Szybsze działanie aplikacji z napędami

Dedykowane sterowniki ruchu
Studium przypadku. Kiedy sterowniki PLC nie wystarczają do obsługi układów napędowych przy większych szybkościach realizacji zadań procesowych, warto zainstalować dedykowane sterowniki ruchu – motion controllers.
Kiedy jeden z producentów maszyn tnących dla przemysłu spożywczego stanął przed koniecznością zwiększenia szybkości działania i osiągów swoich produktów, inżynierowie zadecydowali o odejściu od klasycznej konstrukcji automatyki, bazującej na sterownikuPLC obsługującym maszynę, na korzyść systemu rozproszonego z małym sterownikiem PLC, współpracującym z dedykowanym sterownikiem ruchu. Podejście tego typu jest coraz częstsze wśród projektantów i producentów tego typu maszyn przemysłowych. Trzeba mieć na uwadze, że poprawność działania scentralizowanych systemów automatyki zależy od wymogów w zakresie determinizmu czasowego w odniesieniu do samej aplikacji oraz szybkości odpowiedzi na sygnały stymulujące w ściśle określonym czasie, czyli reakcji. Systemy deterministyczne generują powtarzalne rezultaty – przy tych samych sygnałach i warunkach uzyskuje się niezmienną odpowiedź systemu w kolejnych cyklach pracy maszyny.
W przypadku bardzo szybkich procesów, wymagających sterowania w reżimie determinizmu czasowego, sterownik musi odebrać sygnały ze swoich wejść i wygenerować odpowiedź na wyjściach w czasie krótszym, niż to wynika z kolejnych kroków działania procesów. Z kolei wymagania coraz większej wydajności tych ostatnich prowadzą do zwiększenia szybkości pracy maszyn i skrócenia wspomnianych okresów czasowych, dotąd wystarczających do obsłużenia wszystkich pętli sterowania, w ramach przyjętych kroków procesowych.
Z tego rodzaju problemem musieli zmierzyć się inżynierowie z fabryki maszyn Titan Slicer Ltd.
Firma zdecydowała się bowiem na zwiększenie szybkości działania maszyny tnącej do bekonu Titan 500 (rys. 1) do poziomu 1600 plastrów na minutę. Okazało się jednak, że stosowany w niej dotąd sterownik PLC nie jest w stanie sprostać temu zadaniu i nowym wyśrubowanym warunkom pracy. Wyzwaniem stał się jednak nie tyle sam proces cięcia plastrów, co sterowanie prawidłowym umiejscowieniem i podaniem całych kawałków bloków bekonu na krajalnicę. Aby zapewnić jednolitość uciętych plastrów boczku – pierwszego i kolejnych dla każdego ciętego kawałka – bekon musi być umieszczony w krajalnicy w odpowiedniej pozycji i czasie. Za wczesne lub zbyt późne podanie bloku może spowodować, że pierwszy plaster będzie zbyt cienki lub zbyt gruby.
Ten właśnie wymóg okazał się podstawowym problemem w przypadku realizacji sterowania na bazie klasycznych sterowników PLC.
Aby rozwiązać ten problem, zaproponowano nowatorskie podejście do architektury systemu sterowania wspomnianych maszyn tnących, właśnie z zastosowaniem dedykowanych sterowników ruchu (motion controllers, rys. 2). Klasyczne sterowniki PLC są oczywiście stosowane w najnowszych konstrukcjach maszyn, ale nie do obsługi tak krytycznych czasowo aplikacji, jak załączanie i wyłączanie silnika napędzającego ostrze krajalnicy.
W zaproponowanym rozwiązaniu sterownik ruchu zaprogramowany jest do obsługi serwonapędu przesuwającego blok bekonu w kierunku ostrza krajalnicy, w pętli sprzężenia zwrotnego sygnałów z czujnika – enkodera pozycji. Sterownik wysyła sygnały analogowe +/– 10 V do serwonapędu przesuwającego blok. Sterowanie dwukierunkowe jest niezbędne w tej aplikacji, w celu umożliwienia wycofania bloku bekonu, gdy ostrze tnące nie znajduje się w odpowiedniej pozycji przy cięciu pierwszego plastra z nowego bloku. Warto zwrócić uwagę, że ostrze nie jest okrągłe, ale tak ukształtowane, by sprawnie poruszać się przy bloku bekonu i ciąć równe plastry (rys. 3). W różnych wersjach krajalnic blok ten porusza się pod lub nad ostrzem oraz pomiędzy ramionami urządzenia wyłapującego koniec bloku bekonu. Sterownik ruchu otrzymuje również sygnał referencyjny z drugiego enkodera zamocowanego na silniku obracającym ostrze tnące, dzięki czemu steruje zarówno położeniem ostrza, jak i jego prędkością obrotową.

Bardzo szybki cykl operacji dedykowanego sterownika ruchu zapewnia maksymalne skrócenie operacji cięcia przy zachowaniu dużej dokładności i powtarzalności. Przy prędkości 1600 obr./min decyzja o tym, czy blok może być przesunięty w stronę ostrza, czy cofnięty musi być podjęta przez sterownik w oknie czasowym 38 ms. Komendy przesunięcia dla układu przekładni, w celu wykonania kolejnego cięcia plastra bekonu, wysyłane są przez sterownik w ciągu 1 ms. Wspomniany ruch przekładni jest tylko jedną z wielu zaawansowanych funkcji przekładniowych obsługiwanych przez sterownik ruchu. Są one wykorzystywane na przykład, gdy jedna z osi ruchu (oś podrzędna slave) musi poruszać się stopniowo i proporcjonalnie w stosunku do zmiennej głównej master, związanej zwykle z pozycją lub prędkością innej osi ruchu.
Wiele prostych zależności liniowych między tymi obiektami sterowania może być zrealizowanych stosunkowo łatwo (z użyciem funkcji bezwzględnych sterownika), ale dostępne w nim opcje zaawansowane dla przekładni umożliwiają wprowadzenie zależności nieliniowych pomiędzy osiami master a slave. Na przykład na rys. 4 pokazano wykresy pracy zaawansowanego układu przekładniowego, gdzie ruch osi podrzędnej slave opisany jest wielomianem piątego stopnia. Większość sterowników ruchu ma wbudowane procedury, ułatwiające użytkownikowi wybór odpowiedniego współczynnika przekładni dla konkretnych liczników i mianowników opisujących dany układ napędowy. Pozwala to na uniknięcie konieczności stosowana skomplikowanych, dodatkowych narzędzi programowych w implementacji algorytmów sterowania.
Sterowniki PLC mogłyby spokojnie obsłużyć układ strefowania w omawianych krajalnicach w zakresie krojenia jednorodnych plastrów bekonu ze środka bloku. W przypadku jego początku i końca zadanie to komplikuje się jednak, stąd pomysł na wykorzystanie szybszych sterowników ruchu. Te sprawdzają się idealnie w powierzonych im zadaniach.

Poza krajalnicami jednoostrzowymi firma Titan oferuje również krajalnice dwuostrzowe, z ostrzami wirującymi w przeciwnych kierunkach. Tego typu urządzenia są niezbędne w przypadku cięcia na plastry wędlin bardzo kruchych lub jeszcze ciepłych. W takich konstrukcjach dla każdego ostrza instalowany jest osobny napęd z sygnałami sterującymi prędkością na poziomie 010 V oraz oddzielnymi dekoderami, generującymi sygnały położenia odpowiednio jednego i drugiego ostrza. W maszynach tych krojone bloki również są przesuwane automatycznie w przód i w tył układu tnącego.
Do programowania i doboru nastaw systemów sterujących wykorzystywane jest odpowiednie środowisko programistyczne, z możliwościami rejestracji i wyświetlania przebiegów zmienności najistotniejszych parametrów w układzie. Jednym z przykładów jest rejestracja parametrów zaawansowanej przekładni, pokazana na rys. 4. W pakiecie dostępne są też narzędzia automatycznych kreatorów (wizard) nastaw, ułatwiające dobór algorytmów i parametrów sterowania dla konkretnych aplikacji. Za ich pomocą możliwe jest wprowadzenie tak zoptymalizowanych parametrów pracy maszyn, aby spełnić wspomniane wcześniej wysokie wymogi dotyczące determinizmu czasowego i szybkości działania układów sterowania oraz wykonawczych.
Szybkie krajalnice wędlin to przykład typowej aplikacji, gdzie szczególną uwagę zwraca się na te właśnie aspekty, przy konieczności zachowania dużej dokładności i powtarzalności prowadzonych procesów cięcia.
Opracował dr inż. Andrzej Ożadowicz, AGH Kraków
CE