Elementy wyzwalające w systemach sterowania

W celu wykonania odpowiednich czynności zaawansowane systemy sterowania wykorzystują układy detekcji ruchu – w zależności od wejścia, zatrzymania lub opuszczenia stanowiska przez obiekt przemieszczający się po linii produkcyjnej.
Producenci nie mogą oczekiwać konkurencyjności swojej oferty, jeśli ich inżynierowie systemowi i inżynierowie projektujący systemy sterowania będą wykorzystywać nieodpowiednie podzespoły mechaniczne. Osoby odpowiadające za strategię implementacji systemu muszą być świadome, że złe umiejscowienie stycznika lub czujnika może mieć negatywny wpływ na działanie całego systemu. Projektanci układów sterujących muszą zatem umieć dostrzec wadliwe rozwiązania mechaniczne i starać się ulepszać konstrukcję maszyn.
Detekcja ruchu stanowi prosty przykład elektromechanicznej aktywacji wszystkich zautomatyzowanych procesów w maszynach. Jest również podstawą niezawodnych i trwałych układów załączających. Zastosowania w systemach wyższego rzędu polegają na implementacji obwodów detekcji ruchu, generujących współzależne sygnały aktywujące podczas wykrycia obiektu, jego zatrzymania lub opuszczenia stanowiska. Większość układów sterowania wykorzystuje sygnał dwóch z trzech możliwych włączników.
W przypadku statecznych układów sterowania projektanci umieszczają czujniki w pozycjach weryfikujących położenie mechanizmu. Aby zidentyfikować ruch z punktu do punktu, rozlokowują je strategicznie tak, by umożliwić wykrycie obiektów wchodzących, zatrzymujących się lub opuszczających stanowisko. Większość aplikacji sterujących wykrywa obecność tylko w dwóch punktach z trzech wymienionych.
Włączniki krańcowe
Większość z układów sterujących wykorzystuje obwód generujący dwa sygnały detekcji obiektu. Każdy z dwóch detektorów wykrywa dwa wzajemnie wykluczające się stany położenia obiektu. Większość z wykrywanych stanów pochodzi bezpośrednio z czujników lub zespołów kilku czujników sprzężonych w osobny, zaprogramowany układ wykrywania stanu. Tak czy inaczej, dwa stany wzajemnie się wykluczające identyfikują obiekt w dwóch położeniach. Mechaniczne czujniki zapewniają aktywację i dezaktywację czujników w sposób sekwencyjny, dla każdego obiektu poruszającego się przez stanowisko. Charakterystyka sekwencyjnej, dwuetapowej detekcji jest podstawą aktywacji wszystkich układów wyzwalających.
Dawniej maszyny sterowane przekaźnikami były wyposażone w system sterowania zbudowany w oparciu o emulację charakterystyki detekcji dwuetapowej. Do obsługi tych maszyn niezbędny był operator, który dostarczał obiekty, zanim zainicjowały one cykl automatyczny. Po każdym cyklu musiał je odebrać z maszyny i manualnie przetransportować do następnej.
By mieć pewność, że maszyna nie powtórzy cyklu lub nie wykona go drugiraz, konstruktorzy stworzyli system mający na celu zagwarantowanie operatorowi wyjęcia gotowej części przed rozpoczęciem kolejnego zautomatyzowanego cyklu. Układ ten sprawdzał również, czy operator nie podwiązał ramienia detektora wykrywającego obiekt. Ten system przeciwko podwiązywaniu gwarantował drugi krok w dwuetapowej sekwencji aktywacji i dezaktywacji. Pomimo że konstruktorzy nie nazwali czujnika i stycznika procesem detekcji obiektu, istniała już wtedy dwuetapowa charakterystyka, nieodłączna dla procedur detekcji.
Jedynym sposobem na zainicjowanie powtórzenia cyklu automatycznego jest rzadki i mało prawdopodobny przypadek celowego przemieszczenia obiektu w przód lub w tył, a następnie z powrotem do wyjściowej pozycji.
Podsumowując, wykrywanie obiektów na wejściu, w pozycji zatrzymanej, i na wyjściu ze stanowiska stanowi podstawową czynność, pozwalającą na aktywację układów wyzwalających.
