Ленточная пилорама "Мастер 2000-04"

Размещено на http://www.allbest.ru/

• Оглавление
• Введение
• 1.Характеристика мехатронных систем позиционирования ленточных пилорам
• 1.1 Наиболее известные модели ленточные пилорамы
• 1.1.1 Мехатронная система позиционирования ленточной пилорамы «Кедр»
• 1.1.2 Мехатронная система позиционирования ленточной пилорамы «Тайга»
• 1.2 Анализ конструкции механической части ленточной пилорамы
• 1.3 Конструктивные особенности ленточной пилорамы
• 1.4 Конструкция электромеханической системы позиционирования ленточной пилорамы «Мастер 2000-04»
• 1.5 Принцип работы пилорамы «Мастер 2000-04»
• 1.6 Кинематическая цепь привода вертикальных перемещений пильной головки пилорамы «Мастер 2000-04»
• 1.7 Постановка задачи автоматизации управления приводом вертикальных перемещений
• 2.Проектирование конструкции системы автоматизированного управления
• 2.1 Разработка функциональных требований к системе управления
• 2.2 Выбор и обоснование компонентов системы управления
• 2.2.1 Выбор электротехнических элементов
• 2.2.2 Выбор модели промышленного контроллера
• 2.2.3 Выбор конструкции и модели энкодера
• 2.2.4 Выбор преобразователя частоты
• 2.3 Подготовка лабораторного стенда для моделирования работы системы
• 2.4 Программирование режимов работы системы управления
• 2.4.1 Режим настройки параметров управления
• 2.4.2 Рабочий режим программы
• 2.4.3 Ручной режим управления приводом
• 2.5 Алгоритм экстренной остановки привода
• 2.6 Отображение информации о перемещениях
• 2.7 Привязка логических переменных управляющей программы к физическим выходам контроллера
• 2.8 Управление скоростью вращения привода
• 3.Обоснование экономической эффективности системы автоматизации
• 3.1 Технико-экономическое обоснование внедрения системы автоматизации процесса
• 3.2 Определение экономической эффективности
• Заключение
• 4.Безопасность и экологичесность проекта Введение
• 4.1 Анализ опасных и вредных производственных фактора
• 4.1.1 Мероприятия по технике безопасности
• 4.1.2 Пожарная безопасность
• 4.2 Расчет заземления
• 4.3 Безопасность жизнедеятельности в чрезвычайных ситуациях
• 4.3.1 Ионизирующие излучения
• 4.3.2 Оценка устойчивости работы мехатронной системы при воздействии ионизирующих излучений
• Заключение
• Список литературы
• Приложение
• Введение
• Для производства шпал применяется древесина, в основном, хвойных пород; из них около 80% занимают сосна и лиственница. Реже для этих целей используется береза, хотя в последнее время объемы ее использования растут в связи с дефицитом хвойных пород. Сырьем для шпалопиления является шпальный кряж, отбираемый из комлевой части ствола, с диаметром от 26 до 90 см и выше.

Вся продукция шпалопиления по назначению подразделяется на две основные группы: для внутригосударственного потребления и для экспорта. Экспортная продукция, а к ней относятся шпалы различной ширины колеи, слиперы и полуслиперы, изготавливается по спецификациям заказчика, его техническим условиям и чертежам. Как правило, эти условия отличают повышенные по сравнению с отечественными ГОСТами требования к качеству древесины, геометрическим допускам, чистоте обработки, поэтому производство это более трудоемко, но при достаточно высокой технологической культуре довольно выгодно. Основными потребителями нашей шпалопродукции являются Китай, Пакистан, Монголия, Турция и Иран.

Обеспечение потребности железной дороги в качественной шпальной продукции возможно при использовании высокотехнологических систем обработки древесины.

Ленточная пилорама «Мастер 2000-04» является серийно выпускаемым изделием, обладает хорошими эксплуатационными характеристиками и пользуется устойчивым спросом. Её основным недостатком на сегодняшний день является полностью ручное управление процессом пиления, за счёт чего возникают сложности получения продукции с высокими точностными параметрами.

1.Характеристика мехатронных систем позиционирования ленточных

1.1 Наиболее известные модели ленточные пилорамы

1.1.1 Мехатронная система позиционирования ленточной пилорамы «Кедр»

Ленточные пилорамы "Кедр" предназначены для распиловки бревен любых пород древесины на брус, брусок, шпалу, обрезные и необрезные доски, шпон (толщиной до 1 мм), рейки и т.п. Ленточные пилорамы "Кедр-2, 3, 4" распускают бревна в диаметре до 1100 мм.

Пилорамы имеют достаточно простой пульт управления, состоящий из двух выключателей: выключатель привода пилы и выключатель привода позиционирования пильного механизма. Вид пульта управления пилорамы

Отсчет координаты пильного механизма осуществляется с помощью мерной миллиметровой линейки и красного металлического флажка.

В кинематической цепи привода пильного механизма используется электродвигатель, редуктор и цепи. Эти устройства не обеспечивают сами по себе точного позиционирования. Пульт управления не позволяет осуществлять плавный запуск привода и его торможения.

1.1.2 Мехатронная система позиционирования ленточной пилорамы «Тайга»

Малогабаритная пилорама с электроприводом, предназначенная для распиловки круглого леса на доски, брус и т.д.

Характеризуется надёжной конструкцией, устойчивостью в пропиле (отсутствие волны), возможностью качественно обрабатывать небольшие диаметры пиловочника, невысокой ценой, низким энергопотреблением, габаритами позволяющими транспортировать в разобранном виде в микроавтобусе, ГАЗели.

Данная модель пилорамы имеет привод позиционирования пильного механизма. Отсчет координаты ведется с помощью металлической линейки.

Преимуществом рассмотренного механизма является использование ручного привода. Это позволяет достаточно точно выставлять заданную координату пильного механизма.

Недостатком ручного привода является больший интервал времени позиционирования, по сравнению с электрическими приводами. Как следствие этого - невысокая производительность пилорамы.

1.2 Анализ конструкции механической части ленточной пилорамы

Бревно фиксируется между двух направляющих ленточной пилорамы. По направляющим, вдоль бревна, перемещается каретка с горизонтальной пильной головкой. Толщина получаемого материала выставляется оператором по его усмотрению с помощью кнопки на пульте управления. Пила приводится в движение с помощью электромотора.

