Modelowanie procesów produkcyjnych w oparciu o sterownik PLC współpracujący z systemem wagowym

Transkrypt

1 CHRZAN Marcin 1 MAKOWSKI Marcin 2 WINIARSKI Mariusz 3 NOWOCIEŃ Artur 4 Modelowanie procesów produkcyjnych w oparciu o sterownik PLC współpracujący z systemem wagowym WSTĘP Ze względu na złożoność procesów zachodzących podczas produkcji od urządzeń w nim uczestniczących wymaga się wysokiej niezawodności oraz modułowej budowy. Biorąc pod uwagę powyższe czynniki można powiedzieć, że z punktu widzenia sterowania najlepszym rozwiązaniem jest wykorzystanie sterowników PLC. W procesach produkcyjnych sterowniki programowalne PLC odgrywają istotną rolę polegającą na kontroli, sterowaniu oraz sygnalizacji. Dlatego też bardzo często zachodzi potrzeba współpracy sterowników z innymi urządzeniami. Przykładem tej synergii może być wzajemne oddziaływanie systemu TIA Portal (Totally Integrated Automation Posrtal wykorzystującego sterownik PLC), z systemem wagowym. Połączone systemy charakteryzują się pracą wielozadaniową w czasie rzeczywistym. Zaletą tych systemów jest stosowanie bardzo dokładnych narzędzi diagnostycznych, które odpowiadają za śledzenie czasów realizacji poszczególnych procesów, rejestrację danych i wykonanie poszczególnych zadań. Systemy te są wykorzystywane przy dystrybucji składników lub przy mieszaniu towarów sypkich. W dalszej części artykułu zostanie przedstawione rozwiązanie stanowiska laboratoryjnego, umożliwiającego modelowanie procesów transportowych materiałów sypkich z wykorzystaniem sterownika PLC oraz urządzeń wagowych. 1 OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA STANOWISKA LABORATORYJNEGO Stanowisko laboratoryjne (rysunek 1) wyposażone zostało w sterownik S firmy SIEMENS, sprzężony z wagą elektroniczną WPY 30/C1/R firmy RADWAG. Sprzężone zostały wyjścia sterownika z wejściami wagi oraz wyjścia wagi z wejściami sterownika. Dodatkowo sterownik S umożliwia sterowanie dwoma silnikami prądu stałego, które są podłączone do jego wyjść za pośrednictwem przekaźników K1 i K2. Do wejść sterownika zostały podłączone przyciski sterownicze, umieszczone w kasecie. Stanowisko posiada wyłącznik główny oraz zabezpieczenie nadprądowe. Zasilane jest napięciem sieciowym o wartości 230 V AC. Waga elektroniczna WPY30/C1/R zasilana jest z zasilacza napięciem o wartości 9V DC. Sterownik PLC programowany jest za pomocą komputera poprzez oprogramowanie TIA Portal. Komunikacja sterownika PLC systemem TIA Portal odbywa się za pośrednictwem protokołu PROFINET. Waga programowana jest manualnie z wykorzystaniem wyświetlacza dotykowego oraz przycisków membranowych. 1 Uniwersytet Technologiczno Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu, Wydział Transportu i Elektrotechniki; Radom; ul. Malczewskiego m.chrzan@uthrad.pl 2 Uniwersytet Technologiczno Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego, Wydział Transportu i Elektrotechniki, Radom, ul. Malczewskiego 29, m.makowski@uthrad.pl student studiów doktoranckich 3 Uniwersytet Technologiczno Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego, Wydział Transportu i Elektrotechniki, Radom, ul. Malczewskiego 29, mariusz_winiarski@o2.pl student studiów doktoranckich 4 Uniwersytet Technologiczno Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego, Wydział Transportu i Elektrotechniki, Radom, ul. Malczewskiego 29, a.nowocien@uthrad.pl student studiów doktoranckich 2668

2 Rys. 1. Stanowisko dydaktyczne [źródło własne] Schemat elektryczny podłączenia układów wejść i wyjść do sterownika PLC S przedstawiono na rysunku 2. Rys. 2. Schemat elektryczny podłączenia wejść i wyjść do sterownika PLC S [źródło własne] 2669

