Обоснование необходимости автоматизации РТК горячей штамповки

Аннотация

 

В рамках курсовой работы автоматизирован процесс горячей штамповки.

Проведена разработка системы управленияРТК горячей штамповки и ее элементов.

Система управления построена на базе многофункционального контроллера SIMATCS7-300 компании Siemens.

Разработана схема планировки РТК, техническое обеспечение системы управления, схема подключения ПЛК, алгоритм и программа управления.

Курсовая работа содержит:

- расчетно-пояснительную записку (листа 52, рисунков 9, таблиц 14);

- графическую часть (1 - А4, 3 - А3, 1 -А2 листов).

 

Содержание

 

 

Список сокращений

 

ПЛК – программируемый логический контроллер

РТ – робототехнический комплекс

СУ – система управления

 

Введение

 

В промышленности процессы обработки металлов давлением играют весьма существенную роль, так как они позволяют получать заготовки или детали требуемых форм, размеров и свойств, путем пластического деформирования металла. В настоящее время ОМД является одним из самых металлосберегающих производств.

Горячая штамповка – это один из наиболее распространенных методов обработки металлов давлением.

Автоматизация производственных процессов позволяет резко повысить их производительность увеличитькачество выпускаемой продукции, использовать более рационально трудовые ресурсы, что в свою очередь приводит к снижению потребления энергии и ресурсов и дает огромный экономический эффект, который всегда был главным показателем новой техники.

Неотъемлемой частью увеличения производительности оборудования является повышение коэффициента его загрузки. Для этого необходимо обеспечить непрерывность технологического процесса. При этом обеспечивается высокий уровень трех основных показателей любого производства: производительности, экономичности и качества продукции.

Возможность осуществления непрерывного технологического процесса при производстве поковок не встречает затруднений, т.к. процесс штамповки отличается малым числом операций, которые легко сочетаются между собой, и, обычно согласуются во времени (совмещение операций).

Необходимость и целесообразность автоматизации чрезвычайно актуальна в штамповочном производстве, еще и потому, что в нем существуют тяжелые условия труда. Основным неблагоприятными факторами в этом производстве являются высокая температура, шум и вибрация. Автоматизация производства позволяет освободить человека от выполнения непосредственных функций управления производственными процессами, что приводит в свою очередь, к снижению числа занятых людей работающих в непосредственной близости с опасными для здоровья объектами.

Внедрение систем управления нового типа требует дополнительных затрат на переоснащение производства, но экономический эффект от внедрения микроконтроллеров в систему управления, связанный с уменьшением брака на производстве, увеличением производительности и реализацией новых решений, методов позволяет за относительно небольшой промежуток времени добиться полной окупаемости проекта.

Другой не менее важной причиной автоматизации является совершенствование организации рабочих мест, их рациональная планировка, оснащение удобным пультом управления. Чем рациональнее организовано рабочее место, чем оно удобнее, чем лучше обеспечено всем необходимым для бесперебойной работы, тем выше производительность труда, меньше непроизводственные потери рабочего времени. Внедрение системы управления на качественно новой элементной базе позволяет снизить эксплуатационные затраты на регламент и проверку оборудования.

Главной задачей проекта являетсяпроектирование системы управления РТК горячей штамповки, котораяпозволит управлять процессами загрузки разгрузки обрабатываемых деталей.

 

1.Обоснование необходимости  автоматизации РТК горячей штамповки

 

Вопросы автоматизации технологических процессов горячей штамповки приобретают первоочередное значение, т.к. нацелены на уменьшение доли ручного труда. В тоже время, она обеспечивает повышение производительноститруда, а также безопасность работы.

Автоматизация технологических процессов горячей штамповки в зависимости от конкретных условий производства может осуществляться по следующим направлениям:

- автоматизация процесса штамповки  на универсальных штамповочных  автоматах и многопозиционных  прессах-автоматах;

-комплексная автоматизация с  использованием автоматических  линий;

-использование гибких производственных  систем;

-применение автоматизированных  и гибких робототехнических комплексов.

