Содержание

Введение. 3

1.   Интеллектуальные электрические аппараты.. 4

1.1.   Интеллектуальные коммутационные аппараты.. 4

1.2.   Интеллектуальные аппараты управления. 4

2.   Автоматизированные электромеханические системы.. 4

3.   Станки с числовым программным управлением. 4

4.   Промышленные роботы.. 4

Список используемой литературы.. 4

Введение

Прогресс в развитии производства техники определяется множеством параметров, которые складываются в один фактор – производительность труда, определяющая выгодность производства.

Раньше рабочий привод комплектовался электродвигателем, пускателем и аппаратами управления и защиты. Но с возрастанием степени автоматизации рабочих машин и расширения их функциональных возможностей усложнились электрические системы, проектируемые специально для отдельных видов промышленных установок. Так образовалось новое понятие – автоматизированный привод.

Дальнейшее развитие исключило механические передачи и объединило электромеханические устройства с рабочими органами машины. Так образовались интегрированные конструкции: электрошпиндель, электронасос и т.д.

Интеграция электромеханических устройств, а в дальнейшем и локальных систем управления с конструкцией рабочих машин существенно упростило последние, повысило их функциональные возможности и технические характеристики.

В связи с этим были существенно повышены требования к электроприводу, как по номинальным параметрам, так и по управляемости.

Это потребовало совместного конструирования механической и электрической части машин. Возникло направление «мехатроника»  - разработка интегрированных конструкций, функционально законченных модулей, сочетающих в себе механические устройства, электропривод с микропроцессорными системами регулирования и управления.

        

1.   Интеллектуальные электрические аппараты

Совокупность электрических приводов, механических кинематических звеньев, передающих движение  к рабочему органу машины, полупроводниковых преобразовательных устройств, контактных и бесконтактных аппаратов управления и микропроцессоров можно считать электромеханической системой служащей для приведения в действие рабочих органов технологической машины и управления движением рабочих органов согласно  с условиями технологического процесса.

Наличие микропроцессорной системы управления, реагирующей на внешние воздействий позволяет устройству автоматически настраиваться под новые условия. Такие системы называются интеллектуальными.

1.1.                   Интеллектуальные коммутационные аппараты

Управляемая коммутация решает проблему предотвращения опасных бросков тока и перенапряжений, увеличивает ресурс оборудования и повышает его надежность.

Для примера приведем интеллектуальное электронное устройство управления присоединением REС670.

Интеллектуальное электронное устройство REC670 предназначено для управления разными типами присоединений, а также для защиты и мониторинга присоединений в электрических сетях. Данное устройство особенно подходит для использования в распределенных системах управления с высокими требованиями к надежности. Интеллектуальное устройство может быть использовано для работы в сетях любого, в т.ч. самого высокого напряжения. Оно способно управлять всеми типами коммутационных аппаратов в любом распределительном устройстве. REC670 способен управлять несколькими присоединениями одновременно. Одно устройство REC 670 поддерживает управление и визуализацию состояния до 30 коммутационных аппаратов.

С помощью двухпозиционного гибкого переключателя можно напрямую изменять состояние объекта управления, например, функцию АПВ можно ввести и вывести без изменения конфигурации. Функция также выполняет отображение на экране выбранного состояния объекта управления.
         Селектор заменяет внешний механический селектор и позволяет напрямую выбирать нужную позицию, например, для переключения режима работы АПВ между 1-фазным, 3-фазным или 1- и 3- фазным режимом.  Кроме управления посредством ИЧМ возможно управление из удаленного центра.
 Модули взаимоблокировок приспособлены для работы со всеми типами распределительных устройств. Управление коммутационными аппаратами основано на принципе выбора перед управлением, что позволяет предотвратить неправильную работу коммутационной аппаратуры и обеспечить безопасность оперативного персонала.

Новый инструментарий PCM600для задания конфигурации и уставок, считывания и просмотра осциллограмм предоставляет широкие возможности пользователю, в том числе для работы с протоколом МЭК61850.



