Автоматизированный стенд диагностики тормозной системы автомобиля с разработкой подсистемы управления тормозным барабаном

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Московский государственный технический университет «МАМИ»

Факультет «Автоматизация и Управление»

Кафедра «Автоматика и процессы управления»

Специальность 220 201.65

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА к дипломному проекту на тему:

«Автоматизированный стенд диагностики тормозной системы автомобиля с разработкой подсистемы управления тормозным барабаном»

Студент: Блинов Е.В.

Москва — 2011 г.

1. Теоретическая часть

1.1 Текущее состояние процесса диагностики

1.2 Тормозная система автомобиля

1.3 Необходимость разработки стенда тормозного барабана

1.4 Цель и постановка задачи

2. Технологическая часть

2.1 Описание функциональной и структурной схемы системы

2.2 Блок питания электроники

2.3 Технические характеристики контроллеров и модулей ввода-вывода

2.4 Расчет усилителя мощности

3. Специальная часть

3.1 Среда конфигурирования контроллера

3.2 Краткая характеристика средств ЧМИ

3.3 Алгоритм работы системы

4. Экономический часть

5. БЖД

5.1 Безопасность жизнедеятельности

5.1.1 Анализ опасных и вредных факторов, действующих на разработчика

5.1.2 Расчет искусственного освещения рабочего места

5.2 Охрана окружающей среды

5.2.1 Анализ вредных и опасных факторов воздействующих на окружающую среду

5.2.2 Установка рукавного фильтра для очистки удаляемого воздуха

Заключение

Список литературы

1. Теоретическая часть

1.1 Текущее состояние процесса диагностики

Тормозная система является одной из важнейших систем автомобиля. Ее необходимо своевременно диагностировать и осматривать. При диагностике тормозных систем автомобилей сначала выполняют диагностику, позволяющую оценить техническое состояние тормозной системы автомобиля в целом по значениям следующих параметров: тормозной путь, замедление, тормозная сила, время срабатывания, а затем диагностику, которая устанавливает причины снижения эффективности торможения, определяя неисправность технического состояния отдельных агрегатов и элементов тормозной системы.

В настоящее время на предприятии используется тормозная линия VIDEOline фирмы CARTEC, которая позволяет легко и быстро тестировать тормоза и систему подвески пассажирских автомобилей.

Стенды могут применяться на станциях государственного технического осмотра АТС, станциях технического обслуживания, предприятиях автомобильной промышленности для контроля эффективности тормозных систем АТС в эксплуатации, при выпуске на линии, а также при ежегодном техническом осмотре.

Тормозной стенд, в частности, разработан для быстрой диагностики в автомастерских. Компьютерная программа BDE40W3 предоставляет подробную информацию о состоянии тормозов и системы подвески на проверяемом автомобиле.

Все узлы роликовых установок могут быть смонтированы на сварной прямоугольной раме с аппарелями для самостоятельного въезда и съезда автомобиля на роликовую установку или на раме — каркасе фундамента, смонтированного на базе смотровой ямы. Роликовые установки как для правого, так и для левого колеса устанавливаются в раму на опоры — датчики веса и удерживаются от смещения двумя фиксаторами.

Рис. 1.1 Роликовая установка Датчики веса предназначены для преобразования массы диагностируемой оси в электрический сигнал. Мотор-редукторы приводят в движение опорные ролики, на которые въезжает автомобиль. При торможении реактивные моменты от мотор-редукторов передаются датчикам тормозных сил, вырабатывающих электрические сигналы, пропорциональные тормозным силам правого и левого колес.

Между каждой парой опорных роликов расположены следящие ролики, с которыми связаны датчики наличия автомобиля и датчики проскальзывания, предназначенные для контроля скорости вращения колес и определения момента начала проскальзывания колес диагностируемой оси относительно опорных роликов, а также для определения наличия автомобиля на опорных роликах роликовой установки.

Контроллер датчиков предназначен для преобразования и усиления сигналов датчиков, преобразования аналоговых сигналов датчиков в цифровой код и передачи их значений в персональный компьютер по его запросу.

Электрооборудование стенда подключается к сети магнитным пускателем. При нажатии кнопки ПУСК включается пускатель, самоблокируется и своими главными контактами подключает к сети электрооборудование силового шкафа.

Управление включением мотор-редукторов осуществляется от USB-адаптера тормозного стенда, который подключается к USB-порту персонального компьютера.

Для защиты от коммутационных помех служат RC-цепочки, включенные параллельно катушкам пускателей (входят в состав блока комбинированного).

При нажатии кнопки СТОП пускатель отключается.

Электрооборудование силовой панели отключается от сети.

Защита от перегрузок и коротких замыканий в цепях питания мотор-редукторов осуществляется тепловым реле.

Силовая панель располагается на средней полке стойки управления за принтером.

Примечание — При эксплуатации тормозного стенда в составе мобильной станции диагностики использовать силовой шкаф станции.

На кронштейне на нижней полке стойки управления установлен разъем, через который подается напряжение 220 В для питания ПЭВМ.

Горизонтальность установки стойки управления регулируется винтами, расположенными в основании стойки.

Роликовый тормозной стенд измеряет:

— сопротивление качению незаторможенных колес;

— овальность тормозных барабанов;

— тормозную силу на колесах правое/левое;

— разность тормозных сил на колесах правое/левое.

Рис. 1.2 Внешний вид стойки управления 1 — Экран монитора; 2 — Кнопка аварийного отключения; 3 — Клавиатура; 4 — Манипулятор «Мышь»; 5 — Принтер лазерный; 6 — Системный блок, 7 — Кнопка СТОП; 8 — Кнопка ПУСК.

