Podręcznik

1.2. Aplikacja aktorów hydraulicznych w procesie produkcyjnym

PRZYKŁAD NR 2: Proces wykrawania otworów w arkuszu blachy stalowej 
1.    Opis działania procesu:
Z rysunku 86 widać, że tłoczysko siłownika hydraulicznego, którego położenia robocze kontrolowane są przy użyciu dwóch czujników bezstykowych: CZ_G – położenie górne i CZ_S – położenie środkowe wyposażone jest w wykrojnik w kształcie otworu o odpowiedniej średnicy. Po uruchomieniu układu sterowania PLC, co odbywa się poprzez wcześniejsze pobudzenie przycisku START (przy niepobudzonym przycisku STOP) oraz odpowiednim podstawieniu przez operatora maszyny arkusza blachy (czego prawidłowość stwierdzą dwa czujniki położenia CZ_L i CZ_P), wykrojnik uderza z odpowiednią siłą (która skierowana jest pionowo w dół) w arkusz blachy. Operacja ta powoduje, że wykrawany jest w niej otwór przelotowy. Po tej czynności wykrojnik przemieszcza się ku górze a pracownik zdejmuje arkusz blachy z maszyny. Operacja wykrawanie otworu może się powtarzać. 
Jak widać z rysunku 86 opuszczanie i podnoszenie wykrojnika realizowane jest poprzez sterowanie siłownikiem hydraulicznym dwustronnego działania z wykorzystaniem elektrozaworu proporcjonalnego o dwóch wejściach sygnału analogowego, który pobierany jest z dwóch wyjść analogowych modułu sterującego EZ P. Rozwiązanie takie zaproponowano w celu zrealizowania szybkiego ruchu tłoczyska, które rozpoczyna się od momentu pojawienia się sygnału na czujniku CZ_S i kończy uderzeniem wykrojnika w umieszczoną w urządzeniu blachę. 
2.    Połączony schemat sterowania hydraulicznego oraz sterowania PLC

Rysunek 86: Schemat sterowania hydraulicznego oraz sterowania PLC

3.    Tabela przyporządkowująca symbole do operandów PLC

LP.	SYMBOL	OPERAND WEJŚCIA PLC	KOMENTARZ
1.	START (NO)	I0.0	Uruchomienie procesu
2.	STOP (NC)	I0.1	Zatrzymanie procesu
3.	CZ_G (NO)	I0.2	Górne położenie tłoczyska
4.	CZ_S (NO)	I0.3	Położenie środkowe tłoczyska
5.	CZ_L (NO)	I0.4	Czujnik obecności blachy - LEWY
6.	CZ_P (NO)	I0.5	Czujnik obecności blachy - PRAWY
LP.	SYMBOL	OPERAND WYJŚCIA PLC	KOMENTARZ
1.	MS	Q0.0	Włączenie modułu sterowania EZ P
2.	Slow	Q0.1	Ruch tłoczyska wolny
3.	Nor	Q0.2	Ruch tłoczyska szybki
4.	Góra	Q0.3	Wywołanie opcji nawrotu tłoczyska
5.	Ż1	Q0.4	Sygnalizacja włączenia PLC
6.	Ż2	Q0.5	Sygnalizacja działania procesu

4.    Uwarunkowania odnośnie sterowania procesem związane z wykorzystanymi elementami we/wy
Sterowanie aktorami hydraulicznymi ma to do siebie, że uzyskują one w stosunku do aktorów pneumatycznych „olbrzymie” siły, które są później wykorzystywane. W przypadku procesu z rysunku 86 jest to siła przyłożona do wykrojnika, który wykrawa otwór w blasze o danej grubości. Przyjęcie założenia, że blachę do wykrawania umieszcza w maszynie jej operator powoduje, że układ sterowania tym procesem powinien „w miarę możliwości” kontrolować sam proces wykrawania jak i użycie dużej siły, która dostępna jest na tłoczysku siłownika hydraulicznego, jako przetwornika energii pompowanej cieczy aktora. Pierwsze zagadnienie rozwiązują elementy pulpitu sterującego, drugie zaś zaproponowany sposób sterowania proporcjonalnym rozdzielaczem hydraulicznym (elektrozaworem typu P). Do sterowania elektrozaworem proporcjonalnym EZ P zaproponowano moduł sterujący, zasilany tym samym napięciem, co sterownik PLC. Moduł ten posiada trzy wejścia sterujące, które uruchamiają EZ P poprzez podanie na jego cewki odpowiednich napięć analogowych.
Sposób użycia przycisków oraz sygnalizatorów optycznych pulpitu sterującego raczej będzie znany Czytelnikowi, więc go tutaj pominiemy. Pozostaje zatem wyjaśnić sposób sterowania elektrozaworem typu P w odniesieniu do zapewnienia bezpieczeństwa operatorowi procesu. Otóż przyjęto, że tłoczysko siłownika od momentu jego startu, czyli od czujnika CZ_G do czujnika CZ_S porusza się wolniej, niż od czujnika CZ_S w kierunku końca suwu roboczego tłoczyska. Propozycja zwiększenia prędkości tłoczyska została podyktowana chęcią zrealizowania tzw. uderzenia wykrojnika w blachę celem wybicia otworu. Szybkość tłoczyska w powrotnej jego drodze jest konsekwencją „wykonania” zadania: szybki ruch tłoczyska od momentu wybicia już otworu w kierunku czujnika CZ_G. Po dotarciu do tegoż tłoczysko siłownika hydraulicznego pozostaje w spoczynku aż do momentu ponownego rozpoczęcia umieszczenia blachy w urządzeniu, co rozpoczynają łącznie sygnały od CZ_L i CZ_P. 
Należy zaznaczyć, że pomysł spowolnienia ruchu tłoczyska w początkowej jego fazie został podyktowany hipotetycznym opóźnieniem w zajęciu przez blachę właściwego położenia do wybijania otworu. Opóźnienie to może być zwykłym błędem operatora maszyny, który może się przecież zdarzać.         
5.    Algorytm GRAFCET dla procesu produkcyjnego z rysunku 86

