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试析机电一体化集成装置电气控制系统的优化和改进_杂志文章
试析机电一体化集成装置电气控制系统的优化和改进
发布时间:2019-12-07浏览次数:33返回列表

韩冰(欧宝电气[深圳]有限公司,广东深圳518002)

【摘要】本文介绍了电气控制系统的优化和改进设计思路,设计方法。在对系统进行改进设计中,主要采用了冗余设计、抗干扰设计和热设计等可靠性设计方法,从而达到对控制系统进行优化设计的目的。在本文最后部分,对优化和改进后的电气控制的优点进行了阐述。

【关键词】机电一体化;集成装置;电气控制系统;优化和改进

一、基本指导思想和改进思路

原有装配装置研制出来后,经过功能性试验,证明其基本功能已达到当初的设计要求,但由于所装配产品的特殊性,以及试验中暴露出的问题,需要对装置作进一步的优化和改进设计。优化和改进的基本指导思想是,在不削减原有装置的功能的基础上,通过优化和改进设计,提高装置的安全性和任务可靠性,适当简化控制系统结构,使其硬件结构更紧凑,控制过程更简便。改进思路上根据安全性和任务可靠性分析,在电气控制系统的电路结构上,根据可靠性设计方法,适当采用降额设计或冗余设计等技术来提高任务可靠性,同时增加一些安全检测部件来提高其安全性,并在软件设计中相应增加一些故障诊断和报警信息;通过优化,将原来较为繁琐的两套数控系统控制简化为一套数控系统来控制,从而既降低了应用软件的开发难度,使控制更易于实现,也减少了工作量,提高了工艺程序的灵活性,并且消除了两套系统间数据交换出现错误的隐患。

二、电气系统的优化和改进设计

(1)冗余设计。在本装配装置中针对气动手爪的张开和闭合以及真空吸具的吸合采用了工作冗余设计,以提高气动手爪和真空吸具工作的可靠性和产品装配过程中的安全性。为了防止气动手爪和真空吸具的误动作,在气动手爪不应该闭合的时候闭合或在不应该张开的时候张开,以及在真空吸具不应该吸合的时候吸合,同时又要求它们在应该动作的时候可靠地动作,在电路设计上采用了对同一个信号进行双模块输出控制,甚至对安全性要求更高的气动手爪闭合信号采用了混合并联冗余设计,针对每一个输出信号所控制的继电器也采用了并联冗余,但在继电器触点控制电路上又采用了串- 并联设计或并- 串联设计。由于气动手爪闭合动作是在产品装配任务过程中吸取工件之后提升到一定高度、测量工件和移动工件三个阶段都必须可靠地执行,才能对工件起到安全保护作用,所以对控制它的继电器触点信号采用了并- 串联设计。对YV2 和YV3 的继电器触点控制信号采用串- 并联设计,是综合考虑了既要动作可靠地执行,又要防止误动作的发生的情况。同时,对这些动作还设计了信号检测电路,从而使各个指令信号都能得到反馈。(2)抗干扰设计。在机电一体化系统中,既包含有高电压、大电流的电力电气设备,即强电设备,又包含有低电压、小电流的控制与信息处理设备和传感器,即弱电设备。强电设备产生的电磁噪声会对弱电设备造成极大的干扰,弱电设备之间也可能互相进行信号干扰。同时,供电系统以及环境电磁噪声也会对弱电设备产生严重的干扰。由此可见,电磁噪声的干扰是机电一体化设备中产生元器件失效或数据传输、处理失误、进而影响其可靠性的最常见和最主要的因素,因此抗干扰设计在机电一体化系统的可靠性设计中不容忽视。在本装配装置的电气控制系统设计中,主要运用了以下几项技术来进行抗干扰设计。一是屏蔽技术。屏蔽技术可抑制电磁噪声沿着空间的传播,及切断辐射电磁噪声的传输途径。在装置中,除了380V 和220V电源电缆之外,其余电缆均使用了带屏蔽层的电缆,从而既隔断了本身信[来自wwW.lw5u.CoM]号对别的信号的干扰,也隔断了别的信号对自己信号的干扰。二是接地技术。接[来自www.Lw5u.com]地在电气控制系统的电路设计中充当着一个重要的角色。“地”为电路、系统提供了一个参考电位,电路、系统中的各部分电流都必须经“地线”或“地平面”构成电流回路。在本装置中,分别设计了保护地线、工作地线和屏蔽接地。其中,保护地线是将电气控制柜柜体、操作台机壳和装置本体都可靠接地;工作地线采用单点并联接地方式,很好地消除了共阻抗干扰;屏蔽接地是将所有的屏蔽电缆的屏蔽层通过接地线可靠地接到同一个接地铜排上,电源变压器和隔离变压器的屏蔽层接到保护地线。三是滤波技术。滤波器是由电感、电容、电阻或铁氧体器件构成的频率选择性二端口网络,可以插入传输线中,抑制不需要的频率进行传播,能较小衰减地通过滤波器的频率段称为滤波器的通带。通过时受到很大衰减的频率段称为滤波器的阻带。为了抑制供电电网系统和装置周边环境用电设备所产生的电磁噪声对控制系统和驱动系统的影响,在SIEMENS 840D 数控系统和SIMODRIVE 611D 数字伺服驱动系统的电源前端,以及松下模拟伺服驱动系统的主电路上分别设计了电源滤波器。除此之外,为了抑制电气系统中弱电器件的互相干扰,还采用了浪涌吸收器等措施。(3)热设计。制造电子元器件时所使用的材料有一定的温度极限,当超过这一个极限时,物理性能就会发生变化,元器件就不能发挥它预期的作用。元器件还可能在额定温度上由于持续工作的时间过长而发生故障,故障率的统计数据表明电子元器件的故障与其工作温度有密切关系。一般情况下,在高温或负温条件下元器件或电路容易发生故障。半导体元器件故障率随着温度的增加而呈指数上升趋势,其电性能参数,如耐压值、漏电流、放大倍数、允许功率等都是温度的函数。在本装置中,SINUMERIK 840D 数控系统、SIMODRIVE 611D 数字伺服驱动系统、松下模拟伺服驱动系统、可编程逻辑控制器(PLC)以及它们的电源都是模块化结构。每个模块内都有大量的电子元器件。在工作时,这些模块内的电路会产生大量的热量。虽然自身发热量较大的模块一般都安装有冷却风扇,或者设计了空气对流散热孔,但整个电气控制柜由于防护等级的需要是一个封闭的环境,工作时元器件产生的热量将会使柜内温度升高很多,从而影响部分元器件的正常工作。基于此原因,对电气控制柜和操作台进行热设计时,对控制柜采用了用强制制冷设备(空调)进行冷却的方式,使柜内温度维持在元器件能正常工作的一个较佳温度范围内,对操作台采用了安装带空气过滤器的冷却风扇进行强制风冷的方式。

