автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Повышение эффективности функционирования тяжелых станков на основе принципа распределенного ввода-вывода и применения процедуры динамического отображения состояний

На правах рукописи

Воронецкий Вадим Викторович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТЯЖЕЛЫХ СТАНКОВ НА ОСНОВЕ ПРИНЦИПА РАСПРЕДЕЛЕННОГО ВВОДА-ВЫВОДА И ПРИМЕНЕНИЯ ПРОЦЕДУРЫ ДИНАМИЧЕСКОГО ОТОБРАЖЕНИЯ СОСТОЯНИЙ

Специальность 05 13 06 - «Автоматизация и управление

технологическими процессами и производствами (технические системы)»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

□03445583

Москва 2008 г

003445583

Работа выполнена в ГОУ ВПО Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»

Научные руководители

Доктор технических наук, профессор Сосонкин Владимир Лазаревич

кандидат технических наук,

профессор Шемелин Владимир Константинович

Официальные оппоненты доктор технических наук,

профессор Ковшов Евгений Евгеньевич

кандидат технических наук Хазанова Ольга Владимировна

Ведущее предприятие Институт конструкторско-технологической информатики РАН

Защита диссертации состоится « 2- » 2008 г в

</2. часов на заседании диссертационного совета Д212 142 03 в Московском государственном технологическом университете «СТАНКИН» по адресу 127055, Москва, Вадковский переулок, д За

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного технологического университета «СТАНКИН»

Автореферат разослан « Л? » _2008 г

Ученый секретарь диссертационного _ /

совета Д212 142 03, к т н '^■¿Ц^ ^ Семячкова Е Г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Эффективное внедрение систем автоматизации в машиностроительном производстве, особенно в станкостроении, напрямую зависит от применения не только новых технологий, но и применения новых принципов информационного взаимодействия компонентов системы

Все это требует совершенствования как внутренней структуры управления отдельным станком, так и совершенствования средств коммуникации и информационной связи нескольких станков.

Особенно актуальным является применение этих новых средств для тяжелых станков по следующим причинам

Значительный парк тяжелых станков до сих пор имеет устаревшие системы управления электроавтоматикой, что в значительной степени снижает надежность работы станков.

Кроме того, тяжелые станки реализуют ресурсоемкие и сложные технологические процессы, которые состоят из отдельных взаимосвязанных функционально законченных частей, разнесенных на значительные расстояния Это приводит к необходимости наличия физически длинных, громоздких линий связи, состоящих из бухт кабелей, систем коммутации, которые подвержены повреждениям и быстрому износу в цеховых условиях

При этом примитивные средства отображения и визуализации на экранах состояний компонент станка не дают полного представления о динамике развития и реализации технологического процесса в режиме реального времени.

В этом контексте актуальной задачей является, во-первых, разработка и применение новых систем управления электроавтоматикой тяжелых станков, на основе применения новейших конфигураций программируемых логических контроллеров (ПЛК), что значительно повышает надежность работы станка; во-вторых, разработка новых методов и средств организации более эффективного процесса управления всеми взаимосвязанными агрегатами станка, например, на основе распределенного ввода -вывода и внедрения систем динамической визуализации процессов в режиме реального времени; в третьих, разработка общего информационного взаимодействия тяжелых станков и других компонентов производственной структуры, что позволит создать современную единую распределенную систему управления производством, с применением системы БСАБА и принципов клиент-серверной структуры. Основной целью диссертации является повышение эффективности процесса управления электроавтоматикой тяжелых станков на основе применения программируемого логического контроллера, с реализацией распределенного ввода-вывода и процедуры динамического отображения состояний в режиме реального времени.

Объектом и предметом исследования в данной работе является разработка новых эффективных форм управления электроавтоматикой тяжелых станков на основе методики построения подсистемы распределенного ввода-вывода компонентами и узлами станка и построения системы динамической визуализации процессов

Задачи исследования. Для достижения цели в работе были поставлены следующие задачи

1 Обосновать критерии выбора структуры и функции программируемого логического контроллера (ПЛК), с применением принципа распределенного ввода-вывода, как наиболее предпочтительной системы управления электроавтоматикой тяжелого станка

2 Разработать модель и методику проектирования системы управления электроавтоматикой тяжелых станков на основе применения программируемого логического контроллера (ПЛК) типа S7-300 (Siemens), с реализацией принципа распределенного ввода-вывода и построения автоматизированной подсистемы динамической визуализации процессов в режиме реального времени, что позволило повысить качество процесса управления станков

3 Разработать прикладной интерфейс для подсистемы динамической визуализации процессов при управлении тяжелым станком в режиме реального времени на примере гидравлического пресса типа П9046Р

4 Разработать прикладные программные средства поддержки подсистемы распределенного ввода-вывода компонентами и узлами станка и подсистемы динамической визуализации процессов в режиме реального времени

5 Оценить факторы повышения эффективности процесса управления тяжелым станком на основе внедрения подсистемы распределенного ввода-вывода компонентами и узлами станка и построения системы динамической визуализации процессов в режиме реального времени

Научная новизна Новыми научными результатами, полученными в работе,

являются

установленные функциональные связи между количеством и качеством средств визуализации состояний узлов тяжелого станка и сокращением ресурсов для принятия решений со стороны оператора станка в режиме реального времени,

модель и методика проектирования системы управления электроавтоматикой тяжелых станков на основе применения программируемого логического контроллера (ПЛК) типа S7-300 (Siemens) с реализацией принципа распределенного ввода-вывода и построения автоматизированной подсистемы динамической визуализации процессов в режиме реального времени, что позволило повысить качество процесса управления станков,

принцип организации структуры управления электроавтоматикой тяжелых станков на основе модификации традиционной подсистемы ввода-вывода ПЛК в структуру распределенной системы управления, с вынесением блоков ввода-вывода непосредственно на устройства станка, что увеличивает надежность эксплуатации тяжелого станка,

метод расширения функций контроля состояний узлов станка и повышения качества принятия решения при работе станка на основе построения подсистемы динамической визуализации состояний и процессов работы тяжелого станка в режиме реального времени Методы исследований.

