Аблязов В.И. Программное управление станками и комплексами

Подождите немного. Документ загружается.

С.-Петербургский государственный политехнический университет

Механико-машиностроительный факультет

Аблязов В.И.

ПРОГРАММНОЕ УПРАВЛЕНИЕ СТАНКАМИ И

КОМПЛЕКСАМИ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

Санкт-Петербург

2008

14.10.09

Содержание

1. Основные этапы проектирования систем автоматического управления 3

2. Формализация объекта управления. Прием и выдача логических сигналов 4

3. Виды управляющих воздействий и сигналов обратной связи. Понятие о дискретном и

непрерывном управлении 6

4. Характеристики аналоговых и дискретных сигналов. ЦАП и АЦП 6

5. Алгоритмы выдачи и приема управляющих сигналов 9

5.1. Табличный способ 10

5.2. Словесно-аналитический способ задания функции алгебры логики 10

5.3. Графические способы 11

5.4. Логические функциональные блок-схемы 12

5.5. Математическое представление (алгебра логики) 12

6. Примеры логических схем 13

7. Физические основы полупроводников 17

7.1. Выпрямительные диоды 18

7.2. Специальные диоды. стабилитроны, варикапы, фото- и светодиоды, тиристоры 19

7.3. Биполярный транзистор 23

7.4. Простейший транзисторный усилитель 24

7.5. Полевой транзистор 26

8. Основные характеристики семейств микросхем 28

9. Условные обозначения полупроводниковых элементов и ИМС 32

9.1. Кодировка зарубежных и отечественных радиоэлементов 32

9.2. Маркировка и изображение резисторов и конденсаторов 35

10. Типовые комбинационные схемы 36

10.1. Простейшие логические вентили и их реализация в интегральных микросхемах 37

10.2. Логические преобразования и комбинационное проектирование 39

10.3. Особенности подключения и организации выходных каскадов ИМС 43

10.4. .Логические интегральные микросхемы 45

10.5. Мультиплексоры и демультиплексоры 47

10.6. Сумматоры 47

10.7. Цифровые компараторы 48

11. Последовательностные схемы (элементы с памятью) 48

11.1. R-S – триггеры 48

11.2. D – триггеры 49

11.3. JK – триггеры 49

11.4. Триггеры Шмитта 50

11.5. Регистры 51

11.6. Счётчики. Программные делители частоты 52

12. Импульсные и фазовые системы программного управления 54

13. Кодирование управляющих программ 59

14. Задание траектории движения и рекомендации по выбору осей 62

15. Подготовительные и вспомогательные функции 64

15.1. Подготовка технологической информации 64

15.2. Подготовительные функции 65

15.3. Вспомогательные функции 66

16. Кодирование управляющей программы, структура и формат кадра 67

17. Основные виды интерполяции 68

18. Линейная интерполяция методом оценочной функции 69

19. Круговая интерполяция методом ОФ 74

20. Метод цифрового интегрирования 76

21. Сравнительная оценка методов цифрового интегрирования и ОФ 78

Литература 79

14.10.09

1. Основные этапы проектирования систем автоматического управления

Задача программного управления в общем случае состоит в привязке к за-

данному объекту некоторой системы управления (СУ). Современные устройства

управления в основном определяются, как программируемые устройства, постро-

енные на базе микропроцессоров, микро-ЭВМ и программируемых контроллерах.

При этом устройство управления, которое управляет объектом управления (ОУ),

должно вырабатывать некоторые n управляющих воздействий (УВ), поступаю-

щих на ОУ. Эти управляющие воздействия, вырабатываются на основе заданных

алгоритмов и с учетом информации о состоянии самого объекта.

Алгоритмы, вводимые в СУ, могут быть постоянными (записываются в по-

стоянное запоминающее устройство ПЗУ на заводе-изготовителе или самим раз-

работчиком) или меняющимися. Если алгоритмы меняются в процессе работы, то

они записываются в перепрограммируемые ПЗУ (ППЗУ) или в оперативное запо-

минающее устройство ОЗУ перед или во время работы.

