекта управления с УЧПУ по адаптивному управлению. Причем создаются также дополнительные модули в виде программируемых микроконтроллеров для реализации адаптивного управления в объекте. Интерфейсный модуль включает в себя дополнительные аналого-цифровые преобразователи для преобразования сигналов датчиков, измеряющих всевозможные технологические параметры во время управления, которые преобразуются в цифровой код. Кроме того, применяются программируемые микроконтроллеры для обработки вторичной информации и введения ее в основную УП. Все перечисленные выше модули, как правило, управляются от центрального процессора микроЭВМ.

В УЧПУ, построенных на базе микроЭВМ, в ЗУ хранится специально разработанное математическое и программное обеспечение для организации адаптивного управления совместно с ЧПУ.

На рисунке 41 показана структурная схема универсального УЧПУ с блоком адаптации (АЦП адаптации), предусматривающим реализацию адаптивного управления объектом. Универсальное УЧПУ построено на базе микроЭВМ «Электроника-60», в которую входят ЦП, ЗУ и ПЗУ, магистральный канал ЭВМ. Кроме модуля адаптации в УЧПУ входят следующие модули: интерфейс связи с пультом коррекции (СПК), интерфейс связи с печатающими устройствами (ПУ) и электрической печатающей машинкой (ЭПМ) интерфейс связи с блоком отображения символьной информации (БОСИ)у интерфейс связи с фотосчитывающим устройством (ФСУ), интерфейс связи с перфоратором, интерфейс связи с кассетным накопителем на магнитной ленте (КНМЛ)У интерфейс связи с блоком преобразования кодов и блоками умножения (БУ, БПК), интерфейс связи с ЭВМ более высокого ранга.

 

Рисунок 41 - Структурная схема адаптивной СЧПУ

Канал ЭВМ через интерфейс связи с технологическим объектом (ТО) связан с внешними устройствами через дополнительную магистраль связи с объектом управления. Таким образом, интерфейс связи с ТО управляет обменом информацией между микроЭВМ и внешними устройствами, расположенными на объекте управления.

 Для связи УЧПУ с объектом управления служат следующие блоки, выполненные в виде стандартных модулей (блоки, обслуживающие рабочие органы объекта управления); блок выходных и входных сигналов, блок связи с шаговым приводом (БСШП), интерфейс связи с приводом, питающимся и управляемым тиристорным преобразователем с ЧИМ- или ШИМ - управлением; модуль связи с датчиками обратной связи (АЦП ДОС), которые измеряют всевозможные технологические параметры, следовательно, этот модуль можно частично использовать для получения вторичной информации с объекта управления и ее обработки.

Все адаптивные СЧПУ следует применять там, где они дают экономический эффект и оправдывают начальные затраты за счет малой избыточности аппаратных средств и стандартных модулей.

Адаптивные СЧПУ, применяемые в промышленных роботах, оснащают специальным математическим и программным обеспечением, которое записывается в ОЗУ и ПЗУ УЧПУ через специальный унифицированный интерфейс может оснащаться средствами технического зрения при адаптации на обстановку, геометрическую форму, измерение силы захвата для фиксации в момент захвата, маркировку заготовок, взаимное расположение, измерение осевой деформации при сборке и т. д. В качестве рецепторов технического зрения могут применяться электронно-лучевые трубки, интегральные фотоприемные устройства матричного типа (ИФУ), матричные приборы с зарядовой связью, диссекторы (диссекторы являются телевизионной трубкой с произвольной разверткой луча), матричные тензометрические датчики и т. д.

Широкое применение адаптивные СЧПУ находят также в тех технологических объектах, где предъявляются высокие требования к параметрам технологических процессов или параметрам получаемых изделий. Кроме того, они применяются в тех случаях, когда возмущающие воздействия в технологическом процессе значительны и носят случайный характер, что дает возможность учесть данные отклонения в УП или скорректировать с пульта в процессе управления.

Адаптивные СЧПУ различаются способами адаптации, видами организации измерительных систем, способами организации адаптивного управления и разновидностью аппаратных средств, с помощью которых организуется адаптивное управление. По принципу адаптации различают адаптивные СЧПУ: с функциональным регулированием, в которых процесс адапта­ции осуществляется регулированием параметров, функционально зависящих от отклонившихся величин; с экстремальным регулированием, целью адаптации которых является получение максимального или минимального результата; с оптимальным регулированием, где ведется регулирование многих параметров на оптимальный результат по комплексному критерию оптимальности.