При решении задач, поставленных в работе, были использованы следующие методы теории автоматического управления, аппарат объектно-ориентированного подхода при разработке приложений, методы построения распределенных приложений

Практическая значимость

Практическая значимость работы заключается в повышении эффективности функционирования тяжелого станка на основе разработки распределенной системы управления электроавтоматикой и создания программной поддержки прикладного интерфейса по динамической визуализации процессов станка в режиме реального времени Реализация работы;

Разработанные в работе модели, методика проектирования и реализации подсистемы ввода-вывода ПЛК, как распределенной системы управления, построенной по принципу локальной шины и реализация подсистемы динамической визуализации процессов станка в режиме реального времени внедрены на «Коломенском заводе тяжелых станков», а также используются в учебном процессе студентов по специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств» Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы публиковались и докладывались на заседаниях кафедры КСУ, на Международном форуме информатизации МФИ-2007// Труды международной научно-технической конференции «Информационные средства и технологии» 16-18 октября 2007 г, в 3-х тт ТЗ - М МЭИ, 2007, на международном семинаре «Конкурентноспособность машиностроительной продукции и производств», Москва, ГОУ МГТУ «Станкин», 2005 г

Публикации По теме диссертационной работы опубликовано 6 работ

Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, изложенных на 131 странице машинописного текста, содержит 62 рисунка и 0 таблиц, список использованной литературы из 22 наименований и 2_ приложений на 3 страницах Общий объем работы - 136 страниц

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность решаемых в диссертации проблем и определяются цель исследования, новизна и решаемые в диссертации задачи В первой главе рассмотрены основные особенности архитектуры систем управления тяжелых станков, специфика технологии работы, предложения по повышению уровня автоматизации и качества процесса управления тяжелыми станками на основе программируемых логических контроллеров (ПЛК), формулируются основные задачи решаемые в диссертации

Система управления любой технологической машины в тяжелом станкостроении состоит из следующих функциональных подсистем (рис 1)

• Системы управления гидроприводом,

• Системы энергообеспечения,

• Системы управления механизмами,

• Управляющего органа (пульта управления)

Рис 1 Общая схема системы управления тяжелым станком

Каждая из подсистем является неотъемлемой частью всей системы управления в целом

Система управления гидроприводом предназначена для управления и контроля над работой электродвигателей насосов управления Она включает в себя устройства запуска и контроля состояния электроавтоматики Запуск электродвигателей осуществляется либо устройством мягкого пуска (на каждый электродвигатель - свое устройство), либо частотным преобразователем, либо электродвигатели подключаются напрямую к сети 380В,50Гц

Система энергообеспечения предназначены для создания, поддержания электроэнергии необходимой для нормального функционирования устройств автоматики Она включает в свой состав различные источники энергии (понижающие трансформаторы, автоматы защиты, стабилизированные и нестабилизированные источники питания), тк в номенклатуру электрооборудования входят устройства, потребляющие различный вид энергии (380В,220В и 110В переменного тока, 24В постоянного тока)

Пульт управления представляет собой совокупность органов ручного управления механизмами технологической машины и позволяет контролировать их работу и производить их отладку в случае возникновения неисправностей

Система управления механизмами предназначена для создания команд управления механизмами, контроля их положения и реагирования на случай возникновения аварийных ситуаций в системе Центральным органом управления данной подсистемы является программируемый логический контроллер (ПЖ), который создает команды управления механизмами Системы управления построены на основе релейной схемы, тк механизмы являются гидравлическими и приводятся в движение электромагнитами золотников К устройствам автоматики, контролирующим состояния механизмов, относятся ряд различных датчиков, реле давления, электроконтактные манометры и т п

Таким образом, системы управления тяжелых станков (технологических машин) по номенклатуре электрооборудования построены по принципу управления элекроавтоматикой, позволяющей упростить процесс управления машиной в целом

Далее рассмотрены особенности архитектуры систем управления тяжелыми станками на примере системы управления гидравлического трубоиспытательного пресса модели П089М

Модель П089М предназначена для испытания труб 0530 830мм, длиной 12м Гидравлическим приводом, посредством которого приводятся в движение все механизмы пресса, является индивидуальный масляно-водяной привод, включающий в себя установки насосов УН1 УН6, гидропанели ГП1 ГП4, установку клапанов УК1 УК4, установки пневмогидроаккумуляторов УА1, УА2, установки манометров УМ1 УМЗ, систему фильтрации и охлаждения масла, трубопровод

Основной задачей разработки является создание единой, централизованной СУ, которая позволит управлять техпроцессом испытания трубы под давлением Поэтому данная СУ должна удовлетворять требованиям высокой надежности и быстродействия При этом СУ должна обрабатывать информацию в реальном масштабе времени, т к процесс испытания трубы составляет 2 5-4 минуты

В работе представлены схемы управления и технические характеристики отдельных устройств система управления гидроприводом, система энергообеспечения пресса, система управления механизмами (СУМ), которая построена на ПЛК фирмы «Siemens» семейства S7-300 Данный выбор объясняется тем, что этот ПЛК максимально соответствует промышленным стандартам благодаря высокой электромагнитной совместимости, высокой стойкости к вибрации и ударным нагрузкам Дано описание пульта управления пресса модели П089М

В конце главы сделаны обобщения При этом отмечается, что рассмотренная выше традиционная система управления трубоиспытательного пресса модели П089М имеет следующие недостатки

1 Несмотря на то, что система управления является централизованной, объекты управления, размещенные на прессе, являются децентрализованной периферией данной СУ

2 Слишком длинные трассы управления, создают определенные трудности в устранении сбоев, связанных с обрывом трасс

