ЦИКЛОВАЯ СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
Значительная доля оборудования промышленных предприятий выполняет обработку однотипной продукции с редкой сменой циклов движений. Работа такого оборудования автоматизируется с помощью цикловых систем программного управления (ЦПУ). ЦПУ являются простейшим видом программного управления и характерны тем, что программа содержит в числовом виде только информацию о цикле и режимах обработки, а величину перемещения рабочих органов задают настройкой датчиков положения.
Циклом называется совокупность элементарных операций, осуществляемых в определенной последовательности и обеспечивающих выполнение оборудованием рабочих функций. Элементарные операции называются этапами цикла или тактами работы системы. В течение этапа цикла в системе не происходит изменений в состоянии управляющих воздействий.
Рисунок 1 – Функциональная схема цикловой системы управления
В обобщенном виде система ЦПУ представлена на рис. 1. Программа работы оборудования в виде этапов цикла формируется в блоке задания программы. С помощью блока поэтапного ввода команды программы вводятся в исполнительный механизм через блок связи с объектом. Переход от выполненного этапа цикла к следующему зависит от положения рабочего органа, которое контролируется датчиками обратных связей, по заданному состоянию которых блок поэтапного ввода программы приступает к опросу программы очередного этапа цикла. Контроль в функции времени с помощью реле времени используется в тех случаях, когда применение других способов затруднительно и когда время отработки этапа программы колеблется мало. Для ряда механизмов применяется также контроль в функции числа операций или др. параметров.
Согласование блока ввода программы с исполнительными элементами оборудования и датчиками обратных связей выполняет блок связи с объектом. Здесь же происходит усиление (ослабление) и потенциальная развязка сигналов. Исполнительный механизм находится непосредственно на технологическом оборудовании и осуществляет отработку заданных программой этапов цикла.
Как отдельные устройства системы ЦПУ, так и вся система чаще всего строятся на электрических компонентах. Блок задания программы может быть выполнен в виде штекерной панели, панели кнопок или переключателей. Блок поэтапного ввода программы реализуется обычно в виде счетно-распределительной схемы, построенной на шаговых искателях, электромагнитных реле или логических элементах.
АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ
Обобщенная функциональная схема автоматической системы регулирования (АСР) приведена на рис. 1. Основными элементами системы являются задающий элемент (З), автоматический регулятор (АР) и регулирующий элемент (РЭ). Задающий элемент формирует в удобной для регулятора форме (в виде напряжения, давления и т.д. – в зависимости от физических принципов функционирования регулятора) желаемую величину регулируемого параметра, которую необходимо получить, называемую заданием X. Регулирующий элемент (РЭ) осуществляет регулирующее воздействие yр на исполнительный элемент (ИЭ) путем регулирования расхода поступающей к нему от источника (И) энергии на основании регулирующего сигнала с выхода регулятора f (Δ x), т.е. по сути представляет собой усилитель мощности регулирующего сигнала. Исполнительный элемент объекта регулирования (двигатель, цилиндр, насос и т.д.) является преобразователем энергии источника в энергию y, потребляемую рабочим органом (РО) объекта регулирования, изменение или стабилизация регулируемого параметра Y которого независимо от его характеристик и возмущающих воздействий z и является задачей регулирования.
Большинство АСР кроме прямой цепи прохождения сигнала содержат также цепь т.н. обратной связи по регулируемому параметру. Обратная связь формируется датчиками обратной связи (ДОС) путем преобразования регулируемого параметра в сигнал обратной связи xос, физическая природа которого совпадает с физической природой задания. Сигнал обратной связи вычитается из задания, и таким образом автоматический регулятор формирует регулирующий сигнал не на основании задания, а на основании разностного сигнала Δx, величина которого определяется отклонением фактического значения регулируемой величины от задания. Такие АСР называют следящими, и автоматический регулятор в них формирует регулирующий сигнал f (Δ x), стремясь свести разностный сигнал к нулю, т.е. устранить несоответствие между заданием X и регулируемым параметром Y.
Рисунок 1 – Следящая АСР
В случае, когда физическая природа регулируемого параметра не требует специального рабочего органа, регулируемый параметр формируется непосредственно исполнительным элементом (например – давление масла на выходе насоса), а в случае, когда она совпадает с физической природой регулирующего воздействия (например – ток сварочной дуги на выходе преобразователя) – регулируемый параметр формируется непосредственно регулирующим элементом. Часто одно и то же устройство может объединять в себе регулирующий элемент, исполнительный элемент или рабочий орган в различных сочетаниях (например – дросселирующий распределитель, мотор-шпиндель, сервопривод), поэтому наличие в схеме (рис. 1) всех этих элементов зависит от конкретной АСР и степени ее детализации. При укрупненном анализе АСР все эти элементы можно рассматривать как единственный элемент, объединяющий все их функции – исполнительный орган, формирующий регулируемый параметр под воздействием сигнала автоматического регулятора.
