Aktuální vydání

celé číslo

01

2024

Automatizace skladování, logistiky a manipulace s materiálem

Programovatelné automaty, průmyslové počítače, jednotky I/O, bezpečnostní systémy

celé číslo

Řízení sklářského stroje s použitím systémů Simotion a Comes

číslo 3/2006

Řízení sklářského stroje s použitím systémů Simotion a Comes

Společnost Siemens nabízí od počátku roku 2004 nový řídicí systém pro pohony s názvem Simotion, spojující v sobě funkce programovatelných automatů řady Siemens Simatic s funkcemi určenými pro pohony. Inženýrská firma Compas automatizace použila systém Simotion k řízení sklářského řadového stroje na výrobu obalového skla (láhve, sklenice apod.). Zadavatelem projektu byla firma Sklostroj Turnov CZ, výrobce stroje.

Uspořádání a činnost sklářského stroje

Výroba skleněných obalů ve sklářském řadovém stroji (obr. 1, obr. 2) začíná v dávkovači skloviny, do kterého přitéká roztavená sklovina o teplotě asi 1°C. Základními mechanismy dávkovače jsou mechanismus plunžru a mechanismus nůžek. Plunžr vytlačuje otvorem v dávkovači kapku skloviny požadovaného tvaru. Nůžky kapku ustřihnou a ta padá do rozvaděče kapek, který ji zavede do příslušné stanice. Ve stanici kapka spadne do přední formy, v níž je předběžně vytvarována. Vzniklý polotovar je mechanismem obraceče přesunut do konečné formy, v níž výrobek dostane konečný tvar a je ochlazen tak, aby se již nedeformoval. Mechanismus odnímače poté přesune definitivně vytvarovaný výrobek na mechanismus tzv. odstávky, přesouvající konečný výrobek na dopravník, který výrobky odváží k mechanismu přesouvače. Přesouvač přesune výrobky na příčný dopravník odvážející výrobky k zasouvači, který je přesune na dopravník chladicí pece.

Obr. 1.

Obr. 1. Sklářský řadový stroj AL1110-2-2, výrobce Sklostroj Turnov CZ s. r. o.

Pro bližší představu jsou vybrané části sklářského stroje v dalším textu popsány podrobněji.

Dávkovač
Mechanismus dávkovače vytváří kapky skloviny, ze kterých ve stanicích vznikají konečné výrobky (obr. 3).

Dávkovač je tvořen tzv. trychtýřem, do kterého přitéká sklovina z pece. Sklovina je pro zlepšení homogenity promíchávána trubkou otáčející se konstantními otáčkami. S mechanismem obstarávajícím otáčení trubky souvisí mechanismus nastavování její polohy, jehož prostřednictvím lze regulovat hmotnost kapky skloviny (výrobku). Vlastní kapka je vytvářena činností mechanismu plunžru, který protlačuje sklovinu přes otvor ve dnu trychtýře. Pohon plunžru pohybuje jeho mechanismem podle určité trajektorie, tzv. vačky. Tím se vytvoří kapka tvaru odpovídajícího tvaru výsledného výrobku. Vytvořená kapka je po vytlačení plunžrem odstřižena od proudu skloviny nůžkami. Pohon nůžek také pohybuje jejich mechanismem synchronně podle vačky.

Obr. 2.

Obr. 2. Schematický nákres sestavy sklářského stroje (nahoře nárys, dole půdorys)

Mechanismy dávkovače dále obsahují několik pneumatických ventilů určených k blokování chodu mechanismů, mazání apod.

Rozvaděč kapek
Odstřižená kapka padá volným pádem do rozvaděče kapek (obr. 4), předem nastaveného tak, aby kapku dopravil do právě volné stanice k dalšímu zpracování.

Rozvaděč kapek je do správné polohy nastavován natolik výkonným servopohonem, aby stačil přestavět rozvaděč od jedné stanici ke druhé v době, kdy se v dávkovači vytváří kapka. Dále je součástí rozvaděče kapek mechanismus odchylovače kapek, ovládaný pneumatickým válcem. Je-li nutné některou z kapek „nepustit„ do stroje (výměna forem, mazání forem, závada stanice apod.), těsně před dopadem kapky do rozvaděče „vystřelí“ mechanismus odchylovače a kapka padá mimo stroj do odpadu.

