CC BY
147
УПРАВЛ1ННЯ У ТЕХН1ЧНИХ СИСТЕМАХ
УПРАВЛЕНИЕ В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
CONTROL
_IN TECHNICAL SYSTEMS_
УДК 621.313
Орловский И. А.
Д-р техн. наук, профессор, Запорожский национальный технический университет, Украина, E-mail: i_orlovsky@mail.ru
УПРАВЛЕНИЕ ЛАБОРАТОРНЫМ СТЕНДОМ МАНИПУЛЯТОРА МП-9С С ПОМОЩЬЮ МАТЕМАТИЧЕСКОГО ПАКЕТА МОДЕЛИРОВАНИЯ
Разработан лабораторный стенд компьютерного управления манипулятором МП-9С из пакета Simulink системы Matlab. Описано подключение стенда к компьютеру с использованием платы PCI 1711 и блока PCLD-6710. Приведен пример системы управления в пакете Simulink. Рассмотрен порядок выполнения лабораторных работ на стенде. Осуществление компьютерного управления позволило проверить теоретические знания студентов по синтезу дискретных автоматов при управлении в реальном времени манипулятором и получить практические навыки работы с оборудованием.
Ключевые слова: лабораторный стенд, манипулятор МП-9С, система Matlab, компьютерное управление, дискретный автомат.
ВВЕДЕНИЕ
Обучение студентов системам автоматизации технологических процессов должно постоянно совершенствоваться и отвечать требованиям современных технологий. Важной составляющей обучения является получение студентами навыков монтажа, наладки, обслуживания и использования современной элементной базы систем автоматизации при разработке и модернизации оборудования. Получение этих навыков возложено на лабораторный практикум по профессиональным дисциплинам. В условиях отсутствия финансирования на обновление лабораторной базы, обучение практическим навыкам возможно при модернизации с участием студентов систем управления существующих лабораторных стендов с сохранением сложной дорогостоящей электромеханической части.
Разработка собственными силами лабораторных стендов по направлению подготовки «Электромеханика» происходит во всех вузах Украины. Так в Кременчугском национальном университете предложена концепция построения малогабаритных лабораторных комплексов [1]. В Запорожском национальном техническом университете на кафедре электропривода и автоматиза-
© Орловський, 2013
ции промышленных установок разработано несколько стендов [2]. Модернизирован с использованием оборудования фирмы VIPA лабораторный стенд с манипулятором М10П. Созданы современные лабораторные стенды компьютерного управления шаговым двигателем от SCADA системы TRACE MODE. Модернизирована система управления лабораторного стенда подвесного конвейера с использованием модуля LOGO [3]. В Донбасском государственном техническом университете (г. Алчевск) [4] разработана экспериментальная установка, предназначенная как для обучения студентов при проведении практических и лабораторных работ, так и для научных исследований алгоритмов идентификации, управления и наблюдения различных электромеханических систем с неопределенными параметрами. В Одесской национальной морской академии для практической подготовки судовых электромехаников разработан полномасштабный тренажерный комплекс судовой автоматизированной электроэнергетической и электромеханической системы [5]. В Национальном техническом университете «ХПИ» на кафедре автоматизированных электромеханических систем создан лабораторный стенд для исследования рекуперативных режимов тягового электропривода электромобиля [6].
УПРАВЛ1ННЯ У ТЕХН1ЧНИХ СИСТЕМАХ
Актуальным является продолжение разработок современных лабораторных стендов промышленных механизмов, в том числе манипуляторов, что связано с повышением требований к системам автоматизации производственных процессов с использованием промышленных контроллеров и компьютеров. Одним из примеров возможной модернизации является стенд, изготовленный, еще в 80-е годы прошлого столетия для изучения устрой -ства и особенностей управления технологическим циклом промышленного робота МП-9С (в дальнейшем в статье он назван - манипулятором), оснащенного пневмоприводами. В стенде отработка перемещений манипулятора осуществляется системой управления на жесткой логике, в которой программа управления задается вручную переключателями на наборном поле. Однако на таком стенде студент больше осваивает навыки работы оператора, чем разработчика системы управления. При этом на лекционных курсах изучается теория синтеза дискретных систем управления в виде дискретных автоматов, моделирование и наладка которых выполняется на компьютере в математическом пакете моделирования (МПМ) [7]. В связи с отсутствием современных лабораторных стендов предназначенных для изучения систем компьютерного управления манипулятором с помощью МПМ, разработка такого стенда является актуальной задачей. К тому же, освоение технологии управления объектами из МПМ может быть использовано и при изучении других курсов.
