Jure Lipuš

KRMILJENJE PNEVMATSKEGA BLAŽILCA SUNKOV

NA VISOKODINAMIČNIH LESNOOBDELOVALNIH

PROIZVODNIH LINIJAH

Diplomsko delo

Maribor, junij 2013

KRMILJENJE PNEVMATSKEGA BLAŽILCA SUNKOV

NA VISOKODINAMIČNIH LESNOOBDELOVALNIH

PROIZVODNIH LINIJAH

Študent(ka): Jure Lipuš

Študijski program: Visokošolski strokovni program

Elektrotehnika

Smer: Avtomatika in robotika

Mentor(ica): izr. prof. dr. Marjan Golob

Somentor(ica): /

Lektor(ica): Barbara Srnko, prof. slov.

Zahvala

Za vso spodbudo, pomoč, podporo in usmerjanje se

zahvaljujem mentorju dr. Marjanu Golobu in ostalim

profesorjem Fakultete za elektrotehniko, računalništvo

in informatiko Univerze v Mariboru.

Še posebej se zahvaljujem mentorju v podjetju Milanu

Mendašu in ostalemu kolektivu podjetja Ledinek

Engineering d.o.o.

Za moralno podporo pa se zahvaljujem svoji partnerki

in družini.

i

KRMILJENJE PNEVMATSKEGA BLAŽILCA SUNKOV NA

VISOKODINAMIČNIH LESNOOBDELOVALNIH PROIZVODNIH

LINIJAH

Ključne besede: blažilec sunkov, avtomatizacija, Siemens SIMATIC S7-300, PID

regulacija

UDK: 681.5+007.52:674.05(043.2)

Povzetek

V diplomski nalogi je predstavljena avtomatizacija pnevmatskega blažilca sunkov,

katerega funkcija je pravilno ustaviti obdelovanec na želeni točki. Predstavljene so

osnovne konstrukcijske komponente blažilnika ter komponente za izvedbo avtomatizacije

le-tega. Delovanje pnevmatskega blažilca sunkov je prikazano s pomočjo simulacije.

i

CONTROL OF PNEUMATIC SHOCK-ABSORBER ON HIGH

DYNAMIC WOODWORKING PRODUCTION LINE

Key words: Shock absorbers, automation, Siemens SIMATIC S7-300, PID regulation

UDK: 681.5+007.52:674.05(043.2)

Abstract

In my thesis I have presented the automation of a pneumatic shock absorber with a

function to correctly stop a workpiece at a desired point. I have presented basic

construction components of the shock absorber and components necessary for its

automation. The operation of the pneumatic shock absorber is shown by means of a

simulation.

ii

KAZALO

1 UVOD ................................................................................................................................. 1

2 OPIS LESNOOBDELOVALNE LINIJE ....................................................................... 2

3 BLAŽILCI SUNKOV ....................................................................................................... 3

3.1 Hidravlični blažilnik ........................................................................................................ 4

3.2 Pnevmatski blažilnik ....................................................................................................... 5

3.3 Elektromagnetni blažilnik................................................................................................ 6

3.4 Elektrologične tekočine kot blažilnik .............................................................................. 6

3.5 Gumijasti in vzmetni blažilnik ........................................................................................ 6

4 OPIS STROJNIH ELEMENTOV PNEVMATSKEGA BLAŽILNIKA SUNKOV ... 8

4.1 Pnevmatski blažilnik sunkov s pnevmatskih cilindrom .................................................. 8

4.1.1 Pnevmatski cilinder ......................................................................................... 9

4.1.2 Hitroodzračevalni ventil Festo SEU-3/8 6755 .............................................. 10

4.2 Pnevmatski regulatorji tlaka .......................................................................................... 10

4.2.1 Ročno nastavljiv regulator tlaka Festo LR-1/4-D-MIDI ............................... 11

4.2.2 Mikroprocesorsko nastavljiv Festo MPPES-3-1/2-6-420 ............................. 13

5 OPIS STROJNE OPREME SIMATIC ......................................................................... 15

5.1 CPE313C ....................................................................................................................... 16

5.2 Vhodno/izhodni periferni moduli .................................................................................. 17

5.3 Analogni vhodno-izhodni modul AI5/AO2 ................................................................... 19

5.4 Digitalni vhodno-izhodni modul DI24/DO16 ............................................................... 20

iii

6 OPIS PROGRAMSKE OPREME SIMATIC .............................................................. 22

6.1 Opis programske opreme Siemens SIMATIC step 7 .................................................... 22

6.2 Struktura programa ........................................................................................................ 26

6.3 Opis SIMATIC PID regulatorja .................................................................................... 29

6.3.1 Opis osnovnega regulacijskega sistema ........................................................ 29

6.3.2 Razdelitev industrijskih regulatorjev ............................................................. 30

6.3.3 Razvrstitev industrijskih regulatorjev glede na vrsto reguliranega signala ... 32

6.3.4 Načrtovanje zveznih PID regulatorjev .......................................................... 33

6.3.5 Struktura programske opreme Step 7 SIMATIC PID regulatorja ................. 38

7 IMPLEMENTACIJA KRMILJENJA PNEVMATSKEGA BLAŽILCA

SUNKOV NA PRAKTIČNEM PRIMERU ......................................................................... 40

7.1 Izračun mase in energije obdelovanca ........................................................................... 41

7.2 Model pnevmatskega blažilnika sunkov: ...................................................................... 42

7.3 Opis izdelave programskega algoritma za PLK ............................................................ 46

7.3.1 PLK algoritem za krmiljenje pnevmatskega blažilca sunkov ....................... 48

7.3.2 Določitev in izračun parametrov PID regulatorja ......................................... 51

7.3.3 Izdelava grafičnega vmesnika pnevmatskega blažilnika sunkov .................. 54

8 ZAKLJUČEK .................................................................................................................. 57

9 VIRI .................................................................................................................................. 59

iv

KAZALO SLIK

SLIKA 1: LESNOOBDELOVALNA LINIJA ................................................................................... 2

SLIKA 2: HIDRAVLIČNI BLAŽILNIK .......................................................................................... 5

SLIKA 3: PRIKAZ DELOVANJE SIL PRI GUMIJASTEM ALI VZMETNEM BLAŽILNIKU SUNKOV ...... 7

SLIKA 4: PNEVMATSKI BLAŽILNIK SUNKOV ............................................................................ 8

SLIKA 5: DVOSMERNI PNEVMATSKI CILINDER FESTO DNC-100-250-PPV-A ....................... 10

SLIKA 6: A) ZUNANJI IZGLED VENTILA, B) BLOKOVNA SHEMA VENTILA ................................ 10

SLIKA 7: OSNOVNA ZGRADBA REGULATORJA TLAKA ........................................................... 11

SLIKA 8: ROČNO NASTAVLJIV REGULATOR TLAKA ............................................................... 12

SLIKA 9: KARAKTERISTIKA ROČNO NASTAVLJIVEGA REGULATORJA TLAKA ......................... 13

SLIKA 10: POMEN OZNAK PROPORCIONALNEGA REGULATORJA ............................................ 14

SLIKA 11: BLOČNA ZGRADBA REGULATORJA........................................................................ 14

SLIKA 12: KARAKTERISTIKA ELEKTRIČNO KRMILJENEGA REGULATORJA TLAKA .................. 15

SLIKA 13:SIEMENS SIMATIC S7-300 .................................................................................. 16

SLIKA 14: ANALOGNI DIGITALNI VHODNO-IZHODNI MODUL ................................................. 18

SLIKA 15: BLOK DIAGRAM ANALOGNO VHODNO-IZHODNEGA MODULA ................................ 20

SLIKA 16: BLOK DIAGRAM DIGITALNEGA VHODNO-IZHODNEGA MODULA ............................ 21

SLIKA 17: SESTAVA VHODNO IZHODNEGA NASLOVA MODULA ............................................. 22

SLIKA 18: PRIMER LAD DIAGRAMA ..................................................................................... 25

SLIKA 19: PRIMER FBD DIAGRAMA ...................................................................................... 25

SLIKA 20: PRIMER STL DIAGRAMA ...................................................................................... 26

SLIKA 21: ORGANIZACIJSKI BLOKI IN NJIHOVE FUNKCIJE ..................................................... 27

SLIKA 22: REGULACIJSKA PROGA ......................................................................................... 29

SLIKA 23: ODZIV REGULACIJSKEGA SISTEMA NA STOPNICO S PRIBLIŽNO 25 % PRENIHAJEM 34

SLIKA 24: KONTINUIRANO NIHANJE SISTEM ......................................................................... 35

SLIKA 25: MERJENJE ODZIVA PROCESA NA VZBUJANJE S STOPNICO ...................................... 36

SLIKA 26: ODZIV PROPORCIONALNEGA PROCESA ................................................................. 36

SLIKA 27: KNJIŽNICA FUNKCIJSKIH BLOKOV PID REGULATORJA .......................................... 38

SLIKA 28: MODEL PNEVMATSKEGA CILINDRA ....................................................................... 42

SLIKA 29: SIMULACIJSKA BLOKOVNA SHEMA ....................................................................... 44

SLIKA 30: ODZIVI OPAZOVANIH SPREMENLJIVK PRED, OB IN PO TRKU OBDELOVANCA ......... 46

v

SLIKA 31: STROJNA OPREMA ................................................................................................ 47

SLIKA 32: FUNKCIJSKI BLOKI PROGRAMA ............................................................................. 47

SLIKA 33: SIMBOLNA TABELA .............................................................................................. 48

SLIKA 34: SKALIRANJE VHODNE SPREMENLJIVKE ................................................................. 49

SLIKA 35: SKALIRANJE IZHODNE SPREMENLJIVKE ................................................................ 50

SLIKA 36: PID REGULATOR .................................................................................................. 51

SLIKA 37: NIHANJE PID REGULATORJA PRI .................................................................. 52

SLIKA 38: ODZIV PID REGULATORJA S PRAVILNO NASTAVLJENIMI PARAMETRI ................... 53

SLIKA 39: VNOS PODATKOV OBDELOVANCA ........................................................................ 54

SLIKA 40: GRAFIČNI VMESNIK ZA VNOS PARAMETROV REGULATORJA ................................. 55

SLIKA 41: PRIKAZ POMIKA CILINDRA PRED, OB IN PO TRKU OBDELOVANCA ......................... 55

KAZALO TABEL

TABELA 1: NASTAVITEV PARAMETROV Z NIHAJNIM PREIZKUSOM ........................................ 35

TABELA 2: NASTAVITEV PARAMETROV PID REGULATORJA PO METODI ZIEGLER-NICHOLS S

POMOČJO ODZIVA PROCESA NA STOPNICO ..................................................................... 37

TABELA 3: PID PARAMETRI [17] .......................................................................................... 51

TABELA 4: REZULTATI MERITEV ........................................................................................... 56

vi

UPORABLJENE KRATICE

PLK: programirljiv logični krmilnik

CPE: centralno procesna enota

LAD: lestvični diagram (ang: ladder diagram)

FBD: funkcijsko blokovni diagram (ang: function block diagram)

STL: nabor ukazov (ang: statement list)

CPU: centralna procesna enota (ang: central process unit)

MPI: večtočkovni vmesnik (ang: multi-point interface)

SAC: enosmerni cilinder (ang: single acting cylinders)

DAC: dvosmerni cilinder (ang: double acting cylinders)

MMC: mikro pomnilniška kartica (ang: micro memory card)

RAM: bralno-pisalni pomnilnik (ang: random access memory)

1

1 UVOD

Podjetje Ledinek Engineering d.o.o. je že 100 let tesno povezano z obdelavo lesa. V

kratkem času je postalo mednarodno priznano in uveljavljeno na področju projektiranja ter

izdelave lesnoobdelovalnih strojev in naprav. Tehnološki napredek je rezultat sodelovanja

med raziskovalnimi inštituti, npr. Univerzo v Mariboru in razvojno ekipo inženirjev iz

podjetja Ledinek Engineering d.o.o. Podjetje se lahko pohvali s postavitvijo in z zagonom

strojev ter tehnoloških linij v več kot 45 državah sveta. Sodoben pristop, tehnološko

inovativne rešitve, vgradnja komponent svetovno znanih proizvajalcev in dobaviteljev

(npr. Siemens, Lenze, SEW, Festo) so garancija za visoko kakovost in varnost strojev.

V svoji diplomski nalogi bom predstavil avtomatizacijo pnevmatskega blažilnika sunkov

pri zaustavljanju lesa na visokodinamičnih lesnoobdelovalnih proizvodnih linijah. Sedaj je

delovanje pnevmatskega blažilnika pri zaustavljanju lesa izvedeno izključno s pnevmatiko.

Moj cilj pa je s pomočjo avtomatizacije izboljšati delovanje blažilnika sunkov lesa tako, da

bo uporaben pri različnih dimenzijah in masah obdelovanca. Tako ne bi več prihajalo do

poškodb obdelovanca in konstrukcije obdelovalne linije, kar je posledica velike hitrosti in

mase obdelovanca. To bom posodobil s pomočjo Festo pnevmatskega proporcionalnega

regulatorja, katerega delovanje bom nadziral s pomočjo industrijskega krmilnika Siemens

SIMATIC S7-300.

Diplomsko nalogo sem razdelil na šest poglavij (od 2. do 7. poglavja). V prvih petih sem

opisal komponente, s katerimi je zgrajen pnevmatski blažilnik sunkov, sestavo Siemens

krmilnika in delovanje PID regulatorja. Za lažjo ponazoritev sem tudi sam oblikoval oz.

izrisal slikovne prikaze s pomočjo programskega orodja za grafično oblikovanje. V

zadnjem, torej sedmem, poglavju pa sem ponazoril praktično delovanje pnevmatskega

blažilnika sunkov, ki je krmiljen s programirljivim logičnim krmilnikom Siemens

SIMATIC S7-300.

2

2 OPIS LESNOOBDELOVALNE LINIJE

Slika 1 predstavlja del lesnoobdelovalne linije, to je transportni trak, pri katerem prihaja do

problema neustrezne zaustavitve obdelovanca na želeni točki. Pri točki obdelave, kjer se na

lesene deske nanaša lepilo, je pomembno, da deska potuje skozi mesto za nanašanje lepila

s konstantno hitrostjo brez ustavljanja. Zato je potrebno lesene deske po nanosu lepila tudi

ustrezno ustaviti. Ker obdelovalna linija dosega visoke hitrosti obdelave lesa, približno od

50 m/min do 350 m/min, nastane problem, kako obdelovanec (v našem primeru leseno

desko) ustaviti na želenem mestu. Kot je že znano iz fizike, ima vsako telo z neko maso, ki

se giblje z določeno hitrostjo, neko kinetično energijo in pri pojemanju hitrosti na blažilec

deluje z neko silo. Cilj moje diplomske naloge pa je to silo in kinetićno energijo lesene

deske pri trku ob pnevmatski blažilnik sunkov čim bolj ublažiti in preprečiti poškodbe

obdelovanca ter konstrukcije lesnoobdelovalne linije.

Slika 1: Lesnoobdelovalna linija

3

Poudarek diplomske naloge je na pnevmatskem blažilniku sunkov, predvsem na krmiljenju

le tega. Zato bom v naslednjem poglavju predstavil različne blažilnike sunkov in se

predvsem opredelil na pnevmatski blažilnik sunkov ter na to, kako ga krmiliti.

3 BLAŽILCI SUNKOV

Pri delu in praksi sem opazil, da si v podjetju Ledinek Engineering d.o.o. med drugim

prizadevajo povečati produktivnost s pomočjo strojev. Le-ti morajo tako delovati

brezhibno, npr. pri višjih hitrostih, kar pa se pozna na povečanju hrupa, vibracij, poškodb

in okvar strojev ter izdelkov. Hkrati pa se s tem zmanjša tudi varnost in zanesljivost stroja.

Na trgu je cela paleta proizvodov, ki se pogosto uporabljajo za reševanje omenjenih

problemov, ki pa se zelo razlikujejo po učinkovitosti in delovanju. Tipični blažilci sunkov,

ki se v teh primerih uporabljajo, so: gumijasti odbijači, vzmeti, pnevmatske blazine in

blažilniki sunkov, ki so izvedeni s pnevmatskimi ali hidravličnimi cilindri. Tako se tudi v

podjetju Ledinek Engineering d.o.o. poslužujejo zaustavljanja proizvodnih izdelkov s

pomočjo blazin, ki so izvedene s pnevmatskimi cilindri, kar občasno povzroča težave.

Da razumemo pomen blažilca sunkov, ga je najprej potrebno opredeliti oz. opisati. »Shock

absorber« oz. blažilec sunkov je naprava, katere glavna funkcija je absorbiranje energije, ki

se sprosti ob trku. Mehansko napravo, ki proizvede diametralno silo v nasprotni smeri

gibanja, je potrebno uporabiti na način, da bi premikajoči objekt obmiroval. Vsi objekti, ki

se gibljejo imajo kinetično energijo. Količina energije je odvisna od mase in hitrosti, ki je

opisana v enačbi (1.1).

(1.1)

– kinetična energija [J]

– masa [kg]

– hitrost [m/s]

4

Z blažilcem sunkov kinetično energijo poskušamo zadušiti oz. pretvoriti v drugo obliko

energije in s tem preprečiti poškodbe na ogrodju stroja. Blažilnik sunkov je mogoče

opredeliti kot katerokoli mehansko napravo, ki po prejetju kinetične energije predmeta v

obliki sunka energijo zgladi in jo pretvori v drugo obliko (npr. mehansko, toplotno ali

električno energijo). Lahko pa bodisi tudi to energijo absorbira ali razprši. V splošnem se

blažilci sunkov pojavljajo v različnih izvedbah in za različne namene, zato jih lahko delimo

na:

hidravlični blažilnik,

pnevmatski blažilnik,

elektromagnetni blažilnik,

elektroreologične tekočine kot blažilnik,

gumijasti in vzmetni blažilnik,

itd. [13]

Za boljše razumevanje delovanja posameznih blažilnikov sem v nadaljevanju zgoraj

naštete blažilnike tudi na kratko opisal.

3.1 Hidravlični blažilnik

Najpogosteje uporabljen hidravlični blažilnik, prikazan na Sliki 2, je neposredno delujoč in

teleskopske izvedbe. Lahko se vgradi kot samostojna enota, ali kot pri vzmetenju

avtomobila, v kombinaciji z opornikom. Hidravlični blažilnik za svoje delovanje uporablja

hidravlično olje. Posebno hidravlično olje je medij za pretvarjanje mehanske v toplotno

energijo. Hidravlični blažilnik omogoča svoje zaviralno delovanje s pretokom olja pod

pritiskom skozi ventil, ki omejujejo pretok olja. V industriji jih najdemo predvsem pri

opravljanju težkih del, saj lahko prenašajo velike obremenitve in sile. Največkrat pa se

uporabljajo za vzmetenje različnih prevoznih sredstev, kot so: vzmetenje avtomobila,

tovornjaka, motornega kolesa itd. Hidravlični blažilnik izkoristi tekočino, da pretvori

mehansko energijo v termalno. Blaženje je delovanje tekočine pod tlakom na batnico, kar

povzroči premik batnice v linearni smeri. Mehansko delovanje spremeni volumen cilindra

in prisili tekočino, da skozi odtočni ventil z določeno hitrostjo izteka iz cilindra. Tekočina

5

se zaradi tlaka in trenja začne segrevati, kar pomeni, da se je mehanska energija spremenila

v toplotno energijo.

Brez hidravličnih blažilnikov bi bil tudi pristanek letala zelo surov. Najdemo jih tudi v

gradbeništvu, kjer se uporabljajo za zmanjševanje občutljivosti zgradb na vibracije ob

pojavu potresov. [3]

Slika 2: Hidravlični blažilnik

3.2 Pnevmatski blažilnik

Pnevmatski blažilnik je mehanska naprava za blaženje sunkov, ki za blaženje uporablja

stisnjen zrak. V praksi sta najbolj uporabljena naslednja pnevmatska blažilnika:

1. Cilindrična blazina:

Cilindrična blazina ima omejitve v območju delovanja. Najbolj pogosto ni sposobna

absorbirati energije proizvedene v delovnem procesu. Že sama zasnova cilindrične blazine

je takšna, da ima relativno kratek hod in deluje pri nizkih tlakih. Zaradi tega ima zelo nizek

absorbcijski koeficient energije. Neabsorbirani del energije se prenese na sistem, ki

povzroča udarne obremenitve in vibracije. Zato se za blaženje sunkov s pomočjo

pnevmatike uporabljajo blažilniki s pnevmatskim cilindrom. [9]

2. Industrijski blažilnik s pnevmatskim cilindrom:

Pnevmatski cilinder sam ne deluje kot blažilnik, ampak za delovanje potrebujemo še

dodatne komponente, ki omogočajo delovanje cilindra kot blažilnik sunkov. Njegova

prvotna funkcija ni blaženje sunkov, ampak izvajanje različnih akcij, kot je npr. dvigovanje

bremen. Njegova dobra lastnost je, da ima dolgi hod in deluje že pri zelo nizkih tlakih.

Primer blažilnika s pnevmatskim cilindrom bom predstavil tudi v diplomski nalogi. [9]

6

3.3 Elektromagnetni blažilnik

Elektromagnetni blažilnik deluje na principu fizikalnega pojava odbojne ali privlačne sile

namagnetenega materiala, ki se pojavi zaradi vrtinčnih tokov. Enako se dogaja z dvema

trajnima magnetoma, saj se enaka pola namagnetenega materiala odbijata in med njima

nastaja odbojna sila. Velikost odbojne sile pa je odvisna od moči magnetnih silnic v

magnetnem materialu in razdalje med dvema enakima poloma.

Efekt vrtinčnih tokov se izrablja tudi pri zaviranju in kot pogon vlakov. Ta način nima

mehanskih obrab in daje zelo natančno zavorno silo. Električna upornost povzroči vlečen

učinek, ki je podoben trenju in razprši kinetično energijo. Enaka tehnika se uporablja pri

elektromagnetnih zavorah vlakov in za hitro zaustavitev rezil v električnih orodij, kot so

krožne žage. [13]

3.4 Elektrologične tekočine kot blažilnik

Elektroreologične (ER) tekočine so tekočine z izredno drobnimi neprevodnimi delci s

premerom do 50 mikrometrov, ki so pomešani z električno izolacijsko tekočino.

Viskoznost teh tekočin se spreminja reverzibilno po zaporedju do 100.000 reakcij na

električno polje. Elektroreologične (ER) tekočine lahko preidejo iz tekočega v gostejše

stanje tekočine in nazaj, z odzivnimi časi reda nekaj milisekund. Tekočina v gostejšem

stanju izgleda kot gel.[3]

3.5 Gumijasti in vzmetni blažilnik

Gumijasti blažilnik in vzmet sta zelo poceni in imata nezaželen učinek odboja. Večina

energije, ki jo absorbirata, se dejansko shrani v njiju. Shranjena energija se izrazi ob

obremenitvi, ki proizvede silo v nasprotno smer in s tem poveča možnost poškodbe

obdelovanca ali strojev. Gumijasti blažilci in vzmeti imajo na začetku nizko upirajočo

silo , ki se poveča z udarcem obdelovanca ob blažilec. Sila pa se sprosti v nasprotni

smeri gibanja obdelovanca, kot je razvidno na Sliki 3. [9]

7

Slika 3: Prikaz delovanje sil pri gumijastem ali vzmetnem blažilniku sunkov

Problem, ki sem ga omenil že v uvodu, bom reševal s pomočjo pnevmatskega blažilnika

sunkov. V nadaljevanju je tudi podrobneje predstavljen. Za ta način preprečevanja sunkov

sem se najprej odločil zaradi ekonomskih razlogov, dostopnosti materiala in opreme, ki jo

bom potreboval za izvedbo le-tega v praktičnem delu diplomske naloge. Prav tako pa

zaradi uporabe omenjenega v podjetju Ledinek Engineering d.o.o., saj je moj cilj

avtomatizacija pnevmatskega krmiljenja blažilnika sunkov. To pomeni, da bo sedaj

pnevmatski blažilnik sunkov deloval avtomatsko in ga ne bo več potrebno ročno nastavljati

kot je to bilo do sedaj. Nadzor nad avtomatiziranim pnevmatskim blažilnikom sunkov bo

vršil PLK tako, da bo z regulatorjem tlaka prilagajal velikost tlaka v pnevmatskem

cilindru. Nastavitev tlaka v pnevmatskem cilindru bo odvisna od dimenzij obdelovanca.

Dimenzije obdelovanca pa bo operater stroja vnesel v podatkovno bazo PLK-ja, s pomočjo

grafičnega vmesnika nameščenega na nadzorni mizi. Tako operaterju stroja nebo več

potrebno nastavljati regulatorja tlaka, ki se nahaja na težko dostopnih in oddaljenih mestih

od glavne nadzorne mize. Z vsako oddaljitvijo operaterja od nadzorne mize se možnost

poškodb poveča, kajti operater nima nadzora nad obratovanjem stroja.

SMER VALJČNE PROGE

8

4 OPIS STROJNIH ELEMENTOV PNEVMATSKEGA

BLAŽILNIKA SUNKOV

4.1 Pnevmatski blažilnik sunkov s pnevmatskih cilindrom

Pnevmatski blažilnik sunkov je del stroja v proizvodni liniji, ki omogoča hitro in dokaj

natančno ustavljanje obdelovanca. Mehanska zasnova pnevmatskega blažilnika sunkov na

Sliki 4 je last podjetja Ledinek Engineering d.o.o. Zgradba pnevmatskega blažilnika

zajema številne mehanske sestavne dele, npr. pnevmatski cilinder Festo (1), drsni vodili

(2), odbojno ploskev (3), batnico (4), ki ima 250 mm hoda in nosilno konstrukcijo (5), ki

povezuje vse dele v mehansko napravo za absorbiranje energije različnih vrst sunkov.

Slika 4: Pnevmatski blažilnik sunkov

V diplomski nalogi sem se osredotočil predvsem na krmiljenje pnevmatskega blažilnika

sunkov. To pomeni, da bom izdelal programsko kodo, ki bo krmilila proporcionalni

regulator tlaka (Slika 11). Ta pa bo zagotavljal ustrezen tlak na Sliki 4 v cilindru (1), da bo

delovanje pnevmatskega blažilnika sunkov čim bolj učinkovito.

1

2 3

5

4

2

9

4.1.1 Pnevmatski cilinder

Pnevmatski cilinder je mehanska naprava, ki izrablja moč stisnjenega plina za proizvodnjo

sile na bat, ki proizvede linearno gibanje batnice. Čeprav se pnevmatski cilindri razlikujejo

po videzu, velikosti in funkciji, na splošno sodijo v eno od posebnih kategorij prikazanih

spodaj.[12]

- Enosmerni cilinder (SAC – Single acting cylinders) izrablja silo stisnjenega plina,

ki ustvarja gonilno silo v eno smer, nazaj pa ga vrne vzmet.

- Dvosmerni cilinder (DAC – Double acting cylinders) izrablja silo stisnjenega

plina, ki ustvarja gonilno silo v obe smeri gibanja batnice, zato ima tudi dva

priključka.

- Večstopenjski oz. teleskopski cilinder ima glavno prednost, saj zmore dolge gibe.

Teleskopski cilinder vsebuje batnice, ki so postavljene v seriji po votlih stopnjah od

najmanjšega do največjega premera.

- Rotacijski pnevmatski cilinder prav tako izkorišča silo, ki jo proizvede stisnjen

plin, vendar nam le-ta da rotacijsko gibanje.

- Posebne izvedbe cilindrov so namenjene aplikacijam, ki zahtevajo specifične

gibalne akcije.[12]

Pnevmatski cilinder (Slika 5), ki sem ga uporabil za blaženje sunkov obdelovancev, je

standardni dvosmerni cilinder proizvajalca Festo, model DNC-100-250-PPV-A s končnim

dušenjem in maksimalnim gibom 250 mm. Ta pnevmatski cilinder ima dva priključka za

dovod zračnega tlaka in utor na ohišju, v katerega se namesti senzor za merjenje položaja

bata. [12]

10

Slika 5: Dvosmerni pnevmatski cilinder Festo DNC-100-250-PPV-A

4.1.2 Hitroodzračevalni ventil Festo SEU-3/8 6755

Hitroodzračevalni ventil (Slika 6) je pnevmatski ventil, katerega funkcija je, da v čim

krajšem času odvede čim večjo količino zraka iz zračne komore pnevmatskega cilindra. V

eni smeri ventil deluje kot hitroodzračevalni ventil, v drugi pa kot protipovratni ventil.

Zračni pretok, ki ga doseže, se giblje od 300 l/min do 4560 l/min. Za optimalno delovanje

je potreben delovni tlak od 0.2 do 10 barov pri temperaturi okolice od –20 do +75 °C. [6]

Slika 6: a) zunanji izgled ventila, b) blokovna shema ventila

4.2 Pnevmatski regulatorji tlaka

V tem poglavju bom na kratko predstavil pnevmatske regulatorje tlaka in njihove lastnosti.

Pnevmatski regulator tlaka za svoje delovanje uporablja stisnjen zrak, ki ga predhodno

ustrezno pripravimo tako, da odstranimo morebitne nečistoče in tekočine. Slika 7 prikazuje

osnovno zgradbo regulatorja tlaka. [5]

a) b)

Bat Batnica

Ohišje cilindra

Pnevmatski

priključek

11

Slika 7: Osnovna zgradba regulatorja tlaka

Pnevmatske regulatorje tlaka v osnovi delimo na dve izvedbi, in sicer na ročno nastavljive

in mikroprocesorsko nastavljive regulatorje tlaka. Oba tipa regulatorjev tlaka se v industriji

precej uporabljata. Največkrat zasledimo ročno nastavljive regulatorje, saj je cena dosti

nižja od cene mikroprocesorsko nastavljive izvedbe regulatorja tlaka. [5]

Osnovno zgradbo in lastnosti teh regulatorjev bom predstavil v nadaljevanju.

4.2.1 Ročno nastavljiv regulator tlaka Festo LR-1/4-D-MIDI

Regulator tlaka je ventil, ki samodejno prekine dotok zraka pri določenem nastavljenem

tlaku. Služijo kot stabilizatorji tlaka, kar pomeni, da zagotavljajo konstanten tlak v ceveh in

zalogovnikih zraka. Tako je npr. želen tlak zraka vedno na voljo vsakemu porabniku,

katerega delovanje je odvisno od zračnega tlaka. Njihovo območje delovanja je omejeno z

velikostjo pretoka zraka (800 l/min do 1300 l/min), s temperaturo (–5 °C do +50 °C) in z

vhodnim tlakom, ki je omejen na 1,5 bara do 10 barov. Delovanje ročno nastavljivega

regulatorja poteka tako, da z gumbom na vrhu regulatorja ročno nastavimo želeno

Vzmet

Vijak za nastavitev

izhodnega tlaka

Zapiralni čep

Izhod Vhod

12

vrednost. Z vrtenjem gumba nastavljamo napetost vzmeti, ki odpira in zapira dovod zraka,

ali pa drži ventil odprt v določenem položaju. Tako je pretok zraka približno omejen na

želeno vrednost. Nastavljena vrednost je zavarovana s funkcijo zaklepanja, ki jo ima vrtljiv

gumb za nastavljanje želene vrednosti tlaka. Blokovno shemo ročno nastavljivega

regulatorja tlaka predstavlja Slika 8. [5]

Dobre lastnosti ročno nastavljivega regulatorja tlaka so:

- dobra regulacijska karakteristika z majhno tlačno histerezo,

- visoka pretočna zmogljivost,

- varovanje nastavljene vrednosti vrtljivega gumba. [5]

Slabe lastnosti ročno nastavljivega regulatorja tlaka so:

- nimamo povratne informacije o izhodnem tlaku,

- ročno nastavljena želena vrednost je približna,

- ročno nastavljanje regulatorja na težko dostopnih mestih,

- itd. [5]

Slika 8: Ročno nastavljiv regulator tlaka

Karakteristika na Sliki 9 predstavlja spremembo tlaka ( ) ob spremembi pretoka ( ).

13

Slika 9: Karakteristika ročno nastavljivega regulatorja tlaka

Pri reševanju problema kontroliranega ustavljanja obdelovancev imajo le ti različno maso

in hitrost. Zato potrebujemo regulacijo tlaka, katerega vrednost ne bo približna, ampak

dokaj točna. To lahko izvedem s pomočjo mikroprocesorsko vodenega proporcionalnega

regulatorja tlaka Festo MPPES-3-1/2-6-420 (Slika 11). Prednost tega je, da je enostavno

nastavljiv kar preko uporabniškega vmesnika človek-stroj, saj ta proporcionalni regulator

tlaka omogoča povezavo z različnimi komunikacijskimi moduli. Prav tako pa je ena izmed

večjih prednosti proporcionalnega regulatorja tlaka ta, da nam omogoča vpogled v različne

informacije med samim delovanjem regulatorja, kot so npr. informacija o izhodnem tlaku,

o nastavljeni želeni vrednosti tlaka idr. [5]

4.2.2 Mikroprocesorsko nastavljiv Festo MPPES-3-1/2-6-420

Iz oznake modela pnevmatskega regulatorja Festo MPPES-3-1/2-6-420 (Slika 10) lahko

izvemo vse osnovne pomembne parametre tega regulatorja. Torej izvemo za kakšen tip

regulatorja gre (MPPES-proporcionalni regulator tlaka s proporcionalnim magnetom),

kakšno ventilsko funkcijo uporablja (3-potni regulator tlaka), kakšne so možnosti

priključitve dovoda zraka (notranji navoj G½). Zelo pomemben podatek je tudi območje

regulacije tlaka (od 0 do 6 barov) in v kakšni obliki vnesemo želeno vrednost tlaka na

izhodu regulatorja. Vrednost lahko pretvorimo v vrednost predstavljeno z napetostjo od 0

14

V do 10 V ali vrednost v tokovni vrednosti od 4 mA do 20 mA. V tem primeru je to

tokovna vrednost. [4]

Slika 10: Pomen oznak proporcionalnega regulatorja

Slika 11: Bločna zgradba regulatorja

Bločna shema (Slika 11) predstavlja Festo MPPES proporcionalni regulator in način

delovanja preklopne funkcije regulatorja. Na priključno sponko z oznako W podamo

vrednost, ki jo želimo na izhodu. Informacijo o izhodni veličini dobimo kot povratno

informacijo na sponki z oznako X. Priključna sponka z oznako 1 je pnevmatska dovodna

sponka, po kateri regulatorju dovedemo ustrezen zračni tlak. Sponka z oznako 2

predstavlja izhodno regulirano veličino, v našem primeru je to zračni tlak. Sponka z

15

oznako 3 pa služi kot hitro odzračevalni element proporcionalnega regulatorja Festo

MPPES. [4]

Karakteristika na Sliki 12 prikazuje dinamični odziv tlaka ( ) na spremembo pretoka ( )

pri različnih vrednostih tlaka ( ).

Slika 12: Karakteristika električno krmiljenega regulatorja tlaka

5 OPIS STROJNE OPREME SIMATIC

Podjetje SIEMENS AG se ukvarja z razvojem in s proizvodnjo različnih proizvodov iz

različnih gospodarskih branž. Ena izmed poglavitnih je avtomatizacija industrijske

proizvodnje. Podjetje ponuja lastno znamko industrijskih krmilnikov in opreme za

avtomatizacijo proizvodnih linij z imenom SIMATIC. Družina industrijskih krmilnikov

Siemens SIMATIC S7-300 je razdeljena na štiri osnovne skupine:

- standardni krmilnik,

- kompakten krmilnik,

- krmilniki, ki so varni pred različnimi izpadi in napakami,

- tehnološki krmilnik za izvajanje posebnih operacij. [1]

16

V svoji diplomski nalogi sem izbral kompakten krmilnik s procesorjem 313C, ker ponuja

celovite tehnološke funkcije za problem, ki ga rešujem. Vsebuje tako digitalne kot

analogne vhodno-izhodne periferne enote.

5.1 CPE313C

Centralno procesna enota krmilnika je jedro celotnega sistema. Serija krmilnika

»kompakt« je posebej primerna za naloge, kjer se zahtevajo hitri odzivi procesorja na vnos

spremembe stanja na vhodu posameznega vhodno-izhodnega modula in merjenje z

neposrednim dostopom do strojne opreme. CPE313C omogoča enostavno pozicioniranje,

npr. servo pogonov, z neposrednim kontroliranjem Micromaster frekvenčnega pretvornika.

Vključujejo tudi PID regulacijo z že integrirano funkcijo bloka PID regulatorja. Uporaba

krmilnika pa je odvisna predvsem od dodatnih funkcijskih modulov, ki jih priključimo

nanj. Delovanje procesorja je odvisno od programa, ki ga naložimo v pomnilnik krmilnika.

