Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

ЗАДАНИЕ НА ДИПЛОМНУЮ РАБОТУ

ОПИСАНИЕ ПРЕДПРИЯТИЯ

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1.Описание задачи.

2. Описание работы конвейера.

3. Описание работы системы.

4. Описание алгоритма работы системы управления

5. Основная система

6. Система проверки и диагностики конвейера

7. Система регулирования и управления

8. Обоснование выбора основных составляющих системы

9. Требования к оборудованию.

10. Основные узлы системы

ОБОРУДОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

11. Фотоэлектрические датчики

12. Описание датчиков фирмы OMRON серии E3Z-B

13. Частотные преобразователи

14. Основные возможности частотных преобразователей.

15. Общие сведения по промышленным контроллерам.

16. Технические характеристики программируемого контроллера фирмы OMRON CQM1H.

БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

1. Введение

2. Основные требования для эксплуатации ВДТ и ПЭВМ к помещениям и микроклимату

3. Основные требования к освещению

4. Основные требования к шуму и вибрации

4.1. Требования к организации режима труда и отдыха при работе.

5. Техника безопасности

5.1 Общие требования безопасности

5.2 Пожарная безопасность

5.3 Требования к электробезопасности

5.4 Требования к защитному заземлению

6. Безопасность при чрезвычайных ситуациях

ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ДИПЛОМНОЙ РАБОТЫ

1. Обоснование разработки системы управления.

2. Расчет основных показателей сравнительной эффективности

3. Определение затрат на разработку и пуск в эксплуатацию системы управления конвейером на ОАО «Екатеринбургский виншампанкомбинат»

3.1 Коммерческий анализ

3.2 Определение затрат на систему

3.3 Расходы по оплате труда разработчиков с отчислениями на социальные нужды

3.4 Расчет стоимости машинного времени на стадии разработки

ЭКОЛОГИЧНОСТЬ ПРОЕКТА

1. Влияние энергопотребления на окружающую среду

2. Влияние электромагнитных излучений (ЭМИ) на окружающую среду и человека

МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Ведение

Лабораторная работа № 1

Лабораторная работа № 2

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Быстрое развитие информационных технологий на предприятиях, обусловлено необходимостью повышения конкурентоспособности производимой продукции, как на внутреннем, так и на мировом рынке. Снижение трудоемкости в производственных цехах, технологических операциях достигается за счет внедрения современных способов ведения и управления производственными процессами.

Ручное управление производственными процессами не приносит ожидаемого эффекта. Поэтому требуется автоматизация производства, особенно на крупных предприятиях, имеющих длинные и сложные производственные цепочки. Можно дополнительно отметить, что повышение производительности при конвейерном производстве, так же как и в любом другом производстве, является одним из действенных способов увеличения прибыли предприятия. Другим способом уменьшения себестоимости продукции и, как следствие, повышение конкурентоспособности продукции, а так же прибыли от продукции, является уменьшение затрат. В век информационных технологий, механический труд заменяется электронно-механическими системами. В данной дипломной работе представлена основная часть разработки такой системы управления.

На предприятии ОАО «Екатеринбургский виншампанкомбинат» производство шампанского, как и других видов алкогольной промышленности, происходит на автоматизированном конвейере. Уровень автоматизации в настоящий момент недостаточно высокий, так как для работы конвейера требуется обслуживающий персонал для постоянного управления и регулирования процесса работы и, так как этим управлением занимается человек, то в этой ситуации появляется «человеческий фактор», который ухудшает качество работы, уменьшает производительность и повышает брак. На сегодняшний момент количество брака по требованиям и нормам составляет: брак при производстве 1.3% и брак готовой продукции 1.7%, т.е. всего 3%, а практически на предприятии происходит в среднем 4.3% брака от всей продукции, т.е. нормы не соблюдается. Для уменьшения количества брака, увеличения производительности конвейера, было предложено создать автоматизированную систему управления и регулирования, которая так же еще и уменьшит затраты на производство и сократит штат обслуживающего персонала.

ЗАДАНИЕ НА ДИПЛОМНУЮ РАБОТУ

Целью дипломной работы является разработка рационального, в технико-экономическом смысле, варианта системы управления транспортными конвейерами и автоматами линии производства шампанского на предприятии ОАО «Екатеринбургский виншампанкомбинат».

Требования к разрабатываемой системе:

1. Надежность системы.

2. Устойчивость в аварийных ситуациях.

3. Пониженное потребление энергии как самой системы, так и линии производства шампанского в целом.

4. Повышение производительности лини шампанизации.

4.1. Увеличение скорости выпуска готовой продукции.

4.2. Уменьшение количество брака.

5. Уменьшение трения и сопротивления при движении бутылок по транспортерам конвейера.

6. Предотвращение простоя автоматов (работы вхолостую).

7. Предотвращение перегрузки работы автоматов (работа под повышенной нагрузкой).

При выполнении дипломной работы необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать и рассчитать алгоритм работы системы, удовлетворяющий техническим требованиям.

2. Выбрать оборудование для создания, установки, наладки и работы системы, удовлетворяющее техническо-экономическим требованиям.

3. Выбрать производителя оборудования, удовлетворяющего техническо-экономическим требованиям.

4. Определить экономичность производства.

5. Определить экологичность производства.

6. Определить безопасность жизнедеятельности рабочих.

Дипломная работа включает графические работы в объёме 6 листов.

Структурная схема конвейера.

Блок-схема алгоритма работы системы управления.

Общая схема подключения.

Схема размещения датчиков.

Стандартная схема подключения инвертора.

Графическое изображение оборудования и программ

ОПИСАНИЕ ПРЕДПРИЯТИЯ

ОАО «Екатеринбургский виншампанкомбинат» основано в 1992 г. и расположено в Железнодорожном районе г. Екатеринбурга. На сегодняшний день предприятие производит: шампанское-4 вида, водка-12 видов, ликеро-водочные изделия-4 вида, коньяк-2 вида, вино виноградное-22 вида, напиток винный-1 вид и слабоалкогольные напитки с содержанием этилового спирта до 9% 3 вида. Для работы предприятия имеются следующие лицензии:

1. Производство, хранение и поставка производственных спиртных напитков (водки, ликероводочных изделий).

