Automatizované řízení technologických procesů

1. Automatizované řízení technologických procesů 1. přednáška Miloslav LINDA, Katedra elektrotechniky a automatizace, TF, ČZU

2. Úvod • Osnova přednášek • Osnova cvičení • Cíle předmětu • Řešení zadaných úloh

3. Řídicí a informační systém • Řídicí systém uskutečňuje sběr, přenos a zpracování informací z celého výrobního procesu a koordinuje i monitoruje činnost jednotlivých pracovišť

4. Řídicí a informační systém • Uplatnění číslicové řídicí techniky s řešením sériového či paralelního přenosu dat • Centralizovaný a decentralizovaný systém • Možné výhody a nevýhody

5. Řídicí a informační systém • S pevným programem • (děrný štítek) • S volitelným programem • (volba parametrů) • Volně programovatelné • (inteligentní roboty)

6. Řídicí a informační systém • Z hlediska energií • Pasivní, aktivní • Pneumatické, elektrické, hydraulické • Z hlediska výstupního signálu • Analogový, logický (bitové vyjádření - diskrétní), digitální (bytové vyjádření)

7. Řídicí a informační systém • Programovatelný logický automat • Pracuje s bity, neumí fungovat jako řídicí počítač • Řídicí počítač • Pracuje s byty, může se stát automatem

8. Řídící jednotky • Řídící jednotky zajišťují určitou specifickou činnost, jsou obvykle součástí decentralizovaného systému • Jejich rozšíření je zapříčiněno miniaturizací elektrotechniky • Řídící jednotky musí odolávat určitým specifickým podmínkám • teplota (-40 po 125°C), EMC (elektromagnetická kompatibilita), otřesu vzdornost, odolnost vůči vlhkosti, agresivním kapalinám, nízká hmotnost, spolehlivost, nízké výrobní náklady

9. Řídicí systém • Uspořádání řídicího systému obr.1 přílohy • 1.úroveň – řízení jednotlivých akčních členů elektromechanických, elektrotepelných a jiných., strukturu tvoří bloky R, M, A kde R uskutečňuje regulaci nebo ovládání akčního členu A pomocí měniče M • 2.úroveň – představuje řízení skupiny akčních členů jednoho funkčního celku (pohon hlavního vřetene, pohony posuvů, pomocné pohony, vyhřívání atd.) • 3.úroveň – uskutečňuje řízení skupiny jednotlivých strojů (bezobslužné obráběcí centrum obsahující NC stroje, mezioperační manipulátor atd.), pracoviště se sestává z technologických i netechnologických celků • 4. úroveň – zajišťuje řízení celých dílen, výrobních provozů, činnost organizační, plánovací, vyhodnocovací, zásobování atd.

10. Řídicí systém • Uspořádání řídicího systému • Přibližně na 4. a 5.úrovni probíhá rozhranní mezi řízením výrobních procesů a systémy přípravy výroby, řeší se zde problémy konstrukční a technologické přípravy výroby, kalkulace výrobních nákladů apod. • 5.úroveň – zajištění výroby v rámci celého podniku, financování podniku, marketing, evidence zakázek, dodávky, strategie technického vývoje, rozvoj výrobní základny a pracovních sil • Tato struktura představuje ideální stav plné počítačové integrace výrobního systému

11. Prostředky pro řízení • Řídicí jednotky akčních členů • Prostředky pro řízení na nejnižší úrovni jsou určeny pro bezprostřední řízení akčních členů • Jejich úkolem je: • Přijímat příkazy pro řízení regulovaných veličin (proudu, mechanické síly, či momentu, rychlosti, zrychlení, polohy, teploty), zadávané z panelu nebo pomocí dálkového přenosu dat • Přijímat a zpracovávat data ze senzorů akčních členů o skutečných hodnotách veličin řízeného procesu

