Автоматизированная система управления для ГАК по изготовлению аэродинамических обвесов на примере спойлера
Введение
Современное развитие машиностроения неразрывно связано с массовым внедрением как отдельных единиц автоматизированного и автоматического оборудования - гибких производственных модулей, так и более крупных комплексов. В таких комплексах основное технологическое оборудование оснащаются устройствами числового программного управления (УЧПУ), вспомогательное оборудование оснащается более простыми схемами управления. Такие комплексы часто включают в себя роботов выполняющих различные функции (загрузка-разгрузка, покраска, сварка, смена инструмента, и т. д.), которые также имеют свои собственные системы управления.Однако, в таких производственных системах необходима жесткая координация действий всего оборудования. Эту функцию несет на себе ЭВМ второго уровня (в более общем случае уровней управления может быть гораздо больше), которая на основе получаемых данных о состоянии оборудования, детали, различных показателей технологического процесса и т. п. формирует управляющие сигналы для локальных систем управления оборудованием.
Действует ЭВМ 2 уровня в соответствии с алгоритмом управления, создание которого является одним из немаловажных этапов создания автоматизированного комплекса. Необходимо, чтобы алгоритм обеспечивал однозначность условий формирования управляющих команд, а также оптимальное решение всех задач поставленных перед автоматизированным комплексом.
Средствами, используемыми для решения данной задачи, является трехуровневая система управления, включающая на 1 уровне локальные системы управления отдельными агрегатами, на 2 уровне управляющую систему, включающую промышленный контроллер, систему необходимых датчиков, устройство ввода/вывода информации и средства связи с оператором, который в свою очередь осуществляет 3 уровень управления.
Техническое задание
Исполнитель:
Студенческая проектная группа №5.
Цель проектирования:
Проектирование автоматизированной системы управления для ГАК по изготовлению аэродинамических обвесов на примере спойлера:
Выбрать средства технологического обеспечения и оборудование,
разработать необходимые приспособления;
разработать структурную схему размещения оборудования;
разработать систему управления
Основание проектирования:
Задание на курсовой проект.
Граница применимости:
Машиностроительное производство.
Стадийность проектирования:
Техно-рабочий проект. Одна стадия.
Планируемый уровень капитальных затрат:
Уровень капитальных затрат уточняется в ходе проектных работ.
Предложения по централизации управления технологическими процессами:
В ходе проектных разработок будет получен объект с трехуровненовой системой автоматизации:
централизация управления выводится на пульт АРМ-оператора
Предложения по размещению основного оборудования:
Участок содержит:
экструдер (Э),
обрезной станок (ОС)
сверлильно-фрезерный станок (СФС)
два промышленных робота (ПР)
транспортер (Т).
Анализ исходных данных
Спойлер - это элемент (или набор элементов), изменяющих аэродинамические свойства кузова автомобиля, перенаправляя воздушные потоки.
В современных пассажирских автомобилях использование спойлеров позволяет уменьшить коэффициент лобового сопротивления. Важно чтоб он был изготовлен из качественного материала и не менее важным является качество его производства. Этого можно достичь путём автоматизации процесса изготовления и обработки.
Состояние вопроса:
В настоящий момент производство спойлера осуществляется полуавтоматически с использованием механизированных приспособлений и оборудования. Человек в технологическом процессе осуществляет множество операций: осуществляет съемку спойлера из экструдера, отделяет облой, выполняет все вспомогательные операции по перемещению, сверлению крепежных отверстий и фрезерованию отверстия под фонарь стоп-сигнала.
Краткое описание технологического процесса
Экструзия гранул (вспенивание), транспортировка в машину прессования.
Получение детали в пресс-форме.
Отделение облоя (вырубка детали).
Обработка детали с целью получения необходимых отверстий (в проекте предлагается сверлильно-фрезерный станок).
Транспортировка деталей и готового изделия между участками осуществляется с помощью транспортера.
Цикл работы участка
Содержание операцииПродолжительность операции, сИзготовление экструдером заготовки137Перемещение робота ПР1 к экструдеру (Э)2Зажим схвата робота 2Перемещение схвата робота ПР1 от Э к обрезному станку (ОС)2Разжим схвата робота ПР12Работа ОС5Перемещение робота ПР2 к ОС2Зажим схвата робота 2Перемещение схвата робота ПР2 от ОС к сверлильно-фрезерному станку (СФС)2Разжим схвата робота ПР22Зажим заготовок на столе СФС5Сверление отверстий со сменой инструмента90Разжим детали на столе СФС5Перемещение схвата робота ПР2 к СФС2Зажим схвата робота ПР22Перемещение схвата робота ПР2 к транспортеру4Разжим схвата робота ПР22
Содержательная постановка задачи
Целью разработки алгоритма АСУ является:
обеспечение эффективного управления процессом изготовления детали «спойлер» на данном участке.