2. Производство, хранение и поставка производственных вин, шампанского.

3. Эксплуатация химически опасных объемов, аммиачная холодильно-компрессорная установка.

4. Эксплуатация железнодорожной ветки и слива спирта из железнодорожных цистерн.

5. Эксплуатация грузоподъемных механизмов.

6. Эксплуатация автозаправочной станции.

7. Эксплуатация газового хозяйства котельной.

Предприятие занимает одну промышленную площадку общей площадью - 8,37 га - 83671,46 м2. Площадь застройки зданиями и сооружениями 33541,06 м2. Коэффициент застройки 0,4.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1.Описание задачи

Данная система предназначена для конвейера производства шампанского ОАО «Екатеринбургский виншампанкомбинат». Система производит регулирование работы конвейера по средствам включения, выключения автоматов и транспортеров, а так же изменения скорости движения транспортеров и изменения производительности автоматов. При введении данной системы планируется получить экономию электроэнергии около 10 % (на сегодняшний момент весь конвейер потребляет 93,2кВт/час.), уменьшить трение между бутылками и транспортером, тем самым уменьшить нагрузку на двигатели около 8%, уменьшить количество брака путем предотвращения перегрузок автоматов и уменьшения боя бутылок, а так же простоя автоматов.

На данный момент конвейер управляется бригадой наладчиков, состоящей из 9 человек (по количеству автоматов). Каждый из наладчиков отвечает за свой автомат и регулирует производительность автомата и скорость работы транспортера. В случае необходимости наладчик включает, выключает автомат и транспортер. Задача наладчиков заключается в том, чтобы не давать простаивать или быть перегруженными автоматам, и контролировать работу транспортеров. Так как в данном случае имеется «человеческий фактор», руководством КИП было предложено разработать такую систему, которая избавила бы работников от постоянного наблюдения контроля и управления за процессом производства и увеличила рентабельность конвейера. Для этого было предложена данная система. Для решения этой задачи было предложено использовать промышленные контроллеры для управления, и частотные преобразователи для регулирования скоростью работы транспортеров. Для уменьшения затрат на создание данной системы были выбраны контроллеры фирмы OMRON CQM1H, использующиеся в автоматах конвейера, так как данные контроллеры имеются всегда на складе как запасные.

2. Описание работы конвейера

Конвейер производства шампанского состоит из 9 автоматов и 11 транспортеров между ними. Некоторые транспортеры имеют так называемые «карманы», они служат для того, что бы поступающие бутылки к автомату всегда были в запасе. Такие «карманы» служат своего рода буфером, которые наполняются при остановке или понижении производительности следующего автомата, а когда автомат включается и набирает обороты, бутылки из кармана продолжают поступать к автомату. Так же при недостаточной нагрузке, «карманы», дают запас продукции, для того чтобы автоматы не простаивали. Благодаря таким «карманам» процесс производства становится непрерывным и количество сбоев уменьшается. В некоторых местах «карманы» отсутствуют, так как длина транспортеров позволяет накапливать бутылки без них. Но тем не менее производственный процесс далек от идеального, по этому для повышения показателей и уменьшения затрат предлагается данная система. При поступлении бутылок на первый транспортер (выкладываются грузчиками вручную) они двигаются к автомату «Испытатель бутылок». Шампанское заливается в бутылку подавлением и по этому прежде наполнить бутылку требуется испытать ее под давлением воздуха. После «Испытателя бутылок», бутылка попадает в «Филблок», это автомат, выполняющий три операции. В «Филблоке» бутылка сначала ополаскивается далее в нее заливается под давлением шампанское и запечатывается пробкой. После прохождения «Филблока» бутылка попадает в автомат «Насадки мюзле». Попадая в этот автомат, одевается мюзле (тонкая проволока, которая держит пробку). Далее для соблюдения требование по производству пищевых продуктов бутылка попадает в «Пастеризующий» автомат, в нем происходит сначала нагревание, а потом охлаждение. При перепаде температур на бутылке образуется конденсат и для того чтобы на нее можно было успешно наклеить этикетку требуется высушить бутылку, таким образом, бутылка попадает в сушильный шкаф. Для проверки продукции на брак далее в производственной цепочке бутылка попадает в «Бракеровочный» автомат, там бутылка захватывается и переворачивается, за пультом автомата сидит контролер, который проверяет бутылку на брак (замутнение шампанского, посторонние вещества в бутылки, целостность бутылки). Следующим этапом производства является устройство для наложения колпачков (пластиково-полиэтиленовая обертка на горлышке бутылки) После наложения колпачка, в «Эикеровочном» автомате наклеивается этикетка, контр этикетка (задняя этикетка) и корилетка (этикетка на горлышке бутылки). Последним этапом производства является упаковка шампанского в короба. Для этого используется «Упаковочный» автомат, в котором собирается двенадцать бутылок укладывается в коробку, запечатывается.

3. Описание работы системы

Для реализации системы требуется следующее оборудование: девять частотных преобразователей и промышленных контроллеров, двадцать семь оптико-механических датчиков и соединительные провода. Датчики и частотные преобразователи уже имеются на транспортерах и поэтому затрат на их приобретение не требуется.

Для упрощения управления весь конвейер логически разбит на звенья по количеству автоматов. В каждое звено входит транспортер, следующий за ним автомат, датчики на транспортере, частотный преобразователь и промышленный контроллер данного звена.

