Рисунок 3.1. - Внешний вид контроллера СJМ.

Модуль центрального процессора (CPU 22) выбирался по критериям быстродействие-цена. Сейчас в номенклатуре Omron существует три типа центральных процессоров для контроллера СJМ, обладающих импульсными выходами: это CPU21, CPU22 и CPU23 (сравнительные характеристики этих модулей приведены в таблице 3.6. [8]).

Таблица 3.6.

Как видно из таблицы, эти модули центральных процессоров практически ни чем не отличаются друг от друга. Основное их отличие состоит в том, что CPU23 отличается наибольшим объемом памяти программ; CPU22, соответственно, меньшей, a CPU21 еще меньшей. Также один из импульсных выходов CPU21 не поддерживает функцию широтно-импульсного модулирования. Цена этих продуктов также уменьшается от CPU23 к CPU21. Быстродействие, производительность (10 Ksteps) и цена контроллера CJ1M с модулем центрального процессора CPU22 наиболее полно устраивали заказчиков. Также именно этот контроллер имеет наилучшие массогабаритные показатели. Модули системы СJ1 подключаются друг к другу сбоку. Слева располагается блок питания и модуль CPU, далее насаживаются дополнительные модули, замыкает конструкцию справа торцевая панель (end cover), которая служит для функционирования шины ввода-вывода. Крепится вся система на стандартную DIN рейку. CJ1M совместим со всеми распространенными сетями.

Для организации обратных связей от датчиков положения (контур положения замкнут внутри привода и внутри системы управления) необходимо было использовать модули быстродействующих счетчиков, способных принимать импульсы датчиков положения в формате TTL (прямоугольные импульсы, сдвинутые друг относительно друга на 90 эл. градусов) с временем отклика до 10 мкс (100 kHz) (описание датчиков смотри ниже). Для контроллера CJ1M существует только один модуль высокоскоростных счетчиков CJ1W-CT021. Возможно так же использовать для счета импульсов входы самого модуля центрального процессора, но встроенный счетчик обладает меньшим набором функций по отношению к внешнему, или с помощью модуля управления движениями CJ1W-NC233, но он существенно дороже, а также не изучен. Таким образом, выбор пал на модуль высокоскоростного счета CJ1W-CT021. На этом модуле смонтировано два счетчика, что позволяет использовать три модуля высокоскоростных счетчиков, так как датчиков положения в системе управления шесть.

Для управления электроавтоматикой станка необходимо было не только принимать сигналы с различного рода датчиков (датчики уровня масла в баках, концевые выключатели ограничения хода, кнопки управления и др.) (уровень сигнала 24 В), но и выдавать дискретные сигналы того же уровня на управляемые устройства (замыкание/размыкание реле для включения/выключения различного рода устройств, таких как насосы смазки, зажимы, электромагниты). Для этого в системе управления были предусмотрены два стандартных модуля ввода/вывода: CJ1W-ID 261 - модуль дискретных входов на 64 входа, и CJ1W-OD 231 - модуль дискретных выходов на 32 выхода. Количество входов/выходов было выбрано после анализа всей системы на количество входных и выходных сигналов, а так же для создания 10% резерва на случай непредвиденных неполадок входов/выходов.

Для управления силовыми автоматами вспомогательных электродвигателей на выходы блока CJ1W-OD 231 были поставлены четыре контактные реле Omron серии MY2.

Для точного управления скоростью (аналоговое управление) необходимо было выбрать модуль аналогового вывода для контроллера. Так как аналоговый сигнал необходим только для управления сервоприводом, то целесообразно выбрать модуль аналогового вывода CJ1W-DA021, имеющий 2 канала вывода аналогового сигнала. Сигнал может иметь несколько диапазонов: 0...10 В, -10. ..10 В, 1 ...5 В, 4...20 мА. Для управления сервоприводом необходим диапазон выходного аналогового сигнала -10...+10 В. Это достигается настройкой модуля. Так же настройкой достигается использование разрешающей способности 4000 точек на весь диапазон.

Программирование контроллера осуществлялось с помощью программного продукта фирмы Omron CX-Programmer V4.0. Этот программный пакет фирмы Omron представляет собой современную систему для разработки различных программ для контроллеров Omron, как на языке релейно-контактных схем, так и в мнемокоде. Он выпущен на замену устаревшему программному пакету SYSWIN и поддерживает программирование всех новейших контроллеров Omron.

Этот программный пакет обладает функцией анализа созданной программы, которая позволяет проверять логическую правильность созданной программы еще на стадии разработки. Это позволяет быстрее и точнее создавать программы, не отвлекаясь на поиск логических ошибок.

3.4 Выбор программируемого терминала

Для индикации различных технологических параметров, ввода и отображения данных и индикации различных событий был выбран пульт оператора на базе NT-терминала NT31С от фирмы Omron. Для большей наглядности была выбрана цветная модификация данного терминала (8 цветов). Данный терминал был выбран потому, что этот терминал обладает рядом встроенных функций, таких как встроенный лист ошибок, использование рабочей области данных в памяти контроллера и возможность отображения на экране заранее загруженных в память рисунков, недоступных на более ранних типах терминалов. Также он обладает достаточными для размещения разработанного меню размерами (рабочая область имеет диагональ 5,7").