3 Подсистема визуализации в данной системе управления фиксирует ограниченное количество состояний и является недостаточным средством контроля, поскольку при всей сложности системы управления оператору недостает информации о событиях, происходящими в процессе управления Для устранения этих недостатков в диссертации предлагается решение в виде разработки новых методических и аппаратно-программных средств по управлению электоавтоматикой тяжелых станков на основе применения программируемых логических контроллеров (ПЛК), с распределенной системой ввода-вывода и подсистемой динамического отображения состояний узлов станка, что увеличивает надежность работы системы управления, позволяет уменьшить процент простоя электрооборудования и обеспечивает эффективный процесс принятия решений оператором станка

Во второй главе представлены характерные особенности по разработке модели структуры системы управления технологической машины, которая включает в себя следующие этапы

1 Анализ структуры разрабатываемой модели,

2 Проектирование системы управления (подбор устройств электроавтоматики, разработка принципиальных схем и др документации)

3 Реализация спроектированной модели системы управления

4 Применение БСАБА систем в данной модели системы управления

Далее представлен метод построения модели управления

технологической машины на примере гидравлического пресса для испытания труб 0508 1067 мм модели П9046Р

Построение системы управления начинается с анализа гидрокинематической схемы, позволяющей создать общее представление о создаваемой модели пресса

Согласно приведенной в работе гидрокинематической схеме пресс содержит масляный и водяной гидроприводы, предназначенные соответственно для управления механизмами пресса и подачи воды в систему, и непосредственно из самих механизмов, реализующих в совокупности техпроцесс испытания трубы При этом масляный гидропривод состоит из семи установок насосов (станций), необходимых для организации давления, посредством которого приводятся в действия механизмы пресса путем переключения электромагнитов золотников соответствующих механизмов В работе приводятся конкретные технические параметры приводов пресса и насосов

Этап проектирования системы управления подразумевает под собой несколько этапов

1 проектирование системы управления гидроприводом

2 проектирование системы управления электроавтоматикой Первоначальным этапом проектирования системы управления

электроавтоматикой является выбор программируемого логического устройства

(ПЛК) Из широкого выбора контроллеров, выбор был остановлен на ПЛК фирмы Siemens из семейства S7-300, который обладает высокой производительностью и позволяет обрабатывать данные в реальном масштабе времени

В работе предложена структура распределенной системы ввода-вывода ПЛК, те такая структура взаимодействия сигналов устройств электроавтоматики гидравлического пресса П9046Р с адресным пространством памяти ПЛК, при которой блоки ввода-вывода физически вынесены из общего конструктива ПЛК прямо на отдельные устройства пресса

При этом произведен подбор и распределение, какие из устройств автоматики будут подключаться непосредственно к ПЖ, а какие к станциям распределенного ввода/вывода В диссертации приводится подробное обоснование выбора подсоединения конкретных узлов станка

Исходя из месторасположения данных станций на прессе, конфигурация общей системы управления имеет вид, представленный на рис 2

Все станции распределенного ввода/вывода, (см рис 2), установленные на прессе и ПЛК, имеют интерфейс общей шины - Profibus DP Путем подбора элементов к данному интерфейсу, сеть Profibus DP имеет скорость передачи данных 12Мбит/с

CmoHU'JU pompff)e«eHHopo BCiogo/Bafaqa

Рис 2 Конфигурация системы управления

Особенностью данной сети является то, что все ее элементы подразделяются на 2 категории ведущие (Master) и ведомые (Slave) устройства Причем интерфейс Profibus DP обязательно должен содержать хотя бы одно Master устройство

В качестве Master устройства в системе управления прессом является ПЛК, а в качестве Slave устройства - станции распределенного ввода/вывода и программируемый терминал (сенсорная панель оператора)

Таким образом, в системе управления пресса присутствует ПЛК и восемь станций распределенного ввода/вывода Разработанная сеть РгойЬш БР имеет две подсети соединяемые через ПЛК Такое решение построения сети связано с группированием отдельных станций распределенного ввода/вывода по прессу

В работе разработана модель распределенной системы управления вводом-выводом пресса модели П9046Р, которая представлена в виде графа на рис 3

Рис 3 Математическая модель (граф) распределенной системы управления вводом-выводом пресса модели П9046Р

Анализ модели рис 3 показывает следующее

• Модель распределенной системы управления вводом-выводом пресса модели П9046Р представляет собою граф, топология которого представляет собой сеть типа «звезда», что означает наличие ядра сети в виде ПЛК, как общей системы управления функциями устройств пресса и набора вершин в виде станций (устройств) пресса,

• Все вершины графа представляют собой отображения функций, которые выполняет та или иная станция (вершина графа) в некоторые множества адресного пространства памяти ПЛК для своих блоков ввода-вывода с именами I (входы) и С) (выходы),

• аналитическая запись модели распределенной системы управления вводом-выводом пресса модели П9046Р имеет вид

Р£ : (П + ¥1 + РЗ + Р4 + Г5 + Р6+ Р7+ Р8)) ->1,0 (1)

Где:

Р Е- функция общего управления электроавтоматикой пресса П9046Р от ПЛК, как функция отображения операций управления на адресное пространство ввода/вывода всех компонентов распределенной системы, Г - функция, определяющая операции управления электроавтоматикой (управление всеми остальными станциями) со стороны ПЛК, отображенные на адресное пространство ввода/вывода самого контроллера ПЛК, П - функция, определяющая операции выполняемые конкретно станцией 1 (пульт управления), отображенные на то адресное пространство ввода/вывода, которое отведено самой станции 1,

Р2 - функция, определяющая операции выполняемые конкретно станцией 2, отображенные на то адресное пространство ввода/вывода, которое отведено самой станции 2,

Р8 - функция, определяющая операции выполняемые конкретно станцией 8, отображенные на то адресное пространство ввода/вывода, которое отведено самой станции 8

В совокупности адресное пространство, с которым оперирует ПЛК, определяется как общее пространство, сложенное из адресного пространства самого ПЛК и адресного пространства системы распределенного ввода/вывода Сенсорная панель обменивается информацией с ПЛК и оперирует с общим адресным пространством так же, как и ПЛК