Цель статьи. Разработка лабораторного стенда ком -пьютерного управления манипулятором МП-9С с помощью МПМ.
1 ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТЕНДА
Лабораторный стенд состоит (рис. 1) из механической части манипулятора МП-9С с пневмоприводами - 1, электронного циклового программного устройства с пультом управления (ЭЦПУ) - 2, платы PCI 1711 и блока PCLD-6710 - 3 и компьютера - 4.
Манипулятор МП-9С предназначен для обслуживания штамповочных прессов, а также для автоматизации других технологических процессов, где необходимо осуществить захват, перенос и установку детали на технологическое оборудование. Технические данные: грузоподъемность - 0,2 кг, выдвижение руки - 150 мм, подъем руки - 30 мм, поворот руки - 120 время максимальных перемещений: выдвижение и подъем - не более 0,5 с, поворот - не больше 0,6 с. Максимальная абсолютная погрешность позиционирования - +0,1 мм. Тип привода пневматический, рабочее давление воздуха -0,4-0,5 МПа (4-5 кг/см2), тип системы управления - циклический. Число точек позиционирования по каждой степени подвижности - 2. Масса манипулятора, не более 32 кг. Электропитание - сеть переменного тока напряжением 220 В, частотой 50 Гц. Напряжение питания датчиков технологического оборудования и электроклапанов манипулятора - 24 В.
На каждое движение установлен электропневматический клапан. Для амортизации остановки движений
Рис. 1. Общий вид лабораторного стенда
установлены демпферы. Программа движений задается на наборном поле ЭЦПУ. Выдача команды на выполнение следующего движения производится после получения сигнала ответа о выполнении предыдущей команды от датчиков положения (контакты магнитоуправляемые КЭМ-2 ОДО). ЭЦПУ выполнено по принципу синхронного программного автомата с жестким циклом управления. Элементной базой является интегральные микросхемы серии К155. Обеспечивается световая индикация включения сети, работы по программе, состояния звеньев манипулятора и цифровая индикация номера кадра программы. Выполнение операций синхронизируется с внешними технологическими устройствами.
2 ПОДКЛЮЧЕНИЕ СТЕНДА К КОМПЬЮТЕРУ
Для осуществления управления манипулятором от ком -пьютера в стенде выполнена следующая модернизация: разработан блок переключения сигналов управления (рис. 2) от ЭЦПУ или компьютера, на пульте управления установлен тумблер «ЭЦПУ/компьютер» (для переключения управления), установлен дополнительный разъем в блоке ЭЦПУ, который жгутом соединен с блоком PCLD-8710 (для передачи управляющих сигналов от компьютера в ЭЦПУ и выдачи в компьютер сигналов от датчиков).
Для сопряжения программ в МПМ и стенда используется плата PCI 1711 (рис. 3) и блок PCLD-6710 для подключения устройств к плате [8]. Характеристика платы: аналого-цифровой преобразователь с разрядностью -12 бит, частотой передачи - до 100 кГц; 16 аналоговых входов; программируемое усиление (1, 2, 4, 8, 16) каждого входного канала; автоматическое сканирование каналов; буфер FIFO на 1К отсчетов; 2 канала ЦАП по 12 бит; 16 цифровых входов и 16 цифровых выходов (TTL).
