48 Ventil 23 /2017/ 1 ■ 1 Uvod Avtomatizacija proizvodnih proce- sov je gonilo napredka in razvoja proizvodno naravnanih podjetij, kjer je, še posebej za višje izobražen kader, pomembno, da dobi spe- cifične sposobnosti ter spretnosti snovanja, implementacije in vode- nja avtomatiziranih naprav in pro- cesov. Žal je didaktična oprema, ki se uporablja v izobraževalnih usta- novah običajno preproste narave (prikaz delovanja in krmiljenja po- sameznih komponent), zato je lah- ko prehod izučenega tehničnega kadra v realno industrijsko okolje zelo zahteven. Omenjeno vrzel smo Razvoj delovne postaje za didaktične namene načrtovanja, implementiranja in krmiljenja pnevmatskih sistemov Vito T leš Izvleček: Sodobni sistemi avtomatizacije proizvodnih procesov še vedno v veliki meri temeljijo na uporabi pnevmatike. Zaradi njenih poglavitnih prednosti, kot so nizka cena namestitve, enostavna uporaba, varno in zanesljivo delovanje v širokem temperaturnem območju, minimalno vzdrževanje, ter nenazadnje sama čistost medija in komponent, je zelo težko nadomestljiva z drugo obliko avtomatizacije. Zaradi pogoste uporabe pnevmatskih sistemov v industrijski avtomatizaciji je ključnega pomena, da bodoči tehnični kader primerno podučimo o njihovem ustreznem načrtovanju, implementaciji in krmiljenju. Na tržišču dostopna didaktična oprema za učenje pnevmatike in avtomatizacije omogoča le podajanje posameznih osnovnih znanj iz tega področja, medtem ko smo morali za didaktične namene realne industrijske rabe sodobnih pnevmatskih siste- mov razviti lastno pnevmatsko delovno postajo. Ključne besede: pnevmatika, didaktika, delovna postaja, krmiljenje Doc. dr. Vito Tič, univ. dipl. inž., Aleš Krošel, oba Univerza v Ma- riboru, Fakulteta za strojništvo skušali zapolniti z zasnovo in izde- lavo kompleksnejše didaktične po- staje, ki v celoti temelji na uporabi realnih industrijskih komponent in predstavlja avtomatizirano delovno postajo na osnovi uporabe pnev- matskih sistemov. ■ 2 Zasnova delovne postaje Delovna postaja je zasnovana na podlagi izbranega obdelovalnega cikla. Obdelovanci so naloženi v zalogovniku, iz katerega jih na pre- vzemno mesto potiska dvosmerno delujoči valj. Prenos obdelovanca iz prevzemnega mesta na delov- no mesto vrši 3-osni pnevmatični manipulator, sestavljen iz treh po- sameznih linearnih pnevmatskih osi, ki premike obdelovanca izvaja s pomočjo pnevmatskega prije- mala z možnostjo zasuka. Po pre- miku obdelovanca iz prevzemnega mesta na obdelovalno mesto sledi njegovo vpenjanje v klešče eno- smerno delujočega pnevmatskega prijemala. Osrednja tehnologija obdelave je bila izbrana z ozirom na ponovlji- vost procesa brez ponovne izdelave obdelovancev. Torej, enaki obdelo- vanci se lahko uporabijo večkrat, ne da jih zavržemo oz. izdelamo nove. Kot primerna procesa obdelave sta bila izbrana vrtanje, kjer je poleg proženja pnevmatske linearne osi treba sprožiti še vklop vrtalne eno- te preko releja, ter žigosanje, ki ga opravlja enosmerno delujoči valj. Pri tem se, odvisno od zasnovane- ga krmilja, lahko opravi samo ena izmed izbranih operacij, ali pa se opravita obe. Zaradi vrtljivega pri- jemala na manipulatorju pa lahko posamezni proces ponovimo še na drugi strani obdelovanca. Po obde- AVTOMATIZACIJA V PNEVMATIKI 49Ventil 23 /2017/ 1 AVTOMATIZACIJA V PNEVMATIKI lavi manipulator poskrbi za prenos obdelovanca na ustrezno izmetno mesto. Izmetnih mest je več in iz- biro tako prepusti uporabniku ali zastavljeni nalogi. Na ta način nam zasnovana delov- na postaja omogoča visoko stopnjo prilagodljivosti pri snovanju krmilja; od najenostavnejših krmilnih ciklov, kjer upravljamo le 3 osi: uporabnik