Obr. 3.

Obr. 3. Zobrazení dávkovače

Podobně jako v dávkovači je i v rozvaděči kapek několik pneumatických ventilů určených k blokování chodu rozvaděče, k mazání jeho mechanismu apod.

Stanice
Stanice je nejsložitější část stroje, obvykle obsahujícího větší počet stanic (šest, osm i deset). Čím více stanic je ve stroji, tím větší je jeho výrobní kapacita. Ve stanici se z kapky skloviny tvoří konečný výrobek (obr. 5).

Kapka skloviny padá z rozvaděče do přední formy stanice. V přední formě se do kapky skloviny předlisuje dutina a vytvoří se finální tvar ústí konečného výrobku a tzv. předtvar jeho hlavní části. Vzniklý polotovar je z přední formy tzv. obracečem přesunut do konečné formy, v níž se dotvaruje konečný tvar a konečný výrobek se ochladí na určitou teplotu, aby se nebortil. Pak je výrobek přesunut mechanismem odnímače do mechanismu odstávky, kde je dále ochlazen a ve vhodný okamžik přesunut na dopravník tak, aby nedošlo ke srážce výrobku přesouvaného odstávkou s výrobky, které jsou již na dopravníku.

Obr. 4.

Obr. 4. Zobrazení rozvaděče kapek

Stanice, jako nejsložitější část stroje, obsahuje mnoho různých mechanismů obstarávajících otevírání a zavírání forem, přesouvání výrobku, regulaci přívodu chladicího vzduchu k formám atd. Většina mechanismů stanice je ovládána pneumaticky. Výjimkou jsou mechanismy obraceče, odnímače, odstávky a chlazení odstávky, poháněné elektromotory. Mechanismus obraceče a mechanismus odnímače jsou pro tento účel poháněny speciálně vyvinutými servomotory (požadavky na velkou dynamiku – motory jsou troj- až čtyřnásobně přetěžovány, speciální požadavky na mechanické provedení rotoru atd.). Použity jsou také krokové motory, a to k chlazení odstávky a dále k ovládání mechanismu odstávky (zde jsou použity dva krokové motory, které pracují podle vačky a součtem pohybů obou pohonů se dociluje požadovaného pohybu mechanismu odstávky).

Dopravník
Konečné výrobky jsou transportovány s použitím odstávek na dopravník, který výrobky odváží od stroje (obr. 6). Na dopravníku je umístěna také tryska sfukovače, který proudem vzduchu sfukuje poškozené nebo nekvalitní výrobky do odpadu (o sfouknutí výrobku rozhoduje obsluha prostřednictvím ovládacího panelu u každé stanice). Dopravník je také vybaven mechanismem umožňujícím nastavit výšku dopravníku podle velikosti výrobku (je poháněn asynchronním motorem).

Obr. 5.

Obr. 5. Zobrazení stanice

Dopravník pracuje s konstantní rychlostí stanovenou v receptuře výrobku. Je poháněn standardním asynchronním motorem napájeným z měniče frekvence. Tlakový vzduch vpouští do sfukovače ventil ovládaný z řídicího systému.

Přesouvač
Dopravník transportuje výrobky od stroje k přesouvači, jehož úkolem je přenést výrobky z dopravníku na příčný dopravník (obr. 7).

Akční částí mechanismu přesouvače jsou lopatky, které unášejí výrobky. Mechanismus pracuje konstantní rychlostí podle receptury. Obsluha může chod přesouvače zrychlit nebo zpomalit podle aktuální situace. Mechanismus přesouvače je poháněn standardním asynchronním motorem napájeným z měniče frekvence.

Zasouvač
Příčný dopravník odváží výrobky před hrablo zasouvače (obr. 8). Jakmile je před hrablem určitý počet výrobků, mechanismus zasouvače posune hrablo, které přesune výrobky na dopravník chladicí pece (není součástí sestavy sklářského stroje).

Obr. 6.

Obr. 6. Zobrazení dopravníku

Příčný dopravník pracuje s konstantní rychlostí závislou na receptuře. Obsluha dále může za chodu zvětšovat i zmenšovat rychlost příčného dopravníku, přičemž cílem je upravovat rozteč výrobků na dopravníku tak, aby unášecí trny hrabla zasouvače správně zapadaly mezi výrobky. Příčný dopravník a zasouvač jsou poháněny asynchronními motory s měniči frekvence. Mechanismus zasouvače je dále vybaven pneumatickým válcem, který je určen k posouvání hrabla a je z řídicího systému ovládán elektromagnetickým ventilem.

