43724

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЕРМОФОРМОВОЧНОЙ УСТАНОВКОЙ

Дипломная

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Термоформовка является одним из основных методов переработки полимерных материалов, объединяя несколько технологических методов: вакуумный, пневматический, механический, а также их различные комбинации. Широкое распространение процессов термоформовки объясняется простотой, компактностью, относительной дешевизной используемого оборудования и технологической оснастки.

Русский

2013-11-06

1.38 MB

29 чел.

7

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное автономное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

 «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ В г. ТАГАНРОГЕ

(ТТИ Южного федерального университета)

Факультет _________ автоматики и вычислительной техники____________

Кафедра ___________ систем автоматического управления______________

К защите допустить:

           Зав. кафедрой

_д.т.н., профессор Финаев В.И._

«_____» _________________ 2012 г.

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К ВЫПУСКНОЙ КВАЛИФИКАЦИОННОЙ РАБОТЕ

НА АКАДЕМИЧЕСКУЮ СТЕПЕНЬ «БАКАЛАВР»

на тему:

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЕРМОФОРМОВОЧНОЙ УСТАНОВКОЙ

Руководитель выпускной работы: ____к.т.н., доц. каф. САУ Югай В.Я.

  Студент _________________ гр. А-148 Васильченко П.П.

«_____» ______________________ 2012 г.

Таганрог  2012 г.


МИНОБРНАУКИ РОССИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ В г. ТАГАНРОГЕ

(ТТИ Южного федерального университета)

Факультет  _____ автоматики и вычислительной техники ___   ______

Кафедра  ______ систем автоматического управления _______

Группа  _______________А-148____________________________

ЗАДАНИЕ

к квалификационной работе студенту

 

___________________ Васильченко Павлу Петровичу ________________

1. Тема проекта: СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЕРМОФОРМОВОЧНОЙ УСТАНОВКОЙ

утверждена приказом по вузу №   569  от 19.06.2012

2. Срок сдачи студентом законченного проекта ____21.06.2012_____

3. Исходные данные к проекту.

Разработать устройство управления термоформовочным станком, которое будет осуществлять управление нагревом заготовки, пневмоприводами пуансона, нагревательного устройства, вакуумным насосом, заслонками распределителя. Контроль температуры нагрева заготовки до 155 °C. Для реализации устройства управления произвести выбор основных технических средств.

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

4. Содержание расчетно-пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов)

Введение

1. Технология изготовления изделий термоформовкой  

2.  Анализ процесса и описание способов автоматизации

3.  Выбор средств реализации

4.  Схема устройства управления и алгоритм работы

5. Экономическое обоснование и техника безопасности при работе со станком.

Заключение.

5. Перечень графического материала (с точным указанием обязательных чертежей)

_1.__ Плакат расположения устройств на станке ________________1 лист__

_2.__Плакат функциональной схемы контроллера ATmega128____1 лист__

_3.__ Схема пневмоустановки станка _________________________1 лист__

_4.__Схема подключения дисплея к микроконтроллеру __________1 лист__

_5.__ Схема расположения устройств автоматизации на станке ___1 лист__

_6.__ Блок-схема алгоритма работы пневматической установки ___1 лист__

_7.___ Блок-схема основного цикла регулирования _____________________

______ температуры нагревательного устройства ________________1 лист__

Консультанты по проекту (с указанием относящихся к ним разделов проекта)

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

7. Дата выдачи задания ______27.03.2012_________

 Руководитель ___________________________

      (подпись)

Задание принял к исполнению (дата)____ 27.03.2012_____________

  Подпись студента ____________________________


УДК 681.51:
 631.33

Система управления

термоформовочной установкой

Бакалаврская квалификационная работа

Васильченко Павел Петрович

ТТИ ЮФУ, 2012 год

АННОТАЦИЯ

Выпускная квалификационная работа посвящена разработке устройства управления и контроля параметров термоформовочной установки. Рассмотрен процесс формовки. Выбраны датчики и элементы блока управления. Приведена структурная схема системы управления работой станка. Разработан алгоритм работы программы для микроконтроллера.

Приведено технико-экономическое обоснование проектирования и анализ безопасности.


UDC 681.51: 631.33

The control system

thermoforming plant

Degree project,

Vasilchenko Pavel Petrovich

                                                                                                           TTI SFU, 2012

ANNOTATION

Final qualifying is dedicated to the development of the control device  and monitored parameters thermoforming plant. The process of forming was shown. Elements of the sensors and control unit were selected. The block diagrams of the control system of the machine work were shown. The algorithm of the program for the microcontroller was developed.

The feasibility study of design and safety analysis were demonstrated.


УДК 681.51: 631.33

Система управления

термоформовочной установкой

Бакалаврская квалификационная работа

Васильченко Павел Петрович

ТТИ ЮФУ, 2012 год

Реферат

Дипломный проект содержит 62 страницы, 1 таблицу, 24 рисунка, список использованной литературы из 14 наименований.

ФОРМОВКА, АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА УПРАВЛЕНИЯ, ТЕРМОФОРМОВКА, ПАРАМЕТРЫ ФОРМОВКИ, ПИРОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК, РЕГУЛЯТОР МОЩНОСТИ, ПНЕВМОЦИЛИНДРЫ, КОМПРЕССОР, МИКРОКОНТРОЛЛЕРНАЯ СИСТЕМА.

В выпускной квалификационной работе рассмотрена проблема автоматизации процессов управления параметрами термоформовочной установки. Выполнены все требования технического задания, разработана структурная, функциональная схемы системы управления, а также частично выработан алгоритм работы программы для микроконтроллера, цель которой – получить заданные параметры процесса термоформовки. Система построена на микроконтроллере фирмы Atmel семейства AVRATMega128.

Выполнено технико–экономическое обоснование проекта и проанализирована его безопасность.


Содержание

ВВЕДЕНИЕ 9

  1.  технология изготовления изделий термоформовкой 11
  2.  Основные сведения о термоформовке 11
  3.  Технологический процесс формовки готового изделия 16

2   анализ процесса и описание способов автоматизации  17

  1.  Основные узлы станка 17
  2.  Вакуумный насос 17
  3.  Нагревательное устройство 18
  4.  Способы автоматизации 18
    1.  Управление нагревательным устройством 18
    2.  Управление работой вакуумного насоса 19
    3.  Управление работой приводов и фиксаторов положения станка 19
    4.  Управление компрессорным устройством 19
  5.  Модель процесса 20
  6.  Выбор средств РЕАЛИзации 23
  7.  Датчики 23
    1.  Требования к датчикам 23
    2.  Выбор датчиков 24
  8.  Контроллер 34
    1.  Требования к контроллеру 34
    2.  Выбор контроллера 35
    3.  Описание выводов 41
  9.  Регулятор мощности 45
    1.  Требования к регулятору мощности 45
    2.  Выбор регулятора мощности 46
  10.  Концевые выключатели 49
  11.  Пневмоцилиндры 49
  12.  Пневмораспределители 49
  13.  LCD дисплей 52
  14.  Схема устройства управления и алгоритм работы 54
  15.  Распределение выходов в микроконтроллере 54
  16.  Алгоритм работы пневмоустановки 56
  17.  Алгоритм работы нагревательного устройства 63
  18.  Экономическое обоснование  и техника безопасности при работе со станком 66
  19.  Экономическое обоснование 66
  20.  Пожарная безопасность при работе со станком 67

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 69

Библиографический список 70


ВВЕДЕНИЕ

Что может быть общего у таких разных отраслей, как фасовка пищевой продукции, производство светотехники, выпуск сантехники и, к примеру, детских игрушек? Ответ на этот вопрос – в применении одной и той же эффективной технологии, именуемой вакуумной формовкой и потеснившей многие другие способы производства в силу своих явных преимуществ. Благодаря вакуумной формовке, завоевавшей симпатии и предпочтение производителей изделий из пластика, значительно упростился процесс изготовления множества необходимых в повседневной жизни предметов, от манекенов и продуктовых контейнеров до корпусов дорожных знаков и пляжных лежаков.

Специалисты-рекламщики и работники торговли не понаслышке знакомы с этим эффективным методом и успели оценить его плюсы, опробовав произведенные таким способом элементы наружной рекламы, дисплеи, лотки и стойки для торговли. Эффектно и оригинально смотрятся выполненные с помощью вакуумной формовки объемные буквы вывесок, лайтбоксы и всевозможное оборудование для проведения выставок. С помощью такой технологии производят корпуса самого разного оборудования с улучшенными характеристиками, дорожные ограждения, карнизы, а также футляры – и все это от незатейливых до самых невероятных форм.

Вакуумную формовку применяют всюду, где в ходу такой удобный материал как пластик – а он, как известно, прочно вошел в обиход каждого человека и присутствует во всех областях жизни. Эта технология косвенно «участвует» в производстве строительных и отделочных материалов. Изготовленные с ее помощью формы используют для выпуска, к примеру, строительных материалов, тротуарной плитки,  различных декоративных элементов ограждений, контейнеров под рассаду. При создании деталей автомобильного тюнинга также часто отдают предпочтение именно вакуумной формовке, которая обеспечивает прекрасный внешний вид изделий при высоких технических качествах. Применяют эту технологию и при производстве отдельных частей плавсредств – и, нужно отметить, они прекрасно справляются с возложенными на них функциями и гарантируют плавательным средствам заявленную долговечность [1].

Практика показала, что применение вакуумной формовки весьма выгодно для производителей изделий из пластика, поскольку она позволяет и экономить значительные средства, и при этом достигать отличного результата. Потребители также все чаще останавливают свой выбор именно на изделиях, произведенных методом вакуумной формовки, благодаря их явным преимуществам [3].

Автоматизация такой отрасли как термоформование является выгодной по нескольким причинам. Прежде всего – это снижение затрат на рабочие руки и, как следствие, – получение большей прибыли в ходе производства и реализации. Также при наличии большого количества рабочих рук играет немалую роль человеческий фактор, который сведётся на нет при замене ручного труда машинным. При автоматизации термоформовочных установок количество рабочих, закреплённых за станками, уменьшается в 3-4 раза, причём под руководством одного рабочего остаются 3-4 станка, но рабочий выполняет работы меньше, нежели при неавтоматизированном производстве.


  1.  технология изготовления изделий термоформовкой
  2.   Основные сведения о термоформовке

Термоформовка является одним из основных методов переработки полимерных материалов, объединяя несколько технологических методов: вакуумный, пневматический, механический, а также их различные комбинации. Широкое распространение процессов термоформовки объясняется простотой, компактностью, относительной дешевизной используемого оборудования и технологической оснастки. Многие виды полимерных изделий, например, крупногабаритные и тонкостенные сложной конфигурации, можно изготовить только методами пневматического или вакуумного формования. Все изложенные выше причины позволяют достойно конкурировать процессам термоформовки с другими альтернативными методами производства изделий из полимерных материалов.

