TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI
Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Studijní program: B2612 – Elektronika a Informatika
Studijní obor: 2612R011 – Elektronické informační a řídící systémy
Bakalářský projekt
Řízení a automatizace technologické linky výroby DPS
Controlled technological line for production of PCB
Autor: Martin Huněk
Vedoucí práce: Ing. Leoš Petržílka
Konzultant: prof. Ing. Zdeněk Plíva, Ph.D.
Druhý konzultant: Ing. Jiří Kubín, Ph.D.
V Liberci 18. 5. 2012
Zadání
apitola: Zadání
apitola: Prohlášení
Prohlášení
Byl jsem seznámen s tím, že na mou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 Sb.
O právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.
Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé práce pro vnitřní potřebu TUL.
Užiji-li práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.
Práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím práce a konzultanty.
Datum
Podpis
apitola: Abstrakt
Abstrakt
Tato práce se zabývá možnostmi automatizace při výrobě desek plošných spojů. Jejím hlavním cílem pak je výčet a příprava řešení vedoucí k této automatizaci. Práce si tedy klade za cíl především nalézt v technologickém procesu výroby stroj, který by při co nejmenších nákladech na úpravy ušetřil co nejvíce času stráveného obsluhou. Dalším cílem je nalézt co možná nejlevnější způsob řízení s důrazem na další možnost rozvoje. Bude dále brát v potaz možnosti údržby v horizontu minimálně deseti let. A to pokud možno tak, aby mohla být možná oprava řešena interně. Práce se bude rovněž zabývat různými variantami pohonů, to jak z ekonomického pohledu, tak z pohledu technické vhodnosti pro danou aplikaci, různými možnostmi obsluhy a případného časového a vzdáleného řízení.
Klíčová slova: Automatizace, PLC, MCU, pohony, řízení
Abstract
This work deals with the possibilities of automation in the production of printed circuit boards. The main objective of this work is an enumeration and preparation of the solution leading to the automation. This study therefore aims to find a particular machine in the process of production, which at the least cost adjustments save as much operator’s time as possible Also aims to find the cheapest possible way of control with emphasis on the possibility of further development. It will also take into consideration the possibility of maintenance of a minimum horizon of ten years. And permit repair to be solved internally, if it is possible. It will also address different variants of drives, both in economic terms and in terms of technical suitability for the application. Finally, it will explore different options for operation and potential time and remote control.
Key words: Automation, PLC, MCU, drives, control
apitola: Obsah
Obsah
Zadání ... 1
Prohlášení ... 3
Abstrakt ... 4
Abstract ... 4
Obsah ... 5
Seznam obrázků ... 6
Seznam tabulek ... 6
Seznam symbolů, zkratek a termínů ... 6
1. Úvod ... 7
2. Současný stav a možnosti úprav ... 8
2.1 Komunikace se zákazníky a zpracování výrobních dat... 8
2.2 Příprava materiálu, vrtání a frézování ... 8
2.3 Navalování fotorezistu ... 9
2.4 Sesazování motivu a osvit ... 10
2.5 Vyvolávání a leptání ...11
2.6 Stroj pro cínování ...11
2.7 Stroj na galvanické pokovování otvorů ... 12
3. Proces cínování a možnosti jeho automatizace ... 15
4. Výčet řešení ... 16
4.1 Řešení pohonů ... 16
4.1.1 Pneumatické pohony ... 16
4.1.2 Elektrické pohony ... 18
4.2 Řešení řídící logiky ... 21
4.2.1 Přímé řízení pomocí osobního počítače ... 21
4.2.2 Řízení pomocí PLC ... 22
4.2.3 Řízení za pomoci MCU a desky vlastní výroby ... 23
5. Výsledné řešení ... 26
5.1 Společná část řešení ... 26
5.2 Řešení pomocí pneumatických pohonů... 27
5.3 Řešení pomocí elektrických pohonů ... 29
Závěr ... 30
Citovaná literatura ... 32
apitola: Seznam obrázků
Seznam obrázků
Obrázek 1: Vrtačka ... 9
Obrázek 2: Sesazovací pracoviště ... 10
Obrázek 3: Stroj na vyvolávání motivů ...11
Obrázek 4: Stroj na cínování ... 12
Obrázek 5: Stroj na galvanické pokovování otvorů ... 13
Obrázek 6: Schéma pneumatického řešení... 28
Seznam tabulek
Tabulka 1: Řídící část (ceny v CZK s DPH, zdroj: TME) ... 26Tabulka 2: Senzorická část (ceny v CZK s DPH, zdroj: TME)... 27
Tabulka 3: Pneumatické řešení (ceny v CZK s DPH, zdroj: Intratech)... 28
Tabulka 4: Elektrické řešení (ceny v CZK s DPH, zdroj: CNCShop.cz) ... 29
Tabulka 5: Minimalistická varianta (ceny v CZK s DPH, zdroje dle předchozích) ... 30
Tabulka 6: Doporučená varianta (ceny v CZK s DPH, zdroje dle předchozích) ... 30
Seznam symbolů, zkratek a termínů
DPS: Desky plošných spojů
CNC: Počítačově, číslicově řízené stroje
FR4: Materiál pro výrobu desek plošných spojů AND: Operace logického součinu
NAND: Invertovaná funkce AND A/D: Analogově/číslicový
RTCC: Hodiny reálného času s kalendářem MCU: Mikrokontrolér
PLC: Programovatelný logický automat PWM: Pulzně-šířková modulace
TTL: Tranzistorově-Tranzistorová logika, logické úrovně 0-5V FPGA: Programovatelné hradlové pole
BIOS: Základní vstupně/výstupní systém, obsluha rozhraní počítače UEFI: Rozšířené firmwarové rozhraní, nástupce BIOS
GPT: Tabulka členění oddílů pevných disků
DOS: Operační systém s textovým rozhraním vyvinutý firmou Microsoft UN*X: Označení operačních systémů odvozených od systému UNIX (AT&T) ST, SFC, IL: Programovací jazyky používané v automatizaci
GPIO: Obecně použitelné vstupně/výstupní piny
ICSP: Rozhraní pro sériové programování MCU v cílovém zapojení I2C, SPI: Sériové sběrnice
RISC: Architektura MCU s redukovanou instrukční sadou CISC: Architektura MCU s komplexní instrukční sadou VLIW: Architektura masivně paralelních procesorů UART: Asynchronní sériový vysílač/přijímač
CAN/ECAN: Sběrnice používaná hojně v automobilovém průmyslu LCD: Display s kapalnými krystaly
apitola: Úvod
1. Úvod
Práce je koncipována na dvě části. První by měla popisovat současný stav výrobního procesu, vyhledávat slabá místa a navrhovat možné úpravy menších rozměrů, které by přispěly ke zvýšení efektivity výroby a snížení chybovosti při výrobě.
Druhá část by se poté měla zabývat jednou vybranou složitější úpravou jednoho ze strojů. Kromě různých výčtů technicky možných řešení se měla rovněž zaměřit na jejich vzájemné porovnání, ceny vybraných řešení a zdůvodnění jejich výběru. V závěru by pak mělo být konkrétní vybrané řešení a možné úpravy menších rozměrů na které by se měl zadavatel zaměřit.
Vzhledem k poněkud teoretičtějšímu zadání bude práce postavena hlavně na porovnání současných možností v oblastech pohonů a možnostech jejich řízení. Hlavním cílem práce pak bude souhrn doporučení s rozpisem cen jednotlivých komponent tak, aby byla patrná finanční náročnost úprav s možností porovnání jednotlivých řešení. Mělo by zároveň na podkladě této práce být možné přistoupit k samotné realizaci těchto doporučených řešení.
apitola: Současný stav a možnosti úprav
2. Současný stav a možnosti úprav
Laboratoř PCBLab je umístěna v suterénu budovy „A“ v celkem pěti místnostech.
Samotný výrobní proces je soustředěn do třech místností, přičemž pouze dvě z těchto místností spolu sousedí a jsou spolu navzájem propojené. Třetí místnost pak je umístěna ob místnost (kancelář vedoucího laboratoře).
Co se týče rozložení výrobního procesu, tak v nejvzdálenější místnosti jsou umístěny CNC vrtačky, brusky, kompresor a kleště. Je tam umístěn rovněž sklad materiálu, který však s oblastí automatizace výroby až tak nesouvisí. V kanceláři vedoucího probíhá příprava vrtacích dat a komunikace se zákazníky. V posledních dvou místnostech, přímo souvisejících s výrobním procesem, je umístěna bruska desek, navalovačka, osvitka, prokovovačka, sesazovací pracoviště a pracoviště na výrobu nepájivé masky, dále pak stroje pro vyvolání motivu, leptání a pocínování. Rovněž je tak umístěna řezačka pro dělení filmů.