К каждому частотному преобразователю определенного звена подключаются все двигатели одного транспортера. Сам частотный преобразователь подключается к промышленному контроллеру. Датчики устанавливаются на транспортере и так же подключаются к промышленному контроллеру. Каждый контроллер подключается к одному компьютеру, который координирует работу всей системы. Датчики на транспортере установлены так, чтобы первый датчик показывал наличие бутылок в начале транспортер, второй датчик показывал возникновение перегрузки, для этого он устанавливается перед «карманом» транспортера или, если «карман» отсутствует, то датчик устанавливается на расстоянии 2/5 от следующего автомата. Каждый транспортер имеет свою среднюю скорость в (обр./мин.). Эта скорость определяется опытным путем. Так же для каждого транспортера задается предел регулирования, т.е. максимальная и минимальная скорость на которой транспортер должен работать. По аналогии, только производительность в (бут./час) имеется и у автоматов. Данные скорости не являются предельными, а выбираются такими, что бы конвейер в среднем работал на одной скорости. Таким образом, есть два варианта установок скоростей и уровней производительностей:

1. Найти наименьшее кратное между скоростями всех транспортеров, а так же производительностями автоматов и установить их на данное значение.

2. Для каждого автомата и транспортера задавать индивидуальную скорость и производительность.

В первом случае все транспортеры будут работать на одной скорости, автоматы будут иметь одну производительность. По этому некоторые автоматы буду работать почти на предельной скорости, а другие работать в «пол силы», что будет приводить к износу и разрушению перегруженных автоматов.

Во втором случае транспортеры будут иметь индивидуальную скорость, автоматы - индивидуальную производительность, т.е. каждый автомат будет настроен так, что при включении он будет работать с так называемой «крейсерской скоростью». Это означает, что износ механизмов и потребление энергии автомата будет минимальным, а производительность максимально, что является идеальным состоянием работы. При данном варианте настройки скоростей возникает следующая проблема. Так как некоторые автоматы имеют производительность ниже, чем остальные, то эти автоматы будут перегружаться продукцией (бутылками). Для решения данной проблемы предлагается использовать данную системы регулирования.

Рис. 1. Схема конвейера

Таблица 1

Описание переменных и констант

Имя переменной	Описание переменной	Значения переменной
ZA(i)	Запрет на включение автомата	0,1
ZT(i)	Запрет на включение транспортера	0,1
AP(i)	Состояние питания автомата	0,1
TP(i)	Состояние питания транспортера	0,1
KP	Состояние питания конвейера	0,1
DN(i)	Начальный датчик	0,1
DP(i)	Датчик перегрузки	0,1
DK(i)	Конечный датчик	0,1
VAMIN(i)	Скорость автомата минимальная	Значение зависит от автомата или транспортера, принимается условно
VAMID(i)	Скорость автомата средняя
VAMAX(i)	Скорость автомата максимальная
VTMIN(i)	Скорость транспортера минимальная
VTMID(i)	Скорость транспортера средняя
VTMAX(i)	Скорость транспортера максимальная
VA(i)	Скорость автомата текущая
VT(i)	Скорость транспортера текущая
NC(i)	Значение команды	0,1,2,3

Таблица 2

Значения команд

Номер команды	Значение команды
0	Нет команды
1	Выключение конвейера
2	Включение конвейера с запуском его проверки
3	Включение конвейера без запуска его проверки

4. Описание алгоритма работы системы управления

Алгоритм системы состоит из трех частей:

- Основная система

- Система регулирования и управления

- Система проверки и диагностики конвейера

5. Основная система

Как только оператор с компьютера дает команду запуска конвейера, программа на компьютере формирует набор данных и пересылает эти данные контроллерам последовательно одному за другим. В набор данных входит: значения переменных, команды (NC). Далее для примера рассмотрим один из контроллеров, так как они действуют по одной схеме.

Контроллер при получении данных делает выбор и записывает в свои аналогичные переменные. Получив значение команды действует по следующим направлениям:

- Если значение равно «0», т.е. команд никаких нет, и если конвейер уже включен, то запускается «система регулирования». Если конвейер не включен, то контроллер возвращается к «началу» (к получению данных).

- Если значение равно «1», т.е. поступила команда на выключение конвейера и конвейер действительно работает, то контроллер выключает свой автомат и транспортер и возвращается к «началу» если конвейер не работает, то обычный возврат к «началу».

- Если значение равно «2», т.е. поступила команда запустить конвейер с предварительным тестированием конвейера, то запускается «система проверки и диагностики». Значение переменной KP приравнивается к единице и запускается «система регулирования».

- Если значение равно «3», т.е. поступила команда запустить конвейер без предварительного тестирования конвейера, то значение переменной KP приравнивается к единице и запускается «система регулирования».

6. Система проверки и диагностики конвейера

После запуска системы проверки контроллер устанавливает скорость работы транспортера на среднюю и запускает транспортер. Далее происходит задержка 10сек. (как показал практический опыт, этого достаточно, чтобы выявить механическую неисправность транспортера). По окончании задержки контроллер останавливает транспортер и переходит к следующему действию. После проверки транспортера происходит проверка автомата. Для этого: контроллер устанавливает скорость работы автомата на среднюю и запускает его работу в холостую. Далее происходит задержка 25сек. (как показал практический опыт, этого достаточно, что бы выявить механическую неисправность автомата). По окончании задержки контроллер останавливает автомат и переходит к системе регулирования.

7. Система регулирования и управления

Система регулирования делится на два этапа, на первом этапе происходит определение состояние датчиков, а на втором этапе происходит само регулирование.

На каждом транспортере имеется три датчика. DN - начальный датчик, он устанавливается так, чтобы как только из предыдущего автомата вышла бутылка, датчик срабатывает, генерирует сигнал высокого уровня, логически равного «1», тем самым показывая, что на транспортере появились бутылки или продолжают поступать на транспортер. DP - датчик перегрузки, он устанавливается перед «карманом» транспортера, когда бутылки заполняют «карман», датчик вырабатывает сигал высокого уровня, логически равного «1», тем самым показывая, что транспортер перегружен. DK - конечный датчик, он устанавливается в конце транспортера перед самим автоматом таким образом чтобы как только последняя бутылка зашла в автомат, датчик сгенерировал сигнал низкого уровня, логически равного «0».

Так все три датчика выдают только два логических сигнала, равных либо нулю, либо единице нулю. На основе этого можно составить таблицу истинности табл. 3. Данные этой таблицы является показателем состояния транспортера.

