Řízení modulů strojní linky FMS-200

Mendelova univerzita v Brně Provozně ekonomická fakulta

Řízení modulů strojní linky FMS-200 Bakalářská práce

Vedoucí práce: Dr. Ing. Radovan Kukla

Michal Malý

Brno 2013

Zde bych rád poděkoval vedoucímu mé práce Dr. Ing. Radovanu Kuklovi za umožnění vypracování této práce, cenné rady, vstřícný přístup a odborné vedení při zpracovávání.

Čestně prohlašuji, že jsem zpracoval zvolené téma práce samostatně a uvedl jsem veškeré zdroje, které jsem použil pro vypracování. V Brně dne 22. května 2013

_________________

Abstract Malý, M. Controlling modules on machine line FMS-200. Bachelor thesis. Brno, 2013. Thesis is about getting to know the machine line FMS-200 made by the company SMC, analysing it´s functions and controlling system. Related to the analysis a simulation module is created and based on the module the main controlling application is created, which is the practical content of the thesis. For that STEP7 environment from Siemens will be used. Keywords STEP7, PLC, automation, control elements.

Abstrakt Malý, M. Řízení modulů strojní linky FMS-200. Bakalářská práce. Brno, 2013. Práce pojednává o seznámení se se strojní linkou FMS-200 vyrobenou firmou SMC, analýzou její funkce, systémů řízení a kontroly. S tím souvisí i navržení a následné vytvoření simulovaného modulu, na jehož základě pak bude vytvořena řídicí aplikace, která je praktickou náplní práce. K tomu bude použito vývojové prostředí STEP7 od firmy Siemens. Klíčová slova STEP7, PLC, automatizace, ovládací prvky.

6

Obsah

Obsah 1

2

3

Úvod a cíl práce 1.1

Úvod ......................................................................................................... 12

1.2

Cíl práce ................................................................................................... 12

Manipulační linka FMS-200

13

2.1

Firma SMC ............................................................................................... 13

2.2

Manipulační linka FMS-200 ................................................................... 13

2.3

Pracovní stanice linky FMS-200 ............................................................. 14

2.3.1

Stanice pro podávání/ výběr ložisek ............................................... 15

2.3.2

Stanice pro podávání šroubků ......................................................... 16

Strojní vybavení modulů manipulační linky 3.1

17

Pneumatický systém ................................................................................ 17

3.1.1

Vlastnosti pneumatických prvků ..................................................... 17

3.1.2

Výhody použití pneumatických prvků ............................................. 18

3.1.3

Nevýhody použití pneumatických prvků ......................................... 18

3.1.4

Výroba stlačeného vzduchu ............................................................. 18

3.1.5

Rozvod stlačeného vzduchu............................................................. 19

3.1.6

Ventily ............................................................................................. 20

3.1.7

Filtrace a úprava stlačeného vzduchu ............................................. 21

3.1.8

Pneumatické pohony .......................................................................22

3.2

4

12

Snímače....................................................................................................23

3.2.1

Mikrospínač .....................................................................................23

3.2.2

Optický senzor .................................................................................24

3.2.3

Lineární potenciometr .....................................................................25

Programovatelný logický automat

26

4.1

Definice PLC ............................................................................................26

4.2

Zpracování uživatelského programu ....................................................... 27

4.3

Komponenty PLC..................................................................................... 27

Obsah

4.3.1

Komunikační rozhraní .................................................................... 27

4.3.2

Zdroj ................................................................................................ 27

4.3.3

Centrální výpočetní jednotka .......................................................... 27

4.3.4

Paměť .............................................................................................. 28

4.3.5

Vstupy a Výstupy............................................................................. 28

4.4

5

Typy provedení PLC ................................................................................ 29

4.4.1

Kompaktní systém .......................................................................... 29

4.4.2

Modulární systém ........................................................................... 29

Řídicí systém SIMATIC S7-300

30

5.1

Komunikační rozhraní ............................................................................ 30

5.2

Druhy procesorů ...................................................................................... 31

5.3

Adresace proměných .............................................................................. 32

5.3.1

Uložení v paměti ............................................................................. 32

5.3.2

Typy adresace .................................................................................. 34

5.3.3

Datové proměnné............................................................................ 34

5.4

Typy bloků............................................................................................... 36

5.4.1

Systémové bloky.............................................................................. 36

5.4.2

Organizační bloky ........................................................................... 36

5.4.3

Funkce ............................................................................................. 36

5.4.4

Funkční bloky...................................................................................37

5.4.5

Datové bloky.....................................................................................37

5.5

6

7

Programovací jazyk ..................................................................................37

5.5.1

Ladder (LAD) ...................................................................................37

5.5.2

Function Block Diagram (FBD) .......................................................37

5.5.3

Instruction List (IL) ........................................................................ 38

5.5.4

Structured Control Language (SCL) ............................................... 38

5.5.5

Simatic S7-Graph ............................................................................ 39

Řídicí program

40

6.1

Potřebné vybavení .................................................................................. 40

6.2

Software .................................................................................................. 40

6.3

Vytvoření řídicího programu ................................................................... 41

8

Obsah

6.3.1

Spojení s linkou ............................................................................... 41

6.3.2

Hardwarová konfigurace linky ........................................................ 41

6.3.3

Nahrání vytvořeného programu ......................................................42

6.4

Simulace řídicího programu ....................................................................42

6.5

Vytvoření HMI rozhraní ......................................................................... 44

6.6

Řídicí program linky FMS-202 .............................................................. 44

6.6.1

Organizační blok OB1 ......................................................................45

6.6.2

Funkce FC_1 .................................................................................... 45

6.6.3

Funkce FC_2 .................................................................................... 45

6.6.4

Funkce FC_3 ................................................................................... 46

6.6.5

Funkce FC_4 .................................................................................... 47

6.6.6

Funkce FC_5 .................................................................................... 47

6.7

Řídicí program linky FMS-206 .............................................................. 48

6.7.1

Organizační blok OB1 ..................................................................... 48

6.7.2

Funkce FC_1 ................................................................................... 48

6.7.3

Funkce FC_2 ................................................................................... 49

6.7.4

Funcke FC_3 ................................................................................... 49

7

Závěr

50

8

Literatura

52

A

Funkční schéma linek

55

B

Simulace s vyuţitím HMI

57

C

Obsah přiloţeného CD

58

Obsah

9

10

Seznam obrázků

Seznam obrázků Obr. 1

Logo firmy Sintered Metal Corporation

13

Obr. 2

Kompletní manipulační linka FMS-200 od firmy SMC

14

Obr. 3

Stanice pro podávání/ výběr loţisek FMS-202

16

Obr. 4

Stanice pro podávání šroubků FMS-206

16

Obr. 5 Ukázka vzduchového filtru pro odstranění vlhkosti, oleje a nečistot 21 Obr. 6

Typy válců (SMC Training , 2009b)

23

Obr. 7

Příklad mikrospínače

24

Obr. 8

Ukázka jazyku LAD

37

Obr. 9

Ukázka jazyku FBD

38

Obr. 10

Ukázka jazyku IL

38

Obr. 11

Ukázka jazyku SCL

39

Obr. 12

Ukázka S-Graph jazyku

39

Obr. 13

Ukázka funkce „Scan for accessible devices“

41

Obr. 14

Ukázka hardwarové konfigurace

42

Obr. 15

Ukázka PLCSIM

43

Obr. 16

Funkční schéma linky FMS-206

55

Obr. 17


56

Obr. 18

Simulace programu linky na loţiska s HMI rozhraním

57

Obr. 19

Simulace programu linky na šroubky s HMI rozhraním

57

Seznam tabulek

11

Seznam tabulek Tab. 1

Input memory (I)

33

Tab. 2

Output memory (Q)

33

Tab. 3

Peripheral memory (PI/PQ)

33

Tab. 4

Bit memory (M)

34

Tab. 5

Základní datové proměnné (Jones, 2006, s. 200)

35

12

Úvod a cíl práce

1 Úvod a cíl práce 1.1

Úvod

Průmyslové procesy se postupem času rozvinuly od jednoduchých po komplexní. Tím dochází ke zvyšování nároků na přesnost, rychlost jejich provedení, snahu minimalizovat výskyt případných chyb a v poslední řadě vliv vnějšího prostředí. Z toho nám vyplývá, že k dodržení některých z těchto věcí nelze vše jen nechat na ramenou člověka, ale je potřeba jej podpořit. K tomu účelu došlo k vývojy průmyslových linek, jenž jsou specialozovány na provedení konkrétní činnosti. Tyto linky používají určitý stupěň automatizace, kde lidé jsou přiřazeni jen jako „dozor“. Správnou volbou linky a automatizace dojde nejen ke zvýšení produktivity celého procesu, ale i ke snížení nákladů, minimalizuje se šance vzniku chyby způsobené „lidským faktorem“, sníží se zatížení pracovníků a navíc je možné tyto linky nasadit i v prostředí, kde by nebylo možné nebo velmi obtížné nasadit lidskou pracovní sílu. Nasazení automatizačních linek bylo umožněno rozvojem řídicích systémů, jenž začali postupem času využívat nově získané poznatky v oblasti miniaturizace a informačních technologií. Během studia a pracovní praxe jsem měl možnost pozorovat nasazované automatizované průmyslové procesy a stroje ovládané pomocí programovatelných logických automatů. Proto v momentu, kdy mi bylo předloženo a umožněno zvolit si pro zpracování své závětečné práce téma, jenž se zabývá danou problematikou, neváhal jsem ani chvilku. A to i přesto, že mi hned od počátku bylo jasné, abych tuto práci mohl úspěšně dokončit, budu nucen se seznámit s některými aspekty kompletně od začátku.

1.2 Cíl práce Cílem práce je vytvoření programu pro řízení manipulační linky. Pro dosažení tohoto cíle se musíme seznámit s programováním logických automatů vyvíjených a vyráběných firmou Siemens AG. Na základě poznatků dojde k následnému vytvoření řídicího programu ve vývojovém prostředí STEP7. Během vytváření tohoto programu bude jeho funkčnost ověřována využitím simulovaného modelu pomocí funkce, jenž nabízí samo vývojové prostředí. Před samotným vytvářením řídicího programu je potřeba objasnit a seznámit se s funkčními a řídicími prvky samotné manipulační linky FMS-200. Výsledkem této práce bude samotný plně automatizovaný řídicí program, jenž bez minimálního zásahu uživatele provede určenou funkci dané manipulační linky. To může být posléze využito k didaktickým nebo demonstračním účelům, popřípadě ke zpracování dalších prací v rámci univerzity.


13

2 Manipulační linka FMS-200 Na začátek by bylo dobré seznámit se krátce blíže s firmou, která linku vyrobila a následně si objasnit účel a podstatu námi použivané linky.

2.1

Firma SMC

Název firmy SMC je zkratka pro Sintered Metal Corporation. Firma byla založena 27. Dubna 1959 v Japonsku. Tehdy se ještě nejmenovala SMC, ale nesla japonský název Shoketsu Kinzoku Kogyo Co. Ltd. Později byla přejmenována na svůj součastný název, který si zachoval známky původního zaměření firmy.

