TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI
Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií
Studijní program:
B 2612 - Elektrotechnika a informatika
Studijní obor:1802T007 – Informační technologie
Digitální odměřování a programovatelné řízení pro obráběcí stroje
DIPLOMOVÁ PRÁCE
Autor práce: Pavel Jiránek Vedoucí práce: Ing. Miloš Hernych
Konzultant: Ing. Radek Jirka, Jirka a spol., s.r.o.
V Liberci dne 29.5.2009
Zde je vložené zadání (v tištěné verzi)
Prohlášení
Byl(a) jsem seznámen(a) s tím, že na mou diplomovou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 o právu autorském, zejména § 60 (školní dílo).
Beru na vědomí, že TUL má právo na uzavření licenční smlouvy o užití mé diplomové práce a prohlašuji, že s o u h l a s í m s případným užitím mé diplomové práce (prodej, zapůjčení apod.).
Jsem si vědom(a) toho, že užít své diplomové práce či poskytnout licenci k jejímu využití mohu jen se souhlasem TUL, která má právo ode mne požadovat přiměřený příspěvek na úhradu nákladů, vynaložených univerzitou na vytvoření díla (až do jejich skutečné výše).
Diplomovou práci jsem vypracoval(a) samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím diplomové práce a konzultantem.
Datum:
Podpis:
Poděkování
Těmito řádky bych rád poděkoval Ing. Miloši Hernychovi za vedení této práce a pohotové řešení připomínek k práci a také firmě Jirka a spol., s.r.o. za to, že mi umožnila podílet se na zajímavém praktickém projektu. Dále děkuji i všem blízkým, kteří mě podporovali zejména psychicky i v dřívějších letech studia.
Abstrakt
Tato práce seznamuje čtenáře s možnostmi využití programovatelných logických automatů (PLC) pro řízení obráběcích strojů. První část této zprávy se zabývá obecným přehledem jednotek PLC, specifikací použité jednotky Thinget XC3- 24 a specifikací ovládacího rozhraní TouchWin Human Machine Interface (HMI) pro jednotky PLC Thinget. V této části jsou také stručně popsány schopnosti a principy programování PLC jednotek kombinovaných s rozhraním HMI. Druhá část (praktická) popisuje funkce, které byly implementovány do jednotky PLC Thinget. První skupinou jsou funkce digitálního odměřování, sloužící pro vizualizaci souřadnic a zjednodušení ovládání strojů při ručním řízení. Druhou skupinu tvoří funkce programovatelného řízení pro pravoúhlé obrábění (posun v osách X, Y, Z). Závěr této zprávy shrnuje výhody a nevýhody popisovaného systému a možnosti dalšího vylepšení či rozšíření funkcí PLC jednotky.
Klíčová slova: PLC, HMI, obrábění, řízení, odměřování
Abstract
The thesis presents the possibilities of using programmable logic controllers (PLC) for controlling of machine tools. The first part of this report deals with a general overview of the PLC´s, the specifications of the PLC Thinget XC3-24 and human machine interface (HMI) TouchWin OP560 for the PLC Thinget. This section also briefly describes the skills and principles of programming PLC units combined with the HMI. The second part (practical) describes the features that were implemented into the PLC Thinget. The first group are the functions of digital metering. They are used to visualize and simplify controlling of the machines in manual mode. The second group consists functions for automatic controlling of the rectangular cutting (shift in the axes X, Y, Z). Conclusion of this report summarizes the advantages and disadvantages of the system and described the possibility of further improvement or extension of the functions of PLC units.
Keywords: PLC, HMI, cutting, automatic controlling, digital readouts
Obsah
Seznam použitých zkratek a výrazů...7
Úvod...8
1. Princip, vlastnosti a použití PLC, výrobci...9
1.1.Vývoj PLC a využití...9
1.2.Významné funkční bloky PLC jednotek...10
1.3.Rozdělení PLC jednotek dle konstrukce...13
1.4.Programování PLC...14
1.5.Základní přehled výrobců PLC a jejich produktů...17
2. Specifikace PLC Thinget a HMI TouchWin...21
2.1.PLC Thinget – obecný popis...21
2.2.PLC Thinget – technická specifikace...22
2.3.PLC Thinget – prostředky poskytované jednotkou...23
2.4.Specifikace HMI TouchWin OP560-L...24
3. Digitální odměřování...26
3.1.Převod délkových veličin na elektrické...26
3.2.Princip funkce magnetického pravítka...26
3.3.Čítání os pomocí PLC jednotky...27
3.4.Funkce digitálního odměřování...29
3.5.Absolutní a relativní mód odměřování...30
3.6.Funkce nulování souřadnic...32
3.7.Funkce půlení souřadnic...32
3.8.Funkce přímé úpravy souřadnic...33
3.9.Rozměřování děr vrtaných na kruhu (pravidelném n-úhelníku)...34
3.10.Rozměřování děr vrtaných na kosé přímce...37
4. Funkce řízených pravoúhlých posuvů...39
4.1.Obecný popis, požadavky na systém...39
4.2.Princip funkce řízených posuvů...40
4.3.Uživatelské rozhraní řízených posuvů...40
4.4.Postup vykonávání sekvence řízených posuvů...41
Závěr...45
Seznam použité literatury...46
Seznam použitých zkratek a výrazů
ABS Absolutní mód (odměřování) CAN Controller Area Network CNC Computer Numerical Control CPU Central Processor Unit
DEC Digital Equipment Corporation
EEPROM Electronically Erasable Programmable Read Only Memory EPROM Erasable Programmable Read Only Memory
FBD Function Block Diagram
GM General Motors
HMI Human Machine Interface IL Instruction List
LD Ladder Diagram
PC Programmable Controller / Personal Computer PLC Programmable Logic Controller
REL Relativní mód (odměřování) RISC Reduced Instruction Set Computer SFC Sequential Function Chart
ST Structured Text
Úvod
Obráběcí stroje, stejně jako mnohá jiná odvětví, prošly nezanedbatelným vývojem a i v tomto oboru se silně uplatňují systémy na bázi počítačového řízení.
Z plně manuálních strojů se postupně vyvinuly číslicově řízené obráběcí stroje známé pod označením CNC (Computer Numerical Control). CNC řízené stroje dnes představují standard v přesném a automatizovaném obrábění. Tyto stroje vykonávají program popsaný tzv. G-kódy (obráběcí funkce) a M-kódy (doprovodné funkce). I přes postupné rozšiřování CNC strojů je stále provozováno velké množství obráběcích strojů staršího typu (manuální či s jednoduchým motorickým posuvem). Počítačově řízené stroje jsou nákladnou záležitostí a zároveň nejsou nezbytné pro všechny druhy obrábění. Pro jednodušší výkony jsou pak starší stroje stále dostačující. Ke zvýšení užitné hodnoty těchto strojů se dnes provádí různé stupně modernizace. Jedná se například o dosazování digitálních odměřovacích systémů (zejména na optickém a magnetickém principu) s uživatelskými panely pro vizualizaci hodnot a instalaci různých programovatelných jednotek umožňujících jednoduché řízení.
Modernizaci starších obráběcích strojů řeší právě i PLC jednotka popsaná dále v této zprávě. Trh nabízí zpravidla digitální odměřovací systémy a programovatelné jednotky jako samostatné celky, přičemž část zájemců o modernizace obráběcích strojů požaduje právě kombinaci obou částí v jednom systému. Takovéto celky jsou pak nedostatkovým zbožím s ohledem na přijatelnou cenu za celý systém. Danou mezeru na trhu má zaplnit právě realizovaný odměřovací systém. Zákazníci požadují nejčastěji možnost jednoduchého pravoúhlého obrábění (přímočarý posun v osách X, Y, Z) a zároveň vybrané funkce digitálního odměřování. Nejzákladnější funkcí odměřování je vlastní zobrazení absolutních a relativních souřadnic a nulování a půlení souřadnic.
Velmi žádanou funkcí je pak rozměřování daného počtu děr vrtaných na kruhu.
Podobnou funkci také představuje vrtání děr na kosé přímce. Předpokládá se i doplnění konkrétních funkcí dle přání zákazníků, protože použití univerzální PLC jednotky skýtá různé možnosti rozšíření, které jsou limitovány pouze schopnostmi použité jednotky.
Uživatelské rozhraní systému bude navrženo dle požadavků osob z praxe.
1. Princip, vlastnosti a použití PLC, výrobci
1.1. Vývoj PLC a využití
PLC1 (Programmable Logic Controller) jsou programovatelné logické automaty a primárně jsou určeny ke zpracování logických signálů (nabývajících hodnot 0 a 1).
