Seria: A U T O M A T Y K A z. 115 N r kol. 1251
R o b ert C Z Y Ż E W S K I, M arek P E T Z System y A utom atyki P rzem ysłow ej s.c.
P rzem ysłow y Instytut A utom atyki i Pom iarów
P R O B L E M Y S T E R O W A N IA P R O C E S E M N A N O S Z E N IA P O W Ł O K T E C H N O L O G IC Z N Y C H N A P R Z Y K Ł A D Z IE Z R O B O T Y Z O W A N E J L IN II G R A F IT O W A N IA K IN E S K O P Ó W
Streszczenie: W pracy opisano linię grafitow ania kineskopów z robotem IR B 1500 pod kątem sterow ania. P rzedstaw iono funkcje spełniane przez układ stero w an ia o raz jeg o konfigurację sprzętow ą. O m ów iono sposób kom unikacji sterow nika z poszczególnym i urządzeniam i linii o raz zadania sterow nika.
C O N T R O L P R O B L E M S O F C O A T IN G P R O C E S S O N E X A M P L E O F R O B O T I Z E D L IN E O F G R A P H I T E C O A T IN G O F T V -T U B E S
Sum m ary: A robotized line o f graphite coating o f T V -tubes w ith IRB 1500 ro b o t is described. C ontrol system function, its hardw are configuration and PLC tasks are described. W ays o f com m unication betw een PLC and line equipm ent w ere presented.
S T E U E R U N G S P R O B L E M E V O N D ES B E S C H IC H T E N S A M B E I S P IE L D E R R O B O T I S I E R T E R L IN IE Z U R G R A F IT A U F T R Ä G U N G A U F F E R N S E H R Ö H R E N
Zusam m enfassung: E ine robotisierte Linie zur G rafitaufträgung m it IRB 1500 R o b o ter w u rd e aus S ichtpunkt von S teuerung geschrieben. D ie realisierte von Steuerungssystem F u nktionen, H ard w are und PLC A ufgaben w urden dargestellt. K om m unikation zw ischen PL C und L inieeinrichtungen w urde präsentiert.
1. W stę p
W procesie produkcji kineskopów m.in. na trzy ścianki stożka n an o szo n a je st w arstw a grafitu, a w o k ó ł anody pierścień lakieru izolacyjnego. W zakładach T h o m so n -P o lk o lo r zadanie to je st w yko n y w an e na trzech zrobotyzow anych (roboty IRB 1500 produkcji A B B ) liniach, opartych na tran sp o rterach krokow ych. K ażda linia je s t stero w an a sterow nikiem C 2 0 0 H firmy
306 R. C zyżew ski. M . P etz
O M R O N . N a każdej linii m o g ą być p rodukow ane trzy rodzaje kineskopów , ład o w an e na linię w sposób przypadkow y.
K ineskop po załadow aniu na linię trafia na stanow isko identyfikacji, skąd inform acja o typie kineskopu je s t przesyłana do sterow nika. N astępnie przez kilka kolejnych cykli kineskop je s t p o d g rzew an y do tem peratury około 4 0 °C , a następnie badany je s t stan pow ierzchni kineskopu (czy był ju ż poprzednio grafitow any). N astępnym stanow iskiem je st stanow isko nakładania przez ro b o t (specjalną gąbką) w arstw y grafitu, a p otem nakładanie przez m anipulator pneum atyczny pierścienia lakieru. P o nałożeniu tych w arstw kineskop w chodzi do suszarki, a ostatnim stanow iskiem je st stanow isko pom iaru p aram etrów elektrycznych w arstw y grafitu.
