Моделирование системы управления станочной гидростанцией
Система управления станочной гидростанцией, предназначенной для питания гидроприводов металлорежущих станков. Имитационное моделирование системы в программном пакете MathLab. Надежность и производительность конкретного технологического станочного модуля.
Рубрика | Производство и технологии |
Вид | статья |
Язык | русский |
Дата добавления | 08.04.2019 |
Размер файла | 576,2 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Моделирование системы управления станочной гидростанцией
Губанова Александра Анатольевна
преподаватель, Донской государственный технический университет.
344000, Россия, Ростовская область, г. Ростов-на-Дону, Гагарина, 1
Мартыненко Андрей Иванович
кафедра, Донской государственный технический университет
344000, Россия, Ростовская область, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
Аннотация
Предметом исследования является система управления станочной гидростанцией, предназначенной для питания гидроприводов металлорежущих станков. Представлены результаты имитационного моделирования системы в программном пакете MathLab и проанализированы переходные процессы представленных моделей. Показано, что от качества управления гидростанцией во многом зависит надежность и производительность конкретного технологического станочного модуля. Особо актуальна эта проблема для станков с ЧПУ, используемых для глубокого сверления отверстий твердосплавными сверлами с каналами внутри перьев для подвода СОЖ. Прокачка СОЖ через зону резания во многом зависит от наличия и состояния стружки в каналах сверла в функции его заглубления (до 9d). В статье выполнена имитационная задача управления производительностью насоса в функции изменяющегося расхода за счет моделирования в программе MatLAB, так как при достижении критического давления 65-70МПа необходим принудительный вывод сверла из зоны резания, что не всегда возможно в реальных условиях. Основными выводами поведенного исследования является то, что автором предложены имитационные модели, позволяющие без применения технологического оборудования проанализировать работоспособность исследуемого объекта. В статье рассмотрена система управления станочной гидростанцией на базе микроПЛК Siemens S7-224XP. Проведен анализ подсистемы управления для контроллера реализующий закон управления температурой и расходом СОЖ.
Ключевые слова: станочная гидростанция, имитационное моделирование, станок с ЧПУ, переходной процесс, возмущающее воздействие, контроль температуры, стабилизация температуры, регулятор, динамическая модель, статическая ошибка
Gubanova Aleksandra Anatol'evna
Lecturer at Don State Technical University.
344000, Russia, Rostovskaya oblast', g. Rostov-Na-Donu, Gagarina, 1
anatoliya81@mail.ru
Martynenko Andrei Ivanovich
Postgraduate at the Department of Production Processes Automation of Don State Technical University
344000, Russia, Rostov-on-Don, pl. Gagarina, 1
37.1@donstu.ru
Abstract.
The research subject is the system of management of a machine tool hydraulic system used for hydraulic drive power supply of metal-cutting machines. The article contains the results of simulation modeling of the system in the MathLab software package and analyzes the transitional processes of these models. The authors show that the quality if a hydraulic station management determines reliability and productivity of a particular cutting unit. This problem is especially topical for cutting machines with computer numerical control used for deep-hole drilling with carbide drills within the wings for cutting oil input. Cutting oil input through the cutting zone in many aspects depends on the presence and the condition of chips in drill channels in the function of embedding (to 9d). The authors perform the simulation of pump performance management in the function of changing consumption using the MathLab modeling, since when achieving the critical pressure of 65-70 MPa, forced ejection of a drill from a cutting zone is necessary, and sometimes it is impossible to perform in reality. The authors propose simulation models, which help analyze the hydraulic station performance without technological equipment. The article considers the system of a hydraulic station management on the basis of micro PLCs Siemens S7-224XP. The authors analyze the management subsystem for a controller realizing the temperature control and cutting oil consumption law.
