Материал: Основы автоматизации производства
Глава 21. Применение микропроцессорных систем
1. Состав систем автоматики с применением микроЭвм
Возможность практического применения микроЭВМ в системах управления производственными процессами существенно влияет на структуру таких систем. Сравнительно невысокая стоимость и массовое производство микроЭВМ позволяют решать задачу управления самым нижним уровнем технологических процессов, где благодаря быстродействию и точности выполнения простейших операций ЭВМ превосходит человека-оператора. Вместе с тем низовые системы управления, точно поддерживающие заданный технологический регламент, должны работать в рамках общей иерархической структуры управления (рис. 157), выполняя каждый раз вполне индивидуальную работу.
По потокам информации, алгоритмам и способам сопряжения можно выделить четыре группы управляющих микроЭВМ: микроЭВМ, предназначенные для выполнения несложных расчетов, производственных показателей по «жестким» алгоритмам (расчеты трудоемкости, затрат материалов и т. п.);
микроЭВМ, способные управлять большим числом устройств, которые являются индикаторами процессов (табло мнемосхемы и т. д.);
микроЭВМ, имеющие интерфейсы со стандартными внешними устройствами, в том числе и с другими микроЭВМ;
микроЭВМ, обеспечивающие повышение надежности сопряжения производственных процессов со средствами автоматики.
В качестве простейших управляющих устройств, входящих в состав систем управления технологическими процессами, широко используются программаторы и контроллеры.
Программаторы – это простейшие управляющие устройства, с помощью которых на объекты управления выдается заранее установленная последовательность управляющих воздействий. Роль микроЭВМ в таких устройствах состоит в упрощении процесса перестройки режимов за счет изменения программы. Задаваемые интервалы времени машина отсчитывает по сигналам прерывания от внешнего генератора импульсов.
Управление группой программаторов от одной ЭВМ возможно благодаря тому, что заданные временные интервалы технологического процесса обрабатываются более медленно по сравнению со скоростью работы ЭВМ. Основным требованием, предъявляемым к центральной ЭВМ, является большая емкость памяти. Подобная система (рис. 158) может комплектоваться программаторами, работающими от перфолент, если выходной формат представления информации и управляющих сигналов центральной ЭВМ согласовать с интерфейсом устройства считывания с перфоленты.
Рис. 157. Типовая структура управления технологическим процессом на базе микроЭВМ
Рис. 158. Схема управления группой программаторов от одной ЭВМ
Контроллеры технологических процессов – это устройства управления некоторым механизмом или аппаратом по жесткой программе. Контроллеры могут выполнять также простейшие логические функции. Например, контроллеры применяются для управления магнитными лентами и дисками в запоминающих устройствах.
Одной из распространенных задач в системах управления является ведение процесса до достижения контролируемым параметром заданного уровня (после чего процесс должен быть остановлен) или до изменения условий его дальнейшего хода. Для управления процессом в простейшем случае может быть использован программатор, а проверка условий достижения контролируемым параметром заданного уровня возлагается на микроЭВМ. Однако при этом необходимо учитывать способ определения параметра.
Если контролируемый параметр является измеряемой физической величиной, то измерительное устройство подключается к одному из входов микроЭВМ. Если же контролируемый параметр может быть определен только путем расчетов с использованием физических уравнений или уравнений регрессии, то в микроЭВМ должна быть заложена специальная программа обработки исходной информации.
Переход от программаторов к контроллерам осуществляется при увеличении числа каналов ввода информации и возрастании объема программ микроЭВМ.
2. Управление производственными процессами
Расширение сферы применения вычислительной техники связано с быстрым снижением стоимости микроЭВМ и микропроцессоров. В настоящее время их применение экономически целесообразно не только на крупных предприятиях, но и в средних и мелких цехах.
Например, в литейных цехах микропроцессорные системы могут применяться в смесеприготовительном отделении для управления автоматическими формовочными линиями и отдельными формовочными и стержневыми автоматами, для управления заливкой литейных форм и финишной обработкой отливок, а также в отделениях литья под давлением и по выплавляемым моделям.
В смесеприготовительном отделении микропроцессорные системы используют для управления операциями контроля качества свежих формовочных материалов, транспортировки компонентов формовочной смеси к месту ее приготовления, регенерации отработанных формовочных смесей и контроля их качества, приготовления формовочных и стержневых композиций.
