Система управления электроприводами станка с ЧПУ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Промышленные контроллеры должны быть доступны для эксплуатации персоналом, имеющимся на предприятиях. Это люди, обладающие знаниями и ценнейшим практическим опытом в технологии и тонкостях производства. Они не обладают специальной подготовкой в области математики и информатики, но их опыт в практических задачах не заменим. Языки программирования промышленных контроллеров должны быть упрощенными и доступными для неспециалистов.

Многие годы каждый изготовитель ПЛК изобретал свой язык и разрабатывал свои инструменты программирования. Ни о какой программной совместимости контроллеров разных фирм речи быть не могло в принципе. С принятием стандарта МЭК 611313 «Языки программирования ПЛК» в 1982 году ситуация значительно улучшилась.

Разработчики стандарта систематизировали наиболее распространенные языки ПЛК разных компаний и привели их к аппаратно-независимой модели функционирования с едиными правилами декомпозиции программных компонентов и типами переменных.

В одном стандарте оказались 5 совершенно разных языков. Пользователям он дал реальную возможность выбирать оборудование разных компаний. Для небольших компаний, имеющих оригинальные технические идеи в разработке и производстве ПЛК, стандарт открыл реальный выход на этот рынок.

Благодаря стандартной программной модели заказчику гораздо проще решиться на покупку ПЛК малоизвестной фирмы. Вошедшие в стандарт языки созданы на основе популярных языков программирования распространенных в мире контроллеров. Программу любого контроллера можно перенести в среду МЭК 61131-3. Потребуется некоторая адаптация и отладка, но несравненно меньшая, чем при создании проекта с нуля.

Инженер, спроектировавший машину, должен иметь возможность самостоятельно написать программу управления. Никто лучше его не знает, как должна работать данная машина. Инженер, привыкший работать с электронными схемами, гораздо легче сможет выражать свои мысли в LD (релейная диаграмма) или FBD (диаграмма функциональных блоков). Если он знаком с языками PASCAL или С, то использование языка ST (структурированный текст) не составит для него сложности.

Для ответственных проектов важно, чтобы программа была понятна обслуживающему техническому персоналу. Диаграммы SFC (последовательная функциональная схема) справляются с этой ролью не хуже специализированных инструментов (например, UML), являясь притом действующей программой, а не просто моделью.

Современные системы программирования контроллеров позволяют выполнить несколько распечаток программы с комментариями на разных языках -- русском, немецком н т. д. Это уже не маркетинговый ход, а реальное требование современного бизнеса. Важна доходчивость представления. Программу, в которой невозможно разобраться, придется рано или поздно выбросить.

Внедрение стандарта дало фундамент для создания единой школы подготовки специалистов. Человек, прошедший обучение по программе, включающей стандарт МЭК 61131, сможет работать с ПЛК любой фирмы.

Стандарт допускает создание пользовательских типов данных и функциональных блоков. Новые оригинальные аппаратные решения изготовителей ПЛК могут быть поддержаны собственными библиотеками. При создании библиотек можно использовать любые инструменты от ассемблера до С++.

Вообще стандартные компоненты МЭК для программиста, как дороги для автомашин. Количество возможных путей ограничено. Ближе полем, но по дороге быстрее.

1. Аналитический обзор системы управления электроприводами станка с ЧПУ

1.1 Промышленный контроллер WinCon W-8737

На рисунке 1.1 представлен промышленный контроллер WinCon w-8737.

Рисунок 1.1 Промышленный контроллер WinCon w-8737.

1.1.1 Промышленные контроллеры. Серия WinCon-8000

../AppData/Local/КаталогиФирмы/ipc2U/ipc2U/catalog/N/NW/index.htmlКонтроллеры серии WinCon-8000 представляют собой последнее поколение промышленных контроллеров производства компании ICP DAS. Вобрав в себя все лучшие характеристики серий I-7000 и I-8000, сохранив преемственность с ними, WinCon-8000 приобрел новые возможности благодаря использованию высокопроизводительного процессора Intel Strong ARM с тактовой частотой 206 МГц и оперативной памяти 64 Мб.

В отличие от контроллеров I-8000, WinCon-8000 имеют не только интерфейсы RS-232 и RS-485, но и интерфейсы USB и Ethernet, а также интерфейсы VGA и PS/2 для подключения клавиатуры, мыши и монитора. Таким образом, промышленный контроллер приобрел функциональность персонального компьютера, что значительно облегчает его программирование и расширяет сферу применения. Так, отладку и редактирование управляющей программы можно осуществлять непосредственно на контроллере. Кроме того, за счет наличия интерфейсов клавиатуры и монитора, WinCon может совмещать в себе функции контроллера и операторской станции. Достаточно лишь установить SCADA-систему, например, Trace Mode, и контроллер может взять на себя функции современного операторского интерфейса.

Контроллер имеет встроенную операционную систему Microsoft Windows CE.NET, которая характеризуется как операционная система реального времени. Она поддерживает переназначение приоритетов процессов и обеспечивает тот же уровень детерминированного управления, что и классические ПЛК. Интерфейс операционной системы позволяет воспользоваться любыми средствами, предназначенными для создания программ в этой среде, например, Visual Basic.NET, Visual C#, Embedded Visual C++. Контроллер поставляется в комплекте с программной библиотекой, в которой реализованы функции работы со всеми внутренними и внешними устройствами контроллера (внутренняя шина, таймер, внешние интерфейсы, модули ввода/вывода и прочее). Кроме того, имеется подробная инструкция по программированию, а также примеры программ, написанных на различных языках программирования. Контроллер имеет слот для установки карты памяти формата Compact Flash, на которой сохраняются пользовательские программы. Это значительно упрощает работу, к тому же, пользователь может сам подобрать карту Compact Flash исходя из своих потребностей в объеме накопителя.

WinCon-8000 может применяться для решения самых разнообразных задач автоматизации во многих отраслях промышленности. К нему можно подключать не только модули удаленного ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов, но и любые другие устройства: принтеры, модемы, POS-терминалы, другие компьютеры и контроллеры, словом все, что может обмениваться данными через последовательный или USB порт. Таким образом, благодаря новому контроллеру ваша система или отдельный ее сегмент могут иметь довольно сложную конфигурацию и топологию, оставаясь при этом надежной и простой в настройке и управлении.

