Автоматизация производственных процессов

Рис. 2.1 Схема прохождения информации от чертежа к детали:

1 -- чертеж; 2 -- технологические карты и таблицы; 3 -- ручной перфоратор; 4 -- универсальная цифровая вычислительная машина (УЦВМ); 5 -- перфолента; 6 -- интерполятор; 7 -- магнитная лента; 8 -- пульт программного управления (без интерполятора); 9 -- система программного управления со встроенным интерполятором; 10 --станок; 11 -- деталь.

188. АСУТП с вычислительным комплексом в роли советчика. Схема. Принцип работы

Основным инструментом для решения современных проблем управления материальным производством служат так называемые АСУ, в которых центральная, главенствующая роль и творческие способности человека сочетаются с широким применением современных математических методов и средств автоматизации, включая вычислительную технику.

АСУ - это человеко-машинная система, обеспечивающая автоматизированный сбор и обработку информации, необходимой для оптимизации управления в различных сферах человеческой деятельности. Процесс оптимизации предполагает выбор такого варианта управления, при котором достигается минимальное или максимальное значение некоторого критерия, характеризующего качество управления.

АСУП предназначена для решения основных задач управления производственно-хозяйственной деятельностью промышленного предприятия в целом и (или) его самостоятельных частей на основе применения экономико-математических методов и средств вычислительной техники.

Автоматизированная система управления технологическими процессами (АСУ ТП) - это АСУ для выработки и реализации управляющих воздействий на технологический объект управления в соответствии с принятым критерием управления. В АСУТП человек играет важнейшую роль, принимая в большинстве случаев решения по управлению. Существенное место в АСУТП занимают автоматические устройства (в том числе средства ВТ), выполняющие операции по переработке информации. Цель функционирования АСУТП - оптимизация работы технологического объекта путем соответствующего выбора управляющих воздействий.

Таким образом, АСУТП - совокупность автоматических устройств средств получения, обработки и передачи информации и технического персонала, осуществляющая контроль и управление ТП с целью оптимизации по заданным параметрам.

АСУ может быть отнесена к классу АСУТП только в том случае, если она осуществляет воздействие на объект в том же темпе, что и протекающие в нем технологические процессы, обеспечивает управление технологическим объектом в целом, а ее технические средства участвуют в выработке решений по управлению.

Современные АСУТП очень разнообразны и могут отличаться друг от друга по функциональному составу, степени автоматизации управления объектом, применяемым техническим средствам и многим другим признакам и характеристикам. Рассмотрим один из них.

АСУТП с вычислительным комплексом, выполняющим информационные функции, содержат все функциональные и аппаратурные элементы, и еще имеет в наличии вычислительный комплекс (ВК), который выполняет функции централизованного контроля работа и состояния оборудования, вычисление комплексных технических и технико-экономических показателей (рис. 5.1).

Вычислительный комплекс получает всю необходимую информацию о состоянии объекта, в том числе о регулируемых и управляемых величинах. Характерной особенностью рассматриваемого вида системы является то, что задачи анализа поступающей информации принятие решений, а также осуществление управляющих воздействий, возлагается на оператора.

Данные об объекте, полученные с помощью ВК, кроме выхода на централизованные средства отображения информации, могут либо передаваться в вышестоящую АСУ для дальнейшей обработки, либо выводиться на внешние накопители. Целью сбора данных может быть также изучение TП при различных условиях. В результате накапливается информация, позволяющая построить и (или) уточнить математическую модель процесса. Ясно, что сбор данных не оказывает воздействия на процесс, однако даже после внедрения самых сложных методов управления с использованием ВК сбор данных для анализа и уточнения модели оказывается полезным и почти всегда предусматривается как одна из задач вычислительного комплекса.

Рис. 5.1

Структурная схема АСУТП с вычислительным комплексом, выполняющим управляющие функции в режиме "советчика", аналогична предыдущей (рис. 5.1). Кроме функций, выполняемых ВК в предыдущей системе, на него возлагают задачи анализа поступающей информации и поиска оптимальных решений с выдачей рекомендаций (советов) по управлению оператору-технологу. Окончательный выбор и осуществление управляющих воздействий по-прежнему остается за оператором. Такая АСУ функционирует следующим образом: через заданные промежутки времени (обычно раз в 10-15 минут) полученные в ВК данные о состоянии объекта и комплексные технические и технико-экономические показатели анализируются с помощью математической модели управляемого процесса. Путем вычислений по модели определяются воздействия, необходимые для приближения процесса к оптимальному состоянию, результаты представляются оператору, который управляет процессом, изменяя регулируемые механизмы в соответствии с рекомендациями, вырабатываемыми ВК. При этом оператор выполняет роль следящего и координирующего звена и вносит изменения по советам ВК, который, в свою очередь, непрерывно помогает оператору в его усилиях оптимизировать ТП.

