И.В. Осин | Лаборатория Спецмашин Мета ЭМ
Прогресс в производстве новой техники определяется только одним параметром - повышением производительности труда, “выгодностью”.
Ранее изготовлялась рабочая машина, которая комплектовалась электродвигателем, пускателем, аппаратами управления и защиты. По мере возрастания степени автоматизации рабочих машин, расширения их функциональных возможностей появилась необходимость в более сложных электрических системах, которые специально проектировались для отдельных видов промышленных установок, появилось понятие - автоматизированный привод.
Управление движением рабочих органов машин с электрическим приводом, в котором оптимизированы электромеханические процессы по критериям производительности,
точности, технологическим параметрам и экономичности.
Дальнейшее развитие техники связано с исключением механических передач, объединением электромеханических устройств с рабочими органами машины. Появились интегрированные конструкции: электрошпиндель, электронасос, мотор-колесо и другие.
Введение электромеханических устройств, а затем и локальных систем управления непосредственно в конструкцию рабочих машин существенно упростило последние, повысило их функциональные возможности и технические характеристики.
Как следствие, были существенно повышены требования к электроприводу, как по номинальным параметрам (высокая скорость вращения для высокоскоростных механизмов, большой момент для безредукторных приводов и другие), так и по управляемости.
Стало необходимым конструировать совместно как механическую, так и электрическую части рабочих машин. Появилось направление “мехатроника”, под которым понимается создание интегрированных конструкций, функционально законченных модулей, сочетающих в себе механические устройства, электрический двигатель с системой его регулирования и микропроцессорное управляющее устройство.
Совокупность электрических двигателей, механических кинематических звеньев, передающих движение от электродвигателя рабочему органу машины, полупроводниковых преобразовательных устройств, контактных электрических аппаратов управления и защиты, бесконтактных устройств управления, микропроцессоров можно считать электромеханической системой служащей для приведения в действие рабочих органов технологической машины и управления движением рабочих органов в соответствии с условиями технологического процесса.
Примером автоматизированной электромеханической системы могут являться пассажирские лифты.
Рабочим органом лифта является кабина, снабженная автоматическими дверями. Кабина приводится в движение электродвигателем через механический редуктор и канатную передачу. Система управления двигателем обеспечивает в соответствии с полученным приказом (нажатие кнопки в кабине) или вызовом (нажатие кнопки вызова на этаже) выбор направления движения, плавный пуск, движение с установившейся скоростью, торможение и точную остановку на требуемом этаже, после чего автоматически открываются и закрываются двери кабины и лифтовой шахты.
Электродвигатель с устройствами регулирования скорости движения и положения кабины, редуктор, канатоведущий шкив, канатная передача, кабина и противовес составляют главную электромеханическую систему лифтовой установки.
Второй электромеханической системой является устройство открытия и закрытия дверей, состоящее из электродвигателя, кинематических и механических звеньев и системы управления дверями.
Эти электромеханические системы в сочетании с общей системой автоматического управления лифтом, а при наличии нескольких лифтов также с системой оптимизации групповой работы, образуют автоматизированный электромеханический комплекс лифта.
Еще одним примером является электромеханическая система бытового аппарата - автоматическая стиральная машина активаторного типа. Машина представляет собой электромеханическое устройство, содержащее многоскоростной (или управляемый по скорости) электродвигатель вращения барабана, электронасос, электрические клапаны и аппаратуру программного управления. В соответствии с устанавливаемой программой, машина автоматически производит стирку и отжим белья, налив и слив воды. Работа различных электрических и механических элементов функционально объединена устройством программного управления. Работу отдельных элементов нельзя рассматривать порознь, так как совместно они образуют автоматическую электромеханическую систему, выполняющую единую технологическую операцию.
Электромеханическая система, снабженная устройствами автоматического управления, обеспечивающими оптимальное (в смысле производительности, качества производимой продукции, минимизации материальных и энергетических затрат) управление движением рабочих органов в соответствии с условиями технологического процесса - называется автоматизированная электромеханическая система.
