Разработка системы циклового программного управления

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Система циклового программного управления исполнительными механизмами (ИМ) технологического оборудования в машиностроении является одной из типовых, которая используется в промышленных роботах и другом автоматизированном оборудовании. Система может управлять как пневматическими, так и гидравлическими исполнительными механизмами возвратно-поступательного или вращательного движения. Эта система может быть использована на различных уровнях управления, т.е. позволяет проектировать иерархические системы управления (СУ).

Проектируемая СУ является одной из универсальных и позволяет управлять от одного до пятидесяти ИМ, осуществлять от одного до нескольких (не более десяти) повторных движений любого ИМ в одном цикле, автоматизировать технологический процесс (ТП) с числом тактов в цикле от двух до нескольких десятков. Система управления позволяет осуществить перепрограммирование СУ на другую циклограмму, другое количество тактов в цикле, которое может быть меньше, чем запрограммировано в системе.

Система управления позволяет обеспечить работу в следующих режимах: цикловой программный гидроагрегат трубопровод

АУ - автоматического управления;

ДУ - дистанционного управления;

ЗИП - занятие исходного положения;

ПАУ-ШАГ - полуавтоматического (пошагового) управления по тактам;

- ЦИКЛ0-ЦИКЛ1 - позволяет включить СУ на многократную отработку циклов или выполнение одиночного цикла соответственно.

СУ построена на основе модульного принципа, и поэтому может быть расширена до необходимых размеров. СУ спроектирована на основе одномембранных пневматических элементах системы НЭМП-30 (набор элементов мембранной пневмотехники модификации 30), трех и пятимембранных элементов системы УСЭППА (универсальная система элементов промышленной пневмоавтоматики).

1. Основные положения по устройству и принципу действия разработанной системы циклового программного управления исполнительными механизмами

Система циклового программного управления включает в себя следующие блоки и модули:

1) Блок формирования команд (БФК ИМ):

- модуль памяти (общий);

- модуль ограничения;

- модуль «программируемой И»;

- модуль ДУ-ЗИП;

- модуль индикации положения ИМ;

- модуль формирования задержки сигнала по времени (пневматический таймер);

- модуль ИЛИ;

2) Блок тактового управления (БТУ):

- промежуточные модули БТУ;

- первый модуль тактов и модуль запуска БТУ;

- конечный модуль тактов и модуль конца цикла;

- модуль индикации тактов;

3) Блок режимов работы системы управления (БРР СУ):

- модуль ввода сигналов ПУСК-СТОП;

- модуль ввода сигналов ЦИКЛ0-ЦИКЛ1;

- модуль ввода сигналов АУ-ДУ;

- модуль ввода сигналов ЗИП;

- модуль ввода сигналов ПАУ-ШАГ.

Разработанная система циклового программного управления ИМ основана на одномембранных пневматических элементах системы НЭМП-30 (набор элементов мембранной пневмотехники модификации 30), на трех и пятимембранных элементах системы УСЭППА (универсальная система элементов промышленной пневмоавтоматики.

1.1 Блок формирования команд исполнительных механизмов

Блок формирования команд включает в себя следующие модули: модуль ограничения, модуль ИЛИ, модуль памяти, модуль ДУ-ЗИП, модуль «программируемой И», модуль индикации ИМ, модуль задержки сигнала по времени.

Модуль «программируемой И» предназначен для выработки сигнала Р=1, если все ИМ заняли исходное положение. Сигнал с этого модуля снимает ранее поданный в СУ сигнал ЗИП. Этот сигнал с модуля поступает также на модуль индикации. Штуцеры X1-Х8 - это штуцеры, которые выводятся на ПНП и должны быть в соответствии с заданием заглушены определенным образом.

Модуль ограничения предназначен для ограничения по давлению сигнала, поступающего с БТУ (снижает до 0,32). Уровень сигнала Р=0,32 называется уровнем передачи информации от БТУ к БФК ИМ при переходе СУ на следующий такт. Этот сигнал поступает к следующему модулю ИЛИ, модулю памяти и т.д., и приводит к перемещению подвижных частей ИМ. Когда подвижные части ИМ доходят конечного положения, срабатывают конечные выключатели и формируется сигнал, например на штуцере ВходХ1, равный 1. На штуцер А1.1 поступает сигнал равный 1, этот сигнал называют сигналом приема информации от БФК ИМ к БТУ. По этому сигналу БТУ переводит систему управления на следующий такт.