Наиболее серьезный недостаток подобной системы заключается в быстрой утомляемости операторов при необходимости перестраивать систему в соответствии с рекомендациями каждые 10-15 минут, причем количество контролируемых параметров может быть более 100. Вместе с тем такие системы удовлетворяют требованию осторожного подхода к новым способам управления, обеспечивая хорошие возможности проверки новых моделей процесса, так как контроль за управлением ведет технолог, который может исключить неправильные установки.

198. Классификация промышленных роботов

Говоря об общей классификации робототехнических систем, можно указать следующие их большие классы:

- манипуляционные;

- мобильные движущиеся;

- информационные и управляющие.

Наиболее развитые и практическое применение получили манипуляционные робототехнические системы различных типов.

Мобильные движущиеся робототехнические системы представляют собой некоторые платформы или шасси, перемещением которых управляет автоматика. При этом кроме программы маршрута движения они имеют запрограммированную автоматическую адресовку цели, могут автоматически нагружать и разгружать. В промышленных целях они предназначаются для автоматической доставке деталей и инструмента к станкам и от станков к складам. На таких подвижных системах могут устанавливаться манипуляционные механизмы. К таково рода системам относятся движущиеся устройства для обслуживания автоматических складов в разных отраслях народного хозяйства.

В мобильных робототехнических системах используют любые принципы движения. Они могут быть колесными, шагающими, колесно-шагающими, гусеничными, летающими, плавающими и т.п.

Информационные и управляющие робототехнические системы представляют собой некоторые комплексы измерительно - информационных и управляющих средств, автоматически производящих сбор, обработку и передачу информации.

В промышленных целях - это системы автоматического контроля и управления для почти безлюдного производственного процесса, комплексно - механизированного, в том числе с групповым использованием промышленных роботов. Подобные системы применяют и в автоматических системах проектирования, при выполнении технических и экономических расчетов и др.

Рассмотрим более подробно класс манипуляционных робототехнических систем. Их можно разделить на три вида (рис.1).

1. Автоматические движущиеся роботы, автоматические манипуляторы и роботизированные технологические комплексы;

2. Дистанционно управляемые роботы, манипуляторы, технологические комплексы;

3. Ручные, непосредственно связанные с движением рук, а иногда и ног человека.

Первые из них применяют в основном в промышленном производстве (промышленные роботы и роботизированные комплексы), а вторые главным образом - в экстремальных условиях, т.е. при наличии радиации, загазованности, взрывоопасности, высоких и низких температур и давлений. Третий вид применяют для погрузочно - разгрузочных и тяжелых работ.

Автоматически действующие манипуляционные роботы делят ив четыре рода: жестковстроенные, программные, адаптивные и «интелектные». Вместо термина «род» применяют также «поколение». Но, поскольку жестковстроенные машины еще не являются, роботами, они представляют собой нулевое («доработанное») поколение. Программные - первое поколение, адаптивные - второе поколение, интелектные - третье поколение. Однако здесь в отличие от вычислительной техники эти поколения не сменяет друг друга, а существуют параллельно, развиваясь внутри каждого из них. Поэтому четвертого поколенья роботов нет, а искусственный интеллект третьего поколения может развиваться почти неограниченно по мере развития науки я техники, а также возможность использования все новых поколений микро ЭВМ.

Охарактеризуем каждое из этих покаленей автоматически действующих робототехнических систем.

Рисунок 1

Класс

Манипуляционные робототехнические системы (роботы, манипуляторы и РТК)

Вид

Автоматически действующие

Дистанционно управляемые

Ручные

Род

Жестковстроенные

Программные

Адаптивные

Интелектные

Комендные

Копирующие

Полуавтоматические

Супервизорные

Диалоговые

Шарнирно-балансирный ые

Экзоскелетоны

Различные типы роботов

Жестковстроенные манипуляторы не имеют перестраевыемых программных управляющих устройств. Это механические руки (автооператоры). Они жестко связан с остальным технологическим оборудованием, подчиняясь определенной программе технологического процесса в целом. Их применение, в частности, характерно для замены ручного труда в массовом производстве, например, на линиях сборки механизмов на часовых заводах.