Рисунок 1 - Интеллектуальное электронное устройство управления присоединением REС670

REC670 спроектирован в соответствии с протоколом МЭК61850, воплотив все аспекты этого стандарта тем самым, обеспечивает гибкую архитектуру системы защиты, предоставляя  преимущество при использовании сложных алгоритмов защиты и управления присоединением.
Интеллектуальные электронные устройства RED670 больше чем просто устройства. Реализованная в них уникальная концепция связующих пакетов ABB (connectivity packages), упрощает проектирование и снижает риск ошибок при построении систем. Connectivity packages содержат полное описание устройств, в том числе параметры сигналов, адреса и техническую документацию, позволяя автоматически конфигурировать устройства при интеграции в систему MicroSCADA Pro.

1.2.                   Интеллектуальные аппараты управления

Устройства плавного пуска электродвигателей является самым ярким примером интеллектуальных аппаратов управления.

В процессе запуска электродвигателя самым важным режимом работы является его плавный пуск. Это обусловлено тем, что обеспечение плавного пуска определяет его ресурс двигателя и электропривода.

Электронные устройства плавного пуска представляют собой наиболее совершенные приборы для организации пуска путем снижения напряжения. Современная технология обеспечивает управление пусковым током и моментом. Наиболее совершенные системы обеспечивают также комплексную защиту двигателя и интерфейсные функции.

Плавный пуск обеспечивает следующие основные функции пуска и остановки:

·        Плавное изменение напряжения и тока без скачков и переходных процессов.

·        Возможность полного управления пусковым током и моментом путем несложного программирования.

·        Возможность частых пусков без изменения поведения системы.

·        Оптимальный процесс пуска даже в тех применениях, где нагрузка меняется от пуска к пуску.

·        Плавный останов в системах, подобных насосам и конвейерам.

·        Торможение для снижения времени останова.



Рисунок 2 – Устройства плавного пуска серии IMS2

2.   Автоматизированные электромеханические системы

В качестве примера автоматизированной механической системы можно привести автоматические ворота.

Рабочим органов для ворот откатного типа является консоль, а для распашного типа - створки. Они приводятся в движение электродвигателем через механический редуктор. Система управления приводом обеспечивает  отпирание или запирание по команде (с стационарного пульта управления или же с радиопульта), плавный пуск, движение с определенной скоростью, определение наличие препятствий на пути движение  (используются показания фотоэлементов) и торможение в случаи необходимости.

Электродвигатель с регулирующими устройствами, редуктор, система передач и консоль (створки) ворот составляют  главную электромеханическую систему автоматических ворот.

Несколько автоматических ворот могут быть объединены в единую сеть под управлением отдельного контроллера, оптимизирующего их групповую работу. Таким образом организуется автоматизирования система контроля доступа. На рисунке показа схема такой системы.



Рисунок 3 – Автоматизированная электромеханическая система распашных ворот

1.     Фотоэлементы безопасности

2.     Стойка для фотоэлементов

3.     Чувствительный профиль безопасности

4.     Привод, встроенная разблокировка

5.     Фотоэлементы безопасности

6.     Брелок-передатчик

7.     Табличка "Открывается автоматически!"

8.     Привод, встроенная разблокировка, блок управления, радиоприемник

9.     Ключ-выключатель

10. Разветвительная коробка

11. Сигнальная лампа, антенна

В качестве еще одного примера автоматизированной электромеханической системы можно привести автоматические теплицы. Это комплекс электромеханических приводов, представляющий собой набор электронасосов для полива растений, приводов для обеспечения открытия и закрытия вентиляционных окон, множество датчиков для определения температуры, влажности и других параметров среды в  теплице и аппаратуры программного управления.  В соответствии с заданной программой система управления поддерживает микроклимат помещения, управляет поливом растений. Работа множества различных электромеханических устройств нельзя рассматривать порознь, так как совместно они образуют автоматическую электромеханическую систему, выполняющую единую технологическую операцию.

Электромеханическая система, снабженная устройствами автоматического управления, обеспечивающего оптимальное (в смысле производительности, качества получаемой продукции, минимизации материальных и энергетических затрат) управление движением рабочих органов в соответствии с условиями технологического процесса – это автоматизированная электромеханическая система.

В настоящее время предметом поставки являются стандартные изделия – набор унифицированных системных элементов управления для каждого типа машин. Функциональными модулями решаются такие технологические задачи, как позиционирование и регулирование технологического параметра с обратной связью. Такими же функциональными модулями являются преобразователи и двигатели. Только точно и надежно управляемые приводы обеспечивают правильную работу машин. Для этого используется надежная система приводов в серводвигателях и преобразователи для асинхронных и синхронных электродвигателей с большой динамикой при минимальных габаритах.

Возникла концепция интеллектуального электропривода, основной идеей которой является уменьшение стоимости  программного обеспечения и замена сложной и дорогостоящей механики высокой точности. Этим интеллектуальным приводом решаются такие сложные функции, как, например, синхронное движение, угловая синхронизация и другие специфические задачи регулирования, интегрированные в привод технологическим программным обеспечением.

Из этих программных модулей можно легко реализовать специфические пользовательские приложения, для примера электронный редуктор.  Такое применение может быть реализовано как центральное решение на основе контроллера или как децентрализованное решение непосредственно в преобразователях привода (децентрализованный привод).

Наконец, вершиной современной технологии на рынке являются комплексные решения, подходящие как для маленькой машины, так и для крупной установки, которые обеспечивают конкурентоспособность и высокую производительность оборудования пользователя. Эти решения реализуются стандартными изделиями, а так же специализированными модулями для различных отраслей.

Комплексные решения позволяют в процессе инжиниринга получать «идеальные» решения для конкретной задачи. Комплексные решения, благодаря современных информационным технологиям, представлены в виде интеграционного программного обеспечения. Это программное обеспечение для каждой фазы конкретного проекта: для планирования, проектирования, конфигурирования и параметрирования оборудования и средств коммуникации, для программирования, документирования, тестирования, ввода в эксплуатацию и сервиса и архивации. Оно допускает кооперацию и совместную работу нескольких человек над одним проектом.

Надежные коммуникации между компонентами автоматизации – обязательное условие высокой производительности любой машины. Сейчас существуют надежные шинные системы, такие как MODBUS, CAN и т.д., обеспечивающие безотказный обмен данными между компонентами на всех уровнях.  Такая система легко модернизируется и масштабируется.

Удобное взаимодействие между оператором и технологической установкой (станком) обеспечивает системе человеко-машинного интерфейса (HMI). Для этого применяются специализированные панели со специальным программным обеспечением для проектирования конкретной системы, так и базирующиеся на PC системы визуализации созданные по новейшим технологиям и работающие под управлением различных операционных систем (Linux, Solaris, Windows).



Рисунок 4 – Операторская панель выполненная по технологии Multitouch

3.   Станки с числовым программным управлением

Отличным примером, содержащем в себе все современные достижения электромеханики, являются станки с числовым программным управлением (ЧПУ).

Cтанки с ЧПУ — оборудование, выполняющее различные технологические операции по заданной программе. Помимо металлорежущих (например, фрезерные или токарные), существует оборудование для резки листовых заготовок (лазерная и гидроабразивная резка), для обработки давлением. Использование систем ЧПУ повышает производительность труда, резко увеличивает выход годных заготовок, а так же снижает риск рабочих на производстве.



Рисунок 5 – Токарный станок с ЧПУ

Если на станке выполняются несколько операций, то такая машина называется обрабатывающим центром. Такие станки включают в себя приводы позиционирования обрабатывающего инструмента и приводы подачи заготовки, работа которых проходит по технологически необходимой программе.  В обрабатывающих центрах предусматривается устройство автоматической смены инструмента. Таким образом станок с ЧПУ представляет собой систему электромеханических устройств, основу которых составляют высокоточные автоматизированные электроприводы. Работа этих электроприводов объединена единой технологической задачей и управляется вычислительным устройством – системой числового программного обеспечения.