12. Prostředky pro řízení • Podle informací o požadovaných a skutečných hodnotách řídit regulované veličiny s minimální regulační odchylkou a optimálním průběhem regulačního procesu, minimalizovat vliv poruchových veličin, omezení maximálních regulovaných a vnitřních veličin atd. • Provádět diagnostiku a monitorovací činnost akčních členů i řízeného procesu, uskutečňovat potřebné jistící zásahy, zobrazování informací, datový přenos • Řídicí zásahy vykonávat pomocí budících signálů jednotlivých polovodičových součástek měniče při splnění všech podmínek

13. Prostředky pro řízení • Logické automaty • Běžnou součástí systému je binární logické řízení, dvouhodnotové • Dle slovníku jazyka Pascal typ „boolean“ • Dvě úrovně 0; L; false 1; H; true • Práce s funkcemi OR, AND, NOT • Typickými aplikacemi logického řízení jsou problémy řešené reléostykačovou logikou • Řešení programovými prostředky • Řazení na druhé až třetí úrovni řízení • Obr.2, přílohy

14. Prostředky pro řízení • Řídicí počítače • Vyšší funkce řízení, vykonávané na 2. až 4.úrovni řízení • Jsou zajišťovány řídicími mikropočítači, multiprocesorové provedení Obr. 3 příloha • Modulové provedení, rozsáhlý sortiment modulů pro různé aplikace • Základem programování je operační systém reálného času

15. Prostředky pro řízení • Řídicí počítače • Umožňuje současné řešení několika úloh (multitasking) • Řazení úloh do front, možnosti přidělování • Vlastnosti programovacích nástrojů (REX Controls) • Programové funkční bloky pro řešení obvyklých funkčních bloků • Monitorovací program pro základní komunikaci obsluhy s počítačem při uvádění do chodu a ladění • Komunikační programy podporující přenos dat s nadřazenými i podřízenými úrovněmi • Diagnostické programy pro automatické zjišťování a lokalizaci chyb v technickém vybavení

16. Číslicové řízení výrobních strojů • Stroje NC (Numerical Control) jsou schopné podle zadaného programu provést automaticky určené technologické operace • Dosahují vysoké přesnosti a tím i kvality obrábění • Číslicové řízení se uplatňuje především u technologických operací obrábění, tváření, svařování, montáž, dále při manipulaci s materiálem, měření, kontrolních a diagnostických operacích

17. Číslicové řízení výrobních strojů • NC stroje • Bezobslužné NC stroje – jsou obvykle v prvé směně, kdy pracovník naplní zásobníky materiálu a nástrojů, ve druhé a třetí směně pracují bezobslužně • Univerzální obráběcí stroje a centra – provádějí na jedno upnutí buď kompletní obrobení dílce nebo alespoň co nejvíce technologických operací • Obráběcí NC stroje sdružené do vyšších celků – obráběcí hnízda výrobních systémů, přepravní a manipulační systémy, měřící a kontrolní stroje, seřizovací pracoviště, roboty a manipulátory • Pracují zcela automaticky nebo jen s minimální obsluhou či kontrolou

18. Číslicové řízení výrobních strojů • Uvedené směry se vyvíjejí souběžně a navzájem se ovlivňují • Aby mohl NC stroj pracovat bezobslužně musí být schopen během procesu provádět aktivní kontrolu a diagnostiku Obr.4 přílohy • Aktivní kontrola • Kontrola během obrábění, rozměrů dívce nebo nástroje • Provedení potřebné kompenzace, zjištěné odchylek a hrubých závad, signalizace těchto závad, přerušení činnosti, nesmí docházet k opakované výrobě zmetků • Diagnostika • Zajištění spolehlivosti všech částí a podsystémů, včasná detekce závady, zabránění další činnosti vadného celku, lokalizace a rychle odstranění závady

19. Číslicové řízení výrobních strojů • Požadavky na řízení NC strojů • Rozsah řízených poloh je jednotky až desítky metrů • Maximální rychlosti až desítky metrů za minutu • Rozlišovací schopnost až 1mikrometr • Režimy řízení pohonů posuvů • Splnění extrémních podmínek řízením • Bodové řízení • Pravoúhlé PTP (Point to point) • Stavění souřadnic; souřadnicové • Souvislé řízení

