Podręcznik

1.1. Aplikacja aktorów pneumatycznych w procesie nanoszenia napisu na wyrobie

PRZYKŁAD NR 1: Proces nanoszenia napisu na wyrobie oraz jego składowania
1.    Opis działania procesu:
Rozważany proces (a w zasadzie podproces) zilustrowany jest na rysunku 83. Efektem jego prawidłowej realizacji jest zapełnianie widocznego na rysunku pojemnika produktem, na który został wcześniej nieniesiony napis. Należy zaznaczyć, że zarówno dostarczaniem produktu do stemplowania napisu, zliczaniem liczby tegoż produktu w pojemniku oraz odbiorem zapełnionego pojemnika wraz z podstawieniem pustego „zajmują” się inne podprocesy. 
Z rysunku 83 widać, że siłownik S1, którego tłoczysko zostało wyposażone w siłownik podciśnieniowy S4 pobiera najpierw produkt z taśmociągu i unosi go ku górze celem zakleszczenia produktu przez dwie uchylne klapy. Gdy to nastąpi tłoczysko siłownika S2 uruchamia się i stempluje napis na wyrobie oraz zajmuje początkowe położenie. Po tym fakcie tłoczysko siłownika S1 unosi produkt ponad dwie klapy, co uruchamia tłoczysko siłownika S3. Ponieważ ten siłownik oraz siłownik S1 zamocowane są z wykorzystaniem wychylnych tzw. łap siłowników, efektem działania tłoczyska siłownika S3 jest przemieszczenie siłownika S1 z ostemplowanym produktem. Po osiągnięciu przez tłoczysko siłownika S3 maksymalnego wysunięcia następuje zwolnienie produktu poprzez wyłączenie podciśnienia w ssawie S4. Produkt poprzez działanie siły grawitacji spada na pochylnię i następnie dalej, z wykorzystaniem niewielkich kół zjeżdża do pojemnika. Takie działanie tego podprocesu stemplowania może odbywać się automatycznie przy założeniu, że pozostałe wymienione podprocesy funkcjonują prawidłowo. Podproces stemplowania kontrolowany jest przez sterownik PLC.
Rysunek 83 pokazuje, że siłowniki S1 do S3 są typu jednostronnego działania pchające – powrót sprężyną, uruchamianie poprzez elektrozawory EZ1 do EZ3 typu 3/2 (NZ), dalej siłownik S4 jest sterowany jest za pośrednictwem generatora podciśnienia GP oraz że położenie tłoczysk siłowników S1 do S3 kontrolowane jest za pośrednictwem odpowiednie czujników magnetycznych położenia tłoczysk.
2.    Połączony schemat sterowania pneumatycznego oraz sterowania PLC 

Rysunek 83: Schemat sterowania pneumatycznego oraz sterowania PLC

3.    Tabela przyporządkowująca symbole do operandów sterownika PLC 

LP.	SYMBOL	OPERAND WEJŚCIA PLC	KOMENTARZ
1.	START (NO)	I0.0	Uruchomienie procesu
2.	STOP (NC)	I0.1	Zatrzymanie procesu
3.	C1_G (NO)	I0.2	Górne położenie tłoczyska S1
4.	C1_S (NO)	I0.3	Położenie tłoczyska S1              dla stemplowania produktu
5.	C2 (NO)	I0.4	Prawe położenie tłoczyska S2
6.	C3 (NO)	I0.5	Prawe położenie tłoczyska S3
LP.	SYMBOL	OPERAND WYJŚCIA PLC	KOMENTARZ
1.	EZ1	Q0.0	Elektrozawór dla ruchu S1
2.	EZ2	Q0.1	Elektrozawór dla ruchu S2
3.	EZ3	Q0.2	Elektrozawór dla ruchu S3
4.	GP	Q0.3	Generator podciśnienia dla S4
5.	Ż1	Q0.4	Sygnalizacja włączenia PLC
6.	Ż2	Q0.5	Sygnalizacja startu procesu
7.	ZD	--------	Zawór dławiący powrót S1

