Лекция №17 Проектирование системы управления кузнечно-штамповочными машинами

Теоретические вопросы:

17.1 Основы проектирования систем ЧПУ

17.2 Этапы разработки систем ЧПУ КШМ

17.3 Программирование современных контроллеров

17.1 Основы проектирования систем ЧПУ

Проектирование систем ЧПУ кузнечно-штамповочными машинами начинают с формулировки требований к системе:

1. по обеспечению заданных параметров технологии ковки, объемной штамповки, листовой штамповки и др.;

2. экономического характера;

3. эргономических;

4. технических.

На основе сформулированных требований составляют функциональную системы ЧПУ; в ней указывают входы, выходы, функции, необходимое быстродействие и точность, диапозон дозирования эффективной энергии и пр.

Входами являются выходы датчиков, функциональные клавиши, кнопки и прочие элементы, выходами – визуальные и звуковые сообщения, сигналы, подаваемые на исполнительные устройства штамповочного оборудования, сигналы блокирования и пр.

Функции описывают в развернутом виде, указывают способ вызова функции, область ее действия и пр. На основе требований и функциональной спецификации принимают следующие возможные решения:

1) о функционально-модульной организации системы с ЧПУ;

2) о составе и параметрах датчиков системы;

3) о выборе контроллера (микропроцессора, УВК и пр.);

4) о проектировании аппаратных средств специализированного назначения;

5) о конструировании исполнительных устройств (устройств дозирования эффективной энергии);

6) о выборе базового программного обеспечения;

7) о разработке прикладного программного обеспечения;

8) об информационно-структурном обеспечении эффективного внедрения разрабатываемой системы.

17.2 Этапы разработки систем ЧПУ КШМ

На этапе создания системы ЧПУ КШМ выполняют комплекс проектно-конструкторских работ по созданию нестандартного и специализированного оборудования и средств, их изготовление и объединение всех аппаратных средств в единую систему. На этом же этапе проводят написание и отладку программного обеспечение, объединение программного и аппаратного уровней. Заключительным этапом является оценивание характеристик системы в целом (надежность, быстродействие, точность дозирования эффективной энергии, удобства работы оператора и пр.).

Так, при выборе системы датчиков необходимо учитывать следующее:

1. точность и стабильность измерения параметров КШМ техпроцесса;

2. особенности закрепления и монтажа датчиков на молоте;

3. долговечность;

4. запаздывание при обработке измерений, инерционность.

Следует отметить, что требования к датчикам для измерения параметров КШМ являются достаточно высокими: датчики работают в условиях высокого уровня вибрации, загрязненности, основные процессы в КШМ развиваются за малые промежутки времени порядка 0,002…0,05 сек. К критериям выбора базового средства автоматизации следует отнести следующее:

1. длину машинного слова (определяет точность обработки и сложность аппаратных средств);

2. объем памяти (лимитирует сложность, объем программного обеспечения);

3. быстродействие (частоту тактового генератора);

4. возможность расширения;

5. развитость базового программного обеспечения;

6. наличие периферийных устройств для обработки входов и формирования выходов;

7. стоимость;

8. планы выпуска промышленностью или прогноз обеспеченности рынка.

Наиболее детально разрабатывается интерфейс “система-оператор”, включающий тактильные, косвенные, речевые входы и визуальные, звуковые выходы.

Проектирование данного интерфейса должно базироваться на следующих принципах:

1. функциональное зонирование;

2. соответствие сложности средств поддержки интерфейса сложности информации;

3. максимально возможная визуализация ситуации и способов действия оператора;

4. переналаживаемость.

Прикладное программное обеспечение системы ЧПУ проектируют используя специализированные среды разработки управляющих программ.

17.3 Программирование современных контроллеров

Принципиальным отличием современных контроллеров является их свободная программируемость. Это означает легкость смены закона управления – связи входных сигналов с выходными.

Так, в релейно-контактных системах для изменения закона управления необходима перекоммутация электрических цепей, здесь же достаточно сменить программу.

Для хранения программ необходимо иметь средство хранения информации даже при выключенном питании контроллера. Кроме того, для реализации закона управления необходимо часто хранить промежуточную информацию о контроллере, которую в релейно-контактных системах хранят самоблокирующиеся реле.

Программы и данные в свободно программируемых контроллерах размещаются в устройствах памяти различных типов.

Закон регулирования представляет собой последовательность инструкций (команд) для микропроцессора (центрального устройства контроллера). Каждая команда содержит информацию как об исходной информации, подлежащей переработке, так и о самом методе обработки (операции).

Процессор выбирает инструкции алгоритма управления и необходимые постоянные постоянные величины (константы) из памяти с большой скоростью – около 1 млн. команд/сек. Каждая команда выполняет конкретную операцию с данными – загрузку во внутреннюю память процессора данных со входов или из памяти, обратные операции, арифметические и логические операции и т.д. Имеются команды изменения порядка выполнения операций в зависимости от срабатывания различных условий.