В слоты контроллера установлены следующие модули расширения:

Трехканальный измеритель частоты/импульсов (модуль I-8090) с адаптером трехкоординатного шифратора. Он используется для контроля положения шпинделя и подач.

Двухканальный модуль дискретного вывода (I-8091) для двухкоорднатного управления сервоприводом и шаговыми двигателями. Он используется для управления шаговыми двигателями подач.

Двухканальный модуль аналогового вывода (I-87026): 2 независимых 16 бит ЦАП, изоляция, RS-485. Он используется для задания скорости шпинделя.

Модуль дискретного 16-канального ввода и 16-канального вывода с изоляцией (I-8042): параллельная шина. Он используется для управления электроавтоматикой станка и включения команды реверс/останов шпинделя.

1.2 Языки программирования для промышленного контроллера WinCon W-8737 в среде программирования ISaGRAF

ISaGRAF 3.хх - технология программирования контроллеров, которая позволяет создавать локальные или распределенные АСУТП. Основа технологии - среда разработки приложений (ISaGRAF Workbench) и адаптируемая под различные аппаратно-программные платформы исполнительная система (ISaGRAF Runtime).

Описание ISaGRAF 3.xx

Инструментальная система разработки приложений обеспечивает проект всеми возможностями языков стандарта IEC (МЭК) 61131. Устойчивость к сбоям, способность обрабатывать большое количество точек ввода/вывода позволяют с успехом применять ISaGRAF 3.хх как в небольших встраиваемых приложениях, так и в распределенных проектах автоматизации.

ISaGRAF 3.хх предоставляет пользователю удобный графический интерфейс для разработки и отладки приложений. Архитектура проекта представлена в виде иерархического дерева программ, каждая из которых описывается на одном из языков. Программы разделены на логические секции согласно цикличности исполнения, смотри рисунок 1.2.

Рисунок 1.2 Вид архитектуры проекта

Позволяет смешивать программы/процедуры, написанные на разных языках, а также вставлять кодовые последовательности из одного языка в код, написанные в другом языке.

Содержит графический отладчик и имитатор системы исполнения на ПК. Возможна отладка в контроллере назначения, наблюдение через списки переменных. Поддерживается непрерывный и пошаговый режимы отладки с установками контрольных точек и трассировкой переменных, смотри рисунок 1.3.



Рисунок 1.3 Внешний вид отладчика ISaGRAF Runtime

Поддерживает основные функции протокола MODBUS (RTU, SLAVE).

Открыт для доступа извне к внутренним структурам данных прикладной задачи, возможность разработки драйверов на модули ввода/вывода самим пользователем и портации.

Наличие библиотеки драйверов для работы с устройствами ввода/вывода большого количества фирм - производителей, например, Kontron, Motorola MVME - 162, ABB, Computer Boards, Keitley Metrabyte, WEIDMULLER, Industrial Computer Source и др

Языки ISaGRAF

- язык последовательных функциональных схем (Sequential Function Charts), описывающий логику программы на уровне чередующихся процедурных шагов и условных переходов;

- язык функциональных блоковых диаграмм (Function Block Diagrams), позволяющий пользователю строить приложение на базе библиотечных функциональных блоков (арифметических, PID - регуляторов, мультиплексоров и т.д.);

- язык релейных диаграмм, или релейной логики (Ladder Diagrams), используемый для описания логических выражений различного уровня сложности;

- язык структурированного текста (Structured Text), относящийся к классу языков высокого уровня и по мнемонике похожий на Pascal. На основе этого языка можно создавать гибкие процедуры обработки данных;

- язык инструкций (Instruction List), относящийся к классу языков низкого уровня и позволяющий создавать эффективные процедуры;

Каждая программа пишется только на одном языке. Этот язык, выбираемый при создании программы, не может быть изменён впоследствии. Однако диаграммы FBD могут включать части, написанные на LD, а диаграммы LD могут содержать вызовы функциональных блоков. Доступные графические языки: SFC (последовательные функциональные диаграммы), FBD (диаграммы функциональных блоков) и LD (релейные диаграммы). Доступные текстовые языки: ST (структурированный текст), IL (список инструкций). Язык SFC зарезервирован для главных и дочерних программ последовательного раздела. Язык каждой программы показан в виде иконы возле имени программы в окне Менеджера Программ. Ниже приведены иконы, используемые для представления языков:

1.2.1 Использование редактора SFC

Язык SFC используется для описания операций последовательного процесса, смотри рисунок 1.4. Он использует простое графическое представление для различных шагов процесса и условий, позволяющих изменить активный шаг. Вход в программу SFC осуществляется при помощи графического редактора SFC. SFC - это ядро стандарта IEC 1131-3. Остальные языки обычно описывают действия внутри шагов и логические условия для совершения переходов. Графический редактор SFC позволяет пользователю создавать завершённые программы на SFC. Он совмещает возможности редактирования как текста, так и графики. Таким образом, возможен ввод диаграмм SFC, соответствующих им действий и условий.

Рисунок 1.4 Внешний вид программы на языке SFC

Основные разделы языка SFC

Язык SFC используется для представления последовательного процесса. Он разделяет цикл процесса на несколько строго определённых последовательных шагов (автономных ситуаций ), разделённых переходами.

Компоненты SFC объединены ориентированными линиями. По умолчанию, ориентация линии - сверху вниз. Вот основные графические компоненты, используемые для построения диаграмм SFC:

......................Начальный шаг

......................Размещено на http://www.allbest.ru/

Шаг

......................Переход

......................Прыжок на шаг

Размещено на http://www.allbest.ru/

......................Макрошаг

......................Начальный макрошаг

Размещено на http://www.allbest.ru/

......................Конечный макрошаг

Программирование на SFC обычно рРазмещено на http://www.allbest.ru/

азделяется на два различных уровня. 1-Уровень показывает графические диаграммы, номера ссылок на шаги и переходы и комментарии, присоединённые к ним. 2-Уровень - это программирование действий внутри шага или условий, присоединённых к переходу, на ST или IL. Подпрограммы, написанные на других языках (FDB, ST, LD или IL) могут обращаться к этим действиям или переходам. Ниже приведён пример 1-Уровня и 2-Уровня программирования, смотри рисунок 1.5.

