Projektowanie układów elektro-pneumatycznych

Transkrypt

1 SZCZEŚNIAK Adam 1 SZCZEŚNIAK Zbigniew 2 Projektowanie układów elektro-pneumatycznych WPROWADZENIE Automatyzacja węzłów produkcyjnych powoduje wzrost wydajności i jakości produktów oraz redukcję liczby zatrudnionych pracowników co wpływa na obniżenie kosztów produkcji. Prowadzi to do szybkiego postępu w procesach automatyzacji węzłów technologicznych [1-9], dlatego celowym wydaje się przedstawienie problematyki związanej z projektowaniem układów sterowania. W artykule przedstawiono algorytmiczną metodę, zastosowaną do programowania sekwencyjnych układów pneumatycznych, elektropneumatycznych. Przedstawiono opis procesu i na jego przykładzie omówiono tworzenie grafu układu oraz podano sposób programowania układu pneumatycznego, elektropneumatycznego. Układy zaprojektowane w oparciu o metodę grafową zostały zweryfikowane, poprzez ich symulację, wykorzystując program komputerowego wspomagania projektowania FluidSim firmy Festo. 1 METODA PROJEKTOWANIA SEKWENCYJNYCH UKŁADÓW PNEUMATYCZNYCH I ELEKTROPNEUMATYCZNYCH W projektowaniu sekwencyjnych układów pneumatycznych i elektropneumatycznych duże zastosowanie ma metoda algorytmiczna [10]. Metoda ta ma zastosowanie między innymi dla układów z siłownikami współpracującymi z rozdzielaczami sterowanymi obustronnie pneumatycznie, hydraulicznie lub elektrycznie. Wykorzystuje się tu specjalnie wyodrębnioną jednostkę taktującą spełniającą funkcje pamięci. Jej działanie opiera się na następujących kolejno po sobie stanach w taki sposób, aby stan następny kasował stan poprzedni. Podstawę do projektowania układu stanowi opis pracy urządzenia i sprecyzowanie jego warunków niezbędnych do prawidłowego działania. Najprostszym sposobem opisu pracy układu jest opis słowny, który przetwarza się w opisy w postaci cyklogramu lub wzoru łączeń. Wzór łączeń określa kolejność zadziałania elementów wykonawczych w tym przypadku siłowników. W metodzie algorytmicznej wykorzystuje się opis w postaci wzoru łączeń. Na podstawie opisu działania poszczególnych elementów wykonawczych (siłowników) oraz przyjętych oznaczeniach tworzy się równanie obrazujące pracę automatu, czyli kolejność działania siłowników. Jeżeli we wzorze występują dwa symbole siłowników jeden nad drugim to oznacza to, że działają one w tym samym czasie. Wzór łączeń na przykładzie, którego zostanie omówione projektowanie układów przedstawiono poniżej Elementy wykonawcze oznaczono dużą literą alfabetu wraz z symbolem określającym stan tego elementu: + oznacza załączenie elementu wykonawczego (wysunięcie tłoczyska siłownika) - oznacza wyłączenie elementu wykonawczego (wsunięcie tłoczyska siłownika) ± oznacza krótkotrwałe załączenie elementu (start algorytmu) 1 Politechnika Świętokrzyska, Wydział Mechatroniki i Budowy Maszyn Aleja Tysiąclecia Państwa Polskiego 7, Kielce PL , adam_szczesniak@o2.pl 2 Politechnika Świętokrzyska, Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki, Aleja Tysiąclecia Państwa Polskiego 7, Kielce PL , z.szczesniak@tu.kielce.pl 10262

