Tomasz Wloczyk - Praca magisterska PDF

Preview

Summary

Master thesis - System for pallets movement control in an intelligent transport system...

Description

POLITECHNIKA WROCŁAWSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY KIERUNEK: MECHATRONIKA SPECJALNOŚĆ: MECHATRONIKA W MASZYNACH I POJAZDACH

PRACA DYPLOMOWA MAGISTERSKA Sterowanie ruchem palet w inteligentnym systemie transportowym

System for pallets movement control in an intelligent transport system

AUTOR: Tomasz Wloczyk

PROMOTOR: Dr inż. Krzysztof Chrapek Katedra Technologii Laserowych, Automatyzacji i Organizacji Produkcji

OCENA PRACY:

WROCŁAW 2017 0

Spis treści 1.

Wprowadzenie.................................................................................................................... 3 1.1.

Czwarta rewolucja przemysłowa – Przemysł 4.0 ........................................................ 3

1.2.

Sterowniki PLC ........................................................................................................... 4

1.2.1.

Budowa sterownika PLC...................................................................................... 4

1.2.2.

Tryby pracy i cykl programowy sterownika ........................................................ 5

1.3.

1.3.1.

PROFINET ........................................................................................................... 6

1.3.2.

Modbus TCP ........................................................................................................ 6

1.4.

Oprogramowanie TIA Portal ....................................................................................... 7

1.5.

Funkcje wykorzystywane w programie ....................................................................... 8

1.5.1.

Podstawowe funkcje ............................................................................................. 8

1.5.2.

Przerzutniki .......................................................................................................... 9

1.5.3.

Timery ................................................................................................................ 10

1.5.4.

Liczniki............................................................................................................... 12

1.5.5.

Modbus TCP w TIA Portal ................................................................................ 12

1.6.

2.

3.

Komunikacja urządzeń ................................................................................................ 6

Koncepcja paletowego systemu transportowego ....................................................... 14

1.6.1.

Konfiguracja systemu ......................................................................................... 14

1.6.2.

Założenia pracy systemu .................................................................................... 15

Komponenty systemu ....................................................................................................... 16 2.1.

Przenośniki taśmowe Bosch ...................................................................................... 16

2.2.

Sterownik SIMATIC S7-1500 ................................................................................... 18

2.3.

Panel HMI ................................................................................................................. 19

2.4.

Sterownik Wago ........................................................................................................ 20

2.5.

Roboty przemysłowe ................................................................................................. 21

Program sterujący paletowym systemem transportowym ................................................ 23 3.1.

Konfiguracja sprzętowa w TIA Portal ....................................................................... 23

3.2.

Zmienne i stałe .......................................................................................................... 24

3.3.

Komunikacja sterowników ........................................................................................ 24

3.4.

Transportery............................................................................................................... 27

3.4.1.

Transportery narożne wjazdowe ........................................................................ 27

3.4.2.

Transportery narożne zjazdowe ......................................................................... 28

3.4.3.

Transportery środkowe dojazdowe .................................................................... 30

3.4.4.

Transportery środkowe rozjazdowe ................................................................... 32

3.5.

Windy ........................................................................................................................ 34 1

3.6.

Hamulce ..................................................................................................................... 37

3.6.1.

Hamulce przy windach ....................................................................................... 38

3.6.2.

Hamulce w strefach kolizji ................................................................................. 39

3.7.

Warunki początkowe ................................................................................................. 41

3.8.

Obsługa błędów ......................................................................................................... 42

3.8.1.

Zbyt wczesne opuszczanie lub podnoszenie transportera .................................. 42

3.8.2.

Błąd komunikacji ............................................................................................... 43

3.8.3.

Diagnostyka........................................................................................................ 43

3.9.

Współpraca z panelem HMI ...................................................................................... 43

3.10. Testy systemu ............................................................................................................ 44 4.

Możliwości rozwoju systemu ........................................................................................... 46 4.1.

Sterowanie prędkością i kierunkiem ruchu taśm ....................................................... 46

4.2.

Zwiększenie autonomiczności systemu ..................................................................... 47

4.2.1.

Ogrodzenie stanowiska ...................................................................................... 47

4.2.2.

Czujniki na transporterach ................................................................................. 47

4.2.3.

Eliminacja występujących błędów ..................................................................... 48

4.2.4.

Konserwacja komponentów ............................................................................... 48

4.2.5.

Współpraca z robotami....................................................................................... 48

4.2.6.