Рисунок 1.5 Уровни программирования в языке SFC

Программа шага на 2 уровне создаётся при помощи текстового редактора. Программа может содержать блоки, написанные на ST или IL. Программа переходов 2 уровня может быть создана на языках ST или IL, или при помощи редактора Quick LD.

Ввод программ 2-уровня

Для ввода программы 2-уровня пользователю нужно дважды щелкнуть мышью на прямоугольнике шага или перехода. Программа 2 уровня появляется справа в окне SFC. Линию раздела между схемой SFC и программой уровня 2 можно свободно перемещать.

Когда видны два окна уровня 2, разделение между ними может свободно перемещаться. Кнопка вправо уровня 2 используется для закрытия окна уровня 2.

По умолчанию для написания программ 2-уровня используется язык ST. Для переходов 2-уровня может быть использован редактор Quick LD. Откроется независимое окно для ввода программы. Используйте кнопку "ST/LD" в полосе заголовка уровня 2 для смены активного языка. Эта команда действительна только тогда, когда окно программирования уровня 2 - пусто.

1.2.2 Использование редактора потоковых диаграмм

Графический редактор потоковых диаграмм ISaGRAF позволяет пользователю вводить программы на языке FC (Flow Chart), с действиями и тестами (решениями) запрограммированными либо на ST, IL либо на языке Quick LD, смотри рисунок 1.6. Потоковые Диаграммы - это диаграммы решений, которые могут быть также использованы для описания последовательных операций, так как они позволяют некоторые дополнительные возможности, такие как неблокированные обратные прыжки.

Рисунок 1.6 Внешний вид программы на языке FC

Потоковые Диаграммы (FC). это графический язык, использующийся для описания последовательных операций. Потоковые Диаграммы состоят из Действий и Тестов. Между действиями и тестами находятся ориентированные связи представляющие потоки данных. Ниже даны графические компоненты языка Потоковых Диаграмм:

Начало схемы FC: Символ "НачРазмещено на http://www.allbest.ru/

ало" должен возникать в начале программы Потоковых диаграмм. Он уникален и не может быть пропущен. Он представляет начальное состояние диаграммы, когда она активизирована.

Конец схемы FC: Символ "конец" должен возникать в конце програРазмещено на http://www.allbest.ru/

ммы Потоковых Диаграмм. Он уникален и не может быть пропущен. Может быть так, что никакого соединения не подходит к символу "Конец" (всегда виток), но символ "Конец" все же нарисован внизу схемы. Он представляет собой заключительное состояние схемы, когда исполнение было завершено.

Потоковые связи FC: Потоковые связи - это линии, которые предстаРазмещено на http://www.allbest.ru/

вляют потоки между двумя точками в диаграмме. Связь всегда заканчивается стрелкой. Две связи не могут исходить из одного источника.

Действия FC: Символ действия представляет собой действие, которое нужно выполнить. Действия идентифицируются при помощи числа и имени. ДвРазмещено на http://www.allbest.ru/

а разных объекта одной схемы не могут иметь одно и то же имя или логический номер. Языками программирования для действий могут быть ST, LD или IL. Действия всегда соединены со связями, одна подходит к нему, другая исходит из него.

Тесты FC: Тест представляРазмещено на http://www.allbest.ru/

ет собой булевское условие. Тест идентифицируется числом и именем. В соответствии со значением присоединенного выражения на ST, LD или IL, поток направляется либо по пути "Да", либо "Нет". Если программа написана на ST, то за выражением может следовать двоеточие. Если программа написана на LD, то значение условия представляется единственным витком.

Подпрограмма FC: Система допускает описание иерархической струРазмещено на http://www.allbest.ru/

ктуры программ FC. Программы FC организованы в виде иерархического дерева. Каждая программа FC может вызывать другие FC программы. Такая программа называется дочерней программой программы FC, которая ее вызывает. Программы FC, которые вызывают подпрограммы, называются родительскими программами. Программы FC объединяются вместе в общее иерархическое дерево, используя отношение "предок - наследник". Символ подпрограммы в Потоковой Диаграмме представляет вызов подпрограммы. Исполнение вызывающей программы FC останавливается до завершения работы подпрограммы.

Специфические действия В/В FC: Символ специфическРазмещено на http://www.allbest.ru/

их действий В/В представляет действие, которое должно быть выполнено. Как другие действия, специфические действия В/В идентифицируются номером и именем. Одна и та же семантика используется в стандартных действиях и специфических действиях В/В. Цель специфических действий В/В состоит только в том, чтобы сделать схему более читаемой и сфокусировать внимание на непереносимых частях схемы. Использование специфических действий В/В - дополнительная особенность. Специфические блоки В/В ведут себя точно так же, как стандартные действия.

Соединители FC: Соединители используются для представления связи меРазмещено на http://www.allbest.ru/

жду двумя точками диаграммы без вычерчивания. Соединитель обозначен как круг и связан с началом потока. Чертеж соединителя завершается, на соответствующей стороне (в зависимости от направления потока данных), с помощью идентификации точки цели (обычно имя символа цели). Соединитель всегда попадает в определенный в Потоковой Диаграмме символ. Символ назначения определяется его логическим номером.

Комментарии FC: Блок коРазмещено на http://www.allbest.ru/

мментариев содержит текст, который не имеет смысла для семантики схемы. Он может быть введен на любом свободном месте в окне Потоковой Диаграммы, и используется для документирования программ.