При модернизации стенда учитывалась возможность управления манипулятором от компьютера как в ручном, так и автоматическом режимах. Для удобства отладки программ управления их проверка проводилась в МПМ на математических моделях как системы управления, так и манипулятора. На моделях отрабатываются те же движения манипулятора, что и на стенде. Модель системы уп -равления (программа в МПМ) использовалась и для управления реальным манипулятором. Программа управления манипулятором (рис. 4) состоит из следующих
Рис. 2. Структурная схема лабораторного стенда
Рис. 3. Общий вид многофункциональной платы сбора данных PCI 1711 с блоком PCLD-6710
блоков: блока задания конечного положения захвата манипулятора в виде восьми переключателей SB1-SB8; шифратора сигналов задания положения - блок «Shifrator»; блока обработки сигналов от датчиков - «Datchiki»; системы управления манипулятором в виде последователь-ностного дискретного автомата (блок «Logika»); блоков передачи сигналов в порт U1-U8 и приема из портов ком -пьютера D1-D8 с использованием платы сбора данных PCI 1711 с блоком PCLD-6710; математической модели ма-
нипулятора - блок «Model manipulatora» (используется при проверке и отладке на компьютере системы управления). При настройке блоков вывода U1-U8 и ввода D1-D8 задаются плата, канал на плате и тип данных. Выходные сигналы 1-6 блока «Logika» являются переменными состояния автомата. Подключение системы управления к модели или к объекту (манипулятору) осуществляется переключателем «Model/object».
3 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ НА СТЕНДЕ
Цель лабораторных работ - изучение возможностей подключения к компьютеру пульта управления, обмоток электропневмоклапанов, датчиков и организации обмена информацией между программой в МПМ и реальным манипулятором МП-9С, а также закрепление теоретических знаний студентов по теории синтеза дискретных автоматов при управлении в реальном времени технологическим объектом и получение практических навыков при работе с оборудованием.
При подготовке к лабораторным работам студенты изучают устройство стенда, программирование манипулятора с наборного поля и примеры программ управления из МПМ, приведенные в методических указаниях. Составляют математические модели приводов перемещений манипулятора, программу отработки цикла работы манипулятора с наборного поля. Входными сигналами системы управления являются сигналы от кнопок (или тумблеров) и сигналы от датчиков положения. Сту-
УПРАВЛ1ННЯ У ТЕХНШНИХ СИСТЕМАХ
U2
U4
U8
Dig ital Output
■52-
In1
In2 X1
In3
In4 X2
In6
In7
In8 X3
In9
U1
X1 U2
U3
U4
U5
X2
U6
U7
U8
X3 1
2
3
4
S 5
6
Logika
Digital Output
A
Dig ital Output
Digital Output
A
Digital Output
Digital Output
T
Digital Output
Digital Output
A
In 1
In2
In3
In4
In5
In6
D1
Out1 D2
D3
D4
D5
D6
D7
D8
Mode l mani pulatora
D6 D7
Digital Input
Digital Input
Digital Input
Digital Input
Digital Input
Digital Input
Digital Input
Digital Input
M odel/object
Рис. 4. Пример программы в МПМ управления манипулятором в автоматическом режиме
ВЫВОДЫ
денты разрабатывают дискретный автомат, который при получении сигнала от кнопки формирует управление исполнительными механизмами перемещения манипулятора в положение, соответствующее нажатой кнопке. По условиям технологического процесса часть траекторий движения манипулятора запрещены (задаются различные расположения технологических препятствий в зоне перемещений манипулятора), что требует осуществления перемещений по различным траекториям.
При выполнении лабораторных работ составляются следующие программы управления манипулятором:
- ручное управление с помощью МПМ;
- автоматическое управление в МПМ математической моделью манипулятора от синтезированной схемы автомата;
- автоматическое управление манипулятором от синтезированной схемы автомата в МПМ, согласно варианту задания расположения препятствий.
При управлении наблюдаются сигналы в системе управления на выходах элементов в МПМ, а также сравнивается управление математической моделью с работой реального манипулятора.
