/>ПЛАН
ВВЕДЕНИЕ
1. АНАЛИЗ ОБЪЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИПРОЕКТИРОВАНИЯ
1.1 Анализ объекта автоматизации
1.2. Критический анализ объекта автоматизации
1.3 Анализметодов автоматизации
1.3.1 Анализ первичных преобразователей
1.3.2 Анализ исполнительных органов
1.3.3 Анализ СУ
1.4 Постановка задачи проектирования
2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ СИСТЕМЫ
2.1 Структурная схема подключения датчиков
2.2 Структурная схема подключения исполнительных механизмов
2.3 Распределение пинов микроконтроллера
3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ В СРЕДЕ PROTEUS
3.1 Проектирование моделей датчиков
3.2 Проектирование моделей исполнительных механизмов
3.3. Проектирование панели управления устройством
4. РАЗРАБОТКА ЧЕРТЕЖА БЛОК–СХЕМЫАЛГОРИТМА ПРОГРАММЫ УПРАВЛЕНИЯ
4.1 Построение блок–схемы алгоритма
ВЫВОДЫ
ВВЕДЕНИЕ
В современной кулинарной промышленности, а также всфере обслуживания, с ростом населения, возрастает потребность в быстром икачественном производстве пищевой продукции, а также максимальной подготовке еек употреблению, так как «время-деньги».
Одно из направлений ускорения данногопроизводственного процесса является проектирование, изготовление, а затем ивнедрения различных машин для быстрой очистки, нарезки и прочей механическойобработки пищевой продукции. Одной из таких машин является агрегат, какправило, с ручным управлением слайсер.
1. АНАЛИЗОБЪЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
/>/>1.1 Анализ объекта автоматизации
Слайсер — специализированное устройство для точнойи быстрой нарезки колбасы в больших количествах. Данный прибор является частовстречаемым кухонным прибором в любом супермаркете. Не имеет значение какуюмодель, какой фирмы рассматривать- все они имеют примерно одинаковую структуруи принцип действия, а как следствие- одинаковые недостатки, но об этом позднее.Остановимся подробнее на принципе действия. Оператор прибора выставляет ширинуотрезаемого ломтя при помощи движения задней стенки, затем вручную подноситколбасу и держит ее до тех пор, пока не произойдет отрезка (опять же ручнымдвижением вращающегося ножа), затем отрезаемый ломоть смещается в сторону иоператору необходимо подвинуть колбасу еще вперед и снова держать до моментаотрезки. После окончания непосредственно нарезки необходимо взять всеотрезанные куски и вручную разложить их на тарелке, что неминуемо ведет кувеличению времени упаковки.
/>
Рисунок 1.1 Типичный Слайсер.
1.2 Критическийанализ объекта автоматизации
А) Задняя стенка выставляется вручную, что не даетвозможность максимально точно выставить ширину нарезки. Следует заметить, чтоавтоматизированный электропривод справиться с данной задачей гораздо быстрее,чем человек, который будет подгонять размер. Что касается ремонтопригодности инадежности, то здесь нареканий нет.
Б) Нож. Скорость его вращения не регулируется,поэтому нет подстройки под тип колбасы (Салями – твердая, Докторская- мягкая),а это важно для экономного использования электроэнергии, а также для быстрого ировного отрезания, ведь если скорость будет не соответствовать, то колбасаможет быть просто порвана на куски. Что касается надежности иремонтопригодности, то здесь вновь нет способов применить автоматизацию дляулучшения данных качеств.
В) Прижимное устройство. Его попросту нет, либооно представлено прижимной планкой, которую необходимо постоянно придерживать.Человек не совершенен — его рука устает. И хоть благодаря непосредственномуконтролю человека может регулироваться сила и корректироваться векторприжимания — это нерационально. А силу прижима можно поддерживать и средствамиавтоматизации, но об этом в следующем разделе.
Г) «Наезд-ножа-на-колбасу». Данный механизм такжеотсутствует и это плохо. С одной стороны если бы человек вручную подносилколбасу, то для пальцев это безопаснее, но учитывая пункт В) разумнее сделатьавтоматику под управлением контроллера.