2 Małą literą alfabetu oznaczano sygnał z czujnika położenia elementu wykonawczego, przykładowo: a 0 - sygnał z czujnika położenia siłownika A w położeniu z wsuniętym tłoczyskiem a 1 - sygnał z czujnika położenia siłownika A w położeniu z wysuniętym tłoczyskiem Wybrana sekwencja opiera się na trzech siłownikach. W stanie początkowym wszystkie siłowniki A, B i C są wsunięte, natomiast ich załączanie, wyłączanie następuje po krótkotrwałym wciśnięciu przycisku startu S. Na podstawie wzoru łączeń tworzy się graf układu. Graf dla w/w wzoru przedstawiono na rysunku1. Graf tworzy się umieszczając na okręgu grafu, tyle okręgów obrazujących stan układu ile jest elementów we wzorze łączeń. Każdy okrąg stanu będzie wierzchołkiem grafu układu. Graf układu opisuje się w ten sposób, aby wierzchołkom grafu przypisać symbole oznaczające zmianę stanu elementów w kolejności zgodnej ze wzorem łączeń, natomiast łukom okręgu grafu skierowanym do wierzchołków grafu przypisuje się te sygnały, które powodują zmianę stanu elementu. Łukom wychodzącym z wierzchołków przypisane są sygnały informujące osiągnięcie żądanego stanu. Rys.1. Graf układu Sygnały te są tym samym sygnałami powodującymi zmianę stanu elementu do którego wchodzą. Np. dla w/w grafu sygnał wychodzący z wierzchołka B- jest sygnałem b 0 informującym o wsunięciu siłownika B, ale również sygnałem, który skierowany jest do wierzchołka C + i będzie powodował wysunięcie siłownika C. Stan S ± (start układu) rysuje się w podwójnym okręgu jako stan stabilny, pozostałe stany jako stany niestabilne rysuje się w pojedynczym okręgu. Otrzymany w ten sposób graf dzielimy na grupy. Grupę stanowi wycinek okręgu grafu wybrany tak, aby w danej grupie, ten sam element występował tyko raz. Tworzy się wycinki obejmujące jak największą liczbę elementów idąc w kierunku zgodnym z ruchem zegara. Wycinek tworzy się zaczynając od stanu stabilnego układu. Podział grup tworzy się promieniowo, poprzez prowadzenie linii ze środka okręgu za zewnątrz tak, aby każda grupa znajdowała się pomiędzy dwoma liniami. W wyniku podziału uzyskano cztery grupy oznaczonych od k 1 k 4, które stanowią sygnały pamięci układu