ročno vloži obdelovanec na delov- no mesto, sledi vrtanje, žigosanje ter izpenjanje in ročno odstranje- vanje obdelovanca; do zelo kom- pleksnih krmilnih ciklov, kjer upra- vljamo 9 osi: izmet obdelovanca iz zalogovnika, prevzem in prenos na delovno mesto, obe operaciji ob- delave, izpenjanje in zasuk obdelo- vanca za 180°, ponovno vpenjanje in izbrana obdelava, izpenjanje ter prenos na ustrezno izmetno mesto, kjer štejemo mesta do zapolnitve. Osnovni koncept postaje in njene- ga delovanja je bil nadalje razvit in zasnovan v programskem okolju SolidWorks, s pomočjo katerega smo izdelali preprosto simulacijo gibanja skozi delovni proces in na ta način lažje uskladili posamezne pomike vseh 9-ih osi. Na osnovi končnega 3D modela so se izdelale delavniške risbe in načrti, ki so bili potrebni pri izdelavi in sestavljanju. ■ 3 Konstrukcija delovne postaje Sama konstrukcija, na katero je nameščen triosni pnevmatični ma- nipulator, ki služi za prenašanje obdelovancev, je sestavljena iz alu- minijastih profilov. Pod manipula- torjem se nahaja pločevina na ka- tero so pritrjene vse ostale enote, ki opravljajo funkcijo podajanja, shra- njevanja in obdelave. Pnevmatske cevi iz ventilskega otoka, kakor tudi električni vodniki do posameznega krmiljenega elementa, so speljani po kanalih, in po potrebi po ka- belski verigi, s čemer je doseženo in prikazano ustrezno varovanje vodnikov in cevi pred morebitnimi poškodbami, zapletanjem ali ople- tanjem. ■ 4 Raznolikost uporabljenih komponent Pri snovanju pnevmatskega in ele- ktričnega sistema smo želeli upo- rabiti in prikazati kar se da veliko število raznolikih komponent. Zato je na delovni postaji uporabljenih več različnih tipov končnih stikal, odvisno od možnosti in primernosti namestitve. Tako za povratne infor- macije o gibih in končnih položajih krmiljenih osi služijo mehanska, in- duktivna, magnetna ter tlačna sti- kala, ki vsaka s svojimi specifičnimi lastnostmi omogočajo ustrezno in- dikacijo stanja. Namreč, vseh stanj ne moremo zaznati le z eno vrsto končnih stikal, na primer: z mehan- skim končnim stikalom je praktično nemogoče zaznati, ali je prijemalo zaključilo proces vpenjanja obdelo- vanca. Nameščen 3-osni manipulator je se- stavljen iz dveh linearnih pnevma- tičnih osi ter enega pnevmatičnega valja z dodatnim vodilom, kar omo- goča prikaz in primerjavo dveh raz- ličnih izvedb pnevmatičnih osi. Na končnih položajih linearnih osi X in Y se nahajajo pnevmatični blažilniki, ki blažijo sicer sunkovito ustavljanje v krajnih legah. Omenjeni osi imata tudi vgrajena induktivna končna sti- kala za zaznavanje končnih pozicij. Le-ta nam omogočajo enostavno zasnovo krmilja, prav tako pa se ni potrebno ozirati za izvedbo pritrdi- tve stikal, kot je to pogosto potreb- no pri klasičnih mehanskih končnih stikalih. Valj z dodatnim vodilom na Z osi ima vgrajena drugi tip brez- kontaktnih končnih stikal, in sicer miniaturna magnetna stikala, ki se namestijo v utor na valju. Prednost omenjenih stikal je vsekakor njiho- va vsestranska uporabnost ter eno- stavna namestitev. Prenos obdelovancev vrši mani- pulator s pomočjo pnevmatičnega prijemala, ki poleg prijema obdelo- vanca omogoča tudi njegov zasuk za 180°. Indikacijo zaključka ome- njenih operacij je praktično nemo- goče izvesti z mehanskim končnim stikalom, saj je prostor za namesti- tev zelo omejen. Zato smo uporabili tlačna stikala, ki nam poleg nasta- vljive preklopne točke tudi prika- zujejo trenutni tlak v posameznem vodu. Ostale funkcije pa vršijo raz- Slika 1. 