V principu se jedná o malý počítač speciálně uzpůsobený k automatizovanému řízení různých procesů a systémů, například výrobních linek, inteligentních budov, světelných křižovatek atd. PLC jednotky vznikly jako náhrada za reléové automaty pro průmyslové řízení. Systémy založené na relé byly poměrně komplikované a změna v takovém systému většinou znamenala složité zásahy do metalicky propojených komponent. Uvedení do provozu, údržba a modifikace takových systémů byla nákladná a neefektivní. Poptávka po systému, který nahradí složité reléové automaty, poprvé vznikla v automobilovém průmyslu v USA roku 19682, konkrétně ve společnosti General Motors, divize GM Hydramatic (divize automatických převodovek). Do vývoje řídícího systému se přihlásily čtyři společnosti:
• Information Instruments, Inc. (později převzato společností Allen-Bradley),
• Digital Equipment Corp. (DEC),
• Century Detroit,
• Bedford Associates.
Vítězem se nakonec stal Bedford Associates a nové PLC bylo označeno 084, protože se jednalo o 84. projekt Bedford Associates. Dále vznikla skupina Modicon (MOdular DIgital CONtroller), která se zabývala vývojem, výrobou, prodejem a servisem PLC jednotek. Významnou osobou, pracující na projektu, byl Dick Morley, který je obecně označován jako „otec“ PLC. Značka Modicon byla v roce 1977 prodána společnosti Gould Electronics, později ji získala německá AEG a nekonec Schneider Electric (vlastní Modicon dodnes).
1 MATIC, Nebojsa. Introduction to PLC controllers – Chapter 2. [online]. [cit. 2009-02]. URL: <http://
www.mikroe.com/en/books/plcbook/chapter2/chapter2.htm>
2 PLC Dev. The Birth of the PLC. [online]. [cit. 2009-05]. URL:
<http://www.plcdev.com/the_birth_of_the_plc>
Změna programu v PLC je proti reléovým automatům umožněna bez zásahu do fyzického zapojení (nahráním jiných instrukcí do programové paměti). Z původně jednoduchých zařízení, určených zpravidla k řízení omezené škály systémů, se díky rozvoji elektronických součástek vyvinuly i složité komplexní řídící celky, které jsou schopné zpracovávat i analogové signály, provádět výpočty v pevné i plovoucí řádové čárce nebo komunikovat s libovolnými dalšími zařízeními pomocí různých komunikačních rozhraní (zejména RS232, RS422, RS485). Za zmínku stojí, že původní označení pro PLC bylo PC (Programmable Controller), ale po příchodu osobních počítačů (Personal Computer) se začala obecně používat zkratka PLC.
1.2. Významné funkční bloky PLC jednotek
Jednotka PLC je v principu mikropočítač speciálně uzpůsobený průmyslovému použití. Srdcem takové jednotky je centrální procesorová jednotka (CPU). První procesory pro PLC systémy byly 8-bitové typu RISC (omezená instrukční sada).
V současnosti se v PLC běžně používají procesory 16 a 32-bitové. Na trhu lze nalézt i PLC jednotky, jejichž CPU jsou například moderní Intel Pentia, která pracují s pamětí v řádech až GB. Některé systémy (zejména modulární systémy) používají i více než jeden procesor. Zpravidla je potom jeden procesor „master“ (vykonává uživatelský program) a ten řídí více procesorů typu „slave“. Každý pomocný procesor pak většinou obsluhuje samostatnou část PLC (vstupy, výstupy, komunikaci, …). Jednotlivé procesory však mohou pracovat i zcela nezávisle na sobě bez určení „master“
procesoru. Víceprocesorová řešení se používají hlavně pro dosažení velmi rychlých odezev. Snahou je co nejvíce se přiblížit vykonávní programu v reálném čase. Procesor jednotky PLC obsluhuje a provádí zejména:
• vykonávání vlastního programu (uloženého v paměti),
• komunikaci s počítačem či dalšími periferními zařízeními,
• hlídání stavů na vstupu,
• nastavování výstupních stavů,
• operace nad pamětí PLC a kontrolu paměti.
Nejčastějšími výrobci procesorových jednotek pro PLC jsou firmy Motorola (USA), Siemens (EU), Hitachi a Fujitsu (Asie).
Důležitou částí PLC jednotek je také paměť. Běžně jednotka obsahuje dva typy paměti – systémovou a uživatelskou (oddělená paměť pro program a data – Harwardská architektura). Systémová paměť obsahuje vlastní program, který je jednotkou PLC vykonáván. Ke změně této paměti dochází pouze při přeprogramování. Program je před nahráním do paměti převeden do binárního tvaru, kterému CPU „rozumí“. Systémové paměti jsou v dnešní době zejména na bázi pamětí typu flash3, které lze snadno programovat (Flash EEPROM – modernější typ EEPROM pamětí). Díky flash pamětím se velmi urychlil a usnadnil proces nahrávání programu do systémové paměti. Dříve se používaly paměti typu EPROM, které se musely vymazat za pomocí UV osvitu a programovat pomocí programovacích zařízení (programátorů). Uživatelská paměť je rozdělená na bloky, kde každý má svoji specifickou funkci. Určitá část této paměti je vyhrazena pro uchování vstupních a výstupních stavů – 1 bit v paměti odpovídá jednomu vstupu/výstupu. Další část paměti obsahuje stav proměnných hodnot používaných v programu. Jedná se zejména o datové registry a aktuální hodnoty časovačů a čítačů. Na rozdíl od systémové paměti se obsah uživatelské paměti mění za provozu PLC.
Nezbytnou součástí PLC jednotek jsou také vstupní a výstupní kontakty.
Základem každého PLC jsou digitální (binární) vstupy a výstupy. Počet vstupů a výstupů závisí zejména na velikosti jednotky a pohybuje se v řádu jednotek až desítek. Menší a levnější jednotky mívají zpravidla pouze digitální vstupy a výstupy.
Ty jsou použitelné např. pro hlídání koncových snímačů a odpovídající spouštění zařízení na výstupu (zapnutí/vypnutí motorů atp.). Digitální vstupy a výstupy jsou téměř vždy elektricky izolované od elektroniky PLC. Důvodem je ochrana proti průniku vysokého napětí do PLC a přizpůsobení logice PLC, která bývá 5-voltová, zatímco na vstupu může být, dle určení PLC, napětí v řádu desítek až stovek voltů.
Izolace je často řešena optoelektricky, kdy se na základě stavu rozsvítí LED dioda, která osvítí fototranzistor a stav potom odpovídá napětí na tranzistoru (používá se negativní logika). Téměř shodně je řešen výstup z PLC, kde však bývá navíc zařazeno mechanické relé pro spínání vyšších napětí, běžně 230 V.
3 TYSON, Jeff. How flash memory works. [online]. [cit. 2009-02].
URL:<http://www.howstuffworks.com/flash-memory.htm>
Sofistikovanější PLC mívají také analogové vstupy, které slouží pro zpracování libovolných analogových signálů (teplota, tlak, délka, ...) převedených do elektrické formy (napětí, proud). Analogové výstupy mohou být použity např. pro řízení otáček motoru dle hodnoty napětí.
Pro komunikaci s počítačem a dalšími zařízeními jsou PLC jednotky zpravidla vybaveny některým sériovým komunikačním rozhraním (jedním či více). Pro připojení k počítači (za účelem programování, konfigurace, …) se nejčastěji používá standard RS-2324, což je běžné sériové rozhraní, kterým dříve disponovala většina osobních počítačů. Dále může být PLC jednotka vybavena některým z průmyslových komunikačních rozhraní, zejména RS-422 nebo RS-4855. Tato rozhraní využívají i sběrnice pro průmyslovou komunikaci jako je například Modbus, Profibus nebo CAN.
Pomocí těchto sběrnic mezi sebou komunikují jednotlivá zařízení řídícího systému (PLC, rozšiřující moduly, uživatelská rozhraní, snímače, …).
