Волчкевич Л.И. Автоматизация производственных процессов

Подождите немного. Документ загружается.

Функциональная схема устройства связи САУ (контроллера) с объ-

ектом управления показана на рис. 1.29. Обмен информацией с объектом

возможен в дискретном (Д) либо аналоговом (А) представлении. Кон-

троллер должен принимать контрольные сигналы с объекта и выдавать

управляющие сигналы. Таким образом, возможно четыре вида сигналов

обмена: ДУ – дискретное управление (включить, выключить); ДК – дис-

кретный контроль (включено? выключено?); АУ – аналоговое управление

(например, задать число оборотов двигателя); АК – аналоговый контроль

(каково напряжение с выхода вакуумметра, контролирующего давление в

технологической вакуумной камере?).

Все платы связи с объектом можно разделить на две большие

группы: универсальные и специальные. Универсальные платы дискрет-

ного, аналогового либо комбинированного обмена (ввода-вывода)

предназначены для обмена нормализованными по уровню сигналами.

Для последующей связи с объектом эти сигналы необходимо дополни-

тельно усилить и защитить от помех. Эти функции выполняют платы

Рис. 1.29. Устройство связи САУ с объектом управления:

ШД – шина данных

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

развязки и нормализации сигнала. Специальные платы ввода-вывода ин-

формационно, а иногда и энергетически связывают промышленный ком-

пьютер с каким-либо типовыми элементами объекта управления, напри-

мер с линейными или вращательными шаговыми двигателями, стандарт-

ными датчиками и др.

Программное обеспечение САУ также имеет свою специфику. Глав-

ное здесь также надежность работы, но не в ущерб быстродействию. Не-

обходима работа программы в так называемом "жестком" реальном вре-

мени. Управляющая программа строится как ряд последовательных

взаимодействующих команд, например:

- снять показания датчика температуры в печи;

- рассчитать требуемую температуру и рассогласование с задан-

ным уровнем;

- по данным рассогласования вычислить управляющее воздейст-

вие;

- выдать последнее на объект (нагревательные устройства печи);

- ждать некоторый интервал времени, например 1 мин, до сле-

дующего цикла регулирования.

За 1 мин температура сильно не изменится, так что квантование с

таким интервалом здесь вполне допустимо, чего не скажешь, например, о

регулировании давления или иных быстропротекающих процессов. Про-

цессор поочередно перебирает такие кванты регулирования, т.е. парал-

лельно решает ряд задач.

Работает управляющая программа обычно от многозадачных опера-

ционных систем, но не WINDOWS или UNIX, а от специализированных

операционных систем жесткого реального времени.

Характерная особенность рассмотренных трех электронных систем:

несмотря на различия основного функционального назначения, каждая

предыдущая входит как функциональный блок в последующую.

Так, цветной телевизор как дисплей входит почти неизменно в со-

став УВвВ информации ПК, меняются в основном устройства ввода ин-

формации (не используются антенна, видеомагнитофон и др.). В свою

очередь, ПК с соответствующими изменениями являются ядром про-

мышленного компьютера и всей САУ.

Аналоговые САУ на основе механических (кулачки, копиры, упоры)

или пневмогидравлических устройств помимо низкой дистанционности и

гибкости при переналадках имели еще один серьезный недостаток – ог-

раниченный перечень функций управления. Он сводился к цикловому

управлению (последовательность, величины и скорости перемещений)

Глава 1. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ АВТОМАТИЗАЦИЯ

для машин дискретного действия, поддержанию стабильности процессов

при непрерывном действии, контролю и блокировке.

Микропроцессорные САУ обладают несравненно более широким и

разнообразным диапазоном функций. Можно выделить следующие их

группы.

1. Основные целевые функции: выполнение директивной техноло-

гии и заданной циклограммы действий (см., например, рис. 1.19 и 1.22).

2. Сервисные функции: контроль работоспособности по выполне-

нию команд и параметров функционирования; сигнализация об отказах

(причина, место возникновения).

