автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка методов синтеза дискретной станочной электроавтоматики и их практическая реализация

л

.1

чр\0гг

НИЖЕГОРОДСКОЕ АО " ЗеФС" НИЖЕГОЮДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Чернов Евгений Александрович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ СИНТЕЗА ДИСКРЕТНОЙ СТАНОЧНОЙ ЭЛЕКТРОАВТОМАТИКИ И ИХ ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы

и системы, включая их управление и регулирование

jsкa

фЬрме науЧноГсЦцоклада на соискание"ученой степени доктора технических наук

Г

г. Нижний Новгород, 1998г.

Работа выполнена в Нижегородском АО "ЗеФС" и Нижегородском государственном техничесом университете

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ

библиотека

о 12250 -93

- доктор технических наук, профессор Терехов В.М.

• доктор технических наук, профессор Кулешов B.C.

■ доктор технических наук, профессор Аверьянов О.И.

ВЕДУЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ:

- Экспериментальный научно-исследовательский институт металлорежущих станков (ОАО "ЭНИМС"),г. Москва

Защита состоится "Й." в аудитории № на заседании диссг.я

Московского энергетического института^ ех. С докладом можно ознакомиться в библис Отзывы в двух экземплярах, заверенные > •;;' адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарме-.,

Диссертация в виде научного доклада ^а

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент

/Родяна Л.С./

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Стабильная и производительная работа любой отрасли промышленности, их гибкая и своевременная перестройка на новые виды продукции во многом определяются внедрением и надежной работой высокоавтоматизированных станков и станочных комплексов. Очевидно, что одну из ключевых ролей здесь играет дискретная элеетроавтоматика, определяющая как степень автоматизации, так и надежность и удобство эксплуатации оборудования.

Высокая сложность современных электроавтоматических устройств, постоянное развитие, и как следствие, разнообразие элементной базы, от релейно-контактных и бесконтактных схем до программируемых логических контроллеров(ПЛК) и других средств вычислительной техники, делают разработку производительных методов синтеза электроавтоматики, пригодных для любой элементной базы, исключительно важной и актуальной дня народного хозяйства задачей.

В настоящем докладе обобщены результаты работы автора по разработке и практическому применению методов синтеза дискретной электроавтоматики станков и автоматизированных станочных комплексов в Нижегородском станкостроительном заводе "ЗеФС" и Нижегородском техническом унивеситете.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является разработка метода синтеза принципиальных схем и алгоритмов станочной дискретной электроавтоматики кардинально упрощающего и ускоряющего процесс проектирования с использованием доступных в инженерной практике способов формализации работы механизмов, позволяющих использовать аппарат алгебры логики, не зависящего от элементной базы, а также его практическое применение, что достигается решением следующих основных задач.

1. Разработка обобщенного алгоритма синтеза, позволяющего использование комбинационной логики и циклограмм при синтезе последовательностных схем.

2. Систематизация и разработка общей теории управления поисковыми станочными механизмами при различных способах кодирования обьекга поиска и систем идентификации.

3. Разработка и систематизация методов определения кратчайшего направления движения к исходной позиции поисковых механизмов.

4. Разработка и систематизация организации взаимодействия датчиков, определяющих надежность и точность позиционирования поисковых механизмов.

5. Разработка методов устранения возможных ошибок идентификации «та поиска инструментальных магазинов и магазинов паллет.

Разработка специальных методов синтеза электроавтоматики при .¡нении прграммируемых логических контроллеров;

Разработка общих методов проектирования различных типовых пур электрооборудования станков и др. . ЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Теоретические исследования производятся зе математического аппарата алгебры логики и формализации работы -шзмов на основе метода циклограмм. Достоверность научно-

з

технических разработок и положений, выводов и рекомендаций подаверждена экспериментальными исследованиями на лабораторных стендах и макетах, а также при наладке и эксплуатации объектов, указанных в разделе "Практическая реализация и аппробация результатов работы".