Keywords: temperature stabilization, temperature control, disturbance, transition process, CNC machine, simulation, machine tool hydraulic station, controller, dynamic model, static error
Станочная гидростанция - самостоятельная технологическая единица, имеющая целый ряд отдельных подсистем: прокачки масла, подогрева или охлаждения, управления расходом, очистки масла и т.д. Одной из основных задач, решаемых станочной гидростанцией являются: контроль и регулирование давления и расхода в гидросистеме, снижение вязкости масла по средствам его нагрева до определенной температуры, подача СОЖ в зону резания с заданной подачей масла и под определенным давлением. При решении последней задачи, возникает ряд определенных сложностей, одной из которых является проблема для станков с ЧПУ, используемых для глубокого сверления отверстий в титановых сплавах твердосплавными сверлами с каналами внутри перьев для подвода СОЖ. В каналах обеспечивается давление не менее 50 МПа при регламентированном расходе масла. Нарушение технических условий приводит к разрушению инструмента. Также, в связи с тем, что условия окружающей среды, в данном случае температура, в цехе все время меняется, вязкость минерального масла колеблется (повышается или понижается) в несколько раз. Повышение вязкости масла затрудняет попадание СОЖ по каналам сверла в зону резания при сверлении, что как было указано выше, приводит к поломке инструмента.
В связи с вышеуказанным, возникает необходимость имитационного моделирования работы системы станочной гидростанции для контроля и стабилизации расхода СОЖ и прогнозирования поломки инструмента станочного оборудования.
Структурная схема микропроцессорной системы управления станочной гидростанцией на базе микроконтроллера S7-224XP представлена на рисунке 1.
станочный гидростанция металлорежущий моделирование
Рисунок 1 - Структурная схема системы управления станочной гидростанцией
Основой системы управления является программируемый логический контроллер Siemens S7-224XP, имеющий простое подключение внешних цепей через терминальные блоки с контактами.
Датчики температуры ДТ1,ДТ2 необходимы для организации работы подсистемы стабилизации температуры. Термопреобразователи предназначены для непрерывного измерения температуры различных рабочих сред (пар, газ, вода, сыпучие материалы, химические реагенты и т. п.), не агрессивных к материалу корпуса датчика. Термопреобразователи ДТ1 и ДТ2 подключаются к контролеру через вторичные преобразователи ПР1, ПР2, формирующие из изменяющегося сопротивления термопреобразователя напряжение пропорциональное этому сопротивлению, которое подается на контролер для дальнейшей обработки.
Турбинный счетчик расхода жидкости ДР1 предназначен для использования в качестве средств измерений объемного количества жидкости (нефтепродуктов) при внутрихозяйственном учете. Датчик давления ДД1 предназначен для непрерывного преобразования значения абсолютного, избыточного давления и (или) разрежения жидкостей и газов, а также разности давлений (в т.ч. уровня жидкости) в унифицированный сигнал в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами. Унифицированный токовый сигнал с датчика поступает на стандартный модуль АЦП SIMATIC EM235; данный модуль выпускается фирмой SIEMENS и предназначен для работы в составе автоматизированных комплексов на основе контроллеров серии S7-200.
Преобразователь частоты E8300-007H предназначен для регулирования скорости электродвигателя переменного тока, соединяется с контроллером по средствам цифровых и одного аналогового выхода.
Вал асинхронного электродвигателя мощностью 5,5 кВт через соединительную муфту соединен с валом шестеренного насоса который и обеспечивает подачу СОЖ в гидросистему. Двигатель является управляющим устройством в подсистеме стабилизации и расхода СОЖ в гидросистеме. ТЭН - трубчатые электронагреватели предназначены для преобразования электрической энергии в тепловую и применяются в качестве комплектующих изделий в промышленных установках и бытовых нагревательных приборах. Нагрев различных сред осуществляется путем конвекции, теплопроводности и излучения.
После того как сигналы с датчиков температуры пришли в контролер и программа выработала управляющее воздействие в виде сигнала ШИМ, устройство регулирования мощности подает на ТЭН необходимое количество постоянного напряжения 220 В для нагрева масла в резервуаре на определенную разницу температур[1].
Панель оператора SIMATIC OP 73 Micro, подключенная к центральному процессору S7-224XP через интерфейс PPI отображает значения параметров и дает возможность задавать переменные такие как расход, верхний и нижний уровень давления в процессе работы системы управления.
В данной подсистеме в качестве объекта управления выступает насосный агрегат, в состав которого входит асинхронный двигатель и шестеренный насос. Данный насос способен обеспечить необходимую величину подачи СОЖ в гидросистеме. Благодаря системе управления и наличию датчика обратной связи (расходомера), в системе поддерживается постоянный расход при изменяющейся гидравлической нагрузке h=h(и)[2].