3. Фискальные функции: отслеживание во времени параметров ра-

ботоспособности с их архивированием, условий функционирования и

работы обслуживающего персонала (температура и загазованность окру-

жающей среды, сбросы и выбросы, связанные с работой оборудования).

4. Функции коррекции цели: изменение программы управления по

последовательности команд, технологических режимов и т.д. при перена-

ладке оборудования на производство иной продукции.

Несмотря на всю прогрессивность микропроцессорных управляю-

щих систем, вариантность и альтернативность САУ сохраняется. Для

независимо работающих машин-автоматов, действующих без перенала-

док или с редкими переналадками, но с большим числом функциональ-

ных элементов дискретного действия (например, многопозиционные ав-

томаты; см. рис. 1.18 – 1.23) применение аналоговых САУ рационально.

Вращающийся кулачок 4 своим профилированием 3 обеспечивает и ве-

личину, и скорость перемещения суппорта 1 (рис. 1.30), и передачу необ-

ходимых сил обработки посредством рычажной системы 2. Все кулачки

располагаются на едином вращающемся распределительном валу, что

обеспечивает координацию работы всех управляемых механизмов и уст-

ройств (суппорты, механизмы упора и зажима материала, поворота и фик-

сации шпиндельного блока и т.д.).

Для циклового управления про-

ще и надежнее такой системы нет.

Однако для контроля и блокировки

требуются дополнительные устройст-

ва, переналадка связана с частичным

демонтажем станка для замены ку-

лачков и перерегулирования звеньев,

фискальные функции невозможны.

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Рис. 1.30. Конструкционная схема

механизма перемещения суппорта

1.7. ВАРИАНТНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

ПРИ АВТОМАТИЗАЦИИ. КРИТЕРИИ СРАВНИТЕЛЬНОЙ ОЦЕНКИ

Неавтоматизированное производство маловариантно; оно включает

в себя универсальное технологическое оборудование, ручную или меха-

низированную транспортировку; средства управления основными и

вспомогательными процессами отсутствуют.

Все универсальные токарные станки в мире по принципу действия и

компоновке похожи друг на друга, различаясь лишь конструктивным

исполнением функциональных узлов. Их технические решения длитель-

но формировались и отрабатывались по единому критерию: наибольше-

му благоприятствованию, удобству действий того, кто за этим станком

работает.

Горизонтальное положение оси центров и обрабатываемой заготов-

ки на токарном станке гораздо удобнее для токаря, нежели вертикальное.

Более слабой левой руке отводятся несиловые функции: включения и

выключения станка, переключения рукояток коробок скоростей и подач;

правая рука вращает рукоятки продольного и поперечного движений

суппорта, закрепляет заготовку в патроне. Поэтому шпиндельная бабка

токарного станка всегда располагается слева, задняя бабка – справа; заго-

товка вставляется движением справа налево – так удобнее правой руке.

Вращение шпинделя – против часовой стрелки, иначе наблюдать сход

стружки по передней грани резца и вести его размерную настройку было

бы некомфортно.

В машинах-автоматах перечень и трудоемкость ручных действий

резко сокращаются, необходимость "привязки" всех действий машины к

особенностям человека отпадает. Поэтому автоматическое оборудование,

как правило, радикально отличается от неавтоматизированного того же

технологического назначения (см. разд. 1.4). Токарные автоматы и полу-

автоматы строятся как с горизонтальной, так и с вертикальной осью, при

этом заготовки на полуавтоматах всегда загружаются справа налево или

сверху вниз.

Токарный многошпиндельный автомат, на котором можно обраба-

тывать те же детали, как и на универсальном станке (валы, кольца, флан-

цы и т.п.), не имеет с токарным станком ни одного идентичного конст-

руктивного решения! Здесь нет коробок скоростей и подач, вместо них –

гитары сменных шестерен или регулируемые электродвигатели; коробка

привода располагается не слева, а справа; задняя бабка отсутствует; суп-

порты однокоординатные и т.д., не говоря уже о множестве новых меха-

Глава 1. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ АВТОМАТИЗАЦИЯ

низмов и устройств: шпиндельном блоке с механизмами поворота, фик-

сации и подъема, механизмах автоматической подачи и закрепления ма-

териала и, наконец, САУ на механической или электронной основе (см.