Rysunek 87: Algorytm GRAFCET dla procesu z rysunku 86

W algorytmie GRAFCET z rysunku 87 pokazano w których krokach programowych następuje uruchomienie powolnego oraz szybkiego ruchu wykrojnika w kierunku umieszczonej blachy, jak również szybkiego powrotu tłoczyska do górnego położenia. Są to odpowiednio kroki nr 2, 3 oraz 4. Wyłączenie powrotu to krok 5. 
6.    Algorytm sterowania SFC na podstawie algorytmu GRAFCET

Rysunek 88: Algorytm sterowania SFC na podstawie algorytmu GRAFCET z rysunku 87

Dla lepszej zrozumiałości tworzonego programu PLC na podstawie algorytmu SFC na rysunku 87 przy poszczególnych krokach programowych umieszczono adresy znaczników dla tych kroków, które „zastępują” te etapy w programie PLC. Poza tym zasady tworzenia programu dla układu sterowania procesem z rysunku 86 nie odbiegają od zasad z przykładu nr 1 z tą różnicą, że zawierają procedury obsługi programowej trzech wyjść sterujących modułem sterującym EZ P o adresach Q0.1 do Q0.3. Właściwa kombinacja sygnałów na tych wejściach pozwala na odpowiednie sterowanie cewkami rozdzielacza proporcjonalnego EZ P dla ruchu tłoczyska siłownika hydraulicznego. Jak widzimy z algorytmu GRAFCET przyjęto, że napięcie DC 2V wysterowuje tłoczysko wolno, zaś napięcie DC 8V wysterowuje to tłoczysko szybciej. To, co można również zauważyć to warunek ponownego uruchomienia kolejnego procesu wykrawania. Nastąpi on dopiero po zdjęciu oraz położeniu „nowej” blachy, o czym „powiedzą” sygnały impulsowe z czujników CZ_L i CZ_P. Musiało to być wprowadzone, ponieważ mogło się zdarzyć, że tłoczysko zostałoby ponownie uruchomione, a stara blacha nie zostałaby zdjęta.  
7.    Program sterujący PLC dla procesu wykrawania otworów w arkuszu blachy stalowej z rysunku 86
Podobnie jak to miało miejsce w Przykładzie nr 1 poniżej zilustrowano program sterujący PLC, który realizuje również algorytm sterowania SFC, ale z ten rysunku 88. Programy, tak jak poprzednio utworzono w trzech powszechnie używanych metodach tworzenia programu sterującego, które ujęte są w normie EN 61131-3, tzn. metodzie tekstowej STL oraz dwóch metodach graficznych: LAD i FBD. 
METODA TEKSTOWA STL:
Network 1: Tworzenie znacznika kroku zerowego 
LD    SM0.1                      //Gdy PLC zostanie włączony
S      M0.0, 1                     //ustaw znacznik kroku zerowego
Network 2: Blok działania w kroku zerowym
LD    M0.0                         //Gdy pojawi się krok zerowy
R      Q0.4, 2                     //wyzeruj to co może przeszkadzać
S      Q0.4, 1                     //ustaw sygnalizację optyczną włączenia PLC
Network 3: Tworzenie znacznika kroku pierwszego
LD    M0.0                        //Gdy istnieje krok zerowy
A      I0.0                          //i pobudzono przycisk START
A      I0.1                          //a nie pobudzono przycisku STOP
S      M0.1, 1                    //ustaw znacznik kroku pierwszego
R      M0.0, 1                    //i wyzeruj znacznik poprzedni
Network 4: Blok działania w kroku pierwszym
LD    M0.1                        //Gdy pojawi się krok pierwszy
S      Q0.5, 1                     //ustaw sygnalizację optyczną startu procesu
S      Q0.0, 1                     //załącz moduł sterujący EZ P
Network 5: Tworzenie znacznika kroku drugiego
LD    M0.1                        //Gdy istniej krok pierwszy
O      M0.5                        //lub krok piąty
A      I0.2                          //i tłoczysko jest u góry
A      I0.1                          //i nie pobudzono przycisku STOP
A      I0.4                          //i położono blachę 
EU                                   //co wykrył czujnik lewy
A      I0.5                          //i położono blachę
EU                                   //co wykrył czujnik prawy
S      M0.2, 1                    //ustaw znacznik kroku drugiego
R      M0.1, 1                    //i wyzeruj znacznik kroku pierwszego
R      M0.5, 1                    //i wyzeruj znacznik kroku piątego
Network 6: Blok działania w kroku drugim
LD     M0.2                        //Gdy pojawi się krok drugi
=      Q0.1                        //steruj wolnym ruchem tłoczyska w dół
Network 7: Tworzenie znacznika kroku trzeciego
LD    M0.2                        //Gdy istnieje krok drugi
A      I0.3                          //i tłoczysko zajmie środkowe położenie
S      M0.3, 1                     //ustaw znacznik kroku trzeciego
R      M0.2, 1                     //i wyzeruj znacznik poprzedni
Network 8: Blok działania w kroku trzecim
LD    M0.3                        //Gdy pojawi się krok trzeci
S      Q0.2, 1                     //ustaw sterowanie szybkim ruchem tłoczyska w dół
TON T40, 5                      //zadeklaruj czasomierz na cykl roboczy tłoczyska równy 0.5 sekundy
Network 9: Tworzenie znacznika kroku czwartego
LD    M0.3                        //Gdy istnieje krok trzeci
A      T40                          //i upłynął czas wynoszący 0.5 sekundy
S      M0.4, 1                    //ustaw znacznik kroku czwartego
R      M0.3, 1                    //i wyzeruj znacznik kroku poprzedniego
Network 10: Blok działania w kroku czwartym
LD    M0.4                        //Gdy pojawi się krok czwarty
S      Q0.3, 1                     //ustaw sterowanie szybkim ruchem tłoczyska w górę
Network 11: Tworzenie znacznika kroku piątego
LD    M0.4                        //Gdy istnieje krok czwarty
S      M0.5, 1                     //ustaw znacznik kroku piątego
R      M0.4, 1                     //i wyzeruj znacznik kroku poprzedniego
Network 12: Blok działania w kroku piątym
LD    M0.5                        //Gdy pojawi się krok piąty
A      I0.2                          //i tłoczysko siłownika zajmie górne położenie
R      Q0.2, 2                    //wyłącz sterowanie ruchem tłoczyska w górę