Obr. 1

Logo firmy Sintered Metal Corporation

Po úspěšných letech na domácím prostředí a také na asijském trhu se firma rozhodla, že začne expandovat do ostatních zemí. Jako první na řadě byla roku 1967 Austrálie. Po ní se během sedmdesátých let rozšířila do Evropy a Ameriky. V dnešní době je jednička na trhu v průmyslové automatizaci v oboru pneumatických produktů s celosvětovým podílem 26 % na trhu. V součastné době má pobočky ve více než 50 zemích na světě, z nichž je jen 29 v Evropě. (SMC Industrial Automation CZ, 2012) V České republice byla založena společnost roku 1994 se sídlem v Brně a je členem skupiny zemí střední a východní Evropy SMC CEE (Central and Eastern Europe). Tato skupina je vedená společností SMC Pneumatik GmbH v Rakousku, která byla založena roku 1985 ve městě Korneuburgu. V sídle české společnosti se nachází vlastní inženýrské centrum, centrální sklad pro Českou republiku, logistické centrum a také hlavně výukové centrum. (SMC Industrial Automation CZ, 2012)

2.2 Manipulační linka FMS-200 Manipulační linka FMS-200 je jedním z mnoha sofistikovaných a hlavně výukových systémů vyvýjených a prodávaných firmou SMC. Tento systém je ideální pro aplikaci v oblasti výuky průmyslové automatizace. Linka je plně modulární a hlavně flexibilní, to jak v ohledu organizace pracovních stanic, tak i aplikace do výrobního procesu. Celý systém je navržen tak, aby bylo možné jednotlivé pracovní stanice či buňky zakomponovat do didaktického nebo výrobního procesu podle potřeb podniků a výukových center. Celý systém linky se skládá až z deseti buněk a dopravního pásu (Obr. 2), jenž zajišťuje manipulaci

14


s produktem, ale díky zmíněnému flexibilnímu systému je možné jednotlivé části různě kombinovat nebo i bez problémů provozovat stanice samostnatně. (SMC International Training, 2009)

Obr. 2

Kompletní manipulační linka FMS-200 od firmy SMC

Není problém pořídit pouze určité části „skládačky“ a i přesto mít jistotu, že bude možné jej naplno využívat, aniž by nám chyběly ostatní části. S tím ostatně souvisí i výhoda v tom, že není nutné pořizovat všechny díly linky naráz, jelikož je s tím spojená velká finanční částka, jenž se pohybuje v řádech miliónů korun českých za celý komplet. (SMC International Training, 2009)

2.3 Pracovní stanice linky FMS-200 Celá linka se skládá z deseti samostatných stanic a příslušného pásového dopravníku, jenž má na starost dopravu a manipulaci s tělem, do kterého stanice montují různé kryty, šroubky a ložiska, dále pak s příslušným tělem vykonávají různé ověřovací a logistické operace. Níže budou vypsány jednotlivé stanice: 1.

Stanice týkající se této práce 1.1. Stanice pro podávání/ výběr ložisek 1.2. Stanice pro podávání šroubků

2.

Ostatní stanice 2.1. Stancie pro podávání těl 2.2. Stanice s hydraulickým lisem


2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7. 2.8.

15

Stanice pro podávání/ výběr krytů Stanice pro podávání/ výběr os Stanice robotického šroubování Stanice pro skladování těl Stanice pro schnutí barvy v peci Stanice kontroly kvality použitím umělého vidění

Každá stanice je postavená na základu hliníkového stolu, na němž jsou pomocí šroubů připevněny všechny potřebné komponenty, jako jsou například držák pro tělo, různé uchopení ramen, senzory atd. Na předním panelu jsou umístěny ovládací prvky, které si uživatel sám při objednávce zvolí. Pod předním panel jsou upevněny svorkovnice pro kabely a také zvolené PLC1 moduly. Na boku pod panelem je upevněn přívod stlačeného vzduchu. Pod každou nohou stolu jsou umístěná gumová kolečka vybavená brzdným systémem, který zamezí samovolnému pohybu. Toto řešení umožňuje snadnou manipulaci s celou stanicí a tím pádem není problém umístit ji kamkoliv v prostoru. Poslední významnou součástí každé stanice je systém simulace poruch TROUB-200, který umožní generovat až 16 chyb a ty uživatel posléze musí diagnostikovat. To je velice dobrá didaktická pomůcka, díky níž se výrazně ulehčí výuka odhalování a odstraňování chybných stavů při manipulaci s linkou. (SMC International Training, 2009) 2.3.1

Stanice pro podávání/ výběr loţisek

Jak už z názvu vyplývá, tak hlavní náplní této stanice (Obr. 3) je manipulace s ložisky. Ty jsou uloženy ve vertikálním zásobníku, ze kterého je za pomocí gravitační síly a podavače vytlačen na mikrospínač, jenž oveří a předá informaci řídicímu systému, že došlo k podání ložiska ze zásobníku. Poté pomocí ramene, na němž je umístěno paralerně se otevírající uchopovač ložisek, přenese na výtahovou platformu. Na ní se nachází vysouvací válec pro vycentrování a zajištění ložiska. Celá platforma vyjede nahoru, kde se nachází analogový lineární potenciometr, dojde ke změření výšky ložiska a na základě toho dojde buď k vyřazení ložiska, nebo následnému přemístění pomocí rotačního ramene s uchopovačem do příslušného těla. (SMC International Training, 2009)

1

PLC – programovatelný logický automat

16


Obr. 3

Stanice pro podávání/ výběr ložisek FMS-202

2.3.2

Stanice pro podávání šroubků

Náplní této stanice (Obr. 4) je vložení čtyř šroubků do připraveného těla. Všechny šroubky jsou skladovány ve vertikálním gravitačním zásobníku, na jehož spodní části se nachází dva protichůdné válce se západky, které slouží vzhledem k pohybu válců k uvolnění nebo zadržení šroubků v zásobníku. Poté co je uvolněn šroub, spadne do vozíku, kde se nachází optický senzor pro detekci přítomnosti šroubku. Po úspešné detekci je sřoub přepraven k posuvnému ramenu s uchopovačem, jenž jej přenese do připraveného těla. Linka sama o sobě nemá možnost manipulace s tělem. Z toho důvodu se o natočení a posunutí těla, tak aby bylo možné vložit do čtyř děr dané šrouby, musí postarat sám přepravní systém nebo uživatel. (SMC International Training, 2009)

Obr. 4

Stanice pro podávání šroubků FMS-206

Strojní vybavení modulů manipulační linky

17

3 Strojní vybavení modulů manipulační linky Abychom mohli začít úspěšně řídit, ovládat, kontrolovat a manipulovat s linkou a vytvářet pro ní příslušné řídicí programy, musíme se prvně seznámit s komponentami, z nichž je naše linka složená, pochopit princip jejich fungování, seznámit se s procesy a postupy vytváření, programování a upravování příslušných programů. Při bližším studiu zmíněných postupů a technologií zjistíme, že všechny mají jednu společnou vlastnost. A tou je náležitost všech pod obor automatizace. Je to mladý a neustále se rozrůstající obor, objevují se nové tehnologie, jenž jsou proti stávajícím rychlejší, přesnější a jednodušší na řízení. To se netýká jen technologií, ale i zavedených postupů, které jsou obměňovány a aktualizovány.

3.1 Pneumatický systém Podstatou pneumatiky je použití a využítí vlastností stlačeného plynu jako média. Jako médium se nejčastěji používá stlačený vzduch, jenž musí projít případnými úpravami, aby splnil požadavky a neohrozil chod ani funkce v použitém systému. Oblast použití je díky jeho vlastnostem a výhodám velmi široká. Lze jej použít nejen v průmyslové výrobě, pro pohánění manipulačních linek, různých pneumatických nářadích, ale i oborech jako je lékařství, automobilový průmysl a mnoho jiných. 3.1.1

Vlastnosti pneumatických prvků

Základní vlastnosti (Elektropneumatika, 2011a):  Dostupnost – v dnešní době je většina podniků vybavená rozvody stlačeného vzduchu, jelikož jej nepoužívají jen k pohánění manipulačních linek, ale i na jiné činnosti jako například chlazení, ofukování, pohánění pneumatického nářadí a jiné.  Mobilita – nejsme vázání jen na pevná místa. Díky kompresorům a přenosným láhvím se stlačeným vzduchem můžeme tento systém zprovoznit kdykoliv a kdekoliv.  Ekologie – při použití vzduchu nedochází k žadnému nebo minimálnímu zatížení životního prostředí a to díky filtrům, které zamezí jakémukoliv znečištění ovzduší.  Bezpečnost – tato vlasnost je klíčová pro didaktické účely. V případě přetížení nedojde k žádnému poškození, jelikož pohon pouze setrvá v dané poloze tak dlouho dokud jej neuvolníme. Také při úniku nebo porušení rozvodů nehrozí žadné vetší nebezpečí

18


 Ţivotnost – díky použití minimálních pohyblivých částí a jednoduché konstrukci prvků není potřeba provádět žadnou větší údržbu. Což výrazně snižuje náklady a případné opravy. Také vliv a dopad okolního prostředí je minimální, pokud je použitý kvalitní zdroj stlačeného vzduchu. 3.1.2

Výhody pouţití pneumatických prvků

Lze použít i jiné prvky jako jsou elektrické nebo hydraulické. Ale oproti nim mají pneumatické podstatné výhody (Elektropneumatika, 2011a):  Čistota provozu  Minimální riziko přehřátí a prvků  Při přetížení nedojde k poškození  Lze regulovat sílu a rychlost  Vzduch není potřeba odvádět zpět, ten je často vyfukován v daném prvku  Síla a akcelerace pneumatických pohonů 3.1.3

Nevýhody pouţití pneumatických prvků

I použití pneumatických prvků sebou přináší určité nevýhody (TZB-INFO, 2009):  Hlučnost při kompresi vzduchu a vypouštění vzduchu  Důraz na těsnost rozvodného systému  Na pístech nelze dosáhnout tlaků větších než 10 barů.  Menší přesnost polohování pohonů kromě krajních bodů  Nelze dosáhnout rovnoměrného pomalého přímočarého nebo rotačního pohybu 3.1.4

Výroba stlačeného vzduchu

Podstatou celého procesu je nasátí atmosférického vzduchu příslušným sacím otvorem, kde je zpravidla umístěný sací filtr, jenž má za úkol oddělit nasáté nečistoty ve vzduchu a tím zabránit poškození zařízení, a jeho stlačení na stanovenou hodnotu tlaku. Tento děj se odehrává v tzv. kompresorových stanicích, jež se bežně označují jako kompresory. Podle způsobu jakým dochází ke stlačování vzduchu rozlišujeme kompresory na objemové a proudové kompresory. (SMC Training, 2009a) Jak už z názvu vyplývá, hlavním principem u objemových kompresorů je stlačování objemu nasávaného vzduchu, což má za následek zýšení tlaku vzduchu. Běžně dosahují tlaku 7 až 10 barů. Druhy objemových kompresorů:  Pístový kompresor – podle názvu je jasné, že hlavní práci zde vykonává píst umístěný na klikové hřídely poháněný motorem, jenž bývá zpravidla


