Aktuální vydání

celé číslo

08

2019

MSV 2019 v Brně

celé číslo

Řízení hydraulických os systémem Simotion

Řidici systemy elektrickych pohonů řady Simotion od firmy Siemens jsou již určitou dobu na trhu a jsou odborne veřejnosti dobře znamy. Systemy Simotion se většinou použivaji k řizeni elektrickych pohonů s měniči řady Siemens Sinamics S120. Řidici system Simotion lze ovšem použit i v jinych ulohach, např. k řizeni tepelnych zařizeni nebo k řizeni polohy hydraulickych os v hydraulickych zařizenich.

Možnosti řídit hydraulické osy systémem Simotion bylo využito pro řízení speciálního stroje s názvem Tahoohyb (obr. 1), na kterém se vyrábějí automobilové díly, konkrétně části sloupku dveří automobilů typů Roomster a Fabia značky Škoda. Stroj Tahoohyb je podle vyráběného výrobku osazen odpovídajícím nástrojem. Do nástroje obsluha vloží plechový profil ve tvaru U, který je v pracovním cyklu stroje ohnut do požadovaného tvaru, přičemž jednotlivé části nástroje se otáčejí po určené trajektorii. Tim je docíleno konečného tvaru výrobku. Z důvodu velkých sil při ohýbání profilu obstarávají natáčení jednotlivých částí tvarovacího nástroje hydraulické osy řízené proporcionálními ventily. Polohy os jsou snímány absolutními snímači polohy. Aby bylo dosaženo co nejkratší doby cyklu stroje a co nejvyšší kvality finálního výrobku, musí polohy jednotlivých os sledovat požadovanou trajektorii velmi rychle a přesně. Proto byl použit řídicí systém Simotion, splňující požadavky na dynamiku a zároveň na přesnost nastavování polohy, které jsou v daném případě značné.

Sestava stroje Tahoohyb

Sestava stroje Tahoohyb je schematicky znázorněna na obr. 2obr. 3. Základní rám stroje tvoří mohutný ocelový odlitek. Na odlitku jsou umístěny dvě části vlastní­ho stroje:

–   levá část (otočná osa 0, naklápěcí osa 3),

–   pravá část (otočná osa 1, naklápěcí osa 4).

Levá část stroje je pevně spojena s rámem. Pravá část je uložena posuvně a je vzhledem k levé části posouvána prostřednictvím kuličkového šroubu (osa 2). Všechny osy jsou hydraulické, řízené proporcionálními ventily. Informace o jejich poloze poskytují řídicímu systému absolutní snímače polohy. Osy jsou řízeny z řídicího systému Simotion.

Na levé a pravé části stroje jsou umístěny vlastní levá a pravá část ohýbacího nástroje. Ohýbací nástroj dále obsahuje několik hydraulicky ovládaných pomocných funkcí. Tyto funkce jsou v průběhu ohýbání polotovaru využívány k jeho postupnému přidržování a také k vyseknutí otvorů a ostřižení finálního výrobku. Pomocné funkce jsou také řízeny z řídicího systému Simotion.

Stroj má vlastní hydraulický agregát běžného typu s parametry (tlak, dodávané množství oleje apod.) potřebnými pro správný chod stroje, rovněž řízený systémem Simotion.

Řízení stroje Tahoohyb

K ohnutí polotovaru do výsledného tvaru musí obě poloviny stroje současně vykonat poměrně složitou trajektorii. Princip řízení je takový, že jedna osa je stanovena jak hlavní (master) a ostatní osy se k hlavní ose synchronizují podle určitého profilu (vačky). Profil je určen tabulkou, kde hodnoty podél osy x jsou polohy hlavní osy a hodnoty podél osy y jsou polohy řízené (slave) osy, určující žádanou polohu řízené osy při dané poloze hlavní osy.

V případě stroje Tahoohyb je hlavní osou otočná osa 0. Ostatní osy jsou k ní synchronizovány prostřednictvím uvedených vaček.

K úplnému určení tvaru vyráběného dílu jsou dány ještě další parametry stanovující, zda se má daná osa v určité fázi cyklu pohybovat nebo ne a které body z tabulky má řídicí systém při vytváření vaček brát jako platné. Obojí se používá k vyladění celé pracovní operace.

Dále se zadává rychlost, na jakou se má při ohybu rozjet hlavní osa. S tím souvisejí i rozjezdové a dojezdové rampy pro rozjezd a zastavení hlavní osy.

Vlastní algoritmus řízení funguje tak, že před započetím operace ohýbání si řídicí systém vytvoří na základě bodů z tabulky vačky pro jednotlivé osy. Se spuštěním operace ohybu se spustí běh hlavní osy a zároveň se řízené osy synchronizují prostřednictvím specifikovaných vaček vzhledem k hlavní ose. Podle toho, jak se otáčí hlavní osa, se řízené osy nastavují do určených poloh podle jim příslušných vaček.

Řízení hydraulických os systémem Simotion

Hydraulické pohony mají zčásti jiné vlastnosti, než pohony elektrické. Charakteristické jsou např. nelinearita proporcionálních pohonů, jiná dynamika apod. Řídicí systém Simotion je již v rámci svého firmwaru předem připraven k řízení hydraulických os. Obsahuje množství různých parametrů umožňujících kompenzovat např. zmiňovanou nelinearitu proporcionálních ventilů atd.

