CC BY
10
УДК 621.316.718
Е. В. Тумаева, Н. И. Горбачевский МОДЕРНИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДИАГОНАЛЬНО-РЕЗАТЕЛЬНОГО А ГРЕГАТА НА БАЗЕ ОБОРУДОВАНИЯ «MITSUBISHI ELECTRIC»
Ключевые слова: диагонально-резательные агрегаты, модернизация, микроконтроллер, частотно-регулируемый электропривод, программирование, функциональная блок-схема.
Исследованы пути модернизации диагонально-резательных агрегатов, применяющихся в шинной промышленности. Рассматривается вариант частичной модернизации путем использования частотно-регулируемых электроприводов с управлением от микроконтроллера. Предлагается использовать прикладной микроконтроллер серии Alpha 2 «Mitsubishi Electric», позволяющий осуществлять программирование с помощью функциональных блоков. Разработанная функциональная блок-схема управления диагонально-резательным агрегатом неоднократно моделировалась в различных режимах работы и доказала свою работоспособность в промышленных испытаниях.
Keywords: diagonal-cutting units, modernization, microcontroller, frequency-controlled electric drive, programming, functional block
diagram.
The ways of modernization of diagonal-cutting units used in the tire industry are investigated. A variant of partial modernization by using frequency-controlled electric drives with microcontroller control is considered. It is proposed to use the applied microcontroller series Alpha 2 "Mitsubishi Electric", which allows programming with the help of function blocks. The developed functional block diagram of the control of the diagonal-cutting machine has been repeatedly modeled in various operating modes and proved its efficiency in industrial tests.
Последнее десятилетие предприятия шинной промышленности в России активно занимаются обновлением технологий, непрерывным техническим перевооружением. Однако, несмотря на ввод в эксплуатацию большого количества современного производственного оборудования, местами в работе еще остаются механизмы производства 1980-х годов (чаще в легко-грузовом и грузовом потоках).
В качестве примера можно привести диагонально-резательные агрегаты (ДРА), предназначенные для разрезания резинотканевых материалов из бобин под разными углами и их дальнейшей стыковкой и нанесением тонких листовых заготовок резиновой смеси. Такие агрегаты можно встретить как в первоначальном техническом исполнении, так и уже частично модернизированными в 1990-х годах. Но по причине невысокого уровня развития элементной базы, применяемой в автоматизированных системах того времени, а также значительного износа в настоящий момент, для дальнейшей эксплуатации машины требуется обновление системы управления.
При этом существуют два направления действий: полная модернизация с применением систем визуализации и диагностики, производительных контроллеров, электронных высокоточных систем измерения и быстродействующих сервоприводов [1]; или частичная - с заменых наиболее проблемных узлов.
В работе рассматривается второй вариант модернизации с целью продления срока службы ДРА до его замены на современный аналог. В качестве производителя компонентов автоматизированной системы рассматривается компания «Mitsubishi Electric», т.к. на шинных предприятиях Нижнекамска программируемые контроллеры и приводная техника данной фирмы широко применяются и хорошо себя зарекомендовали даже в самых тяжелых условиях
работы (агрессивная среда, токопроводящая пыль и т.д).
Разрабатываемая автоматизированная система управления должна обеспечивать:
- ручной режим работы, с возможностью отдельного включения и отключения каждого из узлов машины;
- автоматический режим работы, обеспечивающий подачу материала по транспортеру и его поперечное разрезание на полосы с заданной шириной без участия человека;
- возможность остановки автоматического режима работы в любой момент и его возобновление без необходимости вывода машины в исходное положение;
- гибкое изменение алгоритма работы при возникновении технологической необходимости.
Рис. 1 - Горизонтальный ДРА: 1 - основной транспортер; 2,3 - фотоэлементы измерительного устройства; 4, 14 - натяжной и приводной барабаны транспортера; 5 - приемные транспортеры; 6 - раскаточное устройство; 7 -приводы раскаточного устройства; 8 - тележки; 9, 11 - малая и большая головки диагонали; 10 -ножевая каретка; 12 - диагональ; 13 - привод основного транспортера; 15 - рельсы
Промышленно выпускающиеся ДРА содержат также компенсатор с раскаточным устройством (рис. 1). Режущим механизмом ДРА является дисковый нож [2].
Прорезиненная ткань подается с раскаточного устройства 6 через компенсатор на приемный транспортер 5 и затем на стол резательной машины, выполненный в виде многоленточного транспортера 1 с приводом 13. Ткань разрезается дисковым ножом, установленным на каретке 10, перемещающейся по направляющим по диагонали 12. Каретка совершает возвратно-поступательное движение по диагонали, установленной по отношению к столу машины под определённым заданным углом.
