Aktuální vydání

celé číslo

08

2020

Mozaika novinek a informací

Restart ekonomiky

celé číslo

Příklady využití řídicího systému Simotion

Řídicí systém Simotion je vhodný k řízení elektrických, popř. hydraulických pohonů a k reali­zaci vazeb mezi pohony a digitálními či analogovými I/O, což jsou typické úlohy při automatizaci výrobních strojů. K objasnění předností řídicího systému Simotion je v článku popsáno několik funkcí řízení pohybu a polohy (motion control), z nichž nejjednodušší je rychlá výstupní vačka a ke složitějším patří úhlová synchronizace (gearing) a řízení polohy podle vačky (camming).

Základní vlastnosti řídicího systému Simotion

Řídicí systém Simotion je, vedle klasických programovatelných automatů (PLC) skupiny Simatic a řídicího systému Sinumerik pro řízení CNC, třetím řídicím systémem společnosti Siemens určeným pro použití v průmyslové automatizaci. Zatímco klasické PLC skupiny Simatic jsou vhodné pro nejširší použití v automatizaci – jak k řízení spojitých technologických procesů, tak i obecně k řízení strojů a strojních zařízení. Naproti tomu systém Sinumerik je dlouhodobě osvědčený řídicí systém pro úlohy CNC na obráběcích strojích a systém Simotion je určen k rychlému řízení mechanismů v nejrůznějších výrobních strojích, např. balicích, textilních, tvářecích, sklářských, tiskařských a plastikářských, i v nejrůznějších manipulátorech.

Řídicí systém Simotion se koncepčně skládá ze tří komponent: vývojového prostředí, pracovního (runtime) softwaru a hardwarové platformy (obr. 1). Vývojové prostředí Simotion Scout nabízí nejen rozmanité programovací jazyky, ale také rozsáhlé nástroje pro testování a uvádění do provozu a rovněž i pokročilou diagnostiku. Pracovní software zajišťuje vedle hlavní funkce, tedy úloh řízení pohybu a polohy (tzv. Motion Tasks), též funkce PLC a technologické funkce. Pokud jde o hardwarovou platformu, má návrhář při použití systému Simotion na výběr z těchto tří typů (obr. 2):

  • Simotion D: platforma pohonu, umožňující dosáhnout nejtěsnějšího možného propojení s inteligentními pohony Sinamics S120 a kompaktního uspořádání stroje,
  • Simotion C: platforma řídicí jednotky, podporující velké počty I/O či signály technologických veličin a větší volnost při volbě pohonů (např. krokových motorů),
  • Simotion P: platforma PC, vhodná pro úlohy vyžadující paralelně běžící rozsáhlé výpočty, použití databází, sběr dat apod.

Rychlá výstupní vačka

Rychlá výstupní vačka se typicky používá v balicích linkách k ovládání ventilů při nanášení horkého lepidla. Na dopravníku se např. posouvá karton, na který je třeba nanést lepidlo v určitém přesném rozmezí jeho poloh. To je zdánlivě jednoduchá úloha i pro běžné PLC – číst z pohonu aktuální polohu prostřednictvím komunikační sběrnice a tuto aktuální polohu komparovat tak, že pokud je v požadovaném rozsahu, je ventil lepicí hlavy otevřený, a jakmile se dostane mimo tento rozsah, ventil se zavře.

Při velkých rozměrech kartonů nebo u pomalých balicích linek lze úlohy bez problému řešit uvedeným způsobem. Co se ale stane, jestliže je třeba tuto úlohu řešit u kartonu pohybujícího se rychlostí 1 m/s při požadované přesnosti nanášení lepidla ±1 mm? Obvyklá doba trvání pracovního cyklu (doba oběhu základního programu) klasického PLC kolísá v rozmezí asi 4 až 6 ms (ještě před třemi lety to bývalo 15 až 20 ms). Navíc se při běhu programu často objevují náhodné okamžiky většího zatížení procesoru, kdy se doba trvání cyklu prodlouží třeba až na 10 ms. Doba cyklu typické komunikační sběrnice připojené k PLC je 1 až 3 ms, v průměru tedy 2 ms. Časové zpoždění v důsledku toho kolísá mezi 6 až 8 ms a občas náhodně může být až 12 ms. Převedeno na polohu lepicí hlavy vzhledem ke kartonu znamená toto zpoždění při dané rychlosti pohybu kartonu 1 m/s odchylku pohybující se mezi 6 až 8 mm, občas náhodně až 12 mm. A to pouze při konstantní rychlosti posuvu 1 m/s. Při změnách rychlosti se odchylka navíc mění v závislosti na rychlosti. Je-li dále uvažováno zpoždění ventilu ovládajícího tok lepidla, tedy dalších asi 10 ms, celková odchylka se možná blíží až k 22 mm. Leccos z toho lze kompenzovat, ať už dřívějším spínáním nebo použitím speciálních technologických karet. K těmto technologickým kartám je však většinou třeba připojit pomocný inkrementální snímač informující bez zpoždění o skutečné poloze kartonu. Karty mívají také poměrně omezené možnosti a zároveň vyžadují dodatečný hardware a přídavné konstrukční náklady.