Базовая комплектация:

— Русифицированное программное обеспечение с банком данных клиентов

— Оцинкованный блок роликов (ролики с CeSil покрытием)

— Оцинкованный тестер подвески FWT 2010 E

— Оцинкованный тестер увода SSP 2500

— Режим испытания полноприводных автомобилей 4WD (реверс роликов)

— Датчик для измерения усилия на педали тормоза PD 7

— Беспроводной пульт дистанционного управления

— Комплект оцинкованных фундаментных рам (1-для тормозного стенда и тестера подвески, 1 — для тестера увода)

— Кабели питания

— Кабель подключения к ПК (15 м)

— Коммуникационная стойка со встроенной электроникой и местом для размещения ПК

— ПК (в т.ч. TFT-монитор 19'', цветной принтер A4, клавиатура, мышь, лицензионная операционная система Windows)

Рис. 1.3. Блок индикаторов.

Для получения достоверных результатов коэффициент сцепления шины с роликом должен быть не менее 0,6; поэтому ролики стенда имеют рефлекс. При нажатии на педаль тормоза автомобиля возникает тормозной момент, который определяют по величине усилия балансирного редуктора. В качестве датчиков тормозных усилий на стенде использованы два главных тормозных цилиндра автомобиля. Они соединены системой трубопроводов с указателями тормозных усилий. Это дает возможность определить отдельно тормозное усилие правого и левогоколес. Устройство измерения времени срабатывания привода тормозов состоит из: секундомеров, электронного блока управления и сигнальных механизмов-датчиков, установленных на блоке следящего ролика. Принцип работы следующий: на педаметр устанавливается микровключатель, который включает секундомеры при нажатии на педаль, выключение секундомеров призводится блоком управления. Блок управления в свою очередь получает сигнал с сигнального механизма-датчика. Сигнальный механизм следит за угловой скоростью следящего ролика и подает соответствующие импульсы на блок управления. При малейшем снижении частоты вращения следящего ролика падает частота импульсов. На это реагирует электронный блок управления который выключает секундомеры. Устройство позволяет одновременно измерять время срабатывания привода на обоих испытуемых колесах. Рабочая тормозная система — гидравлическая, двухконтурная (с диагональным разделением контуров), с регулятором давления 10, вакуумным усилителем 5 и индикатором недостаточного уровня тормозной жидкости в бачке. При отказе одного из контуров тормозной системы второй контур обеспечивает торможение автомобиля, хотя и с меньшей эффективностью.

Основные технические данные:

Начальная скорость торможения, имитируемая на стенде, км/ч 20,1

Диапазон измерения тормозной силы на каждом колесе проверяемой оси, кН 0 — 40

Предел допускаемой приведенной погрешности, % ± 3

Диапазон измерения силы, создаваемой на органе управления тормозной системой, Н 0−1000

Предел допускаемой приведенной погрешности, % ± 5

Диапазон измерения массы оси, кг 0−15 000

Предел допускаемой приведенной погрешности, % ± 3

Диапазон измерения времени срабатывания тормозной системы, сек 0−1,5

Параметры четырехпроводной трехфазной сети электропитания с допускаемыми отклонениями по ГОСТ 12 997−84

— напряжение, В, 380 ⁺¹⁰-¹⁵

— частота, Гц 50+1

Потребляемая мощность, не более, кВА 16,0

Габаритные размеры, не более, мм

— модуль роликовой установки 2010×810×415

— стойка управления 650×1200×680

— светофор 70×200×200

Масса, не более, кг

— модуль роликовой установки 650

— стойка управления 50

— светофор 5

Ширина колеи автотранспортного средства, мм от 900 до 3100

Время установления рабочего режима, мин, не более 15

Время непрерывной работы стенда, ч, не менее 8

Средний срок службы стенда, не менее, лет 8

Рабочий диапазон температур, С -30+50

Управление работой стенда осуществляется с клавиатуры персонального компьютера. Команды оператору отображаются на экране монитора и дублируются на светофоре или удаленном дисплее, поставляемом по дополнительному заказу. Отключение привода роликов происходит при достижении установленного значения коэффициента проскальзывания между колесами проверяемого автомобиля и приводными роликами. Стенд обеспечивает вывод результатов измерений и служебной информации на печатающее устройство. Стенд обеспечивает возможность самостоятельного выезда автомобиля после проверки.

1.2 Тормозная система автомобиля

Тормозные механизмы передних колес 13 — дисковые (на автомобилях ВАЗ-21 103, -21 113 и -2112 — вентилируемые), с однопоршневой плавающей скобой и сигнализатором износа тормозных накладок. Тормозные механизмы задних колес 7 — барабанные, с двухпоршневыми колесными цилиндрами и автоматической регулировкой зазора между колодками и барабаном. Устройство автоматической регулировки зазора расположено в колесном цилиндре.