Использование отмеченных методов является сложным как по необходимому оборудованию, так и по подготовке к обслуживанию производства.

Прессы, как основное штамповочное оборудование, являются высокопроизводительными машинами. И важным показателем степени автоматизации штамповки является коэффициент использования рабочих ходов пресса. При ручной подаче заготовок и удалении деталей до 85% рабочего времени тратится именно на эти операции. При автоматизации вспомогательных операций рационально используется до 50% от общего числа ходов пресса. А передача заготовок с позиции на позицию способствует еще большему повышению производительности.Например, предприятие «ИЛК – ИНЖИНИРИНГ» специализируется на автоматизации технологических процессов, том числе и в кузнечно-прессовом производстве [7].

В большинстве случаев последовательность выполняемых операций весьма проста. Вначале заготовки загружают в производственную установку, которая затем обрабатывает их строго определенным образом и, наконец, готовые детали извлекают из нее.

Загрузку и разгрузку выполняют, как правило,специализированные механизмы, рассчитанные на операции только одного вида. Роботы могут здесь оказаться полезными, если характер таких загрузочно-разгрузочных операций время от времени меняется.

 

Рис.1 Примеры автоматизированных систем управления в кузнечнопрессовом производстве «ИЛК – ИНЖИНИРИНГ»

 

Рис.1 Продолжение

 

1.2 Техническое задание

 

1.Наименование и область применения  системы управления

Системой управления РТК горячей штамповки может применяться в машиностроении, станкостроении и некоторых других областях промышленности, где требуется производить детали путем горячей штамповки.

2.Основание для разработки

На основании задания кафедры АПП Курганского государственного университета на разработку курсового проекта и выполнения учебного плана на тему «Проект управления системой РТК горячей штамповки».

3. Цель и назначение разработки

Главной задачей курсовой работы является разработка и проектирование системы управления РТК горячей штамповки, которая позволит управлять процессом перемещения обрабатываемых деталей из одной зоны обработки в другую, сократит время, затрачиваемой на выполнение этого перемещения, сделает технологический процесс изготовления деталей непрерывным, а также облегчит труд рабочих, занятых в данном производстве.

4. Источники разработки

Источником разработки является методические указания «Задание на курсовое проектирование по дисциплине автоматизация технологических процессов и производств», составитель Н.Б. Сбродов.

Полный список источников приведен в разделе «Список использованных источников».

5. Режимы работы объекта

РТК горячей штамповки работаетавтоматическом режиме.

РТК начинает работу при нажатии кнопкиПУСК на пульте управления оператора.

Для начала работы РТК необходимо присутствие команды разрешения цикла (отсутствие людей в рабочей зоне РТК).

В автоматическом режиме осуществляется технологический цикл обработки деталей. Выход из цикла осуществляется путем нажатия кнопки СТОП на пульте оператора.

6. Условия эксплуатации системы  управления

1) Климатические условия эксплуатации:

температура окружающего воздуха в диапазоне (от 5 до 50 );

относительная влажность от 30 до 80 %;

атмосферное давление от 84 до 106,7 кПа;

окружающая среда не должна содержать агрессивных паров и газов.

2) Механические условия:

амплитуда вибраций не более 0,1 мм;

частота вибраций не выше 25 Гц;

удары, не превышающие значения 3 дБ;

внешние магнитные поля напряженностью не более 400 А /м;

3) Условия питания системы:

напряжение — 24 В, 220 В;

частота — 50 Гц.

7. Технические требования

В состав РТК горячей штамповки входят: электрическая печь, пресс, промышленный робот (ПР), закалочный бак. Перемещение обрабатываемых деталей выполняется ПР двурукого исполнения. Заготовки должны нагреваться в закалочной печи, после чего перемещаться в рабочую зону пресса, а затем в закалочный бак. В каждом цикле ПР выполняет данные операции над двумя заготовками. ПР может находиться в двух позициях:

- позиция 1: левая рука ПР находится у электрической печи, правая – у пресса;

- позиция 2: левая рука ПР находится у пресса, правая – у закалочного бака.