Внешний вид программируемого терминала NT31C представлен на рисунке 3.2, а основные характеристики в таблице 3.7[11].

Рисунок 3.2. - Внешний вид терминала NT31С.

Терминал соединяется через порт RS2-232C с контроллером и обменивается с ним данными по коммуникационному интерфейсу. Программирование терминала осуществлялось с помощью специального программного пакета Omron NTST6V4.1.

Этот специальный программный пакет для программирования NT-терминалов от фирмы Omron обладает широкими возможностями программирования терминалов.

Он позволяет не только создавать требуемый человеко-машинный интерфейс, но и проверять его примерное функционирование при возникновении различных рабочих ситуаций.

Таблица 3.7

Внешний вид среды программирования NT-терминалов представлен на рисунке 3.3.



Рисунок 3.3. ? Внешний вид среды программирования NTST6V4.1.

3.5 Выбор датчиков перемещения

Для обеспечения требуемой в техническом задании точности для системы управления подбирались датчики положения с дискретностью по линейном перемещениям 0,01 мм, а по круговым датчикам 0,01 градуса. Для системы управления вертикально-фрезерного станка модели 6М610 были приобретены датчики линейных и круговых перемещений российской фирмы СКБ ИС (Специальное Конструкторское Бюро Измерительных Систем) ЛИР158. Их основные характеристики приведены ниже в таблице 3.8.

Таблица 3.8

Эти датчики широко применяются в продукции станкостроительных заводов, в измерительных и робототехнических комплексах, автоматизированных установках электронной промышленности, системах технологического контроля, приборах научных исследований, а также во всевозможных измерительных устройствах, работающих в жестких условиях эксплуатации и требующих высокоточной регистрации линейных или угловых параметров движения их элементов.

Особенностью оптико-растровых преобразователей заключается в использовании в качестве меры длины или угла материальной линейки или, соответственно, кольца, с нанесенными на них оптически информативными дорожками в виде линейного (радиального) регулярного растра.

Внешний вид датчика показан на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4. - Внешний вид датчика ЛИР158.

Взаимное перемещение растров идентифицируется с помощью оптико-электронных методов и используется для оценки значений регистрируемых перемещений. Сами преобразователи линейных или угловых перемещений осуществляют синхронное преобразование текущего значения аналоговой величины линейного перемещения (угла поворота) в адекватные значения ортогональных электрических сигналов, имеющих периодический характер. При этом временной масштаб сигналов пропорционален текущей скорости перемещения, а количество колебаний кратно числу штрихов измерительного растра или дробной части их периода, содержащегося в измеряемом перемещении. Конструкция кругового и линейного датчика различны, однако они выполняют одну и ту же функцию.

4. Разработка алгоритмов работы станка

В рамках данного проекта производилась разработка следующих алгоритмов: 1. переключения осей с одной на другую при непосредственном контроле оператора; 2. переключение скоростей шпинделя; 3. реализация четырехступенчатого торможения с возможностью ввода параметров торможения (ступень скорости торможения и расстояние от точки торможения до начала ступени);

Алгоритм переключения осей разработан с учетом используемой техники. Так в него введена проверка наличия движения осей, что равнозначно работе преобразователя. Если предположить возможность переключения осей (сервомашин) с одной на другую при работающем преобразователе, то при открытом транзисторе силовой части схемы может произойти авария преобразователя. Также в работу алгоритма введена задержка на отключение/подключение осей, что связано с рассеиванием напряжения на шине постоянного тока преобразователя. Алгоритм переключения осей представлен на рис. 4.1.

Алгоритм торможения не представляет особой сложности и его фрагмент представлен на рис. 4.2. Остальная часть алгоритма идентична приведенной. Стоит отметить, что алгоритм разработан таким образом, что если в зоне торможения реальная скорость движения меньше соответствующей ступени торможения, то скорость движения останется неизменной.

Алгоритм переключения скоростей главного двигателя был разработан с учетом механики и возможных аварийных ситуаций на данном узле станка. В процессе ввода в зацепление механизма переключения скоростей возможна ситуация, когда зубья колес механизма не войдут в зацепление со шпинделем. Алгоритм переключения скоростей главного двигателя представлен на рис. 4.3.



Рисунок 4.1. ? Алгоритм переключения осей станка.



Рис. 4.2. Алгоритм торможения (фрагмент)



Рис. 4.3. Алгоритм переключения скоростей главного двигателя.

5. Разработка компьютерной модели системы управления

5.1 Математическая модель

Оценивается динамика управления по замкнутым контурам управления положением по оси X'. Для этого создается математическая модель системы управления. За основу принимается математическая модель векторного управления электродвигателем, представленная в [2].

Во вращающейся с синхронной скоростью системе координат уравнения, описывающие электромагнитные процессы в электродвигателе, имеют вид:

;

;

;

.

В форме пространственных векторов:

;

.