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

- разработан метод синтеза электроавтоматических устройств с применением циклограмм работы промышленных механизмов и их анализе на основе теории алгебры логики, кардинально упрощающий процесс проектирования;

- разработана методика формализации работы промышленных механизмов на основе циклограмм работы и обобщенный алгоритм синтеза;

- разработана методика синтеза последовательность« логических схем методами комбинационной логики;

- разработаны и систематизированы обобщенные структуры систем управления поисковыми механизмами для различных способов кодирования обьекга поиска и систем идентификации;

- разработаны, исследованы и класифицированы статические и динамические методы определения кратчайшего направления поворота поисковых механизмов, в том числе принципиально новые;

- разработаны и обобщены методы повышения надежности работы поисковых механизмов, позволяющие построение структурно- устойчивых систем управления, в том числе путем самокоррекции при сбоях.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ И АППРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Решенные в работе проблемы позволили осуществить комплексный и систематизированный подход к проектированию дискретной электроавтоматики станков в Нижегородском станкозаводе и других заводах отрасли, послужили основой для создания нового протрессивного станочного оборудования для различных отраслей промышленности. На основе предложенных автором решений спроектированы и изготовлены десятки высокоавтоматизированных станков и комплексов, например 6305Ф4, 6305Ф4С2, 6306ФЭ, ГФ1700С1 ... С4, ГФ1860, ГФ1880, ГФ2171, ГФ630ПМФ4, ГФ2250 ...ГФ2254, ГФ2460, ГФ2470 и многие другие. Станки работают в автомобильной, судостроительной, радиотехнической, приборостроительной, химической и металлургической промышленности, оборонном комплексе, сельском хозяйстве.

Оптимальное построение электроавтоматики позволило значительно улучшить технические характеристики оборудования и его эксплуатационные свойства, что внесло существенный вклад в долю экономического эффекта от внедрения станков.

Новые решения доложены на ряде научно-технических конференций и защищены 13-ю авторскими свидетельствами. За разработку, освоение и внедрение новых систем электроавтоматики автор удостоен четырех бронзовых медалей ВДНХ и диплома Всесоюзного смотра НТТМ.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме доклада всего опубликовано 76 трудов, в том числе 8 книг, 5 брошюр, получено 13 авторских свидетельств. Основные 45 работ приведены в перечне.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Доклад состоят из общей характеристики работы, пяти разделов основного содержания, заключния, перечня основных печатных работ по теме доклада и содержит 40 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. Метод синтеза электроавтоматики на основе циклограмм работы механизмов и использовании аппарата алгебры логики [ 1 ... 4,11 ]

Одним из важнейших факторов, 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 = £ ( Х1Д2, —Да ), приводимых к заданной

элементной базе. Этим требованиям отвечают циклограммы.

1.1. Формализация работы механизмов при помощи циклограмм

Основой для построения циклограммы является последовательность

работы во времени в безразмерном масштабе командных (кнопок, тумблеров и т. д.), исполнительных (управляющих электродвигателями, электромагнитами, электромагнитными муфтами и т. д.) и контролирующих (путевых переключателей, различного рода датчиков и т. д.) элементов электроавтоматики. В процессе синтеза в исходную циклограмму, при необходимости, могут вводится промежуточные и временные сигналы.

Пример рабочей циклограммы управления механизмом смены инструментов станка с ЧПУ приведен на рис. 1.1.

1.2. Обобщенный алгоритм анализа циклограмм предусматривает следующие этапы:

1. Поиск комбинационного решения, когда синтезируемая выходная логическая переменная однозначно по циклограмме описывается уравнением алгебры логики. Если решения нет, то

2. Применение типового элемента памяти с синтезом по циклограмме только сигналов установки и сброса этой памяти. Если решения нет, то

3. Введение в исходную циклограмму одного или нескольких промежуточных сигналов, исключающих неоднозначность решения задачи, и переход к пункту 1 алгоритма.

4. Учет начальных условий и блокировок.

