Контроллер электроавтоматики
При изучении рекомендуется пользоваться комплектами принципиальных схем на субблок 9212 УЧПУ МС2101.
Контроллер предназначен для управления дискретными элементами электроавтоматики станка, такими, как концевые выключатели, электромагнитные муфты, электромагниты, электроклапаны, магнитные пускатели, нерегулируемые электроприводы и другие элементы.
Размещается контроллер в исполнительном модуле УЧПУ, а основной его характеристикой является число входов и выходов, которые в свою очередь определяют число подключаемых входных элементов электроавтоматики и число выходных соответственно. По этой причине во многих устройствах ЧПУ контроллер называется блоком входных – выходных сигналов. Конструктивно эти блоки иногда выполняются раздельно: блок входных сигналов и блок выходных сигналов.
Типовой контроллер электроавтоматики типа 9212 имеет 64 входа и 32 выхода. Если реальное число дискретных элементов на станке превышает данные числа в исполнительный модуль можно установить второй блок, причем дополнительной адресной коммутации не требуется, так как исполнительный адрес блока устанавливается автоматически в зависимости от места установки блока в корпусе модуля.
В контроллере электроавтоматики применяются четыре типа сигналов:
входные,
выходные,
элементы задержки,
элементы промежуточной памяти.
Входные сигналы формируются при срабатывании таких органов управления, как кнопки, тумблеры, концевые выключатели, пакетные или галетные переключатели, информационные контакты исполнительных элементов электроавтоматики.
Выходные сигналы предназначены для включения исполнительных элементов электроавтоматики, таких как: электромагнитные реле и пускатели, электромагниты и электромагнитные муфты, нерегулируемые электроприводы, электроклапаны, тормоза и фрикционы.
Элементы задержки предназначены либо для задержки формирования входного сигнала по отношение к времени срабатывания органа управления, либо для задержки срабатывания исполнительного устройства по отношению к времени выдачи выходного сигнала.
Элементы промежуточной памяти предназначены для фиксации факта возникновения входного сигнала в том случае, если исчезает воздействие на рабочий орган, а его сигнал не выл воспринят управляющим устройством, например, из-за занятости управляющего устройства при работе с другим устройством, имеющим более высокий приоритет.
Общие принципы построения КЭ.
В общем случае электроавтоматика станка представляет собой сложную систему элементов, решающую множество логических и технических задач. Однако проблема создания контроллера значительно облегчается из-за того, что все элементы электроавтоматики имеют только два устойчивых состояния: включено и выключено, поэтому при алгоритмизации работы электроавтоматики, сигналы от этих элементов можно представить в виде двух логических уровней: уровень лог. “1” - при включенном элементе, и уровня лог. “0” - при выключенном элементе. В таких случаях, как известно, взаимосвязи между элементами легко описываются и решаются путем применения математического аппарата Булевой алгебры.
Общий порядок разработки контроллера рассмотрим на примере проектирования фрагмента электроавтоматики станка для исполнения технологических команд М02 и М03. Эти команды осуществляют включение шпинделя токарного (или иного) станка при вращении против хода часовой (М02), или по часовой (М03) стрелке. В зависимости от типа привода шпинделя и особенностей работы станка возможны различные варианты алгоритма работы данного фрагмента. Для конкретизации примера рассмотрим привод шпинделя токарного станка 16К20Ф3С5, имеющего нерегулируемый приводной асинхронный двигатель и программно управляемую коробку скоростей (АКС). Команды М02 и М03 выполняют только функции включения двигателя в заданном направлении. Конкретная частота вращения шпинделя задается технологической командой S с соответствующим аргументом, поэтому в нашем фрагменте не рассматривается.
Конечной целью работы нашего фрагмента электроавтоматики является включение электромагнитного пускателя М2 - при команде М02, или пускателя М3 - при команде М03 (см. рис 2.22.). На рис. 2.20. приведена логическая схема алгоритма работы фрагмента. Исходными данными для работы является получение контроллером сигналов М02 или М03 от логической части УЧПУ ( из блока расшифровки кадра управляющей программы). Для корректного выполнения команды М02 или М03 необходимо выполнение следующих условий:
выключение альтернативного пускателя,
невключение теплового реле РТ,
предварительная смазка механической части привода и направляющих станка.
