Система управления робототехнологическим комплексом КЕ2130Б - Циклон-3Б

Оглавление

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Автоматизация кузнечно - прессового производства осуществляется путем создания роботизированных комплексов. Робототехнологический комплекс мод. КЕ2130Б - Циклон-3Б был разработан для автоматизации процесса холодной штамповки. В настоящее время данный комплекс еще встречается на производстве, но, учитывая развитие технологий в области автоматизации, оборудование, которое использовалось для управления комплексом устарело. Для возможности дальнейшего использования данного комплекса и для его усовершенствования необходимо модифицировать систему управления. Для этой цели был выбран вариант реализации системы управления на базе программируемого логического контроллера. Возможность визуализации действий, происходящих во время работы РТК, и возможность диспетчерского управления реализуются на базе ЭВМ с соответствующим программным обеспечением. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Описание объекта автоматизации и задачи управления

Робототехнологический комплекс (РТК) мод. КЕ2130Б - Циклон-3Б предназначен для штамповки малогабаритных деталей сложной формы из штучных листовых заготовок массой до 3 кг. Планировка рассматриваемого РТК представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Планировка РТК

На рисунке  цифрами обозначены:

1. Промышленный робот модель Циклон-3Б (2 шт.);
2. Пресс однокривошипный модель К2130Б (2 шт.);
3. Пульт управления (2 шт.);
4. Магазинное устройство (1 шт.);
5. Промежуточное устройство  (1 шт.);
6. Приемное устройство (1 шт.);
7. Роликовый конвейер (2 шт.);
8. Пульт управления (2шт.).

В составе робототехнический  линии состоят два автоматизированных пресса модели К2130Б, работающих параллельно и обслуживаемые двурукими промышленными роботами Циклон-3Б. Промышленный робот в составе комплекса выполняет операции по перемещению заготовок и деталей между штампами прессов и удаление деталей. Заготовки поштучно подаются загрузочным устройством на позицию захвата их ПР1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Разработка функциональной схемы автоматизации

Функциональная  схема автоматизации представлена на чертеже

КР.2068998.26.06.00.00.000.С2. Перечень элементов к схеме - на чертежеКР.2068998.26.06.00.00.000.ПЭ.

Для автоматизации  управления робототехнологическим  комплексом в проекте предусмотрены  измерительные и исполнительные устройства. Сигналы с измерительных устройств поступают в программируемый логический контроллер (ПЛК), где обрабатываются и ПЛК вырабатывает управляющее воздействие, поступающее на исполнительные устройства.  Так же сигналы с измерительных  устройств поступают на АРМ оператора, где производится отображение поступившей информации и ее регистрация.   

Управление двигателем М1 пресса №1 осуществляется через электромагнитный контактор К2 2-5, для этого используется информация, поступающая с датчиков GE3-1, GE4-1.

Управление  двигателем М2 пресса №2 осуществляется через электромагнитный контактор К3 3-5, используется информация, поступающая с датчиков GE9-1, GE10-1.

Управление  двигателем М3 шиберного питателя осуществляется через электромагнитный контактор К1 1-5, используется информация, поступающая с датчика GE1-1.

Управление движением рук манипулятора №1 влево осуществляется через электромагнитный распределитель Y2 6-5, используется информация, поступающая с датчика GE5-1.

Управление движением рук манипулятора №1 вправо осуществляется через электромагнитный распределитель Y4 8-5, используется информация, поступающая с датчика GE8-1.

Управление подъемом промышленного робота №1 осуществляется через электромагнитный распределитель Y3 7-5, используется информация, поступающая с датчиков  GE6-1, GE7-1.

Управление схватами промышленного робота №1 осуществляется через электромагнитные распределители Y1 5-5, Y5 9-5, используется, информация поступающая с датчика GE1-1.

датчика GE1-1.

Управление движением рук манипулятора №2 влево осуществляется через электромагнитный распределитель Y7 11-5, используется информация, поступающая с датчика GE12-1.

