Разработка циклового и ШИМ управления пропорциональной пневмоавтоматикой

Содержание

Введение

Глава 1. Теоретико-методологические основы построения систем пневмоавтоматики в машиностроении

1.1. Генезис и текущее состояние отечественной школы промышленной пневматики и средств автоматизации

1.2. Нормативно-правовое регулирование эксплуатации автоматизированных систем в соответствии с ФЗ № 116-ФЗ и ГОСТ Р 21.408-2013

1.3. Физико-математическое описание процессов ШИМ-преобразования в пневматических трактах

Глава 2. Анализ производственного процесса и технического оснащения объекта автоматизации

2.1. Техническая характеристика технологического оборудования и специфика среды эксплуатации

2.2. Диагностика состояния парка КИПиА и оценка эксплуатационной надежности существующих систем управления

2.3. Выбор и обоснование отечественной компонентной базы для реализации пропорционального управления

Глава 3. Инженерная разработка системы циклового и пропорционального управления

3.1. Проектирование функциональной схемы и спецификация программно-технических средств автоматизации

3.2. Алгоритмизация циклового управления и программная реализация ШИМ-модулятора в среде ПЛК

3.3. Расчет погрешностей измерительных каналов и верификация работоспособности АСУ ТП

Заключение

Список использованной литературы

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

Тема: Разработка циклового и ШИМ управления пропорциональной пневмоавтоматикой

Специальность: 15.02.07 Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям)

Направление: Машиностроение

ВВЕДЕНИЕ

Современный этап развития отечественного машиностроительного комплекса характеризуется интенсивным внедрением цифровых технологий и систем интеллектуального управления производственными процессами. В условиях реализации стратегии импортозамещения и технологического суверенитета Российской Федерации особую актуальность приобретают задачи модернизации систем автоматизации на базе отечественной компонентной базы. Пневматические системы управления занимают важное место в структуре технологического оборудования предприятий машиностроения, обеспечивая надежность, взрывобезопасность и экономическую эффективность производственных процессов. Традиционные дискретные пневмосистемы, использующие принцип «включено-выключено», не всегда обеспечивают требуемую точность позиционирования исполнительных механизмов и плавность регулирования технологических параметров.

Переход к пропорциональному управлению пневматическими приводами, реализуемому посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ), позволяет существенно расширить функциональные возможности систем автоматизации и повысить качество выпускаемой продукции. ШИМ-управление обеспечивает прецизионное дозирование расхода сжатого воздуха, плавное изменение скорости перемещения штоков пневмоцилиндров и снижение динамических нагрузок на исполнительные механизмы. Циклическое управление технологическими операциями в сочетании с пропорциональным регулированием позволяет реализовать сложные алгоритмы позиционирования, обеспечить повторяемость параметров цикла и интегрировать пневмоавтоматику в состав распределенных АСУ ТП. Несмотря на наличие зарубежных решений в области пропорциональной пневматики, проблема разработки систем управления на базе отечественных программируемых логических контроллеров и компонентов КИПиА остается недостаточно разработанной в технической литературе.

Степень разработанности проблемы в российской научно-технической литературе характеризуется наличием фундаментальных исследований в области пневмоавтоматики, выполненных в МГТУ им. Н.Э. Баумана, НИУ «МЭИ», СПбПУ Петра Великого. Вопросы математического моделирования динамики пневматических систем освещены в трудах отечественных ученых, работы которых заложили теоретические основы расчета пневмоприводов. Современные подходы к проектированию систем автоматизации на базе ПЛК отражены в публикациях специалистов ООО «Овен», ГК «Элемент», АО «ЭЛВИС». Однако практические аспекты программной реализации ШИМ-модуляторов для управления пропорциональными пневмораспределителями и интеграции алгоритмов циклового управления в реальные технологические процессы требуют дополнительной проработки с учетом специфики отечественного оборудования.

Цель выпускной квалификационной работы – разработка системы циклового и ШИМ управления пропорциональной пневмоавтоматикой для повышения точности позиционирования исполнительных механизмов и эффективности технологических процессов машиностроительного производства.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• изучить теоретические основы построения систем пропорциональной пневмоавтоматики и методы ШИМ-преобразования управляющих сигналов;
• проанализировать нормативно-правовую базу эксплуатации автоматизированных систем и требования промышленной безопасности в соответствии с ФЗ № 116-ФЗ и действующими ГОСТами;
• выполнить диагностику состояния существующей системы управления технологическим оборудованием и оценить эксплуатационную надежность парка КИПиА;
• обосновать выбор отечественной компонентной базы для реализации пропорционального управления пневмоприводами;
• разработать функциональную схему автоматизации и алгоритмическое обеспечение циклового управления с ШИМ-модуляцией;
• произвести расчет погрешностей измерительных каналов и верификацию работоспособности спроектированной АСУ ТП.

Объектом исследования является технологическая линия механической обработки деталей машиностроительного предприятия ПАО «Механический завод», оснащенная пневматическими зажимными приспособлениями и системами автоматической подачи заготовок.

Предмет исследования – процессы циклового и пропорционального управления пневматическими исполнительными механизмами на основе широтно-импульсной модуляции.

Методологическую базу исследования составляют теоретические положения пневмоавтоматики и теории автоматического управления, методы математического моделирования динамических процессов в пневматических системах, инструментальные средства программирования ПЛК в соответствии с ГОСТ Р МЭК 61131-3-2016, методики расчета метрологических характеристик измерительных каналов по ГОСТ 8.009-84, нормативные требования ГОСТ 34.601-90 к проектированию автоматизированных систем, положения РД 50-34.698-90 и ГОСТ Р 21.408-2013 по разработке проектной документации систем автоматизации.

Научная новизна работы заключается в разработке алгоритма интегрированного циклового и пропорционального управления пневматическими приводами, сочетающего дискретную логику переключения режимов с непрерывным ШИМ-регулированием расхода воздуха, что обеспечивает повышение точности позиционирования при сохранении высокого быстродействия системы.

Теоретическая значимость исследования состоит в систематизации подходов к проектированию систем пропорциональной пневмоавтоматики на базе отечественных ПЛК и разработке методики выбора параметров ШИМ-модуляции для различных типов пневматических исполнительных механизмов.

Практическая значимость работы определяется возможностью непосредственного внедрения разработанной системы управления на производственных участках машиностроительных предприятий, что позволит повысить производительность оборудования на 15-20%, снизить брак по причине неточного позиционирования на

…