1.2.3 Использование редактора Quick LD

Язык LD допускает графическое представление булевых выражений, смотри рисунок 1.7. Булевы операторы AND, OR, NOT явно представлены в топологии диаграммы. Булевы выходные переменные присоединены к виткам графика. Редактор Quick LD допускает простой ввод диаграмм при помощи клавиатуры или мыши. Элементы автоматически связываются и размещаются по ступеням самим редактором. Пользователю не нужно изображать никаких соединений. Кроме этого, редактор Quick LD размещает ступени диаграммы таким образом, что место, занимаемое диаграммой, всегда оптимально.

Рисунок 1.7 Внешний вид программы на языке LD

Программа на языке LD представлена списком ступеней, на которых расположены контакты и витки. Ниже приведены основные компоненты LD диаграммы:

Головная часть ступени (левая шина питания)

Каждая ступень начинается с левой шиРазмещено на http://www.allbest.ru/

ны питания, начальное значение которой истинно. Редактор Quick LD автоматически создаёт левую шину питания, когда первый контакт ступени создан пользователем. Каждая ступень может иметь логическое имя, которое может использоваться в качестве метки для инструкций прыжка.

Контакты

Контакты изменяют поток булевых данных в соответствии со значением бРазмещено на http://www.allbest.ru/

улевой переменной. Имя переменной изображено над символом контакта. Следующие типы контактов поддерживаются редактором Quick LD:

.....................прямой контакт

.....................инвертированный контакт

Размещено на http://www.allbest.ru/

.....................контакт с определением положительного (переднего) фронта

.....................контакт с определением отрицательного (заднего) фронтРазмещено на http://www.allbest.ru/

а

Витки

Виток представляет действие. Состояние ступени (состояние связи в левойРазмещено на http://www.allbest.ru/

части витка) используется для изменения булевой переменной. Имя переменной изображено над символом витка. Следующие типы витков поддерживаются редактором Quick LD:

.....................прямой виток

.....................инвертированный виток

Размещено на http://www.allbest.ru/

....................."установить" виток действия

............Размещено на http://www.allbest.ru/

........."сбросить" виток действия

.....................виток с определением положительного (переднего) фронта

.....................виток с определением отрицательного (заднего) фронта

Размещено на http://www.allbest.ru/

Функциональные блоки

Блок диаграммы LD может предстаРазмещено на http://www.allbest.ru/

влять функцию, функциональный блок, подпрограмму или оператор. Его первый входные и выходные параметры всегда соединены со ступенью. Другие параметры описаны вне прямоугольника блока, смотри рисунок 1.8.

Рисунок 1.8 Пример блока в языке LD

Определение функциональных блоков "In Line"

Новая команда "In Line" в меню "Инструменты" редактора Quick LD позволяет определять, является редактируемый блок "In Line" ФБ или нет. Эта команда действует как переключатель, чтобы устанавливать, или сбрасывать атрибут "In Line" редактируемого ФБ. Когда "In Line" устанавливается, маленькая область заголовка, показывающая текст "In Line", отображается в инструментальных панелях.

Конец ступени (правая шина питания)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ступени заканчивается правой шиной питания. Редактор Quick LD автоматически вставляет правую шину питания, когда пользователь помещает виток в диаграмму.

Символ прыжка

Символ прыжка всегда ссылается на метку ступени,Размещено на http://www.allbest.ru/

т.е. имя этой ступени, определённое где-либо в этой же диаграмме. Он помещается в конце ступени. Если состояние ступени истинно, выполнение диаграммы прямо перейдёт к помеченной ступени. Следует иметь в виду, что обратные прыжки опасны, так как они могут привести к блокированию цикла PLC в некоторых случаях.

Символ возврата

Символ возврата размещается в конце ступени. Он означает, что выполнениеРазмещено на http://www.allbest.ru/

программы должно быть остановлено, если значение ступени истинно.

Ввод «EN»

В некоторых операторах, функциях и фРазмещено на http://www.allbest.ru/

ункциональных блоках первый ввод не имеет булевского типа данных. Так как первый ввод всегда должен быть соединен со ступенью, то другой ввод автоматически вставляется на первую позицию, называемую «EN». Блок выполняется только в том случае, если ввод «EN» истинен. Ниже приведён пример оператора сравнения и его эквивалент на языке ST.

В некоторых операторах, функциях или функциональных блоках первый вывод не имеет булевского типа данных. Поскольку первый вывод всегда должен быть соединён со ступенью, другой вывод автоматически вставляется на первую позицию. Он называется «ENO». Этот вывод всегда находится в том же состоянии, что и первый ввод блока. Ниже приведён пример функционального блока AVERAGE и его эквивалент на языке ST.

Редактор ISaGRAF Quick LD не позволяет продолжить ступень (вставить новый контакт или виток) вправо от витка. Если одной ступени требуется сразу несколько выводов, то соответствующие витки должны быть параллельны.

1.2.4 Использование редактора FBD/LD

Графический редактор ISaGRAF FBD/LD позволяет пользователю создавать конечные программы FBD, которые могут содержать части, написанные на LD, смотри рисунок 1.9. Он сочетает в себе возможности редактировать как текст, так и графику. Таким образом, можно создавать диаграммы и соответствующие им входы и выходы. Поскольку этот редактор предназначен для языка FBD, то чистые LD диаграммы предпочтительнее создавать при помощи редактора Quick LD.

Основы языка FBD/LD

Язык FBD - это графическое представление многих различных типов равенств. Операторы представлены функциональными прямоугольниками. Функциональные входы присоединяются к левой части прямоугольника. Функциональные выходы присоединяются к правой части. Входы и выходы диаграммы (переменные) соединены с функциональными прямоугольниками при помощи логических связей. Выходы одного функционального прямоугольника могут соединяться со входами другого.

Рисунок 1.9 Внешний вид программы на языке FBD/LD

Язык LD допускает графическое представление булевых переменных. Логические операции AND, OR, NOT полностью представлены в топологии диаграммы. Булевы входные переменные присоединяются к графическим контактам. Булевы выходные переменные присоединяются к графическим виткам. Контакты и витки соединяются друг с другом и с левыми и правыми шинами питания при помощи горизонтальных линий. Каждый отрезок линии имеет булево состояние - истинное или ложное. Булево состояние одинаково для всех отрезков, соединённых вместе. Любая горизонтальная линия, соединённая с левой вертикальной шиной питания, имеет истинное состояние.