Управление ПР полностью осуществляется данной системой управления. Также данная СУ выполняет управление открытием/закрытием электрической печи перед извлечением нагретой заготовки/после ее изъятия ПР.

В данной СУ должен осуществляться контроль положения ПР, выдвижения/задвижения и схвата рук ПР при помощи датчиков.

Ход пресса и наличие детали в печи, должны контролироваться путем принятия сигналов соответственно от СУ прессом и СУ печью.

Необходимо предусмотреть, чтобы цикл РТК начинался только при условиях полной безопасности комплекса.

Общее управление: сбор информации с датчиков, формирование выходных сигналов, - должно осуществляться ПЛК.

Установка должна соответствовать нормативно-технической документации по ГОСТ 13045-81 и требованиям Госгортехнадзора.

Проект должен удовлетворять следующим требованиям:

ГОСТ 24.104-85. Единая система стандартовавтоматизированных СУ. Общие требования.

 

8. Стадии и этапы разработки

Разработка устройства должна выполняться в сроки, предусмотренные заданием на курсовое проектирование.

Стадии и этапы разработки системы управления РТК горячей штамповки:

1) получение задания на разработку  курсовой работы (с 12.01.09 по 29.01.09);

2)анализ технологии изготовления  деталей методом горячей штамповки (30.01.09 по 01.02.09);

3) разработка структуры системы  управления:

- определение состава РТК горячей  штамповки (02.02.09);

- разработка схемы планировки  РТК горячей штамповки (03.02.09);

- разработка циклограммы работы  РТК (04.02.09);

- выбор аппаратных средств системы  управления (05.02.09 – 10.02.09);

- разработка электрической схемы  подключения (13.02.09 – 17.02.09);

4) разработка программного обеспечения  системы управления (13.02.09);

5) сведение расчетов и описаний  в расчетно-пояснительную записку (12.02.09 – 26.02.09);

6) контроль и сдача курсовой  работы (19.02.09 – 17.04.09).

9. Порядок контроля и приемки

Контроль выполнения курсовой работы осуществляется руководителем курсовой работы на каждом этапе разработкипутемпредъявления результатов работы.

После завершения разработки необходимо предъявитьграфическую часть и расчетно-пояснительную записку на защиту.

Приемка дипломного проекта осуществляется комиссией кафедры Автоматизации производственных процессов в составе двух человек.

 

2. Разработка технического  обеспечения системы управления

 

2.1 Разработка структуры системы управления

 

В состав РТК горячей штамповки входят:

- электрическая печь,

- пресс,

- промышленный робот (ПР),

- закалочный бак.

Планировка РТК горячей штамповки приведена в графической части курсовой работы на листе 1.

Перемещение обрабатываемых деталей выполняется ПР двурукого исполнения. ПР может находиться в двух позициях. В первой позиции левая рука ПР находится у электрической печи, правая – у пресса. Во второй позиции левая рука находится у пресса, а правая – у закалочного бака.

В таблице 1 приведены основные элементы технологического цикла.

Элементы технологического цикла работы РТК

 

Таблица 1

№ элемента технологического цикла	Наименование
1	Поворот ПР в позицию 1
2	Поворот ПР в позицию 2
3	Выдвижение левой руки
4	Задвижение левой руки
5	Выдвижение правой руки
6	Задвижение право руки
7	Зажим схвата левой руки
8	Разжим схвата левой руки
9	Зажим схвата правой руки
10	Разжим схвата правой руки
11	Рабочий ход пресса
12	Открытие электрической печи
13	Закрытие электрической печи

 

Система управления будет иметь трехуровневую структуру.На нижнем уровне расположены элементы электроавтоматики и исполнительные устройства. Средний уровень осуществляет управление технологическим оборудованием по заданной программе. Верхний уровень осуществляет взаимодействие с оператором.

