Modułowy system zautomatyzowanej linii produkcyjnej

Ze względu na dydaktyczne i naukowo-badawcze przeznaczenie linii elementy składowe odzwierciedlają aktualny stan techniki i są powszechnie stosowane w przemyśle. Dzięki możliwości elastycznego konfigurowania ciągów transportowych modułowy system zautomatyzowanej linii produkcyjnej umożliwia swobodne modelowanie procesów produkcyjnych.

Elementy składowe systemu:

• moduły ciągów transportowych opartych na systemie TS2 firmy Bosch Rexroth,
• system sterowania linii produkcyjnej wykorzystujący komponenty firmy Siemens,
• system RFID typu ID 200 firmy Bosch Rexroth do identyfikacji wyrobów i palet,
• aplikacja wolnostojącego robota IRB 140 firmy ABB, obejmującego zasięgiem jedną stację roboczą; robot współpracuje z systemem wizyjnym IVC-2D firmy SICK,
• aplikacja robota IRB 140 podwieszonego na portalu, obejmującego zasięgiem cztery stacje robocze; robot współpracuje ze stacją wymiennych chwytaków firmy SCHUNK,
• centrum obróbcze FMS – tokarka CNC, frezarka CNC, robot z chwytakiem na torze jezdnym.

Charakterystyka modułów transportowych

Moduły transportowe oparte na systemie przenośników TS2 firmy Bosch Rexroth zaprojektowano w formie uniwersalnych odcinków linii produkcyjnej o jednolitej strukturze mechatronicznej. Moduły te mogą być zestawiane jeden za drugim prostoliniowo lub pod kątem prostym. Można więc skonfigurować linię produkcyjną w formie pojedynczego długiego transportera, kilku równoległych transporterów lub jako transportery pracujące w obiegu zamkniętym.

System rozprowadzania zasilania elektrycznego i pneumatyki oraz okablowanie magistrali sieciowych w poszczególnych modułach transportowych zostały zaprojektowane tak, aby było możliwe swobodne kształtowanie topologii w układzie kaskadowym.

Swobodę konfigurowania linii produkcyjnej uzyskano dzięki rozproszeniu zasobów wejść/wyjść systemu sterującego i rozmieszczeniu ich jako wysp I/O w niewielkich szafkach sterowniczych zamontowanych na poszczególnych modułach transportowych. Rozwiązanie oparto na modułach komunikacyjnych ET 200S firmy Siemens.

System połączeń między wyspami I/O obejmuje:

• obiektowe zasilanie sieciowe 3 × 400 V + N + PE,
• obiektowe zasilanie 24 V DC,
• systemowe zasilanie 24 V DC,
• pętlę awaryjną,
• zasilanie pneumatyki,
• magistralę sieciową Profinet,
• magistralę sieciową Profibus.

Każdy moduł transportowy zawiera następujące elementy automatyki:

• sterowanie silnikiem transportera,
• sterowanie bramkami stoperów,
• sterowanie i kontrolę pozycji siłownika windy,
• czujniki indukcyjne kontroli położenia palet,
• stację systemu identyfikacji palet – dwie anteny RFID,
• rezerwowe zasoby wejść/wyjść dwustanowych 24 V DC.

Do obsługi dodatkowych urządzeń pracujących na poszczególnych stanowiskach linii produkcyjnej zaprojektowano cztery mobilne stacje procesowe, w których zastosowano sterowniki PLC klasy S7-1200. Pracują one jako wyspy IWLAN i wykorzystują przemysłowy system komunikacji bezprzewodowej połączony z centralnym systemem sterowania.

Centralny system sterowania linią produkcyjną

Sterowaniem wszystkimi procesami na linii produkcyjnej zajmuje się Centralny System Sterowania, który składa się z następujących elementów:

• sterownik PLC S7-300 – jednostka centralna CPU 317 2PN/DP IWLAN,
• panel operatorski dotykowy TP1500 Comfort do podstawowej obsługi systemu,
• stacja operatorska PC do wizualizacji oraz zaawansowanej obsługi systemu sterowania wraz z oprogramowaniem SCADA.

Do komunikacji z rozproszonymi zasobami I/O linii produkcyjnej używane są magistrale Profinet i Profibus oraz przemysłowa sieć bezprzewodowa IWLAN.