Во время обратного хода каретки многоленточный транспортер передвигает ткань на заданное расстояние с точностью ±2 мм. Точность остановки транспортера достигается за счет того, что последние 150 мм пути он движется с пониженной скоростью. При прямом ходе каретки ткань подхватывается лапкой, скользящей по стальной ленте и подводится к режущей кромке ножа. Отмеривание ткани производится с помощью отмеривающего устройства, состоящего из кронштейна и подвешенных на него двух фотоэлементов 2, 3. Ниже стола установлены два осветителя, лучи которых направляются в соответствующие фотоэлементы. Измерительное устройство имеет шкалу и указатель для установки ширины полотна корда, которую необходимо отрезать. Передняя кромка ткани при подходе к первому фотоэлементу пересекает луч осветителя, в результате чего производится переключение скорости транспортера с максимальной на минимальную (доводочную). Пересекая лучи второго фотоэлемента, передний край отрезаемой ткани тем самым дает импульс на остановку транспортера-рабочего стола и одновременно дается импульс на включение электродвигателя каретки с дисковым ножом. Регулирование угла отреза осуществляется поворотом диагонали реверсивным
электродвигателем.
Автоматический режим работы ДРА изначально реализовывался на релейно-контакторной схеме с большим количеством промежуточных реле. Ввиду сложности схемы, частых выходов из строя и трудностью в диагностике неисправностей система управления за время работы агрегата уже была модернизирована с применением плат управления на жесткой логике на базе интегральных микросхем 511 серии. Использовавшиеся платы управления были сделаны специально для ДРА и аналогов не имеют. Электропривод отрезного транспортера был выполнен по схеме двигатель постоянного тока независимого возбуждения - тиристорный преобразователь. Каретка перемещения дискового ножа приводилась в движение асинхронным электродвигателем, питаемым от устройства плавного пуска. Очевидно, что система управления морально и физически устарела.
Предлагается проект автоматизации ДРА с управлением от программируемого контроллера с заменой существующих электроприводов на
частотно-регулируемые [3]. Замена системы замера длины отрезаемой полосы не предусматривается, т.к. остаются оптические бесконтактные датчики слежения за кромкой полосы обрезиненного корда. В связи с этим упрощаются требования к программируемому контроллеру.
Исходя из анализа алгоритма работы ДРА и поставленных задач, в качестве программируемого контроллера используется прикладной
микроконтроллер серии ALPHA2 производства фирмы Mitsubishi Electric. По своему функционалу он является оптимальным средством для замены контакторов и реле в уже имеющейся установке. В одной программе ALPHA2 может обрабатываться до 200 функциональных блоков, при этом любую отдельную функцию (таймер, счетчик, и т. п.) можно сколь угодно часто использовать во всех программах. В работе используем модель AL2-24MR-D с 15 цифровыми входами и 9 релейными выходами. Программирование микроконтроллера ALPHA2 осуществляется с помощью программного обеспечения SW0D5-ALVLS-EUL версии 2.70 с поддержкой русского языка. Данное программное обеспечение представляет собой эффективный инструмент по программированию
микроконтроллеров в стиле функциональных блоков, при этом визуальный характер программы помогает пользователю видеть и понимать связи между всеми частями программы. Разработанная функциональная блок-схема управления ДРА показана на рис. 2.