Диаграммы всегда интерпретируются слева направо и сверху вниз. Обратитесь к Руководству по Языкам ISaGRAF за более подробной информацией по языкам LD и FBD. Вот основные графические компоненты языков LD и FBD, поддерживаемые редактором FBD/LD:

Левая шина питания

Слева ступени должны быть пРазмещено на http://www.allbest.ru/

рисоединены к левой шине питания, которая имеет начальное истинное состояние. Кроме того, редактор позволяет присоединять любые булевы переменные к левой шине питания.

Правая шина питания

Вита могут бытьсоединены с Размещено на http://www.allbest.ru/

правой шиной питания. Это дополнительная возможность редактора. Если виток не соединен ни с чем справа, то он включает правую шину питания в своё собственное изображение.

Вертикальное соединение LD «OR»

Вертикальное соединение LD допускает несколько соединений слева и спрРазмещено на http://www.allbest.ru/

ава. Каждое соединение справа эквивалентно комбинации левых соединений, связанных логическим ИЛИ.

Контакты

Контакты изменяют поток булевых данных в соответсРазмещено на http://www.allbest.ru/

твии со значением булевой переменной. Имя переменной изображено над символом контакта. Следующие типы контактов поддерживаются редактором FBD/LD:

.....................прямой контакт

.....................инвертированный контакт

Размещено на http://www.allbest.ru/

.....................контакт с определением положительного (переднего) фронта

.....................конРазмещено на http://www.allbest.ru/

такт с определением отрицательного (заднего) фронта

Витки

Виток представляет дейРазмещено на http://www.allbest.ru/

ствие. Состояние ступени (состояние связи в левой части витка) используется для изменения булевой переменной. Имя переменной изображено над символом витка. Следующие типы колец поддерживаются редактором FBD/LD:

.....................прямой виток

.....................инвертированный виток

Размещено на http://www.allbest.ru/

....................."установить" виток действия

....................."сброситьРазмещено на http://www.allbest.ru/

" виток действия

.....................виток с определением положительного (переднего) фронта

.....................витРазмещено на http://www.allbest.ru/

ок с определением отрицательного (заднего) фронта

Функциональные блоки

Блок диаграммы FBD может представлять функцию, функциональный блок,Размещено на http://www.allbest.ru/

подпрограмму или оператор. Его входные и выходные параметры должны быть соединены с контактом или витком или другими входами или выходами блока в соответствии с рисунком 1.10. Формальные параметры описаны внутри прямоугольника блока.

Рисунок 1.10 Пример функционального блока в языке FBD

Метки

Метки могут быть помещены в любом месте диаграммы. Метка используется как цель для инструкций прыжка, т.е. для изменения порядка выполнения диРазмещено на http://www.allbest.ru/

аграммы. Метки не соединяются с другими элементами. Для повышения читаемости диаграммы метки рекомендуется размещать в её левой части.

Прыжок

Символ прыжка всегда ссылается на метку, расположенную где-либо в диРазмещено на http://www.allbest.ru/

аграмме. Слева он должен быть соединён с булевым элементом. Если левое соединение истинно, то выполнение программы сразу переходит к помеченному участку. Следует иметь в виду, что обратные прыжки опасны, так как в некоторых случаях приводят к зацикливанию.

Символ возврата

Символ возврата соединяется с булевым элементом. Он озРазмещено на http://www.allbest.ru/

начает, что выполнение программы должно быть остановлено, если значение ступени истинно.

Переменные

Переменные в диаграмме представлена внутри маленького прямоугольника, сРазмещено на http://www.allbest.ru/

оединённого слева или справа с другим элементом диаграммы.

Связи соединения

Связи соединения изображаются между элементами диаграммы. Они всегда изРазмещено на http://www.allbest.ru/

ображаются от входа к выходу ( в направлении потока данных ).

Связи соединения булева отрицания

Некоторые булевы связи представлены маленьким кругом в своём правомРазмещено на http://www.allbest.ru/

окончании. Это представляет булево отрицание информации, проходящей через связь.

Углы, определяемые пользователем

Пользователь может определять точки на линии связи. Они позволяют вруРазмещено на http://www.allbest.ru/

чную управлять направлением связи. Если не задано никакого угла, то ISaGRAF по умолчанию использует свой алгоритм управления.

1.2.5 Использование языков ST и IL

Язык ST - текстовый язык высокого уровня, ориентированный на решение задач автоматизации. Язык ST применяется для реализации комплексных процедур, которые не могут быть просто решены средствами графических языков. На основе этого языка можно создавать гибкие процедуры обработки данных. По мнемонике похож на Pascal. Редактор IL использует упрощенный язык инструкций нижнего уровня и применяется для описания небольших приложений или функциональных блоков пользователя. Примеры программ языков ST и IL показаны на рисунке 1.11.

Рисунок 1.11 Внешний вид программ на языках ST и IL

1.3 Технические характеристики и виды шаговых двигателей

Шаговые двигатели уже давно и успешно применяются в самых разнообразных устройствах. Их можно встретить в дисководах, принтерах, плоттерах, сканерах, факсах, а также в разнообразном промышленном и специальном оборудовании. В настоящее время выпускается множество различных типов шаговых двигателей на все случаи жизни. Однако правильно выбрать тип двигателя - это еще пол-дела. Не менее важно правильно выбрать схему драйвера и алгоритм его работы, который зачастую определяется программой микроконтроллера.

Шаговый двигатель - это электромеханичское устройство, которое преобразует электрические импульсы в дискретные механические перемещения. Так, пожалуй, можно дать строгое определение. Наверное, каждый видел, как выглядит шаговый двигатель внешне: он практически ничем не отличается от двигателей других типов. Чаще всего это круглый корпус, вал, несколько выводов, смотри рисунок 1.12.

Рисунок 1.12 Внешний вид шаговых двигателей семейства ДШИ-200.

Однако шаговые двигатели обладают некоторыми уникальными свойствами, что делает порой их исключительно удобными для применения или даже незаменимыми.