Компьютерная модернизация системы управления лабораторного стенда манипулятора позволяет по разработанной методике совершенствовать учебный процесс изучения студентами устройства манипулятора, подключения его к компьютеру, особенностей управления манипулятором и организации передачи информации из программы в МПМ на электропневмоклапаны и передачу в программу состояния датчиков положения. Осуществление компьютерного управления позволяет проверить теоретические знания по синтезу дискретных автоматов при управлении в реальном времени манипулятором и получить практические навыки работы с оборудованием.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Калтов, А. П. Комп'ютерний лабораторний комплекс для вивчення цифровых систем керування з функщею iмiтацй технолопчного навантаження / А. П. Калшов, О. В. Пртенко, Д. Г. Мамчур // Вюник КДПУ iм. М. Остроградського. - Кременчук : КДПУ, 2009. -Вип. 3/2009 (56). Частина 1. - С. 8-12.
U3
U5
U6
U7
0
X6
D6
D1
Shifrator
D2
D3
D4
D5
D8
2. Совершенствование лабораторного практикума обучения студентов по направлению подготовки электромеханика / В. И. Бондаренко, И. А. Орловский, А. В. Пирожок, Ю. А Крисан, В. В. Осадчий, М. Ю. Залужный // Электротехнические системы и комплексы. - Магнитогорск. - Вып. 20/2012. - С. 412-438.
3. Орловський, I. А. Модершзащя лабораторного стенда шдвюного конвейера / I. А. Орловський // Електроме-хашчш i енергозбертакч системи. - Кременчук. - КрНУ, 2013. - Вип. 2(22). - Част. 2. - С. 427-431.
4. Исследовательский стенд для апробации алгоритмов уп -равления сложными электромеханическими системами / Е. В. Полилов, А. М. Батрак, Е. С. Руднев, С. П. Скорик, П. В. Горелов // Електротехшчш та комп'ютерш системи. -2011. - № 3. - С. 481-487.
5. Муха, Н. И. Практическая подготовка судовых электромехаников на полномасштабном тренажерном комплексе / Н. И. Муха // Електромехашчш i енергозберiгаючi систе-
ми. Тематичний випуск. «Проблеми автоматизованого електропривода. Теорiя i практика» науково-виробни-чого журналу. - Кременчук. - КрНУ, 2012. - Вип. 3/2012 (19). - С. 589-593.
6. Клепиков, В. Б. О подготовке специалистов электромехаников для электромобилестроения / В. Б. Клепиков // Електротехшчш та комп 'ютерш системи. - 2011. - № 3. -С. 472-473.
7. Дьяконов, В. П. MATLAB 5.3.1 с пакетами расширений. Под ред. проф. В. П. Дьяконова / В. П. Дьяконов, И. В. Абраменкова, В. В. Круглов. - М. : Нолидж, 2001. -880 с.
8. Компания ПРОСОФТ. PCI-1711 - недорогая многофункциональная плата сбора данных [Электронный ресурс] : Режим доступа : http://www.prosoft.ru/products/brands/ advantech/349924/ 1354/261805.html. Название с экрана. 26.11.2003.
Статгя надшшла до редакцй 11.06.2013.
Орловський I. А.
Д-р техн. наук, професор, Запорiзький нацюнальний техшчний ушверситет, Украша
КЕРУВАННЯ ЛАБОРАТОРНЫМ СТЕНДОМ МАН1ПУЛЯТОРА МП-9С ЗА ДОПОМОГОЮ МАТЕМАТИЧНОГО ПАКЕТУ МОДЕЛЮВАННЯ
Розроблено лабораторний стенд комп'ютерного керування маншулятором МП-9С з пакету Simulink системи Matlab. Описано тдключення стенду до комп'ютера з використанням плати PCI 1711 i блоку PCLD-6710. Наведено приклад системи керування в пакет Simulink. Розглянуто порядок виконання лабораторних роб^ на стенда Здшснення комп'ютерного керування дозволило перевiрити теоретичш знання студента з синтезу дискретних автомата при керуванш у реальному час маншулятором i отримати практичш навички роботи з обладнанням.