Centralny System Sterowania umieszczono w szafie sterowniczej (fot. 2) w pobliżu modułu transportowego AS1 stanowiącego umowny początek linii produkcyjnej.

Do wizualizacji i obsługi systemu sterowania linii produkcyjnej służy dotykowy panel operatorski zamontowany w szafie sterowniczej. Program sterujący oraz wizualizacja zostały wykonane w środowisku TIA Portal – Totaly Integrated Automation V11.

Wszystkie elementy wykonawcze zastosowane w systemie są zaszyte w programie w postaci uniwersalnych i jednolitych bloków funkcyjnych. W ramach tych modułów programowych w uniwersalny sposób rozwiązano sterowanie elementów wykonawczych, diagnostykę stanu pracy, obsługę alarmów oraz logikę sygnałów We/Wy. Dla poszczególnych typów elementów wykonawczych zaprojektowano komponenty do wizualizacji ich stanu pracy. Podobnie zorganizowana została diagnostyka elementów czujnikowych.

Odpowiednio zestawione komponenty wizualizacyjne zostały pogrupowane w widoki segmentów transportowych z uwzględnieniem ich topologii. Dzięki temu po zmianie rozmieszczenia mechanicznego segmentów można w prosty sposób zaktualizować zaprojektowany w środowisku TIA Portal – główny ekran wizualizacji.

Programowanie i przebieg modelowania procesu produkcyjnego

Palety są załadowywane na linię w module AS1, gdzie zadaniem operatora jest umieszczenie materiałów i podzespołów niezbędnych w procesie wytwarzania danego produktu oraz wprowadzenie do systemu danych o rodzaju produktu i kolejności wykonywania operacji na linii produkcyjnej.

Informacje charakteryzujące stan każdej palety są przechowywane w elemencie pamięciowym systemu RFID zamontowanym na każdej z nich. Stan palety może być odczytany, zmieniony oraz zapisany, gdy element pamięciowy RFID znajdzie się w zasięgu anteny RFID umieszczonej na stanowisku produkcyjnym.

Struktura informacji zapisywanej na paletach:

• numer identyfikacyjny palety,
• numer identyfikacyjny produktu,
• harmonogram operacji do wykonania w trakcie procesu produkcyjnego,
• aktualny stan wykonania poszczególnych operacji.

Po zaprogramowaniu danych na palecie operator zatwierdza START cyklu produkcyjnego. Od tej chwili paleta rozpoczyna wędrówkę na linii produkcyjnej. W zależności od rodzaju produktu paleta jest zatrzymywana na poszczególnych stacjach produkcyjnych, które rozmieszczone są obok transporterów.

Stacje produkcyjne mogą być skonfigurowane w jeden z poniższych sposobów:

• jako symulacja stanowiska produkcyjnego,
• jako stanowisko skojarzone z rzeczywistym urządzeniem pracującym na danej stacji produkcyjnej.

Symulacja stanowiska produkcyjnego polega na zatrzymaniu palety na stanowisku, odliczeniu zaprogramowanego czasu operacji, a następnie kontynuacji cyklu produkcyjnego.

Na stanowisku produkcyjnym skojarzonym z rzeczywistym urządzeniem realizowany jest system wymiany sygnałów synchronizujących. System transportu palet przesyła do urządzenia na stanowisku sygnał gotowości informujący, że paleta została dostarczona. Urządzenie po odebraniu sygnału dostarczenia palety wystawia sygnał informujący system transportowy, że operacja jest w trakcie wykonywania. Po zakończeniu operacji urządzenie innym sygnałem potwierdza zakończenie operacji, a następnie po „zabraniu” przez transporter palety wystawia sygnał gotowości do następnego cyklu. W pamięci systemu identyfikacji RFID palety zapisywana jest informacja o wykonaniu operacji na tym stanowisku. Paleta przemieszcza się dalej do następnego stanowiska, gdzie wg harmonogramu wykonana zostanie kolejna operacja.

Po wykonaniu wszystkich zaprogramowanych dla danego produktu operacji technologicznych paleta zostaje przekazana do segmentu AS2, stanowiącego w systemie transportu „przystanek końcowy”. W tym miejscu, na kończącej swoją wędrówkę na linii transportowej palecie, znajduje się wyrób gotowy, który należy zabrać.

