Материал: Основы автоматизации производства
Рис. 98. Структурные схемы централизованных систем управления:
а – без контроля результатов; б – с контролем результатов
Децентрализованные программные системы управления не имеют командного центра, орган управления в них рассредоточен по механизмам и соединен между собой механической или электрической связью. Работа механизмов может быть функцией времени, пути или технологических параметров. При функционировании механизмов в зависимости от времени отсчет времени каждой операции осуществляется самостоятельным прибором (реле времени). Такая система отличается от централизованной с непрерывно вращающимся валом только тем, что длительности отдельных операций независимы и их можно быстро и просто изменять (при изменении технологических процессов) путем перестройки реле времени.
При функционировании механизмов в зависимости от пути подача каждой последующей команды осуществляется с помощью путевых выключателей, которые контролируют окончание перемещения рабочего органа механизма, участвующего в предыдущей операции.
В децентрализованных системах программного управления при действии механизмов в функции технологических параметров (температуры, давления, свойств и т. п.) используется зависимость различных физических свойств материалов обрабатываемых изделий от различных технологических факторов. Так, например, подача сигнала выгрузки формовочной смеси из бегунов или нагретых изделий из печи может быть осуществлена измерением электрических параметров или температуры.
Децентрализованные системы программного управления, в которых работа механизмов является функцией пути, широко распространены в литейных и термических цехах, так как они надежны в эксплуатации, просты по устройству и достаточно маневренны, если при переналадке оборудования меняется только время, но не меняется порядок движения рабочих органов. При изменении порядка движения рабочих органов требуется создание новой системы управления.
В схеме децентрализованной программной системы (рис. 99) реле времени 1 задает темп работы механизмов. Сигнал этого реле поступает на магнитный пускатель 2 электропривода механизма 3. После завершения работы этого механизма срабатывает путевой выключатель 4, который передает сигнал на реле времени 5 последующего механизма. Если второй механизм начинает свою работу сразу после окончания первой операции, то реле времени 5 может быть исключено, и тогда сигнал с путевого выключателя 4 непосредственно поступает на магнитный пускатель 6 электропривода механизма 7. Путевой выключатель 8 подает сигнал на реле времени последующего механизма. В рассмотренной системе сигнал передается последовательно от одного механизма к другому, причем сигнал от последнего механизма возвращается на реле времени 1. Таким образом, при децентрализованных системах управляющие функции поочередно выполняют механизмы – объекты управления, передавая друг другу замкнутую «эстафету управления» посредством входных и выходных сигналов. Здесь основную роль играют автономные и полностью независимые подсистемы управления отдельными механизмами.
Рис. 99. Структурная схема децентрализованной программной системы управления
Преимуществом этой системы управления является отсутствие блокировки (так как команды на начало работы подаются только после окончания предыдущей операции), а недостатком – то, что многочисленные первичные преобразователи, работающие в рабочей зоне, нередко выходят из строя вследствие попадания брызг жидкого металла, пыли и масла; кроме того, из-за закорачивания или обрыва электрических цепей могут подаваться неправильные команды.
Смешанные программные системы управления содержат командоаппарат, а также устройство параллельного контроля исполнения очередных команд. При нормальном протекании цикла вал командоаппарата вращается непрерывно, однако, если очередная команда не будет выполнена, то он останавливается. Несмотря на то, что смешанные системы обладают некоторыми недостатками двух систем, они имеют большие перспективы, как более гибкие и универсальные.
По виду программоносителя, т. е. устройства, содержащего законы движения управляемых механизмов, системы управления бывают: с распределительным валом (командоаппаратом); с упорами и копирами; с числовым программным управлением. В последней системе программа может быть записана на перфолентах, магнитных лентах, дисках и картах.
В настоящее время создана теория электрических схем, элементы которой будут изложены в последующих параграфах. Эта теория позволяет разрабатывать научные и практические приемы построения схем и их анализа и из множества вариантов схем выбирать наиболее оптимальный. Существуют два метода разработки схем управления: интуитивный и аналитический. При использовании как первого, так и второго за основу берется анализ работы механизма, схему управления которым необходимо разработать.
2. Интуитивный метод разработки схем управления
Интуитивный метод – метод разработки схем управления, основанный на опыте, накопленном в различных проектных организациях при автоматизации разнообразных механизмов. Он базируется на инженерной интуиции проектанта. В совершенстве владеть этим методом может только тот, кто впитал в себя весь предыдущий опыт и имеет определенные способности в отношении составления схем, кто может абстрактно мыслить и логично рассуждать. Однако, несмотря на его сложность, большинство разработчиков схем широко использует интуитивный метод.
Рис. 100. Упрощенная кинематическая схема рычажного толкателя
Рис. 101. Принципиальная схема управления рычажным толкателем
Для примера рассмотрим упрощенную кинематическую схему рычажного толкателя (рис. 100). При вращении колеса 5 по часовой стрелке рычаг 4 поворачивает рычаг 1 вокруг оси О, заставляя тем самым башмак 3 с помощью рычага 2 совершать поступательное движение. При дальнейшем вращении колеса 5 изменяется направление движения рычага 1, и башмак возвращается в исходное положение, после чего двигатель должен остановиться. Рассмотренный механизм является типичным представителем двухтактного устройства. В первом такте механизм включен и работает. Во втором такте он не работает. Такт, в котором механизм не работает, называют нулевым. Хотя башмак полностью совершает возвратно-поступательное движение (вперед-назад), для привода можно использовать нереверсивный электродвигатель.