Для сравнения показано, что при традиционном исполнении системы ввода-вывода ПЛК все устройства электроавтоматики пресса подключаются непосредственно к ПЛК, те адресное пространство сигналов устройств электроавтоматики сосредоточено в адресном пространстве памяти самого ПЛК Схема взаимодействия сигналов устройств электроавтоматики станка с адресным пространством памяти ПЛК изображена на рис 4

Устройства электроавтоматики (К = Г

ПЛК(Р = Г(1,(У))

Рис 4 Схема взаимодействия сигналов устройств электроавтоматики гидравлического пресса П9046 с адресным пространством памяти ПЖ Формально это взаимодействие можно представить в виде следующей математической модели

Р1: А-VI: О

I,

■ и

Где

И - функция отображения некоторого набора сигналов состояния - А, поступающих с устройств электроавтоматики гидравлического пресса П9046Р на адресное пространство ввода -1 в памяти ПЛК,

¥2 - функция отображения сигналов вывода О, поступающих из адресного пространства памяти вывода - ПЛК, на соответствующий набор управляющих сигналов - и, поступающих на устройства электроавтоматики гидравлического пресса П9046Р

Анализ схемы рис 3 показывает, что при традиционном исполнении системы управления прессом все блоки ввода-вывода ПЛК сосредоточены конструктивно в одном блоке При этом специфика работы тяжелых станков, в частности и гидравлических прессов, заключается в том, что отдельные устройства станка разнесены на значительные расстояния друг от друга, что требует применения длинных бухт кабелей связи между ПЛК и устройствами, что приводит иногда к обрыву кабелей и снижению надежности работы пресса

Сравнение двух структур организации ввода/вывода на примере гидравлического пресса П9046Р показало, что

• структура распределенного ввода-вывода ПЛК, как структура распределенных функций управления, является более гибкой, чем традиционная система ввода/вывода ПЛК и представляет собой открытую систему, способную к расширению и модернизации

• структура распределенного ввода-вывода ПЛК, с передачей функций ввода-вывода самим функциональным устройствам пресса П9046Р повышает надежность эксплуатации пресса, поскольку отпадает необходимость прокладки бухт кабелей, которые заменяются стандартными компонентами сети,

В третьей главе представлена разработка общей методики построения системы управления электроавтоматикой тяжелыми станками с применением принципа распределенного ввода-вывода и подсистемы динамического определения состояний узлов станка

Процесс создания системы управления разбивается на несколько этапов, являющихся общими при построении системы управления любого оборудования тяжелой промышленности

• анализ - определение того, что система будет делать,

• проектирование системы управления - определение подсистем и их взаимодействие, разработка подсистем по отдельности,

• реализация - соединение подсистем в единое целое,

• установка - введение системы в действие,

• тестирование - проверка работы системы и дальнейшее использование системы управления,

В совокупности все эти этапы проектирования определяют методику создания системы управления оборудованием в тяжелой промышленности

Первый этап - анализ, является наиболее ответственным и он включает следующие подэтапы

• Анализ технического задания на создаваемое оборудование, из которого вытекает техпроцесс обработки изделия и основные требования к создаваемой системе управления, на основе которого и будет строиться система управления,

• определение количества механизмов необходимых для выполнения техпроцесса с предварительной компоновкой системы управления устройствами электроавтоматики,

• выбор типа программируемого логического контроллера (ПЛК),

• подбор программируемого терминала, являющимся неотъемлемой частью системы управления, с помощью которого должен осуществляться ввод основных параметров техпроцесса и контроль за выполнением техпроцесса,

• объединение собранной информации в единое целое, результатом которого является структурная схема системы управления

Вторым этапом является проектирование подсистем системы управления Этот этап подразумевает разбиение системы управления на функционально законченные части и определения взаимодействия между ними Любую систему управления оборудования в тяжелой промышленности можно разбить на следующие подсистемы

• Орган управления,

• Подсистема управления гидроприводом,

• Подсистема управления механизмами пресса,

• Подсистема энергообеспечения

После того, как спроектированы все подсистемы управления разрабатываемой системы, этап проектирования считается законченным и далее начинается этап реализации системы управления

На этапе реализации перед разработчиком ставятся следующие задачи

• Определение взаимосвязей подсистем системы управления и объединение их в единое целое

• Создание программы управления

Все системы управления в тяжелой промышленности являются централизованными (управление оборудованием осуществляется через программируемый логический контроллер) с децентрализованной периферией (подсистемы управления электроавтоматикой, гидроприводом и т д , снабженные станциями распределенного ввода/вывода)

На стадии введение системы в действие первоначально разработчик определяет количество станций распределенного ввода/вывода, установленных на каждой подсистеме в отдельности

Затем в соответствии с правилами подключения данных станций к ПЛК посредством промышленного интерфейса определяется последовательность соединения станций с ПЛК Результатом объединения подсистем в единую

систему управления является создание схемы соединения децентрализованной периферии с ПЛК

Следующим этапом реализации проектируемой системы управления является создание программы управления Перед началом разработки программы программисту (в данном случае разработчику системы управления) предоставляется перечень исходных данных, необходимых для создания программы

К исходным данным относятся

- Задание на разработку программы

- Циклограмма работы оборудования, разработанная гидравлическим отделом завода

- Принципиальные схемы системы управления, включающие в свой состав

комплектацию ПЛК, станций распределенного ввода/вывода с соответствующими схемами подключения устройств автоматики к ним, схему соединения ПЛК и станций распределенного ввода/вывода с помощью промышленного интерфейса Процесс создания программы включает создание программы управления оборудованием (программа для ПЛК) и создание программы на панель оператора (программируемый терминал), установленный на органе управления Далее создается программы на панель оператора (программируемый терминал) Основной задачей при разработке данного приложения является организация человеко-машинного интерфейса, посредством которого пользователь будет контролировать состояние технологического процесса обработки изделия в режиме реального времени