V systému Simotion lze danou úlohu vyřešit způsobem, který uvedené problémy eliminuje. Programátor vytvoří tzv. technologický objekt výstupní vačky, popř. vačkové stopy (několik po sobě jdoucích spínacích intervalů), kde stanoví, jaký výstup se daným technologickým objektem ovládá, a pak již v programu jen povolí nebo zablokuje funkci vačkového výstupu. Vše ostatní dělá pracovní program samočinně. Parametry spínání je třeba nastavit při zapnutí funkce nebo je lze měnit s použitím výchozích parametrů, které si obsluha upravuje z ovládacího panelu podle potřeby.

Jaké parametry lze zadávat, je zřejmé z obrázku dialogového okna k nastavování výchozích hodnot (obr. 3). Jde o polohu pro sepnutí a vypnutí výstupní vačky, ale také o časové zpoždění či předstihu spínání či vypínání. Je-li třeba lepidlo nanášet v úseku např. mezi 150 a 170 mm, zadají se tyto hodnoty do pole proměnných Start positionEnd position. Je-li známo, že ventil se otevře se zpožděním 10 ms, zadá se do pole Activation time hodnota –10 ms, čímž je jeho dopravní zpoždění kompenzováno a je zajištěno otevření ventilu o 10 ms dříve, než karton dosáhne požadované polohy.

Přesnost spínání závisí především na rychlosti použitého výstupu. Je-li použit standardní výstup, je přesnost dána hlavně dobou trvání cyklu při komunikaci mezi systémem Simotion a příslušnou periferií, což není ideální. Proto se vyplatí použít rychlé výstupy připojené přímo na řídicí systém Simotion. V nových procesorových jednotkách Simotion D4x5-2 je vestavěno osm konfigurovatelných kanálů I/O s přesností 1 µs. Další možností je použít moduly rychlých I/O typu TM15 nebo TM17. Modul TM15 obsahuje 24 konfigurovatelných kanálů I/O s přesností 125 µs a modul TM17 má šestnáct konfigurovatelných kanálů I/O s přesností 1 µs.

Výstupní vačka je jen drobná základní funkce ŘS Simotion, ale již sama o sobě nabízí oproti řešení s komplikovanými korekcemi v klasickém PLC velké výhody.

Úhlová synchronizace (gearing)

Úhlová synchronizace se používá k zajištění synchronního pohybu dvou mechanismů, ale také jako elektronická náhrada převodovky. Má tu výhodu, že převod lze, např. při změně výrobního programu, jednoduše změnit jen modifikací parametrů v řídicím systému. Velkou předností synchronizační funkce v systému Simotion je také řízená synchronizační procedura (elektronická spojka), která umožňuje nastavit přesně stanovený, a tudíž opakovatelný průběh synchronizace. Využití synchronizační funkce lze názorně vysvětlit na příkladu tzv. letmé pily.

Letmá pila je charakteristická kontinuálním pohybem řezaného materiálu strojem. Na stroji je pojízdný vozík a na vozíku pila pro příčné přeříznutí materiálu. V jisté chvíli se pojízdný vozík rozjede na rychlost materiálu tak, aby pila byla nad požadovaným místem řezu. Jakmile začne být pohyb vozíku synchronní s pohybem materiálu, spustí se pila a přeřízne materiál. Následně se pila vrátí do výchozí polohy, vozík se zastaví, vrátí se na výchozí pozici a čeká na povel k provedení dalšího řezu.

