Общие замечания о методике проектирования алгоритмов управления промышленными механизмами

В общем случае при разработке проекта электрооборудования любого промышленного механизма необходимо:

  • • изучить технические характеристики и принцип работы автоматизируемого объекта;
  • • выбрать элементную базу, на которой будет реализовываться силовое электрооборудование и электроавтоматика;
  • • принять решение о способе реализации электроавтоматики:
    • а) жесткий аппаратный способ или
    • б) гибкий с применением программируемого логического контроллера (ПЛК);
  • • разработать:
    • а) аппаратную принципиальную схему и перечень элементов;
    • б) чертежи расположения электрооборудования на объекте;
    • в) монтажные электрические схемы;
    • г) программу электроавтоматики в случае применения ПЛК;
    • д) руководство по эксплуатации электрооборудования.

Ниже рассматриваются основные вопросы, касающиеся проектирования алгоритмов работы и принципиальных схем электроавтоматики.

Основополагающий этап проектирования электроавтоматики — это выбор способа графической формализации работы механизма и математического аппарата, применяемого при синтезе. Одним из важнейших критериев, определяющих выбор метода синтеза электроавтоматики, является простота и наглядность способа формализации работы промышленного механизма или типовой схемы вычислительной техники, позволяющего без особых усилий описать их работу семейством логических функций Yj = fj(Xj, Х2,..., Хп ), приводимых к любой элементной базе.

Здесь У, — выходные сигналы; X]f Хъ Хп входные сигналы.

В профильной учебной литературе в качестве математического аппарата синтеза логических схем рассматриваются диаграммы Венна и Вейча, карты Карно, таблицы состояний, графы и циклограммы. Поскольку количество логических переменных в реальных системах автоматизации значительно, то способы, подобные диаграммам Вейча и картам Карно, здесь совершенно непригодны. В этом случае наиболее эффективным способом формализации работы механизма являются циклограммы, представляющие собой развернутую в безразмерном масштабе времени последовательность командных, исполнительных и контролирующих сигналов в порядке их появления в процессе работы механизма.

Циклограммы имеют следующие преимущества:

  • • простота построения и наглядность;
  • • возможность учета любых начальных условий и взаимных блокировок с другими схемами;
  • • возможность учета фронтов сигналов и временных факторов;
  • • простота нахождения неисправностей в любой момент работы механизма и реализации систем диагностики;
  • • простота описания циклограммы средствами математического аппарата алгебры логики;
  • • возможность формирования исходных данных для автоматизированного синтеза системы автоматики.

Кажущийся недостаток циклограмм — их громоздкость при очень большом числе логических переменных — легко преодолевается разбитием общей циклограммы на законченные логические узлы.

Что касается математического аппарата, то речь может идти о классической теории дискретных автоматов, однозначно устанавливающей связь между множествами входных и выходных переменных и множеством внутренних состояний автомата, а также о математическом аппарате алгебры логики, однозначно описывающем класс комбинационных логических схем.

Изначально метод проектирования электроавтоматики с помощью циклограмм применялся в конструкторских бюро промышленных предприятий, т.е. в проектных организациях, где на передний план выдвигаются требования простоты и наглядности, обеспечивающие короткие сроки проведения проектных работ и внедрения разработок в производство. В дальнейшем сфера применения метода циклограмм постепенно расширялась. Это объясняется следующим.

Теория дискретных автоматов сложна, и ее применение в инженерной практике автоматизации различных отраслей промышленности в большинстве случаев неоправданно. Классическая теория алгебры логики однозначно решает лишь задачи комбинационной логики, поэтому при разработке метода синтеза требуется адаптировать ее к синтезу последовательностных схем, т.е. схем с элементами памяти, какими являются практически все реальные электроавтоматические системы. При определенных инженерных допущениях, как будет показано ниже, эта задача легко решается. Па основании вышеизложенного рассмотрим формализацию при помощи циклограмм и применение аппарата алгебры логики. Они решают задачу любой реальной сложности и на любой реальной элементной базе.

Правила построения циклограмм. Основой для построения циклограммы является последовательность работы во времени элементов электроавтоматики, задействованных в рассматриваемом цикле работы механизма:

  • • командных (кнопок, тумблеров и т.д.);
  • • исполнительных (управляющих электродвигателями, электромагнитами, электромагнитными муфтами и т.д.);
  • • контролирующих (путевых переключателей, различного рода контактных и бесконтактных датчиков и т.д.).

Здесь под циклом понимается круговой процесс, осуществляемый разрабатываемой системой. Основной характеристикой цикла является совпадение начального и конечного состояния системы.

В процессе синтеза в исходную циклограмму при необходимости могут вводиться промежуточные и временные сигналы.