обеспечение заданного технологического регламента функционирования оборудования в различных производственных ситуациях;
поддержание взаимодействия между оператором и управляющей ЭВМ;
эффективное реагирование на возникновение нештатных ситуаций.
Моделирование процесса управления
Управление сводится к выдаче нужных сигналов СУ оборудования в нужные моменты времени, в зависимости от существующих условий.
1.Разгрузка грейфера:
1.1 в схвате робота ПР1 нет заготовки;
.2 захватное устройство робота ПР1 находится у грейфера;
.3 у грейфера есть заготовка.
2.Загрузка обрезного станка:
2.1 в схвате робота ПР1 есть заготовка;
.2 захватное устройство робота ПР1 находится у станка;
.4 зажимы станка разжаты;
.5 в загрузочной позиции робота нет детали.
3.Обработка на обрезном станке:
3.1.заготовка на месте обработки;
3.2.зажимы станка зажаты;
.3.станок включен;
.4.заготовка на станке не обработана.
4.Разгрузка обрезного станка:
4.1.в схвате робота ПР2 нет детали;
4.2.захватное устройство робота ПР2 находится у обрезного станка;
.3.заготовка вышла из станка;
5.Загрузка сверлильно-фрезерного станка:
5.1 в схвате робота ПР2 есть заготовка;
.2 захватное устройство робота ПР1 находится у станка;
.4 зажимы станка разжаты;
.5 в загрузочной позиции робота нет детали.
6.Обработка на сверлильно-фрезерном станке:
6.1.заготовка на месте обработки;
6.2.зажимы станка зажаты;
.3.станок включен;
.4.заготовка на станке не обработана.
7.Разгрузка сверлильно-фрезерного станка:
7.1.в схвате робота ПР2 нет детали;
7.2.захватное устройство робота ПР2 находится у станка;
.3.заготовка вышла из станка;
.4.зажимы станка разжаты;
8.Загрузка отводящего транспортера:
8.1.в схвате робота ПР2 есть деталь;
8.2.захватное устройство ПР2 находится у транспортера;
.3.на транспортере есть место.
9.Возникновение нештатной ситуации
9.1.в зоне действия робота есть люди;
или
9.2.экструдер выключен;
9.3.отсутствует материал;
.4.отсутствуют пресс-формы;
или
9.5.захватное устройство ПР1 грейфера;
9.6.в схвате робота ПР1 есть заготовка;
.7.на грейфере нет заготовки;
или
9.8.захватное устройство робота ПР1 находится у обрезного станка;
9.9.в схвате робота ПР1 есть заготовка;
9.10. станок выключен;
или
.11. захватное устройство робота ПР2 находится у обрезного станка;
.12. в схвате робота ПР2 нет заготовки;
.13. заготовка не вышла из станка;
или
.14. захватное устройство робота ПР2 находится у свер.-фрез. станка;
.15. в схвате робота ПР2 есть заготовка;
.16. станок выключен;
или
.17. захватное устройство робота ПР2 находится у свер.-фрез. станка;
.18. в схвате робота ПР2 нет заготовки;
.19. заготовка не вышла из станка;
или
.20. захватное устройство робота ПР2 находится у транспортера;
.21. на отводящем транспортере нет места для детали;
.22. в схвате ПР2 есть заготовка
Обобщенная структура АСУ ГАК
спойлер обвес аэродинамический автомобиль
Средством, используемым для решения задачи управления рассматриваемым ГАК, является трехуровневая система управления, включающая на первом уровне локальные системы управления отдельными агрегатами, на втором программируемый логический контроллер, систему датчиков, устройства ввода/вывода и средства связи с ЭВМ верхнего уровня и пультом оператора.
Исходными данными для решения задачи управления рассматриваемого ГАК является информация с системы датчиков.
Каждая единица технологического оборудования оснащена своей локальной системой управления, поэтому в задачу оперативного управления входит поддержание взаимодействия локальных систем управления между собой, а также организация диалога с ЭВМ верхнего уровня и пультом оператора. Программы локальных систем управления обеспечивают весь комплекс необходимых действий для успешного ведения техпроцесса на каждой единице оборудования.