Конструктивная схема ленточной пилорамы построена по блочному принципу, допускающему наращиваемость вариантов компоновки конструкции от самой простой (с ручной подачей) до самой сложной, оснащенной автоматической подачей пильной головки, визуальныи индикатором токовых нагрузок, автоматическим выставлением толщины резания, гидравлическими механизмами подачи и кантования пиловочника, программируемой электронной системой и т.д.

Центр тяжести ленточной пилорамы расположен максимально близко к земле, обеспечивая необходимую устойчивость.

Для обеспечения стабильности размеров получаемого пиломатериала, отсутствия (или сведения к минимуму) низкочастотных вибраций, работоспособности ленточной пилорамы в течение всего срока ее эксплуатации (защиты от различного рода механических повреждений) и т.д. масса установки превышает как минимум в 1.5 раза массу распиливаемого пиломатериала;

Рельсовый путь ленточной пилорамы состоит из трех секций по 3 м длиной, обеспечивающих в базовом варианте поставки распиловку бревен длиной до 7 м и более. Разборная конструкция рельсового пути облегчает транспортировку оборудования и позволяет удлинять рельсовый путь за счет пристыковки дополнительных секций. По жесткости и механической прочности рельсовый путь ленточной пилорамы "Мастер 2000-05" не имеет аналогов в своем классе. Стыковочные устройства обеспечивают максимальную механическую прочность соединения секций

Конструкция рельсового пути ленточной пилорамы обеспечивает развязку конструкции рамы и направляющих портала станка и дает возможность регулировки (даже в случае механической деформации силовой рамы) как по плоскости расположения направляющих, так и по ширине их взаимного расположения, а также обеспечивать возможность размещения установки на склонах с углом до 15°. Рельсовые направляющие изготовлены из специального высококачественного профиля, идеально соотвествующего своему назначению.

Для обеспечения простоты настройки и стабильности положения ленточной пилы на ведущем и ведомом шкивах в процессе работы силовая конструктивная схема ленточнопильной головки гарантирует стабильность размеров практически во всем диапазоне силы натяжения ленточной пилы (в отличие от ленточнопильных головок с консольной силовой схемой и консольной системой подвески ведущего и ведомого колес).

В качестве режущего инструмента ленточной пилорамы "Мастер-2000-05" используется ленточная пила шириной до 60 мм, допускающая (для получения качественной поверхности пиломатериалов) скорость протяжки до 40 м/сек (приблизительно в 1.5 больше традиционно используемых скоростей).

Ленточные пилы шириной 50-60 мм выбраны нами для серийной модели из соображений разумной целесообразности. Они, с одной стороны, дают такой же тонкий пропил и чистую поверхность, как и более узкие пилы (32-38 мм), а с другой стороны, имеют гораздо больший ресурс и значительно устойчивее узких пил за счет большей площади опоры на шкив и большей силы натяжения (~2,8 т).

В отличие же от более широких пил (от 70 и шире) ленточные пилы, предлагаемые нами, нет необходимости вальцевать. Вальцовка пил - это технологически сложный, профессиональный процесс, требующий специального дорогостоящего оборудования и опытных специалистов.

Пилы, используемые на нашей ленточной пилораме, достаточно просты в подготовке к работе. Весь процесс подготовки состоит из заточки и развода зубьев пилы.

Если конструкция ленточной пилорамы продумана и выполнена грамотно, то нет принципиальных преимуществ в использовании широких (от 70 мм) ленточных пил. К тому же цена ленточной пилорамы, рассчитанной на широкие пилы, значительно выше.

Ленточная пилорама "Мастер 2000-05" с успехом пилит древесину любых пород (в том числе лиственницу), мерзлую древесину и т.д.

Органы управления и контроля за работой ленточной пилорамы расположены со стороны ведомого шкива таким образом, чтобы максимально упростить процесс управления установкой.

Мерная линейка обеспечивает измерение толщины получаемых пиломатериалов, как в прямом, так и в обратном направлениях.

Зона резания находится в секторе видимости оператора, может иметь локальную подсветку и располагается на комфортной высоте - приблизительно на уровне пояса оператора. Это также упрощает загрузку бревен и снятие готовых пиломатериалов. Безопасность работы обеспечивается жесткими металлическими кожухами.

Манипуляции с распиливаемым бревном (перевороты, выбор конусности, зажим) в зависимости от выбранной Вами комплектации ленточной пилорамы могут производиться либо вручную, либо с применением гидравлических механизмов.

Встроенная система подачи смазывающей жидкости предотвращает налипание опилок на пильные шкивы, а следственно продлевает срок службы ленточных пил.

Подвеска промежуточного кабеля питания электродвигателей исполнительных агрегатов ленточной пилорамы расположена со стороны ведущего колеса и не создает помех при загрузке бревна и его распиловке.

Силовая конструкция портала ленточной пилорамы изготовлена из прочного специального профиля. Конструкция отличается высокими собственными характеристиками, что обеспечивает жесткость и стабильность работы станка по основным параметрам в самых суровых условиях эксплуатации.

Плавность регулировки хода и скорости подачи портала ленточной пилорамы важна для корректировки режимов пиления в зависимости от типа древесины, степени изношенности режущего инструмента и т.д. Это значительно повышает эксплуатационные характеристики ленточной пилорамы. По желанию заказчика ленточная пилорама "Мастер 2000-05" может быть укомплектована автоматическим преобразователем частоты, который дает возможность регулировать обороты двигателя и тем самым плавно регулировать скорость. Возврат портала ленточной пилорамы происходит с увеличенной (также регулируемой) скоростью. Это особенно важно для сокращения времени обработки и при наличии в циклограмме работы холостого хода.

Очистка рельсового пути ленточной пилорамы от налипающих смолосодержащих опилок предусмотрена на каждом из четырех роликов.

Регулировка положения любого колеса портала позволяет обеспечить гарантированную установку ленточной пилорамы на "четыре точки". Регулировка колес позволяет варьировать длину ленточной пилы.