19

elektromotor. Píst se pohybuje v pracovní komoře od jednoho konce ke druhému. Na jednom konci se nachází dva ventrily, jeden z nich je sací a druhý je výpustný. Tento konec se nazývá víko kompresoru. Oba ventily jsou ovládány příslušnými rozvody, které ovládají otvírání a zavírání a tím umožňují stlačování vzduchu. (SMC Training, 2009a)  Membránové kompresory – hlavní komponentou je pružná membrána, ke které je na jedné straně připojena ojnice s klikovou hřídelí. Tím dochází k pohybu membrány nahoru a dolů a výsledkem je nasávání a stlačování vzduchu. (SMC Training, 2009a)  Lamelové kompresory – ve válcovém prostoru je excentricky uložen rotor, jenž má v četných drážkách uložené pohyblivé lopatky. Ty se vlivem rotačního pohybu rotoru vysouvají a tím zmenšují prostor pro nasávaný vzduch a zároveň jej tím stlačují. (SMC Training, 2009a)  Šroubové kompresory – jsou nejmodernější a nejtižší. Jejich základem jsou dva šroubovité válce, které do sebe přesně zapadají. Tím vzniká jediný prostor pro vzduch po stěnách pracovní komory. Tzn. od nasávacího otvoru je vzduch pohybem šroubů posouván k výfuku. Výsledkem je stlačování násávaného vzduchu. (SMC Training, 2009a) U proudových kompresorů je princip zcela odlišný. Nedochází zde ke stlačování vzduchu, ale vzduch je uveden do rychlého pohybu zapomoci vrtule nebo lopatkového kola a následně je tento vzduch vháněn do vzdušníku2, kde se jeho energie pohybová mění na tlakovou. Oproti pístovým kompresorům dosahují mnohem vyšších hodnot tlaků. (SMC Training, 2009a) Důležitou roli hraje taky způsob regulace činnosti kompresorů. U menších kompresorů se běžně užívá dvoustupňová regulace. Tzn. že každý takovýto kompresor má stanovenou maximální hodnotu tlaku, při dosažení této hodnoty dojde k vypnutí kompresoru a poté co tlak klesne pod dolní provozní hranici, dojde opět k zapnutí kompresoru. U vetších kompresorů by takové chování nebylo výhodné vzhledem k setrvačnosti hmoty. Takovéto kompresory běží nepřetržitě a jsou regulovány tak, když není potřeba dodávat tlak tak běží naprázdno, což znamená že můžou vypouštet stlačený vzduch do ovzduší nebo nasávací ventil zůstane uzavřený. (TZB-INFO, 2011) 3.1.5

Rozvod stlačeného vzduchu

Aby bylo možné dostat stlačené médium od kompresoru k jednotlivým prvkům, je potřeba vytvořit přepravní síť, která bude spojovat všechny prvky manipulační linky. K tomu lze použit:  Hliníkové trubky  Měděné trubky

2

Nádoba na zásobu stlačeného vzduchu

20


 PVC hadice Hlavní věc, na kterou se musíme především zaměřit, je zajištění těsnosti celého okruhu. To zajistíme volbou vhodných fitinek, jenž v kombinaci s hadicemi nebo trubkami eliminují uník média. Pokud je potřeba, můžeme použít i případně těsnící kroužky nebo vhodnou těsnící hmotu. Při netěsnosti dochází k úniku média, což má za násladek pokles tlaku a taky výrazně může prodražit provoz. 3.1.6

Ventily

Jejich hlavní náplní a funkcí v rozvodu stlačeného vzduchu je usměrňování toku vzduchu, regulace jeho rychlosti a objemu a s tím spojené spuštění či zastavení pneumatického prvku. Podle toho, jakým způsobem tuto činnost provádí, můžeme ventily rozdělit na (Elektropneumatika, 2011c):  Ventily řídicí směr toku proudu vzduchu  Ventily uzavírající nebo přehrazující tok proudu vzduchu  Ventily omezující průtok vzduchu  Ventily regulující tlak proudu vzduchu Ventily rozlišujeme podle principu ovládání na (Elektropneumatika, 2011c):  Monostabilní – ventil je aktivován přivedením signálu na vstup. Jakmile dojde k přerušení signálu, vrátí se ventil do základního stavu.  Bistabilní – ventil je ovládán oboustranně. Přivedením signálu na jeden ovládací vstup dojde k jeho aktivaci. I po přerušení tohoto signálu setrvá ventil v aktivním stavu a to do doby, než je přiveden signál na druhý ovládací vstup, který uvede ventil opět do základního stavu. Dále můžeme rozlišovat (Elektropneumatika, 2011c):

ventily

podle

způsobu

jejich

ovládání

 Mechanické ovládání – činnost ventilu je řízena mechanicky nebo uživatelem pomocí tlačítka, páky nebo pedálu.  Elektronické ovládání – princip řízení ventilů je založen na přivedení elektrického proudu na elektromagnet s jedním vynutím nebo s dvojím vynutím s opačnými účinky.  Tlakové ovládání – ventil je řízen přivedením tlaku na vstup ventilu  Kombinované ovládání – různé kombinace zmíněných způsobů ovládání ventilů.


3.1.7

21

Filtrace a úprava stlačeného vzduchu

Zbavení vyrobeného stlačeného vzduchu nečistot, jakou jsou různé drobné částečky rezu a prachu, vlhkost, olejová mlha3, je klíčovým prvkem pneumatického systému a jeho správné provedení a fungování je nezbytné při použití pro pohon manipulační linky. Největším přínosem pro linku spočívá ve snížení nákladů na údržbu a díky odstranění nečistot dojde k výraznému snížení rizika poškození použitých pneumatických prvků. I přes umístění filtru v sacím otvoru kompresoru, jenž nedisponuje dostatečnou jemností k zachycení veškerých nečistot. Během stlačování vzduchu v kompresoru může dojít ke vzniku vlhkosti a přimíšení oleje. Z toho důvodu je potřeba do systému zakombinovat přídavné prvky pro čištění stlačeného vzduchu. (SMC Training, 2009a) Jedním z takových prvků je rozprašovač oleje. Jeho úkolem je do obvodu vstřikovat kapičky oleje zajišťující dodatečné mazání pneumatických prvků. To je důležíté pro správnou funkci řídicích ventilů a pneumatických pohonů. Dalším výrazným přínosem oleje je zlepšování těsnosti celého systému. (Elektropneumatika, 2011b) Klíčovým prvkem je filtr vzduchu (Obr. 5). Ten má za úkol ze stlačeného vzduchu odstranit částečky nečistot a vlhkost, jenž se v obvodu může vytvořit a v kombinaci s určitými oleji může vytvořit substanci, jenž by mohla ucpat ventily apod. Za tímto účelem mají uzpůsobenou konstrukci. Nejčastěji jsou válcovitého tvaru a na spodku nádoby mají umístěný ventil pro vypouštění kondenzátu. Na víku nádoby je umístěn jemný filtr, přes který odchází vzduch a zároveň odstraní nečistoty, jenž se nezachytí na stěně válce. Vedle filtru se také nachází vstup pro stlačený vzduch. Ten je vháněn na strany nádoby, kde dochází k zachycení vlhkosti, oleje a nečistot. (Elektropneumatika, 2011b)

Obr. 5

Ukázka vzduchového filtru pro odstranění vlhkosti, oleje a nečistot

Posledním významným prvkem je tlakový regulační ventil. Jeho náplní a funkcí v systému je zabezpečit udržení tlaku stlačeného vzduchu ve stanovených 3

Olej který je rozprašován při stlačování vzduchu v kompresoru z důvodu mazání a chlazení

22


limitech. Výkyvy tlaku by nejen mohly způsobit poškození pneumatických komponent, ale také výrazně ovlivnit výkonnost linky. Princip funkce tohoto ventilu je založen na přerušení proudu vzduchu kuželem, na který je upevněna membrána. Stlačováním membrány dojde k uzavření ventilu. Ze spodní strany na membránu působí tlak, který jakmile dosáhne hodnoty tlaku pružiny, která působí na membránu z opačné strany, má za následek uzavření ventilu kuželem. Při poklesu vstupního tlaku, přužina membránu přetlačí a ventil se otevře. Tlak pružiny je možno nastavovat předepnutím. Vlivem opotřebení této pružiny dochází ke snižování vstupního tlaku, proto je potřeba občas provést potřebnou údržbu tohoto ventilu. (Elektropneumatika, 2011b) 3.1.8

Pneumatické pohony

Pneumatické pohony zabezpečují veškerý pohyb ramen, uchopovačů a válců manipulační linky. Stlačený vzduch je přiveden rozvody a aktivací příslušných řídicích ventilů do pohonu, kde na základě jeho konstrukce dojde ke spuštění mechanizmu pohybu. Rozlišujeme pohony rotační, kyvné a posuvné. Rotační pohony mají hřídel, na níž jsou připevněné lamely. Vzduch je zde vháněn do válce, kde jeho působením na lamely dojde k otáčení hřídele. (SMC Training, 2009b) Kyvné pohony pracují na podobném principu jak rotační pohony. Ale narozdíl od rotačních jsou omezené v úhlu natočení. Maximální úhel natočení je 360 stupňů. (SMC Training, 2009b) U posuvných pohonů vykonávají hlavní práci písty, proto bývají někdy nazývány jako pístové pohony. Vzduch je přiveden do válce, kde vyvine tlak na píst a tím dojde k posunu. Podle přívodu vzuduchu do válce rozlišujeme na:  Jednočinné válce – síla vyvinutá tlakem vzduchu na plochu pístu jednočinného válce působí pouze v jednom směru. Podle provedení válce ji lze využít jako sílu tažnou nebo jako sílu tlačnou. Po přerušení přívodu stlačeného vzduchu do válce je pístnice vrácena do výchozí polohy silou pružiny. (SMC Training, 2009b)  Dvojčinné válce – síla vyvinutá tlakem vzduchu na plochu pístu dvojčinného válce působí podle přívodu vzduchu střídavě v obou směrech pohybu pístu. Dvojčinné pneumatické válce se používají tam, kde mechanizmus i při zpětném pohybu má vykonávat práci. (SMC Training, 2009b) Typy válců lze rozdělit na pístnicové (Obr. 6), kde dochází k vysouvání nebo zasouvání pístnice4, a bezpístnicové (Obr. 6), kde se stůl pohybuje podél celé délky válce.

4

Součást, která prodložuje píst a vyčnívá z těla válce ven


Obr. 6

23

Typy válců (SMC Training , 2009b)

Kromě pístu může být u posuvného pohonu použita membrána. Takové pohony se nazývají membránové. Princip jejich funguvání je stejný jako u pístových. Vzduch je přiveden do válce, kde působením na membránu způsobí její deformaci, která je přenesa na táhlo s pružinou. (SMC Training, 2009b)

3.2 Snímače Vzhledem k funkcím a účelu manipulačních linek potřebuje řídicí systém získávat informace o přítomnosti nebo nepřítomnosti těles, jejich fyzikálních či chemických vlastnostech. Aby bylo možné tyto informace získat a následně předat řídicímu systému ve formě, jenž bude tento systém schopen zpracovat a rozeznat, jsou manipulační linky pro tyto účely vybaveny potřebnými snímači, jenž tvoří dokonalý spojovací most mezi řízením a technickou podstatou linky. Snímače můžeme rozdělit podle způsobu měření na dotykové a bezdotykové. 3.2.1

Mikrospínač

Obecně lze spínače definovat jako zařízení, jenž mechanickým pohybem dokáže spojit nebo rozpojit elektrický obvod. Na naší manipulační lince je použita specializovaná forma spínače, kterou nazývámé mikrospínač. Ty jsou v oblasti průmyslové automatizace velice rozšířené. Je to především kvůli jejich nízkým pořizovacím nákladům, dlouhé životnosti a jejich spolehlivosti vyplývající z jejich konstrukce. Plíšek připojený k jednomu z kontaktů uvnitř těla snímače spojující levý a pravý kontakt uvnitř spínače, je odtlačován pružinkou, čímž je zajištěno rozpojení celého obvodu. Na vnějšku je zpravidla umístěná kladka, jenž při stlačení zapříčiní přitlačení plíšku uvnitř těla spínače a díky tomu dojde ke spojení nebo rozpojení obvodu. Výsledkem je signalizace přítomnosti tělesa řídicímu systému.