Функциональная зависимость между заданием (разностным сигналом) на входе автоматического регулятора и регулирующим воздействием называется законом регулирования. В зависимости от наличия в законе регулирования пропорциональной, дифференциальной и интегральной составляющих различают следующие виды регуляторов:
– пропорциональные (П–регуляторы);
– пропорционально-дифференциальные (ПД–регуляторы);
– интегральные (И–регуляторы);
– пропорционально-интегральные (ПИ–регуляторы);
– пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПИД–регуляторы).
Выбор того или иного вида регулятора и параметров его настройки определяется свойствами и параметрами объекта регулирования, требуемыми параметрами кривой разгона и параметрами изменения задания. Расчет параметров и настройка регулятора представляет собой сложную задачу и определяет качественные показатели процесса регулирования.
КЛАССИФИКАЦИОННЫЕ ПРИЗНАКИ УЧПУ (СЧПУ)
УЧПУ (СЧПУ) можно классифицировать по следующим признакам:
По элементной базе (поколению) различают УЧПУ:
1) на отдельных полупроводниковых приборах – транзисторах, диодах и т.д., на которых в свою очередь собраны отдельные узлы, выполняющие логические функции;
2) на интегральных микросхемах малой степени интеграции (логических элементах);
3) на базе специализированных управляющих ЭВМ, построенных на интегральных микросхемах большой степени интеграции – БИС и СБИС (микропроцессорных комплектах, специализированных управляющих ИС);
4) на базе серийных персональных компьютеров и программируемых устройствах автоматического управления. В качестве компьютеров используются один или более PC в промышленном исполнении или специализированных промышленных компьютеров. В качестве устройств автоматического управления в подавляющем большинстве случаев используются ПЛК.
По принципу реализации алгоритма управления различают УЧПУ:
1) с жесткой структурой реализации алгоритма управления (схемные), т. е. УЧПУ, в которых жестко определено функциональное назначение каждого узла или блока его структурой;
2) с гибкой структурой реализации алгоритма управления (программные), блоки которых могут работать по любому алгоритму, задаваемому программой управления;
3) со смешанной структурой, некоторые блоки которых работают по жесткой структуре, а некоторые – по программному алгоритму, где программа их действия записывается специальными командами в управляющей программе.
По виду управления движениями бывают следующие УЧПУ:
1) позиционные, в которых главной задачей управления является управление позиционированием рабочих органов; они сориентированы на управление сверлильными, расточными станками, промышленными роботами с позиционными движениями и т. д.;
2) контурные, где главной задачей управления является управление движениями по жесткой траектории и с заданными скоростями; они сориентированы на управление токарными, фрезерными станками, промышленными роботами для раскройки металла и т. д.;
3) универсальные, т. е. устройства для управления позиционированием и движениями по жесткой траектории с заданными скоростями; они сориентированы на управление многоцелевыми станками, РТК и другими сложными объектами.
По типу вводимой коррекции и способу организации коррекции в УП различают устройства ЧПУ:
1) с коррекцией режимов обработки, положения инструмента, положения рабочих органов (коррекция положения инструмента действует только на адресуемый инструмент, а коррекция положения рабочих органов – на все движения в УП);
2) с коррекцией режимов обработки, положения инструмента, положения рабочих органов, а также с коррекцией радиуса фрезы и автоматическим расчетом эквидистанты;
3) с применением корректирующих программ и программ редактирования; обращение к корректирующей программе из основной УП реализуется как обращение к подпрограмме, где в основную УП встраиваются корректирующие параметры, расположенные в массивах памяти (корректирующая программа, вложенная в УП, корректирует или заменяет соответствующие параметры).
По типу применяемых приводов и измерительных систем бывают:
1) УЧПУ, в которых блоки управления приводами сориентированы на управление ступенчатым приводом, привод выполнен с применением электромагнитных муфт или асинхронного двигателя, предусмотрено управление разгоном-торможением в точках позиционирования (УЧПУ применяется только для управления позиционированием);
2) УЧПУ, в которых блок управления приводами сориентирован на управление шаговым приводом, приводом обеспечивается бесступенчатое регулирование скорости, а дискретная обработка шагами реализует любую траекторию движения методом линейно-круговой интерполяции, контроль за движением в измерительной системе отсутствует, однако применяется измерительная система для контроля движения рабочих органов в исходное состояние;
3) УЧПУ с блоками управления, сориентированными на управление следящим приводом (сервоприводом) с тиристорным преобразователем, а также управление измерительной системой, которая выполняет непрерывное измерение положения рабочих органов и сравнение сигнала управления с сигналом управляющей программы (сигнал измерения преобразуется в числовой код);
4) УЧПУ, ориентированные на управление комплектными приводами и мехатронными модулями через унифицированные интерфейсы и протоколы (например SERCOS);
5) УЧПУ, в которых функции управления приводами реализуют специальные ПЛК Motion Control.