- вектор составляющей потокосцепления статора от потока постоянных магнитов. Его значение - величина постоянная, поэтому величина всегда равна нулю. Учитывая это, можно записать:

, где:

 - вектор ЭДС вращения,

- постоянная времени статорной обмотки.

Представим векторы и в виде проекций на оси и , тогда:

;

.

Из полученных неравенств определим проекции вектора тока статора:

;

.

При постоянном потокосцеплении ток статора по поперечной оси однозначно определяет электромагнитный момент двигателя:

.

Уравнение механики двигателя:

.

Выражения (51), (5.2) и (5.3) составляют математическую модель синхронного двигателя. Для создания полной модели необходимо добавить к этим выражениям описание инвертора напряжения.

Инерционность инвертора с ШИМ может быть охарактеризована чистым запаздыванием на величину периода модуляции. Инвертор моделируется как линейный усилитель мощности с коэффициентом усиления и постоянной времени . Описание инвертора вместе с преобразователем координат во вращающейся системе координат имеет вид:

;

.

Полная модель системы построена на основании выражений (5.1)-(5.4). В модель включены контура скорости и положения, с соответствующими регуляторами и датчиками обратной связи.

На структурной схеме (рис. 5.1) показаны перекрестные связи по проекциям тока и проекциям вектора напряжения. Эти связи отражают физические взаимосвязи каналов управления и представляют собой возмущения, действующие на токовые контуры. Если быстродействие токовых контуров достаточно высоко, то взаимное влияние будет практически отсутствовать. Тогда, чтобы составляющая тока была равна нулю необходимо сигнал задания для этой составляющей сделать нулевым.

Рисунок 5.1. ? Структурная схема управления электродвигателем.

Настройка всех контуров производится с учетом одной составляющей тока - .

Рисунок 5.2. ? Контур регулирования тока.

Принимаются следующие упрощения: - коэффициент усиления инвертора, - коэффициент усиления датчика тока.

с - постоянная времени инвертора, рассчитывается на основании частоты выходных импульсов инвертора. Сопротивление статорной цепи - Ом и с - электромагнитная постоянная времени двигателя, (см. технические характеристики выбранного двигателя в разделе 3).

Для настройки на оптимум по модулю контура тока используется ПИ-регулятор с передаточной функцией:

,

где: , с.

- малая постоянная времени контура тока. Для расчета контура скорости в качестве ПФ замкнутого контура тока принимают: .

Рисунок 5.3. ? Контур регулирования скорости.

Число пар полюсов - , момент инерции двигателя - кг*м² указаны в технических данных выбранного двигателя. Величина потокосцепления рассчитывается по формуле: . принимается равным 1.

Для настройки на оптимум по модулю контура скорости используется П-регулятор с передаточной функцией:

, где: .

- малая постоянная времени контура скорости. По аналогии с контуром тока, для расчета контура положения в качестве ПФ замкнутого контура скорости принимают:

.



Рисунок 5.4. ? Контур регулирования положения.

Если принять , то для настройки контура положения на ОМ достаточно будет П-регулятора с ПФ: , где: .

В системе управления настройки регуляторов тока и скорости хранятся в памяти инверторов, а регуляторов положения в устройстве ТК.

Для правильной работы автоматической подстройки регуляторов необходимо определить аналитически требуемые значения, а затем скорректировать их с учетом реальных значений неизвестных ранее коэффициентов передачи. Коррекция осуществляется путем простых расчетов. Например, для контура тока в проекте необходимо коэффициент усиления регулятора разделить на коэффициенты усиления инвертора и датчика тока, и учесть, что в регуляторе скорости нужно умножить на коэффициент датчика тока.

5.2 Оценка динамики системы

Для визуального представления динамических свойств модели управления серводвигателем необходимо построить графики переходных процессов. Для этого использовался пакет MatLab версии 7.0.1 с подсистемой моделирования динамических процессов Simulink. В расчете не учитывалось влияние перекрестных связей по проекциям тока и напряжения, рассматривалась только часть модели, относящаяся к поперечной составляющей векторов. Модель системы в проекте MatLab изображена на рисунке 5.5.

Проверка рассчитанных значений регуляторов показала, что система правильно отрабатывает задание согласно настройке на оптимум по модулю. То есть обеспечивает максимальное перерегулирование не более 4.3% и время переходного процесса равное , где - малая постоянная времени контура положения.

Так как значение с, то время переходного процесса составляет около 0.01с. В реальной системе это справедливо только для небольших уровней сигналов управления. При больших сигналах управления, сигналы задания на входах подчиненных контуров будут превышать значения, которые физически может отработать выбранное оборудование. Нарастание значений тока и скорости будет ограничено их максимальными значениями, указанными в технических данных двигателя. Поэтому в модель были добавлены блоки ограничения на задание соответствующих контуров.

На рисунках 5.6 и 5.7 изображены переходные процессы при задании перемещения, равного 1500 мм.

Рисунок 5.5. ? Модель системы управления серводвигателем в пакете MatLab.



Рисунок 5.6. ? Переходные процессы в контурах скорости и положения.