24


Obr. 7

Příklad mikrospínače

3.2.2

Optický senzor

Někdy bývají nazývány jako fotoelektrické nebo optoelektrické senzory. Tyto senzory patří vedle indukčních senzorů k nejpoužívanějším v oblasti průmyslové automatizace. Mohou zde plnit různé funkce:  Detekce předmětů a těles  Kontrola výšky těles  Počítání množství prošlých těles  Hlídání směru pohybu dopravníků  A mnohé jiné Pomocí těchto senzorů můžeme z větší vzdálenosti snímat jakýkoliv materiál. Je tím eliminována možnost ovlivnění měření vnějším prostředím a zároveň je lze použít tam, kde by jiné senzory kvůli vnějšímu prostředí nebylo možné použít. Senzory pracují na principu vysílání paprsku světelných záblesků z vysílače, jenž jsou buď zachycovány přijímačem, nebo je jejich odraz zachycen zpět na vysílači. Podle toho rozlišujeme jednocestné světelné závory, reflexní závory a reflexní světelný snímač. (METO-FER.cz, 2008) Jednocestné světelné závory mají ve vysílači zabudovaný zdroj světtla vysílající záblesky infačerveného světla zachycované přijímačem. V momentu vložení nebo průchodu tělesa mezi zdrojem a přijímačem dojde k přerušení vysílaného paprsku. Tento výpadek má za následek změny stavu na výstupu a to je pak zachyceno řídicím systémem. (METO-FER.cz, 2008) Reflexní světelné závory fungují skoro stejně jako jednocestné závory. Přijímač a vysílač tvoří jednu komplexní jednotku. Paprsek vysílaný od vysílače narazí do připravené odrazové stěny odražející jej zpět na přijímač. Přerušení tohoto paprsku opět vyvolá změnu na výstupu. (METO-FER.cz, 2008) Reflexní světelný snímač je podobný opět reflexním závorám. Přijímač i vysílač opět tvoří jednotku vysílající a následně přijímající odražený paprsek. K odražení paprsku dojde jen v případě vložení tělesa do určité vzdálenosti. Přijímač změní svůj stav pouze v případě odrazu paprsku, dojde k sepnutí obvodu a vyslání signálu pro řídicí systém. Tyto snímače mohou být doplněné


25

optickými vlákny. Díky schopnostem vlákna odrážet světelné paprsky je nám umožněno snímat i prostory, kam by nebylo nemožné namontovat nebo umístit samostatné snímače. (METO-FER.cz, 2008) 3.2.3

Lineární potenciometr

Potenciometry jsou jednoduché rezistory s proměnlivou hodnotou odporu. Ke změně odporu dochází posunem jezdce po předem dané dráze. U lineárních potenciometrů se hodnota odporu mění lineárně. Existují i potenciometry, kde se hodnota odporu mění exponenciálně a logaritmicky. Podle tvaru dráhy pro pohyb jezdce rozlišujeme potenciometry otočné a posuvné. U otočných potenciometrů se jezdec pohybuje po otáčivé ose, u posuvných se jezdec pohybuje přímočaře. V případě manipulační linky FMS-202 není potenciometr využíván pro změnu odporu v elektrickém obvodu, ale na základě hodnoty odporu, jenž vznikne posunem jezdce při manipulaci v rámci linky, předané řídicímu systému dojde k selekci ložiska na základě jeho hodnoty výšky.

26


4 Programovatelný logický automat S rozvojem nových komplikovanějších a složitějších výrobních procesů a strojů se zvyšovaly požadavky na jejich řízení, kontrolu a diagnostiku. To ovšem bylo možné zajistit jen za použití reléových systémů, manuálních zásahů obsluhy nebo použitím počítačů, jenž ve svých počátcích nebyly zrovna nejlepší volbou. To mělo za následky velkou finanční náročnost, vyžadovalo častou údržbu, mohlo docházet ke vzniku chyb nebo nepřesností a hlavně výrazně omezovalo jejich nasazení. Postupem času docházelo v oblasti informačních technologií k velkým technologickým pokrokům, díky nimž došlo k výraznému rozšíření počítačů do oblasti automatizace. To umožnilo vytvoření programovatelných logických automatů (dále jen PLC), jenž oproti stávajícím řešením bylo možné nasadit i v těch nejnáročnějších oblastech průmyslu, výrazně snížilo finanční náklady, požadavky na údržbu, ulehčilo a urychlilo automatizační procesy. V prvních fázích svého vývoje neopanovalo PLC mnohými funkcemi a možnostmi řízení. Časem a intenzivním vývojem přešlo PLC od jednoduchého logického binárního řízení po komplexní řídicí systém disponující četnými funkcemi a možnostmi komunikace v rámci celého automatizovaného výrobního procesu.

4.1 Definice PLC PLC je počítačový systém speciálně koncipovaný pro obsluhu a řízení automatizovaných průmyslových procesů a strojů. Tomu je samozdřejmě uzpůsobena jeho konstrukce a funkce. PLC je speciálně vybaveno komponentami pro práci a komunikaci s jednotlivými částmi automatizovaného průmyslového procesu. Mezi prvky pro práci s periferiemi patří (EAutomatizace, 2012):  Vstupy – rozlišujeme digitální a analogové  Výstupy – stejně jako u vstupů rozlišujeme digitální a analogové  Specializované funkční moduly – ty jsou určené pro pro specifické úkoly a nebo jen podporují či rozšiřují již stávající použité moduly V rámci PLC můžeme tyto periferní moduly zařadit mezi tu nejdůležitější část. Dalšími podstatnými prvky jsou (E-Automatizace, 2012):  Centrální výpočetní jednotka – vykonává a zpracovává instrukce  Operační paměť – místo pro uložení dat potřebných pro práci centrální výpočetní jednotky  Sekundární paměť – uložení uživatelského programu


27

Náplní této centrální části PLC je provedení a zpracování dat z periferií, na základě nahraného uživatelského programu a následně aktivovat příslušné výstupy.

4.2 Zpracování uţivatelského programu PLC má specifické zpracovávání uživatelského programu, jaké težko najdeme u jiných programovacích jazyků. Hlavním rysem je cycklické zpracování programu. To znamená dokud zásahem uživatele, splněním přednastavené podmínky nebo vyvoláním neočekávaného stavu, nedojde k přerušení běhu programu, tak je prováděn neustále pořád dokola. Programovací jazyk, jenž PLC používá, je specifický a u většiny PLC systému je, až na různé drobnosti upravené výrobcem, podobný. To ovšem znamená, že nelze přenášet vytvořený program mezi různými systémy, ale pouze v rámci konkrétního systému. PLC jazyk rozdělujeme na grafické a textové (rozdíly budou popsány vrámci kapitoly o Simatic systému firmy Siemens).

4.3 Komponenty PLC 4.3.1

Komunikační rozhraní

Zajišťuje komunikaci mezi PLC a počítačem či serverem. Pomocí tohoto rozhraní dojde k navázání spojení s PLC a je umožněn přenos uživatelských programů do nebo z PLC. Rozlišujeme:  Sériový port  Paralerní port  Universální sériový port  Ethernet  A jiné 4.3.2

Zdroj

Zdroj PLC se stará o napájení všech součástí jako je CPU, vstupy, výstupy a všech ostatních částí. Může být integrován přímo v PLC modulu nebo jako samostatný modul. Vlastnosti a výkon zdroje odpovídají potřebám všech modulů daného PLC. (Bolton, 2006, s. 4) 4.3.3

Centrální výpočetní jednotka

Centrální výpočetní jednotka (z anglického Central Procesing Unit) je hlavní řídicí prvek PLC. Obsahuje samotný mikroprocesor s řadičem. Stejně jako u osobních počítačů, může CPU být jednojádrové nebo i, u novějších PLC, vícejádrové. V pravidelných časových intervalech (řádech ms) provádí svůj cyklus, kdy prvně oskenuje vstupy, zapíše si jejich hodnoty do paměti, provede

28


operace na základě uživatelského programu, zapíše data do paměti, oskenuje výstupy a poté nastaví patřičné hodnoty výstupů. (Bolton, 2006, s. 4) Mezi hlavní funkce CPU patří:  Aktualizace vstupů a výstupů  Vykonávání logických a aritmetických funkcí  Správa paměti  Komunikace s uživatelským rozhraním  Čtění uživatelského programu 4.3.4

Paměť

Paměť můžeme rozdělit na:  Sekundární paměť – někdy může být nazývána jako uživatelská. Její hlavní funkcí a účelem je ukládání uživatelského programu. Dříve byli PLC k tomuto účelu osazovány EPROM5 a EEPROM6 pamětmi. Tento typ pamětí je určen pouze pro čtení a pro nahrání nového programu je potřeba pamět celou kompletně vymazat a poté za výrazně zvýšeného napětí dojde k nahrání nového. Kvůli náročnosti celé této procedury byly tyto paměti postupem času nahrazeny flash pamětmi, jež nabízejí větší kapacitu, rychlost a jednodušší způsob nahrávání uživatelského programu. (Pavela, 2012)  Operační paměť – hlavní rozdílem oproti sekundární paměti je možnost zápisu do paměti a slouží pouze pro CPU. K tomuto účelu jsou použity paměti typu RAM7. Zde si výpočetní jednotka adresuje paměť pro vstupy a výstupy, vytváří a spravuje registry a zápisy, ukládá a spravuje použité proměnné. (Pavela, 2012) 4.3.5

Vstupy a Výstupy

Vstypu a výstupy jsou speciálně uzpůsobené pro přímou komunikaci s částmi automatizovaného průmyslového procesu. Rozlišujeme:  Analogové vstupy a výstupy – jsou uzpůsobeny pro komunikaci a ovládání příslušných fyzikálních a chemických snímačů zapojených do automatizovaného procesu. Aby PLC mohly tyto signály zpracovat musí být prvně převedeny z analogového signálu na digitální signál. K tomu jsou analogové vstupy vybaveny A/D převodníkem a výstupy zase D/A převodníkem. Analogové výstupy umožňují řídit zařízení se spojitým

Název pochází z anglického Erasable Programmable Read-Only Memory. Název pochází z anglického Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory. 7 Paměť s přímým přístupem. Název pochází z anglického Random-Access Memory. 5

6


29

vstupním signálem jako např. motory, měniče, servopohony atd. (Pavela, 2012)  Digitální vstupy a výstupy – někdy bývají označovány jako binární. Základem je dvouhodnotový vstupní a výstupní signál. Díky tomu jsou ideální pro obsluhu ventilů, snímačů detekujících prezenci těles atd. (Pavela, 2012)

4.4 Typy provedení PLC PLC lze rozlišit podle jejich provedení na kompaktní a modulární systém. Hlavním kritériem tohoto rozdělení je způsob složení, počet komponent a případné možnosti rozšíření systému. 4.4.1

Kompaktní systém

Můžeme si jej představit jako ucelenou jednotku integrující v sobě centrální výpočetní jednotku, rozhraní pro komunikaci, zdroj, digitální a popřípadě analogové vstupy a výstupy. Tento systém má velmi omezené možnosti rozšíření a to jen v podobě přidání specializovaných modulů. (Pavela, 2012) 4.4.2

Modulární systém

Modulární systém si můžeme představit jako „stavebnici“, kde si uživatel volí, vzhledem k funkci a potřebám průmyslového procesu, jednotlivé komponenty tzv. moduly. Systém se musí skládat z napájecího zdroje, centrální výpočetní jednotky, digitálních a analogových vstupů a výstupů. Zbytek složení systému si už může uživatel volit sám podle potřeby. Možnosti rožíření jsou skoro neomezené. Jediné omezení, jež se může vyskytnout, spočívá v konstrukci samotného systému jako např. počet vstupů a výstupů, které dokáže obsluhovat, prostorové omezení, počet konektorů pro projení jednotlivých modulů a jiné. (Pavela, 2012)