System identyfikacji palet .................................................................................. 49

4.2.7.

Systemy wizyjne ................................................................................................ 49

4.3.

Wprowadzenie aplikacji mobilnej ............................................................................. 49

5.

Podsumowanie ................................................................................................................. 51

6.

Literatura .......................................................................................................................... 52

2

1. WPROWADZENIE Niniejsza praca polegała na opracowaniu algorytmu sterującego paletowym systemem transportowym oraz wdrożenie go na uprzednio przygotowane stanowisko (rys. 1.1). Program został napisany w środowisku TIA Portal oraz wgrany na sterownik Siemens Simatic S7-1500. W celu umożliwienia jego implementacji konieczne również było skomunikowanie sterownika firmy Siemens z programowalnymi sterownikami sieciowymi Wago System 750-341 z dołączonymi modułami wejść/wyjść poprzez protokół Modbus TCP. Projekt miał spełniać założenia koncepcji Przemysłu 4.0.

Rysunek 1.1 - Stanowisko paletowego systemu transportowego

Zakres pracy obejmował zebranie informacji odnośnie programowania sterowników PLC oraz komunikacji urządzeń w sieci PROFINET. Należało opracować koncepcję układu sterowania, uwzględniając dostępne elementy, wchodzące w skład stanowiska. Głównym zadaniem było przygotowanie programu sterującego systemem, który następnie miał być testowany i optymalizowany. Na końcu należało zweryfikować poczynione założenia. 1.1. CZWARTA REWOLUCJA PRZEMYSŁOWA – PRZEMYSŁ 4.0

Wynalezienie napędu parowego oraz mechanizacja pracy w XVIII w. stanowiły początek pierwszej rewolucji przemysłowej. Kolejnym przełomem było wprowadzenie produkcji masowej poprzez utworzenie linii produkcyjnej. Trzecia rewolucja przemysłowa otwierająca erę automatyki przemysłowej została zapoczątkowana poprzez stworzenie programowalnego sterownika logicznego. Utworzenie Internetu oraz dalszy rozwój technologii doprowadził do czwartej rewolucji przemysłowej. [11] Przemysł 4.0 (znany również pod nazwami Industrie 4.0 lub Industry 4.0) polega na komputeryzacji procesów, wprowadzeniu inteligentnych fabryk i umożliwieniu komunikacji urządzeń między sobą. W skład tej idei wchodzą technologie takie jak Internet Rzeczy, sieci neuronowe, sztuczna inteligencja, Big Data (gromadzenie i analiza danych), czy Data Mining (eksploracja danych). Kluczowym aspektem koncepcji Przemysłu 4.0 jest Internet Rzeczy (ang. Internet of Things). Pojęcie to oznacza możliwość podłączenia dowolnego urządzenia do Internetu, jak również zdalny dostęp do tego urządzenia z dowolnego miejsca, w którym istnieje dostęp do Internetu. W rezultacie stosując nowoczesne technologię można monitorować, usprawniać oraz serwisować sprzęt, znajdując się tysiące kilometrów od niego. 3

Z Przemysłem 4.0 ściśle związane jest pojęcie Smart Industry. W pojęciu tym zawierają się między innymi rozwiązania obejmujące digitalizację informacji, umożliwiając efektywne zarządzanie produkcją, rozwiązania polegające na wykorzystaniu nowoczesnych technologii, w celu poprawy komunikacji, czy też stosowanie inteligentnych technologii, umożliwiających szybką reakcję na zmieniające się oczekiwania odbiorców. Zgodnie z powyższym opisem, sprzęt realizujący koncepcję Przemysłu 4.0 powinien:      

cechować się wysokim stopniem automatyzacji, zbierać, analizować i przetwarzać dane w czasie rzeczywistym, komunikować się między poszczególnymi urządzeniami, umożliwiać dostęp oraz zarządzanie przez Internet, podejmować decyzje na podstawie przeprowadzonych symulacji, być elastyczny, dopasowywać się do potrzeb.