Princip řízení sklářských řadových strojů

Z uvedeného popisu činnosti sklářského stroje je zřejmé, že činnosti jednotlivých mechanismů v rámci výrobního taktu musí na sebe přesně navazovat v určitém sledu. Výrobní takty se nepřetržitě opakují jeden za druhým. Je tedy nutné, aby výrobní takt časově „neujížděl„.

První požadavek na řídicí soustavu sklářského stroje, tj. přesný sled činností jednotlivých mechanismů, lze splnit tak, že chod všech mechanismů se odvozuje od jedné rotační osy (bubnu), tzv. řídicí (master). Řídicí osa se otáčí dokola o 360° stupňů a podle jejího natočení jsou uváděny do chodu jednotlivé mechanismy stroje.

Obr. 7.

Obr. 7. Zobrazení přesouvače

Druhý požadavek, tj. stálá doba trvání výrobního taktu, se splní tím způsobem, že se otáčky řídicí osy udržují konstantní.

„Řídicí systém„ prvních sklářských strojů skutečně takto vypadal. Na stroji byl buben, který se otáčel určitou rychlostí odpovídající době trvání výrobního taktu. Buben byl osazen palci, které ovládaly ventily mechanismů (obr. 9). Jde o princip známý např. z orchestrionu.

Současné řídicí systémy sklářských strojů

Mechanický buben byl z mnoha důvodů postupně nahrazen elektronickými řídicími systémy, které umožňují dosáhnout větší variability sklářského stroje. Princip bubnu s ovládacími palci zůstává, je však převeden do elektronické podoby. V principu jde o generátor pilového signálu (odpovídá změně polohy otáčejícího se bubnu) a velký počet komparátorů, které porovnávají úroveň signálu z generátoru s jeho „požadovanou„ hodnotou, při níž má během výrobního taktu dojít k sepnutí příslušného mechanismu. Požadovanou hodnotu napětí, a tudíž okamžik sepnutí mechanismu může obsluha velmi snadno a pohodlně měnit. Rychlost stroje lze měnit změnou frekvence pilového signálu.

Obr. 8.

Obr. 8. Zobrazení zasouvače

V minulosti měli výrobci sklářských strojů svůj jednoúčelový řídicí systém. S tím ovšem souviselo množství problémů, zejména ekonomických. Jednoúčelový řídicí systém je nutné neustále podporovat vývojem, a protože ho nelze použít univerzálně, nelze ho ani vyrábět ve větších sériích a tím snižovat jeho cenu apod.

V poslední době je na řídicí systém sklářského stroje kladen ještě další, nový požadavek. Některé pneumatické mechanismy jsou nahrazovány mechanismy poháněnými elektromotory, což umožňuje přesněji regulovat pohyb i přesně stanovit samotný profil pohybu mechanismu. Moderní řídicí systém sklářského stroje musí být schopen spolupracovat s elektrickými i pneumatickými pohony a v jeho koncepci musí být vhodně propojeno řízení pneumatických ventilů a pohonů s elektromotory.

Řídicí systém Simotion a řízení sklářských strojů

Systém Simotion v sobě zahrnuje klasický programovatelný automat, použitelný stejně jako standardní řídicí systémy řady Siemens Simatic, který je propojen s řídicími moduly pohonů, vyvinutými na základě zkušeností s měniči frekvence Siemens řady Simodrive, Simovert Masterdrives Vector Control, Simovert Masterdrives Motion control a Micromaster.

Obr. 9.

Obr. 9. Princip řízení sklářského stroje

Řídicí systém Simotion je současně koncipován tak, jak je běžné u výrobků společnosti Siemens, tj. jako distribuovaný včetně napájecích jednotek i vlastních měničů, standardně vybavený rozhraním pro sítě Profibus a Ethernet, s možností připojit standardní vizualizační prvky (např. operátorské panely řady OP, systém WinCC) atd.