Описание функциональной схемы проектируемого ГАК и обоснование выбора устройств, осуществляющих непосредственное управление
В проекте предлагается решение задачи системной интеграции устройств управления на основе сетевых решений Siemens.
Структурно-функциональная схема СУ ГАУ представлена в графической части работы. Она реализована в виде 2-х основных промышленных сетей, включающих в себя сеть полевого уровня по стандарту Profibus DP и сеть AS-интерфейса - сеть интеллектуальных исполнительных устройств и интеллектуальных датчиков. Дополнительно для решения задач загрузки управляющих программ и организации обмена информацией с цеховым уровнем используется сеть Industrial Ethernet.
Связь с полевым уровнем используется для обслуживания систем распределенного ввода-вывода, а также устройств и систем человеко-машинного интерфейса. Подключение устройств распределенного ввода-вывода к системам автоматизации производится через:
встроенные интерфейсы центральных процессоров (CPU),
коммуникационные процессоры (CP).
К одной системе автоматизации может подключаться несколько сетей PROFIBUS-DP, что позволяет не только увеличивать количество обслуживаемых устройств распределенного ввода-вывода, но и разделять их на группы по различным технологическим признакам.
Из анализа штатных устройств управления следует, что их можно интегрировать их в единую систему типа звезда, распространенную в настоящее время как систему управления участком в целом. Это обусловлено тем, что устройства имеют быстрый последовательный канал связи с верхним уровнем управления.
Идеология организации сетевой структуры СУ основана на том, что системы ЧПУ роботов обслуживают датчики состояния робота, датчики положения всех механизмов станков и роботов, а также имеют развитое программное обеспечение диагностики оборудования и механизмов робота. Последняя обеспечивает формирование интегральной оценки состояния оборудования, которая используется как осведомительный сигнал для контроллера 2-ого уровня управления. Кроме того, сигналы выполнения и исполнения программ станков и роботов также являются осведомительными.
В качестве устройства управления 2-ого уровня выбираем ПЛК производства Siemens Simatic S7-300.S7-300 - это модульные программируемые контроллеры, работающие с естественным охлаждением. Модульная конструкция, возможность построения распределенных структур управления, наличие дружественного пользователю интерфейса позволяет использовать контроллер для экономичного решения широкого круга задач автоматического управления в различных областях промышленного производства.
Эффективному применению контроллеров способствует возможность использования нескольких типов централь - процессоров различной производительности, наличие широкой гаммы модулей ввода - дискретных и аналоговых сигналов, функциональных модулей и коммуникационных процессоров.
Нам необходимо чтобы в состав контроллера входило:
- Блок питания
- Коммуникационный процессор
- Главный процессор
- Блок дискретных входов и выходов
Контроллеры SIMATIC S7-300 используют для своей работы постоянный ток напряжением 24В. Модуль PS 307 преобразует входное напряжение ~120/230В в выходное напряжение 24В постоянного тока. Он может использоваться как для питания внутренних цепей контроллера, так и для питания его входных и выходных цепей.
Т.к. нам необходимо соединить контроллер к Profibus DP, то выбираем следующий коммуникационный процессор: CP342-5. Он предназначен для подключения контроллеров SIMATIC S7-300 и систем автоматизации SI-MATIC C7 к сети PROFIBUS-DP. Он позволяет разгрузить центральный процессор контроллера от выполнения коммуникационных задач и способен поддерживать протокол PROFIBUS-DP, S7 функции связи, интерфейс SEND/RECEIVE и PG/OP. С его помощью может осуществляться дистанционное программирование и конфигурирование контроллеров по сети PROFIBUS, осуществляться межсетевой обмен данными, поддерживаемый PG/OP функциями связи.
Коммуникационный процессор CP 342-5 обеспечивает поддержку:
Ведущих и ведомых устройств сети PROFIBUS-DP.
Функций связи с программаторами, устройствами и системами человеко-машинного интерфейса.
Интерфейса приемопередатчика SEND/RECEIVE для обмена данными с контроллерами SIMATIC S5.
Т.к. нам необходимо соединить контроллер к сети Industrial Ethernet, то выбираем следующий коммуникационный процессор: CP343-1. Он позволяет производить подключение контроллеров SIMATIC S7-300 к сети Industrial Ethernet. Он разгружает центральный процессор контроллера от выполнения коммуникационных задач и обеспечивает поддержку:
Транспортных протоколов ISO и TCP/IP.
PG/OP функций связи (связь с программаторами и устройствами человеко-машинного интерфейса).