Рис. 2 - Функциональная блок-схема
В соответствии с предъявленными требованиями в программе предусмотрены ручной и автоматический режимы работы ДРА. Для смены режимов предназначен переключатель (тумблер) SA1. Автоматический режим реализуется на реверсивном счетчике В04, блоках В01, В02, В07 и В09 «Сравнить», а также на блоках В03, В05, В08, В10 логический «И». Для запуска автоматического режима необходимо наличие каретки ножа в исходном положении, при этом сигнал с бесконтактного датчика SA2 для этого положения поступит на вход I06 микроконтроллера. Затем переводим переключатель SA1 в положение «Автомат» (включается вход I03), при этом загорается сигнальная лампа HL2 на пульте управления. При нажатии в этот момент кнопки SB9 (вход I01) на основном пульте управления либо
кнопки SB15 (вход 113) на дополнительном пульте «Пуск Автомат» сработает RS-триггер В17, включится блок В01 «Сравнить» (сравнивающий значение счетчика =0) и затем В03 «И», который в свою очередь с помощью блока В33 даст однократный сигнал на вход счетчика В04. Счетчик примет значение 1, при этом блок В02 «Сравнить» активирует сигнал движения каретки ножа на рез (выход 001). При достижении каретки конечного положения реза сработает бесконтактный датчик SA3, сигнал с которого поступит на вход 107 как условие для работы блока В05 «И», который с помощью блока В33 даст однократный сигнал на вход счетчика В04, переключив его значение на 2. При этом блок В07 (сравнивающий значение счетчика =2) активирует RS-триггер В11, включающий движение каретки назад (выход О02) и одновременно включит сигнал на движение транспортера вперед (выход О05) и сигнал на задание быстрой скорости транспортера (выход О03). Сигналом на сброс RS-триггера В11 и остановки возвратного движения каретки ножа, служит выход бесконтактного датчика $А2 «Каретка ножа в исходном положении». Движение транспортера на быстрой скорости продлится до достижения передней кромки полосы отрезаемого корда оптического бесконтактного датчика SA4 «Переключение на доводочную скорость» (вход 108). При этом сработают все условия логического блока В08 «И», и он в свою очередь с помощью блока В33 даст однократный сигнал на вход счетчика В04, переключив его значение на 3, а также даст сигнал на пониженную скорость транспортера (выход 004). При дальнейшем движении транспортера на доводочной скорости кордом перекрывается оптический бесконтактный датчик «Остановка транспортера» (вход 109) который дает импульсный сигнал с помощью блока В12 на сброс счетчика. Затем цикл снова повторяется.
В соответствии с технологическими требованиями в программе реализована возможность при необходимости остановить автоматический цикл работы. Для этого в любой момент работы цикла можно нажать на кнопку SB10 (вход 102) на основном пульте управления или кнопку SB16 (вход 114) «Стоп Автомат». Сигналы с этих входов сбрасывают RS-триггер В17, а так как его установка необходима для автоматического режима работы, все движения останавливаются. При дальнейшем нажатии кнопки SB9 (вход 101) на основном пульте
управления либо кнопки SB15 (вход 113) на дополнительном пульте «Пуск Автомат» цикл продолжается без необходимости вывода механизмов в исходное положение.
Для работы в ручном режиме переключатель (тумблер) SA1 переводим в положение «Ручной режим». При этом появляется возможность с помощью кнопок на главном пульте ДРА отдельно управлять механизмами: пуск в прямом и обратном направлениях и остановка транспортера, движение каретки ножа в направлении реза и возвращения в исходную позицию.
Используемое программное обеспечение SW0D5-ALVLS-EUL кроме основных режимов создания программы и ее мониторинга в реальном времени при подключении к микроконтроллеру имеет встроенный режим моделирования. Режим моделирования позволяет имитировать условия, в которых будет выполняться программа, без физического подключения аппаратных средств. Это очень эффективный инструмент для отладки программы перед записью содержания программы в реальный контроллер серии ALPHA2. Информация, генерируемая программой, непрерывно считывается с имитатора. Программа SW0D5-ALVLS-EUL производит постоянное обновление состояний и текущих значений сигналов и функциональных блоков; с другой стороны, пользователь может вводить значения с целью моделирования. Щелчком мыши пользователь может управлять состоянием входов и непосредственно устанавливать аналоговые значения.
Разработанная функциональная блок-схема управления ДРА неоднократно моделировалась в различных режимах работы и показала свою работоспособность. Благодаря простому интерфейсу программного обеспечения и хорошей визуализации программы, возможна ее корректировка в процессе пусконаладочных работ при реализации проекта.
Литература
1. Тумаева Е.В., Давлетов Р.Р. Вестник технол. ун-та. Т.18, 16, 231-233 (2015).
2. Захаров Н.Д. Оборудование и основы проектирования заводов резиновой промышленности. - Химия, Ленинград, 1985. 504 с.
3. Тумаева Е.В., Ганиев Р.Н. Вестник технол. ун-та. Т.19, 23, 112-113 (2016).
© Е. В. Тумаева - к.т.н., доцент каф. ЭТЭОП НХТИ ФГБОУ ВО «КНИТУ», г. Нижнекамск, aep-nk@mail.ru; Н. И. Горбачевский - к.т.н., заведующий каф. ЭТЭОП НХТИ ФГБОУ ВО «КНИТУ», г. Нижнекамск.
© E. V. Tumaeva - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Chair, Nizhnekamsk Institute of Chemical Technology, e-mail: aep-nk@mail.ru; N. I. Gorbachevsky - Candidate of Technical Sciences, Manager of department, Nizhnekamsk Institute of Chemical Technology.