Pusta paleta zostanie automatycznie przekazana na segment AS1, gdzie jest gotowa do ponownego użycia. Operator ponownie „uzbraja” ją w materiały oraz podzespoły niezbędne w procesie wytwarzania danego produktu. Dane o rodzaju produktu i kolejności wykonywania operacji na linii produkcyjnej nie muszą być ponownie wprowadzane do systemu, gdyż nie zostały one zmodyfikowane w czasie poprzedniego cyklu produkcyjnego. Wystarczy skasować informację o wykonaniu operacji i zatwierdzić START kolejnego cyklu produkcyjnego. Jeśli paleta znajduje się w punkcie początkowym transportu AS1, można zmienić na niej rodzaj produktu i zapisać nowe dane do jej pamięci RFID.

Trasa poruszania się palety w systemie transportowym wynika z kolejności wykonywania operacji na poszczególnych stacjach roboczych. W punktach węzłowych, gdzie zachodzi możliwość wyboru alternatywnych tras poruszania się palety, optymalna trasa wybierana jest automatycznie przez system bądź wybierany jest określony kierunek transportu predefiniowany przez operatora.

System synchronizacji transportu palet jest jednolity dla wszystkich stanowisk produkcyjnych. Dzięki temu zmiana topologii linii produkcyjnej czy też wymiana parku maszynowego nie pociągają za sobą konieczności zmian w strukturze logicznej oprogramowania systemu centralnego.

Stanowiska produkcyjne z robotami przemysłowymi i systemem wizyjnym

Aplikacje robotów będące elementami składowymi wdrażanych linii, łącznie z systemem wizyjnym, zostały zrealizowane w PIAP przez Ośrodek Automatyzacji i Systemów Wizyjnych (OAS).

Robot przemysłowy IRB 140 współpracuje z systemem wizyjnym IVC-2D firmy SICK za pomocą dwóch rodzajów połączeń:

• We/Wy dwustanowych, które służą do synchronizacji operacji wykonywanych przez oprogramowania aplikacyjne systemu wizyjnego i robota,
• sieci przemysłowej Ethernet, za pomocą której system wizyjny przekazuje do robota informację o położeniu analizowanych elementów znajdujących się na palecie.

Informacja o położeniu rozpoznanych elementów wykorzystywana jest w systemie sterowania robota do określenia charakterystycznych punktów trajektorii ruchu podczas realizacji zamierzonych operacji technologicznych, takich jak np. chwytanie detali znajdujących się na palecie w zmiennym położeniu lub korekcja trajektorii ruchu w procesie automatycznego montażu produktu.

Przykładowa aplikacja zrealizowana w projekcie polega na określeniu położenia wałka oraz tulei znajdujących się na palecie, a następnie wykonaniu operacji umieszczenia wałka w tulei.

IRB 140, podwieszony na portalu i obejmujący zasięgiem cztery stacje robocze, współpracuje ze stacją trzech wymiennych chwytaków firmy SCHUNK.

Roboty organizacyjnie stanowią jednostki podrzędne w stosunku do systemu transportu palet, z którym wymieniają informacje za pomocą zestawu markerów umieszczonych w obszarze danych transmitowanych za pośrednictwem magistrali Profibus.

Stanowisko produkcyjne z centrum obróbczym FMS

Centrum obróbcze FMS składa się z:

• tokarki CNC typu MIRAC PC,
• frezarki CNC typu TRIAC PC,
• robota Movemaster z chwytakiem poruszającego się po torze jezdnym.

Robot z chwytakiem pełni rolę łącznika pomiędzy systemem transportowym palet a obrabiarkami CNC. Tor jezdny robota umieszczono wzdłuż transportera palet, co pozwala na pobieranie chwytakiem materiałów wyjściowych z palet i podawanie ich do tokarki lub frezarki w celu obróbki. Po zakończeniu obróbki robot odbiera gotowy detal i odkłada go na paletę w celu przekazania na kolejne stanowisko produkcyjne. Wszystkie procesy na tym stanowisku są w pełni zautomatyzowane i programowane w lokalnych systemach sterowania tokarki, frezarki i robota. Robot jest jednostką nadrzędną w stosunku do frezarki i tokarki, a podrzędną w stosunku do centralnego systemu sterowania linii produkcyjnej.

Bogdan Jarzembski
PIAP OBRUSN

źródło: PIAP OBRUSN