1.2.1. Методы поиска комбинационного решения

Результатом поиска должно быть определение по циклограмме логической комбинации входных, промежуточных и, при необходимости, выходных сигналов, однозначно определяющих конкретный синтезируемый выходной или вновь вводимый промежуточный сигнал, т.е. логической комбинации, имеющей место только во время действия синтезируемого сигнала.

При анализе циклограммы возможны два метода синтеза:

- Субъективный логический, когда проектант находит решение, мысленно анализируя всю циклограмму, и сразу записывая конечное логическое уравнение (в общем случае неоптимальное). При поиске решения необходимо проверить отсутствие найденной комбинации сигналов слева и справа от

синтезируемого сигнала. Например, дня циклограммы рис. 1.1 очевидно, что

Если найти решение таким образом сложно, то следует применить формальный метод.

- Формальный логический метод, когда логическое уравнение для синтезируемого сигнала записывается по зонам ( или тактам работы ) в виде канонической суммы (СДНФ), после чего выполняется минимизация и осуществляется проверка отсутствия полученных условий слева и справа от синтезируемого сигнала.

к Мо 6

1Ш, {V

'¿ли.

ОТЖ (м

т

Кг.ц

ОТй,

П„Р

: Пдеа

Сьс.ас П

Рис. 1.1. 1 (нклограмма работы механизма смены инструментов

Для выходного стнала Уз (ОТЖ):

о тж(ут)=']\,-1с^с-т\,+1\,-кояж

({т'оэ котяж оя к'отж оз т*

Г„=

= (тм + тез' к кож)' т,г ^г о, + км

Получен аналогичный результат. Формальный метод является основой для машинной обработки циклограммы, т. е. автоматизированного синтеза.

Полученные при синтезе логические уравнения, описывающие состояние выходных сигналов, являются минимально-достаточными. В практике проектирования реальных схем управления промышленными механизмами в минимально-достаточные уравнения вводят дополнительные сигналы, повышающие невосприимчивость схемы к действию внутренних и внешних

б

случайных воздействий, т. е. блокировочные и "помехозащитные" сигналы. Такие логические уравнения являются рабочими.

1.2.2. Поиск решения с типовой памятью

Реальные схемы промышленной электроавтоматики в большинстве случаев являются последовательностными, а не комбинационными. Синтез последовательностных схем может быть выполнен при помощи теории дискретных автоматов, однако она трудоемка и сложна, и ее применение в практической инженерной деятельности конструкторских бюро, занимающихся промышленной электроавтоматикой в большинстве случаев неоправдано.

Предлагаемое в работе инженерное допущение позволяет просто и эффективно выполнить синтез последовательностных схем методами комбинационной логики, т. е. осуществить приведение последовательностных схем к комбинационным.

Известно, что характерной особенностью последовательностных схем является наличие элементов памяти, так как состояние выходных логических переменных в подобных схемах зависит от состояния входных логических переменных как на данный, так и на предыдущий момент времени.

Принцип приведения последовательностных схем к комбинационным основывается на положении о том, что в инженерной практике применяются типовые элементы памяти (ИЗ, О, Т, V, Ж-триггеры), серийно выпускаемые промышленностью в виде законченных микросхем или логических элементов, либо схемы памяти организуются по типовым схемам из отдельных элементов (И-НЕ, ИЛИ-НЕ, реле). Следовательно, нет необходимости заниматься их синтезом, а применить готовую типовую схему, выбрав ее из каталога.