Модуль ИЛИ предназначен для формирования и выдачи на модуль памяти ИМ сигнала равного 1 при поступлении на вход одного из нескольких сигналов равных 0,32 от модуля ограничения БФК ИМ.

Модуль памяти предназначен для взаимной блокировки выходных сигналов, то есть исключает появление на обоих входах одновременно сигналов равных 1, а также обеспечивает запоминание кратковременного воздействия оператором на кнопку ДУ, то есть обеспечивает перемещение подвижных частей до КВ. При поступлении на один из входов модуля сигнала Р=1, модуль не может изменить состояние выходных сигналов до тех пор, пока входной не будет снят.

Модуль ДУ-ЗИП. В проектируемой СУ, в БРР СУ имеется модуль АУ-ДУ (автоматическое - дистанционное управление). Сигналы от модуля АУ-ДУ являются подготовительными, по этим сигналам ИМ никаких движений не совершает, а только переводится в режим АУ-ДУ. В БРР имеется также модуль ввода сигналов ЗИП (задание исходного положения) для ИМ. Этот модуль при воздействии на кнопку ЗИП формирует сигнал Р=1 на штуцере ЗИП0, который выведен на панель набора программы (ПНП). Сигнал ЗИП снимается после того, как все ИМ займут исходное положение, специальным модулем программируемой И. В блоке БФК ИМ в схемах всех движений всех ИМ имеются свои модули ДУ-ЗИП, которые реагируют на сигналы ДУ и ЗИП от БРР. Каждый ИМ проектируемой СУ имеет (кроме общей кнопки ДУ в модуле ДУ-АУ БРР СУ) также по две кнопки (на каждое движение ИМ). При нажатии на кнопки ДУ в модуле ДУ-ЗИП БФК ИМ формируется сигнал Р=1, поступающий на модуль памяти, который осуществляет соответствующее перемещение соответствующего ИМ. Сигнал от конечного выключателя поступает на модуль «программируемой И» и в модуль ДУ-ЗИП, формируя на штуцере Выход ЗИПХ1 сигнал Р=1.

Модуль индикации положения ИМ выполнен на основе индикаторов поршневого типа, которые представляют собой две зоны: видимую и невидимую. Поршень под действием проходящего воздуха может смещаться в одну или в другую зону, сигнализируя о наличии или отсутствии сигнала, о движении вперед или назад.

Модуль формирования задержки сигнала по времени (пневматический таймер) предназначен для формирования задержки сигнала по времени для точного соблюдения длительности такта, независимо от того совершили ли ИМ движения ранее установленного времени. В СУ этот таймер должен быть подключен своим штуцером к штуцеру БТУ того такта, на котором нужна задержка.

1.2 Блок тактов управления

Блок тактового управления (БТУ) в СУ предназначен для формирования команд перехода СУ от одного такта к другому, после того как предыдущий такт завершен, т.е. все ИМ совершили необходимые движения или сработал таймер, если он подключен. Штуцеры модуля тактов выведены на ПНП. К штуцерам тактов присоединены штуцеры а, б ..., от которых подаются сигналы на индикаторы тактов.

БТУ содержит промежуточные модули тактов, модуль запуска БТУ и модуль конец цикла БТУ.

Промежуточные модули тактов БТУ предназначены для осуществления перехода СУ на следующий такт. Формируют сигналы на соответствующих штуцерах тактов, которые поступают на БФК, а также принимают сигналы от БФК при завершении движений ИМ для перевода СУ на следующий такт.

Модуль запуска БТУ. При подаче сигнала «Пуск» от модуля ПУСК-СТОП на модуль запуска БТУ, он начинает работу СУ по циклограмме, начиная с первого такта, а сам модуль запуска отключается с помощью пневматических диодов.

Конечный модуль тактов и модуль конец цикла. При отработке последнего такта срабатывает модуль конец цикла, формируя на выходе сигнал Р=1, который поступает на модуль ПУСК-СТОП. В модуле конец цикла имеется штуцер КЦ, который предназначен для управления технологическим процессом, число тактов в котором меньше, чем тактов по БТУ. Например, в СУ, имеющей 10 тактов, необходимо выполнить 7 тактов, тогда штуцер КЦ необходимо соединить со штуцером Такт 8. После выполнения 7 такта срабатывает модуль конец цикла.