Реализация методов термоформовки достаточно проста: полимерную заготовку нагревают до температуры высокоэластического состояния, а затем, деформируя её различными способами, придают последней необходимую форму, фиксация которой осуществляется путём охлаждения отформованного изделия. В зависимости от способа создания движущей силы процесса деформирования заготовки в готовое изделие, различают следующие методы термоформовки пластмасс: вакуумный, пневматический, гидравлический, механический, комбинированный.

При вакуумном формовании (рис. 1.1) плоскую заготовку из термопластичного полимерного материала, прижатую по периметру к рабочей камере вакуум-формовочной машины прижимной рамой, сначала с помощью нагревательного устройства разогревают до высокоэластического состояния. Затем в полости, образованной поверхностями заготовки и формующей матрицы, создают разряжение, в результате чего за счет возникающего перепада давления происходит формование изделия. После охлаждения изделия до температуры его формоустойчивости, последнее извлекают из формующего инструмента (снимают с формующего инструмента).

Рис. 1.1. – Схема реализации процесса вакуумного формования:

1 – нагревательное устройство;  2 – прижимная рама; 3 – плоская полимерная заготовка;  4 – формующая матрица; 5 – отформованное изделие.

При гидравлическом формовании роль рабочей среды выполняет подогретая жидкость, нагнетаемая насосом под давлением 0,15–2,5 МПа.

Реализация процессов пневмоформовки (рис. 1.2) отличается от вакуумного формования только тем, что перепад давления создают за счет использования в качестве рабочей среды сжатого газа (как правило – сжатого воздуха) с избыточным давлением до 2,5 МПа.

Рис. 1.2. – Переработка полимерных материалов методом пневмоформовки

Механическое формование (механотермоформовка) отличается от процессов пневматического формования тем, что придание разогретой заготовке формы готового изделия осуществляется за счёт её механической вытяжки металлическим пуансоном.

В нашем случае будет автоматизироваться процесс, включающий в себя особенности механического и вакуумного формования.

Основными технологическими параметрами, определяющими протекание процессов термоформовки изделий из полимерных заготовок и влияющими в конечном итоге на качество готовой продукции, являются: температура используемой заготовки, температура формующего инструмента, рабочий перепад давления при формовании, скорость формования, скорость охлаждения отформованной заготовки, геометрия формуемого изделия, свойства используемого полимерного сырья, свойства и термодинамические параметры рабочих сред и др. [3].

Поскольку процессы переработки полимеров в изделия и детали являются, прежде всего, деформационными, то выбор оптимальной температуры для каждого конкретного метода их переработки должен, учитывая его специфику, основываться на особенностях деформационного поведения используемых материалов. Эти особенности легко устанавливают из анализа термомеханической кривой, типичный вид которой для аморфного полимера представлен на рис. 1.3.

Рис. 1.3. – Термомеханическая кривая аморфности полимера:

ТС – температура стеклования; ТТ – температура текучести; 1, 2, 3 – области стеклообразного, высокоэластического и вязкотекучего релаксационных состояний полимера соответственно

Анализ приведённой термомеханической кривой показывает, что для полимерных материалов характерны три ярко выраженные области, определяющие различную степень их деформируемости. Стеклообразное состояние полимеров характеризуется отсутствием движения макромолекулярных цепей или их сегментов. Деформационное поведение полимеров в таком состоянии и обычных упругих твёрдых тел ничем не отличается, а развивающиеся в таких условиях в полимерах деформации являются полностью упруго обратимыми. Если полимерный материал нагреть до температуры, превышающей температуру его стеклования, то он переходит в следующее релаксационное состояние – высокоэластическое, когда появляется подвижность отдельных сегментов макромолекулярной цепи полимера, а материал становится более мягким и эластичным. Однако ещё стабильно существующие в его структуре надмолекулярные образования, например, микроблоки, препятствуют относительному смещению молекулярных цепей в целом.

Высокоэластическая деформация так же, как и упругая, является полностью обратимой деформацией, но в отличие от последней имеет энтропийную природу. При дальнейшем нагревании полимера выше некоторой температуры, называемой температурой текучести, появляется возможность в относительном смещении цепей макромолекул друг относительно друга при приложении к нему внешней нагрузки. Последнее обстоятельство и обеспечивает течение полимерных сред в этом состоянии, при этом деформации течения являются необратимыми.

Все процессы термоформовки предусматривают стадию разогрева заготовки. Разогрев заготовок следует вести так, чтобы температура во всех точках их поверхности в любой момент времени была одинакова. Неравномерный разогрев ведет к неравномерному деформированию заготовки в процессе её формования в изделие и образованию складок на поверхности последнего. В результате неравномерного разогрева на поверхности заготовки могут образовываться отдельные перегретые области, а при формовании в этих областях может произойти разрыв заготовки.

Температура формующего инструмента влияет на процесс охлаждения отформованного изделия. Очевидно, что она должна быть ниже температуры стеклования полимера, иначе достаточного охлаждения заготовки не произойдет и изделие может потерять свою форму. Также очевидно, что чем ниже температура формующего инструмента, тем быстрее охлаждение и выше производительность формовочного оборудования. Основными параметрами технологического процесса, обеспечивающими качественное формование изделий, являются: оптимальная температура формования; время вытяжки; время нагревания листа; температура формы. Ниже представлены некоторые данные по температурным режимам.

Таблица 1.1

Материал

Т заготовки, °C

Т формы, °C

ПЭНД

120-135

50-70

ПЭВД

90-135

50-70

ПС

115-150

50-65

ПП

150-190

50-80

ПММА

120-200

40-60

Виды брака (причина, способ устранения):

  1.  Разнотолщинность (разнотолщинность исходного листа, регулировка степени вытяжки, нагрева по зонам)
  2.  Образование складок (чрезмерное давление воздуха на стадии предварительной вытяжки)
  3.  Повышенная хрупкость (низкая температура листа, малое время прогрева, плохая работа нагревателей)
  4.  Разрыв листа (выбор материала, низкая температура формы)
  5.  Плохая проработка, нечеткий рельеф (низкая температура листа, формы)
  6.  Прилипание изделия к поверхности формы (конструкция формы, перегрев листа)

Время технологического или рабочего цикла производства того или иного вида изделий зависит, прежде всего, от реализуемого метода их формования, используемого оборудования и может включать в себя самые разнообразные элементы [4].

  1.   Технологический процесс формовки готового изделия

На начальном этапе происходит закладка листа заготовки на рёбра уплотнителей в формовочную станцию, состоящую из матрицы и пуансона. Заготовка фиксируется прижимной рамой, дабы создать под ней закрытое пространство между заготовкой и матрицей, откуда впоследствии будет выкачиваться воздух. Далее над листом полистирола закрепляется нагревательное устройство, которое разогревает заготовку до 155 °C. Нагрев длится  23 секунды, после чего нагревательное устройство отводится в сторону. Время разогрева заготовки зависит от степени прогрева рабочих элементов станка. Одновременно с разогревом, на 18 секунде цикла включается вакуумный насос, который впоследствии создаёт разряжение воздуха в матрице, под заготовкой. Следующим этапом идёт фиксация пресс-формы над заготовкой. Фиксация происходит с помощью металлических зажимов и предназначена для того, чтобы во время формовки изделия пуансон не совершал боковых движений. При последующем закрытии матрицы и пуансона производится вытяжка заготовки.

Скорость закрытия матрицы пуансона оказывает решающее влияние на качество готового изделия. Одновременно с закрытием формовочной станции пространство между матрицей и заготовкой вакуумируется, при этом заготовка копирует форму матрицы. В закрытом положении формовочная станция пребывает около двух секунд, после чего перекрывается канал откачки воздуха из-под заготовки и заготовка расфиксируется. Полученные кассеты на соседнем станке обрезаются по краям и готовы к реализации.


  1.  анализ процесса и описание способов автоматизации
  2.  Основные узлы станка
  3.  Каркас станка, на котором держатся остальные узлы станка – представляет  собой сваренные металлические профили, а также рёбра жёсткости.
  4.  Матрица – является формообразующим элементом, выполненным из металла, и представляет собой емкости с отверстием снизу для откачки воздуха.
  5.  Пуансоны, выполненные из дерева, наряду с матрицей являются формообразующими элементами. Продавливают разогретую заготовку в матрицу, тем самым облегчая формование.
  6.  Вакуумный насос – откачивает воздух из-под заготовки.
  7.  Нагревательное устройство – нагревает заготовку до нужной температуры.
  8.  Механические фиксаторы различных положений станка – нужны для фиксирования элементов станка на различных этапах изготовления.
  9.  Вакуумный насос

НВЗ-20 (насос вакуумный золотниковый) применяется для откачки воздуха из-под разогретой заготовки для последующего её формования. Насос соединён с формовочной матрицей через систему трубок, которые ограничены запирающими кранами. Открытие крана происходит непосредственно в момент, когда пуансон опускается в матрицу, растягивая под собой пластмассовую заготовку.  

Вакуумный насос НВЗ-20 двухступенчатый последовательного действия. Агрегаты НВЗ-20 состоят из насоса и двигателя, соединенных посредством клиноременной передачи. Материалы исполнения проточной части насоса - серый чугун либо стали обычных марок. Уплотнение вала насоса - манжетное.

Насос и электродвигатель (вместе составляют агрегат) монтируются на общей фундаментной раме или плите, масса которой должна превышать массу агрегата в 2-3 раза.

  1.  Нагревательное устройство

Нагревательное устройство (рис 2.1) (11) представляет собой металлический короб, в котором жёстко закреплены 14 трубок, осуществляющих нагрев пространства под коробом.  Нагревательные элементы разделены на группы для возможности раздельного регулирования температуры, а, следовательно, для получения равномерного прогрева заготовки.

Двенадцать трубок закреплены по ширине на расстоянии 30 мм друг от друга около краёв  и на расстоянии 45 мм ближе к центру. Целью такого расположения является компенсация потерь тепла на краях нагревающего  элемента. Две трубки закреплены по длине элемента, с краю. Центральные нагревательные секции разогреваются до температуры 120 °C, а лежащие по краям – до 200 °C.

В итоге вся нагревательная часть станка имеет почти равномерную температуру 155 °C по всей поверхности нагрева заготовки.

Рабочая мощность нагревательной установки составляет 7-9 кВт при напряжении 380 В и питании от трёхфазной сети.

  1.  Способы автоматизации

Перечисленные элементы термоформовочной установки могут быть автоматизированы, дабы частично исключить роль человека в изготовлении заготовок, снизить влияние человеческого фактора, а также увеличить скорость производства.

  1.  Управление нагревательным устройством

Распределение потоков электрической мощности ложится на контроллер, который, руководствуясь заранее заданным алгоритмом, а также показаниями датчиков, позволит получить более равномерный прогрев нагревательного устройства, тем самым повысив качество изготовляемой продукции и уменьшив процент брака. Нагревательное устройство разделено на четыре части, которые разогреваются каждая своей группой нагревательных элементов, что позволит повысить показатели оптимальности управления. Контроль за температурой будет осуществляться бесконтактными датчиками, информация с которых будет обрабатываться контроллером.

