Введение. Пособие составлено в соответствии с программой курса «Расчет и конст­руирование типовых машин пл.» для студен­тов

Пособие составлено в соответствии с программой курса «Расчет и конст­руирование типовых машин пл.» для студен­тов, обучающихся по специальности 15,09,06,65 «Машины и аппараты пл.».

В пособии на конкретных примерах показана методика проектирования де­централизованных систем путевого управления машинами-автоматами и полуав­томатами. Рассмотрены задачи логического синтеза цепей управления для типо­вых электрических и гидравлических (пневматических) приводов и методика по­строения принципиальных схем систем управления на базе типовых элементов.

Пособие признано помочь студентам выполнить расчетно-графическое за­дание самостоятельно и должно способствовать более глубокому теоретическому и. практическому изучению соответствующего раздела курса.

1. ОБЩАЯ МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ПУТЕВОГО УПРАВ­ЛЕНИЯ МАШИНАМИ-АВТОМАТАМИ И АВТОМАТИЧЕСКИМИ ЛИНИЯМИ.

Одним из этапов проектирования машин-автоматов, автоматических линий, промышленных роботов является синтез управления исполнительными механиз­мами. В зависимости от особенностей технологического процесса и последова­тельности его выполнения выбирается принцип автоматического управления ра­бочими органами, проектируется принципиальная схема, проводится расчет и вы­бор необходимых функциональных элементов.

В автоматических линиях, машинах-автоматах, промышленных роботах мо­гут применяться различные способы контроля состояния и хода процесса, управ­ления заданной последовательностью переходов, выполняемых отдельными ме­ханизмами. Возможен контроль и управление по пути, времени, величине нагруз­ки на инструмент, положению обрабатываемого объекта, его форме и т.д.

Как показала практика эксплуатация различных типов приводов электриче­ских, пневматических, гидравлических и их комбинаций и, учитывая уровень на­стоящего этапа развития роботостроения, наиболее просты, надежны и распро­странены системы контроля и управления исполнительными механизмами по пу­ти, времени и давлению в местах соприкосновения рабочих органов с обрабаты­ваемым материалом.

В предлагаемом пособии рассматривается методика решения одного класса задач управления - синтез децентрализованных систем путевого управления.

Системы путевого управления являются наиболее надежным средством, обеспечивающим заданную последовательность переходов. При таком способе управления исключается влияние нагрузки, утечек жидкости в гидроприводах, давления в системах питания газовых и гидравлических приводов на четкость по­следовательности переходов.

Синтез систем путевого управления рекомендуется выполнить в последую­щей последовательности:

1. Проводится анализ последовательности выполнения автоматами и полуав­томатами технологических операций и процесса в целом, проектируется цикловая тактограмма работы всех исполнительных механизмов (электро­двигателей, пневматических и гидравлических цилиндров и т.д.).

2. По условиям функционирования механизмов расставляются конечные вы­ключатели на кинематической (пневматической, гидравлической) схеме и
вводится их обозначение на тактограмме.

3. Определяется суммарный десятичный ход сигналов (весов в каждой из так­тов и проводится анализ по условию реализуемости тактограммы без введе­ния в систему управления дополнительных элементов.

Если тактограмма нереализуема (имеются импульсные сигналы, одинако­вые веса в тактах при различных движениях в них), то:

а) выделяются границы каскадов под импульсными сигналами,

б) проводится окончательное разделение на каскады,

в) определяется необходимое число памятей,

г) строится маска памятей и в соответствии с ней память вводится в такто-
граммму,

д) проверяется правильность введения памятей по суммарным весам с уче­том запаздывания при ее срабатывании.

Если же тактограмма реализуема, т.е. не имеет импульсных сигналов и так­тов с одинаковыми весами, то эти пункты опускаются.

4) С помощью одного из методов минимизации отыскивается минимальная форма логических функций срабатывания всех управляющих элементов (реле, контрактов, памятей).

5) В соответствии с полученной обобщенной логической функцией всей сис­темы управления строится ее принципиальная схема.

6) В принципиальную схему вводятся сервисные элементы управления маши­нами-автоматами для обеспечения пуска и остановки в начале и конце цик­ла, режима ручного управления для отладки системы, элементы блокиро­вания, настройки и т.п.

7) Подбирается аппаратура управления двигателями исходя из заданной мощности исполнительных механизмов (двигателей, цилиндров и т.д.), ус­ловий эксплуатации и режимов работы.