Управление  движением рук манипулятора №2 вправо осуществляется через электромагнитный распределитель Y9 13-5, используется информация, поступающая с датчика GE15-1.

Управление  подъемом промышленного робота №2 осуществляется через электромагнитный распределитель Y8 12-5, используется информация, поступающая с датчиков  GE13-1, GE14-1.

Управление  схватами промышленного робота №2 осуществляется через электромагнитные распределители Y6 10-5, Y10 14-5, используется, информация поступающая с датчика GE16-1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Разработка структурной  схемы системы управления

Структурная схема  системы управления представлена на чертеже

КР.2068998.26.06.00.00.000.Э1. Перечень элементов к схеме - на чертеже КР.2068998.26.06.00.00.000.ПЭ.

Основой  разрабатываемой САУ является набор аппаратных средств фирмы ОВЕН и программных средств управления CoDeSys.

Выбор именно этого ПЛК обусловлен следующими его преимуществами: Программируемый логический контроллер ОВЕН ПЛК110 выпускается в компактных корпусах и может использоваться для решения широкого спектра задач по автоматизации технологических процессов любой сложности. Это достигается за счет:

• поддержкой разнообразных стандартных интерфейсов и протоколов связи;
• большого количества дискретных входных и выходных сигналов на борту;
• возможность расширения входов и выходов ( как дискретных, так и аналоговых, путем подключения модулей ввода/вывода, в том числе сторонних производителей);
• возможность подключения средств отображения ( индикаторных панелей, компьютеров и другого оборудования);
• надежной среды программирования CODESYS с библиотеками функциональных блоков ( ПИД-регулятор с автонастройкой, блок управления 3-х позиционными задвижками и т.д.), диск с полнофункциональным дистрибутивом входит в комплект поставки;
• встроенных часов реального времени и встроенного аккумуляторного источника резервного питания.
• программирование контроллера осуществляется в профессиональной, распространенной среде CoDeSys v.2.3.x, максимально соответствующей стандарту МЭК 61131

Среди других производителей отечественная фирма ОВЕН выгодно отличается наличием подробной технической документации для всех видов своего оборудования на русском языке, что значительно упрощает разработку АСУ, монтаж и эксплуатацию этого оборудования.

Структуру системы  управления можно условно разделить  на 2 уровня:

• Верхний уровень управления
• Нижний уровень управления

На верхнем  уровне реализуется система визуализации и управления. На нижнем уровне управления осуществляется сбор информации от датчиков, установленных по месту; обработка и передача информации на АРМ; прием информации с АРМ и формирование управляющих воздействий.

Нижний уровень  управления представляет собой программируемый логический контроллер ОВЕН 110-32. Данный контроллер имеет модульную архитектуру. Комплектация устройств, входящих в состав ПЛК, подбирается в соответствии с необходимыми характеристиками.

В рассматриваемой  системе контроллер имеет следующую  комплектацию: центральный процессор CPU RISC - ARM9, модуль ввода/вывода дискретных сигналов, стабилизированный блок питания 24 В для контроллера.

Встроенной  памяти центрального процессора объемом 128 Кбайт [6] с запасом хватает для решения данной задачи.

Центральный процессор CPU оснащен разъемом для непосредственного подключения к сети стандарта Industrial Ethernet.

Данный центральный  процессор может обеспечить потребности системы в мощности без использования дополнительных источников питания [6,7].

Подключение путевых  конечных выключателей осуществляется к модулю ввода дискретных сигналов:

GE 1-1 - контакт 1; GE2-1 - контакт 2; GE3-1 - контакт 3; GE4-1 - контакт 4; GE5-1 - контакт 5; GE6-1 - контакт 6; GE7-1 - контакт 7; GE8-1 - контакт 8; GE9-1 - контакт 9; GE10-1 - контакт 10; GE11-1 - контакт 11; GE12-1 - контакт 12; GE13-1 - контакт 13; GE14-1 - контакт 14; GE15-1 - контакт 15; GE 16-1 –контакт 16, GE 17-1 –контакт 17.

