УСТРОЙСТВО РАЗГОНА-ТОРМОЖЕНИЯ ПРИВОДА ТРАНСПОРТИРУЮЩЕЙ МАШИНЫ

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам управления машинами и может быть использована в качестве задатчика цикла "разгон-рабочий ход-торможение" приводов в транспортирующих машинах типа конвейеров, электрокаров и т.п.
Устройства, аналогичные предлагаемому, известны. К ним относятся, в частности, магнитные контроллеры, описанные в книге "А.Г.Яуря, Е.М.Певзнер. Крановый электропривод: Справочник. - М.: Энергоатомиздат, 1988" на стр.109-122. Указанные контроллеры представляют собой совокупность электрических цепей с постоянными соединениями, коммутирующих (включающих и выключающих) электромагнитные реле. Реле коммутируют, в свою очередь, цепи релейных исполнительных элементов контроллера (контакторов), которые вводят привод в требуемый режим работы: "разгон", "рабочий ход", или "торможение". Устройства-аналоги изготавливаются, как правило, применительно к конкретном приводам и не обладают (или почти не обладают) универсальностью. Это требует производства широкой гаммы таких устройств с разными электросхемами, что неэкономично. Кроме того, устройства-аналоги, выполняемые полностью на электроконтактных элементах, имеют значительные габаритные размеры и не всегда работают надежно. Все это в конечном итоге приводит к их недостаточной эффективности и к постепенной их замене устройствами с программируемыми логическими матрицами.
Схема устройства разгона - торможения с подобной матрицей, являющегося более прогрессивным аналогом, приведена в книге "В.М.Терехов, О.И.Осипов. Системы управления электроприводов. - М.: Издат. центр "Академия", 2005" на стр.63 рис.3.28. Оно содержит программируемую логическую матрицу, выходы которой соединены с релейными исполнительными элементами (это могут быть электронные устройства, контакторы и др.), а входы связаны с выходами дешифратора. Перед использованием устройства программируемая логическая матрица программируется одним из способов, применяемых в настоящее время в электронной технике (например, фотоэлектрическим способом). Программирование обеспечивает установление требуемых электрических связей внутри матрицы, причем такое, при котором в случае подачи логической "единицы"на один из входов матрицы, на ее выходах появляется совокупность "единиц", обеспечивающих включение нужной совокупности релейных исполнительных элементов. (По сути дела, программируемая логическая матрица - это программируемый шифратор: если на один из ее входов подать "единицу", то на ее выходах появится комбинация "единиц", зашифрованная при программировании). При работе устройства на входы дешифратора подается код команды, которую должно выполнить устройство. Эта команда дешифруется и подается на один из (соответствующий входному коду) входов матрицы. На выходе матрицы появляются требуемые сигналы, и нужные исполнительные элементы срабатывают. Последние же вводят управляемый устройством привод в нужный режим работы.
Рассмотренное устройство имеет малые габаритные размеры, достаточно надежно и может управлять различными релейными (ступенчатыми) приводами. Однако оно не способно управлять постепенным разгоном и торможением привода. Оно способно только включит комбинацию своих исполнительных элементов, обеспечивающих либо разгон, либо торможение, либо рабочий ход привода. Сами же постепенный разгон либо постепенное торможение должны осуществляться самим приводом. Закон разгона и торможения при этом раз и навсегда задан схемой привода, и устройством изменен быть не может.