1.2. STEROWNIKI PLC

Sterowniki PLC (ang. Programmable Logic Controller), czyli programowalne sterowniki logiczne są to komputery przemysłowe, pracujące w czasie rzeczywistym. Ich zadaniem jest zbieranie i przetwarzanie informacji, a także sterowanie urządzeniami wykonawczymi. Muszą one cechować się odpornością na wszelkiego rodzaju zakłócenia. Programowalne sterowniki logiczne są następcami wcześniej stosowanych systemów przekaźnikowych. Cechuje je zwarta budowa, wysoka niezawodność, łatwość programowania i nanoszenia poprawek do programu oraz krótkie czasy reakcji. Ze względu na te właściwości, stosowane są w wielu gałęziach przemysłu, przede wszystkim przy produkcji. Wykorzystuje się je w szczególności do sterowania i kontroli przebiegu procesów. 1.2.1. Budowa sterownika PLC Budowa sterownika została przedstawiona na rysunku 1.2. Podstawowym elementem sterownika jest jednostka centralna CPU (ang. Central Processing Unit). W skład jednostki centralnej wchodzi procesor, pamięć ROM i RAM, interfejs, wejścia oraz wyjścia cyfrowe i analogowe. CPU przetwarza informacje uzyskiwane z wejść i zapisuje je w postaci binarnej do pamięci.

Rysunek 1.2 - Schemat blokowy sterownika PLC [6]

4

W pamięci operacyjnej ROM zawarte jest oprogramowanie systemowe. Dzięki niej możliwa jest komunikacja jednostki centralnej z programatorem, obsługa modułów wejść i wyjść oraz diagnostyka systemu. Pamięć ta może być typu flash, dzięki czemu możliwa jest aktualizacja oprogramowania przez użytkownika, bez potrzeby wysyłania sprzętu do serwisu. W pamięci RAM zapisywane są dane systemowe, program i dane użytkownika, a także obraz wejść i wyjść sterownika. Często posiada ona podtrzymywane zasilanie. Niezbędnym elementem programowalnego sterownika logicznego jest zasilacz. Napięcie zasilania zależy od rodzaju sterownika. Istnieją sterowniki, do których doprowadzany jest prąd zmienny 120 lub 230 V, a niektóre pracują na prądzie stałym 12 lub 24 V. Programator w sterowniku służy do tworzenia, testowania i korygowania programu. Przeprowadza on konwersję algorytmu na kod maszynowy, a następnie implementuje go do sterownika. Programator może być ręczny, czyli tak zwana konsola lub może go stanowić komputer PC, wyposażony w odpowiednie oprogramowanie. Do sterownika można dołączać różnego rodzaju moduły. Często wykorzystuje się dodatkowe wejścia i wyjścia cyfrowe lub analogowe. Można również stosować moduły specjalizowane, takie jak np. moduł szybkiego licznika HSC (ang. High-Speed Counter Module) czy też moduł pozycjonowania osi. Nierzadko dołączane są również moduły komunikacyjne, umożliwiające połączenie sterownika z innym urządzeniem po określonym złączu. 1.2.2. Tryby pracy i cykl programowy sterownika Istnieją trzy tryby pracy, w których może pracować sterownik serii SIMATIC S7:  



STOP – brak pracy programu; podczas tego trybu program nie jest wykonywany, natomiast umożliwia on wgranie algorytmu sterującego do sterownika, STARTUP – tryb startowy; wykonywany jest blok startowy OB100, umożliwiający np. wprowadzenie początkowych wartości zmiennych przed realizacją algorytmu właściwego programu, RUN – praca programu; cyklicznie wykonywany jest program, zawarty w bloku organizacyjnym OB1; program może być zatrzymany na czas obsługi przerwań.

Cykl programowy w sterowniku PLC można podzielić na cztery fazy. Przedstawia je rysunek 1.3.

Rysunek 1.3 - Cykl programowy w sterowniku PLC [6]

5

Podczas odczytu wejść do pamięci sterownika zapisywane są stany fizyczne wejść. Wykonanie programu polega na realizacji algorytmu sterującego i wypracowaniu na jego podstawie stanów wyjść, które są zapisywane w odpowiednim obszarze pamięci sterownia. W czasie fazy diagnostyki i komunikacji przeprowadzana jest samodiagnostyka sterownika i jego połączenie ze środowiskiem TIA Portal, o ile programista kontroluje bieżące stany wejść i wyjść. Podczas uaktualniania wyjść przepisywane są stany wyjść z obszaru pamięci sterownika, w którym zostały zapisane do wyjść fizycznych. 1.3. KOMUNIKACJA URZĄDZEŃ