На оси ординат циклограммы показывают сигналы, поступающие от указанных элементов, в порядке их появления в процессе работы механизма с начала цикла, а на оси абсцисс — время в безразмерном масштабе (рис. 9.1). Для каждого сигнала задается своя ось времени. Факт наличия сигнала (логическая единица) в установившемся режиме изображается линией высокого уровня с произвольной амплитудой, отсутствие сигнала (логический нуль) графически совпадает с осью времени. У каждого сигнала показывают передний и задний фронты — переходные режимы установления и снятия сигнала.

Воздействие сигналов друг на друга изображают стрелкой, направленной от конца переднего или заднего фронта управляющего сигнала к началу фронта управляемого сигнала. Время выполнения какой-либо операции, а также временные задержки показывают горизонтальной линией произвольной длины, начинающейся от конца фронта командного сигнала, с переходом в вертикальную стрелку в конце операций или выдержки времени.

Наклон фронтов сигналов может быть произвольным, однако для наглядности циклограммы рекомендуется наклон, близкий к 60°.

Замечание 9.1

В действительности фронты сигналов очень крутые и сигналы практически прямоугольные. В случае если один сигнал вызывает второй сигнал, то их фронты на диаграмме будут совпадать. Это не позволяет проследить причинно-следственную связь между двумя сигналами. Искусственно увеличенный фронт сигнала позволяет разнести во времени начало и окончание сигнала и таким образом проследить связь между сигналами.

Поскольку циклограмма является основой для описания условий работы механизма (или типовой схемы вычислительной техники), то для упрощения процесса синтеза входным, промежуточным и выходным сигналам присваивают легко запоминающиеся условные обозначения — аббревиатуры.

Любая реальная циклограмма, принцип построения которой показан на рис. 9.1, должна начинаться с сигнала, учитывающего различные начальные условия и блокировки. Назовем такой сигнал РЦ — разрешение цикла. Циклограмма должна заканчиваться сигналом, определяющим окончание работы данного цикла и служащим блокировкой или разрешением для работы другого узла.

Пример начертания циклограммы

Рис. 9.1. Пример начертания циклограммы

Циклограмма, показанная на рис. 9.1, отражает последовательное выполнение следующих технологических режимов некоторого механизма:

  • • быстрое движение вперед (сигнал БВ);
  • • медленное движение вперед (сигнал МВ);
  • • быстрое движение назад в исходное положение (сигнал БН).

Моменты смены режимов контролируют датчики. Переход с режима

быстрого движения вперед на режим медленного движения происходит при срабатывании датчика замедления (сигнал Дзам). Переход с режима медленного движения вперед на режим быстрого движения назад происходит при срабатывании датчика реверса (сигнал Древ). Датчик исходного положения (сигнал Дисх) контролирует исходное положение механизма.

Выполнение цикла при наличии сигнала разрешения РЦ начинается после нажатия кнопки Кн Ц. Момент времени, когда кнопка Кн Ц замкнет свой контакт и появится единичный сигнал Кн Ц, показан на циклограмме вертикальной пунктирной линией.

Сигнал «Цикл» определяет общее время выполнения цикла. Время выполнения различных операций, естественно, разное и зависит от работы конкретного механизма. Однако на циклограмме время t отображается в безразмерном масштабе, и длительность отображения операции определяется только удобством анализа циклограммы. Поэтому обычно все операции показываются одинаковой длительности.

Цикл выключается сигналом Сбр Ц («Сброс цикла»), формируемом при условии его завершения.

Анализ циклограмм предполагает следующий алгоритм действий.

1. Поиск комбинационного решения, когда синтезируемая выходная логическая переменная однозначно по циклограмме описывается уравнением алгебры логики. В этом случае но циклограмме видно, какие элементы для срабатывания искомой выходной или промежуточной логической переменной должны иметь значение, равное единице, и какие элементы - значение, равное нулю.

Если решения нет, то:

2. Применение типового элемента памяти с синтезом по циклограмме только сигналов установки S (Set) и сброса R (Reset) этой памяти. В этом и заключается главное инженерное допущение при синтезе последовательностных схем при помощи аппарата алгебры логики, когда синтезируется не сам сигнал памяти, а только необходимые сигналы установки и сброса памяти.

Если решения нет, то:

  • 3. Введение в исходную циклограмму одного или нескольких промежуточных сигналов (обычно в виде элемента(-ов) памяти), исключающих неоднозначность решения задачи, и переход к п. 1 алгоритма. Тип промежуточного сигнала — комбинационный или память — определяется при его синтезе.
  • 4. Учет начальных условий и блокировок.

Замечание 9.2

Необходимость введения промежуточного элемента (см. п. 3) вызвана тем, что достаточно часто на разных этапах выполнения цикла (на разных временных отрезках циклограммы), когда необходимо выполнять разные операции, возникает одна и та же комбинация логических сигналов, т.е. возникает неопределенность. Для исключения этой неопределенности и вводится дополнительный промежуточный сигнал, обычно в виде памяти. С его помощью вводится различие в комбинации сигналов на разных временных отрезках циклограммы.