Адаптивные СЧПУ могут различаться способами контроля параметров, вызывающих возмущающее воздействие, и способами воздействия на параметры регулирования, посредством которых, как правило, ведется адаптация с учетом новых условий управления. Чаще всего параметрами, которые являются возмущающими или регулирующими, бывают мощность и сила резания, диаметр обработки, припуск на обработку, температура в зоне резания, деформация в системе станок — приспособление — инструмент — заготовка, износ режущего инструмента и т. д.

Адаптивные СЧПУ могут различаться числом каналов регулирования, видом и законом регулирующих воздействий.

2. Адаптивная СЧПУ с применением оптимального регулирования построена на базе универсального УЧПУ с соответствующим дополнительным математическим и программным обеспечением (Рисунок 42).

Рисунок 42 - Функциональная схема адаптивной СЧПУ

Функциональная схема устройства адаптации включает в себя следующие узлы: узел, в котором проходит процесс резания (ПР) и измеряются необходимые параметры процесса обработки; упругая система станка (УСС), которая представляет собой фактическую систему станок — приспособление — инструмент — заготовка; привод подачи (ПП); главный привод (ГП); датчик синхронизации схемы с частотой вращения шпинделя (ДС); датчик, измеряющий амплитуду колебаний (ДК), датчик тока или мощности (ДТ), усилитель датчика колебаний (УДК) блок масштабирования сигнала обратной связи по мощности и компенсации сигнала, создаваемого током холостого хода (БМК) блоки ограничения сигналов управления скоростью подачи (υ_s) и частотой вращения шпинделя (Б01, Б02); командный генератор (Г); полосовой фильтр (ПФ) блок согласования (БС) блоки умножения (БУ1, БУ2); экстремальный регулятор колебаний изменением частоты вращения шпинделя (ЭРК) регулятор колебаний изменением скорости подачи, (РК) блок логики для сравнения частоты вращения шпинделя с заданными параметрами (БЛ); регулятор мощности (РМ); физические величины, характеризующие в процессе обработки скорость подачи, частоту вращения шпинделя, амплитуду колебания, силу резания (мощность) и ток нагрузки.

На основании комплексного критерия оптимальности в адаптивной СЧПУ реализуется несколько алгоритмов оптимального автоматического регулирования с полной или частичной реализацией функции оптимальности. Такой метод осуществляется поочередным регулированием установки приоритета по тому или иному алгоритму управления или совместным регулированием по всем необходимым параметрам этого критерия. Адаптивная СЧПУ может реализовывать несколько алгоритмов автоматического регулирования параметров техпроцесса.

Тема 3.5 Гибкие производственные системы и гибкие производственные модули

1. Основные термины и определения ГПС

2. Гибкие автоматизированные линии

3. Управление ГПС

4. Современные тенденции в использовании ГПС

1. Гибкая производственная система (ГПС) представляет собой совокупность в разных сочетаниях оборудования с ЧПУ, роботизированных технологических комплексов, гибких производственных модулей, отдельных единиц технологического оборудования и систем обеспечения их функционирования в автоматическом режиме в течение заданного интервала времени. Любая ТПС обладает свойством автоматизированной переналадки при производстве изделий произвольной номенклатуры в установленных пределах значений их характеристик.

Роботизированный технологический комплекс (РТК) состоит из единицы технологического оборудования, промышленного робота и средств оснащения (устройств накопления, ориентации и поштучной выдачи изделий). РТК может функционировать автономно, осуществляя многократно циклы обработки. Если РТК предназначены для работы в составе ГПС, то они должны иметь автоматизированную переналадку и возможность встраивания в систему.

Гибкий производственный модуль (ГПМ) — это единица технологического оборудования для производства изделий произвольной номенклатуры в установленных пределах значений их характеристик, автономно функционирующая, автоматически осуществляющая функции, связанные с производством изделий, и имеющая возможность встраивания в ГПС.

По организационным признакам можно выделить 3 разновидности ГПС: ТАЛ, ГАУ и ГАЦ.

1) В гибкой автоматизированной линии (ГАЛ) технологическое оборудование расположено в принятой последовательности технологических операций.

2) Гибкий автоматизированный участок (ГАУ) функционирует по технологическому маршруту, в котором предусмотрена возможность изменения последовательности использования технологического оборудования.

