1. Wstęp
Jednym z głównych czynników mających wpływ na rozwój przyszłych automatyków są warunki, w których zdobywają wiedzę. Krótko mówiąc, aby automatyk był kompetentny, potrzebuje wykwalifikowanej kadry prowadzącej zajęcia oraz technicznego środowiska do nauki. Ze względu na specyfikę zawodu wymaga to często specjalistycznego sprzętu, a co za tym idzie sporego nakładu finansowego.
Młode pokolenie powinno uczyć się programowania sterowników i zasad działania urządzeń na stanowiskach odzwierciedlających faktyczne procesy zachodzące przemyśle. Dzisiejszy artykuł przedstawia stanowisko edukacyjne oparte na sterownikach Siemens S7-1500 przeznaczone do szkolenia dla potrzeb Przemysłu 4.0. Stanowisko wyposażone jest w napęd taśmowy, który bardzo często znajduje zastosowanie w gałęziach przemysłu, np. w przemyśle: górniczym, spożywczym, logistycznym, automotive itd Poznanie budowy taśmociągu oraz zdolność zaprogramowania tego elementu są cennymi umiejętnościami przyszłych programistów/automatyków. Dodatkowo, dookoła taśmociągu, rozmieszczone są rozmaite czujniki, czytnik kodów kreskowych i kamera wizyjna. Umiejętność integracji i obsługa tych urządzeń jest istotnym atutem, który może zostać wykorzystany w przyszłym zakładzie pracy, takim jak hala produkcyjna. PLC Expert sp. z o. o. miała przyjemność realizować wyżej wymieniony projekt na zamówienie Powiatu Poznańskiego dla Zespołu Szkół nr 1 im. Powstańców Wielkopolskich w Swarzędzu. Zaprojektowaliśmy i wykonaliśmy 3 stanowiska, na których swoje umiejętności rozwijać mogą uczniowie wspomnianego Zespołu Szkół.
Rys.1. Stanowisko edukacyjne.
2. Opis stanowiska
Urządzenie odpowiadające za sterowanie całym procesem to ww. Sterownik Siemens S7-1500 (rys. 2, poz. 1). Jego wydajność obliczeniowa umożliwia skuteczne sterowanie skomplikowanymi procesami przemysłowymi. Dzięki interfejsowi PROFINET oraz szybkiej magistrali backplane zapewnia szybką i rzetelną wymianę danych w czasie rzeczywistym. S7-1500 jest elastyczny dzięki możliwości rozbudowy i dodawania modułów I/O, modułów komunikacyjnych, modułów liczników i enkoderów itp. Pozwala to dostosować dopasować sterownik do różnych zadań. Programowanie sterownika S7-1500 odbywa się w środowisku TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal). TIA Portal umożliwia integracje narzędzi do projektowania wszystkich urządzeń w systemie. W skład TIA Portal wchodzi oprogramowanie STEP 7, które pozwala korzystać z takich języków jak LAD, FBD i SCL. Komunikacja między urządzeniami systemu sterowania wykorzystuje sieć przemysłową PROFINET opartą na standardzie ETHERNET. Stąd niezbędne jest zastosowanie takich elementów jak switche ethernetowe (Rys. 7, poz. 2) i wyspa zdalna PROFINET (Rys. 9, poz. 3).
Rys. 2. Wnętrze szafy elektrycznej.
W projekcie zastosowano moduł interfejsowy Safety od Siemens-a (Rys. 3, poz. 4). Jest to interfejs modułowy przeznaczony do komunikacji w standardzie PROFINET. Pozwala na integrację przycisków, lamp sygnalizacyjnych i innych elementów sterujących siecią przemysłową. Docelowo podłączono go do przełącznika bezpieczeństwa (Rys. 4, poz. 5), aby umożliwić awaryjne wyłączenie. Do zapewnienia komunikacji z modułem interfejsowym Safety należy zastosować sterownik s7-1500 typu Safety. Warto zwrócić uwagę na specyficzne połączenie lampek i modułu, które zrealizowano przy użyciu 7- żyłowego przewodu płaskiego. W celu zredukowania napięcia zastosowano przetwornicę firmy WAGO, model 859-802 (Rys. 2, poz. 6). Na wejście przetwornicy podano napięcie 24V DC, a na wyjściu otrzymano napięcie 10V DC. Napięcie jest dostarczane do miernika LUMEL n30u (Rys. 3/4, poz. 7), a regulowane jest przez potencjometr (Rys. 3/4, poz. 8) w zakresie 0-10V.
Rys.3. Drzwi szafy elektrycznej od strony wewnętrznej.
