Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar
Villamosmérnöki szak
Ipari automatizálás és kommunikáció
Kardáncsukló-szerelő gép PLC-s vezérlésének kidolgozása
Szakdolgozat
Papp Gergely Neptun kód: PCF3SB 2014.11.19.
Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar Villamosmérnöki BSc szak Ipari automatizálás és kommunikáció szakirány
Szám: 2015-VAU-VBAL-PCF3SB. Villamosmérnöki Intézet Automatizálási és Infokommunikációs Intézeti Tanszék 3515 Miskolc-Egyetemváros
SZAKDOLGOZAT FELADAT Papp Gergely BSc Villamosmérnök jelölt részére A tervezés tárgyköre: ipari automatizálás A feladat címe:
Kardáncsukló-szerelő gép PLC-s vezérlésének kidolgozása
A feladat részletezése: Ismertesse a villaszerelő gép működési folyamatát! Válassza ki a szükséges irányítórendszer elemeket! Készítse el az irányítástechnikai és villamos terveket! Tervezze meg és készítse el a PLC vezérlőprogramot! Készítse el a gép HMI felületét!
Tervezésvezető(k): Trohák Attila adjunktus Villamosmérnöki Intézet Automatizálási és Infokommunikációs Intézeti Tanszék Konzulens(ek):*-
A szakdolgozat kiadásának időpontja: A szakdolgozat beadásának határideje:
Miskolc, 2014. szeptember 15.
Dr. Czap László intézetigazgató, egyetemi docens *opcionális
2014. szeptember 15. 2014. november 22.
1. A szakdolgozat módosítása:
szükséges (a módosítást külön lap tartalmazza) nem szükséges (a megfelelő rész aláhúzandó)
Miskolc, ……… tervezésvezető aláírása 2. A tervezést ellenőriztem: (2) (3) (4) tervezésvezető aláírása 3. A szakdolgozat
(1)
beadható nem adható be
Miskolc, ………
tervezésvezető aláírása
konzulens aláírása 4. A szakdolgozat
… szövegoldalt, … db rajzot, …egyéb mellékletet tartalmaz.
5. A szakdolgozat bírálatra bocsátható nem bocsátható A bíráló neve: ……………………….. Miskolc, ……
tanszékvezető aláírása 6. Osztályzat:
a bíráló javaslata: ………………………..………………………..
a tanszék javaslata: ………………………..……………………….. a Záróvizsga Bizottság döntése: ………………………..……….. Miskolc, …. ….. a Záróvizsga Bizottság elnökének aláírása 3
EREDETISÉGI NYILATKOZAT
Alulírott Papp Gergely; Neptun-kód: PCF3SB a Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Karának végzős Villamosmérnöki szakos hallgatója ezennel büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában nyilatkozom és aláírásommal igazolom, hogy a Kardáncsukló-szerelő gép PLC-s vezérlésének kidolgozása című szakdolgozatom/diplomatervem saját, önálló munkám; az abban hivatkozott szakirodalom felhasználása a forráskezelés szabályai szerint történt.
Tudomásul veszem, hogy szakdolgozat esetén plágiumnak számít: -
szószerinti idézet közlése idézőjel és hivatkozás megjelölése nélkül; tartalmi idézet hivatkozás megjelölése nélkül; más publikált gondolatainak saját gondolatként való feltüntetése.
Alulírott kijelentem, hogy a plágium fogalmát megismertem, és tudomásul veszem, hogy plágium esetén szakdolgozatom visszautasításra kerül.
Miskolc, 2014 év 11 hó 22 nap
…….……………………………….… Hallgató
4
Tartalomjegyzék 1.
2.
Bevezetés ............................................................................................................................ 8 1.1.
Főbb fogalmak............................................................................................................. 8
1.2
A specifikálás, felmérés ............................................................................................... 9
1.2.1.
A szerelés menete: .............................................................................................. 9
1.2.1.
A gép megvalósítandó működése ..................................................................... 10
Az eszközök kiválasztása ................................................................................................... 12 2.1
Az elektromos tervezés ............................................................................................. 12
2.1.1.
Az EPLAN program jellemzői: ............................................................................ 12
2.1.2.
A PLC programozási nyelvek ............................................................................. 18
2.1.3
A HMI programozása (Win CC Flexible) ............................................................ 20
2.2.
A vezérlő kiválasztása................................................................................................ 21
2.2.1. 2.3
Az eszközök ............................................................................................................... 26
2.3.1. 3.
A tápellátások.................................................................................................... 32
A programozás .................................................................................................................. 34 3.1.
Az objektum blokk típusok: ....................................................................................... 34
3.2.
A hardver beállítás .................................................................................................... 36
3.2.1. 3.3.
3.4.
A CPU jellemzői: ................................................................................................ 37
Az operátor panel:..................................................................................................... 39
3.3.1.
Az MPI interface: ............................................................................................... 41
A funkciók, blokkok ................................................................................................... 46
3.1.
OB1: ................................................................................................................... 46
3.2.
FC3 Fogazatellenőrzés: ...................................................................................... 47
3.3.
FC2 Előpréselés: ................................................................................................ 48
3.4.
FC1 Stemmelés_és_préselés: ............................................................................ 53
3.5.
4.
Programozható vezérlők ................................................................................... 21
A felhasználói felület bemutatása............................................................................. 55
3.5.1.
A kézi üzemmód FC9: ........................................................................................ 55
3.5.2.
A felhasználói szintek ........................................................................................ 58
3.5.3.
A receptkezelés: ................................................................................................ 59
3.5.3.
A főképernyő: .................................................................................................... 60
Értékelés ............................................................................................................................ 62
5
Ábrajegyzék: 1.ábra 2.ábra 3.ábra 4.ábra 5.ábra 6.ábra 7.ábra 8.ábra 9.ábra 10.ábra 11.ábra 12.ábra 13.ábra 14.ábra 15.ábra 16.ábra 17.ábra 18.ábra 19.ábra 20.ábra 21.ábra 22.ábra 23.ábra 24.ábra 25.ábra 26.ábra 27.ábra 28.ábra 29.ábra 30.ábra 31.ábra 32.ábra 33.ábra 34.ábra 35.ábra 36.ábra 37.ábra 38.ábra 39.ábra 40.ábra 41.ábra 42.ábra 43.ábra 44.ábra 45.ábra 46.ábra 47.ábra 48.ábra
Folyamatábra Kapcsolószekrény EPLAN ikon EPLAN rajzeszköztár EPLAN szimbólumok EPLAN tulajdonságok PILZ relé bekötése HBM Útmérő bekötése Fogazatlekérdező PLC bekötése Sorkapocsterv PLC IEC modell Siemens LOGO Moduláris PLC Rack-es PLC PLC modulok Közelítéskapcsoló Andon lámpák Andon lámpa bekötése Útmérő fejegysége Útmérő távadója Csillag kapcsolás Delta kapcsolás Hidraulika tápegység Parancsikonok Step7 File menü Új Projekt Kezdő képernyő HW konfigurálás CPU tulajdonságok AI beállítás Számítás Projekt képernyő OP hozzáadása MPI Interface Funkcióblokkok Struktúrák DB-ben Szimbólum tábla Fogazat lekérdezés Felugró ablak változókkal Programkód részlet Programkód részlet Programkód részlet Programkód részlet Programkód részlet Programkód részlet Programkód részlet Programkód részlet 6
7.oldal 10.oldal 10. oldal 10. oldal 11. oldal 11. oldal 12. oldal 13.oldal 14. oldal 14. oldal 15.oldal 16. oldal 19.oldal 19.oldal 19.oldal 20.oldal 23.oldal 24.oldal 25.oldal 28.oldal 28.oldal 29.oldal 29.oldal 30.oldal 31.oldal 32.oldal 32.oldal 33.oldal 34.oldal 34.oldal 35.oldal 35.oldal 36.oldal 37.oldal 38.oldal 39.oldal 41.oldal 41.oldal 42.oldal 42.oldal 43.oldal 44.oldal 44.oldal 45.oldal 46.oldal 46.oldal 47.oldal 47.oldal
49.ábra 50.ábra 51.ábra 52.ábra 53.ábra 54.ábra 55.ábra 56.ábra 57.ábra 58.ábra 59.ábra 60.ábra 61.ábra 62.ábra 63.ábra 64.ábra 65.ábra
PLC szimulátor VAR tábla Szimuláció Programkód részlet Képernyőkép a tesztelésről Képernyőkép részlet Programkód részlet HMI képernyő WinCC ablak TAG-ek Gomb Képernyőterv WinCC Programrészlet Képernyőkép Kódrészlet Képernyőkép Kapcsoló
48.oldal 49.oldal 49.oldal 50.oldal 50.oldal 51.oldal 51.oldal 52.oldal 53.oldal 53.oldal 54.oldal 55.oldal 56.oldal 56.oldal 57.oldal 57.oldal 58.oldal
Táblázatjegyzék: 1.táblázat 2.táblázat 3.táblázat 4.táblázat 5.táblázat 6.táblázat
WinCC jellemzői Andon lámpa működése Objektumblokkok Konverziós frekvenciák Funkció blokk és Függvény összehasonlítása Változó típusok
7
17.oldal 25.oldal 31.oldal 35.oldal 40.oldal 40.oldal
1. Bevezetés Szakdolgozatom témájául egy célgép vezérlésének kidolgozását választottam, mivel egy ilyen feladat megvalósítása kapcsán számos villamosmérnöki ismeretet megkövetel a feladat teljesítése. A továbbiakban egy konkrét példán keresztül szeretném bemutatni egy gép vezérlésének tervezési lépéseit és a tervezés során felhasznált szoftverek használatát, működését. Ezután ismertetem a szerelés folyamatát, majd az egyes funkciók megvalósítására használt eszközöket. Először a működési lépéseket, funkciókat fogom bemutatni egy folyamatábrán keresztül, majd részletezem az egyes folyamatlépéseket illetve azok sorrendjét a szerelés során. Ezt követően az eszközöket fogom
kiválasztani,
amelyekkel
kivitelezhető
a
működés.