  1.  Управление работой вакуумного насоса

Насосное устройство также нуждается в автоматизации из-за излишней потребности контроля процесса откачки воздуха из-под заготовки. Управление вакуумным устройством и краном откачки воздуха, аналогично нагревательному устройству, будет выполняться средствами  контроллера.

  1.  Управление работой приводов и фиксаторов положения станка

Поставив на станок распределительное устройство, мы можем применить пневмоцилиндры для автоматизации механических процессов, происходящих на станке. Альтернативой пневмоцилиндрам могут служить электроприводы, но их добавление в конструкцию станка внесёт некоторую дискретность в работу механического оборудования. В отличии от электроприводов, в пневмоцилиндрах почти отсутствует дискретность хода, а также вес исполнительных органов гораздо меньше. Выбор в пользу пневмоцилиндров также продиктован наличием на производстве компрессорных устройств.

  1.  Управление компрессорным устройством

Управляя заслонками газораспределения и самим компрессорным устройством, мы можем добиться высоких показателей управления механической составляющей станка.


  1.  Модель процесса

Рис. 2.1. – Расположение устройств на станке:

1 –КВ1, 2 –КВ2, 3 –КВ3, 4 –КВ4, 5 –КВ5, 6 – пневмоцилиндр 6,

7  – пневмоцилиндр 7, 8  – пневмоцилиндр 8, 9 – фиксирующая рамка,

10 –КВ10, 11 – нагревательное устройство, 12 – пуансоны

Запуск термоформовочной установки начинается с равномерного прогрева нагревательного устройства, а вместе с ним и пуансонов. Прогрев элементов установки длится около 15 минут. Все эти 15 минут 4 датчика, находящиеся под нагревательным устройством (НУ), фиксируют изменение температуры и подают сигнал в контроллер. Контроллер реагирует на изменение температуры и в свою очередь регулирует питание отдельных секций НУ.  При достижении заданной температуры под фиксирующую рамку кладётся лист полистирола, который зажимается рамкой (9) (рис. 2.1)  и фиксируется вручную защёлкой. О том, что прижимная рамка зафиксирована, свидетельствует соответствующий сигнал концевого выключателя КВ  (10). Через 3 секунды после фиксации листа термопласта, происходит опрос КВ (1). КВ (1) опрашивается для предотвращения столкновения НУ с рамкой, на которой закреплены пуансоны. Если опрос показал, что КВ (1) находится в зажатом положении, то открывается подача воздуха на пневмоцилиндр (8) до того момента, пока КВ (3) не оповестит контроллер о достижении НУ крайнего ближнего положения. В момент зажатия КВ (3), подача воздуха на пневмоцилиндр (8) прекращается. Начинается нагрев заготовки, который происходит 23 секунды при температуре НУ 155 °C. На 18 секунде нагрева включается вакуумный насос, который откачивает воздух из-под листа полистирола.

Во время нагрева заготовки, датчики, контролирующие температуру НУ, нацелены на пуансоны, с которых также снимается температура. Эта температура может выводиться в целях дополнительного контроля на дисплей термоформовочной установки.

По истечении 23 секунд контроллер должен дать команду на отвод НУ в первоначальное положение. Включается управляющий сигнал на открытие подачи газа в пневмоцилиндр(8),  дабы тот отвёл НУ в крайнее дальнее положение. Отвод продолжается до тех пор, пока не будет задействован  КВ (2). После остановки  нагревательного элемента опрашивается КВ (5), и, если он находится в отжатом положении, включается подача газа на пневмоцилиндр (6) до момента, пока с КВ (5) не поступит сигнал о нажатии. После срабатывания КВ (5) происходит опрос КВ (2) для того, чтобы убедиться, что на пути пуансонов находится лишь лист нагретого полистирола, а НУ находится в крайнем дальнем положении.

При получении сигнала о зажатии КВ (2), на пневмоцилиндр (7), отвечающий за вертикальное движение пуансонов, подаётся воздух, и пуансон в крайнем ближнем положении начинает плавное движение вниз. Одновременно с началом движения пуансона открывается заслонка пространства под заготовкой, через которую компрессорное устройство откачивает воздух. Опускание пуансона происходит до тех пор, пока КВ (4) не подаст сигнал о замыкании. В опущенном положении пуансон прибывает 2,5 секунды, после чего открывается кран подачи газа на пневмоцилиндр (7) и пуансон поднимается. Одновременно с началом движения пуансона вверх перекрывается кран откачки воздуха из-под заготовки. Поднятие пуансона происходит до тех пор, пока не будет зажат КВ (5). По зажатию КВ (5), вертикальное движение пуансона прекращается, посредством закрытия крана подачи воздуха на пневмоцилиндр (7), и начинается горизонтальное перемещение пуансона в дальнее положение. Перемещение продолжается до тех пор, пока КВ (1) не оповестит о нажатии. По достижении крайней дальней точки, пуансон останавливается посредством закрытия крана подачи воздуха на пневмоцилиндр (6).

Прижимная рамка вручную расфиксируется и оттуда достаётся заготовка, готовая к обрезке. Следующий цикл начинается после открытия и последующего закрытия рамки, а именно после размыкания и замыкания КВ (10).


  1.  Выбор средств РЕАЛИзации

Исходя из изложенного выше алгоритма работы уже автоматизированной термоформовочной установки следует, что для наших целей нам потребуются:

  1.  Датчики
  2.  Контроллер
  3.  Регулятор мощности
  4.  Концевые выключатели
  5.  Пневмораспределители
  6.  Вакуумный распределитель
  7.  Пневмоцилиндры
  8.  Компрессор
  9.  Вакуумный насос
  10.  Простейший LCD дисплей

Рассмотрим наиболее подходящие устройства для автоматизации нашего станка.

  1.  Датчики
    1.  Требования к датчикам
  2.  Тип датчика.

При автоматизации станка мы можем столкнуться со сложностью крепления контактных датчиков к крышке нагревательного устройства, а также возможными искажениями в показаниях контактных датчиков вследствие не плотного их прилегания к поверхности, поэтому для замера температуры нагревательного устройства выбираем пирометрический тип датчика. Пирометрические датчики температуры в данном случае будут крепиться под местом, где  будет находиться нагревательное устройство в перерывах между прогревом заготовок. Данного времени будет достаточно, чтобы точно определить температуру устройства, а также чтобы сформировать управляющий сигнал для удержания температуры в заданном диапазоне.

  1.  Рабочий диапазон: от 50 до 220 °C.

Выбор рабочего диапазона обусловлен верхней границей температуры нагревательных элементов, которая составляет 200 °C, и самой рабочей температурой, которая равна 155 °C.  Также, при завышенной верхней планке измеряемой пирометром температуры, мы можем столкнуться с высокой погрешностью измерения прибора, если наша рабочая температура будет лежать в нижней части рабочего диапазона температур датчика.

  1.  Максимальная температура окружающей среды.

Возможность близкого  закрепления датчика к нагревательному элементу, как следствие - повышенные требования к устойчивости датчика при воздействии высоких температур. Допустимая температура окружающей среды датчика должна быть не меньше 50°C.

  1.  Низкая погрешность определения температуры.

Отклонение температуры термоформовки хотябы  на 7-10% может повлечь за собой разрыв заготовки. Также разрыв заготовки может произойти из-за разницы в прогреве соседних областей заготовки, что тоже недопустимо, поэтому следует выбирать датчики одинаковой марки и наименования, с низкой погрешностью определения температуры.

  1.  Выбор датчиков

Вот несколько типов датчиков, которые могут быть применены при автоматизации процесса нагрева:

RaytekCompact СерияCI

  1.  Основные характеристики:
  2.  Выходной сигнал термопара типа J, K, или 0 - 5 В
  3.  Диапазон измерения 0 до 500 °C (2 модели)
  4.  Корпус из нержавеющей стали стандарта IP 65
  5.  Оптическое разрешение 4:1
  6.  Время отклика 0,35 секунды (95%)
  7.  Питание 12 – 24 В DC при 20 мА
  8.  Дополнительное оборудование для охлаждения и воздухоочистки
  9.  Общие характеристики:

Температура работы:

  1.  Измерительный датчик – 0 до 70 °C
  2.  охлаждение воздухом – до 90 °C
  3.  охлаждение водой – до 260 °C
  4.  Температура хранения – от -30 до 85 °C
  5.  Относительная влажность – от 10% до 95%, не конденсат.
  6.  Защита от шока –IEC 68-2-27, 50 g’s, 11 мсек, любая ось
  7.  Защита от вибрации –IEC 68-2-27, 3 g’s, любая ось, 11–200 Гц
  8.  Размеры – Д 89 мм, 19 мм
  9.  Вес – 130 грамм
  10.  Технические характеристики:
  11.  Диапазон измерения – от 100 до 500 °C
  12.  Спектральный диапазон – от 7 до 18 μm
  13.  Точность – ±2% или ±3°C
  14.  Воспроизводимость – ±1% или ±1 °C
  15.  Разрешение – 0,5 °C
  16.  Время отклика – 350 мсек (95%)
  17.  Коэффициент излучения – 0,95, фиксированный
  18.  Электрические характеристики:
  19.  Выходной сигнал – По выбору сигнал термопары (типа J или K) или линейный 10 В/°C
  20.  Длина кабеля – 1 метр стандартно, дополнительно кабели большей длины
  21.  Выходной импеданс – (J/K) 50 Ом
  22.  Минимальное сопротивление нагрузки (мВ) – 50 КОм
  23.  Питание 12 – 24 В DC, ±5%, 20 мА [5].

Рис. 3.1. – Размеры Raytek Compact Серия CI

Рис. 3.2. – Оптические характеристики Raytek Compact Серия CI

Плюсом данного датчика является возможность подключения к контроллеру через преобразователь сигнала термопары типа J или K. Также есть возможность подключить выход датчика напрямую к АЦП контроллера и снимать данные с датчиков, минуя всевозможные преобразователи. Диапазон измерения данного датчика составляет от 0 до 500 °C, что значительно больше нужного нам. Завышенная верхняя планка диапазона измерения датчика может привести к большой погрешности измерения и, как следствие, неравномерности прогрева нагревательного устройства, а вместе с ним и листа заготовки.

Вместе с датчиком в комплекте поставляется дополнительное оборудование, позволяющее охлаждать измерительное устройство до приемлемой температуры работы, которая и без средств охлаждения удовлетворяет нашим требованиям. Верхний предел температуры работы составляет 70 °C. При охлаждении воздухом данный параметр может быть увеличен до 90 °C, а при применении охлаждения водой будет равняться 260 °C. Точность датчика составляет ±2% или ±3 °C, что может повлиять на разницу в прогреве зон заготовки.