2. F u n k c je s te ro w a n ia
P odstaw ow ym i w ym aganiam i użytkow nika są: odpow iednia ja k o ś ć kineskopu i w ydajność linii (180 sztuk/godz, czyli cykl nie dłuższy niż 20 sek). Sposób kom unikacji m iędzy sterow nikiem a urządzeniam i linii m a podstaw ow y w pływ na w ydajność. S terow nik otrzym uje inform acje z czujników w szystkich urządzeń linii i na ich podstaw ie steruje p ra c ą w szystkich urządzeń w trybie autom atycznym . R ów nież w trybie ręcznym posługiw anie się w iększością urząd zeń linii odbyw a się p o p rzez sterow nik.
S terow nik w ysyła w każdym cyklu polecenie rozpoczęcia pracy do w szystkich stanow isk linii. W cześniej sp raw dza w arunki startu linii, tzn. czy w szystkie urządzenia (łącznie z tran sp o rterem ) s ą w pozycjach w yjściow ych i czy spraw dzane p aram etry m ieszczą się w o d p ow iednich granicach.
Pierw szym stanow iskiem , z którym kom unikuje się sterow nik, je st stanow isko identyfikacji typu kineskopu. S ą to trzy czujniki optyczne (typu nadajnik-odbiornik), których kom binację sy gnałów sterow nik odpow iednio interpretuje i zachow uje w pam ięci p rzez cały cykl p racy linii, przekazując tę inform ację do kolejnych stanow isk w ta k t przesuw u tran sp o rtera. P o czątk o w o zdarzały się błędy w określaniu typu kineskopu, sp o w o d o w an e użyciem niew łaściw ych czujników i zbyt prostym sposobem interpretacji sygnałów czujników . P o w ym ianie czujników i popraw ieniu program u rozpoznaw anie k ineskopów je s t niezaw odne.
Stero w n ik otrzym uje rów nież inform ację, czy kineskop zakładany na linię był ju ż grafitow any (jest to m ożliw e ze w zględów technologicznych). Taki kineskop nie pow inien być p o w tó rn ie lakierow any i sterow nik w strzym uje w tedy działanie stanow iska lakierow ania. In n e stanow iska działają norm alnie.
P ierw szym stanow iskiem , k tó re otrzym uje od sterow nika polecenia (o p ró c z w ysyłania do stero w n ik a inform acji) je st zrobotyzow ane stanow isko nakładania grafitu. Podstaw ow ym poleceniem ze stero w n ik a je s t w ybór program u robo czeg o robota, w zależności od aktualnego
kineskopu (m ały, średni, duży). Z g o d a na start program u ro b o ta je st uzależniona od tem peratury kineskopu i zatrzym ania się transportera na w łaściw ej pozycji (o b a te w arunki są sp raw d zan e p rzez sterow nik). P o zakończeniu program u grafitow ania ro b o t w ysyła odpow iedni sygnał do sterow nika. P ew n ą pozostałością okresu rozruchu i niepew ności identyfikacji kineskopu je s t d o d atk o w e spraw dzanie typu kineskopu przez czujnik pod łączo n y b ezpośrednio do robota.
M an ip u lato r lakierow ania je st urządzeniem w ym ieniającym ze sterow nikiem najw ięcej sygnałów . R uch każdego z trzech siłow ników liniow ych i je d n e g o o b ro to w e g o jest p o w o d o w an y sygnałem sterow nika, a każde położenie k rańcow e siłow nika je s t k o n tro lo w an e przez czujniki inform ujące sterow nik.
P o d o b n a kom unikacja odbyw a się rów nież m iędzy sterow nikiem a stanow iskiem pom iaru p aram etró w grafitu. W ysuw elektrod um ieszczonych na siłow nikach pneum atycznych i k o n tro lo w an ie p o ło żeń siłow ników odbyw a się poprzez sterow nik. D o d atk o w o do stero w n ik a przekazyw ane są inform acje z układu pom iarow ego stanow iska, czy w artości param etru m ieszczą się w odpow iednich granicach. N a podstaw ie tych inform acji sterow nik klasyfikuje kineskop ja k o "dobry" lub "zły".