20. Číslicové řízení výrobních strojů • Pravoúhlé řízení • Pohyb je řízen pouze v jedné ose a celková dráha nástroje vzhledem k obráběné části je složena z pravoúhle lomených přímkových úseků • Stavění souřadnic • Nezáleží na tvaru dráhy, podmínkou je co nejrychlejší dosažení žádané polohy, pohony jsou řízeny současně a vzájemně nezávisle, priorita rychlosti nebo energetické náročnosti pohybu • Souvislé řízení • Pohyb po spojité křivce zadaného tvaru, složením elementárních pohybů ve směrech jednotlivých řízených os vznikne výsledný tvar dráhy, složité úseky dráhy jsou nahrazeny úseky přímek a kružnic pomocí lineární a kruhové interpolace, potřebné zpětnovazební řízení polohy

21. Číslicové řízení výrobních strojů • Korekce dráhy • Změny rozměru nástroje • Změny uložení použitého nástroje • Stále nepřesnosti stroje • Tepelné dilatace posuvného šroubu • Tepelné dilatace obrobku • Vůle pohonných mechanismů • Řízení pomocných mechanismů • Obvykle mnohem jednodušší, řízení logického typu

22. Číslicové řízení výrobních strojů • Struktura NC stroje Obr.5 přílohy • Vstupní část – vstup a výstup informací, čtečka programu + ovládací panel • Zpracování informace – výpočetní jednotka, zpracování informací ze vstupní části na povely pro řízení stroje • Výstupní část – vytváří regulační odchylky pro řízení os a vřeten, provádí třídění a distribuci signálů • Přizpůsobovací obvody – logický podsystém pro ovládání pomocných mechanismů, vstupními signály jsou povely z číslicového systému, pevně programovatelná logika, programovatelný automat • Řízení pohonu os – vytváří akční veličiny pro pohon souřadnic a vřeten

23. Číslicové řízení výrobních strojů • CNC stroje (Computerized Numeric control) • Označuje typ stroje, který umožňuje volně programovatelné řízení pomocí řídicího mikropočítače • NC stroj má program na nosném médiu, který je cyklicky čten a proto musí být neustále přítomno, změna programu se provádí mimo pracoviště • CNC stroj má program uložen v paměti řídicího mikropočítače, který řídí jeho opakované vykonávání, ladění a úpravu programu lze provádět přímo na stroji pomocí panelu

24. Číslicové řízení výrobních strojů • Výhody programové realizace funkcí • Systém řízení má menší rozměry – hmotnost, cena, spotřeba energie, výrobní náklady • Programové řešení je velice flexibilní – změna programu nebo jeho varianta se realizuje pouze změnou obsahu paměťových modulů • Změnu chování systému řízení – podle požadavku uživatele je možno realizovat přímo v místě uživatele, bez změn zapojení

25. Číslicové řízení výrobních strojů • Programování systému CNC Obr. 6 přílohy • Systémový program – určuje chování celého systému CNC, přičemž realizuje převážnou většinu jeho funkcí a zajišťuje vykonávaní jednotlivých příkazů programu dílce, pro uživatele je nedostupný • Program dílce – je nadřazen systémovému programu a vytváří si ho sám uživatel, pokud systém CNC vykonává program dílce, chová se spolu se systémovým programem jako počítač vykonávající příkazy podle programu dílce, využívání uživatelských programů, parametrického programování, pevných cyklů, geometrické programování • Uživatelský program – popisuje postupy, které se často opakují, lze je vyvolat příkazem v odpovídajícím bloku

26. Číslicové řízení výrobních strojů • Programování systému CNC • Parametrické programování – dovoluje nahrazení číslicových údajů v rozměrových a bezrozměrných příkazech proměnnými, které je možno během vykonávání programu měnit, tyto parametry je možné upravovat dělit, násobit, odečítat, sin, cos, lze jimi tedy tvořit korekce polohy a posunutí, podle jejich velikosti lze provádět větvení programu, volání podprogramů atd. • Pevné cykly – často se opakující podprogramy je možno zapsat do pevné paměti systému CNC, čímž se stávají součástí jeho programového vybavení, tímto způsobem lze vytvořit i poměrně složité postupy – ubírání třisky při obrábění, kontrola, diagnostika

27. Číslicové řízení výrobních strojů • Programování systému CNC • Geometrické programování – aritmetický aparát, řídí je geometrický procesor, který provádí • Výpočet přesných poloh • Výpočet průsečíků zadaných úseků dráhy • Hladké napojení přímkových a kruhových úseků • Vkládání úkosů a zaoblení apod.