OptrisCSmicro

  1.  Размер датчика (14мм диаметр и 28 мм длина), корпус из нержавеющей стали
  2.  Температурный диапазон от -20 до 350 °С
  3.  Германиевая оптика для работы в тяжелых условиях окружающей среды
  4.  Работа до 120 °С без охлаждения
  5.  Встроенный в кабель блок электроники
  6.  Масштабируемый аналоговый выход: 4-20 мА, 0-10 В или 0-5В и выход сигнала тревоги
  7.  Защита от короткого замыкания и ошибки подключения питания
  8.  Настраиваемая обработка сигнала
  9.  Опционально USB интерфейс и ПО

Спецификация

  1.  Диапазон измерения– (масштабируемый через ПО) от -20 до 350 °C
  2.  Спектральный диапазон–8-14 мкм
  3.  Оптическое разрешение – 10:1
  4.  Близкий фокус (опция)  – 1,2 мм @ 10 мм
  5.  Точность (при температуре окружающей среды– 23 °C ±5 °C )±1,5% или ±1,5 °C
  6.  Воспроизводимость (при температуре окружающей среды 23 ±5 °C)–±0,5% или ±0,5 °C
  7.  Разрешение –0,1 К
  8.  Время отклика –30 мсек - 999 сек (90%), регулируемое
  9.  Коэффициент излучения (настраивается входным сигналом 0 – 5 В или через ПО) – 0.100-1.000
  10.  Коэффициент пропускания (настраивается через ПО) – 0.100-1.000
  11.  Обработка сигнала (настраивается через ПО)–Расчет и фиксация пиковых значений температуры, среднего значения в заданном интервале времени
  12.  Стандарт защиты–IP 65 (NEMA-4)
  13.  Температура работы–Датчик: -20 - 120 °C
  14.  Температура хранения – Датчик и блок электроники от -20 до 85 °C
  15.  Относительная влажность – 10 ... 95 %, не конденсат
  16.  Вес – Датчик 40 грамм
  17.  Блок электроники – 30 грамм [5].

Данный датчик обеспечивает более приемлемый температурный диапазон измерения, нежели датчик RaytekCompact - Серия CI. Для  OptrisCSmicro диапазон составляет от -20 до 350 °С, что более приемлемо в нашем случае. Также у датчиков OptrisCSmicro высокая планка рабочей температуры окружающей среды, которая составляет 120 °С без охлаждения. Наличие аналогового выхода 0-10 В или 0-5В также говорит в пользу данного датчика, как и наличие цифрового интерфейса USB, для последующего вывода данных на экран ПК.

OptrisCS

  1.  Габаритные размеры: резьба M12x1, 90 мм длина, корпус из нержавеющей стали
  2.  Диапазон измерения: от -20 до 350 °C
  3.  Работа при температуре окружающей среды до 85 °C – без охлаждения
  4.  Встроенная электроника, СИД
  5.  Масштабируемый выходной сигнал: 4-20 мА,  0-10 В или 0-5 В
  6.  Защита от коротких замыканий
  7.  Настройка обработки сигнала
  8.  Цифровой интерфейс USB и программное обеспечение (опция)
  9.  Питание: 5-7 B, 12-24 В DC

Спецификация

Диапазон измерения– (масштабируемый через ПО) от -20 до 350 °C

Спектральный диапазон – 8-14 мкм

Оптическое разрешение – 10:1

Близкий фокус (опция) – 1,2 мм @ 10 мм

Точность– (при температуре окружающей среды 23 °C ±5 °C)±1.5%, но не менее ±1,5 °C

Воспроизводимость – (при температуре окружающей среды 23 ±5 °C) ±0,5%, но не менее ±0,5 °C

Разрешение –0,1 K

Время отклика–30 мсек. - 999 сек (90%), регулируемое

Коэффициент излучения/усиления (настраивается через ПО) – 0.100-1.100

Коэффициент пропускания (настраивается через ПО) – 0.100-1.000

Обработка сигнала (настраивается через ПО) –  Расчет и фиксация пиковых значений температуры, среднего значения в заданном интервале времени.

Стандарт защиты – IP 65 (NEMA-4)

Температура работы – от -20 до 75 °C

Температура хранения – от -40 до 85 °C

Относительная влажность – от 10 до 95 %, не конденсат.

Вес – 90 грамм

Датчик OptrisCS является более увеличенной версией предыдущего датчика. Вследствие увеличения габаритных размеров, данный датчик претерпел некоторые измерения: Рабочая температура окружающей среды составляет 85°C без охлаждения, что удовлетворяет нашим требованиям. Наличие цифрового интерфейса USB также, как и в предыдущей модели датчика является плюсом. В итоге можно сказать, что выбирая из датчиков OptrisCS micro и OptrisCS, наиболее приемлемым для нас является последний, так как расширенный функционал датчика Optris CSmicro не найдёт применения в ходе нашей автоматизации.

OW5020

  1.  Температура срабатывания: от +50 до 500 °C
  2.  Угол наблюдения: 7° - регулируемый

Рис. 3.3. – Габаритные размеры OW5020

  1.  электрическое исполнение  -  DCPNP
  2.  Функция на выходе: 2 коммутируемых выхода,  каждый настраивается автономно
  3.  Рабочее напряжение: [V] от 10 до 36 DC
  4.  наибольшая допустимая нагрузка на выходе: 150 [mA]
  5.  Защита от короткого замыкания: тактовый
  6.  Защита от переполюсовки: да
  7.  Защита от перегрузок по току: да
  8.  Падение напряжения: < 2,5[V]
  9.  Потребление тока:< 20 [mA]  (24 V)
  10.  Время реакции: < 500 [ms]
  11.  Диапазон длин осей: 6...14 [μm]
  12.  Гистерезис: < 10[°C]
  13.  Температура окружающей среды: от -20 до 60 [°C]
  14.  Вид защиты, класс защиты: IP 65, II
  15.  Электро-магнитная совместимость EN 60947-5-2
  16.  EN 55011: класс B
  17.  Материал корпуса: латунь покрыт белой бронзой
  18.  Материал линз: пластмасса
  19.  Функции дисплея: Светодиод состояния выхода LED 2 x жёлтый
  20.  Режим работы LED: зеленый
  21.  Электрическое подсоединение: Кабель PVC (поливинилхлорид) / 2 m; 4 x 0,34 mm²
  22.  Принадлежности (входят в комплект): 2 Крепежные гайки, отвертка [6].

OW5021

OWI-BPKG/US

  1.  Температура срабатывания от +50 до 500 °C
  2.  Угол наблюдения 7° регулируемый

Рис. 3.4. – Габаритные размеры OW5021

  1.  Электрическое исполнение –DCPNP
  2.  Функция на выходе – 2 коммутируемых выхода, каждый настраивается автономно
  3.  Рабочее напряжение [V] – от 10 до 36 DC
  4.  Наибольшая допустимая нагрузка  на выходе [mA] – 150
  5.  Защита от короткого замыкания–тактовый
  6.  Защита от переполюсовки – да
  7.  Защита от перегрузок по току – да
  8.  Падение напряжения [V] – < 2,5
  9.  Потребление тока [mA] – < 20 (24 V)
  10.  Время реакции [ms] – < 500
  11.  Диапазон длин осей [μm] – 6...14
  12.  Гистерезис [°C] –< 10
  13.  Температура окружающей среды [°C] – от -20 до 60
  14.  Вид защиты – IP 65
  15.  Материал корпуса – латунь покрыт белой бронзой
  16.  Материал линз – пластмасса
  17.  Функции дисплея:
  18.  Светодиод состояния выхода LED 2 x – жёлтый
  19.  Режим работы LED – зеленый
  20.  Электрическое подсоединение – Штекерный разъем M12
  21.  Принадлежности (входят в  комплект) – 2 Крепежные гайки, отвертка [6].

Диапазон измеряемых температур для датчиков OW5020 и OW5021 не удовлетворяет нашим требованиям, так как составляет  от  +50 до +500 °C. Для контроллера необходима уже изначальная температура пуансонов, которая является температурой окружающей среды.  Начинается она в районе 0°C  при пуске производства в экстремальных условиях.

M18TBP8

  1.  Диапазон измерения: 0...300 °C
  2.  Программируемые функции– обучение
  3.  Линейность ºC–  +/- 1  50...300 ºC
  4.  Гистерезис – 5% (min 1 ºC)
  5.  Напряжение питания В–  10-30
  6.  Потребляемый ток, мА – <35
  7.  Минимальное сопротивление на аналоговом выходе, кОм –  2,5
  8.  Защита от короткого замыкания – есть
  9.  Ток утечки, мкА – <10
  10.  Время отклика выхода, мс.–  25
  11.  Готовность к работе после включения, с –  1,5
  12.  Время прогрева, мин – 5
  13.  Класс защиты – IP67
  14.  Температура окружающей среды, ºC – От -20 до 70
  15.  Соединение: разъём М12Х1 5pin [7].

Рис. 3.5. – Габаритные размеры M18TBP8

Датчики наименования M18TBP8 удовлетворяют заданным нами требованиям измеряемого температурного интервала, который составляет от  0 до 300 ºC. Погрешность измерений данного датчика также удовлетворяет нашим требованиям в большей степени, нежели предыдущие рассматриваемые датчики. Рабочая температура соответствует необходимой нам. Разъём М12Х1 не удовлетворяет нашим требованиям, так как он пятиконтактный.

Из всех пирометров, перечисленных выше, наиболее подходящими являются пирометры OptrisCS, так как они удовлетворяют нашим требованиям по своим основным параметрам.

Рис. 3.6. – Датчик OptrisCS

  1.  Контроллер
    1.  Требования к контроллеру

На контроллере будет занято следующее количество линий:

  1.  6 линий для концевых выключателей.
  2.  8 линий для датчиков температуры.
  3.  7 линий для управления распределителями пневмоцилиндров и краном, ограничивающим выкачивание воздуха из-под заготовки.
  4.  До 13 линий может потребоваться для подключения дисплея, на который будут выводиться параметры технологического процесса, а также некоторая полезная информация.
  5.  1 линия для кнопки экстренного завершения работы станка при чрезвычайных происшествиях.

Контроллер должен содержать в себе таймер, для разгрузки вычислительного устройства во время простоя производственного процесса в одном положении. Также в контроллере должны быть в наличии 4 входа аналогово-цифрового преобразователя для работы с пирометрическими датчиками температуры.


  1.  Выбор контроллера

Для решения задачи управления технологическим процессом, выбираем контроллер марки Atmel ATmega128. Данные микроконтроллеры отличаются широким набором периферийных модулей, а также удовлетворяют нашим требованиям на количество линий ввода/вывода, которых у данного контроллера 53.

Отличительные особенности ATMega128:

  1.  8-разрядный высокопроизводительный AVR микроконтроллер с малым потреблением
  2.  Прогрессивная RISC архитектура
  3.  133 высокопроизводительные команды, большинство команд выполняется за один тактовый цикл
  4.  32 8-разрядных рабочих регистра общего назначения + регистры управления периферией
  5.  Полностью статическая работа
  6.  Производительность приближающаяся к 16 MIPS (при тактовой частоте 16 МГц)
  7.  Встроенный 2-цикловыйперемножитель
  8.  Энергонезависимая память программ и данных
  9.  128 Кбайт внутрисистемно перепрограммируемой Flash памяти
    1.  Обеспечивает 1000 циклов стирания/записи
    2.  Дополнительный сектор загрузочных кодов с независимыми битами блокировки
  10.  Внутрисистемное программирование встроенной программой загрузки
    1.  Обеспечен режим одновременного чтения/записи (Read-While-Write)
  11.  4 КбайтаEEPROM
    1.  Обеспечивает 100000 циклов стирания/записи
  12.  4 Кбайта встроенной SRAM
  13.  До 64 Кбайт пространства дополнительной внешней памяти
  14.  Программируемая блокировка, обеспечивающая защиту программных средств пользователя
  15.  SPI интерфейс для внутрисистемного программирования
  16.  Интерфейс JTAG (совместимый с IEEE 1149.1)
  17.  Возможность сканирования периферии, соответствующая стандарту JTAG
  18.  Расширенная поддержка встроенной отладки
  19.  Программирование через JTAG интерфейс: Flash, EEPROM памяти, перемычек и битов блокировки
  20.  Встроенная периферия
  21.  Два 8-разрядных таймера/счетчика с отдельным предварительным делителем, один с режимом сравнения
  22.  Два 16-разрядных таймера/счетчика, с расширенными возможностями, с отдельным предварительным делителем и режимами захвата и сравнения
  23.  Счетчик реального времени с отдельным генератором
  24.  Два 8-разрядных канала PWM
  25.  Шесть каналов PWM с возможностью программирования разрешения от 1 до 16 разрядов
  26.  8-канальный 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь
  27.  8 несимметричных каналов
  28.  7 дифференциальных каналов
  29.  2 дифференциальных канала с программируемым усилением в 1, 10 или 200 крат
  30.  Байт-ориентированный 2-проводный последовательный интерфейс
  31.  Сдвоенный программируемый последовательный USART
  32.  Последовательный интерфейс SPI (ведущий/ведомый)
  33.  Программируемый сторожевой таймер с отдельным встроенным генератором
  34.  Встроенный аналоговый компаратор
  35.  Специальные микроконтроллерные функции
  36.  Сброс по подаче питания и программируемый детектор кратковременного снижения напряжения питания
  37.  Встроенный калиброванный RC-генератор
  38.  Внутренние и внешние источники прерываний
  39.  Шесть режимов пониженного потребления: Idle, Power-save, Power-down, Standby, ExtendedStandby и снижения шумов ADC
  40.  Программная установка тактовой частоты
  41.  Режим обеспечения совместимости с ATmega103 (перемычки)
  42.  Глобальный запрет подтягивающих резисторов
  43.  Выводы I/O и корпуса
  44.  53 программируемые линии ввода/вывода
  45.  64-выводной корпус TQFP
  46.  Рабочие напряжения
  47.  2,7 - 5,5 В (ATmega128L)
  48.  4,5 - 5,5 В (ATmega128)
  49.  Рабочая частота
  50.  0 - 8 МГц (ATmega128L)
  51.  0 - 16 МГц (ATmega128) [8].

Рис. 3.7. – Расположение выводов в контроллере ATmega128

Ядро AVR сочетает богатый набор инструкций с 32 универсальными рабочими регистрами. Все 32 регистра непосредственно подключены к арифметико-логическому устройству (АЛУ), который позволяет указать два различных регистра в одной инструкции и выполнить ее за один цикл. Данная архитектура обладает большей эффективностью кода за счет достижения производительности в 10 раз выше по сравнению с обычными CISC-микроконтроллерами [8].

Рис.3.8. – функциональная схема контроллера ATmega128

ATmega128 содержит следующие элементы: 128 кбайт внутрисистемно программируемой флэш-памяти с поддержкой чтения во время записи, 4 кбайт ЭСППЗУ, 4 кбайт статического ОЗУ, 53 линии универсального ввода-вывода, 32 универсальных рабочих регистра, счетчик реального времени (RTC), четыре гибких таймера-счетчика с режимами сравнения и ШИМ, 2 УСАПП, двухпроводной последовательный интерфейс ориентированный на передачу байт, 8-канальный 10-разрядный АЦП с опциональным дифференциальным входом с программируемым коэффициентом усиления, программируемый сторожевой таймер с внутренним генератором, последовательный порт SPI, испытательный интерфейс JTAG совместимый со стандартом IEEE 1149.1, который также используется для доступа к встроенной системе отладке и для программирования, а также шесть программно выбираемых режимов уменьшения мощности. Режим холостого хода (Idle) останавливает ЦПУ, но при этом поддерживая работу статического ОЗУ, таймеров-счетчиков, SPI-порта и системы прерываний. Режим выключения (Powerdown) позволяет сохранить содержимое регистров, при остановленном генераторе и выключении встроенных функций до следующего прерывания или аппаратного сброса. В экономичном режиме (Power-save) асинхронный таймер продолжает работу, позволяя пользователю сохранить функцию счета времени в то время, когда остальная часть контроллера находится в состоянии сна. Режим снижения шумов АЦП (ADCNoiseReduction) останавливает ЦПУ и все модули ввода-вывода, кроме асинхронного таймера и АЦП для минимизации импульсных шумов в процессе преобразования АЦП. В дежурном режиме (Standby) кварцевый/резонаторный генератор продолжают работу, а остальная часть микроконтроллера находится в режиме сна. Данный режим характеризуется малой потребляемой мощностью, но при этом позволяет достичь самого быстрого возврата в рабочий режим. В расширенном дежурном режиме (ExtendedStandby) основной генератор и асинхронный таймер продолжают работать[8].

Микроконтроллер производится по технологии высокоплотной энергонезависимой памяти компании Atmel. Встроенная внутрисистемно программируемая флэш-память позволяет перепрограммировать память программ непосредственно внутри системы через последовательный интерфейс SPI с помощью простого программатора или с помощью автономной программы в загрузочном секторе. Загрузочная программа может использовать любой интерфейс для загрузки прикладной программы во флэш-память. Программа в загрузочном секторе продолжает работу в процессе обновления прикладной секции флэш-памяти, тем самым поддерживая двухоперационность: чтение во время записи. За счет сочетания 8-разр. RISC ЦПУ с внутрисистемной самопрограммируемой флэш-памятью в одной микросхеме ATmega128 является мощным микроконтроллером, позволяющим достичь высокой степени гибкости и эффективной стоимости при проектировании большинства приложений встроенного управления.

ATmega128 поддерживается полным набором программных и аппаратных средств для проектирования, в т.ч.: Си-компиляторы, макроассемблеры, программные отладчики/симуляторы, внутрисистемные эмуляторы и оценочные наборы [8].

  1.  Описание выводов
  2.  VCC Напряжение питания цифровых элементов
  3.  GND Общий
  4.  Порт A (PA7..PA0) Порт A – 8-разр. порт двунаправленного ввода-вывода с внутренними подтягивающими к плюсу резисторами (выбираются раздельно для каждого разряда). Выходные буферы порта A имеют симметричную выходную характеристику с одинаковыми втекающим и вытекающим токами. При вводе, линии порта А будут действовать как источник тока, если внешне действует низкий уровень и включены подтягивающие резисторы. Выводы порта A находятся в третьем (высокоимпедансном) состоянии при выполнении условия сброса, даже если синхронизация не запущена. Порт А также выполняет некоторые специальные функции ATmega128, описываемых далее.
  5.  Порт В (PВ7..PВ0) Порт B – 8-разрядный порт двунаправленного ввода-вывода с внутренними подтягивающими к плюсу резисторами (выбираются раздельно для каждого разряда). Выходные буферы порта В имеют симметричную выходную характеристику с одинаковыми втекающим и вытекающим токами. При вводе, линии порта B будут действовать как источник тока, если внешне действует низкий уровень и включены подтягивающие резисторы. Выводы порта B находятся в третьем (высокоимпедансном) состоянии при выполнении условия сброса, даже если синхронизация не запущена. Порт В также выполняет некоторые специальные функции ATmega128.
  6.  Порт C (PC7..PC0) Порт C – 8-разр. порт двунаправленного ввода-вывода с внутренними подтягивающими к плюсу резисторами (выбираются раздельно для каждого разряда). Выходные буферы порта C имеют симметричную выходную характеристику с одинаковыми втекающим и вытекающим токами. При вводе, линии порта C будут действовать как источник тока, если внешне действует низкий уровень и включены подтягивающие резисторы. Выводы порта C находятся в третьем (высокоимпедансном) состоянии при выполнении условия сброса, даже если синхронизация не запущена. Порт C также выполняет некоторые специальные функции ATmega128, описываемых далее. В режиме совместимости с ATmega103 порт C действует только на вывод, а при выполнении условия сброса линии порта C не переходят в третье состояние.
  7.  Порт D (PD7..PD0) Порт D – 8-разр. порт двунаправленного ввода-вывода с внутренними подтягивающими к плюсу резисторами (выбираются раздельно для каждого разряда). Выходные буферы порта D имеют симметричную выходную характеристику с одинаковыми втекающим и вытекающим токами. При вводе, линии порта D будут действовать как источник тока, если внешне действует низкий уровень и включены подтягивающие резисторы. Выводы порта D находятся в третьем (высокоимпедансном) состоянии при выполнении условия сброса, даже если синхронизация не запущена. Порт D также выполняет некоторые специальные функции ATmega128, описываемые далее.
  8.  Порт E (PE7..PE0) Порт E – 8-разрядный порт двунаправленного ввода-вывода с внутренними подтягивающими к плюсу резисторами (выбираются раздельно для каждого разряда). Выходные буферы порта E имеют симметричную выходную характеристику с одинаковыми втекающим и вытекающим токами. При вводе, линии порта E будут действовать как источник тока, если внешне действует низкий уровень и включены подтягивающие резисторы. Выводы порта E находятся в третьем (высокоимпедансном) состоянии при выполнении условия сброса, даже если синхронизация не запущена. Порт E также выполняет некоторые специальные функции ATmega128, описываемые далее.
  9.  Порт F (PF7..PF0) Порт F действует как аналоговый ввод аналогово-цифрового преобразователя. Порт F также может использоваться как 8-разр. порт двунаправленного ввода-вывода, если АЦП не используется. К каждой линии порта может быть подключен встроенный подтягивающий к плюсу резистор (выбирается раздельно для каждого бита). Выходные буферы порта F имеют симметричную выходную характеристику с одинаковыми втекающим и вытекающим токами. При вводе, линии порта F будут действовать как источник тока, если внешне действует низкий уровень и включены подтягивающие резисторы. Выводы порта F находятся в третьем (высокоимпедансном) состоянии при выполнении условия сброса, даже если синхронизация не запущена. Если активизирован интерфейс JTAG, то подтягивающие резисторы на линиях PF7(TDI), PF5(TMS) и PF4(TCK) будут подключены, даже если выполняется Сброс.
  10.  Вывод TDO находится в третьем состоянии, если не введено состояние TAP, при котором сдвигаются выводимые данные.
  11.  Порт F также выполняет функции интерфейса JTAG.
  12.  В режиме совместимости с ATmega103 порт F действует только на ввод.
  13.  Порт G (PG4..PG0) Порт G – 5-разрядный порт двунаправленного ввода-вывода с внутренними подтягивающими к плюсу резисторами (выбираются раздельно для каждого разряда). Выходные буферы порта G имеют симметричную выходную характеристику с одинаковыми втекающим и вытекающим токами. При вводе, линии порта G будут действовать как источник тока, если внешне действует низкий уровень и включены подтягивающие резисторы. Выводы порта G находятся в третьем (высокоимпедансном) состоянии при выполнении условия сброса, даже если синхронизация не запущена.
  14.  Порт G также выполняет некоторые специальные функции ATmega128.
  15.  В режиме совместимости с ATmega103 данные выводы используются как стробирующие сигналы интерфейса внешней памяти, а также как вход генератора 32 кГц, а при действии сброса они асинхронно принимают следующие состояния: PG0 = 1, PG1 = 1 и PG2 = 0, даже если синхронизация не запущена. PG3 и PG4 – выводы генератора.
  16.  RESET - вход сброса. Если на этот вход приложить низкий уровень длительностью больше минимально необходимой, будет генерирован сброс, независимо от работы синхронизации.

Действие импульса меньшей продолжительности не гарантирует генерацию сброса.

  1.  XTAL1 вход инвертирующего усилителя генератора и вход внешней синхронизации.
  2.  XTAL2 выход инвертирующего усилителя генератора.
  3.  AVCC вход питания порта F и аналогово-цифрового преобразователя. Он должен быть внешне связан с VCC, даже если АЦП не используется. При использовании АЦП этот вывод связан с VCC через фильтр низких частот.
  4.  AREF вход подключения источника опорного напряжения АЦП.
  5.  PEN вход разрешения программирования для режима последовательного программирования через интерфейс SPI. Если во время действия сброса при подаче питания на этот вход подать низкий уровень, то микроконтроллер переходит в режим последовательного программирования через SPI. В рабочем режиме PEN не выполняет никаких функций [8].
  6.  
  7.  Регулятор мощности
    1.  Требования к регулятору мощности

Регулятор мощности должен удовлетворять следующим требованиям: рабочее напряжение – 380 В, рабочая мощность – 9 КВт. Регулятор должен  применяться только для трехфазной нагрузки, так как нагревательное устройство подключено к трёхфазной сети.

В качестве регулятора мощности используем тиристорный регулятор. Тиристорные регуляторы мощности используются во всех отраслях промышленности, где необходимо управлять большими активными и индуктивными нагрузками, например, в промышленных печах, при переработке пластмасс, на транспорте. Тиристорный регулятор мощности состоит из двух встречно-параллельно включенных силовых тиристоров, изолированного радиатора и электроники управления.

Датчики температуры будут настроены на выход 4-20 мА и  подключены к контроллеру, а затем с контроллера по другой линии будет осуществлено подключение к регулятору мощности. Данная конструктивная особенность нужна для того, чтобы при нагреве заготовки, когда нагревательное устройство находится вне зоны видимости датчиков, регулятор мощности не фиксировал температуру с пуансонов, расположенных над нагревательным устройством, и не пытался увеличивать мощность нагрева. При 23х-секундном нагреве заготовки датчики будут снимать температуру с пуансонов, попутно выводя её на LCD дисплей, а на регулятор мощности будет подаваться сигнал, который будет соответствовать идеальной желаемой температуре нагревательного устройства. В таком случае процесс регулирования температуры при нагреве заготовки временно приостанавливается и возобновляется, когда нагревательное устройство вновь занимает своё начальное положение.

Рассмотрим регулятор мощности, который может подойти для наших целей.

  1.  Выбор регулятора мощности

Для наших целей подойдёт трехфазный тиристорный регулятор Tyco для нагрузки до 50 А / 500 В.

Общие параметры трёхфазных регуляторов мощности серии Tyco 3:

  1.  Напряжение питания нагрузки: 400 В AC +/- 10%, 50 Гц (опционально: 110, 230, 500 В AC)
  2.  Напряжение питания регулятора: 230 В AC, 50 Гц (опционально: напряжение питания нагрузки)
  3.  Степень защиты от пыли и влаги: IP 40
  4.  Управляющие сигналы: 0...10 V, 0...20 mA, потенциометр (опционально: инверсный вход 10–0 V)
  5.  Управляющий сигнал: ШИМ (широтно-импульсная модуляция)
  6.  Фазовая коммутация для индуктивной (трансформаторной) нагрузки
  7.  Пакетная коммутация для активной (резистивной) нагрузки
  8.  Регуляторы обеспечивают оптическую и электрическую индикацию превышения температуры
  9.  Три релейных выхода
  10.  Переключатель для установки плавного старта 0–10 с
  11.  Рабочая температура регулятора 0 – +50 °C
  12.  Охлаждение естественной конвекцией, без вентилятора
  13.  Ограничение тока 5 – 100% устанавливается потенциометром, (/IB)
  14.  Напряжение питания регулятора = напряжению питания нагрузки, (/IV)
  15.  Механический переключатель "фазовая / пакетная" коммутация
  16.  Повышенная степень защиты от пыли и влаги: IP 55
  17.  Габаритные размеры 130 x 200 x 135 мм
  18.  Вес от 1,5 до 2 кг [9].

Рис. 3.9. – Трехфазный тиристорный регулятор с электронным управлением

При выборе регулятора мощности можно выбирать между регулятором с фазовой коммутацией и регулятором с пакетной коммутацией (рис. 3.10.,3.11.).

Рис. 3.10. – Фазовая коммутация

Рис. 3.11. – Пакетная коммутация

Фазовая коммутация представляет собой управление моментом открывания тиристоров в каждом полупериоде напряжения. Это метод управления тиристором посредством изменения фазы (угла) открывания, что дает возможность контролировать мощность на нагрузке, позволяя тиристору пропускать ток только в течение изменяемой и задаваемой части периода напряжения питания. Управление углом открывания тиристоров равнозначно управлению действующим напряжением на нагрузке, которое изменяется пропорционально входному сигналу. Мощность нагрузки может плавно регулироваться в диапазоне  от 0 до 100%, в зависимости от внешнего аналогового сигнала, например, от регулятора температуры или потенциометра. Этот режим часто используется с индуктивными нагрузками. Ток через нагрузку течёт от момента открытия тиристора до момента перехода напряжения через ноль. Это наиболее точный и быстрый способ управления, хорошо подходит для индуктивной (трансформаторной) нагрузки [10].

Пакетная коммутация представляет собой широтно-импульсный способ управления, при котором мощность зависит от соотношения длительности напряжения к длительности паузы. Это управление мощностью на нагрузке посредством внешнего управляющего аналогового сигнала, который определяет длительность или ширину пакета (число периодов напряжения), при которой нагрузка включена (нагрев). Этот режим предоставляет много преимуществ, так как он переключает тиристор при прохождении нуля, то есть без электромагнитных помех. Для регулирования мощности изменяется ширина пакета периодов напряжения. Разрешение составляет 12 бит, то есть 100% мощности в нагрузке соответствует 4096 шагов регулирования, что обеспечивает высокую точность и плавность регулирования [10]. Пакетная коммутация хорошо подходит для активной (резистивной) нагрузки как с нейтралью, так и без нейтрали, поэтому выбираем тиристорный регулятор с пакетной коммутацией.

  1.  Концевые выключатели

Концевые выключатели должны быть выполнены из неплавящихся материалов и выдерживать температуры окружающей среды до 120°C. Также у концевых выключателей должен быть большой ресурс работы, так как за сравнительно небольшой промежуток времени они будут задействованы большое количество раз.

  1.  Пневмоцилиндры

Пневмоцилиндры должны иметь достаточно высокую температурную планку, при которой они будут штатно функционировать. Допустимая температура работы должна достигать 90°C.

Подача воздуха на пневмоцилиндр будет осуществляться посредством пневмораспределителей, которые в свою очередь должны управляться контроллером и иметь два канала для подачи  воздуха в левую и правую часть пневмоцилиндра, а также положение, при котором воздух не будет поступать ни в одну камеру пневмоцилиндра.

  1.  Пневмораспределители

В качестве пневмораспределителя подойдёт пневмоостров на 6 выходов с электронным управлением. Для данного термоформовочного станка и его автоматизации достаточно пневмоострова с низким газорасходом, ниже 1000 л/мин, так как при работе пневмоцилиндров нам не требуется большой расход воздуха. Также пневмораспределители должны быть трёхпозиционными (рис. 3.12.).

Рис. 3.12. – Схема переключателей распределителя

В первом такте, который отмечен на рисунке слева, воздух поступает в одну из частей пневмоцилиндра из P в B, тем самым приводя поршень цилиндра в движение. Шток цилиндра движется до тех пор, пока не достигнет упора. Воздух из свободной камеры пневмоцилиндра выходит по каналу AT в атмосферу. Как только шток занимает крайнее положение, пневмораспределитель меняет положение с крайнего левого на среднее, тем самым запирая воздух в обеих частях цилиндра и фиксируя цилиндр в неподвижном положении. При завершении цикла работы конструкция должна занять первоначальное положение, поэтому со стороны насоса подаётся воздух в обе камеры пневмоцилиндра при третьем, правом, положении распределителя. Так как площади поршня в двух частях цилиндра различны, то механизм будет смещаться в сторону, где площадь поршня меньше (рис. 3.13. )

Рис. 3.13. – Пневмоцилиндр двустороннего действия

Подобное конструктивное исполнение пневмоцилиндра обеспечивает плавность хода поршня, а вместе с ним и всего механизма, закреплённого на нём.

Рис. 3.14. – Схема пневмоустановки станка

Для работы с вакуумом нам потребуется пневмораспределитель с электронным управлением, способный работать с отрицательными значениями давления. Схема такого распределителя приведена на рисунке 3.15.

Рис. 3.15. – Схема переключателей распределителя для вакуума

Начальное положение распределителя – крайнее правое. В данном положении вакуумный насос и пространство под пуансонами не соединены общим каналом. При включении насоса на 18 секунде с момента нагрева заготовки, распределитель также остаётся в правом положении, и только когда пуансоны начнут поступательное движение вниз, распределитель принимает левое положение, там самым объединяя пространство под листом полистирола с выходом вакуумного насоса. По прошествии двух с половиной секунд распределитель принимает правое положение и посредством этого под заготовку попадает воздух.

  1.  LCD дисплей

На LCD дисплей будет выводиться информация о температуре нагревателя и температуре пуансонов, а также о количестве рабочих тактов станка. Предполагаем, что данные должны умещаться на дисплее в три страницы, между которыми можно переключаться нажатием клавиши. С данной задачей может справиться дисплей HD44780, который имеет в своём запасе матрицу 16x2 символов. Данный дисплей займёт 11 линий контроллера и 2 линии в счёт управляющих кнопок.

Рис. 3.16. – Подключение дисплея к микроконтроллеру

GND — минус; Vcc — плюс питания, 5В; V0 — вход контрастности; А — анод; К — катод


  1.  Схема устройства управления и алгоритм работы
  2.     Распределение выходов в микроконтроллере

Рис. 4.1. – Расположение выводов в контроллере ATmega128

Устройства, входящие в состав системы управления подключаются к следующим выводам микроконтроллера:

2 – Интерфейс RS-232

3 – Интерфейс RS-232

4 – Выход на регулятор мощности с датчика 1

5 – Выход на регулятор мощности с датчика 2

6 – Выход на регулятор мощности с датчика 3

7 – Выход на регулятор мощности с датчика 4

8 – Кнопка управления 1 LCD дисплеем

9 – Кнопка управления 2 LCD дисплеем

10 – Концевой выключатель 1

11 – Концевой выключатель 2

12 – Концевой выключатель 3

13 – Концевой выключатель 4

14 – Концевой выключатель 5

15 – Концевой выключатель 10

16 – (Резерв 1)

17 – (Резерв 2)

25 – Заслонка распределителя на привод 7

26 – Заслонка распределителя на привод 7

27 – Заслонка распределителя на привод 6

28 – Заслонка распределителя на привод 6

29 – Заслонка распределителя на привод 8

30 – Заслонка распределителя на привод 8

31 – Заслонка вакуумного компрессора

32 – Шина питания датчиков

35 – LCD дисплей линия 0

36 – LCD дисплей линия 1

37 – LCD дисплей линия 2

38 – LCD дисплей линия 3

39 – LCD дисплей линия 4

40 – LCD дисплей линия 5

41 – LCD дисплей линия 6

42 – LCD дисплей линия 7

54 – Линия RS дисплея

55 – Линия RW дисплея

56 – Линия E дисплея

57 – Кнопка аварийного завершения работы

58 – Пирометрический датчик 1

59 – Пирометрический датчик 2

60 – Пирометрический датчик 3

61 – Пирометрический датчик 4

  1.  Алгоритм работы пневмоустановки

Обозначаем  необходимые для протекания процесса условия, а затем построим блок-схему получившегося алгоритма.

Предназначим PORTB для получения информации с концевых выключателей. Тогда 0-й бит (рис. 4.2) будет отвечать за КВ1, 1-й бит за КВ2, 2-й бит за КВ3, 3-й бит за КВ4, 4-й бит за КВ5 и 5-й бит за КВ10.  Подключать выводы порта B следует через концевой выключатель к  «земле». При этом следует сделать эти выводы входами, для чего установить соответствующие биты в регистре DDRB и включить внутренний подтягивающий резистор установкой битов в регистре PORTB. При этом на данных «ножках» окажется напряжение 5 В. При нажатии кнопки вход МК замыкается на GND и напряжение на нем падает до нуля. При этом меняется регистр PINB, в котором хранится текущее состояние порта. Считывая периодически состояние PINB, можно определить, что нажата кнопка.

Также PORTD у нас будет отвечать за пневмозаслонки. 0-й и 1-й биты отвечают за заслонку на привод 7, 2-й и 3-й биты за заслонку на привод 6, 4-й и 5-й биты за заслонку на привод 8.6-й бит отвечает за кран вакуумного компрессора. Биты распределяются следующим образом: 11 – прямой ход пневмоцилиндра, 01 – обратный ход пневмоцилиндра, 00 – состояние покоя пневмоцилиндра. Следовательно, ставим PORTD на вывод.

Рис. 4.2. – Расположение устройств автоматизации на станке:

1 –КВ1, 2 –КВ2, 3 –КВ3, 4 –КВ4, 5 –КВ5, 6 – пневмоцилиндр 6,

7  – пневмоцилиндр 7, 8  – пневмоцилиндр 8, 9 – фиксирующая рамка,

10 –КВ10, 11 – пирометрические датчики температуры, 12 – компрессор,

13 – пневмораспределитель, 14 – кнопка аварийной остановки станка,

15 –регулятор мощности, 16 – микроконтроллер, 17 – интерфейс RS 232,

18 –LSD дисплей, 19 – вакуумный распределитель, 20 – вакуумный насос

Главное условие начала процесса термоформовки – фиксация рамки (9) (рис. 4.2.) засовом, под которым находится концевой выключатель (10). Повторная фиксация после расфиксации начинает следующий цикл работы термоформовочного станка. Начальное условие запуска процесса должно выглядеть следующим образом:

PINB |= 1<<5; Т.е. 5-й бит порта B равен единице. На станке пятому биту соответствует как раз КВ10, который отвечает за оповещение о фиксации и расфиксации заготовки. По достижении необходимого условия контроллер должен отсчитать 3 секунды, чтобы дать время рабочему, следящему за станком, на оценку ситуации, а также чтобы предотвратить непреднамеренное зажатие КВ(10), отвечающего за фиксацию рамки и старт цикла. Данные три секунды отсчитывает таймер, который по прошествии трёх секунд запустит рабочий цикл:

if(PINB == (1 << 5) | (0 << 3))

 {

PORTD|= (1 << 5) | (1 <<4);

 }

else

                {

PORTD&= ~ (1 << 5) | (1 << 4);

}

По достижении конечной точки, на пневмоцилиндр прекратится подача воздуха, так как будет зажат КВ (3) и условие PINB == (0 << 3) прекратит выполняться, о чём будет оповещён контроллер.

Далее идёт отсчёт 23 секунд, которые отведены на нагрев листа полистирола. Данная задача также отводится таймеру микроконтроллера, так как, если мы будем пользоваться функцией «_delay_ms()», наш контроллер будет все 23 секунды занят отсчётом времени, тем самым попусту растрачивая ресурсы.

По истечении 23 секунд запускается цикл обратного хода пневмоцилиндра (8). На PORTD поступает сигнал: PORTD = (1 << 5); Данный сигнал будет поступать до тех пор, пока шток пневмоцилиндра не достигнет крайней точки при обратном ходе. По достижении крайней точки будет зажат КВ (2) (условие PINB== (0 << 1) перестанет выполняться).

Условие обратного движения цилиндра (8) выглядит следующим образом:

if(PINB == (0 <<1) | (1 << 5))

 {

PORTD|= (1 <<4)(0 << 5);

 }

else

                {

PORTD&= ~ (1 << 4)(0 << 5);

}

Следом за включением КВ (2) начинается прямое движение пневмоцилиндра (6). Он расположит пуансоны над нагретым листом заготовки и матрицей. Условие движения выглядит следующим образом:

if(PINB == (0 << 4) | (1 << 5))

 {

PORTD|= (1 <<3) | (1 << 2);

 }

else

                {

PORTD&= ~ (1 << 3) | (1 << 2);

}

Зажатие КВ(5) (PINB == (1 << 4)) сигнализирует о достижении пуансоном конечной точки. Далее должен идти интервал задержки 0,5 секунд, чтобы все механизмы успели принять нужное положение. Опрос КВ(2) для предотвращения аварийной ситуации, а затем движение цилиндра (7) вниз, до зажатия КВ(4). Одновременно с началом движения пуансонов, открывается кран отсоса воздуха (19) из-под листа полистирола.

Задержка в 0.5 секунд реализуется в таймере.

if(PINB == (0 <<3) | (1 << 5) (1 << 1))

 {

PORTD|= (1 <<0) | (1 <<1)(1 << 6);

 }

else

                {

PORTD&= ~ (1 << 0) | (1 << 1)(1 << 6);

                 }

Задержка в 2.5 секунд реализуется в таймере.

Следующие 2,5 секунды пуансон находится в состоянии покоя, пока идёт отсчёт таймера. В цикл таймера записывается инструкция на выполнение PORTD = (0 << 6), дабы остановить откачку воздуха из-под заготовки.  По истечении 2,5 секунд пневмоцилиндр (7) должен совершить возвратное движение вверх, задержку на 0,5 секунд, а затем возвратное движение назад до его конечного положения. Условия данного цикла выглядят следующим образом:

if(PINB == (0 << 4) | (1 << 5))

 {

PORTD|= (1 << 0) | (0<< 1);

 }

else

                {

PORTD&= ~ (1 << 0) | (0 << 1);

                 }

Задержка в 0.5 секунд реализуется в таймере.

if(PINB == (0 << 0))

 {

PORTD|= (0 << 3) | (1 << 2);

 }

else

                {

PORTD&= ~ (0 << 3) | (1 << 2);

                 }

В последнем условии не делается проверка зажатия КВ(10), так как допускается, что во время обратного хода пуансона рабочий уже может доставать заготовку из матрицы, расфиксировав перед этим рамку.

Блок схема алгоритма работы пневматической установки представлена на рис. 4.3.



Рис. 4.3. – Блок-схема алгоритма работы пневматической установки


  1.  Алгоритм работы нагревательного устройства

Процесс управления нагревательным устройством должен выглядеть следующим образом:

  1.  Пирометрические датчики (11) (рис. 4.2) снимают температурные показатели и отправляют сигнал, соответствующий определённому температурному уровню в контроллер (17). Отсылка сигнала происходит по токовому выходу 4 20 мА.

Стандарт 4 – 20 мА имеет следующие преимущества перед другими способами подключения датчиков:

  1.  Допустимая длина линии связи датчик–регистратор до 500 м;
  2.  Экономия за счет использования 2-х жильного кабеля вместо 3-х жильного;
  3.  Высокая помехоустойчивость, вследствие этого для большинства применений возможно использование неэкранированного кабеля;
  4.  Автоматическая диагностика состояния «Обрыв линии связи» и «Неисправность датчика» – по отсутствию тока в цепи датчика.
  5.  Приём сигналов с датчиков осуществляют аналогово-цифровые преобразователи, которые генерируют соответствующий код для микроконтроллера и приписывают его какой-либо переменной.
  6.  Далее вырабатывается управляемый сигнал для устройства регулирования мощности в соответствии с настройками нашего программного регулятора.
  7.  Полученный сигнал управления поступает на устройство регулирования мощности (15) по стандарту 4 – 20 мА.