Jako příklad možností nabízených řídicím systémem Simotion v oblasti řízení hydraulických pohonů je na obr. 4 ukázán regulační obvod polohy osy realizovaný v systému Simotion. Řídicí systém Simotion je přitom koncipován tak, že funkce pro vlastní řízení pohonů (zapnutí pohonu, spuštění pohybu pohonu, synchronizování pohonu atd.) jsou shodné a mají i stejné parametry bez ohledu na to, zda je řízený pohon elektrický nebo hydraulický. Odlišnost mezi elektrickými a hydraulickými pohony je dána různými parametry jednotlivých os přiřazených jednotlivým pohonům.

Na obr. 5 je ukázána část řídicího programu stroje Tahoohyb pro spuštění operace ohybu. Program je napsán v prostředí Simotion SCOUT v jazyce Motion Control Chart (MCC). V horní části obrázku je zaznamenán postup synchronizace jednotlivých os s hlavní osou, v dolní postup vlastního spuštění hlavní osy.

Program na obr. 5 by byl napsán naprosto stejně i v případě, že by ve stroji nebyly použity hydraulické osy, ale osy elektrické.

Hardware řídicího systému pro stroj Tahoohyb

Řídicí systém Simotion je vyráběn ve variantách P, C a D. Protože proporcionální ventily jsou řízeny signálem ±10 V a snímače polohy mají standardní rozhraní SSI, byla pro stroj Tahoohyb zvolena varianta C s vestavěným rozhraním pro řízení čtyř os signálem ±10 V a sledování aktuální polohy os prostřednictvím rozhraní SSI. Přímo řídicím systémem Simotion C jsou řízeny osy 0, 1, 3 a 4. Pro řízení osy 2, v pořadí páté, je nutné použít doplňkovou kartu IM174, která rozšiřuje možnosti systému Simotion C co do počtu řízených os a je k systému připojena sběrnicí Profibus. Karta IM174 obsahuje čtyři naprosto stejná rozhraní pro řízení čtyř os, jako má vlastní systém Simotion C. V daném případě je na kartě IM174 využito pouze jedno rozhraní, které řídí osu 2.

Další digitální I/O, určené k ovládání pomocných funkcí nástrojů, agregátu atd., jsou připojeny k systému Simotion C pomocí rozhraní Profibus, integrovaného v systému. S použitím sběrnice Profibus jsou k systému připojeny i původní ovládací panel a panel MP277 pro vizualizaci a zadávání parametrů. Schéma řídicího hardwaru celého stroje Tahoohyb je na obr. 6.

Závěr

Sestavení řídicího systému stroje Tahoohyb poskytla zajímavou zkušenost s využitím řídicího systému Simotion k řízení hydraulických os. Předností je samotná koncepce řídicího systému, kdy při vlastním programování sekvence programu, ovládání os atd. není v podstatě třeba brát v potaz, zda jde o osu elektrickou nebo hydraulickou, protože funkce jsou pro oba typy os stejné a typ osy se volí pouze při vlastní parametrizaci os. Podle této volby má osa určitou sadu parametrů, zadáním jejichž hodnot se určí reálné vlastnosti osy. To je velmi výhodné v tom, že si lze bez vlastního stroje vyzkoušet celou sekvenci programu a poté teprve podle varianty stroje (zda jsou použity osy hydraulické nebo elektrické) specifikovat osu. Použité uspořádání je přínosné i tehdy, kdy je řízené zařízení (stroj) vyráběno ve verzi buď s elektrickými, nebo s hydraulickými pohony, neboť program může zůstat stále stejný, pouze se mění typ osy.

Jako další pozitivum lze hodnotit i použití řídicího systému Simotion ve verzi C, umožňující k řídicímu systému přímo připojit vlastní proporcionální ventil i zpětnou vazbu (a to až pro čtyři osy), přičemž hydraulické osy společně s dalšími pomocnými zařízeními (hydraulický agregát atd.) řídí jeden řídicí systém. Toto uspořádání značně zvyšuje spolehlivost celého zařízení.

Řídicí systém Simotion lze doporučit jako prostředek vhodný k řízení i těch nejsložitějších zařízení s hydraulickými osami. Inženýrské zkušenosti získané společností COMPAS automatizace v oboru řízení přesných strojů mohou pomoci při řešení mnohých náročných úloh jak výrobcům technologických zařízení, tak i jejich uživatelům.

Ing. Jiří Klíma, Ph.D., COMPAS Automatizace, spol. s r. o.

Obr. 1. Pohled na stroj Tahoohyb ve vyrobnich prostorach vyrobce

Obr. 2. Schematické znázornění základní sestavy stroje Tahoohyb (rám, levá a pravá část, stroje)

Obr. 3. Schematické znázornění stroje Tahoohyb s nasazenou levou a pravou částí nástroje

Obr. 4. Regulační obvod polohy hydraulické osy v systému Simotion

Obr. 5. Část programu pro spustění operace ohybu (zápis v prostředí Simotion SCOUT)

Obr. 6. Konfigurace hardwaru řídicího systému Simotion C pro řízení stroje Tahoohyb