W każdym układzie wyzwalającym stosuje się poniższe nazwy:
-> wyzwolenie wejścia – sygnał powstający, gdy jeden lub więcej czujników wykryje obiekt zbliżający się do maszyny;
-> wyzwolenie na pozycji – sygnał generowany, gdy jeden lub więcej czujników wykryje obiekt zbliżający się lub zatrzymujący się na stanowisku;
-> wyzwolenie wyjścia – sygnał generowany, gdy jeden lub więcej czujników wykryje obiekt opuszczający stanowisko.
Wszystkie obwody detekcji ruchu są zdolne do wygenerowania dwóch sygnałów wyzwalających. Zwykle jeden z nich ma miejsce, gdy system zostaje aktywowany, a drugi, gdy stan jest resetowany i następuje dezaktywacja wyzwolenia. Sygnał aktywujący urządzenia na stanowisku powstaje wówczas, gdy układ wyzwalający zostanie włączony. Sygnał aktywujący jest zaś wyłączany, gdy kolejny układ wyzwalający zostanie włączony. Pozwala to na użycie w systemie sygnałów aktywujących w celu identyfikacji położenia obiektów pomiędzy stycznikami (układami wyzwalającymi).

Pięć sposobów aktywacji układu wyzwalającego
Systemy detekcji obiektów są w stanie aktywować układ na pięć podanych niżej sposobów.
1. Aktywacja przez wejście – układ wyzwalający, korzystający z czujnika na wejściu, po otrzymaniu sygnału aktywuje czujniki „na stanowisku” i „na wyjściu”.
2. Aktywacja, gdy obiekt znajduje się na stanowisku – układ wyzwalający, korzystający z czujnika „na stanowisku”, po otrzymaniu sygnału aktywuje czujniki wejścia i wyjścia.
3. Aktywacja przez opuszczenie stanowiska – układ wyzwalający, wykorzystujący czujnik wykrywający opuszczanie stanowiska przez obiekt, aktywuje czujnik „w pobliżu wejścia” oraz „w pobliżu stanowiska”.
4. Aktywacja po opuszczeniu stanowiska – układ wyzwalający wykorzystuje sygnał świadczący o przemieszczaniu się obiektu w stronę wyjścia i aktywuje czujnik „w pobliżu wyjścia”.
4. Aktywacja przez wyzwolenie – drugi układ wyzwalający korzysta z sygnału pierwszego układu wyzwalającego, by aktywować inny pomocniczy układ wyzwalający.
Nie wszystkie z istniejących systemów detekcji działają w opisany powyżej sposób. Zamiast tego wykorzystują one hybrydowe układy wyzwalające. Te specjalne rozwiązania obejmują czasem wiele czujników dla każdej z pozycji, podczas gdy inne używają podobnych zestawów czujników do urządzeń transportujących obiekty pomiędzy stanowiskami.
Rozwiązania hybrydowe często używają sekwencyjnych aplikacji wskazujących pozycję, inne zaś stosują enkodery do generowania zmiennych wartości odpowiadających położeniu. Bez względu na koszty budowy systemu układ wyzwalający wykorzystywany w aplikacji sterowania zależy głównie od charakterystyki funkcyjnej i awaryjności maszyny. Konstruktorzy rzadko rozważają negatywny wpływ źle zaprojektowanego układu wyzwalającego na pozostałe elementy systemu. Dlatego muszą rozumieć zasadę działania i rozpoznawać różne formy układów wyzwalających.