METODA GRAFICZNA LAD:

METODA GRAFICZNA FBD:

8. Podsumowanie
Podobnie jak to miało miejsce przy aplikacji aktorów pneumatycznych, tak i tutaj przy aplikacji aktorów hydraulicznych w procesie produkcyjnych z rysunku 86 po stworzeniu takiej papierowej koncepcji sterowania rozpoczyna się proces realizacji praktycznej. Nadzieję, że projekt teoretyczny będzie w stu procentach realizowalny zweryfikuje ja zawsze praktyka. 
Stawiając się w roli projektanta infrastruktury sterującej dla procesu z rysunku 86 zadaniem naszym będzie dobranie odpowiedniego aktorów hydraulicznego pod kątem długości jego tłoczyska, do którego zamontowany będzie wykrojnik oraz zaproponowanie odpowiedniej kontroli jego dwóch położeń roboczych. Dobranie elektrozaworu rozdzielającego zamiast zaworu sterowanego ręcznie jest oczywiste i podyktowane konstrukcją układu sterowania, który jak widzimy z rysunku 86 oparty jest o sterownik PLC o wejściach i wyjściach dwustanowych. Opcja sterowania cyfrowego jest również i korzystna z tego powodu, że operator maszyny może tylko i wyłącznie skupić się na kładzeniu oraz wyjmowaniu blachy z maszyny przed i po procesie wykrawania, nie zaś na czymś dodatkowym, np. uruchamianiem za każdym razem tłoczyska siłownika, co wprowadza dodatkowe niebezpieczeństwo pracy przy i tak niebezpiecznej maszynie, jaką jest wykrawarka. Takie rozwiązania są stosowane w starego typu maszynach, gdzie uruchamianie stempla następuje po naciśnięciu stopą odpowiedniego pedału, który połączony jest z zaworem rozdzielającym ciecz do aktora hydraulicznego.
Należy zaznaczyć, że analizując sterowanie aktorem hydraulicznym z rysunku 86 alternatywnym sposobem jego sterowania zamiast pośredniego modułu sterującego EZ P mogło być wykorzystanie sterownika PLC, który oprócz widocznego na rysunku modułu wyjść dwustanowych posiadałby dodatkowo moduł wyjść analogowych. Sygnały z tych wyjść byłyby doprowadzone bezpośrednio do dwóch cewek Elektrozaworu EZ P zamiast sygnałów Slow, Nor i Góra. W takim rozwiązaniu sterowanie elektrozaworu EZ P realizowałby podprogram programu głównego PLC nie zaś elektronika widocznego na rysunku 86 modułu sterującego EZ P.