Модуль индикации тактов. Работает аналогично модулю индикации положения ИМ.

При автоматизации производственных процессов циклы имеют такты с различной длительностью, и переход СУ с одного такта на другой происходит после определения состояния системы на предыдущем такте (т.е. выполнен этот такт полностью или нет). Такие циклы, автоматы и СУ называются асинхронными. БТУ поочередно отрабатывает все такты, доходит до конечного модуля БТУ, а затем срабатывает модуль конец цикла, который формирует сигнал Р=1. этот сигнал поступает на усилитель Р1, который снимает питание с БТУ. На БТУ не подается питание, и выходной сигнал с модуля конец цикла также снижается до 0, поэтому усилитель Р1 через некоторое время снова подает питание на БТУ, и цикл работы модуля запуска и первого такта БТУ повторяется, и так происходит на каждом цикле.

1.3 Блок задания режимов работы системы управления

Состоит из следующих модулей:

- модуль ПУСК-СТОП;

- модуль ПАУ-ШАГ;

- модуль ЗИП модуль;

- АУ-ДУ модуль;

- ЦИКЛО-ЦИКЛ1.

Работу СУ в выше перечисленных режимах обеспечивают усилители Р1, Р2. Это трех- и пятимембранные элементы, имеющие разную конструктивную форму.

Усилитель Р2 предназначен для формировании сигнала ПУСК на БТУ при сравнении сигналов, поступающих с модуля ПАУ-ШАГ или при их отсутствии. Усилитель Р1 предназначен для подачи питания на БТУ. Питание подается только в том случае, если поступает сигнал ПУСК от модуля ПУСК-СТОП.

Модуль ЦИКЛ0-ЦИКЛ1 обеспечивает работу СУ в двух режимах. Режим ЦИКЛ0 обеспечивает непрерывную работу СУ, т.е. при завершении выполнения последнего такта СУ переходит на выполнение первого такта и т.д. При режиме ЦИКЛ1 СУ выполняет только один цикл.

Модуль ПУСК-СТОП содержит стандартный модуль ПУСК-СТОП, модуль инвертирования, два элемента расширения сигналов для кнопок ПУСК-СТОП и два элемента, обеспечивающих ввод сигнала СТОП от модулей конец цикла БТУ и модуля ввода ЦИКЛ0-ЦИКЛ1. Кнопки ПУСК срабатывают только в том случае, если СУ переведена в режим АУ, т.е. сигнал Р=1 от АУ выполняет роль источника питания. По окончании цикла, при выборе режима ЦИКЛ0 модуль ПУСК-СТОП остается в режиме ПУСК, а при выборе режима ЦИКЛ1 модуль ПУСК-СТОП переходит в режим СТОП.

Модуль ЗИП обеспечивает занятие исходного положения ИМ. Модуль выполнен на базе тех же элементов, что и модуль ПУСК-СТОП. При нажатии на кнопку ЗИП, формируется сигнал Р=1 на штуцере ЗИП0, который выведен на ПНП и соединен, согласно закону занятия исходного положения, со штуцером модуля ДУ-ЗИП. Сигналом СТОП служит сигнал Р=1 поступающий на штуцер ИП1 после того как все ИМ займут исходное положение.

Модуль АУ-ДУ предназначен для включения режимов АУ и ДУ.

АУ - автоматический режим работы (после нажатия на кнопку ПУСК, ИМ будут перемещаться согласно циклограмме самостоятельно). ДУ - дистанционный режим работы используется в основном для настройки системы, поэтому кнопки управления ИМ не выводятся на ПНП (ИМ перемещаются по сигналам, поступающим от кнопок управления ИМ, независимо от циклограммы). Этот модуль выполнен на основе модуля ПУСК-СТОП (АУ=ПУСК, ДУ=СТОП). При нажатии на кнопку ДУ происходит выключение модулей ПАУ-ШАГ, ЗИП. Эти модули будут выключены, только при наличии сигнала СТОП.

Модуль ПАУ-ШАГ предназначен для обеспечения работы СУ в полуавтоматическом режиме (пошаговый, наладочный). Модуль выполнен на основе модуля ПУСК-СТОП. При нажатии на кнопку ПАУ система подготавливается к работе в полуавтоматическом режиме, отключая ПУСК от БТУ. При нажатии на кнопку ШАГ формируется сигнал Р=1, который поступает на усилитель Р2, где он сравнивается с сигналом ПАУ, включая линию ПУСК на БТУ. СУ будет работать в автоматическом режиме, до тех пор, пока будет воздействие на кнопку ШАГ.