2. ПРИМЕРЫ ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННЫХ СИСТЕМ ПУТЕВОГО

УПРАВЛЕНИЯ

В качестве примеров выбраны типовые задачи синтеза управления электри­ческими и гидравлическим приводом.

Для электрического привода методика проектирования логических цепей управления не имеет отличительных особенностей вне зависимости от типа дви­гателя, но при подборе элементов управления построения принципиальной схемы необходимо учитывать их мощность и возможности появления промежуточных цепей. При проектировании логики работы гидравлических (пневматических) це­пей есть свои особенности в зависимости от выбора типа распределителя. В посо­бии для гидравлических (пневматических) приводов рассмотрены два типа рас­пределителей - с 2-сторонним электрическим и 2-х сторонним гидравлическим управлением. При задании преподавателем других распределителей необходимо учитывать их особенности.

2.1. Синтез систем управления электроприводом

Дано:

1) Тактограмма вида А ВА

2) Двигатели: А - Ml имеет мощность 2 кВТ, В - М2 имеет мощность 100 ВТ.

Необходимо выполнить синтез децентрализованной системы управления двигателями Ml, M2.

2.1.1. Построение тактограммы, ее анализ и выбор числа элементов памяти

В соответствии с заданной символической записью построим тактограммму (см. рис. 1 а).

Конечные положения каждого механизма, приводимых двигателями А и В, фиксируются, как правило, конечными выключателями.

Обозначив, соответственно, конечные выключатели и для двигателя А, и -для двигателя В расставляем их на тактограмме.

Присвоим десятичный условный вес сигналам конечных выключателей, где - порядковый номер механизма. Сигналам конечников, фиксирующих нижнее их положение на тактограмме, присвоим нулевые «веса».

Далее подсчитаем суммарные веса сигналов в начале каждого из тактов.

Наличие импульсных управляющих сигналов и одинаковых суммарных ве­сов в разных тактах с разными движениями говорят о том, что тактограмма не реализуема без дополнительных элементов-элементов «памяти».

Для определения необходимого количества «памятей» тактограмму разби­вают на каскады.

Выделим границы каскадов в соответствии с существующими правилами под импульсными сигналами и проанализируем полученные группы тактов. В од­ной из 2^х полученных групп тактов (каскадов) имеются одинаковые веса (см. 2 и 6 такты, рис. 1 а). Но в этих тактах выполняет одинаковые движения двигатель А и поэтому, в принципе, эту группу тактов далее можно не делить.

Обозначение границы каскада в начале цикла обеспечивает функциониро­вание «памяти» также в качестве пускового реле.

Так как тактограмма может быть представлена двумя каскадами, то введем одну память. Это достаточно просто сделать и без маски. Определяем суммарные «веса» наборов сигналов в начале каждого из тактов с учетом запаздывания при переключении памяти.

При сложении оказалось, что в 1 и 3 тактах при различных движениях име­ются одинаковые суммарные сигналы. Т.е. при появлении набора «2» в начале цикла, как в такте 3, может начаться движение двигателя В, а этого по условию задачи не должно быть. Таким образом, введение памяти с целью использования его также в качестве пускового реле в данном случае невозможно. Можно изме­нить состав тактов в каскадах и уровней памяти по каскадам. Тогда сумма весов во всех тактах с различными движениями будет различной (см. рис. 1 б) и такто­грамма реализуема.

Принципиально это возможно, допустить, но решение получится не луч­шим, т.к. при пуске машины-автомата оператор должен держать целый такт нажа­той кнопку «пуск», т.е. держать ее до тех пор, пока начнет функционировать не­посредственно система управления.

Если вам необходим автоматический режим работы машины, устройства, то границу каскада проводят в конце цикла, и, соответственно также изменяют уро­вень памяти (см. рис. 1 а).

Анализ суммарных весов при таком варианте решения задачи показывает, что в 1и 6 тактах встречаются одинаковые веса, а движения в них различные, что мы видели и в первом варианте расстановки памяти (см. рис. 1 а). Такое измене­ние состояния памятей, требуемое при работе механизмов в автоматическом ре­жиме, также к решению не приводит.

Для обеспечения же полуавтоматического режима работы машины провес­ти вторую границу каскада, и соответственно, поменять уровень памяти можно в некоторой степени произвольно (см. рис. 1 б).