Оперативная информация (исходные данные, параметры, промежуточные

результаты), с которой работает устройство управления, заносится в ОЗУ. В ОЗУ

вводятся также управляющие программы (УП). В системах числового программ-

ного управления (СЧПУ) станками - управляющие программы представляют со-

бой совокупность команд на языке программирования, соответствующую задан-

ному алгоритму функционированию станка при обработке конкретной заготовки.

УП может определять ход протекания какого-нибудь технологического процесса,

например последовательность движения автооператора в гальванической линии,

управляемой микропроцессорным УУ.

Информация, поступающая в СУ от объекта и характеризующая его теку-

щее состояние по m параметрам, называется сигналами обратной связи.

Таким образом УУ вырабатывает управляющее воздействие УВ

…УВ

на

объект на основе постоянно или временно хранимых в ней алгоритмов, оператив-

но вводимых УП, а также на основе информации о текущем состоянии объекта в

m контролируемых точках ОС

…ОС

(рис.1).

Если в системе управления отсутствует контроль состояния объекта, ме-

няющегося под воздействием управляющих воздействий или внешних факторов,

то система называется разомкнутой. В замкнутой СУ выработка УВ ведется с уче-

том текущего состояния управляемых параметров (или внешних воздействий). В

случае замкнутой системы при описании объекта необходимо определить типы и

количество датчиков, включенных в обратную связь через СУ. Иными словами

УВ

…УВ

Алгоритмы

УП

СУ

…OC

Рис. 1а. Структура автоматизированной системы управления.

14.10.09

определить требования к входным воздействиям устройства управления (входам

"In").

Задача автоматизации или привязки современных устройств управления,

часто называемыми также системами управления (СУ), к какому-либо технологи-

ческому объекту обычно выполняется в несколько этапов.

На первом этапе производится формализация (описание) объекта управле-

ния.

На втором - выбор аппаратных средств управления и контроля объекта.

Здесь обычно определяют тип (семейство) ЭВМ или контроллеров.

На третьем этапе разрабатывается структура устройства управления, кото-

рая включает в себя:

 выбор архитектуры;

 определение номенклатуры и количества блоков, включая блоки сопряжения с

объектом управления;

 определение необходимых обратных связей;

 разработку протоколов обмена;

 формирование требований к вспомогательному оборудованию (ввода и записи

программ, отображения текущей информации, устройств сопряжения с сетевой

структурой).

Четвертый этап: включает в себя разработку алгоритмов и программ управ-

ления объектом. В состав алгоритмических проблем входит декомпозиция (разде-

ление) задачи управления на ее составляющие и выбор или разработка методов их

решения с анализом методических погрешностей, вносимых выбранным методом.

Программные проблемы включают выбор операционной среды реального време-

ни, в которой будет функционировать управляющее устройство, и создание при-

кладного программного обеспечения, реализующего разработанные алгоритмы.

На пятом завершающем этапе осуществляется стыковка с объектом и от-

ладка системы в целом.

Естественно, порядок и содержание отдельных этапов может претерпевать

изменения. Все эти этапы носят итерационный характер (последовательного при-

ближения). В ходе их выполнения происходит возврат к предыдущим этапам,

уточняются отдельные параметры, после чего процесс снова повторяется. Рас-

смотрим особенности выполнения отдельных этапов.

2. Формализация объекта управления. Прием и выдача логических сигналов

Чтобы приступить к автоматизации любого объекта необходимо вначале

его формализовать. Формализация с точки зрения автоматизации – это описание

объекта, в котором определены х а р а к т е р и к о л и ч е с т в о в с е х у п р а в -

л я ю щ и х в о з д е й с т в и й н а о б ъ е к т , а т а к ж е х а р а к т е р и к о л и -

ч е с т в о в с е х к о н т р о л и р у е м ы х т о ч е к у п р а в л я е м о г о о б ъ е к т а .

