Мехатроника. Учебное пособие au f der tit el seit e gibt es keine fu zei l e
 Скачать 2.86 Mb.
|
|
1A1 1A1 1S1 2 1S1 2 1 3 1 3 Рисунок 5.16: Принципиальная схема прямого управления с 3/2-распределителем с ручным управлением Условные обозначения на принципиальной схеме должны изображать некоторые элементы в выключенном состоянии. Опыт показал, что такое представление сбивает новичков с толку. По этой причине и сделано отклонение от стандартов и функция включения показана соответствующим образом, чтобы облегчить понимание. Стрелка около приводного элемента 3/2-распределителя с кнопкой указывает на то, что распределитель находится во включенном состоянии (Рисунок 5.16 справа). 67 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 5 Основы пневматики 5.7.1 Условные обозначения в принципиальных схемах Структура пневматических принципиальных схем и расположение символов, а также обозначения и нумерация элементов определены в стандарте DIN/ISO 1219-2. Состояние переключения распределителя – это исходное положение (нормальное положение). Блок исполнительных элементов (цилиндры с силовыми распределителями) изображается в верхней части, а блок управления с устройствами ввода сигналов – в нижней. Обозначения элементов проставляются снизу-вверх и слева-направо (Рисунок 5.17). Рисунок 5.17: Обозначения на пневматической принципиальной схеме 68 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 5 Основы пневматики Пример представления электропневматического контура и его принципа действия Рисунок 5.18: Представление электропневматического контура Принцип действия электропневматического контура: • Когда кнопка S1 включена, электромагнит клапана 1M1 переключается посредством нормально открытого контакта реле К0 и цилиндр1А выдвигается. • Когда цилиндр выдвинут полностью, магнитный бесконтактный датчик 1S1 переключает реле К1, таким образом, активируя электромагнит клапана 1M2. Цилиндр возвращается в исходное положение. 69 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 6 Электроприводы Невозможно представить современный мир без электродвигателей. В отличие от пневматических приводов, которые из-за своей простоты и надежности в первую очередь применяются в промышленности, электродвигатели используются и в нашей повседневной жизни. Примерами домашнего применения электродвигателей могут служить стиральные машины, телефоны, CD плееры, игрушки, кухонные комбайны и многое другое. Сегодня электродвигатели используются даже в машинах в качестве привода в технической системе для регулирования положения сидений или открытия/закрытия окон. Существуют различные виды электрических двигателей, предназначенных для выполнения разных функций: • простые и недорогие двигатели постоянного тока с относительно низкой мощностью для портативных устройств, работающих от батареи, • надежные трехфазные стационарные двигатели с относительно большой мощностью для промышленного использования, • высокофункциональные сервоприводы для станков или роботов с высокими требованиями к скорости и точности, • шаговые двигатели для совершения простых движений, например подача в станках. Электрические двигатели могут совершать как поворотные (вращательные), так и линейные (поступательные) движения. В зависимости от потребностей двигатели могут быть мощностью от нескольких миллиВатт до нескольких мегаВатт и весом от нескольких грамм до нескольких тонн. Это самый распространенный вид привода на сегодняшний день. Работа практически всех электрических двигателей основана на электромагнетизме или силе Лоренца. В следующих параграфах описывается принцип работы двигателя постоянного тока с постоянным возбуждением, потому как он широко используется и относительно прост для изучения. 6.1 Физические/технические основы двигателя постоянного тока Если провод, по которому течет ток I, находится в магнитном поле B, то существует сила F, действующая на этот провод. Направление этой силы может быть определено по правилу левой руки. Будем считать, что линии магнитного поля идут от северного полюса магнита до южного, и что ток в проводе течет от положительно заряженного выхода источника питания к отрицательному. Три пальца (большой, указательный и средний) ставятся под прямым углом друг к другу так, чтобы образовалась Декартова система координат. 