Задачами, подлежащими управлению и контролю,в данном РТК являются:

- управление перемещением ПР в позиции 1 и 2;

- управление движением рук ПР;

- управление схватом рук ПР;

- управление открытием и закрытием  электрической печи;

- контроль наличия детали в  электрической печи;

- контроль осуществления хода пресса

- контроль разрешения цикла.

Для начала работы РТК необходимо выполнение нескольких условий: нажатие оператором кнопки пуск на панели управления, а также необходимо разрешение цикла (РЦ). Под РЦ понимается сигнал, который приходит от системы управления разрешением начала циклаи соответствует условиям безопасности (внутри рабочей зоны нет людей).

Управление ПР, открытием/закрытием электрической печи в данной системе управления будет осуществляться на базе программируемого логического контроллера.

Контроль положения ПР и заслонки электрической печи будет осуществляться датчиками.

Управление прессом происходит при помощи системы управления прессом, таким образом, контроль положения пресса осуществляется другой СУ, от которой должен приходить сигнал к ПЛК.

Наличие детали в электрической печи будетопределяться СУ электрической печью, от которой также приходит сигнал к ПЛК. В данном случае контроль наличия детали при помощи датчиков является нецелесообразным, т.к. в печи заготовка выдерживается определенной время и при определенной температуре, эти параметры контролирует СУ печью, соответственно от этой системы управления и необходимо принимать сигнал о готовности заготовки.

Следовательно, управление РТК горячей штамповки осуществляется следующим образом:

ПР выполняет (такт 1) поворот позицию 1 Одновременно в этом такте открывается электрическая печь и разжимается схват правой руки. Далее происходит (такт 2) разжим схвата левой руки и выдвижение правой руки в рабочую зону пресса. Обработанная деталь зажимается схватом правой руки и одновременно выдвигается левая рука ПР (такт 3). Нагретая деталь зажимается схватом левой руки, правая рука задвигается (такт 4). В такте 5 происходит задвижениелевой руки. ПР поворачивается в позицию 2 (такт 6), электрическая печь закрывается. В результате поочередного выдвижения и задвижения рук ПР обрабатываемая детальпомещается в рабочую зону пресса, а обработанная деталь (после штамповки) сбрасывается в закалочный бак (такты 7 – 9). Выполнятся рабочий ход пресса (такт 10). После задвижения правой руки (такт 11) цикл работы РТК повторяется.

Циклограмма работы РТК приведена на листе 2 в графической части курсовой работы.

Выход из цикла (отключение РТК) осуществляется нажатием кнопки СТОП на панели оператора.

 

2.2 Выбор аппаратных средств системы управления

 

Произведем выбор технической реализации системы управления.

Спектр предлагаемой продукции ПЛК чрезвычайно широк. Приведем краткую оценку рынка контроллерных средств [6].

На нем работают все международные лидеры – производители данной продукции(АBB, Emerson, General Electric Fanuc Automation, Foxboro, Honeywell, Metso Automation, Moore Products, Omron, Rockwell Automation, Siemens, Yokogawa, Schneider Automation и др. Всего порядка 15 фирм, каждая из которых предлагает от двух до пяти контроллерных средств разных классов). Около 20 зарубежных производителей меньшего масштаба имеют российских дилеров, внедряющих их контроллерные средства на российских предприятиях (Koyo Electronics, Tornado, Triconex, PEP, Trey, Control Microsystems, GF Power Controls и др.).