Подъем и опускание пильной головки ленточной пилорамы производится посредством замкнутой цепной двухрядной передачи с приводом от червячного мотора-редуктора (пр-ва Италии), обеспечивающего отсутствие люфтов, надежную фиксацию пильной головки в нужном положении и ее точную (до 0.25 мм) настройку по заданной высоте.

1.3 Конструктивные особенности ленточной пилорамы

Зубья ленточной пилы заходят в бревно не одновременно, а последовательно, поэтому не происходит ударной нагрузки на пилу ленточной пилорамы , что значительно продлевает срок ее службы и исключает "волну" даже в начале запила; усилие при распиловке уменьшается; скорость пиления на ленточной пилораме значительно увеличивается.

Более рационально используется мощность двигателя ленточной пилорамы; большее количество зубьев участвует в распиле;

Зубья пилы входят в бревно всей режущей кромкой, поэтому улучшается и качество поверхности пиломатериала (проявляется эффект частичного строгания поверхности).

Преимущества ленточной пилорамы с электродвигателем перед пилорамой с двигателем внутреннего сгорания:

Низкий уровень шума при работе ленточной пилорамы

· отсутствие выхлопных газов (ленточную пилораму можно устанавливать в закрытом помещении);

· низкий уровень вибрации ленточной пилорамы;

· низкая стоимость эксплуатации ленточной пилорамы (по сравнению с бензиновыми или дизельными двигателями);

· больший моторесурс;

· низкая стоимость ленточной пилорамы;

· отсутствие необходимости в профилактических работах, например замене масла и т.п.;

· возможность эксплуатации ленточной пилорамы в режиме 2 - 3-х сменной работы.

Пильный станок расположен под углом 10° по отношению к оси бревна, что позволяет значительно увеличить скорость и качество пиления и уменьшить нагрузку на ленточную пилу и двигатель ленточной пилорамы.

Силовой "скелет" конструкции ленточнопильного станка «Мастер 2000-04» обеспечивает надежную стабилизацию его размеров в продольном и поперечном направлениях при силах натяжения ленточной пилы в сумме (по рабочему и пассивному плечу) до 10 тонн (с двукратным запасом). Это позволяет существенно расширить диапазон размеров используемых ленточных пил: по ширине: 38 - 60 мм, по толщине: 0,6 - 1,2 мм.

Ленточные пилы. В зависимости от пожеланий заказчика ленточная пилорама "Мастер 2000-04" может быть укомплектована ленточными пилами различных производителей, шириной от 38 до 60 мм. Поставляемые пилы могут быть ориентированы на распиловку различных пород древесины, в том числе сухой, мерзлой и мороженой. На шкивах такого большого диаметра, как на ленточной пилораме "Мастер 2000-04" (850 мм) можно с успехом использовать любые ленточные пилы, так как шкивы большого диаметра в первую очередь влияют на срок службы пилы.

Комплекс особенностей конструкции ленточной пилорамы «Мастер 2000-04» позволяет производить точное натяжение ленточной пилы (с гидравлическим контролем силы натяжения по манометру) и ее ориентацию относительно плоскости распила. Благодаря большому диаметру пильных шкивов, любые пилы служат дольше.

Ленточные пилы для ленточной пилорамы "Мастер 2000-04":

· длина: 6710 мм;

· ширина: 51 мм;

· толщина: 1 - 1,07 мм;

· шаг зуба пилы: 25 мм;

· тип зубьев пилы: разведённые.

Простота замены ленточной пилы и безопасность обслуживающего персонала ленточной пилорамы обеспечивается пассивным лентоулавливающим устройством и надежно запирающимися кожухами ведомого и ведущего шкивов.

Устойчивость ленточной пилы в процессе распила обеспечивается специальными щелевыми фиксаторами (стационарным и подвижным).

Ленточная пилорама «Мастер 2000-04» обладает таким соотношение пропорций размеров ведущего колеса и приводного шкива, которое обеспечивает увеличенную по сравнению с существующими аналогами скорость протяжки ленточной пилы, которая составляет 40 м/сек, обеспечивая тем самым лучшие условия эксплуатации пилы, меньшие значения линейной подачи на зуб, лучшее качество поверхности получаемых пиломатериалов, и облегчая процесс распиловки.

Ведущий и ведомые шкивы (колеса) ленточной пилорамы производятся токарной обработкой из листовой высококачественной стали и проходят как статическую, так и динамическую балансировку. Это позволяет устранить биение и манипулировать вибрацией ленточной пилорамы. Диаметр шкивов составляет 850 мм, что позволяет обеспечить все возможные условия, необходимые для обеспечения эксплуатационной долговечности любых ленточных пил. Пильные шкивы оснащены дополнительными устройствами очистки их поверхности от налипания опилок.

Для уменьшения инерционности ведомого шкива его масса по сравнению с массой ведущего шкива уменьшена приблизительно в 1,5 раза.

Регулировка осей ведущего колеса в вертикальном, горизонтальном, продольном и поперечном направлениях, а ведомого в горизонтальном и вертикальном направлениях обеспечивают гарантированную работоспособность механизма пиления на протяжении всего срока эксплуатации ленточной пилорамы.

Надежность подвески осей ведущего и ведомого колес ленточной пилорамы обеспечивается подшипниками с гарантированной наработкой на отказ до 60 тыс. часов.

Патрубок выброса опилок обеспечивает локальный выброс до 95% опилок, образуемых в результате пиления и их складирования в специальный бункер (не входит в базовый комплект поставки ленточной пилорамы).

На ленточной пилораме «Мастер 2000-04» предусмотрена локальная подсветка рабочего места оператора ленточной пилорамы двумя прожекторами.

Продукция проходит жесткую приемку по стандартам военно-промышленного комплекса.

Совокупность цены и качества делают ленточную пилораму "Мастер 2000-04" наиболее привлекательной даже для самого взыскательного покупателя. Ленточная пилорама "Мастер 2000-04" позволит 4 производить пиломатериалы, полностью удовлетворяющие Российским экспортным и зарубежным стандартам качества.