71 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 6 Электроприводы Когда большой палец указывает направление течения тока (то есть от положительного выхода к отрицательному), а указательный - направление магнитного поля (север/юг), средний палец указывает направление активной силы. На рисунке 6.1 провод будет выходить из плоскости магнитного поля. Рисунок 6.1: Сила Лоренца Величина силы зависит от мощности магнитного поля, силы тока и длины провода, находящегося в магнитном поле. В двигателе постоянного тока эта силовое воздействие используется для создания вращения. Для этого между двумя магнитными полюсами помещается проводящий контур так, чтобы он мог вращаться (Рисунок 6.2) Рисунок 6.2: Принцип работы двигателя постоянного тока Ток протекает через две половины контура в противоположном направлении. Это означает, что направление силы, действующей на них также противоположно. Их полярность установлена так, что они либо притягиваются (север/юг или юг/север), либо отталкиваются (юг/юг или сервер/север) полюсами постоянного магнита. Обе силы создают крутящий момент, который заставляет контур вращаться. Механический коммутатор (преобразователь тока) меняет полярность тока после одного полуоборота контура и процесс повторяется. 72 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 6 Электроприводы Коммутатор является важным элементом, потому как создает вращение от каждого разового воздействия силы на проводник с током, протекающим через него. Он состоит из двух металлических изолированных друг от друга полуцилиндров, на которые посредством угольных щеток передается ток. Так как двигатель постоянного тока создает низкие крутящие момент (Мd) при высоких скоростях (n), редуктор используется как передаточный элемент для уменьшения выходной скорости (n 2 ) на передаточное число i и увеличения выходного крутящего момента во столько же раз: i = n 1 /n 2 = Md 2 /Md 1 Редукторы бывают различных конструкций. На рисунке 6.3. изображен двигатель постоянного тока с червячным редуктором, где вал привода развёрнут на 90 ° по отношению к валу двигателя. Рисунок 6.3: Двигатель постоянного тока с редуктором 73 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 6 Электроприводы 6.1.1 Пуск двигателя постоянного тока Двигатель постоянного тока начинает вращаться при подаче энергии. Направление вращения зависит от полярности. На рисунке 6.4 изображен простейший способ пуска двигателя разомкнутым контактом (двигатель выключен) и замкнутым (двигатель включен). Рисунок 6.4: Пуск двигателя постоянного тока Так как электродвигателям необходимы сравнительно большие токи, пуск происходит с помощью реле, чтобы не перегружать выключатели. На рисунке 6.5 изображена соответствующая принципиальная схема. Рисунок 6.5: Пуск двигателя постоянного тока с помощью реле 74 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 6 Электроприводы Чтобы изменить направление вращения двигателя, направление тока должно быть изменено двигателем (рисунок 6.6). Рисунок 6.6: Изменение направления вращения двигателя постоянного тока Так как невозможно или нецелесообразно постоянно менять проводку двигателя, для смены направления вращения используется так называемый контур смены полюсов (рисунок 6.7). Рисунок 6.7: Контур смены полюсов В данном случае двигатель запускается с использованием двух реле; реле К0 включает или выключает ток, а переключающее реле К1 меняет полярность тока так, чтобы двигатель работал в прямом и обратном направлении. 75 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 6 Электроприводы 6.1.2 Электромагниты, как простейшие исполнительные механизмы Другим электрическим приводным механизмом, подходящим для выполнения простых задач по регулировке положения, является электромагниты. Например, электромагниты переключают золотники распределителей с электромагнитным управлением и могут использоваться везде, где достаточно линейных ходов. На рисунке 6.8 изображен принцип работы электромагнита. Электромагнит по существу состоит из катушки и металлического сердечника. Когда ток течет через катушку, возникает магнитное поле и сила притяжения, действующая на сердечник. Это приводит к тому, что сердечник втягивается в катушку. Когда ток отключается, пружина выталкивает сердечник из катушки. Смена направления течения тока