Dále se budu zabývat možnostmi úprav v jednotlivých fázích výroby, tak, aby došlo ke zkrácení prostojů, snížení nutnosti obsluhy a tím pádem i ke zvýšení efektivity výroby.
2.1 Komunikace se zákazníky a zpracování výrobních dat
V této oblasti je v plánu přechod na systém sledování zakázky zákazníkem. To je důvodem, proč se této oblasti dále v práci věnovat nebudu. Pokud se pak jedná o oblast zpracování výrobních dat, tak ta je v současné době již návrhovými prostředky částečně automatizována.
2.2 Příprava materiálu, vrtání a frézování
U přípravy materiálu (myšleno dělení na konečný rozměr výrobního panelu) je automatizace výroby možná, avšak dosti náročná. Základní materiál (většinou FR4) je totiž dodáván v pásech o délce přibližně dvou metrů a variabilní šířce (většinou 200mm, ale vyskytují se i širší). Oproti tomu celý výrobní proces počítá s fixní šířkou výrobního panelu a to 200mm. V případě změny tohoto rozměru pak musí dojít k přenastavení zbylých strojů (hlavně pro vyvolání a vyleptání. Co se týče maximální délky panelu, ta je pak omezena na 300mm, přičemž tento rozměr kvůli konstrukci strojů již překročit nelze.
Tedy hlavním problémem při pokusu o zautomatizování přípravy základního materiálu spočívá v různých šířkách pásů, čímž vznikají přebytky a je tudíž nutné rozmýšlet umístění panelu na pás a zároveň využívat přebytky z předchozích dělení pro výrobu menších panelů.
apitola: Současný stav a možnosti úprav Obrázek 1: Vrtačka
V oblasti vrtání a frézování již určitá automatizace výroby existuje (obě vrtačky jsou CNC), jejich velkou slabinou je absence jakékoliv signalizace na dálku, jedna z vrtaček je navíc značně nepřesná. Na vylepšení přesnosti se v současné chvíli pracuje v souvislosti se zavedením výroby vícevrstvých desek. Proto se tímto problémem nebudu podrobněji zabývat. Naproti tomu signalizací se dosud nikdo nezabýval a to přesto, že právě zde může docházet k prostojům ve výrobě. V případě, že je totiž v laboratoři pouze jeden pracovník nebo pracovník zodpovědný za obsluhu vrtačky z místnosti (například z důvodu hluku) odejde, tak se v ostatních místnostech již nemusí dozvědět, že již vrtání/frézování skončilo nebo že došlo k nějaké chybě. Finanční náročnost takovéto úpravy je oproti tomu takřka minimální. Ve své podstatě by stačilo jedno 4vstupé hradlo AND nebo NAND, relé, kabely a signalizační prvky. Bylo by tak možné za poměrně nízkou cenu znatelně zkrátit prostoje, zvláště pak při jednom přítomném pracovníkovi.
2.3 Navalování fotorezistu
Stroj pro navalování fotorezistu skrývá mnoho možností k úpravám. Během tohoto kroku totiž musí obsluha provádět značný počet úkonů. Musí totiž kvůli chybě v konstrukci stroje sledovat, zda se v pořádku odmotává ochranná fólie, musí kontrolovat, jestli dochází k posunu fólie s deskou (zastavuje se pravidelně po vložení desky) a případně motoru pomoci ručně. K tomu všemu je ještě nutné desky před vložením do stroje zahřívat horkovzdušnou pistolí. Dále je nutné dávat pozor na teplotu válců, vestavěný teplotní regulátor totiž vytváří
apitola: Současný stav a možnosti úprav regulační překmity větší než 25% (zvláště po opakovaném zapnutí), což se již pohybuje v pásmu možného ovlivnění vlastností fotorezistu.
U úprav, které by tyto nedostatky řešily a umožnily by tak automatizování výrobního procesu, však není zcela zřejmé, jestli by po nich došlo ke zvýšení jeho efektivity. Co naopak je jisté, došlo by ke značnému zvýšení komfortu obsluhy s možným příznivým vlivem v podobě snížení počtu chyb ve výrobním procesu. To vše by však bylo za cenu dosti vysokých nákladů, které by v případě stejného počtu zakázek nebylo možno pokrýt. Tedy pokud jde o doporučení, bylo by užitečné nějaké zdrsnění povrchu horního válce k namotávání krycí fólie. Stroji by rovněž prospěl silnější motor, to se však dostáváme zpět do oblasti komplikovanějších zásahů do stroje.
2.4 Sesazování motivu a osvit
U sesazování motivu není při zachování současné technologie takřka žádná možnost automatizace. Užitečná by byla optická kontrola a to nejenom ve fázi sesazování, ale i v pozdějších fázích výroby. V současné době je totiž prováděna pouze kontrola pouze pracovníkem a proto čas od času dochází k pozdnímu odhalení chyb. Tím se samotná výroba takového panelu i několikanásobně zdražuje. U osvitu pak také platí, že při zachování současné technologie není příliš prostoru na změnu.
Obrázek 2: Sesazovací pracoviště
apitola: Současný stav a možnosti úprav
2.5 Vyvolávání a leptání
V oblasti vyvolávání a leptání je taktéž málo možných změn bez změny technologie.
Změna, která zde připadala v úvahu, by spočívala ve změně časovače tak, aby bylo podobně jako u vrtaček možné vyvedení signalizace do ostatních místností.
Obrázek 3: Stroj na vyvolávání motivů
2.6 Stroj pro cínování
Tento stroj v současné době se připravuje k nasazení do běžného provozu a v budoucnu se počítá s jeho plnou automatizací. Navíc, jako výhodu při řešení automatizace tohoto stroje, vidím určitou podobnost se strojem na galvanické pokovování otvorů. Bylo by tedy případně možné vymyšlené řešení použít s drobnými úpravami právě na něm.
apitola: Současný stav a možnosti úprav Obrázek 4: Stroj na cínování
Stroj na cínování se skládá z osmi lázní, přičemž dvě z nich jsou vybaveny ohřevem.
Jedna z lázní je určena pro oplach se sprchou a jedna pro sušení horkým vzduchem. Výrobní proces na tomto stroji se skládá z celkem deseti kroků, přičemž běžný oplach se v něm vyskytuje třikrát. Toto sdílení jedné z lázní může pak v případě nutnosti souběžného zpracování více panelů vést k určitým komplikacím. K bližšímu popisu tohoto stroje a možnostem jeho automatizace se dostanu v této práci později, jelikož se soustředím právě na automatizaci této části výrobního procesu.
2.7 Stroj na galvanické pokovování otvorů
U tohoto stroje by bylo řešení automatizace prakticky dosti podobné stroji pro cínování.
Stroj taktéž používá lázně, ve kterých by se měly desky pohybovat (tento je vybaven posuvným rámem), taktéž jsou zde umístěny dvě lázně s vytápěním. Na rozdíl od „cínovačky“ je však sprcha s oplachem umístěna kolmo k ostatním lázním. V lázni se samotným galvanickým pokovením je navíc nutné přivést napětí na pokovovaný panel a na elektrody, čímž je pokovení prováděno.
apitola: Současný stav a možnosti úprav Obrázek 5: Stroj na galvanické pokovování otvorů
V případě, že bych chtěl zautomatizovat výrobu na tomto stroji, musel bych se oproti
„cínovačce“ potýkat zejména s problémem přivedení elektrického proudu na panel v poslední lázni. Panelem totiž může protékat až 40A při napětí asi 2,4V. To pochopitelně vyžaduje značný průřez kabelu a dosti kvalitní kontakty s malými přechodovými odpory. Další komplikací by nepochybně bylo také samotné umístění lázně s oplachem a sprchou. Tím, že jsou otočeny kolmo k ostatním, totiž vzniká potřeba minimálně dvou dalších pohonů kvůli dalším dvěma stupňům volnosti. Bylo by nutné zajistit otočení panelu o 90° a pohyb nad tyto lázně (tj. zajistit pohyb v obou osách pravoúhlého souřadnicového systému v horizontální rovině).