В качестве устройства управления используется микроконтроллер S7-214, формирующий закон управления ПИ-регулятор и частотный преобразователь, управляющий скоростью вращения асинхронного двигателя, представляющий собой апериодическое звено.
Структурная схема подсистемы контроля и стабилизации расхода СОЖ в гидросистеме выглядит следующим образом:
Рисунок 2 - Структурная схема подсистемы контроля и стабилизации расхода СОЖ
В данной подсистеме частотный преобразователь представлен апериодическим звеном и его передаточная функция имеет вид:
, (1)
Передаточная функция асинхронного двигателя:
, (2)
Гидравлическое сопротивление системы в функции зависимости от температуры выражено формулой (3):
, (3)
где б(и) - температурный коэффициент;
S - площадь поперечного сечения напорного трубопровода.
Динамическая модель подсистемы контроля и стабилизации расхода в функции зависимости от производительности насосного агрегата представлена на рисунке 3.
Рисунок 3 - Динамическая модель подсистемы контроля и стабилизации расхода СОЖ
На основании анализа математической модели и структурной схемы построим динамическую модель данной подсистемы в программном пакете MathLab/Simulink. Для моделирования подсистемы использовались следующие исходные данные представленные в сводной таблице 1.
Таблица 1- Исходные данные для динамического расчета
Коэффициент усиления тиристорного преобразователя, kt, |
12 |
|
Постоянная времени тиристорного преобразователя, Тt, |
0,02 с |
|
Сопротивление ТЭНа, R, Ом |
5 |
|
Плотность масла,ro , |
720 |
|
Удельная теплоемкость масла, С, |
1050 |
|
Объем резервуара в котором происходит нагрев, v, м3 |
0,0012 |
Результирующая динамическая модель с единичной обратной связью по температуре представлена на рисунке 4.
Рисунок 4 - Динамическая модель подсистемы стабилизации температуры с единичной обратной связью
Для анализа работы системы построим графики переходных процессов по температуре и мощности ТЭНа при воздействии постоянного возмущающего воздействия.
Рисунок 5 - Переходной процесс по температуре с единичной ООС
Как видно из рисунка 5, при воздействии возмущающего воздействия с разницей в 15°С появляется статическая ошибка ?е»9°С. Время переходного процесса составляет около 7с.
Как известно, из теории управления для снижения статической ошибки необходимо применить регулятор. Для решения данной задачи воспользуемся стандартным ПИ-регулятором[3]. Коэффициенты регулятора ki-коэффициент интегрирования и kp-коэффициент пропорциональности были подобраны экспериментально, и представлены в таблице 2.
Таблица 2- Коэффициенты ПИ-регулятора
Коэффициент усиления тиристорного преобразователя, kt, |
12 |
|
Коэффициент пропорциональности, kp |
10 |
|
Коэффициент интегрировании,ki |
0,5 |
Переходной процесс по мощности выделяемой ТЭНом на нагрев масла представлен на рисунке 6.
Рисунок 6 - Переходной процесс по мощности с единичной ООС
Результирующая динамическая модель с ПИ-регулятором представлена на рисунке 7.
Рисунок 7 - Динамическая модель подсистемы стабилизации температуры с ПИ-регулятором
Переходные процессы по температуре и мощности ТЭНа в системе с применением ПИ-регулятора.
Рисунок 8 - Переходной процесс по температуре с ПИ-регулятором
Как видно, при применении ПИ-регулятора удалось снизить статическую ошибку до ?е»0,3°С, а так же значительно сократить время переходного процесса ( примерно 3с).
Переходной процесс по мощности выделяемой ТЭНом на нагрев масла представлен на рисунке 9.
Рисунок 9 - Переходной процесс по температуре с ПИ-регулятором
Представим результаты моделирования подсистемы контроля и стабилизации температуры СОЖ. Для моделирования подсистемы использовались следующие исходные данные представленные в сводной таблице 3.