Схема управления электродвигателем рычажного толкателя (рис. 10.1) состоит из двух частей (на рис. 101 они разделены штриховой линией): силовой схемы и схемы управления.
Рассмотрим назначение элементов силовой цепи. Трехфазный ток поступает на выключатель QS, обеспечивающий отключение питания электродвигателя в случае ремонта или выхода из строя магнитного пускателя. Далее ток проходит через автоматический выключатель, расцепитель QF которого показан на схеме. Он предназначен для защиты и отключения питания привода при токах короткого замыкания. Главные контакты магнитного пускателя КМ включают или отключают обмотку электродвигателя М.
Тепловые реле КК1 и КК2, нагревательные элементы которых показаны в силовых цепях, предназначены для защиты электродвигателя от длительных перегрузок:
Схема управления работает следующим образом. При нажатии на пусковую кнопку SB1 возбуждается катушка магнитного пускателя КМ и, следовательно, замыкаются контакты КМ силовой цепи, и в обмотку двигателя поступает электрический ток. Ротор двигателя приводится во вращение, и башмак толкателя начинает свое движение вперед. При этом он отходит от рычага конечного выключателя SQ, и контакты его замыкаются. Когда пусковая кнопка SB1 будет отпущена и ее контакты разомкнутся, катушка КМ магнитного пускателя будет получать питание электрическим током через контакты конечного выключателя SQ. Совершив движение вперед и затем: назад, башмак толкателя нажмет на рычаг конечного выключателя SQ, контакты его разомкнутся, и катушка КМ обесточится. Это приведет к размыканию контактов КМ в силовой цепи и остановке электродвигателя.
Рассмотренная схема содержит силовые цепи и цепи управления. В дальнейшем будут рассматриваться только схемы управления.
По функции, т. е. по назначению, все элементы, участвующие в работе схемы, можно разделить на три группы: управляющие контакты, промежуточные элементы исполнительные элементы.
Управляющими контактами называются элементы, с помощью которых подаются команды (кнопки управления, переключатели, конечные выключатели, первичные преобразователи, контакты реле и др.).
Само название промежуточные элементы говорит о том, что они занимают промежуточное положение между управляющими и исполнительными элементами. В релейно-контактных схемах к ним относятся реле времени и промежуточные реле, а в бесконтактных схемах – логические элементы.
Исполнительные элементы – это исполнительные механизмы. Однако при разработке схем управления используются не сами исполнительные механизмы (электродвигатели или нагревательные элементы), а включающие их устройства, т. е. магнитные пускатели, контакторы и т. п.
Все управляющие контакты по их функциональному принципу делятся на пять видов: пусковой контакт кратковременного действия (ПК); пусковой контакт длительного действия (ПД); остановочный контакт кратковременного действия (ОК); остановочный контакт длительного действия (ОД); контакт пуск – остановка (ПО). Эти контакты называют основными.
Циклограммы работы всех типовых контактов при управлении циклическими механизмами приведены на рис. 102. Каждый из пяти контактов начинает работу (замыкается) и заканчивает ее (размыкается) в определенные моменты времени. Так, пусковые контакты начинают свою работу вместе с началом рабочего хода, но контакт ПК заканчивает свою работу во время рабочего хода, ПД – во время паузы, т. е. они отличаются друг от друга только моментами выключения (размыкания). Остановочные контакты, которые в отличие от пусковых заканчивают свою работу одновременно с концом рабочего хода, различаются моментами включения (замыкания). Остановочный контакт ОК начинает свою работу во время рабочего хода, а контакт ОД – в период паузы. Только контакт ПО начинает свою работу вместе с началом рабочего хода и заканчивает с его концом.
Рис. 102. Циклограмма работы управляющих контактов
С помощью рассмотренных пяти основных контактов можно получить четыре схемы управления исполнительными и промежуточными элементами, которые получили название типовых схем (рис. 103).
Первая типовая схема (рис. 103, а) имеет только один управляющий контакт ПО. Если он замкнут, то через исполнительный элемент X протекает электрический ток, а если разомкнут, то ток отсутствует. Контакт ПО имеет свое самостоятельное значение, а все остальные контакты должны быть использованы парами (пусковой и остановочный).
Вторая типовая схема имеет два управляющих контакта длительного действия: ПД и ОД (рис. 103, б).
Третья типовая схема состоит из пускового контакта ПК и остановочного контакта ОД; кроме управляющих контактов в эту схему обязательно должен быть включен блокировочный контакт х, через который исполнительный элемент X будет продолжать получать питание после размыкания пускового контакта ПК (рис. 103, в).
Четвертая типовая схема базируется на двух контактах кратковременного действия: пусковом ПК и остановочном ОК, включенных параллельно (рис. 103, г).