3) В состав гибкого автоматизированного цеха (ГАЦ) входят в различных сочетаниях гибкие автоматизированные линии, роботизированные технологические линии, гибкие автоматизированные участки и роботизированные технологические линии и участки для производства изделий заданной номенклатуры.

Таким образом, ГПС — это организационно-техническая производ­ственная система, позволяющая в условиях мелкосерийного, серийного и в отдельных случаях крупносерийного многономенклатурного производства заменить с минимальными затратами и в короткий срок выпускае­мую продукцию на новую.

В структуре типовой ГПС необходимы три группы компонентов: технологическая, управления и подготовки производства. Каждая из указанных групп компонентов, образующих соответствующую систему (или подсистему), является человеко-машинной, в которой наиболее тру­доемкие функции выполняются входящими в систему средствами вычис­лительной техники, а творческие функции — конструкторами, технолога­ми и организаторами производства, работающими на АРМ.

Технологическая система представляет собой совокупность ос­новного и вспомогательного технологического оборудования и реализованного на нем технологического производственного процесса, который может быть механообрабатывающим, сборочным, литейным, кузнечнопрессовым, сварочным, гальваническим и т. д. Производственные функции выполняются с помощью специфических для каждого вида производства технических средств, построенных на модульной основе.

 При этом решают­ся следующие задачи: комплектация, складирование, транспортирование и промежуточное накопление исходного материала, заготовок, полуфабрикатов и технологической оснастки; обработка и сборка объектов производства; контроль заготовок, полуфабрикатов и готовой продукции; контроль параметров технологического процесса и состояния инструмента, уборка отходов производства (стружки, облоя, литников); подача вспомогательных материалов (смазочного материала, охлаждающей жидкости, формовочных материалов).

Производственная гибкость ГПС определяется технологической, структурно-организационной и параметрической гибкостью. При этом под гибкостью понимают приспосабливаемость ГПС к изменениям, связанным с выполнением производственной программы. Производственная система считается гибкой и быстропереналаживаемой без существенных затрат, если при изменении объектов производства не меняется состав  компонентов системы и состав информационных связей.

2. Обычно станочные автоматические линии, созданные для обработки одной конкретной детали, очень сложно использовать для обра­ботки новой детали, даже аналогичной по конструкции. Принципиально новые средства автоматизации, появившиеся в виде ГПС, позволили создать для таких производств гибкие автоматизированные линии (ГАЛ).

 ГАЛ предназначены для групповой обработки нескольких заранее известных аналогичных по конструкции и технологии изготовления деталей. Они состоят из переналаживаемых агрегатных станков и станков с ЧПУ, объединенных единой автоматической транспортной системой Станки с ЧПУ используют в таких линиях при сложных циклах обработки и при необходимости реализовать контурное управление. Технологическое оборудование ГАЛ расположено в принятой последовательности технологических операций.

Широкое распространение получили ГАЛ, создаваемые на базе агрегатных станков со сменными шпиндельными коробками для обработки корпусных деталей.

На рисунке 43 показан пример такой линии, в состав ко­торой входят: два комплекта унифицированных узлов 1 и 6 для механообработки, две автоматически действующие секции конвейеров шпиндельных коробок 2 и 4, стеллаж  3 для складирования не используемых в заданном цикле работы шпиндельных коробок, три позиции 10 установки заготовок на зажимные приспособления-спутники, транспортная система  автоматической подачи деталей со спутниками на рабочие позиции 11 и 8 (позиция 9 для промежуточного контроля деталей). Комплекты унифицированных узлов имеют силовой стол с редуктором 7 для крепления сменных шпиндельных коробок 5, устройство подачи к силовому столу шпиндельных коробок 12, набор секций конвейеров и поворотных столов. На линии используется до 28 многошпиндельных коробок, которые на спутниках транспортируются в нужный период цикла обработки к силовому узлу, где поочередно автоматически закрепляются. При переналадке новый комплект коробок загружается ни конвейер со склада.

Также большее применение находят в ГАЛ для обработки деталей типа тел вращения и корпусных деталей агрегатные станки с ЧПУ, создаваемые из комплектов унифицированных узлов (столов различных типов, механизмов автоматической смены инструмента).

3. Управление ГПС реализует комплексные многофункциональные иерархически построенные автоматизированные системы управления (АСУ), в которых можно выделить две функциональные составные части:

- управления технологическими процессами (АСУТП)

- организационно- - технологического управления (АСУОТ).

Первая решает задачи группового управления технологическим и транспортным оборудованием, а вторая – задачи планирования, диспетчеризации и учета хода производства. Обе составные части АСУ ГПС тесно взаимосвязаны между собой как аппаратными, так и программными средствами.