Д) «Продвигатель-колбасы-по-пути-нарезки».И сноваручной труд, бессмысленный и легко заменяемый. Движение замечательно будетпередавать и конвейерная лента.
Е) «Раскладчик колбасы- Сервирователь» Данноеустройство также не предусмотрено в базовой модели.
Следовательно, объект может быть доработан, а внекоторых узлах модернизирован для облегчения человеческого труда ирационального использования времени.
/>1.3 Анализ методов автоматизации
1.3.1 Анализ первичныхпреобразователей-датчики
А) Концевые датчики положения – именно они будутуказывать двигателю, отвечающему за движение ножа по направляющей, о достиженииконечных точек движения.
Б)Датчик положения задней стенки. Необходим длясвоевременной остановки двигателя перемещающего заднюю стенку, а также длявыведения на индикацию положения стенки.
В) Оптодатчик наличия колбасы. Т.е. датчик,сообщающий о том, что колбаса положена и можно включать прижимное устройство.
Г) Датчик веса, который будет находиться уже вузле сервировки. Установлен будет под тарелкой и может реагировать наувеличение веса либо на удар от падающего кусочка колбасы. В результатеобработки сигнала от него тарелка будет поворачиваться.
Датчики А, Б, В принято было взять идентичными. Онибудут основаны на оптике. Подключение, а соответственно и конструкция будутрассмотрены в следующей главе. Датчик Г можно указать уже сейчас- Датчиксилоизмерительный тензорезисторный ДСТ. Тип датчика — двухопорная балка. Принципдействия — деформация изгиба.
Датчик применяется в бункерных весах и дозирующихустройствах; платформенных весах; подвесных бункерных весах и дозирующихустройствах.
Его характеристики приведены в Таблице 1.1.
/>
Рисунок 1.3 ДСТ. Общий вид
Таблица 1.1.Номинальное усилие кН 0,1; 0,15; 0,2; 0,25; 0,32; 0,4; 0,5; 0,63; 1,0; 1,25; 1,5; 2,0; 2,5; 4,0; 5,0; 6,0; Диапазон рабочих температур (группа исполнения) °С -50…+50 (Д3) Напряжение питания постоянным током В, не более 24 Степень защиты оболочки - IPХХ Масса кг 1,3…2,6
1.3.2 Анализ исполнительных органов
А) Дорожки. Их движение будет реверсивным повозможности. Передаваться движение будет от двигателя через косоугольные шестерни.Реверс желателен при выполнении программы вначале и конце обработки 1й палкиколбасы для сброса в корзину отходов «хвостиков».
/>
Рисунок 1.3 Схематическое изображение передачидвижения через косоугольные шестерни на конвейерную ленту
Б) Поворот тарелки будет осуществляться шаговымдвигателем через цепную передачу, возможен варианта встраивания егонепосредственно в сервировочное устройство.
/>
Рисунок 1.4 Поворотный механизм с датчиком
В) «Прижиматель»- представляет собой прижимнуюлопатку на одном конце которой закреплен оптодатчик наличия колбасы. Движениепередается от ДПТ через шестерню на валу к зубцам на «хвосте» прижимнойлопатки.
/>
Рисунок 1.5 Передача движения от двигателя кприжимной лопатке. Вид сверху.
В исходное положение лопатка будет возвращатьсяпосле прекращения действия ДПТ под действием деформированной пружины,прикрепленной к вращающей шестерне.
/>
Рисунок 1.6 Пружина как возвратный механизм. Вид сбоку.
Г) Двигатель движения ножа по направляющей.Реагирует на сигналы концевых датчиков. Сам нож с вращающим его двигателемперемещается по червячной передаче.
Д) Двигатель вращения ножа — получает сигнал отконтроллера о включении/отключении. Вращает нож с переменной скоростью.Управляется ШИМ, реализованным на таймере счетчике.