Наряду с рассмотренным, однако, известно устройство (контролер), способное управлять постепенным разгоном и торможением управляемого привода, т.е. управлять разгоном и торможением привода по различным законам. От привода требуется лишь, чтобы этим законом он мог "подчиняться". Такой контроллер защищен патентом РФ №115133, КЛ Н02Р 3/00. Он содержит программируемую логическую матрицу, выходы которой соединены с релейными исполнительными элементами, включает в себя реверсивный регистр сдвига, генератор импульсов, первый и второй логические элементы "И", первый и второй логические элементы "ЗАПРЕТ"и RS-триггер. Выход генератора соединен с первым входом первого элемента "И" и с первым входом второго элемента "И", выход первого элемента "И" соединен с прямым входом первого элемента "ЗАПРЕТ", выход второго элемента "И" соединен с прямым входом второго элемента "ЗАПРЕТ", выход последней ячейки регистра соединен с инвертирующим входом первого элемента "ЗАПРЕТ", выход которого связан с шиной прямого сдвига регистра, выход первой ячейки регистра соединен с инвертирующим входом второго элемента "ЗАПРЕТ", выход которого связан с шиной обратного сдвига регистра, выходы регистра соединены со входами программируемой логической матрицы, прямой выход RS-триггера соединен со вторым входом первого элемента "И", инверсный выход RS-триггера соединен со вторым входом второго элемента "И", причем первый вход RS-триггера подключен к шине пуска устройства, а второй вход RS-триггера подключен к шине его останова. Перед использованием устройства в первую ячейку регистра сдвига записывают логическую "единицу". В зависимости от конструкции релейного привода, для управления которым должно быть применено устройство, определяют, каков должен быть закон разгона и торможения привода и каковы должны быть для его реализации последовательности комбинаций включаемых исполнительных элементов устройства во времени. В соответствии с требуемой последовательностью комбинаций включаемых исполнительных элементов матрица программируется.
При использовании устройства включают генератор импульсов. Одновременно с этим подают сигнал "пуск" на соответствующую шину. На прямом выходе триггера оказывается "единица", а на инверсном "ноль". Первый элемент "И" оказывается включенным, а второй - выключенным. Импульсы от генератора проходят через включенный элемент "И" на шину сдвига регистра и "единица" в регистре начинает в нем последовательно сдвигаться, подавая напряжение на первую, вторую, третью и т.д. входные шины матрицы. В соответствии с заданной программой будет появляться напряжение на выходных шинах матрицы и будут последовательно в запрограммированных комбинациях включаться исполнительные элементы устройства, подавая на управляемый привод соответствующие сигналы и разгоняя его по заданному закону. Когда "единица" в регистре дойдет до последней ячейки, сдвиг в регистре прекратиться и исполнительные элементы устройства окажутся в состояниях, соответствующих окончанию разгона управляемого привода, т.е. его рабочему ходу. Когда потребуется привод остановить, предварительно выполнив его торможение, на соответствующую шину устройства должен быть подан сигнал "стоп". Триггер переключается, на его прямом выходе появляется сигнал "ноль", а на инверсном - "единица". Импульсы от генератора начнут проходить через второй элемент "И" и на шину обратного сдвига регистра. Комбинации включенных исполнительных элементов последуют во времени в обратном порядке, а сигналы от них, поступая на управляемый устройством привод, начнут его скорость снижать. Так будет продолжаться до тех пор, пока логическая "единица" в регистре не окажется в первой ячейке. Это приведет к включению исполнительных элементов в комбинации, соответствующей останову привода. После требуемого выстоя привод может быть снова введен в режим разгона сигналом "пуск" и все повторится аналогично.