Рис. 1.4. Схема гидропривода тормозов: 1 — главный цилиндр гидропривода тормозов, 2 — трубопровод контура «правый передний — левый задний тормоз», 3 — гибкий шланг переднего тормоза, 4 — бачок главного цилиндра 5 — вакуумный усилитель, 6 — трубопровод контура «левый передний — правый задний тормоз», 7 — тормозной механизм заднего колеса, 8 — упругий рычаг привода регулятора давления, 9 — гибкий шланг заднего тормоза 10 — регулятор давления, 11 — рычаг привода регулятора давления 12 — педаль тормоза, 13 — тормозной механизм переднего колеса

Главный тормозной цилиндр 1 крепится к корпусу вакуумного усилителя 5 на двух шпильках. В отверстия в верхней части цилиндра на резиновых уплотнениях вставлен полупрозрачный полиэтиленовый бачок 4 с датчиком аварийного уровня жидкости. На бачке нанесены метки максимального и минимального уровней жидкости. В нижней части цилиндра ввернуты два винта, ограничивающие перемещение поршней. Винты уплотнены медными прокладками. В передней части цилиндра (по ходу автомобиля) ввернута заглушка, служащая упором возвратной пружины, также уплотненная медной прокладкой. Поршни в главном цилиндре расположены последовательно, ближайший к вакуумному усилителю приводит в действие правый передний и левый задний тормозные механизмы, а тот, что ближе к заглушке — левый передний и правый задний. Уплотнительные резиновые кольца высокого давления (манжеты) главного тормозного цилиндра и задних колесных цилиндров взаимозаменяемы (номинальный диаметр — 20,64 мм). Уплотнительное кольцо низкого давления — с проточкой, установлено на поршне, контактирующем со штоком вакуумного усилителя.

Вакуумный усилитель 5 расположен между педальным узлом и главным тормозным цилиндром 1 и крепится к кронштейну педального узла на двух шпильках. Усилитель — неразборной конструкции, при выходе из строя его следует заменить. Простейшая проверка исправности усилителя: на автомобиле с заглушенным двигателем несколько раз нажимаем на педаль тормоза и, удерживая педаль нажатой, запускаем двигатель. При исправном усилителе с началом работы двигателя педаль должна уйти вперед. Отказ в работе или недостаточная эффективность вакуумного усилителя могут быть также вызваны негерметичностью шланга, отбирающего вакуум от впускного коллектора.

Регулятор давления задних тормозов 10 крепится двумя болтами к кронштейну в левой задней части кузова. Один из этих болтов (передний) также крепит вильчатый кронштейн рычага привода регулятора давления 11. За счет овальности отверстий для его крепления кронштейн вместе с рычагом можно перемещать относительно регулятора давления, изменяя усилие, с которым рычаг действует на поршень регулятора. С увеличением нагрузки на заднюю ось автомобиля упругий рычаг также нагружается, передавая усилие на поршень регулятора давления. При нажатии на педаль тормоза давление жидкости стремится выдвинуть поршень наружу, чему препятствует усилие со стороны упругого рычага. Когда система приходит в равновесие, клапан, расположенный в регуляторе, изолирует задние тормозные цилиндры от главного тормозного цилиндра, не допуская дальнейшего роста тормозного усилия на задней оси и препятствуя опережающей блокировке задних колес по отношению к передним. При увеличении нагрузки на заднюю ось, когда сцепление задних колес с дорогой улучшается, регулятор обеспечивает большее давление в колесных цилиндрах и наоборот — с уменьшением нагрузки давление падает. В корпусе регулятора имеется отверстие, закрытое заглушкой. Подтекание тормозной жидкости из этого отверстия говорит о негерметичности уплотнительных колец регулятора.

Плавающая скоба переднего тормоза включает в себя суппорт и колесный цилиндр, которые стянуты между собой двумя болтами. Двумя другими болтами скоба крепится к пальцам, установленным в отверстиях направляющей колодок. В эти отверстия закладывается смазка. Между пальцами и направляющей колодок установлены резиновые защитные чехлы. К пазам направляющей поджаты пружинами тормозные колодки. Внутренняя колодка имеет сигнализатор износа накладок. В цилиндре установлен поршень с уплотнительным резиновым кольцом прямоугольного сечения. За счет упругости этого кольца поддерживается постоянный оптимальный зазор между тормозными колодками и диском.

Тормозные диски — чугунные. Минимально допустимая толщина диска при износе — 17,8 мм для вентилируемых дисков и 10,8 мм — для невентилируемых, максимальное биение по внешнему радиусу — 0,15 мм.

Задние колесные тормозные цилиндры снабжены устройством для автоматического поддержания зазора между колодками и барабаном. Основной элемент устройства — стальное пружинное разрезное кольцо, установленное на поршне с осевым зазором 1,25−1,65 мм. Упорные кольца (по два на цилиндр) вставлены с натягом, обеспечивающим усилие сдвига по зеркалу цилиндра не менее 35 кгс, что превышает усилие стяжных пружин тормозных колодок. При износе тормозных накладок упорные кольца под действием поршней сдвигаются на величину износа. В случае повреждения зеркала поршней под действием механических примесей, попавших в тормозную жидкость или образовавшихся под действием коррозии (наличие воды в тормозной жидкости), кольца могут «закиснуть» в цилиндре и один или даже оба поршня потеряют подвижность. Цилиндры в этом случае необходимо заменить.

Привод стояночной тормозной системы — механический, тросовый, на задние колеса. Он состоит из рычага, регулировочной тяги, уравнителя двух тросов, рычага привода колодок и распорной планки.

1.3 Необходимость разработки стенда тормозного барабана

Необходимо заметить, что существующее аппаратное и программное обеспечение испытательных стендов, имеющихся на предприятии, обладает рядом значительных недостатков. Среди данных недостатков следует выделить, прежде всего, отсутствие детальной информации о структуре разработанной системы. Отсутствие данной информации приводит к невозможности проведения ремонта в случае возникновения каких-либо отказов. Рассмотрим существующие испытательные стенды и информационные диагностические (и измерительные) системы, существующие в настоящее время в автомобильной промышленности. Данные системы существуют для различных подсистем автомобиля и одним из наиболее интересных объектов для изучения с точки зрения создания испытательных стендов являются поршневые кольца.

