5.8.3 Интеллектуальные мехатронные модули
Главной особенностью современного этапа развития мехатрон-
ных модулей является интеллектуализация процессов управления их
функциональными движениями. По сути, речь идет о разработке
принципиально нового поколения модулей, в которых осуществлена
интеграция всех трех компонент – электромеханической, электрон-
ной и компьютерной. Техническая реализация интеллектуальных
мехатронных модулей движения стала возможной благодаря
бурному развитию микропроцессорных систем, ориентированных на
задачи управления движением. Совершенствование производствен-
ных технологий изготовления микропроцессоров и микроконтрол-
леров обеспечивает стабильное снижение их стоимости, что повы-
шает рентабельность практического внедрения.
Выделяют три направления интеллектуализации мехатронных
модулей движения, которые классифицируются в зависимости от
интерфейсных точек интеграции:
– развитие интегрированных интерфейсов, связывающих управ-
ляющий контроллер с компьютером верхнего уровня в единый
аппаратно-программный управляющий комплекс;
– создание интеллектуальных силовых модулей управления
путем интеграции управляющих контроллеров и силовых преобразо-
вателей;
179
– разработка интеллектуальных сенсоров мехатронных модулей,
которые кроме функций измерения осуществляют компьютерную
обработку и преобразование сигналов.
Рассмотрим тенденции и способы технической реализации уст-
ройств компьютерного управления (УКУ) в современных мехатрон-
ных модулях.
Контроллеры движения.
Первое из указанных направлений заключается в создании
нового поколения компьютерных устройств, позволяющих пользова-
телю гибко и быстро решать весь комплекс задач управления
движением модуля.
Укрупненно задачу управления движением мехатронных систем
можно разделить на две основные части: планирование движения и
его исполнение во времени. Задачу планирования движения и
автоматизированного формирования программы управления решает
компьютер верхнего уровня, который получает задание от человека-
оператора. Функцию расчета и выдачи управляющих сигналов
непосредственно на исполнительные приводы выполняет контроллер
движения. Таким образом, сочетание компьютера и контроллера в
архитектуре УКУ является обоснованным с точки зрения разделения
решаемых подзадач управления. Такая структура, как правило,
применяется для многокоординатных мехатронных систем с
интеллектуальными методами управления (рис. 5.33).
Рис. 5.33. Структура системы управления движением
В простейших модулях используют контроллеры, функции
которых ограничены задачей управления механическим движением
по одной координате (редко по двум). Необходимость их програм-
мирования непосредственно оператором на языке достаточно низ-
180
кого уровня, малое количество каналов связи и ограниченный объем
памяти делают эти контроллеры неперспективными.
Современные контроллеры обычно реализуют управление с
обратной связью по положению и/или скорости управляемого меха-
нического объекта, т.е. мехатронная система управления является
замкнутой на исполнительном уровне. Принцип разомкнутого управ-
ления в настоящее время используется только в системах управления
шаговыми двигателями. Такие двигатели применяются, например, в
графопостроителях, плоттерах, поворотных столах и других устрой-
ствах, которые не испытывают существенных возмущающих воз-
действий. В оборудовании автоматизированного машиностроения
(металлорежущих станках, технологических роботах) обеспечить
приемлемую точность движения можно только используя замкнутые
системы управления.
Для реализации функциональных движений контроллеры
имеют также дополнительные входы/выходы для связи с внешним
оборудованием. Как правило, это дискретные сигналы ввода/вывода.
В промышленных системах автоматики для связи с оборудованием
широко применяются программируемые логические контроллеры
(ПЛК). При этом обмен информацией между контроллерами управ-
ления движением и ПЛК возможен через блок дискретных входов/
выходов.
Наиболее распространены два метода формирования контрол-
лером управляющих сигналов для силового преобразователя:
– аналоговые командные сигналы;
– модулированные управляющие сигналы.
Для формирования аналоговых управляющих сигналов необхо-
дим цифро-аналоговый преобразователь, который выдает электри-
ческие напряжения (обычно от –10 В до +10 В). С энергетической
точки зрения выгодным считается метод широтно-импульсной моду-
ляции (ШИМ) при управлении силовыми ключами преобразователя.
При создании интеллектуального мехатронного модуля возмож-
ны два базовых варианта архитектуры УКУ:
– использование компьютера верхнего уровня и контроллера
движения как отдельных устройств, соединенных стандартным ин-
терфейсом (в этом случае контроллер является внешним блоком по
отношению к компьютеру);
– моноблочная структура, когда контроллер аппаратно устанав-
ливается внутрь компьютера («встраиваемый контроллер»).
181
Данные аппаратные схемы имеют различные области пред-
почтительного применения. Архитектуру типа «внешний контрол-
лер» целесообразно использовать в больших мехатронных системах,
состоящих из нескольких многокоординатных управляемых машин
(станков, роботов, вспомогательного оборудования). В таких систе-
мах компьютер выполняет функции сервера, решая задачи плани-
рования движений, диспетчеризации и управления работой всех
контроллеров комплекса. Архитектура на базе встраиваемых конт-
роллеров ориентирована на задачи управления движением несколь-
ких мехатронных модулей, входящих в состав, как правило, одной
мехатронной системы.
Рассмотрим блок-схему УКУ с «внешним контроллером»
(рис. 5.34). Гибкость управления обеспечивается применением мик-
ропроцессора. Планирование функциональных движений осуществ-
ляется оператором на компьютере верхнего уровня с использованием
пакетов прикладных программ. Компьютер выполняет также автома-
тическую генерацию команд для контроллера, которые поступают на
исполнение через стандартный интерфейс. Эти команды задают
желаемые законы изменения во времени положения, скорости и
ускорения вала исполнительного двигателя.
Рис. 5.34. Блок-схема контроллера движения
Архитектура типа «встраиваемый контроллер» заключается в
использовании персонального компьютера (PC) в качестве аппарат-
ной платформы устройства управления движением. Это позволяет
сочетать функции планирования и управления функциональными
движениями мехатронными модулями и системами, сбора и обработ-
ки информационно-измерительных данных в едином устройстве.
182
Важным достоинством такого подхода с точки зрения пользователя
является интеграция стандартных операционных систем и програм-
мных продуктов с системами программирования движений. Объеди-
нение управляющих компьютеров в сеть дает возможность создавать
распределенные управляющие комплексы для задач автоматизации
производственных ячеек, цехов и предприятий. При этом модульная
архитектура на базе PC промышленного исполнения гарантирует
эффективную защиту аппаратной части от тепловых, вибрационных
и других воздействий производственной среды.
Технически встраиваемые контроллеры движения выпускаются
в виде специальных плат, устанавливаемых в дополнительный слот
PC. Обмен данными между контроллером и PC осуществляется через
стандартную шину адреса и данных. На плате контроллера также
имеются необходимые разъемы для подключения силового преобра-
зователя привода, датчиков обратной связи (аналоговых и цифро-
вых), внешних устройств с дискретным входом/выходом.
Достарыңызбен бөлісу: |