Рассмотрим вариант решения с дополнительным введением памяти (см. рис. 1 г). Выделив границу под импульсными сигналами и, принимая полуавтомати­ческий режим работы машины, проведем вторую границу каскада в некоторой степени произвольно, но в конце цикла, например: после 4 такта и в соответствии с этим каскадами введем память. Для обеспечения же пуска введем память, таким образом, чтобы в начале цикла она включалась от кнопки «Пуск», выключалась сигналами конечников также в некоторой степени произвольно.

Возможно и такое решение (в данном случае), что синтез системы управле­ния выполняется с одной памятью, а память для пуска вводится как сервисный элемент уже после синтеза системы.

Анализ полученной тактограммы с двумя памятями показывает, что веса в тактах разные и можно приступить к отысканию функции срабатывания двигате­лей.

В более сложных случаях, при наличии нескольких каскадов (от 4^х и более) для безошибочного введения памятей по определенным правилам строится маска памятей - карта Карно, показывающая картину переключения памятей.

Далее выполняется этап - отыскание минимальных форм функции срабаты­вания элементов управления, обеспечивающих работу соответствующих двигате­лей в каждом из тактов.

2.1.2. МЕТОДИКА ОТЫСКАНИЯ МИНИМАЛЬНОЙ ФОРМЫ ЗАПИСИ ЛОГИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ ЦЕПЕЙ УПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛНИТИЛЬНЫМИ

МЕХАНИЗМАМИ

Этот этап является одним из наиболее трудоемких и ответственных в про­ектировании системы управления.

Отыскание минимальной по числу логических переменных функций воз­можно различными методами.

Так, алгебраический метод рекомендуется применять для упрощения не­сложных функций, т.к. минимизация функций с большим числом членов и пере­менных приводит к громоздкости и длительному анализу и до конца нет уверен­ности в том, что полученная функция является минимальной.

Метод карт Карно наиболее удобный и поэтому широко применяемый ме­тод минимизации функций с возможным число переменных не более 4^х. При большем их числе использование этого метода затруднено.

Табличный метод позволяет найти минимальную форму функций любой сложности. Однако и он требует особой внимательности и значительных затрат времени.

Решим задачу табличным методом и использованием карт Карно.

1) Рассмотрим работу первого двигателя 1 вперед в 1 и 4 тактах. Обязатель­ными при отыскании функции включения контактора К_1В, при этом за обя­зательный берутся наборы, полученные после переключения «памяти», т.е. потенциальные сигналы.

Запрещенными являются наборы тактов, где рассматриваемый механизм осуществляет обратное движение и выстой после него. Таким образом, запрещен­ными будут такты 2, 3, 6.

Внесем в карту Карно запрещенные, условные и обязательные состояния для 1 и 4 такта.

		Z1
X2	06	~
11	02.3	Z2
X’2	~	~
~

Полную функцию и соответствующую цепь управления K_1B получим путем логического умножения функции включения на сигнал, отключающего конечного выключателя.

2) Определяем функцию срабатывания двигателя Д1 в обратную сторону во 2-м и 6-м тактах. F_k1H =?

По аналогии можно записать: при 2 и 6 обязательных и 1, 1’, 4,4’, 5, 5’ за­прещенных тактах. При соотношении 2, 6 (1, 1’, 4,4’ 5, 5') получим:

		Z1
X2	16	~
01	12	Z2
X’2	~	04
05	05’

3) Определяем цепи управления контактором К_2п второго двигателя Д2. F_k2H =?

Аналогично 3 (5, 5’, 6, 1, 1’, 2, 2')

		Z1
X1	05.6	05^I
02^I	02	Z2
X1^I	01^I	13
01	~

В обязательном состоянии рассматриваются только потенциальные сигналы «памяти», т.к. они определяют состояние механизмов.

4) Соответственно для движения «2» вперед получим:

X1	15	~
~	~	Z2
X1^I	~	03.4
~	04

5 (3, 4, 4')

В этом случае возможны два равнозначных варианта решения по количест­ву переменных в функциях срабатывания.

или

Предпочтительнее принятие второго варианта, т.к. в нем используются кон­такты «памяти». При проектировании необходимо стремиться к тому, чтобы ис­пользование контактов конечников (если это возможно) было не более одного раза. Это иногда позволяет исключить операцию их размножения и выполнить схему более простой и дешевей.

Эти элементы проектирования формализовать не представляется возмож­ным и в каждом конкретном случае необходимо учитывать число раз используе­мых сигналов конечников и наличие элементов для реализации схемы.