Таблица 3

Состояния датчиков

номер варианта	Значение датчика DN	Значение датчика DP	Значение датчика DK
1	0	0	0
2	0	0	1
3	0	1	0
4	0	1	1
5	1	0	0
6	1	0	1
7	1	1	0
8	1	1	1

Проведя анализ данных этой таблицы, можно выделить варианты регулирования:

-№1. При таком состоянии датчиков происходит проверка включения транспортера и автомата. Если они включены, то происходит выключение транспортера и автомата данного звена, так как бутылок на транспортере нет или они еще не поступили к автомату.

-№2. При таком состоянии датчиков происходит уменьшение производительности автомата так как бутылок на транспортере мало и увеличение скорости движения транспортере для ускорения подачи бутылок к автомату.

-№3. При таком состоянии датчиков происходит уменьшение производительности автомата, так как бутылок на транспортере мало и увеличение скорости движения транспортере для ускорения подачи бутылок к автомату.

-№4. При таком состоянии датчиков происходит увеличение производительности автомата, так как транспортер перегружен бутылками и уменьшение скорости движения транспортера для замедления подачи бутылок к автомату, тем самым понижая трение между бутылками и транспортером.

-№5 . При таком состоянии датчиков происходит проверка включения транспортера и автомата. Если они выключены, то происходит включение транспортера и автомата данного звена, так как на транспортере появилась первая бутылка или бутылки продолжили поступление. Происходит уменьшение производительности автомата, так как бутылок на транспортере мало и увеличение скорости движения транспортере для ускорения подачи бутылок к автомату.

-№6. При таком состоянии датчиков происходит проверка включения транспортера и автомата. Если они выключены, то происходит включение транспортера и автомата данного звена, так как на транспортере появилась первая бутылка или бутылки продолжили поступление. Происходит уменьшение производительности автомата, так как бутылок на транспортере мало и увеличение скорости движения транспортера для ускорения подачи бутылок к автомату.

-№7. При таком состоянии датчиков происходит проверка включения транспортера и автомата. Если они выключены, то происходит включение транспортера и автомата данного звена, так как на транспортере появилась первая бутылка или бутылки продолжили поступление. Происходит уменьшение производительности автомата, так как бутылок на транспортере мало и увеличение скорости движения транспортера для ускорения подачи бутылок к автомату.

-№8. При таком состоянии датчиков происходит проверка включения транспортера и автомата. Если они включены, то происходит выключение транспортера и автомата данного звена, так как бутылок на транспортере нет или они еще не поступили к автомату. Происходит увеличение производительности автомата, так как транспортер перегружен бутылками и уменьшение скорости движения транспортера для замедления подачи бутылок к автомату, тем самым понижая, трение между бутылками и транспортером.

При такой системе регулирования теоретически появляются две ошибочные ситуации:

1. Если на транспортер не поступают бутылки или поступление их не достаточно, а транспортер работает на максимальной скорости движения и автомат работает с минимальной производительностью. В этом случае контроллер отключает транспортер и автомат и ждет, пока состояние датчиков не изменится.

2. Если на транспортере количество бутылок превышает норму, происходит перегрузка транспортера, а транспортер работает с минимальной скоростью движения и автомат работает с максимальной производительностью. То в этом случае выключаются автомат и транспортер предыдущего звена и устанавливается запрет на включение.

Система регулирования работает в следующей последовательности: сначала происходит определение состояния датчиков, далее на основе их состояния происходит выбор вида регулирования и само регулирование. Далее происходит возврат к «основной системе».

8. Обоснование выбора основных составляющих системы

В состав основного оборудования системы входит:

- Контроллеры

- Частотные преобразователи (инверторы)

- Датчики

При выборе производителя устройств я руководствовался прежде всего тем, что на линии производства шампанского установлены промышленные контроллеры, датчики и частотные преобразователи фирмы OMRON, поэтому недостающее оборудование выбрано именно этой фирмы. При выборе конкретных моделей оборудования я руководствовался набором сервисных функций, которые соответствует требованиям к работе.

9. Требования к оборудованию

Основным требованием для датчиков является то, чтобы они могли сигнализировать прохождение полупрозрачного объекта. Компания OMRON имеет широкую линейку оптико-механических датчиков, а для данного случая так же имеются датчики, специально приспособленные для детектирования полупрозрачных объектов методом "отражение от рефлектора", таким является датчик серии E3Z-B. Этот датчик отлично подходит для детектирования бутылок объемом от 500мл до 2л. Он имеет подстройку чувствительности. Хорошо видимый луч красного цвета облегчает настройку.

Основными требованиями для данной системы к промышленным контроллерам является:

- объем памяти не менее 30 Кбайт.

- Возможность подключения через порт RS 232.

- Установки дополнительных блоков расширения.

- Не менее 5 цифровых входов и выходов.

- Не менее 2 аналоговых входов и выходов.

Компания OMRON предлагает большой спектр различных программируемых промышленных контроллеров разных типов, классов и характеристик. Так как на всех автоматах конвейера установлены промышленные контроллеры компании OMRON CQM1H и данные контроллеры подходят по техническим характеристикам для использования в данной системе, то при выборе контроллера я решил использовать именно эту модель. Эта модель имеет высокую скорость исполнения базовых функций (0.357 мкс.), также достаточное количество памяти для хранения программы и все требуемые порты ввода вывода.

Выбор частотных преобразователей для системы управления, для меня не составил сложности, так как на конвейере уже установлено семь устройств из 11 требуемых (по числу транспортеров). Это устройства компании OMRON серии SYSDRIVE 3G3JV, удовлетворяющие требования функционирования системы. Основные требования:

- Мощность двигателя 1.5 КВт.

- Наличие аналогового входа регулирования скорости.

- Токовое регулирование.

- Входное напряжение: три фазы, 380 В.

10. Основные узлы системы

Система состоит из 10 частотных преобразователей, 27 оптико-механических датчиков и 9 программируемых промышленных контроллеров. Датчики устанавливаются по 3 штуки на каждый транспортер кроме последнего выходного. Частотные преобразователи устанавливаются возле каждого транспортера, и подключаются к двигателям транспортера соответственно. К каждому промышленному контроллеру подключается частотный преобразователь, три датчика и контроллер автомата соответственно. Все контроллеры подключаются к последовательному порту RS - 232.

ОБОРУДОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

11. Фотоэлектрические датчики

В этом разделе даны технические характеристики основных типов фотоэлектрических датчиков, выпускаемых международной корпорацией Omron.

Датчики Omron сочетают в себе две важнейшие характеристики: высокий уровень надежности и низкий уровень цен при использовании новейших достижений науки, техники и технологий. Многие из этих достижений принадлежат специалистам корпорации, занимающимся разработками продукции.

Фотоэлектрические датчики могут быть применены практически во всех отраслях промышленности. Они используются как своеобразные бесконтактные выключатели для подсчета, обнаружения, позиционирования и других задач на любой технологической линии. Большое распространение фотодатчики получили не только в производственной области, но и в бытовом хозяйстве. Одним словом везде, где требуется автоматическое управление.

Метод обнаружения

По методу обнаружения объекта фотодатчики Omron подразделяются на 4 основные группы.

Пересечение луча (Through-beam)

В этом методе передатчик (Emitter) и приемник (Receiver) разделены по разным корпусам, что позволяет устанавливать их против друг друга на рабочем расстоянии. Принцип работы основан на том, что передатчик постоянно посылает световой луч, который принимает приемник. Если световой сигнал прекращается вследствие перекрытия сторонним объектом, приемник немедленно реагирует, меняя состояние выхода.

Отражение от рефлектора (Retroreflective)

В этом методе приемник и передатчик находятся в одном корпусе. Напротив датчика устанавливается рефлектор (отражатель). Посылаемый передатчиком световой сигнал, отражаясь от рефлектора, попадает в приемник. Если световой сигнал прекращается, приемник немедленно реагирует, меняя состояние выхода.

Отражение от объекта (Diffuse reflective)

В этом методе приемник и передатчик находятся в одном корпусе. Во время рабочего состояния датчика все объекты, попадающие в его рабочую зону становятся своеобразными рефлекторами. Как только световой луч, отразившись от объекта попадает на приемник, тот немедленно реагирует, меняя состояние выхода.

Фиксированное отражение от объекта (Definite reflective)

В этом методе приемник и передатчик находятся в одном корпусе. Эти датчики имеют два режима работы: «нормальный» и «зона». Принцип действия при «нормальном» режиме такой же, как и у «отражения от объекта», но более чутко реагирующий на отклонение от настройки на объект. Например, возможно детектирование вздутой пробки на бутылке с кефиром, неполное наполнение вакуумной упаковки с продуктами и т.д. При работе в режиме «зона» можно ограничить границы реагирования на объекты в пределах рабочего расстояния.

Назначение датчиков.

По своему назначению фотодатчики делятся на две основные группы: общего применения и специальные. К специальным относятся типы датчиков, предназначенные для решения более узкого круга задач. К примеру, обнаружение цветной метки на объекте, обнаружение контрастной границы, наличие этикетки на прозрачной упаковке и т.д. В некоторых типах датчиков существуют конкретные модели, относящиеся к специальной группе. Поэтому в разных группах может быть упомянут один и тот же тип.

Фотодатчики могут излучать свет в инфракрасном, красном или зеленом спектре. Выходной управляющий сигнал датчика работает по принципу "да" / "нет". Задача датчика обнаружить объект на расстоянии. Это расстояние варьируется в пределах 0,3мм-50м, в зависимости от выбранного типа датчика и метода обнаружения. Выходной сигнал датчиков может быть транзисторным, тиристорным или контакт-реле (типовые схемы подключения приведены ниже).

Конструктивные особенности

Основная часть типов фотоэлектрических датчиков Omron выполнена в прямоугольных корпусах: металлических или пластиковых. Они могут быть "вертикального" исполнения или "горизонтального", в зависимости от расположения оптической системы на корпусе датчика. Некоторые типы имеют подковообразную форму корпуса или цилиндрическую, которая в свою очередь делится на "осевую" и "радиальную"

- Цилиндрическая форма

- Прямоугольная форма

- Подковообразная форма

Цилиндрическая форма	Прямоугольная форма	Подковообразная форма

Рис. 2. Типы датчиков

Оптоволоконные датчики

В отдельную группу по своим конструктивным особенностям можно выделить типы датчиков с оптоволокном (рис 3.). В этом случае электрическая часть датчика находится в доступном и безопасном месте, а приемник и передатчик вынесены непосредственно в зону детектирования. Они передают световой сигнал к усилителю по оптоволоконному кабелю. В этих типах также существуют все методы обнаружения. Фотодатчики с оптоволокном незаменимы при решении задач обнаружения в труднодоступных местах и зонах с тяжелыми условиями окружающей среды, а благодаря миниатюрности такой оптической системы возможно обнаружение объектов до 0,012мм в диаметре. К тому же выход из строя чувствительного элемента в тяжелых условиях работы незначительно влияет на стоимость восстановления датчика. Один усилительный блок работает с множеством оптических кабелей, различающихся и по методу обнаружения и по конструктивным особенностям, так что вам не потребуется менять весь датчик при изменении задачи управления.

Рис. 3. Оптоволоконные датчики

Большинство типов фотодатчиков Omron имеет варианты способа подключения. Либо это встроенный электрический провод (стандартно 2м или 0,5м), либо резьбовой разъем или подключение на клеммы под винт Также почти все основные типы имеют класс защиты от окружающей среды IP67, что практически позволяет им работать под струями воды.

Стандартный объект (Standart detectable object type)

Для всех датчиков в характеристиках приведено описание стандартного объекта обнаружения: его размеры и цвет - белый, матовый. Это совсем не означает, что другие объекты данный тип датчиков не обнаруживает. Просто все остальные параметры характеристики датчика приведены применительно к стандартному объекту обнаружения и любое отклонение от него ведет к изменению, каких либо параметров. Например, смещение цвета объекта к более темному уменьшает рабочую дистанцию.

PNP

NPN

Рис. 4.Типовые схемы подключения (PNP и NPN).

Для детектирования прохождения бутылки по транспортерам конвейера используются датчики фирмы OMRON серии E3Z-B. Данные датчики выбраны потому что данная серия специально предназначена для детектирования полупрозрачных объектов, в данном случае стеклянные бутылки.