1.4 Панель набора программ СУ

Панель набора программ содержит кнопки, а также индикаторы всех режимов работы СУ: АУ-ДУ, ПАУ-ШАГ, ЗИП, ЦИКЛ0-ЦИКЛ1. Воздействуя на кнопки, оператор переводит СУ в необходимый режим, а индикаторы сигнализируют, какой режим задействован. На ПНП выведены кнопки ПУСК, СТОП (запуск и остановка СУ). Также на ПНП выведены штуцеры и индикаторы тактов БТУ. Индикаторы сигнализируют, какой такт отрабатывает СУ. Штуцеры тактов соединяются определенным образом, согласно циклограмме, со штуцерами повторных движений каждого ИМ, тем самым задается программа перемещений ИМ в определенной последовательности (исходя из технологического процесса, для которого строится циклограмма). На ПНП выведены штуцеры для задания исходного положения. Они должны быть определенным образом запрограммированы, т.е. должны быть соединены между собой и со штуцером ЗИП0, который также выведен на ПНП. Программируются штуцеры ЗИП согласно закону ИП, который задает порядок занятия исполнительными механизмами ИП. Штуцеры модуля «программируемой И» также выведены на ПНП и должны быть определенным образом заглушены (часть из них), согласно закону ИП. На ПНП выведены индикаторы положения ИМ, а также кнопки ДУ ИМ. На ПНП выводятся штуцер и индикатор работы модуля формирования задержки сигнала по времени (пневматического таймера). На ПНП также выведен штуцер КЦ с БТУ, который предназначен для управления процессом, число тактов которого меньше, чем тактов по БТУ.

1.5 Схема управления гидропневматическими ИМ

Сформированные в БФК сигналы Р=1 со штуцеров Выход (А1,А2,Б1,Б2,В1,В2,Г1,Г2) поступают в соответствующие линии управления золотниковыми распределителями, которые подают рабочую среду исполнительному механизму.

Пневматическими ИМ управляют распределители 5/2, а гидравлическими - 4/3 по сигналам которых ИМ совершают движения, доходят до конечных выключателей, формируя сигнал в линиях Вход на БФК.

2. Анализ последствий от неисправностей элементов в системе управления

2.1 Анализ последствий в системе управления при разрыве мембран элементов

В результате разрыва мембраны в элементе, давление в камерах уравнивается, и клапан закрывается или открывается, в зависимости от того, в какой камере расположена пружина.

- Э1 - элемент находится в модуле ограничения для ИМ1 движение вперед. В режиме ДУ движение ИМ будет выполняться, так как блок ограничения не влияет на работу ИМ в режиме ДУ. В режимах ПАУ и АУ движение ИМ не происходит, так как воздух будет уходить в атмосферу через поврежденный элемент.

- Э8 - элемент находится в модуле ДУ-ЗИП для ИМ1 движение вперед. Режим ДУ работает нормально. В режиме ЗИП при заданном порядке занятия исходного положения работа пройдет нормально.

- Э16 - элемент находится в модуле ИЛИ для ИМ1 движение назад. В режиме ДУ движение ИМ1 вперед невозможно, так как сигнал от кнопки ДУ-А2 будет выходить через штуцер А2.1. Режим ЗИП пройдет в штатном режиме. Режимы ПАУ и АУ движение возможно только до 1 повторного движение ИМ1, после чего произойдет остановка.

2.2 Анализ последствий в СУ при потере проводимости клапанов элементов

Потеря проводимости элементом означает, что, при любых обстоятельствах, клапан элемента будет закрыт.

- Э1 - элемент находится в модуле ограничения для ИМ1 движение вперед. Во всех режимах работа СУ будет нормальной.

- Э8 - элемент находится в модуле ДУ-ЗИП для ИМ1 движение вперед. Режим ДУ работает нормально. В режиме ЗИП при заданном порядке занятия исходного положения работа пройдет нормально.

- Э16 - элемент находится в модуле ИЛИ для ИМ1 движение назад. В автоматическом режиме ИМ1 будет совершать движение назад, а в режиме ДУ и ЗИП движение совершать не будет.