Таким образом, описанное устройство оказывается способно не только включать и выключать управляемый им релейный привод, но и осуществлять его разгон и торможение по требуемому закону. Вместе с тем оно имеет и существенный недостаток. Оно обеспечивает, хотя и многоступенчатые, но не плавные разгон и торможение привода. Кроме того, оно формирует выходные сигналы в дискретной форме. А это не позволяет использовать его для управления следящими приводами. Этого недостатка лишено устройство разгона - торможения привода (контроллер), защищенное Патентом РФ №124087, КЛ. H02P 1/08, принятое за прототип предлагаемой полезной модели. Оно позволяет производить плавные разгон и торможение следящих приводов машин различного назначения, в том числе транспортирующих машин. Устройство содержит генератор импульсов, первый и второй логические элементы "И", первый и второй логические элементы "ЗАПРЕТ" и RS-триггер. Выход генератора соединен с первым входом первого элемента "И" и с первым входом второго элемента "И", выход первого элемента "И" соединен с прямым входом первого элемента "ЗАПРЕТ", выход второго элемента "И" соединен с прямым входом второго элемента "ЗАПРЕТ", прямой выход RS-триггера соединен со вторым входом первого элемента "И", инверсный выход RS-триггера соединен со вторым входом второго элемента "И", причем первый вход RS-триггера подключен к шине пуска контроллера, а второй вход RS-триггера подключен к шине его останова. Наряду с перечисленным оно включает в себя реверсивный двоичный счетчик импульсов, суммирующий вход которого соединен с выходом первого элемента "ЗАПРЕТ", а вычитающий вход - с выходом второго элемента "ЗАПРЕТ", преобразователь код - напряжение, входы которого соединены с выходами счетчика, пороговый элемент и нуль-орган, входы которых соединены с выходом преобразователя код-напряжение, выход порогового элемента связан с инвертирующим входом первого элемента "ЗАПРЕТ", выход нуль-органа соединен с инвертирующим входом второго элемента "ЗАПРЕТ", выход преобразователя код-напряжение соединен с выходной шиной устройства, а генератор импульсов выполнен программируемым.
Перед использованием устройства вначале настраивают порог срабатывания порогового элемента, соответствующий рабочей скорости привода, управляемого устройством. Затем задают частоту импульсов генератора, соответствующую требуемому ускорению привода при его разгоне и замедлению при торможении. Эти операции выполняет наладчик машины. При использовании устройства им управляют сигналами "ПУСК" и "СТОП". При подаче сигнала "ПУСК" триггер выдает логическую "единицу" на второй вход одного элемента "И" и логический "ноль" на второй вход другого элемента "И". Поскольку на первые входы этих элементов поступают импульсы от генератора с заданной частотой, на прямой вход одного элемента "ЗАПРЕТ" будут проходить импульсы с такой же частотой, а на вход другого элемента "ЗАПРЕТ" импульсы проходить не будут. В исходном состоянии устройства счетчик пуст, а потому на всех его выходах "нули", а на выходе преобразователя код-напряжение напряжение тоже равно нулю. На выходе порогового элемента в это время имеется сигнал "ноль", который обеспечивает пропускание импульсов на суммирующий вход счетчика. На выходах этого счетчика появляется и будет расти двоичное число, которое, поступая на преобразователь код-напряжение вызывает на его выходе постепенное возрастание напряжения. Это напряжение будет подаваться на управляемый следящий привод и обеспечит его разгон с ускорением, соответствующим скорости возрастания чисел на входе преобразователя. Когда напряжение на выходе преобразователя достигнет величины, соответствующей порогу срабатывания порогового элемента и рабочей скорости следящего привода, этот элемент выдаст "единицу", и импульсы от генератора проходить на вход счетчика перестанут. На выходе устройства напряжение, соответствующее рабочей скорости управляемого привода, зафиксируется. Если теперь подать на устройство сигнал "СТОП", то триггер переключится, "единица" появится на его инверсном выходе (на прямом выходе будет "ноль"), и импульсы от генератора начнут проходить на вычитающий вход счетчика. На выходе устройства напряжение начнет уменьшаться, постепенно снижая скорость управляемого следящего привода. Когда это напряжение станет равным нулю (когда счетчик обнулиться), нуль-орган выдаст "единицу". Эта единица прервет поступление импульсов от генератора в счетчик и зафиксируется останов привода.
Таким образом, устройство будет осуществлять разгон и торможение управляемого им следящего привода, причем при большой емкости счетчика (т.е. при высокой дискретности изменения напряжения на выходе контроллера) это будет происходить достаточно плавно.