Работой автоматической формовочной линии управляет микроЭВМ, которая, как правило, связана с микропроцессорными системами управления отдельными операциями формообразования, а также с компьютерами, управляющими технологическими процессами в смесеприготовительном и плавильном отделениях. Следовательно, кроме управления работой непосредственно автоматической формовочной линией, с помощью микроЭВМ осуществляется координация подачи жидкого металла, контроль циркуляции материалов и технологической оснастки, регистрация простоев и потерь рабочего времени, диагностирование работоспособности оборудования. Такого рода автоматическая формовочная линия, оснащенная системой управления на базе микроЭВМ, выпускается как у нас в стране, так и за рубежом и успешно работает в литейных цехах.
Выпускаются отдельные формовочные и стержневые автоматы с системами микропроцессорного управления. На рис. 159 приведена схема автомата для изготовления стержней из песчаноглинистых смесей пескодувом с дополнительной допрессовкой.
Рис. 159. Схема стержневого автомата с управляющим микропроцессором
Микропроцессорное исполнение системы управления позволяет легко подключать ее к управляющей микроЭВМ 1 для объединения с автоматической формовочной линией. В автомате запрограммировано выполнение следующих операций: сборка стержневого ящика 5; дозировка стержневой смеси из бункера 8 в пескодувную головку 6; наддув стержня; дополнительная допрессовка стержня штырем 4 и разборка стержневого ящика. Дозировка стержневой смеси с помощью шибера с гидроцилиндром 9, давление наддува и глубина внедрения штыря автоматически рассчитывается и регулируется микропроцессором 2 на основе данных, полученных от датчиков 3 и 10.
В термических цехах микропроцессорные системы могут применяться в системах регулирования температуры в рабочем пространстве печей, для управления операциями загрузки и выгрузки печей, а также для управления и контроля в установках для приготовления контролируемых (защитных) атмосфер.
В качестве примера рассмотрим структурную схему регулирования температуры методической газовой печи при отжиге слитков (рис. 160). Печь 1 имеет несколько тепловых зон. Информация о температуре рабочего пространства печи в каждой зоне, соотношении газ-воздух и температуре поверхности слитков поступает в микроЭВМ 2, которая на основе методов динамического программирования вырабатывает управляющие воздействия в виде задания локальным системам регулирования температурного режима зон. Система слежения за прохождением слитков обеспечивает соответствующие изменения режима нагрева в зонах.
В настоящее время широкое применение в системах управления программными роботами находят микропроцессоры и микроЭВМ. Использование ЭВМ позволяет выполнить робототехническую систему более гибкой и легко переналаживаемой, придать ей дополнительные возможности общения в диалоговом режиме оператора с роботом.
Рис. 160. Упрощенная схема регулирования температуры методической газовой печи с ЭВМ
Рис. 161. Схема простейшей роботохимической системы с микроЭВМ:
1 – задающее устройство; 2 – система управления; 3 – исполнительный механизм
На включенную в состав робототехнической системы ЭВМ возлагаются различные функции. Если на этапе обучения ЭВМ осуществляет связь с оператором, формирует и редактирует программу движения, то на этапе эксплуатации она проводит вычисления и формирует управляющие сигналы на исполнительные механизмы.
Структурная схема простейшей робототехнической системы с использованием микроЭВМ показана на рис. 161. При ее эксплуатации оператор с помощью задающего устройства 1 формирует программу движения исполнительного механизма 3 и приводит ее в память микроЭВМ. При необходимости программа через систему управления 2 выдается на исполнительные механизмы.
В качестве задающего устройства может быть использован обычный дисплей или функциональный пульт, который должен обеспечить оператора всеми необходимыми средствами по обучению и управлению роботом.
Включение микроЭВМ в систему управления 2 роботом может осуществляться различными способами. При первом способе микроЭВМ используется как программное устройство, которое формирует управляющие сигналы на исполнительные механизмы без получения информации об их состояниях.
Второй способ базируется на замкнутой схеме. МикроЭВМ непрерывно получает информацию о траектории движения манипулятора управляемого робота. Полученная информация используется микроЭВМ для корректировки траектории движения.
При третьем способе микроЭВМ непосредственно включается в коитур следящей системы привода исполнительного механизма, т. е. главная обратная связь запоминается через микроЭВМ, которая выполняет активную коррекцию привода.
При использовании четвертого способа для разгрузки управляющей микроЭВМ часть задач исполнительного уровня возлагается на дополнительный микропроцессор, включенный в состав привода. Основными преимуществами микропроцессорного управления являются его гибкость и универсальность, так как программа коррекции привода размещается в перепрограммируемом запоминающем устройстве микропроцессора и легко может быть изменена.