Информация о состоянии объекта (вход контроллера) и управляющие воздействия на объект (выходы контроллера) представляют собой электрические (как правило) сигналы двух уровней, соответствующие наличию или отсутствию принимаемой (передаваемой) информации.

Программирование контроллеров может производиться при помощи ручных программаторов (HHP) или помощью пакета программирования под Windows –.

Первоначальное программирование производится через программный порт при помощи специального RS232 кабеля. В дальнейшем возможно дистанционное программирование и отладка (через модем или по сети RS422/485).

Взаимодействие аппаратуры контроллера организует Операционная Система Центрального Процессора, которая в решающей мере определяет функциональную мощь.

Модули контроллера имеют два варианта обмена данными с ЦП:

• битовый по однопроводной линии каркаса - допускает максимум 32 бит ввода и 32 бит вывода на один модуль (бит-модуль);

• байтовый по 8-битной шине каркаса, которая представляет собой расширение шины данных ЦП - допускает максимум 512 байт ввода/вывода на один модуль (байт-модуль).

Схемная реализация входов контроллера позволяет входному сигналу изменяться от одного уровня к другому за произвольное время. Для того, чтобы контроллеры не были связаны с конкретным физическим окружением системы управления, внутри него принято наличие информации представлять так называемой “логической единицей”, а отсутствие таковой – “логическим нулем”. Эта минимальная единица информации называется БИТОМ. В языках программирования контроллеров отдельные биты объектов именуются через имя объекта и точку – номер бита (секции). Слова именуются посредством ключевого символа W (или V для преселекторов таймеров и счетчиков), стоящего после слова объекта.

В основе всех языков программирования для большинства современных контроллеров лежит элементарный функциональный оператор ЕСЛИ-ТОГДА (- ИНАЧЕ), или пара УСЛОВИЕ-ДЕЙСТВИЕ.

УСЛОВИЯ формируются из логических выражений, включающих входы контроллера, а также внутренних ресурсов – счетчиков, таймеров, флагов и регистров. Истинному значению условия соответствует логическая единица, ложному – ноль.

Входы контроллера, а также его внутренние ресурсы представляют ПЕРЕМЕННЫЕ программы. Их значение меняется в процессе работы программы. Наряду с переменными в выражениях участвуют КОНСТАНТЫ – постоянные (на время выполнения программы) величины. Переменные и константы, соединенные арифметическими операциями (+ - * /), составляют АРИФМЕТИЧЕСКИЕ ВЫРАЖЕНИЯ.

Помимо арифметических существуют ЛОГИЧЕСКИЕ операции:

- для числовых величин (= < > >= =<);

- для логических значений (AND – И, OR – ИЛИ, NOT – НЕ, XOR – искл. ИЛИ).

ДЕЙСТВИЯ в языке программирования означают:

- изменение значения выходов контроллера;

- загрузка, запоминание или настройка регистров, счетчиков, таймеров или флагов;

- схема виртуального процессора, запуск или сброс процессоров и программ и т.д.

Таким образом, комбинируя все эти возможности, можно составить программу для решения достаточно широкого круга алгоритмов, не требующих выполнения операций с вещественными числами или текстами. Методы программирования современных контроллеров напоминают алгоритмирование с помощью функциональных блок-схем. Программа на таких языках в графическом представлении выглядит как ступени своеобразной лестницы, ведущей вниз. Отсюда происходит название группы языков программирования - RLL (Relay Ladder Logic - релейно-лестничная логика). Вот некоторые преимущества использования этого метода:

- значительно сокращается время разработки программы. Известны случаи, когда те самые несколько команд почти вдвое сокращали время разработки программы.

- программы становятся короче и яснее;

- легче структурировать программу, делая ее проще для понимания.

- упрощается отладка программы, особенно если ее написал кто-то другой.

Многие задачи управления могут быть описаны, как последовательность событий. Управляющая программа должна проверять порядок выполнения событий. Она не только выполняет обычные операции управления, но и учитывает возможные неисправности и критические ситуации. Кроме того, в ПЛК, которые не имеют специальных команд, помогающих управлять порядком действий, можно добиться нужного результата только верной последовательностью ступеней. Здесь необходимо помнить, что результат любой ступени скажется на последующих.

Основополагающими понятиями при этом являются следующие:

1) стадия - команда, которая обозначает начало раздела программы;

2) действие - любая исполняемая команда программы, изменяющая состояние хотя бы одного реле или регистра;

3) переход - действие, вызывающее переход к некоторой стадии программы.

Вопросы для самоподготовки

• Основы проектирования систем ЧПУ

• Этапы разработки систем ЧПУ КШМ

• Программирование современных контроллеров