30


5 Řídicí systém SIMATIC S7-300 Řídicí systém SIMATIC S7-300 je jedním ze systému spadajících pod PLC systém SIMATIC S7 (dále jen S7) od firmy Siemens AG. Jedná se o různé modulární PLC systémy, jenž lze podle potřeby uživatele přesně sestavit a uzpůsobit. Díky tomu lze dosáhnout maximální efektivity v průmyslové automatizaci a zajistit maximální finanční úspory firmy. Pod S7 spadá:  S7-200  S7-300  S7-400  S7-1200  S7-1500 Rozdíly mezi jednotlivými systémy jsou:  Komunikační možnosti  Výkonnost a instrukce CPU  Možnosti rozšíření  Vhodnost nasazení Systém S7-300 je jedním z nejrozšířenějších a nejprodávanějších systemů z řady S7. Jeho hlavní výhodou je vysoká modulárnost, lze jej aplikovat v mnoha různých oblastech, jednoduchá údržba atd. Pro programování využívá vývojové prostředí STEP7. (Siemens AG, 2013a) Všechny uvedené systémy spadají pod koncepci TIA (Totally Integrated Automation8) vyvíjenou firmou Siemens AG. Hlavním cílem této koncepce je skloubit hardwarovou a softwarovou stránku automatizačních procesů v průmyslu. To znamená, že jsou zde zahrnuty řídicí systémy, techniky pohonů, spínací techniky, informační systémy a technologie atd. Díky tomuto je zaručena vysoká flexibilita celého systému, výrazně dojde ke snížení nákladů na provoz a údržbu, dojde ke zkracení projektové doby a je zlepšena výkonnost celého výrobního procesu. (Siemens AG, 2013b)

5.1

Komunikační rozhraní

S7-300 systém je vybaven a podporuje různé komunikační protokoly a systémy, pomocí nichž můžeme navázat spojení s jednotlivými systémy, ale také vytvářet rozsáhle sítě obsahující velký počet různých stanic. Za zmínku stojí (Siemens AG, 2013a):

8

Plně integrovaná automatizace


31

 AS-Interface – pomocí něj lze vytvořit jednoduchou síť, která propojuje řídicí člen s digitálními a analogovými prvky. K řídicímu členu lze připojit až 62 prvků.  Profibus – pomocí něj lze vytvořit rozsáhlé sítě propojující SIMATIC systémy společně i s jinými systémy od jiných výrobců. Rozlišujeme Profibus-DP, určený pro projení řídicích jednotek, dále Profibus-FMS, určený pro připojení vstupů a výstupů a poslední Profibus-PA, určený pro zabezpečený přenos.  Průmyslový ethernet – u S7 bývá nazýván PROFINET. Je založený na na technologii ethernetu duplex s rychlostí 10 nebo 100 Mbit/s a využívá TCP/IP protokol. Pomocí této technologie můžeme vytvářet rozlehlé lokální sítě.  MPI rozhraní – využívá se jako přímy vstup pro programování. Každé CPU má svou vlastní MPI adresu.

5.2 Druhy procesorů CPU je jedním z nejdůležitějsích prvků systému. Má za úkol řídit vstupy a výstupy, zpracovávat cyklicky uživatelský program a obstarávat komunikaci. V rámci systému je s procesorem spojeno rozdělení paměti na (Siemens AG, 2013c):  Load memory – zde jsou ukládány všechny náležitosti spojené s uživatelským programem a program samotný. Vše je to uložené na SIMATIC MMC9 kartě, kterou lze kdykoliv vyjmout nebo popřípadě vyměnit za jinou.  System memory – integrována přímo v CPU a tudíž nemůže být nijak rozšířena. Jejím hlavním úkolem je adresace I/O10 (bývá nazýváno Process Images) a uložený bitových proměných různých časovačů, čítačů atd.  Work memory – také integrována přímo do CPU. Slouží pro ukládání dat během zpracovávání uživatelského programu. Procesory můžeme podle jejich složení a účelu rozlišit na (Siemens AG, 2013c):  Standartní CPU – samotné CPU, často vybavené zdrojem, standartně MPI rozhraním doplněným o PROFIBUS a PROFINET rozhraní. Podle potřeby si uživatel může vybrat vhodné CPU odstupňováné podle potřeb pro zatížení atd.  Kompaktní CPU – samotné CPU bývá doplněno o A/D vstupy a výstupy, jenž si podle potřeby může uživatel sám rozšířit přidáním příslušných

9

Micro memory card Zkácený zápis pro vstupy a výstupy

10

32


modulů. Jeho výhodou je rychlé nasazení tam, kde není potřeba velkém množství vstupů nebo výstupů.  Bezpečnostní CPU – mají v sobě začleněné funkce pro ochranu a bezpečnost personálu, prostředí a samotného zařízení.  Technologické CPU – mají přímo v sobě integrované funkce pro řízení polohy, pohybu a technologických procesů. Každý CPU modul má na sobě led diody indikující stav modulu. Kromě diod obsahuje přepínač funkcí, pomocí nějž můžeme měnit druh provozu modulu. Pozice jsou:  RUN – v této pozici CPU zpracovává nahraný program a funkce programování CPU jsou částečne povoleny (pouze pro čtení)  RUN-P – v této pozici CPU pouze zpracovává nahraný program a funkce programování CPU jsou zakázány  STOP – v této pozici CPU nezpracovává nahraný program a všechny funkce programování jsou povoleny  M-RES – v této pozici dojde k vymazání dat z paměti CPU

5.3 Adresace proměných 5.3.1

Uloţení v paměti

CPU si v paměti vytváří oblasti, kam si ukládá informace o stavech a vlastnostech proměnných, vstupů, výstupů atd. Adresa pro přístup do paměti se skládá z:  Identifikátor (např. I,Q,M)  Číslo složené z bytu a bitu oddělenné tečkou (124.1)  Typ dat (byte, word, double word, integer) Rozlišujeme identifikátory:  Input memory (I) – lze přeložit jako obraz vstupů. Zde jsou uloženy všechny dostupné vstupy s jejich hodnotami, se kterými CPU může pracovat. Typické využití je u digitálních vstupů. Přečťení dat je vzhledem k jejich uložení v paměti velice rychlé. (Jones, 2006, s. 196)

Řídicí systém SIMATIC S7-300 Tab. 1

33

Input memory (I)

Uloţení v paměti Input Input Byte Input word Input Double Word

Označení v S7 I IB IW ID

Příklad I 124.1 IB 124.1 IW 124.1 ID 124.1

 Output memory (Q) – obraz výstupů. Zde se ukládají všechny adresy, typy a hodnoty výstupů, se kterými může CPU pracovat. Typické využití je u výstupních digitálních modolů. Má stejné výhody jako Input memory. (Jones, 2006, s. 196) Tab. 2

Output memory (Q)

Uloţení v paměti Output Output Byte Output Word Output Double Word

Označení v S7 Q QB QW QD

Příklad Q 4.1 QB 4.1 QW 4.1 QD 4.1

 Peripheral memory (PI/PQ) – periferní paměť. Oproti I a Q memory se líší hlavně tím, že místo aby bylo přistupováno do paměti pro hodnoty I/O, jsou data načítána přímo z vstupních a výstupních modulů a poté uložena do paměti. To sebou nese i delší časovou prodlevu, než se data z modulu dostanou k CPU pro zpracování. Zde je potřeba si dát pozor, aby časová prodleva nebyla delší než pracovní cyklus CPU. Periferní paměti se hlavně využívá pro práci s analogovými vstupními a výstupními moduly. (Jones, 2006, s. 197) Tab. 3

Peripheral memory (PI/PQ)

Uloţení v paměti Peripheral Input Byte Peripheral Input word Peripheral Input Double Word Peripheral Output Byte Peripheral Output Word Peripheral Output Double Word

Označení v S7 PIB PIW PID PQB PQW PQD

Ukázka PIB 288 PIW 288 PID 288 PQB 299 PQW 299 PQD 299

 Bit memory (M) – vyhrazená pamět pro ukládání dat z logických a binárních operací. (Jones, 2006, s. 197)

34


Tab. 4

Bit memory (M)

Uloţení v paměti Memory Memory Byte Memory word Memory Double Word

Označení v S7 M MB MW MD

Příklad M 0.0 MB 0.0 MW 0.0 MD 0.0

 Timer memory (T) – paměť pro časovače. Časovače jsou uloženy v proměnné typu word, která obsahuje aktuální a základní čas. V programu jej najdeme označené jako T01, T02 atd. (Jones, 2006, s. 198)  Counter memory (C) – paměť pro čítače. Stejně jako u časovačů, jsou čítače uložené v proměnné typu word, kde je uchovávána jeho hondota. Počet čítačů, jenž můžeme použít záleží na CPU. V programu jej najdeme označené jako C01, C02 atd. (Jones, 2006, s. 198)  Local memory (L) – lokální paměť. Je svázána s příslušným blokem (viz níže) a jejím úkolem je ukládat proměnné daného bloku, s nimiž lze jen manipulovat v rámci příslušného bloku. (Jones, 2006, s. 198) 5.3.2

Typy adresace

Adresy můžeme rozdělit na (Jones, 2006, s. 196):  Přímé – ukazuje přímo na pozici v paměti (např. I M1.1)  Nepřímé – ukazuje na pozici v paměti za pomoci ukazatele (např. I[MD56])  Absolutní – potřebuje pro adresaci jen identifikátor a typ dat (např. I 0.5)  Symbolické – za využití tabulky symbolů stačí jen dostadit jméno (např. start_t) Tabulka symbolů slouží pro uložení všech adres použitých v rámci vytvořeného programu. Těmto adresám následně přiřadíme symbolické adresy. V programu už pouze používáme tyto symbolické adresy. Díky tomuto dosáhneme větší přehlednosti programu. 5.3.3

Datové proměnné

Jsou důležíté pro organizaci a uchování uživatelských dat. Říkají nám, jakým způsobem jsou naše data uchovávána v paměti.

Řídicí systém SIMATIC S7-300 Tab. 5

35

Základní datové proměnné (Jones, 2006, s. 200)

Formát

Rozsah

Bool Byte Word

Počet bitů 2 8 16

Boolean text Hexadecimální Hexadecimální

Dword

32

Hexadecimální

Integer

16

Decimální hodnota

Dinteger

32

Decimální hodnota

True – False B#16#0 to B#16#FF W#16#0 to W#16#FFFF DW#16#0000_0000 to DW#16#FFFF_FFFF -32768 to 32767 L#-2147483648 to L#2147483647

32

Hodnota s plovoucí desetinou čárkou

Typ

Real S5Time

16

S5 čas (10 ms)

Time

32

Čas (1 ms)

Date

16

Datum (1-den)

Time_Of_Day Char

8

Čas dne (1 ms) ASCII znaky

3.402823e+38 to 1.175495e-38 S5T#0H_0M_0S_10MS to S5T#2H_46M_30S_0MS and S5T#0H_0M_0S_0MS T#24D_20H_31M_23S_648MS to T#24D_20H_31M_23S_647MS D#1990-1-1 to D#2168-12-31 TOD#23:59:59.999 A, B, C, atd.