Jednym z głów nych problem ów sterow ania przy urucham ianiu linii było n iepraw idłow e p rzesuw anie inform acji w takt ruch ó w transportera. Było to sp o w o d o w an e zastosow aniem w yłącznika k rań co w eg o ja k o inform ującego o zatrzym aniu transportera. Sygnał tego w yłącznika "m igotał", co sterow nik rozum iał ja k o następny k ro k tran sp o rtera i w yprzedzał inform ację o typie kineskopu w stosunku do rzeczyw istości. Z am iana w yłącznika krań co w eg o na indukcyjny czujnik zbliżeniow y zlikw idow ała ten problem.
W ażnym zadaniem sterow nika jest podaw anie inform acji o w ystępujących aw ariach linii. A w arie zostały podzielone na istotniejsze - zatrzym ujące linię o raz nie zatrzym ujące linii, a tylko ostrzegające o niepraw idłow ych stanach. Inform acje te są po d aw an e na kilku p oziom ach szczegółow ości
O p ró cz zadań sterow ania linią sterow nik zbiera rów nież inform acje produkcyjne o liczbie, typach i klasyfikacji "dobry" - "zły" produkow anych kineskopów . Inform acje te są na żądanie w yśw ietlane i m o g ą być kasow ane przez obsługę po podaniu hasła.
3. S t r u k t u r a s y s te m u s te ro w a n ia
S tru k tu ra system u sterow ania przedstaw iona jest na rys. 1. System ten je st średniej w ielkości, jeśli chodzi o liczbę sygnałów i zło żo n o ść p ro ced u r sterow ania. W om aw ianym system ie w y stęp u ją w yłącznie sygnały cyfrowe. Sygnały analogow e w ystępują w yłącznie ja k o sygnały p o m iaro w e w autonom icznych układach pom iarow ych tem peratury i rezystancji oraz układach regulacji tem peratuiy.
308 R. C zyżew ski. M. P etz
C ały system sterow ania został tak pomyślany, aby o g raniczyć rolę m ik ro p ro ce so ro w eg o sterow anika program ow alnego do synchronizacji pracy poszczególnych u rządzeń linii technologicznej o raz w ychw ytyw ania aw arii o raz sytuacji, k tó re m ogłyby, w p o rę nie zau w ażone, d oprow adzić do awarii i przerw y w produkcji. Stąd też w iększość u rządzeń linii posiada sw oje autonom iczne układy sterow ania.
E lem entem centralnym je st m ikroprocesorow y sterow nik p rogram ow alny typu S Y S M A C -C 2 0 0 H firmy O M R O N (Japonia). Składa się on z jed n o stk i cenralnej (C P U ) z w b u d o w an ą pam ięcią program u 16kB R A M podtrzym yw aną bateryjnie o ra z zegarem czasu rzeczyw istego, m odułu kom unikacyjnego R S232C o raz m o d u łó w cyfrow ych w ejść i wyjść.
W szystkie elem enty sk ład o w e sterow nika um ieszczone są na płycie m ontażow ej (backplane) stanow iącej z punktu w idzenia architektury system ow ej szynę w ejść/w yjść sterow nika.
O ile funkcje jed n o stk i centralnej o raz m odułów cyfrow ych w ejść i w yjść pełn io n e w sterow niku nie w ym agają dodatkow ych w yjaśnień, to w ym aga ich rola m odułu kom unikacyjnego R S 232C . W systemie docelow ym , to jest takim , jak i obecnie pracuje w linii g rafitow ania zadaniem je g o je st obsługa term inala typu N T 2 0 M (rów nież firmy O M R O N ).
N a etapie p ro g ram o w an ia sterow nika i urucham iania system u sterow ania m oduł ten służył do w p ro w ad zan ia program u sterow nika z kom putera. Jest on rów nież obecnie w ykorzystyw any do celów okresow ej diagnostyki oprogram ow ania.