Поступившие сигналы на  модуль ввода преобразуются, передаются по внутренней шине контроллера в центральный процессор. Центральный процессор обрабатывает полученные сигналы, вырабатывает управляющие воздействия, которые по внутренней шине контроллера передаются в модуль вывода дискретных сигналов, а также осуществляет обмен информацией с ЭВМ верхнего уровня по сети стандарта Industrial Ethernet. В модуле вывода сигналы, полученные от центрального процессора, преобразуются и передаются на исполнительные механизмы.

Подключение исполнительных механизмов производится к модулю вывода дискретных сигналов:

Y1 5-5 - контакт 1; Y2 6-5 - контакт 2; Y3 7-5 - контакт 3; К3 3-5 - контакт 4; К2 2-5 - контакт 5; К1 1-5 - контакт 6; Y4 8-5 - контакт 7; Y5 9-5 - контакт 8; Y6 10-5 - контакт 9; Y7 11-5 - контакт 10; Y8 12-5 - контакт 11; Y9 13-5 - контакт 12; Y10 14-5 - контакт 13.

Стабилизированный блок питания  предназначен для преобразования входного напряжения ~220 - 230 В в выходное напряжение = 24В.

В качестве верхнего уровня системы управления используется АРМ оператора. Рабочая станция - персональный компьютер, выполненный в промышленном исполнении. К компьютеру подключается внешнее запоминающее устройство, и монитор. Для подключения ЭВМ к сети стандарта Industrial Ethernet, необходимо дополнительно установить коммуникационный процессор CP 343S TCP/IP  [7].

Industrial Ethernet - это мощная сеть верхнего уровня управления, соответствующая международным стандартам IEEE 802.3 (Ethernet, 10Мбит/с) и IEEE 802.3u (FastEthernet, 100Мбит/с).

Выбор данной сети обусловлен следующими факторами: Ethernet - самый распространенный и практически универсальный международный сетевой стандарт. Поддерживает передачу больших объемов данных с высокой скоростью. 

 

4. Алгоритмизация процесса  управления

Алгоритм работы системы управления можно представить  в виде двух отдельных частей:

1. Инициализации системы
2. Работы системы в автоматическом режиме

При разработке алгоритмов для каждой части используется метод конечного автомата. Для  этого выделены входные сигналы, выходные сигналы и состояния, в которых может находиться система.

При инициализации  системы используются следующие  входные сигналы:

1. Х1- включение ПЛК
2. Х2-запуск SCADA
3. Х3-сбой ПЛК
4. X4-сбой SCADA
5. X5-ПЛК готов
6. X6-SCADA готова
7. X7-наладочный режим
8. X8-автоматический режим

При этом система  может находится в 9 состояниях:

1. S1 - Исходное состояние
2. S2 - Инициализация ПЛК
3. S3 - Тест системы
4. S4 - Неисправность ПЛК
5. S5 - Сбой Scada
6. S6 - Оценка результатов
7. S7 –выбор режима
8. S8 –наладочный режим
9. S9- автоматический режим

Управляющие сигналы  на выходе:

1. Y1 - Индикация включения ПЛК
2. Y2 - Индикация тестирования
3. Y3 - Неисправность ПЛК
4. Y4–сбой SCADA
5. Y5–индикация режима
6. Y6- экран наладочного режима
7. Y7 –основной экран SCADA
8. Y8–тест успешен
9. Y9 – меню режимов

 

Логические  связи между сигналами и состояниями:

1. В исходном состоянии ЭВМ включена и запущена операционная система, ПЛК выключен;
2. Контроллер включается в ручную, при включении происходит автоматическое тестирование контроллера;
3. Если тест успешен то ПЛК переходит в режим ожидания команды от верхнего уровня и формирует признак готовности к работе;
4. Если тест неудовлетворителен то формируется признак неисправности и работа останавливается;
5. Запуск SCADAсистемы на ЭВМ осуществляет оператор, при запуске система тестируется;
6. Если тесты ПЛК и SCADA успешны то система переходит в режим ожидания команды от верхнего уровня;
7. SCADAсистема выводит меню для выбора режима работы, система переходит в режим ожидания;
8. При выборе наладочного режима работы запускается ПОналадочного режима и выводится меню;
9. При выборе автоматического режима работы система выводит основной экран SCADA и запускает управляющую программу контроллера;

Составим конечный автомат для системы управления РТК в соответствии с приведенными описаниями сигналов и состояний. Схема конечного автомата приведена на рис. 2, при этом сигналам и состояниям присвоены символические имена.