Программные роботы (первое поколение роботов) имеют управляемые приводы во всех суставах, и система управления легко переналаживается на различные, ручные операции. Но после каждой переналадки они повторяют многократно одну в ту к же жесткую программу, в строго определенной обстановке, с определенно расположенными предметами. Таково большинство современных промышленных роботов, выполняющих вспомогательных операций у штампов, станков, линейных машин и т.п. Такой робот будет совершать те же движения, если даже детали не на месте. Кроме того, он требует создавал технологической оснастки упорядочивающей положение деталей. Но это сделать не всегда просто, а, главное жесткая оснастка затрудняет переналадку роботе на новые операции. Поэтому целесообразно бывает усложнить систему управления самого робота, т.е. перейти к применению второго поколения роботов.

Второе поколение - адаптивные роботы, т.е. такие, которые могут самостоятельно в большей или меньшей степени ориентироваться в нестрого определенной обстановке, приспосабливаясь к ней. Для этого их снабжают, во-первых, каками-либо датчиками, реагирующими на обстановку, и, во-вторых, системой обработки информации от датчиков для выбора сигналов адаптивного управления, т.е. гибкого изменения программы движения манипулятора в соответствии с фактической обстановкой. В настоящее время в таких системах широко используют компактные микропроцессорные устройства.

Адаптивные промышленные роботы необходимы во всех случаях, когда трудно создать строго определенную обстановку, при обходе препятствий, при работе с движущимися на конвейере деталями, в сборочных операциях, при дуговой сварке, окраске, нанесении покрытий и в других операциях. Адаптивные роботы второго поколения широко разрабатываются и эксплуатируются на производстве.

Третье поколение - интеллектные роботы с более богатым очувствлнием, с микропроцессорной обработкой информации, распознаванием обстановки, с автоматической выработкой роботом решения о своих дальнейших действиях, для выполнения нужных технологических операций в неопределенной или меняющейся обстановке - это роботы с элементами искусственного интеллекта.

Дистанционно управляемые роботы и манипуляторы по классификационной схеме делятся на пять родов:

манипуляторы с командным управлением,

копирующие манипуляторы,

полуавтоматические манипуляторы,

роботы с супервизовым управлением,

роботы с диалоговым (интерактивным) управлением.

Только два последних из них названа роботами, так как они наряду с дистанционным управлением имеют полностью автоматически режимы работы.

Манипуляторы с командным управлением отличаются тем, что человек-оператор включает по отдельности приводы каждого сустава манипулятора дистанционно путем нажатия на соответствующие кнопки или тумблеры. Такие манипуляторы применяют, например, на обитаемых подводных аппаратах.

В таком же командном режиме часто производится «обучение» промышленного робота с пульта управления. По аналогичному принципу работают и так называемые телеоператоры, находящиеся в опасной зоне.

Копирующие манипуляторы, находящиеся в опасной зоне, управляются дистанционно человеком - оператором с удаленного безопасного места при помощи задающего устройства, кинематически подобного рабочему манипулятору. При этом движение каждого сустава задающего механизма передается на соответствующий сустав рабочего манипулятора по принципу следящей системы. Такие манипуляторы применяют для работ при наличии радиации, загазованности и в других экстремальных условиях.

Полуавтоматические манипуляторы в отличие от копирующих в качестве задающего устройства на пульте оператора имеют компактную многостепенную управляющую рукоятку, кинематика которой может быть произвольной, удобной для малых движений руки человека. Снимаемые с нее электрические сигналы преобразуются с помощью специализированного вычислителя в сигналы управления на приводы манипулятора. Здесь возможны различные алгоритмы управления.

Роботы с супервизорным управлением характеризуются тем, что элементы выполняемых ими операций запрограммированы и могут воспроизводиться автоматически. Человек-оператор, наблюдающий дистанционно за действиями робота, установленного в опасной зоне, подает только отдельные переуказательные команды, по которым включается та или иная программа автоматического действия робота. За человеком остается лишь функция распознавания обстановки и принятая решений. После подачи им целеуказательной команды робот действует по определенной программе. Если этот робот являемся адаптивным, то человек-оператор может подавать более редкие и более «глобальные» команды.

Роботы с комбинированным управлением - это роботы, в которых сочетаются автоматические режимы (как у роботов с супервизорным управлением) с режимами управления от руки (как у полуавтоматического или копирующего манипулятора). Их применяют на необитаемых подводных аппаратах, во взрывоопасных и горячих цехах, для безлюдной работы в шахтах, в атомной энергетике а т.п. Такое комбинированное управление используют в различных типах телеоператоров.