Рисунок 5.7. ? Переходный процесс в контуре тока.

Для оценки точности контурной обработки на вход модели подается гармонический (синусоидальный сигнал). Точность оценивается как векторная сумма ошибок нескольких контуров при обработке гармонических сигналов. Поскольку все контура положения в проекте одинаковые, то точность системы можно оценить по ошибке отработки одного контура, а затем рассчитать векторную сумму двух таких ошибок. На рисунке 5.8 показан график переходного процесса при гармоническом воздействии. На рисунке 5.9 область того же графика в увеличенном масштабе для оценки ошибки.

Ошибка отработки гармонического сигнала составила приблизительно 0.06 мм. Векторная сумма двух таких ошибок равна 0.085 мм. Эта ошибка удовлетворяет требованию к системе по точности контурной обработки.

Рисунок 5.8. ? Переходный процесс при гармоническом воздействии.



Рисунок 5.9. ? Увеличенное изображение области переходного процесса.

6. Технико-экономическое обоснование

6.1 Концепция

В рамках проекта по модернизации системы управления вертикально-фрезерного станка модели 6М610 было произведено внедрение промышленного контроллера вместо использующейся ранее релейно-контактной системы управления. Также в рамках этого проекта была произведена замена старого электропривода постоянного тока на новый привод переменного тока. Для увеличения точности по перемещениям в систему управления были внедрены точные датчики перемещения ЛИР158. Модернизация системы управления проводилась для увеличения точности и динамики перемещений рабочих органов станка. Внедрение нового электродвигателя переменного тока позволило уменьшить габариты и вес привода и двигателей.

Новая автоматизированная система управления на базе промышленного контроллера позволяет перейти к многостаночному обслуживанию. Это значит, что созданная система управления позволяет осуществлять движения рабочих органов в автоматическом режиме без участия оператора, что позволяет облегчить работу оператора и уменьшить непроизводительное время.

Для максимального удобства работы оператора все координаты осей были выведены на терминал поста оператора. Это позволяет оператору, не отлучаясь от пульта управления, проверять положение осей станка и управлять ими.

Вследствие различной сложности обрабатываемых поверхностей проведение расчета экономической эффективности проекта представляется трудоемким. Поэтому будет проводиться только расчет экономической эффективности для исполнителя проекта. Для этого необходимо вычислить разницу между затраченными и вырученными с проекта средствами.

6.2 Трудоемкость и календарный план

Перечисляя основные этапы НИР, условимся, что в непосредственной разработке принимают участие два человека - студент в роли исполнителя и дипломный руководитель - в качестве руководителя проекта.

Основные этапы дипломного проектирования:

1. Составление и утверждение ТЗ на дипломный проект: составление и утверждение ТЗ на разработку; создание общей концепции разрабатываемой системы управления.

2. Изучение ТЗ на дипломное проектирование: первичное ознакомление исполнителя с концепцией разрабатываемой системы; знакомство с объектом управления и принципами функционирования вертикально-фрезерного станка модели 6М610.

3. Выбор направления исследования: декомпозиция задания; выбор конкретных направлений работы для исполнителя.

4. Сбор и изучение научной документации: подборка и анализ литературы по соответствующей тематике микроконтроллерной техники; первоначальный анализ существующих разработок; постановка целей и задач для системы.

5. Разработка системы управления вертикально-фрезерного станка модели 6М610: расчет данных, необходимых для выбора основных средств автоматизации; моделирование системы; разработка сопутствующей документации (схем, чертежей).

6. Разработка алгоритмов управления СУ вертикально-фрезерного станка модели 6М610.

7. Подготовка пояснительной записки к дипломному проекту: разработка сопроводительной документации по проекту (создание дипломной записки).

8. Итоговый анализ результатов.

Календарный план проведения работ представлен в таблице 6.1.

Таблица 6.1.

№	Наименование	Трудоемкость, чел./дни
		Научный руководитель	Исполнитель (Дипломник)
1	Составление и утверждение ТЗ на дипломный проект	5	10
2	Изучение ТЗ на дипломное проект	-	7
3	Выбор направления исследования	-	5
4	Сбор и изучение научной документации	-	7
5	Разработка системы управления вертикально-фрезерного станка модели 6М610.	5	35
6	Разработка алгоритмов управления и компьютерной модели СУ вертикально-фрезерного станка модели 6М610	5	15
7	Подготовка пояснительной записки к дипломному проекту	4	15
8	Итоговый анализ результатов	2	5
9	Сдача проекта	1	1
ИТОГО:	22	100

Итоговые трудозатраты: 1. научный руководитель ? 22 чел./ дней; 2. исполнитель (студент) ? 100 чел./ дней.

6.3 Смета затрат на модернизацию

Основные статьи расходов:

1. «Материалы». Будем считать, что стоимость всех необходимых расходных материалов (в том числе канцелярии) равно 1000 руб.

Для модернизации системы управления вертикально-фрезерного станка модели 6М610 было закуплено оборудование фирмы «OMRON», состав которого и стоимость представлена в таблице 6.2.

