A Machine tool hydraulic station management system modeling

Gubanova Aleksandra Anatol'evna Lecturer at Don State Technical University. 344000, Russia, Rostovskaya oblast', g. Rostov-Na-Donu, Gagarina, 1 anatoliya81@mail.ru Other publications by this author

Martynenko Andrei Ivanovich Postgraduate at the Department of Production Processes Automation of Don State Technical University  344000, Russia, Rostov-on-Don, pl. Gagarina, 1 37.1@donstu.ru

Станочная гидростанция – самостоятельная технологическая единица, имеющая целый ряд отдельных подсистем: прокачки масла, подогрева или охлаждения, управления расходом, очистки масла и т.д. Одной из основных задач, решаемых станочной гидростанцией являются: контроль и регулирование давления и расхода в гидросистеме, снижение вязкости масла по средствам его нагрева до определенной температуры, подача СОЖ в зону резания с заданной подачей масла и под определенным давлением. При решении последней задачи, возникает ряд определенных сложностей, одной из которых является проблема для станков с ЧПУ, используемых для глубокого сверления отверстий в титановых сплавах твердосплавными сверлами с каналами внутри перьев для подвода СОЖ. В каналах обеспечивается давление не менее 50 МПа при регламентированном расходе масла. Нарушение технических условий приводит к разрушению инструмента. Также, в связи с тем, что условия окружающей среды, в данном случае температура, в цехе все время меняется, вязкость минерального масла колеблется (повышается или понижается) в несколько раз. Повышение вязкости масла затрудняет попадание СОЖ по каналам сверла в зону резания при сверлении, что как было указано выше, приводит к поломке инструмента.

В связи с вышеуказанным, возникает необходимость имитационного моделирования работы системы станочной гидростанции для контроля и стабилизации расхода СОЖ и прогнозирования поломки инструмента станочного оборудования.

Структурная схема микропроцессорной системы управления станочной гидростанцией на базе микроконтроллера S7-224XP представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Структурная схема системы управления станочной гидростанцией

Основой системы управления является программируемый логический контроллер Siemens S7-224XP, имеющий простое подключение внешних цепей через терминальные блоки с контактами.

Датчики температуры ДТ1,ДТ2 необходимы для организации работы подсистемы стабилизации температуры. Термопреобразователи предназначены для непрерывного измерения температуры различных рабочих сред (пар, газ, вода, сыпучие материалы, химические реагенты и т. п.), не агрессивных к материалу корпуса датчика. Термопреобразователи ДТ1 и ДТ2 подключаются к контролеру через вторичные преобразователи ПР1, ПР2, формирующие из изменяющегося сопротивления термопреобразователя напряжение пропорциональное этому сопротивлению, которое подается на контролер для дальнейшей обработки.

Турбинный счетчик расхода жидкости ДР1 предназначен для использования в качестве средств измерений объемного количества жидкости (нефтепродуктов) при внутрихозяйственном учете. Датчик давления ДД1 предназначен для непрерывного преобразования значения абсолютного, избыточного давления и (или) разрежения жидкостей и газов, а также разности давлений (в т.ч. уровня жидкости) в унифицированный сигнал в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами. Унифицированный токовый сигнал с датчика поступает на стандартный модуль АЦП SIMATIC EM235; данный модуль выпускается фирмой SIEMENS и предназначен для работы в составе автоматизированных комплексов на основе контроллеров серии S7-200.

Преобразователь частоты E8300-007H предназначен для регулирования скорости электродвигателя переменного тока, соединяется с контроллером по средствам цифровых и одного аналогового выхода.

Вал асинхронного электродвигателя мощностью 5,5 кВт через соединительную муфту соединен с валом шестеренного насоса который и обеспечивает подачу СОЖ в гидросистему. Двигатель является управляющим устройством в подсистеме стабилизации и расхода СОЖ в гидросистеме. ТЭН - трубчатые электронагреватели предназначены для преобразования электрической энергии в тепловую и применяются в качестве комплектующих изделий в промышленных установках и бытовых нагревательных приборах. Нагрев различных сред осуществляется путем конвекции, теплопроводности и излучения.

После того как сигналы с датчиков температуры пришли в контролер и программа выработала управляющее воздействие в виде сигнала ШИМ, устройство регулирования мощности подает на ТЭН необходимое количество постоянного напряжения 220 В для нагрева масла в резервуаре на определенную разницу температур^[1].

Панель оператора SIMATIC OP 73 Micro, подключенная к центральному процессору S7-224XP через интерфейс PPI отображает значения параметров и дает возможность задавать переменные такие как расход, верхний и нижний уровень давления в процессе работы системы управления.