АСУ ТП предназначена для выработки управляющих воздействий на комплексы (группы) основного и вспомогательного оборудования ГПС, передачи управляющих программ и другой требуемой информации в устройства локального управления (системы ЧПУ оборудованием, устройства электроавтоматики), приема информации от устройств локального управления, а также для организации хранения в памяти ЭВМ библиотеки управляющих программ и всей необходимой технологической документации. В состав АСУ ТП входят модули локального управления, средства информационно-измерительной и вычислительной техники.

В ГПС программное управление обеспечивает функционирование оборудования в автоматическом режиме в соответствии с заданной программой и возможность изменения процессов функционирования при смене программы.

Главная проблема, возникающая при разработке системы группового управления оборудования ГПС – обеспечение взаимодействия устройства локального управления с ЭВМ. Решение этой проблемы связано с унификацией и стандартизацией программно-аппаратных интерфейсов (физического, логического и информационного).

Физический интерфейс определяет способ электрического и механического сопряжения ЭВМ и локальных устройств управления. Логический интерфейс определяет способ передачи информации (протокол обмена информацией) по каналу  связи: способ установления и прекращения сеансов связи, размер передаваемых сообщений. Информационный интерфейс определяет состав и формат передаваемых по каналу связи сообщений, т.е. язык информационного обмена между ЭВМ и локальными устройствами управления.

4. ГПС находят применение в основном в станкостроении, машиностроении.

Анализ ГПС позволяет сделать некоторые выводы:

• управление транспортными системами и работой станков осуществляется одной или несколькими отдельными ЭВМ;
• число станков в ГПС колеблется от 2 до 50. Однако 80% ГПС составлено из 4-5 станков и 15% из 8 – 10;
• реже встречаются системы из 30-50 станков (2-3%);
• наибольший экономический эффект от использования ГПС достигается при обработке корпусных деталей, нежели от их использования при обработке других деталей, например деталей типа тел вращения. Например в Германии их 60%, в Японии – более 70, в США – около 90%;
• различна и степень гибкости ГПС. Например в США преобладают системы для обработки изделий в пределах 4-10 наименований, в Германии – от 50 до 200;
• нормативный срок окупаемости ГПС в различных странах 2 - 4,5 года.

Проблемы, возникшие при применении гибких систем:

· ГПС не достигла поставленных целей по рентабельности; она оказалась слишком дорогостоящей по сравнению с преимуществами, достигнутыми с ней. Обнаружено, что причиной высокой стоимости оборудования были несоразмерные расходы на приспособления и транспортную систему;

· разработка и введение в эксплуатацию комплексной ГПС оказалось трудным, а также дорогостоящим;

· из-за недостатка опыта было трудно выбирать подходящие типы систем и оборудование для нее;

· имеется мало поставщиков систем, которые могут поставлять сложные системы.

· в некоторых случаях эксплуатационники получили опыт о фактически слабой гибкости;

· конструктивные элементы ГАПС, например, станки, системы управления и периферийные устройства часто оказывались неподходящими к системе и вызывали лишние проблемы по стыковке.

· Эксплуатационники часто не имеют достаточной готовности к эксплуатации сложной системы;

· Длительный срок выполнения проекта от конструирования до запуска системы.

Перспективы применения гибких систем

· одновременное повышение эффективности и гибкости;

· повышение степени автоматизации не уменьшая гибкости;

· усовершенствование таких измерительно-контрольных методов, которые контролируют в процессе обработки состояние инструмента и обрабатываемых деталей, необходимое для соответствующей автоматической подналадки;

· уменьшение количества приспособлений и палет за счет автоматизации крепления деталей;

· введение в ГПС таких операций, как промывка, покрытие, термообработка, сборка и т.д;

· развитие профилактического техобслуживания.

Значение ГПС

· более высокий коэффициент использования станков (в 2-4 раза больше по сравнению с применением отдельных станков);

Обратите внимание на лекцию "АС и ДНР".

· более короткое время прохода производства;

· уменьшается доля незаконченного производства, т.е. уменьшается количество запасов деталей на складах, которое означает уменьшение продукции, привязанного к производству;

· более ясный поток материала, меньше перетранспортировок и меньше точек управления производством;

· уменьшаются расходы на заработную плату;

· более ровное качество продукции;

более удобная и благоприятная обстановка и условия работы для работающих.