Необходимо заметить, что в ряде случаев подобное описание окончательно

удается сделать только после выбора устройства управления, поскольку возмож-

14.10.09

ности, обеспечиваемые УУ, могут повлиять на число и характер управляющих

воздействий.

Управляющие воздействия, формируемые современными УУ (контроллеры,

микроконтроллеры, однокристальные ЭВМ) представляют собой определенные

электрические сигналы: постоянное, или переменное напряжение определенного

значения, токовый сигнал, последовательность импульсов с постоянной или из-

меняемой длительностью, релейные контакты. Эти сигналы поступают на испол-

нительные устройства (ИУ). Исполнительные устройства осуществляют преобра-

зование электрического сигнала в то или иное физическое воздействие: поворот

вала двигателя, перемещение исполнительного органа (стола, инструмента), за-

мыкание/размыкание контактора, закрытие заслонки, нагрев, излучение, включе-

ние освещения и др. Управляющие сигналы могут поступать на исполнительные

устройства непосредственно. Часто перед ИУ необходимо ставить различного ро-

да преобразователи, позволяющие преобразовать данный сигнал в необходимое

для ИУ управляющее воздействие.

В качестве УУ выступают промышленные контроллеры различных фирм

(Allen-Breadly, Omron, Siemens, LG и др.), микроконтроллеры, однокристальные

микро-ЭВМ. В УУ промышленного применения (промышленных контроллерах),

как правило, предусмотрен набор модулей, обеспечивающих прием и выдачу са-

мых различных сигналов по виду, форме, длительности, величине (ток, постоян-

ное или переменное напряжение, последовательность импульсов с переменной

или постоянной скважностью, трехфазное синусоидальное напряжение с пере-

менной частотой, релейный контакт и др.).

Если исполнительные уст-

ройства объекта, выполняющие

перемещение или какое-либо дру-

гое физическое воздействие (по-

ворот вала, нагрев температуры,

зажим инструмента, закрытие-

открытие заслонки и т.п.), требу-

ют управляющих сигналов, фор-

мирование которых не обеспечи-

вает устройство управления, то-

гда устанавливаются дополни-

тельные преобразователи или ин-

терфейсные модули (рис. 2). Дос-

таточно часто при автоматизации

объекта приходится определять и

включать в состав объекта допол-

нительные исполнительные уст-

ройства, которые отсутствуют в нем на первоначальном этапе проектирования.

В качестве исполнительного устройства может выступать двигатель посто-

янного или переменного тока, электропривод, реле, контактор и др. Пассивными

приемниками УВ могут быть светодиод, лампа накалив., нагреватель и др.

ИУ

ПР

ИУ

УВ

ОУ

Рис. 2. Включение согласующих

преобразователей между выходами уст-

ройства управления и исполнительными

устройс

вами.

14.10.09

3. Виды управляющих воздействий и сигналов обратной связи. Понятие о

дискретном и непрерывном управлении

Все виды управляющих сигналов, формируемых и принимаемых устройст-

вами управления можно разделить на два типа: аналоговые (непрерывные) и циф-

ровыми (дискретные, релейные). В качестве физической величины в этих сигна-

лах выступает обычно напряжение или ток.

Разделение сигналов на аналоговые сигналы и дискретные осуществляется

исходя из того, как изменяется во времени главный параметр сигнала (иногда го-

ворят просто об изменении сигнала).

Если главный параметр сигнала плавно изменяется во времени, то такой

сигнал называют аналоговым, если - принимает только два фиксированных зна-

чения, то такой сигнал называют дискретным.

В соответствии с двумя видами управляющих сигналов различают и два ви-

да управления: непрерывное (или аналоговое), когда управляющее воздействие

плавно изменяется во времени; и дискретное (цифровое или релейное), когда

управляющее воздействие принимает одно из двух возможных значений в соот-

ветствии с заданным алгоритмом.

