dr hab. in. Gabriel Kost dr in. Wac aw Bana mgr in. Przemys aw Ostrowski Politechnika l ska KOMUNIKACJA KONTROLERA RJ3-IB ROBOTA FANUC ARC MATE 100IB Z INTERFEJSEM DNC OBRABIARKI POPRZEZ SIE PROFIBUS DP Streszczenie. Zastosowanie sieciowych systemów sterowania pozwala na skrócenie czasu przygotowawczo-zako czeniowego procesu produkcyjnego a tym samym na obni enie kosztów. Nowoczesne rozwi zania sieciowych systemów sterowania dzi ki swojej wielofunkcyjno ci wykraczaj poza ich pierwotne przeznaczenie, jako techniki sterowania maszynami i urz dzeniami wytwórczymi. W pracy przedstawiono po czenie obrabiarki CNC z sieci Profibus. CONNECTION THE CONTROLLER RJ3-IB OF THE ROBOT FANUC ARC MATE 100IB WITH THE INTERFACE DNC OF MACHINE TOOL BY THE USE PROFIBUS DP NET The use of the network control systems allows shortening the time of the preparation of the production process, and the same lowering their costs. The modern solutions of the network control systems thanks for their multifunctionality go behind their basic destination, as the machines control system. The connection CNC machine without Profibus DP card to the Profibus net was introduced in this work. 1. WST P Technologia sieciowych systemów sterowania rozwija si bardzo szybko i coraz cz ciej jest stosowana w nowoczesnych zautomatyzowanych elastycznych systemach produkcyjnych. Nadrz dny w ze sieci (np. komputer DNC pracuj cy jako stacja Master), zarz dza wszystkimi elementami systemu, którymi mog by np. obrabiarki z uk adem sterowania klasy CNC i roboty CNC. Wymagania stawiane wspó czesnym sieciowym systemom sterowania zaczynaj si od prostej transmisji programów NC, a ko cz si na zaawansowanych systemach informatycznych. Systemy te pozwalaj na zarz dzanie danymi produkcyjnymi zwi zanymi z niemal wszystkimi etapami wytwarzania produktu (takimi jak np. symulacje CAD/CAM, gospodarka narz dziowa, wspó praca z systemami klasy MRPII, itp.) i s bliskie idei komputerowo zintegrowanego wytwarzania. 2. PRZEGL D DOST PNYCH INTERFEJSÓW KOMUNIKACYJNYCH TOKARKI EMCO CONCEPT TURN 155 Rozwi zanie problemu zdalnego sterowania urz dzeniami technologicznymi za pomoc sieciowych systemów sterowania, przedstawiono w kilku wariantach pod czenia tokarki Concept TURN 155, do funkcjonuj cej ju sieci PROFIBUS - DP w pracowni Instytutu Automatyzacji Procesów Technologicznych i Zintegrowanych Systemów Wytwarzania. Uk ad sterowania obrabiarki zbudowany jest na bazie karty PC, która zawiera uk ady wej / wyj sterowania sprz towego, natomiast funkcje sterownika CNC (NC, PLC) przej a specjalnie do tego celu opracowana aplikacja WinNC pracuj ca w rodowisku systemu Windows. Program WinNC jest niczym innym jak emulatorem uk adów sterownia numerycznego, w tym konkretnym przypadku SINUMERIK 840D. Zastosowany automation 2010 135
w omawianym modelu maszyny uk ad sterowania zosta pozbawiony mo liwo ci zainstalowania w nim protoko u PROFIBUS DP. Uk ad sterowania SINUMERIK 840D firmy SIEMENS mo na doposa y w modu PROFIBUS - DP. Omawiana tokarka jest wyposa ona w dwa inne interfejsy komunikacyjne, umo liwiaj ce zdalne sterowanie maszyn. Pierwszym z nich jest karta I/O sterownika CNC przedstawiona na rys. 1. Umo liwia on wspó prac maszyny z innymi urz dzeniami lub maszynami np. robotem przemys owym, pracuj cymi w elastycznych systemach produkcyjnych. Rys. 1. Widok szafy sterowniczej obrabiarki wraz z zamontowan kart multi I/O Obs uga fizycznych wej /wyj karty rys.1 za pomoc urz dze zewn trznych, realizowana jest poprzez wysy anie impulsów elektrycznych, trwaj cych minimum 1 sekund. Sygna y wej ciowe pozwalaj na zdalne sterowanie maszyn, za sygna y wyj ciowe informuj urz dzenie zewn trzne o aktualnym stanie tokarki (np. tryb automatycznej pracy jest aktywny, maszyna zosta a zreferowana i jest gotowa do pracy itd.). Karta ta jest narz dziem pozwalaj cym na automatyzacj procesu wytwarzania, poprzez zdalne sterowanie dodatkowymi urz dzeniami tokarki takimi jak np. pneumatyczne drzwi, pneumatyczny konik tokarski, pneumatyczny uchwyt trójszcz kowy [1]. Drugim interfejsem komunikacyjnym jest interfejs DNC. Poza funkcjami dost pnymi równie z poziomu karty multi I/O [7], jak np. uruchomienie i zatrzymanie programu NC, w czenie i wy czenie serwonap dów maszyny, najazd g owicy narz dziowej na punkty referencyjne maszyny, sterowanie urz dzeniami peryferyjnymi (np. pneumatyczny konik, czy uchwyt tokarski trójszcz kowy). Interfejs DNC umo liwia dodatkowo transmisj danych technologicznych pomi dzy komputerem DNC a uk adem sterowania maszyny. S to g ównie programy NC, parametry narz dzi skrawaj cych (np. ich po o enie w g owicy rewolwerowej), komunikaty dotycz ce stanu konfiguracji systemu, dane do pozycjonowania osi sterowanych numerycznie, czy te informacje dotycz ce po o enia miejsca zerowego maszyny. Interfejs DNC jest wykorzystywany g ównie przy organizacji Elastycznych Systemów Wytwarzania i umo liwia realizacj po czenia pomi dzy komputerem nadrz dnym i komputerem uk adu sterowania maszyny NC [2]. Po czenie pomi dzy uk adem sterowania 136 automation 2010
maszyny a komputerem mo e by zrealizowane z wykorzystaniem oprogramowanego cza szeregowego RS-232C (komunikacja ukierunkowana), protoko u TCP/IP / Ethernet, lub USB (komunikacja warstwowa o strukturze blokowej). Zdalne sterowanie tokark CNC firmy EMCO w trybie DNC jest realizowane poprzez wysy anie ramek danych, zawieraj cych rozkazy steruj ce maszyn. Inicjalizacja trybu DNC polega na wys aniu z komputera DNC do komputerowego uk adu sterowania tokarki pakietu inicjuj cego, sk adaj cego si z nag ówka, zawieraj cego rozkaz przej cia w tryb DNC i danych steruj cych. Jest to pierwszy rozkaz, po wys aniu którego sterownik CNC jest prze czany w automatyczny tryb pracy, wy wietlaj c na ekranie pulpitu sterowniczego maszyny symbol DNC - rys. 2. Rys. 2. Okno programu WinNC informuj ce o aktywowanym trybie DNC i uruchomieniu automatycznego trybu pracy maszyny Realizacja sieciowego systemu sterowania tokark CNC w trybie DNC odbywa si poprzez dost pne, opatrzone procedur kontroln cze szeregowe RS-232C[3]. 3. ANALIZOWANE SPOSOBY POD CZENIA TOKARKI EMCO CONCEPT TURN 155 DO SIECI PROFIBUS DP Wymienione interfejsy obrabiarki umo liwiaj po czenie z innymi urz dzeniami, które maj wbudowany interfejs protoko u PROFIBUS - DP. Zatem zdalne sterowanie maszyn poprzez sie przemys ow PROFIBUS, jest realizowane w sposób po redni za pomoc dodatkowego sprz tu. 3. 1. Pod czenie maszyny do sieci za pomoc komputera klasy PC, wyposa onego w kart protoko u PROFIBUS DP Na rys. 3 przedstawiono struktur systemu zdalnego sterowania maszyn CNC, w której wykorzystano komputer PC jako stacj DP Slave, z zainstalowan kart PROFIBUS - DP firmy Softing. automation 2010 137