В среде эксплуатации тяжелых станков актуальной задачей является совершенствование методов и форм начальной диагностики оборудования тяжелых станков, быстрого и эффективного, с точки зрения затраченных ресурсов, контроля состояний механизмов и процесса устранения возникающих неисправностей(сбоев и отказов оборудования, отключение электроэнергии и т п)

В работе предложены методики диагностики оборудования и контроля состояний станков на примере гидравлического пресса П9046Р

Методики основываются на предложенных моделях и средствах расширенного контроля состояний устройств пресса с применением средств динамического отображения состояний экранного типа На рис 5 представлена блок-схема предлагаемых средств диагностики и контроля состояний устройств гидравлического пресса П9046Р

Рис 5 Блок-схема работы гидравлического пресса модели П9046Р

Основанием для формального описания работы гидравлического пресса П9046Р является допущение о том, что все состояния устройств и механизмов электроавтоматики пресса будут рассматриваться с точки зрения

двухпозиционных состояний, типа «включено-выключено», «работает - не работает» Это дает право для описания функций и функционалов работы устройств пресса воспользоваться аппаратом алгебры логики, когда все функции и переменные являются двоичными, те имеют два состояния О (выключено) и 1 (включено)

Обозначенные в блок схеме рис 4 функции и функционалы имеют следующее содержание

1 Функционал, характеризующий общую готовность пресса к работе Fr = f (Fe,Fg,Fm) (3)

Где

Fe - двоичная функция, контролирующая начальное состояние источников питания, перед включением автоматического режима работы пресса, При этом результат благоприятного исхода проверки системы энергоснабжения можно формально отобразить в виде следующей логической функции Fe, как дизъюнкцию конъюнкций следующих логических переменных, имеющей в итоге состояние логической «1»

Fe = Fei v Fe2 = ((al Л a2 Л ... л a8) v (bl л Ь2 л ... л Ь53)) (4)

Где

Fei = f (А) - логическая функция, которая представляет результат контроля состояния источников питания,

Fe2 = f (В) - логическая функция, которая представляет результат контроля состояний автоматов защиты

А - есть некоторое количество источников питания, необходимых для нормального функционирования системы энергообеспечения, формально представленных в виде набора двоичных переменных, объединенных операцией конъюнкции,

В - есть некоторое количество автоматов защиты, необходимых для нормального функционирования безопасности системы энергообеспечения и формально представленных в виде набора двоичных переменных, объединенных операцией конъюнкции, al = 1; а2 = 1; ... а8 = 1 -набор логических переменных, имеющих состояние «1» и отображающих рабочие состояния 8-ми источников питания,

bl =1; Ь2 = 1; ... Ь53 = 1 - набор логических переменных, имеющих состояние «1» и отображающих рабочие состояния 53 -х автоматов защиты Fg - двоичная функция, контролирующая готовность гидросистемы к работе и контролирующая состояния насосов управления гидросистемы, перед включением автоматического режима работы пресса

При этом Общий вид логической функции отображающей благоприятный результат (значение функции Fg = логической «1»), по контролю готовности системы управления гидроприводом пресса П9046Р, будет иметь вид

Fg = f(Fgl,Fg2) = Fgl V Fg2 = (с1 л с2 л сЗ л с4 )у

(с5 л сб) у ((с11лс12) V (dЗлd4) V ¿5 V с16 V (d7лd8лd9) v с!10) (5)

Где

Fgl = { (С) - логическая функция, которая формально представляет результат контроля готовности гидросистемы пресса к работе

Fg2 = Г (Б) - логическая функция, которая представляет результат контроля состояния насосов управления гидросистемы пресса

С - некоторое множество сигналов, определяющих готовность гидросистемы к работе, формально представленных в виде набора логических переменных, объединенных операцией конъюнкции

Б - некоторое множество сигналов управления, поступающих с устройств мягкого пуска электродвигателей насосов управления, формально представленных в виде набора логических переменных, объединенных операцией конъюнкции

с1 = 1; с2 = 1; сЗ = 1; с4 = 1 - набор логических переменных, имеющих состояние «1» и отображающих рабочие состояния четырех конечных выключателей 8(21,8(32,8058,8(359, фиксирующих рабочий уровень масла в баках гидросистемы,

с5 = 0; сб = 0, - набор логических переменных, имеющих рабочее состояние логического «О» и отображающих отключенные рабочие состояния двух аварийных датчиков температуры - 8Т1-1,8Т1-2

(<11А<12)= 1; - конъюнкция двух логических переменных dl и d2, имеющих состояние «1» и отображающих включение контактов реле пуска электродвигателя - КУ16, КУ20,

dЗЛd4 =1; - конъюнкция двух логических переменных dЗ и d4, имеющих состояние «1» и отображающих включение контактов репе пуска электродвигателя - КУ24, КУ28,

d5 = 1; и <16 = 1 - логические переменные, имеющие состояние «1» и отображающие включение контактов реле пуска электродвигателя - КУ32 и КУ36 соответственно,

d7Лd8Лd9 = 1 - конъюнкция трех логических переменных d7, d8 и d9, имеющих состояние «1» и отображающих включение контактов реле пуска электродвигателя - КУ40, КУ44, КУ48 соответственно,

dlO = 1; - логическая переменная, имеющая состояние «1» и отображающая включение блок-контакта пускателя КМ7

Рш = {(Е) (6)

Где:

Рш - двоичная функция, определяющая общую готовность к работе системы управления механизмами пресса

Е - некоторое множество логических переменных, определяющих исходное положение механизмов пресса для последующей работы в автоматическом режиме

2 Функционал, характеризующий контроль состояний механизмов при работе пресса в рабочем автоматическом режиме (в режиме реального времени), после реализации функционала 1, те после завершения полной начальной проверки системы управления прессом

Р=Г(Ре,Р&Рте) (7)