5) Определяем функции срабатывания «памятей». При этом используется та же методика, т.е. рассматриваем элементы памяти в качестве отдельных ис­полнительных механизмов.

Функция срабатывания F(z₁)

Функция включения 2(5,6, 1’, 1)

Функция отключения 5(2, 3, 4,4^I)

или

	X’1	X1
X2	01’	06
01	12	Z2
X’2	~	~
~	05’

	X’1	X1
X2	~	~
03	02	Z2
X’2	04’	~
04	15

Предпочтительней второй вариант функции по тем же соображениям, что и ранее. Общая функция срабатывания F(z_l) будет иметь вид:

F(z_l)=

По аналогии с предыдущим рассуждениями будем иметь:

1(4,5, 5’, 6),

4(1, 2, 2’,3)

или

	X’1	X1
X2	11’	06
~	~	Z1
X’2	04’	05’
~	05

- предпочтительнее.

	X’1	X1
X2	01	0’1
03	02	Z1
	14	~
~	~

Общая функция срабатывания Z₂ будет иметь вид:

Проверка правильности определения функций срабатывания всех механиз­мов и «памятей» осуществляется с помощью табличного метода, реализуемого с помощью ЭВМ.

При выполнении задания с количеством двигателей и памяти более пяти за­дача решается с помощью табличного метода и проверки правильности решения выполняется с помощью ЭВМ.

Алгоритм и программа расчета на ЭВМ дана в приложе­нии к методическому пособию.

6) Строим принципиальную электрическую схему управления устройством на

основе полученных аналитическим (логическим) функций.

а) Записываем общую функцию системы управления (СУ) предварительно
логически умножив все функции управления контакторами на обозначение само­
го элемента.

б) Определяем члены функции СУ, имеющие одинаковые логические пере­менные, и проводим дальнейшее её упрощение методом скобок.

Выполнив это преобразование, получим:

Анализируем функцию СУ по наличию в ней внешних сигналов (сигналов конечников) для выяснения необходимости их размножения, вводим обозначения согласно ГОСТ 2.755-74 на электрические элементы и записываем обозначения элементов управления общей функции СУ с учетом размножения внешних сигна­лов в виде таблицы.

Таблица соответствий элементов управления в схемах и логических функциях.

Обозначение внешних сигналов и элементов управления при­водом в функции СУ.	Кол-во внешних сигналов в функции СУ	Обозначения по ГОСТу	Элементы размножения внешних сигналов и внутренних в СУ
Х1		SQ1	KV1
X'1		SQ2	KV2
X2		SQ3	-
Х'2		SQ4	-
К1В	-	-	KV3
К1Н	-	-	KV4
К2Н	-	-	KV5
К2В	-	-	KV6
	-	-	KV7
	-	-	KV8

г) Строим в соответствии с обозначениями элементов по ГОСТ 2.755-74
принципиальную схему системы управления двумя двигателями с учетом того,
что цепи их управления подразделяются на сильно точную для № 1 и слаботоч­ную № 2. Принятые условия реализованы (см. рис.2 через мощные реле-
контакторы для М1 и через слаботочные реле для М2.

Далее в схему вводится сервисные и защитные элементы цепей управления.

Так, для сильноточной и слаботочной цепи введем, к примеру, отдельные элементы их подключения к общей цепи питания SB₁ и SB₂, ряд кнопок пуска SB₃ / SB₆ двигателями вручную для отладки системы управления, токовая защита Fu1 - Fu2. Возможно использование и других элементов.

д) В соответствии с задаваемой мощностью, условиями эксплуатации, необ­ходимым количеством контактных групп выбираются по справочнику элементы и
приборы для коммутирования цепей управления.

2.3 СИНТЕЗ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИМИ (ПНЕВМАТИЧЕСКИМИ) ПРИВОДАМИ.

Синтез систем путевого управления гидравлическими и пневматическими приводами имеет отличительные особенности в определении логических функций управления цепями. Эти отличительные особенности определяются типом приме­няемых распределителей и организацией управления машиной-автоматом или по­луавтоматом.

Рассмотрим в качестве примера решение задачи синтеза системы управле­ния гидравлическими (пневматическими) цилиндрами Ц1 и Ц2 по тактограмме (см. рис. 1а) для двух модификаций распределителей с двусторонним электриче­ским управлением и двусторонним гидравлическим (пневматическим) управлени­ем.