3 W tabeli 1 przedstawiono przyporządkowania wejść i wyjść sterownika S w prezentowanym stanowisku dydaktycznym. Tab. 1. Podłączenia wejść oraz wyjść do sterownika S [źródło własne] WEJŚCIA Adres Opis Symbol Komentarz I0.0 Przycisk 1 (od lewej strony) P1 Zestyk NO I0.1 Przycisk 2 P2 Zestyk NO I0.2 Przycisk 3 P3 Zestyk NO I0.3 Przycisk 4 P4 Zestyk NO I0.4 Przycisk 5 P5 Zestyk NO I0.5 Przycisk 6 P6 Zestyk NO I0.6 Wyjście nr 1 z wagi WY-W1 Zestyk NC I0.7 Wyjście nr 2 z wagi WY-W2 Zestyk NC I1.0 Wyjście nr 3 z wagi WY-W3 Zestyk NC I1.1 Wyjście nr 4 z wagi WY-W4 Zestyk NC WYJŚCIA Q0.0 Dioda 1 na panelu przycisków (od lewej strony) D1 Q0.1 Dioda 2 na panelu przycisków D2 Q0.2 Dioda 3 na panelu przycisków D3 Q0.3 Dioda 4 na panelu przycisków D4 Q0.4 Cewka przekaźnika sterująca silnikiem SML K1 Q0.5 Cewka przekaźnika sterująca silnikiemsmp K2 Q0.6 Wejście nr 1 wagi WE-W1 Q0.7 Wejście nr 2 wagi WE-W2 Q1.0 Wejście nr 3 wagi WE-W3 Q1.1 Wejście nr 4 wagi WE-W4 Prezentowane w artykule stanowisko dydaktyczne umożliwia wykonywanie szeregu ćwiczeń laboratoryjnych odzwierciedlających rzeczywiste procesy przemysłowo - transportowe. Poprzez programowanie sterownika PLC S istnieje możliwość poznania trzech języków programowania, w tym: języka schematów drabinkowych LD (Ladder Diagram), Rys. 3. Fragment kodu programu w języku LD środowiska TIA Portal[źródło własne] języka schematów blokowych FBD (Function Block Diagram), 2670

4 Rys. 4.Fragment kodu programu w języku FBD środowiska TIA Portal [źródło własne] języka strukturalnego wysokiego poziomu SCL (Structured Control Language). Rys. 5.Fragment kodu programu w języku SCL środowiska TIA Portal [źródło własne] Stanowisko umożliwia modelowanie procesów produkcyjnych i transportowych w postaci: realizowania procesu dozowania substancji, realizowania procesu mieszania dwóch składników, zastosowania elementów sekwencyjnego załączania / wyłączania urządzeń wykonawczych, zastosowania w układzie liczników zdarzeń, poznania sposobu wykorzystania elementów czasowych, zaimplementowania funkcji logicznych podczas sterowania układami wykonawczymi, 2671

5 zastosowania algorytm opóźnionego załączania, poznania i weryfikacji pracy układu w systemie cyklicznym, programowania sterownika PLC poprzez protokół komunikacyjny PROFINET dla określonego zastosowania. 2 STEROWNIK PLC FIRMY SIEMENS S Do budowy stanowiska wykorzystano sterownik kompaktowo modułowy firmy SIEMENS S (rysunek 6), który z uwagi na charakter dydaktyczny stanowiska zasilany jest napięciem 24V DC. Sterownik cechuje się dużą elastycznością i mocą obliczeniową, potrzebną do sterowania wieloma urządzeniami w aplikacjach automatyki. Sterowniki te są często wykorzystywane w zastosowaniach produkcyjnych, co pozwala na zrozumienie skomplikowanych procesów sterowania i przeniesienie ich do mikropostaci stanowiska laboratoryjnego. Rys. 6. Widok ogólny sterownika SIEMENS S [źródło własne] Prezentowany sterowniks posiada: wbudowaną jednostkę centralną CPU 1214, 14 wejść cyfrowych (24V DC), 2 wejścia analogowe napięciowe (0-10V DC), 10 wyjść cyfrowych tranzystorowych (24V DC), 1 wyjście analogowe ( 10V DC lub 0-20mA). Jednostka CPU nadzoruje wejścia i ustawia wyjścia zgodnie z logiką stworzoną w programie użytkownika, która może zawierać algebrę Boole a, operacje czasowe, funkcje zliczania, złożone operacje matematyczne oraz komunikację z innymi inteligentnymi urządzeniami. [7] Sterownik S programowany jest za pośrednictwem środowiska TIA Portal, które zainstalowane jest na komputerze z systemem operacyjnym WINDOWS. Komunikacja pomiędzy komputerem a sterownikiem odbywa się za pomocą protokołu PROFINET. Sterownik można wyposażyć dodatkowo w moduły umożliwiające komunikację z wykorzystaniem innych interfejsów i protokołów, takich jak: PROFIBUS, GPRS, RS485, czy też RS232. Sterownik S posiada szereg zabezpieczeń chroniących dostęp zarówno do procesora, jak i programu sterującego. Jest to ochrona w postaci hasła dostępu do funkcji CPU, ochrona kodu w określonym bloku, ochrona przed kopiowaniem. Sterownik można także rozbudować o dodatkowe moduły i płytki sygnałowe. Przykładem mogą być moduły wejść / wyjść cyfrowych / analogowych, moduły komunikacyjne, moduł baterii (zapewniający długoterminowe podtrzymanie pracy zegara RTC). Do każdego sterownika S można podłączyć maksymalnie do 3 paneli operatorskich HMI. Liczba ta jest zależna od typów paneli HMI użytych w aplikacji. 2672

