Мехатроника. Учебное пособие au f der tit el seit e gibt es keine fu zei l e
 Скачать 2.86 Mb.
|
|
Основы техники автоматизации Учебное пособие au f der tit el seit e gibt es keine fuß zei l e Заказ №.: 563060 Дата: 01/2008 Авторы: F. Ebel, S. Id ler, G. Prede, D. Scholz Редактор: Reinhard Pittschellis Графика: Doris Schwarzenberger Разметка: 05/2008, F. Ebel, S. Durz © Festo Didactic GmbH & Co. KG, 73770 Denkendorf, Germany, 2008 Internet: ww w.festo-dida ctic.com E-mail: did@festo.com Копирование, распространение и использование этого документа, а также передача содержимого посторонним без специального разрешения, запрещено. Нарушители должны будут возместить ущерб. Все права защищены, в частности право на получение патента и право на регистрацию полезной модели или графического промышленного образца. Фрагменты этого документа могут быть воспроизведены правомочными пользователями исключительно в учебных целях. Примечание Использование только одного рода (мужского) в данном учебнике не следует рассматривать как половую дискриминацию; это сделано исключительно для облегчения чтения и лучшего понимания формулировок. Содержание 1 Как работают инженеры? 7 1.1 Чертежи и спецификации 8 1.2 Принципиальные схемы 11 1.3 Блок-схемы и программы 12 1.4 Планы размещения оборудования и схематические изображения 13 1.5 Расчеты и моделирование 14 2 Автоматизация как часть инженерных наук 15 2.1 Ключевые моменты в истории развития автоматизации 15 2.2 Влияние автоматизации на людей 17 3 Основы электротехники 19 3.1 Постоянный и переменный ток 19 3.2 Сопротивление и мощность 20 3.2.1 Проводники 20 3.2.2 Сопротивление 20 3.2.3 Закон Ома 21 3.2.4 Электрическая мощность 21 3.3 Принцип работы электромагнита 22 3.3.1 Устройство электромагнита 23 3.3.2 Назначение электромагнита 23 3.4 Принцип работы конденсатора 24 3.5 Принцип работы диода 25 3.6 Принцип работы и устройство выключателя 26 3.6.1 Нормально разомкнутые контакты 26 3.6.2 Нормально замкнутые контакты 27 3.6.3 Переключающие контакты 27 3.7 Реле и контакторы 28 3.7.1 Назначение реле 28 3.7.2 Устройство реле 29 3.7.3 Реле времени 30 3.8 Назначение и устройство блока питания 32 3.9 Измерения в электрической цепи 33 3.9.1 Порядок работы при измерениях в электрической цепи 34 3 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 63 060 Содержа ние 4 Датчики 37 4.1 Бесконтактные датчики 37 4.1.1 Магнитные датчики 38 4.1.1 Электронные датчики 39 4.1.2 Индуктивные бесконтактные датчики 40 4.1.3 Ёмкостные бесконтактные датчики 41 4.1.4 Оптические бесконтактные датчики 42 4.2 Датчики давления 45 4.2.1 Механические реле давления с бинарным выходным сигналом 45 4.2.2 Электронные реле давления с бинарным выходным сигналом 46 5 Основы пневматики 47 5.1 Физические основы 48 5.1.1 Основные единицы измерения 48 5.1.1 Вторичные единицы измерения 48 5.1.2 Закон Ньютона 48 5.1.3 Давление 49 5.2 Свойства воздуха 50 5.2.1 Закон Бойля 50 5.2.2 Закон Гей-Люссака 51 5.2.3 Общее уравнение газа 52 5.3 Отдельные компоненты в пневматической системе управления и их назначение 53 5.4 Назначение и особенности исполнительных устройств (пневматические цилиндры) 55 5.4.1 Цилиндры одностороннего действия 55 5.4.2 Цилиндры двухстороннего действия 55 5.4.3 Регулирование скорости с цилиндрами одностороннего действия 56 5.4.4 Регулирование скорости с цилиндрами двухстороннего действия 58 5.5 Назначение и особенности пневматических распределителей 60 5.5.1 Названия и условные обозначения пневматических распределителей 61 5.5.2 Способы включения пневматических распределителей 62 5.5.3 Управление цилиндром одностороннего действия 62 5.5.4 Управление цилиндром двухстороннего действия 63 5.6 Назначение и особенности пневматических исполнительных механизмов 64 5.6.1 Цилиндры с направляющими, бесштоковые цилиндры и поворотные двигатели 64 5.6.2 Пневматические захваты 65 5.7 Пневматическая система управления, представленная на принципиальной схеме 67 5.7.1 Условные обозначения в принципиальных схемах 68 4 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 Содержание 6 Электроприводы 71 