рис. 1.27 – 1.30).

"Раскрепощенность" конструкций и компоновок автоматизирован-

ного оборудования, отсутствие тесной привязки их к особенностям и

возможностям человека обусловливают огромное разнообразие техниче-

ских решений, а следовательно, необходимость серьезного анализа вари-

антов при проектировании или покупке оборудования.

При производстве конкретной продукции существует, прежде всего,

технологическая вариантность.

Так, кольца подшипников можно изготовлять:

- отрезкой трубы, черновой и чистовой токарной обработкой

(см. рис. 1.18), шлифованием, полированием;

- раскатыванием поковки, отделочной токарной обработкой, шли-

фованием, полированием.

Нанесение тонкопленочных защитных покрытий может быть вы-

полнено гальваническими методами, вакуумным осаждением и т.д.

Вариантность автоматизированного оборудования одинакового тех-

нологического назначения (токарная обработка, сварка, вакуумное осажде-

ние тонких пленок, термообработка и т.д. и т.п.) проявляется в принципах

действия, структурно-компоновочных и конструктивных решениях.

Структура машины – это состав ее основных компонентов и взаи-

мосвязь между ними в рамках выбранного принципа действия машины.

Компоновка машины – это взаимное пространственное располо-

жение ее компонентов с привязкой к главной оси машины (геометриче-

ской).

Перечень вариационных признаков очень велик. Рассмотрим его

применительно к одно- и многопозиционным технологическим машинам

и их системам (АЛ и т.п.).

Однопозиционное оборудование одинакового назначения имеет

следующие вариационные признаки:

- технологические методы и маршруты (способы и последователь-

ность воздействий);

- принцип действия (непрерывный или дискретный);

- расположение геометрической оси (горизонтальное или верти-

кальное);

- степень автоматизации (с ручным управлением, полуавтомат, ав-

томат);

ВАРИАНТНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

- универсальность (универсальное, специализированное и специ-

альное);

- число выполняемых операций (одно- или многооперационное).

Многопозиционное оборудование помимо перечисленных призна-

ков отличается: числом позиций; расположением позиций (в линию, по

окружности и т.д.); способом взаимодействия между позициями (после-

довательный, параллельный, последовательно-параллельный).

Системы машин с конструктивной связью между ними для выпол-

нения функций транспортировки, изменения ориентации, накопления

межоперационных заделов и т.д. отличаются в основном видом встраи-

ваемого оборудования со всеми перечисленными ранее вариационными

признаками, а также имеют следующие системные отличия:

- общее число позиций;

- число потоков обработки (одно- и многопоточные, с ветвящими-

ся потоками и т.д.);

- вид межагрегатной связи (с жесткой связью, с разделением на

участки, с гибкой связью);

- число межоперационных накопителей заделов;

- тип межагрегатного транспортирования (сквозное, боковое,

верхнее; непрерывное или дискретное.

Большая часть оборудования, обрабатывающего и сборочного, –

дискретного действия, с чередованием во времени несовмещенных рабо-

чих и холостых ходов (рис. 1.31).

Пример 3. Рассмотрим цикл работы установки вакуумного нанесения

тонких пленок, взяв за начало отсчета момент удаления предыдущей партии под-

ложек (при поднятой камере). Вначале выполняются вспомогательные операции,

предваряющие обработку, с длительностью t

: загрузка очередной партии под-

ложек, герметизация камеры, вакуумирование камеры, нагрев подложек и т.д., в

это время рабочего процесса нет. По завершении подготовительных работ начи-

нается процесс осаждения пленок, который включает в себя: предварительную

очистку поверхностей подложек, осаждение пленки, стабилизацию ее свойств,

остывание и т.д. – с общей длительностью рабочих ходов t

. После завершения

процесса происходят разгерметизация камеры и удаление партии изделий с об-

щей длительностью t

Рис. 1.31. Структура рабочего цикла автомата дискретного действия

Глава 1. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ АВТОМАТИЗАЦИЯ

Тогда рабочий цикл Т – отрезок времени, когда совершается полный

набор рабочих и холостых ходов и выдается одна штука или порция из-

делий

хрх2рх1

tttttT +=++= (1.2)

где t

– суммарное время несовмещенных рабочих ходов цикла;

– суммарное время несовмещенных холостых ходов цикла.