4. Характеристики аналоговых и дискретных сигналов. ЦАП и АЦП

Аналоговые сигналы. Аналоговый электрический сигнал отражает уро-

вень напряжения или тока аналогичный некоторой физической величине (темпе-

ратура, давление, вес, положение, скорость, частота и т.д.) в каждый момент вре-

мени.

Значение электрического сигнала при этом изменяется в определенном диа-

пазоне, например, от 0В до 10В, или от –5В до +5В, от 0 до 20 мА и т.д. В качест-

ве главного параметра сигнала может также выступать переменное напряжение,

изменяющееся, например, от 0 до 220В, фазовый сдвиг синусоидального сигнала

относительно опорного, частота импульсов, длительность импульса (скваж-

ность – отношение длительности сигнала к периоду).

Аналоговый сигнал характеризуется следующими основными параметрами.

1. Вид сигнала, например, ток, напряжение (постоянное или переменное),

частота, фазовый сдвиг и др.

2. Минимальное Us min и максимальное Us max значения сигнала. Выде-

ляют также диапазон (или интервал) V

изменения сигнала:

=Us max – Us min.

3. Максимальная (минимальная) скорость изменения сигнала – изменение

величины сигнала за единицу времен.

Для аналоговых входов (выходов) программируемых логических контрол-

леров (ПЛК) наиболее распространены стандартные диапазоны постоянного на-

пряжения -10..+10В и 0..+10В. Для токовых входов это 0..20мА и 4..20мА. Для

достижения хороших результатов измерений решающую роль играет качество

выполнения монтажа внешних аналоговых цепей.

Дискретные сигналы.

14.10.09

Два состояния дискретного сигнала обычно обозначают логическим "0" и

"1". При логическом анализе употребимы также значения "Нет" и "Да", "Ложь" и

"Истина", "Разомкнуто" и "Замкнуто" и т.д.

В качестве главного параметра у дискретных сигналов часто выступает на-

пряжение. Для сигналов ТТЛ уровня эти уровни означают, например: для "0" - от

0 до 2,4В, а "1" - от 3,5В до 5,5В. Значения сигналов от 2,4 до 3,5В при этом не

определено.

В качестве главного параметра у дискретных сигналов часто выступает пе-

ременное напряжение, например  220В ("1" соответствует наличию напряжения,

а "0" - отсутствию), постоянное напряжение любого значения (есть/нет), факт за-

мыкания двух контактов (замкнуто/разомкнуто), два различных фиксированных

значения частоты какого-либо сигнала, например >40Гц <10Гц и т.д.

Следует отметить, что значению логической "1" может соответствовать не

высокий уровень напряжения, а наоборот, низкий. В этом случае такая логика, в

отличие от «положительной» носит название " отрицательной"

Дискретные сигналы имеют следующие основные характеристики.

1. Вид самого сигнала (напряжение, замкнутый или разомкнутый контакт, на-

личие или отсутствие последовательности импульсов, и т.д.).

2. Уровни нулевого и единичного сигнала.

3. Время задержки t

перехода сигнала из 0 в 1 и t

– из 1 в 0.

Совокупность нескольких ( n ) цифровых сигналов обычно называют кодо-

вым числом и выражают двоичным n-разрядным числом.

Нагрузкой дискретных входов могут быть лампы, реле, соленоиды, силовые

пускатели, пневматические клапаны, индикаторы и т.д. Многие сложные приборы

коммутации и регулирования оснащаются управляющими дискретными входами,

например блоки плавного пуска и управления электроприводами.

Простейший дискретный выход ПЛК выполняется в виде контактов реле.