PROFIboard Rys. 3. Struktura systemu sterowania wykorzystuj cego komputer PC jako stacj DP Slave z zainstalowan kart PROFIBUS - DP firmy Softing W z em nadrz dnym typu DP Master w omawianej sieci przemys owej jest jeden z dwóch kontrolerów manipulatorów robotów przemys owych. Kontroler ten jest wyposa ony w kart interfejsu PROFIBUS Master, która jest zainstalowana w jednym z wolnych slotów sterownika R-J3iB. Drugi za z kontrolerów zosta zaopatrzony w kart DP Slave. Do sieci pod czony jest tak e przemiennik cz stotliwo ci firmy SEW Eurodrive, pracuj cy równie jako stacja DP Slave (ma on ju wbudowany interfejs PROFIBUS-DP). Karta ProfiBoard firmy Softing umo liwia funkcjonowanie komputera jako stacji DP Master lub DP Slave. Przy takim rozwi zaniu sieciowego systemu sterowania do obs ugi protoko u Profibus-a w PC, niezb dne jest napisanie specjalnej aplikacji, która umo liwi realizacj komunikacji PC z kontrolerem robota, jako stacji DP - Slave lub DP Master. W przedstawionym na rys. 3 rozwi zaniu, komputer PC jest stacj DP Slave dla kontrolera RJ3-iB pe ni cego funkcje Mastera sieci. Z kolei dla komputerowego uk adu sterowania obrabiarki CNC (Slave), PC pe ni funkcje nadrz dnego komputera DNC (Master). W komputerze DNC musi by zainstalowana aplikacja przeznaczona zarówno do obs ugi sieci PROFIBUS, jak i interfejsu DNC sterownika CNC. Dodatkowo program powinien zawiera podstawowe parametry komunikacyjno-konfiguracyjno urz dzenia takie jak adres stacji DP Slave w sieci, liczba we/wy. urz dzenia, typ urz dzenia, informacje diagnostyczne, które s odczytywane przez stacj DP Master itd. Dane te s niezb dne do prawid owej parametryzacji PC z kart Softing w stacji DP Master. Pogram musi mie równie zaimplementowan bibliotek wszystkich dost pnych rozkazów steruj cych maszyn w trybie DNC. Wymiana danych pomi dzy kontrolerem robota, a kart Softing odbywa si za po rednictwem cyfrowych we/wy ich interfejsów PROFIBUS-DP. Komunikacja w trybie DNC pomi dzy CNC a PC jest realizowana przy u yciu magistrali szeregowej RS-232C. 138 automation 2010
Sterownie obrabiark przebiega w nast puj cy sposób: 1. Ze stacji master, sieci PROFIBUS przesy ane s odpowiednie stany wirtualnych wyj do karty Profiboard. 2. Algorytm przygotowanej aplikacji analizuje otrzymane sygna y, a nast pnie odczytuje z wewn trznej biblioteki odpowiadaj cy danemu sygna owi rozkaz. 3. Rozkaz ten jest transmitowany z komputera DNC za po rednictwem cza szeregowego do obrabiarki. 4. Uk ad sterowania po wykonaniu lub nie wykonaniu tego rozkazu odpowiada sygna em potwierdzenia w postaci pakietu danych. 5. W zale no ci od tre ci pakietu komputer wysy a odpowiedni stan na wyj cia karty Softing. 6. Stan ten przesy any jest za po rednictwem sieci PROFIBUS na odpowiednie wej cie stacji DP Master. Przy takim rozwi zaniu sieciowego systemu sterowania obiektem technologicznym, jakim jest omawiana obrabiarka CNC, istnieje dodatkowo mo liwo transmisji danych produkcyjnych w postaci programów obróbkowych, parametrów narz dzi skrawaj cych, danych do pozycjonowania osi sterowanych numerycznie, czy te informacji dotycz cych po o enia miejsca zerowego maszyny. Opisana konfiguracja systemu umo liwia równie wspó prac z zaawansowanymi programami klasy CAD/CAM. Po zamodelowaniu elementu obrabianego, w module programu przeznaczonym do przygotowania procesu wytwarzania s generowane programy obróbkowe w postaci kodów alfanumerycznych. Programy te s nast pnie transmitowane przemys ow sieci Ethernet do komputera DNC, sk d s wysy ane do sterownika CNC. Opisana aplikacja i konfiguracja sieciowego systemu sterownia oraz dost pne funkcje interfejsów komunikacyjnych obrabiarki mog by wykorzystane przy opracowywaniu dostosowanego do indywidualnych potrzeb systemu SCADA, z mo liwo ci jego dalszej rozbudowy. 