Рис. 2. Схема конечного автомата

 

Словесные описания связей между сигналами и состояниями  отображаются в таблице переходов (табл. 1) и таблице выходов (табл. 2).

Табл. 1 Таблица  переходов

f x	S
	S1	S2	S3	S4	S5	S6	S7	S8	S9
X1	S2	-	-	-	-	-	-	-	-
X2	S3	-	-	-	-	-	-	-	-
X3	-	S4	-	-	-	-	-	-	-
X4	-	-	S5	-	-	-	-	-	-
X5	-	S6	-	-	-	-	-	-	-
X6	-	-	S6	-	-	-	-	-	-
X7	-	-	-	-	-	-	S8	-	-
X8	-	-	-	-	-	-	S9	-	-
X5&X6	-	-	-	-	-	S7	-	-	-

 

 

Табл. 2 Таблица выходов

f x	S
	S1	S2	S3	S4	S5	S6	S7	S8	S9
X1	Y1	-	-	-	-	-	-	-	-
X2	Y2	-	-	-	-	-	-	-	-
X3	-	Y3	-	-	-	-	-	-	-
X4	-	-	Y6	-	-	-	-	-	-
X5	-	Y5	-	-	-	-	-	-	-
X6	-	-	Y8	-	-	-	-	-	-
X7	-	-	-	-	-	-	Y6	-	-
X8	-	-	-	-	-	-	Y7	-	-
X5&X6	-	-	-	-	-	Y9	-	-	-

 

 

С использованием схемы конечного автомата и таблиц переходов и выходов составляется граф функционирования конечного автомата (рис. 3)

 

Рис. 3. Граф функционирования конечного автомата

 

Рассмотрим  работу системы в автоматическом режиме.

 

Входными сигналами  будут сигналы поступающие с  датчиков:

1. Е1 - Датчик наличия заготовки GE 1-1
2. Е2 - Путевой конечный выключатель GE2-1
3. Е3 - Путевой конечный выключатель GE3-1
4. Е4 - Путевой конечный выключатель GE4-1
5. Е5 - Путевой конечный выключатель GE5-1
6. Е6 - Путевой конечный выключатель GE6-1
7. Е7 - Путевой конечный выключатель GE7-1
8. Е8 - Путевой конечный выключатель GE8-1
9. Е9 - Путевой конечный выключатель GE9-1
10. Е10 - Путевой конечный выключатель GE 10-1
11. Е11 - Путевой конечный выключатель GE 11-1
12. Е12 - Путевой конечный выключатель GE 12-1
13. Е13 - Путевой конечный выключатель GE 13-1
14. Е14 - Путевой конечный выключатель GE 14-1
15. Е15 - Путевой конечный выключатель GE 15-1
16. Е16 - Датчик наличия детали GE 16-1
17. Е17 - Датчик наличия детали GE 17-1
18. «Старт»- кнопка запуска

 

Выходные сигналы - сигналы, поступающие из системы управления на исполнительные механизмы, а также сообщения, выдаваемые системой оператору:

1. К1 - Сигнал на электромагнитный контактор К1
2. К2 - Сигнал на электромагнитный контактор К2
3. К3 - Сигнал на электромагнитный контактор К3
4. К4 - Сигнал на электромагнит Y1
5. К5 - Сигнал на электромагнит Y2
6. K6 - Сигнал на электромагнит Y3
7. K7 - Сигнал на электромагнит Y4
8. K8 - Сигнал на электромагнит Y5
9. K9 - Сигнал на электромагнит Y6
10. K10 - Сигнал на электромагнит Y7
11. K11 - Сигнал на электромагнит Y8
12. K12 - Сигнал на электромагнит Y9
13. K13 - Сигнал на электромагнит Y10
14. «Процесс»- индикация работы