Widoczna tabela przyporządkowująca, jak sama nazwa na to wskazuje „przydziela” symbolom, których użyto do oznaczenia elementów wejścia/wyjścia procesu produkcyjnego z rysunku 83 operandy wejścia/wyjścia sterownika PLC. Operacja taka jest wskazana po pierwsze dla lepszej zrozumiałości algorytmu SFC oraz utworzonego programu sterującego PLC oraz po drugie, na podstawie takiego przydziału z powyższej tabeli tworzy się infrastrukturę połączeń elektrycznych między modułami wejścia/wyjścia sterownika PLC z czujnikami i aktorami pneumatycznymi i sygnalizacją.
4.    Uwarunkowania odnośnie sterowania procesem związane z wykorzystanymi elementami we/wy
Zwraca się uwagę Czytelnika, że w widocznym na rysunku 83 sposobie nanoszenia napisu na poruszającym się produkcie najpierw jest on unoszony przez ssawę S4 wraz z powracającym siłą sprężyny tłoczyskiem siłownika S1 (oczywiście najpierw opuszczonym poprzez zadziałanie EZ1). Następnie na czas tej głównej procesowej operacji następuje zablokowanie produktu w miejscu stemplowania napisu. Realizowane jest to poprzez wykorzystanie dwóch ruchomych klap, które pierwotnie uchylając się pozwalają przemieścić produkt ku górze w pionowym szybie by następnie go zablokować siłą swoich sprężyn. To zablokowanie jest dodatkowo „wzmocnione” poprzez ponowne wysterowanie EZ1 po osiągnięciu przez tłoczysko S1 położenia określanego czujnikiem C1_S. Moment zrównany jest dopasowane jest z chwilą uruchomienia tłoczyska S2. Po operacji stemplowania napisu tłoczysko S1 wraca do położenia początkowego sprawdzanego czujnikiem C1_G i jest odchylane tłoczyskiem S3. W celu dopasowania czasu powrotu tłoczyska S1 zastosowano zawór dławiący ZD.    
5.    Algorytm GRAFCET dla procesu produkcyjnego z rysunku 83

Rysunek 84: Algorytm GRAFCET dla procesu z rysunku 83

Należy nadmienić, że zasadnym jest przyjęcie założenia, że proces produkcyjny zilustrowany na rysunku 83 realizowany jest z przerwami. Nie trzeba chyba wyjaśniać, że po pierwszym uruchomieniu dowolnego procesu produkcyjnego jego zatrzymanie odbywa się po określonym czasie jego funkcjonowania zależnym od zmianowości załogi czy jakąkolwiek awarią. Oznacza to, że ponowne jego uruchomienie powinno zawsze odbywać się w tzw. warunkach początkowych dla aktorów pneumatycznych. Przy wykorzystaniu siłowników pneumatycznych jednostronnego działania – powrót sprężyną (jak na rysunku 83), tymi warunkami początkowymi są wsunięte wszystkie trzy tłoczyska siłowników S1 do S3, co jak wiemy oznacza opróżnienie komór roboczych ze sprężonego powietrza za pomocą poruszających się siłą sprężyn tłoków. To z kolei jest realizowane poprzez wyłączenie elektrozaworów EZ1 do EZ3. Sugestia ta jest zaproponowana w bloku działania dla kroku nr „0” (R(eset) ALL) dodatkowo z pokazaniem tego stanu algorytmu poprzez sygnalizację optyczną Ż1. Takie opisane początkowe działanie układu sterowania procesem z rysunku 83 spowoduje, że pobudzenie przycisku START (przy bezpiecznym stanie przycisku STOP) uruchomi proces stemplowania napisu na produkcie. 
Należy zaznaczyć, że opisane wcześniej w punkcie 4-tym zatrzymanie produktu po przemieszczeniu go przez ruchome klapy widoczne jest w algorytmie GRAFCET w kroku nr „3” po zajęciu przez tłoczysko S1 położenia C1_S. To wtedy następuje uruchomienie „na moment” tłoczyska siłownik S2 i początek operacji stemplowania napisu na produkcie, co ma się odbyć w czasie 0.5 sekundy. Po tej operacji produkt (już ostemplowany) przemieszcza się nad klapy i jest „spuszczany” po upływie 1 sekundy przez wyłączenie ssawy S4 nad zsuwnią. Wyłączenie ssawy jest połączone z powrotem tłoczyska S3 do położenia początkowego, stwierdzanego przez czujnik C3. Po osiągnięciu przez tłoczysko tego położenia następuje „nawrót” algorytmu i proces nanoszenia napisu na produkcie startuje od początku. (Przyjęto, że zatrzymanie procesu stemplowania napisu na produkcie następuje nie poprzez przerwanie wykonywania algorytmu z rysunku 84, tylko poprzez wyłączenie układu sterowania opartego na sterowniku PLC. Dlatego też w algorytmie GRAFCET przycisk STOP występuje tylko raz).  
6.    Algorytm sterowania SFC na podstawie algorytmu GRAFCET