Таблица 6.2

Наименование	Описание	Количество	Стоимость, руб
R88D-WT50HF	Сервопривод	2	185404
R88A-RWB003N	Кабель питания	2	13414
R88A-FIW4006	Разъем управления	1	4440
CJ1M-CPU22	Модуль центрального процессора ПЛК	1	23520
CJ1W-PA202	Модуль питания CPU	1	4879
CJ1W-CT021	Модуль счета	2	39649
CJ1W-ID261	Модуль дискретного ввода	1	15510
CJ1W-OD231	Модуль дискретного вывода	1	10785
NT31C-ST141	Программируемый терминал	1	56842
S8PS-15024CD	Источник питания 24 V	1	9832
S8PS-05005CD	Источник питания 5 V	1	4496
MY2	Реле 24 V	24	4604
PYF08A-E	Разъем под реле	24	2396
Итого:	375771

Цены в таблице 6.2 взяты из прайса «НПФ РАКУРС», которые указаны для покупателей.

· «Расходы на покупку или аренду специальное оборудования»: поскольку научно-исследовательская работа происходила в основном на кафедре, с использованием учебного оборудования и программного обеспечения, а также не возникал вопрос о покупке дополнительного оборудования, то статья расхода отсутствует.

· Расходы на оплаты труда: В разработке проекта принимали участие 2 человека: научный руководитель и исполнитель (студент). Будем считать, что оклад руководителя проекта равен окладу старшего научного работника (1 000 руб за 1 рабочий день), оклад исполнителя ? окладу младшего научного работника (800 руб за 1 рабочий день). Основной фонд оплаты труда складывается из суммы заработных плат всех участников проект:

= 1 000 руб/дн. * 22 дн.+ 800 руб/дн. * 100 дн=102 000 руб,

где - трудоемкость выполнения i-й технологической операции, нормо-ч; - часовая тарифная ставка рабочего, р/нормо-ч; - число технологических операций; дополнительная оплата труда составляет 12% от фонда основной заработной платы и равна:

=*12/100=102 000 руб * 0.12 = 12 240 руб,

итого: 102 000 руб + 12 240 руб. = 114 240 руб.

Отчисления на социальные страховые взносы. Отчисления на социальные страховые взносы складываются из отчислений в различные фонды: в пенсионный фонд РФ - 22%; в фонд социального страхования РФ - 2,9%; в фонд обязательного медицинского страхования - 5.1%. Таким образом отчисления на социальные нужды составляют 30 % от фонда основной заработной платы и равны:

=114 240 руб*30/100 = 34272 руб.

· Затраты по работам и задачам, выполняемым сторонними организациями: отсутствуют.

· Командировочные расходы: отсутствуют.

· Прочие прямые расходы: основным фактором, определяющим стоимость прочих прямых расходов является аренда оборудования; на основе ленточного графика, время аренды определяется как 50 ч.; стоимость арендной платы составляет 50 руб/час; таким образом, прочие прямые расходы равны 50 ч • 50 руб/час = 2 500 руб.

· Накладные расходы: определяются как 17 % от фонда общей заработной платы, и соответственно равны 19425,9 руб.

Смета затрат на модернизацию представлена в таблица 6.3.

Таблица 6.3.

№ п/п	Наименование статьи	Сумма, руб
1.	Материалы	376771
2.	Расходы на оплату труда	114 240
3.	Отчисления на социальные страховые взносы	34272
4.	Прочие прямые расходы	2 500
5.	Накладные расходы	19425,9
Себестоимость НИР	547208,9

7. Безопасность жизнедеятельности

Система управления вертикально-фрезерного станка модели 6М610 содержит следующие электрические и электронные устройства: преобразователь частоты; электродвигатели (сервомоторы, асинхронный двигатель главного движения, вспомогательные асинхронные двигатели); программируемый логический контроллер; программируемый терминал; периферийные устройства (датчики, реле, пускатели и т. д.).

Управление станком осуществляется от пульта оператора, содержащего кнопки (пуск и стоп станка и шпинделя, толчок шпинделя), рукоятку переключения скоростей, штурвал, аварийный грибок, выключатель освещения зоны обработки и сенсорную панель терминала. Согласно ПУЭ 1.1.3, горизонтально-расточной станок является электроустановкой и представляет собой совокупность машин, аппаратов, линий и вспомогательного оборудования, предназначенных для преобразования, трансформации, передачи, распределения электрической энергии и преобразования ее в другие виды энергии. Станок относится к классу электроустановок до 1кВ.

В отношении опасности поражения людей электрическим током, согласно ПЭУ 1.1.13. помещение цеха, где расположен станок относится к классу без повышенной опасности, так как отсутствуют условия, создающие повышенную или особую опасность: сырость или токопроводящая пыль; токопроводящие полы; высокая температура; химически активная или органическая среда; возможность прикосновения к корпусу оборудования и к заземленной конструкции.