Вместе с тем, устройство-прототип имеет и недостаток. Он состоит в ручной настройке устройства перед его использованием. Генератор импульсов нужно перепрограммировать, а пороговый элемент перенастраивать всякий раз перед изменением массы, перемещаемой приводом машины. Этот недостаток особенно проявляется, при использовании устройства в транспортирующих машинах, когда груз, перемещаемый машиной, меняется часто. Производительность машины, управляемой устройством-прототипом, в результате оказывается не всегда достаточной и требует повышения.
Задачей разработки предлагаемой полезной модели является именно повышение производительности машин, в которых применяется рассмотренное устройство разгона-торможения, а конкретно, ускорение перенастройки устройства при изменении массы груза, перемещаемого машиной.
Технически решение поставленной задачи обеспечивается тем, что предлагаемое устройство разгона-торможения привода, содержащее генератор импульсов, первый и второй логические элементы "И", первый и второй логические элементы "ЗАПРЕТ" и RS-триггер, у которого выход генератора соединен с первым входом первого элемента "И" и с первым входом второго элемента "И", выход первого элемента "И" соединен с прямым входом первого элемента "ЗАПРЕТ", выход второго элемента "И" соединен с прямым входом второго элемента "ЗАПРЕТ", прямой выход RS-триггера соединен со вторым входом первого элемента "И", инверсный выход RS-триггера соединен со вторым входом второго элемента "И", причем первый вход RS-триггера подключен к шине пуска устройства, а второй вход RS-триггера подключен к шине его останова, включающее в себя реверсивный двоичный счетчик импульсов, суммирующий вход которого соединен с выходом первого элемента "ЗАПРЕТ", а вычитающий вход - с выходом второго элемента "ЗАПРЕТ", преобразователь код-напряжение, входы которого соединены с выходами счетчика, пороговый элемент и нуль-орган, входы которых соединены с выходом преобразователя код-напряжение, выход порогового элемента связан с инвертирующим входом первого элемента "ЗАПРЕТ", выход нуль-органа соединен соединен с инвертирующем входом второго элемента "ЗАПРЕТ", выход преобразователя код-напряжение соединен с выходной шиной устройства, а генератор импульсов выполнен программируемым, отличается от прототипа тем, что оно снабжено аналого-цифровым преобразователем, выход которого связан с программирующим входом генератора импульсов, сумматором, выход которого соединен со входом аналого-цифрового преобразователя, задатчиком массы движущихся частей машины и датчиком массы груза, транспортируемого машиной, выходы которых соединены со входами сумматора, блоком вычисления квадратного корня из выходного сигнала, вход которого соединен с выходом сумматора, блоком деления сигналов, первый вход которого, предназначенный для ввода делителя, соединен с выходом блока вычисления квадратного корня, второй вход, предназначенный для ввода делимого, соединен с задатчиком настроечного сигнала, а выход связан с регулировочным входом порогового элемента. Кроме того, устройство отличается еще и тем, что генератор импульсов выполнен состоящим из двухвходового логического элемента "ИЛИ-НЕ", выход которого является выходом генератора, программируемого блока задержки, опорный вход, которого соединен с выходом элемента "ИЛИ-НЕ", а выход - с его первым входом, и блока формирования команды включения-выключения генератора, соединенного со вторым входом элемента "ИЛИ-НЕ".
