Синтез дискретной системы управления автоматом-перекладчиком с использованием прерывистых логических функций

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Содержание

Введение

1. Структурно-кинематическая схема ОУ

2. Таблица включений

3. Начальная циклограмма работы механизма

4. Ввод элементов памяти в систему

5. Реализуемая циклограмма работы механизма

6. Минимизация логических функций с помощью программы MINWIN-Professional

7. Построение функциональной схемы дискретного автомата

8. Моделирование работы дискретного автомата с помощью системы ISaGRAF

9. Система управления на элементах И-НЕ

10. Разработка принципиальной электрической схемы устройства в системе P-CAD

11. Выбор элементной базы из интегральных микросхем средней степени интеграции

Заключение

Список использованной литературы

Приложения



Введение

В настоящее время возрос интерес к проблемам проектирования дискретно-логических систем управления промышленной электроавтоматики, реализуемой на различной элементной базе: релейно-контактных схемах, бесконтактных интегральных микросхемах и на основе программируемых логических контроллеров (ПЛК). Это сложная техническая задача, для решения которой разработчик должен хорошо владеть теорией устройств дискретного действия и математическим аппаратом алгебры логики.

Большинство практических примеров доказывают, что в современных станках автоматизированы многочисленные операции технологического обеспечения: управление автоматической сменой инструмента, управление переключениями в приводах главного движения, управление зажимными приспособлениями, охлаждением, смазкой, перемещением ограждений и др.

В данной курсовой работе производится синтез дискретной системы управления автоматом - перекладчиком с использованием прерывистых логических функций. На основании выданного задания разрабатывается структурно-кинематическая схема объекта управления, составляются таблицы включений. На основании таких таблиц строится начальная циклограмма, а после введения элемента памяти в подсистемы получается реализуемая циклограмма. Минимизация логических функций производится с помощью программы MINWIN-Professional. В процессе построения функциональной схемы устройства можно сделать вывод о целесообразности выбора. Выбранная схема реализуется с помощью системы ISaGRAF, после чего разрабатывается принципиальная электрическая схема устройства в системе P-CAD.



1. Структурно - кинематическая схема объекта управления

Синтез дискретной системы управления автоматом-перекладчиком будем производить с использованием прерывистых логических функций.

Система управления автоматом-перекладчиком состоит из четырёх гидроприводов Ц1, Ц2, Ц3 и Ц4 которые включаются и выключаются попеременно, реализуя следующий цикл работы механизма:

А: В: А:

12; 56; 31;

21; 65;

13; 51;

34; 12;

43. 21;

15.

Структурно - кинематическая схема ОУ представлена на рисунке 1

Рисунок 1. Структурно-кинематическая схема системы управления механизмом

Исходя из законченности конструктивного оформления составных частей объекта управления (манипулятор А и манипулятор В) рассматриваемую систему целесообразно разбить на две подсистемы.

Последовательные циклы дискретной системы управления представляют собой автономные подсистемы. С поступлением разрешающей команды на запуск в работу включается 1-я подсистема. Завершив работу, она передает команду на запуск 2-й подсистемы и т.д.

Каждая подсистема имеет специальный триггер управления, который показывает состояние подсистемы. Если триггер управления включен - значит подсистема активна, а если триггер управления выключен - значит подсистема находится в состоянии ожидания. Алгоритм функционирования всех триггеров управления идентичен.

Подсистема А

Положения захвата манипулятора с приводом Ц1 контролируются путевыми переключателями C и D а каретки манипулятора с приводом Ц3 - путевыми переключателями C1 и С2. Сигналы с этих переключателей являются переменными дискретного автомата №1 (рис. 2).

Рис. 2. Схема внешних связей дискретного автомата Подсистемы А.

Подсистема В

Положения захвата манипулятора с приводом Ц2 - путевыми переключателями A и B а каретки манипулятора с приводом Ц4 - путевыми переключателями С1 и С3. Сигналы с этих переключателей являются переменными дискретного автомата №2 (рис. 3).

Рис. 3. Схема внешних связей дискретного автомата Подсистемы В.