Системы управления на базе микропроцессоров и микроЭВМ позволяют в значительной степени устранить недостатки обычных роботов и использовать их для решения различных технологических задач, например для непосредственного управления технологическим и транспортным оборудованием.
Контрольные вопросы и задания
1. Расскажите о классификации управляющих микроЭВМ.
2. Каков принцип действия программаторов?
3. Расскажите о принципе действия контроллеров.
4. Где могут использоваться микропроцессорные системы в литейных цехах?
5. Как работает система управления стержневым автоматом с микроЭВМ?
6. Как осуществляется управление роботами с помощью микропроцессоров и микроЭВМ?
Раздел V. Промышленные роботы и роботизированные системы
Глава 22. Общие сведения о промышленных роботах
1. Основные определения и классификация промышленных роботов
Решение проблемы комплексной автоматизации в литейных и термических цехах возможно только путем применения принципиально новых машин, имитирующих действие человека в трудовых процессах. Такими машинами являются промышленные роботы, исполнительными устройствами которых стали многозвенные манипуляторы с управляемыми приводами по каждой степени подвижности.
Термин робот ввел известный писатель. К. Чапек в 1920 г. в своей фантастической пьесе «Рур» (Россумские универсальные роботы). Этим словом были названы механические рабочие, предназначенные для замены людей на тяжелых физических работах. Термин промышленный робот появился в 70-е годы.
Робот – это автомат с внешней обратной связью, состоящий из рецептора (чувствительного элемента), преобразователя информации, запоминающего устройства, манипулятора (исполнительного элемента) и каналов связи, соединяющих эти элементы. Существующие конструкции роботов разделяют на три класса: человекоподобные, информационные и промышленные роботы.
Человекоподобные роботы создавались в основном в рекламных целях, хотя делались попытки их использования для различных практических целей. Информационные роботы достигли высокого совершенства. Они используются там, где человек пока не может существовать (спутники Земли и Луны, «Луноход-1» и «Луноход-2» и др.). Промышленные роботы (ПР) предназначаются для замены физического труда человека.
Манипулятор – это устройство, предназначенное для имитации двигательных и рабочих рук человека. Объектом манипулирования называют тело, перемещаемое в пространстве манипулятором. К объектам манипулирования относят детали, заготовки и различный инструмент.
По методу управления все манипуляторы можно разделить на биотехнические, т. е. с ручным управлением, интерактивные (со смешанным управлением) и автоматические.
Манипулятор с ручным управлением – манипулятор, управляемый оператором дистанционно или непосредственно за счет перемещения рабочих органов.
В зависимости от типа задающего органа манипуляторы с ручным управлением могут быть копирующими, командными и полуавтоматическими.
В копирующем манипуляторе движение рабочего органа повторяет перемещение кисти человека. В командном манипуляторе движение рабочего органа осуществляется по каждой степени подвижности в отдельности с помощью кнопок, рукояток и т. п. В полуавтоматическом манипуляторе задающий орган содержит рукоятку, управляющую несколькими степенями свободы, и микроЭВМ, которая преобразует сигналы с рукоятки в сигналы, управляющие движениями исполнительных или рабочих органов.
К числу автоматических манипуляторов относятся автооператоры, промышленные роботы у манипуляторы с интерактивным управлением.
Автооператор – непрограммируемый автоматический манипулятор. Промышленный робот (ПР) – перепрограммируемый автоматический манипулятор. Манипуляторы с интерактивным управлением попеременно управляются оператором или действуют автоматически. Они имеют устройства памяти для автоматического выполнения отдельных действий.
Промышленные роботы. По назначению ПР можно условно разделить на производственные и транспортные (рис. 162).
Производственные роботы осуществляют основные операции технологических процессов различных производств (литейного, сварочного, механообрабатывающего, кузнечного, окрасочного). Они оснащены определенным инструментом. Транспортные роботы предназначены для межоперационной передачи заготовок, деталей и узлов. Они автоматически загружают и разгружают оборудование, передают и складируют готовые детали, обслуживают технологическое и транспортное оборудование.
Каждый из этих типов роботов может быть специализированным или универсальным. Специализированные роботы предназначены для выполнения как технологических, таки транспортных операций определенных видов производств; универсальные – для выполнения основных, вспомогательных, контрольных, транспортных и других работ в различных видах производств.