3 Liczba grup decyduje o doborze bloku pamięci - ilość wejść (wyjść) musi być równa liczbie grup. Każdą utworzoną grupę oznaczamy k 1,k 2,,k n począwszy od grupy z sygnałem S ± zgodnie z rysunkiem 1. Każdą narysowaną linię dzielącą grupy oznacza się literą z indeksem (np. e 1,e 2,..e n ) począwszy od linii zamykającej pierwszą grupę. Sygnały podziału na grupy (e 1,e 2,..e n ) generowane są poprzez ostatni sygnał wyjściowy w grupie np. e 2 jest generowany przez iloczyn sygnału k 2 oraz c 1, który jest ostatnim sygnałem w grupie k 2. Powstały w ten sposób sygnał powoduje przejście układu do kolejnego stanu pamięci, czyli e 2 powoduje przejście do stanu k 3, natomiast e 3 do stanu k 4 itd.pierwszy element w danej grupie zawsze wymuszany jest przez stan w którym się znajduje np. B - jako pierwszy stan w grupach k 2 i k 4 jest wymuszany przez każdy z nich. Po podziale grafu i opisaniu jego sygnałów zgodnie z opisana zasadą, należy sprawdzić wielokrotność występowania elementu w tym samym stanie w całym cyklu pracy automatu. Wielokrotnie w grafie występują elementy B+, B-. Załączenie B+ następuje pod wpływem sumy sygnałów (a 1 k 1 + k 3 ), natomiast wyłączenie B- następuje pod wpływem sumy sygnałów (k 2 + k 4 ). Występowanie wielokrotne elementu wymusza stosowanie elementu sumy logicznej. Wielokrotne występowanie elementu w tym samym stanie, powoduje wielokrotne pojawienie się sygnału związanego ze stanem tego elementu, co wymusza stosowanie elementu iloczynu logicznego. Stan elementu B sygnalizowany jest przez sygnał b 1 który tworzy dwa iloczyny z k 1,k 3 oraz sygnał b 0 który tworzy dwa iloczyny z k 2,k 4 2 PROJEKTOWANIE SEKWENCYJNYCH UKŁADÓW PNEUMATYCZNYCH Na postawie przedstawionego grafu tworzy się schemat układu sterowania pneumatycznego przedstawionego na rysunku 2. Do realizacji układu sterowania użyto siłowników pneumatycznych, zaworów 3/2 ze sprężyną, zaworów 4/2 z wejściami sterującymi pneumatycznymi, zaworów iloczynowych, zaworów sumy oraz zaworu 3/2 manualnym (startu) ze sprężyną powrotną. Tworząc schemat ideowy pneumatycznego układu sterowania, rysuje się linie poziome obrazujące stany pamięci układu k 1 k 4. Górną część schematu pneumatycznego tworzy się na podstawie obiegu grafu, przypisując wejściom zaworów sterujących siłownikami kombinacje sygnałów z odpowiednich łączników drogowych i stanu układu lub tylko sygnału stanu. Dolną część schematu pneumatycznego tworzy się na podstawie sygnałów podziału grafu, łącząc sygnały występujące na granicach podziałów k 1 k 4 z wyjściami odpowiednich łączników drogowych. Wygenerowane sygnały od e 1 e 4 wytwarzają stany pamięci od k 1 k 4. Pamięć tworzy się z zaworów w ilości o jeden mniej niż ilość stanów pamięci w taki sposób, że na początku panuje stan k 1 zgodnie z algorytmem. Pojawiający się sygnał e 1 załącza stan k 2 kasując stan k 1, sygnał e 2 załącza stan k 3 kasując stan k 2 itd. (wędrująca sekwencyjnie jedynka logiczna od k 1 k 4 ), sygnał e 4 załącza stan k 1 i cykl się powtarza po załączeniu startu układu. Sygnały e 1 e 4 opisane na granicy podziału grafu sterują zaworami z których zbudowana jest pamięć układu np. e 1 =b 1 k 1. Występowanie wielokrotne elementu wymusza stosowanie elementu sumy logicznej dla sterowania zaworem B współpracującym z siłownikiem. Wielokrotne występowanie elementu w tym samym stanie B, powoduje wielokrotne pojawienie się sygnału związanego ze stanem tego elementu, co wymusza stosowanie elementów iloczynu logicznego współpracującego z wyłącznikami krańcowymib 0, b 1. W tym przypadku wyłączniki krańcowe muszą być zasilane sygnałem jedynki logicznej, czyli ze źródła ciśnienia

4 Rys.2. Schemat układu sterowania siłownikami 3 WERYFIKACJA UKŁADU PNEUMATYCZNEGO W celu weryfikacji układu z rysunku 2 przeprowadzono jego symulację. Symulację przeprowadzono całego cyklu układu wykorzystując program Fluidsim. Przykładowy stan symulacji układu przedstawiono na rysunku 3. Układ jest w stanie k 1 siłownik A załączony (wyłącznik krańcowy A1 załączony),zawór siłownika B załączony, siłownik B został wysunięty

5 Rys.3. Układ w stanie k 1 siłownik A i B w stanie załączenia Z przeprowadzonej symulacji wynika, że zaprojektowany układ poprawnie realizuje założony algorytm działania. 4 PROJEKTOWANIE SEKWENCYJNYCH UKŁADÓW ELEKTROPNEUMATYCZNYCH Schemat układu elektropneumatycznego przedstawiono na rysunku 4, tworzy się z dwóch drabinek stykowych z których jedna odpowiada pamięci układu, natomiast druga odpowiada sterowaniu elementami wykonawczymi współpracującymi z poszczególnymi siłownikami realizującymi algorytm. Układ elektropneumatyczny tworzy się na podstawie grafu układu z rysunku1. Siłowniki sterowane są poprzez elektrozawory, przy czym : wejście A+ wymaga realizacji funkcji iloczynu s k 1, szeregowe połączenie styków przycisku start S i styku stanu pamięci k 1, wejście B+ wymaga realizacji funkcji sumy dwóch składników (a 1 k 1 + k 3 ) ponieważ stan załączenia siłownika B występuje dwukrotnie, przy czym iloczyn a 1 k 1 to pierwszy stan pojawiający się pod wpływem szeregowego połączenie styków wyłącznika położenia siłownika A i styku stanu pamięci k 1, natomiast drugi stan załączenia siłownika B pojawia się pod wpływem styku stanu pamięci k