12. Описание датчиков фирмы OMRON серии E3Z-B

Рис. 5. Фотоэлектрический датчик компании OMRON серии Е3Z-B

Один из типов фотоэлектрических датчиков серии E3Z Специальный тип для обнаружения объектов из прозрачного материала методом "отражение от рефлектора". Идеален для детектирования бутылок объеме от 500мл до 2л. Имеет подстройку чувствительности. Хорошо видимый луч красного цвета облегчает настройку.

Таблица 4

Технические характеристики Фотоэлектрический датчик компании OMRON серии Е3Z-B

Метод детектирования	Отражение от рефлектора
Рабочая дистанция	500mm / 2m (выбором модели)
Спектр излучения	красный
Габаритные размеры (мм)	20 x 30 x 10 (вертикальное исполнение)
Напряжение питания	12-24 VDC
Потребляемый ток	30mA
Управляющий выход	открытый коллектор 100 mA, PNP или NPN (выбором модели) NO / NC (переключатель)
Защита цепей	защита от короткого замыкания нагрузки защита от переполюсовки питания
Быстродействие	1мс
Наличие таймера	нет
Подстройка дистанции срабатывания	Винт на корпусе
Способ подключения	Встроенный провод (2m или 500mm) Разъем М8
Условия эксплуатации	от -25°С до 55°С при 35% - 85% влажности
Класс защиты по воде и пыли	IP67

13. Частотные преобразователи

Частотные преобразователи предназначены для регулирования частоты вращения вала АД, изменяя скорость в широких пределах. Частотные преобразователи, получившие широкое распространение, являются инверторами напряжения, хотя ещё также существуют и используются инверторы тока. Это объясняется тем, что инверторы напряжения могут работать в многодвигательном приводе, и, самое главное, имеют более широкий диапазон изменения выходной частоты. Последнее обстоятельство открывает дорогу данным устройствам не только в производственную, но и в коммунальную сферу, где, например, нагрузка на водопровод крайне неравномерная. Частотные преобразователи помогают эффективно решить проблему необоснованного перерасхода - когда давление в трубах нормализуется, инвертор автоматически снижает момент на валу насоса, экономя при этом до 30 % энергии. В промышленности при производстве на конвейерах так же часто используются частотные преобразователи для управления транспортерами конвейера. В результате чего достигается синхронизация работы двигателей транспортера, а вследствие и всего конвейера, экономия электроэнергии и повышение производительности конвейера.

Частотные преобразователи (инверторы) служат для плавного, бесступенчатого регулирования скорости трехфазного асинхронного электродвигателя. Регулирование происходит за счет создания на выходе трехфазного тока переменной частоты.



Рис. 6. Схема подключения инвертора

Частотный преобразователь состоит из системы управления, выпрямителя, шины постоянного тока и выходного генератора. Выходное напряжение создается методом высокочастотной широтно-импульсной модуляции.

В настоящее время OMRON выпускает 8 серий частотных преобразователей SYSDRIVE - 3G3EV, 3G3JV, 3G3MV, 3G3HV, 3G3PV, 3G3RV, 3G3GV и 3G3FV. Серии отличаются диапазоном мощностей и возможностями системы управления.

Преобразователи серии EV и JV- небольшой мощности, компактны и просты в эксплуатации. Обладая всеми преимуществами частотных преобразователей OMRON, они имеют невысокую цену. Существуют модификации с питанием от однофазной сети 220 В.

Рис. 7. Конвейер.

Серии HV и PV охватывают большой диапазон мощностей (до 300 кВт). Преобразователи этой серии подходят для большинства обычных применений - приводы насосов, вентиляторов и т.д. Эти преобразователи имеют встроенный ПИД - регулятор и функцию энергосбережения.

Рис. 8. Вентилятор

Преобразователи серии MV, RV, FV, и GV отличаются режимом векторного управления. 3G3FV и 3G3GV имеют векторное управление с обратной связью. Эта группа преобразователей имеет возможность работы с полным моментом в области нулевых частот и обладает улучшенными динамическими характеристиками: имеют функцию автоматического определения параметров электродвигателя. Они предназначены для приводов поршневых насосов, шнеков и задач позиционирования, могут (с асинхронным двигателем) заменять двигатели постоянного тока.

Рис. 9. Промышленный кран.

14. Основные возможности частотных преобразователей

Частотные преобразователи обеспечивают полную электронную защиту преобразователя и двигателя от перегрузок по току, перегрева, утечки на землю и обрыва фазы.

Преобразователь позволяет отслеживать и отображать на цифровом пульте основные параметры системы на заданную скорость, выходную частоту, ток и напряжение двигателя, выходную мощность и момент, состояние дискретных входов, общее время работы преобразователя и т. д. В зависимости от характера нагрузки можно выбрать подходящую V/f характеристику или создать свою собственную.

Управлять частотным преобразователем OMRON можно либо со встроенной цифровой панели, либо с помощью внешних сигналов. Во втором случае скорость вращения задается аналоговым сигналом 0-10В или 4-20мA, а команды пуска, останова и изменения режимов подаются дискретными сигналами.

Существует возможность управления преобразователем через последовательный интерфейс (RS-232, RS-422 или RS-485) с использованием специального протокола.

Специальные функции

Преобразователи OMRON имеют несколько специальных функций.

Энергосбережение

Преобразователь позволяет экономить на непроизводительных затратах энергии, кроме того, он имеет функцию энергосбережения. Эта функция позволяет при выполнении той же работы экономить дополнительно от 5 до 30% электроэнергии путем поддержания электродвигателя в режиме оптимального КПД.

В режиме энергосбережения преобразователь автоматически отслеживает потребление тока, рассчитывает нагрузку и снижает выходное напряжение. Таким образом, снижаются потери на обмотках двигателя и увеличивается его КПД.

ПИД-регулятор

Преобразователи OMRON имеют встроенный регулятор процесса (ПИД-регулятор). Для работы в этом режиме необходим датчик обратной связи. Преобразователь изменяет скорость вращения двигателя таким образом, чтобы поддерживать на заданном уровне определенный параметр системы (уровень, давление, расход, температура и т.п.).