7.1 Электробезопасность

Для организации электропитания станка необходимо 3-х фазное напряжение питания -380В с частотой 50Гц (питание преобразователя частоты -сервопривода и двигателя главного движения), однофазное напряжение питания -220В с частотой 50Гц (питание программируемого логического контроллера, источников питания и вспомогательных двигателей). Питание серводвигателя осуществляется от преобразователей частоты 3-х фазным напряжением -380В переменной частоты. Для организации электробезопасности станка предприняты следующие меры: а)электропитание осуществляется по 5 - проводной сети с глухо-заземленной нейтралью, при этом для питания преобразователя частоты используется 3 фазы (-380В), нейтраль и защитный провод (РЕ), глухо соединенный с землей; а для однофазного напряжения -220В - один фазный провод и нейтраль (N); б) согласно ГОСТ 14254-80 наличие напряжения на станке сигнализируется проблесковым маячком красного цвета; в)подача электропитания на станок осуществляется электромагнитным контактором, для включения которого используется ключ. Данная мера позволяет избежать подачи питания на станок при монтаже механизмов или преобразователя частоты; г) мощность преобразователя частоты с трехфазным питанием 380 В - 5 кВт. Для защиты от токов короткого замыкания и перегрузки электрических линий применены автоматические токовые выключатели на 20 А.

Для питания преобразователя частоты применен 4-х жильный кабель с 4 мм" сечением медных проводов. Питание сервомотора от сервопривода осуществляется специальным кабелем, поставляемым в комплекте.

Для защиты от токов короткого замыкания главного двигателя применен автоматический выключатель на 50 А.

Питание контроллера и источников питания на 5 и 24 вольта осуществляется через автомат рассчитанный на ток отключения 3А двухжильным кабелем с медными проводами сечением 1 мм². Все электрические кабели станка имеют двойную поливинилхлоридную изоляцию.

Подключение всех датчиков осуществляется при помощи специальных кабелей, входящих в комплект поставки и обеспечивающих защиту от агрессивной окружающей среды.

г) Для защиты от поражения электрическим током при прикосновении к токоведущим частям участков системы, применено устройство защитного отключения с номинальным отключающим дифференциальным током 30 мА.

д) защита от токов короткого замыкания в соединениях преобразователя частоты с электродвигателем осуществляется электронными системами самого преобразователя, а так же быстродействующими полупроводниковыми предохранителями.

е) предусмотрена защита от замыкания фазы на корпус станка защитным занулением;

ж) все кабели и провода станка имеют маркировку, что исключает неправильные подключения при монтаже. Так, входные цепи преобразователей обозначены: LI, L2, L3 - для трехфазных; LI, N - для однофазных сетей. Выходные цепи обозначены U, V, W.

з) предусмотрено аварийное отключение электропитания привода подач кнопкой красного цвета (так называемым грибком), находящимся на панели оператора. При возникновении любой аварийной ситуации система управления выдает на терминал аварийное сообщение.

Вертикально-фрезерный станок модели 6М610 относится к классу защиты человека от поражения электрическим током I, к которому относятся изделия, имеющие, по крайней мере, рабочую изоляцию и элемент для заземления.

7.2 Пожаробезопасность

При работе станка возможно возникновение пожара вследствие следующих причин:

- короткое замыкание в силовых и коммуникационных кабелях;

- искрение при работе коммутационной аппаратуры;

- наличие вблизи станка пожароопасных веществ;

- искрение при плохом контакте в клеммных колодках.

Пожарная безопасность должна обеспечиваться в соответствии с ТЕХНИЧЕСКИМ РЕГЛАМЕНТОМ О ТРЕБОВАНИЯХ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ (Федеральный закон от 22 июля 2008 г. №123-ФЗ), а также Правилами устройства электроустановок (ПУЭ), ГОСТ 12.2.007.0-75, ГОСТ 12.1.004-91, ГОСТ 12.1.010-76. В соответствии с этим приняты следующие меры:

а) вблизи станка запрещено хранить и использовать пожароопасные вещества;

б) станок размещен в цеху с постоянной температурой и влажностью, воздушная среда не содержит агрессивных компонентов и пожароопасной пыли;

в) вся коммутационная аппаратура имеет герметичный корпус, что исключает возможность возникновения искрения при коммутациях;

г) сечение проводов выбрано в соответствии с ГОСТ 6323-79 в расчете 8А на 1 мм² проводника, провода уложены в защитных рукавах;

д) все клеммы и силовые устройства располагаются в шкафах, оборудованных герметичными и влагостойкими корпусами и дверцами;

е) помещение, где расположен станок (заводской цех), оборудовано звуковой пожарной сигнализацией и средствами пожаротушения (углекислотными огнетушителями ОУ5, ОУ10).

