Использование логических операций при построении систем управления.

Для любых сложных релейных систем характерной является возможность выполнения ими логи­ческих операций.

Логические операции (булевы операции) были впервые предложены голландцем Булем во второй половине 19-го века. Без них невозможно представить себе языки программирования, компьютеров и автоматическое управление, кото­рое в ряде случаев представ­ляет собой не просто временное пере­ключение исполнительных механизмов, а определенную последовательность логических дей­ствий, направленных на получение конкретного результата. Такое управление осу­ществляется при помощи логических элементов са­мого разного принципа действия – от дискретных полупроводниковых тран­зисторных устройств и интегральных микросхем до вы­ключателей, реле и элементов пневмоавтома­тики.

Логическая операция любой сложности может быть представлена в виде элементарных И (логи­ческое умножение), ИЛИ (сложе­ние) и НЕ (логическое отрицание). К логическим операциям в ряде случаев относят также операции:

Логическая операция НЕ отличается тем, что при разомкнутой входной цепи S замкнут нор­мально выходной кон­такт, а при замы­кании входного контакта он размыкается. Различные комбина­ции логических элементов позволяют реа­лизовывать логические опера­ции любой сложности по принципу “ЕСЛИ(условие), ТО(вид действия)”.

Традиционно логические преобразования осуществлялись с помощью релейно-контактных эле­ментов. Эти же опера­ции можно реализовать и с помощью бесконтактных дискретных логических элементов транзисторных переключатель­ных схем, реализующих те или иные логические функции.

К числу таких логических элементов относятся:

• элемент инвертирования входного дискретного сигнала, эквивалентный размыкающему кон­такту;

• элемент конъюнкции (логического умножения) двух входных дискретных сигналов, эквива­лентный последователь­ному соеди­нению;

• элемент дизъюнкции (логического сложения) двух входных дискретных сигналов, эквивалент­ный параллельному соединению.

В ряде случаев при автоматизации производственных процессов оказывается целесообразным осуществлять непо­средственное изменение направления тех или иных потоков жидкости или газа без организации логических электриче­ских цепей. Это осуществля­ется гидравлическими или, соответ­ственно, пневматическими релейными и логическими элементами.

Логические элементы в пневматических системах управления подразделяются на мембранные и струйные.

Примерами мембранных пневматических логических элементов могут служить трехмембранные реле и универсаль­ное реле, кото­рые реализуют элементарные логические операции. Эти реле вхо­дили раньше в состав универсальной си­стемы элементов промыш­ленной пневмоавтоматики. Разно­видность струйных пневматических логических элементов ба­зируется на принципах пневмоники – пневматической струйной автоматики. В элементах пневмоники все операции вы­полняются на струях воздуха давлением от 1,5 до 10,0 кПа. Устройства характеризуются отсутствием движущихся меха­нических частей, высоким быстродействием, повышенной эксплуата­ционной надежностью, практически неограничен­ным сроком службы. В пневматических струйных элементах используется эффект Коанда, проявляющийся в свойстве струи прилипать к стенке. Благодаря специально выбран­ному профилю полости модуля струя воз­духа, протекающего под давлением Р_пит. прижимается к ле­вой стенке при отсутствии возмущающего воздействия в каналах X₁ и X₂, и направ­ляется на выход Y₁. Давление на выходе Y₁ принимается за логическую единицу, а на выходе Y₂ – за логический нуль. Каналы А1 и А2 предназначены для сброса воздуха в атмосферу. Модуль в различных режимах обеспечивает выполне­ние логических опера­ций ИЛИ, НЕ, ИЛИ-НЕ, ПАМЯТЬ. Сочетание трех мо­дулей дает возможность выполнения опера­ции И.