6 3 NARZĘDZIE PROGRAMISTYCZNE TIA PORTAL Narzędzie TIA Portal (Totally Integrated Automation Posrtal)zawiera w jednej multiprogramowej platformie zbiór funkcji niezbędnych do implementacji zadań automatyzacji. Jest wspólnym środowiskiem pracy dla zintegrowanej inżynierii w różnych systemach SIMATIC. Wszystkie wymagane pakiety oprogramowania, począwszy od konfiguracji sprzętu i programowania, do wizualizacji procesu są zintegrowane w kompletną, inżynierską strukturę (framework). [10] TIA Portal jest przyjaznym dla użytkownika środowiskiem do projektowania logiki niezbędnej do sterowania aplikacją. W celu zwiększenia wydajności projektowania TIA Portal wyposażono w dwa różne widoki projektu: zorientowany zadaniowo (Portal view widok Portalu) lub zorientowany projektowo i oparty na widoku elementów projektu (Project view widok Projektu). Użytkownik decyduje, który widok pozwala mu na lepsze wykorzystanie możliwości systemu. [7] Rys.7.Okno aplikacji TIA Portal [źródło własne] Na rysunku 7przedstawiono okno aplikacji TIA Portal. Dzięki zastosowaniu narzędzia TIA Portal możliwe jest programowanie sterowników SIEMENS z rodziny SIMATIC w językach: schematów drabinkowych LD, schematów blokowych FBD oraz w języku strukturalnym wysokiego poziomu SCL. 4 SYSTEM WAGOWY WPY 30/C1/R OPARTY O TERMINAL WAGOWY PUE 7 Terminal wagowy PUE 7 jest urządzeniem przeznaczonym do budowy przemysłowych wag tensometrycznych. Terminal posiada 5,7" wyświetlacz TFT z panelem dotykowym oraz klawiaturę membranową. Urządzenie posiada dwa czujniki ruchu, których funkcje są programowane z poziomu menu. Do terminala można podłączyć maksymalnie 2 platformy wagowe, skanery kodów kreskowych, drukarki, etykieciarki, czytnik RFID oraz wyposażenie PC (mysz, klawiatura, pamięć flash USB). Terminal PUE 7 w wersji standardowej obsługuje 1 platformę wagową. Terminal wyposażony jest w 2 złącza USB, 2 złącza RS232, port Ethernet oraz 4WE/4WY. Struktura menu głównego programu została podzielona na dwanaście grup funkcyjnych. W każdej grupie znajdują się parametry pogrupowane tematycznie. [5] Na rysunku 8 pokazano wygląd ogólny terminala wagowego PUE 7, a na rysunku 9wagę elektroniczną WPY 30/C1/R, w której zastosowano terminal wagowy PUE