3D model in simulacija delovanja delovne postaje Slika 2. Uporabljena oprema – realne industrijske komponente 50 Ventil 23 /2017/ 1 lični enosmerno ali dvosmerno de- lujoči valji, ki imajo dograjena niz- kocenovna stikala, s katerimi smo želeli ponazoriti neprimernost upo- rabe tovrstnih stikal v industrijskem okolju. Predstavljenih devet pnevmatskih osi je krmiljenih s pomočjo sodob- nega in kompaktnega ventilskega otoka Festo VTUG. Ventile na ven- tilskem otoku je mogoče krmiliti s proženjem posameznih 24 V tuljav na ventilih, ali pa preko posebnega komunikacijskega vmesnika, ki se dogradi na ventilski otok in omo- goča krmiljenje preko ProfiNet po- vezave. Zato smo fizične povezave izvedli na način, da je mogoče pro- ženje bodisi s pomočjo digitalnih izhodov na krmilniku, bodisi preko ProfiNet industrijske komunikacije med ventilskim otokom in krmilni- kom. ■ 5 Električni del Vsi električni vodniki so speljani v elektro-omarico, ki je nameščena stransko na zadnjem delu manipu- latorja. Z možnostjo pregleda vezav med samim obratovanjem napra- ve je omogočena tudi diagnostika napak in s tem povezane didaktič- ne vsebine. Tako lahko uporabniki spoznajo kako ustrezno preveriti posamezne krmilne signale in kako sistematično pristopiti k odkrivanju okvar na krmilni enoti. Povezava krmilnih signalov iz elektro-omari- ce do krmilnika je izvedena preko dveh DB-25 konektorjev, s čemer smo omogočili priklop delovne po- staje na različna posamezna učna mesta oz. krmilnike, ki se uporablja- jo pri didaktičnem delu. Za krmiljenje procesa je prav tako uporabljena sodobna industrijska enota, tj. programabilni logični kr- milnik Siemens S7-1200, ki nam omogoča enostavno, kompaktno, predvsem pa zanesljivo izvedbo krmilja. Zaradi premajhnega števila digitalnih vhodov ter izhodov smo krmilniku dodali še razširitveni mo- dul, medtem ko smo vmesnik člo- vek-stroj (HMI) izvedli s pomočjo barvnega zaslona na dotik. Upora- ba takšnega industrijskega HMI za- slona predvsem olajša upravljanje z napravo in nadgradi uporabniško izkušnjo oz. vizualizacijo stanja sis- tema. ■ 6 Snovanje in simulacija krmilja Celotno krmilje je bilo zasnova- no v programskem okolju Auto- mation Studio, ki nam omogoča izdelavo pnevmatične, električne in programske sheme ter njihovo povezavo in simulacijo delovanja. Pnevmatično shemo naprave sesta- vlja sedem dvosmernih ter dva eno- smerna valja, ki jih krmilijo ustrezni potni ventili. Poleg običajnih bista- bilnih 3/2 in 5/2 potnih ventilov, smo za Y os manipulatorja uporabili tudi 5/3 monostabilni ventil z zapr- to mirovno lego, ki nam omogoča pozicioniranje navedene osi tudi v njenih srednjih legah. Pri tem seve- da lahko tudi prikažemo eno izmed slabosti pnevmatskih linearnih osi, tj. stisljivost zraka in njegov vpliv na hitrost ustavljanja, prenihaj ter ne- natančnost pozicioniranja. Vsi valji imajo dograjene tudi enosmerne dušilke na izpustni strani, ki nam omogočajo nastavljanje hitrosti po- sameznega giba. Pnevmatičnemu krmilnemu siste- mu je sledila izdelava električne sheme krmilja, kjer smo poudarek namenili nazornosti in urejenosti sheme, ki nam bo omogočala ka- snejše diagnosticiranje in/ali spre- minjanje krmilja. V električno she- mo je kot osrednji element dodan programabilni krmilnik, na vhode in izhode katerega so povezani kr- milni signali preko dveh DB-25 pri- Slika 3. Sočasna simulacija delovanja pnevmatskega sistema, električnega dela s krmilnikom ter pripadajočega programa AVTOMATIZACIJA V PNEVMATIKI 51Ventil 23 /2017/ 1 AVTOMATIZACIJA V PNEVMATIKI ključkov. Prav tako pa je, v prime- ru uporabe ProfiNet komunikacije, nakazana uporaba le-te. Vsi izvršni elementi električne sheme so preko oznak povezani s pnevmatično she- mo in tvorijo delujoč simulacijski sistem. Na ta način aktiviranje