Poslední významěnjší částí je zdroj napájení pro vlastní elektroniku PLC jednotky. Obvyklé napájecí napětí je buď 24 V (stejnosměrné) nebo 230 V (střídavé, běžně používané). Větší typy PLC jednotek mívají externí zdroje napětí zatímco menší jednotky mají zpravidla zdroj napětí již integrovaný. Zdroj napětí pro provoz PLC je většinou elektricky oddělen od vstupních kontaktů. Znamená to, že k nastavení logické hodnoty na vstupech se používá jiné napětí (externí napětí ze zdroje, snímačů, ...) než pro napájení elektrnoniky jednotky. Některá PLC však mají i vlastní integrovaný zdroj určený ke spínání vstupů. Logická hodnota na vstupu potom odpovídá elektrickému
4 WWW.HW.CZ. Sériová linka RS-232. [online]. [cit. 2009-02]. URL:<http://hw.cz/rs-232>
5 VOJÁČEK, Antonín. Základní informace o RS-485 a RS-422. [online]. [cit. 2009-02].
URL:<http://automatizace.hw.cz/zakladni-informace-o-rs-485-rs-422-pro-kazdeho>
Ilustrace 1: Optoelektrická izolace vstupů a výstupů
Zdroj: MATIC, Nebojsa. Introduction to PLC controllers – Chapter 2. [online]. [cit. 2009-02].
URL:<http://www.mikroe.com/en/books/plcbook/chapter2/chapter2.htm>
propojení (rozpojení) vstupního kontaktu a kontaktu vnitřního zdroje. Následuje blokové schéma běžné PLC jednotky.
1.3. Rozdělení PLC jednotek dle konstrukce
PLC jednotky jsou běžně děleny do následujících čtyřech skupin:
• smart relé,
• kompaktní,
• modulární,
• soft PLC.
Smart relé představují jednoduchý logický automat, jehož název (chytré relé) přímo vypovídá o schopnostech. Nahrazuje klasická relé a slouží zejména ke spínání a rozpínání elektrických propojení. Smart relé mají zpravidla omezenou rozšiřitelnost a jsou dostupná v cenové relaci v řádu tisíců. Typickým příkladem je jednotka LOGO!
firmy Siemens.
Kompaktní jednotky zpravidla obsahují v jednom celku procesor a další nezbytnou elektroniku, digitální (případně i analogové) vstupy a výstupy, základní komunikační rozhraní pro programování a komunikaci s okolním světem a integrovaný zdroj. Tyto jednotky jsou poměrně dostupné, snadno použitelné a jsou vhodné zejména pro jednodušší až středně pokročilé aplikace řízení, kde se nepředpokládá značné
Ilustrace 2: Blokové schéma PLC jednotky
Zdroj: MATIC, Nebojsa. Introduction to PLC controllers – Chapter 2. [online]. [cit. 2009-02].
URL:<http://www.mikroe.com/en/books/plcbook/chapter2/chapter2.htm>
rozšiřování a modifikace systému. Kompaktní jednotky lze běžně doplnit několika moduly. Typické jsou moduly pro rozšíření vstup a výstupů, komunikační moduly atd.
Modulární systémy nabízí vysokou variabilitu a velmi široké možnosti využití.
Jednotlivé funkční bloky PLC jsou rozděleny na moduly, které lze libovolně kombinovat podle aktuálních potřeb. Základním modulem je pak CPU s pamětí a zdroj napájení. Další moduly mohou poskytovat libovolný počet digitálních či analogových vstupů a výstupů, komunikační rozhraní (RS232, 422, 485, …), datové úložiště pro program a data nebo ovládací uživatelské rozhraní pro interakci obsluhy s řízeným systémem.
Soft PLC jsou systémy realizované pomocí běžného počítače typu PC. Na počítači je provozován emulační program PLC, který vykonává funkce klasického PLC. Výhodou je široká univerzálnost systému a velký paměťový prostor. Výkon závisí na výkonu PC a nevýhodou je, že soft PLC nevykonává program tak rychle jako klasické PLC. Instrukční sada PLC jednotek je uzpůsobena k rychlému vybavování instrukcí (snaha co nejvíce se přiblížit zpracování v reálném čase). Soft PLC jsou tak vhodná pro rozsáhlé aplikace, kde se zpracovává větší objem dat a zároveň není tolik kladen důraz na rychlost zpracování.
1.4. Programování PLC
K programování PLC dnes postačuje běžný osobní počítač vybavený odpovídajícím softwarem a komunikačním rozhraním. Toto řešení je výhodné vzhledem k dostupnosti běžných počítačů. Některé PLC jednotky lze programovat i přímo, bez dalších zařízení. Zde je možné opět zmínit kompaktní PLC jednotky (správněji označené spíše jako smart relé) Siemens LOGO!, které jsou vybaveny displejem a tlačítky pro přímé programování. S vývojem prvních PLC jednotek vznikla otázka jakým způsobem programovat tato zařízení (ve smyslu programovacího jazyka).
Reléové řídící systémy se popisovaly pomocí takzvaných liniových schémat.
V principu se jedná o schematický zápis elektrických propojení. Projektanti reléových systémů byli zpravidla vzdělaní v elektrotechnickém směru a porozumění liniovým schématům jim nečinilo obtíže, protože zjednodušeně popisují zákonitosti elektrických obvodů. Proto při vývoji prvních PLC jednotek bylo logickým krokem to, že jejich programování vycházelo principielně z popisu reléových systémů (liniových schémat).
Lidé vyvíjející a spravující takové systémy díky tomu nebyli nuceni se učit zcela nové věci a přechod od relé k PLC nebyl tak problematický.
Liniové schéma je ve své podstatě zjednodušeným grafickým znázorněním elektrických propojení „na vstupu“ (ovládací svorky relé) a tomu odpovídajícím propojením „na výstupu“ (spínané svorky relé). Takto je popsáno nejjednodušší logické řízení. Liniové schéma lze rozdělit na dvě hlavní části. V jeho levé části se nacházejí vstupy (podmínky) a v pravé části výstupy (akce vykonané dle podmínek). Jak již bylo uvedeno, dnešní PLC jednotky se zdaleka neomezují jen na logické signály a běžně zpracovávají i signály analogové a pracují s datovými hodnotami v různých formátech.
Vstupem (podmínkou) může být kromě logické hodnoty například vzájemné porovnání hodnot registrů, čítačů, časovačů či konstant. Následující ilustrace vyobrazuje jedno z nejjednodušších liniových schémat.
Vstupem jsou logické hodnoty X0, X1, X2 (odpovídají vstupním kontaktům PLC) a výstupem je Y0 (odpovídá reléovému výstupnímu kontaktu PLC). Vstupy řazené v jedné přímce (X0, X1) představují logický součin (spojka AND) a vstupy, resp. celé rovnoběžné větve, spojené vedle sebe (X0, X1 a X2) reprezentují logický součet (spojka OR). Vstup X2 je zde navíc realizován jako klidově sepnuté tlačítko (rozpínací tlačítko), které představuje logickou negaci (NOT). Pomocí logických hradel lze danou funkci znázornit zapojením na následujícím obrázku.
Ilustrace 3: Jednoduché liniové schéma
Ilustrace 4: Funkce popsaná logickými funkčními bloky
Kromě tvorby programů pro PLC pomocí liniových schémat nabízí také řada softwarů klasické „textové“ programování. Protože se jedná o programování na nízké úrovni, zpravidla tak programovací jazyk vychází z assembleru (jazyka symbolických adres). Omezená instrukční sada je zcela dostačující pro popis řízení realizovaného pomocí PLC. Ačkoliv liniová schémata v různých návrhových softwarech většinou dodržují základní konvence, jsou mezi jednotlivými výrobci rozdíly (zejména u interpretace některých speciálních funkcí). Tyto rozdíly jsou navíc mnohem větší právě v popisu programu pomocí instrukcí, kde si každý výrobce sám určuje vlastní konvence a syntaxi kódu. Následující blok kódu popisuje stejnou funkci jako výše uvedené liniové a logické schéma. Kód je vyňat z programu XCP Pro, který je určený k programování PLC jednotek Thinget.
LD X0 AND X1 ORI X2 OUT Y0
Programování PLC Thinget pomocí instrukcí je takzvaně „zásobníkově orientované“.
Spočívá v tom, že výsledek předchozí operace je vždy uložen na vrchol zásobníku, kde s ním může pracovat další instrukce. Instrukce LD X0 načte logickou hodnotu na vstupu X0 a ta je uložena na vrcholu zásobníku, dále AND X1 načte vstup X1 a provede logický součin s vrcholem zásobníku, ORI X2 načte vstup X2, hodnotu invertuje a provede logický součet s vrcholem zásobníku. Nakonec instrukce OUT Y0 nastavuje hodnotu na výstupu Y0 dle hodnoty na vrcholu zásobníku.
Výhody a nevýhody programování PLC jednotek pomocí liniových schémat lze shrnout do několika významnějších bodů.
Výhody liniových schémat:
• vycházejí ze známé koncepce elektrických obvodů,
• intuitivní a snadno pochopitelné,
• samy sebe dokumentují,
• velmi dobře popisují diskrétní logiku.