2.Таблица включений

Составим таблицы включений с учетом сигналов блокировки P_А1, P_А2 и P_В (Pusk). Если P_А1=0, то запуск автоматического цикла запрещен. Первое действие автоматического цикла (Fx = 1) разрешается только при P_А1=1. Этот сигнал может поступать от кнопки «ПУСК», т.е. с пульта оператора, или от какой-либо другой подсистемы, являющейся частью общей системы управления.

Подсистема А

Такт	Изменения состояний входных переменных	Изменения состояний выходных переменных
1	c=1	Если P_A1 = 1, то
2	c=0
3	d=1
4	d=0
5	с=1
6	с1=0
7	c2=1
8	c=0
9	d=1
10	d=0
11	c3=1	Если P_A2 = 1, то

На рис.1 в скобках обозначены виртуальные переключатели, благодаря которым две реальные переменные c и d можно заменить одним виртуальным переключателем с. В сложных системах замена реальных переменных виртуальными сокращает общее число переменных, что упрощает процедуру минимизации логических функций. В результате таблица включений будет иметь вид:

Такт	Изменения состояний входных переменных	Изменения состояний выходных переменных
1	c=0	Если P_A1 = 1, то
2	c=1
3	с=0
4	c2=1
5	c=1
6	c3=1	Если P_A2 = 1, то



Подсистема В

Такт	Изменения состояний входных переменных	Изменения состояний выходных переменных
1	c3=1	Если P_B = 1, то
2	a=0
3	b=1
4	b=0
5	a=1
6	с3=0
7	c1=1
8	a=0
9	b=1
10	b=0
11	a=1

Как и для Подсистемы А заменим две реальные переменные a и b одним виртуальным переключателем a, в результате чего таблица включений будет иметь вид:

Такт	Изменения состояний входных переменных	Изменения состояний выходных переменных
1	c3=1	Если P_B = 1, то
2	a=1
3	a=0
4	c1=1
5	a=1
6	a=0



3.Начальная циклограмма работы механизма

На основании таблицы включений строим начальные циклограммы (рис.4, рис.5).

Рис. 4. Начальная циклограмма работы механизмов Подсистемы А

Символы Р_A1 над чертой, показывающей изменение состояния функций Fx в первом такте, означает внешний сигнал блокировки Pusk.

Подсистема В

Рис. 5. Начальная циклограмма работы механизмов Подсистемы В

4.Ввод элементов памяти в систему

Данные начальные циклограммы не могут быть реализованы, так как в строке ? повторяются суммы весов 4 и 6. Для исключения повторяющихся весовых коэффициентов вводим в дискретный автомат внутренние элементы памяти. Выпишем в ряд все весовые коэффициенты и отметим с помощью скобки такты, в которых следует включить и выключить внутренние элементы памяти (рис. 6., рис. 7).

Рис. 6. Введение в дискретный автомат №1 элементов памяти.

Рис. 7. Введение в дискретный автомат №2 элементов памяти.

Весовые коэффициенты 4 и 6 больше не повторяются. Следовательно, цель достигнута.

5.Реализуемая циклограмма работы механизма

Найденные ряды неповторяющихся весовых коэффициентов (рис. 6,б и рис. 7,б ) служат основой для построения реализуемых циклограмм. Чтобы их получить, выполним следующие действия:

1) Запишем в строке ряд неповторяющихся весовых коэффициентов, в котором учтем дополнительные такты на включение и на выключение внутренних элементов памяти (рис. 8, рис. 9.).

2) В верхней части циклограммы отметим горизонтальными линиями состояния входных и внутренних переменных исходя из того, чтобы суммы весовых коэффициентов в каждом такте были равны значениям, записанным в строке ?.

3) В нижней части циклограммы с помощью коротких, равных длительности одного такта, линий укажем переходы выходных логических функций из состояния 0 в состояние 1, отмечая моменты этих переходов поперечными штрихами на левых концах линий.

Реализуемая циклограмма представлена на рис.8, рис.9

Номера тактов на включение и на выключение выходных элементов памяти в начальной и в реализуемой циклограммах совпадают.