sti- kala v pnevmatični shemi povzroči sklenitev kontakta v električni she- mi, ter obratno, napajanje tuljave na elektromagnetnem ventilu pov- zroči prekrmiljenje ventila. Sledila je izgradnja tretjega dela simulacije, in sicer zasnova progra- ma na krmilniku v lestvičnem dia- gramu, saj nam programsko okolje omogoča sočasno oz. povezano simulacijo delovanja pnevmatskega sistema, električnega dela ter krmil- nega programa. Na ta način smo izdelali program za en obratovalni cikel delovne postaje in ga nato preizkusili. Med simulacijo nam program prika- zuje krmilna stanja ventilov, tlačne in izpustne vode, aktivnost končnih stikal, električne signale na krmilni shemi ter samo izvajanje program- skega dela. Omogoča tudi koračno oz. postopno izvajanje simulacije ter njeno začasno ustavitev, kjer si lahko podrobneje ogledamo posa- mezne električne, pnevmatične in logične signale. ■ 7 Izdelava krmilja TIA Portal Uporabljen simulacijski program Automation Studio žal ne omogoča neposrednega prenosa krmilnega programa v Siemens TiaPortal, tj. programsko okolje za programira- nje krmilnikov Siemens. Zato je bila potrebna ponovna izdelava krmil- nega programa v TiaPortal-u, kjer je bilo treba definirati tudi vso upora- bljeno strojno opremo, od samega krmilnika, do dodanih vhodno/iz- hodnih enot ter HMI zaslona. Tudi ta segment naprave služi didaktičnim namenom, saj se uporabniki srečajo z osnovnimi nastavitvami in pove- zavami med strojno in programsko opremo, kot so npr. vnos ustreznega IP naslova posamezne komponente, vzpostavitev ProfiNet komunikacije z ventilskim otokom, dodajanje in uporaba HMI zaslona, itd. Krmilni program je bil izdelan v le- stvičnem diagramu in nudi upo- rabniku enostaven pregled nad kr- miljenjem naprave, še posebej ob uporabi funkcij »online« in »watch«, kjer lahko uporabnik opazuje izvaja- nje programa v realnem času. Skla- dno z zasnovano koračno verigo lah- ko uporabnik na ta način enostavno odkriva in diagnosticira morebitne napake v krmilnem programu ali na električnem oz. pnevmatičnem delu naprave, kjer so mu v pomoč predhodno predstavljene pregledne sheme. V sklopu didaktičnega dela lahko tako izvedemo različne nalo- Slika 4. Programiranje delovne postaje v TIA Portal (lestvični diagram) Slika 5. Izdelana delovna postaja za didaktične namene 52 Ventil 23 /2017/ 1 ge, kot so npr. iskanje okvarjenega, poškodovanega električnega vodni- ka, napačna nastavitev preklopnih točk tlačnih stikal, itd. Uporabnik izvajanje krmilnega pro- grama oz. samo delovno postajo upravlja s pomočjo barvnega za- slona na dotik. Ta nam omogoča enostavno prikazovanje podatkov, krmiljenje ter nastavljanje raznih parametrov obdelovalnega cikla. Zasnovan vmesnik temelji na večih menijih, v katerih lahko nastavimo želeno obdelavo posameznega ob- delovanca (vrtanje ter žigosanje na eni in drugi strani) in njegovo izme- tno mesto. Izbiro lahko pred-nasta- vimo za šest obdelovancev, kolikor jih gre v saržer. Poleg opisanega krmilja obdelo- valnega cikla je bilo potrebno do- dati še meni »Varni zagon«, ki nam omogoča zagon naprave iz nezna- nega položaja. Pri tem se delovna postaja s sekvenco varnih gibov postavi v začetni položaj. Za name- ne diagnosticiranja in odpravljanja napak pa smo dodali še dva me- nija, ki nam omogočata neposre- dno upravljanje krmilnika – prikaz stanja na vhodih ter postavljanje izhodov. ■ 8 Zaključek Predstavljena delovna postaja bo služila didaktičnim namenom pri učenju načrtovanja, implemen- tiranja ter krmiljenja sodobnih pnevmatskih sistemov, kakor tudi njihovega vzdrževanja in diagnosti- ciranja napak. Naprava je v celoti iz- delana iz industrijskih komponent, s