В данной подсистеме в качестве объекта управления выступает насосный агрегат, в состав которого входит асинхронный двигатель и шестеренный насос. Данный насос способен обеспечить необходимую величину подачи СОЖ в гидросистеме. Благодаря системе управления и наличию датчика обратной связи (расходомера), в системе поддерживается постоянный расход при изменяющейся гидравлической нагрузке h=h(θ)^[2].

В качестве устройства управления используется микроконтроллер S7-214, формирующий закон управления ПИ-регулятор и частотный преобразователь, управляющий скоростью вращения асинхронного двигателя, представляющий собой апериодическое звено.

Структурная схема подсистемы контроля и стабилизации расхода СОЖ в гидросистеме выглядит следующим образом:

Рисунок 2 – Структурная схема подсистемы контроля и стабилизации расхода СОЖ

В данной подсистеме частотный преобразователь представлен апериодическим звеном и его передаточная функция имеет вид:

, (1)

Передаточная функция асинхронного двигателя:

, (2)

Гидравлическое сопротивление системы в функции зависимости от температуры выражено формулой (3):

, (3)

где α(θ) – температурный коэффициент;

S – площадь поперечного сечения напорного трубопровода.

Динамическая модель подсистемы контроля и стабилизации расхода в функции зависимости от производительности насосного агрегата представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Динамическая модель подсистемы контроля и стабилизации расхода СОЖ

На основании анализа математической модели и структурной схемы построим динамическую модель данной подсистемы в программном пакете MathLab/Simulink. Для моделирования подсистемы использовались следующие исходные данные представленные в сводной таблице 1.

Таблица 1- Исходные данные для динамического расчета

Результирующая динамическая модель с единичной обратной связью по температуре представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 – Динамическая модель подсистемы стабилизации темпиратуры с единичной обратной связью

Для анализа работы системы построим графики переходных процессов по температуре и мощности ТЭНа при воздействии постоянного возмущающего воздействия.

Рисунок 5 – Переходной процесс по температуре с единичной ООС

Как видно из рисунка 5, при воздействии возмущающего воздействия с разницей в 15°С появляется статическая ошибка ∆ε»9°С. Время переходного процесса составляет около 7с.

Как известно, из теории управления для снижения статической ошибки необходимо применить регулятор. Для решения данной задачи воспользуемся стандартным ПИ-регулятором^[3]. Коэффициенты регулятора ki-коэффициент интегрирования и kp-коэффициент пропорциональности были подобраны экспериментально, и представлены в таблице 2.

Таблица 2- Коэффициенты ПИ-регулятора

Переходной процесс по мощности выделяемой ТЭНом на нагрев масла представлен на рисунке 6.

Рисунок 6 – Переходной процесс по мощности с единичной ООС

Результирующая динамическая модель с ПИ-регулятором представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 – Динамическая модель подсистемы стабилизации температуры с ПИ-регулятором

Переходные процессы по температуре и мощности ТЭНа в системе с применением ПИ-регулятора.

Рисунок 8 – Переходной процесс по температуре с ПИ-регулятором

Как видно, при применении ПИ-регулятора удалось снизить статическую ошибку до ∆ε»0,3°С, а так же значительно сократить время переходного процесса ( примерно 3с).

Переходной процесс по мощности выделяемой ТЭНом на нагрев масла представлен на рисунке 9.

Рисунок 9 – Переходной процесс по температуре с ПИ-регулятором

Представим результаты моделирования подсистемы контроля и стабилизации температуры СОЖ. Для моделирования подсистемы использовались следующие исходные данные представленные в сводной таблице 3.

Таблица 3- Исходные данные для динамического расчета

Результирующая динамическая модель с единичной обратной связью по температуре СОЖ представлена на рисунке 10.

Рисунок 10 – Динамическая модель подсистемы стабилизации расхода СОЖ с ПИ-регулятором

Для анализа работы системы построим графики переходных процессов по расходу при воздействии постоянного возмущающего воздействия.

Рисунок 11 – Переходной процесс по расходу СОЖ

Как видно, расход СОЖ стремится к номинальной (0,042м3/c), а время регулирования составляет приблизительно 1,6 секунды. При этом перерегулирование нет. Следовательно, можно сделать вывод, что система показывает устойчивую работу с хорошим запасом.

В статье рассмотрена система управления станочной гидростанцией на базе микроПЛК Siemens S7-224XP. Проведен анализ подсистемы управления для контроллера реализующий закон управления температурой и расходом СОЖ. В ходе исследования было произведено моделирование работы системы управления в программном пакете MatLAB и проанализированы переходные процессы полученные в результате моделирования. Применение имитационной системы управления станочной гидростанцией позволяет снизить трудоемкость и повысить производительность процесса механообработки (сверления) для станков с ЧПУ.