Zaprojektowany system transportu palet składa się z szeregu urządzeń, tworzonych przez różne firmy i w odmiennych standardach. Zgodnie z charakterystyką czwartej rewolucji przemysłowej podzespoły te powinny potrafić się ze sobą komunikować. Kierując się tą ideą połączono ze sobą szereg odrębnych komponentów w jeden system. Do komunikacji urządzeń między sobą wykorzystano technologię PROFINET oraz Modbus TCP. 1.3.1. PROFINET PROFINET jest standardem, który opiera się o sieć przemysłową Ethernet przy jednoczesnym wykorzystaniu zalet sieci PROFIBUS. Standard ten zapewnia dużą niezawodność połączeń, co jest bardzo istotne przy stosowaniu go w automatyce przemysłowej. Pomimo że sieć PROFINET oparta jest na Industrial Ethernet, standard ten jest kompatybilny z urządzeniami zwykłego Ethernetu. Standard PROFINET jest obecnie często wykorzystywany w sterownikach PLC. Wysokie prędkości wymiany danych pozwalają na sterowanie urządzeniami i procesami praktycznie w czasie rzeczywistym. Odpowiednia technologia umożliwia szybki i bezproblemowy transfer danych pomiędzy urządzeniami, a także programowanie oraz prostą diagnostykę. Sieć PROFINET pozwala na integrację urządzeń, działających w różnych standardach. Wpisuje się on zatem w wytyczne koncepcji Przemysłu 4.0. W ramach sieci PROFINET można również skomunikować urządzenia po protokole Modbus TCP. 1.3.2. Modbus TCP Modbus TCP jest standardowym protokołem komunikacyjnym, działającym przy wykorzystaniu standardu PROFINET. Używa on interfejsu TCP/IP oraz sieci Ethernet do transferu danych między kompatybilnymi urządzeniami. W protokole Modbus wymiana informacji funkcjonuje w oparciu o zasadę master-slave, która gwarantuje współdzielenie magistrali przez kilka urządzeń bez ryzyka konfliktu między nimi. Jest on wykorzystywany w systemach automatyki przemysłowej. Komunikacja Modbus TCP poprzez sieć Ethernet odbywa się z wykorzystaniem portu systemowego 502, zarezerwowanego dla aplikacji Modbus. Klienci (master) i serwery (slave) TCP/IP nasłuchują sieci i odpowiadają na dane przez ten port.

6

1.4. OPROGRAMOWANIE TIA PORTAL

Programowanie sterowników PLC wymaga odpowiedniego środowiska programistycznego. Firma Siemens dba o swoich klientów i zapewnia oprogramowanie, dające szerokie możliwości działań na sterownikach serii SIMATIC S7. Jest nim środowisko TIA Portal, które integruje systemy SIMATIC. Najważniejszym składnikiem programu TIA Portal w przypadku tworzenia algorytmów sterowania jest STEP7. Służy on do pisania i testowania kodu programu. Pozwala na napisanie algorytmu sterującego, kompilację kodu oraz jego wgranie do pamięci sterownika. Oprogramowanie komunikuje się ze sterownikiem przy pomocy portu Ethernet. Kod programu może być pisany w różnych językach programowania. Dla sterowników serii S7-1500 możliwe są następujące języki: 

   

LAD (ang. Ladder Diagram) – diagram drabinkowy; język graficzny, w którym program tworzony jest z symboli wykorzystywanych w systemach automatyki, ułożonych w obwodach, FBD (ang. Function Block Diagram) – diagram bloków funkcji; język graficzny podobny do języka LAD, przy czym zamiast styków i cewek wykorzystuje się zmienne, STL (ang. Statement List) – lista instrukcji; język tekstowy podobny do asemblera, polega na tworzeniu listy rozkazów do wykonania, SCL (ang. Structured Control Language) – język tekstu strukturalnego; język tekstowy wysokiego poziomu, podobny do języka Pascal, GRAPH (ang. Programming Sequential Control Systems) – sekwencyjna sieć działań; język graficzny, polegający na sekwencyjnym zapisie programu. [3]

Częścią środowiska TIA Portal jest program PLCSIM. Umożliwia on symulację pracy sterownika. Jest to szczególnie przydatne, gdy trzeba przetestować działanie napisanego algorytmu, a niemożliwy jest dostęp do sterownika. Przy jego pomocy można również przyspieszyć fazę testów. Kolejnym składnikiem TIA Portal jest program WinCC. Wykorzystywany jest on do tworzenia wizualizacji działania na panelu operatorskim HMI (ang. Human-Machine Interface). Firma Siemens sprawiła, że korzystanie ze zmiennych, utworzonych przy pisaniu programu na sterownik PLC, jest bardzo pro...