1.4 Конструкция электромеханической системы позиционирования ленточной пилорамы «Мастер 2000-04»

Ленточнопильная пилорама «Мастер 2000-04» состоит из двух основных частей: станины, на которое укладывается бревно и пильной головки с установленной на ней ленточной пилой. Общий вид пилорамы представлен на рисунке 1.4. Пильная головка по рельсовым направляющим перемещается в горизонтальном направлении по всей длине станины. Привод перемещения в данном направлении отсутствует, поэтому используется ручная сила оператора пилорамы.

На пильной головке размещаются приводы ленточной пилы и механизма вертикальных перемещений. Управление этими приводами осуществляется с помощью пульта управления, расположенного на поручне пильной головки.

На рисунке 1.5 представлен внешний вид штатного пульта управления, серийно устанавливаемого на пилораму.

Рисунок 1.5 - Общий вид штатного пульта управления

1 - кнопка включения привода пилы; 2 - кнопка включения привода подрезающей головки; 3 - индикатор включения питания; 4 - тумблер управления подрезающей головкой; 5 - выключатель питания; 6 - зарезервированный разъем; 7 - разъем подключения пульта в электрическую цепь пилорамы; 8 - тумблер управления вертикальными перемещениями пильной головки; 9 - кнопка выключения привода пилы; 10 - кнопка выключения привода подрезающей головки; 11 - тумблеры включения прожекторов общего освещения.

Управление вертикальными перемещениями пильной головки осуществляется с помощью тумблера 8 (см. рис. 1.5). Оператор перемещает тумблер в верхнее положение для перемещения пильной головки вверх или в нижнее положение - для перемещения вниз. Во время движения оператору необходимо удерживать тумблер в нужном положении до тех пор, пока пильная головка не займет нужную позицию.

Измерение координаты пильной головки в вертикальной плоскости осуществляется с помощью металлической линейки с ценой деления 1 мм. Для упрощения чтения отсчетов по линейке используется лупа.

Точное перемещение пильной головки в нужную координату достигается путем ручного вращения вала привода вертикальных перемещений.

1.5 Принцип работы пилорамы «Мастер 2000-04»

Конструкция пилорамы схематично изображена на рисунке 1.6, где также с помощью стрелок показаны направления движения ее компонентов.

Рисунок 1.6 - Схематичная иллюстрация работы пилорамы «Мастер 2000-04»

Рассмотрим алгоритм работы пилорамы. В исходном положении оператор выставляет пильную головку на нужном уровне, соответствующем нужной толщине доски. Включает привод пилы и перемещает пильный станок вдоль станины, выполняя пиление бревна. По достижении края бревна оператор выключает привод, поднимает пильную головку и перемещает станок на исходную позицию. Этот цикл повторяется до достижения положения пильной головкой крайнего нижнего уровня.

Для измерения перемещений пильной головки в вертикальном направлении используется металлическая линейка и механический маркер. Линейка закреплена вертикально на неподвижной части станка. Маркер жёстко связан с пильной головкой. Для удобства снятия отсчётов оператором, используется увеличительное стекло.

Управление приводом вертикального перемещения осуществляется при помощи тумблера, который имеет три позиции: «вверх», «выключено» и «вниз».

При выполнении позиционирования, оператор переводит тумблер в положение «вверх» или «вниз» и следит за перемещением маркера вдоль линейки. Когда маркер достигает нужной отметки, оператор переводит тумблер в положение «выключено».

Такая технология работы имеет существенный недостаток - низкая производительность труда оператора пилорамы за счёт больший потерь времени во время выставления пильной головки на нужный уровень. Опыт показывает, что внедрение автоматизированной системы измерения перемещений и позиционирования пильной головки приводит к увеличению производительности труда на 10-15% [1].

1.6 Кинематическая цепь привода вертикальных перемещений пильной головки пилорамы «Мастер 2000-04»

На рисунке 1.8. показан внешний вид пильной головки, которая закреплена на каркасе с помощью цепей и способна перемещаться вверх и вниз по роликовым направляющим.



Рисунок 1.8 - Внешний вид пильной головки

Предварительный анализ показывает, что обеспечению высокой точности позиционирования препятствуют динамические характеристики объекта управления и конструкция кинематической цепи, которая приводит ее в движение.

Для получения более полного представления об объекте управления проведен анализ основных его компонентов и сформировано упрощенное представление объекта управления.

На рисунке 1.9 схематично показано принципиальное устройство конструкции кинематической цепи привода вертикальных перемещений. Указанный рисунок содержит вид левой боковой проекции.



Рисунок 1.9 - Принципиальная схема устройства кинематической цепи привода вертикальных перемещений пильной головки

Из рисунка видно, что пильная головка, вес которой составляет приблизительно 200 кг, симметрично закреплена на цепях, расположенных с обеих сторон.

Вся конструкция приводится в движение с помощью электродвигателя, подключенного к кинематической цепи через понижающий редуктор.

Исследование динамических характеристик выявило следующие особенности, которые следует учитывать при разработке автоматизированной системы управления:

• большая дискретность хода привода позиционирования (перемещение пильной головки при наименьшем управляющем импульсе составляет 5 мм);

• нестабильные динамические характеристики, зависящие от температуры масла в редукторе (движение по инерции вниз может составлять величину от 3 до 5 мм).

Большой размер шага позиционирования (значительно превышающий максимально требуемую допустимую абсолютную погрешность) объясняется тем, что в кинематической цепи используется обычный электродвигатель. При подаче напряжения на его вход он за короткое время резко набирает обороты и развивает максимальную скорость движения. При отключении напряжения двигатель продолжает вращаться по инерции. Вследствие этого наблюдается заметная инерционность механической системы.

Поэтому, даже для минимального отрезка времени, в течение которого тумблер находится в крайнем положении, перемещение пильной головки составляет величину, значительно превышающую допустимую погрешность.

Редуктор, используемый для понижения частоты оборотов электродвигателя и повышения момента силы, также является источником погрешности.

Экспериментальные пуски показали, что вносимая редуктором погрешность является несистематической и случайной. Удалось выявить основной фактор, который влияет на величину погрешности - температура масла в редукторе.

С повышением температуры уменьшается вязкость масла. Вследствие этого уменьшаются силы сопротивления вращению шестеренок редуктора, что повышает инерционность системы.