Program se naloži s pomnilniške MMC kartice v delovni pomnilnik RAM. Program, ki je

naložen v RAM pomnilnik, uporablja procesor, ki programski algoritem obdela in izvede

ustrezno programsko zahtevano inštrukcijo. Programiranje krmilnika poteka na osebnem

računalniku in se nato preko MPI ali Ethernet komunikacijske povezave prenese v

pomnilnik krmilnika. Krmilniki serije S7-300 omogočajo on-line programiranje in

spremljanje delovanja programa po korakih. [17]

Slika 13:Siemens SIMATIC S7-300

Osnovna struktura zgradbe krmilnika SIMATIC S7-300 CPU 313C je:

napajalna enota,

17

CPE centralno procesna enota,

24 digitalnih vhodov,

16 digitalnih izhodov,

4 analogni vhodi,

2 analogna izhoda. [17]

Lastnosti CPE313C:

- CPE 313MHz,

- interni pomnilnik 128 KB,

- zunanji pomnilnik: MMC pomnilniška kartica do max. 8 Mb. [17]

Čas obdelave programa:

- inštrukcijski čas bita min 0.07 μs,

- word inštrukcijski čas min 0.15 µs,

- fixed-point artimetika min. 0.2 µs,

- floating-point artitmetika min 0.72 µs. [17]

Časovniki:

- 256 časovnikov,

- časovno območje 10 ms do 9990 s. [17]

Števci:

- 256 števcev,

- območje štetja od 0 do 999. [17]

5.2 Vhodno/izhodni periferni moduli

Digitalni vhodno/izhodni in analogni vhodno/izhodni moduli na Sliki 14 so zelo pomembni

sestavni deli sistemov avtomatizacije. Zaradi hitrega razvoja tehnologije procesov

avtomatizacije se pojavljajo tudi zahteve po uporabi posebnih modulov, ki so namenjeni za

krmiljenje specifičnih aplikacij.

18

Pri Siemens SIMATIC PLK-ju s procesorjem CPE313C imamo že v osnovni izvedbi na

voljo digitalni vhodno-izhodni modul in analogni vhodno-izhodni modul, preko katerih

lahko povezujemo zunanje naprave s CPE. Slednji prejme signal preko vhodnega vmesnika

in se odzove nanj glede na programsko funkcijo. Nato poda ustrezno stanje na izhodni

vmesnik. Lahko pa je vhodna vrednost signala v obliki podatka, ki ga CPE hrani in

uporablja kot informacijo o stanju naprave v določeni fazi procesa oz. pride podatek iz

merilnega mesta, na katerem se meri določena veličina (temperatura, tlak, pomik itd.).

Signali so lahko analogni kot tudi digitalni, zato v procesni avtomatizaciji za realizacijo

aplikacij uporabljamo najrazličnejše kombinacije vhodno/izhodnih modulov. Pri izdelavi

aplikacije za krmiljenje blažilnika sunkov sem tudi sam potreboval digitalne in analogne

vhodno-izhodne module. [14]

Slika 14: Analogni digitalni vhodno-izhodni modul

19

5.3 Analogni vhodno-izhodni modul AI5/AO2

Analogni vhodno-izhodni modul (Slika 15) uporabljamo za aplikacije, pri katerih ne

zadostujeta le dve stanji signala, ampak je potrebno analiziranje analognega signala, ki s

seboj nosi neskončno število stanj. Zajemanje analognega signala nam omogoča analogni

vmesnik. Sestavlja ga A/D pretvornik, ki pretvori analogni signal v digitalnega. Tako

analogni signal iz naprave pripeljemo na analogni vhodni kanal AI01 modula, kjer se

analogni signal obdela s pomočjo A/D pretvorbe v digitalno obliko signala. CPE dobljeno

obliko signala zna interpretirati, saj CPE pozna samo dve logični stanji ˝0˝ in ˝1˝. Zato tak

signal imenujemo digitalni signal. Digitalni signal s katerim želimo krmiliti napravo, ki

ima možnost krmiljenja samo z analognim zveznim signalom, pa CPE najprej obravnava

kot digitalni signal in ga nato pretvori ter obdela s pomočjo D/A pretvornika v analogni

signal. Preko izhodne enote, npr. AO02 (Slika 15), ga prenese napravi, ki je priključena na

določen izhodni kanal analognega vhodno-izhodnega modula. Vhodni analogni signal

lahko pripeljemo na vhodne sponke kot napetosti vir (0 V do 10 V) ali kot tokovni vir (4

mA do 20 mA).

Blokovna shema analognega vhodno-izhodnega modula prikazuje sestavo in možnosti

priključitve različnih naprav. Modul ima na voljo štiri analogne vhodne priključne sponke

(AI - analog input) in dve analogni izhodni priključni sponki (AO analog output). [14]

1 AI0 analog input oz. analogni vhod številka 0

2 AO0 analog output oz. analogni izhod številka 0

20

Slika 15: Blok diagram analogno vhodno-izhodnega modula

5.4 Digitalni vhodno-izhodni modul DI24/DO16

Digitalni vhodno-izhodni modul (Slika 16) omogoča neposredno povezavo in prenos

podatkov med CPE ter priključnimi sponkami digitalnega vhodno-izhodnega vmesnika.

Nanj so priključene različne naprave, ki s pomočjo digitalnih signalov komunicirajo s CPE.

Kot sem že v prejšnjem poglavju (5.3) omenil, digitalni signal zajema samo dve logični

stanji, ˝0˝ pomeni izklopljeno in ˝1˝ vklopljeno. Digitalni izhodni vmesnik se uporablja kot

stikalni izhod, za vklop večjih moči pa ga nadgradimo z močnostnim relejem. Digitalni

vhodni vmesnik sprejema digitalne signale oz. informacije od naprav na katerih so

nameščena različna tipala, stikala in senzorji, ki poročajo o stanju naprave v določenem

trenutku. Tako se PLK v odvisnosti od uporabniškega programa in vhodnih spremenljivk

na te odziva ter aktivira ustrezne analogne ali digitalne izhodne priključne sponke. Tako

vpliva na delovanje naprave. [14]

21

Slika 16: Blok diagram digitalnega vhodno-izhodnega modula

Predenj preidemo na naslednje poglavje je pomembno, da poznamo sestavo oznak vhodno-

izhodnih priključnih sponk. Imajo ključni pomen, saj se uporabljajo pri definiranju

spremenljivk v programskem algoritmu ter kam priključiti posamezni signal. Oznake

(Slika 17) so sestavljene iz treh zlogov, in sicer:

- identifikacijski naslov, nam pove kakšen tip vhodno-izhodne sponke uporabljamo

(digitalni, analogni itd.),

- bitni naslov zloga nam pove kateri, zlog sponk uporabljamo (od 0 do 3 in od 0 do

1) in

- bitni naslov, ki nam pove, katero priključno sponko uporabljamo na modulu (od 0

do 7).

Oznaka (I input) izvira iz angleškega jezika in pomeni vhod (Slika 17). Označuje vhodne

sponke, preko katerih vhodni signali iz naprav dostopajo do vhodnih registrov v CPE

modula. Oznaka (Q output) prav tako izvira iz angleškega jezika in pomeni izhod.

Predstavlja izhodne sponke, preko katerih vplivamo na delovanje naprave. [14]

22

Slika 17: Sestava vhodno izhodnega naslova modula

6 OPIS PROGRAMSKE OPREME SIMATIC

6.1 Opis programske opreme Siemens SIMATIC step 7

Siemens SIMATIC STEP 7 je osnovna programska oprema, ki je standardizirano orodje,

za programiranje industrijskih krmilnikov proizvajalca Siemens. To programsko okolje je

namenjeno izključno za Siemens SIMATIC S7, SIMATIC C7 in SIMATIC WinAC

sisteme avtomatizacije. Uporabniku omogoča, da uporabi storilne zmogljivosti teh

sistemov enostavno in udobno. Programsko okolje STEP 7 vsebuje številne funkcije, ki

omogočajo reševanje problemov, v posamezni fazi projektiranja avtomatizacije:

- konfiguracija in nastavljanje parametrov strojne opreme,

- določanje vrste komunikacije,

- programiranje,

- test in zagon,

- dokumentacija,

- arhiviranje,

- diagnostika funkcij. [2]

Glavni grafični vmesnik pri STEP 7 je SIMATIC Manager. Sestavljen je iz več

programov, ki imajo vsak svojo funkcijo pri izdelavi procesa avtomatizacije. Kadar želimo

delati s posameznim delom programa, ta aktivira potrebno orodje za delo z njim. Naloga

SIMATIC Managerja je zbrati vse podatke iz posameznih aplikacij na enem mestu.

Podatki znotraj projekta so razdeljeni glede na vrsto in funkcijo. Predstavljeni so kot bloki.

[2]

23

Glavne začetne programske funkcije za izdelavo programskega algoritma, ki jih vsebuje

SIMATIC Manager so:

Urejevalnik simbolov:

Urejevalnik simbolov je funkcija, v katero vnesemo vse oznake in imena parametrov, ki jih

bomo potrebovali za izdelavo programa. Oznake označujejo vhodne in izhodne

podatkovne sponke krmilnika podatkovne baze, kjer hranimo različne podatke navidezne

notranje programske funkcije, kot so npr. markerji, funkcijski bloki, zastavice itd. Tako

dobimo simbolno tabelo, ki se povezuje z orodjem za izdelovanje programskega algoritma.

Zato ni potrebno iskati oznak posamezne funkcije po tabeli. Če potrebujemo oznako za

določen izhodni parameter, enostavno vnesemo črko Q in program bo sam ponudil tabelo z

izborom Q oznak, ki smo jih predhodno vnesli v simbolno tabelo.[2]

Konfiguracija strojne opreme:

Programsko orodje za konfiguracijo strojne opreme se uporablja za konfiguracijo in

nastavljanje parametrov strojne opreme, ki jo uporabimo pri projektu avtomatizacije.

Ponuja nam tudi naslednje funkcije:

- konfiguracijo podnožja za pritrditev in povezavo modularnega sistema

avtomatizacije, ki jih imamo na voljo v elektronski knjižnici,

- izbiro napajalnega modula,

- izbiro CPE (centralno procesna enota),

- izbiro I/O modula (vhodno/izhodnega modula), ki je lahko analogni ali digitalni, in

ga izberemo iz programske knjižnice,

- dodatni funkcijski modul (števec, časovnik, komunikacijski modul itd.). [2]

Konfiguracija komunikacije:

Model krmilnika Siemens SIMATIC S7-300 ponuja več vrst komunikacij preko katerih

lahko dostopamo do programskega pomnilnika, to so: PROFIBUS, PROFINET, PTP

(point to point povezava) in MPI. MPI komunikacija se uporablja predvsem za povezavo

od krmilnika do osebnega računalnika. Namenjena je prenosu programa iz osebnega

računalnika v pomnilnik krmilnika. PROFIBUS je namenjen za komunikacijo med

24

avtomatizacijskimi sistemi in perifernimi enotami. Vsestransko odprtost PROFIBUS

komunikaciji zagotavljajo mednarodno priznani standardi EIA RS485, EN50170 in EN

50254. [2]

Programiranje s SIMATIC Step 7:

STEP 7 programski jezik ima celovit nabor ukazov. Omogoča tudi programiranje

kompleksnih funkcij, saj programski paket vsebuje že vnaprej pripravljene v knjižnicah,

zato je programiranje hitrejše in poenostavljeno.

Izdelava programskega algoritma poteka na ločeni napravi za programiranje oz. na

osebnem računalniku. Poteka lahko na dva načina:

- direktni vnos programa v centralno enoto (on-line programiranje) in

- programiranje pomnilnega modula v programirljivi napravi, brez povezave z

avtomatizirano napravo. Pomnilni modul se naknadno vstavi v centralno enoto (off-line

programiranje). [2]

Programski jezik STEP 7 nam omogoča kreiranje aplikativnih programov s tremi

programskimi metodami:

- LAD Ladder diagram (Lestvični diagram)

- FBD Function Block Diagram (Funkcijsko blokovni diagram)

- STL Statement List (Nabor ukazov). [2]

Lestvični diagram - LAD

LAD je kratica za lestvični diagram, ki je zelo priljubljen programski jezik PLK

krmilnikov. Je grafična programska metoda, kjer so ukazi predstavljeni s simboli v obliki

stikal in relejev, ki izhajajo iz stikalne tehnike. Ime je dobil zaradi oblike, ki spominja na

lestev, saj je sestavljen iz dveh navpičnic, med katerima je serija stopnic. Vsako stikalo, ki

lahko predstavlja mirovni ali delovni kontakt, predstavlja PLK-ju stanje enega bita.

