|
Библиотека
|
ваш профиль |
Статья опубликована с лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License (CC BY-NC 4.0) – Лицензия «С указанием авторства – Некоммерческая».|
Электроника и электротехника
Правильная ссылка на статью:
Губанова А.А., Доля А.С. —
Имитационный стенд мониторинга станочного оборудования
// Электроника и электротехника.
– 2019. – № 1.
– С. 6 - 16.
DOI: 10.7256/2453-8884.2019.1.29920 URL: https://nbpublish.com/library_read_article.php?id=29920
Имитационный стенд мониторинга станочного оборудования
DOI: 10.7256/2453-8884.2019.1.29920Дата направления статьи в редакцию: 03-06-2019Дата публикации: 29-07-2019Аннотация: Объектом исследования является имитационная модель сверлильного станка. Предметом исследования взята математическая модель нагрузки двигателя на валу. В настоящей работе под мониторингом понимается оценивание работоспособности состояния станочного оборудования. Предусматривается, что мониторинг будет производиться, применяя простейшую функцию контроля, регистрируя ток на валу электродвигателя с помощью разработанного программного обеспечения (ПО) с применением удаленного диспетчерского управления на основе SCADA-системы и разработанного демонстрационного стенда. Данный подход предоставляет возможность раннего обнаружения поломок и предоставления информации о работоспособности объекта мониторинга. Теоретические исследования базируются на основных положениях теории вычислительной математики, теории автоматического управления, промышленного программирования. Эмпирические исследования включают методы математического моделирования с использованием специального программного обеспечения для ЭВМ. Научная новизна работы заключается в разработке экспериментального стенда мониторинга станочного оборудования, который позволяет оце-нить состояние станка в режиме реального времени и принимать решения на основе полученной информации SCADA-системой (MasterSCADA). Практическая ценность работы состоит в применении блока мониторинга в составе управления станочного оборудования, позволяющего повысить работоспособность станка и снизить риски поломки. Ключевые слова: мониторинг станка, станочное оборудование, scada-система, нагрузка двигателя, система диспетчеризации, перегрузка электродвигателя, имитационное моделирование, алгоритм работы системы, система мониторинга, имитация сверлильного станка Abstract: The object of the study is a simulation model of the drilling machine. The subject of the study is a mathematical model of the engine load on the shaft. In this paper, monitoring refers to the assessment of the health of the machine equipment. It is envisaged that the monitoring will be carried out using the simplest control function, registering the current on the motor shaft with the help of the developed software (SOFTWARE) with the use of remote Supervisory control based on the SCADA system and the developed demonstration stand. This approach provides the possibility of early detection of breakdowns and providing information about the health of the monitored object. Theoretical research is based on the basic provisions of the theory of computational mathematics, the theory of automatic control, industrial programming. Empirical research includes methods of mathematical modeling using special computer software. The scientific novelty of the work lies in the development of an experimental monitoring stand of machine equipment, which allows to assess the state of the machine in real time and make decisions based on the information received by the SCADA system (MasterSCADA). Keywords: the algorithm of the system, simulation modeling, overload of the motor, dispatching system, engine load, scada system, machine equipment, monitoring of the machine, monitoring system, simulation of drilling machineМожно утверждать, что в целом станочное оборудование является важным результатом процесса развития всей промышленности в целом. По результатам исследования [1] на сегодняшний день весь рынок станочного оборудования составляет около 90 млр. долларов. Однако, например, лишь 30% станочного оборудования в России оснащено различного рода интеллектуальными системами, в том числе, и системами мониторинга. Принимая во внимание то, что стоимость такого рода систем колеблется в среднем от 2% стоимости станка, надо учитывать, что многим средним и малым предприятиям не предоставляется возможность покупки современного станочного оборудования и программного обеспечения для мониторинга из-за их высокой стоимости. Также можно сказать, что на большинстве крупных предприятий имеется парк надежного станочного оборудования без ЧПУ, который эксплуатируется на протяжении долгих десятков лет и оборудование не выходит из строя; установление программного оборудования, по цене в несколько десятков раз превышающего стоимость морально устаревшего станка является нецелесообразной, а постоянно совершенствующие технические средства и программное обеспечение диктуют правила для создания различного рода АС на базе использования систем сбора данных и