Nevýhody liniových schémat:
• malé možnosti zapouzdření a znovupoužití bloků kódu,
• nepřehledná struktura dat – přistupuje se k blokům paměti (bit, byte, word, …) a může například dojít k překrytí paměťového prostoru pro dvě proměnné,
• nepřehlednost při použití aritmetických operací s velkým počtem mezivýsledků,
• omezené možnosti prioritního vykonávání částí programu – program je vykonáván zleva doprava a shora dolů.
Na závěr je vhodné zmínit normu IEC/EN 61131-3, která má co možná nejvíce sjednotit proces návrhu programů pro PLC různých výrobců. Norma definuje několik způsobů programování PLC jednotek:
• Ladder Diagram (LD) – liniové schéma,
• Instruction List (IL) – seznam instrukcí,
• Structured Text (ST) – jazyk strukturovaného textu,
• Function Block Diagram (FBD) – diagram funkčních bloků,
• Sequential Function Chart (SFC) – grafický nástroj pro programování sekvenčních funkcí.
První dva způsoby vývoje jsou popsány výše. Třetí (ST) vychází z programování ve vyšších programovacích jazycích (C, Pascal, …) a zápis je tak podobný klasickému procedurálnímu programování. FBD představuje nástroj, ve kterém se systém popisuje pomocí logických funkčních bloků, zejména hradel typu AND, OR, NOT atd. Metoda SFC vychází z vývojových diagramů a popisuje sekvenční funkce (posloupnost funkcí).
Nejideálnější metodu programování nelze jednozančně určit. Pravděpodobně si člověk, který se zabývá nebo zabýval programováním ve vyšším programovacím jazyce, zvolí metodu ST – programování formou strukturovaného textu. Člověk věnující se elektrotechnické praxi si naopak spíše zvolí LD - liniové schéma. Konkrétní volba je vždy na vývojáři programu pro PLC.
1.5. Základní přehled výrobců PLC a jejich produktů
Jako první stojí za zmínku společnost Siemens6, kterou jmenovitě jistě není nutné představovat. Siemens patří k předním společnostem zabývajícím se automatizací a elektrotechnikou, ale spektrum produktů a řešení je ještě mnohem širší (doprava, energetika, informační technologie, zdravotnictví, domácí spotřebiče, atd.). Vlastní
6 Siemens. Webová prezentace společnosti. [online]. [cit. 2009-04]. URL:<http://www.siemens.cz>
nabídka PLC pokrývá požadavky různých zákazníků. Pro nejjednodušší aplikace je k dispozici systém LOGO!, který v základu nabízí 8 vstupů, 4 reléové výstupy a integrovaný displej a tlačítka, díky kterým lze PLC programovat přímo (lze i pomocí softwaru LOGO! Soft Comfort). LOGO! lze rozšířit například o digitální a analogový modul (další vstupy/výstupy), komunikační modul či modul pro spínání větších zátěží (nad 10 A). Pro náročnější aplikace je k dispozici řada Simatic S7-200. K dispozici je pět základních jednotek lišících se počtem vstupů/výstupů, možnostmi rozšíření a velikostí paměti pro program a data. Tato řada PLC již nabízí i čítače, časovače, složitější aritmetické operace a schopnost komunikace s okolními zařízeními. Dále lze systém doplnit o moduly se vstupy a výstupy, komunikační moduly, speciální moduly (polohovací, vážící, …) a uživatelská rozhraní. Pro středně náročné a náročné aplikace jsou dostupné PLC Simatic S7-300 a S7-400. Tyto vysoce modulární systémy jsou vhodné zejména pro komplexní řízení větších průmyslových celků. Základ tvoří CPU modul, který lze vybrat dle požadavků na výpočetní výkon. CPU modul pak lze libovolně doplňovat o další moduly, které jsou vyžadovány konkrétním případem.
K programování PLC řady Simatic slouží software Step 7, který nabízí programování liniovým schématem, instrukcemi a funkčními bloky. Podrobnější informace o schopnostech těchto a výše uvedených systémů lze získat na webových stránkách společnosti.
Dalším velmi významným dodavatelem systémů pro logické řízení je Mitsubishi Electric7. Nabídka společnosti rovněž pokrývá široké spektrum požadavků na schopnost PLC. Nejnižším produktem pro logické řízení jsou jednotky Alpha, které lze zařadit do skupiny smart relé. Tyto jednotky se řadí mezi relé a klasické PLC jednotky. Poskytují podobné schopnosti jako jednotky LOGO! fy Siemens. Pozici kompaktních PLC pokrývá řada jednotek označená FX. K dispozici je několik výkonových variant lišících se počty vstupů a výstupů, rychlostí vykonávání instrukcí a prostorem pro uživatelský program. Jednotky řady FX jsou mezi sebou vzájemně kompatibilní. Samozřejmostí je možnost rozšíření o některé přídavné moduly (vstupy, výstupy, komunikace, …). Vlajkovou lodí logického řízení je modulární PLC systém
„Q“ jehož předchůdcem byl systém AnSH. Jak je zvykem u modulárních systémů,
7 Mitsubishi Electric. Webová prezentace společnosti. [online]. [cit. 2009-04].
URL:<http://www.mitsubishi-automation-cz.com>
nabízí i systém Q vysokou možnost individualizace dle potřeb konkrétní aplikace.
V jednom celku lze kombinovat až 4 CPU moduly, systém je možné napájet širokým rozsahem napětí, počet vstupů a výstupů může dosáhnout až 4096 a programová paměť obsáhne až 252 000 kroků. Pro získání detailních informací je vhodné navštívit webové stránky společnosti.
Jako třetího světového dodavatele PLC je možné uvést společnost Allen- Bradley/Rockwell Automation8. Nabídka PLC je opět velmi podobná nabídce společností uvedených výše. Nejnižší řadou jsou jednotky Pico Controller, které lze zařadit po boku Siemens LOGO! a Mitsubishi Alpha. Řadu kompaktních PLC vyplňují jednotky MicroLogix, které jsou dále omezeně rozšiřitelné pomocí různých modulů.
Nejvyšší řadou PLC jsou modulární systémy SLC 500 a PLC-5. Jak je již zvykem u modulárních jednotek, poskytuje tato volba široké možnosti přizpůsobení konkrétní aplikaci. Zákazník má na výběr řadu různě výkonných procesorů, vstupně/výstpní moduly, komunikační moduly, moduly pro řízení pohybu a řadu dalších. Kompletní a detailní informace lze rovněž nalézt na webu společnosti.
Tuzemským dodavatelem PLC jednotek je společnost Teco a.s.9, která sídlí v Kolíně. Firma vyrábí a dodává poměrně širokou škálu automatizační techniky. Jedná se zejména o PLC jednotky, regulátory, inteligentní elektroinstalační systém, průmyslové počítače, uživatelská rozhraní a další příslušenství pro automatizaci a průmyslové řízení. PLC jsou nabízena kompaktní (TC400, TC500, TC600, TC650 – liší se zejména v počtu vstupů a výstupů a možnostmi komunikace s okolím) a modulární verze Foxtrot a TC700. Foxtrot představuje menší modulární systém zatímco TC700 je „nejmocnějším“ PLC v nabídce Teco a.s. Nabízí možnost vstupů a výstupů až v řádech tisíců, komunikaci po klasickém sériovém, USB a ethernet rozhraní a dostatek prostoru pro program a data. K programování PLC fy Teco a.s. Je dodáván software Mosaic, který umožňuje programovat PLC pomocí instrukcí, liniového schématu, funkčních bloků a strukturovaného textu. Detailní informace k dodávaným systémům lze opět nalézt na webových stránkách firmy.
8 Rockwell Automation. Webová prezentace společnosti. [online]. [cit. 2009-05].
URL:<http://www.rockwellautomation.com/index.html>
9 Teco a.s. Webová prezentace společnosti. [online]. [cit. 2009-04]. URL:<http://www.tecomat.cz>
Výrobců PLC jednotek je na světě poměrně mnoho, přičemž někteří jsou známější více, jiní méně. V principu je však funkce většiny PLC podobná a mnoho výrobců nabízí i podobné řady jednotek (kompaktní a modulární různých velikostí).
Jako další výrobce lze uvést například: ABB, Hitachi, Moeller, Schneider Electric, Panasonic, Wago, Omron, atd. Pro podrobný výčet výrobců a dodavatelů zabývajícími se průmyslovou automatizací není však v této zprávě dostatek prostoru.