Odhlédnu-li na chvíli od automatizace celého stroje a podívám se na možnosti jednodušších úprav, které by vedly ke zvýšení spolehlivosti a efektivity, tak docházím k závěru, že nejnutnější úpravou by byla výměna časovače a úprava obvodu proudového zdroje. Hlavním problémem totiž je, že po nastavení proudu panelem může dojít při zvýšení přechodového odporu ke snížení proudu pod hodnotu stanovenou výrobními postupy. Větším problémem je však fakt, že tato skutečnost je obsluze signalizována pouze poklesem hodnoty na ručkovém ampérmetru. To od obsluhy vyžaduje kontinuální monitoring, a tudíž odvádí pozornost od ostatních úkonů. Podstatou této poněkud složitější změny by mělo dle mého názoru být provázání výchylky od nastaveného proudu se zastavením časovače a případným dalším výstupem pro externí signalizaci. Úprava by mohla být realizována za pomoci měření úbytku
apitola: Současný stav a možnosti úprav napětí, jenž by bylo přivedeno na A/D převodník jednočipového mikrokontroléru s RTCC. Při zapnutí časovače by si MCU uložil aktuální hodnotu proudu a sledoval její překročení přes předem nastavenou relativní či absolutní mez. V případě jejího překročení by pak došlo buď k úplnému zastavení časovače, nebo ke korekci zbývajícího času, každopádně by mělo dojít k upozornění obsluhy – ideálně ve všech místnostech. Obvod RTCC v MCU by pak mohl být využit i pro časově řízené zapnutí ohřevu lázní. Dalším velkým nedostatkem tohoto stroje je fakt, že ohřev lázní z vypnutého stavu trvá asi dvě hodiny a tudíž tam musí buď obsluha čekat, nebo stroj spustit v předstihu. Tím, že je stroj takřka na začátku výrobního procesu dvoustranné desky, musí zde obsluha čekat zcela zbytečně bez možnosti vykonávat jinou činnost.
Vzhledem k tomu, že se s automatizací tohoto stroje počítá výhledově až po zautomatizování stroje na pocínování a vzhledem k větší náročnosti technického řešení, které navíc částečně vychází z řešení automatizace „cínovačky“, budu se nadále zabývat právě onou
„cínovačkou“.
apitola: Proces cínování a možnosti jeho automatizace
3. Proces cínování a možnosti jeho automatizace
Tento bakalářský projekt cílí na oblast samotného návrhu řízení stroje a srovnání možných způsobů pohonů. Limitujícím faktorem pak zůstává cena výsledného řešení, ta patrně bude hlavním rozhodovacím kritériem zadavatele. Dalším důležitým kritériem výběru pak určitě bude výsledná doba průchodu výrobním procesem, hodinová kapacita a autonomie stroje vzhledem k obsluze.
Z hlediska tohoto projektu je tedy nutné zodpovědět otázku indikace různých druhů pohonů, jak elektrických tak například pneumatických. Dále porovnat výhody a nevýhody použití průmyslového PLC a praktický dopad na schopnosti daného stroje z hlediska jeho užitné hodnoty v relaci k ceně. Rovněž je důležité porovnání možností servisu i po několika letech provozu. „Cínovačka“ je umístěna v jedné místnosti společně se strojem na leptání. Náplň toho stroje v sobě obsahuje chlorid železitý, který působí na kovy korozivně, je tedy velmi důležitý i stupeň krytí, musí být vyšší, než je běžné například v oblasti domácí automatizace.
V neposlední řadě mě bude při porovnání různých řešení zajímat možnosti budoucího rozšíření.
Co se týče samotného procesu cínování, tak se jedná o výrobní proces ORMECON CSN FF. Při postupu panelu výrobním procesem musí panel projít nejdříve lázní s kyselým čističem (ACL 7001). Ten musí mít teplotu přibližně 40-50°C a panel tam musí strávit jednu až tři minuty. Po následném oplachu přichází na řadu roztok pro mikroleptání (MET 7000). V této lázni musí panel strávit jednu až dvě minuty při teplotě 30-40°C. Po dalším oplachu se panel vkládá do roztoku organického kovu (OMP 7000), který zajišťuje vzájemné oddělení cínu a mědi. Tam je panel při pokojové teplotě přibližně minutu. Po této lázni není nutný oplach, ale některé zdroje ho i přes to zmiňují. Dalším krokem ve výrobním procesu je samotné nanesení chemického cínu (CSN 7004), to zabere 8-20 minut při teplotě 60-70°C. Poté již následuje jenom oplach v horké vodě (50-60°C), běžný oplach, oplach v destilované vodě a sušení horkým vzduchem.
apitola: Výčet řešení
4. Výčet řešení
Jak už jsem uvedl výše, tento projekt se nezabývá ani mechanikou ani samotnou konstrukcí stroje. Jeho konstrukce není v době vyhotovení tohoto projektu známa. Dle domluvy s vedoucím práce se však počítá z kartézským robotem s pevnou osou y (tj. ventrálně-dorsální) a v případě použití elektrického pohonu se na ose x (tj. osa ve frontální rovině rovnoběžná se zemí) počítá s převedení točivého pohybu motoru na pohyb posuvný pomocí ozubeného řemene. Pro osu z pak není konstrukční řešení ani navrženo.
4.1 Řešení pohonů
V otázce pohonů v automatizaci existují tři druhy pohonů: elektrický, pneumatický a hydraulický. Hydraulický lze v tomto případě rovnou vyloučit především z důvodů vysoké ceny, rizikům úniku oleje a co je hlavní, hydraulické pohony se používají hlavně v aplikacích, kde je potřeba vyvinout značné síly. V tomto případě se však počítá s tím, že pohyblivá část stroje by neměla přesáhnout 8kg, v takovém případě lze odhadovat potřebou sílu pro pohon na ose X maximálně v řádu desítek Newtonů. Podobné zatížení se dá uvažovat i na ose z a to zejména kvůli její vertikální orientaci. Po vyloučení hydraulického pohonu tedy zbývají pohony elektrické a pohony pneumatické, jejich výčty tedy podrobněji rozeberu v samostatných oddílech.
4.1.1 Pneumatické pohony
Pneumatické pohony se v první řadě dělí na pístnicové a bezpístnicové. Bezpístnicové se standardně používají pro manipulátory s velkou vzdáleností pohybu a to hlavně proto, že na rozdíl od pístnicových v plně vysunuté poloze nevyžadují více než dvojnásobnou délku jejich zdvihu. Toho je dosaženo jejich umístěním přímo do vedení manipulátoru, přičemž přenos síly mezi vnitřním pístem a vnější plošinou je dosažen pomocí silných permanentních magnetů. Tyto bezpístnicové pneumatické pohony jsou z pravidla dvojčinné, to znamená, že vzduch je přiváděn na oba konce střídavě podle zvoleného směru pohybu. To umožňuje využití i jiných než krajních poloh manipulátoru spolu s delší možnou vzdáleností zdvihu.
Pístnicové válce se pak dělí na jednočinné a dvojčinné. Jednočinné mají výhodu v jednodušší soustavě pro jejich řízení. Tím, že je vzduch přiváděn pouze na jeden jejich konec a jejich návrat do původní polohy je zajišťován pružinou, je pro jejich ovládání potřeba vést od ventilu jen jednu hadici se stlačeným vzduchem. Tím, že je potřeba jen jedna hadice, stačí pro řízení rychlosti pohybu jen jeden škrtící ventil. Tím může být regulována rychlost posuvu jenom symetricky a nebo lze použít dvou ventilů se zpětnými uzávěry v navzájem antiparalelním zapojení. To však vede k již dosti složitému pneumatickému obvodu a tím se i ztrácí výhodnost jejich použití. Jediná zbývající výhoda spočívá v použití jednoduššího ventilu 3/2 a to v případě,
apitola: Výčet řešení že potřebujeme využít pouze krajní polohy. Dvojčinné válce pak mají výhodu v případě, když naopak chceme nastavovat asymetrickou rychlost posuvu, oba škrtící ventily mohou být umístěny přímo na válci. Další výhoda, kterou poskytují, spočívá v lepší stabilitě polohy při delším odstavení. V případě nějakých (byť minimálních) úniků stlačeného vzduchu tak patrně budou ztráty vzduchu na obou stranách pístu stejné. To znamená, že se nebude měnit poloha pístu ve válci, ale pouze externí síla, kterou je nutno vyvinout na změnu polohy. V tom se liší dvojčinný válec od jednočinného, který vrací zpět pružina, tudíž při snížení tlaku ve válci dojde zároveň ke změně polohy pístu.
Tedy k otázce výběru vhodného pneumatického pohonu lze pro osu Z s klidem doporučit dvojčinný pístnicový válec, pokud možno čtvercového průřezu, s drážkami pro umístění senzorů polohy. Takovéto řešení totiž usnadňuje asymetrické nastavení rychlosti posuvu, obstará a zároveň mechanicky chrání senzory polohy a na rozdíl od elektrického pohonu ulehčuje samotnou konstrukci, kdy může být uchycení desek umístěno přímo na konec pístnice. Navíc při zvolení pístnice čtvercového průřezu odpadá nutnost vedení, jelikož potom nemůže docházet k otáčení konce pístnice vůči válci.
V případě osy X je však situace dosti odlišná. Protože je nutné počítat s relativně dlouhou vzdáleností zdvihu, vylučuje se tím použití pístnicové varianty. Bezpístnicová varianta je však pro přesnou polohovou regulaci také nevhodná. Daný výrobní proces totiž vyžaduje pohyb panelů uvnitř lázní, což vede k potřebě možnosti nastavení nižší rychlosti pro posuv uvnitř lázní, tak i k nutnosti umístění čidel polohy minimálně jednoho čidla na každou lázeň a dvou na konec ramene pro upnutí panelu.