Температура масла повышается при увеличении времени работы привода. Изменение инерционности механической системы происходит по нелинейному закону, исследование которого затруднительно и нецелесообразно.

В электрической цепи отсутствует элемент плавного запуска привода и регулирования скорости его движения. Это не дает возможности плавно останавливать движение пильной головки при приближении к требуемой отметке. В механической системе отсутствуют механизмы принудительного торможения пильной головки.

Торможение осуществляется только силами трения элементов кинематической цепи.

1.7 Постановка задачи автоматизации управления приводом вертикальных перемещений

Из изложенного выше видно, что существующий на сегодняшний день способ задания толщины доски существенно ограничивает производительность лесопильной установки, является достаточно трудоемким, а также допускает влияние «человеческого фактора» на качество продукции.

Очевидно, что разработка и внедрение электронной системы управления вертикальными перемещениями пильной головки позволит повысить производительность установки и обеспечить стабильно высокое качество готовой продукции. Опыт показывает, что внедрение автоматизированной системы измерения перемещений и позиционирования пильной головки приводит к увеличению производительности труда на 10-15% [3].

Задача состоит в конструировании шкафа управления, дополнительного к штатной системе. При отключении или выходе из строя автоматизированной системы управления, пилорама должна сохранять работоспособность.

Количество точек подключения шкафа управления к существующему оборудованию должно быть минимально, процесс дооснащения уже существующих пилорам должен быть максимально упрощён.

Для наиболее простого и быстрого внедрения электронной системы в серийный образец лесопильной установки, целесообразно реализовать её в виде дополнительного модуля, подключаемого к штатному пульту управления.

Подключение к штатному пульту должно осуществляться через зарезервированный разъем, на который уже выведена часть управляющих цепей и питание 220В.

Для измерения перемещений следует использовать инкрементальный датчик, который подключается соосно с верхним валом пилорамы. Для крепления датчика следует разработать конструкцию, которая позволяет жесткое сопряжение и защищает от внешних воздействий.

В случае отключения или выхода из строя электронного модуля, управление пилорамой должно осуществляться при помощи штатного пульта. При этом порядок подключения электронного модуля к штатной электрической схеме должен быть максимально простым.

мехатронная система пилорама конструкция автоматизация

2.Проектирование конструкции системы автоматизированного управления

• 2.1 Разработка функциональных требований к системе управления

Система управления должна обеспечивать простую и удобную работу при выполнении позиционирования пильного механизма.

Оператор задает необходимые параметры работы, а система управлению полностью выполняет все необходимые вычисления интервалов перемещения и коррекцию ошибок.

Текущее положение пильной головки должны отображаться на жидкокристаллическом индикаторе с подсветкой, расположенном на операторской панели.

Толщина выпиливаемой доски задаётся оператором однократно. Система должна автоматически устанавливать пильную головку на требуемый уровень при нажатии оператором на соответствующую кнопку панели управления.

Учёт времени эксплуатации ленточной пилы

Известно, что ленточная пила рассчитана примерно на один час непрерывной работы, после чего требуется её техническое обслуживание.

Система управления будет отслеживать время непрерывной работы пилорамы и по истечении часа выведет на дисплей информацию о необходимости смены пилы.

Дополнительные возможности

В системе будут реализованы дополнительные информационные и контрольные функции:

ь отображение текущей даты, времени, дня недели;

ь учёт рабочего времени;

ь статистика использования пилорамы за неделю и т.п.

Предусмотрено переключение режимов работы: ручной или авто. В ручном режиме автоматика полностью отключается и управление пилорамой осуществляется с помощью тумблеров и кнопок на операторской панели.

Предлагается установка дополнительного пульта автоматизированного управления и цифровой индикации с подключением его к существующему пульту ручного управления.

Измерение перемещений пилы в вертикальном направлении будет производиться при помощи инкрементального энкодера, устанавливаемого на выходной вал редуктора.

В результате внедрения предлагаемой системы уменьшается трудоёмкость работы оператора пилорамы за счёт отсутствия необходимости вручную позиционировать пилу на нужную высоту после каждого цикла пиления доски. Перемещение пилы будет производиться в автоматическом режиме на основании исходных данных, введённых оператором.

Для упрощения работы в ручном режиме, на дисплее будет отображаться текущее положение пилы в миллиметрах относительно нулевой точки.

Для обеспечения работоспособности электронного блока при минусовых температурах будет использована автоматическая система подогрева.

• 2.2 Выбор и обоснование компонентов системы управления

2.2.1 Выбор электротехнических элементов

Для изготовления системы управления будут использованы современные компоненты иностранных производителей, успешно зарекомендовавших себя на мировом рынке автоматизации: Unitronics, Rockwell, Orbitec и другие.

Все используемые наружные элементы (шкаф, кнопки, тумблеры, дисплей, индикаторы) соответствуют стандарту пылевлагозащиты IP65 - устойчивость к направленной струе воды.

Для изготовления системы управления будут использованы современные компоненты отечественных и зарубежных производителей, успешно зарекомендовавших себя на мировом рынке автоматизации: Фабер, ИЭК, Unitronics, Rockwell и другие.

Для обеспечения работоспособности контроллера при минусовых температурах монтажный шкаф оснащён термостатом и нагревательным элементом.

2.2.2Выбор модели промышленного контроллера

В основу системы управления положен промышленный контроллер JZ-10-11-R16 фирмы Unitronics.

Основными критериями выбора указанного оборудования явились цена и функциональные возможности. Контроллер имеет внешний подключаемый дополнительно порт, поэтому в наибольшей степени подходит для использования его в системах управления локальными объектами. За счет этого его цена ниже по сравнению с другими моделями.

Контроллер может монтироваться на DIN-рейку или на внешнюю панель. Поскольку в решаемой задаче необходимо обеспечить доступ оператора к операторской панели контролера, то монтаж будет производиться на внешнюю панель. Схема монтажа на внешнюю панель представлена на рисунке 2.2.



Рисунок 2.2.- Внешний вид контроллера Jazz

Рисунок 2.3 показывает цикл работы ПЛК. Этот цикл называется сканирование. Цикл сканирования выполняется непрерывно. Период цикла составляет 0,01 секунду.