/>
Рисунок 1.7 Механизм перемещения ножа
1.3.3 Анализ СУ
СУ может быть реализована как аппарат с жесткойлогикой Мили/мура, как релейно-контакторная схема, но оптимальный вариант этореализация на контроллере ARM7.Именно этот вариантпозволит более точно настроить и отладить систему, а также упроститавтоматизацию ряда узлов – задней стенки и т.д. Для упрощения реализациипроекта контроллер LPC2138 будет взят не как отдельныйэлемент, а уже в виде готового к монтажу модуля MMLPC2138-0-2.
MMLPC2138-0-2 – миниатюрный модуль с установленным 32-разрядным ARMмикроконтроллером LPC2138 NXP. Все выводы микроконтроллера доступны на разъемахплаты. Периферия включает два таймера, два интерфейса UART, два I2C, SPI, АЦП,ЦАП, сорок семь линий ввода/вывода.Отличительныеособенности
· установленный микроконтроллер LPC2138: ARM7TDMI-S™ 16/32 бит, 512кБ Flash-памяти программ, 32 кБ ОЗУ, часы реального времени, восемь 10-битныхАЦП, 2 порта UART, I2C, SPI, два 32-битных таймера, восемь каналовзахвата/хранения, ШИМ (6 выходов), «WatchDogTimer», 5 В совместимыевходы/выходы, работоспособность до 60 МГц (встроенный PLL);
· последовательная DataFlash на 32Mb (4MB);
· часы РВ с встроенным резонатором 32,768кГц и батареей(устанавливается дополнительно);
· питание 3,3В или 3,8 – 16В от встроенного регулятора;
· компактные размеры 39х36мм;
· работает в комплексе с отладочной платой EVBlpc213x;
· отладочный интерфейс JTAG.Комплектация
· отладочная плата MMLPC2138-0-2.
/>
Рисунок 1.8 MMLPC2138-0-2
/>1.4 Постановка задачи проектирования
Проанализировав вышеизложенный материал, былисформулированы следующие задачи данной курсовой работы:
– разработка структуры системы управления подсистемами
– выбор датчиков тока, угла поворота, скорости,преобразователя частоты;
– выбор исполнительных устройств (электродвигателей);
–разработка схемы подключения датчиков иисполнительных механизмов;
– разработка пользовательского интерфейса синдикацией;
–разработка блок–схемы алгоритмов программыуправления микроконтроллером;
– разработка программы управления на языке Keil.
2. ПРОЕКТИРОВАНИЕСТРУКТУРЫ СИСТЕМЫ
/>2.1 Структурная схема подключения датчиков
Датчик (сенсор от англ. sensor) — терминсистем управления, первичный преобразователь, элемент измерительного,сигнального, регулирующего или управляющего устройства системы, преобразующийконтролируемую величину в удобный для использования сигнал.
В настоящее время различные датчики широкоиспользуются при построении систем автоматизированного управления.
ДСТ
/>
Рисунок 2.1 Структурная схема подключения ДСТ
Датчикподключается через усилитель и фильтр низких частот к АЦП МК. Обработкаинформации от него подробнее расписана в блок-схеме к управляющей программе.
Оптодатчик
/>
Рисунок 2.2 Структурная схема подключенияОптодатчика.
Оптодатчик состоит из оптопары и триггера Шмидта.Подключается непосредственно к GPIO МК. Наиболеераспространенный в рассматриваемой системе тип датчика. Следует заметить чтопри срабатывании датчик выдает сигнал 0, постоянный же уровень сигнала от негологическая еденица, однако при разработке управляющей программы былаиспользована обратная логика, а следовательно сигнал с данных датчиков послетриггера Шмидта также следует пропускать через инвертор, разумеется еслиинвертор уже не встроен в него.
Кнопки
/>
Рисунок 2.3 Кнопка нажимного типа.
Хотя это не датчики, рациональнее всего отнестикнопки к этому разделу, ведь как и датчики они подают (точнее пропускают)сигнал на входы МК, что позволяет ему скорректировать производственный процесс соответственновновь поступившим данным.
