W porównaniu z układami automatyzacji bazującymi na standardowym sprzęcie komputerowym PC, rozwiązanie oparte na sterowniku PLC jest atrakcyjne ze względu na możliwość stosowania trwalszych elementów, uniezależnienia od trzeciorzędnych i zawodnych systemów operacyjnych, wydłużonej żywotności i ? na dłuższą metę ? lepszego wsparcia ze strony dostawców.
Firma Saline Plastic Machinery jest zmuszona, podobnie jak większość producentów urządzeń do nadmuchowego kształtowania naczyń z tworzyw sztucznych i ze szkła, do dokładnego skoordynowania działania wielu różnych maszyn. Każde urządzenie w linii produkcyjnej jest wyposażone w wiele hydraulicznych napędów, przez co jest bardzo drogie. Trudne jest, chociaż konieczne, wzajemne skoordynowanie ich ruchów. Dlatego układ sterowania ruchem dla linii produkcyjnej musiał mieć wiele specjalizowanych kart oprogramowania. W ostatnim czasie firma z powodzeniem połączyła sterowanie działaniem zespołu urządzeń do nadmuchowej produkcji naczyń za pomocą jednego, seryjnego sterownika PLC. Osiągnęła przy tym wzrost wydajności poprzez skrócenie cykli pracy maszyn. W ten sposób obniżyła również koszty produkcji.
Z kolei R&B specjalizuje się w rozwiązaniach dla branży tworzyw sztucznych. Ma w ofercie: obrabiarki z łożem poziomym lub skośnym, swobodnie sytuowane stoły montażowe z kompensacją ustawienia wzorników, wytłaczarki śrubowe, obcinarki i okrawarki, urządzenia do usuwania nadlewków oraz wydmuchiwarki baniek. R&B zapewnia również projektowanie i budowanie nietypowego wyposażenia dla klientów, realizację instalowania na obiekcie, nadzorowanie i diagnozowanie stanu technicznego maszyn i urządzeń, wykonywanie remontów.
Sterowanie ruchem za pomocą PLC
Wydmuchiwarka R&B ma: dwa pionowe wrzeciona, dwie formy (wzorniki kształtów) oraz dwie dysze nadmuchujące. Jest też wyposażona w dziewięć hydraulicznie sterowanych napędów. Trzy z nich obsługują wykonywanie naczynia z rurki lub małej bańki (jest to pierwszy etap kształtowania naczynia). Pozostałe sześć realizuje: ruchy przenoszenia, pozycjonowania oraz im podobne. Sterowanie ruchami obejmuje: mocowanie, otwieranie i zamykanie formy, przesuwanie dyszy nadmuchującej w dół i w górę, a także operowanie wózkami trzymającymi półfabrykat i przesuwającymi go na stanowisko dmuchania.
? W R&B do sterowania transportem i pozycjonowaniem przedmiotu obróbki stosuje się nasz standardowy sterownik S7 ? mówi Dawid Chin, przedstawiciel Siemensa, strategicznego partnera dokonującego usprawnień układu sterowania dla R&B. ? Dostarczyliśmy zestaw bloków funkcjonalnych do sterownika, który realizuje pozycjonowanie siłowników w maszynach. W maszynach innych firm do sterowania ruchem i ustalania położenia elementów ruchomych używane są oddzielne, specjalizowane regulatory. My uzyskaliśmy ten sam rezultat za pomocą standardowego sterownika wyposażonego w bloki programowe dla realizowanych funkcji.
Chin tłumaczy, że zazwyczaj do precyzyjnego ustalania położenia nie jest używany typowy rynkowy sterownik. Do tego celu stosuje się z reguły rozwiązania specjalizowane. Jednak w przypadku R&B skuteczne okazało się sterowanie ruchem rozmaitych urządzeń z hydraulicznymi napędami za pomocą jednego standardowego sterownika S-7. Ten sam sterownik reguluje też działanie 30 stref nagrzewania, począwszy od zbiornika, poprzez wszystkie fazy kształtowania, aż do gotowego naczynia. Dwanaście stref ma możliwość podgrzewania oraz schładzania obrabianego półfabrykatu. W pozostałych 18 strefach ma miejsce wyłącznie podgrzewanie. W całym układzie regulacji temperatury przy formowaniu wyrobu najistotniejsze jest utrzymanie jego temperatury w ściśle określonym przedziale wartości z tolerancją do ?1 stopnia. Ta dokładność jest wymagana w szerokich granicach, to jest od zimnego materiału wyjściowego w zbiorniku do 215°C przy formowaniu bańki.
Typowy handlowy sterownik (PLC) używa programowych bloków funkcjonalnych (napisanych w językach dopuszczonych standardem IEC-61131), przeznaczonych do sterowania hydraulicznymi napędami. W ten sposób tworzy się potrzebne środowisko programowe dla układu automatyzacji. Ulokowanie w oprogramowaniu sterownika dodatkowych możliwości sterowania ruchem powoduje szybsze realizowanie funkcji i efektywniejsze przetwarzanie danych w porównaniu ze specjalizowanymi sterownikami. Te ostatnie z reguły wymagają współpracy z oddzielnymi regulatorami przeznaczonymi dla konkretnego zadania.