В настоящее время предметом поставки являются стандартные изделия - набор унифицированных системных элементов управления для каждого типа машин. Функциональными модулями решаются такие технологические задачи, как позиционирование и регулирование технологического параметра с обратной связью. Такими же функциональными модулями являются преобразователи и двигатели. Только точные и надежно управляемые приводы обеспечивают правильную работу машин. Для этого используется надежная система приводов в серводвигателях и преобразователи для асинхронных и синхронных электродвигателей с большой динамикой при минимальных габаритах.
Возникла концепция интеллектуального привода, чтобы уменьшить стоимость программного обеспечения и заменить сложную и дорогостоящую механику высокой точности. Этим интеллектуальным приводом решаются такие сложные функции, как, например, синхронное движение, угловая синхронизация и другие специфические задачи регулирования, интегрированные в привод технологическим программным обеспечением.
Из этих программных модулей можно просто реализовать специфические пользовательские приложения, как, например, электронный редуктор. Эти применения могут быть реализованы как центральное решение на основе контроллера или как децентрализованное решение непосредственно в преобразователях привода (децентрализованный привод).
Наконец, вершиной современной технологии на рынке являются комплексные решения, и для маленькой машины, и для крупной установки, которые обеспечивают конкурентоспособность и высокую производительность оборудования пользователя. Эти решения реализуются стандартными изделиями, а также специализированными модулями для различных отраслей.
Комплексные решения позволяют в процессе инжиниринга получать “идеальные” решения для конкретной задачи. Комплексные решения, благодаря современным информационным технологиям, представлены в виде интеграционного программного обеспечения. Это программное обеспечение для каждой фазы конкретного проекта: для планирования, проектирования, конфигурирования и параметрирования оборудования и средств коммуникации, для программирования, документирования, тестирования, ввода в эксплуатацию и сервиса и архивации. Оно допускает кооперацию и совместную работу нескольких человек над одним проектом.
Надежные коммуникации между компонентами системы автоматизации - обязательное условие высокой производительности любой машины. Сейчас существуют надежные шинные системы, такие как PROFIBUS-DP, PROFIBUS-FMS и AS-интерфейс обеспечивают безотказный обмен данными между компонентами на всех уровнях. Такая система легко модернизируется
и масштабируется.
Удобное взаимодействие между оператором и технологической установкой (станком) обеспечивает система человеко-машинного интерфейса HMI. Для этого применяются как специализированные панели со специальным программным обеспечением для проектирования конкретной системы, так и базирующиеся на PC системы визуализации созданные по новейшим технологиям и работающие под Windows 95 и Windows NT.
Еще один пример, вобравший в себя все современные достижения электромеханики - металлорежущий станок с числовым программным управлением. Станок служит для автоматической обработки деталей по заданной программе с высокой точностью.
Если на станке по заданной программе выполняется несколько операций, то такая машина называется обрабатывающим центром. Станок включает в себя блок (или привод) главного движения, осуществляющий резание металла, и один или несколько механизмов (приводов) подач, производящих позиционирование детали и точное движение режущего инструмента или обрабатываемого изделия по технологически необходимой программе. В обрабатывающих центрах предусматривается устройство автоматической смены инструмента. Таким образом, современный металлорежущий станок (обрабатывающий центр) представляет собой систему электромеханических устройств, основу которых составляют высокоточные автоматизированные электроприводы. Работа этих электроприводов объединена единой технологической задачей и управляется вычислительным устройством - системой числового программного управления (ЧПУ).
Под дисковым синхронным вентильным двигателем понимают систему регулируемого электропривода, состоящую из дискового электродвигателя переменного тока, конструктивно подобного синхронной машине с возбуждением от постоянных магнитов, и устройства управления, обеспечивающих коммутацию цепей обмоток электродвигателя в зависимости от положения ротора двигателя. В этом смысле вентильный двигатель подобен двигателю постоянного тока, в котором посредством коллекторного коммутатора подключается тот виток обмотки якоря, который находится под полюсами возбуждения. Такого рода двигатели не только регулируются по скорости, но способны преобразовывать параметры электрического сигнала в параметры вращения вала. В отечественной электротехнике традиционно такие двигатели назывались исполнительными, а за рубежом - серводвигателями.