Последовательность решения задачи вне зависимости от выбранного типа распределителя состоит в следующем:

1. Строится гидравлическая (пневматическая) цепь привода;

2. Определяется функция управления движением цилиндров (двигателей) впе­ред, назад;

3. Строится принципиальная схема системы управления и привода;

4. По заданному расходу и давлению выбираются элементы системы управле­ния в соответствии с ГОСТами и справочным материалом 2, 3.

2.2.1. МЕТОДИКА СИНТЕЗА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ УПРАВЛЕНИЯ

ГИДРО- И ПНЕВМО- ПРИВОДОМ.

По заданному количеству исполнительных механизмов и типу распредели­телей строим гидравлическую (пневматическую) схему типового привода (см. рис. 3) по ГОСТ 2781-68 и заданную тактограмму их функционирования. Также как и при решении задачи синтеза СУ электроприводом проводим анализ тактограммы и вводим элементы, необходимые для ее реализации (см. рис. 1 а) учиты­вая отсутствие необходимости запоминании импульсных сигналов при синтезе цепей управления гидравлическими (пневматическим) приводами 1; можно вы­полнять деление на каскады только группы тактов с одинаковыми весами и раз­личными при этом движениями.

В данном примере для реализации заданных движений достаточно одной памяти.

В соответствии с ранее изложенной методикой и учитывая особенность то­го, что импульсный сигнал можно использовать для управления ИМ, который его формирует, а также принимая во внимание, что нет необходимости использования памяти в качестве пускового реле и принимая автоматический режим отработки цикла вводим по количеству каскадов (два) одну память, разделяющую группу тактов, 1 и 2-6.

Учитывая используемый тип распределителей и отсутствие отключения ИМ минимизируя логические функции срабатывания, получим:

f _y1B =f_B1y =z + x’₂

В соответствии с полученными логическими функциями реализуются прин­ципиальные схемы цепей управления, оснащение их сервисными элементами (элементами ручной отладки, защиты, сигнализации и т.д.). С учетом заданных условий работы привода, его мощности из справочных данных выбираются элек­трические элементы управления и распределители.

2.2.2. МЕТОДИКА СИНТЕЗА ГИДРАВЛИЧЕСКИХ (ПНЕВМАТИЧЕСКИХ)

ЦЕПЕЙ УПРАВЛЕНИЯ ГИДРО-, ПНЕВМО- ПРИВОДОМ.

Во взрывоопасных условиях и ограничениях времени срабатывания в СУ могут быть использованы привода с управлением распределителей от гидравлических или пневматических сигналов.

Методика решения задачи синтеза СУ при использовании распределителей с гидравлическими или пневматическими сигналами, поступающими на их вход со стороны управления, практически не имеют принципиальных отличий от ра­нее рассмотренного варианта. В этом случае необходимо учитывать только одну особенность при построении схемы —отсутствие необходимости специального размножения внешних и внутренних сигналов. Этот вопрос решается простым подсоединением к магистрали управления и отбора необходимой управляющей команды.

Принимая это во внимание, строим цепи управления гидроприводом в соот­ветствии с полученными логическими функциями (см. рис. 5).

Рассмотренную методику решения задач при использовании различных ти­пов распределителей рекомендуется использовать, но в каждом конкретном слу­чае необходимо учитывать характерные для их функционирования особенности и задаваемые ограничения, например, такие как требования минимума монтажных линий, простота управления и т.д.

После выполнения всех разделов расчетно-графического задания составля­ется пояснительная записка, в которую должно быть включено: задание, методи­ка, результаты решения задачи и проверки их на ЭВМ, принци­пиальная схема системы управления, таблица выбранных элементов цепей управ­ления и выводы.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА:

1. Практикум по машинам, автоматам и автоматическим линиям легкой про­мышленности, под ред. Коммисарова А.И. -М: Легкая индустрия, 1980, с. 249.

2. Абрамов Е.И., Колесниченко К21., Маслов В.Т. Элементы гидропривода. — К.: Техника, 1969,с.315.

3. ГОСТ 2.781-68, 2.782-68, ЕСКД. Обозначение в схемах.-М.1973 г.

4. ГОСТ 2.710-81 (СТ. СЭВ 2182-80) ЕСКД Обозначения буквенно-цифровые в электрических схемах.- М. Издательство стандартов, 1981.-16с.

5. Курс лекций «Расчет и конструирование типовых машин легкой промышленности». - Новосибирск, 2007.

Рис. 2

Рис. 4

Дата добавления: 2015-04-29