Lestvični diagram si lahko predstavljamo kot logične povezave med levo stranjo

lestvičnega diagrama. Poteka preko kontaktnih elementov (stikala, tipke) do sprožilnih

elementov (releji, različni indikatorji) in od njih do desne pokončne črte, kar prikazuje

25

Slika 18. Če ta povezava obstaja, dobimo na želenih izhodnih sponkah logične vrednosti v

obliki napetosti, npr. logična ˝0˝ je

0 V in logična ˝1˝ je 24 V. [2]

Slika 18: Primer LAD diagrama

Funkcijsko blokovni diagram - FBD

FBD oz. funkcijsko blokovni diagram je način ali metoda, s katero oblikujemo program s

pomočjo grafičnih simbolov. Vsak simbol predstavlja svojo funkcijo, s katero lahko

izvedemo določeno operacijo. Funkcija posameznega simbola zmore reševati le enostavne

matematične operacije, ni pa zmožna obdelovati zahtevnejših obdelav analognih in

digitalnih signalov. Ta način programiranja je zelo uporaben za reševanje kompleksnejših

logičnih funkcij. Na Sliki 19 je prikazan model kontakta I0.0, ki je programsko izveden z

uporabo ˝IN˝ logične funkcije in izhodna točka Q0.1 za katero je uporabljen blok za

ponazoritev rezultata določene prehodne funkcije. Vse posamezne funkcije so ponazorjene

z uporabo logičnih simbolov Boolove algebre. [2]

Slika 19: Primer FBD diagrama

26

Nabor ukazov – STL

Nabor ukazov STL je programska metoda, pri kateri poteka izdelava programa v pisni

obliki. To pomeni, da nam omogoča pisanje programov, ki optimizirajo čas inštrukcije, in

pomnilniški prostor glede na uporabljeno strojno opremo. Sama struktura programskega

jezika STL je zelo podobna zbirnemu jeziku. Program lahko pišemo v dveh oblikah, to je

inkrementacijsko ali v obliki teksta. Prednost inkrementacijskega načina programiranja je,

da omogoča sprotno preverjanje pravilnega zapisa programske kode. Ukaz je sestavljen iz

operacije in operanda (Slika 19), pri katerem operand označuje označbo operanda in

označbo parametra. Pomemben del programa, kreiranega z metodo STL, je sprotno pisanje

komentarjev, kar urejevalnik omogoča in s tem olajša delo, ko se pomikamo po delih

programske kode. Na Sliki 20 je prikazan simbolni primer kode, ki je napisana po metodi

STL. [2]

Slika 20: Primer STL diagrama

6.2 Struktura programa

Sistemi za avtomatizacijo SIMATIC, katere proizvajalec je podjetje Siemens, proizvaja

celo paleto modelov industrijskih krmilnikov SIMATIC S7-300. Zanje je značilno

kreiranje programa v določenih strukturah, kar pa omogoča dobro preglednost in

obvladovanje programa tudi z malo izkušnjami na področju programiranja PLK-jev.

Struktura programa je zasnovana tako, da ga lahko program pišemo v linearni in strukturni

obliki. To pomeni, če je program linearne oblike, se program izvaja samo v enem bloku

(OB1) in procesor krmilnika izvaja programske funkcije linearno, stavek za stavkom, v

zaporedju, kot smo stavke zapisali.

Strukturno programiranje pa poteka v določeni strukturi, saj se uporablja več blokov. Vsak

posamezen blok se razlikuje od drugega po funkciji, ki jo izvajajo, po pomembnosti oz.

prioriteti in vrsti naloge, ki jo opravljajo. Vsak blok vsebuje posamezni del programa, ki se

povezuje s pomočjo SIMATIC Manager-ja v skupni projekt. [10]

27

SIMATIC S7 300 ponuja sedem različnih tipov blokov:

• Organizacijski bloki (OB – Organization Block) so vmesniki med operacijskim

sistemom CPE in uporabniškim programom. Organizacijskih blokov ni mogoče klicati iz

drugih blokov, ampak jih lahko kliče samo CPE enota, ki se odziva na različne dogodke

ostalih organizacijskih blokov, kot so npr.:

- CPE zagon,

- operacija ob določenem časovnem dnevnem intervalu,

- v stalnih časovnih presledkih,

- ko je določeno obdobje poteklo,

- ko pride do napak,

- če pride do prekinitve strojne opreme. [10]

Grafična predstavitev organizacijskih blokov in njihov namen uporabe na Sliki 21:

Slika 21: Organizacijski bloki in njihove funkcije

Prekinitveni OB-ji

OB-ji napak

28

• Funkcijski bloki (FB – Function Block)

Struktura funkcijskih blokov (FB) je v osnovi razdeljena na dva dela. V enem delu se

izvajajo uporabniško določene funkcije, drugi del pa je namenjen shranjevanju lokalnih

spremenljivk, do katerih lahko dostopamo kasneje tudi iz drugih funkcij. Funkcijski bloki

uporabljajo le programsko dodeljene podatkovne bloke (DB), v katere se shranijo podatki

kot lokalne spremenljivke funkcijskega bloka. Uporaba funkcijskega bloka pa je

namenjena predvsem za programiranje kompleksnejših funkcij in tistim za katere

potrebujemo pomnilniško mesto. [10]

• Podatkovni bloki (DB) se uporabljajo za shranjevanje uporabniških podatkov, ki so na

voljo celotnemu uporabniškemu programu. Podatkovne spremenljivke delimo na dve

osnovni vrsti: lokalne in globalne spremenljivke (podatke uporablja celoten uporabniški

program). Pri podatkih moramo biti pozorni predvsem na to, za kakšen tip podatka gre, saj

se ti med seboj razlikujejo. Na voljo imamo tri tipe:

- osnovni tip podatka:

- bitni BOOL, BYTE, WORD, CHAR, DWORD,

- matematični INT, DINT, REAL,

- časovni S5TIME, TIME, DATE, TIME_OF_DAY,

- kompleksni tip podatka:

- časovni DATE_AND_TIME,

- matrični – ARRAY,

- strukturni – STRUCT,

- znakovni – STRING,

- uporabniško definirani podatkovni tipi:

- UDT (User Defined Data Type uporabniško

definirani podatkovni tip). [10]

• Funkcije (FC) so podobne funkcijskim blokom (FB), vendar ne vsebujejo prostora

rezerviranega za shranjevanje podatkov.

Lastnosti teh funkcij (FC) so:

- ukazi se izvedejo neposredno v glavnem brez vmesnega pomnjenja in zato ne

potrebujemo podatkovnih blokov,

29

- namenjene so predvsem za izvajanje rutinskih funkcij programov. [10]

• Sistemski bloki (SFB, SFC, SDB)

Sistemski bloki vključujejo sistemske funkcije (SFC) in sistemske funkcijske bloke (SFB),

ki so integrirani v CPU. Te blokovne rutine, se lahko uporabljajo samo v uporabniškem

programu. V ta sistem blokov so funkcije že vnaprej vgrajene in imajo vnaprej določene

zaporedne številke ter skupinske kode, zato jih ni mogoče spreminjati. Številni sistemski

bloki so na voljo, da se uporabniku omogoči dostop do storitev CPE-ja in s tem nadzora

nad določenimi funkcijami (konfiguracija omrežja, konfiguracijo modulov itd.).

Sistemski bloki pa vsebujejo tudi podatkovne sistemske bloke (SDB), ki vsebujejo podatke

PLK-ja. Sistemski podatkovni bloki shranjujejo konfiguracijske podatke o strojni opremi

PLK-ja, kot tudi funkcijska orodja za konfiguracijo posameznih modulov in komunikacij.

[10]

6.3 Opis SIMATIC PID regulatorja

6.3.1 Opis osnovnega regulacijskega sistema

Poglavje obravnava najpogosteje uporabljane regulacijske algoritme, njihov vpliv na

delovanje regulacijske zanke ter njihovo načrtovanje. Zaradi boljšega razumevanja

praktičnih problemov, ki nastopajo pri izvedbi regulacije, si oglejmo bločni diagram na

Sliki 22.

Slika 22: Regulacijska proga

30

Nastavljena želena referenčna vrednost se primerja z vrednostjo, ki jo izmerimo na

merilnem mestu. Signal, ki ga dobimo iz tipala na merilnem mestu, je potrebno ojačiti in s

pomočjo pretvornika pretvoriti v ustrezno merljivo veličino. Te so v industriji v obliki toka

(4 mA – 20 mA) ali napetosti (0 10 V). Primerjalni člen primerja želeno in izmerjeno

vrednost. Morebitna odstopanja oz. pogrešek od želene vrednosti pošlje regulatorju, ki

skuša pogrešek korigirati in se v čim krajšem času čim bolj približati želeni vrednosti.

Regulator predstavlja inteligentni del regulacijskega sistema, saj na podlagi razlike med

želeno in pretvorjeno regulirano veličino določa regulirni signal s pomočjo ustreznega

regulacijskega algoritma. Regulator tako preko izvršilnega člena vpliva na proces, ki se

nanj odzove v obliki premika, zasuka ali v kakršnikoli drugi obliki akcije. Ne poznamo pa

regulacijskega sistema, ki ne bi bil pod vplivom različnih motenj. Motnje so največja

težava vsakega snovalca regulacijskih sistemov. Na zgoraj prikazan primer vplivata dve

vrsti motenj, in sicer:

- motnje, ki vplivajo na merilni sistem,

- motnje v izvršilnem sistemu (so motnje na poti med regulatorjem in izvršilnim

členom). [18]

6.3.2 Razdelitev industrijskih regulatorjev

Industrijske regulatorje se uporablja za različne aplikacije. Zato je njihova zgradba in

uporaba medija, katerega regulira, prilagojena posamezni aplikaciji. V osnovi jih ločimo

glede na:

- vrsto energije, ki jo potrebuje za delovanje (električna, pnevmatska, hidravlična),

- vrsto medija, ki jo reguliramo (električni, pnevmatski, hidravlični, mehanski),

- regulatorje brez pomožne energije,

- regulatorje s pomožno energijo. [18]

Regulatorji brez pomožne energije delujejo samostojno, kar pomeni, da izrabljajo energijo

medija, ki ga regulirajo. Energijo medija lahko izrabljajo za izvrševanje funkcij in merjenje

hkrati ali pa samo za merjenje. Odvisno od zahtev posamezne aplikacije. Ta regulator je

31

skupek več funkcij v eni enoti in nima modularne zgradbe. Ima pa dobre kot tudi slabe

lastnosti. [18]

Dobre lastnosti regulatorja brez pomožne energije:

- nizka cena,

- visoka zanesljivost,

- izpolnjuje varnostne zahteve. [18]

Slabe lastnosti regulatorja brez pomožne energije:

- območje signalov je omejeno in neprilagodljivo,

- zelo omejene dinamične lastnosti,

- slabša točnost,

- poseg v zanko ni možen. [18]

Regulatorji s pomožno energijo potrebujejo dodatno oz. pomožno energijo, ki omogoča

njihovo delovanje. Dodatna energija je lahko električna, pnevmatska ali hidravlična. [18]

Dobre lastnosti regulatorja z dodatno energijo:

- širša uporabnost,

- velika točnost,

- omogočena je modularnost in s tem tudi dostopnost v regulirno zanko, itd. [18]

Slabe lastnosti regulatorja z dodatno energijo:

- višja cena,

- potrebna je dodatna energija, itd. [18]

Zaradi preproste uporabe, visoke točnosti regulacije in nizke cene se v industriji

uporabljajo pretežno regulatorji, ki uporabljajo dodatno električno energijo. Le-te

imenujemo električni regulatorji, ki se delijo na analogne in digitalne. [18]

Zgradba analognih regulatorjev je iz elektronskih elementov, ki so povezani v sklope.