В данном случае изменения состояния выходных элементов памяти выпали на такты, номера которых в реализуемой циклограмме представлены дважды, причем один отмечен звездочкой, а другой - нет. Согласно правилу, выберем в качестве рабочего такт, отмеченный звездочкой. В противном случае между выходным и внутренним элементами памяти могут возникать состязания (гонки). Если внутренний элемент памяти переключится раньше выходного (выиграет гонку), то он изменит состояние дискретного автомата и выходной элемент, возможно, не успеет переключиться. Надо отметить, что данное условие не распространяется на такты, отмеченные знаком блокировки типа Pusk.

Рис. 8. Реализуемая циклограмма Подсистемы А

Рис. 9. Реализуемая циклограмма Подсистемы В

С помощью пунктирных линий на реализуемых циклограммах обозначены безразличные состояния логических функций.

Чтобы исключить совпадения единичных состояний логических функций на включение и на выключение одного и того же элемента памяти в одном такте, пунктирную линию на включение надо проводить с такта после обязательного включения до такта на обязательное выключение, а пунктирную линию на выключение - с такта после обязательного выключения до такта на обязательное включение каждого элемента памяти.

Из полученных реализуемых циклограмм видно, что для управления ОУ требуются 4 выходных элемента памяти с функциями включения, соответственно ,,,,, и с функциями выключения ,,,,, а также 2 внутренних элемента памяти с функциями включения , и с функциями выключения , .

6. Минимизация логических функций с помощью программы MINWIN-Professional

Прежде чем приступить к минимизации логических функций, перейдем от виртуальных переменных к реальным. Правило перехода от виртуальных переменных к реальным можно сформулировать так: виртуальные входные переменные, определяющие положения рабочих органов только в двух позициях надо заменить реальными входными переменными в соответствии с обозначениями, принятыми на структурно-кинематической схеме устройства. Применительно к рассматриваемому ОУ (рис.1) указанная замена выглядит следующим образом:

Используя данную замену переменных, минимизируем логические функции, содержащиеся в полученных выше реализуемых циклограммах (рис.8, рис.9) с помощью программы MINWIN-Professional (Приложение А). Результаты минимизации приведены ниже:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

Рис. 10. Схема взаимодействия двух подсистем

7. Построение функциональной схемы дискретного автомата

Функциональная схема дискретного автомат состоит из семи путевых переключателей, с которых поступают входные переменные а, b, c, d, c1, с2 и с3 выходных запоминающих элементов х, у, u, v, внутренних запоминающих элементов m1, m2, триггеров управления Т1, Т2, 28 логических элементов И, 10 логических элементов ИЛИ (см. приложение Б).

8.Моделирование работы дискретного автомата с помощью системы ISaGRAF

В ISaGRAF заложена методология структурного программирования, которая дает возможность пользователю описать автоматизируемый процесс в наиболее легкой и понятной форме. Интерфейс с пользователем системы ISaGRAF соответствует международному стандарту, включающему многооконный режим работы, полнографические редакторы, работу с мышью и т.п.

Смоделировав работу дискретного автомата с помощью системы ISaGRAF, получим следующую распечатку результатов (см. приложение В).

Полученные результаты моделирования показывают, что дискретная система управления манипулятором синтезирована верно в соответствии с заданным циклом работы механизма.

9. Система управления на элементах И-НЕ

Среди интегральных микросхем серии ТТЛ наиболее распространен активный элемент И - НЕ. Наиболее удобным методом построения схем на элементах И - НЕ является предварительный синтез системы управления в базисе И, ИЛИ, НЕ, а затем переход к базису И - НЕ по приведенному ниже правилу.

Если имеется готовая структура в базисе И, ИЛИ, НЕ, то можно перейти к структуре в базисе И - НЕ с помощью графических преобразований, т. е. не прибегая к алгебраической записи логических функций. Указанные преобразования следует выполнять в следующем порядке:

Инвертируются отдельные внутренние связи, входы и выходы:

а) инвертируются все внутренние связи между одноименными элементами И и ИЛИ;

б) инвертируются все входы, подаваемые непосредственно на элементы ИЛИ;

в) инвертируются все выходы, идущие с элементов И.