Предотвращение резонанса

Иногда при работе на определенных частотах в механической системе возникает резонанс. В этом случае преобразователь может обходить резонансную частоту.

Предотвращение опрокидывания ротора

Функция предотвращения опрокидывания ротора работает в трех режимах - при разгоне, при торможении и во время работы. При разгоне, если задано слишком большое ускорение и не хватает мощности, преобразователь автоматически продлевает время разгона. При торможении функция работает аналогично. При работе эта функция позволяет в случае перегрузки вместо аварийной остановки продолжить работу на меньшей скорости.

Определение скорости

Иногда возникают ситуации, в которых пуск преобразователя происходит при вращающейся нагрузке. Для предотвращения опрокидывания в этом случае применяется функция поиска скорости. При ее использовании преобразователь при пуске определяет скорость вращения нагрузки и начинает регулирование не с нуля, а с этой скорости.

Инвертор SYSDRIVE 3G3MV

Многофункциональный компактный инвертор серии SYSDRIVE 3G3MV является первым компактным инвертором, незаменимым при создании систем с разомкнутым векторным управлением. Инвертор 3G3MV удовлетворяет Директивам ЕС и требованиям Стандартов UL/cUL, которые используются во всем мире. Более того, Инвертор серии 3G3MV объединяет в себе различные методы управления, сети и функции ввода/вывода, гибкие и легкие в использовании.

Модели Инвертора SYSDRIVE 3G3MV

Имеются следующие модели 3G3MV класса 200-V (3-фазные и 1-фазные 200 VAC) и класса 400-V (3-фазные 400 VAC).

Высокий момент вращения, идеальный для различных применений

Инвертор 3G3MV является первым компактным инвертором OMRON со встроенной функцией разомкнутого векторного управления, который гарантирует момент вращения на выходе, составляющий 150% от номинального момента вращения двигателя при выходной частоте 1 Гц. Он обеспечивает более стабильное вращение на низких частотах, чем у любых инверторов подобного типа. Более того, инвертор 3G3MV подавляет колебания, вызываемые нагрузкой. Так же включает полностью автоматическую функцию усиления момента вращения, которая делает более мощной работу двигателя при вольт-частотном (U/f) управлении. Имеет высокоскоростную функцию ограничения тока, подавляющую превышение тока, вызванное высоким моментом вращения, и гарантирующую плавную работу двигателя.

Удобные и легкие в использовании функции

Регулятор частоты в Цифровом Пульте Управления (ЦПУ) позволяет легко выполнить операцию регулирования. По умолчанию принимается режим функционирования согласно настройкам регулятора частоты. Цифровой пульт управления имеет функцию копирования параметров, гарантирующую легкое изменение параметров. Обеспечивается легкость технического обслуживания. Охлаждающий вентилятор легко заменяется. Срок службы вентилятора может быть увеличен, если включать его только при работающем инверторе. Имеется встроенный управляющий транзистор. Кроме того, Инвертор будет обеспечивать более эффективное управление при непосредственном подключении тормозного резистора. Имеет встроенную цепь защиты от бросков тока, которая предотвращает плавление контактов на блоке питания.

Международные Стандарты (Директивы EC и Стандарты UL/cUL)

Инвертор 3G3MV удовлетворяет Директивам ЕС и требованиям Стандартов UL/cUL, которые используются во всем мире.

Совместимость с интерфейсами CompoBus/D и RS-422/485

Поддерживает обмен по RS-422 и RS-485, согласующийся с протоколом обмена MODBUS, что делает возможным легко строить сети с использованием макрофункций протокола или с использованием блока ASCII, установленного в программируемый контроллер OMRON семейства SYSMAC. Протокол обмена MODBUS является торговой маркой фирмы AEG Schneider Automation.

Подключается к Блоку Обмена 3G3MV-PDRT1-SINV сети CompoBus/D. Инвертору 3G3MV доступны функции удаленного ввода/вывода в сети CompoBus/D, которые гарантируют легкий обмен, как при стандартном вводе/выводе. Более того, обмен по CompoBus/D соответствует обмену по протоколу DeviceNet для открытых сетей, что позволяет создавать сети, в которых могут сосуществовать устройства других компаний.

Подключаются различные сигналы ввода/вывода для широкого диапазона применений:

- Аналоговый вход напряжения: от 0 до 10 V

- Аналоговый вход тока: от 4 до 20 мА или от 0 до 20 мА

-Вход импульсного управления: от 0.1 до 33.0 кГц (задается параметром)

-Многофункциональный аналоговый выход или выход импульсного управления, выбираемый в качестве выхода слежения.

Подавление Гармоник

Подключается к реактору постоянного тока, который подавляет гармоники более эффективно, чем соответствующие реакторы переменного тока. Дальнейшее совершенствование процесса подавления гармоник возможно при комбинированном использовании реакторов постоянного и переменного тока.

Рис. 10. Лицевая панель частотного преобразователя.

Рис. 11. Функции элементов пульта.



Рис. 12. Описание клемм силовой цепи

Рис. 13. Описание клемм цепей управления.



Рис. 14. Типовая схема подключения частотного преобразователя.

15. Общие сведения по промышленным контроллерам

Промышленные контроллеры имеют разнообразное применение в промышленности и в быту они предназначены для управления электронными и электрическими аналоговыми и цифровыми устройствами. В составе с вспомогательными устройствами контроллеры выполняют различные функции: обработка информации, управление, регулирование, мониторинг, измерение, сигнализацию, контроль. Основными направлениями применения контроллеров в промышленности является: конвейеры, транспортеры, контроль водоснабжения, автоматы, станки и многие другие. Основными направлениями применения контроллеров в быту является: автоматизация помещений, кондиционирование, автоматические двери, миксеры и мешалки, эскалаторы, водоснабжение и т.д. Так же в большинстве медицинской техники имеется применение контроллеров.