 

Система может  находиться в следующих состояниях:

1. S1 - поворот ПР1 в левое положение
2. S2 - сжим схвата ПР1
3. S3 - подъем ПР1
4. S4 - поворот ПР1 в правое положение
5. S5 - опускание ПР1
6. S6 - разжим схвата ПР1
7. S7 - запуск 1-го пресса
8. S8 - останов 1-го пресса
9. S9 - запуск 2-го пресса
10. S10 - останов 2-го пресса
11. S11 - поворот ПР2 в левое положение
12. S12 - сжим схвата ПР2
13. S13 - подъем ПР2
14. S14 - поворот ПР2 в правое положение
15. S15 - опускание ПР2
16. S16 - разжим схвата ПР2
17. S17 - работа РТК
18. S18 - запуск ПУ

Логические  связи между сигналами и состояниями:

1. После выбора автоматического режима работы и нажатия оператором кнопки «Старт» формируется сообщение «процесс» и система переходит в состояние S17.

В состоянии S17 анализируется состояние датчиков Е1 и Е16. Если нет сигналов с датчиков Е1 и Е16, то выдается управляющее воздействие на включение  К1, система переходит в состояние S18.

2. В состоянии S18  анализируется состояние датчиков Е1 и Е16, если есть сигнал с датчика Е1, то выдается управляющее воздействие на отключение  К1,К7 и включение К5, система переходит в состояние S1; если есть сигнал с датчика Е16, то выдается управляющее воздействие на отключение К12 и включение К10, система переходит в состояние S11.
3. В состоянии S1  анализируется состояние датчика Е5, если есть сигнал с датчика, то формируется управляющее воздействие на включение К4 и К8. Система переходит в состояние S2.
4. В состоянии S2  анализируется состояние датчика Е5, если есть сигнал с датчика, то формируется управляющее воздействие на включение К6. Система переходит в состояние S3.
5. В состоянии S3  анализируется состояние датчика Е6, если есть сигнал с датчика, то формируется управляющее воздействие на включение К7 и выключение К5. Система переходит в состояние S4.
6. В состоянии S4  анализируется состояние датчика Е8, если есть сигнал с датчика, то формируется управляющее воздействие на выключение К6. Система переходит в состояние S5.
7. В состоянии S5  анализируется состояние датчика Е7, если есть сигнал с датчика, то формируется управляющее воздействие на выключение К4 и К8. Система переходит в состояние S6.
8. В состоянии S6  анализируется состояние датчика Е2, если есть сигнал с датчика, то формируется управляющее воздействие на включение К2. Система переходит в состояние S7.
9. В состоянии S7  анализируется состояние датчика Е4, если есть сигнал с датчика, то формируется управляющее воздействие на выключение К2. Система переходит в состояние S8.
10. В состоянии S8  анализируется состояние датчика Е3, если есть сигнал с датчика, то формируется управляющее воздействие на включение К1. Система переходит в состояние S18.
11. В состоянии S11  анализируется состояние датчика Е12, если есть сигнал с датчика, то формируется управляющее воздействие на включение К9 и К13. Система переходит в состояние S12.
12. В состоянии S12  анализируется состояние датчика Е12, если есть сигнал с датчика, то формируется управляющее воздействие на включение К11. Система переходит в состояние S13.
13. В состоянии S13  анализируется состояние датчика Е13, если есть сигнал с датчика, то формируется управляющее воздействие на включение К12 и выключение К10. Система переходит в состояние S14.
14. В состоянии S14  анализируется состояние датчика Е15, если есть сигнал с датчика, то формируется управляющее воздействие на выключение К11. Система переходит в состояние S15.
15. В состоянии S15  анализируется состояние датчика Е14, если есть сигнал с датчика, то формируется<span class="List_0020Paragrap