Рисунок 2.3 - Иллюстрация цикла работы контроллера

Сначала в начале каждого цикла сканирования считываются данные со входов. Данные поступают от двух источников: со входов, и данные, которые вводятся посредством клавишной панели.

Затем выполняется программа. Пользователь сам создает программу управления . Программа состоит из команд, написанных на языке «Ladder», и разрабатывается, используя программное обеспечение специально предназначенное для этого. Все команды программы выполняются при каждом цикле сканирования. Последний этап - на выходы поступают новые данные.

2.2.3Выбор конструкции и модели энкодера

Энкодеры предназначены для решения задач в области промышленной автоматизации связанных с измерением линейных и угловых перемещений,скорости и ускорения. Принцип фотоэлектронного сканирования оптических кодов позволяет получать разрешение, измеряемое в миллиметрах для линейных перемещений, и доли градуса - для угловых.

Инкрементальные энкодеры не имеют «памяти», т.е. при снятии питания отсчет начинается с нуля. Абсолютные энкодеры сохраняют текущее значение вне зависимости от наличия питания.

Энкодеры конструктивно имеют:

- разный диаметр корпуса - …30, 40, 50мм… ;

- серию - “S”: Shaft (вал), “H”: Hollow (отверстие), “HB”: Hollow built-in type (глухое отверстие);

- диаметр вала отверстия - …6,8,10,12мм…;

- число импульсов на один оборот (от 1 до 5000 имп./об.). Определяющий функциональный параметр энкодера;

- фазы выхода (output phase): 2 (A,B), 3 (A,B,Z), 4 (A,A,B,B), 6 (A,B,Z,A,B,Z);

- выход (output): T (1)-pnp (Imax=10ma)/npn(Imax=30ma), N(2)-npn, V(3)-pnp, L-line drive (питание только 5V DC)

- питание : 5 - 5 V DC +,- 5%, 24 - 12-24 V DC +,- 5%

- кабель соединительный - стандарт = 2000 мм .

Энкодеры с питанием 12 - 24 V DC имеют общий вывод "минус", а уровни выходных сигналов совместимы с контроллерами/счетчиками импульсов. Энкодеры с питанием 5 V DC имеют изолированные друг от друга выходы, а уровни сигналов совместимы с TTL.

При выборе энкодера для определенных задач автоматизации необходимо учитывать параметр “Max. Response Frequency” (максимально воспроизводимая частота). Например, для энкодеров “Autonics” E40 этот параметр равен 180 кГц(kHz).

Как правило для простых технологических задач достаточно использование 2-х фаз (А,В) для определения величины и направления линейного смещения (поворота). Счетчики импульсов импортного и отечественного производства (правда, не все) позволяют использовать в качестве датчиков инкрементальные энкодеры, ограничение есть по воспроизводимой частоте. Контроллеры, как правило, имеют в числе дискретных входов несколько счетных высокочастотных входов.

Энкодеры с выходом Line drive используются,например, для точного поддержания частоты вращения асинхронного электродвигателя векторным частотным преобразователем-инвертором. В этом случае энкодер подключается через плату расширения инвертора (питание 5 V DC с инвертора).

Оси вала и энкодера соединяют механически :

- при помощи гибкой переходной муфты, тип “S”;

- при помощи жесткой втулки, тип “S”;

- энкодер сажают непосредственно на вал, если ось энкодера полая (отверстие), тип “H” или “HB”

В первом случае корпус энкодера жестко соединяют с корпусом механизма, а несоосность и биения компенсируются деформацией гибкой втулки. В двух других случаях при помощи штифта корпуса энкодера и механизма фиксируют от проворачивания друг относительно друга.

Оценка параметров, положительных и отрицательных сторон различных типов энкодеров обобщены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Сравнительные характеристики типов энкодеров

Тип сенсора	Принцип действия	Плюсы	Минусы
Одиночный энкодер	Считает количество импульсов.	1. Дешевизна и простота реализации.	1. Ошибки инициализации (при запуске системы не ясно в каком положении находимся). 2. Ошибки при подсчете импульсов на границах - могут быть ложные срабатывания из-за "дребезжания". 3. Невозможность определить направление.
Сдвоенный (квадратурный) энкодер	Считает количество импульсов, учитывая направление.	1. Относительная дешевизна и простота реализации. 2. Отсутствие ошибок при подсчете импульсов. 3. Возможность определить направление вращения.	1. Ошибки инициализации (при запуске системы не ясно в каком положении находимся).
Энкодер на двоичных кодах	Считывает точное положение в каждый момент времени.	1. Отсутствие ошибок инициализации (при запуске системы ясно в каком положении находимся). 2. Отсутствие ошибок при подсчете импульсов - теперь у нас просто нет такой задачи. 3. Возможность определить направление вращения.	1. Проблемы с граничными положениями - если меняется одновременно более 1 бита, тогда мы можем временно получить некорректное положение. Скажем при смене с положения 001 на 010 может временно быть положение 000 или 011, что принципиально не верно. 2. Относительная дороговизна и сложность реализации. 3. Дополнительные ограничения в разрешающей способности, чем выше точность, тем больше надо каналов.
Энкодер на кодах Грэя	Считывает точное положение в каждый момент времени.	1. Отсутствие ошибок инициализации (при запуске системы ясно в каком положении находимся). 2. Отсутствие ошибок при подсчете импульсов на границах, "дребезжание" легко определяется по направлению. 3. Возможность определить направление вращения. 4. Нет проблемы с граничными положениями - меняется одновременно не более 1 бита.	1. Относительная дороговизна и сложность реализации. 2. Дополнительные ограничения в разрешающей способности, чем выше точность, тем больше надо каналов.

2.2.4Выбор преобразователя частоты

Преобразователи являются высокотехнологичными устройствами, обладающие высокой точностью, широким диапазоном регулирования и развивающие высокий момент на валу электродвигателя. Обладая более чем скромной стоимостью при высоком уровне функциональности и качества, данный преобразователь пользуется заслуженной популярностью у профессионалов. Диапазон мощностей 0,4 - 315 кВт

Altivar - надежный и компактный преобразователь частоты, предназначенный для всех типов трехфазных асинхронных двигателей большой мощности. Он воплотил в себе новейшие технологии и инновационные функции, отвечающие наиболее частым применениям:

- вентиляторы и установки для кондиционирования воздуха;

- насосы;

- конвейеры;

- дробилки;

- подъемно-транспортное оборудование.