V případě, že bude požadováno na stroji zpracování více panelů naráz, bude nutné vyřešit i mechanismus jejich upínání. Pro tento účel jsou k dispozici rovněž upínací měchy, ty mají standardně zdvih 3-5mm a při tlaku šesti barů běžně dosahují sil přes 100N, což při uvažovaných hmotnostech panelů v řádu stovek gramů lze považovat za dostatečné. Určitou nevýhodou pak ale může být onen malý zdvih, tím je totiž dána i maximální odchylka, kterou může stroj udělat za jeden pracovní cyklus. Pokud by to však znamenalo překážku, lze použít i běžný válec umístěný horizontálně v úpravě pro upínače.
V případě nutnosti zpracování více desek se dále objevuje problém se zajištěním předepsaného posuvu v jednotlivých lázních. Ten by pak mohl být řešen podobně, jako tomu je u stroje na pokovování otvorů, tj. posuvným rámem, do kterého by byly upínány jednotlivé panely. Jeho pohon by mohl být rovněž řešen pneumaticky a to pomocí běžného pístnicového jednočinného válce spolu s 3/2 ventilem. Zde mě totiž budou zcela očividně zajímat pouze krajní polohy a nebude mi vadit, když se stroj v nečinnosti vrátí do výchozí polohy.
apitola: Výčet řešení 4.1.2 Elektrické pohony
U elektrických pohonů je ale situace o dost složitější. Existuje zde velký počet variant, které mají mezi sebou dosti překrývající indikace. Existují následující možnosti: asynchronní, synchronní, stejnosměrné, servomotory, krokové motory a motory lineární.
Výhoda asynchronních motorů spočívá především v jejich ceně, což by v případě tohoto projektu bylo jistě pozitivní vlastností. Dále se vyznačují velkými výkony a dobrou spolehlivostí. Co je však značnou nevýhodou, je složitost jejich řízení. Pro regulaci jejich rychlosti je totiž potřeba frekvenční měnič a regulace na polohu je v průmyslové aplikaci takřka nemožná. Pominu-li na chvíli nutnost frekvenčního měniče, tak by při použití vznikala nutnost sledování polohy podobně jako u pneumatického bezpístnicového pohonu. To znamená čidlo polohy ke každé lázni a dvou čidel na konec ramena. Navíc by to vyžadovalo i nutnost implementace isochronního řízení pro určení času ramp pro zastavování. Další nevýhodou pak je závislost účiníku na zatížení, avšak u předpokládaného výkonu maximálně v řádech desítek wattů by se tato nevýhoda projevila jen velmi nepatrně.
U synchronních motorů je situace podobná. Jejich výhodou je do jisté míry jejich konstrukce. Tím, že neobsahují komutátor, zvyšuje se jejich spolehlivost. Další výhodou je nezávislost účiníku na zátěži, jak už jsem ale uvedl dříve, není to v tomto případě důležité.
Oproti asynchronním motorům však mají i značnou nevýhodu spočívající ve složitosti rozběhu.
Synchronní motor totiž musí být rozběhnut buďto jako asynchronní (pomocí tlumícího klecového vinutí s odpojeným budícím vynutím), nebo musí být roztočen jiným motorem na synchronní otáčky, anebo musí být rozběhnut pomocí postupného zvyšování frekvence za pomoci frekvenčního měniče. Toto komplikované ovládání ho tak činí v této aplikaci v podstatě nepoužitelným.
Stejnosměrné motory mají výhodu v relativně snadném řízení a to zvláště v oblasti řízení rychlosti otáčení. Pro regulaci rychlosti bez zatížení stačí na vstup motoru přivést předem určené napětí, čímž je tato rychlost otáčení stanovena. V situaci, kdy je motor zatížen, pak rychlost klesá v závislosti na zatížení dle takřka lineární charakteristiky. K regulaci rychlosti pak může sloužit například pulzně-šířková modulace (PWM), která je dnes přítomna i v mnoha jednočipech, reverzace chodu se pak provádí za pomoci prohození polarity vstupního napětí, což může být taktéž jednoduše docíleno za pomocí dvojitého přepínacího relé, či za pomocí stykače v případě vyšších výkonů. Tyto motory se dále vyznačují dobrou dynamikou a velkým momentem. Mezi nevýhody se pak řadí vyšší cena a menší spolehlivost a životnost, ta je do jisté míry dána komutátorem, jenž je nejslabším článkem stejnosměrných motorů. Kvůli jeho nespolehlivosti se ho snaží výrobci motorů leckdy nahradit elektronicky.
apitola: Výčet řešení Servomotory se dělí na stejnosměrné a střídavé. Střídavé servomotory jsou de facto synchronní stroje, které jsou tvořeny buďto permanentními magnety na rotoru a třífázovým vinutím na statoru anebo opačnou konfigurací. Ta oproti umístění permanentních magnetů na rotoru má lepší dynamické vlastnosti vlivem menší hmotnosti rotoru a tím i menšímu momentu setrvačnosti. Jistou nevýhodou je nutný přenos elektrického proudu do vinutí pomocí kartáčů.
Značnou výhodou těchto motorů jsou možnosti jejich momentové přetížitelnosti a to až pětinásobné. Nevýhodou při dlouhodobějším přetížení je pak nutnost aktivního chlazení, jelikož potom dochází ke značnému přehřívání vinutí. Střídavé servomotory se dále vyznačují velmi vysokými výkony a to až v řádech desítek kilowatt. Tím v podstatě cílí na poněkud odlišnou cílovou skupinu, než je tento projekt. Pro tento projekt by byly výhodnější spíše servomotory stejnosměrné, které se běžně pohybují do výkonu až půl kilowatty. Až na zmíněný rozdíl ve výkonech se ostatní vlastnosti příliš neliší a jsou tedy pro oba druhy servomotorů totožné. Mezi tyto vlastnosti se řadí: relativně snadné řízení polohy i rychlosti, velká momentová přetížitelnost, velké výkony i při malých rozměrech, ale také bohužel dosti vysoké ceny jak samotných motorů, tak i jejich budičů.
Co se týče krokových motorů, považuji je za nejvhodnější kandidáty. Mezi jejich vlastnosti se totiž řadí velmi snadné možnosti řízení. Prodávají se totiž i ve variantách s řadiči s ovládáním typu STEP/DIR. V takovém případě stačí zvolit směr otáčení (DIR) pomocí vstupu v pásmu TTL logiky a posíláním impulzů do vstupu STEP dochází inkrementálně k pohybu vždy o přesně stanovený krok. Z toho plyne další výhoda a to v přesné znalosti polohy. Ta je totiž daná počtem impulzů vyslaných od změřené polohy. Další výhodou pak je relativně nízká cena motoru. K nevýhodám se pak řadí menší výkon vzhledem k velikosti. To však v tomto projektu příliš vadit nemusí. Další nevýhodou společnou pro všechny krokové motory je trhaný pohyb, ten by však také nemusel vadit, jelikož by částečně mohl být tlumený uvažovaným ozubeným řemenem.
Dalším typem elektropohonu je takzvaný lineární motor. Ten se používá pro posuvy, podobně jako tomu je u bezpístnicových válců v oblasti pneumatických pohonů. Jako příklad jejich aplikace lze použít například vlak na magnetickém polštáři, tzv. MAGLEV. V případě jejich použití v automatizaci se dovnitř vodící lišty vkládají permanentní magnety a v posuvné části pak je umístěno vinutí motoru. V podstatě se jedná o motor s rozprostřeným statorem. Co se týče výhod jeho použití, tak je situace podobná jako u bezpístnicového válce v pneumatických pohonech. To znamená, že poskytuje se samotným pohybem i vedení. Další výhodou pak je relativně snadná regulace rychlosti a díky jednoduché konstrukci disponuje i dobrou spolehlivostí. Nevýhodou pak je nutnost vcelku komplikovaného zjišťování aktuální polohy.
apitola: Výčet řešení Tak tedy v otázce výběru elektrických pohonů bych volil takto. Pro osu X bych nejspíše volil motor krokový, ten totiž na rozdíl od ostatních řešení bude nejméně náročný na vybavení nutné k jeho řízení. Rovněž je dle mého soudu nejlepší, co se týče přesnosti a schopnostem určení aktuální polohy bez potřeby externích senzorů. V případě, že by v pozdější fázi návrhu bylo zjištěno, že by výkon krokového motoru nedostačoval požadavkům, volil bych v oblasti elektrických pohonů patrně motor lineární z důvodu toho, že nevyžaduje pro jeho řízení frekvenční měnič. Pokud by ani ten nevyhovoval, například kvůli nižší přesnosti nebo již dříve zmíněnému komplikovanému zjišťování aktuální polohy, volil bych sériový stejnosměrný servomotor. U něj by však bylo nutné počítat s vyšší cenou a s nákupem frekvenčního měniče.