Kromě těchto elementárních proměnných můžeme v S7 prostředí využít i komplexnější datové proměnné (Jones, 2006, s. 206):  String – klasický řetežec až 254 znaků + 2 znaky jako hlava řetězce  Date_And_Time – uložená proměnná obsahuje informaci o datumu a čase  Array – pole o definované velikosti s definovaným typem proměnné obsažené v jednotlivých prvcích pole  Struct – proměnná, do které lze uložit definovanou strukturu složenou z různých datových proměnných  UDT – tzv. uživatelský datový typ  Parametrové datové proměnné – slouží k možnosti volání časovačů, čítačů a bloků jako formálních parametrů

36


5.4 Typy bloků Základními kameny v S7 jsou bloky, ze kterých se skládá vytvořený řídicí program. Díky tomu je umožněno docílit přehledného a efektivního řídicího programu. 5.4.1

Systémové bloky

Systémové bloky jsou hlavní bloky, jenž obsahují systémové funkce a systémové funkční bloky, jenž jsou důležité pro práci CPU a běh systému. Uživatel může tyto funkce volat i ve svém uživatelském programu. Umožňují nastavit přerušení, upravit a nastavit čas, zasílat zprávy, řídit komunikaci a mnohé jiné. (Jones, 2006, s. 188) 5.4.2

Organizační bloky

Jsou nejdůležitější části vytvářeného uživatelského programu. Zajišťují důležité propojení mezi operačním systémem a uživatelským programem. To si lze vysvětlit tím, že organizační bloky plní různé funkce vrámci běhu programu. Organizační bloky (dále jen OB) rozlišujeme na (Jones, 2006, s. 188):  OB1 – normální cyklický běh programu  OB10-17 – bloky zpracovávané jen ve specifických dnech a časech  OB20-23 – přeruší běh programu v určených časových intervalech  OB30-38 – vyvolají cyklické přerušení v určených intervalech  OB40-47 – jsou zavolány při specifických hardwarových přerušeních  OB60 – bloky volané u vícejádrových procesorů  OB70-73 – jsou zavolány při redundantní chybě  OB80-87 – jsou zavolány při systémové chybě  OB90 – zavolány pro provedení nedůležitého programu na pozadí  OB100-101 – zavolány při zapnutí CPU k provedení úkonů při iniciaci  OB121-122 – zavolány při chybě běhu uživatelského programu 5.4.3

Funkce

Funkce (FC) jsou nejčastěji používaným blokem v uživatelských programech. Tvoří až 80 % celkového programu. Jsou vhodné pro zápis jednoduchých logických funkcí až po složité komplexní operace. Funkce můžou mít i návratový parametr, jež předají bloku, který ji zavolal. Proměnné si ukládají mezi globální, tzn. odkudkoliv z programu může být s proměnnými pracováno. (Jones, 2006, s. 191)


5.4.4

37

Funkční bloky

Funkční bloky (FB) mají stejnou podstatu fungování jako funkce. Podstatný rozdíl je v nakládání s proměnnými. S těmi lze jen pracovat vrámci funkčního bloku a pro ostatní bloky jsou nepřístupné. K tomu účelu musí být ke každému FB přiřazený příslušný datový blok. (Jones, 2006, s. 190) 5.4.5

Datové bloky

Datové bloky (DB) mají za úkol ukládat a organizovat různé proměnné a data potřebné pro běh uživatelského programu. Rozlišujeme sdílené datové bloky (někdy nazývány globální), jenž jsou přistupné pro všechny bloky v uživatelském programu, a instanční datové bloky, jenž jsou vytvářeny pro příslušné funkční bloky, se kterými jsou svázany a mají jako jediní možnost pracovat s daty uloženými v tomto DB. (Jones, 2006, s. 192)

5.5 Programovací jazyk Pro psaní uživatelských řídicích programů nabizí S7-300 možnost využití jak textových tak i grafických jazyků. 5.5.1

Ladder (LAD)

Jedná se o grafický programovací jazyk. Můžeme si jej představit jako malování schémat s funkčními prvky. Bývá nazýván jako jazyk kontaktních schémat. Hlavní jednotkou je zde síť, která je zleva a zprava ohraničena. Ohraničení značí napájecí sběrnice. Na tyto sběrnice pomocí vodorovných čar připojujeme kontakty (spínací, rozpínací atd.), funkce a případné bloky (organizační, funkce, funkční bloky apod.) použité v uživatelském programu. (Fůsek, 2010)

Obr. 8

Ukázka jazyku LAD

5.5.2

Function Block Diagram (FBD)

FDB je dalším z řady grafických programovacích jazyků. Narozdíl od LAD jsou zde zobrazovány bloky spojené jako např. u elektrických obvodů. Hlavní funkcí těchto bloků je zpracovávání signálů. (Siemens AG, 2013c)

38


Obr. 9

Ukázka jazyku FBD

5.5.3

Instruction List (IL)

Instruction list si můžeme představit jako „seznam instrukcí“, který CPU zpracovává po řádcích. Každý řádek z této sekvence instrukcí obsahuje návěstí ukončené dvojtečkou, které je nepovinné, příslušný operátor doplněný případně tzv. modifikátorem a operandem. Pomocí operandů můžeme nastavit návrat instrukce, její prioritu a případné skoky. (Fůsek, 2010)

Obr. 10

Ukázka jazyku IL

5.5.4

Structured Control Language (SCL)

SCL je jazyk určený pro programování náročných a komplexních algoritmů. SCL je upravená verze ST (jazyk strukturovaného textu) jazyka podle požadavků firmy Siemens. Jazyk kombinuje elementy vyšších programovacích jazyků jako např. jazyku C, Pascal, C++ atd. Díky tomu můžeme pro programování používat podmíněnné funkce, výrazy a příkazy. (Siemens AG, 2013c)


Obr. 11

Ukázka jazyku SCL

5.5.5

Simatic S7-Graph

39

Tento grafický jazyk je zaměřen pro programování procedur s alternativní nebo paralerní posloupností kroků. Tyto procesy popisuje graficky a rozděluje je do individuálních kroků a popisuje jejich podmínky a funkce. Umožňuje součastné a paralerní stromy, přeskakování mezi jednotlivými sekvencemi a krokové zapínaní nebo vypínání. (Siemens AG, 2013c)

Obr. 12

Ukázka S-Graph jazyku

40

Řídicí program

6 Řídicí program V této kapitole budou popsány náležitosti spojené s vytvořením řídicího programu pro FMS-200 linku s řídicím systémem S7-300 od firmy Siemens. Zároveň zde bude popsán i samotný uživatelský řídicí program, který byl hlavní praktickou náplní této práce.

6.1 Potřebné vybavení Nejdůležitějším prvkem je samotná linka FMS-200. V našem případě se budeme zabývat moduly FMS-202 (práce s ložisky) a FMS-206 (práce se šroubky). Tyto linky jsou vybavené řídicím modulem S7-300. Druhou klíčovou komponentou je PC stanice, pomocí níž budeme komunikovat s linkou a zároveň na ní vytvářet samotný program. Stanice musí splňovat minimálními požadavky:  Dvoujádrový procesor s minimální frekvencí 1,7 GHz  Operační paměť o velikosti 2 GB RAM  Grafická karta s 128 MB RAM  Úložný prostor s minimálním volnou kapacitou 4 GB  Síťová karta 10/100/1000 Mbit/s  Operační systém Windows XP/Windows 7  Optická mechanika Poslední komponentou je vytvoření ethernetové síťě pro propojení PC stanice s linkami. K tomu využijeme switch, který nám umožní trvalé propojení všech komponent bez nutnosti přepojování.

6.2 Software Pro vytváření řídicích programů budeme používat software TIA portál V11 dodávaný firmou Siemens. TIA portál v sobě integruje:  STEP7 v11 – prostředí určené pro řízení, vývoj a vytváření PLC programů pro všechny řídicí systémy spadající pod SIMATIC S7.  WinCC v11 – prostředí určené pro tvorbu operátorských rozhraní (HMI11) pro řízení automatizačních průmyslových procesů. Lze samozdřejmě použít zmíněné pvky samostatně, ale použitím TIA portálu máme všechno pod „jednou střechou“ a díky tomu si usnadníme a zpřehledníme práci během programování.

11

Human Machine Interface

Řídicí program

41

6.3 Vytvoření řídicího programu Samotné vytváření řídicího programu probíhalo v již zmíněném TIA portálu v11. K úspěšnému vytvoření řídicího programu pro naše linky je potřeba založit nový projekt, u nějž musíme dodržet a splnit pár následujících kroků, které budou rozepsány v následujících podkapitolách. 6.3.1

Spojení s linkou

Poté co jsme fyzicky propojili linku pomocí ethernet kabelu s PC stanicí, musíme si prvně zvolit správný komunikační protokol. V našem případě se jedná o PROFINET spojení. To využívá TCP/IP protokol pro komunikaci. Z toho vyplývá nutnost si zjistit IP adresu modulu. Pokud tuto adresu neznáme, musíme použít funkci „Scan for accessible devices“ (Obr. 13), pomocí níž nalezneme všechny dostupné moduly na naší síti společně s jejich IP adresami. Po zjištění IP adresy modulu a jejím zanesením v hardwarové konfiguraci (viz níže), můžeme pomocí funkce „Go Online“ navázat spojení s modulem a procházet, nahrávat a stahovat řídicí program.

Obr. 13

Ukázka funkce „Scan for accessible devices“

6.3.2

Hardwarová konfigurace linky

Nejdůležitější věcí při vytváření nového projektu je určení, o jaký typ řídicího systému se jedná a jaké je jeho přesné fyzické složení. Jak již bylo zmíněno v teoretické části, je toto klíčový krok. Pomocí tohoto nástroje můžeme pro každou komponentu použitou na naší lince nakonfigurovat její vlastnosti. To je důležité pro správnou funkci řídicího programu. Co je potřeba nastavit:

42

Řídicí program

 Vybrání CPU o Vybereme vhodný komunikační protokol pro spojení s PC stanicí a ostatními PLC moduly o Nastavíme IP adresu, kterou jsme si předtím zjistili  Vybereme použité I/O moduly o U každého modulu musíme nakonfigurovat počáteční adresu I/O

Obr. 14

Ukázka hardwarové konfigurace

Správná a hlavně přesná hardwarová konfigurace je velice důležitá. Při špatném nastavení se může stát, že nám nebude fungovat komunikace, systém nebude registrovat vstupy a výstupy atd. 6.3.3

Nahrání vytvořeného programu

Poté co jsme úspěšně navázali spojení s linkou, nastavili jsme hardwarovou konfiguraci, vytvořili a odzkoušeli PLC program, můžeme přistoupit k jeho nahrání do lokální paměti modulu. Pokaždé, když vytváříme nový program, musíme provést memory reset paměti modulu CPU. To provedeme posunutím páčky na modulu CPU do pozice M-Res a tam jej podržíme tak dlouho, dokud led dioda s označením stop nepřestane blikat. Poté tuto páčku přeneseme opět do pozice run. Díky tomuto dojde k eliminaci ovlivnění průběhu našeho programu předešlým nahraným programem.

6.4 Simulace řídicího programu Během vývoje řídicího programu je potřeba si odzkoušet jeho běh a odhalit tak případné nedostatky. Jedním ze způsobů je možnost vzít náš program, nahrát jej do paměti modulu a spustit. To ovšem sebou nese možnost poškození linky

Řídicí program

43

v důsledku výskytu případných chyb ve vytvořeném programu. Aby k tomu nedošlo, můžeme radši použít PLCSIM, jenž je součástí samotného TIA portálu. Ten můžeme zavolat pomocí funkce „Simulation“. Jako spojení je důležité ponechat MPI rozhraní. Pomocí zobrazeného okna můžeme bezpečně simulovat námi vytvořený program, ověřit si tak jeho průběh a předejít případným poškozením linky.

Obr. 15

Ukázka PLCSIM

Jak je vidět z přiloženého obrázku (Obr. 15) v rámci PLCSIMU můžeme simulovat:  Hodnoty digitálních a analagových I/O  Uložení proměných v paměti  Řídit běh CPU  Přidávat různé moduly  A jiné Námi napsaný program pro simulaci se nijak neliší od toho, co následně nahrajeme do lokální paměti CPU modulu pro řízení naší linky. Využitím této vlastnosti dosáhneme výrazně urychleného a bezpečného přechodu ze simulace do normálního bezpečného provozu linky.