Такая ситуация характерна для любых однопозиционных машин

дискретного действия.

Дискретность действия однопозиционных машин связана, как пра-

вило, с дискретностью транспортирования, а именно: в интервал времени

изделия вводятся в рабочую зону; в интервале t

они находятся в этой

зоне (неподвижно или с необходимыми технологическими перемеще-

ниями, например вращении шпинделя токарного автомата); в интервале

изделия выводятся из рабочей зоны. Таким образом, транспортные и техно-

логические перемещения в машинах дискретного действия разделены.

В машинах непрерывного действия транспортные перемещения яв-

ляются непрерывными и одновременно технологическими. Так, в терми-

ческой тоннельной печи непрерывного действия изделия проходят не-

прерывно сквозь все рабочие зоны, в каждой из которых поддерживается

определенный диапазон температуры (зоны нагрева, выдержки, охлажде-

ния). Длина зоны и скорость транспортирования определяют технологи-

ческое время обработки.

Рис. 1.32. Структурные схемы АЛ с различными вариантами

межагрегатной связи

ВАРИАНТНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

Рассмотрим такие вариационные параметры, как число потоков и

участков в АЛ. Простейший вариант – однопоточная линия с жесткой

межагрегатной связью (см. рис. 1.32, а), где все машины связаны воедино

межагрегатным транспортером. Здесь, как и в однопозиционной машине,

имеется рабочий цикл Т, который складывается из времени рабочего хода

и холостого хода t

Так как длительность технологического воздействия в каждой из

встроенных в линию машин, как правило, неодинакова,

есть время тех-

нологического воздействия на лимитирующей позиции. При каждом ходе

конвейер перемещает изделия в следующие позиции, где они закрепля-

ются и фиксируются, получают технологическое воздействие, затем от-

крепляются; далее следует очередной ход конвейера. Время t

есть время

транспортирования, закрепления и открепления изделий и т.п.

Линии данного типа конструктивно наиболее просты, однако менее

надежны, так как отказ в работе любого элемента в любой позиции вызы-

вает останов всей линии. Поэтому пользуются расчленением линии на

участки-секции с установкой межоперационных накопителей (см.

рис. 1.32, б и в). Теперь при отказе одной из позиций, например на вто-

ром участке, первый продолжает работать, передавая изделия в накопи-

тель, суммарные простои снижаются почти во столько раз, на какое чис-

ло участков разделена линия.

В предельном случае, когда число участков равно числу машин, мы

имеем линию с гибкой межагрегатной связью (см. рис. 1.32, г); это самый

высокопроизводительный и надежный, но и самый дорогой вариант.

Если оборудование, встраиваемое в линию, имеет существенно раз

личную длительность технологического воздействия, а следовательно,

собственную производительность и требования к ней высоки, целесооб-

разно применять многопоточные линии, в том числе разделенные на уча-

стки с различным числом потоков на участках.

Такие линии конкурентны с несколькими независимыми АЛ.

Каждый из возможных вариантов построения машин-автоматов

и их систем – это неповторяемое сочетание вариационных призна-

ков. Данные признаки и варианты в целом подлежат сравнительному

анализу и выбору на ранних этапах принятия технических решений, рав-

ным образом при покупке готового оборудования или проектировании

нового.

Выбор осуществляется по качественным и количественным крите-

риям.