3. Расчеты по выбору гидроагрегатов и трубопроводу системы управления

3.1 Расчет по выбору гидронасоса

В системах автоматизации и управления станков, роботов и других механизмов и комплексов гидронасосы приводятся в движение от электродвигателей, которые обычно имеют номинальное число оборотов в минуту.

об/мин.

Произведём расчёт по выбору типоразмера гидронасоса системы управления станка.

3.1.1 Определение фактической подачи гидронасоса при всех одновременно работающих потребителях проектируемой системы управления станка

,

где - расход рабочей жидкости к исполнительным механизмам привода, л/мин.

В проектируемой системе автоматизации и управления имеется три гидроцилиндра и гидромотор, которые потребляют соответственно , , и л/мин. В этом случае гидронасос должен обеспечивать фактическую подачу,

л/мин.

3.1.2 Определение необходимого рабочего объёма гидронасоса

,

где об/мин - оптимальное число оборотов электродвигателя и гидронасоса;

см³/об.

3.1.3 Выбор стандартных рабочих объёмов для гидронасоса

При см³/об, согласно ГОСТ 13834-80 стандартные рабочие объёмы, которые могут быть приняты для гидронасоса, составляют , , и 63 см³/об.

3.1.4 Определение максимального рабочего давления гидронасоса с учётом возможных перегрузок

,

где МПа - давление рабочей жидкости в системе автоматизации и управления на входе в исполнительные механизмы;

- полная потеря давления в системе автоматизации и управления от гидронасоса до исполнительных механизмов;

- коэффициент повышения давления в системе автоматизации и управления в результате срабатывания предохранительного клапана.

МПа.

3.1.5 Выбор гидронасоса

По полученным значениям рабочего объёма, максимального рабочего давления, по заданному номинальному числу оборотов и по номенклатуре серийно выпускаемых промышленностью гидронасосов выбираем пластинчатый нерегулируемый гидронасос типа по ТУ . Этот гидронасос имеет рабочий объём см³/об; номинальное давление МПа; номинальное число оборотов об/мин; объёмный кпд ; полный кпд .

3.1.6 Вычисление фактической подачи выбранного гидронасоса

л/мин.

3.1.7 Проверка неравенства .

л/мин. Равенство выполняется.

3.1.8 Вычисление мощности на валу гидронасоса (приводной мощности)

,

где - перепад между линией нагнетания и линией всасывания гидронасоса,

,

где МПа - давление нагнетания для выбранного гидронасоса;

МПа - давление всасывания.

 МПа.

кВт.

3.2 Расчет по выбору гидроцилиндра

При проектировании систем автоматизации и управления станков, роботов или другого технологического оборудования, в которых в качестве исполнительных механизмов предполагается использование гидроцилиндров, вначале устанавливают исходные данные для всех расчётов.

Произведём расчёты по выбору гидроцилиндра двухстороннего действия с односторонним штоком для перемещения механизма руки робота вверх-вниз (или вертикального перемещения инструментального магазина вертикально-фрезерного полуавтомата с ЧПУ).

Основными исходными данными для расчёта являются:

N₁ = 2130Н - усилие для подъёма механизма руки робота вверх;

N₂ = 568 Н - сила, расходуемая на перемещение массы поршня, штока и одной третьей массы рабочей жидкости, находящейся в полостях гидроцилиндра и соединительных трубопроводах;

V₁ = 0,355 м/c - скорость перемещения штока гидроцилиндра вверх;

V₂ = 0,497 м/c - скорость перемещения штока гидроцилиндра вниз;

L = 533,6 мм - длина хода поршня.

Принятый гидроцилиндр двухстороннего действия с односторонним штоком установлен вертикально, корпус гидроцилиндра соединён жёстко с основанием робота, а шток сообщён с подвижным механизмом руки робота.

3.2.1 Выбор стандартного хода поршня по ГОСТ 6540-68

мм.

3.2.2 Вычисление приведённой длины поршня

,

где К_зак - коэффициент, характеризующий способ закрепления гидроцилиндра на станке или роботе. Его значение выбирают по ГОСТ 6540-68. Принимаем, что корпус гидроцилиндра жёстко закреплён к основанию робота, а шток перемещает деталь по вертикальной направляющей, тогда К_зак = 0,7 и

мм.