S7 функций связи.343-1 позволяет выполнять дистанционное программирование контроллеров по сети, а также подключение контроллеров к офисной сети Ethernet. Конфигурирование коммуникационного процессора выполняется с помощью пакета NCM S7 для Industrial Ethernet. Этот пакет входит составной частью в STEP 7 V5 и более поздних версий.
Т.к. нам необходимо соединить контроллер к сети AS-i, то выбираем следующий коммуникационный процессор: CP342-2, являющийся стандартным ведущим устройством AS-интерфейса. Процессор CP 342-2 занимает 16 входных и 16 выходных байтов в области аналоговых значений контроллера, с помощью которых считываются входные сигналы ведомых устройств и устанавливаются выходные значения исполнительных механизмов.
В зависимости от степени сложности решаемых задач в контроллерах S7-300 может применяться 8 типов центральных процессоров. Поэтому мы выбираем процессор CPU 315 - центральный процессор для построения систем автоматизации со средним или большим объемом программы, обслуживающих системы локального и распределенного ввода - вывода, подключаемые по PROFIBUS-DP.
Подключим к контроллеру графическую панель оператора SIMATIC OP37, которая связывается с контроллером S7-300 по интерфейсу RS 232C.
Для управления роботами решено сохранить достаточно высокоточную и надежную отечественную мультипроцессорную систему СФЕРА-36.
Так же решено использовать следующие датчики: наличия заготовки на станке, наличия кассеты для готовых деталей, положение роботов. В качестве этих датчиков используются интеллектуальные датчики со встроенным AS-интерфейсом производства фирмы Siemens: индуктивные BERO 3RG4 и оптические BERO K80. Для оценки состояния ограждения используются стандартные датчики Световой Барьер FS200, подключаемые к модулю со встроенным AS-интерфейсом.
С помощью сетевого терминала RS485 6GK1500-0AB00 осуществляется физическое подключение СЧПУ к Profibus DP.
Трансивер 6GK1901-0AA00-0AA0 служит для подключения к Industrial Ethernet на основе триаксиального кабеля 727-0.помощью повторителей 6GK1110-0AA00 к сети Industrial Ethernet можно подключать дополнительные сегменты. Установка каждого повторителя позволяет увеличить протяженность сети на 500 м. Повторитель может быть удален от каждого из соединяемых сегментов на расстояние до 50 м. Для подключения к сегментам необходимо применение двух трансиверов с соответствующими кабелями.
Разработка HMI-интерфейса
Третий уровень управления в проектируемой СУ представлен автоматизированным рабочим местом оператора. Оператор может управлять работой всего комплекса, а также проводить мониторинг состояния оборудования.
В качестве АРМ может использоваться обычный персональный компьютер. Однако в условиях промышленного производства компьютерам предъявляются достаточно жесткие требования, такие, как: высокая производительность, круглосуточная эксплуатация в условиях высокой температуры, влажности, вибрации, загрязненности окружающей среды и т.д.
·Панельные ПК SIMATIC Panel PC 677
Панельные ПК 677/877 представляют собой полнофункциональный промышленный ПК панельного исполнения. Размеры дисплея от 10" (только PC 677) и 12" до 15" и управление посредством мембранной клавиатуры или сенсорного экрана позволяют удовлетворить широчайший спектр запросов, возникающих при организации работы пользователей.
Вариант исполнения специально разработан для максимальной надежности в условиях вибрации или ударов. К примеру, специальная вибропоглощающая подвеска жесткого диска гарантирует абсолютно надежное функционирование даже в условиях больших механических нагрузок.
В панельных ПК SIMATIC 677 и 877 имеются встроенные интерфейсы PROFIBUS DP, MPI, Industrial Ethernet, которые используются для подключения АРМ к промышленным сетям.
Панельные ПК SIMATIC 677 и 877 обладают высокой функциональностью, ориентированной на промышленные условия работы, и превосходящей возможности стандартных ПК. В так называемых распределенных конфигурациях, процессорный и операторский блоки могут функционировать на удалении друг от друга.
ПК также может использоваться в качестве программатора для написания управляющих программ для локальных систем управления и конфигурирования системы в целом.
Выбор основного технологического оборудования
1)Экструзионно-выдувная установка KBS2-61/60:
Высокая производительность оборудования позволяет добиваться низкой себестоимости готового изделия. Простота установки параметров посредством контроллера Simens S5. Возможность установки пресс-форм разных размеров и их быстрой смены.