Более 20 российских предприятий конкурируют с зарубежными производителями в разных классах контроллерных средств («Автоматика», ДЭП «Импульс», «Инсист Автоматика», «Интеравтоматика», «Квантор», «НИИтеплоприбор», «НВТ-автоматика», ПИК «Прогресс», «Саргон», «Системотехника», ТЕКОН, ЭМИКОН, ОВЕН и др.). Поскольку российские предприятия комплектуют контроллерные средства зарубежными микропроцессорами, стандартными сетями, типовыми системным и программным обеспечением, то продукция отечественного производства оказывается вполне конкурентоспособной по сравнению с импортными аналогами. К сожалению, при этом ее стоимость также становится сопоставимой с зарубежными аналогами.

В таблице 2 приведены некоторые характеристики ПЛК различных фирм. Все они построены по магистрально-модульному принципу, монтируются на панель или DIN-линейку, работают от напряжения +24 В, имеют широкий набор модулей.

Характеристики ПЛК различных производителей

 

Таблица 2

Тип ПЛК	SISMAQ CQM1	SISMAQ C200H	SMART 2	ADAM 5510	SIMATIC S7-300	DL 205	SLC 500
Фирма-производитель	Omron	Omron	REP	Advantech	Siemens	PLCDirect	Allen-Bradley
Страна	Япония	Япония	Германия	США	Германия	США	США
Диапазон температуры (С)	0+55	0+55	-40+80	-10+70	-25+60	0+60	0+55
Влажность воздуха (%)	10-90	10-90	5-95	5-95	5-95	5-95	5-95
Гарантийный срок (лет)	3	3	3	2	1	1	1
Номенклатура (шт)	42	87	18	12	45	30	80
Количество модулей в каркасе (шт)	До 11	3/5/8/10	До 14	4	До 8	3/4/6/9	4/7/10/13
Количество каналов в модуле	8/16/32	8/16/32/64	8	16	8/16/32	4/8/12/16	8/16/32
Размеры модуля (мм)	110 32 107	130 32 118	78 31 70	110 31 75	125 40 120	90 28 75	140 35 145
Вес модуля (г)	160-230	180-300	40-70	65-95	190-300	65-80	190-30
Мощность потребления (Вт)	0,85-1,2	0,24-1,3	0,1-0,27	0,25-0,3	0,6-2,0	0,5-1,0	0,5-2,2

 

Как видно из таблицы контроллеры имеют равные функциональные возможности, близкие технические и эксплуатационные характеристики и даже практически одинаковые размеры. В такой ситуации необходимо определить критерии оценки и выбора ПЛК, удовлетворяющего поставленной задаче.

Учитывая специфику устройств, критерии оценки можно разделить на три группы:

1. Технические характеристики
1. Количество каналов ввода/вывода
2. Быстродействие
3. Уровни напряжения входов/выходов
4. Напряжение изоляции
2. Эксплуатационные характеристики
1. Диапазон рабочих температур
2. Относительная влажность воздуха
3. Потребительские свойства
1. Производительность
1. Время выполнения операции
2. Функциональность
2. Надежность
1. Наработка на отказ
2. Среднее время восстановления
3. Затраты
1. Стоимость приобретения
1. Стоимость оборудования
2. Стоимость монтажа
2. Стоимость эксплуатации
1. Потребляемая мощность
2. Гарантийный срок
4. Массогабаритные характеристики

При этом критериями выбора следует считать потребительские свойства, т.е. соотношение показателей затраты/производительность/надежность, а технические и эксплуатационные характеристики ограничениями для процедуры выбора. Т.к. характеристики между собой конфликтны, т.е. улучшение одной характеристики почти всегда приводит к ухудшению другой, необходимо оценивать их применительно к решаемым задачам управления.

Из анализа достоинств и недостатков технических средств управления дискретными технологическими процессами наиболее подходящим управляющим устройством является программируемый контроллер SIMATICS7-300 фирмы Siemens.