Где

Ре - логическая функция, определяющая состояние готовности системы энергообеспечения,

Fg - логическая функция, определяющая состояние готовности системы управления гидроприводом

Рте = Г (Е) - логическая функция, определяющая состояние системы управления механизмами пресса в текущий момент времени, другими словами, это функция отображающая состояние системы управления в режиме реального времени

Е - конечное множество логических переменных, отображающих состояние механизмов пресса в фиксированный момент времени

Например, операция «Подъем труб» согласно циклограмме работы пресса в автоматическом режиме работы, определяется включением конечных выключателей 8(234, Тогда множество логических переменных Е

входящих в состав логической функции Рте будет определяться тем же множеством конечных выключателей, определяющих готовность системы управления механизмами пресса, только вместо конечных выключателей 8(}34, 8<335 в данном множестве будут присутствовать выключатели 8(}32, БС^ЗЗ, фиксирующие конец данного перехода Тогда функция будет иметь вид

Рте = Г(Е) = е1 Л е2 Л ... л е21 (8)

Где

е1 = 1; е2 =1; е = 1; ... е21 = 1. - набор логических переменных, имеющих состояние логической «1» (все конечные выключатели включены)

В случае, если через определенное время, отведенное на выполнение данного перехода, текущая функция отличается от заданной функции Ите, то происходит выполнение диагностического блока программы и оператору выдается соответствующее диагностическое сообщение об отклонении параметров процесса обработки изделия от заданного

После вывода диагностического сообщения система управления определяет, является ли данное отклонение от работы аварией или отказом и с учетом типа отказа происходит либо аппаратное прерывание автоматического режима (в

случае аварии), либо оператору необходимо вручную прервать автоматический режим, для устранения неполадки

В четвертой главе представлены способы реализации системы динамического отображения состояний при работе тяжелых станков, на основе человеко-машинного интерфейса НМ1, построенного на базе сенсорных панелей оператора и который позволяет быстро и эффективно управлять мощными технологическими процессами

В работе представлена реализация подсистемы динамического отображения состояний на примере работы гидравлического пресса модели П9046Р Основной особенностью данного пресса является сложность техпроцесса, так как обработка изделия производится в несколько этапов, взаимосвязанных между собой Кроме того, система управления имеет сложную структуру, поэтому возникает необходимость контроля информации за прохождением техпроцесса на всех участках обработки изделия Для того, чтобы осуществлять контроль параметров, в данной системе присутствует группа экранов для ввода и контроля основных технологических параметров техпроцесса

Система динамического отображения состояния реализуется путем создания программистом специальных экранных форм, которые в свою очередь загружаются в терминал (в основном - это сенсорные панели) Основой визуализации является экран «Главное меню» (рис 7)

Ю59 59АЧ и^нскии чавод ^спытано-груб

19/35 ?000 ОООО

г- I

¿12 Ввод и контроль параметров I

-[Те хпроцесс-

Контроль работы гидросистемы I Контроль работы механизмов

Диагностические сообщения

¡0000 Чело ИСГЫТ5МНЫК труб

|12/Э1/20С0 |ш 59 59 АМ > |12/31/2000 |10 59 59 АМ

А. Сбр

V Тек

О Переполнение

1000000 Суммарное число 1СП..тэ**>< труб на

112/31/2000 |Ю 59 59 АМ

Рис 7 Экран «Главное меню»

Экран «Главное меню» предназначен для связи следующих экранных форм в единую подсистему обработки информации

- установки режима работы оператора с терминалом (ввод и контроль технологических параметров,

- визуализации процесса обработки изделия в реальном масштабе времени,

- контроль над состоянием гидросистемы,

- контроля аварийных ситуаций посредством диагностических сообщений, которые содержат информацию об аварийных ситуациях, происходящих в процессе обработки изделия, и отказах электроавтоматики

Кроме того, на экране «Меню» организованы архивы количества прессовок, с помощью которых пользователь (оператор) может просмотреть интересующую его информацию и произвести действия по обработке данного архива

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

1 Решена задача повышения эффективности процесса управления электроавтоматикой тяжелых станков на основе применения программируемого логического контроллера (ПЛК) с распределенным вводом-выводом и процедурой динамического отображения состояний узлов станка в режиме реального времени, что позволило увеличить производительность оборудования

2 Установлены функциональные связи между количеством и качеством средств визуализации состояний узлов тяжелого станка и сокращением ресурсов для принятия решений со стороны оператора станка в режиме реального времени, а также связи качества управления электроавтоматикой тяжелого станка и архитектурой построения системы ввода-вывода ПЛК в виде распределенной сетевой системы

3 Предложена модель и методика проектирования системы управления электроавтоматикой тяжелых станков на основе применения программируемого логического контроллера (ПЛК) типа S7-300 (Siemens), с реализацией принципа распределенного ввода-вывода и построения автоматизированной подсистемы динамической визуализации процессов в режиме реального времени, что позволило повысить производительность тяжелого станка

4 Разработан алгоритм контроля состояний станка с прикладным интерфейсом управления подсистемой динамической визуализации процессов, в режиме реального времени, на примере гидравлического пресса модели П9046Р

5 Определен принцип организации структуры управления электроавтоматикой тяжелых станков на основе модификации традиционной подсистемы ввода-вывода, с вынесением блоков ввода-вывода ПЛК непосредственно на устройства станка и разработан метод расширения функций контроля состояний узлов на основе построения подсистемы динамической визуализации состояний и процессов работы оборудования в режиме реального времени, что увеличивает надежность эксплуатации тяжелого станка

20

6 Разработано прикладное программное обеспечение по функционированию подсистемы распределенного ввода-вывода и подсистемы визуализации состояний станка в режиме реального времени

7 Показано, что введение в эксплуатацию на Коломенском заводе тяжелых станков системы управления компонентами и узлами тяжелого станка на основе внедрения подсистемы распределенного ввода-вывода и построения системы динамической визуализации процессов в режиме реального времени позволяет повысить общую эффективность технологического процесса станка и, в частности, уменьшить количество отказов на 40%