Началом цикла управления нагревательным устройством можно считать подачу напряжения на оборудование термоформовочного станка. При подаче питания на устройство регулирования мощности должен происходить прогрев нагревательного устройства для стабилизации температуры, а также прогрева остальных элементов станка, непосредственно участвующих в термоформовке. Нагрев данных элементов не так критичен, поэтому управление нагревом дополнительных элементов, таких как пуансоны, отсутствует. Однако прогрев дополнительных элементов также может сказываться на качестве термоформовки.

Задача постоянного контроля над температурой отводится таймеру, который будет работать параллельно с основным циклом МК, а именно управлением пневмоустановкой.

Время прогрева станка контролируется оператором. Время начала цикла термоформовки зависит полностью от его решения на основании показаний температуры, а также на основании оценки внешних факторов рабочей среды. По истечении времени прогрева, при получении сигнала об начале движения нагревательного устройства (отжатии КВ(2)), в программный регулятор вместо истинного значения температуры, получаемой датчиками, поступает идеальное требуемое значение температуры, а именно, 155 °C. При этом регулятор мощности зафиксирует потребление электрического тока в статичном состоянии до конца цикла прогрева. Данный шаг сделан для того, чтобы во время прогрева заготовки, когда над датчиками отсутствует нагревательное устройство, датчики не передавали ошибочную температуру в контроллер. Эта температура соответствовала бы температуре пуансонов, находящихся над нагревательным устройством.

Температура, снятая с пуансонов, поступает в контроллер и записывается в память, а также выводится на дисплей для полного контроля над процессом термоформовки. Следующий раз температура с пуансонов будет снята уже в последующем цикле.

По завершении прогрева заготовки и зажатию КВ(2), цикл регулирования температуры вновь возобновляется. Теперь в программный регулятор поступают истинные значения температуры со всех четырёх секторов нагревательного устройства.

Рис. 4.4. – Блок-схема основного цикла регулирования температуры нагревательного устройства


  1.  Экономическое обоснование  и техника безопасности при работе со станком
  2.  Экономическое обоснование

Автоматизация термоформовочного станка позволяет повысить качество изготавливаемой продукции из-за равномерного прогрева заготовок, увеличить скорость изготовления заготовок, а также значительно снизить тяжесть работы для персонала. После автоматизации за тремя станками может стоять один человек, при этом полностью контролируя рабочий процесс, а также не тратя силы на приведение отдельных частей станка в движение.

Затраты на оборудование:

Пневмоприводы с электроуправлением ~5000 за 1 шт. * 4 = 20000 руб.

Датчики температуры ~ 6000 за 1 шт. * 4 = 24000 руб.

Плата с контроллером ~ 1000 руб.

Регулятор мощности ~ 5000 руб.

Концевые выключатели ~ 400 за 1 шт. * 5 = 2000 руб.

Компрессор ~  4000 руб.

Прочие расходы ~ 9000 руб.

Итого на автоматизацию одного станка может уйти примерно 65 тысяч рублей. При установке системы автоматизации на три станка, за которыми может стоять один человек, сумма расходов будет равняться 195000 рублей. За одну смену рабочий получает 1000 – 1500 тысячи рублей. Возьмём средний заработок – 1250 рублей и рассчитаем, какое время окупится данное оборудование.

195000/12502 = 78 смен

Приблизительно за 78 рабочих смен оборудование автоматизации окупится полностью, если не брать в расчёт повышенное энергопотребление по сравнению с ручным трудом. Также не берётся в расчёт увеличение скорости производства изделий и меньший процент брака, что положительно повлияет на показатели производства в целом.

  1.  Пожарная безопасность при работе со станком

Пожарная безопасность предусматривает такое состояние объектов, при котором исключается возможность пожара, а в случае его возникновения предотвращается воздействие на людей опасных факторов и обеспечивается защита материальных ценностей.

Пожары наносят большой материальный и моральный ущерб, ведут к разрушению промышленных зданий, гибели людей.

Независимо от причин пожара пожарная опасность характеризуется рядом опасных факторов пожара (ОФП). Открытое пламя и искры, наиболее часто встречающиеся ОФП, являются источником зажигания различной горячей среды за пределами очага пожара, причиной вторичных очагов. Пламя чаще всего поражает открытые части тела, вследствие чего люди получают  ожоги различной степени. Дым является наиболее быстродействующим и дальнобойным ОФП. Опасность дыма связана с уменьшением освещенности в помещениях и коридорах, на лестничных площадках, в результате чего теряется ориентация, снижается видимость, а также с содержанием в дыме раздражающих и токсичных газообразных, жидких и твердых компонентов [14].

Одной из основных мер предотвращения пожара в электроустановках и цехах является правильный выбор аппаратуры защиты. В помещениях должны быть установлены при токовых перегрузках в электросети плавкие предохранители и автоматические  выключатели закрытого типа.

Для предотвращения пожара, а также для уменьшения ущерба в случае его возникновения, необходимо выполнять следующие мероприятия:

  1.  проведение инструктажа по пожарной безопасности;
  2.  обеспечение правильного режима работы монтажника;
  3.  проведение регулярного профилактического осмотра цеха;
  4.  недопущение использования электрических нагревательных приборов в непосредственной близости от потенциально пожароопасных мест;
  5.  проведение регулярных проверок работоспособности элементов системы автоматической пожарной сигнализации, а также средств тушения пожара, имеющихся в помещении.

Чрезвычайные ситуации могут возникнуть в результате нарушения правил монтажа устройства, нарушения технологических процессов на предприятиях или при стихийных бедствиях [13].


Заключение

В ходе проектирования системы управления термоформовочного станка был разработан план автоматизации отдельных его узлов. Такими узлами являются: нагревательное устройство, движимый каркас станка, устройство подачи и откачки воздуха. Приблизительный анализ экономической составляющей работ показал, что автоматизация станка является прибыльным вложением и имеет срок окупаемости около трёх месяцев без учёта повышения производительности.

Также выбраны средства автоматизации, которые подходят по своим параметрам к данной проектной разработке, а для остальных средств автоматизации определены необходимые требования.

Данный термоформовочный станок в будущем может быть успешно модернизирован. По интерфейсу RS232 контроллер может быть подключён к ПК, а также при наличии соответствующего программного обеспечения возможен дистанционный контроль над всеми станками предприятия. Возможна разработка устройства подачи листов полистирола, которое полностью заменит ручной труд машинным. В обязанности рабочего будет входить только сбор готовой продукции, что значительно снизит затраты на рабочие руки и позволит уменьшить время изготовления единицы продукции.


Библиографический список

  1.  Басов Н.И., Ким В.С., Скуратов В.К. Оборудование для производства объёмных изделий из термопластов. – М.: Машиностроение, 1972.
  2.  Вакуумная формовка – http://www.lodkasava.ru/formovka.html 
  3.  Стрельцов К.Н. Переработка термопластов методами механопневмоформования. - Л.: Химия, 1981.
  4. Завгородний В.К. Механизация и автоматизация переработки пластических масс. – М.: Машиностроение, 1970.
  5. Основные характеристики пирометров Raytek Compact –  http://www.promimport.ru/pir_pdf/th_ci.pdf 
  6. Электротехнические компоненты: бесконтактные датчики –  http://www.inortek.ru/ifm_electronic/Opticheskie_IK_datchiki/OW5020.html 
  7. Датчики температуры пирометрические с дискретным выходом –   http://www.newic.ru/pdf/SEN_TM/SEN_TM_PIR18D.pdf 
  8. Техническое описание на микроконтроллеры фирмы ATMEL – http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/doc/micros/avr/arh128/index.htm 
  9. Однофазные тиристорные регуляторы Tyco – http://www.germany-electric.ru/305 
  10.  Общие параметры трёхфазных регуляторов мощности –   http://www.germany-electric.ru/340 
  11.   Ю.И.Иванов, В.Я.Югай. Интерфейсы средств автоматизации: Учебноепособие. – Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005.
  12.   Югай В.Я. Программа и контрольные задания по курсу "Микропроцессорные устройства систем управления". Часть 2 – Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2006.
  13.   Павлов С.П., Губонина З.И. Охрана труда в приборостроении: Учебник для вузов. Под ред. А.Г. Алексаняна.- Москва: Высшая Школа, 1986.
  14.   Федеральный закон Российской Федерации от 22 июля 2008 г. N 123-ФЗ "Технический регламент о требованиях пожарной безопасности".


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

379. Обеспечение безопасности на предприятии 295.1 KB
  Техническая безопасность при использовании малотоннажных газов. Емкости для хранения сжиженных газов и легких фракций бензина. Экономические аспекты обеспечение химической безопасности при функционировании предприятий в условиях ужесточения экологических требований.
380. Коллекции объектов java. Определение порядка на множестве 208.78 KB
  Определение порядка на множестве на такой простой вопрос, если это понятие нужно поддерживать в программе. Создание записной книжки очень простой структуры, методика создания визуальных программ.
381. ИНТЕРТЕКСТУАЛЬНЫЕ СВЯЗИ В ХУДОЖЕСТВЕННОМ ТЕКСТЕ В СОПОСТАВИТЕЛЬНО-ПЕРЕВОДОВЕДЧЕСКОМ АСПЕКТЕ 358.81 KB
  Изучение культурного и национально-культурного компонента единиц художественного текста в сопоставительно-переводоведческом аспекте является одним из приоритетных направлений современного переводоведения.
382. Автономная нервная система 414.5 KB
  Общая характеристика функций симпатической и парасимпатической систем. Чувствительные волокна единой афферентной системы (автономной и соматической). Собственный афферентный путь автономной нервной системы. Функциональная структура автономной нервной системы.
383. Керамические материалы и изделия 273.5 KB
  Классификация керамических материалов. Заполнители для легких бетонов (керамзит). Общая технологическая схема изготовления керамических изделий. Пластичный способ формовки. Сушка и обжиг керамических материалов.
384. Процесс внедрения CRM-системы, как источник увеличения финансово-ресурсной базы коммерческой организации 571 KB
  Рассмотреть прибыль, как основной источник финансовых ресурсов. Дать организационно-эконмическую характеристику ООО Консультант Самара. Разработать программу мероприятий по внедрению CRM-системы.
385. Насосные агрегаты нефтеперекачивающих станций 560 KB
  Проведение диагностирования и прогнозирования общего технического состояния насосных агрегатов нефтеперекачивающих станций. Формирование и реализация планов капитального ремонта магистральных нефтепроводов.
386. Реконструкция лесопильного цеха на базе станка Лаймет-120 588 KB
  Полное рациональное комплексное использование древесины. Техическое перевооружение лесопильно-деревообрабатывающих предприятий с полной механизацией и полной или частичной автоматизацией технологических и транспортных процессов. Коренное улучшение хранения сырья и лесопродукции.
387. Пристрій відображення символів на семи сегментному індикаторі 1.69 MB
  Відображення символів у вигляді семи сегментного індикатору. Розробка таблиці істинності. Отримання МДНФ функцій сегментів семи сегментного індикатора та побудова комбінаційних схем, що реалізують ці функції, в заданому елементному базисі.