Такой выход достаточно удобен в применении и прост. Однако он обладает ха-

рактерными недостатками реле – ограниченный ресурс, низкое быстродействие,

разрушение контактов при работе на индуктивную нагрузку. Альтернативным

решением дискретного выхода является электронный силовой элемент. Все дис-

кретные выходы контроллеров выполняются сегодня по бесконтактной схеме.

Схема ключа? Как правило, содержит индивидуальную светодиодную индика-

цию, гальваническую развязку и элементы защиты от ошибочного включения и

короткого замыкания нагрузки.

Практика эксплуатации доказала нецелесообразность сосредоточения в

корпусе ПЛК большого числа силовых коммутирующих элементов. Оптималь-

ным решением является установка силовых коммутирующих приборов макси-

мально близко к нагрузке. В результате, сокращается длина силовых монтажных

соединений, снижается стоимость монтажа, упрощается обслуживание, уменьша-

ется уровень электромагнитных помех. Поэтому наиболее широким спросом

пользуются дискретные выходы средней мощности (до 1А, 24В).

14.10.09

При необходимости управления сильноточными нагрузками применяются

выносные устройства коммутации. Светодиодные индикаторы, включенные па-

раллельно выходам, дают возможность визуально контролировать работу внеш-

них цепей. Помимо этого модули приема/выдачи релейных сигналов оснащены

оптически развязанными «зеркальными» каналами обратной связи, позволяющи-

ми программно контролировать ток нагрузки.

Благодаря применению специальных узлов защиты, дискретные выходы

контроллера обладают высокой надежностью, повреждение которых может про-

изойти только при воздействии экстремальных напряжений, которые не возника-

ют в правильно спроектированных внешних цепях.

Поскольку ПЛК является цифровой вычислительной машиной, аналоговые

входные сигналы обязательно подвергаются аналого-цифровому преобразованию

(АЦП). В результате, образуется дискретная переменная определенной разрядно-

сти. Как правило, в ПЛК применяются 8-12 разрядные преобразователи. АЦП бо-

лее высокой разрядности не оправдывают себя, в первую очередь из-за высокого

уровня индустриальных помех, характерных для условий работы контроллеров.

Формирование и прием аналоговых и дискретных сигналов в УУ сущест-

вуют специальные модули (платы, блоки). Номенклатура и характеристики таких

модулей зависят от фирмы-изготовителя УУ.

Особые классы аналоговых входов представляют входы, предназначенные

для подключения термометров сопротивления и термопар. Здесь требуется при-

менение специальных технических решений (трех-точечное включение, источни-

ки образцового тока, схемы компенсации холодного спая, схемы линеаризации и

т.д.).

Практически все модули аналогового ввода являются многоканальными.

Входной коммутатор подключа-

ет вход АЦП к необходимому

входу модуля. Управление ком-

мутатором и АЦП выполняет

драйвер системного программ-

ного обеспечения

ПЛК. Прикладной про-

граммист работает с

готовыми значениями

аналоговых величин в

ОЗУ аналогично дис-

кретным входам.

При измерении

аналоговых сигналов

осуществляется их

преобразование (кван-

тование по уровню)) в

цифровой n-разрядный



Us min

Us max

АЦП

Uвх

ЦАП

Uвых

14.10.09

двоичный код через равные промежутки времени (квантование по времени). Эту

задачу выполняют аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Обратное преобра-

зование осуществляется ЦАПами.

Если аналоговый сигнал представляет собой не просто напряжение или ток,

а, например, частоту, фазовый сдвиг и т.п., то подобные преобразователи называ-

ют функциональными (ФЦАП, ФАЦП).

Преобразование в ЦАПе двоичного n-разрядного числа N в соответствую-

щее ему значение U

аналогового сигнала осуществляется в соответствии с вы-

ражением:

=Us min + V



N /(2

–1).

Аналогично, на выходе АЦП, значение N :

N = (U

вх

- Us min )



–1) / V

Преобразование (измерение) сигнала в АЦП осуществляется в фиксированные

моменты времени через определенные промежутки



t времени, длительность ко-

торых характеризует быстродействие АЦП (или ЦАП).