Первое условие необходимо для предотвращения короткого замыкания в питающей сети, второе условие также обязательно, поскольку тепловое реле устанавливается в цепи питания основных обмоток двигателя и срабатывает при их перегреве, третье условие обеспечивает надежную работу механических частей привода - смазка привода и направляющих осуществляется один раз после включения станка. Смазка выполняется путем включения двигателя насоса в течение 45 сек.
Как видно из рис.2.20., алгоритм работы фрагмента электроавтоматики обеспечивает исполнение двух технологических команд М02 и М03, для чего вначале дешифрируется номер команды, затем исключается дублирование (команда исполнена ранее). Следующим шагом исключается одновременное выполнение команд, так как это приведет к аварийной ситуации, после чего проверяется возможность выполнения той или иной команды: несрабатывание теплового реле двигателя и выполнение операции смазки механических узлов. Так как смазка производится только один раз после включения, то информация об этом хранится в устройстве памяти.
Команда М02
или М03
+ М02
-
?
+ М2 вкл. ?
М3 вкл. ? +
_
_
Выкл М3 + М3 вкл. ?
М2 вкл. ? + Выкл М2
_ _
РТ
вкл.? Сообщение
_ +
Смазка?
Вкл. Насос
Выдержка 45 с
М02 ? -___
Память смазки
+
Вкл. М2 Вкл. М3
Выкл. насос
В Ы
Х О Д
Рис. 2.20. Логическая схема алгоритма работы фрагмента электроавтоматики для выполнения команд М02 и М03.
Описанный алгоритм работы фрагмента физически может быть реализован в трех вариантах:
жесткая схема на базе электроконтактных элементов,
жесткая схема на базе интегральных микросхем,
гибкая схема на базе использования программируемого контроллера.
Принципиальная схема первого варианта приведена на рис. 2.21.а. Работает схема следующим образом. Для исполнения команды М02, т.е. включения магнитного пускателя М2 необходимо пропустить ток по цепи: нормально открытый контакт реле М02 , нормально закрытый контакт пускателя М3, нормально закрытый контакт теплового реле РТ и нормально открытый контакт реле памяти смазки Рсм. Реле М02 включится по приходу команды М02 из логической части УЧПУ, контакт пускателя М3 будет замкнут только при выключенном пускателе М3, контакты реле РТ будут замкнуты при отсутствии перегрева обмоток двигателя и, наконец, контакты реле Рсм будут замкнуты после выполнения процесса смазки. Если такого процесса не было, то через нормально закрытый контакт Рсм включится пускатель двигателя насоса смазки Мсм и одновременно включится реле времени Рв, через 45 сек (на это время настроено реле времени) замкнется контакт реле времени и включится реле Рсм. Одним из своих контактов это реле замкнет цепь питания пускателя М и он включится, вторым контактом реле Рсм задублирует контакт реле времени, т.е. реле Рсм будет взято на самопитание, чем и осуществляется память процесса смазки.
Команда М03 выполняется аналогично, за исключением того, что в цепи питания пускателя М3 стоит нормально закрытый контакт пускателя М2, чем предупреждается короткое замыкание при одновременном включении обоих пускателей.
Рассмотренная схема при своей простоте обладает рядом существенных недостатков:
большое количество контактов приводит к ненадежной работе схемы,
большое энергопотребление элементов,
трудности размножения сигналов, так как электромагнитные реле имеют ограниченное число контактов.
Многие из приведенных недостатков устраняются при микросхемном исполнении электроавтоматики. Функциональная схема фрагмента электроавтоматики в интегральном исполнении приведена на рис. 2.21.б. Как видно их схемы, число контактных элементов сведено к минимуму, потребление энергии многократно меньше и нет проблем с размножением сигналов. Однако при такой реализации возникает необходимость усиления выходных сигналов схемы для включения исполнительных элементов. К сожалению, включение мощных потребителей с помощью бесконтактных полупроводниковых элементов пока проблематично, хотя работы по созданию мощных транзисторных и особенно, опто -тиристорных элементов включения ведутся интенсивно.