Pro programování (obdoba programování ve vývojovém prostředí Step7) i parametrizaci všech součástí systému Simotion společnost Siemens vyvinula prostředí Scout. Toto prostředí pracuje jako komponenta standardního prostředí Step7, takže pokud jsou součástí projektu řídicí systém Simatic i Simotion, je vše potřebné snadno dostupné z prostředí Step7.

Řídicí systém Simotion pracuje s nastavitelnou dobou tzv. interpolačního cyklu (cyklus IPO). V rámci jednoho cyklu IPO se provádí interpolace a regulace polohy všech os (osy mohou být virtuální nebo reálné). V rámci cyklu IPO lze vykonávat tzv. IPO-synchronní úlohu a v jejím rámci určitý uživatelský program. Ve zbytku periody u cyklu IPO se vykonává základní (background) úloha (obdoba OB1 u systémů Simatic), které může také být přiřazen uživatelský program.

Obr. 10.

Obr. 10. Zobrazení vačky pohonu v recepturovém systému

Při porovnání koncepce a principu činnosti řídicího systému Simotion s požadavky na řídicí systém pro řízení sklářského stroje lze říci, že systém Simotion je na řízení sklářského stroje vhodným kandidátem. Otáčející se buben (generátor pilového signálu) je v systému Simotion nahrazen virtuální otáčející se osou. S pohybem této osy jsou následně synchronizovány všechny mechanismy. Ovládacím palcům odpovídají v systému Simotion komparátory, které porovnávají aktuální polohu virtuální osy s požadovaným okamžikem sepnutí nebo rozepnutí daného mechanismu. Toto porovnávání se provádí v každém cyklu IPO, takže je dostatečně přesné. Cyklus IPO zajišťuje i pravidelnost a časovou stálost výrobního taktu stroje.

Jak již bylo zmíněno v úvodu této kapitoly, řídicí systém Simotion v sobě slučuje klasický programovatelný automat s řízením pohonů. Splňuje i třetí z uvedených požadavků na řídicí systém sklářského stroje, tj. umožňuje vhodně propojit řízení ventilů i pohonů.

Při použití systému Simotion k řízení sklářského stroje lze dále využít ještě mnoho dalších výhod, které jsou systému Simotion vlastní: jde o vyráběný standardizovaný systém obsahující standardní komunikační rozhraní (Profibus, Ethernet), jeho distribuovaná koncepce umožňuje téměř libovolně rozmístit jednotlivé části systému atd.

Použití řídicího systému Simotion k řízení sklářského stroje

Společnost Compas automatizace získala v roce 2004 od firmy Sklostroj Turnov CZ, s. r. o., zakázku na řídicí systém pro řízení řadového sklářského stroje s osmi stanicemi.

Hardware řídicího systému
Protože daný sklářský stroj je poměrně rozsáhlý (asi 500 DI/DO, 30 pohonů), je použito celkem sedm řídicích jednotek Simotion.

Obr. 11.

Obr. 11. Příklad receptury pro sklářský stroj

Signály od mechanismů dávkovače, rozvaděče kapek, dopravníku, přesouvače, příčného dopravníku a zasouvače jsou připojeny prostřednictvím sběrnice Profibus a systému distribuovaných periferií ET200M. Dále je k této řídicí jednotce přes Profibus připojena jednotka CU320, která umožňuje řídicímu systému Simotion rozšířit počet pohonů řízených měniči.

K nezbytné synchronizaci činnosti jednotlivých řídicích jednotek, a tudíž i jednotlivých mechanismů jimi ovládaných, s virtuální osou stroje je využita další ze standardních funkcí systému Simotion, a to přenos údaje o okamžitém „natočení“ osy mezi jednotkami při použití izochronního módu sběrnice Profibus.

Všechny řídicí jednotky Simotion jsou prostřednictvím sítě Ethernet připojeny k ovládací operátorské stanici realizované jako PC s vizualizací a ovládáním stroje v prostředí SCADA systému Siemens WinCC. Tento počítač je současně serverem pro recepturový systém Comes® a pro vizualizaci. Dále je k němu prostřednictvím Wi-Fi připojen přenosný počítač ve funkci klienta recepturového a vizualizačního systému, umožňující parametrizovat stroj přímo na místě v provozu.

Vizualizace a recepturový systém
Operátorské stanice systému WinCC jsou provozovány na dvou PC, přičemž jedna funguje jako server pro celý vizualizační systém a druhá pracuje jako klient (obrázky z této vizualizace jsou použity v předchozích kapitolách tohoto článku).