6.1 Физические/технические основы двигателя постоянного тока 71 6.1.1 Пуск двигателя постоянного тока 74 6.1.2 Электромагниты как простейшие исполнительные механизмы 76 7 Основы техники управления 77 7.1 Принцип работы и устройство программируемых логических контроллеров (ПЛК) 79 7.2 Математические основы - базовые логические функции 80 7.2.1 Общие сведения 80 7.2.2 Тождественность (операция ДА) 80 7.2.3 Отрицание (операция НЕТ) 81 7.2.4 Конъюнкция (операция И) 82 7.2.5 Дизъюнкция (операция ИЛИ) 83 7.2.6 Дополнительные логические операции 85 7.3 Примеры управляющих устройств 87 8 Применение реле в электропневматике 89 8.1 Прямое и непрямое управление с использованием реле 89 8.1.1 Прямое управление цилиндром одностороннего действия 90 8.1.2 Непрямое управление цилиндром одностороннего действия 90 8.1.3 Управление цилиндром двустороннего действия 91 8.2 Логические операции с использованием реле 92 8.2.1 Параллельное соединение (операция ИЛИ) 92 8.2.2 Последовательное соединение (операция И) 93 8.3 Запоминание сигнала с использованием реле и распределителями с двумя электромагнитами 94 8.3.1 Запоминание сигналов посредством релейной схемы с самоудержанием 94 8.3.2 Ручное управление прямым и обратным ходом с использованием релейной схемы с самоудержанием 95 8.3.3 Запоминание сигнала при помощи распределителя с двумя электромагнитами 96 8.3.4 Автоматическое управление обратным ходом с использованием распределителей с двумя электромагнитами 97 8.3.5 Сравнение схемы самоудержания со схемой, использующей распределитель с двумя электромагнитами 97 8.4 Схемы задержки по времени с использованием реле 98 8.4.1 Управление цилиндром по времени 98 9 Программируемые логические контроллеры (ПЛК) 99 9.1 Общие сведения 99 9.2 Логические условные обозначения в программе FluidSIM® 100 9.3 Программирование логических систем управления с использованием ПЛК 101 9.3.1 Пример 1: схема самоудержания 101 9.3.2 Пример 2: операция И, таймер 102 9.4 Программирование системы управления с использованием метода последовательности 104 5 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 63 060 Содержа ние 6 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 1 В чем заключается работа инженера? Технические науки, как гуманитарные, социальные и естественные являются отдельной дисциплиной со своим собственным языком, методами и инструментами. Конечно, они тоже опираются на правила из других, в частности математических, физических, а также социальных наук. В свою очередь, многие открытия в вышеперечисленных науках основывались на результатах исследований, полученных в области технических наук. В отличие от естественных наук, технические не связаны, прежде всего, с получением информации и открытием законов природы, а скорее с созданием технических решений, для удовлетворения человеческих потребностей. Поэтому инженер всегда задается вопросом: «Как я могу решить эту проблему?». Это приводит к простому инженерному подходу - проектированию методом «черного ящика». Это означает, что инженеры используют техническую систему, точно не зная, как работают её отдельные части и узлы. Им нужно знать только, что при определенном входном сигнале будет определенный выходной. Вход Техническая система Выход Рис. 1.1: Представление технической системы в виде черного ящика. Например, в автоматизированных машинах используются электрические двигатели разных размеров и мощностей. Конструктору-машиностроителю не нужно знать, как именно работает электродвигатель. Все что ему нужно сделать, так это выбрать подходящий двигатель, используя такие характеристики, как размеры, крутящий момент, скорость, потребление электроэнергии, мощность и т.д. Ситуация, когда инженеры конструируют электродвигатели сами, напротив, очень сложна. В этом случае им нужны глубокие знания режимов и физических принципов работы электродвигателей и их частей. 