Definicja różnych form wyzwalania w aplikacjach przemysłowych
Znajomość poniższych definicji tworzy podstawy do zrozumienia kilku rodzajów sygnałów wyzwalania stosowanych w procesach przemysłowych:
-> proste wyzwolenie dwuetapowe – podwójny obwód, zawierający fizyczne dwa czujniki i krótkie mechaniczne styczniki;
-> wyzwolenie synchroniczne – wieloobwodowy układ wspierający równoczesne transportowanie wielu obiektów między wieloma stanowiskami;
-> układ wyzwalający – dwuobwodowy układ zawierający czujnik „na stanowisku” z komendą wyjścia;
-> wyzwolenie zależne od przerwy – dwuobwodowa konstrukcja, wymagająca urządzenia sterującego transportem obiektów, pozwalająca na powstawanie przerw w celu uzyskania efektu użycia czujników na dwóch osobnych stanowiskach;
-> wyzwolenie sterowane przenośnikiem – dwuobwodowy układ wykorzystujący przynajmniej jeden czujnik aktywowanyruchem obiektu oraz odpowiednio zsynchronizowany ruch przenośnika taśmowego, wykrywający przemieszczenia obiektu;
-> wyzwolenie zblokowane z manipulatorem – dwuobwodowy układ wykorzystujący przynajmniej jeden czujnik detekcji obiektu oraz jeden lub więcej czujników aktywowanych przez manipulator blokad wskazujących, że manipulator podniósł, upuścił lub przeniósł obiekt;
-> wyzwolenie poprzez zdarzenie – dwuobwodowy układ zawierający jeden aktywowany obecnością obiektu czujnik oraz urządzenie do odczytywania wskazań przyrządu, będące w stanie niezawodnie dostarczać odczyty i informacje o braku odczytów;
-> wyzwolenie poprzez enkoder – wieloobwodowy układ zawierający zbiór czujników, procesor pozycji oraz przymocowane do obiektu czujniki zawierające enkodery.
Wyzwolenie sterowane przenośnikiem jest najbardziej niepewną metodą detekcji obiektów. Producenci akceptują ją ze względu na procesy produkcyjne, w których może dochodzić do kontaktu obiektów. To rozwiązanie zakłada, że przedmiot się porusza, jeśli następuje ruch podajnika, a stan sygnału odpowiedniego czujnika ulega zmianie.

Wyzwolenie zblokowane z manipulatorem
Taki rodzaj detekcji jest jednym z najbardziej niezawodnych. Powszechnie stosuje się go w procesach, w których manipulatory sterują ruchem obiektów. Metoda ta gwarantuje brak kolizji pomiędzy kosztownymi manipulatorami – a powiązane urządzenia sterujące śledzą dokładnie ruch obiektu. Sterownik maszyny jest stosowany w przypadku użycia połączonych czujników, łączenia procesów manipulatorów, śledzenia obiektów ze względu na typ lub inne wyróżniki. W wielu przypadkach manipulator upuszcza przedmiot w wyznaczonym miejscu, a inny manipulator go podnosi. By wykryć ruch – miejsce, w którym następuje zamiana manipulatorów, oraz chwytaki manipulatora, są wyposażone w czujniki podłączone do sterownika maszyny. Gdy manipulator upuści przedmiot, czujnik wykryje jego brak w kiści manipulatora oraz obecność w miejscu przeładunku. Niezawodne systemy używają sygnałów blokady oznaczających wypuszczenie przedmiotu z kiści, chwytaka. Sterownik maszyny odpowiada wówczas sygnałem oznaczającym udane dostarczenie przedmiotu.
<—newpage—>Wyzwolenie przez enkoder
Metoda ta należy do najbardziej niezawodnych i precyzyjnych metod detekcji. Konstrukcja takiego układu zawiera szereg czujników wykrywających część wyposażoną w enkoder przymocowaną do obiektu. Czujniki wysyłają sygnał dyskretny do procesora pozycji. Procesor dekoduje sygnał i dostarcza sterownikowi maszyny informacje na temat tego, kiedy obiekt wkracza na stanowisko lub je opuszcza. Wiadomość ta może być podana w formie numerycznej lub konstruktorzy mogą wprowadzić dyskretne sprzężenie procesora pozycji ze sterownikiem maszyny. Aplikacja zarządzająca sterownikiem maszyny używa informacji o pozycji do samodzielnego generowania sygnałów wyzwalających określone czynności.
Wiele procesorów jest zintegrowanych ze sterownikaminapędów i bezpośrednio steruje ruchem oraz prędkością ruchu obiektów. Te zintegrowane konstrukcje pozwalają na łagodne przyspieszanie i opóźnianie ruchu podczas transportu ze stanowiska na stanowisko. W niektórych zaawansowanych rozwiązaniach występują siłowniki z enkoderem wyposażonym w tzw. identyfikator. Gdy są one przymocowane do obiektu, procesor pozycji może zarówno dostarczyć sterownikowi maszyny informacji o pozycji, jak i określić identyfikator konkretnego siłownika. W efekcie te zaawansowane konstrukcje wykorzystujące enkodery mogą być używane jako czytniki.