Zastosowanie przetwornicy było konieczne ze względu na specyfikę ww. miernika programowalnego. Miernik posiada funkcję pomiaru wartości takich jak: temperatura, rezystancja, napięcie i natężenie prądu. Słowo „programowalny” nie zostało tu użyte bez przyczyny. Miernik ten umożliwia zaprogramowanie szerokiej gamy parametrów:
indywidualny kolor wyświetlacza dla każdego przedziału,
progi wyświetlanych przekroczeń,
precyzja wyświetlania wyniku (punkt dziesiętny),
podświetlenie jednostki,
czas uśredniania pomiaru,
przeliczanie wskazań (charakterystyka indywidualna),
parametry wyjść alarmowych.
Rys. 4. Drzwi szafy elektrycznej od strony zewnętrznej.
Przeanalizujmy krok po kroku wyposażenie sprzętowe oraz funkcjonalność poszczególnych urządzeń użytych na stanowisku roboczym. Ze względu na liczbę oraz rozbudowane funkcje poniektórych elementów, uczniowie będą mieć szerokie pole manewru w planowaniu i projektowaniu procesu przemysłowego wykonywanego na zmontowanym stanowisku edukacyjnym. Przykładowym zastosowaniem stanowiska może być proces sortowania elementów w zależności od ich budowy. Rys. 5 przedstawia elementy podlegające sortowaniu.
Rys. 5. Elementy biorące udział w procesie sortowania.
Niezbędne jest zastosowanie obwodu bezpieczeństwa w celu zapewnienia bezpieczeństwa zarówno osobom użytkującym stanowisko jak i urządzeniom. Dawniej taki obwód był realizowany przy pomocy stycznika/styczników. Wadą tego rozwiązania była sytuacja, w której stycznik uległ uszkodzeniu (np. wystąpiło sklejenie się jego styków). Wtedy, pomimo naciśnięcia wyłącznika bezpieczeństwa, maszyna mogła pozostać w ruchu. W realizowanym przez nas projekcie użyto przekaźnik bezpieczeństwa SIEMENS 3SK (Rys. 2, poz. 9). Wykorzystuje on kombinacje trzech styczników oraz posiada dwa kanały, dzięki którym system jest bardziej odporny na awarie. Chcąc zasilić układ główny, należy wymusić „0” na grzybie bezpieczeństwa (Rys. 3/4, poz. 10) (odcisnąć go, ponieważ posiada styki normalnie zamknięte) oraz potwierdzić wciśnięciem przycisku S1 (Rys. 3/4, poz. 11).
Po dostarczeniu zasilania możemy przejść do samego procesu. Na samym początku, za pomocą dwóch czujników światłowodowych firmy BALLUFF(Rys. 6, poz. 12) umieszczonych na różnych wysokościach, sprawdzana jest obecność i liczba elementów. Jeżeli tylko dolny światłowód wykryje obecność, oznacza to, że w pionowo zamontowanym tunelu znajduje się tylko jeden element. Detekcja przynajmniej dwóch elementów definiowana jest, w momencie pojawienia się stanu wysokiego na obu czujnikach. Czujniki światłowodowe charakteryzują się dużą szybkością i wysoką jakością przepływu informacji, są odporne na zakłócenia elektromagnetyczne, co czyni je bezkonkurencyjnymi. W zależności od zastosowania istnieją różne rodzaje czujników światłowodowych. Te wykorzystane przez nas służą do detekcji małych elementów w zdefiniowanej przestrzeni roboczej. Wykrywanie odbywa się przez przerwanie drogi świetlnej między nadajnikiem a odbiornikiem. Dodatkowo zastosowane zostały wzmacniacze światłowodowe (Rys. 7, poz. 13) firmy BALLUFF, na których można ustawić:
kierunek odczytu LCD lewo/prawo,
funkcję czasową,
przywrócenie ustawień fabrycznych (Reset),
tryb normalny/dokładny/szybki/daleki,
okres pojedynczego impulsu,
znamionową odległość przełączania (Sn), 2 wartości,
wyświetlacz wł./wył.,
czas opóźnienia,
blokada klawiszy wł./wył.,
motyw wyświetlacza jasny/ciemny,
czułość wzmacniacza.
Rys. 6. Część główna stanowiska edukacyjnego.