7 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 1 В чём заключается работа инженера? Другой отличительной особенностью технических наук является представление инженерных решений. Инженеры используют стандартизированные и поэтому принятые на международном уровне описания механизмов, большинство из которых графические. Основными из них являются: - технические чертежи и спецификации, - принципиальные схемы, - блок-схемы и программы, - технические планы размещения оборудования и схематические изображения. 1.1 Технические чертежи и спецификации Технические чертежи используются для наглядного изображения конструкции изделий. На них подробно показываются размеры, допуски, чистота обработки поверхности и материалы заготовок (чертежи в масштабе) или сборка деталей (сборочные чертежи). Виды детали размещаются на бумаге в соответствии со стандартом, по которому на каждом виде деталь изображается повернутой на 90° к плоскости проекции. Максимум может быть шесть видов. Однако обычно воспроизводятся только те из них, на которых размещены необходимые для производства размеры. На рис. 1.2. показан пример чертежа в масштабе. Рис. 1.2: Чертеж накопителя в масштабе (исходный размер A4) 8 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 1 В чём заключается работа инженера? Сборочные чертежи показывают, как детали собираются в готовое изделие или узел. Эти чертежи содержат всего несколько размеров, но зато отображают точные обозначения деталей (Рис. 1.3). Рисунок 1.3: Сборочный чертеж накопителя (исходный размер A3) 9 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 63 060 1 В чём заключается работа инженера? Детали, в свою очередь, объединяются в спецификации, содержащие информацию о том, сколько соответствующих деталей необходимо, чтобы произвести изделие (Табл. 1.1.) Количество Номер материала Описание 1 0070 594 7 Гравитационный загрузочный лоток 1 0070 125 1 Направляющая 1 0070 192 5 Корпус 1 0001 918 6 Пневматический цилиндр DSNU 10-50-PA 2 0017 505 6 Дроссель с обратным клапаном GRLA-M5-QS-4-LF-C 2 0019 161 4 Крепёжный винт M5 x1 0 ISO 7380 2 0020 057 7 Шайба B 5.3 DIN 125 2 0034 760 1 Т-образная гайка M5 2 0020 953 7 Винт под шестигранный ключ M4 x 8 DIN 912 2 0020 071 5 Гайка M4 DIN 934 1 0000 222 4 Уплотнительное кольцо Таблица 1.1: Пример спецификации (для рис. 1.3) Каждая деталь имеет свой собственный чертеж, который может быть использован для ее производства. Для таких стандартных деталей, как винты, шарикоподшипники и другие, легко заменяемые детали, чертежи не делаются. В спецификации такие детали вы можете определить по их обозначениям, включающим в себя ссылку на стандарт (например, DIN 125 или ISO 7380). Инженеры используют стандартные детали из-за их дешевизны всегда, когда это возможно; они могут быть куплены в необходимом количестве и с требуемым качеством у предприятия, специализирующегося на их изготовлении, что, как правило, дешевле, чем собственное их производство. Это не только облегчает процесс конструирования изделия, но и его ремонт, в случае неисправности. 1 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 1 В чём заключается работа инженера? 1.2 Принципиальные схемы В то время как на чертежах отображен только внешний вид изделия, принципиальные схемы показывают, как взаимосвязаны электрические, пневматические и гидравлические компоненты технической системы или установки. Стандартные условные обозначения используются для указания на функции компонента и не связаны с его конструкцией или внешним видом. Следовательно, принципиальные схемы намного более абстрактны, чем технические чертежи. На рисунке 1.4 показана схема соединения для действующей пневматической цепи. Цилиндр одностороннего действия 3/2- распределитель с электромагнитом A1 2 V1 1 3 Компрессор Рисунок 1.4: Действующие элементы и их изображение на (пневматической) принципиальной схеме Компоненты, соединения и т.д. нумеруются таким образом, чтобы сохранялся вид при сборке схемы. В механизме компоненты помечаются так же, как и на принципиальной схеме. 1 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 63 060 1 В чём заключается работа инженера? 