Otázkou pak zůstává návratnost takovéto investice.
Pro osu Z je pak situace pro výběr elektrického pohonu dosti složitější. Oproti pneumatickému řešení, které by zároveň poskytovalo samotnou nosnou konstrukci, je u toho elektrického navíc počítat s nutností jejího vytvoření. Další věcí, kterou je nutné řešit, je samotný převod rotačního pohybu na posuvný. Nejspíše bych ale také volil motor krokový a to zejména z toho důvodu, že se jedná o pohyb ve vertikální ose, kde by bylo jinak nutné řešit motorovou brzdu pro udržení ramene mimo dolní krajní polohu. Rovněž pro něj hraje fakt snadného řízení, avšak zde je již jeho vysoká přesnost naprosto zbytečná. Co však může být problém pro jeho nasazení, je relativně malý točivý moment. V případě, že by taková situace nastala, volil bych motor asynchronní v kombinaci s motorovou brzdou.
V případě, že by vznikl požadavek na zpracování více panelů najednou, jak bylo popsáno v předchozí kapitole, volil bych pro posun rámu nejspíše motor asynchronní a to kvůli jeho nízké ceně. Pokud by totiž nebyl požadavek na regulaci rychlosti, jednalo by se v otázce řízení jen o dva stavy, zapnuto a vypnuto. V případě manipulace s panely by patrně bylo nutné posun vypnout a to by mohlo být zajištěno vcelku jednoduše pomocí sledování krajní polohy výchylky. Jednu z krajních výchylek bych volil z toho důvodu, že v ní stráví rám nejdelší dobu a proto bude menší potřeba přesnosti polohy osy motoru, které se u asynchronních motorů dociluje dosti špatně. Nevýhodou takového řešení je nemožnost nastavení proměnlivých otáček bez frekvenčního měniče a nutnost převodování síťových 3000ot./min. na poněkud nižší hodnotu. V případě, že by naopak byl učiněn požadavek na možnost změny rychlosti posuvu, volil bych motor stejnosměrný. Ten totiž, jak už jsem dříve psal, umožňuje regulaci rychlosti pouhou změnou napájecího napětí.
Co se týče volby pohonu pro upnutí panelu, tak v oblasti elektromotorů dle mého názoru neexistuje vhodný ekvivalent pneumatického upínače. Patrně by bylo možné využít například elektromagnetu v případě, že by nebyl k dispozici rozvod stlačeného vzduchu, ale toto řešení nepovažuji za zdaleka tak elegantní a energeticky výhodné jako řešení pneumatické.
apitola: Výčet řešení
4.2 Řešení řídící logiky
Co se týče možností řízení, nabízejí se tři možnosti. Řízení pomocí běžného osobního počítače, řízení pomocí PLC a řízení pomocí mikroprocesoru (MCU) a desky vlastní výroby.
Záměrně neuvádím možnosti řízení pomocí reléové logiky či řízení pomocí hradlových polí či pomocí samotných logických hradel. Reléovou logiku neuvádím z důvodu zastaralosti, nízké spolehlivosti, náročnosti návrhu a nemožnosti měnit program. V případě samostatných logických hradel pak čelím stejným nevýhodám. FPGA by pak měly smysl v případě, že by bylo potřeba více náročnějších výpočtů prováděných paralelně, nebo v případě, že by bylo voleno čistě kombinační řízení bez interakce s uživatelem. V tomto případě se však domnívám, že by bylo použití FPGA nevhodné (nicméně možné).
4.2.1 Přímé řízení pomocí osobního počítače
K možnosti ovládání přímo pomocí osobního počítače je nutné zmínit několik problémů, kterým je nutné v rámci takového řešení čelit. Předně o dnes používaných rozhraních pro řízení HW vlastní výroby (RS232E – sériový port a IEEE 1284 – paralelní port) se již delší dobu hovoří v souvislosti s jejich rušením. Například dnes se již běžně setkáváme se základními deskami, které buď nejsou těmito rozhraními vůbec vybaveny, nebo jimi jsou vybaveny, ale tyto rozhraní nejsou již vyvedeny na zadní panel desky. V případě notebooků bylo od těchto rozhraní upuštěno již relativně dávno.
Dalším problémem, který by se vážněji projevil, by byl samotný operační systém počítače. Moderní operační systémy jsou totiž prakticky všechny víceúlohové a víceuživatelské.
To zároveň vyžaduje běh procesoru počítače v tak zvaném privilegovaném režimu, ten je sice velkým přínosem v oblasti zabezpečení dat programů a jednotlivých uživatelů a v oblasti multitaskingu, ale v případě řízení situaci spíše komplikuje. Příkladem takovéto komplikace může být například přístup k vnějším rozhraním. Instrukce pro takový přístup patří mezi privilegované, to znamená, že je řízení předáno jádru operačního systému, to rozhodne, zda přístup umožní a případně změny na rozhraní provede. Po té je řízení předáno zpět programu, který požadavek vznesl. Aby se situace ještě více zkomplikovala, v době, kdy je řízení předáno jádru operačního systému, může operační systém obsluhovat jiné procesy.
Dalším problémem speciálně v prostředí Windows řady NT spočívá v zabránění přímého přístupu k rozhraním. To musí být zajištěno za pomocí ovladačů, které navíc musí být podepsané Microsoftem. Co se týče jednoúlohových operačních systémů, tak se stále ještě nabízí MS-DOS a jeho nejrůznější klony. U něj bych však byl dosti opatrný s jeho nasazením.
Pominu-li jeho nekompatibilitu s novějšími rozhraními, je nutné se zamyslet nad jeho kompatibilitou do budoucna. Příchodem standardu UEFI a tabulek GPT se může velmi brzy
apitola: Výčet řešení stát, že již nebude možné pořídit počítač, na kterém by bylo možné DOS provozovat. Rovněž možným nebezpečím může být odklon od platformy x86 směrem k architektuře ARM.
O komplikacích při použití operačních systémů MS-Windows řady NT už jsem psal, nutnost podepsaných ovladačů je z použití v projektech podobných tomuto zcela vylučuje. To znamená, že z řady operačních systémů Windows zbývá řada 9x (95, 98, 98SE a ME). Tato řada sice standardně povoluje přístup k rozhraním, ale jako víceúlohový systém negarantuje přístupové doby. Nejvýrazněji se to projevuje u prvního přístupu, ale i později se to může projevit například vypadnutím kroku u krokového motoru. Řady Windows 1, 2 a 3 pak jsou jen 16bitovou nástavbou na DOS a proto pro ně platí to samé jako pro DOS.
V případě řízení operačním systémem Linux či jiným UN*X systémem je situace mnohem lepší. Linux totiž podporuje jak UEFI, tak GPT a existují i verze pro ARM a ostatní platformy. Tedy co se týče budoucí kompatibility, zbývá zde pouze jeden pomyslný kostlivec ve skříni. Tím je funkce secure boot, která je součástí standardu UEFI. I když je situace v případě řízení Linuxem o mnoho lepší, stále zde zůstávají nevýhody v oblasti isochronního řízení v podobě více současně běžících procesů.
Tím jsem vyčerpal výčet dnes dostupných operačních systémů, teď bych se proto chtěl zaměřit na společné vlastnosti tohoto typu řízení. K hlavním výhodám se řadí: relativně jednoduchý HW (vyjma samotného počítače), možnost vzdáleného řízení, možnosti kvalitních vizualizací a přívětivého uživatelského rozhraní. K nevýhodám se pak řadí zejména velmi špatné přístupové doby k rozhraním, rozhraní, která jsou na konci své životnosti a mohou tudíž být velmi rychle nahrazena a v případě řízení z prostředí Windows je pak ještě nutné k nevýhodám přičíst problematičnost v přístupu k vnějším rozhraním. V neposlední řadě je pak ještě nutné připomenout, že je v místnosti umístěna lázeň s chloridem železitým. Z toho plyne nutnost vyššího stupně krytí, to by muselo být zajištěno buď průmyslovým vyhotovením anebo umístěním do skříně s příslušným krytím.
Výše jmenované nevýhody jsou hlavním důvodem, proč nemohu řízení pomocí počítače doporučit. Nechci tím rozhodně tvrdit, že není možné problémy vyřešit, či je alespoň co nejvíce minimalizovat. Ale úsilí vynaložené k takovýmto úpravám dle mého úsudku neodpovídá zisku, který ze zmíněného řešení vyplývá. Pokud by však přes mé doporučení bylo přistoupeno k takovému způsobu řízení, tak bych jednoznačně upřednostňoval řešení postavené na jednom ze systémů z rodiny UN*X. Není u nich totiž potřeba vymýšlet různé obezličky, jak se dostat k řízení vnějších rozhraní.