Obr. 12.

Obr. 12. Princip propojení jednotlivých součástí recepturového systému Comes

Velmi důležitou inovací, kterou do řešení přinesla firma Compas automatizace, je její původní nadřazený recepturový systém s názvem Comes. Základním způsobem záznamu receptury sklářského stroje je tzv. spínací tabulka, která vyjadřuje, kdy má být ventil daného mechanismu otevřen a kdy zavřen. Spínacích tabulek může být v rámci jedné receptury několik, protože stroj musí při své činnosti provádět také různé speciální cykly (mazací cyklus, chladicí cyklus apod.), definované vlastními spínacími tabulkami. Řídicí systém se pak mezi jednotlivými tabulkami přepíná a řídí podle nich jednotlivé mechanismy. Dále musí být recepturový systém schopen pracovat s elektrickými pohony, tj. musí být schopen přijmout požadovaný profil přejezdu mechanismu, vačku, a tuto vačku graficky zobrazit (obr. 10) a přepočítávat ji podle aktuální rychlosti stroje, konečných poloh mechanismu atd.

Je tedy zřejmé, že recepturový systém pro řízení sklářského stroje je vybaven pečlivě vybranou a realizovanou sadou funkcí. Má několik komponent. Z nich Comes server zpracovává údaje zadávané uživatelem a pracuje s databází, kam data ukládá a odkud podle potřeby vybírá data receptur (obr. 11). Následně posílá data receptury do OPC serveru (WinCC rozhraní firmy Siemens), který již zajišťuje vlastní komunikaci PC s jednotlivými řídicími stanicemi Simotion po Ethernetu. OPC server je využíván i vizualizačním systémem WinCC. Poslední komponentou recepturového systému Comes je Comes klient, který vytváří vlastní grafické rozhraní mezi recepturovým systémem a uživatelem. Principiální schéma propojení jednotlivých součástí recepturového systému Comes je na obr. 12.

Závěr

V současné době (konec roku 2005) je sklářský stroj v ověřovacích zkouškách a v nejbližší době bude instalován ve sklárně. Pokud se nevyskytnou při práci stroje se sklem žádné nepředvídané problémy, půjde o první použití standardního řídicího systému Siemens pro řízení sklářského stroje.

Řízení sklářského stroje je relativně náročná úloha, stroj je rozsáhlý a značně citlivý na přesnost řízení. Požadavky na přesnost řízení a výkon řídicího systému rostou také v důsledku použití elektrických servopohonů. Na základě výsledků dosavadních zkoušek lze říci, že řídicí systém Simotion veškeré požadavky na výkon i přesnost řízení spolehlivě plní. Použití řídicího systému Simotion přináší ještě mnoho dalších výhod. Jde o standardně vyráběný víceúčelový řídicí systém od firmy Siemens, což zajišťuje vysokou jakost, spolehlivost, příznivou cenu, stálý rozvoj, rychlou dostupnost náhradních dílů, technickou podporu atd. Systém Simotion je vybaven standardními komunikačními rozhraními pro sítě Profibus a Ethernet. Případné připojení řídicího systému sklářského stroje na síť sklárny umožňuje lépe plánovat a kontrolovat výrobu a tím dále zvyšovat její efektivitu. Při případném možném připojení k internetu lze celý stroj spravovat na dálku; to dává možnost rychleji diagnostikovat a odstranit případné problémy.

Jako nadčasové řešení se z pohledu současné praxe řízení sklářských strojů jeví použití nadřazené úrovně typu MES v podobě automatizovaného recepturového systému Comes, které umožňuje rychle měnit výrobní program sklářského stroje pouhou volbou příslušné receptury. Poté, co zákazník zhodnotil použití systému Simotion ve spojení s MES systémem Comes pro řízení sklářského stroje, je zřejmé, že řešení firmy Compas automatizace posouvá celé provedení sklářského stroje a jeho systému řízení na zcela novou úroveň s perspektivou dalšího rozvoje.

Ing. Jiří Klíma,
Compas automatizace, spol. s r. o.

COMPAS automatizace s. r. o.
Nádražní 26
591 01 Žďár nad Sázavou
tel.: 566 650 110
fax: 566 650 112
e-mail: compas@compas.cz
http://www.compas.cz