44

Řídicí program

6.5 Vytvoření HMI rozhraní K vizualizaci průmyslových procesů je TIA portál vybaven WinCC prostředím, jenž je určeno pro vytváření HMI rozhraní. Toto rozhraní bude využito pro vizualici běhu simulace námi vytvořeného řídicího programu. WinCC je vybaven různými grafickými prvky a animacemi pro potřebná zobrazení klíčových akcí:  Stisk tlačítka Stop, Start, Reset  Indikace prezence šroubku nebo ložiska  Stav zásobníku  Velikost ložiska K tomu aby bylo možné vytvořit vizualní rozhraní je potřeba zajistit následné kroky:  V hardwarové konfiguraci zvolíme nové HMI zařízení se správnou velikostí obrazovky a podporou MPI propojení  V konfiguraci síťe je potřeba zajistit propojení mezi PLC zařízením a HMI rozhraním pomocí MPI  Je tu možnost vytvořit více vizuálních obrazovek, proto je potřeba zvolit výchozí obrazovku  Po úspěšném nastavení komunikace a vytvoření obrazovky můžeme na obrazovku začít přidávat prvky jako např. přepínače, signalizaci I/O atd.  U každého prvku je potřeba upravit jeho nastavení, vzhled, animace a jako nejdůležitějsí je potřeba nastavit jeho případné propojení na PLC program

6.6 Řídicí program linky FMS-202 Řídicí program pro linku FMS-202, jenž má za úkol selekci a vložení ložiska do připraveného tělesa, byl vytvořen v jazyce LAD a skládá se celkem z šesti bloků. Před započtením programování samotného programu bylo vytvořeno schéma pracovního procesu (Obr. 17), kde byly zachyceny důležité uzly a kroky potřebné pro dodržení správné funkce ML. Jsou zde řešeny následné klíčové prvky:  Uvolnění ložiska ze zásobníku  Detekce podání ložiska  Ovládání přenašečů  Ovládání zvedací plošiny  Selekce ložiska podle jeho výšky  Sepínání a rozepínání uchopovačů

Řídicí program

6.6.1

45

Organizační blok OB1

OB blok je hlavním stavebním kamenem celého řídicího programu. Jeho hlavním a jediným úkolem je volat funkce. 6.6.2

Funkce FC_1

FC_1 obstarává podání ložiška ze zásobníku, případnou detekci a upozornění uživatele na prázdný zásobník. Stiskem tlačítka start dojde k aktivaci vstupu S/R funkce (set/reset funkce). Pomocí této funkce můžeme efektivně ovládat výstupy nebo měnit obsah proměnných. Výstup funkce je aktivní po detekci hodnoty true na vstupu funkce, do doby než je detekována hodnota true na vstupu pro reset funkce. Kromě tlačítka start musí být k aktivaci výstupu podavače ložisek A splněno:  Mikrospínač není sepnutý  Podavač B se musí nacházet ve střední nebo zadní krajní pozici Díky splnění těchto podmínek je zamezeno vzniku kolizních stavů, jenž by mohly způsobit poškození mikrospínače nebo podavačů. Výstup podavače A je resetován sepnutím mikrospínače v kombinaci s najetím podavače B do přední krajní pozice a roztáhnutím uchopovače C, tlačítkem reset nebo uložením hodnoty true do proměnné signalizující prázdný zásobník. Tato podmínka je důležitá. V případě, že se podavač A zasune dříve než dojde k uchopení ložiska uchopovačem C, kladka mikrospínače ložisko odtlačí. V případě, kdy není mikrospínač pro detekci ložiska sepnutý a hodnota v paměti proměnné pro signalizaci prázdného zásobníku je true, dojde k rozsvícení světla FM pro signalizaci prázdného zásobníku. K detekci prázdného zásobníku dochází v okamžiku sepnutí výstupu ovládajícího podavač ložisek A. Pokud nedojde do dvou sekund od aktivace k sepnutí mikrospínače signalizujícího přítomnost ložiska, je do proměnné v paměti signalizující prázdný zásobník uložena hodnota true. K odměření času je použitá funkce S_OTD (set_on time delay). Po aktivaci vstupu funkce je výstup funkce aktivován až po uplynutí stanoveného času, pokud ovšem během této doby nedojde k aktivaci vstupu pro reset funkce a nebo vstup funkce přestane být aktivní. 6.6.3

Funkce FC_2

Tato funkce má za úkol ovládat přenašeč B, vyjetí centrovacího válce F, vyjetí plošiny D a uchopovače C. Podavač B nesoucí uchopovač C má za úkol přepravit podané ložisko na plošinu D. K aktivaci výstupu pro ovládání podavače B dopředu dojde pomocí funkce S/R. Vstup je aktivován když:

46

Řídicí program

 Je detekováno ložisko, podavač B je v zadní nebo prostřední krajní pozici, výstup podavače ložiska A je aktivní a plošina D je v dolní pozici  Podavač B je v krajní zadní pozici a centrovací válec F je vyjetý, což je v případě, že už bylo ložisko přeneseno na plošinu D Výstup je deaktivován stiskem tlačítka reset, nebo aktivací vstupu zadní krajní pozice podavače B, nebo aktivací vstupu střední pozice podavače B a aktivním výstupem pro vyjetí centrovacího válce F. Výstup pro rozepnutí uchopovače C, což znamená uchycení ložiska, je též řízen funkcí S/R, jejíž vstup je aktivován detekcí ložiska, podavač B v krajní přední pozici, výstup podavače ložisek A je aktivní a plošina D je v dolní pozici. Výstup je resetován:  tlačítkem reset  aktivním výstupem centrovacího válace F v kombinaci s podavačem B v krajní zadní pozici Druhý případ znamená, že ložisko se úspěšně nachází na plošině D a je zajištěno centrovacím válcem F. Výstup posunu podavače B dozadu je aktivován:  Detekcí ložiska, aktivní výstup rozepnutí uchopovače C, plošina B je v krajní přední pozici  Nepřítoností ložiska a plošina B je v krajní přední pozici Výstup je poté resetován tlačítkem reset nebo vyjetím centrovacího válce F v kombinaci se vstupem zadní krajní pozice plošiny B. Vyjetí centrovacího válce F je řízeno funkcí S/R. Vstup je aktivován najetím plošiny B do zadní krajní pozice a zároveň je aktivní výstup ovládání rozepnutí uchopovače C. K deaktivaci výstupu dojde:  Plošina D je v dolní krajní pozici, uložená hodnota v paměti signalizující změření výšky ložiska je true a hodnota signalizující určení vyloučení ložiska je taky true  Vkládač H je v přední krajní pozici, vkládač G je v dolní krajní pozici a výstup ovládající uchopovač I je aktivní 6.6.4

Funkce FC_3

V rámci této funkce je řešeno ovládání plošiny D, kde je následně změřena výška ložiska pomocí analogového lineárního potenciometru a následná selekce. Vyjetí plošiny D je řízeno pomocí funkce S/R. Vstup funkce je aktivován vyjetím centrovacího válce F, aktivní vstup signalizující podavač B ve střední pozici a hodnota o provedeném měření ložiska je false. Výstup funkce je deaktivován najetím plošiny na horní krajní bod.

Řídicí program

47

Sjetí plošiny D je opět řízeno S/R funkcí. Výstup je aktivován detekcí pravdivé hodnoty u proměnné signalizující dokončení měření výšky ložisek. Výstup je deaktivován najetím do dolní krajní pozice plošiny D. Rozdělení ložisek probíhá pomocí velikosti odporu, který získáme od lineárního potenciometru. Tuto hodnotu si zde převádíme do integerové proměnné, kterou poté porovnáváme s hranicí pro rozdělení, jenž byla měřením stanovena na 10000. Výsledky si podle velikosti uložíme buď do proměnné ulozena_hodnota_5 pro velké ložiska, a nebo do ulozena_hodnota_6 pro malé ložiska. Dalším krokem je stanovení rozhodnutí, zdali má být ložisko vyloučeno, nebo přeneseno do tělesa. K tomu je pro uživatele ponechaná možnost volby pomocí přepínače auto/man. Kde pozice auto znamená vyloučení velkých ložisek a pozice man znamená vyloučení menších ložisek. 6.6.5

Funkce FC_4

Cílem této funkce je obsluha ejektoru E a schválení ložiska pro finální manipulaci. V momentě, kdy má hodnota provedení měření a hodnota pro vyloučení ložiska uloženou hodnotu true, dojde k aktivaci vstupu S/R funkce, jenž obsluhuje výstup pro vysunutí ejektoru E. K aktivaci reset vstupu funkce dojde po jedné sekundě, aby bylo zajištěno úspěšné vyloučení ložiska. K rozhodnutí o pokračování dochází v momentu, kdy plošina D sjede dolů a hodnota o provedení měření je pravdivá. V tomto momentu se spustí časové okno, které pokud není přerušeno aktivací ejektoru E, má za následek nastavení kladné hodnoty do proměnné, jenž signalizuje povolení pro finální část procesu. 6.6.6

Funkce FC_5

Zde je řešeno finální přenesení do tělesa pomocí přenašeče H, přenašeče G a uchopovače I. Najetí přenašeče H dopředu je řízeno pomocí funkce S/R. Výstup funkce je aktivován pomocí hodnoty signalizující povolení pro finální spracování, plošina D je dole, přenašeč B je ve střední pozici, centrovací kroužek F je vyjetý a přenašeč G je v horní pozici. K aktivování vstupu pro reset funkce dojde rozevřením uchopovače I a výskytem přenašeče G v horní pozici. Deaktivací výstupu se přenašeč H sám vrátí do zadní pozice. Ke sjetí přenašeče G dolů dojde v momentu, kdy je přenašeč H v přední krajní pozici, nebo se přenašeč H nachází v zadní krajní pozici v kombinaci s rozepnutým uchopovačem I a přenašeč H je v horní pozici. K vyjetí přěnašeče G dojde v momentu, kdy je přenašeč H v přední krajní pozici a zároveň je sepnutý uchopovač I, nebo je přenašeč H v zadní pozici v kombinaci s rozepnutým uchopovačem I.

48

Řídicí program

Obsluhu uchopovače obstarává funkce S/R. K rozepnutí dojde v momentu, kdy je přenašeč G v dolní pozici a přenašeč H je v přední pozici. Zde musela být implementována časová prodleva půl sekundy, aby nedocházelo k předčasnému rozepnutí, což by mělo za následek neuchopení ložiska. K sepnutí uchopovače I dojde až v momentu, kdy se přenašeč H nachází v zadní pozici a přenašeč G v dolní pozici.

6.7 Řídicí program linky FMS-206 Řídicí program pro linku FMS-206, jenž má za úkol vložit šroubky do připraveného tělesa, byl vytvořen v jazyce LAD a skládá se celkem ze čtyř bloků. Před započtením programování samotného programu bylo vytvořeno schéma pracovního procesu (Obr. 16), ve kterém byly zachyceny důležité uzly a kroky potřebné pro zajištění správné funkce ML. Jsou zde řešeny následné klíčové prvky:  Uvolnění šroubku ze zásobníku  Detekce úspešného podání šroubku  Ovládání přenašeče E šroubků  Ovládání vkládače A  Ovládání podavače B  Sepnutí a rozepnutí uchopovače C 6.7.1

Organizační blok OB1

Tenhle blok je hlavním stavebním kamenem celého řídicího programu. Jeho hlavním a jediným úkolem je volat funkce. 6.7.2

Funkce FC_1

Cílem FC_1 je vykonání přípravných kroků potřebných k umožnění podání šroubku ze zásobníku. Funkce je aktivována stiskem tlačítka start. Po jeho stisku systém ověří, zdali v přenašeči E není již přítomen šroubek, a nebo není už najetý na pozici pod zásobníkem. V případě, že tomu tak není, dojde po stistku start tlačítka k aktivování výstupu ovládajícího ventil pro pohyb přenašeče E do doby, než najede na koncový bod pod zásobníkem. To je řešeno pomocí funkce S/R. Po splnění tohoto kroku následuje posun vkládače A do pozice, kde se později bude nacházet přenašeč E s již podaným šroubkem. Tento úkon ovšem nebude vykonán, dokud přenašeč E nebude mít šroubek. Opět je zde použita S/R funkce, která obsluhuje výstup pro pohyb vkládače A dozadu a je resetována aktivací krajní zadní pozicí vkládače A.