4.2.2 Řízení pomocí PLC
Řízení pomocí PLC je možné předem označit za jedno z nejuniverzálnějších a pro
apitola: Výčet řešení většinu aplikací v automatizaci i nejvhodnější řešení. Na trhu navíc existuje spousta různých výrobců, programovací jazyky jsou standardizované normou, výrobci poskytují náhradní díly i pro výrobky starší než deset let a jedná se v podstatě o hotové řešení, které stačí pouze připojit a naprogramovat a tím je celé řízení vyřešeno. Na druhou stranu jsou zde i nevýhody. Tou hlavní nevýhodou je cena. Je totiž nutné si uvědomit, že se při tomto projektu již nepohybujeme v té nejnižší cenové kategorii PLC, ale již v té střední. Při mém přibližném odhadu počtu vstupně/výstupních pinů jsem se dostal minimálně k 8 digitálním výstupům, šesti digitálním vstupům a jednomu vstupu analogovému. Tyto čísla se pochopitelně mohou lišit v závislosti na použité konstrukci, pohonech a senzorice, avšak neočekávám pokles, ale spíše jejich růst.
Pokud jde o možnosti rozšíření o síťovou komunikaci a tudíž i o vzdálené ovládání, je to pochopitelně také možné, ale výrobce si to pochopitelně nechá náležitě zaplatit. Pro představu uvádím cenu PLC od firmy Siemens řady S7-200, kdy se cena centrální jednotky s 8 vstupy a 6 výstupy pohybuje kolem 5 500CZK, přičemž je tato jednotka rozšířitelná o dva moduly. V případě potřeby více vstupně/výstupních pinů se cena jednotky (14xin a 10xout) pohybuje okolo 8 000CZK, s tím, že je možno jí rozšířit až o sedm modulů. Rozšiřující modul o 8 výstupních portů pak přijde na bezmála 2 800CZK. Co se týče komunikačního modulu pro síť ethernet, ten pak vyjde na cirka 9 500CZK. Ještě by se slušelo upozornit, že toto PLC není vybaveno standardním programovacím jazykem ST nebo SFC, ale pouze specifickým IL.
Z výše uvedeného je zřejmé, že i když se jedná o vcelku elegantní a profesionální řešení, které by se člověk nebál nasadit i do náročnějších provozů, tak v momentě, kdy je hlavním kritériem výběru cena, tak nemá šanci konkurovat i podstatně technicky horším řešením. V případě, že by vyšší cena nebyla problém, volil bych nějaké PLC programovatelné pomocí jazyků ST a SFC. Jelikož jsou tyto jazyky zakotveny v normě IEC a proto univerzální a programy v nich napsané jsou pak lépe přenositelné a zajišťují rovněž menší práci při programování.
4.2.3 Řízení za pomoci MCU a desky vlastní výroby
Řízení pomocí desky vlastní výroby s MCU považuji za nejschůdnějšího kandidáta z hlediska kompromisu mezi technickou vhodností a cenou výsledného řešení. Nejdříve k výhodám: jednalo by se o řešení na míru, do kterého by se dalo v případě potřeby zasáhnout, relativně nízká cena, dobrá rozšiřitelnost. Další výhodou specifickou pro tento projekt je možnost kompletní výroby realizované interně v laboratoři. Dále je nutné podotknout, že náklady na vývoj by rovněž byly nižší v případě zadání jako bakalářské či diplomové práce. Co se týče nevýhod, je nutné podotknout, že by se na takové zařízení nevztahovala žádná záruka, servis by bylo nutné provádět taktéž interně a v případě běžné komerční aplikace by byl dražší
apitola: Výčet řešení vývoj. Vzhledem k tomu, že se jedná o aplikaci pro laboratoř na výrobu desek plošných spojů, je tato možnost dosti příhodná a lze o ní reálně uvažovat.
Pokud se týká obsahu desky, bude patrně nutné následující: MCU, převodníky úrovní 24/3,3VDC s galvanickým oddělením, převodníky úrovní 3,3/24VDC, krystal, zálohovaný obvod reálného času. V případě, že bude vznesen požadavek na sériovou linku, tak by tam měl být umístěn i budič pro sériový port. Pro případy budoucího rozšíření by se rovněž hodilo vyvedení různých sériových komunikačních sběrnic na okraj desky.
Z hlediska rozhraní bych doporučoval následující: USB, ICSP, SPI, I2C, RS232E, PS/2 a zbylé neobsazené piny vyvést jako GPIO. USB by sloužilo jako hlavní komunikační rozhraní pro nastavení počítačem. ICSP by sloužilo pro možné úpravy programu MCU a jeho úvodní naprogramování. Většina dnešních MCU s většími počty pinů jsou totiž vyráběny v QFN nebo TQFP pouzdrech a proto se neumísťují do patic. Sběrnice SPI a I2C by se pak hodily v případě dalšího rozšíření, například o Ethernet, nebo o analogové výstupy a podobně. O RS232E uvažuji hlavně z důvodu její snadné implementace a kompatibilitě i bez použití ovladačů. Téměř každý počítač vybavený sériovým portem z pravidla umožňuje z historických důvodů připojení k sériovému terminálu. Takové rozhraní totiž umožňuje předávání příkazů v textové podobě bez potřeby dalšího programového vybavení. Co se týče sběrnice PS/2, tu upřednostňuji z důvodu pouhých dvou datových vodičů, přes které je možné připojit počítačovou klávesnici. Ta dle mého soudu přináší lepší uživatelský komfort, očividnou úsporu vstupně/výstupních pinů a v některých případech paradoxně i nižší cenu.
V otázce výběru MCU je situace s výběrem složitější. Nejdříve je nutné vybrat typ instrukční sady. Já jsem zvolil RISC. O CISC nemá dnes smysl uvažovat v případě, kdy se nechce člověk pouštět do x86ky (dnes taktéž RISC jádro tvářící se navenek jako CISC).
O MCU typu VLIW také příliš smysl uvažovat nemělo, jednak se jedná o pomyslný kanón na vrabce a jednak tyto MCU nepatří mezi nejdostupnější. Naopak architektura ARM by použitelná byla i když se jedná taktéž o architekturu, kterou bych v tomto projektu rozhodně nebyl schopen plně využít. Ta totiž obsahuje například privilegovaný režim se sedmi úrovněmi, který by měl smysl maximálně v případě provozování nějakého z víceúlohových operačních systémů.
Z důvodů toho, že bych ty vlastnosti, které by mi architektura ARM poskytovala navíc oproti RISC bych stejně nevyužil, dám přednost architekturě RISC, se kterou mám více zkušeností.
Po výběru architektury je nutné vybrat výrobce a samotný model. Já v tomto projektu volím Microchip dsPIC33EP256MU806. Jedná se o 16bitový mikrořadič architektury RISC.
Obsahuje USB-OTG, 256KiB flash paměti, 28KiB RAM, přičemž může běžet na základním taktu 70MHz. Co se týče A/D převodníků, těch obsahuje dohromady 24 s rozlišením 10bitů.
apitola: Výčet řešení Pokud se jedná o možnosti komunikace, disponuje dané MCU čtyřmi rozhraními UART, čtyřmi sběrnicemi SPI a dvěma I2C. Velmi důležitou vlastností je potom přítomnost PWM kanálů pro řízení pohonů. Těch je k dispozici rovných 16. Dále je k dispozici dvakrát rozhraní CAN dle specifikace CAN 2.0B (též označováno ECAN). Dozajista lze namítnout, že by část funkcí byla nevyužita, avšak je třeba zmínit, že jsem tento MCU nevybíral dle těchto parametrů. Kritéria výběru jsem zvolil takto: integrovaná podpora USB, 2xSPI, 1xI2C, nejméně 2 kanály PWM, HW RTCC, 16bitová architektura a 64 pinové pouzdro. Z výsledného výčtu v Microchip product selector tool jsem pak vybral na základě přítomnosti rozhraní CAN a úsporného napájecího profilu. V ostatních parametrech pak byly jednotlivé typy MCU stejné, přičemž cenové rozdíly mezi nejlevnějším a nejdražším procesorem v tomto výčtu byl necelých 35CZK, což by mohl být problém u velkoobjemové sériové výroby, avšak u jednoho kusu, dle mého názoru, převáží výhoda přítomnosti CANu nad tímto relativně malým cenovým rozdílem.