Digitalne regulatorje v osnovi prav tako sestavljajo elektronski elementi, ki pa so

nadgrajeni s sodobnimi mikroprocesorskimi komponentami. [18]

32

6.3.3 Razvrstitev industrijskih regulatorjev glede na vrsto reguliranega

signala

Podatek regulatorja, ki nas pogosto zanima, je vrsta reguliranega signala, saj ima

regulirana veličina velik vpliv na dinamične lastnosti regulacijske zanke. Tako regulatorje

razvrstimo na dve skupini, in sicer:

zvezno delujoči regulatorji

Pri teh regulirna veličina lahko zavzame poljubno vrednost znotraj regulirnega območja,

regulacija pa je zelo točna. Zvezne regulatorje delimo glede na dinamične značilnosti, in

sicer na:

- proporcionalne P,

- proporcionalno - integrirne PI,

- proporcionalno - diferencirne PD,

- proporcionalno - integrirno – diferencirne PID. [18]

nezvezno delujoč regulator oz. stopenjsko delujoči regulatorji

Pri teh regulirna veličina lahko zavzame samo dve ali tri različne vrednosti. To sta:

- dvopoložajni (ON – OFF),

- tropoložajni.

mehki regulatorji (fuzzy)

Mehki regulatorji se uporabljajo, ko s klasičnimi regulatorji ne moremo doseči želenih

rezultatov. Za načrtovanje mehkih oz. fuzzy regulatorjev se uporabljajo posebni

uporabniški vmesniki s katerimi načrtujemo aplikacije za mehke regulatorje. [11]

V praksi se uporabljajo pretežno zvezno delujoči industrijski regulatorji. Načrtovanje tega

bo predstavljeno v naslednjem poglavju.

33

6.3.4 Načrtovanje zveznih PID regulatorjev

Načrtovanje zveznega PID regulatorja oz., pri določanju njegovih parametrov, ki so:

ojačanje, čas integriranja in čas diferenciranja, poenostavi njegova že določena strukturna

zgradba. Uporaba metode za določitev nastavitvenih parametrov regulatorja je odvisna od

tega, ali imamo na razpolago procesni model ali ne. Če poznamo ta model, imamo na voljo

več metod, kako priti do potrebnih nastavitvenih parametrov regulatorja, in sicer:

- z uporabo analitičnih metod,

- z uporabo nastavitvenih pravil,

- z uporabo korelacijskih metod,

- z uporabo simulacijskih orodij. [18]

V primeru, da model ni znan pa se poslužujemo izključno eksperimentalnih metod, znanih

kot nastavitvena pravila za določitev parametrov regulatorja. V nadaljevanju se bomo

posluževali predvsem analitične metode nastavitve parametrov regulatorja z uporabo

nastavitvenih pravil, pri katerih bom uporabil idealni PID regulator. Tega pa v praksi ni

mogoče realizirati. [18]

6.3.4.1 Analitični postopki uporabe nastavitvenih pravil

Z uporabo analitičnih postopkov uporabe nastavitvenih pravil dobimo parametre, s

katerimi nastavimo optimalno delovanje PID regulatorja. S tem zmanjšamo izgube, ki bi se

pojavile ob napačni nastavitvi parametrov PID regulatorja. Pri nastavljanju parametrov

PID regulatorja moramo upoštevati tudi parametre kvalitete regulacije, kot so: čas

izravnave, maksimalni prenihaj in čas vzpona. Na voljo imamo več metod o tem kako

pridemo do ustreznih nastavitvenih parametrov PID regulatorja. Te metode so:

- Metoda Ziegler - Nichols,

- Metoda Åsträom - Häagglund,

- Metoda Chien - Hrones - Reswick. [18]

34

Metoda Ziegler - Nichols je ena izmed pogosteje uporabljenih metod za nastavitev

parametrov PID regulatorja. To metodo lahko uporabimo na dva načina, in sicer: z

določitvijo parametrov s pomočjo odziva na stopnico ali z metodo nihajnega preizkusa. Ob

vnosu stopničaste motnje na vhodu sistema se pri obeh metodah na izhodu pojavi prenihaj

s približno 25 % prenihajem, kar prikazuje Slika 23. [18]

Slika 23: Odziv regulacijskega sistema na stopnico s približno 25 % prenihajem

V praktičnem delu diplomske naloge sem za nastavitev parametrov PID regulatorja

uporabil metodo Ziegler - Nichols s pomočjo nihajnega preizkusa. To metodo določitve

parametrov PID regulatorja bom predstavil v naslednjem poglavju diplomske naloge.

6.3.4.2 Metoda Ziegler - Nichols s pomočjo nihajnega preizkusa

Pri metodi Ziegler - Nichols s pomočjo nihajnega preizkusa uporabimo le proporcionalni

del PID regulatorja, kar pomeni, da integracijsko konstanto nastavimo na ,

diferencialno konstanto pa na . Ko sistem deluje pri poljubni vrednosti, nanj

vplivamo z vnosom motnje. Če sistem ostane stabilen, zmanjšamo ali povečamo ojačanje

in ponovno vnesemo motnjo. Ta postopek ponavljamo toliko časa, dokler sistem ne

začne kontinuirano nihati, kot prikazuje Slika 24. [18]

i(t)

t

35

Slika 24: Kontinuirano nihanje sistem

Ojačanju, pri katerem sistem zaniha, pravimo kritično ojačanje in ga označujemo s . Iz

odziva, ki smo ga posneli, določimo periodo nihanja . Ko imamo ta dva podatka, lahko

na podlagi priporočil za nastavitev parametrov PID regulatorja (Tabela 1) izračunamo

potrebne parametre za nastavitev PID regulatorja. [18]

Tabela 1: Nastavitev parametrov z nihajnim preizkusom

Vrsta regulatorja P PI PID

0.5* 0.45* 0.6*

∞ 0.83* 0.5*

0 0 0.125*

Za tako nastavljen PID regulator dobimo prenosno funkcijo (1.2), ki ima naslednjo obliko:

(1.2)

PID regulator, s tako nastavljenimi parametri, ima en pol v koordinatnem izhodišču in

dvojno ničlo pri:

(1.3)

t

i(t)

36

6.3.4.3 Metoda Ziegler - Nichols s pomočjo odziva na stopnico

Pri metodi Ziegler - Nichols s pomočjo odziva na stopnico uporabimo le proporcionalni del

PID regulatorja. Ker morajo biti pri tej metodi proporcionalni sistemi nekoliko dušeni nad

kritično mejo je ta metoda primerna predvsem za odprto zančne sisteme, ki pa jih je

potrebno vzbujati s stopnico in meriti njihov odziv, kar prikazuje Slika 25. [18]

Slika 25: Merjenje odziva procesa na vzbujanje s stopnico

Iz odziva procesa izračunamo ojačanje procesa K (1.4). To storimo tako, da spremembo

izhodnega stanja Δ delimo s spremembo vhodnega stanja Δu. [18]

(1.4)

V naslednji točki je potrebno delovanje regulatorja nastaviti na ročno delovanje. Proces

vzbujamo s stopnico in opazujemo odziv regulatorja nanjo. Posneto karakteristiko

uporabimo za določitev dveh časovnih parametrov. [18]

Slika 26: Odziv proporcionalnega procesa

37

Za določitev časovnih parametrov, kot sta čas izravnave in čas zaostajanja , je

potrebno narisati tangento, kot prikazuje Slika 26. Vrednosti odčitamo na točkah, kjer

tangenta seka časovno os t in premico ( .). Ti točki sta čas zaostajanja in

čas izravnave . [18]

Na podlagi priporočil za nastavitev parametrov PID regulatorja po metodi Ziegler in

Nichols je na voljo spodnja tabela 2. [18]

Tabela 2: Nastavitev parametrov PID regulatorja po metodi Ziegler-Nichols s pomočjo

odziva procesa na stopnico

Vrsta regulatorja P PI PID

∞ 3.3 * 2 *

0 0 0.5 *

Za tako nastavljen PID regulator dobimo prenosno funkcijo (1.5), ki ima naslednjo obliko:

(1.5)

PID regulator s tako nastavljenimi parametri ima en pol v koordinatnem izhodišču in

dvojno ničlo pri:

(1.6)

Sedaj, ko poznamo načine uporabe nastavitvenih pravil z uporabo metode Ziegler -

Nichols z vidika teorije, bom prešel na naslednje poglavje (6.3.5), ki se bistveno bolj

38

navezuje na praktični del diplomske naloge. V nadaljevanju bom predstavil kako realizirati

PID regulator s pomočjo programske opreme SIMATIC Step 7.

6.3.5 Struktura programske opreme Step 7 SIMATIC PID regulatorja

V podjetju Siemens so razvili programsko orodje, ki omogoča izvajanje regulacij z

uporabo programsko kreiranega PID regulatorja. Programsko orodje je del programskega

paketa SIMATIC Manager, ki se ponaša s knjižnico, ki vsebuje že vnaprej programirane

funkcijske bloke za izvedbo PID regulacije. Knjižnica z imenom ˝Standard PID Control

Blocks˝ vsebuje pet funkcijskih blokov (FB): FB41, FB42, FB43, FB58, FB59 in njim

pripadajoče podatkovne bloke (DB). [15]

Slika 27 prikazuje knjižnico ˝Standard Library˝, znotraj katere najdemo knjižnico z

imenom ˝PID Control Blocks˝ in vse potrebne funkcijske bloke za izvedbo PID regulacije.

Slika 27: Knjižnica funkcijskih blokov PID regulatorja

Opisi funkcijskih blokov za izvedbo PID regulacije so navedeni pri posameznem bloku.

FB 41 “CONT_C”:

Funkcijski blok ima funkcijo neprekinjenega nadzora, ki se uporablja za nadzor tehničnih

postopkov. Izvaja jih s pomočjo vhodnih in izhodnih spremenljivk. S tem funkcijskim

blokom določimo, kakšen PID regulator bomo uporabili, in sicer:

- PID regulator s fiksno nastavljenimi vrednostmi,

- PID regulator kot kaskadni regulator. [15]

39

Funkcije regulatorja temeljijo na algoritmu PID regulatorja oz. algoritmu vzorčenja z

analognim signalom. Če je potrebno, lahko regulator razširimo z vključitvijo generatorja

impulzov, ki se nahaja v funkcijskem bloku FB 43. Funkcijski blok FB 41 se uporablja

predvsem za krmiljenje proporcionalnih aktuatorjev. [15]

FB 42 “CONT_S”:

Funkcijski blok FB 42 ima funkcijo krmilnika koraka, ki se uporablja za nadzor tehničnih

postopkov, ki jih izvaja s pomočjo digitalnih izhodnih spremenljivk. S tem funkcijskim

blokom določimo, kakšen PI regulator bomo uporabili in sicer:

- PI regulator s fiksno nastavljenimi vrednostmi,

- PI regulator kot kaskadni regulator. [15]

Funkcije regulatorja temeljijo na algoritmu PI regulatorja oz. algoritmu vzorčenja.

Dopolnjujejo ga funkcije za generiranje binarnih izhodnih signalov, ki jih dobimo iz

analognih prožilnih signalov. Regulator se lahko uporablja samo kot sekundarni regulator,

npr. v kaskadnem regulatorju. [15]

FB 43 “PULSEGEN”:

Pulzni generator se uporablja v strukturi PID regulatorja z impulznim izhodom za

proporcionalnih pogone. Funkcija se običajno uporablja v povezavi s funkcijskim blokom

FB 41 CONT_C. [15]

FB 58 “ TCONT_CP” in FB 59 “ TCONT_S”

Funkcijska bloka FB 58 in FB 59 se uporabljata za nadzor temperature v procesih z

neprekinjenim ali impulznim kontrolnim signalom. Funkcija funkcijskega bloka FB58

temelji na PID algoritmu, z dodatnimi funkcijami za nadzor temperature v procesih. Pri

funkcijskem bloku FB 59 pa funkcija temelji na algoritmu PI regulatorja. Uporablja se

lahko samo za ogrevanje ali zgolj za hlajenje. [15]

Sedaj, ko sem spoznal teoretične osnove delovanja različnih naprav, ki jih bom potreboval

pri praktični izvedbi, se lahko poslužim praktičnega reševanja problema, ki sem ga

predstavil skozi teoretični del diplomske naloge.

40

7 IMPLEMENTACIJA KRMILJENJA PNEVMATSKEGA

BLAŽILCA SUNKOV NA PRAKTIČNEM PRIMERU

Pri oblikovanju in izvedbi praktičnega dela sem se naslonil na zgoraj opisane teoretične

osnove ter izkušnje, ki sem jih pridobil pri dosedanjem izobraževanju in delu. Praktični del

sem tako zasnoval doma, na Fakulteti za elektrotehniko, računalništvo in informatiko in v

podjetju Ledinek Enginnering d.o.o., kjer sem se poslužil tudi uporabe podpornih ustnih

virov mentorja v podjetju.