6 wejście B- wymaga realizacji funkcji sumy dwóch składników (k 2 + k 4 ) ponieważ stan wyłączenia siłownika B występuje dwukrotnie, równoległe połączenie styku stanu pamięci k 2 i styku stanu pamięci k 4, wejście C+ wymaga realizacji funkcji iloczynu b 0 k 2, szeregowe połączenie styków wyłącznika położenia siłownika B i styku stanu pamięci k 2 wejście C- i A- wymaga realizacji funkcji iloczynu b 0 k 4, szeregowe połączenie styków wyłącznika położenia siłownika B i styku stanu pamięci k 4. Wejścia elektrozaworów sterowane są poprzez przekaźniki pośredniczące realizujące w/w funkcje. Do sterowania cewkami zaworów użyto styków włączonych w szeregowo z cewkami i podłączonych od zasilania 12 V. Przekaźniki sterujące tymi stykami umieszczone są w drabince sterującej pokazanej na rysunku 4 po prawej stronie schematu (sterowanie). Drabinka znajdująca się po lewej stronie schematu stanowi blok pamięci. Dla sterowania pamięcią wykorzystywane są sygnały wytworzone na granicy podziału grafu. Blok pamięci tworzymy poprzez zasilanie cewek przekaźników pośredniczących sygnałami wytworzonymi na granicy podziału grafu. Z grafu układu wynika, że przełączanie pamięci zachodzi zgodnie z zależnościami:,,, Sygnały wejściowe do bloku pamięci odczytujemy z grafu, gdyż odpowiadają tym łukom, które występują na granicy podziału na grupy: sygnał e 1 generuje stan k 2 (przekaźnik k 2 ), jednocześnie kasuje stan k 1 (styk k 2 w linii przekaźnika k 1 ) sygnał e 2 generuje stan k 3 (przekaźnik k 3 ), jednocześnie kasuje stan k 2 (styk k 3 w linii przekaźnika k 2 ) sygnał e 3 generuje stan k 4, (przekaźnik k 4 ), jednocześnie kasuje stan k 3 (styk k 4 w linii przekaźnika k 3 ) sygnał e 4 generuje stan k 1 (przekaźnik k 1 ), jednocześnie kasuje stan k 4 (styk k 1 w linii przekaźnika k 4 ) Funkcja załączenia stanu musi być podtrzymywana poprzez styk stanu, który wygenerowała tzn. jeżeli sygnał e 1 = b 1 k 1 generuje stan k 2, to styk przekaźnika k 2 musi być połączony równolegle z szeregowym połączeniem styków b 1 i k 1 Aby dany stan kończył się wraz z pojawieniem się nowego stanu szeregowo z cewką poprzedniego przekaźnika, należy włączyć styk normalnie zamknięty następnego stanu przekaźnika. Dla ostatniego przekaźnika jest to styk pierwszego przekaźnika. Dzięki temu pojawienie się sygnału wywołującego przejście układu do nowego stanu spowoduje, że stan poprzedni zostanie rozwarty (kasowany).podobnie jak w układzie pneumatycznym uwzględnia się wielokrotność występowania elementu w tym samym stanie jak również wielokrotne pojawienie się sygnału związanego ze stanem tego elementu.na rysunku 4 przedstawiono wersję układu w którym zminimalizowano wielokrotność występowania styków przekaźnika położenia b o,b 1. W projektowanym układzie elektropneumatycznym wykorzystano zawory 4/2 ze sterowaniem elektrycznym. Ustawienie stanu zaworu następuje poprzez podaniem sygnału napięciowego na jego cewkę. Zanik tego napięcia utrzymuje zawór w tym samym stanie. Podanie napięcia na drugą cewkę powoduje zmianę jego stanu