Uvedená úloha se v systému Simotion velmi snadno programuje v jazyku MCC (Motion Control Charts) volaném v sekvenčním programu (Motion Task), který nemá hlídání doby cyklu a je časově nezávislý na klasických cyklických programech, resp. běží paralelně s cyklickými programy. Ukázka takového sekvenčního programu je na obr. 4, kde jednotlivé bloky plní následující funkce:

  1. Návrat do výchozí polohy: návrat pohonu vozíku do výchozí polohy, pokud v ní již není; v bloku je zajištěno, aby program čekal, dokud se pohyb vozíku nedokončí.
  2. Spuštění synchronizační úlohy: v bloku je nastaveno, v jaké poloze má dojít k synchronizaci s pohybem materiálu a jak dlouho to vozíku trvá (délka dráhy synchronizačního pohybu).
  3. Čekání na zasynchronizování vozíku: čekání na okamžik, kdy bude pohyb vozíku synchronní s pohybem materiálu.
  4. Provedení řezu a návrat pily: úsek programu obsluhující příčný pohyb pily, tedy pohyb při řezání materiálu a návrat pily do výchozí polohy.
  5. Návrat vozíku do výchozí polohy: v bloku je naprogramováno, že má nahradit všechny aktivní pohyby, tudíž provede i desynchronizaci; program čeká, až se vozík vrátí do výchozí polohy, a pak se ukončí.

Celý sekvenční program (Motion Task) může být, jestliže právě neběží a je požadován další řez, spuštěn znovu z cyklického programu.

Synchronizace podle vačky (camming)

Synchronizace podle vačky je využívána v mnoha úlohách, v nichž je třeba svázat pohyb několika os, aniž by jejich vazba byla lineární. Jednoduchou úlohou tohoto typu může být např. podávání materiálu do lisu (obr. 5).

obr. 5 je patrné, že na klice lisu je umístěn absolutní snímač její úhlové polohy. Materiál se může do lisu podávat jen tehdy, pokud je lis otevřený (např. mezi úhly natočení kliky lisu 90° a 270° v případě, že 0° je v dolní úvrati lisu). Lis pracuje trvale, bez zastavení kliky, a je tedy nutné synchronizovat podávání materiálu – např. tak, aby se lisovaný plech mezi úhlovými polohami kliky 90° a 270° posunul o 1 000 mm. Tuto úlohu lze velmi jednoduše realizovat synchronizací podle vačky, kde vedoucí osou (master) je klika lisu, resp. absolutní snímač odměřující její polohu. Synchronizovanou (vedenou) osou je podávací válec. Vačka pro synchronizaci je navržena tak, aby vyjadřovala vztah mezi vedoucí a vedenou osou. V rozmezí poloh vedoucí osy 0° až 90° a 270° až 360° musí vedená osa stát, zatímco mezi 90° a 270° se poloha vedené osy mění. Pro jednoduchost si zvolme trajektorii odpovídající trojúhelníkovému průběhu rychlosti pohybu, neboli konstantní zrychlení na první polovině dráhy přímočarého pohybu plechu a konstantní zpomalení až do zastavení na druhé polovině dráhy. Takovou trajektorii programátorovi usnadní navrhnout pomocník ve vývojovém prostředí Simotion Scout pro tvorbu vaček definovaných polynomy. Tvar shora definované vačky je ukázán na obr. 6.

Jakmile je vačka navržena, stačí jen v programu zavolat příkaz pro synchronizaci. Příklad definice parametrů funkce pro synchronizaci je na obr. 7.

Závěr

Příklady použití řídicího systému Simotion uvedené v článku jsou jen výřezem jeho rozsáhlých možností, které, společně s grafickými programovacími jazyky MCC, LD, FBD či jazykem typu strukturovaný text (ST) a výkonnými procesorovými jednotkami, z něj vytvářejí unikátní systém vhodný pro všechny úlohy s elektrickými či hydraulickými pohony. Dokladem úspěšných použití řídicího systému Simotion jsou reference řešení automatizačních systémů výrobních strojů uvedené na českém webu společnosti Siemens (www.siemens.cz/reference). V případě, že pro stroj zvažujete použití řídicího systému specializovaného na úlohy typu motion control, je vám na sběrné adrese pohony.cz@siemens.comk dispozici tým zkušených poradců pro oblast automatizace strojů a strojních celků. Jeho členové jsou hrdí na to, že v počtu instalací systému Simotion obsazuje Česká republika každoročně jedno z předních míst v celosvětovém měřítku.

Ing. Karel Dočkal, Siemens, s. r. o.

Obr. 1. Koncepce řídicího systému Simotion
Obr. 2. Hardwarové platformy řídicího systému Simotion

Obr. 3. Okno k nastavování hodnot výstupní vačky

Obr. 4. Sekvence řízení letmé pily
Obr. 5. Technologické schéma podávání materiálu do lisu

Obr. 6. Návrh trajektorie pohybu při synchronizaci podle vačky

Obr. 7. Okno k určování parametrů funkce pro synchronizaci podle vačky (Cam On)