Wiele z układów wyzwalających projektuje się tak, by zapobiec aktywacji, gdy wykryty zostanie nieprawidłowy obiekt. W większości przypadków nieprzewidziany ruch powstaje w efekcie ręcznego przesunięcia obiektu na skutek obsługi urządzenia. W innych przypadkach nieoczekiwane ruchy zdarzają się, gdy nastąpi przerwa w zasilaniu i obiekt przejdzie obok nieaktywnego czujnika.
Kontrolowany, niekontrolowany
Kolejne definicje opisują rodzaje ruchu obiektów:
-> ruch kontrolowany – oczekiwany i wymuszony ruch obiektu lub mechanizmu;
-> ruch niekontrolowany – nieoczekiwany i niewymuszony ruch obiektu lub mechanizmu.
Każdy układ wyzwalający ma skłonność do przypadkowych załączeń na skutek niekontrolowanego ruchu obiektu. Układy wyzwalające, aktywujące siłownik w zależności od nieaktywnego stanu czujnika, często aktywują się same, np. przy przerwie w zasilaniu. Skłania to konstruktorów do uzależniania układów wyzwalających od sygnałów wyjściowych umożliwiających ruch. Ta cecha konstrukcji zapewnia stabilność działania układu podczas przerw w dostawie zasilania.
Wspomniane definicje opisują różne formy aktywacji urządzeń poprzez detekcję ruchu. Istnieje również wiele rozwiązań hybrydowych i specjalnych w detekcji ruchu, będących pochodnymi opisanych powyżej – takich jak np. wyzwolenie ruchem przenośnika, zespolone z manipulatorem, wykorzystujące enkoder oraz wyzwolenie poprzez wydarzenie. Znajomość tych specjalnych metod nie jest jednak konieczna do zrozumienia zasad działania prostych układów.
Powszechnie stosowane układy z czujnikami zwykle bazują na dwuetapowej detekcji, wykorzystując przekaźniki – ich działanie zależy od przerw między obiektami.
Proste układy dwuetapowe
Układy te zapewniają aktywację obwodu, używając dwóch czujników i jednego krótkiego siłownika mechanicznego. Odpowiednie przerwy pomiędzy czujnikami zapewniają sekwencyjną pracę elementów wykonawczych podczas poruszania się obiektów przez stanowisko. Siłowniki mechaniczne i zdefiniowane przerwy pomiędzy czujnikami zapobiegają ich aktywacji przez dwa podążające blisko siebie obiekty.
Rysunek 1 pokazuje pracę układu wyzwalającego w przypadku prostego dwuetapowego obwodu. Wykresy przedstawiają momenty aktywacji i dezaktywacji czujników w celu wyzwolenia kolejnego działania. Chwilowa (impulsowa) aktywacja czujnika powoduje pierwsze wyzwolenie, które aktywuje kolejne. Podobnie impulsowa aktywacja kolejnego czujnika powoduje drugie wyzwolenie i dezaktywuje pierwsze. Ten podwójny układ wykrywająco-wyzwalający gwarantuje, że wyzwolenia nie powtórzą się, dopóki nie zadziałają oba czujniki. Ponowna aktywacja jednego z czujników, bez aktywacji kolejnego, nie ma wpływu na działanie układu.
Rysunek 2 przedstawia prosty dwuetapowy układ wyzwalający, generujący sygnały dla obiektu na stanowisku i opuszczającego stanowisko. Opcjonalny tryb służący do czynności obsługowych, obecny na każdej ścieżce, pozwala na kontrolowane lub niekontrolowane ruchy obiektu, nie powodując dodatkowych wyzwoleń.
Jeśli konstruktorzy dobiorą właściwie rozmiar styczników w celu kompensacji obiektów zatrzymujących się w przypadku utraty zasilania, układy wyzwalające nie przestaną pracować po odzyskaniu zasilania. W rezultacie proste dwuetapowe obwody mogą zawieść tylko w przypadku elektronicznej awarii czujników lub mechanicznej awarii styczników współpracujących z czujnikami. Dodatkowe wyzwolenia są możliwe, gdy obiekt niespodziewanie przemieści się do przodu lub do tyłu i z powrotem, inicjując powstanie kolejnej sekwencji.