При рассмотрении вопроса технического контроля поршневых колец выяснилось, что в настоящее время существует большое количество работ, посвященных различным вопросам качества изделий сложной формы. Тем самым можно сделать вывод, что тема контроля качества в автомобилестроении остается одной из наиболее актуальных. Но необходимо отметить, что большинство известных исследовательских работ направлены на регулирование качества непосредственно в производственном процессе. Непосредственно контроль качества на заключительном этапе производства рассматривают лишь отдельные авторы.

В частности, можно выделить следующие работы:

В отмечается, что: «В некоторых случаях выборочный контроль исходного материала, заготовок, полуфабрикатов и готовых изделий ответственного назначения на заводах не гарантирует их высокое качество, особенно при серийном и массовом производстве. В настоящее время широкое распространение получает непрерывный неразрушающий контроль всей продукции на отдельных этапах производства». Автор ставит цель разработать новые методы и средства неразрушающего контроля, позволяющего проводить непрерывный контроль характеристик качества многослойных изделий, в частности металлофторопластовых лент. Для достижения данной цели автор предлагает использовать новый метод неразрушающего контроля на основе воздействия на объект исследования источником тепловой энергии. Данный метод позволяет определять толщины слоев, пористость бронзового каркаса, теплофизические свойства материала верхнего слоя четырехслойных металлофторопластовых лент.

В осуществляется «разработка и внедрение новых методов и измерительно-управляющей системы непрерывного активного контроля геометрических показателей вкладышей подшипников и износа режущего инструмента в процессе изготовления. Внедрение подобных методов позволило повысить производительность контроля, точность изготовления и обеспечить предупреждение появления дефектов». Разработанная автором система использует индуктивные датчики, выполнена на базе модуля микроконтроллера CPU 188−5MX и модуля аналогового вывода AO 16-V8. Данная система содержит пять измерительных каналов:

— первый предназначен для контроля высоты вкладышей и отклонения от плоскопараллельности поверхностей разъема вкладыша относительно образующей наружной цилиндрической поверхности;

— второй — для контроля прилегания наружной цилиндрической поверхности вкладыша к поверхности постели гнезда контрольного приспособления;

— третий — для измерения температуры поверхности вкладыша, в процессе обработки;

— четвертый — для контроля радиальной толщины вкладыша;

— пятый — для контроля износа режущего инструмента алмазно-расточного станка;

и датчик положения, определяющий наличие вкладыша в зоне обработки, два микроконтроллерных модуля, в которых происходит обработка измеренных показателей по заложенной программе и модуль аналогового вывода, использующегося для управления станками и автоподналадчиками режущих инструментов.

В осуществляется разработка бесконтактного неразрушающего микроволнового метода контроля поверхностной влажности и среднеинтегральной влажности твёрдых материалов и реализующего его устройства на основе математического описания взаимодействия электромагнитного поля СВЧ диапазона с влажным материалом, обеспечивающих повышение оперативности и точности измерений.

В говорится, что «Широкий спектр поглощающих материалов и покрытий, а также сложные методики их нанесения на металлическую поверхность, приводят к необходимости применения специализированных приборов неразрушающего контроля электрофизических и геометрических параметров толщины слоя в сантиметровом диапазоне длин волн». В результате автором разработан микроволновой бесконтактный метод поверхностной волны для одновременного определения толщины, электрофизических параметров и неоднородностей слоя магнитодиэлектрических покрытий на металле.

В автором разработан микроволновый метод и устройство определения электрофизических параметров магнитодиэлектрических и диэлектрических покрытий на металле и их неоднородностей на основе математического описания распространения медленной поверхностной волны в слое магнитодиэлектрика на металле.

Кроме того, необходимо отметить, что для решения задач определения качества в настоящее время начинают применять и методы, относящиеся к так называемым методам искусственного интеллекта.

Так, например, в автором на основе аппарата нечеткой логики и использования программного пакета FuzzyTECH Professional решаются вопросы обеспечения заданного уровня потребительских свойств новых и традиционных видов продукции на основе эффективного управления показателями качества в процессах технологической обработки.

В объектом исследования являлись волоконно-оптические информационно-измерительные системы мониторинга сложных технических объектов. В качестве одного из инструментов использовалось имитационное моделирование и сети Петри.

Однако все эти публикации отражают перспективный взгляд на проблему качества металлических изделий сложной формы. На практике конкретно к контролю качества поршневых колец относятся более упрощенно.

Если рассмотреть весь спектр приборов и измерительных систем, то можно выделить следующие технические средства:

Для контроля хромового покрытия на поршневых кольцах на базе магнитного толщиномера покрытий МТ-201 разработан толщиномер МТ-201К.

Для контроля толщины хромовых покрытий поршневых колец для технологического и приемочного контроля деталей в лабораторных и цеховых условиях был разработан толщиномер СИ-14.

Для контроля рабочей поверхности профиля поршневых колец в производственных условиях по следующим параметрам: бочкообразность, конусность, смещение пояска используется прибор для контроля рабочей поверхности профиля поршневых колец БВ-7618. Допустимая погрешность прибора при контроле — 30% от допускаемого диапазона значений контролируемых параметров.

Также данным ОАО «НИИизмерения» выпускаются такие приборы как: прибор для контроля радиальных зазоров подшипников модель БВ-7660 и прибор для контроля осевых зазоров подшипников модель БВ-7661; а также:

— электронный профилометр портативный для измерения параметров шероховатости методом ощупывания плоских и цилиндрических (наружных и внутренних) поверхностей ответственных деталей. Измеряемые параметры — Ra/Rq/Rz/Rmax/Sm. Основная относительная погрешность измерения — не более 2,5%.

— стационарный вариант профилометра-профилографа автоматизированного, обладающего широкими функциональными возможностями.

Данные приборы также возможно применять в контроле качества поршневых колец.