Pri praktični izvedbi programa sem zraven opreme, ki so mi jo zagotovili v podjetju, in

splošnih orodij za oblikovanje besedil, uporabljal tudi naslednja programska orodja:

a) Siemens Simatic step7

b) Festo Didactic

c) Festo draw

d) ibaPDA client

e) MATLAB

f) Autodesk autocad electrical 2013

g) SIMATIC WinCC flexible

Pred začetkom izdelave krmilnega programa za PLK s katerim krmilim pnevmatski

blažilnik sunkov, sem v poglavju 7.1 najprej izračunal maso in kinetično energijo

obdelovanca pri določeni hitrosti gibanja. Iz tega sem dobil podatek o velikosti kinetične

energije, ki se sprosti ob trku ob pnevmatski blažilnik sunkov. To energijo pa je potrebno

pretvoriti v mehansko energijo oz. jo absorbirati na ustrezen način.

41

7.1 Izračun mase in energije obdelovanca

Podatki obdelovanca:

v=250m/min=4,16m/s

l=15m

S=220 = 0.022

ρ=470 smreka

a=11cm=0,11m

b=20cm=0,2m

= * = 155,1 kg

– kinetična energija [J]

– masa [kg]

– hitrost [m/s]

V – volumen [ ]

a – višina [m]

b – širina [m]

l – dolžina [m]

S – presek [ ]

ρ – gostota

Za ta primer sem s pomočjo matematičnega orodja MATLAB-Simulink izdelal model

pnevmatskega blažilca sunkov, ki je predstavljen v naslednjem poglavju.

a

b

42

7.2 Model pnevmatskega blažilnika sunkov:

Z modelom pnevmatskega blažilca sunkov sem ponazoril delovanje le tega. Tako lahko

opazujemo odzive spremenljivk, ki nastopajo v samem blažilcu sunkov (Slika 28) in kaj se

z njimi dogaja pred, ob in po trku obdelovanca ob pnevmatski blažilnik sunkov. Iz sheme

na Sliki 28 sem izpeljal enačbo, ki opisuje pnevmatski cilinder in njegovo obnašanje ob

trku obdelovanca.

Slika 28: model pnevmatskega cilindra

– sila trenja [N]

f – koeficient trenja

X – pomik [m]

ΔX – sprememba pomika [m]

ΔV – sprememba volumna [ ]

– tlak cilindra [Pa]

– tlak atmosfere [Pa[

– volumen cilindra [ ]

– nasprotujoča sila sili obdelovanca [N]

– masa [kg]

43

A – ploščina batnice [ ]

Izpeljava enačbe za model cilindra:

1. t=0;

2.

3.

4.

– volumen cilindra v iztegnjenem položaju [ ]

A – ploščina batnice [ ]

t – čas [s]

Izpeljano enačbo 3 sem vstavil v nastavek enačbe 4. S tem sem realiziral simulacijsko

shemo delovanja pnevmatskega blažilca sunkov na Sliki 29, s programskim orodjem

MATLAB Simulink. Simulink vsebuje različne matematične operacije, ki so vgrajene v

posamezni funkcijski blok (Slika 29). Zgoraj podane in izračunane podatke sem vstavil v

funkcijske bloke na Sliki 29 in pognal simulacijo. Tako sem dobil časovne odzive

posameznih spremenljivk na Sliki 30.

44

Slika 29: Simulacijska blokovna shema

Grafi na Sliki 30 prikazujejo odzive simuliranih spremenljivk. Nastopajo v modelu

pnevmatskega cilindra na Sliki 28, ki je ključni element pnevmatskega blažilca sunkov. S

simulacijo trka obdelovanca ob pnevmatski blažilnik sunkov, želim prikazati delovanje

pnevmatskega blažilnika sunkov in skušati predstaviti, kaj se dogaja v cilindru ob trku

obdelovanca.

Prvi graf na Sliki 30 prikazuje točko označeno z X (Slika 28), ki predstavlja pomik batnice

cilindra ob trku obdelovanca. Drugi graf prikazuje pojemanje hitrosti (v) po trku

obdelovanca v določenem časovnem razmahu (t). Tretji graf ponazarja pojemanje

pospeška (a ali ) v določenem časovnem razmahu (t). Četrti graf prikazuje spremembo

volumna ΔV v cilindru. Delovanje in spremembo sile pa opazujemo na grafu pet. Graf

šest prikazuje obnašanje tlaka v pnevmatskem cilindru.

45

46

Slika 30: Odzivi opazovanih spremenljivk pred, ob in po trku obdelovanca

Sedaj, ko sem s pomočjo simulacije ugotovil, da je delovanje pnevmatskega cilindra

zadovoljivo, sem pričel z izdelavo programskega algoritma za krmiljenje pnevmatskega

blažilnika sunkov. Pisanje programskega algoritma je predstavljeno v poglavju 7.3 in 7.4.

7.3 Opis izdelave programskega algoritma za PLK

Izdelava programa v osnovi poteka v štirih fazah. Prva faza je programska sestava PLK

krmilnika z ustreznimi perifernimi moduli, ki jih vidimo na Sliki 31.

1

2

3

4

5

6

47

Slika 31: Strojna oprema

Druga faza je kreiranje ustreznih funkcijskih in podatkovnih blokov. V mojem primeru so

to FC10 in bloki iz knjižnice za PID regulacijo Sliki 32, ki so že v naprej integrirani v

programskem orodju SIMATIC step 7.

Slika 32: Funkcijski bloki programa

Tretja faza je izdelava simbolne tabele, ki jo vidimo na Sliki 33, v katero vpišemo imena

vhodnih in izhodnih spremenljivk, ki jih bomo uporabili v programu. Glavni vhodni

spremenljivki sta povratna informacija tlaka iz tlačnega regulatorja z oznako naslova PIW

104 in informacija o položaju obdelovanca z naslovom I0.0. Izhodni spremenljivki pa sta

PQW 100 in MD 10.

48

Slika 33: Simbolna tabela

V četrti fazi se prične pisanje krmilnega algoritma, s katerim bom krmilil pnevmatski

blažilnik sunkov.

7.3.1 PLK algoritem za krmiljenje pnevmatskega blažilca sunkov

Glavni program je shranjen v funkcijskem bloku FC10. Pri izdelavi programa sem se

odločil za programiranje z uporabo lestvičastega diagrama LAD. Program je razdeljen na

˝network-e˝, kar nam omogoča boljšo preglednost. V vsakem ˝network-u˝ je sproti dodan

komentar ali naslov, kar omogoča takojšnjo informacijo o vsebini posameznega ˝network-

a˝. Prednost takšne strukture programa je lažje pomikanje od točke do točke programa, še

posebej, če je program obširnejši. Algoritem, s katerim krmilim pnevmatski blažilnik

sunkov, je sestavljen iz več vrstic. Ker diplomsko nalogo opravljam v podjetju Ledinek

Engineering d.o.o. in gre pri tem za njihovo poslovno lastnino, bom predstavil le določene

dele algoritma.

49

Ko sem nastavil in povezal vso potrebno opremo s PLK, sem lahko pričel s pisanjem

algoritma. Pomembno se mi je zdelo, da omenim skaliranje vhodne in izhodne

spremenljivke na Sliki 34 in 35. Skaliranje vhodne spremenljivke (Slika 34) je potrebno,

zaradi signala, ki ima binarno obliko. Potrebno ga je pretvoriti v obliko, ki je enostavna za

obdelavo in nam enostavno razumljiva. Vhodna spremenljivka predstavlja povratno

informacijo o izhodnem tlaku, ki ga merimo s tlačnim senzorjem, vgrajenim v

pnevmatskem regulatorju. Območje je predstavljeno v obliki 0 % do 100 %, kar pomeni,

da je 0 barov 0 %, 1,2 bara 20 %, 6 barov pa predstavlja 100 %.

Slika 34: Skaliranje vhodne spremenljivke

Izhodno spremenljivko (Slika 35) sem skaliral zaradi uporabljenega analognega izhoda v

obliki toka. Tokovno območje obsega območje od 4 mA do 20 mA, zato sem, zaradi

lažjega dela, območje preskaliral na tokovno območje od 0 mA do 20 mA. Tokovno

vrednost pa sem, zaradi lažje interpretacije, preskaliral na območje vrednosti od 0 % do

100 %. Območje predstavlja odprtost pnevmatskega regulatorja, kar pomeni, da je pri 0 %

regulator zaprt, pri 100 % pa popolnoma odprt.

50

Slika 35: Skaliranje izhodne spremenljivke

Glavni člen krmiljenja pnevmatskega regulatorja je PID regulator, ki je v obliki blokovne

sheme predstavljen na Sliki 36. PID regulator je omogočil regulacijo želenega tlaka na

izhodu pnevmatskega regulatorja. Za delovanje PID regulatorja je potrebno določiti

parametre PID regulatorja. Določijo se lahko na različne načine in z uporabo različnih

metod. Določitve PID parametrov sem se lotil v naslednjem poglavju 7.3.2.

51

Slika 36: PID regulator

7.3.2 Določitev in izračun parametrov PID regulatorja

Za določitev PID parametrov regulatorja sem uporabil metodo Ziegler - Nichols s pomočjo

nihajnega preizkusa, s katero sem prišel do ustreznih PID parametrov. Metoda Ziegler -

Nichols s pomočjo nihajnega preizkusa priporoča uporabo pravil, ki jih najdemo v Tabeli

3.

Tabela 3: PID parametri [17]

Vrsta regulatorja P PI PID

0.5* 0.45* 0.6*

∞ 0.83* 0.5*

0 0 0.125*

Uporaba metode Ziegler - Nichols s pomočjo nihajnega preizkusa poteka v štirih korakih.

52

V prvem koraku sem določil periodo nihanja in kritično ojačanje . Določil sem ju

s pomočjo programskega paketa ibaPDA client, ki omogoča spremljanje in obdelavo

signalov. Določitev periode nihanja in kritičnega ojačanja zahteva, da sistem

zaniha. To sem storil v drugem koraku tako, da sem v integracijski del ( ) vnesel vrednost

ena, v diferencialni del ( ) pa vrednost nič. V tretjem koraku sem ojačanje

proporcionalnega dela (P) povečeval tako dolgo, dokler sistem ni kontinuirano nihal (Slika

37). Vrednost ojačanja pri kateri je sistem zanihal, imenujemo kritično ojačanje . Iz

dobljenega signala na Sliki 37 pa sem odčital periodo nihanja . S tema dvema

parametroma lahko sedaj na podlagi nastavitvenih pravil (Tabela 3) izračunamo potrebne

parametre za nastavitev PID regulatorja.

Slika 37: Nihanje PID regulatorja pri

V četrtem koraku sem s pomočjo nastavitvenih pravil določil parametre PID regulatorja.

To sem storil na naslednji način:

;

P = = 0,6* = 0,6*3,2 = 1,92

I = = 0,5* = 0,5*O,507 = 0,2535s

D = = 0,125* = 0,125*0,507 = 0,063375s

53

Dobljene podatke sem vstavil v PID regulator in dobil odziv na stopnico na Sliki 38.

Slika 38: Odziv PID regulatorja s pravilno nastavljenimi parametri

Tako sem pridobil vse potrebne podatke za nastavitev posameznih komponent

pnevmatskega blažilnika sunkov. Sedaj lahko združim vse v celoto oz. v aplikacijo za

pnevmatsko blaženje sunkov.

Naslednje poglavje predstavlja grafično aplikacijo za pnevmatsko blaženje sunkov na Sliki

39 in 40. Aplikacijo sem realiziral grafično s pomočjo programskega paketa SIMATIC

WinCC flexible ter jo integriral v že obstoječ program, ki se nahaja v SIMATIC

operacijskemu panelu (Slika 39 in 40).

54

7.3.3 Izdelava grafičnega vmesnika pnevmatskega blažilnika sunkov

Kot zadnje poglavje diplomske naloge bom predstavil grafično aplikacijo, katere namen je

krmiljenje pnevmatskega blažilnika sunkov.