Użycie w maszynie układów dwuetapowych tworzy możliwość zastosowania układów wyzwalających w innych obszarach procesu. Dzieje się tak, ponieważ układy te są kompatybilne z urządzeniami sterującymi.
Wyzwalanie synchroniczne
Transport synchroniczny to mechanizm wymuszający ruch wielu obiektów naraz. Przykładowo urządzenie podnosi wszystkie obiekty ponad ich stanowiska, transportuje do innego stanowiska, po czym umiejscawia ponownie w indywidualnych stanowiskach. Mechanizm transportu synchronicznego obniża parametry wskazujące pozycje każdego z transportowanych obiektów. Po tym, jak osiągnie najniższą pozycję, ładuje obiekt z pierwszego stanowiska i opróżnia ostatnie. Jednocześnie – zautomatyzowane lub nie – procesy zachodzą w stacjach pomiędzy pierwszą a ostatnią. Mechanizm znajdujący się na najniższej pozycji wraca do swojej pozycji początkowej i jest gotowy na ponowne podniesienie, transportowanie i obniżanie parametrów – czyli na ponowny cykl.
Rysunek 3 przedstawia elementy warunkowe w układzie synchronicznie transportującym. Ten typ układu gwarantuje, że wyzwolenie wyjścia lub wejścia zostaje aktywowane, gdy mechanizm transportujący zaczyna pracę. Wyzwolenie na wyjściu ma miejsce we wszystkich stacjach, z wyjątkiem ostatniej niezaładowanej – gdy zostanie ona załadowana, zastępuje wyzwolenie „na pozycji”.
Piąta pętla, pokazana na rysunku 3, używa sygnałów z czujników mechanizmu transportującego, kilka aktywujących sygnałów pamięci i zaawansowane komendy aktywujące wyzwolenie wyjścia wszystkich obiektów. Mechanizm transportujący, będący w pozycji zamkniętej, zostaje aktywowany w ścieżce/pętli piątej i jest to ostatnim warunkiem do wyzwolenia. Każde stanowisko ma swoją ścieżkę zaprogramowaną, by aktywować wyzwolenie indywidualnie „na stanowisku”. Ścieżka pierwsza na schemacie powoduje w tym przypadku wyzwolenie każdej stacji. Ścieżka druga przedstawia wyzwolenie „na stanowisku” dla jednegostanowiska podczas transportu. Po transporcie ustawia przedmiot na kolejnej stacji, a czujnik „na stanowisku”, zaprogramowany w pętli drugiej, aktywuje wyzwolenie „na stanowisku”.
Charakterystyka systemu sterowania
Zanim konstruktorzy zaczęli tworzyć urządzenia detekcji ruchu, musieli nauczyć się, w jaki sposób różne rodzaje czujników i styczników oddziałują na układ sterowania. Oznacza to, że musieli poznać charakterystyki pracy maszyn różnego typu. W szczególności dotyczyło to następujących kwestii:
W jaki sposób maszyny i systemy sterujące rozpoznają, że obiekt zatrzymał się na stanowisku?
Jak działa urządzenie zatrzymujące obiekt przed uderzeniem w kolejny podczas ruchu od stacji do stacji?
W jaki sposób kolizje obiektów wpływają na pracę maszyny, najważniejsze podzespoły i proces produkcji?
Równie istotne jest to, jak systemy sterujące pozwalają załodze na przywrócenie działania systemu po wystąpieniu kolizji.
By odpowiedzieć na te pytania, konstruktor musi zbadać konstrukcję maszyny transportującej i urządzeń sterujących, stosowanych do rozdzielania obiektów na linii lub podczas procesów produkcyjnych.
Autor: Daniel B. Cardinal jest inżynierem systemowym w firmie InSyTe Inc., odpowiedzialnym za implementacje zintegrowanego planowania i urządzeń do identyfikacji obiektów w przemyśle automotive.
Tekst pochodzi z nr 6/2016 magazynu "Control Engineering". Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.