/>2.2 Структурная схема подключения исполнительныхмеханизмов
Двигатель перемещения ножа
/>
Рисунок 2.4 Двигатель перемещения ножа
Поскольку необходимо обеспечить перемещение ножа вобоих направлениях, данный двигатель подключен с возможностью реверса. Возможнареализация на транзисторах работающих в ключевом режиме либо на них же, нотакже с использованием микросхем IR.
Двигатель поворота тарелки/ перемещения заднейстенки (ШД)
/>
Рисунок 2.5 Управление ШД
Данный тип двигателя подключен к МК через 2специализированные микросхемы L297+L298,которые в паре составляют драйвер управления шаговым двигателем. Благодаря импопеременно происходит включение обмоток ШД, что приводит к вращению. Управлятьдвигателем так очень просто. Необходимо лишь подать с МК 3 сигнала. 1й включаетдвигатель. 2й задает прямой либо обратный ход. 3й активирует режим полушага. Намикросхему L297 также необходимо подавать прямоугольныеимпульсы. Для снижения нагрузки на МК подача данных импульсов идет состороннего генератора, реализованного на микросхеме 555.
Двигатель вращения ножа/ прижимной лопатки/конвейерных лент
/>
Рисунок 2.6 Структурная схема подключения другихДПТ
МК подает сигнал на ключ через который подаетсянапряжение питания данных двигателей. Подробнее их управление будет рассмотренов главе о блок-схеме.
Источники питания
/>
Рисунок 2.7 Кнопка нажимного типа.
Хотя источники питания не относятся кисполнительным механизмам они будут упомянуты в этом разделе, ведь без них небудет функционировать система вцелом. Основные элементы блока питания этотрансформатор, выпрямитель, ФНЧ и стабилизатор. По желанию можно добавитьпредохранители. Подробнее схема БП будет рассмотрена при проектировке модели.Следует отметить что для системы необходимо 2 БП на 5 и на 12В постоянноготока.
Индикация
Еще одним важным звеном являются семисегментныеиндикаторы, которые наглядно показывают состояние системы, а точнее еенастройки. Подключаются они напрямую к GPIO МК.
2.3 Распределение пинов МК
Таблица 2.1 Пины МКПорт/пин Назначение IODIR Pinsel P0.0 Пуск системы P0.1 Стоп EINT0 P0.2 Двигатель прижима + P0.3 Датчик наличия колбасы P0.4 Искусственный стоп + P0.5-0.8 Индикатор скорости + P0.9 Регулятор скорости EINT3 P0.10-0.13 Индикатор положения задней стенки + P0.14-0.15 Смещение стенки вперед/ назад. EINT1 EINT2 P0.16-0.17 Управление конвейерными лентами + P0.19-0.20 Концевые датчики положений ножа P0.21 Управление вращением ножа + P0.22-0.23 Смещение ножа вправо/влево + P0.27 АЦП. Сигнал от датчика давления AD0/0 P0.28-0.30 Управление ШД поворота тарелки. + P1.16-1.18 Управление ШД движения задней стенки. + P1.20-1.31 Датчики положения задней стенки
3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ ВСРЕДЕ PROTEUS
/>
3.1 />Проектирование моделей датчиков
/>
Рисунок 3.1 Оптодатчик
Состоит из элемента который выполняет модельоптопары, а также триггера Шмидта совмещенного с лог. элементом.
/>
Рисунок 3.2 Модель датчика веса
Состоит из резистора с переменным сопротивлением иФНЧ (резистор +конденсатор). Подключается к АЦП.
3.2 Проектирование моделейисполнительных механизмов
Реверсивная схема включения ДПТ, который отвечаетза перемещение ножа представлена транзисторами, работающими как ключи. Дляудобства имеется 2 вывода к пинам МК, которые при подаче на них логическойединицы заставляют двигатель вращаться вперед или назад.
/>
Рисунок 3.3 Реверс ДПТ
Другие ДПТ (перемещение конвейерных лент, вращениеножа, прижим колбасы) подключены также через ключ. В модели данную функциювыполняют транзисторы.