обработки информации с помощью вычислительных комплексов и диспетчерского управления (SCADA-системы)[2]. В данной работе показан стенд, который состоит из двух частей: первая часть это персональный компьютер, вторая часть это самая главная часть демонстрационного стенда, на которой установлен электродвигатель, который имитирует сверлильный станок, установлены элементы индикации, блок питания, блок ввода-вывода. Эти две части интерфейса соединяются по интерфейсу Ethernet обычным сетевым кабелем. Внутри стенда находятся два блока: это блок питания, который преобразует переменный ток 220 В в постоянный ток, значение которого равно 24 В и модуль ввода-вывода М100Т, который преобразует входные-выходные сигналы в Ethernet Modbus tcp. На верху корпуса установлен на кронштейне двигатель с патроном, в который зажато сверло (имитация сверлильного станка) и элементы индикации (лампа синего цвета- «ПИТАНИЕ» (как только подали 220 В, включили блок питания, далее в схеме появилось 24 В и загорелась лампа ), лампа зеленого цвета – «РАБОТА» (как только подается команда на включение электродвигателя, параллельно загорается эта лампа) и лампа желтого цвета «ПЕРЕГРУЗКА» (как только SCADA-система примет решение о том, что превышена нагрузка на электродвигатель, то она выдаст команду нажать на эту кнопку). Принцип работы схемы электрической принципиальной заключается в следующем: питание 220 В подается через стандартную компьютерную розетку, имеет переключатель и защитный плавный предохранитель F1 на 3 А. Нажав кнопку переключателя S1 в системе сразу начинает работать блок питания, на его выходе появляется значение в 24 В; от этих 24 В запитался модуль ввода-вывода М100Т и, соответственно, зажглась лампочка «ПИТАНИЕ». В программной части в SCADA-системе через ОРС-сервер начался опрос модуля М100Т и загорается лампочка синего цвета, показывая тем самым, что появилось питание. В самой SCADA-системе будет обозначено, что надо нажать кнопку «ВКЛЮЧИТЬ СТАНОК», эта команда по сети Ethernet приходит на модуль М100Т и выдается сигнал на дискретный выход DO1, Этот сигнал поступает на реле К1, далее реле замыкается, тем самым подавая 24 В через два резистора на двигатель и станок начинает крутиться. Через двигатель начинает протекать какой-то ток, предположим 100 мА, он протекает через резистор R2 (так называемый токовый шунт), таким образом, начинает падать напряжение. Это напряжение через делитель поступает на аналоговый вход AIN2 и отображается в SCADA -системе как ток двигателя. На вход AIN1 поступает напряжение, которое подано к двигателю (через делитель). Таким образом, мы с помощью SCADA-системы еще и видим напряжение на двигателе. Зная оба параметра ток и напряжение мы получаем значение мощности на валу электродвигателя. Также можно просчитать и степень нагрузки. Поскольку данный демонстрационный стенд имеет маломощный мотор, и, соответственно, все величины (токи, напряжения ) малы, то в систему было принято внести поправочные коэффициенты (все значения были линейно увеличены в 10 раз), которые на мониторе оператора выводят реальные значения, похожие на значения настоящего станочного оборудования. При искусственном торможении вала двигателя начинает расти ток в электроцепи, соответственно, начинает увеличиваться падение напряжения на шунтирующем сопротивлении R2, который постоянно контролируется и его значение передается в SCADA-систему. Если система видит, что в течение установленного времени его параметры отличаются от принятых, то принимает решение выключить электродвигатель с помощью реле К1 и зажигает желтую лампочку «ПЕРЕГРУЗКА» до тех пор пока в системе не нажмут на лампочку «ВЫКЛЮЧИТЬ ДВИГАТЕЛЬ», а потом заново нажать кнопку «ВКЛЮЧИТЬ». Разработка алгоритма работы системы В настоящей работе функционирование системы планируется на основе написанной программы для управления системой на основе ПО MasterSСADA; для этого необходимо составить алгоритм управления, который учитывает весь цикл мониторинга работы станочного оборудования. На рисунке 2 представлена схема алгоритма системы мониторинга работы станочного оборудования. Принцип его работы заключается в следующем.
Рисунок 1- Схема электрическая принципиальная
В начале работы необходимо подать команду на включение станка. Далее устанавливаем время паузы в течение трех секунд. Должно быть выполнено условие, что станок включился. Если станок не включился на пульт оператора приходит сообщение об отсутствии реакции на команду включения. Если условие включения станка выполнено, то программа переходит в другой цикл проверки превышения тока. Затем система производит запуск таймера в течение трех секунд; если время не превышает три секунды, то цикл опять запрашивает значение превышения тока и так происходит n-количество раз пока время не будет превышено. Если команда «Таймер завершен?» (время превысило более трех секунд) выполнена, то происходит снятие питания с двигателя, на панели загорается индикация перегрузки по току и сообщение о перегрузке по току приходит оператору на интерфейсное окно SCADA-системы.