Řídicí program

6.7.3

49

Funkce FC_2

Prvním krokem této funkce je uvolnění šroubku ze zásobníku. V momentě, kdy je podavač E najet v pozici pod zásobníkem, je pomocí funkce S/R poslán signál na výstup pro ovládání uvolňovače šroubků ze zásobníku. Výstup je resetován buď detekcí šroubku optickým senzorem na podavači E, stiskem tlačítka reset nebo uloženou hodnotou v paměti signalizující prázdný zásobník šroubků (viz níže). Po detekci prezence šroubku v podavači E a najetí vkládače A do zadní krajní pozice, je pomocí funkce S/R aktivován výstup pro ovládání pohybu podavače E dopředu. Ten je opět resetován aktivací jeho krajní přední pozice. Ovšem v případě, že je zásobník se šroubky prázdný a nemůže být šroubek podán, dojde k alternativní aktivaci zajetí podavače E do přední krajní pozice. Detekce prázdnosti zásobníku na šroubky je jednoduchá funkce, která je spuštěna aktivací výstupu uvolňovače šroubku ze zásobníku. Pokud nedojde do dvou sekund k sepnutí optického senzoru pro detekci šroubku, je nastavena uložená hodnota v paměti signalizující prázdnost zásobníku na hodnotu true. V momentu, kdy není detekován senzorem žádný šroubek a hodnota prázdnosti zásobníku je true, dojde k rozsvícení FM světla, jenž signalizuje uživateli prázdnost zásobníku. 6.7.4

Funcke FC_3

V této funkci dojde k pohybu podavače B dolů, tak aby bylo možné pomocí uchopovače C uchopit šroubek a ten následně přenést a vložit jej do připraveného tělesa. K pohybu podavače B dolů dojde ve dvou případech:  Podavač E se nachází v přední pozici, senzor detekuje šroubek a podavač A se nachází přímo nad podavačem E  Podavač A se nachází nad tělesem a zároveň je sepnutý uchopovač C Splněním jedné z těchto podmínek je pomocí S/R funkce sepnut výstup pro ovládání pohybu podavače B dolů. Podavač B po deaktivaci výstupu automaticky sám vyjede opět do horní pozice. K deaktivaci dojde buď sepnutím nebo rozepnutím uchopovače C. K secvaknutí uchopovače C dojde v momentu, kdy sjede podavač B dolů a je podle senzoru přítomen šroubek. K jeho rozcvaknutí dojde v momentu, kdy podavač A dojede nad těleso a zároveň dojde ke sjetí podavače B dolů.

50

Závěr

7 Závěr Hlavní náplní této práce bylo zprovoznit manipulační linky FMS-202 a FMS206. K dosažení tohoto cíle jsem se prvně musel zaměřit na pochopení a objasnění samotné linky, kontrolních prvků, které v našem případě obnášelo snímače, pneumatický systém a programovatelné logické automaty. V teoretické části jsem se zaměřil na následující aspekty:  Analýzu manipulační linky pocházející od jedné z vedoucích firem na trhu a možnosti její konfigurace na základě rozdělení do buňek  Proces výroby stlačeného vzduchu a hlavně jeho následnou úpravu, jenž zajistí a umožní hladký běh linky a také podstatu funkce celého systému  U snímačů byla objasněna podstata jejich funkce, na základě níž probíhá signalizace řídicímu systému  U PLC jsem se hlavně zaměřil na komponenty a jejich funkci pro řízení linky a typy pamětí, jenž PLC využívá Obě dvě linky jsou vybavené řídicím systémem od firmy Siemens, jenž je v tomto poli také jednou ze špiček na trhu. K vytvoření řídicího programu bylo nutné se naučit a pochopit programování v prostředí STEP7. Tomu jsem věnoval ve své práci samostatnou kapitolu, v níž jsem popsal:  Možnosti PLC systému S7-300  Proměnné a jazyky, jenž lze využít  Způsoby komunikace  Programové bloky  Způsoby adresace Pochopení této problematiky mi umožnilo ucelit si postup důležitý pro správnou funkci vytvořeného programu. Software TIA portál V11 od firmy Siemens jsem si zvolil kvůli integraci STEP7 a WinCC prostředí. Navíc umožňuje vytvoření kompletního projektu s veškerými náležitostmi v jednom programu, což urychlí vývoj vytvářeného programu a zajistí dostatečnou přehlednost pro programátora. Během vývoje programů jsem ovšem narazil na pár nepříjemností spojené s tímto programem:  Občas se stalo, že program neuložil práci, nebo došlo k načtení starší verze programu  Docházelo k neočekávaným pádům programu  HMI rozhraní při simulaci občas nezaznamenávalo určité akce Většina těchto problémů by měla být řešena ve verzi TIA portál V12, ale tu nebylo možné z licenčních důvodů firmy Siemens použít.

Závěr

51

Vytvořený simulační model s HMI rozhraním byl využit pro ověření funkčnosti napsaného řídicího programu. To bylo možné díky faktu, že napsaný program pro simulaci byl bez jakýchkoliv úprav možno použít jako řídicí program, jenž byl nahrán do paměti PLC modulu. Využití PLCSIM modulu softwaru TIA se mi osvědčilo hlavně v počátcích, kdy jsem ještě nebyl plně obeznámený se všemi aspekty vytváření PLC programu. V pozdějších fázích jsem jej převážně využíval pro testování chování složitějších funkcí, které jsem vytvářel ve svém programu. I navzdory využití simulace, jsem pro jistotu vždy k příslušným funkcím vždy přiřadil tlačítko ze předního panelu, pomocí něhož by bylo možné kdykoliv tuto funkci přerušit, tak aby se zabránilo případnému poškození linky. Výsledné řídicí programy jsou nahrané v příslušných pamětech modulů linek, uložené jako TIA projekty na přiloženém CD společne se simulací nebo vyexportované jako PDF soubory, aby bylo možné nahlédnout na výsledný kód, jelikož pro všechny předešlé případy je vyžadován software s licencí od firmy Siemens, jehož cena není zrovna malá. Výsledky této práce lze do budoucna využít jako základ pro další práce s linkami, jako je například vzájemné propojení linek s robotickou rukou, která bude obstarávat manipulaci s tělesy mezi linkami. Kromě toho lze tuto práci využít pro didaktické a demonstrační účely v rámci výuky programovaní PLC modulů či automatizace.

52

Literatura

8 Literatura BOLTON, W. Programmable logic controllers. 4th ed. Amsterdam: Newnes, 2006. ISBN 978-075-0681-124. E-Automatizace. Řídicí systémy [online]. 2012 [cit. 2013-04-23]. Dostupné z: http://www.eautomatizace.cz/ebooks/ridici_systemy_akcni_cleny/R_PLC.html ELEKTROPNEUMATIKA, 2011a. Dnešní použití pneumatiky [online]. 2011 [cit. 2013-04-17]. Dostupné z: http://www.edunet.souepl.cz/~moc/dnes_pneumatika/pneumatika_dnes _1.htm ELEKTROPNEUMATIKA, 2011b. Úprava vzduchu [online]. 2011 [cit. 2013-0417]. Dostupné z: http://www.edunet.souepl.cz/~moc/uprava_vzduchu/uprava_vzduchu.ht m ELEKTROPNEUMATIKA, 2011c. Ventily [online]. 2011 [cit. 2013-04-17]. Dostupné z: http://www.edunet.souepl.cz/~moc/ventily/ventily_1.htm FŮSEK, Jiří. Řízení zkoušky odolnosti spojů termoplastového potrubí vůči teplotním cyklům. [online]. Zlín, 2010 [cit. 2013-05-11]. Dostupné z: http://dspace.k.utb.cz/bitstream/handle/10563/13470/f%C5%AFsek_201 0_dp.pdf?sequence=1. Diplomová práce. Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně. JONES, C.T. STEP7 in 7 Steps. United States: Patrick-Turner Publishing, 2006. ISBN 1-889101-03-6. PAVELA, Martin. Řízení technologického procesu pomocí programovacího logického automatu [online]. Brno, 2012 [cit. 2013-04-23]. Dostupné z: https://dspace.vutbr.cz/bitstream/handle/11012/436/%C5%98%C3%ADze n%C3%AD%20technologick%C3%A9ho%20procesu%20pomoc%C3%AD% 20programovac%C3%ADho%20logick%C3%A9ho%20automatu.pdf?seque nce=1. Bakalářská práce. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií v Brně. METO-FER.cz. Elektronika a senzory [online]. 2008 [cit. 2013-04-19]. Dostupné z: http://www.meto-fer.cz/download/12-elektronika-senzory.pdf

Literatura

53

Siemens AG, 2013a. S7-300 [online]. 2013 [cit. 2013-04-25]. Dostupné z: http://www.automation.siemens.com/mcms/programmable-logiccontroller/en/simatic-s7-controller/s7-300/Pages/Default.aspx Siemens AG, 2013b. Siemens Industry Automation & Drive Technologies [online]. 2013 [cit. 2013-04-25]. Dostupné z: https://www.cee.siemens.com/web/cz/cz/corporate/portal/home/industry /IADT/tia_na_dosah/Pages/TIAnadosah.aspx Siemens AG, 2013c. Simatic Step7 Profesional [online]. 2013 [cit. 2013-04-25]. Dostupné z: http://www.automation.siemens.com/mcms/simaticcontroller-software/en/step7/step7-professional/pages/default.aspx SMC INDUSTRIAL AUTOMATION CZ, S.R.O. O firmě SMC [online]. 2012 [cit. 201304-17]. Dostupné z: http://www.smc.cz/document.asp?id=1323 SMC INTERNATIONAL TRAINING. FMS-200 [online]. 2009 [cit. 2013-04-17]. Dostupné z: http://2009.at.smc.dev.treangeli.at/docs/files/fms_e.pdf SMC Training, 2009a. Kompresory a rozvod stlačeného vzduchu [online]. 2009 [cit. 2013-04-18]. Dostupné z: http://2009.oc.smccee.com/cz/pdf/LG1_Verdichter-Verteilung.pdf SMC Training, 2009b. Pneumatické lineární pohony [online]. 2009 [cit. 201304-18]. Dostupné z: http://2009.oc.smccee.com/sk/pdf/LG1_Antriebe.pdf ŠMEJKAL, L. PLC a automatizace. : Sekvenční logické systémy a základy fuzzy logiky. Praha: BEN - technická literatura, 2005. ISBN 80-7300-087-3. ŠMEJKAL, L. a M. MARTINÁSKOVÁ. PCL a automatizace. Praha: BEN technická literatura, 1999. ISBN 80-86056-58-9. TZB-INFO. Automatizace 2 [online]. 2011 [cit. 2013-04-17]. Dostupné z: http://www.tzbinfo.cz/download.py?file=docu/texty/0001/000102_at2.pdf

54

Literatura

Přílohy


A Funkční schéma linek

Obr. 16


55

56

Obr. 17



Simulace s využitím HMI

B Simulace s vyuţitím HMI

Obr. 18

Simulace programu linky na ložiska s HMI rozhraním

Obr. 19

Simulace programu linky na šroubky s HMI rozhraním

57

58

Obsah přiloženého CD

C Obsah přiloţeného CD Na přiloženém optickém médiu se nachází:  Vyexportovaná tabulka symbolů linek ve formátu PDF  Vyexportovaný řídicí program linek ve formátu PDF  TIA projekty se simulací linky s HMI rozhraním  TIA projekty s řídicím programem linky  Elektronická verze práce

Řízení modulů strojní linky FMS-200

Recommend Documents