7 Rys. 8.Terminal wagowy PUE 7 [źródło własne] Rys. 9.Waga wielofunkcyjna WPY wyposażona w terminal wagowy PUE 7 [źródło własne] Waga wielofunkcyjna WPY 30/C1/R przeznaczona jest do szybkiego i dokładnego wyznaczania masy w warunkach przemysłowych. Posiada szalkę wykonaną ze stali nierdzewnej oraz terminal wagowy PUE 7. Urządzenie posiada możliwość programowania przycisków ekranowych i funkcyjnych, programowania czujników ruchu, projektowania wzorców wydruków, projektowania informacji tekstowych w oknie wyświetlacza wagi. Waga może współpracować z dodatkową platformą wagową. Waga WPY 30/C1/R umożliwia wiele modów pracy, począwszy od ważenia, liczenia sztuk, poprzez wyznaczanie gęstości, receptur, a także ważenie zwierząt. Możliwe jest także generowanie etykiet do oklejania pojedynczych towarów, pojemników zbiorczych oraz kontenerów zawierających pojemniki zbiorcze. Waga posiada funkcję wagi kontrolnej (kontrola wyniku ważenia +/-), identyfikację towarów, przy wykorzystaniu kodu EAN-13 oraz EAN-128. Istnieje także możliwość tworzenia baz danych operatorów, asortymentów, surowców, kontrahentów, ważeń, zmiennych uniwersalnych, tar. Zastosowanie skanera kodów kreskowych stwarza możliwość szybkiego wyszukiwania asortymentu. [2] 2674

8 WNIOSKI Przedstawione w artykule stanowisko dydaktyczne zbudowane w oparciu o sterownik PLC S oraz system wagowy WPY 30/C1/R z terminalem PUE 7 umożliwia modelowanie procesów produkcyjnych i transportowych, zachodzących w przemyśle. Zautomatyzowanie procesu ważenia umożliwia modelowanie procesu dozowania substancji oraz procesu mieszania dwóch składników. Jest to możliwe dzięki współpracy sterownika PLC z wagą, poprzez komunikację wejść / wyjść sterownika z wejściami i wyjściami wagi. Uniwersalność programowania sterownika S pozwala na naukę trzech języków programowania LD, FBD, SCL. a także poznanie protokołu komunikacyjnego PROFINET. Stanowisko umożliwia poznanie algorytmów sekwencyjnego załączania i wyłączania urządzeń wykonawczych, sterowania czasowego, a także poznanie i weryfikację pracy układu w systemie rzeczywistym. Streszczenie W prezentowanym artykule przedstawiono sposób modelowania procesów produkcyjnych w oparciu o sterownik PLC współpracujący z systemem wagowym. Opisano budowę stanowiska dydaktycznego, zaprezentowano jego możliwości, pod względem ukazania procesów produkcyjnych, a także pod względem nauki programowania sterownika PLC i wagi. Scharakteryzowano sterownik PLC S7-1200, narzędzie programistyczne TIA Portal, terminal wagowy PUE 7 oraz system wagowy WPY 30/C1/R. Zwrócono uwagę na zastosowanie w/w urządzeń w przemyśle. Opisano sposoby programowania sterownika PLC S7-1200, ze zwróceniem uwagi na możliwości poznania trzech języków programowania LD, FBD, SCL oraz metodę programowania terminala wagowego PUE 7 w systemie wagowym WPY 30/C1/R. Modeling processes on the basis of the PLC system cooperating by weight Abstract The article presents a method of modeling production processes based on PLC cooperating with the weight system. It describes the construction of the teaching position, presents its capabilities in terms of year of production processes, as well as in terms of learning programming PLC and weight. It characterized PLC S7-1200, the TIA Portal software tool, terminal & PUE and weighing system WPY 30 / C1 / R. The attention is drawn to the use of the above in industrial devices. It describes how to program the PLC S7-1200, with a focus on opportunity to learn three programming languages LD, FBD, SCL and the method of programming terminal PUE 7 weighing system WPY 30 / C1 / R.. BIBLIOGRAFIA 1. Internet: 2. Internet: 3. Internet: 4. Makowski M., Nowocień A., Luft M., Pietruszczak D., Przykłady zastosowania sterowników PLC w modelowaniu pneumatycznych układów sterowania. ISSN , TTS 10(2013), RADWAG, Instrukcja obsługi. Miernik wagowy PUE 7, Radom Simatic S7. Programowalny sterownik S Podręcznik systemu. Siemens. Warszawa Simatic S Easy Book Manual. Siemens Industry Sector, Norymberga Simatic S Pierwsze kroki z S Podręcznik. Siemens Sektor Industry, Warszawa Simatic STEP7. Podstawy programowania w STEP7. Siemens Sektor Industry IA AS, Warszawa TIA Portal Simatic STEP 7 Professional V11. Przykładowy projekt Filling Station Pierwsze kroki. Siemens, Warszawa