Достоинства ШД:

- угол поворота ротора определяется числом импульсов, которые поданы на двигатель;

- двигатель обеспечивает полный момент в режиме остановки (если обмотки запитаны);

- прецизионное позиционирование и повторяемость. Хорошие шаговые двигатели имеют точность 3-5% от величины шага. Эта ошибка не накапливается от шага к шагу;

- возможность быстрого старта/остановки/реверсирования;

- высокая надежность, связанная с отсутствием щеток, срок службы шагового двигателя фактически определяется сроком службы подшипников;

- однозначная зависимость положения от входных импульсов обеспечивает позиционирование без обратной связи;

- возможность получения очень низких скоростей вращения для нагрузки, присоединенной непосредственно к валу двигателя без промежуточного редуктора;

- может быть перекрыт довольно большой диапазон скоростей, скорость пропорциональна частоте входных импульсов;

Недостатки ШД:

- шаговым двигателем присуще явление резонанса

- возможна потеря контроля положения ввиду работы без обратной связи

- потребление энергии не уменьшается даже без нагрузки

- затруднена работа на высоких скоростях

- невысокая удельная мощность

- относительно сложная схема управления

Шаговые двигатели относятся к классу бесколлекторных двигателей постоянного тока. Как и любые бесколлекторные двигатели, они имеют высокую надежность и большой срок службы, что позволяет использовать их в критичных, например, индустриальных применениях. По сравнению с обычными двигателями постоянного тока, шаговые двигатели требуют значительно более сложных схем управления, которые должны выполнять все коммутации обмоток при работе двигателя. Кроме того, сам шаговый двигатель - дорогостоящее устройство, поэтому там, где точное позиционирование не требуется, обычные коллекторные двигатели имеют заметное преимущество. Справедливости ради следует отметить, что в последнее время для управления коллекторными двигателями все чаще применяют контроллеры, которые по сложности практически не уступают контроллерам шаговых двигателей.

Одним из главных преимуществ шаговых двигателей является возможность осуществлять точное позиционирование и регулировку скорости без датчика обратной связи. Это очень важно, так как такие датчики могут стоить намного больше самого двигателя. Однако это подходит только для систем, которые работают при малом ускорении и с относительно постоянной нагрузкой. В то же время системы с обратной связью способны работать с большими ускорениями и даже при переменном характере нагрузки. Если нагрузка шагового двигателя превысит его момент, то информация о положении ротора теряется и система требует базирования с помощью, например, концевого выключателя или другого датчика. Системы с обратной связью не имеют подобного недостатка.

Виды шаговых двигателей.

Существуют три основных типа шаговых двигателей:

- двигатели с переменным магнитным сопротивлением

- двигатели с постоянными магнитами

- гибридные двигатели

Определить тип двигателя можно даже на ощупь: при вращении вала обесточенного двигателя с постоянными магнитами (или гибридного) чувствуется переменное сопротивление вращению, двигатель вращается как бы щелчками. В то же время вал обесточенного двигателя с переменным магнитным сопротивлением вращается свободно. Гибридные двигатели являются дальнейшим усовершенствованием двигателей с постоянными магнитами и по способу управления ничем от них не отличаются. Определить тип двигателя можно также по конфигурации обмоток. Двигатели с переменным магнитным сопротивлением обычно имеют три (реже четыре) обмотки с одним общим выводом. Двигатели с постоянными магнитами чаще всего имеют две независимые обмотки. Эти обмотки могут иметь отводы от середины. Иногда двигатели с постоянными магнитами имеют 4 раздельных обмотки.

В шаговом двигателе вращающий момент создается магнитными потоками статора и ротора, которые соответствующим образом ориентированы друг относительно друга. Статор изготовлен из материала с высокой магнитной проницаемостью и имеет несколько полюсов. Полюс можно определить, как некоторую область намагниченного тела, где магнитное поле сконцентрировано. Полюса имеют как статор, так и ротор. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопроводы собраны из отдельных пластин, подобно сердечнику трансформатора. Вращающий момент пропорционален величине магнитного поля, которая пропорциональна току в обмотке и количеству витков. Таким образом, момент зависит от параметров обмоток. Если хотя бы одна обмотка шагового двигателя запитана, ротор принимает определенное положение. Он будет находится в этом положении до тех пор, пока внешний приложенный момент не превысит некоторого значения, называемого моментом удержания. После этого ротор повернется и будет стараться принять одно из следующих положений равновесия.

Двигатели с постоянными магнитами.

Двигатели с постоянными магнитами состоят из статора, который имеет обмотки, и ротора, содержащего постоянные магниты, смотри рисунок 1.13. Чередующиеся полюса ротора имеют прямолинейную форму и расположены параллельно оси двигателя. Благодаря намагниченности ротора в таких двигателях обеспечивается больший магнитный поток и, как следствие, больший момент, чем у двигателей с переменным магнитным сопротивлением.

Рисунок 1.13 Двигатель с постоянными магнитами.

Показанный на рисунке двигатель имеет 3 пары полюсов ротора и 2 пары полюсов статора. Двигатель имеет 2 независимые обмотки, каждая из которых намотана на двух противоположных полюсах статора. Такой двигатель, как и рассмотренный ранее двигатель с переменным магнитным сопротивлением, имеет величину шага 30 град. При включении тока в одной из катушек, ротор стремится занять такое положение, когда разноименные полюса ротора и статора находятся друг напротив друга. Для осуществления непрерывного вращения нужно включать фазы попеременно. На практике двигатели с постоянными магнитами обычно имеют 48 - 24 шага на оборот (угол шага 7.5 - 15 град).

Разрез реального шагового двигателя с постоянными магнитами показан на рисунке 1.14.

Рисунок 1.14 Разрез шагового двигателя с постоянными магнитами

Для удешевления конструкции двигателя магнитопровод статора выполнен в виде штампованного стакана. Внутри находятся полюсные наконечники в виде ламелей. Обмотки фаз размещены на двух разных магнитопроводах, которые установлены друг на друге. Ротор представляет собой цилиндрический многополюсный постоянный магнит.