10
11
Схема предлагаемого устройства приведена на фиг.1, а программируемый блок задержки - на фиг.2. Схема включает в себя преобразователь код-напряжение 1, выход которого соединен с выходной шиной 2 устройства, подключаемой к управляемому приводу, пороговый элемент 3 с регулируемым порогом срабатывания, соединенный своим рабочим входом с выходом преобразователя 1, нуль-орган 4, также соединенный своим рабочим входом с выходом преобразователя 1, реверсивный двоичный счетчик импульсов 5 (его емкость целесообразно принять 2-2),выходы которого подключены ко входам преобразователя 1, и программируемый генератор импульсов, состоящий из двухвходового логического элемента "ИЛИ-НЕ" 6, выход которого является выходом генератора, программируемого блока задержки 7, опорный вход которого соединен с выходом элемента "ИЛИ-НЕ", а выход - с первым входом этого элемента, и блока формирования команды включения-выключения 8 генератора, соединенного со вторым входом элемента 6. Она также содержит первый 9 и второй 10 логические элемент "И", первые входы которых соединены с выходом элемента 6, первый элемент "ЗАПРЕТ" 11, прямой вход которого соединен с выходом логического элемента 9, второй логический элемент "ЗАПРЕТ" 12, прямой вход которого соединен с выходом элемента 10, RS-триггер 13, прямой выход которого соединен со вторым входом элемента 9, а инверсный выход - со вторым входом элемента 10. Выход элемента "ЗАПРЕТ" 11 соединен с суммирующим входом 14 реверсивного счетчика 5, выход элемента "ЗАПРЕТ" 12 соединен с вычитающим входом 15 счетчика 5, причем первый вход RS-триггера 13 подключен к задатчику команды "ПУСК" 16 устройства (при необходимости это может быть осуществлено через формирователь импульсов 17), второй вход RS-триггера 13 подключен к задатчику команды "СТОП" 18 устройства (это может быть произведено, если потребуется, через формирователь импульсов 19), выход порогового элемента 3 связан с инвертирующим входом элемента "ЗАПРЕТ" 11, а выход нуль-органа 4 - с инвертирующим входом элемента "ЗАПРЕТ" 12. Кроме того, устройство снабжено аналого-цифровым преобразователем 20, выход которого связан с программирующим входом программируемого блока задержки 7 генератора импульсов, сумматором 21, выход которого соединен со входом аналого-цифрового преобразователя 20, задатчиком массы 22 движущихся частей машины и датчиком массы 23 груза, транспортируемого машиной, выходы которых соединены со входами сумматора 21, блоком вычисления квадратного корня из входного сигнала 24, вход которого соединен с выходом сумматора 21, блоком деления сигналов 25, первый вход которого, предназначенный для ввода делителя, соединен с выходом блока 24, второй вход, предназначенный для ввода делимого, соединен с задатчиком настроечного сигнала 26, а выход связан с регулировочным входом порогового элемента 3.
1
2
1
3
1
i
1
n
1
i-1
n-1
Все перечисленные элементы устройства имеют общеизвестную конструкцию. Элементы 16 и 18 - кнопки, элемент 26 - потенциометр, преобразователи 1 и 20, счетчик 5, логические элементы, нуль-орган 4 и пороговый элемент 3 построены так, как описано в справочниках по автоматике, в частности в книге "Справочник по средствам автоматики / Под ред. В.Э.Низэ и И.В.Антика. - М.: Энергоатомиздат, 1983". Оригинальна лишь схема программируемого блока задержки. Она содержит элементы задержки 27 опорного сигнал на время, кратное степени числа 2: на t, t=2t, t=4t, …, t=2·t…τ=2·t, и аналоговые переключатели 28, управляемые двоичными логическим сигналами "ноль" и "единица" A, B, …I, …N. (Эти элементы сами по себе общеизвестны: см. указанный справочник).
Блок состоит из ячеек, каждая из которых представляет собой две параллельные цепочки, первая из которых со входом ячейки соединена напрямую, а вторая - через элемент 27. Выходы цепочек соединены с коммутируемыми входами переключателей 28 следующим образом: первая - с нормальнозамкнутым входом, вторая с нормальноразомкнутым. Выходы переключателей 28 являются выходами ячеек. При этом все ячейки соединены последовательно, и вход первой их них является опорным входом всего блока задержки, а выход последней - выходом всего блока.