Następnie w zależności od warunków zdefiniowanych w programie przez użytkownika załącza się siłownik, który popycha element na szynę. Warto wspomnieć o czujnikach pola magnetycznego (Rys. 6, poz. 15) zamontowanych przy każdym siłowniku. W tym wypadku również skorzystaliśmy z asortymentu firmy BALLUFF. Czujniki te wykrywają pozycję siłownika: wsunięty/wysunięty. Wykorzystują one efekt Halla, a ich sygnał wyjściowy zmienia się w zależności od obecności zewnętrznego pola magnetycznego. Zastosowane siłowniki dwustronnego działania, dzięki ciśnieniu sprężonego powietrza dostarczonego do komór, wykonują ruch roboczy i powrotny. Aby zrealizować taką pracę, potrzebne są odpowiednie zawory, w naszym przypadku 5 - drogowe 2 - położeniowe, którymi steruje wyspa zaworowa (Rys. 7, poz. 16) z komunikacją PROFINET. Powietrze do wyspy dostarcza zespół przygotowania powietrza (Rys. 7, poz. 17), którego zadaniem jest:
oczyszczanie powietrza z cząstek oleju, wody oraz zanieczyszczeń stałych,
redukcja ciśnienia.
Rys. 7. Część ściany tylnej stanowiska edukacyjnego.
W kolejnym etapie zsuwający się po szynie element może zostać zatrzymany przez drugi siłownik (Rys. 8, poz. 14). Aby się tak stało, niezbędne jest wykrycie elementu w odpowiednim momencie. Możemy to uzyskać poprzez jeden z zamontowanych wcześniej czujników-indukcyjny (Rys. 8, poz. 18) lub pojemnościowy (Rys. 8, poz. 19) firmy BALLUFF. Przy czym czujnik indukcyjny wykrywa wyłącznie metalowy przedmiot Natomiast pojemnościowy wykrywa element bez względu na materiał, z którego jest zbudowany. Jeżeli element zostanie zatrzymany istnieje możliwość sprawdzenia, czy jest pusty w środku dzięki narzędziu roboczemu przytwierdzonemu do kolejnego siłownika (Rys. 6, poz. 20) zamocowanego od góry.
W końcu przechodzimy do taśmociągu. Jest on napędzany przez motoreduktor Siemens (Rys. 8, poz. 21). Odpowiadające za jego bezpieczeństwo wyłączniki silnikowe (Rys. 2, poz. 22) firmy EATON są umieszczone w szafie. Ich zadaniem jest zabezpieczenie maszyny przed uszkodzeniem. Reagują na prąd zwarciowy 14A lub przeciążeniowy (możliwość regulacji 0,63-1A). Enkodery odpowiadają za pomiar prędkości obrotowej i określenie kierunku ruchu, zamieniają mechaniczną pozycję kątową na sygnał elektryczny, wykorzystywany przez sterownik.
Enkoder absolutny Kübler Sendix (Rys. 8, poz. 23) jest dostosowany do Przemysłu 4.0. Posiada dużą precyzję oraz 100% niewrażliwość magnetyczną. W ramach redundancji sprzętowej wykorzystany został również enkoder inkrementalny BEGE MIG Nova+ (Rys. 8, poz. 24). Zamocowany został między przekładnią a silnikiem. Jest praktyczny, ze względu na małe gabaryty, prosty montaż, wysoką rozdzielczość. Enkoder absolutny różni się od inkrementalnego tym, że jest w stanie zapisać aktualną pozycję po odłączeniu zasilania.
Rys. 8. Część główna stanowiska edukacyjnego od góry.
Silnik zasilany jest za pomocą jednofazowego falownika Siemens V20 (Rys. 2, poz. 25), umożliwiającego łagodny rozruch
i zredukowanie dwukrotnie częstotliwość sieci. Powoduje to bezpośrednio zmianę prędkości 2- biegunowego silnika na dwa razy mniejszą. Dzięki temu niedoświadczeni w programowaniu uczniowie będą mogli pracować przy prędkości około 19,5obr/min (przekładnia silnika z przełożeniem 1:80). System pasywnego chłodzenia zastosowany w ww. falowniku powoduje brak hałasu urządzenia. Jest to istotna zaleta, biorąc pod uwagę komfort przeprowadzania zajęć w klasie. Falownik V20 jest prosty w montażu i obsłudze. Uruchamia się go za pośrednictwem urządzenia mobilnego lub panelu operatorskiego. Falowniki serii V20 idealnie nadają się tam, gdzie nie jest potrzebna wysoka dokładność pozycjonowania ani regulacji prędkości. Wraz z rosnącymi umiejętnościami uczniowie, będą mogli skorzystać z drugiego falownika Siemens (Rys. 1, poz. 26), zamocowanego bezpośrednio na stanowisku, w celu zaprogramowania prędkości i kierunku ruchu taśmy.
Jednym z lepiej sprawdzających się wyłączników różnicowoprądowych w układach z falownikami zasilanymi jednofazowo są wyłączniki typu F. Zastosowanie ich pozwala nam ograniczyć koszty, które musielibyśmy ponieść, używając wyłączników typu B/B+. Są one właściwie lepszą wersją „różnicówek” grupy A. Wykrywają poprawnie składową stałą o wartości do 10mA, a także prądy różnicowe odkształcone zawierające wyższe harmoniczne. W realizowanym przez nas projekcie skorzystaliśmy z wyłącznika RCCB firmy Hager (Rys. 2, poz. 27) o znamionowym prądzie różnicowym wnoszącym 30mA.