Рисунок 2- Алгоритм работы системы Разработка программного обеспечения Согласно [3-13] этапы разработки интерфейса системы мониторинга станочного оборудования в данной работе состоял из следующих этапов: - первый этап. Разработка схемы электрической принципиальной и техническое задание на алгоритм, обеспечивающий работу всей системы. Из спроектированной нами схемы электрической принципиальной в программу MasterSCADA были внесены Тип переменных и произведена настройка ОРС сервера (рисунок 3). - второй этап. Импортируем переменные в ОРС сервер, привязываем переменные к расчетным к формулам (рисунки 4-5). - третий этап. Создание графического интерфейса проекта и визуализация в SCADA-системе (6-11).
Рисунок 3- Интерфейс программы MasterSCADA (ввод типа переменных и настройка ОРС сервера)
Рисунок 4- Интерфейс программы MasterSCADA (привязка переменных)
Рисунок 5– Интерфейс программы MasterSCADA (листинг программы)
Рисунок 6 - Общий вид мнемосхемы в программе MasterSCADA
Рисунок 7- Общий вид мнемосхемы группы станков цеха
Рисунок 8 – Мнемосхема отсутствия питания (станок выключен)
Рисунок 9- Мнемосхема начала работы станка
Рисунок 10 – Мнемосхема работы станка
Рисунок 11 - Мнемосхема, показывающая перегрузку на валу двигателя
В данной работе создание имитационной модели системы мониторинга станочного оборудования состояло из следующих этапов: 1. Разработка схемы электрической принципиальной 2. Подборка всех комплектующих 3. Размещение всех комплектующих в корпусе 4. Закрепление всех составляющих в корпусе 5. Выполнение контактных соединений внутри корпуса 6. Окончательный монтаж (соединение верхней части корпуса с нижним, прикручивание к верхней крышке блока, имитирующего сверлильный станок) 7. Испытание устройства Основные этапы сборки имитационной модели системы мониторинга представлены на рисунках 12- 15.
Рисунок 12 -Первична «примерка» расположения блока питания и модуля ввода-вывода М100Т
Рисунок 13 -Внешний вид крышки после установки ламп индикации
Рисунок 14- Подключение всех компонентов
Рисунок 15 – Готовое устройство в сборе В данной статье реализован стенд, а, именно, имитационная модель сверлильного станка. Были реализованы схемы структурная и электрическая принципиальная, разработан алгоритм для работы всей системы мониторинга управления станочным оборудованием с применением ПО MasterSCADA, разработаны мнемосхемы интерфейса оператора. Таким образом, показана практическая ценность работы, состоящая в применении блока мониторинга в составе управления станочного оборудования, позволяющего повысить работоспособность станка и снизить риски поломки. Библиография
References
Результаты процедуры рецензирования статьи
В связи с политикой двойного слепого рецензирования личность рецензента не раскрывается.
Методология исследования основана на сочетании теоретического и эмпирического подходов с применением методов анализа, моделирования, проектирования, программирования, обобщения, синтеза. Актуальность исследования широким применением станочного оборудования (в том числе станков с разного рода интеллектуальными системами) в различных отраслях промышленности и, соответственно, изучения и проектирования имитационных стендов для мониторинга станочного оборудования. В целом актуальность работы требует конкретизации в тексте рукописи. Научная новизна автором в явном виде не выделена. Речь идёт о разработке имитационной модели сверлильного станка (структурная и электрическая принципиальная схемы, алгоритм мониторинга управления станочным оборудованием, мнемосхемы интерфейса оператора) по типовым общеизвестным процедурам, что имеет практическую ценность (повышение работоспособности станка, снижение риска поломки). Научная значимость не очевидна. Имеющиеся аналоги (либо их отсутствие) не рассмотрены, сравнительные преимущества предлагаемой разработки не охарактеризованы. Стиль изложения, в основном, официально-деловой (инструктивно-методический), местами научный. Статья написана русским литературным языком. Структура рукописи включает следующие разделы (в виде отдельных пунктов не выделены, не озаглавлены): Введение (станочное оборудование, рынок станочного оборудования, АС на базе использования систем сбора данных и обработки информации с помощью вычислительных комплексов и диспетчерского управления (SCADA-системы)), Имитационный стенд (персональный компьютер, электродвигатель, который имитирует сверлильный станок, элементы индикации, блок питания, блок ввода-вывода, интерфейс Ethernet, сетевой кабель, блок питания, модуль ввода-вывода М100Т, Ethernet Modbus tcp., двигатель с патроном, сверло (имитация сверлильного станка), элементы индикации, принцип работы схемы электрической принципиальной, значение мощности на валу электродвигателя, степень нагрузки, искусственное торможение вала двигателя), Разработка алгоритма работы системы (программа для управления системой на основе ПО MasterSСADA, алгоритм управления, цикл мониторинга работы станочного оборудования), Разработка программного обеспечения (этапы разработки интерфейса системы мониторинга станочного оборудования – разработка схемы электрической принципиальной, техническое задание на алгоритм, обеспечивающий работу всей системы, импорт переменных в ОРС сервер, привязка переменных к расчётным формулам, создание графического интерфейса проекта и визуализация в SCADA-системе, интерфейс программы MasterSCADA – ввод типа переменных и настройка ОРС сервера, привязка переменных, листинг программы, общий вид мнемосхемы, группы станков цеха, мнемосхема отсутствия питания, мнемосхема начала работы станка, мнемосхема работы станка), Создание имитационной модели системы мониторинга станочного оборудования (разработка схемы электрической принципиальной, подборка комплектующих, их размещение и закрепление в корпусе, выполнение контактных соединений внутри корпуса, окончательный монтаж, испытание устройства), Заключение (выводы), Библиография. Текст включает 15 рисунков, часть которых однотипны. Содержание в целом соответствует названию. В то же время формулировка заголовка, возможно, требует корректировки, поскольку не ясно, что понимается под мониторингом, о каком станочном оборудовании идёт речь. Также не ясно, почему интеллектуальные системы, составляющие 2 % от стоимости станка, считаются дорогостоящими. Библиография включает 10 источников отечественных авторов – научные статьи, учебные пособия. Библиографические описания некоторых источников нуждаются в корректировке в соответствии с ГОСТ и требованиями редакции, например: 1. Юсупов Р. Х. Основы автоматизированных систем управления технологическими процессами : учебное пособие. – М. : Инфра-Инженерия, 2018. – 132 с. 2. Денисенко В. В. Компьютерное управление технологическим процессом, экспериментом, оборудованием. – М. : Гор. линия-Телеком, 2013. – 606 с. 5. Шрейнер Р. Т., Емельянов А. А., Клишин А. В., Медведев А. В. Моделирование моментов нагрузки электродвигателей в MATLAB // Молодой ученый. — 2010. — Т. 1. — № 8. — С. 6—12. Обращает внимание использование, в основном, источников учебной информации. Источники №№ 1 и 7, 2 и 8, 10 и 12 совпадают, что нужно исправить. Дублирование (полное библиографическое описание и URL) не целесообразно. В целом библиографический аппарат требует доработки. Апелляция к оппонентам (Юсупов Р. Х., Денисенко В. В., Шишов О. В., Синица П. В., Шрейнер Р. Т., Емельянов А. А., Клишин А. В., Медведев А. В., Иванов А.А., Афонин А.М., Царегородцев Ю.Н., Петрова А.М., Гагарина Л.Г., Береснев А. Л., Береснев М. А., Голицына О. Л., Партыка Т. Л., Попов И. И.) имеет место. Замечен ряд опечаток: около 90 млр. долларов – около 90 млрд долларов; это блок питания, который преобразует переменный ток 220 В в постоянный ток, значение которого (???) равно 24 В; то цикл опять запрашивает значение превышения тока и так происходит n-количество раз пока время не будет превышено – то цикл опять запрашивает значение превышения тока, и так происходит n раз, пока время не будет превышено; Согласно [3–13], этапы (ПОВТОР) разработки интерфейса системы мониторинга станочного оборудования в данной работе состоял (???) из следующих этапов (ПОВТОР); (6-11) – (рисунки 6–11). Аббревиатуры АС, ЧПУ, ПО, ОРС нужно привести полностью, если встречаются в тексте однократно – удалить. В целом рукопись не соответствует основным требованиям, предъявляемым к научным статьям. Материал может представлять интерес для читательской аудитории, однако нуждается в существенной доработке (в части научной новизны, библиографии), после которой может быть рассмотрен на предмет публикации в журнале «Электроника и электротехника» (рубрика «Приборостроение, метрология и информационно-измерительные приборы и системы»). |
© 1998 – 2019 Nota Bene. Publishing Technologies. NB-Media Ltd.
The journal allows the author(s) to hold the copyright without restrictions. All authors automatically own full copyright in their work as soon as they create it, and current Russian Federal legislation protects them.
Licence type: Attribution-NonCommercial 4.0 International (CC BY-NC 4.0)
The journal is an open access journal which means that everybody can read, download, copy, distribute, print, search, or link to the full texts of these articles in accordance with Creative Commons Attribution- NonCommercial 4.0 International License.
You are free to:
Share — copy and redistribute the material in any medium or format.
Adapt — remix, transform, and build upon the material The licensor cannot revoke these freedoms as long as you follow the license terms.
Under the following terms:
Attribution — You must give appropriate credit, provide a link to the license, and indicate if changes were made. You may do so in any reasonable manner, but not in any way that suggests the licensor endorses you or your use.
NonCommercial — You may not use the material for commercial purposes.
No additional restrictions — You may not apply legal terms or technological measures that legally restrict others from doing anything the license permits.
Рус