3. 2. Pod czenie obrabiarki CNC do sieci PROFIBUS DP za po rednictwem inteligentnego modu u rozproszonych wej /wyj Kolejny wariant po czenia obrabiarki CNC do sieci PROFIBUS zak ada zastosowanie uk adów rozproszonych wej /wyj. Rys. 4 przedstawia konfiguracj takiego systemu z wykorzystaniem inteligentnego modu u we/wy ET200M firmy Siemens. Obs uga magistrali systemowej dla uk adu ET200M, realizowana jest poprzez interfejs komunikacyjny PROFIBUS - DP IM 151-7F [5]. Stacja Master (kontroler R-J3iB) steruje obrabiark za po rednictwem w z a DP Slave, którym jest modu rozproszonych wej /wyj. Modu I/O jest pod czony do fizycznych we/wy karty I/O sterownika CNC, znajduj cego si w szafie sterowniczej tokarki. Sterowanie maszyn polega na wys aniu sygna u w postaci 0.5 s. impulsu z kontrolera R-J3iB, na odpowiednie wyj cie modu u rozproszonych I/O. Nast pnie impuls podawany jest na wej cie karty I/O sterownika CNC. Odpowied uk adu sterowania tokarki z wyj cia karty I/O sterownika CNC jest przesy ana do Mastera DP, za po rednictwem inteligentnego modu u rozproszonych wej /wyj. automation 2010 139
ET200 Rys. 4. System sterowania wykorzystuj cy stacj wej /wyj rozproszonych Wymiana danych w postaci impulsów elektrycznych pomi dzy urz dzeniami jest realizowana bez jakichkolwiek opó nie. Do konfiguracji tego typu stacji DP Slave nie jest wymagane adne narz dzie konfiguracyjne a parametryzacja urz dzenia odbywa si w sposób automatyczny. 3.3. Zastosowanie inteligentnej bramki XPS-E Trzeci wariant (rys. 5) zak ada wykorzystanie inteligentnej bramki XPS-E firmy Comsoft do sterowania obrabiark. XPS-E umo liwia pod czenie do sieci PROFIBUS - DP urz dze, które nie posiadaj interfejsu Profibus - ale za to s wyposa one w cza szeregowe RS-232 lub RS-422 / 485. Do parametryzacji urz dzenia nie jest potrzebne adne narz dzie konfiguracyjne, a adres stacji jest ustawiany poprzez dwa prze czniki koduj ce umieszczone z przodu urz dzenia. Transmisja danych poprzez XPS-E polega na przesy aniu ramki sk adaj cej si z maksymalnie 240 bajtów, z których pierwsze 3 to bajty nag ówka, pozosta e za 237 bajtów reprezentuj przesy ane dane [4]. Tabela 1. Format pakietu u ywanego do przesy ania danych z DP Master do urz dzenia wyposa onego w cze szeregowe np. RS-232C [4]. Numer bajtu Element ramki 1 Numer pro by (Tylko w trybie Request) 2 Wysy any numer pro by 3 Liczba przesy anych danych 4 4+N Transmitowane dane 140 automation 2010
Tabela 2. Format ramki u ywanej do przesy ania danych z magistrali szeregowej np. RS-232C do stacji DP Master [4]. Numer bajtu Element ramki 1 Status urz dzenia XPS-E 2 Otrzymany numer potwierdzenia z XPS-E 3 Liczba przesy anych danych 4 4+N Transmitowane dane u ytkownika XPS - E Rys. 5. Konfiguracja sieciowego systemu sterowania tokark Concept TURN 155, z wykorzystaniem inteligentnej bramki XPS-E Struktura ramki, która jest wykorzystywana przy transmisji danych poprzez urz dzenie Comsoft, jest przedstawiona w tabelach 1 i 2. Kontroler robota przemys owego (DP Master) przesy a dane w postaci liczb do bufora XPS-E (DP Slave) poprzez wbudowany w nim protokó Profibus DP. Nast pnie dane przesy ane s czem szeregowym RS-232C, do komputera z wgran bibliotek rozkazów do obs ugi interfejsu DNC tokarki. Komputer ma za zadanie przesy a te rozkazy do uk adu sterowania CNC obrabiarki EMCO (równie magistral szeregow ), sk d nast pnie t sam drog s transmitowane odpowiedzi sterownika CNC do DP Master-a. 3. 