Преобразователь Altivar 68 имеет макроконфигурации, ориентированные на конкретные типы общепромышленных механизмов, содержащие небольшое число базовых параметров. Они настраиваются по желанию с помощью терминала программирования, что позволяет создавать дополнительные функции.

Преобразователь перекрывает диапазон мощностей от 75 до 500 кВт для применений с увеличенным моментом и от 90 до 630 кВт для применений с нормальным моментом для единой гаммы напряжений от 400 до 500 В.

Многофункциональность преобразователя не мешает ему оставаться простым в настройке. Ввод параметров с заводской таблички двигателя и автоподстройка достаточны для получения увеличенного момента и отличного качества регулирования даже на очень низких скоростях вращения (< 0,5 Гц).

Преобразователь может быть оснащен дополнительной картой расширения для цифрового датчика обратной связи, в случае необходимости, для получения высокой точности регулирования скорости, в том числе и на низких скоростях.

Основными функциями преобразователя частоты являются:

- двойная конфигурация (2 двигателя);

- встроенный ПИД-регулятор (расход, давление, регулирование скорости);

- задание до 7 предварительно выбранных скоростей;

- пошаговая работа (JOG);

- последовательность управления тормозом для подъемно-транспортных механизмов;

- настраиваемые аналоговые и логические входы;

- быстрее-медленнее;

- пропуск частотных окон;

- функции компаратора;

- логические функции;

- пуск и регулирование скорости с помощью алгоритма векторного управления потоком;

- 4 уровня энергосбережения для применений с переменным моментом;

- защита двигателя и преобразователя;

- автоматический захват с поиском скорости (подхват на ходу);

- увеличенный пусковой момент;

- раздельное питание цепей управления с помощью источника 24 В.

Терминал программирования

Преобразователь Altivar 68 поставляется с графическим терминалом программирования, позволяющим:

- управлять преобразователем в локальном режиме;

конфигурировать различные параметры;

отображать и сигнализировать состояние преобразователя.

Дополнительное оборудование

Возможности выбора:

- Карта расширения входов-выходов можно установить карты, если нет коммуникационной карты.

- Программное обеспечение для управления преобразователем от ПК.

- Коммуникационные карты Profibus и Fipio или Modbus Plus с соединителем.

- Блок тормозного сопротивления.

- Сетевой дроссель для защиты от перенапряжений и уменьшения гармонических составляющих.

- Входные фильтры подавления радиопомех для соблюдения электромагнитной совместимости.

- Дроссели двигателя для ограничения фронта напряжения на клеммах двигателя и в случае большой длины кабеля двигателя.

- Комплект для установки терминала программирования на дверь шкафа или пульт управления.

- Соединитель звена постоянного тока в виде монтажного комплекта для подключения к звену постоянного тока блока торможения, параллельного включения нескольких преобразователей или цепи внешней нагрузки.

- Цепь внешней нагрузки для параллельного включения нескольких преобразователей.

- Комплект для определения неисправности заземления при питании от сети IT для защиты преобразователя в случае короткого замыкания между фазой и землей.

- Воздуховод и вентилятор для установки преобразователя в шкафу.

Преобразователь частоты оснащен устройствами защиты, которые в случае неисправности блокируют его, тем самым останавливая двигатель. Последний, в свою очередь, может также прекратить работу из-за механической блокировки. Наконец, причиной остановок могут быть колебания напряжения и отключение питания.

После устранения причин остановки возможен автоматический повторный пуск, представляющий опасность для некоторых механизмов и установок.

• 2.3 Подготовка лабораторного стенда для моделирования работы системы

Для моделирования работы системы в условиях, приближенных к реальным, разработан лабораторный стенд, представляющий собой макет системы частотного управления электроприводом.

Принципиальная структура стенда приведена на рисунке 2.4.



Рисунок 2.4- Структура лабораторного стенда

Электрическая часть смонтирована в железном корпусе, специально предназначенном для монтажа компонентов системы автоматизированного управления. Провода промаркированы и уложены в кабель-каналы. Электрические компоненты смонтированы на DIN-рейку.

Принципиальная электрическая схема стенда представлена на рисунке 2.5.



Рисунок 2.5 - Электрическая принципиальная схема лабораторного стенда

Рассмотренный лабораторный стенд позволяет проводить натурные испытания различных алгоритмов управления электроприводом. В последующих разделах данной работы будет показано, как данный стенд используется для моделирования мехатронной системы вертикального позиционирования пильной головки ленточной пилорамы.

• 2.4 Программирование режимов работы системы управления
• 2.4.1 Режим настройки параметров управления
• Для ввода значений параметров управления предусмотрен специальный режим. Для перехода в этот режим необходимо в главном дисплее нажать стрелку вправо. Это приведет к установке бита MB3 и сбросе остальных битов режимов - MB1 и MB4. Переход к дисплеям настройки прописан в условиях перехода главного дисплея. Иллюстрация условия перехода приведена на рисунке 2.6:

Рисунок 2.6 - Условие перехода к экрану настройки

Следует отметить, что переход в режим настройки возможен только если контроллер находится в рабочем режиме. Это реализовано с помощью схемы, представленной на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7 - Схема активизации режима настройки

При нажатии на стрелку вправо будет отображен заглавный дисплей режима настройки, вид которого представлен на рисунке 2.8.

Рисунок 2.8- Заглавный дисплей режима настройки

Переход между экранами режима настройки осуществляется с помощью кнопки влево и кнопки вправо. Для каждого экрана заданы условия переходов. В соответствии производятся переходы между экранами. При этом в каждом экране прописано условие перехода в главный экран. Пример условий перехода представлен на рисунке 2.9.

Рисунок 2.9- Пример условий перехода для экранов режима настройки

Для повышения точности позиционирования система управления учитывает толщину пропила бревна, которая обычно колеблется в пределах от 2 до 5 мм. Толщина пропила зависит от эксплуатационных характеристик ленточной пилы. Поэтому данный параметр вынесен в пункт меню настройки, поскольку оператору его целесообразно уточнять перед началом работы. Вид экрана приведен на рисунке 2.10.