Для контроля угла «трапеции» и высоты поршневого кольца предлагается использовать прибор ЦП107. В основе этого прибора лежит индуктивный способ преобразования линейных перемещений в электрический сигнал. Предел допускаемой погрешности прибора при измерении угла, составляет 5 мин.

Отдельными авторами предлагается использовать вибродиагностику при контроле качества поршневых колец двигателей внутреннего сгорания.

Иностранными фирмами предлагаются системы измерений с более высокой степенью автоматизации.

Так, фирма «General Electric» предлагает использовать систему тестирования Vector 2DVIP. В основе системы лежит метод вихревых токов. Система включает в себя одноканальный прибор Vector 2d, двухчастотный инструмент вихревых токов и программируемый логический контроллер (ПЛК) с встроенным сенсорным дисплеем. Система предназначена, прежде всего, для обнаружения трещин в процессе производства, сортировки по качеству термической обработки и оценки поверхности опытных образцов.

Также вихретоковый метод измерения лежит в основе системы измерения Eloscan производства Rohmann GmbH. Для перемещения датчика по поверхности измерения используется промышленный робот.

В результате можно видеть, что в настоящее время основные усилия исследователей сосредоточены на разработке информационно-измерительных систем машиностроительных изделий.

1.4 Цель и постановка задачи

Как показали вышеприведенные материалы, задача разработки системы автоматизации испытаний является актуальной. Цель работы можно сформулировать следующим образом: разработка системы автоматизации, основанной на современных программно-технических средствах, позволяющей в полной мере осуществлять необходимый объем испытаний.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести обзор существующих испытательных стендов.

2. Разработать функциональную и структурную схему системы.

3. Произвести расчет основных элементов разрабатываемой системы.

4. Выбрать основные технические средства.

5. Разработать человеко-машинный интерфейс.

Нужно отметить, что на рынке в настоящий момент представлены «узкозаточенные» изделия. Несомненно, подобный подход является практичным с точки зрения затрат. Но это только на первый взгляд, так как в оценке стоимости, как правило, не учитывают критерий удобство обслуживания, сервиса и ремонта, замены частей, вышедших из строя.

Исходя из этого, разрабатываемый стенд предлагается выполнить на базе серийно выпускающихся изделий (где средства измерений должны быть включены в госреестр средств измерений), а в качестве среды разработки использовать комплекс, уже положительно зарекомендовавший себя в автоматизации технологических процессов (из-за большего количества случаев применения автоматизированных систем).

К подобному выводу в настоящее время приходят многие разработчики: так, при проведении испытаний ракетно-космической техники фирма НПП «МЕРА» проводит модернизацию испытательных стендов, опираясь на современные научно-технические достижения в этой области. Авторы показывают, что такая модернизация оказалась объективно необходима, как минимум по двум причинам:

— во-первых, существующие аппаратно-программные средства автоматизации измерений, внедренные в 80-х годах прошлого века, выработали свой ресурс, морально и физически устарели. Качество получаемой с их помощью информации не соответствует современным требованиям, велик процент ручной обработки, не выполняются требования по оперативности обработки данных. Программное обеспечение, применяемое в первичной и вторичной обработке испытаний, является узкоспециализированным, не стандартизированным по входным и выходным форматам и интерфейсу пользователя, не оптимизированным по применяемым методам расчета, требующим значительных затрат на сопровождение и отладку. Все это без поддержки разработчиков и фактически «кадрового обвала», в условиях которого существуют сейчас многие предприятия отрасли, вызывает серьезные проблемы эксплуатации устаревших автоматизированных систем регистрации сигналов;

— во-вторых, международные научно-технические связи, интенсивно развивающиеся в настоящее время, требуют применения принятых в мире стандартных, унифицированных решений, обеспечивающих соответствующий технический уровень интеграции и позволяющих осуществлять совместные проекты на единой программно-технической базе.

Исходя из имеющегося оборудования на заводе, а также из уровня технической квалификации я предлагаю в качестве подобного программно-технического комплекса использовать программируемый логический контроллер фирмы Siemens серии Simatic S7−300 (400).

Немаловажным фактом при выборе данного программно-технического комплекса является удобство подготовки отчетов о ходе проведения технического контроля качества.

Кроме того, введение подобной автоматизированной системы позволит в дальнейшем автоматизировать процесс поиска причин неисправности, в перспективе сделав возможным создание экспертной системы.

тормозной барабан контролер диагностика

2. Технологическая часть

2.1 Описание функциональной и структурной схемы системы

Стенд состоит из двух модулей роликовой установки для левого и правого колеса, стойки управления, содержащей ПЭВМ и силовые электрические элементы (силовая панель), светофора или информационного табло и датчика усилия.

Роликовая установка измеряет массу диагностируемой оси и приводит в движение колеса этой оси для измерения тормозной силы.

Рис. 2.1 Функциональная схема стенда В соответствии с требованиями, описанными выше, разработанная система автоматизации должна реализовать следующие функции:

1. Прием сигналов от датчиков состояния технологического процесса

2. Выдавать управляющие сигналы на исполнительные механизмы

3. Осуществлять самодиагностику технического состояния технических средств Для реализации заданных функций используем систему, имеющие три уровня:

Для реализации подобных функций создадим систему управления со следующей структурой:

Уровень 1: средства КИПиА и преобразователи частоты.

Уровень 2: уровень контроллеров и модулей ввода/вывода.

Уровень 3: уровень человеко-машинного интерфейса.

При проектировании испытательных стендов, как правило, считается, что подача оборудования к месту проведения испытаний осуществляется автоматически. Однако это не тривиальная задача.