Пневматический логический элемент

В качестве примера использования логических операций рассмотрим организацию управления формовочной ма­шины. Самый простой вариант – установка командоаппарата, который в соответ­ствии с циклограммой работы механиз­мов формовочной машины будет своими кулачками замыкать на нужные промежутки времени и в заданной последова­тельности контактные группы, запускаю­щие соответствующие механизмы. Но что случится, если пневматический ци­линдр, сталкивающий с кон­вейера опоку на рабочий стол машины, внезапно заклинит, и он остановится в середине хода.  Ко­мандоаппарат при этом продолжает работать, так как не знает, что опока не стоит в правильном по­ложении, и дает ко­манду на включение гидравлического цилиндра на прессование. Прессовая плита давит на неправильно установленную опоку – возникает аварийная ситуация. Можно организовать управление машины, исключающее подобную ситуацию, при помощи реле, реле времени и ко­нечных вы­ключателей с использованием логических операций.

28.Назначение, преимущества и недостатки релейно-контактной автоматики и бескон­тактной автоматики.

Традиционно управление автоматическими циклами работы технологического оборудования осуществлялось с по­мощью схем ре­лейно-контактной автоматики. Такое решение обеспечивает вы­полнение всех требуемых функций.

Командные порядко-временные устройства применяются для отработки функции управления от­дельными операци­ями технологи­ческого процесса в заданной последовательности их протекания во времени. При этом длительность каж­дой операции определяется: временем (допустим, что продол­жительность какой-либо операции – строго 10 минут), по­ложением объекта в пространстве (при пе­ре­мещении объекта срабатывает конечный или путевой выключатель) или из­меренным значением технологического параметра управля­емого процесса.

Релейно-контактная автоматика основана на механических конечных и путевых переключателях, электромагнитных реле, меха­нических реле времени, а если в процессе управления комплексом тех­нологического оборудования необхо­димо выполнять сложную последовательность переключений, на командоаппаратах (системы старых разработок, недо­статочно надежные в эксплуатации в усло­виях сильно запыленной атмосферы, однако сравнительно недорогие). В ре­лейно-контактной схеме управления процессом работы ка­кой-либо установки используются многочисленные контакты тра­диционно применяемой аппаратуры (происходит механическое замы­кание выключателей, кнопок, срабатывают меха­нические реле времени, обеспечивая замыкание своими контактными группами цепей питания приводов регулирующих органов, при помощи реле организуются логические опера­ции, переключением контактов реле пода­ется напряжение, например, на электромагнит пневмокла­пана и т.д.). Комбинированием обычных электромагнитных реле и реле вре­мени можно построить релейную схему управления практически любыми операциями и технологическими процессами в со­че­тании с выходными устройствами – конечными выключателями, переключателями и контрольно-измерительными при­борами.

В то же время такое решение обладает и рядом принципиальных недостатков:

• необходимость разработки для каждого объекта автоматизации своей особенной принципиаль­ной релейно-кон­тактной схемы;

• необходимость разработки полной конструкторской документации на релейно-контактное устройство, реализую­щее данную принципиальную схему, включая выбор нужного числа типовых конструктивов (шкафов, монтажных субб­локов, панелей, пультов, разъемов, коробов и т.п.), а также серийно выпускаемых и доступных электрических аппаратов, определяемых данной принципиаль­ной схемой, выпуск соответствующих сборочных и рабочих чертежей и специфика­ций;

• необходимость выполнения всего производственного цикла данного конкретного устройства, включая изготовле­ние специаль­ных и комплектацию типовых компонентов, сборку и подсборку дан­ного конкретного устройства, осу­ществление всего объема мон­тажных работ;

• значительные габаритные размеры и энергопотребление реализованного таким образом кон­кретного устройства;

• отсутствие формализованных методов и средств для диагностирования и локализации неис­правностей в реализо­ванном таким образом конкретном устройстве;

• потенциальная ненадежность, связанная с большим числом электрических контактов в реализо­ванном таким обра­зом конкрет­ном устройстве.