Na závěr této kapitoly je nezbytené se zmínit o výrobci PLC jednotky, která je základním stavebním kamenem realizovaného odměřovacího systému. Výrobcem jednotky je čínská společnost Xinje10. Společnost se orientuje výhradně na obor průmyslového řízení a automatizace. Hlavními produkty jsou kompaktní PLC jednotky různých velikostí, HMI uživatelská rozhraní pro ovládání PLC jednotek, frekvenční měniče a servopohony a servomotory. Kompaktní PLC jsou nabízena v řadách XC1, XC2, XC3 a XC5. Rozdíly mezi řadami tvoří, jak je již zvykem, počty vstupů/výstupů, programové schopnosti PLC či dostupná komunikační rozhraní. V nabídce jsou mj.
i integrovaná PLC a uživatelská rozhraní a speciální PLC pro řízení pohybu (podporuje G-kódy). Samozřejmostí jsou i rozšiřující moduly a to s digitálními či analogovými vstupy a výstupy, pro termočlánky, s rozhraním RS485 či ethernet a další.
10 Xinje Electronic Co. Webová prezentace společnosti. [online]. [cit. 2009-03].
URL:<http://www.xinje.com>
2. Specifikace PLC Thinget a HMI TouchWin
Pro realizaci digitálního odměřování je použito PLC Thinget XC3-24R-E.
Současně s PLC jednotkou bylo dodáno i ovládací uživatelské rozhraní (HMI), model OP560-L. Následující část popisuje významné vlastnosti těchto dvou zařízení.
2.1. PLC Thinget – obecný popis
Jedním z charakteristických rysů PLC jednotek řady XC3 patří možnost programování liniovým schématem a instrukcemi (viz kap. Programování PLC).
K programování je dodáván software XCP a XCP Pro, který nabízí komfortnější prostředí s řadou nápověd a průvodců pro ulehčení některých složitějších a častěji používaných schopností PLC. Jednotka sama nabízí bohatou škálu vlastních instrukcí a to od jednoduchých logických typu AND, OR, atp. až po aritmetické instrukce v pevné a plovoucí řádové čárce, goniometrické funkce, funkce přesunu dat mezi registry, konverze mezi datovými typy, řízení vykonávání programu, komunikační instrukce a instrukce pro práci s čítači a časovači. Kompletní instrukční sada je velmi rozsáhlá a podrobný popis je dostupný v dokumentaci výrobce. Velmi užitečnou vlastností je možnost nepřímé adresace registrů, vstupů a výstupů pomocí „offset“
registru. Například při práci s výstupem je zápis Y2 jednoznačně dán a vždy se pracuje s výstupem Y2. Pomocí některého z registrů PLC lze výstup adresovat například takto:
Y2[D10]. Při tomto zápisu se pak pracuje s výstupem, jehož číslo je dáno součtem 2 a hodnoty registru D10. Pokud je D10 = 5 pracujeme s výstupem Y7. Nepostradatelnou součástí jednotky je možnost vysokofrekvenčního čítání až třech vstupů tzv. AB signálu. Tato funkce je použita právě pro čítání hodnot digitálních odměřovacích pravítek. Kromě AB signálu lze zpracovat i signál „pulz + směr“ a inkrementální signál (jediný signál, bez určení směru). Za zmínku ještě stojí podpora průmyslové komunikační sběrnice Modbus11 a možnost výstupu v podobě vysokofrekvenčních pulsů až do 400 kHz.
11 Modbus-IDA. Modbus Application Protocol Specification v1.1b. Modbus-IDA. 2006.
2.2. PLC Thinget – technická specifikace
Jak již bylo uvedeno výše, pro realizaci odměřovacího systému je použito konkrétně PLC s označením XC3-24R-E. Smysl značení jednotek Thinget popisuje následující ilustrace a text.
XC3
1 2 3 4 5
1. označení řady PLC jednotek, dále dostupné jsou XC1 (nižší řada) a XC5 (vyšší), 2. součet vstupů a výstupů PLC jednotky,
3. princip funkce výstupů PLC (R – relé, T – tranzistor, RT – obě varianty), 4. napájení PLC jednotky (E – 230 V stř., C – 24 V ss.),
5. rozhraní RS485 (S – RS485, prázdné – bez RS485).
Z uvedeného popisu je zřejmé, že jednotka XC3-24R-E nabízí celkem 24 vstupních a výstupních kontaktů, konkrétně 14 vstupů a 10 výstupů, přičemž výstupy pracují na principu relé. Jednotku lze napájet standardním síťovým napětím 220-250 V při frekvenci 50-60 Hz. Rozhraní RS485 (používá se například pro komunikaci v rámci průmyslové sběrnice CAN) tento model PLC nenabízí.
Ilustrace 5: Rozměry (v mm) jednotky XC3-24 (32)
Zdroj: Xinje Co. Ltd. XC Series Programmable Controller – User Manual v2.5. s. 13.
Předchozí ilustrace zobrazuje mechanické řešení PLC řady XC3-24 (na obrázku verze XC3-32, která je rozměrově shodná). Vstupní kontakty jsou v horní řadě a výstupní v řadě dolní. Dále jsou přítomny dva sériové porty a kontrolní LED diody (stavy vstupů, výstupů, provozní a chybový stav).
2.3. PLC Thinget – prostředky poskytované jednotkou
12Jednotka PLC poskytuje určitou škálu prostředků pro vykonávání programu.
Základem jsou digitální vstupy a výstupy, které slouží pro „komunikaci s okolím“. Ty již byly popsány výše. Ostatními prostředky jsou myšleny zejména paměťové prostory pro data, časovače a čítače. Základním prostředkem jsou vnitřní (tzv. pomocná) relé, která jsou spjata hlavně s binární logikou. Jedná se o proměnné, které mohou nabývat hodnot 0 a 1. V programu lze provádět nastavení do 0 a 1 a následně tyto proměnné používat jako podmínky. Jednotky řady XC nabízí celkem 8512 těchto binárních proměnných. Jsou značeny jako Mx (x je číslo 0-8511). Z toho M0-M2999 jsou volatilní (restart PLC znamená, že jsou všechny nastaveny do 0), M3000-M7999 jsou non-volatilní (stav zůstává zachován i po restartu PLC) a M8000-M8511 jsou pro speciální účely (trvale hodnota 0, 1, překlápění s různou frekvencí atp.).
Nezbytné pro složitější výpočty a programy jsou datové registry (označení Dx).
K dispozici je jich rovněž 8512. Registry D0-D3999 jsou volatilní, D4000-D7999 non- volatilní a D8000-D8511 pro speciální účely. Registry jsou 16-bitové, ale lze s nimi pracovat i jako s 32-bitovými, což se určuje podle použitých instrukcí. Instrukce pro 32-bitové registry jsou označeny prefixem D (MOV pro 16 bitů, DMOV pro 32 bitů).
Rozdíl je v tom, že 32-bitové instrukce pracují s dvojicí 16-bitových registrů. Je tak nutné pracovat například s registry, které mají pouze sudá čísla (D0, D2, D4, …), jinak hrozí vzájemné překrytí datových prostorů různých proměnných, což vede k chybným výsledkům a příčiny se složitě odhalují.
Dále jednotka nabízí poměrně širokou škálu čítačů a časovačů. Časovačů je k dispozici celkem 620 (označení Tx) a liší se periodou (1-100 ms) a dále tím, zda se po dosažení nastavené hodnoty čítá dále nebo se provede reset na nulu. Čítačů je celkem 635 (označení Cx). C0-C299 jsou 16-bitové, C300-C598 32-bitové s možností čítání vpřed i vzad a C630-C634 jsou vysokofrekvenční čítače (signály až do 200 kHz).
12 Xinje Co. Ltd. XC Series Programmable Controller – User Manual v2.5. s. 38-40.
Dalšími prostředky jednotky jsou například ukazatele (Px) a přerušení (Ix).
Ukazatele slouží k rozčlenění programu na menší celky, které jsou podle potřeby zavolány a přerušení jsou podobná, ale jejich vyvolání podléhá konkrétní akci při vykonání programu. Přerušení mohou být vyvolána dvěma způsoby a to buď vstupní operací nebo časově (např. v pravidelných intervalech). Ukazatele a přerušení nejsou v digitálním odměřování využívány.
Na závěr je ještě vhodné zmínit registry označené FDx. Jedná se o FlashROM registry a jejich hodnoty jsou uloženy v paměti typu flash v PLC. Těchto registrů je celkem 2048 a slouží zejména pro uložení hodnot, které určují některá vnitřní nastavení jednotky. PLC například umožňuje změnu počtu registrů a pomocných relé, které mají svůj stav uchovat i po vypnutí jednotky (viz. výše). Toto lze ovlivnit právě nastavením hodnot v příslušných FD registrech.