3.2.3 Определение эффективной силы, действующей на шток гидроцилиндра

где К_тр = 0,18 - коэффициент, учитывающий потери на трение в гидроцилиндре;

- сила инерции движущихся частей гидроцилиндра и соединенных с ним массы деталей и рабочей жидкости;

кг .

где m_u - приведённая масса подвижных частей гидроцилиндра, присоединённых к нему устройств и одной третьей массы рабочей жидкости, находящейся в полостях гидроцилиндра и соединительных трубопроводах;

а - ускорение перемещения подвижных частей гидроцилиндра и приведённой к нему массы, которое принимает два значения:

м/с² - при перемещении штока вверх;

м/с²- при перемещении штока вниз;

Н;

Н;

- сила сопротивления пружины гидроцилиндра;

R₀ - предварительное натяжение пружины, Н;

С_пр - жёсткость пружины, Н/мм;

- сила, возникающая от давления рабочей жидкости в сливной полости при перемещении поршня гидроцилиндра;

Р_сл - давление рабочей жидкости в сливной магистрали, МПа;

F_сл - площадь поршня гидроцилиндра, на которую действует давление рабочей жидкости, м².

Принимаем, что Nпр=0 и Nсл=0, тогда эффективная сила, создаваемая гидроцилиндром для перемещения механизма руки робота вверх

Н.

3.2.4 Вычисление диаметра поршня гидроцилиндра с односторонним штоком

где Р₁ - давление рабочей жидкости в системе автоматизации и управления станка или робота, Па. Это давление вычисляют или принимают по ГОСТ 6540-68.

Принимаем, что Р₁ = 2,5 МПа, тогда

мм.

3.2.5 Выбор диаметра поршня гидроцилиндра из ряда цилиндрических пар согласно ГОСТ 12447-80

D = 50 мм, то есть внутренний диаметр гильзы и диаметр поршня равны 50 мм.

3.2.6 Проверка соответствия между диаметром поршня гидроцилиндра и длиной хода поршня из условия устойчивости.

Диаметр поршня гидроцилиндра D = 50 мм и ход поршня L_ст = 630 мм не укладываются в область устойчивого движения, поэтому необходимо в проектируемой системе автоматизации и управления станка (робота) предусмотреть дополнительную направляющую для увеличения устойчивости гидроцилиндра и всего подвижного устройства привода.

3.2.7 Вычисление диаметра штока

мм.

3.2.8 Определение необходимого типоразмера гидроцилиндра по выбранным геометрическим размерам

ЦРГ50 - 50 х 25 х800 УХЛ4.

3.2.9 Определение расхода рабочей жидкости, необходимого для обеспечения перемещения штока гидроцилиндра с заданной скоростью



где з_об.гц - объёмный кпд гидроцилиндра, который принимается равным 0,99.

Для выбранных значений геометрических размеров гидроцилиндра расход рабочей жидкости (для его нормальной работы) должен быть не менее

м/с = дм³/с = л/с = л/мин.

По полученному значению расхода рабочей жидкости выбирают тип гидронасоса

Г 12-33 АГ с номинальной подачей рабочей жидкости Q_н = 53,8 л/мин.

3.2.10 Определение максимальных значений скоростей перемещения поршня гидроцилиндра вверх

;

где - объёмный кпд гидронасоса.

м/с;

м/с;

Т.к.V_1max = 0,4 м/с > V₁ = 0,355 м/с и V_2max = 0,536 м/с > V₂ = 0,497 м/с, то расчёт произведён верно. Снижение (регулирование) скоростей V_1max и V_2max до значений V₁ и V₂ осуществляется с помощью дросселей, установленных на линиях подвода рабочей жидкости к гидроцилиндру.

3.3 Расчёты по выбору гидравлических трубопроводов систем автоматизации и управления

В системах автоматизации и управления станков, роботов и другого технологического оборудования машиностроительных заводов трубопроводы используются для транспортирования рабочей среды от источников к исполнительным механизмам и обратно - в сборные ёмкости (минерального масла) или в атмосферу (воздух).

Исходными данными для расчёта трубопроводов в системах автоматизации и управления являются гидропневматическая схема соединений трубопроводов в системе, расходы рабочей среды по каждому участку трубопровода и длина участков трубопроводов. Расчёт трубопроводов обычно проводится по участкам, на которые разбивается трубопроводная сеть системы. При этом под участком понимается часть гидролинии между разветвлениями, которая пропускает одинаковый расход рабочей среды и имеет одинаковый диаметр. Каждый рассматриваемый участок может быть в виде прямого трубопровода или трубопровода, на котором расположены различные тройники, колена, штуцеры.