Na Sliki 39 je prikazan uporabniški grafični vmesnik, preko katerega poteka interakcija

med strojem in njegovim operaterjem. Trenutni pogled na operacijski zaslon na Sliki 39

prikazuje grafični vmesnik za vnos podatkov obdelovanca (presek in dolžina). Okenci za

vnos podatkov obdelovanca na Sliki 39 sta povezani s programskim algoritmom. Ta pa se

povezuje z integriranimi enačbami za izračun mase, kinetične energije, sile in enačbo za

določitev ustreznega tlaka v pnevmatskem cilindru. Preko njih proporcionalni pnevmatski

regulator nastavi potreben tlak za ublažitev sunka, katerega povzroči obdelovanec ob trku

ob pnevmatski blažilec sunkov.

Slika 39: Vnos podatkov obdelovanca

Grafični vmesnik na Sliki 40 prikazuje polja za vnos parametrov PID regulatorja.

Namenjen je za korekcijo delovanja PID regulatorja, če bi morda prišlo do odstopanj v

delovanju.

Dolžina

obdelovanca

Presek

obdelovanca

Pomik po meniju

(naprej-nazaj) Pomik v

glavni meni

55

Slika 40: Grafični vmesnik za vnos parametrov regulatorja

Z nastavitvijo vseh zgoraj omenjenih parametrov sem nastavil pnevmatski blažilnik sunkov

na optimalno delovanje. Tako se bo z zagonom stroja avtomatsko nastavil tudi tlak v

cilindru blažilnika sunkov v odvisnosti od mer obdelovanca. Pnevmatski blažilnik sunkov

sem preizkusil in primerjal rezultate z rezultati simulacije. Zame naj pomembnejši podatek

je pomik (X) na Sliki 28. V primeru prenizko nastavljenega tlaka v cilindru lahko pride do

poškodb na konstrukciji blažilnika ali obdelovanca. Na Sliki 41 je prikazana simulacija

pomika ob vstavljenih podatkih obdelovanca in določeni hitrosti gibanja. Obdelovanec se

je ustavil pri točki, ki je oddaljena 0,03m od želene točke. Do te razlike je prišlo, ker sem v

simulacijo vstavil koeficient trenja ( ), ki pa je zgolj približne vrednosti.

Podatki simulacije: m = 50 kg; v = 1 m/s; = 700

Slika 41: Prikaz pomika cilindra pred, ob in po trku obdelovanca

Polja za vnos

parametrov

regulatorja

56

Pri izvedbi praktičnega preizkusa sem to opravil s pomočjo valjčne transportne linije,

katere hitrost sem spreminjal s pomočjo frekvenčnega pretvornika. Tako sem opravil pet

preizkusov trkov obdelovanca ob pnevmatski blažilnik sunkov. Obdelovanec je pri vsakem

poizkusu imel drugačno maso in hitrost gibanja (Tabela 4). Glavni opazovan parameter pri

praktičnem preizkusu je bil pomik cilindra (X) ob trku obdelovanca vanj. S preizkusom

sem prišel do naslednjih rezultatov v Tabeli 4.

Tabela 4: Rezultati meritev

št. tlak [bar] masa

[kg]

hitrost

[m/s]

(praktični preizkus)

odstopanje od želene

točke ustavitve

obdelovanca (X) [m]

(simulacija)

odstopanje od želene

točke ustavitve

obdelovanca (X) [m]

1 0,495 30 0,5 0,025 0,05

2 0,81 50 1 0,012 0,035

3 1,12 70 2 0 0,03

4 1,59 90 3 0 0,02

5 2,13 100 4 0 0,01

Kot vidimo pride do odstopanj v želeni končni legi med simulacijo in praktičnim

preizkusom. Do tega pride, ker v simulaciji ni podan točni parameter trenja. Z rezultati

praktičnega preizkusa pa sem zadovoljen, saj so celo nekoliko nad mejo mojih pričakovanj

o delovanju pnevmatskega blažilnika. Seveda pa bo čas pokazal učinkovitost moje izvedbe

blaženja sunkov s pomočjo avtomatiziranega pnevmatskega blažilnika sunkov.

Moj namen je, da problem blaženja sunkov še nadalje proučujem in raziskujem ter

odkrijem izboljšave v delovanju pnevmatskega blažilnika sunkov, ker na svetu ni stvari, ki

se je ne bi dalo nadgraditi in s tem izboljšati.

57

8 ZAKLJUČEK

V času študija sem kot kadrovski štipendist del časa preživel na praktičnem

izpopolnjevanju v podjetju Ledinek Engineering d.o.o. Ob tem sem se večkrat srečal s

težavami, ki nastajajo pri delovanju strojev v podjetju. Predhodno sem že prispeval svoj

del, s svojo izboljšavo, in sicer s posodobitvijo varnosti strojev s pomočjo evropskega

standarda. Tokratni izziv pa je bil usmerjen v izboljšavo učinkovitosti proizvodnih linij.

Nad mojo idejno zasnovo so bili navdušeni vsi, tako vodstvo podjetja kot tudi delavci.

Skupaj s projektanti strojne in elektro opreme smo najprej izmenjali svoje ideje, izkušnje in

videnja ter zasnovali osnove nadaljnjega dela. Za začetek je bilo potrebno zbrati material,

tako teoretični kot praktični. Skozi znanja, ki sem jih pridobil v času študija in dela, sem

sprva praktično preizkušal zamišljeno delovanje pnevmatskega blažilca sunkov. Pri

praktičnem delu sem aktivno sodeloval z mentorjem in ostalimi zaposlenimi v podjetju, pri

teoretičnem delu pa z mentorjem na fakulteti. Skupno sodelovanje je obrodilo zastavljene

cilje. Glavni del je program, ki sem ga oblikoval s pomočjo programskega orodja Siemens

SIMATIC Manager. Oblikovan in napisan je tako, da se uporablja izključno za krmiljenje

pnevmatskega blažilca sunkov na lesnoobdelovalnih linijah v podjetju Ledinek

Engineering d.o.o. Pnevmatski blažilec sunkov je sprva bil na linijah zasnovan tako, da je

služil za določeno hitrost in maso lesa. Krmilil se je analogno, z ročnim nastavljanjem

želene vrednosti. Nastavil jo je delavec, glede na energijo, ki se je ustvarila ob trku ob

blažilnik. Pri tem je prihajalo do poškodb na konstrukciji samega blažilnika, saj je ročno

nastavljena vrednost bila približna. Zaradi odstopanj je prišlo tudi do odboja in nepravilne

lega lesa ter posledično tudi do zaustavitve celotne proizvodnje linije. Slabost je bila tudi

ta, da je delavec v primeru težav na lesnoobdelovalni liniji, ki so jih povzročali blažilci

sunkov, moral zapustiti svojo pozicijo, odpraviti napako in se ponovno vrniti na prvotno

pozicijo. To je, poleg nepotrebnega dodatnega dela, lahko predstavljalo tudi nevarnost.

Zaradi navedenega, same konstrukcije blažilcev sunkov, ki so sicer dobro konstrukcijsko

zasnovani, nisem spreminjal. Lotil sem se regulacije v smeri izboljšave in odprave zgoraj

navedenih pomanjkljivosti. Izvedel sem zamenjavo ročnega regulatorja tlaka, in sicer tako,

da sem ga nadomestil z električno krmiljenim regulatorjem tlaka. Oblikoval sem električno

shemo za priključitev regulatorja na krmilnik, kar pa je zahtevalo oblikovanje

programskega algoritma za ustrezno delovanje regulatorja. Navedeno sem preizkusil v

58

praksi, s testiranjem in na osnovi pridobljenih rezultatov dobil smernice, kako uporabiti

matematično orodje za izračun ustreznih parametrov PID regulatorja. Izračunane vrednosti

sem vnesel v PID regulator, ki je želeno izračunano vrednost pretvoril v želeno izhodno

vrednost, ki je potrebna za ublažitev sunka, glede na določeno hitrost in maso lesa. Tako je

bil k proizvodnji liniji dodan električno krmiljen regulator tlaka, ki je krmiljen s

krmilnikom. Dodatno je tudi oblikovana nova programska funkcija, s katero lahko delavec

nadzira delovanje pnevmatskega blažilca sunkov z osnovnega nadzornega sistema,

(prvotne pozicije). S tem so se posledično zmanjšala tudi predhodno omenjena negativna

tveganja.

V prihodnje se bo moja pot nadaljevala z zaposlitvijo v podjetju Ledinek Engineering

d.o.o., tako da sem s to diplomsko nalogo, predvsem pa z vpeljavo omenjenih posodobitev,

zagotovo doprinesel svoj del k razvoju podjetja. Vsekakor pa razmišljam in delam na tem,

da bom s svojimi dodatnimi inovacijskimi posodobitvami, vsekakor vedno nekje viden in s

tem tudi koristen, kar bi moral biti eden izmed življenjskih ciljev vsakega izmed nas.

59

9 VIRI

1. Berger, H. Automating with SIMATIC: Integrated Automation with SIMATIC S7-

300/400. Erlangen: Publicis Publishing, cop. 2009.

2. Berger, H. Automating with STEP 7 in LAD and FBD: SIMATIC S7-300/400.

Erlangen: Publicis Publishing, cop. 2009.

3. Electrorheological fluid http://en.wikipedia.org/wiki/Electrorheologicalfluid

Dostopno [23. 11. 2012].

4. Festo Proporcionalni regulatorji tlaka MPPE/VPPE/MPPES

https://www.festo.com/cat/sl_si/data/docsl/PDF/SI/MPPE-MPPESSI.PDF

Dostopno [27. 11. 2012].

5. Festo Pressure regulators LR/LRS/LRB/LRBS, D series

http://xdki.festo.com/xdki/data/docENGB/PDF/EN/D-REGULATORSEN.PDF

Dostopno [27. 11. 2012].

6. Festo Quick exhaust valves SE/SEU

http://www.festo.com/cat/slsi/data/docengb/PDF/EN/SEUEN.PDF

Dostopno [28. 11. 2012].

7. Hydraulic shock absorbers Review.

http://www.engineersedge.com/hydraulic/hydraulic-shock-absorbers.htm Dostopno

[22. 11. 2012].

8. Hydraulic shock absorbers.

http://www.cdxetextbook.com/steersusp/susp/shocks/hydshock.html

Dostopno [14. 12. 2012].

9. Industrial Shock Absorbers. http://www.enidine.com/Industrial/Industrial-Shock-

Absorbers.html# Dostopno [3. 12. 2012].

10. Jones, C.T. STEP 7 in 7 Steps: A Practical Guide to Implementing S7-300/S7-400,

United State , 2006.

http://books.google.si/books?id=iE_ZTO3P6NMC&pg=PA188&lpg=PA188&dq=SFB

,+SFC,+SDB&source=bl&ots=ASS2YbfKXO&sig=y5u1qldo6AQ5nefnDQD7VdW7r

Nc&hl=sl&sa=X&ei=nMtjUczXJG74ATi4ICIAg&sqi=2&ved=0CDEQ6AEwAA#v=o

nepage&q=SFB%2C%20SFC%2C%20SDB&f=false. Dostopno [9. 2. 2013].

60

11. Mehki (Fuzzy) regulator. http://www.inea.si/fileadmin/inea/inea/Idrfzyusermanual.pdf

Dostopno [14. 4. 2013].

12. Pneumatic cylinder https://en.wikipedia.org/wiki/Pneumaticcylinder

Dostopno [22. 11. 2012].

13. Shock absorber. http://en.wikipedia.org/wiki/Shock_absorber

Dostopno [21. 11. 2012].

14. Siemens S7-300 Automation System Module Data.

http://cache.automation.siemens.com/dnl/Dk/DkyOTk2MQAA8859629HB/s7300mod

uledatamanualen-USen-US.pdf Dostopno [9. 12. 2012].

15. Siemens SIMATIC PID control.

http://cache.automation.siemens.com/dnl/DQ/DQ1MzA5AAAA1137084HB/Stdpide.p

df Dostopno [14. 12. 2012].

16. Siemens SIMATIC Working with STEP

https://www.automation.siemens.com/doconweb/pdf/SINUMERIKSINAMICS022012

E/S7GS.pdf?p=1 Dostopno [9. 12. 2012].

17. Siemens SIMATICS7-300CPU 31xC and CPU 31x: Technical specifications

http://www.automation.siemens.com/doconweb/pdf/SINUMERIKSINAMICS022012E

/S7GH31TD.pdf?p=224 Dostopno [10. 12. 2012].

18. Zupančič, B. Zvezni regulacijski sistemi 1.del., 2. popravljena in dopolnjena izdaja.

Ljubljana: Založba FE in FRI, 2010.

61

62

63