8 Разработанные методы и программное обеспечение по управлению электроавтоматикой тяжелых станков на основе распределенного ввода-вывода и динамического отображения состояний рекомендуется к применению в отраслях машиностроения

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1 Воронецкий В В Особенности построения систем управления в тяжелой промышленности//? Воронеж// Информационные технологии моделирования и управления, 2007, №8(42) - С 966-970

2 Воронецкий В В Эффективное управление тяжелыми станками на основе применения принципа распределенного ввода-вывода//Объединенный научный журнал, 2007, №9 -С 74-75

3 Воронецкий В В , Шемелин В К Средства динамического отображения состояний тяжелых станков в режиме реального времени/Юбъединенный научный журнал, 2007,№10 - С71-73

4 Воронецкий В В Повышение качества визуального контроля состояний тяжелых станков на основе реализации режима жесткого реального времени/Юбъединенный научный журнал, 2007,№13 - С 62-63

5 Воронецкий В В Основные структуры систем управления тяжелыми станками//г Воронеж//Системы управления и информационные технологии, 2007, №3 3(29) - С 334-337

6 В В Воронецкий, В К Шемелин Повышение уровня автоматизации при управлении тяжелыми станками на основе программируемого логического контроллера Труды международной научно-технической конференции «Информационные средства и технологии», г Москва, МЭИ, 2007 г, т 3, с 121-123

Введение.

Глава 1. Структура и особенности систем управления тяжелыми станками.

1.1 Общие характеристики систем управления в тяжелой промышленности.

1.2 Особенности архитектуры систем управления тяжелыми станками на примере системы управления гидравлического трубоиспытательного пресса модели П089М.

1.3. Постановка задачи исследования.

Глава 2. Методы и средства повышения качества процесса управления тяжелыми станками.

2.1. Анализ методов и способов повышения надежности процесса управления электроавтоматикой тяжелых станков.

2.2 Разработка модели проектирования подсистемы распределенного ввода-вывода компонентами и узлами гидравлического трубоиспытательного пресса модели П9046Р.

2.3. Разработка модели системы динамической визуализации процессов для пресса П089М.

2.4. Выводы по главе.

ГлаваЗ. Разработка методики проектирования системы управления тяжелым станком с использованием подсистемы распределенного ввода-вывода и разработки архитектуры построения системы динамической визуализации процессов в режиме реального времени.

3.1. Общие принципы проектирования системы управления тяжелым станком.

3.2 Проектирование системы управления тяжелым станком.

3.3 Реализация системы управления тяжелым станком.

3.4. Выводы по главе.

Глава 4. Техническая реализация подсистемы динамической визуализации процессов состояний тяжелого станка на примере пресса П9046Р.

4.1. Применение человеко-машинного интерфейса (HMI).

4.2 Разработка подсистемы динамического отображения состояний.

4.3 Реализация системы динамического отображения состояний пресса П9046Р.

4.4 Выводы по главе.

Оценка эффективности построения систем на основе принципа распределенного ввода-вывода и процедуры динамического отображения состояний.

Актуальность работы

Эффективное внедрение систем автоматизации в машиностроительном производстве, особенно в станкостроении, напрямую зависит от применения не только новых технологий, но и применения новых принципов информационного взаимодействия компонентов системы и реализации на их основе новых программно-аппаратных средств управления не только одним станком, но и комплексом станков, которые образуют единую распределенную систему управления.

Все это требует совершенствования как внутренней структуры управления отдельным станком, так и совершенствования средств коммуникации и информационной связи нескольких станков.

Особенно актуальным является применение этих новых средств для тяжелых станков по следующим причинам.

Значительный парк тяжелых станков до сих пор имеет устаревшие системы управления электроавтоматикой, что в значительной степени снижает надежность работы станков. При этом актуальным фактором является совершенствование механических и гидравлических узлов и внедрение новейших систем управления электроавтоматикой станков на основе программируемых логических контроллеров (ПЛК).

Кроме того, тяжелые станки реализуют ресурсоемкие и сложные технологические процессы, которые состоят из отдельных взаимосвязанных функционально законченных частей, разнесенных на значительные расстояния. Это приводит к необходимости наличия физически длинных, громоздких линий связи, состоящих из бухт кабелей, систем коммутации, которые подвержены повреждениям и быстрому износу в цеховых условиях, что приводит к частым сбоям и неисправностям в информационных коммутирующих системах связи.

При этом примитивные средства отображения и визуализации на экранах состояний компонент станка не дают полного представления о динамике развития и реализации технологического процесса в режиме реального времени.

В этом контексте актуальной задачей является, во-первых, разработка и применение новых систем управления электроавтоматикой тяжелых станков, на основе применения новейших конфигураций программируемых логических контроллеров (ПЛК), что значительно повышает надежность работы станка; во-вторых, разработка новых методов и средств организации более эффективного процесса управления всеми взаимосвязанными агрегатами станка, например, на основе распределенного ввода -вывода и внедрения систем динамической визуализации процессов в режиме реального времени; в третьих, разработка общего информационного взаимодействия тяжелых станков и других компонентов производственной структуры, что позволит создать современную единую распределенную систему управления производством, с применением системы 8САЭА и принципов клиент-серверной структуры.

Основной целью диссертации является повышение эффективности процесса управления электроавтоматикой тяжелых станков на основе применения программируемого логического контроллера, с реализацией распределенного ввода-вывода и процедуры динамического отображения состояний в режиме реального времени.

Объектом и предметом исследования в данной работе является разработка новых эффективных форм управления тяжелым станком на основе методики построения подсистемы распределенного ввода-вывода компонентами и узлами станка и построения системы динамической визуализации процессов.

Задачи исследования. Для достижения цели в работе были поставлены следующие задачи:

1. Обосновать критерии выбора структуры и функции программируемого логического контроллера (ПЛК), с применением принципа распределенного ввода-вывода, как наиболее предпочтительной системы управления электроавтоматикой тяжелого станка.