三、控制系统的优化和改进设计

由于原有装置使用两套控制系统分别控制数字伺服轴和模拟伺服轴,两系统间要进行通讯,其硬件结构较复杂,控制过程较繁琐,软件开发的难度和工作量都较大,因此,将原来的SINUMERIK 840D 和FM-NC 两套数控系统控制简化为只用SINUMERIK 840D 一套数控系统带ANA 模块来控制,大大地简化了控制系统的结构和控制过程,降低了控制软件的开发难度和工作量。在本装置中,用840D 数控系统配上ANA 模块取代了FM-NC 数控系统来控制模拟伺服轴,对数字伺服轴的控制仍然采用840D 配SIMODRIVE 611D 驱动系统来控制。

四、优化和改进后的优点

(1)结构更简化、更紧凑。本装置原有的电气控制系统由SINUMERIK 840D 和FM-NC 两套数控系统构成,通过MPI 总线连接起来,与840D 共用人机界面(MMC103)、机床控制面板(MCP)等外围设备。由于使用了两套系统,在硬件结构上就具有两套SIMATICS7-300 模块,其中一套属于FM-NC 系统,另一套属于840D 内置S7-300 CPU315 的扩展模块,主要完成开关量和模拟量逻辑控制和通信功能; 还具有一个属于FM-NC 系统的NCU570.2 模块以及属于840D 系统的NCU572.3 单元。改进后的控制系统只有一套840D 数控系统,通过配置SIMODRIVE 611D数字驱动系统控制数字伺服轴,通过配置ANA 模块加上松下模拟伺服驱动系统控制模拟伺服轴,从而在硬件结构上得到了较大的简化,更紧凑。(2)控制过程得到简化。通过优化和改进后,在装配产品的姿态调整控制过程中,没有了原有装置两套控制系统之间的自动应答信号处理过程,以及两套控制系统之间的数据传输处理,从而简化了控制过程。(3)产品装配任务的可靠性、安全性得到提高。优化和改进后,由于将两套控制系统简化为一套控制系统,消除了因系统间的通讯而可能产生的故障现象,同时增加了一些信号检测和状态监控环节,以及通过故障模式分析后的可靠性和安全性设计,大大提高了产品装配任务的可靠性和安全性。

参考文献

[1]张泰华.SINUMERIK 840D 的调整[J]. 制造技术与机床.2002(6)

[2]李会方.PROFIBUS 在数控车间FMS 控制中的应用[J]. 测控自动化.2004(1)

[3]李宏胜. 数控机床驱动系统的在线联调[J]. 制造技术与机床.2000(10)

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