W spom niany wyżej term inal stanow i w system ie sterow ania linią elem ent przekazyw ania obsłudze inform acji o zaistniałych aw ariach, sytuacjach przedaw aryjnych o raz w ielkości produkcji (m an-m achine interface). Jest on w yposażony w ekran ciekłokrystaliczny o w ym iarach 256x128 pikseli o raz 12 foliow ych przycisków (klaw iszy) funkcyjnych. Z naczenie tych przycisków nie je st sztyw no określone przez producenta, lecz p rzez p ro jek tan ta system u.
Za p o m o c ą klaw iatury funkcyjnej w prow adza się do system u sterow ania np. hasło um ożliw iające służbom nadzoru produkcyjnego kasow anie danych dotyczących w ielkości produkcji (system zapam iętuje datę i czas skasow ania danych!). W w ew nętrznej pam ięci term inala zapisane je st o k o ło 20 o b razów (m ożna zapisać 255), k tó re poleceniem stero w n ik a m o g ą być p rzesłane na jeg o ekran.
O rganizacja przekazyw ania obsłudze inform acji przez term inal je s t hierarchiczna:
obrazy o malejącej "randze" zaw ierają coraz bardziej szczeg ó ło w ą inform ację. W yboru zestaw u inform acji do w yśw ietlenia na ekranie dokonuje obsługa przez naciśnięcie klaw isza funkcyjnego, p o dpow iedzianego na ekranie.
Jak w spom niano w yżej, w iększość urządzeń linii grafitow ania, w szczególności robot IRB 1500 posiada w łasne, niezależne układy sterow ania. W ym iana inform acji pom iędzy sterow nikiem a układem sterow ania ro b o ta odbyw a się w sposób b ard zo upro szczo n y , za p o m o cą niezależnych sy gnałów cyfrow ych. W e w stępnej fazie p rojektow ania była ro zw ażan a m ożliw ość skom unikow ania obu tych "inteligentnych" urządzeń za p o m o c ą interfejsu
szereg o w eg o , np. R S 232C , co byłoby na pew no rozw iązaniem technicznie eleganckim , lecz bardzo nieekonom icznym w konfrontacji z niew ielką ilością inform acji będącej do przesłania.
4. M ik ro p ro c e s o ro w y s te ro w n ik p ro g r a m o w a ln y S Y S M A C -C 2 0 0 H
S tero w n ik ten je st średniej w ielkości sterow nikiem z szero k o rozrośniętej rodziny S Y S M A C -C stero w n ik ó w firmy O M R O N . R odzina ta obejm uje z jed n ej strony sterow niki obsługujące co najw yżej kilkanaście w ejść i wyjść cyfrowych, z drugiej zaś p o tężn e system y sieciow e stero w n ik ó w i k o m p u teró w zdolne obsłużyć dziesiątki tysięcy sy gnałów cyfrow ych i analogow ych. W rozdziale tym zostaną rów nież przedstaw ione p o k ró tce dane charakterystyczne o raz m ożliw ości sprzętow e i p ro g ram o w e poszczególnych typów sterow ników .
C ała rodzina stero w n ik ó w SY SM A C przedstaw ia się następująco:
S Y S M A C -C 2 0 S Y S M A C -C 20K S Y SM A C -C 20H
-C 28K -C 28H
-C 40K -C 40H
-C 60K -C 60H
SY SM A C -C Q M 1 S Y S M A C -C 200H SY SM A C -C 100H S Y S M A C -C 2000H
SY S M A C -C V 5 0 0 S Y S M A C -C V 1000 SY SM A C -C V 2000
U kład, w jak im zostały sterow niki w yliczone, nie jest przypadkow y: g ru p a g ó rn a to sterow niki m ałe, g ru p a śro d k o w a - sterow niki średnie i duże, natom iast dolna - d u że sterow niki 0 w ysokiej szybkości p rzetw arzania i dużych m ożliw ościach kom unikacji w system ach sieciow ych. Jak w id a ć , sterow nik SY S M A C -C 200H znajduje się ju ż blisko stero w n ik ó w dużych - za je g o p o m o c ą m ożna obsłużyć naw et około 600 sygnałów cyfrow ych w ejściow ych 1 w yjściow ych. Niestety, b arierą je st stosunkow o niew ielka pam ięć program u: m ax 16 kB. Jak w y kazała praktyka, rosnąca zło żo n o ść sterow ania w ym agająca dłuższego p rogram u ogranicza liczbę w ejść i w yjść m ożliw ych do obsłużenia tym program em i odw rotnie: dla m ałej liczby sy gnałów w ejściow ych i w yjściow ych m ożna napisać dość zło żo n y program sterujący.