Исходные данные для выполнения гидравлических расчётов трубопроводов автоматизации и управления приведены с таблице 1, с учётом того, что номинальное давление рабочей жидкости в системе P = 6,3 МПа, плотность рабочей жидкости с = 900 кг/м³, кинематический коэффициент вязкости рабочей жидкости х = (20-40) ^.10^-6 м²/с.

Таблица 1 - Исходные данные для гидравлического расчёта трубопроводов систем автоматизации и управления

№ трубопровода	Назначение трубопровода для подачи рабочей среды	Длина трубопровода L, мм	Расход жидкости Q, л/мин
1	От бака рабочей жидкости до гидронасоса	600 . (2 - 0,NN) = = 948	86 . 0,NN = = 36,12
2	От гидронасоса к гидрораспределителю	800 . (2 - 0,NN) = = 1264	48 . 0,NN = = 20,16
3	От гидрораспределителя к баку рабочей жидкости	400 . (2 - 0,NN) = = 632	97 . 0,NN = = 40,74

Внутренний диаметр трубопровода определяется на основании формулы, устанавливающей взаимосвязь между расходом рабочей среды Q, скоростью протекания рабочей среды по трубопроводу V и площадью поперечного сечения трубопровода

Q = V^. F,

где f - площадь поперечного сечения трубопровода, м², которая вычисляется по соотношению

где d - внутренний диаметр трубопровода, мм.

Тогда получаем, что

м,

где Q - расход рабочей жидкости по участку трубопровода, м/с;

V - скорость рабочей жидкости на участке трубопровода, м/с.

Если расход рабочей жидкости Q задан в л/мин, тогда формула принимает вид

м или

мм.

Скорость движения жидкости в трубопроводе при вычислении диаметра трубопровода рекомендуется выбирать в зависимости от давления в системе автоматизации и управления.

По вычисленному диаметру трубопровода по ГОСТ 8732-78 и 8734-75 выбирается необходимый трубопровод или резинометаллический рукав высокого давления. По внутреннему диаметру и расходу жидкости выбранного трубопровода вычисляется фактическая средняя скорость рабочей жидкости по формуле

м/с.

Определяем внутренний диаметр трубопровода всасывания длиной 948 мм с расходом рабочей жидкости Q = 36,12 л/мин. По значению давления рабочей жидкости в системе устанавливается, что допустимая скорость движения по трубопроводу не должна превышать 1,5 м/c.

мм.

По ГОСТ 8732-78 выбираем трубопровод с условным проходным диаметром, равным 25 мм, и внутренним диаметром 24 мм.

Фактический расход рабочей жидкости по трубопроводу всасывания составляет

м/с.

Определяем внутренний диаметр трубопровода нагнетания длиной 1264 мм с расходом рабочей жидкости Q = 20,16 л/мин. По значению давления рабочей жидкости в системе устанавливается, что допустимая скорость движения по трубопроводу не должна превышать 4,5 м/c.

мм.

По ГОСТ 8734-78 выбираем трубопровод с условным проходным диаметром, равным 10 мм, и внутренним диаметром 10 мм. Фактический расход рабочей жидкости по трубопроводу нагнетания составляет

м/с.

Определяем внутренний диаметр сливного трубопровода длиной 632 мм с расходом рабочей жидкости Q = 4 л/мин. По значению давления рабочей жидкости в системе устанавливается, что допустимая скорость движения по трубопроводу не должна превышать 2,25 м/c.

мм.

По ГОСТ 8732-78 выбираем трубопровод с условным проходным диаметром, равным 25 мм, и внутренним диаметром 24 мм. Фактический расход рабочей жидкости по сливному трубопроводу составляет

м/с.

Потери давления на трение по длине круглого трубопровода определяются по формуле Дарси-Вейсбаха

Па,

где l - длина трубопровода, м;

d - диаметр трубопровода, м;

V - скорость рабочей жидкости в трубопроводе, м/с;

с - плотность рабочей жидкости, кг/см³ (плотность минеральных масел, используемых в системах автоматизации и управления станков и роботов, составляет в среднем около 900 кг/см³);

л - гидравлический коэффициент трения.