28. Číslicové řízení výrobních strojů • Režimy činnosti systémů CNC • Automatický režim – hlavní typický režim CNC stroje, při něm jsou postupně vykonávány bloky programu dílce, • Modifikované automatické režimy – změna automatického režimu, zastavení vykonávání programu, vypuštění specifických bloků • Poloautomatické režimy – vykonávají po každém nastartování pouze jeden blok programu • Testovací režimy – vykonávají program dílce zrychleně, obvykle bez upnutého dílce nebo po bezpečné ekvidistantní dráze • Ruční předvolba – je možno ručně zadávat příkazy jednotlivých bloků, existuje možnost uložení do programu dílce

29. Číslicové řízení výrobních strojů • Režimy činnosti systémů CNC • Ruční režimy – řízení pohonu posuvu v jednotlivých osách • Režim trvalého pohybu – pohyb se děje pokud je stisknuto příslušné tlačítko nebo je sepnut spínač • Režim trhavého pohybu – po stisknutí tlačítka se projede zvolený úsek dráhy po přískocích • Ručně řízený pohyb – otočení kolečka se snímačem určuje pohyb ve zvolené ose • Pohyb do referenčního bodu – přesun do referenčních bodů pro ocejchování vnitřních údajů o poloze se skutečnou polohou vůči referenčnímu bodu

30. Číslicové řízení výrobních strojů • Režimy činnosti systémů CNC • Editační režimy – provádějí načtení programu dílce, jeho zápis, ruční zadání, změny, opravy a doplňky • Centrální anulace – po zrušení všech rozpracovaných operací uvede systém se strojem do klidového stavu • Servisní a diagnostické režimy – zajišťují kontrolu správné činnosti systému a lokalizují vzniklé závady

31. Číslicové řízení výrobních strojů • DNC stroje (Direct Numerical Control) • Přímé řízení většího počtu CNC strojů číslicovým počítačem, řízení a správa datové báze programů • Distribuce programů pro jednotlivé CNC stroje ze své paměti nebo z datové báze programů

32. Číslicové řízení výrobních strojů • Adaptivní řízení obráběcích strojů • Spočívá ve změně pracovních podmínek tak, aby byly udrženy požadované výstupní parametry obrobku i při měnících se vstupních konstantách • Vyšší stupeň adaptivního řízení představuje udržování zvoleného výstupního parametru na optimální hodnotě během celého procesu obrábění • Adaptivní programové řízení – zahrnuje předpokládané změny vstupních konstant • Adaptivní optimalizační řízení – regulace žezného procesu tak, aby charakteristický ukazatel nabýval buď extrémních nebo optimálních hodnot • Adaptivní systémy třetí generace – mohou během řezného procesu provádět testy a měření, určují optimální pracovní podmínky

33. Číslicové řízení výrobních strojů • Adaptivní řízení obráběcích strojů • Limity adaptačních řídicích systémů – složky řezné síly, kroutící moment, výkon, řezná rychlost, posuv, hloubka třísky, přesnost obrábění, výkon obrábění, výrobní náklady • Měřící systémy adaptivního řízení nesmí: • Omezovat pracovní prostor a parametry obrábění • Snižovat statickou a dynamickou tuhost stroje • Musí mít: • Vysokou citlivost • Vysokou tepelnou stabilitu • Možnost širokého využití • Necitlivost na otřesy • Necitlivost na rušivé signály • Vyloučení vlivu opotřebení a obsluhy • Ochranu před znečištěním

34. Závěr • Dokončení.