Таблица 3- Исходные данные для динамического расчета
Коэффициент усиления тиристорного преобразователя, kt, |
12 |
|
Заданное значение расхода, Go |
0,042 |
|
Коэффициент ,eps |
0,7 |
|
Постоянная времени цепи якоря, Tya,c |
0,1 |
|
Коэффициент усиления двигателя, kdvig |
0,1 |
|
Объем резервуара в котором происходит нагрев, v, м3 |
0,0012 |
|
Коэффициент усиления тиристорного преобразователя, kt |
0,1 |
|
Постоянная времени тиристорного преобразователя,Tt |
0,02 |
|
Коэффициент пропорциональности, kp |
0,1 |
|
Коэффициент интегрировании,ki |
0,1 |
|
Коэф. Преобразования скор. вращ. двиг в давление kd |
1 |
|
Гидравлическое сопротивление насоса h |
10 |
|
Площадь поперечного сечения трубопровода,s,м2 |
0,00001256 |
|
Коэф. учитывающий гидросопротивление трубопровода alf |
0,1 |
|
Коэф. Преобразования давления в расход kras |
10 |
Результирующая динамическая модель с единичной обратной связью по температуре СОЖ представлена на рисунке 10.
Рисунок 10 - Динамическая модель подсистемы стабилизации расхода СОЖ с ПИ-регулятором
Для анализа работы системы построим графики переходных процессов по расходу при воздействии постоянного возмущающего воздействия.
Рисунок 11 - Переходной процесс по расходу СОЖ
Как видно, расход СОЖ стремится к номинальной (0,042м3/c), а время регулирования составляет приблизительно 1,6 секунды. При этом перерегулирование нет. Следовательно, можно сделать вывод, что система показывает устойчивую работу с хорошим запасом.
В статье рассмотрена система управления станочной гидростанцией на базе микроПЛК Siemens S7-224XP. Проведен анализ подсистемы управления для контроллера реализующий закон управления температурой и расходом СОЖ. В ходе исследования было произведено моделирование работы системы управления в программном пакете MatLAB и проанализированы переходные процессы полученные в результате моделирования. Применение имитационной системы управления станочной гидростанцией позволяет снизить трудоемкость и повысить производительность процесса механообработки (сверления) для станков с ЧПУ.
Библиография
1. Свешников В. К. Усов А. А. Станочные гидроприводы. Справочник. - М.: Машиностроение, 1995.-448 с.
2. Ловыгин А.А., Васильев А.В., Кривцов С.Ю. Современный станок с ЧПУ и CAD_CAM, 2006.-286 с.
3. Дядик В.Ф. Теория автоматического управления: учебное пособие/ В.Ф. Дядик, С.А. Байдали, Н.С. Криницын; Национальный исследовательский Томский политехнический университет. ? Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. - 196 с
References (transliterated)
1. Sveshnikov V. K. Usov A. A. Stanochnye gidroprivody. Spravochnik. - M.: Mashinostroenie, 1995.-448 s.
2. Lovygin A.A., Vasil'ev A.V., Krivtsov S.Yu. Sovremennyi stanok s ChPU i CAD_CAM, 2006.-286 s.
3. Dyadik V.F. Teoriya avtomaticheskogo upravleniya: uchebnoe posobie/ V.F. Dyadik, S.A. Baidali, N.S. Krinitsyn; Natsional'nyi issledovatel'skii Tomskii politekhnicheskii universitet. ? Tomsk: Izd-vo Tomskogo politekhnicheskogo universiteta, 2011. - 196 s
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Компоновка автоматической станочной системы механической обработки детали "корпус" по данному чертежу. Подробная разработка средств автоматизированного технологического оснащения одной из операций обработки детали, анализ технологического процесса.
курсовая работа [1,8 M], добавлен 14.08.2011Методика разработки автоматической станочной системы механообработки для заданной комплексной детали, анализ конструкции, технологический маршрут обработки. Выбор и обоснование установочных баз, черновых, чистовых. Построение циклограмм работы комплекса.
курсовая работа [593,4 K], добавлен 05.12.2012Объемная податливость как сложный фактор, обуславливающий объемную точность станка. Применение метода координатных систем для определения параметров объемной податливости. Структура станочной системы. Виды соединений элементов металлорежущего станка.
статья [487,7 K], добавлен 28.02.2012Изучение исходных данных устройства, выбор концепции станочной системы и оценка требуемой ее гибкости. Разработка технологического маршрута изготовления детали типа вал, концепции системы управления, контроля и диагностики. Рассмотрение общей планировки.