Первым шагом на пути перехода к более высокому техническому уровню систем управления ав­томатическими цик­лами стали по­пытки прямой замены элементов релейно-контактных схем их бес­контактными эквивалентами. При этом используются бесконтактные элементы – выключатели (напряжение на обмотку тягового электромагнита привода пнев­моклапана в этом случае подается не с кон­тактов реле, обмотку которого запитал, в свою очередь, конечный выключа­тель, а с транзистор­ного или тиристорного электронного переключателя, питающее напряжение на выходе которого по­явилось после срабатывания бесконтактного конечного выключателя). Однако при этом исключался лишь один, хотя и очень важный, недостаток релейно-контактных схем, а именно их потенциальная не­надежность, обусловленная большим числом задействованных контактов. При этом возникали до­полнительные трудности наладки и диагностирования, свя­занные с отсутствием наглядной визуали­зации срабатывания или несрабатывания элементов (реле при срабаты­вании из­дают звуки в виде щелчков, а бесконтактные элементы работают бесшумно), а также трудности в «размножении» сиг­на­лов, которое в традиционных релейно-контактных схемах обеспечивалось наличием нескольких пар контактов у одного реле.

Для бесконтактных логических элементов характерны следующие преимущества: отсутствие движущихся частей, высокая экс­плуатационная надежность, высокое быстродействие, возможность работы в запыленной, влажной, агрессив­ной атмосфере, пожаро-взрывобезопасность.

Поэтому наряду с использованием новой элементной базы оказалось необходимым применить и новые принципы построения си­стем управления автоматическими циклами. Создание современных систем управления стало возможным с появлением специального универсального устройства: про­граммируемого логического контроллера (ПЛК) (англ. PLC - Programmable Logical Controller).

 

29.ПЛК: назначение, классификация, общее устройство, особенности работы, преиму­щества по сравнению с ис­пользова­нием релейно-контактной автоматики.

Программируемый логический контроллер представляет собой комплектующее универсальное цифровое устройство, которое по­требители, а не изготовители, настраивают на управление конкрет­ным циклом путем занесения в его память соответствующей рабочей программы (совокупности опе­раторов) и соответствующей реализации его адресов с вход­ными и выходными сигналами объекта управления, являющимися операндами. Программируемый логический контрол­лер построен по тем же принципам, что и универсаль­ная цифровая вычислительная машина, поэтому с созданием ПЛК у изготовителя оказалась решенной проблема серийности и номен­клатуры. Указанная проблема за­ключается в том, что из­делие, выпускаемое по заказу для управления тем или иным конкретным объ­ектом управления, не может изготовляться большой серией. Решением подобной проблемы является выпуск изготовителем большой серии универсальных устройств, которые «привязываются» к тому или иному конкретному объекту силами самих потребителей, авто­матизи­рующих этот конкретный объект управления.

Являясь универсальным цифровым вычислительным устройством, ПЛК содержит все характер­ные для персональ­ного компью­тера функциональные блоки, а именно: процессор, оперативное запо­минающее устройство (ОЗУ), постоян­ное запоминающее устрой­ство (ПЗУ), устройство ввода-вы­вода и индицирующее устройство. Вместе с тем ПЛК по своим архитектурным принципам характе­ри­зу­ется и существенными структурными особенностями, отличающими его от персонального ком­пью­тера:

• разрядная сетка ПЛК содержит в принципе лишь один разряд. Это значит, что в таком контрол­лере предусматрива­ется обра­ботка не заданных пакетами сигналов в том или ином цифровом коде чисел, а отдельных дискретных сигналов о срабатывании или несрабатывании предельных датчиков состояния тех или иных рабочих органов. Результатом произве­денной обработки этих сигналов яв­ляются также дискретные сигналы типа «включить» или «выключить», адресованные соответствую­щему исполнительному меха­низму;

• минимально необходимая система команд ПЛК может быть ограничена лишь несколькими ло­гическими операци­ями. Таковыми в случае использования так называемого нормального логиче­ского базиса являются три операции: дизъ­юнкция (соответствующая па­раллельному соединению), конъ­юнкция (соответствующая последовательному соединению) и отрицание (соответствующее ин­верти­рующему контакту). Наличие в системе команд ПЛК этих операций позволяет со­здавать про­грамм­ные эквиваленты любых релейно-контактных структур;