4.   Промышленные роботы

В результате развития станков с ЧПУ появились промышленные роботы. Промышленный робот — автономное устройство, состоящее из механического манипулятора и перепрограммируемой системы управления, которое применяется для перемещения объектов в пространстве в различных производственных процессах.

Промышленные роботы являются важными компонентами автоматизированных гибких производственных систем (ГПС), которые позволяют увеличить производительность труда.

Появление станков с числовым программным управлением (ЧПУ) привело к созданию программируемых манипуляторов для разнообразных операций по загрузке и разгрузке станков. В 1954 году американский инженер Д. Девол запатентовал способ управления погрузочно-разгрузочным манипулятором с помощью сменных перфокарт. Вместе с Д. Энгельбергом в 1956 г. он организовал первую в мире компанию по выпуску промышленных роботов. Ее название «Unimation» (Юнимейшн) является сокращением термина «Universal Automation»(универсальная автоматика).

В 1962 году в США были созданы первые промышленные роботы «Юнимейт» и «Версатран». Их сходство с человеком ограничивалось наличием манипулятора, отдаленно напоминающего человеческую руку. Некоторые из них работают до сих пор, превысив 100 тысяч часов рабочего ресурса.

«Юнимейт» имел 5 степеней подвижности с гидроприводом и двухпальцевое захватное устройство с пневмоприводом. Перемещение объектов массой до 12 кг осуществлялось с точностью 1,25 мм. В качестве системы управления использовался программоноситель в виде кулачкового барабана с шаговым двигателем, рассчитанный на 200 команд управления, и кодовые датчики положения. В режиме обучения оператор задавал последовательность точек, через которые должны пройти звенья манипулятора в течение рабочего цикла. Робот запоминал координаты точек и мог автоматически перемещаться от одной точки к другой в заданной последовательности, многократно повторяя рабочий цикл. На операции разгрузки машины для литья под давлением «Юнимейт» работал с производительностью 135 деталей в час при браке 2 %, тогда как производительность ручной разгрузки составляла 108 деталей в час при браке до 20 %.

Робот «Версатран», имевший три степени подвижности и управление от магнитной ленты, мог у обжиговой печи загружать и разгружать до 1200 раскаленных кирпичей в час. В то время соотношение затрат на электронику и механику в стоимости робота составляло 75 % и 25 %, поэтому многие задачи управления решались за счет механики. Сейчас это соотношение изменилось на противоположное, причем стоимость электроники продолжает снижаться. Предлагаются необычные кинематические схемы манипуляторов. Быстро развиваются технологические роботы, выполняющие такие операции как высокоскоростные резание, окраска, сварка. Появление в 70-х гг. микропроцессорных систем управления и замена специализированных устройств управления на программируемые контроллеры позволили снизить стоимость роботов в три раза, сделав рентабельным их массовое внедрение в промышленности. Этому способствовали объективные предпосылки развития промышленного производства.



Рисунок 6 – Современным промышленный робот

В составе робота есть механическая часть и система управления этой механической частью, которая в свою очередь получает сигналы от сенсорной части. Механическая часть робота делится на манипуляционную систему и систему передвижения.

Механическая часть

Манипулятор — это механизм для управления пространственным положением орудий и объектов труда.

Манипуляторы включают в себя подвижные звенья двух типов:

·       звенья, обеспечивающие поступательные движения

·       звенья, обеспечивающие угловые перемещения

Сочетание и взаимное расположение звеньев определяет степень подвижности, а также область действия манипуляционной системы робота.

Для обеспечения движения в звеньях могут использоваться электрические, гидравлический или пневматический привод.

Частью манипуляторов (хотя и необязательной) являются захватные устройства. Наиболее универсальные захватные устройства аналогичны руке человека — захват осуществляется с помощью механических «пальцев». Для захвата плоских предметов используются захватные устройства с пневматической присоской. Для захвата же множества однотипных деталей (что обычно и происходит при применении роботов в промышленности) применяют специализированные конструкции.

Вместо захватных устройств манипулятор может быть оснащен рабочим инструментом. Это может быть пульверизатор, сварочная головка, отвёртка и т. д.

Система передвижения

Внутри помещений, на промышленных объектах используются передвижения вдоль монорельсов, по напольной колее и т. д.

Для перемещения по наклонным, вертикальным плоскостям используются системы аналогичные «шагающим» конструкциям, но с пневматическими присосками.

Управление

Управление бывает нескольких типов:

Программное управление — самый простой тип системы управления, используется для управления манипуляторами на промышленных объектах. В таких роботах отсутствует сенсорная часть, все действия жёстко фиксированы и регулярно повторяются. Для программирования таких роботов могут применяться среды программирования типа VxWorks/Eclipse или языки программирования например Forth, Оберон, Компонентный Паскаль, Си. В качестве аппаратного обеспечения обычно используются промышленные компьютеры в мобильном исполнении PC/104 реже MicroPC. Может происходить с помощью ПК или программируемого логического контроллера.

Адаптивное управление — роботы с адаптивной системой управления оснащены сенсорной частью. Сигналы, передаваемые датчиками, анализируются и в зависимости от результатов принимается решение о дальнейших действиях, переходе к следующей стадии действий и т. д.

·       Основанное на методах искусственного интеллекта.

·       Управление человеком (например, дистанционное управление).

Принципы управления

Современные роботы функционируют на основе принципов обратной связи, подчинённого управления и иерархичности системы управления роботом.

Иерархия системы управления роботом подразумевает деление системы управления на горизонтальные слои, управляющие общим поведением робота, расчётом необходимой траектории движения манипулятора, поведением отдельных его приводов, и слои, непосредственно осуществляющие управление двигателями приводов.

 Подчинённое управление

Подчинённое управление cлужит для построения системы управления приводом. Если необходимо построить систему управления приводом по положению (например, по углу поворота звена манипулятора), то cистема управления замыкается обратной связью по положению, а внутри системы управления по положению функционирует система управления по скорости со своей обратной связью по скорости, внутри которой существует контур управления по току со своей обратной связью.

Современный робот оснащён не только обратными связями по положению, скорости и ускорениям звеньев. При захвате деталей робот должен знать, удачно ли он захватил деталь. Если деталь хрупкая или её поверхность имеет высокую степень чистоты, строятся сложные системы с обратной связью по усилию, позволяющие роботу схватывать деталь, не повреждая её поверхность и не разрушая её.

Управление роботом может осуществляться как человеком-оператором, так и системой управления промышленным предприятием (ERP-системой), согласующими действия робота с готовностью заготовок и станков с числовым программным управлением к выполнению технологических операций.

Действия промышленного робота

Среди самых распространённых действий, совершаемых промышленными роботами можно назвать следующие:

·       перемещение деталей и заготовок от станка к станку или от станка к системам сменных палет;

·       сварка швов и точечная сварка;

·       покраска;

·       выполнение операций резанья с движением инструмента по сложной траектории.

Промышленный робот является устройством, производящим некие манипулятивные функции, схожие с функциями руки человека.

Достоинства использования:

·       достаточно быстрая окупаемость

·       исключение влияния человеческого фактора на конвейерных производствах, а также при проведении монотонных работ, требующих высокой точности;

·       повышение точности выполнения технологических операций и, как следствие, улучшение качества;

·       возможность использования технологического оборудования в три смены, 365 дней в году;

·       рациональность использования производственных помещений;

·       исключение воздействия вредных факторов на персонал на производствах с повышенной опасностью.

Список используемой литературы

1.     Свободная энциклопедия Wikipedia [Электронный ресурс], режим доступа http://ru.wikipedia.org, свободный.

2.     Д. Ловин «Создаем робота-андроида своими руками», перевод с английского Мельникова Г.М., издательский дом «ДМК-пресс», 2007 г.

3.     Козырев Ю. Г. «Промышленные роботы: Справочник» , издательствокий дом «Машиностроение», 1988 г.

4.   Готшальк О.А. «Системы автоматизации и управления. Конспект лекций», 1998 г.