Zespolony układ regulacji w produkcji naczyń
Pierwszym elementem sterowania maszyną, jaki próbowano zrealizować w R&B, opierając się na standardowym sterowniku, było ukształtowanie bańki naczynia. We wcześniejszym układzie stosowano regulator współpracujący z oddzielnym, niezależnym zespołem programowania kształtu naczynia, za pomocą odpowiedniej karty ze specjalnym programem. Można też było użyć standardowego komputera (PC) z odpowiednim kodem programowym, służącym prowadzeniu narzędzia kształtującego. Jednakże zarząd R&B chciał mieć kompletne oprogramowanie łączące w sobie cały program kształtowania bańki naczynia w jednym, głównym regulatorze. Stało się to możliwe dopiero wtedy, gdy handlowe sterowniki ?z półki? stały się wystarczająco szybkie, aby podołać temu zadaniu. Dane wejściowe do regulacji procesu wydmuchiwania bańki obejmują analogowy sygnał z przetwornika położenia oraz umieszczoną w programie pamięć kształtu naczynia. Na tej podstawie sterownik wysyła sygnał wyjściowy, który powoduje odpowiednie otwarcie zaworu na przewodzie do dyszy wydmuchującej bańkę. Nie ma tu potrzeby używania żadnego specjalizowanego osprzętu.
Następnym krokiem było dołączenie do poprzedniego rozwiązania funkcji sterowania kolejnymi ramionami manipulatorów. Dane o położeniu serwonapędów (uzyskiwane z przetworników położenia) są podawane do sterownika za pośrednictwem modułu SSI (w razie potrzeby przepływ wszystkich danych jest synchronizowany za pomocą programu Profibus Isochrone firmy Siemens). Sterownik reguluje działanie odpowiednich zaworów za pomocą standardowych, analogowych sygnałów wyjściowych, opierając się na porównaniu sygnału z przetwornika położenia zwartością zadaną położenia.
Kolejną funkcją sterownika, dołączoną przez firmę R&B do wyżej opisanych, było prowadzenie dysz wydmuchujących według pożądanej krzywej (wzorca lub szablonu). Gdy wózek przysunie formę i ustawi ją na stanowisku wydmuchiwania pod wrzecionem z półfabrykatem, dysza przesuwa się w dół ruchem odwzorowującym zaprogramowany profil. Ponieważ ruchy obu ramion (osi) manipulatora są ze sobą skoordynowane, kształtowanie naczynia odbywa się przy minimalnym marginesie odchyłki od wymaganego kształtu oraz bez obawy o uszkodzenie wyrobu. Zanim dokonano zintegrowania w jednym sterowniku programów sterowania ruchem tych dwu siłowników, specjaliści R&B nie mogli poradzić sobie z problemem synchronizacji. Nie było bowiem między napędami wózka i dyszy żadnego ?porozumienia?. Po raz pierwszy stało się to możliwe dopiero po zastosowaniu PLC.
Skracanie czasu ?jałowego? w cyklu roboczym
Cykl pracy i sekwencje czynności produkcyjnych wszystkich maszyn do kształtowania wydmuchem są podobne. Jeśli jednak chodzi o czas trwania cyklu, między maszynami występują zauważalne różnice. Jest to widoczne głównie w fazach ?jałowego? stanu maszyny, a więc gdy maszyna nie wykonuje żadnej czynności. Funkcje sterowania ruchem realizowane przez sterownik zapewniają wyższy poziom koordynacji. Są zatem w stanie zmniejszać ten czas jałowy między poszczególnymi czynnościami. Nie musi on odliczać czasu, wystarczy tylko sama koordynacja następujących po sobie zabiegów technologicznych. Dlatego zastosowane w R&B sterowniki umożliwiły znaczące skrócenie czasu trwania cyklu roboczego, właśnie poprzez skracanie czasów jałowych aż o 20%.
Używanie wypróbowanych i ogólnie dostępnych sterowników daje znaczące korzyści w układzie automatyzacji procesu wydmuchiwana naczyń. Ponieważ wszystkie napędy są sterowane z jednego bloku funkcjonalnego, łatwiejsza jest koordynacja współpracy elementów maszyny i jej osprzętu, szybciej powtarzane są cykle pracy. Poza tym prostsze, a zatem i szybsze, jest programowanie oraz potrzeba mniej elementów wyposażenia.
W porównaniu z układami automatyzacji bazującymi na standardowym sprzęcie komputerowym PC rozwiązanie oparte na sterowniku PLC jest atrakcyjne ze względu na: możliwość stosowania trwalszych elementów, uniezależnienia od trzeciorzędnych i zawodnych systemów operacyjnych, wydłużonej żywotności i ? na dłuższą metę ? lepszego wsparcia ze strony dostawców.
? Mamy teraz jeden regulator obsługujący zarówno funkcje samego sterownika, jak też funkcje sterowania ruchem ? mówi Jake?a Losee, przedstawiciel R&B Plastics. ? Nie musimy już tracić czasu na opóźnienia transmisyjne, wynikające ze stosowania pojedynczych kart. Mamy też przechowywane w pamięci dane wszystkich ramion (osi) manipulacyjnych. Poprzednio mieliśmy oddzielne pakiety oprogramowania, wymagające od naszych techników umiejętności programowania pojedynczych kart do sterowania napędami.
Losee dodaje, że jednym z celów firmy było ograniczenie wyposażenia. Dodatkowe wyposażenie to: wyższy koszt, więcej czynności utrzymania ruchu, potrzeba bardziej zaawansowanego oprogramowania i większej liczby szkoleń personelu. Zastosowanie PLC zespalającego wszystkie funkcje sterowania pozwoliło o tym zapomnieć.
Matthias Erhardt
Artykuł pod redakcją inż. Józefa Czarnula