2.4. Specifikace HMI TouchWin OP560-L
Společnost Xinje nabízí poměrně širokou řadu uživatelských rozhraní HMI, které se odlišují zejména velikostí displeje, počtem barev displeje a tím jestli je displej dotykový a nakonec počtem tlačítek u HMI s bezdotykovým displejem. Řada HMI s bezdotykovým displejem je označena OP (Operate Panel) a řada s dotykovým displejem TP (Touch Panel). Většina HMI podporuje i PLC jednotky jiných výrobců (Siemens, Mitsubishi, Fuji, Omron, …). Nižší řady HMI (OP320, OP330) disponují zpravidla jen klávesami v počtu jednotek a slouží pro jednoduché aplikace logického řízení. K programování těchto panelů je k dispozici software OP Edit Tool.
Panel OP560-L patří do střední řady dodávaných HMI. Je vybaven monochromatickým displejem s úhlopříčkou 5,7 palců a rozlišením 320x240 bodů, dvěma RS232 rozhraními pro programování a komunikaci se zařízeními a k dispozici je 42 univerzálních funkčních kláves. Zde je vhodné zmínit, že univerzální klávesy jsou nevhodné pro aplikaci v digitálním odměřování. Například absence kláves X, Y, Z je kritická. Obsluze je nezbytné poskytnout intuitivně označené klávesy, které maximálně usnadní práci se systémem. Proto byla s výrobcem dohodnuta výroba nové překryvné fólie na tlačítka, která je postupně sestavena dle potřeby systému. Podmínkou je samozřejmě odběr určitého množství folií. Doplněna jsou zejména tlačítka označená X, Y, Z a symboly pro vyvolání funkcí odměřovacího systému. Program pro vyšší řady
HMI se vytváří pomocí softwaru TouchWin Edit Tool. Prostředí umožňuje v prvé řadě tvorbu „stránek“ rozhraní. Na jednotlivé stránky lze umišťovat vizualizaci dat, vstupy dat do PLC, přechody mezi stránkami, funkční tlačítka atd. Pomocí HMI lze realizovat i základní matematické operace s registry PLC. Veškeré možnosti softwaru lze zjistit v uživatelském manuálu. Následuje obrázek HMI OP560-L použitého pro systém digitálního odměřování.
Ilustrace 6: HMI TouchWin OP560-L
3. Digitální odměřování
3.1. Převod délkových veličin na elektrické
Základem každého odměřovacího systému je převod délkových (případně úhlových) veličin na elektrickoé veličiny, se kterými je daná technika (PLC) schopná pracovat. Nejčastěji používané jsou optické a magnetické snímače délky/polohy (digitální pravítka). Optická pravítka vykazují vysoké rozlišení až 0,5 µm, jsou však velice citlivá na čistotu, což je v průmyslových podmínkách poměrně problematické.
Proto jsou velmi populární magnetická pravítka, která sice dosahují o něco nižšího rozlišení (od 1 µm), ale jsou mnohem méně náročná na čistotu pracovního prostředí a snesou i hrubější zacházení.
3.2. Princip funkce magnetického pravítka
Pravítko se skládá z lišty s magnetickou páskou a čtecí hlavy se snímačem.
Páska je zmagnetována v pravidelných dílcích dle rozlišení pravítka (například 2 mm).
U pravítka dochází na pásce každé 2 mm k přechodu z jižního pólu magnetu na severní a naopak. Čtecí hlava obsahuje snímač se dvěma Hallovými sondami, které jsou citlivé na magnetické pole. Posunem snímače podél střídavě zmagnetované pásky se pomocí Hallových sond získávájí sva sinusové průběhy, které jsou vzájemně posunuté o 90°.
Celá perioda signálu (přechod přes S a N pól) je potom rozpočítána na daný počet pulsů obdélníkového signálu, dle rozlišení. Výsledkem tak jsou dva obdélníkové signály posunuté také o 90° (¼ periody). Tyto dva signály se označují jako AB signál (viz následující ilustrace). Pomocí AB signálu lze při jakékoli změně stavů jednoznačně určit směr posuvu a pomocí čítání změn stavů lze určit délku. Některá pravítka navíc po určitých vzdálenostech generují referenční signály, dle kterých lze pravítka podle potřeby kalibrovat.
Vezmeme-li v úvahu pásku s periodou 4 mm (2 mm N a 2 mm S pól) a snímač, který periodu rozdělí na 40 period obdélníkového „A“ signálu a 40 period „B“ signálu posunutého o ¼ periody (viz ilustrace výše), získáme celkem 160 rozlišitelných přechodů na vzdálenosti 4 mm. Když 4 mm vydělíme 160, zjistíme, že dané pravítko nám poskytuje rozlišení 25 µm. Při posunu vpravo dostáváme periodicky AB signál 01, 00, 10, 11 a při posunu vlevo 11, 10, 00, 01. Digitální magnetická pravítka použitá pro realizované odměřování mají rozlišení 5 µm.
3.3. Čítání os pomocí PLC jednotky
Aby bylo možné s hodnotami os pracovat, je nutné zpracovat pomocí PLC získaný AB signál. Jak již bylo uvedeno výše, PLC řady XC3-24 umožňuje čítání třech AB signálů s frekvencí až 200 kHz. PLC má pro tento účel vyhrazeny rychlé čítače C630, C632 a C634. Osa X je čítána pomocí čítače C630 přičemž vstup A signálu je pevně definován na PLC vstup X1 a B signálu na vstup X0. Stejný princip ctí i osa Y a osa Z, jak popisuje tabulka 1.
Ilustrace 7: AB signál
Zdroj: AustriaMicroSystems. AS5304/5306 Datasheet v1.05.
Tabulka 1: Vstupy AB signálu do PLC jednotky
Osa Čítač A signál B signál
X C630 X1 X0
Y C632 X4 X3
Z C634 X7 X6
Zdroj: Xinje Co. Ltd. XC Series Programmable Controller – User Manual v2.5. s. 212.
Pro digitální odměřování je vyžadována také možnost přímé záměny kladného a záporného směru čítání v některé ose. Tato volba je dostupná nezávisle pro všechny tři osy. Čítače AB signálu C630, C632 a C634 bohužel neumožňují volbu čítání AB signálu vpřed a vzad a proto je nutné ji vyřešit programově přímo v PLC. Pro tento účel slouží tři pomocná relé (pro každou osu jedno), která svou hodnotou určují směr čítání v každé ose. Princip načítání os je řešen tak, že při načítání AB signálu do čítače se aktuální hodnota čítače přesune do pomocného registru, který se porovnává proti nule, a v případě nerovnosti se jeho hodnota podle volby směru odečítání přičte nebo odečte od registru, který uchovává hodnotu dané osy. Zároveň se tato hodnota odečte z čítače, protože již došlo k jejímu přičtení do registru pro danou osu. Hodnotu dané osy je dále nutné průběžně násobit hodnotou 5 kvůli rozlišení použitých magnetických pravítek.
Jak již bylo uevedno, pravítka mají rozlišení 5 µm a jedna změna stavu AB signálu představuje posun čtecí hlavy o 5 µm. Část programu řešící výše popsané načítání os popisuje následujicí liniové schéma. Tato část programu tvoří základní stavební kámen celého odměřování a programovatelného řízení.
Pro pořádek je nutné uvést, že veškeré funkce odměřování a pravoúhlého řízení používají délkovou jednotku milimetr (mm). Všechny vizualizované a dále popisované hodnoty jsou v těchto jednotkách.
První příčka schématu řeší aktivaci čítače a stálý přesun hodnoty do pomocného registru D0 pomocí relé M8000, které je standardně nastaveno na log. 1. Čítač je nastaven tak, že při dosažení hodnoty 1000 je jeho stav log. 1 avšak tato funkce zde není využita. Dále při nenulovém D0 se jeho hodnota přičte nebo odečte (podle volby směru odečítání, který určuje relé M4000) od registru D4000 a stejná hodnota se odečte z čítače. Nakonec se registr D4000 průběžně násobí hodnotou 5 a v registru D4010 je již uložena aktuální hodnota osy X v mikrometrech. Konvence číslování je zavedena tak, že jednotlivé registry, relé a čítače jsou pro osu Y (Z) číslovány o 2 (4) výše vůči ose X. Například registr D4000 pro osu X je pro osu Y označen D4002, relé M4000 pro X je pro osu Z označeno M4004 atd.
3.4. Funkce digitálního odměřování
Průmyslovou praxí jsou primárně vyžadovány některé funkce odměřování.