Рассмотрим процесс выбора преобразователя частоты для двигателя, Осуществляющего транспортировку объекта испытаний к месту контроля.

В качестве такого двигателя в настоящее время используется асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Таблица 1. Параметры существующего двигателя

Выбор коммутационной аппаратуры Выбор коммутационной аппаратуры заключается в выборе:

1) выбор контактора КМ1;

2) выбор промежуточных реле.

Выбор контактора Сформируем требования к контактору:

1) Напряжение питания катушки Uпит.=210 — 250 В, 50Гц.

2) Наличие 1-го нормально замкнутого контакта, 1 нормальнооткрытого контакта.

3) Номинальный ток контактов больше номинального тока двигателя.

Выбираем контактор типа 3RT1034−1AP04 фирмы Siemens. Его характеристики приведены в таблице8.

Таблица 3 Характеристики контактора 3RT1034−1AP04.

Выбор промежуточных реле Выбираем промежуточные реле типа «Релейный модуль PLC RSC 24DC/21(номер по каталогу 2 966 171).

Характеристики реле приведены в таблице 5.

Таблица 4 Характеристики релейного модуля PLC RSC

Для управления данным электродвигателем будем использовать преобразователь типа Sinamics S120. Данный преобразователь имеет модульную конструкцию (в терминах фирмы-производителя Book-size):

— Модуль управления CU320, заказной номер 6SL3040−0MA00−0AA1.

— Модуль выпрямителя (в данной работе используется активный модуль выпрямления, который позволяет осуществлять рекуперацию энергии в сеть), заказной номер 6SL3130−7TE21−6AA3.

— Модуль двигателя, заказной номер 6SL3120−1TE13−0AA3.

Настройка преобразователя может выполняться как с помощью панели BOP, так и при помощи персонального компьютера и соответствующего программного обеспечения STARTER.

Выбор данного преобразователя осуществлялся под электродвигатель при помощи специализированного программного обеспечения SIZER фирмы Siemens (данный выбор может также быть осуществлен по каталогу, главный критерий выбора — номинальный ток электродвигателя).

К достоинствам данного преобразователя следует отнести его возможность работы с как с асинхронными, так и синхронными электродвигателями.

Структура управления преобразователя для двигателя стандартная: состоит из двух контуров — контур тока и контур скорости. Контур скорости замыкается по датчику обратной связи, установленном на двигателе. Контур тока подчинен контуру скорости. Определение выходного тока осуществляется встроенной системой управления преобразователя.

Для данного преобразователя производитель использует такие термины, такие как тип управления Vector и тип управления Servo. В случае использования в системах управления станками, а также для управления высокоточным оборудованием необходимо использовать режим «Сервоуправление». На рис. 2.2 представлена компоновка данного преобразователя на монтажной панели.

Для снижения помех на питающую сеть (для обеспечения электромагнитной совместимости), а также для обеспечения рекуперативного торможения, данный преобразователь оснастим активным блоком питания типа 6SL3130−7TE21−6AA3: QF1-вводной автоматический выключатель; КМ1 — главный контактор; GV1 — блок питания электроники 220 В АС/24В DC; A2.1 — модуль управления; А2.2. — модуль выпрямления; А2.3 — двигательный модуль Рис. 2.2. Размещение модулей для двигателя главного привода на монтажной панели

2.2 Блок питания электроники Настоящее техническое описание (в дальнейшем — ТО) предназначено для изучения источника питания 220 В АС/24 В DC, содержит описание конструкции, принцип работы, технические характеристики, необходимые для правильной эксплуатации.

На входе модуля был разработан выпрямитель напряжения, во избежание поломок оборудования.

Предназначен для питания функциональных модулей напряжениями постоянного тока, а также, дополнительно к функциям питания, осуществляет контроль первичной сети и формирует сигнал нарушения питания.

Модуль рассчитан на эксплуатацию при температуре окружающей среды от 5 до 40 С, относительной влажности воздуха от 40 до 80% при температуре 25 С, атмосферном давлении от 84 до 107 кПа (от 630 до 800 мм рт. ст), при воздействии вибрации частотой до 25 Гц с амплитудой не более 0,1 мм.

Технические данные:

1. Параметры питания:

— напряжение сети однофазного переменного тока, В — 220;

— отклонение напряжения, % - от плюс 10 до минус 15;

— частота, Гц — 50;

— ток, потребляемый от сети, А, не более — 0,4.

2. Масса, кг, не более — 1,67.

3. Габаритные размеры, мм, не более — 251*146*68.

4. Предельный кратковременный ток перегрузки -1,5 А.

Ниже представлена принципиальная электрическая схема блока с выпрямителем напряжения.

Рис 2.3 Электрическая схема источника питания.

2.3 Технические характеристики контроллеров и модулей ввода-вывода В качестве контроллера, используемого для создания данной системы, выберем контроллер фирмы Siemens, а именно контроллер серии S7−414-H. Выбор данного контроллера обусловлен его производительностью, объемом памяти, а также возможностью обмена информацией с преобразователями частоты. Кроме того, для повышения надежности работы всей системы автоматизации данный контроллер выполним резервированным. Рассмотрим основные черты, характеризующие данный программно-технический комплекс.