2)Вырубной станок фирмы "Таурас-Феникс":
Вырубной станок предназначен для вырубки тонколистовых пластмассовых, картонных, бумажных и тканевых деталей по контуру из плоских и трехмерных заготовок. С помощью этого станка, оснащенного вырубной матрицей, можно изготавливать детали, имеющие контур любой сложности. Отличительные особенности: максимальная простота и доступность в обслуживании; возможность вырубить детали любой сложности; простота в переналадке; обеспечена безопасность работы для обслуживающего персонала.
3)Сверлильно-фрезерный станок с ЧПУ портального типа GDC:
Колонны и балки неподвижно соединены толстолистовой сталью, чтобы избежать сварочных деформаций. Деформация, вызванная сверлением осевой силы, контролируется сильной антиизгибочной способностью балки. Импортированные шпиндельные компоненты обеспечивают высокую жесткость и хорошую точность. Принятие пневматического освобождающего инструмента и инструмента рессорной стяжки является удобным и надежным. Оси приводные шариковым винтом характеризуют высокую точность и гладкую передачу. Роликовая опора качения X и Y осей обеспечивают большую жесткость соединения.
Размеры рабочей поверхности стола, мм: 1600х400Число Т-образных пазов 3Наибольшее перемещение стола, мм: Продольное механическое Продольное вручную Поперечное механическое Поперечное вручную Вертикальное механическое Вертикальное вручную 1000 1000 300 320 410 420Расстояния от торца шпинделя до стола при ручном перемещении (наименьшее - наибольшее), мм50 -500Расстояние от оси шпинделя до вертикальных направляющих станины, мм420Наибольшая масса обрабатываемой детали, кг300Конус шпинделя50Наибольшее осевое перемещение пиноли шпинделя, мм80Наибольший угол поворота шпиндельной головки, град.+/-45Двигатель привода главного движения: Тип Мощность, кВт Частота вращения, об/мин 4А160S4УЗ 15,0 1460Всего двигателей, шт.3Габаритные размеры станка (длина х ширина х высота), мм 2600х2260х2430Масса станка, кг4270
Выбор промышленного робота
Модель СМ40Ф2.80.01. Технические характеристики
Грузоподъемность, кг:40Число степеней подвижности:4Число рук:1Число захватных устройств на одной руке:2Привод основных движений:ГСистема управления:П УПМ-331Способ программирования:обучениеОбъем памяти системы управления:0,5 КбайтПогрешность позиционирования, ±мм:0,5Наибольший вылет руки, мм:1900Линейные перемещения, мм/скорость, м/с Х:10000/0,8Линейные перемещения, мм/скорость, м/с Y:3000/1,2Линейные перемещения, мм/скорость, м/с Z:1000Угловые перемещения, º/угловая скорость, º/с α:180/30Угловые перемещения, º/угловая скорость, º/с θ:180/30Длина монорельса, м:12Масса, кг:3400
Выбор транспортной системы
Автоматизация технологического транспорта позволяет сократить цикл обработки заготовок на 30-50%. Сущность автоматизации технологического транспорта заключается в перемещении заготовок в ориентированном положении к обрабатывающему оборудованию. Для реализации более эффективного технологического процесса используем простой, но действенный транспортер, который передвигает изделия от пресса к станкам и к готовой продукции.
Заключение
В данном курсовом проектировании был рассмотрен процесс разработки системы управления гибким автоматизированным комплексом, подробно рассмотрены средства реализации управления. Нынешний уровень развития данного сегмента автоматизации показывает, что существует огромное количество разнообразных вариантов даже в рамках сетевых решений одной фирмы. Поэтому грамотный выбор устройств для реализации систем управления на конкретных технологических участках может обеспечить выход на новый уровень качества и эффективности производства.
Список литературы
1 Малюх В. Н. Введение в современные САПР: Курс лекций. - М.: ДМК Пресс, 2010. - 192 с. - ISBN 978-5-94074-551-8 <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BB%D1%83%D0%B6%D0%B5%D0%B1%D0%BD%D0%B0%D1%8F:%D0%98%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%87%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B8_%D0%BA%D0%BD%D0%B8%D0%B3/9785940745518>
Норенков И. П. Основы автоматизированного проектирования: учеб. для вузов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2009. - 430 с. - ISBN 978-5-7038-3275-2 <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BB%D1%83%D0%B6%D0%B5%D0%B1%D0%BD%D0%B0%D1%8F:%D0%98%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%87%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B8_%D0%BA%D0%BD%D0%B8%D0%B3/9785703832752>
. Интернет, сайт <http://ru.wikipedia.org>