• входной язык программирования ПЛК основан на представлении реализуемых им команд в виде булевых операто­ров (операто­ров алгебры логики) либо в виде соответствующих им графиче­ских символов релейно-контактных схем. Фразы такого входного языка являются традиционными для проектировщиков принципиальных релейно-контактных схем автоматики;

• входными и выходными данными процесса вычислений являются не массивы алфавитно-циф­ровой информации, вводимой и ре­дактируемой персоналом до начала либо по окончании процесса вычислительной обработки этих массивов и вне связи с объектом управления, а дискретные однораз­рядные сигналы обмена данными с объектом управления, кото­рые либо поступают в контроллер по мере их возникновения в объекте управления, либо генерируются самим контрол­лером в процессе вычислений.

Существенной и неотъемлемой особенностью всякого ПЛК является наличие в его составе устройств ввода-вывода сигналов. Указанные устройства на каналах связи с объектом должны иметь параметры, используемые в данном кон­кретном объекте управле­ния, а на каналах связи с ПЛК — па­раметры, используемые в данном ПЛК. На входы ПЛК, как и в случае заменяемых им релейно-кон­тактных схем, сигналы могут поступать от конечных выключателей, контролирую­щих положение подвижных рабочих органов; раз­личного рода оперативных устройств, используемых персоналом; реле давления, контролирующих давление рабочей среды в соответ­ствующих полостях гидро- и пневмосистем; блок-контак­тов пускателей, коммутирующих силовые цепи питания электродвигате­лей; внутренних запоминающих элементов и др. Все эти источники входных сигналов ПЛК являются электрическими контактными или бесконтактными устройствами.

Выходные сигналы от ПЛК поступают на исполнительные элементы объекта управления такие, как усилители мощ­ности, управ­ляемые коммутирующие ключи, электромагнитные реле, контакторы и пускатели, электроуправляемые пневмо- и гидрозолотники, тормозные и зажимные механизмы, муфты, а также на различные устройства индикации и светосигнализации типа светодиодов, сиг­нальных лампочек, светофоров, транспарантов, табло и др.

Устройство занесения программы в ПЛК для управления конкретным объектом не обязательно должно быть кон­структивно неотъемлемой частью данного ПЛК. Оно может быть также переносным или возимым и подсоединяться к ПЛК только на время зане­сения в него программы управления. Для индикации текущего хода процесса управления в случае использования ПЛК может быть спроекти­ровано специальное табло, соединяемое с этим ПЛК, но может исполь­зоваться и универсальный мо­нитор, входящий в состав комплектующего ПЛК. Комплекты устройств связи с объектом (входных и выходных устройств ПЛК) компонуются по агрегатно-мо­дульному принципу. Они состоят из не­скольких блоков, каждый из которых представляет собой ряд зажимов для подводов входных и вы­ходных сигналов.

Оборудование данного класса можно разделить на три группы:

Микроконтроллеры представляют собой небольшие компактные приборы, объединяющие в од­ном корпусе входы и выходы, центральный процессор, память, электропитание и графический ЖК дисплей.

Компактные контроллеры применяются во всех областях, от систем управления отдельных машин до сетевых си­стем. Ком­пактные контроллеры объединяют в одном корпусе ввод-вывод, цен­тральный процессор, память и электропи­тание. Возможности их применения можно расширить, бла­годаря различным опциям, например, дополнительным входам и выходам, аналоговому вводу-вы­воду или модулям регулировки температуры. Одной из наиболее часто выбираемых опций является коммуникационный сетевой ин­терфейс.

Модульные ПЛК являются высокоуровневыми и многофункциональными контроллерами, все модули которых раз­мещаются на специальном шасси и полностью герметичны. Модульные ПЛК монтируются на базовом шасси и состав­ляются из отдельного блока питания, центрального процес­сора, а также модулей ввода-вывода и специальных модулей. Для расширения системы можно доба­вить дополнительные шасси разных размеров. Среди специальных модулей име­ются аналоговые, коммуникационные, сетевые коммуника­ционные модули. С помощью веб-серверного модуля возмо­жен даже выход в интернет.