Részletezem
a
tulajdonságaikat és összehasonlítom a felmerülő lehetőségeket. Ezután a programok megírásának menetét fogom bemutatni az egyes funkciók működésének ismertetésén keresztül. A gyakorlatban a vállalatoknál egy gép elektromos tervezését, építését egy csapat végzi. Valaki az EPLAN terveket készíti el, majd egy másik ember elvégzi a kábelezést és egy harmadik pedig a programozást. Természetesen ők is együttműködnek a mechanikusokkal, akik a gép összeállítását végzik. Egy célgép építése tehát csapatmunka, melyhez rendkívül sokrétű ismeret megléte szükséges. Ahhoz, hogy a működés érthető legyen, fontos tisztázni az egyes kifejezéseket, amiket később használni fogok a gép működésének leírásánál. 1.1. Főbb fogalmak Annak érdekében, hogy a későbbiekben használt kifejezések egy, a gépet nem ismerő ember számára is egyértelműek legyenek, fontos bemutatni a következő fogalmakat: 1. Stemmelés: Egy szerszámmal a villa szárát elkezdjük nyomni addig, amíg azon karmok nem képződnek, amelyek megtámasztják a csapágyat, így biztosítva annak kilazulás elleni védettségét. 2. Előfeszítés: A kardánvilla szárait befogás után a szétfeszítés irányába kezdjük húzni, így a préselés után a két szár a csapágy fenekét ráfeszíti a csapkeresztre. 3. Poka-Yoke (hibavédelem): „Olyan eszközök, megoldások összessége, amelyek megelőzik a hibát (figyelmeztetnek hiba esetén), vagy felismerik a selejtet, és 8
megállítják a további feldolgozást. Az első a jelző poka-yoke, míg a második a kontroll poka-yoke. Ezen eszközök felszerelése, programba illesztése esetén a vétlen hiba kialakulását ki lehet zárni. A legegyszerűbb megoldások a termék vagy alkatrész egyedi kialakításával érik el, hogy ne lehessen a rendeltetéstől eltérő módon használni. Ezek napjainkra, annyira népszerűvé váltak, hogy szinte mindenhol találkozhatunk velük.”[8] 1.2 A specifikálás, felmérés A megvalósítandó vezérlésnek működtetnie kell 2x3db 3/2-es és egy darab 5/3-as útváltó szelepet, amik hidraulikus működtetésűek lesznek. Két darab az előfeszítést, másik négy a préselést és a stemmelést végzi majd. Az 5/3-as szelepet az előfeszítéshez használom, mivel az a középső állapotában lezárt. A kezelőfelületet egy érintőképernyő biztosítja, ez a HMI azaz Human Machine Interface (későbbiekben HMI), aminek a segítségével lehetőség lesz új program elkészítésére. Segítségével az operátor képes lesz új programot felvinni. A karbantartók számára egy speciális ablak lehetőséget biztosít a hibakeresésre, ahol kézzel tudják működtetni az egyes eszközöket. A CPU-nak S7 300-as típusúnak kell lennie. Mivel rendelkezésre áll, ezt az eszközt választottam. Ebből létezik tartalék raktárkészlet. Ehhez ismert a fejlesztőkörnyezet. Szükséges, hogy a program lefutása biztosítsa a szerelési lépések megfelelő sorrendben történő elvégzését, Poke-Yoke módon működjön a berendezés. 1.2.1. A szerelés menete: A kezelő lekérdezi a felhasználni kívánt villa fogazatát egy idomszer segítségével. A megfelelő fogazatlekérdező használatát három közelítéskapcsolóval (későbbiekben INI) valósítom meg, ami 1-7-ig egy kódot küld a CPU-nak, továbbá egy másik INI azt vizsgálja, hogy a villa az idomszeren van-e egy másik pedig azt vizsgálja, hogy megnyomták-e azt. Az operátor két tűgörgős csapágyat betölt a présfejekbe, majd befűzi a csapkeresztet, ezután az előpréselő egységbe helyezi a villát. Megnyomja a gombakapcsolót. Ezzel elindítja az előpréselést. A terméket áthelyezi egy előfeszítő egységbe. Itt egy prés pozícióra préseli a csapágyat, majd stemmeli azt. Ha a folyamat megfelelő volt, akkor azt egy zölden 9
világító Andon lámpa jelzi. Egy általános szerelési folyamatot mutat be a következő folyamatábra.
1. ábra: Folyamatábra Gépi ciklusok: Fogazatlekérdezés, előpréselés, pozícióra préselés, stemmelés. Operátori műveletek: Fogazatlekérdezés használata, csapágyak betöltése, csapkereszt, tömítés és villa összeszerelése. 1.2.1. A gép megvalósítandó működése Elvárások a gépi ciklusoknál: Fogazatlekérdezés: A fogazatlekérdezésnél a program ellenőrizze le, hogy a kiválasztott receptnek megfelelő idomszer van-e használatban. Az operátor, használja-e az idomszert. Receptekben vannak eltárolva az egyes típusok gyártási adatai. Pl.: az idomszer kódja és a préselési út. Előpréselés: Legyen programból állítható, hogy mennyire préselje be a gép első lépésben a csapágyat. 10
Előfeszítés: Ezt a pozícióra préselés előtt végzi a gép. Egy hidraulikus 5/3-as középen zárt útváltó szelep vezérli a munkahengert. Pozícióra préselés: Legyen programból állítható, hogy mennyire préselje be a gép a csapágyat. Stemmelés: A stemmelési mélység legyen programból állítható. Gyakorlatilag azt mutatja meg, hogy mennyire járjon előre a fej. HMI-vel kapcsolatos kritériumok: Új típust lehessen a panelról is felvinni. Könnyen lehessen típust váltani. Három alaptípus létezik: szorítóvilla, külsőcsöves építőcsoport, belsőcsöves építőcsoport. A megadott út értékek legyen kijelezve. A PLC program: tartassa be a szerelési folyamatot, a HMI jelezze ki, hogy jelenleg melyik lépés az aktuális.
11
2. Az eszközök kiválasztása A fejlesztés során el kell készíteni az elektromos tervet, beleértve az eszközök kiválasztását is. A megfelelő eszközök kiválasztása alapvető fontosságú a sikeresség szempontjából, hiszen annak képesnek kell lenni a kellő pontosságra, elég stabilan kell hogy működjenek a csekély mennyiségű állásidő biztosítására. Általánosan ismertnek kell lenniük a könnyű beépítés és rövid karbantartási idő biztosításához. 2.1 Az elektromos tervezés Ahhoz, hogy jól működő, biztonságos rendszert kapjunk, már a tervezés során bele kell
vennünk
azokat
az
állapotokat,
kompenzálásokat,
védelmeket
melyek
megakadályozzák a későbbi váratlan meghibásodásokat, zavarokat. Ezért egy komplex szabályozási struktúra kialakítása, egészen a betáplálástól a ki- és bemenő jelekig, nem egy egyszerű feladat. Ebben lehet segítségünkre az EPLAN nevű program. A legtöbb automatizálással fogalakozó cég az EPLAN-t használja az elektromos tervek elkészítésére, ezért én is ezt választottam. Az EPLAN lényege, hogy egyszerűen, sematikusan tudjunk tervrajzot megvalósítani, melyet akár későbbi használat vagy módosítás során is könnyen tudnak majd használni. 2.1.1. Az EPLAN program jellemzői: „Pozitívumok:
Minden módosítást automatikusan elment: a program bekapcsolásától kezdve tárol minden állapotot és minden módosítás után menti a projektet.
Vonalakat automatikusan húzza be: nekünk csak kereszteződéseket és kivezetéseket kell megadnunk
Egyszerű kezelőfelület és rajzolás
Egyszerű eszköztár használat, projekt importálás/exportálás
Negatívumok:
Egyszerre csak egy ember dolgozhat egy projekten: nincs csapatmunka
Nincs működéstesztelés, összekapcsolás visszajelzés, csak szimpla tervrajz
Raszterek méretének problémája: ha kis rasztert választunk, később nehezen tudunk alkalmazkodni 12
2. ábra: Kapcsolószekrény
Egy bonyolult elektromos dokumentáció a következő részekből épül föl: 1.
Fedőlap
2.
Tartalomjegyzék
3.
Szerkezetazonosító lista
4.
Alkatrészjegyzék
5.
Kábellista
6.
Belső elrendezési vázlat
7.
Minden, ami más” [6]
4. ábra: EPLAN rajzeszköztár
3. ábra: EPLAN ikon
13
A programot az asztalon található ikon segítségével lehet elindítani. Első lépésként létrehozzuk a saját projektet, amit a Projekt menü Új menüpontjában lehet megtenni, majd ki kell választani egy sablont. Ezzel a rajzlapok körül látható keretet választhatjuk meg. Ha szeretnénk, készíthetünk saját sablont is. Ezután kell választani egy fedőlapot, majd rajzlapokat. A fedőlapra, ami a keretet is tartalmazza bármilyen szöveg felvihető, illetve tetszőleges keret, sablon készíthető. Én a felajánlott sablont használtam. A 4. ábrán látható eszközök közül választhatok aszerint, hogy mit szeretnék rajzolni, akár egy egyenest, kört, tört vonalat, sokszöget, négyszöget, szöveget. A legalsó három sorban méretvonalakat lehet rajzolni két pont közé. Ha a fedőlap elkészült, akkor rajzlapokat kell létrehozni, amin a kapcsolásokat fogjuk lerajzolni. Ezt a következő eszközök használatával tudtam megtenni.
5. ábra: EPLAN szimbólumok
6. ábra: EPLAN tulajdonságok 14
Az Insert gomb megnyomásával vagy a Beillesztés menü Szimbólum menüpontját használva, megjelenik az 5. ábrán látható ablak, aminek a segítségével beilleszthetem az eszközöket. Ahogy az a képen is látható a megjelenő ablakban már tudunk szűrést végezni, illetve választhatunk, hogy fa vagy listaként szeretnénk látni az elemeket. Az ablak jobb oldalán lehet látni a válaszható elemek képét. Ha kijelöltem az elemet, amit a program úgy jelez, hogy kékkel bekeretezi azt, akkor az OK gomb megnyomása után a kurzor helyén megjelenik a szimbólum és letehetem a kívánt pozícióba. Fontos tudni, hogy itt nem lehet az objektumokat forgatni. A megfelelő pozíciójú objektumot kell választani az ablakban, majd megjelenik a 6. ábrán látható ablak, amiben megadhatjuk az elem tervjelét, illetve a csatlakozók elnevezését. Az indexek automatikusan emelkednek elkerülve azt, hogy két eszköznek ugyanaz legyen a tervjele. A csatlakozókat X-el, a biztosítékokat, megszakítókat F-el, míg a relé kontaktusokat és az érzékelőket S-el jelöli, a kapcsolókat és beavatkozókat Y-al jelöli a program. Külön kerül jelölésre egy relénél a gerjesztő tekercs és a kontaktus. Továbbá K-val jelöli a program a tekercset és ugyancsak K-val a kontaktust, az indexek megegyeznek.
7. ábra: PILZ relé bekötése
A biztonsági szempontok miatt a „vész álljhoz” (E-Stop) a Pilz PNOZ X3P típusú biztonsági reléjét használom. A bekötésből látszik, hogy A1-re és A2-re a betápot kötöttem, valamint az U1-2-3-ra pedig a három fázis kerül bekötésre, ez fogja megtáplálni a szivattyút. Az S32 és S11 valamint S12 és S21-re vészgomb kerül bekötésre, mégpedig úgy, hogyha rövidzár alakul is ki a kontaktus beégése miatt, azt észrevegye az eszköz. S13 és S14 közé rövidzárat kötünk, ez a gyakorlatban azt jelenti, 15
hogy a vészgomb kihúzásával újra használható a berendezés, üzemi állapotba kerül egyéb nyugtázás használata nélkül is.
8. ábra: HBM útmérő bekötése A 8. ábrán az útmérő sematikus ábrája és bekötése látható. Az eszköz felépítését és működését később fogom bemutatni részletesen. Négy vezetéket használunk a pontos mérési eredmény elérése érdekében. A sense+ és sense- elnevezésű csatornákon történik a vezetékek ellenállásának kompenzálása. Ezeken a vezetékeken keresztül egy áramgenerátorral tápláljuk a mérendő ellenállást és két referencia pontja között mérjük a feszültséget, feltételezve, hogy a mérőműszerünk bemenő ellenállása végtelen, a feszültséget mérő vezeték árammentesek lesznek, így ellenállásuk nem számít bele a mérésbe. A következő ábrán a fogazatlekérdező realizációja látható. Egy-egy közelítés kapcsolót használtam a kód és állapot érzékelésére. A rajzon jelöltem az érzékelők funkcióját egy-egy felirattal a könnyű visszakeresés érdekében, például ha S15 állapota H akkor a villa felkerült az idomszerre. A kapcsoló bekötésénél figyelembe kell venni annak típusát, ami lehet PNP-s és NPN-es, valamit normál állapotban nyitott (későbbiekben NO) vagy normál állapotban zárt (későbbiekben NC). Ezek jelentését a későbbiekben fogom ismertetni.
16
9. ábra: Fogazatlekérdező A szelep egy 3/2-es útváltó szelep, mely alaphelyzetben zárt, ezért abból egy tekercs gerjesztésével lehet kibillenteni és nyitva tartani a kívánt ideig. A szelepet egy rugó téríti ezután vissza, zárt állapotba.