Základem je vizualizace hodnot os v absolutním (dále jen ABS) a relativním (dále jen REL) módu odměřování a několik jednoduchých matematických operací s hodnotami os. Operacemi je myšleno nulování a půlení souřadnic a přímá úprava hodnot souřadnic, přičemž všechny tyto operace musí být dostupné v módech ABS i REL.
Dále jsou často požadovány složitější funkce, které velmi ulehčují obrábění. Nejvíce Ilustrace 8: Program načítání os
žádaná je funkce rozměřování děr vrtaných na kruhu, která je primárně realizovanou pokročilejší funkcí digitálního odměřování. Další užitečné funkce jsou rychlé rozměření děr na kruhu do pravidelného n-úhelínku (zjednodušená předchozí funkce) a rozměření děr na kosé přímce. K funkci implementované v PLC vždy přísluší odpovídající ovládací rozhraní vytvořené v uživatelském rozhraní HMI (dále jen HMI).
3.5. Absolutní a relativní mód odměřování
Tyto dva módy poskytují obsluze obráběcího stroje informaci o aktuální pozici nástroje v souřadnicovém systému. Absolutní hodnoty souřadnic představují výše popsané registry D4010, D4012 a D4014 (uvažujeme pouze 3-souřadnicový systém).
Hodnoty souřadnic v relativním módu jsou tvořeny součtem ABS souřadnice a takzvaného nulového bodu (NB), který představuje relativní posun vůči ABS souřadnici. Jednotlivé REL souřadnice jsou pak určeny následujícími vzorci:
XREL = XABS + XNB
YREL = YABS + YNB
ZREL = ZABS + ZNB
Relativní souřadnice se používají například při obrábění různými nástroji (noži, vrtáky,
…), které mají rozdílné rozměry a mění se tak jejich pozice vůči souřadnicím. Pro nulové body je vyhrazeno celkem 3x35 registrů (32-bit tj. 3x70 16-bitových registrů).
Každý nulový bod se skládá ze třech registrů určujících relativní posuny pro jednotlivé osy. Aktuální hodnota relativní souřadnice je vypočítávána průběžně v každém cyklu programu a pro její výpočet se používá nepřímé adresace registrů pomocí registru D4090, který slouží jako ukazatel na aktivní sadu nulových bodů a nabývá sudých hodnot z intervalu 0 až 70. Hodnoty relativních souřadnic udržují registry uvedené v následující tabulce.
Tabulka 2: Registry užité v módu REL
Osa Registry nulových bodů Aktuální REL souřadnice
X D4100 - D4170 D4020
Y D4200 - D4270 D4022
Z D4300 - D4370 D4024
Pro HMI rozhraní bylo dále nutné vytvořit program, ve kterém lze operativně přepínat mezi módy ABS a REL a v REL módu také mezi jednotlivými nulovými body.
Při vstupu do odměřovacího módu je obsluha nejprve vyzvána k prvotní kalibraci absolutních souřadnic a volbě směru čítání v jednotlivých osách. Tyto akce lze provést, nebo je možné pokračovat dále na zobrazení odměřování bez změny aktuálního nastavení. Módy ABS i REL mají každý vlastní vizualizaci, mezi kterými lze přepínat pomocí šipky „nahoru“ a „dolů“ (dle konvence v jiných systémech). Vizuální podoba obou módů je na první pohled stejná, ale liší se v zobrazovaných registrech a v módu REL lze navíc šipkou „vlevo“ a „vpravo“ přepínat sady nulových bodů. Nejdůležitější informací jsou právě hodnoty os a proto zabírají co největší plochu zobrazení, aby údaje byly čitelné i z větší vzdálenosti. V ABS módu jsou zobrazeny registry D4010, D4012 a D4014 a v relativním módu D4020, D4022 a D4024. Zobrazen je také registr D200 (D204 pro REL), který je používán jako vstupní pole při ručním zadání souřadnice. Vizuální podoba odměřování v módu REL odpovídá následující ilustraci vyjmuté z návrhového softwaru pro HMI.
Na displeji jsou ve skutečnosti také tlačítka, která slouží pro vyvolání jednotlivých funkcí odměřování, ale mají nastavenou neviditelnost. Funkce se vyvolávají přímo pomocí kláves, které mají intuitivní textový či grafický popisek. Skrytá jsou konkrétně tlačítka pro volbu osy, nulování a půlení souřadnic, tlačítka pokročilejších funkcí a přechodu mezi módy ABS a REL.
Ilustrace 9: Odměřování v módu REL
3.6. Funkce nulování souřadnic
Jedná se o první funkci ze skupiny jednoduchých matematických operací se souřadnicemi a její funkčnost je již obsažena v názvu. Slouží pro rychlé vynulování některé osy. Nulování se provádí pomocí dvou tlačítek. Nejprve se provede volba osy (X, Y, Z) a poté se stiskem tlačítka „CLS“ vynuluje zvolená osa. Za zmínku stojí, že bez provedení volby osy nelze vyvolat žádnou z operací nad souřadnicemi. Nulování souřadnic v ABS módu spočívá v prostém vynulování příslušných registrů pro čítání os. V módu REL je situace mírně komplikovanější, jelikož je nutné při nulování zachovat ABS souřadnice beze změn. Pokud vycházíme ze vzorce pro výpočet REL souřadnice:
REL = ABS + NB,
kde v konkrétním případě REL = 0, zjistíme, že je nezbytné provést nastavení nulového bodu (NB). Aby hodnota REL byla nulová, je nulový bod nastaven na hodnotu ABS s převráceným znaménkem.
3.7. Funkce půlení souřadnic
Další funkce z řady základních matematických operací. Tato funkce je velmi hojně využívána pro nalezení středu vzdálenosti na obrobku. Nalezení středu se provede umístěním nástroje na počátek obrobku, kde se provede vynulování zvolené souřadnice. Dále se nástroj ve stejné souřadnici přesune na konec obrobku a provede se půlení souřadnice. Nakonec se provede přesun nástroje opačným směrem až do nulové hodnoty souřadnice. Obecně se velmi často používá systém „dojíždění do nuly“, který je velmi intuitivní a dobře se „čte“. Pro obsluhu je mnohem snažší umístit nástroj do nulové hodnoty než do libovolné číselné se třemi desetinnými místy.
Vlastní vyvolání funkce se provede podobně jako u funkce nulování. Po volbě osy a stisku tlačítka označeného „½“ dojde k nastavení souřadnice na poloviční hodnotu. Protože se jedná o celočíselné dělení, může dojít k odchylce v řádu jednotek mikrometrů. Tato nepřesnost však není kritická pro obráběcí stroje, u kterých je zamýšleno použití tohoto systému. Půlení ABS souřadnic je provedeno prostým dělením hodnoty registrů pro čítání os. Při půlení REL souřadnic je nutné, stejně jako
při nulování, zachovat hodnotu ABS souřadnic beze změn. Proto je opět vyvolána změna nulového bodu, jehož nová hodnota je vypočtena dle vzorce:
NB = (REL/2) – ABS.
Půlení souřadnic v ABS módu je realizováno matematickými operacemi přímo v HMI a půlení v módu REL je řešeno v PLC (z důvodu složitějších výpočtů) instrukcemi vyvolanými aktivací pomocného relé.
3.8. Funkce přímé úpravy souřadnic
Posledním zástupcem jednodušších funkcí je funkce přímé úpravy souřadnic.
Jedná se o ruční nastavení číselné hodnoty. Funkce je užitečná mj. v případě vrtání několika děr v jedné ose při známé vzdálenosti mezi dírami. Je-li další díra od aktuální relativně vzdálena například o +30 mm, lze provést nastavení dané souřadnice na hodnotu -30 mm a nástroj přesunout „do nuly“. Přímé nastavení hodnoty souřadnice se provede volbou osy, stiskem tlačítka „SET“ a zadáním hodnoty do pomocného registru D200 a nakonec stiskem tlačítka „ENT“, které aktivuje výpočty potřebné pro nastavení hodnoty. Zde je vhodné zmínit, že panel HMI je jistým omezením v co možná nejjednodušším zadání souřadnic. Ideální by byla varianta, kdy by se po stisku tlačítka volby osy aktivovalo příslušné pole pro vkládání hodnoty. HMI však umožňuje zadávání hodnot pouze pomocí tlačítka „SET“ a při přítomnosti více vstupních polí je nutné pomocí „SET“ přecházet mezi jednotlivými vstupními poli. Tento systém je však nevhodný pro praxi a proto je zadání provedeno do pomocného registru, který je také zobrazen na displeji (v módu ABS i REL).