1.3 Блок-схемы и программы Большинство современных управляющих устройств – это программируемые контроллеры. Это означает, что компьютерная программа координирует и направляет отдельные этапы управления. Для решения самых разнообразных задач в инженерном деле были разработаны специальные языки программирования, например, Fortran (Formula Translation) для преимущественно математических задач, Cobol (Common Business Oriented Language) для деловых программ, язык релейно- контактных схем для систем логического управления или Basic (Beginner's All-purpose Symbolic Instruction Code) , как многоцел евой легкий в изучении язык программирования для нач инающ их. Вот простой пример того, как разрабатывается элементарная программа. Перед тем, как начинается непосредственно программирование, разрабатывается алгоритм в виде блок-схемы. На рисунке 1.5 показана блок-схема для следующего цикла управления: • проверяется состояние переключения кнопок 1 и 2, • если оба переключателя в состоянии 1 (включены), тогда цилиндр выдвигается, • во всех других случаях запрос повторяется. T1 T2 (T1=1)&(T2=1) n y выдвижение Рисунок 1.5: Блок-схема Цикл, представленный на рисунке 1.5, в программе Basic выглядел бы примерно так: 10 P1 = Кнопка 1 20 P2 = Кнопка 2 30 Если (P1 = 1) и (P2 = 1) тогда цилиндр выдвигается, иначе переход к пункту 10 1 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 1 В чём заключается работа инженера? Рисунок 1.6: Логическая программа 1.4 План размещения оборудования и схематическое изображение. План размещения оборудования и схематическое изображение используются для иллюстрации принципа работы механизма. Изображение может быть более или менее абстрактным, в зависимости от цели; наиболее важным аспектом является реалистичное представление взаимодействия и расположения основных элементов и модулей. Чтобы продемонстрировать основные взаимосвязи, элементы управления (датчики или исполнительные механизмы) могут обозначаться в схематическом изображении так же, как в программе или на принципиальной схеме. На рисунке 1.7 показан пример. Рисунок 1.7: Фотография и схематическое изображение модуля конвейера. M1 M2 S2 S1 1 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 63 060 1 В чём заключается работа инженера? 1.5 Расчеты и моделирование Одним из самых важных этапов в процессе конструирования является расчет размеров элементов. В большинстве случаев, тщательные проверки прочности требуются законодательством (например, когда строятся здания или самолеты), для предотвращения угроз, вызванных неправильно сконструированными машинами. Обычно, расчеты требуются для обеспечения работоспособности машин в любых условиях. Примерами этого могут служить расчеты сил и крутящих моментов для определения размеров приводов или вычисление силы тока для определения размеров линий электропередачи. Моделирование используется при расчетах, тесно связанных с предметом вычислений. Инженеры стараются везде, где это возможно, испытывать и оптимизировать свои технические решения при помощи моделирования до изготовления (дорогостоящего) опытного образца. Программа FluidSIM ® служит для этого хорошим примером. Она позволяет студентам тестировать и моделировать пневматические, логические и электрические схемы перед их сборкой. Если схема работает, программа также может использоваться для управления действующей моделью. В этом случае использование моделирования позволяет нескольким студентам работать вместе над одной проблемой с меньшим количеством требуемого (дорогого) учебного оборудования. 1 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 2 Автоматизация как часть инженерных наук Науки, относящиеся к инженерным: • машиностроение, • электротехника, • технология производства, • проектирование зданий и сооружений, • и т. д. Все эти науки объединяются исследованием, определением и применением инженерных принципов, а отличаются предметом изучения и направлением соответствующей дисциплины. Технология автоматизации - переходная дисциплина, использующая знания и научные методы из множества других технических наук. В соответствии с DIN 19223, автоматизированная машина – это искусственная система, принимающая решения на основе связи входных сигналов с соответствующими состояниями системы; затем эти решения дают требуемые результаты. Для реализации современного процесса автоматизация необходимо 3 составляющих: • датчики, фиксирующие состояние системы, • исполнительный механизм для выполнения управляющих команд, • контроллеры для выполнения программы и принятия решений. 