Модули ввода-вывода будем использовать серии ET200M, фактически, это сигнальные модули контроллера S7−300. В данной серии существуют модули, предназначенные для ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов с различными электрическими и временными параметрами;

Кроме модулей ввода/вывода можно выделить также следующие модули, которые выполняются в конструктиве S7−300 и могут использоваться в качестве удаленной периферии:

— модули блоков питания (PS), обеспечивающие возможность питания контроллера от сети переменного тока напряжением 120/230 В или от источника постоянного тока напряжением 24/48/60/110В;

— коммуникационные процессоры (CP) для подключения к сетям PROFIBUS, Industrial Ethernet, AS-Interface или организации связи по PtP (point to point) интерфейсу;

— функциональные модули (FM), способные самостоятельно решать задачи автоматического регулирования, позиционирования, обработки сигналов, модули снабжены встроенным микропроцессором и способны выполнять возложенные на них функции даже в случае отказа центрального процессора ПЛК;

— интерфейсные модули (IM), обеспечивающие возможность подключения к базовому блоку (стойка с CPU) стоек расширения ввода-вывода, контроллеры SIMATIC S7−300 позволяют использовать в своем составе до 32 сигнальных и функциональных модулей, а также коммуникационных процессоров, распределенных по 4 монтажным стойкам, все модули работают с естественным охлаждением.

Для всех вышеперечисленных модулей можно выделить следующие основные черты:

— все модули легко устанавливаются на профильную рейку DIN и фиксируются на установленных местах винтом;

— во все модули (кроме модулей блоков питания) встроены участки внутренней шины контроллера, соединение этих участков выполняется шинными соединителями, устанавливаемыми на тыльной стороне корпуса;

— наличие фронтальных соединителей, позволяющих производить замену модулей без демонтажа всех внешних соединений и упрощающих выполнение операций подключения внешних цепей модулей;

— подключение внешних цепей через фронтальные соединители с контактами по винт или пружинными контактами, механическое кодирование фронтальных соединителей, исключающее возможность возникновения ошибок при замене модулей;

— применение модульных и гибких соединителей SITOP TOP Connect, существенно упрощающих монтаж шкафов управления;

— единая для всех модулей глубина установки, все кабели располагаются в монтажных каналах модулей и закрываются защитными дверцами;

— произвольный порядок размещения модулей в монтажных стойках, фиксированные места должны занимать только блоки питания, центральные процессоры и интерфейсные модули.

Большое количество модулей программируемого контроллера S7−300 оснащено набором встроенных интеллектуальных функций, существенно упрощающих эксплуатацию системы управления:

— мониторинг сбора сигналов (диагностика);

— мониторинг сигналов аппаратных прерываний.

Рис. 2.4. Монтаж модулей на профильной шине Диагностика используется для определения работоспособности модулей ввода дискретных и аналоговых сигналов. Для передачи диагностической информации применяются маскируемые и не маскируемые сообщения:

— маскируемые диагностические сообщения, которые могут пересылаться только в том случае, если это разрешено соответствующими параметрами настройки;

— не маскируемые диагностические сообщения, пересылка которых производится независимо от соответствующих параметров настройки.

Если диагностическое сообщение готово к передаче (например, сообщение об отсутствии напряжения питания датчика), то модуль генерирует диагностическое прерывание (для маскируемых сообщений только в случае определения параметров разрешения передачи). Центральный процессор прерывает выполнение программы пользователя или задач с более низким приоритетом и вызывает соответствующий организационный блок (OB 82). В зависимости от типа модуля диагностические сообщения могут носить различный характер.

Более подробно программная часть системы управления будет описана ниже.

Контроллеры SIMATIC S7−400 обладают широкими коммуникационными возможностями:

— коммуникационные процессоры для подключения к сетям PROFIBUS (с встроенным оптическим или электрическим интерфейсом), Industrial Ethernet и AS-интерфейсу;

— коммуникационные процессоры PPI для использования последовательных (RS 232, TTY, RS 422/ RS 485) каналов связи;

— MPI интерфейс, встроенный в каждый центральный процессор и позволяющий создавать простые и недорогие сетевые решения для связи с программаторами, персональными ЭВМ, устройствами человеко-машинного интерфейса, другими системами SIMATIC S7/ C7/ WinAC, параметры конфигурации MPI интерфейса могут быть определены встроенными средствами STEP 7;

— центральные процессоры с встроенным интерфейсом PROFIBUS-DP.

Подключение контроллеров SIMATIC S7−400 к сети PROFIBUS-DP может производиться с помощью коммуникационного процессора или через встроенный интерфейс центрального процессора. Центральные процессоры с встроенным интерфейсом PROFIBUS-DP позволяют создавать распределенные системы автоматического управления со скоростным обменом данными между ее компонентами через сеть PROFIBUS-DP. В такой системе центральный процессор способен выполнять функции ведущего или ведомого DP-устройства. Обращение к входам-выходам устройств распределенного ввода-вывода производится теми же способами, что и к входам-выходам системы локального ввода-вывода (адреса удаленных модулей отображаются в соответствующих строках в закладке Hardware).

Рассмотрим основные модули ввода/вывода, которые будут использоваться в данной работе.

Цифровой модуль ввода SM 321

Цифровой модуль ввода SM 321; DI 16×24 VDC отличается следующими свойствами: 16 входов, потенциальная развязка группами по 16 каналов. Номинальное входное напряжение 24 В пост. тока. Пригоден для переключателей и 2/¾-проводных BERO (датчиков приближения).

Схема подключения и принципиальная схема SM 321; DI 16×24 VDC

Рис. 2.5. Схема подключения входных сигналов Таблица 5 Технические данные SM 321

Цифровой модуль вывода SM 322

Рис. 2.6. Схема подключения выходных сигналов

Цифровой модуль вывода SM 322; DO 16×24 VDC/0.5 A отличается следующими свойствами: 16 выходов, потенциальная развязка группами по 8 выходной ток 0,5 A, номинальное напряжение на нагрузке 24 В пост. тока. Пригоден для электромагнитных клапанов, контакторов постоянного тока и сигнальных ламп.