курсовая работа [193,2 K], добавлен 22.03.2014Общие сведения о флотации. Анализ флотационной машины как объекта автоматизации. Формулировка требований к системе управления. Идентификация, создание математической модели объекта управления. Имитационное моделирование контура регулирования в MatLab.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 23.12.2012Рассмотрение основных особенностей моделирования адаптивной системы автоматического управления, характеристика программ моделирования. Знакомство со способами построения адаптивной системы управления. Этапы расчета настроек ПИ-регулятора методом Куна.
дипломная работа [1,3 M], добавлен 24.04.2013Основные понятия производственного процесса, его этапы и периоды развития. Классификация производственных систем. Основные характеристики ГАП: производительность, гибкость, эффективность работы. Классификация станочной системы и применяемое оборудование.
реферат [291,4 K], добавлен 09.11.2008Программное обеспечение системы управления приводами технологического оборудования и станочной оснасткой. Конструкция и назначение детали "Крышка". Технические характеристики оборудования, приспособления для закрепления детали. Расчет режимов обработки.
курсовая работа [63,8 K], добавлен 12.10.2014Анализ и моделирование заданной переходной кривой выходной величины теплообменника. Экспресс-идентификация математической модели, методом Алекперова. Моделирование линейной одноконтурной системы управления заданным тепловым объектом и пневмоприводом.
курсовая работа [2,1 M], добавлен 11.06.2019Описание системы массового обслуживания, назначение, обзор и описание принципов работы линии. Анализ производственной системы сборки деревянных европаллетов с помощью балансовой модели, уравнения баланса сети. Вероятностное и имитационное моделирование.
курсовая работа [1017,8 K], добавлен 10.01.2021Обзор способов регулирования скорости и конструкций насосов для гидроприводов главного движения металлорежущих станков. Разработка конструкции насоса, гидропривода главного движения токарного станка. Выбор маршрута обработки детали, режущего инструмента.
дипломная работа [1,5 M], добавлен 27.10.2017Построение и расчет концептуальной модели. Разработка алгоритма имитации исследуемого процесса. Разработка программы и проведение машинных экспериментов с моделью исследуемой системы. Правило проводки заявок. Оптимизация работы реальной системы.
курсовая работа [278,6 K], добавлен 05.05.2015Анализ процесса электрообессоливания и дегидрации нефти, как объекта управления. Имитационное моделирование переходных процессов в АСР. Расчет экономической эффективности проведения автоматизации производства. Бизнес планирование, финансовый план.
дипломная работа [4,6 M], добавлен 12.08.2013Моделирование автоматизированной системы регулирования. Методики разработки моделей систем управления и их исследования средствами пакета Simulink. Реализация численного анализа математических моделей объектов управления. Вычислительные эксперименты.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 30.12.2016Разработка автоматической системы управления сортировкой грузов на складе, при одновременном повышении качества регулирования скорости электродвигателей толкателей. Увеличение надёжности данной системы за счёт упрощения технологического процесса.
дипломная работа [1,8 M], добавлен 08.09.2013Обоснование эффективности автоматизации технологического комплекса медной флотации как управляемого объекта. Математическое моделирование; выбор структуры управления и принципов контроля; аппаратурная реализация системы автоматизации, расчет надежности.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 12.02.2013Модель идеального смешения вещества. Изменение дифференциального уравнения с помощью преобразования Лапласа. Моделирование процесса управления смесителем. Балансовое уравнение автоматического управления емкостью. Расчет коэффициентов самовыравнивания.
курсовая работа [172,6 K], добавлен 14.10.2012Назначение и технические характеристики оси. Определение типа производства. Способы получения заготовки и методы ее обработки. Разработка маршрутного технологического процесса. Расчет режимов резания, станочной оснастки и контрольного приспособления.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 16.02.2011Разработка системы автоматического управления приводом протягивающего устройства стенда для изучения влияния вибрационного сглаживания на характер фрикционных автоколебаний. Основные параметры двигателя. Моделирование системы автоматического управления.
курсовая работа [537,9 K], добавлен 13.09.2010Получение математических моделей системы автоматического управления. Количественный анализ структуры системы в частотной области. Синтез управляющего устройства. Моделирование функционирования САУ с использованием электронно-вычислительной машины.
курсовая работа [487,5 K], добавлен 19.10.2014