W om aw ianym przypadku system u sterow ania linii g rafitow ania zastosow ano w yłącznie je d e n typ m o d u łó w w ejściow ych i jeden typ m o d u łó w w yjściow ych. Jednakże asortym ent tych m o d u łó w je st bardzo bogaty i pozw ala realizow ać z ło ż o n e procesy sterow ania, w łącznie z przetw arzaniem analogow o-cyfrow ym i cyfrow o-analogow ym , regulacją tem peratury i sterow aniem num erycznym m aszyn i prostych ro b o tó w przem ysłow ych. S to so w an e m oduły teg o typu stan o w ią autonom iczne jed n o stk i sterow ania
310 R. Czyżew ski. M . P etz
k om unikujące się z je d n o stk ą centralną sterow nika praw ie na zasadach ró w n o rzęd n o ści (głów nie w celu przekazania lub pobrania przetw orzonych danych o raz w ym iany sygnałów synchronizujących). D ostępny dla tego sterow nika m oduł m ikrokom puterow y p rogram ow alny w języ k u B A S IC lub assem blerze, w yposażony w dw a porty szeregow e R S 2 3 2 C pozw ala w łączyć w system stero w an ia urządzenia "inteligentne". P o n ad to m oduł ten m oże w spom óc je d n o stk ę ce n tra ln ą sterow nika w przypadkach bardziej złożonych sterow ań, np. sterow ań
optym alnych w ym agających często skom plikow anych obliczeń.
D uże sterow niki, np. C 1000H i C 2000H ,dysponują m ożliw ościam i obsługi dpow iednio 1024 i 2048 sygnałów w ejściow ych i wyjściowych. Ponadto duża pam ięć p ro g ram u (64kB ) pozw ala na realizację bardzo złożonych pro ced u r sterow ania. D o d atk o w o w stosunku do stero w n ik a C 200H paleta specjalizow anych m odułów je st p oszerzona o m oduł reg u lato ra PID , m oduł przerw ań, m oduł czytnika kodu paskow ego, m oduł czytnika kart m agnetycznych, m oduł g ło so w y (um ożliw iający sterow nikow i "w ygłaszanie" k om unikatów ludzkim głosem , niezależnie od języ k a), m oduł pamięci R A M (do m asow ego przechow yw ania danych lub zapasow ych, w ym iennych p ro ced u r program ow ych). T en ostatni daje szczególne m ożliw ości p rojektantow i system u sterow ania: pozw ala na w ym ianę całych frag m en tó w program u w trybie on-line, a w ięc natychm iastow e sam oczynne reagow anie sterow nika na najbardziej sk om plikow ane w arunki zew nętrzne. Sterow nik S Y S M A C -C 2000H m oże być ponadto w yposażony d o d atk o w o w zap aso w ą jed n o stk ę centralną pracu jącą w trybie g orącej rezerw y (h o t stand-by), co podnosi znacznie niezaw odność sterow ania.