Гидравлический коэффициент трения выбирается рассчитывается по формулам в зависимости от режима течения жидкости в трубопроводе - ламинарного и турбулентного. Режим течения жидкости устанавливается экспериментально или по числу Рейнольдса (критерию Рейнольдса):

где V - скорость движения жидкости в трубопроводе, м/с;

d - диаметр трубопровода (принимается фактический внутренний диаметр трубопровода), м;

х - кинематический коэффициент вязкости рабочей жидкости, м²/с.

Если число Рейнольдса Re<2300, тогда режим движения жидкости в трубопроводе ламинарный и коэффициент трения л для трубопроводов вычисляется по формуле

а для рукавов высокого давления с резиновой внутренней стенкой по формуле

Если число Рейнольдса 2300Re<10⁵, тогда режим движения жидкости в трубопроводе будет переходный (ламинарный или турбулентный, или тот и другой) и для медных трубопроводов

л = 0,316 ^. Re^-0,25,

а для стальных трубопроводов

где Ra - средняя шероховатость внутренних стенок трубопровода, мм;

d - внутренний диаметр трубопровода, мм.

Для новых стальных бесшовных трубопроводов и рукавов высокого давления можно принять, что Ra = 0,03 мм, а для трубопроводов, бывших в употреблении Ra = 0,02 мм. Если соотношение Ra/d<10, тогда для вычисления л для стальных трубопроводов нужно использовать формулу

л = 0,316 ^. Re^-0,25.

При Re>10⁵ режим течения жидкости турбулентный и коэффициент трения практически не зависит от числа Рейнольдса и для стальных бесшовных трубопроводов и рукавов высокого давления можно принять л = 0,02.

Общие потери давления в трубопроводах соединённых последовательно в системах автоматизации и управления, определяются путём суммирования потерь давления на всех участках, а при параллельном соединении общие потери обычно принимаются по наибольшим потерям в этих трубопроводах.

Для трубопровода всасывания

.

Так как Re<2300 коэффициент трения определяем по формуле

,

и потери давления на трение в трубопроводе составят

.

Для трубопровода нагнетания

.

Так как Re<2300 коэффициент трения определяем по формуле

и потери давления на трение в трубопроводе составят

.

Для сливного трубопровода

.

Так как Re<2300 коэффициент трения определяем по формуле

,

и потери давления на трение в трубопроводе составят

Результаты расчётов по каждому трубопроводу заносим в таблицу 2.

Таблица 2 - Результаты расчётов гидравлических потерь на трение в трубопроводах

№ трубопровода	L, мм	Q, л/мин	dвн, мм	V, м/с	Re	л	ДP, кПа
1	948	36,12	24	1,33	1064,7	0,07	2,22
2	1264	20,16	10	4,28	1426,4	0,05	56,76
3	632	40,74	24	1,50	1200,9	0,06	1,67

4 ПИД-регулятор

В курсовом проекте закон перемещения одного из ИМ -ПИД.

Принципиальная схема включения ПИД-регулятора в блок гидропневматических ИМ курсового проекта приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Принципиальная схема включения ПИД-регулятора

Выводы

Спроектированная система управления является одной из универсальных. Она позволяет управляет четырьмя ИМ, осуществляет четыре повторных движения ИМ в течении одного цикла. Реализованы режимы управления, позволяющие производить работу СУ в дистанционном, автоматическом, полуавтоматическом режиме. Имеется Режим ЗИП при, котором СУ занимает исходное положение. Также разработаны режимы ЦИКЛ0-ЦИКЛ1, которые позволяют включить СУ на отработку одного или нескольких циклов. Режим ДУ, ПАУ-ШАГ позволяют производить отладку и настройку системы. В СУ предусмотрены блокировки от случайных включений одних режимов при работе других.

СУ дает возможность автоматизации технологических процессов, в которых число тактов и повторных движение такое же как и в СУ или меньше. СУ может управлять электрическими ИМ при помощи специальных преобразователей. Данная система является одной из типовых и широко применяется в промышленных роботах и другом автоматизированном оборудовании.

Список используемых источников

1. Жежера Н.И. Методические указания к расчетам по выбору гидроцилиндров, гидронасосов, трубопроводов.

2. Свешников В. К., Усов А.А. Станочные гидроприводы: Справочник. - 2е изд., переработанное. и доп. - М.: Машиностроение, 1988. - 512с

3. Материалы лекций

4. Материалы практических занятий

Размещено на Allbest.ru

...