вызывает изменение направления магнитного поля, однако это не влияет на силу притяжения, действующую на сердечник. + + - - Рисунок 6.8: Принцип работы электромагнита 76 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 7 Основы техники управления Системы управления являются центральным элементом в автоматизации наряду с исполнительными устройствами и датчиками. Термин «система управления» в широком смысле используется для описания устройств предназначенных для: • управления без обратной связи, • управления с обратной связью, • отслеживания, • сбора данных, • связи, • диагностики. В более узком смысле, управление в автоматизации относится к влиянию энергии или материального потока посредством одного или более сигналов в системе без обратной связи (DIN 19226). Системы управления используются для процессов, которые выполняются пошагово. Примерами могут служить: • открытие двери, когда кто-то перед ней стоит, • переключение светофора через определенный промежуток времени, • включение света в коридоре после нажатия кнопки и автоматическое его выключение через определенный отрезок времени. Системы управления могут характеризоваться процессом без обратной связи, то есть когда входная переменная (x) не зависит от контролируемой выходной переменной (y). Система управления не может реагировать на возможные отклонения переменных. Это означает, что система без обратной связи с управлением времени для света в коридоре выключает его после определенного промежутка времени независимо от того, дошел ли тот человек, который нажал на кнопку выключателя, до двери квартиры или нет. На рисунке 7.1. изображена система без обратной связи Входная переменная х Рисунок 7.1 Управление без обратной связи Выходная переменная у Процесс 77 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 7 Основы техники управления С другой стороны, система управления с обратной связью непрерывно записывает выходные переменные (y) процесса, сравнивает их с входными (x) и затем автоматически корректирует процесс, выравнивая входные и выходные переменные. В таких системах замкнутый контур управления реагирует на изменения переменных. Процессы управления с обратной связью являются, по большей части, непрерывными, где поддерживается определенное значение выходной переменной. Примерами могут служить: • регулирование температуры воды в аквариуме, • регулирование скорости в автомобиле (круиз-контроль), • регулирование скорости вращения в электрическом двигателе. Входная переменная х Система управления с обратной связью Процесс Выходная переменная у Рисунок 7.2: Управление с обратной связью В технологии автоматизации многие термины придумываются для обозначения особых видов контроллеров, предназначенных для выполнения определенных функций, например: - Системы управления с аппаратным программированием В системах управления с аппаратным программированием логика управления или «программа» осуществляется путем соединения реле. В качестве примера могут служить релейно- контактные системы управления. Они, как правило, состоят из реле и используются для решения простых задач управления, например, запуска электродвигателей. - ПЛК – программируемые логические контроллеры ПЛК были разработаны для замены менее гибких релейно-контактных систем управления. Они состоят из компьютера с определенными входными и выходными модулями. Программа работает не путем соединения отдельных реле, а хранится в памяти контроллера, где может быть легко изменена. ПЛК в основном обрабатывают двоичные сигналы. В мультимедийной учебной системе MecLab® действующий ПЛК заменен симулятором в программе FluidSIM®. В добавление к программируемым логическим контроллерам, релейно- контактные системы управления могут быть также смоделированы в программе FluidSIM® . - ЧПУ – Числовое программное управление Оно используется, например, для управления сверлильными, режущими и токарными станками. В первом автоматизированном станке использовался деревянный шаблон, с которым сверяли форму заготовки. Затем, деревянный шаблон заменили цифровой моделью, которая хранила в форме двоичных кодов координаты заготовки. Основной целью ЧПУ является перевод компьютерной модели заготовки, созданной с использованием программного обеспечения, в последовательность движений для станка. - РК – контроллеры-роботы Контроллеры-роботы были специально созданы для управления промышленными роботами. Они сходны по структуре с ЧПУ контроллерами. 