Ключовi слова: лабораторний стенд, маншулятор МП-9С, система Matlab, комп'ютерне керування, дискретний автомат.
Orlovskyi I. A.
Professor, Doctor of Technical Sciences, Zaporozhye National Technical University, Ukraine
CONTROL LABORATORY BENCH OF MANIPULATOR MP-9C WITH THE HELP OF MATHEMATICAL MODELING PACKAGE
An important component of student learning process automation systems is to provide skills installation, commissioning, maintenance and use of theoretical knowledge in the projects of modernization of equipment. To improve laboratory practice in the Zaporozhye National Technical University in the department of industrial electric and automation systems with the participation of students developed computer control (using the theory of discrete automata) of the package Simulink of Matlab laboratory bench manipulator MP-9C. Technical description is given of the laboratory bench, consisting of: the mechanical part of the robot arm, pneumatic, manipulator control system for logic elements, position sensors, remote control, connector board and the computer. Modernization of the stand allowed by the developed technique to improve student learning devices and features computer control arm, as well as the practical application of the theory of synthesis of discrete automata.
Keywords: laboratory bench, the arm MP-9C, the system Matlab, computer control, digital automat.
REFERENCES
1. Kalinov А. P., Pritchenko O. V., Mamchur D. G. Komp'yuternij laboratornij kompleks dlya vivchennya tsifrovikh sis-tem keruvannya z funktsieyu imitatsii tekhnologichnogo navantazhennya. Visnik KDPU im. M.Ostrograds'kogo. Kremenchuk. KDPU, 2009. Vip. 3/2009 (56). CHastina 1, pp. 8-12.
2. Bondarenko V. I., Orlovskij I. А., Pirozhok А. V., Krisan YU. А., Osadchij V. V., Zaluzhnyj M. YU. Sovershenstvovanie laboratornogo praktikuma obucheniya studentov po napravle-niyu podgotovki ehlektromekhanika, EHlektrotekhnicheskie
sistemy i kompleksy. Mag-nitogorsk, Vyp. 20/2012, pp. 412-438.
3. Orlovs'kij I. А. Modernizatsiya laboratornogo stenda pidvisnogo konvejera. Elektromekhanichni i energozberigayuchi sistemi. Kremenchuk, KrNU, 2013, Vip. 2(22), CHast. 2, pp. 427-431.
4. Polilov E. V., Batrak А. M., Rudnev E. S., Skorik S. P., Gorelov P. V. Issledovatel'skij stend dlya aprobatsii algoritmov upravleniya slozhnymi ehlektromekhanicheskimi sistemami. Elektrotekhnichni ta komp'yuterni sistemi, 2011, No. 3, pp. 481-487.
ynPAB^IHH^ y TEXHRHHX CHCTEMAX
5. Mukha N. I. Prakticheskaya podgotovka sudovykh ehlektromekhanikov na polnomasshtab-nom trenazhyornom komplekse. Elektromekhanichni i energozberigayuchi sistemi. Tematichnij vipusk. «Problemi avtomatizovanogo elektroprivoda. Teoriya i praktika» naukovo-virobnichogo zhurnalu. Kremenchuk. KrNU, 2012. Vip. 3/2012 (19), pp. 589-593.
6. Klepikov V. B. O podgotovke spetsialistov ehlektromekhanikov dlya ehlektromobile-stroeniya.
Elektrotekhnichni ta komp'yuterni sistemi, 2011, No. 3, pp. 472-473.
7. D'yakonov V. P., Abramenkova I. V., Kruglov V. V. MATLAB 5.3.1 s paketami rasshirenij. Pod red. prof. V.P. D'yakonova. Moscow, Nolidzh, 2001, 880 p.
8. Kompaniya PROSOFT. PCI-1711. nedorogaya mnogofunktsional'naya plata sbora dannykh [EHlektronnyj resurs] : Rezhim dostupa : http://www.prosoft.ru/products/ brands/ advantech/349924/1354/261805.html. Nazvanie s ehkrana. 26.11.2003.