Базовое шасси – аналог материнской платы. Модуль центрального процессора – это герметич­ный блок, включаю­щий в себя стандартный интерфейс RS232С либо USB для легкого программиро­вания и слежения с персонального ком­пьютера или панели опера­тора. Панель оператора - это цвет­ной сенсорный экран, который выполняет роль монитора и клавиатуры, и служит интерфейсом между оператором и установкой. В состав модуля ЦП входят собственно процессор, встроенная FLASH - память, выполняющая роль винчестера, оперативная память (RAM), ROM - память, батарея резерв­ного питания сроком службы 5 лет. Быстродействие процессора определяется параметром – время на одну инструкцию и у скоростных моделей составляет 34 нс/на одну логическую инструк­цию (0,000000034 с/на инструкцию) при суммарном объеме памяти в до 32 мегабайт. В зависимости от сложности системы управления и требований к ее быстродействию, можно применять взаимоза­меняемые модули ЦП различной производительности от маломощных до самых производи­тельных с возможностью параллельного включения нескольких модулей. Производители выпускают модули ЦП, оп­ти­мизированные для различных применений (управление сервоприводами и т.д.).

 

30.Промышленные роботы и манипуляторы: классификация, конструкция, основ­ные технические характери­стики, приме­нение.

Автоматизация производственных операций, связанных со сложными пространствен­ными пере­мещениями объектов базируется на использовании специальных устройств, назы­ваемых манипуля­торами и промышленными роботами.

Роботы можно классифицировать по самым различным признакам. Наиболее общими и содержа­тельными являются классифика­ции по назначению, решаемому классу задач и осо­бенностям управ­ления.

По назначению и решаемому классу задач роботы всех поколений могут быть разделены на две большие группы:промышленные и исследовательские.

Промышленные роботы (ПР) — это роботы, предназначенные для выполнения тяже­лой, моно­тонной, вредной и опасной для здоровья физической работы, а также для выполне­ния отдельных ви­дов трудоемкой, напряженной и утоми­тельной умственной работы (проек­тирование, информацион­ное обеспечение, управление).

Соответственно конкретным областям применения имеется ряд разновидностей про­мышленных роботов.

Промышленные роботы, получившие наибольшее развитие в настоящее время, предна­значены для автоматизации основных и вспомогательных операций в различных отраслях промышленности: в машиностроении и приборостроении, в горнодобывающей, нефтехими­ческой, металлургической, атомной и др. Промышленные роботы, в свою очередь, под­разде­ляются на три группы по произ­вод­ственно-технологическим признакам: производственные, или технологические (ППР), для основных операций технологических процессов; подъемно-транспортные, или вспомогательные (ПТПР), вы­полняющие действия типа взять - перенести -положить; универ­сальные (УПР) для различных опера­ций - основных и вспомогательных.

По специализации промышленные роботы подразделяются на:

· специальные, выполняющие строго определенные технологические операции или об­служиваю­щие конкретные мо­дели техноло­гического оборудования;

· специализированные, или целевые, предназначенные для выполнения технологиче­ских опера­ций одного вида (сварки, сборки, окраски и т.п.) или обслуживания определенной группы моделей технологического оборудования, объ­единенных общностью манипуляцион­ных действий;

· универсальные, или многоцелевые, ориентированные на выполнение как основных, так и вспомо­гательных техноло­гических опе­раций различных видов и с различными груп­пами моделей технологического оборудования.

Исследовательские роботы — это роботы, предназначенные для поиска, сбора, перера­ботки и передачи информа­ции об иссле­дуемых объектах. Такими объектами могут быть труднодоступные или недоступные для человека сферы (космическое пространство, океан­ские глубины, недра Земли, экстремальные лабораторные условия) либо области, где требу­ются выявление, переработка и анализ огромной по объему информации, например инфор­мационный поиск и раз­ведка, искусство и литера­тура. Примером современных ис­следова­тельских роботов служат автоматические аппараты для ис­следования космоса и планет.

⇐ Предыдущая10111213141516171819Следующая ⇒

Поделиться: