В.Л. Конюх Компьютерная автоматизация машиностроительного производства

1

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Дисциплина "Компьютерная автоматизация машиностроительных производств" изучается в течение пятого семестра. Учебным планом предусмотрено 8 часов лекций, 2 часа практических занятий и 89 часов самостоятельной работы. В ходе обучения должна быть выполнена контрольная работа. По окончании обучения требуется сдать зачет.

1.ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ, ЕЕ МЕСТО

ВУЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ

Переход к микропроцессорному управлению технологическим оборудованием принципиально изменил подходы к автоматизации производства. В первую очередь, это переход к многопроцессорным системам управления, распределенным на объекте автоматизации и связанным промышленными шинами с выходом в Интернет.

Развиваются новые способы управления, основанные на распознавании технологических ситуаций. Совершенствуются программируемые контроллеры - основа современной автоматики. Появились промышленные компьютеры, интеллектуальные датчики, компьютерные системы диспетчеризации SCADA, комплектные приводы. Компьютерная революция в мировом промышленном производстве привела к появлению многоуровневых компьютерно-интегрированных производств. Необходимо вести подготовку специалистов, способных выработать стратегию автоматизации предприятия, грамотно сформулировать требования к системе автоматизации, сопровождать проект автоматизации производства и обеспечить эффективную эксплуатацию автоматизированного производства.

1.1. Цель преподавания дисциплины

Обучение принципам компьютерной автоматизации современного производства.

1.2.Задачи преподавания дисциплины

•Изучение способов автоматизации, структуры компьютерноинтегрированного производства, датчиков автоматизации и исполни-

2

тельных устройств, программируемых контроллеров, промышленных компьютеров, протоколов обмена информацией и промышленных шин, методов визуализации и компьютерного моделирования производства, языков программирования логических контроллеров.

•Освоение работы современных систем автоматизации и их применения в машиностроительном производстве.

Студент направления 550200 – «Автоматизация и управление» и специальности 210200 – «Автоматизация технологических процессов (в машиностроении)», прошедший курс обучения «Компьютерная автоматизация машиностроительных производств», должен знать:

•классы объектов автоматизации;

•методы моделирования объектов и процессов управления;

•уровни автоматизации;

•виды датчиков и исполнительных устройств;

•способы связи устройства управления с объектом;

•устройство и работу программируемых контроллеров;

•системы диспетчерского управления;

•промышленные шины;

•принципы современной автоматизации;

•практическое применение компьютерной автоматизации.

На основании изученного теоретического материала, выполнения лабораторного практикума и самостоятельной работы студент должен

уметь:

-применять методы идентификации промышленных объектов; -формализовать алгоритмы управления объектами; -формировать набор датчиков для управления объектами; -составлять программы для программируемых контроллеров по

стандарту IEC 1131-3;

-компоновать иерархическую структуру компьютерного управления производством;

-применять устройства автоматизации для решения практических задач.

1.3. Перечень дисциплин

Перечень дисциплин, усвоение которых необходимо для изучения дисциплины "Компьютерная автоматизация машиностроительных про-

3

изводств": "Иностранный язык", "Информатика", "Вычислительные машины, системы и сети", "Общая электротехника и электроника".

2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ЕЕ ИЗУЧЕНИЮ

2.1. Принципы компьютерного управления

Объективные предпосылки компьютерной автоматизации производства. Задачи системной интеграции производства. Непрерывные и дискретные объекты автоматизации.

Модель объекта управления. Активные и пассивные методы идентификации объектов. Разомкнутое управление. Управление с компенсацией возмущений. Управление по отклонению.

Модель управления объектом. Алгоритмизация управления объек-

том.

Комбинационное и последовательностное устройства логического управления. Составление автоматных таблиц.

Пять уровней автоматизации компьютерно-интегрированного производства (I/O, PLC, SCADA, MES, MRP) и выполняемые ими функции. Этапы развития автоматизации производства.

Литература: [2, c. 4-29; 3, c. 1119; 4, c.89-93; 6]

Методические указания

Вначале надо понять, вследствие каких объективных причин компьютерная автоматизация стала необходима производителям продукции, включившимся в конкурентную борьбу на рынке. Следует сопоставить принципы производства в доиндустриальных, индустриальных и постиндустриальных государствах. Надо осмыслить задачи системной интеграции производства.

На практических примерах нужно классифицировать технологические процессы на непрерывные и дискретные, понять, почему они требуют разных принципов управления. Необходимо связать три типа технологической среды с методами управления, усвоить, почему неорганизованная среда требует обучения распознаванию технологических ситуаций.

4

Следует разделить методы разработки моделей объектов управления и моделей управления объектами. Понять различие между активными и пассивными методами идентификации объектов управления, определить области применения этих методов. Сопоставить комбинационные и последовательностные управляющие логические устройства. Построить автоматные таблицы для простых технологических процессов.

Особенно важно понять, чем программные устройства управления отличаются от аппаратных и почему их появление ускорило развитие промышленной автоматизации. Проанализировать этапы развития автоматизации производства.

При изучении уровней автоматизации компьютерноинтегрированного производства следует четко разделить функции систем I/O, PLC, SCADA, MES, MRP, перевести принятые сокращения на русский язык и раскрыть задачи систем.

Контрольные вопросы

1.Как различить дискретные и непрерывные производства?

2.Чем неорганизованная среда отличается от полностью определенной и организованной?

3.В чем состоит принцип оценки сложности управления?

4.Опишите три способа регулирования в непрерывном производ-

стве.

5.Как составить автоматные таблицы?

6.От чего зависит число строк и столбцов в автоматных таблицах?

7.Как записать алгоритм на языке секвенций?

8.Разделите задачи уровней автоматизации производства.

9.Для чего потребовался уровень MES?

10.Чем автомат отличается от полуавтомата?

11.В чем состоят преимущества программных устройств автома-

тики?

12.Опишите централизованную и распределенную структуры управления производством.

13.Как работает сеть контроллеров?

14.Чем PC-based control отличается от автоматизации с помощью

PLC и DCS?

5

2.2. Связь с объектом

Датчики внешней и внутренней информации. Виды выходных сигналов. Погрешность измерения, разрешающая способность, чувствительность, линейность, гистерезис, повторяемость сигналов, время отклика и полоса преобразования датчиков. Датчики положения и измерители перемещений механических элементов. Характеристики датчиков положения для автоматического управления. Магнитогерконовые, генераторные, индуктивные, емкостные и фотоэлектрические датчики положения. Потенциометрические измерители перемещений. Сельсинная пара. Цифровое кодирование перемещений. Фотоэлектрический преобразователь угловых перемещений. Тактильные датчики. Измерение усилий тензорезистором. Магнитоупругий, вихретоковый и волоконно-оптический датчики усилий. Термопара. Датчики ближней и дальней локации. Системы технического зрения. Методы обработки изображений.

Пневматические, гидравлические и электрические исполнительные устройства. Линии и каналы связи с микроЭВМ. Волоконнооптическая линия связи. Параллельный и последовательный интерфейс. Способы защиты от помех.

Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Теорема Котельникова. Защита от дребезга контактов. Гальваническая развязка. Нормализация сигналов. Восстановление прямоугольной формы сигналов. Мультиплексирование и демультиплексирование сигналов.

Литература: [2, c.31-75; 4, c.6-61].

Методические указания

Отметьте отличия аналоговых, цифровых и бинарных сигналов датчиков. Подумайте, почему при автоматическом управлении предъявляют специальные требования к характеристикам датчиков. Какие характеристики датчиков важны для автоматического управления? Найдите, чем измерители перемещений отличаются от датчиков положения. Сопоставьте достоинства и недостатки разных типов датчиков положения. При анализе разных типов датчиков необходимо понять физические принципы их работы. Обоснуйте, почему цифровые измерители перемещений больше пригодны для автоматики, чем аналоговые.

6

Проведите аналогию между техническими и биологическими тактильными датчиками. При изучении силомоментных и локационных датчиков надо понять различные способы преобразования физических величин в электрические сигналы. Обратите внимание на системы технического зрения, с помощью которых решают сложные задачи автоматизации производства. Особенно перспективны системы технического зрения для оптически непрозрачных сред. Продумайте, в каких режимах работают системы технического зрения и как системы технического зрения распознают неизвестные объекты.

При изучении исполнительных устройств сопоставьте достоинства и недостатки реле, электропневмоклапанов и электрогидрораспределителей.

Особенно важно понять, почему подключение датчиков к микроЭВМ потребовало защиты от дребезга контактов, гальванической развязки, нормализации сигналов, восстановления прямоугольной формы импульсов; для чего и как аналоговый сигнал преобразуется в цифровой и обратно.

При изучении каналов связи нужно разделить понятия линии и канала связи, сопоставить линии связи по пропускной способности, сопоставить параллельный и последовательный интерфейсы приемника и передатчика сигналов. Следует понять принцип передачи сигналов по оптическому волокну.

Контрольные вопросы

1.Чем отличаются виды выходного сигнала датчика?

2.Что такое погрешность измерения, разрешающая способность, чувствительность, линейность, гистерезис, повторяемость, время отклика, полоса преобразования датчика?

3.Чем относительный отсчет датчика отличается от абсолютного?

4.Чем датчик положения отличается от измерителя перемещений?

5.Что такое зона чувствительности, дифференциал хода, время срабатывания и рабочий зазор датчика положения?

6.Виды датчиков положения.

7.Как кодируются перемещения объекта в измерителях перемещений?

8.Чем отличаются преобразователи приращений от преобразователей считывания в измерителях перемещений?

7

9.Два типа тактильных датчиков.

10.По какому принципу работает тензорезистор?

11.Какие физические эффекты использованы в магнитоупругом и вихретоковом датчиках усилий?