Pochopitelně je možné zvolit jiného výrobce a jiný MCU. Přiznávám, že vybírám částečně na základě svých osobních preferencí. Objektivním důvodem pro výběr dsPIC33 ale může být přítomnost remapovatelných pinů. MCU totiž umožňuje k většině pinů přiřazovat některé funkce. To potom vede k úspoře místa na DPS. Rovněž mě k tomu vedlo, že vlastním programátor pro procesory Microchip a mám s nimi zkušenosti. Pointou je, že výběr MCU je do značné míry dán osobními preferencemi, tedy lze použít procesor jiného výrobce při zachování stejných kritériích (USB, alespoň 50xI/O, 2 kanály PWM, SPI a RTCC).
apitola: Výsledné řešení
5. Výsledné řešení
Předem je nutné zmínit, že nelze v tuto chvíli dojít k jednomu jedinému řešení. Jednak kvůli tomu, že není doposud pevně stanovena samotná konstrukce (ta má být dílem jiného řešitele). Rovněž je nutné říci, že není ani pevně stanoven rozpočet, s tím, že mi bylo sděleno, že bych se s řešením měl pohybovat v částce do deseti tisíc. O tom, jak moc limitující tento faktor je netřeba hovořit. Z tohoto důvodu uvedu jednotlivá řešení dle druhů pohonů, strukturovaná do jednotlivých vzájemně zaměnitelných celků. Řídící část pak bude společná pro všechna navrhovaná řešení, jelikož je pro ně dostatečně dimenzovaná. Pokud by však došlo k odchýlení od předložených návrhů, bylo by nejspíše nutné změny konzultovat mezi řešiteli, jinak nemůže být zaručena kompatibilita. Rovněž bude nutné konzultovat parametry pohonů z hlediska vypočtené mechaniky. K těmto výpočtů však patrně dojde až před samotnou realizací. Pohony tedy volím na základě odhadu nutných parametrů, tak, aby bylo možné zvolená řešení mezi sebou porovnat.
5.1 Společná část řešení
Jak už jsem zmínil, do společné části se řadí řídící část, senzorika a zdroj napájení.
Jako řídící část je volena deska vlastní výroby s MCU a dalšími součástkami. Výpočet její ceny je však zatím pouze přibližný, jelikož některé součástky se budou měnit v závislosti na vybraném řešení. To co by se měnit nemělo, je MCU, optočleny pro oddělení vstupů a výstupů, display pro zobrazení informací obsluze a konektory vnějších rozhraní s budiči. V cenách pak nejsou zahrnuty rezistory, kondenzátory a napájecí konektory a svorkovnice. Uvažoval jsem, že senzorika bude místo do standardních konektorů připojena kabelem přímo do svorkovnice.
Tabulka 1: Řídící část (ceny v CZK s DPH, zdroj: TME)
Typ: Součástka: Množství: Cena/ks: Cena
MCU DSPIC33EP256MU806-I/PT 1 182 182
Budič RS232E ADM3311EARSZ 1 69 69
RTC DS1339U-33+ 1 56 56
Grafický display 128x64 RG12864B 1 263 263
4x Optočlen TCMD4000 6 26 156
microUSB A/B konektor ESB227110100Z 1 29 29
mini DIN PS/2 konektor MDC-206E 1 14 14
konektor D-Sub9 (RS232E) HARTING - 9651626812 1 60 60
Výroba DPS 1 800 800
Celkem: 1629
Pokud se týká senzoriky, je nejprve nutné určit, co všechno je třeba sledovat. Bylo by tedy vhodné sledovat krajní polohy pohonů. V případě elektrických pohonů bych volil
apitola: Výsledné řešení jednoduché mikrospínače, v případě pneumatických bych využil feromagnetických pístů a zvolil senzor magnetický. V případě pneumatického pohonu na ose X by navíc bylo nutné zjišťovat polohu vůči lázním. Umístil bych tedy jeden magnetický senzor na posuvnou část a ke každé lázni bych umístil magnet, který by vymezoval oblast, ve které se může pojezd pohybovat s vysunutým panelem. Mezi další senzory, které však nejsou pro funkci stroje bezpodmínečně nutné, bych doporučit plovákový senzor hladiny. Ten bych buď umístil na konec ramene pro upnutí panelu anebo do každé lázně (podle finančních možností). Dále by byly vhodné senzory teploty pro vytápěné lázně, nejsou ale nutné, jelikož teplotu hlídají termostaty uvnitř topných těles a hodnotu lze odhadnout podle jejich spínání.
Tabulka 2: Senzorická část (ceny v CZK s DPH, zdroj: TME)
Typ: Součástka: Množství: Cena/ks.: Cena:
Mikrospínač s páčkou WLK-4MINI/HE 4 13 52
Plovákové čidlo MLS21A-PP 1 160 160
Čidlo teploty Pt1000 PT106053 3 60 180
Čidlo polohy pro válce DF-220 (cena z Intratech.cz) 1 390 390
Celkem: 782
U výběru zdroje je třeba brát v potaz, že dosud není jasné, jak moc velká zátěž na něj bude připojena. Lze odhadovat, že v případě použití krokových motorů proud nepřekročí 7A při napětí 80V. Při použití dvou krokových motorů se tedy dostáváme k hodnotě 14A. Je však nutné upozornit, že oba motory nepoběží současně a proto hodnota proudu bude nižší. Pokud se týká ceny, ta se pohybuje u zdroje 12V/1A stabilizovaných + 80V/16A nestabilizovaných kolem 1 000CZK, slabší verze na 7A pak stojí okolo 600CZK (zdroj CNCShop.cz). Potřebný bude ale ještě jeden zdroj a to na napětí 3,3V pro řídící elektroniku. Spínaný zdroj 3V3/3A stojí přibližně 250CZK. Jistý problém ale představuje LCD display. Jeho vnitřní logika pracuje na napětí 5V a podsvícení vyžaduje až 8V. To pak vyžaduje záporné napětí až 3V a zároveň to vyžaduje použití pinů schopných pracovat se signály standardní TTL logiky. Napětí 5V pro display je ale možné získat z napětí 12V a -3V také není problém vyrobit.
V součtu se tedy pohybujeme okolo 3 700CZK pouze za řízení bez pohonů s tím, že se tato cena ještě může měnit a to v obou směrech.
5.2 Řešení pomocí pneumatických pohonů
Co se týče výčtu pneumatických komponent, je nutné uvážit, jaký zdroj stlačeného vzduchu použiji. Laboratoř má dva kompresory. Jeden je umístěn u vrtaček a druhý je hned vedle stroje na cínování. Vzdálenější kompresor je, co se týče svých parametrů, vhodnější,
apitola: Výsledné řešení avšak by bylo nutné vybudovat rozvod stlačeného vzduchu. To by sice nebylo tak těžké, jelikož je po laboratoři vedena lišta se síťových rozvodem a tudíž musí být ve zdi vytvořeny i otvory pro průchod kabelů. Avšak potom by bylo nutné, vzhledem ke vzdálenosti, umístit ke stroji i tlakový zásobník, aby se vyrovnaly ztráty vzduchu při pohybech pístů. Pro zjednodušení tedy předpokládám použití bližšího kompresoru s tím, že pokud by se uvažovaný zdroj měnil, je nutné počítat se zmíněnými úpravami.
Obrázek 6: Schéma pneumatického řešení
Tabulka 3: Pneumatické řešení (ceny v CZK s DPH, zdroj: Intratech)
Typ: Součástka: Množství: Cena/ks.: Cena:
Válec 25 mm dvojčinný 400mm M1500250400M 1 2245 2245
Ventil 5/3CC průtok 1480 Nl/min Ventil CM-9680 2 2791 5582
Ventil 3/2NC průtok 890 Nl/min Ventil CL-300 1 1390 1390
Cívka DA-0050 (12VDC, 3,5W) 5 332 1660
Konektor AM-5110 5 101 505
Upínač EV-15/40-4 1 1308 1308
Podepřená tyč SBR20 - 1500mm 1 2160 2160
Vozík SME20UU 1 390 390
Bezpístnicový válec DGC-25-1500-GF-PPV-A 1 21094 21094
Celkem: 36334
K výše uvedeným cenám je nutné dodat, že neobsahují ceny hadic, koncovek a nástavců pro upnutí. Jak je zároveň patrné, že z důvodu dosti vysoké ceny není čistě pneumatické řešení průchodné.
apitola: Výsledné řešení
5.3 Řešení pomocí elektrických pohonů
Pokud se týká elektrických pohonů, jak jsem zmínil výše, uvažuji motory krokové s řadiči s ovládáním STEP/DIR. Do ceny nezapočítávám komponenty pro samotnou konstrukci.
Rovněž zde není řešena možnost samočinného upínání panelů. Jak jsem totiž uvedl dříve, není v oblasti elektrických pohonů k dispozici vhodný ekvivalent. Pokud by tedy byl upínač potřeba, je nutné využít tuto část z pneumatického řešení a přičíst tak k ceně 3131CZK.