Роботы с диалоговым (интерактивным) управлением, как правило, являются интеллективными, а отличаются от супервизовых тем, что робот не только принимает команды человека для их исполнения, но и сам активно участвует в распознавании обстановка и принятии решения, помогая в этом человеку-оператору.

Наконец третий вид манипуляционных робототехнических систем (ручные) делятся на шарнирно-балансирные манипуляторы и экзоскелетоны (усилители конечностей человека).

Шарнирно-балансный манипулятор представляет собой многозвенчатый механизм с приводами в каждом суставе, которые при любой величине удерживаемого манипулятором груза (в пределах его rpyзoподъемности) при любом расположении звеньев в пространстве находится в равновесии. Поэтому человек, взявшись за рукоятку манипулятора, легко может перемещать большой груз. Двигая рукоятку, человек осуществляет подачу управляющих сигналов, при этом вся работа по перемещению груза выполняется приводами, размещенными в суставах манипулятора. Такие системы удобны для погрузочно- разгрузочных работ.

Экзоскелетоны - многозвенные механизмы, звенья которых непосредственно сопряжены с руками или ногами человека. В суставах механизма, соответствующих суставам человека, в этом случае также помещены управляемые двигатели, берущие на себя всю тяжесть работы. Движения самого человека формируют лишь сигналы управления. Такие системы применяют для усиления конечностей человека. Это бывает полезно для выполнения тяжелых работ и движения по труднопроходимой местности. Экзоскелетоны можно встраивать, например, в водолазные костюмы для облегчения и усиления действий водолазов, когда это необходимо.

На рис.1 вертикальными линиями показаны типа, на которые делится каждый род (поколение) роботов. Этих типов может быть достаточно много. Они различаются принципами и техникой построения управляющих устройств, приводов в суставах манипулятора, числом звеньев манипулятора, грузоподъемностью, видом очувствления, математическим программным обеспечением и т.п.

Для полной ориентации объекта необходимы три степени подвижности, которые обычно реализуются тремя вращательными парами, осуществляя повороты охвата в горизонтальной, вертикальной плоскостях и вокруг оси схвата.

ПР могут быть колесными, гусеничными и стопоходящими (шаговыми). Тип рабочей зоны - одна из важных характеристик - это фигура описываемая при прохождении им предельно достижимых положений.

Для общей характеристики достаточно качественно определить тип рабочей зоны - рабочая зова на плоскости, в сфере, на поверхности параллепипеда, цилиндрическая, шарообразная или комбинированная.

Этим типам соответствуют разные системы координат.

Грузоподъемность - это масса перемещаемых изделий и орудий труда

да. Подразделяют:

- сверхлегкие (ряд грузоподъемностей 0,1; 0,16; 0,25; 0,4; 0,63; 1,0 кг);

- легкие (1,5; 2,5; 4,0; 6,3; 10,0 кг);

- средние (16, 25, 63, 100 кг);

- тяжелые (160, 250, 400, 630, 1000 кг);

- сверхтяжелые (свыше 1000 кг).

Тип приводов - пневматический, гидравлический и электромеханический. Часто применяют комбинации, например, тип привода охвата может отличаться от типа приводов звеньев манипулятора.

Типы систем управления разделяют по принципу управления: роботы с программным управлением, очувствительные роботы и роботы с искусственным интеллектом.

В первом случае работает жесткая программа. Во-втором - управление ведется с учетом фактического состояния внешней среды, в третьем - робот снабжают устройствами очувствления (сенсорикой), в виде тактильных, локационных, телевизионных и других устройств.

Системы управления очувствленных роботов делятся на неадаптивные и адаптивные. Роботы с искусственными интеллектами являются дальнейшим развитием очувствлении роботов в части алгоритмов функционирования и соответствующего сенсорного обеспечения.

По типу движения по отдельным степеням подвижности системы управления делятся на СУ непрерывного (контурного) и дискретного (позиционного) управления движением.

По числу управляемых ПР системы управления делятся на системы индивидуального и группового управления.

Под классом точности позиционирования и воспроизведения траекторий обычно понимается абсолютная точность позиционирования схвата, однако более объективно класс точности определяется относительной погрешностью позиционирования или воспроизведения траекторий.

Страницы: 1, 2, 3, 4