10. ábra: PLC bekötése
A PLC bemeneteit a rajzon nagy E betűvel jelöltem, a kimeneteit pedig nagy Q-val. Egy külön rajzlapon tüntettem fel, hogy melyik sorkapocsra van csatlakoztatva és melyik ki- vagy bemenet, de ezek meg vannak adva a sorkapocs tervben is.
17
11. ábra: Sorkapocsterv A fenti képen látható a sorkapocsterv részlete. S-sel jelzik az érzékelőket Y-al pedig a beavatkozókat. Mindegyik kap egy egyedi azonosítót is számjegy formájában. Ezeket fel szokták tüntetni mind a kábel végén a csatlakozó alatt, mind pedig a sorkapcson. Ez azért szükséges, hogy később, ha meghibásodás történik, akkor gyorsan ki lehessen cserélni az eszközt vagy a kábelt.
2.1.2. A PLC programozási nyelvek „A PLC programok általában egy személyi számítógépen, speciális alkalmazásokra íródnak, majd egy közvetlen csatlakozású kábel, vagy egy hálózat révén töltődnek a PLC-re. A programot a PLC tárolja, vagy egy akkumulátorral ellátott RAM-ban, vagy flash memóriában. Egy egyszerű PLC gyakran több ezer relét helyettesíthet a programjával. Az IEC 61131-3 szabvány értelmében a PLC-k standard programnyelvek segítségével programozhatóak. A szabvány jelenleg öt programnyelvet definiál a programozható vezérlőrendszerek részére: FBD, LD, ST, IL és SFC.” [3] Az alkalmazott PLC-ktől függően az IEC szoftvermodell háromféle kialakításban kerülhet alkalmazásra. 18
egyprocesszoros „kisrendszerben”
többprocesszoros „nagyrendszerben”
többprocesszoros hálózati rendszerben
12. ábra: PLC IEC modell Esetünkben az egyprocesszoros rendszert valósítjuk meg, ezért a továbbiakban csak ezt tárgyaljuk. Kis rendszerekben általában egy processzor (CPU) látja el a jel és adatfeldolgozási feladatokat. Az ilyen rendszer egy konfigurációt, egy erőforrást és egy programot tartalmaz. A konfiguráció tartalmazza az összes programot, amely a PLC viselkedését az adott feladathoz meghatározza. Az erőforrást a CPU kártya reprezentálja, míg a program valósítja meg a PLC viselkedését. A programunkat Siemens Step 7-el fogjuk elkészíteni. A Step 7 egy komplex programkörnyezet a SIEMENS SIMATIC eszközcsalád konfigurálásához, valamint programozásához. „Lépéses utasítás feldolgozás
A PLC csak az aktuális lépés bemeneti feltételeit vizsgálja, nem vizsgálja ciklikusan az összes bemenetet
A bemeneti feltételek teljesülése után csak az érintett kimenetet vezérli
Ha valamelyik lépésben a bemeneti feltételek nem teljesülnek, ott a program leáll
Ritkán használatos működési mód
19
Ciklikus utasítás feldolgozás
A rendszer „ms” ciklusidővel a bemeneti állapotot állandóan lekérdezi.
Ha az állapot változik, a bemeneti jelek aktualizálódnak és a programozott műveletek elvégzése után a kívánt kimeneti jelek létrejönnek.
Az összes kimenet kapcsolása egy időben történik.
A ciklusidő és a reakcióidő függ a felhasználói program hosszától és az utasítások típusától.” [1]
2.1.3 A HMI programozása (Win CC Flexible) A HMI-t WinCC Flexible segítségével fogom programozni. A fejlesztőkörnyezet segítségével lehet a HMI, vagyis az ember-gép interface-t megírni. Ennek a segítségével tudunk információhoz jutni a gép felől és információt, utasítást adni a gépnek. 4 féle WinCC létezik, a WinCC fexible, a WinCC valamint a TIA portálban található, illetve a WinCC OA. A továbbiakban a WinCC és a WinCC Flexible különbségeit tárgyaljuk. A WinCC egy SCADA szoftver a Felexible pedig HMI szoftver, gyakorlatilag a ProTool utódja. Mivel a flexible önálló alkalmazások kifejlesztésére szolgál, ezért a feladatot ennek használatával fogom megoldani. WinCC
WinCC flexible
Különböző architektúrák
Igen
Nem (csak egy állomás)
Tag-ek száma
262144
4096
Backupok (alarmok és trendek)
Nem, csak korlátozásokkal lehet
Igen
scripteket írni rá
Előugró ablakok
Igen
Igen nagy korlátozásokkal
Integrált adatbázis
SQL Server
CSV vagy RDB
Scriptek
Igen („C” és VB)
VB, 200-ra korlátozva
Igen (méret, forgatás stb. )
Nem
Receptek
Opcionális
Opcionális
Redundancia
Opcionális
Nincs
Trendezés
512 vagy több
100db vagy licensz függő
WEB hozzáférés
Igen opcionális
Igen, korlátozottan
Több monitor használata
Igen
Nem
Képernyő felbontása
Tetszőleges
Csak előre definiáltak
Ár
X
<X
Komplex objektumok animálhatósága
1. táblázat: WinCC jellemzői 20
2.2. A vezérlő kiválasztása Az irányítás művelete: egy rendszer működésének meghatározott cél elérése érdekében való befolyásolása. Technikai értelemben két fajtáját különböztetjük meg, a szabályozást és a vezérlést. Az irányítás magában foglalja a rendszer teljesítményének, működése eredményének megfigyelését és mérését, az eltérések kiegyenlítésének, valamint a zavaró hatások kiküszöbölésének végrehajtását. Mindehhez szükség van visszacsatolásokra és kommunikációra. 2.2.1. Programozható vezérlők „Széles választék áll rendelkezésünkre a különböző gyártóktól, mint az AllanBradley, Siemens, Omron vagy a Mitsubishi, hogy csak a legnagyobbakat említsem. A gyártók közül én a Siemens-et választom a feladat megvalósításához, mivel ez a jóváhagyott típus a gyárban a megbízhatósága és a könnyű beszerezhetősége miatt. Ez már egy bevált eszköz, a karbantartóknak már megvannak a kellő ismereteik, rendelkezésre áll cserealkatrész.„[1] A továbbiakban szeretném bemutatni, hogy milyen módon épülnek fel a PLC-k, illetve milyen lehetőségeket kínál a Siemens a feladatunk megoldásához. PLC jelentése •PLC = Programmable Logic Controller;
/Programozható
logikai
vezérlő/ •SPS = Speicherbare Programmierbare Steuerung /Programozható logikai vezérlő/ PLC feladata •Az irányítás folyamatában az információ feldolgozása. •Fogadja, kiértékeli, feldolgozza a bemeneti adatokat és kimenő jelet állít elő. PLC előnyei, hátrányai Előnyei:
a vezérlő kis mérete és helyigénye
a vezérlőszekrény többi eleméhez formailag is illeszkedik
lényegesen kevesebb a huzalozási munka
21
programozása egyszerű, áttekinthető, a berendezés működése programmódosítással esetenként szerelés nélkül is változtatható
könnyű üzembe helyezés és hibakeresés
programírás és futtatás szakaszosan is végezhető, a program és a berendezés működése szimulációval tesztelhető
rendkívül megbízható, hosszú élettartamú
széleskörű felhasználási terület
Hátránya:
A vezérlő és a programozó szoftver viszonylag drága
13. ábra: Siemens LOGO
14. ábra: Moduláris PLC
15. ábra: Rack-es PLC
PLC kialakítási módja Kompakt PLC: Fő egységei közös házba építettek, állandó számú be és kimenettel rendelkeznek, kis helyigényű Pl.: Allen-Bradley, Omron, FESTO, Siemens LOGO Moduláris PLC: A vezérlőberendezés modulokból épül fel, tetszés szerint bővíthető, az egyes elemek felfogó sínen rögzíthetők, az egységek közötti kommunikációt szalagkábel vagy belső busz biztosítja
Rack-es PLC: Mindig van egy alaplapja, párhuzamos buszrendszer, a modulokat duplikálni lehet”[1]
22
A PLC-k felépítése:
16. ábra: PLC modulok
PLC-k funkcionális felépítése A programozható vezérlők központi egysége a bemenetek és a kimenetek közötti, többnyire logikai kapcsolatokat időben sorosan és ciklikusan hajtja végre a programmemóriában tárolt program alapján. A soros jellegű adatfeldolgozásból eredően a ciklikus feldolgozást nagy sebességgel kell végrehajtani, hogy a működés kifelé párhuzamosnak (valós idejűnek) tűnjön. A programozható vezérlő az alábbi funkciók ellátására képes: „A programozható vezérlők előnyei: a szabad strukturálhatóság, a gyakorlatilag végtelen kapcsolási szám, a telepítési költségek csökkentése, a rendszerbe szervezhetőség lehetősége. A szabad strukturálhatóság felhasználói programozhatóságot jelent, amelyek révén a felhasználó a tárolt, egyedi program révén az univerzális hardvert a feladatra alkalmassá teszi. A PLC-k alkalmazásával a telepítési, beüzemelési idő nagymértékben lerövidülhet.”[2]
23
„A PLC tápegysége:
a rendszert megfelelő feszültséggel ellátja
a hálózati feszültséget a PLC számára átalakítja és stabilizálja
A legtöbb esetben külön szünetmentes tápegységeket is tartalmaz, hogy feszültség-kimaradás esetén a RAM tartalma megőrizhető legyen. A PLC központi feldolgozó egysége (CPU):
a központi feldolgozó egység a PLC “agya”
futtatja a felhasználói programot és vezérli a további egységeket
elvégzi a kimeneti és a bemeneti egységek címzését
parancsokat ad a rendszerben lévő intelligens feldolgozó
egységeknek A PLC bemeneti és kimeneti egységei:
lehet digitális vagy analóg
a PLC-k be- és kimeneti pontjai galvanikusan (potenciálmentes) le vannak választva a belső buszról, illetve a CPU egységtől Digitális I/O
Digitális bemeneti egység
Digitális kimeneti egység
A digitális bemeneti egységek
A digitális kimeneti egységek
feladata olyan jelek értelmezése,
feladata a PLC belső jeleinek
melyek
átalakítása a környezet számára.
csak
két
lehetséges
állapotot vehetnek fel. A Általában
nyomógomboktól,
kimeneteken
általában
kapcsolóktól vagy érzékelőktől
motorokat,
kap jelet.
működtetnek.