Rysunek 85: Algorytm sterowania SFC na podstawie algorytmu GRAFCET z rysunku 84

Zauważyć można, że algorytm sterowania SFC operuje już na adresach absolutnych wejść/wyjść sterownika PLC, nie zaś na symbolach, tak jak to robił algorytm GRAFCET. (Dużą ilość informacji oraz wskazówek odnośnie zasad tworzenia obu typów algorytmów Czytelnik znajdzie w innych publikacjach autora w ramach OKNO PW). 
7.    Program sterujący PLC dla procesu nanoszenia napisu na wyrobie oraz jego składowania z rysunku 83
Poniżej zilustrowano programy sterujące PLC, który realizują algorytm sterowania SFC z rysunku 85. Programy utworzono w trzech powszechnie używanych metodach tworzenia programu sterującego, które zawiera norma EN 61131-3, tzn. metodzie tekstowej STL (ang. Statement List) oraz dwóch metodach graficznych: LAD (ang. Ladder Diagram) i FBD (ang. Function Block Diagram). Dla przypomnienia podajmy, że formalizm algorytmu SFC z rysunku 85 również ujęty jest w tej wzmiankowanej normie. Pomysł autora, aby zamieścić te trzy listingi programów PLC realizujących tak naprawdę „to samo” podyktowany był nakłonieniem Czytelnika do porównania zasad tworzenia programu PLC, które są różne w tych metodach. 
METODA TEKSTOWA STL:
Network 1: Tworzenie kroku nr 0
LD     SM0.1                      //Gdy uruchomiono PLC
S       M0.0, 1                         //ustaw znacznik kroku nr 0
Network 2: Blok działania w kroku nr 0
LD     M0.0                        //Gdy krok nr 0 jest aktywny 
R       Q0.0, 6                     //wyzeruj przestrzeń roboczą pamięci programu
S       Q0.4, 1                     //ustaw sygnalizację włączenia PLC
Network 3: Tworzenie kroku nr 1
LD     M0.0                        //Gdy jeszcze krok nr 0 jest aktywny
LD     M0.6                        //lub tak samo krok nr 6
A       I0.5                            //łącznie z tranzycją nr 7
OLD
A      I0.2                            //oraz tłoczysko S1 znajduje się w górnym położeniu
A      I0.0                            //i naciśnięto przycisk START
A      I0.4                             //i tłoczysko S2 znajduje się w prawym położeniu
A      I0.5                             //i tłoczysko S3 znajduje się w prawym położeniu
A      I0.1                            //i nie pobudzono przycisku STOP
S      M0.1, 1                          //ustaw znacznik kroku nr 1
R      M0.0, 1                          //wyzeruj znacznik kroku nr 0 jako niepotrzebny
R      M0.6, 1                          //i tak samo znacznik kroku nr 6
Network 4: Blok działania w kroku nr 1
LD     M0.1                             //Gdy krok nr 1 jest aktywny
S       Q0.0, 1                          //steruj tłoczyskiem S1 w kierunku do dołu
S       Q0.5, 1                          //ustaw sygnalizację startu procesu nanoszenia napisu
TON T40, 20                      //ustaw czas opóźnienia równy 2 sekundy
Network 5: Tworzenie kroku nr 2
LD     M0.1                             //Gdy jeszcze krok nr 1 jest aktywny
A       T40                              //i upłynął czas 2 sekundy po uruchomieniu procesu
A       I0.4                             //i tłoczysko S2 znajduje się w prawym położeniu
S       M0.2, 1                          //ustaw znacznik dla kroku nr 2
R       M0.1, 1                      //wyzeruj znacznik kroku nr 1 jako niepotrzebny
Network 6: Blok działania w korku nr 2
LD    M0.2                             //Gdy krok nr 2 jest aktywny
S      Q0.3, 1                          //uruchom generator podciśnienia dla S4 dla uchwycenia produktu
R      Q0.0, 1                          //wyłącz sterowanie ruchem tłoczyska S1
Network 7: Tworzenie kroku nr 3
LD    M0.2                             //Gdy jeszcze krok nr 2 jest aktywny
A      I0.3                             //i tłoczysko S1 przyjęło pozycję dla nanoszenia napisu
S      M0.3, 1                          //ustaw znacznik dla kroku nr 3
R      M0.2, 1                          //wyzeruj znacznik kroku nr 2 jako niepotrzebny
Network 8: Blok działanie w korku nr 3
LD    M0.3                             //Gdy krok nr 3 jest aktywny
S      Q0.0, 2                          //uruchom jednocześnie tłoczysko S1 oraz tłoczysko S2
TON T41, 5                        //ustaw czas opóźnienia równy 500 milisekund
Network 9: Tworzenie korku nr 4
LD    M0.3                             //Gdy jeszcze krok nr 3 jest aktywny
A      T41                              //i upłynęło już 500 milisekund
S      M0.4, 1                          //ustaw znacznik kroku nr 4
R      M0.3, 1                          //wyzeruj znacznik kroku nr 3 jako niepotrzebny
Network 10: Blok działania w kroku nr 4
LD    M0.4                             //Gdy krok nr 4 jest aktywny
R      Q0.0, 2                          //wyłącz jednoczesne sterowanie tłoczyskiem S1 i S2
Network 11: Tworzenie korku nr 5
LD    M0.4                             //Gdy jeszcze krok nr 4 jest aktywny
A      I0.2                             //i tłoczysko S1 znajdzie się w górnym położeniu
S      M0.5, 1                          //ustaw znacznik kroku nr 5
R      M0.4, 1                       //wyzeruj znacznik kroku nr 4 jako niepotrzebny
Network 12: Blok działania w kroku nr 5
LD    M0.5                             //Gdy krok nr 5 jest aktywny
S      Q0.2, 1                          //uruchom tłoczysko S3 dla realizacji nanoszenia napisu
TON T42, 10                    //na czas 1 sekunda
Network 13: Tworzenie kroku nr 6
LD    M0.5                             //Gdy jeszcze krok nr 5 jest aktywny
A      T42                              //i upłynęła 1 sekunda działania tłoczyska S3
S      M0.6, 1                          //ustaw znacznik kroku nr 6
R      M0.5, 1                          //wyzeruj znacznik kroku nr 5 jako niepotrzebny
Network 14: Blok działania w korku nr 6
LD    M0.6                             //Gdy krok nr 6 zaktywizuje się
R      Q0.2, 2                          //wyłącz generator podciśnienia oraz ruch tłoczyska S3
R      Q0.5, 1                          //i sygnalizację startu procesu

METODA GRAFICZNA LAD:

METODA GRAFICZNA FBD:

8. Podsumowanie
Przyjęcie założenia, że aplikacja aktorów pneumatycznych w procesie produkcyjnym z rysunku 83 rozpoczyna się od pomysłu projektanta „na papierze” jest zasadne i nie wymaga chyba głębszych wyjaśnień. Po stworzeniu takiej papierowej koncepcji sterowania rozpoczyna się proces realizacji praktycznej tejże i chyba każdy projektant życzyłby sobie dużej, jak nie całkowitej zgodności przyjętych założeń teoretycznych z tymi, które zweryfikuje praktyka. 
Zapewne Czytelnik zauważył, że nad projektem procesu nanoszenia napisu na produkcie z rysunku 83 musiałoby „pracować” kilku projektantów z różnych branż, bowiem projekt ten łączy w sobie zarówno zagadnienia m.in. konstrukcji pomieszczeń, transportu oraz sterowania elektropneumatycznego. I tak jest w praktyce; projektanci z różnych branż „łączą” siły i pracują wspólnie nad jakimś projektem lub jeden projektant posiadający wiele uprawnień branżowych pracuje nad jakimś projektem. 
Jest rzeczą zrozumiałą, że na skutek istniejącego od wielu lat burzliwego rozwoju różnych procesów produkcyjnych można powiedzieć, że już „wszystko” było i nic nowego nie powstanie. Ten istniejący obraz rzeczywistości, który na pozór może wydawać się negatywnym posiada jednak pewną zaletę – nie trzeba tracić czasu nad opracowywaniem „od nowa” każdego procesu produkcyjnego, tylko sięgnąć do odpowiednich źródeł i zaaplikować je do własnego pomysłu. To skraca czas pracy nad konkretnym procesem produkcyjnym.
Stawiając się (zasadnie) w roli wyłącznie projektanta infrastruktury sterującej dla procesu z rysunku 83 zadaniem naszym będzie dobranie odpowiednich siłowników pneumatycznych m.in. pod kątem długości ich tłoczysk oraz kontroli ich położeń oraz dobranie elektrozaworów rozdzielających pod kątem ich sterowania oraz parametrów.