Tabulka 4: Elektrické řešení (ceny v CZK s DPH, zdroj: CNCShop.cz)
Typ: Součástka: Množství: Cena/ks.: Cena:
Řemen 3m tl. 15mm Ozubený řemen HTD 5M 15 1 900 900
Řemenice 28z ocel Ozubené řemenice HTD 5M 15 2 104 208
Driver pro 2f KM M880A - 80V, 7,8A 2 2790 5580
Krokovy motor 86HS35 - 3,5Nm 2 2500 5000
Příplatek za zdroj 1 400 400
Podepřená tyč SBR20 - 1500mm 2 2160 4320
Vozík SME20UU 2 390 780
Celkem: 17188
Jak je z tabulky patrné, nebude ani v tomto případě možné se do stanoveného limitu vejít. Avšak je zde možnost vypustit z návrhu řadiče pro krokové motory a jejich řízení realizovat přímo pomocí MCU. Procesor je totiž touto funkcionalitou vybaven, je tedy nutné pouze zajistit potřebné spínací prvky pro spínání jednotlivých vinutí. Rovněž je potřeba připomenout, že po výpočtu mechaniky se může ukázat, že nebude potřeba takto vysoký točivý moment a cena motorů tak může jít až na polovinu. Výše zmíněné úpravy by pak vedly k ceně okolo deseti tisíc korun s DPH za tuto část.
apitola: Závěr
Závěr
Na základě výše uvedeného je tedy zřejmé, že nebude možné za cenu do deseti tisíc korun automatizaci stroje na cínování realizovat. Pokud by však došlo k mírnému navýšení finančního limitu, bylo by možné o určité minimalistické variantě uvažovat. Ta by spočívala pouze v ručním upínání panelů, řízení motoru bez použití driveru a převodování motoru do síly za cenu nižších rychlostí.
Tabulka 5: Minimalistická varianta (ceny v CZK s DPH, zdroje dle předchozích)
Typ: Součástka: Množství: Cena/ks.: Cena:
Řídící část dle předchozího návrhu 1 1629 1629
Mikrospínač s páčkou WLK-4MINI/HE 4 13 52
Řemen 3m tl. 15mm Ozubený řemen HTD 5M 15 1 900 900
Řemenice 28z ocel Ozubené řemenice HTD 5M 15 2 104 208
Krokovy motor 57HS09 - 1,3Nm 2 1190 2380
Podepřená tyč SBR20 - 1500mm 2 2160 4320
Vozík SME20UU 2 390 780
Celkem: 10269
Pokud bych hovořil o variantě, která by byla sice dražší, ale vhodnější, co se týče technické vhodnosti a méně náročná v oblasti řízení, použil bych jeden krokový motor s driverem na ose X a na ose Z bych použil dvojčinný píst. Ten by pak ušetřil náklady na samotnou konstrukci, s tím, že by byl nepatrně dražší. Rovněž by byl nenáročný na řízení.
Ventil by totiž umožňoval pouze řízení typu nahoru/dolu/stát.
Tabulka 6: Doporučená varianta (ceny v CZK s DPH, zdroje dle předchozích)
Typ: Součástka: Množství: Cena/ks.: Cena:
Řídící část dle předchozího návrhu 1 1629 1629
Senzorická část dle předchozího návrhu 1 782 782
Řemen 3m tl. 15mm Ozubený řemen HTD 5M 15 1 900 900
Řemenice 28z ocel Ozubené řemenice HTD 5M 15 2 104 208
Driver pro 2f KM M542 - 50V, 4,2A 1 1590 1590
Krokovy motor 57HS09 - 1,3Nm 1 1190 1190
Válec 25 mm dvojčinný M1500250400M (zdvih 400mm) 1 2245 2245
Ventil 5/3CC 1480 Nl/min Ventil CM-9680 1 2791 2791
Cívka DA-0050 (12VDC, 3,5W) 2 332 664
Konektor AM-5110 2 101 202
Celkem: 12201
V této variantě jsem rovněž neuvedl upínač pro automatickou výměnu panelů, avšak při
apitola: Závěr konstrukci bych doporučoval, aby s ním bylo počítáno pro budoucí rozšíření. Může mít značný vliv na úsporu času obsluhy a tudíž i na náklady spojené s výrobou. Bez něj by totiž byl stroj schopen dokončit bez zásahu obsluhy pouze jeden panel, pokud by v sestavě byl však upínač, bylo by možné zpracovat bez zásahu obsluhy celý zásobník.
Mimo automatizaci stroje pro cínování, doporučuji dále vytvořit systém signalizace mezi jednotlivými místnostmi, jak bylo popsáno v první kapitole. Pro začátek by mohla mít podobu zaznamenávání jednotlivých událostí například v podobě logických hradel řady 74xx.
Případné složitější funkce by pak mohly být postaveny nad těmito signály.
Dále doporučuji zvážit možnosti optických kontrol, jejich absence je totiž vážnou slabinou současného výrobního procesu. Zejména bude nutné vyřešit problémy exportu výrobních dat do formátu používaného vyhodnocovacím zařízením. To by mohlo být realizováno i pomocí běžného počítače vybaveného dostatečně kvalitní kamerou. Na rozdíl od velkosériových výrobců, probíhá totiž v laboratoři výroba různorodějších desek a navíc pomaleji. Proto nebude pomalejší vyhodnocovací algoritmus problém.
apitola: Citovaná literatura
Citovaná literatura
1. Plíva, Zdeněk a Drábková, Jindra. Metodika zpracování diplomových, bakalářských a vědeckých prací na FM TUL. Liberec : TU v Liberci, 2007. ISBN:978-80-7372-189-3.
2. Plíva, Zdeněk. Soubor přednášek: Technická dokumentace. Liberec : TU v Liberci, 2010.
3. Petržílka, Leoš. Soubor přednášek: Cvičení z technické dokumentace. Liberec : TU v Liberci, 2010.
4. Wikipedia. Elektromotor. Wikipedia the free encyklopedia. [Online] Wikimedia Foundation, Inc., 25. 4 2012. [Citace: 6. 5 2012.] http://cs.wikipedia.org/wiki/Elektromotor.
5. Kocman, Stanislav a Vrána, Václav. Synchronní stroje. Ostrava : Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava, 2005.
6. Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava. Stejnosměrné stroje (motory).
[Online] [Citace: 6. 5 2012.] http://homen.vsb.cz/~pav15/ss_motor.pdf.
7. Ormecon International. ORMECON(TM) CSN FF. Ammersbek : Ormecon International, 2004.
8. Semach. Návod na chemický cín Ormecon. Semach - výroba plošných spojů. [Online]
Semach - plošné spoje, 6. 8 2004. [Citace: 6. 5 2012.] http://www.semach.cz/povrchy1.html.
9. Siemens Česká Republika. Řídící systém Simatic S7-200 - Industry Automation & Drive Technologies - Siemens. Siemens Industry Automation & Drive Technologies. [Online] Siemens s.r.o., 30. 6 2010. [Citace: 7. 5 2012.]
http://www1.siemens.cz/ad/current/index.php?ctxnh=86f90bfae0&ctxp=doc_prospekty.
10. HQ Systems. S7-200 CPU. HQ Systems. [Online] HQ Systems s.r.o., 2010. [Citace: 7. 5 2012.]
http://www.hqsystems.cz/index.php?option=com_virtuemart&page=shop.browse&category_id=
18&Itemid=32.
11. Festo Czech Republic. Festo Czech Republic - Pneumatické pohony. Festo Czech Republic.
[Online] Festo, s.r.o., 2012. [Citace: 5. 5 2012.] http://www.festo.com/cms/cs_cz/9516.htm.
12. Raveo. Servomotory | RAVEO. RAVEO. [Online] Raveo s.r.o., 2012. [Citace: 6. 5 2012.]
http://raveo.cz/servo_motor.
13. Tišnovský, Pavel. Architektura VLIW aneb pokus o překonání problémů architektur CISC a RISC - Root.cz. Root.cz. [Online] Internet Info, s.r.o., 16. 8 2011. [Citace: 8. 5 2012.]
http://www.root.cz/clanky/architektura-vliw-aneb-pokus-o-prekonani-problemu-architektur- cisc-a-risc/.
14. Microchip. Product Selector Tool. Microchip. [Online] Microchip Technology Inc., 2012.
[Citace: 8. 5 2012.] http://www.microchip.com/productselector/MCUProductSelector.html.
15. Intratech. Pneumatické válce (pneumomotory). pneumatické prvky. [Online] INTRATECH družstvo, 2012. [Citace: 8. 5 2012.] http://www.pneumaticke-
prvky.cz/eshop/eshop/pneumaticke-valce-pneumomotory.htm.
16. REGULACE - AUTOMATIZACE BOR. O nás | REGULACE - AUTOMATIZACE BOR, spol. s r.o. REGULACE - AUTOMATIZACE BOR. [Online] REGULACE - AUTOMATIZACE BOR, spol. s r.o., 2012. [Citace: 8. 5 2012.] http://www.regulace.cz/CZ/index.html.
17. CNC shop. CNCShop.cz. CNC shop. [Online] CNC shop s.r.o., 2012. [Citace: 8. 5 2012.]
http://www.cncshop.cz/.
18. TME. Elektronické součástky, elektrotechnické výrobky. TME. [Online] TME Czech Republic s.r.o., 2012. [Citace: 8. 5 2012.] http://www.tme.eu/cz/.