čemer bodo uporabniki dobili boljši stik z realnimi aplikacijami, s kakr- šnimi se bodo potem tudi srečali v delovnem okolju. Pri zasnovi delovne postaje smo se osredotočili na čim večjo raznoli- kost uporabljenih komponent na vseh področjih. Tako smo za zazna- vanje opravljenih gibov oz. končnih leg posameznih osi uporabili različ- ne tipe stikal, od mehanskih, induk- tivnih, magnetnih, pa vse do tlač- nih stikal. Prav tako smo uporabili različne vrste linearnih osi, eno- in dvo-smerno delujoče valje, 3/2, 5/2 ter tudi 5/3 potne ventile z mono- in bi-stabilnim delovanjem. Sodob- no delovno postajo zaključuje naj- sodobnejši krmilni sistem Siemens, ki ga lahko z ventilskim otokom Fe- sto povežemo direktno preko digi- talnih izhodov, ali pa preko Profi Net povezave, ter seveda uporaba HMI zaslona na dotik. Primernost naprave za didaktično delo predstavlja tudi nadgradljiv delovni cikel postaje, ki ga je mogo- če prilagoditi stopnji razumevanja uporabnika. Glede na zastavljeno nalogo, lahko uporabnik upravlja samo posamične osi oz. manjše število sklopov osi (npr. obdeloval- ni cikel brez uporabe manipulator- ja), ter nato postopoma nadgrajuje kompleksnost sistema in krmiljenja. Delovna postaja nam prav tako omogoča izvedbo didaktičnih vse- bin vzdrževanja mehatronskih sis- temov na osnovi izdelanih shem in krmilnega programa, ki zajema vse funkcije sistema v enem delov- nem procesu. Možno je izvajanje diagnostike delovanja ter iskanje raznih okvar na sistemu, kot so ne- ustrezne nastavitve ter poškodbe vodnikov ali stikal – elementov, ki so v industrijskem okolju največkrat podvrženi okvaram. Uporabniku lahko predstavimo nevarnosti, ki jih takšna naprava prinaša v delovno okolje in kako jih odpraviti, kakšni so vzroki in kako izboljšati samo na- črtovanje, vzdrževanje in uporabo, da naprava obratuje skozi celotno življenjsko dobo zanesljivo, natanč- no, predvsem pa varno. Čeprav delovna postaja predstavlja zaključeno celoto, namenjeno pred- vsem didaktičnemu delu, pa ne iz- ključuje možnosti nadgradenj. Tako bi bilo smiselno vsaj eno izmed osi manipulatorja nadgraditi z zveznim (proporcionalnim) potnim ventilom, s katerim bi lahko dosegli različ- ne hitrosti pomika osi. Z nadaljnjo dograditvijo zveznega merjenja po- ložaja te osi, pa bi lahko izvedli še zaprto-zančno regulacijo. Prav tako pa razmišljamo o vgradnji varno- stne tehnike, kjer načrtujemo nad- gradnjo delovne postaje z zaprtim delovnim prostorom, vrati z varno- stnimi stikali ter varnostno zaveso. Viri [1] Krošel A.: Načrtovanje, izdela- va in krmiljenje namenskega pnevmatičnega manipulatorja. Diplomsko delo, Maribor 2016 Development of a workstation for didactic purposes of designing, implementing and controlling pneumatic systems Abstract: Modern automation systems in manufacturing are still lar- gely based on pneumatics. Due to its main advantages, such as low installation cost, ease of use, safe and reliable operation in wide tem- perature range, minimal maintenance, and cleanliness of air and com- ponents, it practically cannot be replaced with another form of auto- mation. On account of frequent use of pneumatic systems in industrial automation, it is crucial to educate and train the technical staff about proper design, implementation and control of pneumatics. Commer- cially available didactic equipment for teaching pneumatics and auto- mation systems only allows individual fundamental skills to be given, whereas for more demanding didactics, such as real industrial pneu- matic systems, we had to develop our own workstation. Keywords: pneumatics, didactics, workstation, open-loop control AVTOMATIZACIJA V PNEVMATIKI