4. Sieciowy system sterowania obrabiark CNC z nadrz dnym sterownikiem PLC Kolejne rozwi zanie to wykorzystanie nadrz dnego sterownika PLC (DP Master) - rys. 6, który zarz dza ca ym zrobotyzowanym gniazdem produkcyjnym oraz przejmuje funkcje komputera DNC. Pakiety wykorzystywane do zdalnego sterowania obrabiark s przesy ane z w z a DP Master magistral PROFIBUS DP do stacji DP Slave (bramka XPS-E). Dalej w postaci kolejnej ramki s przesy ane do komputerowego uk adu sterowania tokarki. automation 2010 141
S7 300 CPU 314C-2 DP XPS - E Rys. 6. Struktura sieciowego systemu sterowania z nadrz dnym sterownikiem PLC Mo liwe jest te pod czenie sterownika PLC do karty I/O obrabiarki CNC. Wówczas sterowanie maszyn b dzie realizowane w podobny sposób, jak opisano w punkcie 3.2. 3. 5. Zastosowanie sterownika S7-200 w sterowaniu tokark CNC w sieci przemys owej PROFIBUS DP Pi ta koncepcja - rys. 7, zak ada wykorzystanie sterownika PLC serii SIMATIC S7-200 z procesorem CPU 215-2 DP do zdalnego sterowania tokark CNC. Stacj DP Master w sieci jest kontroler R-J3iB manipulatora robota przemys wego Fanuc ARC-Mate 100iB, który jest po czony ze sterownikiem PLC serii SIMATIC S7-200 poprzez wbudowany w nim interfejs protoko u PROFIBUS DP. Sterownik S7-200 w procesowej sieci polowej mo e funkcjonowa tylko i wy cznie jako stacja DP Slave. Oprócz portu PROFIBUS DP, który mo e pracowa z pr dko ci od 9600 baud do 12 Mbaud, jednostka S7-200 jest wyposa ona w drugi port komunikacyjny umo liwiaj cy programowanie sterownika poprzez magistrale RS - 485 [5]. W aplikacji ten port jest wykorzystany do komunikacji z komputerowym uk adem sterowania obrabiarki EMCO Concept TURN 155 poprzez jej cze RS - 232C. Kontroler robota komunikuje si ze sterownikiem PLC magistral PROFIBUS DP za pomoc odpowiednio skonfigurowanej grupy cyfrowych wyj. Ka dej liczbie w obszarze pami ci S7 200 zosta przypisany rozkaz steruj cy obrabiark CNC poprzez jej interfejs DNC. Rozkazy te w postaci pakietów ze strownika PLC poprzez uruchomiony w trybie Freeport port komunikacji szeregowej s przesy ane do uk adu sterowania obrabiarki. Nast pnie sterownik CNC odpowiada wysy aj c t sam droga informacj w postaci ramki. W zale no ci od tre ci tej informacji, ze sterownika do kontrolera R-J3iB wysy any jest odpowiedni stan wej. 142 automation 2010
S7 200 CPU 215-2DP Konwerter RS-232 <-> RS-485 Rys. 7. Struktura sieciowego systemu sterowania ze sterownikiem PLC jako stacj DP Slave Sterownik S7-200 wyposa ony jest w RS-485 a obrabiarka w RS-232C dlatego do komunikacji pomi dzy tymi urz dzeniami konieczne jest zastosowanie konwertera sygna ów RS-232C<->RS-485. Konwerter ten s u y do zamiany poziomów napi cia pomi dzy standardami RS232 a RS485. Urz dzenie to ma wbudowany automatyczny prze cznik nadawania i odbioru danych, którego zadaniem jest zdalne prze czanie konwertera w tryb nadawania tylko na czas nadawania, a potem prze czanie go w tryb odbioru, aby nie zajmowa linii transmisyjnych [6]. Wariant ten zak ada wykorzystanie sterownika PLC do zdalnego sterownia obrabiark w trybie automatycznym, jako komputera DNC. Niestety tryb DNC dla obrabiarki Concept TURN 155 ze sterowaniem komputerowym SINUMERIK 840D, ze wzgl dów bezpiecze stwa nie pozwala na obs ug automatycznych drzwi. Dlatego zaproponowano rozwi zanie hybrydowe polegaj ce na jednoczesnym wykorzytaniu przez S7 200 CPU 215-2DP interfejsu DNC i karty I/O sterownika CNC do sterowania tokark, przy czym ten drugi jest u ywany tylko do otwierania i zamykania drzwi obrabiarki oraz odczytywania ich aktualnego stanu. Sterowanie fizycznymi I/O sterownika CNC zapomoc kontrolera robota przemys owego, odbywa si w ten sam sposób jak obs uga interfejsu DNC, z t ró nic, e w pami ci CPU liczbom dziesi tnym przypisano nie rozkazy DNC a stany poszczególnych wyj. automation 2010 143
4. PODSUMOWANIE Stosowanie sieciowych systemów sterowania obiektami technologicznymi w elastycznych systemach produkcyjnych pozwala znacznie usprawni produkcj, przez zastosowanie jednego wspólnego protokó u komunikacyjnego np. PROFIBUS DP we wszystkich urz dzeniach pracuj cych w sieci, a przez to upro ci procedur konfiguracji urz dze i utrzymania ruchu oraz zmniejszy podatno systemu na b dy. Zaproponowane i zrealizowane systemy rozproszonego sterowania urz dzeniami w omawianej sieci przemys owej umo liwiaj równie obs ug wielu sterowników CNC, synchronizacj pracy ró nych maszyn w elastycznych systemach obróbkowych, a tak e przygotowanie i skontrolowanie maszyny do pracy np. referowanie maszyny, wybór i uruchomienie programu obróbkowego na maszynie oraz dost p do raportów diagnostycznych wszystkich urz dze typu Slave, w tym obrabiarki CNC z poziomu stacji DP Master. Spo ród wszystkich zaproponowanych wariantów, najbardziej kompleksowym rozwi zaniem wydaje si propozycja opisana w punkcie 3.1 ze wzgl du na du o wi ksze mo liwo ci rozbudowy systemu poprzez zmian roli komputera PC DP Slave na komputer DNC DP Master zarz dzaj cy ca ym gniazdem obróbkowym, a nie tylko tokark CNC. W przypadku tego rozwi zania istnieje mo liwo zarz dzania, przechowywania i transmisji programów NC oraz danych dotycz cych narz dzi skrawaj cych z komputera DNC do uk adu sterowania obrabiarki i odwrotnie. Rozbudowa systemu w takiej konfiguracji pozwala dodatkowo na: integracj systemu z programami CAD/CAM i systemami klasy MRPII oraz zarz dzanie dokumentacj konstrukcyjn i technologiczn. Opracowane systemy rozproszonego sterowania obrabiarkami s rozwi zaniami hybrydowymi wymagaj cymi zastosowania protoko u PROFOIBUS DP i cza RS-232 lub karty I/O a w niektórych przypadkach obu interfejsów komunikacyjnych tokarki CNC. Podstawowym problemem przy organizacji elastycznych systemów wytwarzania jest fakt, i sterowniki CNC s uk adami zamkni tymi o ograniczonej mo liwo ci ingerencji u ytkownika dlatego we wszystkich rozwi zaniach konieczne jest zastosowanie do sterowania tokark dodatkowego urz dzenia. 5. LITERATURA 1. EMCO Robotic Interface, Operation Manual, EMCO MAIER, 2003. 2. EMCO Description of the DNC interface for machines with Sinumerik 840d PC control (Binary format), EMCO MAIER, 2003. 3. EMCO Description of the DNC interface for machines with Sinumerik 840d PC control (reduced ASCII format), EMCO MAIER, 2004. 4. User manual PROFIBUS DP - RS232 RS422 Gateway, COMSOFT, 1999. 5. SIEMENS, http://www.siemens.com/automation. 6. Klocki RS485, cz 1 - Elektronika praktyczna 6/2003. 7. Kost G., wider J., Reclik D.: Integracja informacyjna systemu wytwórczego oparta na sieci PROFIBUS DP. XII Konferencja Naukowo Techniczna AUTOMATION 2008. 144 automation 2010