Основные сведения по теории алгебры логики приведены в гл. 4 настоящего учебного пособия. Для более углубленного изучения данной темы рекомендуем [26].

Пример 9.1

Составьте по циклограмме, приведенной на рис. 9.2, а, уравнение для выходного сигнала У при заданных входных сигналах X.

Примеры циклограмм

Рис. 9.2. Примеры циклограмм

Решение

Анализ циклограммы показывает, что в данном случае возможно комбинационное решение в виде Y = X, +Х2.

Пример 9.2

Составьте по циклограмме, приведенной на рис. 9.2, б, уравнение для выходного сигнала У при заданных входных сигналах X.

Решение

Анализ циклограммы показывает, что в данном случае также возможно комбинационное решение в виде У = Xt23.

Составьте но циклограмме, приведенной на рис. 9.2, в, уравнение для выходного сигнала У при заданных входных сигналах X.

Решение

Анализ циклограммы показывает, что в данном случае невозможно комбинационное решение и необходимо применить решение с типовой RS-памятью. Выходной сигнал памяти описывается уравнением У = (S + Y) R, где S = Xt2 — сигнал установки памяти; R = ХхХ2 — сигнал сброса памяти.

Пример 9.4

Составьте по циклограмме, приведенной на рис. 9.2, г, уравнение для выходного сигнала У при заданных входных сигналах X.

Решение

Анализ циклограммы показывает, что в данном случае невозможно комбинационное решение и необходимо применить решение с типовой RS-памятыо. Выходной сигнал памяти описывается уравнением У = (S + Y)R, где S = Хх2 — сигнал установки памяти; R = Х3 сигнал сброса памяти.

Пример 9.5

Составьте по циклограмме, приведенной на рис. 9.2, д, уравнение для выходного сигнала У при заданных входных сигналах X.

Решение

Анализ циклограммы показывает, что в данном случае невозможно комбинационное решение и необходимо применить решение с типовой RS-памятью с введением промежуточного сигнала а.

Сигналы для установки и сброса выходной памяти:

Сигналы для установки и сброса промежуточного сигнала а:

Преобразованная циклограмма с введением промежуточного сигнала приведена на рис. 9.2, е.

Правила формального построения принципиальных схем по уравнениям алгебры логики. Поскольку синтез схем электроавтоматики с использованием аппарата алгебры логики является универсальным средством, пригодным для любой элементной базы, основные правила рассмотрим как для бесконтактных, так и для релейных схем. Последние имеют большое практическое значение, так как при использовании в качестве элементной базы программируемых логических контроллеров (ПЛК), алгоритмы программ электроавтоматики чаще всего выполняют в релейном варианте.

Правила для построения релейно-контактных схем по уравнениям алгебры логики (рис. 9.3, а):

  • 1) исходное логическое выражение преобразуется к виду, содержащему только элементарные логические функции И, ИЛИ, НЕ, и минимизируется. Под знаком инверсии не должно быть более одной логической переменен ной, так как в противном случае ее реализация возможна только при введении дополнительных промежуточных реле;
  • 2) прямому значению логической переменной X логического уравнения в принципиальной схеме соответствует замыкающий контакт реле;
  • 3) инверсному значению логической переменной X логического уравнения в принципиальной схеме соответствует размыкающий контакт реле;
  • 4) логическому произведению переменных в принципиальной схеме соответствует последовательное соединение контактов реле;
  • 5) логической сумме переменных в принципиальной схеме соответствует параллельное соединение контактов реле;
  • 6) знаку равенства (=) в релейных схемах соответствует катушка выходного реле Y.

Правила построения бесконтактных схем по уравнениям алгебры логики (рис. 9.3, б):

  • 1) исходное логическое уравнение приводится к виду, состоящему только из элементарных логических функций, реализуемых элементами выбранной проектировщиком элементной базы, и минимизируется;
  • 2) каждой элементарной логической функции логического уравнения в принципиальной схеме соответствует типовой элемент, реализующий эту функцию;
  • 3) при многократном вхождении в уравнении одной элементарной логической функции в другую по логическим сумме, произведению или инверсии начертание принципиальной схемы следует начинать от последнего внутреннего вхождения и заканчивать внешним.
Формальное вычерчивание релейно-контактных (а) и бесконтактных (б) схем по уравнениям алгебры логики

Рис. 93. Формальное вычерчивание релейно-контактных (а) и бесконтактных (б) схем по уравнениям алгебры логики

Далее в качестве конкретного примера проектирования электроавтоматики и написания программы для программируемого логического контроллера рассмотрим элементы автоматики многооперационного станка с числовым программным управлением (ЧПУ).

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >