Aktuální vydání

celé číslo

04

2024

Průmyslové roboty a automatizace výrobních a montážních linek

celé číslo

Regulované pohony se sběrnicí Profibus v praxi

číslo 6/2006

Regulované pohony se sběrnicí Profibus v praxi

Článek se zabývá využitím sběrnice Profibus v automatizovaných systémech s regulovanými pohony. K přednostem tohoto řešení patří zejména jednoduché projektování, levnější montáž a snadná správa pohonů. Je poukázáno na vlastnosti sběrnice Profibus, které se při řízení pohonů využívají, a následně je popsáno jejich použití v praxi při rekonstrukci systému řízení stroje určeného k nanášení skleněného vlákna.

Stroj na nanášení skleněného vlákna obsahuje celkem třináct regulovaných pohonů, rozdělených do tří skupin:

  • pohony řezaček (dělení vláken k sypání),
  • pohony deflektorů (pomocná funkce srážení nařezaných vláken),
  • pohony přestavování (nastavování polohy hřídelí řezaček, popř. deflektorů).

Úkolem bylo vyřešit operátorské rozhraní na úrovni PC s možností přesunů receptur mezi strojem a jeho okolím formou exportů a importů dat tvořících obsah jednotlivých receptur při koncipování úlohy jako lokální, bez vazby na jiné komunikační či informační sítě. V potaz bylo dále třeba brát hlediska diagnostiky a údržby stroje a jeho řídicího systému při optimální ceně.

Zadání úlohy celkem logicky vedlo k řešení vycházejícímu z jednoho z významných současných trendů automatizační techniky, kterým je integrace řídicích systémů s pohony prostřednictvím sběrnice Profibus.

Řízení pohonů prostřednictvím sběrnice Profibus-DP

Komunikační sběrnice Profibus-DP umožňuje ovládat připojená zařízení na dálku. Jedná se o typ rychlé průmyslové komunikační sběrnice určené především k propojení řídicích jednotek s nejrůznějšími akčními členy (elektrické pohony, hydraulické či pneumatické ventily), decentralizovanými jednotkami I/O a dalšími zařízeními.

V dané úloze byly použity synchronní servopohony s měniči frekvence od firmy Parker. Použité měniče podporují aplikační profil Profidrive V3.0, zaměřený na úlohy typu řízení polohy a pohybu (motion control). Nejvýraznějším rysem uvedeného profilu je možnost synchronizovat spolupracující pohony přímo v rámci sítě Profibus, a to při použití tzv. izochronního módu. Další důležitou vlastností profilu Profidrive V3.0 je možnost přímé komunikace mezi řízenými členy (slave-to-slave), často využívaná při úlohách typu master–slave nebo tzv. převodovek (gearing).

Sběrnice Profibus-DP, která propojuje programovatelný automat Siemens Simatic S7-300 ve funkci řídicího systému stroje s pohony a ostatními decentralizovanými jednotkami I/O, podporuje protokoly typu Profibus-DPV1 a Profibus-DPV2; to umožňuje dálkově měnit hodnoty jednotlivých vnitřních parametrů pohonů.

Pohony – servopohony se synchronními motory vybavené polohovou zpětnou vazbou realizovanou s použitím rezolverů – podle potřeby plní úkol pohonů s řízenou rychlostí nebo polohou.

Vzhledem k ne příliš velkému počtu pohonů je postačující provozovat komunikaci na sběrnici Profibus přenosovou rychlostí 1,5 Mb/s. Všechny pohony se parametrizují na dálku po sběrnici Profibus-DP v rámci cyklického telegramu (kanál PKW).

Pohony s řízenou rychlostí (tzv. rychlostně řízené) – tj. pohony řezaček – jsou řízeny tak, aby rychlost řezaček odpovídala požadovanému množství materiálu sypaného na desky. Jednotlivé žádané rychlosti (speed setpoints) jsou zadávány automatem S7 prostřednictvím sběrnice Profibus. Vlastní regulace rychlosti (closed-loop speed control) probíhá uvnitř samotného pohonu. Aktuální hodnoty rychlosti a krouticího momentu pohonu jsou po sběrnici Profibus posílány zpět do automatu S7. Z hlediska protokolu Profibus-DPV jsou použity přenosy dat komunikace spadající do třídy 1 (class 1), tj. standardní pohony.

Pohony s řízenou polohou (polohově řízené) – tj. pohony pro stavění sypacích jednotek (deflektory) – jsou řízeny tak, aby byl sypaný materiál správně rozložen po celé ploše desky. Automat S7 zadává pouze žádanou polohu jednotlivých zařízení. Vlastní regulace polohy (spolu s podřízenou regulací rychlosti) probíhá uvnitř pohonu. Informaci o aktuální poloze získává pohon z připojeného rezolveru. Aktuální hodnoty polohy, rychlosti a momentu jsou po sběrnici Profibus posílány zpět do automatu S7. Z hlediska protokolu Profibus-DPV jsou použity komunikace spadající do třídy 2 (class 2), tj. pohony s řízenou polohou.

Stroj na nanášení skleněného vlákna

Stroj, jehož řídicí systém byl rekonstruován, je určen k nanášení skleněného vlákna na komponenty, které jsou součástí linky na výrobu interiérových dílů automobilu. Hlavní částí stroje je jedenáct sypacích jednotek, každá se dvěma otáčejícími se bubny, řezacím a přítlačným. Mezi bubny je přiváděno skleněné vlákno, které je řezáno na kusy o délce 5 cm. Nařezané vlákno dopadá na dopravník unášející zpracovávané komponenty. Nasypané množství je dáno rychlostí otáčení bubnů a rychlostí pohybu komponenty. Sypací jednotky lze posouvat k sobě a od sebe podle toho, jak široká je posypávaná komponenta. Dále jsou součástí stroje deflektory, představované dvěma plechy (po jednom na každé straně sypacích jednotek), které srážejí nařezané skleněné vlákno tak, aby nepadalo mimo komponentu. Při každé změně polohy sypacích jednotek se deflektory vysunou, jejich poloha se nastaví podle polohy sypacích jednotek a opět se zasunou.

Jednotlivé popsané mechanismy jsou uváděny do pohybu buď elektrickými regulovanými pohony nebo pneumatickými válci.

Stroj umožňuje sypat současně vlákno na komponenty pro dva různé výrobky. Výrobek se skládá z vložky z plátna a z jedné nebo několika polyuretanových desek. Počet desek je určen žádanou tloušťkou budoucího výrobku.

Obr. 1.

Obr. 1. Panel systému pro správu receptur

Na začátku pracovního cyklu stroje obsluha založí na dopravník komponentu. Čidla za zakládací sekcí vyhodnotí, o jakou komponentu jde (plátno nebo polyuretanová deska) a pro který finální výrobek je určena. V programu se poté nastaví příslušná receptura. Receptura se skládá ze zadání gramáže (uvedeného v gramech na čtvereční metr a vybíraného z matice o rozměrech 11 × 7 polí), šířky komponenty a délek sypaných řádků (obr. 1). Následuje vysunutí deflektorů, sypací jednotky se podle receptury nastaví tak, aby sypaly na komponentu pokud možno stejně široké pruhy, a deflektory se zasunou. Komponenta přijede pod čidla před sypacími jednotkami. Podle údajů čidel se zkontroluje, zda přijela správná komponenta, a sypací jednotky na komponentu nasypou skleněné vlákno podle receptury. Na konci dopravníku se jednotlivé komponenty poskládají na sebe a za tepla jsou slisovány.

Řídicí systém stroje

Popsaná úloha vede k použití řady regulovaných pohonů a jednoduché úloze sekvenčního řízení. Dále je zřejmý požadavek na recepturové řízení celého procesu.

Obr. 2.

Obr. 2. Panel pro ruční ovládání stroje

Jak již bylo uvedeno, řídicí systém se skládá z programovatelného automatu (PLC) Simatic S7-300, který po sběrnici Profibus-DP komunikuje s měniči frekvence od firmy Parker. Pro systém typu SCADA/HMI byl zvolen operátorský panel Panel Industrial Lite 70 (IL70) od firmy Siemens, založený na PC, který s řídicím automatem komunikuje po sběrnici MPI. Měniče pro pohon bubnů sypacích jednotek se provozují v otáčkovém módu, měniče pro přestavování sypacích jednotek a měniče pohonů deflektorů se provozují v módu nastavování polohy. Pohony s PLC S7 spojuje sběrnice Profibus-DP.

Ovládání a činnost stroje

Stroj má dva pracovní režimy – ruční a automatický.

V ručním režimu lze otáčet bubny sypacích jednotek, nastavovat polohu sypacích jednotek a vysunovat deflektory a nastavovat jejich polohu (obr. 2).

Obr. 3.

Obr. 3. Hlavní ovládací panel stroje

V automatickém režimu jsou polohy a rychlost otáčení jednotlivých os řízeny aktuální recepturou, která určuje množství sypaných skleněných vláken v závislosti na typu a poloze komponenty (obr. 3).

Aplikační program je vytvořen ve vývojovém prostředí Protool/Pro, které je produktem firmy Siemens. Chod programu v cílovém počítači vyžaduje instalaci licencovaného runtime nástroje Proool/Pro RT.

Vývojové prostředí ProTool/Pro CS
Nástroj ProTool/Pro CS je vývojové prostředí pracující pod operačním systémem Windows, které umožňuje vyvíjet aplikační programy pro operátorské panely od firmy Siemens od nejméně výkonné řady až po nejvýkonnější, tzv. Windows-based. U panelů s operačním systémem Windows lze s použitím softwarového simulátoru vyzkoušet celý aplikační program na vývojovém počítači bez nutnosti fyzického spojení s operátorským panelem. Při absenci PLC S7 lze po virtuální sběrnici MPI připojit modul ProTool/Pro Simulator se simulátorem PLC.

Prostředí ProTool/Pro CS dovoluje využívat např. funkce systému správy výstražných hlášení, jako je zobrazení varování o příchozí poruše či výstrahy na operátorském panelu, jejich potvrzování i kompletní přehled historie všech těchto událostí.

Další využívanou funkcí prostředí ProTool/Pro je systém pro správu receptur, který je určen k celkovému zjednodušení ovládání stroje. Umožňuje seskupit proměnné veličiny, které ovlivňují chování stroje, do skupiny, uložit je takto do databáze v operátorském panelu a následně s celou skupinou pracovat jako s jedním záznamem. Tyto záznamy lze editovat, ukládat, mazat, nahrávat do PLC S7 i naopak přehrát z PLC a následně uložit (obr. 1).

Za zmínku stojí také možnost definice tzv. uživatelských úrovní, která dovoluje nastavit práva pro každého uživatele zvlášť, a tím jasně vymezit pole jeho působnosti v celém systému řízení stroje.

Systém vizualizace a ovládání stroje
Při použití systému ProTool/Pro RT s dotykovým panelem Siemens IL70 k řízení stroje byly využity všechny uvedené funkce. Použití systému správy receptur bylo znesnadněno tím, že stroj může střídat dvě linky. Musí v něm tedy být pohotově současně dvě receptury, z nichž příslušná se aktivuje na základě detekce vstupního materiálu. Pro základní ovládání, jako je tvorba nové receptury a její uložení nebo mazání, byly použity primární funkce recepturového systému. Složitější operace jsou naopak realizovány s použitím několika interních funkcí vývojového nástroje ProTool/Pro CS a skriptů v jazyce Visual Basic.

Zajímavou funkcí je určitě úprava (editace) receptury v tzv. on-line módu, kdy operátor ladí recepturu z výrobního hlediska za chodu stroje, bez nutnosti jejího opakovaného nahrávání z operátorského panelu do PLC. Následně může upravenou recepturu uložit buď zpět pod aktuálním jménem, nebo pod novým jménem jako recepturu zcela novou. Toto řešení je ideální pro případ jemného dolaďování existující receptury nebo při vývoji nového výrobku vycházejícího z existující podobné receptury.

S cílem usnadnit ovládání stroje jsou do jeho řídicího systému integrovány také funkce import a export, umožňující ukládat všechny vytvořené receptury na pevný disk a také je z něj vybírat. Následně lze receptury zálohovat na jakémkoliv jiném paměťovém médiu (USB flash disk atd.). Při jakékoliv havárii či nechtěné změně receptury je možné obnovit původní data ze zálohy ručně vytvořené obsluhou stroje nebo ze zálohy, kterou řídicí program vytváří automaticky.

Exportovaný soubor typu *.csv je plně kompatibilní s programem Microsoft Excel, umožňujícím receptury prohlížet, upravovat, i dokonce vytvářet nové. Po importu zpět do operátorského panelu jsou nové receptury okamžitě připraveny k nahrání do PLC S7.

Obdobné funkce exportu a importu jsou použity i k zálohování hodnot parametrů stroje a jeho všech pohonů. Dále je možné v podobě zašifrovaného souboru exportovat uživatelské účty i s hesly (pro případ potřeby obnovit stav uživatelských účtů).

Uvádění stroje do provozu

Popsaný stroj byl oživen a uveden do provozu v těchto standardních krocích:

  • nastavení, parametrizace a kalibrace čidel a pohonů,
  • kontrola vstupních a výstupních signálů,
  • kontrola mechanické připravenosti stroje,
  • zkoušky funkcí stroje bez materiálu, v ručním a automatickém režimu,
  • zkoušky stroje s materiálem.

Stroj prošel všemi uvedenými kroky bez větších problémů. K poměrně hladkému průběhu zkoušek bez materiálu významně přispěla možnost softwarové simulace průchodu materiálu běžící přímo v řídicím systému. Bez problémů a velmi rychle proběhly i závěrečné zkoušky s materiálem, při nichž bylo s výhodou využito nastavování a monitorování parametrů a chování pohonů na dálku prostřednictvím sběrnice Profibus.

Závěr

Popsaná úloha patří do skupiny úloh řízení elektromechanického stroje s použitím decentralizovaných automatizačních prostředků. Propojení řídicího systému s jednotlivými komponentami stroje (pohony, operátorský panel) prostřednictvím sběrnice Profibus přineslo větší efektivitu práce v etapě oživování stroje. Významným přínosem je v tomto ohledu jak možnost nastavovat a ovládat jednotlivé pohony na dálku, tak i snadný sběr a zobrazování důležitých informací, a to při použití standardního operátorského rozhraní.

Zde zmíněný způsob konfigurování celého automatizačního systému vede k použití standardních softwarových řešení s minimem jednoúčelových funkcí. Použitím moderních automatizačních prostředků přispěla firma Compas automatizace k realizaci velmi výkonné linky na výrobu automobilových komponent.

Ing. Ladislav Kopečný, Ing. Libor Hájek, Martin Ondra,
Compas automatizace, spol. s r. o.

COMPAS automatizace s. r. o.
Nádražní 26
591 01 Žďár nad Sázavou
tel.: 566 650 110
fax: 566 650 112
e-mail: compas@compas.cz
http://www.compas.cz