Podczas projektowania systemu sterowania ruchem pamiętaj, że wszystko zaczyna się od obciążenia. Aplikacje wspierające projektowanie mogą pomóc w budowie zintegrowanego, efektywnego i łatwego w obsłudze systemu sterowania ruchem.
Wielu inżynierów rozpoczyna proces projektowania maszyny od zagadnienia sterowania, trzeba jednak pamiętać, że sednem ruchu jest obciążenie. O koncepcji sytemu powinna decydować raczej aplikacja, a nie konstruktor czy inżynier ds. technicznych realizujący kolejne etapy standardowej procedury projektowej. Projektowanie kreatywne zapewnia tworzenie bardziej efektywnych i łatwiejszych w obsłudze maszyn.
Podstawą tradycyjnego podejścia inżynierii systemów sterowania ruchem jest stosunkowo prosty model sterownika ruchu, serwonapędu i algorytmu sterowania. Ponieważ popularność przemysłowych systemów wykorzystujących zsynchronizowane napędy i roboty rośnie, powstaje coraz więcej aplikacji w logistyce, magazynowaniu, przetwarzaniu tworzyw sztucznych, obróbce metali i innych branżach, których wymagania mogą stanowić wyzwanie.
Standardowa aplikacja ruchu liniowego, spotykana w przemyśle obróbki metali, przetwórstwa tworzyw sztucznych i w stosowanych pospolicie systemach pozycjonowania, stanowi główny, jeśli nie jedyny, obszar zainteresowania w wielu podobnych aplikacjach. Inaczej jest w najnowocześniejszych aplikacjach, takich jak pakowanie w blister, w których dawki i opakowania są zmienne, serie produktów bywają krótkie, konieczne jest automatyczne mycie urządzeń i wymagana zdolność do przełączania między kapsułkami, tabletkami i produktami w postaci cieczy. Założenia projektowe nie mogą ograniczać się wyłącznie do niezawodności procesu ? trzeba zapewnić odpowiednią wydajność i elastyczność oraz łatwe programowanie, umożliwiające przystosowanie maszyny do produkcji kolejnych krótkich serii.
Projektowanie maszyny zawsze stanowiło pewną trudność. W przeszłości typowy system składał się z jednej maszyny rozwiązującej prosty problem, której mechanizm wykonawczy stanowił zwykle jeden silnik, a cały proces, np. pakowania kartonów, był realizowany za jednym obrotem wału silnika. Dostosowanie do innego produktu lub zmiana wielkości opakowania często wiązała się z zatrzymaniem procesu i wymianą odpowiednich części, co pochłaniało kilka godzin pracy wykwalifikowanej ekipy. Mimo że prędkość i elastyczność nie były domeną tych maszyn, poprawna konfiguracja mechanicznego procesu wytwarzania dawała zadowalającą i stabilną wydajność.
Chociaż mechanika nie zmieniła się w znaczący sposób, wymagania aplikacji zostały zwielokrotnione. W zakresie złożoności przemysł dynamicznego pakowania, w szczególności produktów konsumenckich, stanowi doskonały przykład wyzwań, przed jakimi stoją systemy sterowania ruchem. W proces związany z pakowaniem w karton może być zaangażowanych 20 silników serwo. Tempo pakowania produktów konsumenckich jest znacznie wyższe. Zadaniem maszyny pakującej wyroby cukiernicze może być np. pakowanie 3000 produktów na minutę, przy czym cykl składa się z odwijania materiału ze szpuli, odcinania, pobierania produktu, owijania i obracania. Trudność nie polega wyłącznie na skali zadania, ale na jego oprogramowaniu. Maszyny pakujące produkty konsumenckie często przetwarzają bardzo różnorodne dobra. Maszyna musi nie tylko osiągać zawrotną prędkość, ale być na tyle elastyczna, aby przystosowywać się do nowych jednostek SKU wprowadzanych na rynek.
W przeszłości nie było niczym dziwnym tworzenie złożonych aplikacji, które dopracowywano latami. Dzisiejsze złożone maszyny nie wymagają już złożonego programowania. Kluczem jest identyfikacja sposobów, dzięki którym oprogramowanie może uprościć pracę i utrzymanie. Prostota i modułowość kodu stanowiły główne osiągnięcie standardu PackML grupy OMAC (The Organization for Machine Automation and Control) oraz ISA88 (International Society of Automation). W szczególności ISA88 dostarcza standardy odnoszące się do komponentów i modułów sterujących. ISA88 Part Five gwarantuje, że czołowi dostawcy komponentów automatyki dostarczą klientom gotowe bloki funkcyjne dla określonych osi serwo.
Te międzynarodowe kody źródłowe będą stanowić pewną strukturę, umożliwiającą obniżenie złożoności poprzez bloki funkcyjne, które w przykładzie przedstawionym wcześniej byłyby wykorzystane 19 razy, zamiast tworzenia oddzielnego kodu dla każdej osi napędowej. Bazując na standardach ISA88 i PLC Open Motion, oferujących różne bloki obsługi osi napędowych, inżynierowie mogą osiągnąć kompatybilność niedostępną jeszcze kilka lat temu. W efekcie powstają nowe techniki i metody projektowania systemów napędowych z wykorzystaniem zunifikowanych języków programowania, stanowiące trzon innowacji zapewniających integrację i spójność aplikacji dyskretnego sterowania maszynami.
Standaryzacja procesu programowania i modułowość kodu pomagają w komunikacji systemów napędowych, PLC i HMI. Bezproblemowa wymiana danych jest podstawą działania każdego systemu i jest szczególnie istotna w złożonych maszynach i procesach. Najnowsze systemy sterowania są wystarczająco inteligentne, aby na bieżąco konfigurować maszynę do wytwarzania różnych wersji produktów, bez konieczności stosowania złożonych liczników zdarzeń i czasu oraz innych zmiennych.
Zastosowania robotyki nie kończą się już na wykonywaniu specjalistycznych zadań. Ostatnie technologie sterowania ruchem umożliwiają wykorzystanie robotów w dowolnej aplikacji, którą można opisać przy użyciu mechanicznych stopni swobody.
Na przykład w systemach pakowania zbiorczego zasada działania oparta była na mechanicznym ramieniu umieszczającym produkty w nieruchomym opakowaniu, co wiązało się z koniecznością zapewnienia ciągłego zaopatrzenia w produkty oraz kartony, a także z pracą w trybie start-stop. Aby stworzyć maszynę pracującą w trzech wymiarach, trzeba wykorzystać blok funkcyjny standardu ISA88, który w odpowiedni sposób łączy funkcjonalność trzech osi. Za ruch trzech osi odpowiada jeden blok realizujący odzysk, wygładzanie i ruchy robocze, który może być powielany dowolną ilość razy. Implementacja ruchu w trzech osiach maszyny pakującej ? przód/tył, lewo/prawo, góra/dół
? umożliwiająca lepsze śledzenie ruchu pasa transmisyjnego zapewnia pakowanie produktów ?w locie?, bez konieczności ciągłego zatrzymywania i ponownego wprawiania w ruch taśmociągu, przez co traciło się mnóstwo energii i przyspieszało zużycie.
Podstawą maszyny do pakowania zbiorczego, składającej się niejednokrotnie z 12 odrębnych osi, może być robot z oprogramowaniem, które steruje osiami dostarczania i odbierania produktów. Oprogramowanie bazuje na systemie receptur, które można łatwo przystosować do wszelkich produktów i które mieszczą się w predefiniowanym zakresie pracy maszyny. Uzyskuje się większą prędkość, wydajność, łatwość programowania, zwiększoną niezawodność i dłuższą żywotność.
Tom Jensen jest kierownikiem programu rozwoju w zakresie aplikacji OEM w Lenze America.
Opracował Łukasz Urbański, ZUT w Szczecinie
CE