Двигатели с постоянными магнитами подвержены влиянию обратной ЭДС со стороны ротора, котрая ограничивает максимальную скорость. Для работы на высоких скоростях используются двигатели с переменным магнитным сопротивлением.

Биполярные и униполярные шаговые двигатели.

В зависимости от конфигурации обмоток двигатели делятся на биполярные и униполярные. Биполярный двигатель имеет одну обмотку в каждой фазе, которая для изменения направления магнитного поля должна переполюсовывается драйвером. Для такого типа двигателя требуется мостовой драйвер, или полумостовой с двухполярным питанием. Всего биполярный двигатель имеет две обмотки и, соответственно, четыре вывода, смотри рисунок 1.15а.

Рисунок 1.15 Биполярный двигатель (а), униполярный (б) и четырехобмоточный (в).

Униполярный двигатель также имеет одну обмотку в каждой фазе, но от середины обмотки сделан отвод. Это позволяет изменять направление магнитного поля, создаваемого обмоткой, простым переключением половинок обмотки. При этом существенно упрощается схема драйвера. Драйвер должен иметь только 4 простых ключа. Таким образом, в униполярном двигателе используется другой способ изменения направления магнитного поля. Средние выводы обмоток могут быть объединены внутри двигателя, поэтому такой двигатель может иметь 5 или 6 выводов, смотри рисунок 1.15б. Иногда униполярные двигатели имеют раздельные 4 обмотки, по этой причине их ошибочно называют 4-х фазными двигателями. Каждая обмотка имеет отдельные выводы, поэтому всего выводов 8, смотри рисунок 1.15в. При соответствующем соединении обмоток такой двигатель можно использовать как униполярный или как биполярный. Униполярный двигатель с двумя обмоткими и отводами тоже можно использовать в биполярном режиме, если отводы оставить неподключенными. В любом случае ток обмоток следует выбирать так, чтобы не превысить максимальной рассеиваемой мощности.

Временные диаграммы работы.

Первый способ обеспечивается попеременной коммутации фаз, при этом они не перекрываются, в один момент времени включена только одна фаза, смотри рисунок 1.14а. Этот способ называют ”one phase on” full step или wave drive mode. Точки равновесия ротора для каждого шага совпадают с «естественными» точками равновесия ротора у незапитанного двигателя. Недостатком этого способа управления является то, что для биполярного двигателя в один и тот же момент времени иcпользуется 50% обмоток, а для униполярного - только 25%. Это означает, что в таком режиме не может быть получен полный момент.

Рисунок 1.16 Различные способы управления фазами шагового двигателя.

Второй способ - управление фазами с перекрытием: две фазы включены в одно и то же время. Его называют ”two-phase-on” full step или просто full step mode. При этом способе управления ротор фиксируется в промежуточных позициях между полюсами статора, смотри рисунок 1.14б и обеспечивается примерно на 40% больший момент, чем в случае одной включенной фазы. Этот способ управления обеспечивает такой же угол шага, как и первый способ, но положение точек равновесия ротора смещено на полшага.

Третий способ является комбинацией первых двух и называется полушаговым режимом, ”one and two-phase-on” half step или просто half step mode, когда двигатель делает шаг в половину основного. Этот метод управления достаточно распространен, так как двигатель с меньшим шагом стоит дороже и очень заманчиво получить от 100-шагового двигателя 200 шагов на оборот. Каждый второй шаг запитана лишь одна фаза, а в остальных случаях запитаны две, смотри рисунок 1.14в. В результате угловое перемещение ротора составляет половину угла шага для первых двух способов управления. Кроме уменьшения размера шага этот способ управления позволяет частично избавиться от явления резонанса. Полушаговый режим обычно не позволяет получить полный момент, хотя наиболее совершенные драйверы реализуют модифицированный полушаговый режим, в котором двигатель обеспечивает практически полный момент, при этом рассеиваемая мощность не превышает номинальной.

Еще один способ управления называется микрошаговым режимом или micro stepping mode. При этом способе управления ток в фазах нужно менять небольшими шагами, обеспечивая таким образом дробление половинного шага на еще меньшие микрошаги. Когда одновременно включены две фазы, но их токи не равны, то положение равновесия ротора будет лежать не в середине шага, а в другом месте, определяемом соотношением токов фаз. Меняя это соотношение, можно обеспечить некоторое количество микрошагов внутри одного шага. Кроме увеличения разрешающей способности, микрошаговый режим имеет и другие преимущества, которые будут описаны ниже. Вместе с тем, для реализации микрошагового режима требуются значительно более сложные драйверы, позволяющие задавать ток в обмотках с необходимой дискретностью. Полушаговый режим является частным случаем микрошагового режима, но он не требует формирования ступенчатого тока питания катушек, поэтому часто реализуется.

2. Разработка структурной схемы устройства

Современные комплексы автоматизации имеют инструментальную платформу (персональный компьютер и среда программирования) и исполнительную платформу (контроллер с драйверами и операционной системой).

Связь с контроллером осуществляется через сеть Ethernet. Это даёт возможность следить за выполнением программы и вносить в изменения в условия.

Структурная схема системы управления электроприводами станка с ЧПУ, смотри рисунок 2.1. Модули расширения имеют следующие функции:

- I-8042: Управляет электро-автоматикой станка, а также коммутирует обмотки шаговых двигателей;

- I-87026: Задаёт скорость шпинделя;

- I-8090: Контролирует положение шпинделя и подач, посредством фото-импульсного датчика;

- I-8091: Управление шаговыми двигателями продольной и перечной подачи.



Рисунок 2.1 Структурная схема системы управления электроприводами станка с ЧПУ

3. Разработка принципиальной схемы управления электроприводами станка с ЧПУ

3.1 Составляющие принципиальной схемы

Принципиальная схема состоит из трёх блоков:

- Персональный компьютер;

- Контроллер и блоки расширения;

- Электроприводы станка.

На рисунке 3.1 представлена схема подключения электро-автоматики станка к модулям расширения контроллера.