При выборе АЦП и ЦАП учитывают ряд факторов, прежде всего, быстро-

действие, точность, питающее напряжение. Их характеризуют, прежде всего:

1. Динамический диапазон это диапазон изменения входных и выходных

величин, который определяется отношением максимального значения входной- X

или выходной -Y величин, к минимальным

2. Временные характеристики: период квантования - t; частота квантова-

ния fк =1/ t -выбирается в зависимости от спектра сигнала.

- Время преобразования - Тпр - интервал времени от начала преобразования

до появления выходного сигнала с заданной точностью. Чем выше точность, тем

больше время преобразования. Время преобразования характеризует быстродей-

ствие.

3. Точность преобразования, которая зависит, прежде всего, от разрядно-

сти преобразователя (инструментальная), а также от погрешностей квантования,

шага квантования, чувствительности датчика, точности обработки ЭВМ и т. д..

4. Надежность, достоверность, помехозащищенность, сбои и отказы.

Точность увеличивается с увеличением числа разрядов n. Для n-разрядного

АЦП точность (разрешение) R определяется следующим образом:

R=V/(2

5. Алгоритмы выдачи и приема управляющих сигналов

Алгоритмы выдачи и приема как аналоговых, так и цифровых (логических)

сигналов для каждого процесса или объекта задаются, как правило, индивидуаль-

но. Они могут быть представлены словесным описанием, временным графиком, в

табличной форме или аналитически.

Для формирования последовательностей приема и выдачи логических сиг-

налов обычно используют алгебру логики (математическое или функциональное

представление логических функций).

14.10.09

Логической функцией называется зависимость поведения выходных логи-

ческих величин от изменения входных логических величин. Задачей алгебры ло-

гики является поиск подобных логических функций с целью ее непосредственно-

го использования для управления объектом или процессом.

Имеются различные способы представления логических взаимодейст-

вий цифровых сигналов .

5.1. Табличный способ

При этом способе функция задается в виде таблицы истинности, пред-

ставляющей собой совокупность всех

комбинаций входных переменных (левые

столбцы) и соответствующих им значений

функции (правые столбцы).

Таблица истинности содержит

2n строк, n + m столбцов (количество вхо-

дов n, количество выходов m). Таблица

истинности для функция двух переменных приведена в таблице.

Таблицы истинности можно составить по условиям задания. Задание на

управление для выше приведенного примера может выглядеть следующим обра-

зом: лампа А горит (А=1) только тогда, когда одновременно нажаты (=1) обе

кнопки x и y.

Таблицы истинности позволяют автоматизировать поиск искомой логиче-

ской функции в математическом виде.

5.2. Словесно-аналитический способ задания функции алгебры логики

При этом способе функция задается в виде аналитического выражения. В

левой части высказывания указывается выходное действие (управляемого приво-

да или исполнительного устройства), а в правой части - условие, при котором вы-

полняется это действие.

Аналитическое выражение задается в возможно более краткой форме. Не-

которые подразумеваемые слова могут опускаться, например, такие как «кнопка»,

«нажать», «активен» и другие. Название датчиков и кнопок возможно заменять их

схемным обозначением. При этом указание на датчик означает то, что этот датчик

изменил свое состояние на активное (логическая 1).

Ударение делается на союзы предложения, которые, в большинстве случаев,

указывают на логическое действие.

Электромагнит Y1 вкл., если S1 и B1.

В данном примере описана работа распределителя, с помощью которого

производится управление цилиндром, электромагнит Y1 которого включится (со-

ответственно цилиндр начнет свое движение), если будет нажата кнопка S1 и

датчикB1 активен. Союз «и» указывает на логическое взаимодействие сигналов

управления от кнопки и датчика.

x y A

0 0 0

1 0 0

0 1 0

1 1 1