78 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 7 Основы техники управления 7.1 Принцип работы и устройство программируемых логических контроллеров (ПЛК) ПЛК являются широко используемыми простейшими контроллерами, поэтому ниже они рассмотрены более подробно. Рисунок 7.3: Программируемый логический контроллер (Festo) Основным элементом в ПЛК является система микропроцессора. Программирование микропроцессора определяет: • какие входы контроллера (I1, I2 и т.д.) считываются и в каком порядке, • как эти входные сигналы связаны, • выходы (O1, O2 и т.д.) к которым приведут результаты обработки сигнала. В случае с ПЛК, поведение контроллера определяется не взаимосвязью электрических элементов (аппаратными устройствами), а скорее программой. На рисунке 7.4 изображена основная структура ПЛК. Программа ПЛК Входной модуль Выходной модуль Датчики Рисунок 7.4: Структурные элементы ПЛК Центральный блок Исполнительные механизмы 79 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 7 Основы техники управления 7.2 Математические основы – базовые логические функции 7.2.1 Общая информация Логические функции являются основой большинства контроллеров, поэтому ниже приводится обзор наиболее важных из них. Логические функции могут быть представлены в виде таблицы, уравнений, с использованием релейных схем (операций) или логических символов (см. параграф 7.2.6). Логические символы используются в ПЛК для создания программы. 7.2.2 Тождественность (операция ДА) Изображенная кнопка - нормально разомкнутый контакт, когда она не нажата, лампа Р1 не горит и наоборот. 24V S1 (I) P1 (O) 0V Рисунок 7.5: Принципиальная схема (Тождественность) Кнопка S1 выступает в качестве входного сигнала, а лампа – выходного. Данные могут быть сведены в таблицу истинности: I O 0 0 1 1 Таблица истинности (тождественность) Тогда Булево уравнение будет выглядеть следующим образом: I = O 80 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 7 Основы техники управления Логический символ: I 1 O 7.2.3 Отрицание (операция НЕ) Изображенная кнопка – нормально замкнутый контакт, когда она не нажата, лампа Р1 горит и наоборот. 24V S1 (I) P1 (O) 0V Рисунок 7.6: Принципиальная схема (отрицание) Кнопка S1 выступает в качестве входного сигнала, а лампа – выходного. Данные могут быть сведены в таблицу истинности: I O 0 1 1 0 Таблица истинности (отрицание) Тогда Булево уравнение будет выглядеть следующим образом: I =O ( читать: не I равно O) Логический символ: I 1 O 81 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 7 Основы техники управления I2 Два отрицания, соединенных последовательно, компенсируют друг друга. E = E E 1 E 1 E Две связанных функции НЕ 7.2.4 Конъюнкция (операция И) Если два нормально разомкнутых контактов соединены последовательно, то лампа будет гореть до тех пор, пока нажаты обе кнопки. 24V S1 (I1) S2 (I2) P1 (O) 0V Рисунок 7.7: Принципиальная схема (конъюнкция) I1 I2 O 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 Таблица истинности (конъюнкция) Таблица истинности описывает отношение. Выходной сигнал будет равен 1, если оба входных сигнала ( I1 и I2 ), будут равны 1. Это операция «И». В виде уравнения ее можно представить следующим образом: I1 ∧ =O 82 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 7 Основы техники управления Логический символ: I1 & O I2 Следующие арифметические правила применимы и для операции «И»: a ∧ 0 = 0 a ∧ 1 = a a ∧ ā = 0 a ∧ a = a 7.2.5 Дизъюнкция (Операция ИЛИ) Другой базовой логической функцией является операция ИЛИ. Если два нормально замкнутых контакта соединены параллельно, то лампа будет гореть, если нажата хотя бы одна кнопка. 24V S1 (I1) S2 (I2) P1 (O) 0V Рисунок 7.8: Принципиальная схема (дизъюнкция) I1 I2 O 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 Таблица истинности (дизъюнкция) 83 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 7 Основы техники управления Операция ИЛИ представляется в виде следующего уравнения: I1 ∨ I2 = 0 Логический символ: I1 >=1 O I2 Следующие арифметические правила применимы и для операции «ИЛИ»: a ∨ 0 = a a ∨ 1 = 1 a ∨ a = a a ∨ ā = 1 84 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 |