Рис. 103. Типовые схемы управлении исполнительными и промежуточными схемами
Приведенные четыре типовые схемы позволяют (как бы из кубиков) составлять сложные параллельно-последовательные контактные схемы управления. Так, например, рассмотренная схема управления рычажным толкателем (см. рис. 101) основана на четвертой типовой схеме. В ней в качестве пускового контакта кратковременного действия используют пусковые кнопки SB1, а в качестве остановочного контакта кратковременного действия – конечный выключатель SQ.
При составлении схемы управления интуитивным методом необходимо правильно определить тип управляющего контакта, т. е. длительность его действия.
Рассмотрим пример разработки интуитивным методом схемы управления с помощью типовых схем.
Пусть требуется разработать полуавтомат для управления индуктором и спреерным устройством установки, предназначенной для нагрева изделия токами высокой частоты и последующего его охлаждения струями воды. Время нагрева изделия в индукторе 12 с, а время охлаждения 8 ч. Изделие устанавливают в индуктор вручную.
Сначала проведем анализ работы полуавтомата и определим все исполнительные и промежуточные элементы. Рабочий вручную устанавливает изделие в индуктор и нажимает на пусковую кнопку. В этот момент включается индуктор и начинается нагрев изделия. Одновременно должно включиться и реле времени, отсчитывающее время нагрева (12 с). Это реле времени (точнее, его контакты) выключает индуктор и включает спреерное устройство, подающее воду для закалки. Одновременно должно включиться второе реле, отсчитывающее время охлаждения, т. е. отключающее спреерное устройство. Таким образом, необходимо управлять четырьмя элементами: индуктором, спреерным устройством и двумя реле времени. Индуктор включается и выключается с помощью контактора, следовательно, необходимо управлять последним. Спреерное устройство управляется электромагнитным краном. Обозначим катушку (обмотку) "контактора КМ1, катушку электромагнитного крана КМ2, а катушки реле времени соответственно КТ1 и КТ2. Таким образом, мы имеем два исполнительных элемента: КМ1 и КМ2, и два промежуточных элемента: KT1 и КТ2.
Из проведенного анализа следует, что сначала должен начаться нагрев, т. е. возбудится катушка КМ1. В качестве пускового контакта используется пусковая кнопка SB (кратковременного действия). Таким образом, применима либо третья, либо четвертая типовая схема. Пусть индуктор выключается контактами реле времени КТ1.1, которые в данном случае являются контактами длительного действия. Поэтому выбираем третью типовую схему. Одновременно с катушкой магнитного пускателя КМ1 необходимо включить реле времени КТ1, что очень просто сделать, соединив их параллельно.
Рис. 104. Схемы управления:
а – индуктором и реле времени нагрева; б – спреерным устройством и реле времена охлаждения; в установки в целом
Рассмотрим работу полученной схемы (рис. 104, а). При нажатии на пусковую кнопку SB возбуждается катушка контактора КМ1, т. е. начинается нагрев изделия. Одновременно возбуждается катушка реле времени КТ1 и начинается отсчет времени нагрева. С помощью блокировочного контакта КМ 1.1 напряжение на катушке КМ1 будет удерживаться и после отпускания пусковой кнопки SB, т. е. после размыкания ее контактов. По истечении времени нагрева сработает реле времени КТ1, его контакт КТ1.1 разомкнется. Это приведет к обесточиванию катушки КМ1 (нагрев изделия закончится). Теперь необходимо включить спреерное устройство. Его включить может реле времени КТ1 путем замыкания контакта. Включив спреерное устройство, реле времени KT1 отключается. Следовательно, замыкающий контакт КТ1.1 будет являться контактом кратковременного действия. Поэтому вновь воспользуемся третьей типовой схемой.
Одновременно со спреерным устройством необходимо включить реле времени КТ2, отсчитывающее время охлаждения. Для этой цели воспользуемся примененным приемом и включим катушку реле времени КТ2 параллельно катушке КМ2. Таким образом получим вторую схему управления (рис. 104, б). Объединяя две схемы (рис. 104, а и б), получим общую схему управления (рис. 104, в).
Рассмотрим теперь работу схемы в целом (рис. 104, в). При нажатии на пусковую кнопку SB возбуждаются катушки контактора КМ1 и реле времени КТ1, начинается нагрев изделия. Через 12 с реле времени КТ1 сработает, и его контакты в цепи 1 разомкнутся, а в цепи 2 замкнутся. Начнется процесс охлаждения изделия. Одновременно с катушкой КМ2 электромагнитного крана возбудится реле времени КТ2, отсчитывающее время охлаждения. При размыкании контакта КТ2.1 (цепь 3) кран КМ2 и реле времени КТ2 выключаются, и схема возвращается в исходное положение.
Полученная схема управления индуктором и спреерным устройством разработана интуитивным методом. Однако нет никаких доказательств, что эта схема будет верна и оптимальна. Вопрос о работоспособности схемы можно будет решить только после ее изготовления и тщательной экспериментальной проверки. Именно это является самым большим недостатком интуитивного метода. Отмеченный недостаток отсутствует у аналитического метода.