2. Разработать модель и методику проектирования системы управления электроавтоматикой тяжелых станков на основе применения программируемого логического контроллера (ПЛК) типа S7-300 (Siemens), с реализацией принципа распределенного ввода-вывода и построения автоматизированной подсистемы динамической визуализации процессов в режиме реального времени, что позволило повысить качество процесса управления станков.

3. Разработать прикладной интерфейс для подсистемы динамической визуализации процессов при управлении тяжелым станком в режиме реального времени на примере гидравлического пресса типа П9046Р.

4. Разработать прикладные программные средства поддержки подсистемы распределенного ввода-вывода компонентами и узлами станка и подсистемы динамической визуализации процессов в режиме реального времени.

5. Оценить факторы повышения эффективности процесса управления тяжелым станком на основе внедрения подсистемы распределенного ввода-вывода компонентами и узлами станка и построения системы динамической визуализации процессов в режиме реального времени.

Научная новизна. Новыми научными результатами, полученными в работе, являются: установленные функциональные связи между количеством и качеством средств визуализации состояний узлов тяжелого станка и сокращением ресурсов для принятия решений со стороны оператора станка в режиме реального времени.

Е, модель и методика проектирования системы управления электроавтоматикой тяжелых станков на основе применения программируемого логического контроллера (ПЛК) типа S7-300 (Siemens), с реализацией принципа распределенного ввода-вывода и построения автоматизированной подсистемы динамической визуализации процессов в режиме реального времени, что позволило повысить качество процесса управления станков. принцип организации структуры управления электроавтоматикой тяжелых станков на основе модификации традиционной подсистемы ввода-вывода ПЛК в структуру распределенной системы управления, с вынесением блоков ввода-вывода непосредственно на устройства станка, что увеличивает надежность эксплуатации тяжелого станка; метод расширения функций контроля состояний узлов станка и повышения качества принятия решения при работе станка на основе построения подсистемы динамической визуализации состояний и процессов работы тяжелого станка в режиме реального времени. Методы исследований.

При решении задач, поставленных в работе, были использованы следующие методы: теории автоматического управления, аппарат объектно-ориентированного подхода при разработке приложений, методы построения распределенных приложений.

Практическая значимость

Практическая значимость работы заключается в повышении эффективности функционирования тяжелого станка на основе разработки распределенной системы управления электроавтоматикой и создания программной поддержки прикладного интерфейса по динамической визуализации процессов станка в режиме реального времени.

Реализация работы:

Разработанные в работе модели, методика проектирования и реализации подсистемы ввода-вывода ПЛК, как распределенной системы управления, построенной по принципу локальной шины и реализация подсистемы динамической визуализации процессов станка в режиме реального времени внедрены на «Коломенском заводе тяжелых станков», а также используются в учебном процессе студентов по специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств». Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы публиковались и докладывались на заседаниях кафедры КСУ, на Международном форуме информатизации МФИ-2007// Труды международной научно-технической конференции «Информационные средства и технологии». 16-18 октября 2007 г., в 3-х т.т. ТЗ. - М.:МЭИ, 2007; на международном семинаре «Конкурентоспособность машиностроительной продукции и производств», Москва, ГОУ МГТУ «Станкин», 2005 г.

Публикации♦ По теме диссертационной работы опубликовано .в. работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, изложенных на 131 странице машинописного текста, содержит 62 рисунка и 0 таблиц, список использованной литературы из 22 наименований и 2 приложений на 3 страницах. Общий объем работы - 136 страниц.

Основные выводы по диссертационной работе.

1. Решена задача повышения эффективности процесса управления электроавтоматикой тяжелых станков на основе применения программируемого логического контроллера (ПЛК) с распределенным вводом-выводом и процедурой динамического отображения состояний узлов станка в режиме реального времени, что позволило увеличить производительность оборудования.

2. Установлены функциональные связи между количеством и качеством средств визуализации состояний узлов тяжелого станка и сокращением ресурсов для принятия решений со стороны оператора станка в режиме реального времени, а также связи качества управления электроавтоматикой тяжелого станка и архитектурой построения системы ввода-вывода ПЛК в виде распределенной сетевой системы.

3. Предложена модель и методика проектирования системы управления электроавтоматикой тяжелых станков на основе применения программируемого логического контроллера (ПЛК) типа S7-300 (Siemens), с реализацией принципа распределенного ввода-вывода и построения автоматизированной подсистемы динамической визуализации процессов в режиме реального времени, что позволило повысить производительность тяжелого станка.

4. Разработан алгоритм контроля состояний станка с прикладным интерфейсом управления подсистемой динамической визуализации процессов, в режиме реального времени, на примере гидравлического пресса модели П9046Р.

5. Определен принцип организации структуры управления электроавтоматикой тяжелых станков на основе модификации традиционной подсистемы ввода-вывода, с вынесением блоков ввода-вывода ПЛК непосредственно на устройства станка и разработан метод расширения функций контроля состояний узлов на основе построения подсистемы

динамической визуализации состояний и процессов работы оборудования в режиме реального времени, что увеличивает надежность эксплуатации тяжелого станка.

6. Разработано прикладное программное обеспечение по функционированию подсистемы распределенного ввода-вывода и подсистемы визуализации состояний станка в режиме реального времени.

7. Показано, что введение в эксплуатацию на Коломенском заводе тяжелых станков системы управления компонентами и узлами тяжелого станка на основе внедрения подсистемы распределенного ввода-вывода и построения системы динамической визуализации процессов в режиме реального времени позволяет повысить общую эффективность технологического процесса станка и, в частности, уменьшить количество отказов на 40%.

8. Разработанные методы и программное обеспечение по управлению электроавтоматикой тяжелых станков на основе распределенного ввода-вывода и динамического отображения состояний рекомендуется к применению в отраслях машиностроения.