/>
Рисунок 3.4 Модель включения ДПТ
Шаговые двигатели (поворот тарелки, перемещениезадней стенки) подключены через микросхемы L297+L298, на которые необходимо подавать 4 сигнала. 3 с МК,отвечающие за включение, режим полушага и реверс и 1 с внешнего генераторапрямоугольных импульсов (возможна реализация также с МК через таймер счетчик)
/>
Рисунок 3.5 Управление ШД
Внешний генератор представлен на микросхеме 555.
/>
Рисунок 3.6 Генератор прямоугольных импульсов
Таймер генерирует последовательность прямоугольныхимпульсов определяемых RC цепочкой.
Частота импульсов, зависит от величин C, R1 и R2,и рассчитывается по вышеприведенной формуле.
/>
Рисунок 3.7 Сигнал с генератора
Время между началом одного и началом следующегоимпульса называется периодом (t). Оно состоит из длительности самого импульса (t1)и промежутком между импульсами (t2).
Значения t1 и t2 можно рассчитать по следующимформулам:
t1 = 0.693(R1+R2)C;
t2 = 0.693R2C;
/>3.3 Проектирование панели управления устройством
/>
Рисунок 3.8 Панель управления
Панель управления представлена кнопками,7сегментными индикаторами, а также лампочкой, указывающей на включение системы.Данная опция исключительно для наглядности, так как кнопка общего ON/OFF не подключена ни к чему вмодели, но именно она в реальном устройстве должна отвечать за подачу питаниявсем элементам системы.
Не лишним будет привести и схему блока питания на5В (на 12 делается аналогично). Эта схема в модели также исключительно длянаглядности, т.к. элементы работают от виртуальных источников.
/>
Рисунок 3.9 БП
4.РАЗРАБОТКА ЧЕРТЕЖА БЛОК-СХЕМЫ АЛГОРИТМА ПРОГРАММЫ УПРАВЛЕНИЯ
4.1Построение блок–схемы алгоритма
Блок-схемабудет состоять из основной программы main(), а такжеподпрограмм в различное время вызываемых из нее, включая подпрограммы обработкипрерываний.
void init(void); // инициализация. Сброс в 0 всех значений
void PrigimOtgim(void); // подпрограмма активации прижима
void otrez(void); // подпрограмма отрезки
void nojRL(void); // подпрограмма перемещения ножа влево-вправо
void Fvrash(void); // подпрограмма вращения ножа
void povorot(void); // подпрограмма поворота тарелки
void indication(void); // подпрограмма вывода на индикаторы
void opros(void); // подпрограмма опроса датчиков задней стенки
void IRQ_EINT0(void) __irq; //STOP
void IRQ_EINT1(void) __irq; //вперед стенку->
void IRQ_EINT2(void) __irq; // назад стенку
void IRQ_EINT3(void) __irq; // скорость
void Timer0(void) __irq; // подпрограмма длятаймера
void ADC(void) __irq; // подпрограмма для АЦП
ВЫВОДЫ
В данной курсовой работе была разработанаструктура системы слайсера.
В результате анализа оборудования были установленынедостатки существующих моделей. В связи с современными требованиями кавтоматизации производства более целесообразно заменить их на современнуюсистему, которая будет удовлетворять всем требованиям технологического процессаи иметь высокие экономические показатели. Иметь высокую надежность точность,компактность, малое энергопотребление и удовлетворять критериям качестваготовой продукции. Многие из поставленных в начале курсовой работы задач былирешены, но остались также нерешенные проблемы, а точнее дальнейшие путимодернизации.
— обработка кнопки СТОП, при которой программавернется в часть кода перед подпрограммой init()
-исследование оптимальных скоростей вращения ножаи соответствующая корректировка ШИМ, управляющего вращением
-реверс конвейерных лент в начале и концеобработки 1й палки колбасы для сброса в специально отведенные контейнерыхвостиков.
-доп. Приспособления, устанавливаемые поверхконвейерных лент, имеющие треугольную форму для нарезки колбасы в форме овала,а не круга.
-Внедрение систему манипулятора, который будетдоставать из ящика колбасу и с высокой точностью класть ее на конвейернуюленту.