7.3 Разработка средств защиты от механического травмирования

Вертикально-фрезерный станок модели 6М610 предназначен для точной обработки крупногабаритных деталей и состоит из множества узлов. Узлы станка приводятся в движение электродвигателями. При этом надо понимать, что вспомогательные движения осуществляются с помощью нерегулируемых приводов, а точные рабочие и установочные перемещения осуществляются сервоприводом, который через редуктор приводит в движение передачу винт-гайка. Для защиты человека от механического травмирования предприняты следующие меры:

согласно ГОСТ 12.2.062-81 все вращающиеся элементы станка за исключением расточного шпинделя (валы двигателей, редукторы, механизм переключения скоростей главного двигателя) ограждены откидными кожухами. Данное ограждение не ограничивает технологических возможностей оборудования и его обслуживания;

ограждение не является источником опасности;

ограждение откидное, и в защитном положении удерживается от самопроизвольного перемещения винтами;

конструкция и крепление ограждения должны исключать возможность случайного соприкосновения человека и ограждения с ограждаемыми элементами;

ограждение, крепящееся на корпусе, должно составляет органическое целое со станком, и соответствовать требованиям технической эстетики и ГОСТ 12.2.003-74.

К тому же станок оборудован кнопками аварийной остановки, расположенными в разных местах, что обеспечивает своевременное отключение питание главного двигателя и преобразователя частоты при возникновении аварийной ситуации. При нажатии этой кнопки происходит отключение питания преобразователя частоты и двигателя, остановка всех движений, а так же на терминале появляется сообщение системы управления о возникновении аварийной ситуации.

Конструкции станка лишены острых и режущих кромок, выступающих деталей и углов.

7.4 Освещение производственного помещения

Оператор станка работает с пультом управления, содержащим жидкокристаллический экран, согласно САНПИН 2.2.2/2.4.1340-03:

помещение имеет естественное и искусственное освещение;

монитор оператора жидкокристаллический (LCD), следовательно, площадь рабочего места должна составлять не менее 4,5 кв. м;

пульт оператора размещен таким образом, чтобы терминал оператора был ориентирован боковой стороной к световым проемам, чтобы естественный свет падал преимущественно слева. Также для удобства работы терминал смонтирован на специальной штанге, что позволяет вращать его вокруг вертикальной оси;

экран имеет встроенную подсветку, поэтому светильник местного освещения не требуется, к тому же в настройках терминала можно отрегулировать яркость и контрастность экрана;

показатель ослепленности источников общего искусственного освещения не превышает 20;

в качестве источников света при искусственном освещении применены люминесцентные лампы типа ЛБ и компактные люминесцентные лампы (КЛЛ);

для обеспечения нормируемых значений освещенности в помещении планируется проводить чистку стекол оконных рам и светильников не реже двух раз в год и проводить своевременную замену перегоревших ламп;

- освещенность на рабочем месте оператора соответствует санитарным нормам и правилам для работы с жидкокристаллическими экранами и составляет не менее 300 лк.

7.5 Шум

При работе вертикально-фрезерного станка модели 6М610 источниками шума являются электродвигатели и инструмент, обрабатывающий деталь. Пульт оператора находится в 2-5 метрах от источников шума.

Максимальные шумовые параметры электродвигателя в соответствии с DIN 45635 и документацией приведены в таблице 7.1.

Таблица 7.1

Уровень звукового давления, дБ	Уровень звуковой мощности, дБ
65	70

Режим работы использования электродвигателей - 8 часов в день. Шум является непостоянным - колеблющимся (разно уровневым) из-за наличия различных режимов работы. Согласно ГОСТ 12.1.003-83, для типа помещения, где эксплуатируется станок, эквивалентный уровень звука не превышает предельно допустимого в 80 дБА.

7.6 Вибрация

При работе вертикально-фрезерного станка модели 6М610 источником вибрации является электродвигатель. Интенсивность собственной вибрации серводвигателей в соответствии с ГОСТ 12.1.012-90 характеризуется их вибрационной скоростью. При разработке была выбрана машина с наименьшей вибрацией, но удовлетворяющая требованиям по моменту, скорости и мощности. Эксплуатация станка подразумевает:

исключительное соблюдение правил и условий эксплуатации электромашин и введения технологических процессов, использованием машин только в соответствии с их назначением;

поддержанием технического состояния машин, параметров технологических процессов и элементов производственной среды;

своевременным проведением планового и предупредительного ремонта машин;

совершенствованием режимов работы машин и элементов производственной среды, исключением контакта работающих людей с вибрирующими поверхностями за пределами рабочего места;

контроль качества машин должен проводиться при контрольных испытаниях в соответствии с ГОСТ 15.001, а также при сертификационных испытаниях машины на безопасность;

оператор находится на расстоянии не менее 2 м от источников вибрации на рабочем месте, располагающемся на бетонном полу, вибрация не передается на рабочее место оператора. Уровень вибрации на рабочем месте оператора соответствует САНПИН 2.2.2/2.4.1340-03. Никаких защитных мер от вибрации применять не требуется.

7.7 Программные защиты

Управляющая программа осуществляет контроль выполняемых процессов и состояния периферийного оборудования. Это осуществляется в соответствии с рабочими режимами с помощью различного рода датчиков, контролирующих взаимное положение узлов. В случае сбоя датчика или поломки механизма, участвующего в движении, контроллер выдает аварийный сигнал, отключает питание преобразователя частоты (посредством магнитного пускателя), прекращает все движения и выдает на пульт оператора (терминал) аварийное сообщение.