Рисунок 3.1 Схема подключения электроприводов станка к модулям расширения контроллера

3.2 Блок-схемы алгоритмов программ управления

Алгоритм управления приводом постоянного тока показан в блок-схеме, смотри рисунок 3.2.

Рисунок 3.2 Блок-схема алгоритма управления приводом постоянного тока

Двигатель постоянного тока выполняет следующие функции:

- Обеспечение оптимальной частоты вращения шпинделя;

- Вращение шпинделя в обратном направлении.

Алгоритм управления шаговыми двигателями показан в блок-схеме, смотри рисунок 3.3.



Рисунок 3.3 Блок-схема алгоритма управления шаговым двигателем

Шаговые двигатели выполняют следующие функции:

- Движение по осям X и Y влево и вправо;

- Достаточную точность в отсчёте количества шагов.

3.3 Программное обеспечение в среде программирования ISaGRAF

На персональном компьютере создаём программу управления шаговыми двигателями и двигателем постоянного тока в среде программирования ISaGRAF.

Шаговые двигатели управляются тремя различными способами:

- полношаговый режим с одной включённой фазой;

- полношаговый режим с двумя включёнными фазами;

- полушаговый режим;

Для проекта нам необходим только режим с одной включённой фазой, смотри рисунок 3.4.

Рисунок 3.4 Полношаговый режим с одной включённой фазой

Для написания программы используется язык функциональных блочных диаграмм (FBD) - графический язык. Он позволяет программисту строить сложные процедуры, используя существующие функции из библиотеки ISaGRAF и связывая их вместе при помощи графических диаграмм.

На начальной стадии разработки показан простой пример использования RS-триггера. Контактом In устанавливается значение 1 на выходе Q, а контактом Res значение сбрасывается, смотри рисунок 3.5.

Рисунок 3.5 Пример использования RS-триггера в среде ISaGRAF

На следующем этапе разработки потребовалось подключить к триггеру таймер, чтобы переключение происходило за определённый интервал времени. В соответствии с рисунком 3.6, триггер открывает выход с интервалом в 1 секунду.

Рисунок 3.6 Подключение таймера к RS-триггеру в среде ISaGRAF.

Т.к. таймер после отсчета интервала времени восстанавливает своё значение, то требуется поставить ещё один RS-триггер для прерывания этого процесса, т.е. сделать сброс, смотри рисунок 3.7.

Рисунок 3.7 Установка и сброс значения выхода.

Для переключения фаз шагового двигателя необходимо 4 таких контура. Соединяем их так, чтобы они попеременно включаясь, отключали друг друга, смотри рисунок 3.8.

Рисунок 3.8 Попеременное переключение четырёх выходов.

Подключаем выходы к обмоткам шагового двигателя, смотри рисунок 3.9.



Рисунок 3.9 Подключение выходов к обмоткам шагового двигателя.

Необходимо создать библиотеку переменных для работы программы, смотри рисунок 3.10.



Рисунок 3.10 Библиотека переменных для программы в среде ISaGRAF

Также необходимо подключить виртуальные входы и выходы программы, чтобы запустить её на эмуляторе, смотри рисунок 3.11.



Рисунок 3.11 Подключение входов (слева) и выходов (справа) к плате I-8042.

Добавим комментарии, чтобы сделать программу более понятной, смотри рисунок 3.12.

Рисунок 3.12 Окончательная схема управления шаговым двигателем в среде ISaGRAF

Далее проект программы передаётся в память контроллера по сети Ethernet и запускается на отладчике ISaGRAF Runtime, смотри рисунок 3.13.

Рисунок 3.13 Эмуляция окончательной схемы на отладчике ISaGRAF Runtime

Выполнение программы и показание датчиков отслеживается на экране компьютера. Программа запускается клавишей Vkl в запущенном отладчике. Т.к. частота - это обратно пропорциональная функция от времени, то переводим значение частоты в значение времени и подставляем в функцию таймера. Таймеры последовательно переключают катушки Q1, Q2, Q3, Q4, которые коммутируют обмотки шагового двигателя. Q1 - A, Q2 - C, Q3 - B, Q4 - D, что соответствует работе шагового двигателя в режиме с включённой одной фазой.

Т.к. программа представлена на виртуальных таймерах, а нам необходима функция от частоты, то необходимо рассчитывать время коммутации каждой обмотки статора шагового двигателя:

 (3.1)

Максимальное значение частоты вращения N_max=250 Гц и соответствующее ей время коммутации обмоток T_max=1мс, а минимальное N_min=10 Гц и соответствующее ей время коммутации обмоток T_min=250мс. Этого вполне хватает для разгона и торможения шагового двигателя.

4. Технико-экономическое обоснование дипломного проекта

4.1 Построение ленточного графика

Одной из основных целей планирования НИОКР является определение общей продолжительности их проведения.

За время выполнения дипломной работы студенты, как правило, являются участниками сравнительно небольших по объему исследований. В этом случае наиболее удобным, простым и наглядным является ленточный график проведения НИОКР. Он представляет собой таблицу, где перечислены наименования видов работ, должности исполнителей, трудоемкость, численность исполнителей и длительность выполнения каждого вида работ. Продолжением таблицы является график, отражающий продолжительность каждого вида работ в виде отрезков времени, которые располагаются в соответствии с последовательностью выполнения работ.

4.2 Определение плановой себестоимости НИОКР

Целью планирования себестоимости проведения НИОКР является экономически обоснованное определение величины затрат на ее выполнение. В плановую себестоимость НИОКР включаются все затраты, связанные с ее выполнением, независимо от источника их финансирования. Определение затрат на НИОКР производится путем составления калькуляции плановой себестоимости. Она является основным документом, на основании которого осуществляется планирование и учет затрат на выполнение НИОКР.

Калькуляция плановой себестоимости проведения НИОКР составляется по следующим статьям затрат: материалы; спецоборудование для научных (экспериментальных) работ; основная заработная плата; дополнительная заработная плата; отчисления на социальное страхование; расходы на служебные командировки; затраты по работам, выполняемым сторонними организациями и предприятиями; прочие прямые расходы; накладные расходы.