Перед эксплуатацией устройства датчик 23 устанавливается во взаимодействии с грузонесущими частями машины. На основе заранее известных экспериментальных данных настраивают задатчик 26 (в процессе опытной эксплуатации машины с приводом, управляемым предлагаемым устройством, может быть произведена уточняющая поднастройка задатчика). С помощью задатчика 22 в сумматор 21 вводится сигнал, отображающий массу движущихся частей машины (если машина перемещается вся, то вся ее масса). Больше никакой настройки устройства не требуется, поскольку оно дальше будет работать с автоматической перенастройкой закона разгона-торможения привода в соответствии с массой груза, перемещаемого машиной.
Происходить это будет так. При загрузке машины грузом, подлежащим транспортированию, датчик массы груза 23 выдаст соответствующий сигнал, который, будучи просуммирован сумматором 21 с сигналом от задатчика 22, поступит на аналого-цифровой преобразователь 20 и на блок извлечения квадратного корня 24. Преобразователь 20 запрограммирует блок задержки 7 на определенное, пропорциональное массе машины с грузом, время задержки. Блок 24 передаст сигнал блоку деления 25, который выдаст сигнал , где k - сигнал от задатчика 26, a m - сигнал от сумматора 21. При включении блока включения-выключения 8 генератора на его выходе появится сигнал "ноль", который инвертируется элементом "ИЛИ-НЕ" 6, превратиться в "единицу", пройдет на блок задержки 7, задержится в нем на запрограммированное время, затем пройдет на элемент 6 и инвертируется, вновь превратившись в "ноль". Это процесс будет создавать на выходе элемента 6 импульсы, частота которых будет соответствовать массе машины с грузом. Одновременно с этим сигнал с выхода блока 25 поступит на регулировочный вход порогового элемента 3 и задаст его порог срабатывания. Этот порог при правильно выбранном k будет соответствовать предельно допустимой рабочей скорости машины, обусловленной максимально допустимой величиной ее кинетической энергии. При подаче команды "ПУСК" задатчиком 16, триггер 13 выдаст сигнал, обеспечивающий прохождение импульсов с выхода элемента 6 на суммирующий вход 14 реверсивного счетчика 5. Число на выходе счетчика начнет возрастать, что вызовет рост сигнала напряжения на выходе преобразователя 1. Этот сигнал, поступая с выхода 2 устройства на привод управляемой машины, заставит его разгоняться с ускорением, соответствующим массе машины с грузом. Когда этот сигнал достигнет величины, ограниченной порогом срабатывания элемента 3, последний выдаст "единицу" и прохождение импульсов на счетчик 5 от элемента 6 прекратится. На выходе 2 зафиксируется сигнал, задающий рабочую скорость привода машины. При подаче команды "СТОП" задатчиком 18 триггер 13 переключится, что приведет к поступлению импульсов от генератора (с выхода элемента "ИЛИ-НЕ") на вычитающий вход 15 счетчика 5. Число на выходе счетчика будет уменьшаться, напряжение на выходе 2 преобразователя 1 будет тоже уменьшаться, и когда оно станет равно нулю, привод машины воспримет это как сигнал остановки. Поскольку частота импульсов от генератора и в этом случае определена массой машины с грузом, скорость уменьшения сигнала на выходе 2, обусловливающая режим торможения привода, при этом так же, как и при разгоне, будет функцией этой массы. Когда нуль-орган 4 устройства получит с шины 2 сигнал напряжения ноль, на его выходе появится "единица" и импульсы от элемента 6 проходить на вычитающий вход 15 счетчика 5 перестанут. Устройство вновь будет готово к работе в режиме разгона привода.
Таким образом, темп разгона и торможения, а также рабочая скорость привода, подключаемого к выходу предлагаемого устройства, будут автоматически задаваться устройством в зависимости от массы машины с грузом без дополнительной перенастройки устройства наладчиком. Это сократит время простоев машины, в которой использовано устройство.
В конечном итоге будет получен технический результат в виде повышения производительности машины.