2.1 Ключевые этапы в истории развития Сегодня, когда мы слышим «автоматизация», мы тут же представляем себе промышленных роботов и компьютеров. На самом же деле, автоматизация в ремесленничестве и промышленности началась намного раньше, в 1769 году, с началом использования парового двигателя Джеймса Ватта. В первый раз машина смогла заменить человека или лошадь. Первый паровой двигатель использовался для осушения шахт и приведения в движение станков. Использование двигателей таким способом привело к тому, что один паровой двигатель приводил в движение множество машин с помощью сложной системы передаточных валов и кожаных ремней (так называемых передаточных ремней), закрепленных на потолке машинного зала. Тем не менее, до 1866 года электрические двигатели широко не использовались. Это случилось после того, как Вернер фон Сименс изобрел динамо-машину, которая обеспечила простой способ получения постоянного тока в больших количествах. Электрические двигатели вытеснили паровые в качестве приводов. 15 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 2 Автоматизация как часть инженерных наук В 1913 году Генри Форд ввел первую в мире систему сборочного конвейера для известной Model T (рис. 2.1). Это привело к увеличению производительности, так как производственное время сократилось с 750 до 93 часов. Это послужило основой для серийного выпуска машин. В 1913 году возросшая производительность позволила компании «Форд» платить своим работникам ежедневное жалование от 5 долларов за 8 часов работы. Цена на Model T упала примерно до 600 долларов. Этот автомобиль стал доступен не только для зажиточных, но и для широких слоев населения. Метод сборочного конвейера основывался на работе американца Фредерика Винслоу Тейлора, который предложил разделять труд так, чтобы производство состояло из множества простых операций, которые смогли бы выполнять даже неквалифицированные рабочие. Рисунок 2.1: С борочный конвейер на заводе « Форд» (1921) В 1873 году был выдан патент на полностью автоматическую машину для производства болтов, которая использовала кулачковые диски для хранения определенных последовательностей программы. В 1837 году Джозеф Генри изобрел электромагнитный переключатель, который назвал реле по аналогии с почтовыми станциями, где всадники-почтальоны могли заменить уставших лошадей на новых. 16 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 2 Автоматизация как часть инженерных наук Впервые они были использованы для усиления сигнала на станциях Морзе. Позднее они стали использоваться для построения электрических управляющих устройств. Тип управляющего устройства, где реле спаяны друг с другом, был назван жестко программируемым управляющим устройством. Это название используется до сих пор. Реле могли использоваться для выполнения сложных задач управления, однако программирование и устранение недостатков требовало больших затрат времени. В 1959 году Джозеф Энгельбергер представил прототип промышленного робота, которого с 1961 года использовала компания General Motors при производстве автомобилей. Этот робот все еще имел гидравлический привод; позднее они стали оснащаться только электрическими двигателями. В 1968 году группа инженеров из американской компании Allen Bradley под руководством Одо Страгера разработала первый программируемый логический контроллер (ПЛК), благодаря которому стало возможным менять программу без перемонтажа множества реле. Промышленные роботы стали широко распространены в 1970 году и остаются таковыми по сей день. Современное производство не может обойтись без них, по крайней мере, на данный момент. Напротив, их значимость постоянно растет. В одной только Германии 100 000 роботов, большинство из которых применяется в автомобильной промышленности и у их поставщиков. |