Sterow niki S Y S M A C -C V 500, -C V 1000, -C V 2000 są znacznie unow ocześnionym i i udoskonalonym i w ersjam i sterow ników S Y SM A C -C 500, -C 1000H , -C 2000H . C harakteryzują się przed e w szystkim kilkakrotnie zw iększoną prędkością przetw arzania w sto sunku do sw oich p o p rzedników , a ponadto szybszą kom unikacją w sieciach stero w n ik ó w i k o m p u teró w (m ożliw ość bezpośredniego łączenia szyny sterow nika z urządzeniam i zew nętrznym i, w m iejsce pow olnych interfejsów szeregow ych). Z e sterow ników m o żn a b u d o w ać sieci ró żn o rak ieg o typu: sieci składające się w yłącznie ze sterow ników , sieci składające się ze stero w n ik ó w i k o m p u tera nadrzędnego (dow olnego typu, w tym w szczególności m ik ro k o m p u tera klasy IB M PC ) oraz sieci składające się z traktow anych ró w n o rzęd n ie sterow ników , m ikrokom puterów klasy IBM PC i k o m puterów d o w o ln eg o typu (za pośrednictw em odpow iednich urządzeń interfejsow ych).
Sieci pow yższe m o g ą być konfigurow ane w oparciu o ró żn e m edia transm isyjne: łącza elektryczne w standardach R S232C , R S422, R S485, Profibus, ja k ró w n ież łącza św iatło w o d o w e w oryginalnym standardzie O M R O N a lub m iniM AP.
P rzykład złożonej sieci przedstaw iony jest na rys. 2.
Rys. 1. S tru k tu ra system u sterow ania linią grafitow ania Fig. 1. S tructure o f control system for graphite line
Rys. 2. Przykłady siecize sterownikami OMRON
Fig. 2. Examples of networks withOMRONcontrollers
r OfTlROn ~ ] ( SYSMAC-CIM-SYSTEM |[ C -Serie I [ C -S e rie 1 [ s y s m a c - c im - s y s te m 1
\
O H IR O n jD . , s Y S M A c - T A - K o n » p fc SYSMAC-C-Serie Steuerungen Fabriksautomatisierung der Zukunft
S c łw te fte e O l M h i i f LAW fO r m it tle r e b i* g ro O e N e tz w e rk e O M f O f i SYSMKC-MCT M ömn «crri.e.r,
fO r k le in * b ta m it O w e M etz w e ilte C e l W n M M t x a n n C M A i r o M W t w e t n » . PC» i*d
DwmLANWMTOKCM-RMG-SYSTtM«
Qtm*m » lir t Y * mrr&pcn O»
KommunkkMon MAP.
E i« W » m V e i« n r g m lilv C -S < n » - Tn»«v
mne» RS 732^S 4»-Scrv»rta»eW< «om PC
<Xn f i g M i r t n r t n
312R. Czyżewski. M. Petz
L IT E R A T U R A
[1] P etz M .: P roblem y projektow ania i w drażania zrobotyzow anych linii produkcyjnych na przykładzie linii grafitow ania kineskopów w T hom son-P olkolor. IV K rajow a K onferencja R obotyki, W ro cław 1993.
R ecenzent: Prof, d r inż. H en ry k K ow alow ski W płynęło do Redakcji do 30.04. 1994 r.
A b s tr a c t
A ro b o tized line o f graphite coating o f T V -tubes w ith IRB 1500 robot, controlled by PL C C 2 0 0 H from O M R O N is described. A ccording to inform ation from sensors, PLC identifies the type o f a tube and sends this inform ation succesively to all w orking stands acco rd in g to th e steps o f conveyor. In the graphite coating stand the identification is repeated.
I f this co rresp o n d s w ith th e inform ation from PLC, a robot chooses p ro p er w o rk in g program and puts on the layer o f graphite on TV -tube. A lacquer m anipulator is positioned fo r on e o f the T V -tu b es acco rd in g to th e inform ation from PLC. In the controlled stand, a m easured value is co m p ared w ith a p reprogram m ed limit value and the control erro r is send to PLC. In the case o f m anual control o f the line, PLC is also used. It checks initial conditions o f the line and sends a start signal to all w orking stands. A structure o f the control system is described.
Inform ation ab o u t the SY SM A C family controllers o f O M R O N is given.