24
távozó
jelek
mágnes-szelepeket, lámpákat
Analóg I/O Analóg bemeneti egység
Analóg kimeneti egység
Az analóg bemeneti egységek
A PLC futása során számolt
A/D
digitális értékeket alakítja át D/A
átalakítók
segítségével
konvertálják digitális kóddá a
konverter
bemenetre kapcsolt analóg jelet.
jellé.
segítségével
analóg
Az analóg bemeneti jelek az érzékelők/távadók által szolgáltatott, egységes jeltartományú, tovább feldolgozásra alkalmas jelek. A jel lehet: Egyenáram. (0-5mA; 0-20mA; 4-20mA; 0-50mA)Pl.: hőmérséklet-, nyomás-, áramlás-, szint- stb. távadók. Egyenfeszültség (1 V alatt; 1 V felett.) Pl.: ellenállás hőmérő, hőelem, nyúlásmérő érzékelő, stb. Frekvencia (10-100 Hz).Pl.: Néhány erőmérő, nyomásmérő, ill. sűrűségmérő, stb.”[1] Az S7 300 CPU „Főként az ipari megoldásokra van kifejlesztve, moduláris bővítési lehetőségekkel. A CPU-k nagy feldolgozási sebességük lévén rövid gyártási, gépi ciklusidőt tesznek lehetővé. A Micro Memory Card (MMC) mint adat és programmemória, feleslegessé teszi a „backup elem” használatát. A teljes projekt a szimbólumokkal együtt az MMC-n tárolható, így megvalósítható az egyszeri programfrissítés. Az írási és olvasási lehetőség RUN üzemmódban lehetővé teszi az adatok archiválását és receptek feldolgozását. Jellemzői: Hatékony konfigurálás és programozás a STEP 7, valamint a mérnöki eszközök (Engineering Tools) segítségével. Hálózat kialakítás MPI, SIMATIC NET és már a PROFINET alkalmazásával. Moduláris bővítési lehetőség és maximum három sorig (rack). Moduláris rendszer, a technológiai funkciókat megvalósító hardver és szoftver komponensekkel. Kompakt kivitelezésének köszönhetően tökéletesen alkalmas olyan feladatokra, ahol a hely kritikus tényező és alkalmas továbbá elosztott rendszerek megvalósítására. Az egyszerű szerelhetőséget a DIN sínre pattintható modulok, és az ezekbe integrált hátlapi busz biztosítják, nincs szükség modulhely szabályok 25
alkalmazására sem. Karbantartásmentes működés ventilátorok nélkül. Erőteljes diagnosztikai funkcionalitás, a vezérlés nagyobb rendelkezésre állásának érdekében.”[7]
2.3 Az eszközök A fogazat ellenőrző A feladat ismertetésénél említettem, hogy a kezelőnek egy idomszerrel ellenőriznie kell, hogy a villán a fogazat rendben van-e. Három közelítéskapcsolóval valósítottam meg a szerszámok kódolását. Három biten hét darab, különböző fogazatlekérdezőt különböztethetünk meg. A nulla állapotot, amikor egyik lekérdező sincs használatban, a hiba detektálására tartjuk fenn. Egy további kapcsoló segítségével ellenőrizhető, hogy használta-e az operátor a szerszámot, illetve egy közelítéskapcsoló azt figyeli, hogy a termék be lett-e helyezve az ülékbe.
17. ábra: Közelítéskapcsoló
„A közelítéskapcsolók kimenetei, a kapcsolást megvalósító tranzisztor típusára utalva, PNP vagy NPN típusúak. Aktivált (kapcsolt) állapotban a PNP-s kimeneten gyakorlatilag a tápfeszültség, míg az NPN esetén a nulla feszültség jelenik meg. Az inaktív kimenet, típustól függetlenül nagyimpedanciás állapotú, azaz gyakorlatilag szakadásnak, be nem kötött vezetéknek felel meg. Ennek megfelelően a terhelés PNP-s kimenet esetén a kimenet és nulla tápfeszültség közé, NPN-es kimenetnél a kimenet és a pozitív tápfeszültség közé kötendő. Európában a PNP-s eszközök terjedtek el, az NPN típusúak a Távol-Keleten népszerűek. Az NPN és PNP kimenetek tulajdonságait egyesíti az ellenütemű kimenet, ami PNP és NPN típusok helyett is használható. Jellemzője, hogy egyik állapotában a negatív, a 26
másikban pedig a pozitív tápfeszültséget kapcsolja, nagyimpedanciás állapotot nem vesz fel. A kapcsolt jelszinttől függetlenül egy kimenet lehet záró (NO) vagy bontó (NC), azaz alaphelyzetben nyitott illetve zárt. Alaphelyzetnek a nem kapcsolt állapot tekintendő, például egy induktív közelítéskapcsolónál az érzékelő fémmel nem takart állapota. Záró/bontó helyett opto érzékelőknél a világosra/sötétre kapcsoló kifejezés is használatos. Antivalensnek nevezett az, amikor az érzékelő két kimenettel ellátott, záróval és bontóval is. Fentiek alapján (az ellenütemű és antivalens típusoktól eltekintve) egy közelítéskapcsoló lehet PNP záró, PNP bontó, NPN záró vagy NPN bontó típusú. Legelterjedtebb a PNP záró változat.”[5]
Andon lámpák Az Andon lámpákat a vizualizációhoz szokták használni. A segítségével a műveletek illetve a gép működéséről kaphatunk visszajelzést. Úgy kell elhelyezni, hogy az operátor láthassa. Az észlelést fényjelzések mellett hangjelzések is kísérhetik. Az egyes színek a következő jelentéssel bírnak. Ez általában belső standard, vállalatonként eltérhet.
18. ábra: Andon lámpák
27
Szín/ működés
Gyártás
Szerelés
A piros lámpa
N.O.K folyamat, hiba a szerelés folyamán.
tartósan világít A piros lámpa
Meghibásodás jelzés pl.: a vészgomb meg van nyomva, villamos vagy mechanikus
villog
meghibásodás lépett föl.
A sárga lámpa
A gép alapállapotban van, mert
Ahogy a szerelési folyamat elindult a lámpa
tartósan világít
az indítási feltételek nem adottak
kigyullad, ahogy vége elalszik
pl.: átállás, karbantartás, hiányzó munkadarab, nincs levegő stb. A sárga lámpa
Figyelmeztetés, hiányzó indítási feltétel, hiányzik valamilyen ellátás (levegő, zsír,
villog
hidraulika) operátori beavatkozás szükséges
A zöld lámpa
A gép automata üzemmódban
Ahogy az O.K. munkadarab elhagyta az állomást a
tartósan világít
van
lámpa kialszik
A zöld lámpa
Az indítási feltételek teljesültek
villog A kék lámpa
A gép alaphelyzetben van
tartósan világít A kék lámpa villog
2. táblázat: Andon lámpa működése
19. ábra: Andon lámpa bekötése A következő ábrán láthatjuk a lámpa bekötését. A gyakorlatban két típus létezik, a LED-es és izzós változat. A hagyományos izzós változatnál úgymond megrelézték a kimenetet illetve a lámpát. Az izzós változat helyére tehetünk LED-es lámpát, fordítva 28
viszont ez nem igaz. Így túlterhelnénk a kimenetet, ha az nincs relézve. A következő ábrán a lámpa bekötésnek elvi vázlatát láthatjuk. További két típus közül választhatunk az adatlap alapján, folyamatos és folyamatos/villogó üzemmódra képes lámpák közül. Mindkét verzióból létezik 24V DC és 230/120V AC feszültségre méretezett verzió. Ezek alapján a következő típusok kerültek kiválasztásra:
LD-5223-101-ház
LD-2782-100 rúd
LD5200-101 talp
LD 2782-102-104-105 LED-es lámpák
Az útmérő „Az összetett ipari berendezéseknek sok mozgó része van, legyen az szinte bármilyen gép. Szerszámgép, robot, csomagoló gép, prés, stb. A gépek vezérlésének szempontjából általában fontos szokott lenni a mozgatott részek valós helyzetéről visszavezetett információ.
Egy munkafolyamat elvégzéséhez szinte mindig több
mozgást kell elvégeznie a gépnek. A visszavezetett információ alapján tudja, hogy mikor végezheti el a következő munkafázist.
Az abszolútértékes útmérés A jeladó működése jelentősen eltér az inkrementális jeladóétól. Itt nem impulzus sorozatok számlálása történik, a jeladótól elve egy koordináta értéket olvas ki a vezérlő. Így a vezérlő és a jeladó közötti kommunikáció is sokkal összetettebb (nagy sebességű soros kommunikáció). Az abszolút jeladók többségénél egy kódot olvasnak le egy kódtárcsáról vagy szalagról. A kód megfeleltethető a pillanatnyi pozíciónak. Forgó jeladóknál van egy vagy több fordulatú jeladó. Az alkalmazástól függően választják ki, hogy melyiket alkalmazzák. Az egy fordulatú (single turn) abszolút jeladók tengelyének abszolút helyzete csak egy körülforduláson belül határozható meg. A körülfordulás végén, a kiolvasott koordináta "újrakezdődik" (túlcsordul). A több fordulatú jeladó (multi turn) a benne lévő áttételeknek köszönhetően több teljes fordulaton túl is képesek az abszolút koordináta visszaadására mielőtt az érkező kód újraindulna vagy túlcsordulna (az ilyen jeladók akár több ezer fordulat megkülönböztetésére is képesek). 29
Léteznek nem kód olvasásával működő abszolút jeladók is. Pl. potenciométer alapú vagy magneto-strikciós elven működő abszolút jeladók. Mindegyikre jellemző, hogy a visszaadott koordináta abszolút jellegű magához a jeladóhoz képest. Ha a gép kikapcsolt helyzetben mozdul el, bekapcsolás után a vezérlés már az új, tényleges fizikai helyzetnek megfelelő koordináta értéket kapja és nem ugyanazt, mint ami a kikapcsolás előtt volt. A módszer hátrányai: Talán meglepő, de az abszolút útméréssel működő rendszereknek is van referencia pontja. Érthetetlen, hiszen ha mindig a tényleges fizikai helyzetnek megfelelő koordináta értéket kapjuk az abszolút jeladótól, mit csinálna a referencia pontra állításakor? Miért lenne arra szükség? Ennek gyakorlati oka van. A jeladó által mért mozgás és a gép mozgó (mérendő) része ugyanis nem feltétlenül ugyanaz a mozgás. Villamos hajtás esetén a jeladó szinte mindig a motor tengelyén van, így a jeladó ennek mozgását méri. Ám a gép mozgó része és a motor tengelye között sok mechanika lehet még, a hajtóművön kívül is. Bordás szíjak, láncok, további áttételek. Amíg a motor és a hajtott rendszer közötti mechanikai kapcsolat létezik, ennek a kapcsolatnak köszönhetően motor elmozdulása szükségszerűen arányos lesz a hajtott mechanika mozgásával. A lassító áttétel miatt a motor tengelyén végzett mérés jótékony hatással van a pontosságra és a jeladó rögzítése stb. is egyszerűbb (sokszor a motor és a jeladó gyárilag egy mechanikai egységet képez). Ha a hajtást meg kell bontani (karbantartás, javítás), megszűnik a fizikai kapcsolat a jeladó által mért mechanikai rész és a mozgatott, ténylegesen mérendő rész között. Összeszerelés után a motor tengelye hiába van pont ugyanabban a helyzetben mint előtte, a mozgatott mechanika lehet teljesen máshol. Ennek ellenkezője történik, amikor a jeladót vagy azzal együtt a motort kell kicserélni. A felszerelt másik motor teljesen más helyzetben lesz, mint az, amit levettek. Ilyenkor a vezérlés más koordinátát fog kiolvasni a jeladóból, noha maga a gép még mindig ugyanabban a helyzetben van, vagy ugyanazt olvassa ki, de a gép teljesen más helyzetben van. Az útmérőt kalibrálni kell, hogy a gép ezután is megfelelően működjön. Ezt csak arra képzett szakember végezze. Egy hibás paraméter megadása a javítás újrakezdéséhez vezethet, beleértve az eszköz beszerzését is.„ [9]
30
Esetünkben mérni kell az utat a préselésnél, illetve a stemmelésnél. A két folyamatnál különböző pozíciókban kell megállítani a préselő, illetve stemmelő fejeket. Ezt abszolútértékes útmérővel valósítjuk meg, mivel a munkát hidraulikus munkahengerek végzik, nem villanymotorok.
20. ábra: Útmérő fejegysége A kiválasztott útmérő típusa: HBM VA útmérő. Érintéssel működő tapintós és merülőmagos, standard kivitelű induktív útadó. Kimenet: 80 mV/V vagy 0,5-10V kábelelektronikával az általános ipari alkalmazásokra. Az osztálypontossága: 0,1. Az adatlap alapján a következő cikkszámon kell megrendelni az eszközt: T azaz szondás, 100W tehát, 100mm-es a munkahenger lökete, amihez használni szeretnénk. A 33K azt jelöli, hogy axiális kivezetése lesz a kábelnek 3m-es hosszban. Az S1 csatlakozóval ellátott verzió. Az F1 jelölésű kábelek végén csak saru található. Az osztálypontossága legyen 0,1%, legyen hozzá jelátalakító és 0,5-10V-os tartományban adja a kimeneti jelet.