Так же преобразователь частоты оснащен встроенным процессором, который контролирует все параметры двигателя. В случае перегрузки, перегрева или срабатывания внутренних защит преобразователя происходит разрыв питания преобразователя магнитным пускателем. К тому же в управляющей цепи привода (питающей внутренние цепи управления) стоит контакт реле, питание катушки управления которого заведено на встроенный выход преобразователя. Этот выход выдает сигнал в 24 В постоянного напряжения в случае, если сервопривод не обнаруживает ошибок в собственной работе. В целом станок отвечает всем требованиям по безопасности работы обслуживающего персонала и оператора.

Заключение

В рамках проекта по разработке системы управления вертикально-фрезерного станка модели 6М610 производился выбор привода подачи рабочих органов по мощности и моменту, выбор датчиков положения, промышленного контроллера и его модулей, а так же разработка алгоритмов работы различных агрегатов станка внутри общей системы управления. Высокие динамические характеристики сервопривода позволили повысить глубину регулирования по скорости до величины 1:10000, а использование дублированного управления (по цифровому и аналоговому каналам) позволило повысить надежность всей системы и использовать в работе необходимые режимы (поддержание постоянной скорости резания и точное позиционирование). Использование высокопроизводительного промышленного контроллера позволит создавать алгоритмы, которые работают параллельно, а так же быстро реагировать на создавшиеся ситуации.

Использование высокоточных электронных линеек позволило повысить точность перемещений станка до 0,01 мм.

Разработанная компьютерная модель и проведенные исследования динамических характеристик системы управления электроприводом показали, что выбранные средства автоматизации обеспечивают заданные технические характеристики.

Также в разработанной системе управления оставлен резерв для дальнейшего развития. Используемый промышленный контроллер имеет широчайшую номенклатуру специальных модулей, которые позволяют организовывать связь с верхними уровнями управления, управлять движениями рабочих органов еще более точно, организовывать связь между контроллерами и многое другое. В связи с этим разработанная система управления является конкурентоспособной не только в рамках произведенной модернизации.

Список использованных источников

Технический паспорт вертикально-фрезерного станка модели 6М610.

Г. Г. Соколовский Электроприводы переменного тока с частотным регулированием .- М.: Издательский центр ?Академия?, 2006 г.

Прокопов А. А., Татаринцев Н.И., Цирлин Л.А. Применение программируемых контроллеров для управления технологическим оборудованием: Учеб. Пособие/ГЭТУ. - С-Пб., 2001. 75 с.

3. Прокопов А. А., Татаринцев Н.И., Цирлин Л.А. Компьютерные технологии автоматизации: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2003. 75 с.

4. ГОСТ 50369-92. Электроприводы. Термины и определения. - М.: Изд-во стандартов, 1993.

5. Москаленко В. В. Электрический привод: Учеб. Пособие для студ. учреждений сред. Проф. Образования. - М.: Мастерство, Высшая школа, 2000.

6. Automation Systems - OMRON General Catalogue 2011.

7. Industrial components and sensors - General Catalogue. Omron Europe B. V. 2001. 1115c.

8. CJ1M-CPU22/23 Модули CPU CJ1M - Руководство по эксплуатации (W395-RU-1)

9. CS1 & CJ1 series Programmable Controllers - Instruction Reference Manual (W340-E1-07)

10. Motion & Drives - OMRON General Catalogue 2011

11 . NT31 and NT31С Programmable Terminals - Setup Manual (V062-E1 -1)

12. NT31, NT31С, NT631 and NT631С Programmable Terminals - Reference Manual (V064-E1-1)

13. H.Omnuc W Series - User's Manual (I531-E2-2)

14.Чиликин М. Г., Сандлер А. С. - Общий курс электропривода: учебник для ВУЗов. - 6-е изд., доп. и перераб. - М.: Энергоиздат, 1981.

15. Системы ЧПУ, электроприводы, двигатели, соединительная техника для станков и обрабатывающих машин. Sinumerik & Simodrive - Каталог NC60-2002.

16. Михайлов О. П. Динамика электромеханического привода металлорежущих станков. - М.: Машиностроение, 1989.

17. Серия CS/CJ - Модули аналогового ввода/вывода - Руководство по эксплуатации (W345-RU-1).

18. CJ1 W-CT021, Блоки высокоскоростных счетчиков - руководство по эксплуатации (W401-RU-1)

19. Преобразователи линейных перемещений фирмы СКБ ИС - каталог 2010.

20. Преобразователи угловых перемещений фирмы СКБ ИС - каталог 2010.

21. Электротехнический справочник: В 3 т. Т. 1 Э45 Общие вопросы. Электротехнические материалы/Под общ. ред. профессоров МЭИ В. Г. Герасимова и др. - 7-е изд., испр. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1985.

22. Электротехнический справочник: В 3 т. Т. 2 Э45 Электротехнические устройства/Под общ. ред. профессоров МЭИ В. Г. Герасимова, П. Г. Грудинского, Л. А. Жукова и др. - 6-е изд., испр. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1981.

Размещено на Allbest.ru