V tomto článku je prezentován systém automatizace procesní linky řešený firmou Taurid Ostrava, která je partnerem firmy Siemens pro oblast elektrických pohonů Drives & Motion.
První část je věnována konkrétním hardwarovým řešením a propojením jednotlivých částí. Druhá část se věnuje hlavně systému generování souřadnic pro ukládání tyčí a vizualizaci ložného plánu. Třetí a poslední část pak stručně popisuje provedenou simulaci a verifikaci tvorby ložného plánu. Společnost Taurid Ostrava používá kompletní portfolio techniky Siemens a velká část z něj byla využita v tomto projektu.
Hardwarová část – pohony
Pojďme si představit technické řešení bezpečné automatizace procesní linky na dělení hliníkových odlévaných tyčí (systém je vidět na obrázku 1). Pro řízení bylo vybráno bezpečnostní Siemens PLC S7-1517F v konfiguraci se vzdálenými V/V moduly ET200SP. Obsluhu zařízení zprostředkovávají Siemens HMI Unified dotykové panely MTB1000 resp. MTB1500.
Transport tyčí, samotné dělení, práce s testovacími vzorky, laserové značení až po ukládání nařezaných bloků do přistavených vozíků probíhá zcela automaticky. Pomocí rozhraní OPC UA komunikuje systém řízení s nadřazenou ERP úrovní, která posílá informace o zpracovávaných polotovarech, výrobní receptuře, parametrech řezání i požadovaném ložném plánu pro vozíky.
Většina elektrických pohonů je řízena z modulárního Siemens frekvenčního měniče Sinamics S120 se společným 80 kW regulovaným 4Q usměrňovačem s možností rekuperace do sítě (Active Line Module). Regulované DC napětí meziobvodu udržuje bez ohledu na fluktuaci napájecí strany konzistentní napětí pro napájení 12 motorových modulů. Pro manipulátory jsou dimenzovány Siemens servopohony řady 1FT7085, pro osu Z s brzdou. Pro danou aplikaci jsou použity celkem 4 řídicí jednotky a vše je propojeno DRIVE-CLiq komunikací. Samostatný frekvenční měnič z rodiny G120 je dimenzován pro pohon pilového listu o výkonu 110 kW.
Na obrázku 2 je konfigurace Sinamics S120, ze které je zřejmý kompaktní design a úspora místa v rozvaděči. Kompaktní provedení snižuje nároky na elektroinstalaci.
Pro dimenzování pohonů jsme využili Siemens TIA Selection Tool, pro zprovozňování pak Startdrive, který nabízí bohaté možnosti diagnostiky včetně detailních průběhů momentů a proudů. Zejména u dimenzovaných servopohonů pro osu Z se to ukázalo jako zcela zásadní, protože skutečné kroutící momenty se výrazně lišily od těch kalkulovaných.
Softwarová část – řízení
Kromě volby předem určené receptury má operátor také možnost vytvořit novou, nebo upravit již existující. Pro výpočet nové sady souřadnic je nutné zadat počátek, průměr, celkový počet tyčí a také počet tyčí v první vrstvě. Program po potvrzení vrátí tabulku souřadnic X (délka) a Z (výška), kde hodnoty určují pozici středu vzhledem od zadaného počátku. Vše se také vykreslí na displeji, aby měl uživatel možnost rychlé kontroly před finálním uložením do receptury. Tyče jsou skládány tak, aby mezi nimi vznikalo co nejméně prostoru, jak je vidět na obrázku 3. V sudých řadách je vždy o jednu tyč méně, než jaký je počet pro lichou vrstvu.
Výpočet souřadnice X je tak docela jednoduchý, stačí určit, kde se má nacházet první tyč z vrstvy a další hodnoty jsou vždy získány přičtením průměru. Přičemž v lichých vrstvách je střed první tyče jeden poloměr od bočnice vozíku, v sudých pak celý průměr.
Pro hodnoty Z platí, že se v rámci jedné vrstvy nemění. Přírůstek při změně vrstvy vychází z geometrie ukládání. Pro ideální uložení je potřeba minimalizovat vzdálenosti mezi středy válců na hodnotu součtu poloměrů dvou na sebe doléhajících tyčí. V případě, kdy ukládané tyče mají jednotný průměr, vzniká rovnostranný trojúhelník o délce strany rovné právě jejich průměru.
Využitím poloviny tohoto rovnostranného trojúhelníku, vznikne pravoúhlý trojúhelník (viz obrázek 3), kde delší odvěsna odpovídá posunu po souřadnici Z. Tu je možné zjistit pomocí Pythagorovy věty:
kde v je výška (posun v souřadnici Z), D je průměr tyče a r její poloměr. Posun zůstává pro všechny vrstvy díky pravidelnému uspořádání stejný. Výpočetní vzorce pro souřadnici X a Z jsou:
kde n je pořadí tyče ve vrstvě a m je číslo vrstvy. Následně algoritmus vytvoří dvojice spolu souvisejících X a Z hodnot, které před zápisem transformuje do úchopných bodů manipulátoru. Dalším problémem jsou nedokonalosti tvaru tyčí. Při výpočtu je možné nastavit toleranci povrchové nedokonalosti, a tedy symbolicky zkorigovat souřadnici pro další výpočet. Podobně je možné určit offset vozíku, vyplývající s nepřesného umístění vozíku.
Ukládání tyčí může probíhat bez nebo s vyhodnocením změny momentu. Pro představu, krácené tyče mají průměr od 150 do 550 mm a délku až 2000 mm. V případě, že se tyče ukládají do vozíku s posuvnou bočnicí se lze spolehnout na kalkulovanou souřadnici. Při přechodu na nový rozměr nebo pro ukládání do koše je nutné aktivovat pomalé pokládání s opřením a s vyhodnocením změny momentu. Na obrázku 4 jsou znázorněny některé z mnoha variant ložného plánu.
Simulační část
Cílem simulace celého systému bylo ověření rychlosti naložení jednoho vozíku resp. času cyklu manipulátoru a také ověření algoritmu ložného plánu. Rychlost nakládky může na první pohled vypadat velmi intuitivně – čas potřebný k položení jedné tyče se vynásobí počtem tyčí ve vozíku. Nicméně je třeba počítat s tím, že čas kolísá s ložnou pozicí, ukládáním bez/s vyhodnocením změny momentu a také s velikostí manipulované tyče.
Vzhledem k širokému portfoliu velikostí tyčí a náročným podmínkám pro testování bylo rozhodnuto, že algoritmus pro generování souřadnic a ložný plán bude otestován v simulačním nástroji Siemens Tecnomatix Plant Simulation. Verifikovaný algoritmus ložného plánu byl implementován do systému PLC. Výpočet cílové souřadnice pokládané tyče probíhá v HMI, naprogramovaném v Siemens TIA Portal, který využívá jazyk JavaSript rozšířený o metody specifické pro komunikaci s hardwarem. Virtuální zprovoznění s využitím digitálního dvojčete nebylo pro tento projekt aplikováno, protože by nebylo finančně rentabilní.
Taurid Ostrava s.r.o.
Starobělská 3040/56, 700 30 Ostrava
Tel.: +420 599 507 800
E-mail: Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.
www.taurid.cz