Таблица 6 Технические данные SM 322

Технические данные SM 331

Рис. 2.7. Схема подключения входных аналоговых сигналов Таблица 7

Данные модули ввода/вывода, так же как центральный процессорный модуль, устанавливаются на специализированную профильную шину. Соединение модулей между собой осуществляется при помощи стандартных П-образных соединителей, входящих в комплект поставки каждого модуля. Подключение физических сигналов к модулям ввода осуществляется посредством фронт-штекеров. Кроме того, данная система должна включать блоки питания 220 В переменного тока/24 В постоянного тока, как для питания процессорного модуля и электроники модулей ввода/вывода, так и запитывания входных и выходных цепей.

2.4 Расчет усилителя мощности

Выбор схемы усилителя.

Выбираем простейший усилитель мощности, имеющий 4 каскада усиления и отрицательную обратную связь. Сигналы, передающиеся от микроконтроллера к исполнительному устройству на выходе модуля ВЫВОД 24 — дифференциальные.

Рис. 2.8 Схема усилителя

Процесс усиления электрического сигнала происходит за счет мощности, потребляемой от источника питания. Часть мощности Р_о в усилителе преобразуется в мощность Р₂, т. е. в мощность, выделяемую в нагрузке. Для преобразования мощности Р_о в мощность Р₂ затрачивается мощность Р₁, т. е. мощность источника сигнала. Таким образом, усиление — процесс увеличения мощности источника сигнала.

Разработка и расчет оконечного каскада усилителя мощности

Выберем в качестве оконечного каскада двухтактный, бестрансформаторный, каскад на составных биполярных транзисторах, включенных по схеме с общим коллектором. Это позволит нам осуществить непосредственную связь с нагрузкой, а значит, обойтись без громоздких

трансформаторов и разделительных конденсаторов. А т.к. последние являются частотно-зависимыми элементами, то их отсутствие существенно расширит полосу пропускания усилителя. Отсутствие частотно-зависимых элементов позволяет вводить глубокие обратные связи по постоянному току, что улучшает характеристики усилителя.

Выберем схему построения оконечного каскада.

Для повышения КПД транзисторы оконечного каскада используют в режиме класса В. Тогда оконечный каскад будет состоять из двух симметричных плеч, каждое из которых будет работать параллельно и в противофазе друг другу на общую нагрузку (Рисунок 13).

Однако при этом существенно увеличиваются нелинейные искажения. Поэтому выходные каскады обычно используют в режиме АВ (при этом в принципиальную схему добавляется цепь смещения), обеспечивая высокий КПД и малые нелинейные искажения. Такие схемы выполняют на комплиментарных транзисторах.

При значительной мощности выходного сигнала (более 5 Вт) или при слишком большом коэффициенте гармоник может возникнуть ситуация, когда для предоконечного каскада тоже может потребоваться режим АВ. В этом случае оконечный каскад выполняют на составных транзисторах.

Рис. 2.9 Схема выходного каскада Выбор 1^ой пары транзисторов.

Первая пара транзисторов составляет свой каскад. Он состоит из двух комплиментарных транзисторов V1 и V2, работающих на общую нагрузку. По своим усилительным свойствам транзисторы V1 и V2 должны быть идентичны. В схеме (Рисунок 14) транзисторы V1 и V2 включены с ОК. Напряжения источников питания равны между собой. При положительных входных сигналах транзистор V1 работает в активном режиме и усиливает входной сигнал, а транзистор V2 заперт. При отрицательных входных напряжениях — наоборот. Таким образом, транзисторы работают в активном режиме попеременно, каждый в течение одного полупериода входного напряжения. При оба транзистора заперты.

Рис. 2.10 Схема оконечного каскада

а) рассчитаем амплитуду выходного питания

U = (2P_н R_н)^½; (1)

==15,49 В;

б) выберем напряжение питания

E_п = U_нм + U_ост= 15,49 + 6 = 21,49, следовательно E_п = 21 В (2)

U_ост= 6 В;

в) рассчитываем мощность, рассеиваемую на одном транзисторе

= 6,2 Вт; (3)

г) ток нагрузки А, то есть I_km = 1,94 A; (4)

д) исходя из рассчитанных данных выбираем пару транзисторов Выбираем транзисторы КТ-818 В и КТ-819 В.

КТ-818В — это кремневые мезаэпитаксиально — планарные p-n-p-транзисторы предназначены для применения в ключевых и линейных схемах.

Корпус пластмассовый с гибкими выводами или металлический, масса не более 15 г.

КТ-819В — это кремневые мезаэпитаксиально — планарные n-p-n-транзисторы предназначены для применения в ключевых и линейных схемах, узлах, блоках аппаратуры. Корпус пластмассовый с гибкими выводами, масса не более 2,5 г. или металлостеклянный, масса не более 15 г.

Выбор 2^ой пары транзисторов.

Для второй пары транзисторов составного каскада входные параметры первого являются выходными, то есть для выбора транзисторов используем следующие данные:

E_п = U_нм + U_ост= 14,84 + 6 = 20,84, следовательно E_п = 21 В

U_ост= 6 В;

= 0,15 Вт

то есть I_km = 50 мA;

Исходя из рассчитанных данных выбираем пару транзисторов:

КТ-629А и КТ-630А.

КТ-629А — это кремниевые эпитаксиально-планарные p-n-p-транзисторы предназначены для использования в быстродействующих импульсных и других неремонтируемых гибридных схемах, микромодулях, узлах и блоках, имеющих герметичную защиту от действия солнечного света, влаги и так далее, для аппаратуры широкого применения. Оформление бес корпусное, на диэлектрической подложке. Масса не более 0,02 г.