Wróćmy do elementów znajdujących się na długości taśmociągu. Na pierwszy ogień idzie kamera wizyjna IS2001M (Rys. 6, poz. 28). Kamera posiada zintegrowany moduł świetlny. Dzięki niemu eliminuje konieczność korzystania z oświetlenia zewnętrznego. Moduł autofocusu zasilany technologią płynnych soczewek automatycznie ustawia ostrość w zaprogramowanych pozycjach. Urządzenie to charakteryzuje się również prostotą programowania i przyjaznym interfejsem.
Kolejnym wartym uwagi elementem na linii przemysłowej jest czytnik kodów COGNEX DMR-374X-TMAX (Rys. 6, poz. 29). Posiada on 2-krotnie większą moc obliczeniową niż konwencjonalne czytniki tej klasy. Zapewnia szybsze dekodowanie, co przekłada się na większą przepustowość. Jest w stanie odczytać kody 1D i 2D. Potrafi obsługiwać kody o niskim kontraście dzięki technologii HDR. Przechwytuje obrazy w czasie rzeczywistym do przeglądu użytkownika i śledzi historię wyników odczytu.
Ciekawymi urządzeniami uwzględnionymi w projekcie są czytniki RFID (Rys. 6, poz. 30) marki SIEMENS. Odczytują one dane z tagów RFID, składających się z układu elektronicznego oraz z anteny, za pomocą fal radiowych. Tagi RFID przechowują dane i mogą być przyłączone do przedstawionych wcześniej elementów (Rys. 5). Mogą mieć różne kształty i rozmiary. Do integracji czytników RFID z resztą systemu niezbędny jest również moduł RFID (Rys. 9, poz. 36).
Rys. 9. Część ściany tylnej stanowiska edukacyjnego.
Przyszedł czas na krótkie omówienie zastosowania pozostałych czujników:
Czujnik indukcyjny Rys. 6, poz. 31) firmy BALUFF. Drugi i ostatni czujnik tego typu w projekcie, służy do wykrywania elementów metalowych.
3 czujniki optoelektryczne odbiciowe (Rys. 6, poz. 32) firmy BALUFF. Ich zadaniem jest sprawdzanie aktualnej pozycji elementu. Mogą być zaprogramowane przez uczniów jako warunek zrzutu elementu, w zależności od materiału z jakiego jest zrobiony, do jednego z trzech pojemników (Rys. 6, poz. 37).
Czujniki pojemnościowe (rys. 6, poz. 32) umieszczone przy każdym z pojemników. Dokładnie takie same jak te użyte w początkowym stadium procesu. Ich zadaniem jest detekcja elementu w pojemnikach.
Czujnik ultradźwiękowy (Rys. 6, poz. 34) firmy BALLUFF, emitujący fale ultradźwiękowe, odbijane przez element. Służy do detekcji dowolnego ciała. Bez względu na kolor.
Czujnik pojemnościowy (Rys. 6, poz. 35) firmy ifm electronic. Jego zadaniem jest również wykrywanie położenia.
3. Podsumowanie
Stanowisko edukacyjne omówione w artykule zapewnia uczniom kompleksową możliwość praktycznej nauki w ramach Przemysłu 4.0. Uczniowie dowiedzą się jak integrować urządzenia takie jak kamera wizyjna, czytnik RFID czy czytnik kodów kreskowych w środowisku TIA Portal. Użytkownicy stanowiska edukacyjnego nauczą się także obsługi oprogramowania STEP7. Uczniowie mogą sami sprawdzić działanie zasilania silnika za pomocą falownika oraz ocenić sprawność przekładni. Mogą także samodzielnie zinterpretować użyteczność enkodera inkrementalnego i absolutnego a także porównać je ze sobą. Różnorodność zastosowanych czujników sprawi, że uczniowie będą wiedzieć jaki typ czujnika wybrać do konkretnego zadania. Zaimplementowane na stanowisku komponenty pneumatyczne pozwolą uczniom zapoznać się bliżej z dziedziną pneumatyki. Uczniowie poznają cele zastosowania zespołu przygotowania powietrza, działania wyspy zaworowej oraz siłowników pneumatycznych. Wyżej opisane stanowisko edukacyjne daje ogromne możliwości w zakresie nauki programowania. Jako wykonawca projektu mamy nadzieję, że uczniowie wykażą się zapałem, kreatywnością oraz w pełni wykorzystają potencjał stanowiska edukacyjnego.