Алгоритм поиска решения с типовой памятью следующий :

- анализ циклограммы, подтверждение невозможности решения задачи методами комбинационной логики;

- принятие решения о применении типовой памяти;

- выбор типа и элементной базы схемы памяти;

- синтез по циклограмме методами комбинационной логики условия

включения Б = Г (X, У]) синтезируемого сигнала У;

- проверка на отсутствие сигналов, определяемых функцией Б = Г ( X,, У)) до и после (слева и справа) от синтезируемого выходного сигнала У. Повторное появление включающего сигнала в течение времени действия сигнала У для ИБ-триггера, Б-триггера и памяти на реле допустимо;

- синтез по циклограмме методами комбинационной логики условия выключения Я = Г (Хи У} ) синтезируемого сигнала У;

- проверка на отсутствие сигналов, определяемых функцией К = Г (X, У;) во время действия синтезируемого сигнала У . Появление выключающего сигнала Я до ( слева ) начала действия сигнала У и его повторное появление после ( справа ) окончания действия сигнала У для {^-триггеров, Б-триггеров и памяти на реле допустимо;

- минимизация и приведение синтезированных уравнений 8 = Г (Хь У)) и Я = [ (Хи Yj ) к применяемой элементной базе;

- формальное вычерчивание принципиальной схемы.

1.2.3. Поиск решения с промежуточными сигналами(рис.1.2)

Поиск комбинационного решения результата не дает, так как запись у = х + х = 1 приводит к постоянному включению сигнала У. Поиск решения с типовой памятью типа КБ-триггера дает неопределенность. В исходную циклограмму вводится промежуточный сигнал, который должен удовлетворять двум условиям:

1. Обеспечить раскрытие неопределенности, т.е. начинаться в любой точке такта II между двумя сигналами X;

2. Не зависеть от длительностей сигналов X и У, т.е. быть четко привязанным к их переднему или заднему фронтам.

X У сС

/—\ У-\ -

V \

1 \

\

1 1 1

Рис. 12. Поиск решения с промежуточный элементом в типовой памятью

Этим условиям удовлетворяет промежуточный сигнал "а", определяемый задними фронтами сигналов X. Введя в циклограмму промежуточный сигнал следует вновь попытаться найти сначала комбинационное решение (в данном случае его нет), либо решение с типовой памятью:

Память сигнала У: э = х- а и Я=Ха;

Память сигнала а: э = х • у и я = х • ?.

1.3. Синтез временных логических схем [2,31].

Временные логические функции осуществляют задержку переднего, заднего или обеих фронтов входного сигнала Х(Ч); формирование импульса заданной длительности при включении, выключении или по обоим фронтам входного сигнала: генерирование одиночного импульса заданной длительности или последовательности импульсов заданной частоты и скважности и широко применяются в промышленной электроавтоматике, в том числе и станкостроении.

Известно, что в формировании временных логических функций участвует сигнал Х(1-Дх), задержанный на время Дх по отношению к выходному сигналу Х((:), имеющий чисто теоретический характер. В применяемой на практике элементной базе такой сигнал отсутствует. Базовыми элементами для временных логических функций являются:

1. Для жесткой бесконтактной логики - типовые схемы задержки переднего или заднего фронта, выполненные на базе конденсаторных задержек;

г. Для релейных систем - реле времени с замыкающимся и размыкающимся с выдержкой времени контактами;

8

3. Для программируемых логических контроллеров(ПЛК) - выдержка времени при включении.

При синтезе временных схем за основу следует брать именно эти реально реализуемые типовые временные задержки и на их базе при помощи метода циклограмм и аппарата алгебры логики формировать требуемые временные функции. В качестве базовой принимается циклограмма задержки при включении, отражающая реальную работу реле времени(таймера) и функции таймера любого программируемого логического контроллера.

На рис. 1.3. приводится пример синтеза временной схемы задержки обоих фронтов входного сигнала X на одинаковое время, т. е. сдвиг входного сигнала вправо.

Сигнал включения катушки таймера описывается функцией неравнозначности входного и выходного сигналов, т. е.

ТМ=(Х#У)=ху + ХУ.

Выходной сигнал У реализуется при помощи типовой памяти.

Включение: 3 = ВОДК.

Выключение: Я = ТМ)Дс)Х или Я = ТМ(Ас) + X.

1.4. Учет влияния фронтов на явление состязания в логических схемах.

При применении законов алгебры логики принимается, что значения всех логических переменных изменяются мгновенно и одновременно, что соответ