2) Все элементы И и ИЛИ заменяются на элементы И - НЕ с соответствующим числом входов.

Смоделируем работу дискретного автомата в базисе И - НЕ. Результаты получились абсолютно аналогичными как и в пункте 8 и представлены в приложении Г.

10. Разработка принципиальной электрической схемы устройства в системе P-CAD

Схему полученную на девятом этапе данной работы составим в среде P-CAD Schematic.

В перечне элементов приведена спецификация для полученной электрической принципиальной схемы.

11. Выбор элементной базы из интегральных микросхем средней степени интеграции

В качестве элементарной базы выбрали следующие интегральные микросхемы средней степени интеграции: К555ЛА3, К555ЛА4, К555ЛА2 и К555ТР2, характеристики и параметры, которых указаны в Приложении Е.



Заключение

Был проведен анализ электрифицированного мехатронного узла: построена его кинематическая схема, составлена таблица включений, составлена начальная циклограмма и ее реализация с введением элементов памяти. Была произведена минимизация логических функций. Все это дало возможность промоделировать работу дискретного автомата. На основании результатов моделирования можно сказать, что система управления работает без ошибок, следовательно поставленная задача была выполнена.

В процессе выполнения задания я получил навыки работы с программами ISaGRAF, P-CAD, MinWin Professional.

Полученные мною знания будут полезными при разработке дискретно-логических систем управления на основе промышленных контроллеров, в моей последующей инженерной практике.



Список использованных источников

1. Чикуров Н. Г. Логический синтез дискретных систем управления: Учебное пособие / Н. Г. Чикуров; Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т; - Уфа, 2003. - 132 с. ISBN 5-86911-432-2

2. Гаврилов М.А., Девятков В.В., Пупырев Е.И.

Логическое проектирование дискретных автоматов. - М.: Наука, 1977. - 352 с.



Приложение А (обязательное)

Результаты моделирования дискретного автомата в программе ISaGRAF 3.3



Приложение Б (обязательное)

Результаты моделирования дискретного автомата в программе ISaGRAF 3.3

1. Ожидание; 2. А: 12;

3. А: 21; 4. А: 13;



5. А: 34; 6. А: 43; В: 56;

7. В: 65; 8. В: 51;

9. В: 12; 10. В: 21;

11. В: 15; 12. А: 31;



Приложение Г (обязательное)

Результаты моделирования дискретного автомата в базисе И-НЕ

1. Ожидание; 2. А: 12;

3. А: 21; 4. А: 13;



5. А: 34; 6. А: 43; В: 56;

7. В: 65; 8. В: 51;



9. В: 12; 10. В: 21;

11. В: 15; 12. А: 31;



Приложение Е (справочное)

Элементная база интегральных микросхем

Микросхема К555ЛА3 состоит из 4-х элементов 2И-НЕ.

Рисунок 11. Схема К555ЛА3

Рисунок 12. Габаритные размеры К555ЛА3

Микросхема К555ЛА4 состоит из 3-х элементов 3И-НЕ.

Рисунок 13. Схема К555ЛА4

Рисунок 14. Габаритные размеры К555ЛА4

К555ТР2 состоит из 4-х R-S триггеров.

Рисунок 15. Схема К555ТР2

Микросхема содержит четыре RS-триггерные защелки. Основной режим работы микросхемы - режим хранения, при этом на входах R и S - высокий уровень напряжения. При подаче отрицательного импульса напряжения на вход S или R на выходе соответствующего триггера устанавливается высокий или низкий уровни напряжения соответственно. При нормальной работе на входах R и S не может быть одновременно низкий уровень напряжения, так как при возвращении в режим хранения состояние на выходе не определено.

Рисунок 16. Габаритные размеры К555ТР2

Микросхема К555ЛА1 - Два логических элемента 4И-НЕ

Ток потребления микросхемыК555ЛА1 составляет 11,5 мА. На каждый элемент И-НЕ 2,875 мА.

Рисунок 17. Схема К555ЛА1

Рисунок 18. Габаритные размеры К555ЛА1

Размещено на Allbest.ru