М2, М3, Мсм - электромагнитные пускатели основного двигателя и двигателя насоса смазки,
М02, М03 - электромагнитные реле команд М02 и М03, Рв - реле времени, Рсм - реле памяти смазки, Л - сигнальная лампочка, РТ, РТсм - тепловые реле защиты двигателей от перегрева.
- 24 в. + 24 в.
М02
Из УЧПУ М02
М03
Из УЧПУ М03
~ 110 ~ 110
М02 Рсм М3 РТ
М2
Рсм РТсм
Мсм
Рсм Рв
Рв
Рсм
М03 Рсм М2 М3
РТсм Л
РТ
Рис. 2.21.а. Принципиальная схема фрагмента электроавтоматики на электромагнитных элементах
Недостатком жестких схем электроавтоматики является тот фактор, что схема не может быть быстро перестроена на работу с другим, иногда даже однотипным станком, поэтому жесткая схема всегда индивидуальна для каждого типа оборудования.
В последние годы получили распространение гибкие схемы электроавтоматики, состоящие из инвариантной электронной части и быстросменяемого программного обеспечения, при этом адаптация электроавтоматики к конкретному оборудованию осуществляется только за счет изменения программного обеспечения.
М02 из УЧПУ
Е пит.
&
М2
М03 из УЧПУ
&
М3
РТ РТсм
Мсм
1 & О
S ТТ Л
R
Рис. 2.21.б. Функциональная схема фрагмента электроавтоматики для выполнения команд М02 и М03 (микросхемный вариант).ТТ - RS триггер, О - одновибратор.
- Е пит + Е пит
М02 из УЧПУ
М К М2
М03 из УЧПУ
М3
РТ
Мсм
РТсм
М2
Л
М3
Рис. 2.21.в Функциональная схема фрагмента электроавтоматики для выполнения команд М02 и М03 (гибкий вариант). МК - контроллер электроавтоматики.
Функциональная схема такого фрагмента приведена на рис. 3.2.в. Схема состоит из четырех выходных исполнительных элементов: М2, М3, Мсм, Л, некоторого числа входных элементов и сигналов и логического устройства МК, представляющего собой интеллектуальный контроллер электроавтоматики, назначение которого - решение системы булевых уравнений, описывающих работу фрагмента электроавтоматики.
Для схемы на рис.2.21.а. система булевых уравнений будет иметь вид:
М2 = М02 * М3 * Рсм * РТ
Мсм = Рсм
Рв = Рсм
Рсм = Рсм + Рв
М3 = М03 * М2 * Рсм * РТ
Л = РТ + РТсм
Из приведенных уравнений некоторые являются вспомогательными и при решении программным способом, могут быть заменены на другие , программные элементы. Так реле времени может быть заменено программным элементом задержки ( D ) или таймером, а реле памяти смазки - элементом промежуточной памяти -Z. Тогда система уравнений примет вид:
М2 = М02 * М3 * Z * РТ
Мсм = Z
М3 = М03 * М2 * Z * РТ
Л = РТ + Ртсм
Z = Z * D
Полученная система уравнений решается логическим устройством, при этом в левой части уравнений находятся выходные элементы электроавтоматики, а в правой части - входные( одноименные обозначения аргументов и функций свидетельствует о том что входной элемент отражает действительное состояние выходного). В УЧПУ типа МС2101 в качестве интеллектуального контроллера выступает блок входных выходных сигналов 9212 совместно с вычислителем исполнительного модуля.
AB1 М2 М3
A
РТ
B
Д
C
А AB2 Мсм РТсм
В Дсм
С
N
Рис. 2.22. Принципиальная схема силовой части фрагмента электроавтоматики для отработки команд М02 и М03. АВ1, АВ2 - автоматические выключатели, М2, М3 - контакты магнитных пускателей основного двигателя, Мсм - контакты пускателя двигателя смазки, РТ, РТсм - катушки тепловых реле, Д, Дсм - приводные двигатели.