 

Рис.2 ПЛК SIMAITCS7-300

 

Этот выбор основан на следующих основных факторах:

- простоте данного средства  автоматизации;

- относительно небольшой стоимости  контроллера;

- довольно хорошем быстродействии процессорного модуля;

- достаточном количестве дискретных и аналоговых входов-выходов при возможности их расширения;

- понятном для пользователей  программном обеспечении, которое поставляется вместе с контроллером и является относительно недорогим;

- существует широкий спектр  модулей для максимальной адаптации  к требованиям решаемой задачи;

- есть возможность свободного  наращивания функциональных возможностей  при модернизации системы управления;

- простое включение контроллера  в сетевые конфигурации;

- удобная конструкция и работа  с естественным охлаждением.

Приведем назначение и общую техническую характеристику контроллера.

ПЛК S7-300 находит применение для автоматизации машин специального назначения, текстильных, упаковочных машин, машиностроительного оборудования, оборудования для производства технических средств управления и электротехнического оборудования, систем водоснабжения.

Контроллер предназначен для решения следующих задач:

1. сбор информации с датчиков;

2. выдача управляющих воздействий  на исполнительные органы различных  типов;

4. программноеуправление технологическими агрегатами, автоматический пуск и останов технологического оборудования;

5. математическая обработка информации по различным алгоритмам;

6. обслуживание оператора, прием и исполнение его команд, аварийная, предупредительная и рабочая сигнализация, индикация значений прямых и косвенных параметров;

11. обслуживание технического персонала при наладке, программировании, ремонте, проверке технического состояния контроллера;

12. самоконтроль и диагностика контроллера, вывод информации о техническом состоянии контроллера обслуживающему персоналу;

Программируемые контроллерS7-300 могут включать в свой состав [3]:

- модуль центрального процессора (CPU). В зависимости от сложности решаемых задач в контроллере могут использоваться более 20 типов центральных процессоров;

- блоки питания (PS) для питания контроллера от сети переменного или постоянного ток;

- сигнальные модули (SM), предназначенные для ввода и вывода дискретных и аналоговых сигналов;

- коммуникационные процессоры (CP) – интеллектуальные модули, выполняющие автономную обработку коммуникационных задач в промышленных сетях и системах связи;

- функциональные модули (FM) – интеллектуальные модули, оснащенные встроенным микропроцессором и способные выполнять задачи автоматического регулирования, взвешивания, позиционирования, скоростного счета, управления перемещением и т.д. Целый ряд функциональных модулей способен продолжать выполнение возложенных на них задач даже в случае остановки центрального процессора.

- интерфейсные модули (IM) – служат для подключения стоек расширения к базовому блоку контроллера, что позволяет использовать в системе локального ввода-вывода до 32 модулей различного назначения.

Конструкция контроллера отличается высокой гибкостью и удобством обслуживания. Все модули устанавливаются на профильную шину S7-300 и фиксируются в рабочих положениях. Объединение модулей в единую систему выполняется с помощью шинных соединителей. Порядок размещения модулей в монтажных стойках произвольный, за исключением модулей PS, CPU и IM, которые занимают фиксированные посадочные места.

Все центральные процессоры S7-300 характеризуются следующими показателями:

- высокое быстродействие;

- загружаемая память в виде  микро карты памяти ММС емкостью до 8 Мбайт;

- развитые коммуникационные возможности, одновременная поддержка большого  количества активных коммуникационных  соединений;

- работа без буферной батареи.

ММС используется для загрузки программы, сохранения данных при перебоях в питании CPU, хранения архива проектас символьной таблицей и комментариями, а также для архивирования промежуточных данных.

Типовой набор встроенных технологических функций позволяет решать задачи скоростного счета,измерения частоты и длительности периода, ПИД - регулирования, позиционирования, перевода части дискретных выходов в импульсный режим.

Все центральные процессоры S7-300 оснащены востренным интерфейсом MPI, который используется для программирования, диагностики и построения простейших сетевых структур.

Система команд центральных процессоров включает в свой состав более 350 инструкций и позволяет выполнять следующие операции:

- логические операции, операции  сдвига, вращения, дополнения, операции  сравнения, преобразования типов  данных, операции с таймерами  и счетчиками;