МЕХАТРОНИКА В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ОБОРУДОВАНИЕМ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНЫХ МАШИН
Ворков А.А. (УГТУ, г. Ухта, РФ)
Научный руководитель работы – к.т.н., профессор Шоль Н.Р.
Article about modern controlling systems of technological equipment for logging machines. Prospects for automatics and mechatronics.
Лесозаготовительная промышленность всегда была одной из самых значительных в мире отраслей, и в настоящий момент не только не утратила своей значимости, но и получила дополнительные предпосылки для дальнейшего развития и модернизации. Во все технологические процессы лесозаготовки внедрилась механизация, призванная увеличить производительность труда и уменьшить себестоимость заготавливаемой древесины. Так же механизация позволила осуществлять значительные мероприятия по лесовозобновлению на территориях, уже подвергшихся вырубкам.
Полностью механизированная заготовка леса стала основным способом получения древесины. За весь период времени с начала механизации было спроектировано и изготовлено множество разнообразных машин и механизмов.
При анализе литературных источников [1] и др. было установлено, что лесную технику условно можно разделить на 4 поколения, которые отражают ее техническую сложность, технологические возможности и эффективность:
1. Техника, при использовании которой требуется и немеханизированный (ручной) труд. Например, при эксплуатации тракторов для чокерной трелевки необходим ручной труд рабочего-чокеровщика.
2. Техника, исключающая ручной труд и способная производить одну технологическую операцию. К данному поколению относятся валочные машины, машины для бесчокерной трелевки, а так же вспомогательная техника.
3. Многооперационная техника. Например, валочно-пакетирующие, валочно-трелевочные, валочно-сучкорезно-раскряжевочные (так же называемые харвестерами) машины и процессоры.
4. Многооперационная техника, снабженная бортовыми ЭВМ. Типичным примером этого поколения машин являются харвестеры и форвардеры зарубежных фирм-производителей (John Deere, Ponsse, Valmet).
Техника, которую можно отнести к четвертому поколению, характеризуется тем, что установленные на машинах ЭВМ включаются в технологический процесс. При этом достигается автоматичность выполнения некоторых функций, например управление силовой установкой, программируемая раскряжевка (для харвестеров и процессоров), маркировка и учет изготовленных сортиментов, контроль технического состояния машины, поддержание экологически безопасных режимов работы и т.д.
Для обеспечения возможности управления технологическим процессом с помощью ЭВМ необходимы технические устройства принципиально нового класса. Проблемы синтеза и использования данных устройств рассматривает специализированная сфера науки - мехатроника.
Мехатроника – это новая область науки и техники, посвященная созданию и эксплуатации машин и систем с компьютерным управлением движением, которая базируется на знаниях в области механики, электроники и микропроцессорной техники, информатики и компьютерного управления движением машин и агрегатов. Она изучает синергетическое объединение узлов точной техники с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами с целью проектирования и производства качественно новых модулей, систем, машин и комплексов машин с интеллектуальным управлением их функциональным движением [2].
Структура мехатроники как отрасли хозяйства показана на рисунке 1.
Рисунок 1 – Схема, отражающая структуру мехатроники
В состав мехатронной системы входят следующие основные компоненты:
- механическое устройство, конечным звеном которого является рабочий орган;
- блок приводов, включающий силовые преобразователи и исполнительные двигатели;
- устройство компьютерного управления, верхним уровнем для которого является человек-оператор, либо другая ЭВМ, входящая в компьютерную сеть.
- сенсоры, предназначенные для передачи в устройство управления информации о фактическом состоянии блоков машин и движении мехатронной системы.
Таким образом, первичным признаком, отличающим мехатронные системы, является наличие трех основных частей – механической (электромеханической), электронной и компьютерной, – связанных энергетическими и информационными потоками. Согласно этому признаку, лесозаготовительные машины 4 поколения являются мехатронными системами. Однако, их степень автоматизации, как и уровень участия ЭВМ в технологическом процессе, невелика.
Следует особо отметить, что отечественной промышленностью мехатронные компоненты для лесозаготовительных машин четвертого поколения не производятся.