Nastavení hodnoty ABS a REL souřadnic je řešeno poměrně odlišně. Vlastní ABS souřadnice jsou uchovány v registrech D400x a tyto se průběžně násobí hodnotou 5 (kvůli rozlišení pravítka) a ukládají do registrů D401x. Pokud by se nová hodnota vložila do některého registru D401x, byla by v dalším cyklu PLC programu opět změněna na 5-i násobek registru D400x. Proto se při aktivaci výpočtu provede nejprve vydělení zadané hodnoty hodnotou 5 a výsledek se uloží do registru D400x. Při úpravě REL souřadnic je situace zcela jiná. Jak je již zvyklostí z předchozích funkcí, ABS souřadnice musí být zachována beze změn. Opět se nastavuje příslušný nulový bod.
Celý kód pro nastavení REL souřadnice popisuje následující liniové schéma.
Relé M102 je aktivováno při volbě osy a relé M103 po potvrzení zadání hodnoty osy. Dle hodnoty registru D100 (v jiných funkcích se používá i pro nepřímou adresaci) je rozhodnuto, pro kterou osu se nastavuje nulový bod. Nová hodnota nulového bodu je vypočtena dle vzorce:
NB = REL – ABS,
kde REL je nově zadaná hodnota. Výsledek je uložen do aktivní sady nulových bodů (adresace pomocí registru D4090). Celý výpočet je aktivován vzestupnou hranou (přechod z log 0 do log 1) na relé M103 a nakonec se obě použitá relé nastaví na log 0 a systém je tak připraven na další operaci obsluhy.
3.9. Rozměřování děr vrtaných na kruhu (pravidelném n-úhelníku)
Tato funkce je prvním zástupcem pokročilejších matematických výpočtů, které poskytuje odměřovací systém. Funkce je také velmi žádána průmyslovou praxí, protože se jedná o poměrně často prováděný druh obrábění a ruční vypočítávání je v tomto případě velmi neefektivní a neúměrně prodlužuje a prodražuje výrobu. Dále není třeba uvádět, že ruční rozměření děr je mnohem více náchylné na zanesení chyby (zejména nesprávným výpočtem). Některé odměřovací systémy dalších výrobců tuto funkci poskytují, ale často nejsou lidé z praxe spokojeni s principem zadání klíčových hodnot nebo se zpracováním uživatelského rozhraní. Systémy se sedmisegmentovými displeji poskytují zpravidla jen kusé informace v podobě několika málo znaků a není-li obsluha již zžitá s daným systémem, je pochopení symboliky záležitostí delší doby strávené nad
Ilustrace 10: Program nastavení REL souřadnice
manuály. Proto je vzhled rozhraní vyvíjeného systému průběžně konzultován s lidmi z praxe a je maximálně uzpůsoben jejich potřebám. Popisky musí být jednoduché a přesto jasně pochopitelné. Pro případ nepochopení lze na všech klíčových stránkách HMI rozhraní vyvolat stručnou nápovědu pomocí klávesy „HELP“.
Vlastní funkci pro vrtání děr lze vyvolat v módu ABS i REL pomocí tlačítka se symbolem kruhu na kterém jsou kótované body. V obou módech je zavolána stejná funkce, ale dle hodnoty pomocného registru (D4180) se pracuje s odpovídajícím systémem souřadnic. Dalším krokem je volba roviny obrábění (XY, XZ nebo YZ) a zadání středu kruhu. Odpovídající stránku v HMI popisuje obrázek níže.
Volba roviny se provede pomocí tlačítek 1, 2 nebo 3 a zvolená kombinace je zobrazena na stránce. Pomocí tlačítek se nastavují hodnoty registrů D4181 – D4184, které slouží pro nepřímou adresaci a výběr odpovídajících souřadnic. Zvolené souřadnice a mód (ABS, REL) jsou též vizualizovány. Zadání středu kruhu je možné dvěma způsoby.
V prvé řadě lze (pomocí tlačítek „SET“ a „ENT“) ručně vložit X a Y souřadnici středu do vstupních polí v dolní části stránky. Druhou možností je umístit nástroj nad zamýšlený střed kruhu a stiskem šipky „dolů“, se aktuální pozice nástroje nastaví jako střed kruhu. Stiskem šipky „vpravo“ lze pokračovat na další stránku zadání, na které je nutné vložit čtyři zbývající hodnoty nezbytné pro rozměření děr. Jedná se o poloměr kruhu, počet děr a počáteční a koncový úhel. Obecně zažitý je systém, kdy se nulový úhel nachází v pravé polorovině (stejný princip jako u jednotkové kružnice goniometrických funkcí). Metodiku zadání nejlépe popisuje následující obrázek.
Ilustrace 11: Volba roviny obrábění
R je poloměr kruhu, αi je počáteční a αk koncový úhel a D(0) je první a D(N-1) poslední rozměřená díra. Úhly se zadávají ve stupních, ale pro další kroky jsou převedeny na radiány. Pro výpočet souřadnic jednotlivých děr je nejprve nutné zjistit úhel mezi jednotlivými dírami. To lze provést dle následujícího vzorce:
αk = (αf – αi)/(N – 1), kde N je počet děr.
Souřadnice konkrétní díry D(k) ve zvolené rovině se pak vypočítají pomocí následujících dvou vzorců:
Dx(k) = Sx + R.cos(αi + k.αk), Dy(k) = Sy + R.sin(αi + k.αk),
kde S jsou souřadnice středu kruhu a k je ukazatel na aktuální díru, přičemž k nabývá hodnot 0, 1, 2 …, N-1. Celý postup výpočtu by ve vyšším programovacím jazyce znamenal několik málo řádků kódu, ale naneštěstí v PLC je situace o něco komplikovanější. Protože se PLC programuje na nízké úrovni, je možné provádět pouze binární matematické operace. Proto je nutné veškeré vzorce na takové operace rozložit. Z jednoduchých výpočtů se tak stává poměrně dlouhý zápis instrukcí, který nebývá příliš přehledný. Navíc je nutné některé registry převádět z decimálních přesných datových typů na typ „float“, protože funkce „sin“ a „cos“ implementované v PLC pracují právě s těmito typy.
Po zadání potřebných hodnot lze opět stiskem šipky „vpravo“ pokračovat na další stránku, kterou je již samotná vizualizace rozměřovaných děr. Zobrazen je ukazatel na aktuální díru (k), X a Y souřadnice díry a nakonec 3. osa, ve které se provádí zavrtávání (při obráběné rovině XZ je třetí osa Y). Souřadnice díry jsou zobrazeny formou vzdálenosti nástroje od díry – opět se jedná o „dojíždění do nuly“.
Pomocí šipek „nahoru“ a „dolů“ je možné přepínat mezi jednotlivými dírami.
Ilustrace 12: Vrtání děr na kruhu – princip zadání vstupních hodnot
Tlačítkem pro vyvolání funkce rozměřování děr na kruhu se lze kdykoliv v průběhu zadání vrátit k odměřování.
Funkce pro rozměření děr na pravidelném n-úhelníku je podmnožinou funkce pro rozměření děr na kruhu. Zadání je zjednodušeno tím, že počáteční úhel je nastaven na 0° a koncový úhel na 360°. Vše ostatní je shodné s výše uvedenou funkcí a proto nemá smysl tuto funkci detailněji popisovat.
3.10. Rozměřování děr vrtaných na kosé přímce
Jedná se o druhou složitější funkci rozměřování, která výrazně zjednoduší odpovídající typ obrábění. V tomto případě vrtání děr na přímce. V několika vlastnostech je tato funkce podobná výše popsané funkci vrtání děr na kruhu. Pro tuto funkci je mezi jednotlivými dírami proměnná poloměr zatímco u kruhu je to úhel.
Funkci je možné vyvolat, podobně jako vrtání děr na kruhu, pomocí tlačítka se symbolem přímky s označenými body.
První stránka je téměř shodná s funkcí vrtání děr na kruhu. Obsluha zde provede volbu obráběné roviny a zadání souřadnic první díry (u vrtání na kruhu střed kruhu). Po potvrzení zvolených hodnot (pomocí šipky „vpravo“) je zobrazena stránka pro zadání klíčových vstupních parametrů. Těmi zde jsou úhel přímky, počet děr a pravidelná vzdálenost sousedních děr mezi sebou. Následující ilustrace popisuje princip zadání klíčových parametrů.
D(0) jsou souřadnice první díry, Δd je vzdálenost sousedních děr mezi sebou, α je úhel přímky, D(1) je druhá díra. Po zadání žádaných hodnot lze pokračovat k vizualizaci rozměřených děr (pomocí šipky „vpravo“).
Ilustrace 13: Díry na kosé přímce - princip zadání vstupních hodnot