Программируемые контроллеры компании OMRON габаритным размерам относятся к контроллерам средних размеров, однако, обеспечивают повышенную эффективность выполнения программ за счет способности разделения программы на задачи. Контроллеры, кроме того, имеют более высокую скорость выполнения операций, повышенную производительность, обладают способностью создания макро-протоколов для одновременной поддержки нескольких портов, а также способны осуществлять непрерывный коммуникационный обмен через три уровня сетевого обмена. Более того, они обладают повышенными возможностями гибкой обработки информации, что является основной задачей контроллеров для автоматизации производственных процессов.

Рис. 14. Возможная схема подключения контролера

Японская фирма OMRON является одним из мировых лидеров в области промышленной автоматизации и программируемые логические контроллеры (ПЛК) начала выпускать одной из первых. Первые контроллеры серии SYSMAC S6 появились в начале 80х годов и изначально использовались для замены традиционных устройств релейной автоматики.

Сегодня ПЛК, благодаря своей универсальности, решают широчайший круг задач и могут применяться в любых отраслях промышленности, в энергетике, металлургии, медицине, транспорте, сельском хозяйстве.

Программируемый контроллер (ПЛК) - устройство, предназначенное для сбора, преобразования, обработки, хранения информации и выработки команд управления. Контроллер реализован на базе микропроцессорной техники и работает в локальных и распределённых системах управления в реальном времени в соответствии с набором программ.

По функциональным признакам в ПЛК можно выделить следующие элементы:

- Центральный процессор, предназначенный для выполнения команд (инструкций) управляющей программы и обработки данных, размещённых в памяти.

- Память контроллера с жёстким распределением областей для размещения различных типов данных.

- Модули ввода, обеспечивающие приём и первичное преобразование информации от датчиков объекта управления.

- Модули вывода, предназначенные для выдачи управляющих сигналов на исполнительные устройства объекта управления.

По конструктивному исполнению ПЛК могут быть:

- Блочного типа

- Модульного типа

По техническим возможностям, которые определяют уровень решаемых задач, ПЛК фирмы OMRON делятся на классы:

- Микро (Micro)

- Малые (Small)

- Средние (Medium)

- Большие (Large)

Применение программируемых контроллеров OMRON в управлении непрерывными технологическими процессами.

Программируемые логические контроллеры (PLC) корпорации OMRON (Япония) делятся на четыре класса: Micro (микро), Small (малые), Medium (средние) и Large (большие). Широкое применение в системах автоматического управления (САУ) непрерывными технологическими процессами получили PLC классов Medium и Large. Сбалансированная совокупность основных характеристик и функциональных возможностей PLC этих классов определило их преимущественное использование в САУ наиболее ответственными объектами. К их числу относятся бортовые установки космических агрегатов, системы управления процессами ядерных технологий, объекты военно-промышленного комплекса, объекты теплоэнергетики. Новой разработкой в этом классе изделий являются программируемые контроллеры серии SYSMAC CS1 (рис.15).

Рис. 15. Программируемый контроллер SYSMAC CS1

Контроллеры серии CS1 по функциональным возможностям и техническим характеристикам существенно превосходят ранние модели PLC фирмы OMRON, а также изделия известных мировых фирм, находящихся в этом классе (класс - Medium). Ниже приводятся некоторые (общепринятые для программируемых логических контроллеров) параметры PLC CS1:

Быстродействие (время исполнения инструкции LD) - 0.04 c;

Количество инструкций - более 400;

Количество точек ввода/вывода - 5120;

Емкость памяти программ - 250 Kшагов;

Емкость энергонезависимой памяти данных (DM) - 448 Кслов;

Емкость карты Flash-памяти - 48 МВ;

Номенклатура поддерживаемых модулей (ввода/вывода, специальных, коммуникационных) - более 100 типов.

Сети и интерфейсы:

Ethernet (FTP, TCP/IP, UDP/IP);

Controller Link;

PC Link;

DeviceNet (CompoBus/D);

CompoBus/S;

ProfiBus/DP;

Host Link;

NT Link;

Protocol Macros;

Peripheral Bus.

В настоящее время выпускается 9 моделей модулей центрального процессора контроллеров серии CS1. Между собой модули CPU (рис. 16.) отличаются количеством бит I/O (минимально 960 бит I/O для CS1G-cpu42; максимально 5120 бит I/O для CS1H-cpu67), емкостью программ (минимально 10Kшагов для CS1G-cpu42; максимально 250К steps для CS1H-cpu67), размером памяти данных (минимально 32К слов для CS1G-cpu42; максимально 448К слов для CS1H-cpu67), наличием или отсутствием EM-памяти. Широкая сетка взаимных сочетаний названных параметров позволяет произвести оптимальный выбор модуля CPU для конкретного технологического процесса. Все типы модулей CPU снабжены коннектором для установки карты Flash-памяти, периферийным портом и портом RS232C, а также имеют отсек для установки дополнительных коммуникационных плат.

Рис. 16. Модуль ЦПУ.

Качественно изменились некоторые ранее существующие инструкции процессора и добавились новые, упрощающие программирование сложных алгоритмов. В частности такие инструкции как таймеры и счетчики ранее принадлежали одной области памяти (не могли иметь одинаковые номера в одной программе) и их общее количество для контроллеров. как правило не превышало 512. В программах контроллеров CS1 можно одновременно использовать таймеры и счетчики с одинаковыми номерами. Тех и других может быть по 4096. Появились новые инструкции, позволяющие обрабатывать файловую память, текстовые строки, индексные регистры и многие другие. Используя их, модуль CPU может манипулировать своей собственной памятью. Так, например, из программы лестничных диаграмм можно осуществлять весь набор операций над файлами, расположенными на карте памяти (удалять, копировать, создавать директорию и изменять ее имя). Программу пользователя, находящуюся в CPU модуле, можно заменить программой из карты памяти не выключая контроллер и без применения средств программирования. Программу пользователя и областей данных можно автоматически сохранить на карте памяти при включении питания («легкое сохранение»). В случае обнаружения неисправности, все данные, расположенные в модуле CPU будут сохранены мгновенно. Это особенно важно для систем управления с повышенными требованиями к надежности.

...