Выходом из сложившейся в отечественной промышленности ситуации является разработка и запуск в массовое производство машин следующего, пятого поколения, принцип функционирования которых подразумевает обширное применение мехатронных систем. Это ведет к необходимости проведения соответствующих исследований.
Степень интеграции ЭВМ в технологические процессы для данного поколения машин должна быть существенно увеличена, что скажется как на технической сложности оборудования, так и на его возможностях и производительности. Возможно, потребуется внесение значительных изменений в технологии заготовки леса.
Более глубокое внедрение ЭВМ позволит реализовать множество необходимых для эффективной работы машины (системы машин) функций:
- коррекция действий оператора, направленная на снижение числа холостых ходов, уменьшение нагрузки на технологическое оборудование и предотвращение аварийных ситуаций;
- обеспечение автоматического выбора режимов работы технологического оборудования, в зависимости от параметров предмета труда, условий окружающей среды;
- отслеживание параметров работы узлов и агрегатов машины с целью определения их остаточного ресурса;
- управление вспомогательными устройствами машины, такими как гидравлические демпферы, аутригеры, приборы освещения и сигнализации.
Основной принцип формирования мехатронных систем заключается в создании множества унифицированных электромеханических и электронных модулей, ориентированных на выполнение определенных функций. При этом они могут быть как специализированные, так и универсальные. В состав модулей могут входить различные блоки: вычислительные, интерфейсные, блоки памяти, датчики, силовые ключи и исполнительные устройства (приводы). Так же в модулях опционально может присутствовать и механическая часть, приводимая в действие каким либо приводом, - например редуктор, шариковинтовая передача, система рычагов, а так же направляющая и регулирующая гидравлическая и пневматическая арматура.
Отличительным признаком модуля мехатронной системы является наличие интерфейсного блока, представляющего собой приемопередатчик информации, предназначенный для обмена ею по стандартной шине данных (например, CAN, I2C, RS-485 и т.д.). Именно применение данного блока позволяет объединять отдельные модули с помощью шин передачи данных. Это дает возможность создавать сложные многомодульные системы, способные к синхронной работе под управлением специального программного обеспечения и выполнению необходимых технологических задач.
Типовая блочная схема модуля управления движением звена технологического оборудования показана на рисунке 2. Стрелками показаны информационные связи, возникающие в процессе функционирования устройства.
Рисунок 2 – Типовая схема модуля управления движением агрегата
Вывод: современные требования к лесозаготовительным и лесотранспортным машинам делают необходимым внедрение в их конструкцию блоков ЭВМ, а так же элементов, работающих под управлением этих блоков. Поэтому перед отечественной промышленностью стоит задача наладить производство данных устройств для применения их в отраслевых машинах. При этом технологии, применявшиеся ранее для проектирования узлов управления машинами и технологическим оборудованием, не годятся для использования. Возникает необходимость синтеза новых принципов проектирования с учетом изменившихся требований к продукции и возможностей производства. Базой для этого может служить мехатроника.
Следует приложить усилия направленные на развитие данной науки с целью широкого внедрения ее достижений в производство. Необходимо обеспечить возможность получения навыков из этой сферы науки для студентов технических вузов и инженерно-техническому персоналу предприятий.
Литература
1. Коломинова, М.В. Разработка технологии лесосечных и нижнескладских работ лесозаготовительного предприятия. Часть 1. Лесосечные работы: методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Технологические процессы и оборудование лесозаготовительного производства» / М.В. Коломинова. – Ухта: УГТУ, 2010. – 52 с.
2. Подураев Ю. В. Основы мехатроники: учебное пособие. М.: МГТУ СТАНКИН, 2000. – 80с.
3. Ворков, А. А. Анализ систем управления технологическим оборудованием современных лесозаготовительных машин / А. А. Ворков, Г. П. Дроздовский, Н. Р. Шоль // Сборник научных трудов к научно-технической конференции, Ухта, 17 – 19 марта в 5 ч., ч. 2. - Ухта: УГТУ, 2010. - С. 119-122.