12.Как локационные датчики измеряют расстояния?

13.Из каких элементов состоит система технического зрения?

14.Чем структурный метод распознавания объектов отличается от интегрального?

15.Почему распознавать касающиеся объекты сложнее, чем лежащие отдельно?

16.Достоинства и недостатки электрических, пневматических и гидравлических исполнительных устройств.

17.Как работают электропневматический клапан и электрогидрораспределитель?

18.Для чего нужны гальваническая развязка, нормализация сигналов, защита от дребезга, мультиплексор, АЦП и ЦАП?

19.Чем канал связи отличается от линии связи?

20.Чем взаимные помехи отличаются от случайных помех?

21.Как подавить помехи в проводной линии связи?

22.Как работает волоконно-оптическая линия связи?

2.3. Локальная автоматизация

Понятие и принципы мехатроники. Отличия промышленных роботов от других механических устройств. Три поколения промышленных роботов. Возможности роботов каждого поколения. Классификация роботов. Системы координат роботов. Цикловое, позиционное и контурное управление движением звеньев робота. Технические характеристики роботов. Прямая и обратная задачи кинематики манипуляторов. Приводы роботов. Волновой редуктор. Развитие программоносителей в системах управления роботами. Программируемые контроллеры. Промышленные компьютеры. Программирование управляющих систем на языках стандарта IEC 61131-3. Список инструкций (IL), структурированный текст (ST), диаграмма последовательных функций (SFC), функ- ционально-блочные диаграммы (FBD), лестничные диаграммы (LD). Дистанционное программирование распределенных систем управления.

Литература: [2, c.77-113; 6].

8

Методические указания

При изучении вопроса важно понять, в чем состоит идея мехатроники и почему роботы относят к устройствам мехатроники. Подумайте, почему электронные пишущие машинки нельзя отнести к роботам, хотя они могут перепрограммироваться на разные тексты. Хорошо уясните отличия роботов трех поколений, особенно адаптивных и интеллектных роботов. Самостоятельно придумайте возможные приложения манипуляционных, мобильных, информационных и управляющих роботов для вашего места работы. Разделите цикловые, позиционные и контурные способы управления движением механических устройств. Попытайтесь задать технические характеристики роботов для вашего производства. Подумайте, прямая или обратная задачи кинематики манипуляторов чаще решается на практике. Сопоставьте достоинства и недостатки разных типов приводов роботов. Почему волновой редуктор оказался самым подходящим для робототехники? Сопоставьте возможности программоносителей для управления роботами. Сравните программируемые логические контроллеры с персональными компьютерами. Почему стоимость промышленного компьютера намного выше персонального компьютера аналогичного класса? Для чего введен стандарт языков программирования управляющих систем?

Попытайтесь составить простую программу управления на пяти языках стандарта IEC 61131-3. Опишите последовательность дистанционного программирования контроллеров с пульта диспетчера.

Контрольные вопросы

1.Какие устройства относятся к мехатронике?

2.В чем заключаются отличия робота от других механизмов? 3.Чем отличаются поколения роботов?

4.Какие задачи выполняют манипуляционные, мобильные, информационные и управляющие роботы?

5.Какие соединения звеньев применяют в цилиндрической, сферической, угловой и прямоугольной системах координат?

6.Что такое цикловое, позиционное и контурное управление движением механического элемента?

9

7.Дайте определения степени подвижности, погрешности позиционирования, погрешности отработки траектории, рабочей зоны и зоны обслуживания промышленного робота.

8.Чем прямая задача кинематики манипуляторов отличается от обратной задачи?

9.Как работает волновой редуктор?

10.Как устроены пневмопривод, гидропривод и электропривод в мехатронике?

11.Для чего нужны программоносители? Как они развивались?

12.Чем программируемый контроллер отличается от персонального компьютера? Для чего его применяют?

13.Как устроен программируемый контроллер?

14.Зачем и как преобразуются сигналы датчиков при вводе в контроллер?

15.Как релейно-контактную логику описать на языке лестничных диаграмм?

16.Что дает объединение контроллеров в открытую сеть?

17.Чем промышленный компьютер отличается от персонального компьютера?

18.Какие языки программирования устройств управления входят в стандарт IEC 61131-3? Чем они отличаются от универсальных языков?

19.Чем вербальные языки программирования отличаются от графических?

20.Как современный технолог программирует контроллеры?

2.4.Диспетчерское управление

Развитие систем диспетчеризации. Визуализация работы производственной системы. Структура и основные функции системы SCADA. Области применения систем SCADA. Человеко-машинный интерфейс и его задачи. Возможности типовых SCADAсистем Factory Suite, Genesis 32, Genie, TwinCat, Trace Mode и др. Этапы создания ото-

бражения процесса с помощью системы SCADA. Дистанционное программирование распределенных устройств автоматики. Развитие уровня SCADA. Альтернативы создания уровня SCADA. Выбор системы SCADA для предприятия.

Литература: [1; 2, c.115-132; 6].