Глава 1. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ АВТОМАТИЗАЦИЯ

Важнейшими критериями сравнительной оценки, а следова-

тельно, выбора вариантов существующих или проектируемых техноло-

гических машин являются:

- параметры качества получаемой продукции в принятых единицах,

например точность обработки при съеме или наращивании материала;

- производительность – количество годной продукции, выдавае-

мой в единицу времени;

- надежность в работе – степень использования потенциальных

возможностей, заложенных в машине;

- трудоемкость обслуживания;

- универсальность – диапазон возможной переналадки на произ-

водство различных изделий;

- мобильность – быстрота перехода с одной продукции на другую;

- сроки поставки, включая сроки создания нового оборудования;

- занимаемая площадь;

- энергопотребление;

- экологичность – условия труда и степень влияния функциониро-

вания машины на рабочих и окружающую среду;

- длительность жизненного цикла, сроки службы;

- экoнoмичecкиe показатели – капитальные затраты на приобрете-

ние или создание оборудования, общие эксплуатационные затраты, при-

быль от использования, сроки окупаемости и т.д.

Именно экономические характеристики являются решающим дово-

дом в пользу того или иного варианта.

Большинство показателей имеют количественные оценки. Среди ка-

чественных показателей можно выделить универсальность, здесь разли-

чают:

- универсальное оборудование, которое может быть переналаже-

но на производство самых разнообразных изделий (в пределах техноло-

гических возможностей), например универсальные токарные станки и

другое металлообрабатывающее оборудование;

- специализированное оборудование, которое может быть пере-

налажено на определенный диапазон однотипных изделий (например,

установки вакуумного нанесения тонких пленок, где можно менять диа-

метры подложек, виды покрытий, но не более);

- специальное оборудование, способное выполнять лишь опреде-

ленные операции обработки, контроля, сборки только одного вида изде-

лий (например, роторные машины и линии для производства изделий

типа колпачков; разлива, укупорки, маркировки напитков).

ВАРИАНТНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

Не всегда поддаются количественной оценке и экологические пока-

затели, например условия труда рабочих, степень влияния машины на

окружающую среду и работников (уровни шума, вибрации, электромаг-

нитных излучений и т.д.).

Технико-экономические показатели условно можно разделить на те-

кущие (мгновенные) и суммарные (интегральные). Текущие показатели

можно выразить количественно в каждый момент времени, суммарные

характеризуют определенный период жизненного цикла машины или

цикл полностью.

Оценка вариантов с последующим выбором проводится по комплек-

су критериев; при однозначности оценок – некий вариант по всем показа-

телям хорош – конкурентность исчезает и задача выбора легко и безоши-

бочно решается благодаря опыту и интуиции тех, кто этот выбор должен

сделать.

Однако в большинстве случаев оценки по критериям противоречи-

вы. Так, агрегатный станок при обработке системы отверстий намного

производительнее, чем радиально-сверлильный (см. разд. 1.4), но более

дорогой и менее надежный в работе. Переналадки на другую продукцию

радиально-сверлильного станка происходит быстро и без дополнитель-

ных затрат, а агрегатного – долго и дорого. Поэтому выигрыш в произво-

дительности и иные достоинства агрегатных станков проявляются в ус-

ловиях крупномасштабного выпуска однородной продукции. В единич-

ном и серийном производстве, когда работают по разовым заказам, высо-

кая производительность не нужна, а универсальность и мобильность

приобретают первостепенное значение, выгоднее использовать радиаль-

но-сверлильные станки.

Реплика. Сочетание органических достоинств и недостатков конкретных

вариантов применительно к конкретным условиям производства предопределя-

ет многие типовые решения. Поэтому в реальных производственных условиях

обширный анализ и выбор вариантов при наличии опытных профессионалов да-

леко не всегда необходим – ведь конкурентным для человека может быть лишь

то, что для него неоднозначно и противоречиво.

В процессе инженерной подготовки следует еще на студенческой скамье

научить будущих специалистов именно таким оценочным подходам; как ни па-

радоксально – научить их так считать, чтобы в будущей деятельности они

делали это пореже. Еще один довод в пользу того, что у будущих инженеров

надо формировать в первую очередь эрудицию и аналитическое мышление, а

рецептурные методы излагать как иллюстрацию. Построение и содержание

учебных дисциплин не всегда должно воспроизводить технологию принятия ин-

женерных решений в реальных условиях.

Глава 1. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ АВТОМАТИЗАЦИЯ