7 Rys.4. Schemat układu elektropneumatycznego 5 WERYFIKACJA UKŁADU ELEKTROPNEUMATYCZNEGO Dla układu z rysunku 4 przeprowadzono symulację, której wybrany zrzut z cyklu pracy układu zaprezentowano poniżej. Symulację przeprowadzono dla całego cyklu układu wykorzystując program Fluidsim. Przedstawiony układ jest w stanie k 2 siłownik A załączony, zawór siłownika B wyłączony, następuje rozpoczęcie wsuwania siłownika B

8 Rys.5.Symulacja układu w stanie powrotu siłownika B Z przeprowadzonej symulacji wynika, że zaprojektowany układ poprawnie realizuje założony algorytm działania. WNIOSKI Algorytmiczna metoda projektowania sekwencyjnych układów sterowania przedstawia działanie układu w sposób graficzny. Sporządzony graf, opisuje funkcje przetwarzania sygnałów, które umożliwiają szybkie programowanie sekwencyjnych układów pneumatycznych i elektropneumatycznych. Układ zrealizowany w postaci drabinki pamięci oraz drabinki wykonawczej można zaimplementować do programowania sterowników PLC. Układy zaprojektowane w oparciu o metodę grafową zostały zweryfikowane, poprzez ich symulację, wykorzystując program komputerowego wspomagania projektowania FluidSim firmy Festo. Streszczenie W artykule przedstawiono algorytmiczną metodę projektowania sekwencyjnych układów sterowania. Przedstawiono proces tworzenie grafu układu. Na podstawie sporządzonego grafu, opisującego funkcje przetwarzania sygnałów, podano sposób szybkiego programowania sekwencyjnych układów pneumatycznych, elektropneumatycznych oraz omówiono weryfikację zaprojektowanych układów. Designing electro-pneumatic systems Abstract In this article the algorithmic method of designing sequence systems of control has been presented. The process of creating a system graph has been presented. On the basis of this graph which shows the functions of the processing of signals, the method of fast programming of sequence pneumatic systems, electro-pneumatic systems has been given and verification of designed systems have been discussed

9 BIBLIOGRAFIA 1. Olszewski M. i in.: Manipulatory i roboty przemysłowe. WNT, Warszawa Mierzwa Zb., Pizoń A., Szcześniak Zb., Stachowicz M. Układ automatycznego sterowania współpracą manipulatora kuźniczego z prasą hydrauliczną do kucia swobodnego. Mechanik, Warszawa nr ; str Pizoń A. Elektrohydrauliczne analogowe i cyfrowe układy automatyki WNT, Warszawa Szcześniak A., Szcześniak Zb. Signals of optoelectronic transducer processed in flip-flop circuits, Przegląd Elektrotechniczny (Electrical Review), ISSN , R.86 NR 9/2010 str Szcześniak A, Szcześniak Zb Methods and analysis of processing signals of incremental optoelectronic transducer Review of Scientific Instruments, 80, (2009),str Szcześniak Zb. Sterowanie mechanizmem jazdy manipulatora w procesie kucia swobodnego, Przegląd Elektrotechniczny (ElectricalReview), ISSN , R. 87 NR 12a/2011str Szcześniak A., Szcześniak Zb. Mikroprocesorowe przetwarzanie sygnałów optoelektronicznego przetwornika położenia. Przegląd Elektrotechniczny (ElectricalReview), ISSN , R. 85 NR 4/2009 str Szcześniak A., Szcześniak Zb. Mikroprocesorowy symulator sygnałów optoelektronicznego przetwornika położenia. Przegląd Elektrotechniczny (ElectricalReview), ISSN , R. 85 NR 8/2009 str Szcześniak Z., Woźniak K. Obróbka elektroerozyjna tendencje i kierunki rozwoju obrabiarek Przegląd Elektrotechniczny (ElectricalReview), ISSN , R.88 NR 4a/2012 str Szcześniak J, Szcześniak Zb. Algorytmiczna metoda w programowaniu układów sterowania, Przegląd Elektrotechniczny (ElectricalReview), ISSN , R. 89 NR 8/2013 str