Рисунок 2.10- Вид дисплея настройки толщины пропила

В этом и последующих дисплеях для ввода значения необходимо сначала нажать Enter. После этого появится мигающий курсор. При помощи цифровой клавиатуры ввести требуемое значение и снова сначала нажать Enter. Введенное значение запишется в память контроллера.

Чтобы при возвращении пильной головки в исходное состояние пила не задевала бревно необходимо, чтобы ленточная пила поднималась над бревном на некоторое расстояние. Поэтому данный параметр также настраивается в меню настроек. Экран настройки высоты подъема выглядит так, как показано на рисунке 2.11.

Рисунок 2.11 - Вид дисплея настройки высоты подъема

В повседневной практике обычно изготавливаются одной толщины. Толщина доски определяется шагом позиционирования пильной головки. Для того чтобы не вводить требуемый шаг при каждом запуске системы можно задать величину шага по умолчанию. Тогда при запуске системы будет автоматически устанавливаться требуемый шаг. Соответствующий параметр предусмотрен в меню настроек. Дисплей установки шага показан на рисунке 2.12.

Рисунок 2.12 - Вид дисплея настройки шага по умолчанию

Между значением линейного перемещения пильной головки и количеством импульсов, поступающих на высокоскоростной вход контроллера с выходов энкодера существует линейная зависимость. Данная зависимость определяется коэффициентом преобразования миллиметров в импульсы энкодера. Этот параметр зависит от типа исполнения механической части объекта управления и технических характеристик энкодера, а именно - значения ppr (pulses per revolution - импульсов за один оборот).

Коэффициент преобразования определяется экспериментальным путем. Для этого пильную головку перемещают на некоторое преопределенное расстояние. Например, на 10 мм. При этом фиксируется количество импульсов, пришедших с энкодера. После этого количество импульсов делится на заданное расстояние. Полученное значение и является коэффициентом преобразования.

Дисплей задания коэффициента преобразования представлен на рисунке 2.13.

Рисунок 2.13-Вид дисплея настройки коэффициента преобразования

Данный параметр сильно влияет на точность позиционирования, поэтому следует уделить особое внимание его точному определению.

Для возврата из режима настройки в рабочий режим необходимо нажать на кнопку «0» клавиатуры контроллера. Реализация данного действия иллюстрируется схемой, приведенной на рисунке 2.14.

Рисунок 2.14 - Фрагмент программы перехода в рабочий режим

Для реализации данной операции используется контакт, реагирующий на передний фронт импульса нажатия на кнопку. Данный участок схемы активизируется в любом из режимов. Это происходит благодаря включенным параллельно контактам, управляемыми битами MB3 и MB4.

В результате нажатия на кнопку «0» происходит установка бита рабочего режима MB1 и сброс битов других режимов MB3 и MB4.

• 2.4.2 Рабочий режим программы
• Рабочий режим это основной режим работы системы. Он активизируется при включении контроллера. В рабочем режиме на экране контроллера отображается текущее значение шага и подсказки для выполнения действий, непосредственно связанных с производственным процессом. Вид дисплея рабочего режима приведен на рисунке 2.15.
• Рисунок 2.15- Дисплей рабочего режима
• При нажатии на кнопку Enter появится мигающий курсор, с помощь которого можно ввести текущее значение шага позиционирования. При нажатии на стрелку вниз контроллер даст команду на включение привода в направлением перемещения вниз. Если во время выполнения перемещения нажать на кнопку «0» клавиатуры контроллера то произойдет досрочная остановка привода и сброс количества отпиленных досок. Обнуление переменных производится в схеме, представленной на рисунке 2.16.

• Рисунок 2.16 - Фрагмент программы обнуления переменных
• Остановка работы электропривода осуществляется сбросом битов MB5 и MB6. Соответствующий фрагмент схемы приведен на рисунке 2.17.
• Рисунок 2.17 - Фрагмент программы досрочной остановки привода
• Как было отмечено выше, рабочий режим является основным режимом работы системы и включается по умолчанию при старте системы.
• Для задания шага позиционирования следует нажать клавишу Enter и ввести новое значение с помощью цифровой клавиатуры. По окончании ввода следует повторно нажать клавишу Enter.
• Запуск привода позиционирования осуществляется нажатием стрелки вниз. В этот момент производится сброс текущего значения счетчика импульсов в 0. Это реализуется схемой, показанной на рисунке 2.18.

• Рисунок 2.18 - Сброс счетчика импульсов перед началом движения
• Как видно из схемы, сброс счетчика происходит перед началом движения вверх или вниз. Сигналом к обнулению счетчика служит положительный фронт импульса установки бита управления опусканием или подниманием, т.е. MB2 и MB5.
• Одновременно с включением привода вычисляется количество импульсов, которое соответствует шагу перемещения. Фрагмент схемы, отвечающий за перемещение вниз представлен на рисунке 2.19.
• Рисунок 2.19 - Фрагмент программы запуска перемещения вниз
• Включение привода осуществляется установкой бита MB2. для вычисления количества импульсов, соответствующих шагу перемещения, значение шага в миллиметрах умножается на коэффициент преобразования, который определяет количество импульсов в одном миллиметре.
• Для учета координаты места предыдущего пропила к шагу добавляется величина предыдущего перемещения. В итоге получается результирующее значение, являющее количеством импульсов, которое должно поступить от энкодера за время перемещения.
• Непосредственно включение привода происходит при замыкании выходного реле контроллера. Для выполнения движения вниз следует замкнуть реле выхода 0, для движения вниз - выхода 1 контроллера.
• При этом следует учитывать, что в любой момент времени может быть замкнут или один из выходов или ни одного.
• Для того, чтобы не привязывать всю программу к конкретным выходам контроллера, в программе идет обращение к внутренним битам памяти. А изменение состояния битов отслеживается в отдельной сети программы, где и осуществляется привязка битов к выходам контроллера.
• Таким образом, это дает возможность подключать привод к любым выходам контроллера. При этом следует менять только соответствие битов выходам. Управление выходами контроллера производится в схемеЮ, представленной на рисунке 2.20.