21. ábra: Útmérő távadója A képen a jelátalakítóról készült fotó, és a kimenetek láthatóak. Ezek segítségével lehet majd az eszközt csatlakoztatni a PLC-hez. Az útmérőből 2-2 darab kell majd oldalanként. 31
2.3.1. A tápellátások Elektromos tápellátás A berendezésben elektromos áramot kell használni a hidraulika szivattyú, a PLC és egyéb elektromos berendezések tápellátására. Elsőként vizsgáljuk meg, hogy milyen módon valósítjuk meg a hidraulika szivattyút meghajtó motor tápellátását. Az egyes gyártók komplett hidraulika tápegységeket kínálnak eladásra. Ezek beszerzése és pontos kiválasztására a legjobb, ha felvesszük a kapcsolatot a gyártóval, mivel ezek megfelelő összeállítása komplex és bonyolult feladat. Azonban kivétel nélkül a szivattyú működtetésére háromfázisú aszinkron motorokat használnak, mivel ezek képesek kellően nagy teljesítményt leadni és az áruk is alacsony, működésük megbízható, sok-sok üzemóra után kell csak rajtuk karbantartást végezni, esetleg cserélni azokat. „Bekötésük kétféleképpen lehetséges. Csillag vagy delta kapcsolásban. A motor bekötése előtt mindenképpen olvassuk el az adatlapját. Egyik bekötésnél sincs üzemi kondenzátor.
22. ábra: Csillag kapcsolás
23. ábra: Delta kapcsolás
A csillag bekötés: Ezt a 2,2kW teljesítményű villanymotoroknál alkalmazzák, míg a delta bekötést 3kW és e feletti teljesítményű motoroknál használják. Mint a képeken is láthatóak a bekötőlécek elrendezésével lehet a kapcsolást megvalósítani. A háromfázisú villanymotorokat mindig négyeres kábellel kell bekötni, ahol a zöld-sárga jelzésű érrel a védőföldelést kötjük be. Ezt a kábelt megfelelő kábelsaru használatával a kapocsdobozban lévő földelőcsavarhoz kell kötni.
A három fázisvezetőt a
kapocsdobozban lévő kapocslécre, a jelölt U1-V1-W1 pontokra kell kábelsaruk használatával bekötni. 32
A fázisvezetők bekötésével még a villanymotor nem üzemképes, a mellékelt három bekötőléc elhelyezésével válik véglegessé a bekötés. Ezen bekötőlécek elhelyezésével az un. "csillag" és az un. "delta" bekötés hozható létre, attól függően, hogy milyen a villanymotor és milyen a táphálózat. Tehát a bekötést körültekintően kell elvégezni. A szükséges bekötési módokat a villanymotorok adattáblája jelzi. A háromfázisú villanymotorok forgásirányának a változtatása a három fázisvezető közül bármelyik kettő bekötési sorrendjének a megváltoztatásával lehetséges.”[10] A szekrényben továbbá szükség van egyfázisú egyenáramú feszültségforrásra is. Ezt egy Siemens tápegység segítségével állítjuk elő. A Siemens három féle tápegységet ajánl a S7 300-as CPU-k hoz. A terhelhetőségük 2A, 5A és 10A. Én a feladathoz egy 10A terhelhetőségűt választottam, mivel ezzel szeretném ellátni a mágnesszelepek áramellátását is. A típusszáma 6ES7307-1KA02-0AA0. Ez szolgáltatja a 24VDC-t az egész szekrényben. A hidraulika tápegység A hidraulika szivattyú segítségével 85 bar nyomást állít elő esetünkben. Ezt fogjuk felhasználni a préselést végző munkahengerek üzemeltetéséhez. Ezt, mint komplett egységet lehet beszerezni. Bekötése és beüzemelése speciális szerszámokat igényel, bízzuk mindig szakértőre. A 24-es ábrán a hidraulika tápegység elvi rajza látható.
24. ábra: Hidraulika tápegység
A szekrény kiválasztása: A szekrény Rittal gyártmányú, a tervezés során a mérete úgy lesz megválasztva, hogy a vezérlő később, szükség esetén tovább bővíthető legyen.
33
3. A programozás A fejlesztőkörnyezetek A programot a Step7 és WinCC flexible 2008 fejlesztői környezetekkel végeztem. A telepítés után az asztalon látható parancsikonokkal indítható. Mivel szeretnék operátor panelt is, ezért fontos, hogy mindkét program telepítve legyen. Csak így tudom majd a HW config után kiválasztani az OP típust.
25. ábra: Parancsikonok
3.1. Az objektum blokk típusok: A Step7-ben több előre definiált OB létezik, melyeket SFC-ken keresztül hívhatunk meg. CPU típusonként a rendelkezésre álló OB-k eltérőek. Ezek használhatóságáról és típusairól készítettem egy összefoglaló táblázatot. Név: OB1 main sweep cycle OB10-17 time of day interrup OB20-23 time of delay interrupt OB30-38 time of delay interrupt OB40-47 harware interrupt OB80-87 OB100 OB101 OB102 OB121 OB122
Tulajdonság:
Prioritás:
A ciklikus programvégrehajtáshoz használt blokk.
1
Beállítható egy nap bármely időpontjában használható megszakítás. Pl.: 08:00-kor a PLC végezzen el bizonyos műveleteket.
2
Egy késleltetés beillesztést tesz lehetővé időzítő használat nélkül.
3-6
Időintervallumonkénti programvégrehajtást tesz lehetővé az OB1 feldolgozásától függetlenül.
7-15
Egy esemény bekövetkezésekor egy megfelelő rutinnal automatikus beavatkozást tesz lehetővé.
16-23
Hibakezelő OB-k pl.: Táphiba,program hiba ,HW hiba stb. Adatok kezdőérték beállítására használható újraindításnál Adatok kezdőérték beállítására használható meleg újraindításnál Adatok kezdőérték beállítására használható hideg újraindításnál Ha olyan programrészt hívunk, meg ami nincs benne a PLC-ben. Elkerülhetjük a lefagyást. Külső I/O hozzáférési hiba, pl.: Profibus hozzáférési hiba.
3. táblázat: OB-k
34
25 27 27 27 A hibát kiváltó OB prioritása A hibát kiváltó OB prioritása
26. ábra: Step7 File menü
27. ábra: Új Projekt A Step7-et elindítva létre kell hozni egy projektet, amiben dolgozni fogunk. Ezt megtehetjük varázsló használatával vagy anélkül. A továbbiakban a kézzel végzett beállításokat fogom bemutatni.
A File menü New menüpontjára kattintva a 27. ábrán lévő ablak nyílik meg.
35
Itt a Name beviteli mezőben megadom a Projektfájl nevét, a Storage location beviteli mezőben pedig a helyét. A típusa legyen Project. Az OK gombra kattintva létrejön a fájl. Ha máshová szeretnék dolgozni, mint az eredeti mappa, akkor azt a Browse gomb megnyomása után a kiválasztott mappa betallózásával válik lehetségessé. Tetszőleges elérési út adható meg, így lehetőségünk van külső meghajtóra dolgozni. A későbbiek folyamán a WinCC flexible-el készített projekt file is ebbe a mappába kerül, ha már az operátor panelt is hozzáadtuk a hardver beállításokhoz. 3.2. A hardver beállítás A beállítást elvégezve a következő képernyő nyílik meg:
28. ábra: Kezdő képernyő Ezután el kell végezni a hardveres egységek konfigurálását, amiben megadjuk a főbb alkatrészeket, mint a CPU és az ahhoz csatlakozatott kiegészítő kártyákat, valamint a HMI típusát is itt kell megadni. Erre azonban csak akkor van lehetőség, ha már telepítettük a WinCC-t. Az Insert menüpont alatt a Station paranccsal adtam hozzá az S7 300–as CPU-t, aminek a típusát a HW Config-ban állítottam be. Először egy Rail-t kell drag and drop segítségével a képernyőre húzni, majd ebbe tudjuk beilleszteni a különböző építőelemeket. Másodszorra a tápot kell beilleszteni, amit a jobb oldalon látható katalógusból lehet kiválasztani a PS mappában. Létezik 2,5-ös és 10A-s tápegység. A mi szekrényünkbe 10A–s tápegység szükséges. Ezután ki kell választani a CPU-t. Ügyeljünk arra, hogy a tényleg beépítésre kerülő típus legyen kiválasztva. Én a CPU 314C-2DP-t választottam.
36
29. ábra: HW konfigurálás 3.2.1. A CPU jellemzői:
30. ábra: CPU tulajdonságok
Siemens cikkszáma: 6ES7 314-6CF00-0AB0 Tápfeszültség: 24V min:20,4V max:28,8V Áramfelvétel: 1000mA bekapcsolásnál, 11A max. Teljesítmény: 14W
37
Belső memória: 48 kilobyte, bővíthető MMC kártyával, biztonsági mentés MMC kártyára.
CPU blokkok: DB: 127 db max. 16 kilobyte, FB: 128 max. 16 kilobyte, FC: 128 max. 16 kilobyte. OB: max. 16 kilobyte 1 darab idő „time of delay” OB 10, Ciklikus megszakítás OB 35 Megszakítások: OB 40, OB 20, OB 82, 85, 86, 87. Digitális bemenetek: 24db -3 +5 V L szint, 15-30V H szint Digitális kimenetek: 16 db kimenet, H szintje L+, ami a tápfeszültség. Analóg bemenetek: 5db 12 bites kódolás. A konverziós idő 1ms az integrálási idő: 2,5,16,20ms. Programozó nyelvek: LAD, STL, SCL, FBD, CFC, GRAPH, HiGRAPH. Mivel a gépnél 6 analóg bemenetre van szükség, ezért még hozzá kell adnunk egy SM kártyát a konfigurációhoz, mely cikkszáma a 6ES7 331-7KB00-0AB0. Az adatlapnak megfelelően 12-14 bites átalakításra képes, amit a konverziós frekvenciával állíthatunk be. Én 14 bites felbontásban fogom beállítani a hardver beállításokban. A felbontás az interfész frekvenciával állíthatjuk be a következő képpen: Felbontás
Integrálási idő:
Konverziós frekvencia:
9 bit
2,5 ms
400 Hz
12bit
16,7 ms
60 Hz
12bit
20 ms
50 Hz
14bit
100 ms
10 Hz
4. táblázat: Konverziós frekvenciák A konverziós frekvencia a következőképpen számolható:
38
31. ábra: AI beállítás f
1 1 10Hz T 0,1
32. ábra: Számítás A kiválasztott PLC tartalmaz még egy számlálót és egy enkóder bemenetet a szervo vagy léptetőmotor vezérléséhez.
3.3.Az operátor panel:
33. ábra: Projekt képernyő
39
34. ábra: OP hozzáadása Az operátor panel típusa MP 227 10”, amit a következőképp adtam hozzá a projekthez. A Simatic Manager-ben duplán kattintottam a CPU-ra majd megjelent a Connection objektum, amire szintén duplán kattintva megnyílik a NetPro, ahol szerkeszthetjük a hálózatot. Új állomásokat, eszközöket csatlakoztathatunk a PLC-hez pl.: ET200-as bővítő kártya vagy egy szervo vezérlés, illetve az operátor panel. A következőképpen lehet hozzáadni a kívánt kiegészítést. A jobb oldalon található katalógusból kiválasztjuk az eszközt, majd drag and drop-al a főképernyőre húzzuk. Ezután a piros MPI elnevezésű sínre kötjük mind a PLC-t mind a hozzáadott egységet. Ezután a fenn látható elrendezést kell látni. A műveletet WinCC segítségével is el lehet végezni, amikor létrehozunk egy új projektet, társíthatjuk a két projektfájlt. A csatlakozó alatti szám mutatja az eszköz címét, ez esetben a HMI panel címe a 3-as. Ezt mutatja a 34. ábra.
40
3.3.1.
Az MPI interface:
„Az MPI interfész busz topológiájú, RS 485-ös fizikai réteggel. 32 eszköz csatlakoztatható rá 187,5 kb/s adatátviteli sebesség 1200m hosszban, leágazás nélkül. Ezután
jelismétlőt
kell
használni.
Alul
látható
az
RS
485
blokkvázlata.
35. ábra: MPI interfész A zavarok, reflexiók elkerülése érdekében szükséges a lezárások használata a busz végein, aminek az értékei a két jelvezeték között 120 ohm, míg a táp vagy föld és a jelvezeték között 680 ohm. A busz topológiára jellemző, hogy bármelyik állomás bármelyik állomással kommunikálhat, viszont egyszerre csak egy állomás végezhet adást, ezért egy szabályozó eljárásra van szükség, ami szabályozza a hozzáférést. Ez ebben az esetben CSMA/CA közeghozzáférés. Lehetséges egy adónak több vevőhöz is eljuttatni az üzenetet, de általában a buszon pont-pont kommunikáció zajlik, egyedi azonosítók használatával. A topológia előnye, hogy huzalozása igen egyszerű, könnyen bővíthető, támogatja a broadcast kommunikációt. Hátránya, hogy nincs automata üzenetnyugtázás, a lezáró ellenállások esetén a kommunikáció bizonytalanná válhat, az adatátvitelnél fennáll az a probléma, hogy hibás címzés esetén az üzenetet nem megfelelő címzett veszi.”[11] Az analóg mérés: Mind az előpréselésnél, mind a főpréselésnél szükség van a munkahenger pozíciójának mérésére. Ezt a korábban már bemutatott útmérőkkel végezzük. Az előpréseléshez egy 12 bites analóg bemenetet használunk 0-10V-os mérési tartományban, míg a főpréseléshez egy 16 bites analóg bemenetet használunk +/-10V-os mérési tartományban. Emiatt másként kell majd átalakítanunk a beolvasott értékeket.
41
Az útmérés tesztelését a következő mintapéldán keresztül szeretném bemutatni.
A kódolás: Ahhoz, hogy jól áttekinthető legyen a kódunk, érdemes a programot funkcióblokkokra bontani. A Step7-ben 4 féle blokk létezik. Az OB az objektum, az FC a funkció, az FB a funkcióblokk, a DB az adtablokk, az SFC/SFB rendszerfüggvények, rendszerblokkok. FC-t akkor használunk, ha nem szeretnénk megőrizni a változók tartalmát a blokk lefutása után. Egy adott FC-t többször is felhasználhatunk a programban, illetve más projektekbe is átmásolhatunk. Létrehozni az FB-t a főképernyőn jobb klikk után, vagy az Insert menü S7 Block parancsával lehet. Ahogy az ábrán is látható, külön blokkot készítettem az egyes folyamatlépéseknek. Ezeket a funkcióblokkokat fogom később meghivatkozni a OB1-ben.
36. ábra: Funkcióblokkok
A fő különbség az FB és FC között, hogy az FB-hez tartozik egy Instance DB blokk is, amiben képes eltárolni értékeket. Azonban erre ebben a programban nincs szükség, az értékeket az OP-n tároljuk receptek formájában. Az FC és FB közti különbségeket a következő táblázatban foglaltam össze.
42
Tulajdonság
FC
FB
Szubrutinként használható
IGEN IGEN
Használhat változókat, mint bemenet, kimenet, és mint be/kimenet.
IGEN IGEN
Használhat átmeneti változókat
IGEN IGEN
Használhat konstanst
NEM
IGEN
Szükséges egy segéd (instance) DB minden hívásnál
NEM
IGEN
A segédváltozókat, paramétereket, mint címet adja tovább belső
IGEN NEM
használatra A segédváltozókat, paraméterek a segéd DB-n keresztül érhetőek el
NEM
Hívhat meg FC-t vagy FB-t
IGEN IGEN
FB vagy FC által hívható
IGEN IGEN
IGEN
5. táblázat: Funkció-blokk és függvény összehasonlítása
A változókhoz az adatblokkokban megadott adattípusokat rendelhetünk hozzá. A Step7ben található változók: Méret (bitben)
Típus BOOL BYTE WORD
1 8 16
Formátum lehetőségek Bináris szám Hexadecimális szám Bináris szám
DWORD
32
INT DINT REAL S5TIME TIME TIME OF DELAY CHAR
16 32 32 16 32 32
Hexadecimális szám BCD Előjel nélküli decimális szám Bináris szám Hexadecimális szám Előjel nélküli decimális szám Előjeles decimális szám Előjeles decimális szám Lebegőpontos szám S5 Timer időzítése Idő 10ms-es osztásokkal Idő 1ms-es osztásokkal
8
ASCII karakter
Példák TRUE B#16#0 2#1; 2#1110_0001_0001_0000 W#16#1000 C#128 B#(10,20) 2#0 DW#16#00A2_1234 B#(1, 14, 100, 120) 1; -32768 L#- 2147483648 1.234567e+13 S5T#2H_46M_30S_0MS T#0D_1H_1M_0S_0MS TOD#23:59:59.999 'E'
6. táblázat: Változó típusok Továbbá rendelkezésre állnak még komplex adattípusok, mint a DATE AND TIME, ami egy 64 bites BCD kód. A STRING egy 254 karakterből álló karaktertömb. Az ARRAY, ami egy maximum 6 dimenziós mátrix, illetve a STRUCT, amivel a DB-ken 43
belül csoportokba rendezhetünk különböző típusú adatokat STRUCT kezdő és END_STRUCT parancsokkal. Alul egy példa látható struktúra használatára DB-n belül. Ahogy az ábra is mutatja, lehetőség van a DB-ben felvett címet egy tetszőleges kezdőértékkel feltölteni.
37. ábra: Struktúrák DB-ben A kimenetek és bemenetek kezelését a szimbólumtáblán keresztül szeretném bemutatni. Amint az alul is látható, a szimbólumtábla használatával elnevezhetjük a ki és bemeneteket, illetve pár fontos merkernek is nevet adhatunk. A VAR táblák, az FB-k és a DB-k automatikusan felvételre kerülnek.
38. ábra: Szimbólum tábla A bemenetekre mindig I betűvel, a kimenetekre Q betűvel, a merkerekre M betűvel hivatkozunk. Egy bemenet 1 byte azaz 8 bit, amire hivatkozhatunk IB0-ként. Ekkor az 44
első 8 bitet, IW0 esetén az első 16 bitet egy szóként kezeljük. Egy input kártya összes bemeneteire hivatkozhatunk bitenként pl.: I0.0. Ez a 0-s bemenet 0-s bitjét jelenti. A kimeneteket szintén címezhetjük csoportokban Pl.: QB0 vagy bitenként Q0.0. Ez szintén igaz a merkerekre is, mivel egy MW0 címzéssel 16 bitet címzünk meg a memóriában, mégpedig a 0-15-ös bitig. Erre mindig érdemes figyelni, bár a szimbólumtábla
automatikusan
figyelmeztet,
ha
már
egy használatban
lévő
memóriacímre hivatkozunk. Később a programozásnál a megadott neveken érjük el a memóriacímeket, mint a 39. ábrán látható példa is mutatja.
39. ábra: Fogazat lekérdezés Ha a létradigramban a kapcsolóhoz I0.3 helyett A-t írunk, akkor egy felugró menüből kiválaszthatjuk a szimbólumtáblában már elnevezett bemenetet, megkönnyítve ezzel a saját dolgunkat. Az elnevezéseknél figyelni kell arra, hogy olyan megnevezést adjunk a memóriaterületnek, ami egyértelművé teszi számunkra azt, hogy mit kötöttünk arra. A konverziós művelet végén a DB1.DBW0-ás címen azaz az első 16 biten lévő memóriaterületre íródik az IN-nél megadott érték. A DB-kben felvett változókat ugyanúgy elérjük a felugró ablakban, mint ahogy azt az alul látható kép is mutatja, mint a szimbólumtáblába felvett címeket. Itt is ügyelnünk kell a helyes elnevezésre. Azonban van egy nagy különbség a szimbólumtáblába és a DB-ben felvett címek között, mégpedig az, hogy a DB-ben egy kezdőértékkel fel is tölthetjük a memóriaterületet.
40. ábra: Felugró ablak változókkal
45
3.4. A funkciók, blokkok 3.1.OB1: Az OB1 hajtódik végre újra és újra minden egyes ciklusban. A program ciklikus végrehajtása fentről lefelé balról jobbra történik. Tehát először a network1 kerül kiértékelésre azután a network2-es. A vészgomb működése: A végrehajtandó lépések pedig a következők: Ha a vészgomb aktív, akkor az Andon lámpán kigyullad a piros jelzés. A nyomógomb NC érintkezője lett bekötve a PLC bemenetére. Első lépésben resetelem a merkert így minden ciklusban ellenőrizve van, hogy a gomb még meg van-e nyomva. Egy JUMP utasítással a program az OB1 végére ugrik. Ezután szeteljük az M0.7 merkert, aminek hatására a Q0.0 kimenete H szintre vált, így bekapcsol a hidraulika tápegység. Ezt követően, ha a kézi üzemmód aktív, tehát M1.0 H állapotban van, lefut a kézi üzemmód blokk. A merkerrel lehet engedélyezni a funkcióblokkot.
41. ábra: Programkód részlet Az FC3-as blokk akkor fut le, ha M0.7 logikai igaz értéket vesz fel, azaz a motor be van kapcsolva, a vészgomb nem aktív, és a fogazatlekérdezőben a megfelelő idomszer van. Ha a feltételek teljesültek, akkor az Andon lámpán a zöld fény kigyullad és a kezelő elvégzi a fogazatlekérdezést. Ha a kezelő elvégezte a műveletet, az M0.1 szetelődik, így lehetővé téve a következő folyamatlépést. Ugyanez igaz az FC1-re is. Majd ha a darabot leszereltük, a zöld szín kialszik, erről gondoskodik a program utolsó sora. Hogy a kezelő egyszerre csak egy terméket tudjon kezelni merkerekkel szabályozva van a szerelési folyamat. A következő lépés aktívvá válik az előző pedig tiltódik. 46
3.2.FC3 Fogazatellenőrzés: A funkcióblokk működésének alapja, hogy I0.3, I.4 és I0.5 kombinációjának megfelelően a DB1 blokknak a DBW0 címére a funkcióblokk IN bemenetére beírt szám kerül. A bementre egy BCD szám kerül. Ezt a számot alakítja át integerré a funkcióblokk. 3 bit 8 féle állapotot vehet fel. 2^3=8. A nullás kódot hibajelzésre használom fel, mivel ez azt jelenti, hogy nincs idomszer a lekérdezőben. Így marad 7 db kód a különböző eszközöknek. A különböző állapotoknak megfelelően van megadva az EN bemenet, ami aktivizálja a funkcióblokkot. Az NO alapállapotban nyitott kontaktus akkor zár, ha a bemenet értéke 1, azaz a bemenet H szinten van, míg az NC alapállapotban zárt kapcsoló akkor zárt, ha a bemenet értéke 0, azaz L szinten van. A BCD_I funkcióblokk egy előjeles, három számjegyű, binárisan kódolt decimális számot alakít át egy 16 biten kódolt integer, azaz egész számmá. ENO állapota megmegyezik az EN állapotával. Az AFC 3 végén a CMP funkcióblokk segítségével hasonlítom össze a beolvasott értéket azzal, ami az operátor panel receptjében van eltárolva. Az FC 3-on belül a Network 9-ben történik a kiértékelés.
42. ábra: Programkód részlet
43. ábra: Programkód részlet
47
Az aktiválási feltételek azok, hogy legyen darab a lekérdezőben, továbbá a helyes idomszer használata, aminek a vizsgálatát már leírtam, illetve a lekérdező megnyomása. Az összehasonlítást a CMP funkcióblokkal végzem, aminek a kimenete akkor lesz 1, ha I0.7 és I0.6 is igaz, valamint DB2.DBW280 egyenlő a belső idomszer kódjával. Ekkor lesz engedélyezve az előpréselés, amit élvezérelten oldok meg. Erre azért van szükség, hogy a kezelő ne tudja kipöckölni a lekérdezőt. Mert ha nincs él, akkor csak egyszer fogja engedélyezni az előpréselést és utána az eszköz használata tiltva marad, az M0.1 az előpréselés után resetelésre kerül. Változó használatával reseteli a Q1.3-as kimenetet, ami az Andon lámpa hibajelzésére használ. Ha nem egyezik meg, akkor az Andon lámpa sárgán világít majd s Q1.3-nak megfelelően. 3.3.FC2 Előpréselés:
44. ábra: Programkód részlet Az előpréselésnél a megvalósítandó működés az, hogy a kétoldalon lévő munkahengert megadott pozícióig toljuk előre, ami legyen oldalanként állítható. A munkahengereket két darab rugó visszatérítéses 2/3-as szeleppel vezérlem. A létra diagramja a következőképpen alakul. I1.1-el engedélyezzük, tulajdonképpen erre a bemenetre van kötve a start gomb. Ezzel szeteljük Q0.2-t és Q0.1-et és bekapcsoljuk az Andon lámpán a sárga jelzést. Ezt követően a fej előrejár, aminek a pozícióját a már korábban bemutatott útmérővel vizsgáljuk, ami ha elért egy bizonyos mértéket, akkor a gerjesztés megszűnik, és a munkahenger visszatér az alapállapotába. Ezt az biztosítja, hogy minden ciklusban le van kérdezve az útmérő pozíciója, ami ha elérte a kívánt pozíciót, akkor reseteli a
48
kimenetet, megszűnik a gerjesztés a tekercsen, a rugó visszatéríti a szelepet, a munkahenger visszaáll a kiindulási pozícióba. A bemenetet a PIW752-es címre olvassa be a CPU. A bemenet a hardver config-nak megfelelően 12 bites 0-10V-os. Ebből kiszámítható az LSB értéke, mely a következőként alakul.
45. ábra: Programkód részlet 10V=100mm =4095=0000 0011 1111 1111 10V/4095=100/4095mm =0000 0000 0000 0001=0,0024V=0,0244mm H= LSB/2=0,0244mm/2=0,0122mm a hiba. Ahogy a lentebb látható ábra is mutatja, a korrekcióhoz osztást használtam. Azonban a műveletet meg lehetne oldani szorzással is. Ez az átalakítás azért szükséges, hogy a receptben a préselési utat mm-ben lehessen megadni. A két oldal kiértékelése különkülön történik, hogy elkerüljem a nem szinkronban való működés problémáit. Ahhoz, hogy a bemenő jel átalakuljon REAL típussá az osztás elvégzéséhez, konverziókat kell használni.
46. ábra: Programkód részlet
49
A lebegőpontos számok felépítése a következő a Step7-ben a következő: Egy szám 32 biten van kódolva 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000. Az egyes bitek jelentése: A legelső számjegy mutatja meg, hogy a szám pozitív vagy negatív, ha 0, akkor pozitív ha 1-es, akkor negatív. Az IEEE szabvány szerint kétféle nulla létezik, a +0, ami a számunkra megszokott nulla és a -0, amit a nagyon nagy értékű negatív számok kapnak eredményül. Ezután következik az eltérített karakterisztika értéke, ami 8 biten van kódolva. A mantissza 23 bitet foglal. Ennek függvényében előbb beolvasom az értéket, majd eltárolom egy INT változóban, amit aztán át kellett alakítani egy Double INT számmá, így már 32 biten lesz kódolva. Ezért is tárolva van egy MD merkerben, ami egy duplaszó, azaz 32bit, majd REAL-é a számításhoz, hogy a megfelelő érték kerüljön átalakításra.
47. ábra: Programkód részlet A funkció-blokkon belül eltároljuk a préselés pontos értékét, ami majd az operátor panelen kerül kijelzésre. Az eltárolt értéket a sikeres préselés után 0-ra állítja vissza a 12. Network.
48. ábra: Programkód részlet
50
A mért értékeket eltárolom a Mertertek_Bal és a Mertertek_Jobb belső változójában. A bal és jobb teljesült változókkal figyelem, hogy a nem szinkron préselés mindkét oldalon teljesült-e, és csak azon az oldalon engedi tovább a program a fejet, ahol a feltétel még nem teljesült. A teljesülés feltétele nem az egyenlőség, hanem a megadott érték elhagyása. Minden ciklusban kiértékelésre kerül az út értéke. A következő szerelési lépés csak akkor lesz aktív, ha mindkét oldalon megtörtént a préselés. A működés tesztelésére létrehoztam egy mintaprogramot. Ennek a tesztprogramnak a működését fogom a továbbiakban bemutatni. A tesztelésre a következő eszközök állnak rendelkezésre.
49. ábra: PLC szimulátor A PLCSIM, ahol a bemeneteket és kimeneteket tudjuk szimulálni. A kis ablakokban ezek láthatóak, QB nevű ablakban a kimenetek, az IB ablakban a bemenetek és az MB elnevezésű ablakban a merkereket találjuk. A jelölőnégyzetekre kattintva állítható be az értékük, mégpedig ha jelölt, akkor 1, ha nem jelölt, akkor L az állapot. Ahhoz, hogy a PLC fusson a CPU ablakban, a RUN felirat melletti jelölőnégyzetet kell kijelölni. Ha a RUN-P van kiválasztva, akkor csupán egyszer fut le a ciklus, míg a RUN hatására újra és újra lefut az OB1 ciklus. Az MRES feliratú gombbal tudjuk törölni a szimulátor memóriáját. A CPU ablakban pedig a RUN, STOP, SF, DP, DC felirat melletti szimbólumok a CPU állapotát hivatottak jelezni, mint a valóságban a LED-ek. Ahogy az ábra is mutatja az DB1.DBB minden bitje 1-es.
51
50. ábra: VAR tábla
51. ábra: Szimuláció A VAR tábla is a rendelkezésünkre áll, mint diagnosztikai és szimulációs eszköz. A VAR táblát a Simatic Manager-ben hozhatjuk létre, pontosan úgy, mint a FC-ket. Létrehozásuk után az address mezőbe beírva a belső vagy külső változó számát a következőképpen: a DB az adatblokk száma, ami tartalmazza a megjelenítendő változó nevét, majd a DB-n belüli memóriacím. A képen a DB1.DBB.0 látható, ami a DB első 8 bite. Itt is használható a B, ami 8 bitet, a W, ami 16 bitet és a D, ami 32 bitet jelöl. A Display format-ban tudjuk megadni a formátumot, ahogy megjeleníteni szeretnénk a tartalmat. Ez lehet BCD, hexadecimális szám, bináris szám, BOOL esetében TRUE vagy FALS. A kis szemüveg ikonra kattintva olvassa be a VAT tábla a tartalmát, a másik ikonnal lehet frissíteni, ahol a szemüveg jobb alsó sarkában egy I szimbólum látható. Ha a memóriacím tartalmát szeretném változtatni, akkor a Modify value mezőbe kell beírni a bevinni kívánt értéket, majd a kis szemüveg melletti kis villám szimbólummal lehet módosítani.
52
A következő képen látni lehet, hogy hogyan képesek együttműködni a meglévő diagnosztikai rendszerek. A programot ezek segítségével teszteltem, de csak egy mintafeladaton keresztül tudom bemutatni a tesztelést. Mint látni lehet, hogy csak abban az esetben lesz a CMP funkció által restelve a Q0.0, ha a blokk IN1 és IN2 bemenetére kapott értékek egyenlők. 3.4.FC1 Stemmelés_és_préselés:
52. ábra: Programkód részlet
53. ábra: Képernyőkép a tesztelésről
53
A termék szerelésénél ez az utolsó lépés. A funkcióblokk akkor lesz aktív, ha engedélyezve van, és a vészgomb sincs megnyomva. Ezután a kétkezes indítás kiértékelése következik. Feltétel, hogy a gombok nyomva maradjanak amíg a gépi ciklus aktív. Erre a negatív él detektálását használtam fel, amihez kell egy merker, amiben az előző állapot van tárolva. Ha ez teljesül, akkor a nyomva maradt M0.5-ös merker 0 marad, azt a feltételekben egy bontó érintkezővel realizáltam. A feltétel az, hogy a két gomb egyszerre legyen megnyomva. Ezt a 52. ábrán
látható módon
oldottam meg. A T1 és T2 időzítő típusa S_PEXT. Az S bemenetére adott H szinttel lehet elindítani és az R bemenetére adott H szinttel lehet resetelni. A TV bemenetén az időzítés idejét lehet megadni. Az S5T azt jelenti, hogy egy időzést akarok megadni, ami ebben az esetben 200ms, azaz 200 millisec. Az S_PEXT addig lesz H szinten a bemenetére adott H szint után, amíg az S5T#-el magadott idő le nem telik. Ez a számunkra azt a működést fogja eredményezni, hogy a két gomb megnyomása közti időt lehet vele beállítani, illetve van benne egy élvezérlés a kapcsolók kipeckelésesének észlelésére. Az M0.6 ezután lesz szetelve. Resetelni az előfeszítést végző munkahenger hátsó helyzet elérése fogja a merkert.
54. ábra: Képernyőkép részlet
55. ábra: Programkód részlet
A szerelési lépés során szükség van a villaszárak szétfeszítésére. Ezt egy hidraulikus munkahengerre rögzített ék teszi meg. A munkahenger vezérlése egy 5/3-as szeleppel történik. Ez azt jelenti, hogy egy kimenet kell a munkahenger kitolásához, egy másik a visszahúzásához. A két kimenet nem lehet egyszerre aktív. Ezt a kódrészletet mutatja az 55. ábra. A funkciókhoz tetszőleges ki- és bemeneteket hozhat létre a programozó, ezt mutatja az 54. ábra. Meg kell adnunk a bemenetre vagy kimenetre várt adat típusát, illetve a változó nevét. FB esetén ezek a változók egy külső DB-ben vannak tárolva.
54
Az előfeszítés után az FC5 és FC6 hívásával elindul a stemmelés és a préselés, majd ha FC6-ban oldjuk a feszítést, akkor Q0.4-et szeteljük. Az útmérést a már ismertetett módon és számításokkal oldottam meg, mint a préselésnél.
3.5. A felhasználói felület bemutatása 3.5.1.
A kézi üzemmód FC9:
A kézi üzemmód funkcióblokk akkor lesz aktív, ha az operátor panelen a kézi üzemmód fülre lépünk. A továbbiakban a WinCC flexible–el készített felhasználói felületet mutatom be. Az ablakok között az alul található menüvel lehet váltani. A Diagnosztika menüponton keresztül érhető el a kézi üzemeltetés. Ez lehetővé teszi az egyes egységek karbantartás esetén szükséges tesztelési lehetőségeit.
56. ábra: HMI képernyő Ahogy az 56. ábrán is látható a diagnosztikára kattintva lesz elérhető a kézi üzemmód. Külön lehet indítani az egyes szerelési lépéseket, illetve a munkahengereket egyenként lehet mozgatni a Működtet gombra kattintva. A CPU-ban egy DB van megadva, a HMIben TAG-eket definiáltam , amiket egymáshoz rendeltem, amin keresztül kommunikál a HMI és a CPU. Az interakció megvalósítására a nyomógombokat használtam. Például, 55
ha a bal útmérő értéke felirat melletti nyomógombra kattintunk, akkor az előpréselésnél lévő baloldali munkahenger előre jár, amíg a gomb nyomva van. Ezt a gomb tulajdonságainak köszönhetően tudjuk megvalósítani.
57. ábra: WinCC ablak Ahogy az 57. ábra mutatja, az Events azaz események tulajdonságoknál két esemény bekövetkezése aktivál egy scriptet, aminek a hatására a Kézi_üzem.Bemenetek.Bal_MH Bool változó értékét 1-re állítja, míg a Release, azaz az elengedés hatására a változó értéke 0-ra változik.
58. ábra: TAG-ek A változót az 58. ábrán lévő TAG lista tartalmazza. A WinCC-ben ezek feleltethetők meg a változóknak. Egy új TAG felvételénél meg kell adni a nevét, azt, hogy milyen névvel jelenjen meg, a típusát és a PLC-ben a szimbólum nevét. A Connection1 azt jelenti, hogy a változó egy külső változó, amely az 1-es csatlakozásra kapcsolt CPU tartalmaz. Az address pedig a memóriacím, ahol a változó tárolva van. Ha a Connection alatt Internal tag jelenik meg, az azt jelenti, hogy a változó a panelen belül van eltárolva.
56
59. ábra: Gomb A navigációt is a tulajdonságok használatával oldottam meg a Template screenen használatával. Erre a képernyőre olyan objektumokat érdemes felrakni, amit minden képernyőképen/screen-en meg szeretnénk jeleníteni. Először rajzoltam egy ellipszist, utána a Tools menü, Simple object-ből választva a Texfield-et helyeztem el, ezt követte a nyomógomb, aminek a láthatóságát Invisible-re állítottam. A gomb Event–ek közül a Press-hez beállítottam az ActivateScreen scriptet aminek a segítségével a Diganosztika képernyőre vált a program az előre definiált képernyők közül.
57
3.5.2.
A felhasználói szintek
60. ábra: Képernyőterv A követkő lépésként azt fogom bemutatni, hogy miként lehet a különböző felhasználók szerint jogosultságokat adni a használthoz, például a kézi üzemmódot csak a karbantartó használhassa, programot csak a kiképzett operátor válthasson. Erre a Project menü Runtime User Administration menüpontban van lehetőség. Megadhatunk csoportokat különböző jogosultságokkal. Én három féle csoportot használok, majd ezután felhasználókat adhatunk meg és rendelhetünk a csoportokhoz. Az egyes objektumok security
tulajdonságának
felhasználásával
aktívvá
illetve
inaktívvá
tehető
felhasználónként. A 60. ábrán látható képernyőt használom arra, hogy felhasználók bejelentkezhessenek. A felhasználók melletti IO field-et egy Textlist-tel töltöm fel. Textlistet a Projekt menü Text and grapic list menüpontja alatt hozhatunk létre. Meg kell adni a Textlist nevét, majd az egyes elemeket. A Default oszlopban található rádiógomb segítségével lehet beállítani az alapértelmezett feliratot. Textlist-et az objektumhoz a Properties menü, Display menüpontjával rendelhetünk a képernyő alján. Annyit kell tenni, hogy az előre definiált Textlist-ek közül kiválasztjuk a megfelelőt. Az objektumra kattintva kinyílik a legördülő lista, amiből kiválasztatjuk a nekünk tetsző elemet. A kiválasztott elem sorszáma egy int változóban van eltárolva a User_Nr. nevű tag-ben. A jelszó felirat melletti Textbox-ot úgy állítom be, hogy csak bemenetként viselkedjen. Ide kell majd begépelni a jelszót bejelentkezésnél és ez az érték eltárolódik a Password internal tag-ben. A trükk a Bejelentkezés gomb eseményeinél van.
58
61. ábra: WinCC programrészlet Ahogy a 61. ábrán látható, először a User_Nr tag-ben eltárolt sorszám szerint a tag tartalma, vagyis a felhasználó neve eltárolódik a User nevű tag-ben, amit aztán felhasználunk a Logon scriptnél, ahol a Password és a User tag segítségével ellenőrzi a program, hogy a jelszó megfelelő-e a felhasználónak megfelelően. 3.5.3.
A receptkezelés:
62. ábra: Képernyőkép A 62. ábrán látható képernyő segítségével lehet új típusokat felvinni, vagy betölteni már felvett típust. Ezen kívül megjelenik a kiválasztott recept tartalma, mint a típus neve, az idomszer száma, és a különböző préselési értékek. Ezt recept használatával valósítottam meg. A recept használatát fogom bemutatni a következőkben. Új receptet a Projekt menü Recipies, Add Recipies menüpontjával lehet létrehozni. Meg kell adni a recept nevét, megjelenítési nevét és számát. Későbbiekben hivatkozhatunk a receptre mind névvel, mind a számával. Az Elemets fülnél meg kell adni milyen adatokat tartalmazzon a recept, illetve az egyes adatok típusát. A típusok hasonlóak a Step7-nél megismert típusokhoz is. Megadjuk az alapértelmezett értéket, és hozzárendelek egy tag-et. Ezeket a tag-eket pedig elérhetővé teszem a CPU számára, illetve összerendelem őket egy ottani DB-vel. A Data Record fülön tudok felvinni rekordokat, amik saját azonosítót kapnak.
59
Tehát egy típusválasztás a következőképp működik. Beírom a kiválasztandó típust a típusválasztás beviteli mezőbe, majd a Betölt feliratú gombot megnyomva lefut egy script,
amit
az
alul
látható
ábra
szerint
paramétereztem
be.
63. ábra: Kódrészlet Az 1-es receptet szeretném használni. A kiválasztott típusnál a változóban eltárolt értéknek megfelelő rekordot választva szeretném az értékeket betölteni a már korábban megadott változókba. 3.5.3. A főképernyő:
64. ábra: Képernyőkép A főképernyőt látja a kezelő, innen szerezhet információt a gép a szerelési folyamat állapotáról. Ide íródik ki a gyártott típus a maximum értékek a stemmelésnél és a préseléseknél. Három lámpa jelzi, hogy hol tart a szerelési folyamat. A kezelő alul kapcsolhatja be vagy ki a hidraulika szivattyút.
60
Ennek a megvalósítására a Grapic objects-ek közül választottam. Ebben előre megrajzolt objektumokat találhatunk. Nyomógombokat, kapcsolókat különböző állapotokban ábrázolva. Választhatunk innen objektumot akár három állapotban lerajzolva is.
65. ábra: Kapcsoló Ebben az esetben, ahogy a 65. ábrán is látható a kapcsolót két objektum segítségével valósítottam meg. Mindkét objektum láthatósági tulajdonságát társítottam egy változóhoz. Ennek a változónak az állapota hozzá van rendelve egy PLC DB-ben tárolt változóhoz. Ami ha 1, akkor a mágneskapcsoló behúz, a motor elindul. Ha 0, akkor a mágneskapcsoló old, a motor megáll.
61
4. Értékelés A tervezés során minden eshetőséget számba vettem, mivel egy ilyen rendszer tervezésének minden lépése összefügg egymással. Igyekeztem bemutatni azt is, hogy az egyes eszközöknek milyen előnyei és hátrányai vannak. Az egyes feladatokhoz választottam az eszközt, szem előtt tartva a későbbi hibakeresés és javítás megkönnyítését. Ezeket táblázatba foglaltam a könnyebb áttekinthetőség érdekében. Mivel az állásidő az iparban igen magas bevételkiesést eredményezhet, ez az összeg összemérhető az alkatrészek költségével. A megvalósítás során a terveket úgy készítettem el, hogy az esetleges meghibásodás oka könnyen feltárható legyen, a javítás pedig gyorsan elvégezhető. Erre példa a karbantartási raktárban lévő eszközök figyelembevétele a kiválasztásnál. A kezelőfelület könnyen átlátható és jól kezelhető. Az ergonómiai szempontokat is figyelembe véve a feliratok távolról is könnyen olvashatóak, a touchpanel-on elhelyezett gombok jól hozzáférhetőek. A program lefutása segíti a dolgozót abban, hogy az esetleges figyelmetlensége miatt ne keletkezzen selejt, ezzel is gazdaságosabbá téve a gyártást, ugyanakkor a hibákról gyors visszajelzést kap a HMI-n keresztül így gyorsan korrigálhat. A program teljesíti a vele szemben támasztott elvárásokat, amiket az elején rögzítettem, így az megfelelő minőségben áll a felhasználó rendelkezésre.
62
5. Summary The target was to make complete machine control system. From the speciation throw the planning to the realization. To use all kind of programs what is common in the machine suppliers like EPLAN, Step7 and WinCC. I would like to met with the problems and needs what is included in a usual project. The method what I would like to follow was to clarify firstly the needs with the system. This is why I draw the process flow chart and defined each main step in the assembly process. After the basic of the task was clarified I started to pick the parts for the realization by using the PLAN software. With this I designed how will each step looks like from control side. Which hardware is need for each function. When the cabinet was ready the next step was to program the added modules. For this I used the Simatic Step7 from Siemens. This is development environment for the S7 300 CPU series which I chose in this EPLAN project. Then I added the modules in the HW config. and defined the connection between the HMI panel and the CPU. After the project structure was ready the coding was began. For each function I used a FB or FC in the program, for the better understanding and simplicity. For testing the program I used the VAT table and the PLC sim. These two tools are included the software and recommended to use them to avoid the bigger mistakes during programming. After that with WinCC flexible I developed the human machine interface. In the screen planning I kept in mind that the interface has to be handy, clear, and ergonomic. For this I used big buttons and a standard menu at each screen. For testing I also used the included simulators like runtime and PLC sim. Overall the system was born with all those functions and methods which where decelerated in the beginning of the work. A poke yoke solution was realized to keep the correct assembly process. The actual step is indicated in the touch panel. And the user is also can get an effective and fast feedback from the machine status. According to the forms sentences I can say the target was reached.
63
Irodalomjegyzék: [1] http://www.plc.stroby.hu/tudasbazis/plc.html Hozzáférés: 2014.03.29 [2] http://users.atw.hu/plcweb/plc/plc.htm Hozzáférés: 2014.03.29 [3] http://www.plcprogramozas.hu/plc-programozas Hozzáférés: 2014.04.02 [4] http://sirkan.iit.bme.hu/dokeos/courses/BMEVIIIA355/work/519b9d890850axn xllx_lab._xsszefoglalx.pdf Hozzáférés: 2014.04.06 [5] http://www.kvalix.hu/segedletek/kozeliteskapcsolok-kimenetei/
Hozzáférés:
2014.04.07 [6] http://rkk.uni-obuda.hu/kmi/dokument_elemei/plc_ea.pdf
Hozzáférés:
2014.04.14 [7] http://www.automation.siemens.com/ Hozzáérés: 2014.06.14 [8] http://leanszotar.hu/page.php?134 Hozzáférés: 2014.04.21 [9] http://szirty.uw.hu/Hajtasok/Referenciapont/Referenciapont.html Hozzáférés:2014.07.23 [10]
http://www.agorabt.hu/villanymotor_bekotese.html
Hozzáférés:
2014.08.14 [11]
http://szirty.uw.hu/S7/S7_MPI/S7%20MPI.html Hozzáférés: 2014.10.21
64
