Siemens на контроле упаковки

13 июля 2013

Разработка оптимальных систем управления для автоматизированного упаковочного оборудования — весьма непростой вопрос, требующий экспертных знаний в данной области. Каждый разработчик при этом стремится найти наилучший путь, используя различные концепции систем управления.

Применение АСУ в упаковочной технике началось с централизованных решений, которые впоследствии стали заменяться децентрализованными. На текущем этапе развития производители возвращаются к прежнему способу, но с определенными изменениями.

На рисунке 1 представлен классический пример централизованной системы управления, состоящей из программируемого логического контроллера (ПЛК), содержащего модули с портами ввода/вывода, несколько приводов и панель оператора для организации человеко-машинного интерфейса. В такой системе все алгоритмы управления исполнительными механизмами рассчитываются и выполняются ПЛК.

Рис. 1. Пример централизованной системы управления

Связь между ПЛК и остальными элементами системы осуществляется посредством различных цифровых интерфейсов передачи данных. Большим плюсом подобной организации является возможность использования единого интерфейса для связи всех устройств в системе. Такое решение позволяет значительно сократить время на разработку и внедрение АСУ, облегчает построение сетей передачи данных и упрощает диагностику оборудования.

При всей простоте данный подход не всегда приемлем, поскольку зачастую на производстве применяется техника различных производителей, не всегда гарантирующая совместимость на аппаратном уровне. Избежать проблем в таком случае можно при грамотном подходе к выбору ПЛК.

Необходимый для решения поставленной задачи ПЛК, с одной стороны, должен иметь высокое быстродействие и наличие большого числа разнообразных коммуникационных интерфейсов для связи с элементами системы, а с другой — обладать невысокой стоимостью, чтобы его применение было экономически выгодным при серийном производстве оборудования. Ярким примером такого контроллера, является серия Simatic S7-1200 корпорации Siemens.

Промышленный контроллер SIMATIC S7-1200 (рисунок 2) относится к семейству контроллеров нового поколения и предназначен для решения задач автоматического регулирования технологических процессов. Контроллеры этой серии имеют практичную модульную конструкцию, что в сочетании с большим набором коммуникационных интерфейсов и удобным программным обеспечением позволяет значительно сократить время на ввод в эксплуатацию.

Рис. 2. Промышленный контроллер SIMATIC S7-1200

Ниже приведен обобщенный список функциональных и технических возможностей контроллера Simatic S7-1200:

• большой набор технологических функций: счет, измерение, регулирование, ПИД-регулятор, управление и контроль перемещения;
• набор дискретных и аналоговых портов ввода/вывода;
• сигнальные модули для расширения системы локального ввода-вывода контроллера;
• коммуникационные модули для организации дополнительной связи с периферийными устройствами;
• различные дополнительные компоненты: блоки питания, коммутаторы, карты памяти SIMATIC Memory Card;
• монтаж на стандартную 35мм. DIN-рейку;

Благодаря своей развитой периферии контроллер S7-1200 является функционально законченным устройством, готовым к выполнению задачи. Разработчику остается лишь выбрать необходимые компоненты системы и записать управляющую программу.

К центральному процессору (CPU) программируемого контроллера S7-1200 могут быть подключены коммуникационные модули (CM); сигнальные модули (SM) и сигнальные платы (SB) ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов. Совместно с ними используются четырехканальный коммутатор Industrial Ethernet (CSM 1277) и модуль блока питания (PM 1207).

Используемый интерфейс PROFINET, встроенный в S7-1200, предоставляет возможность осуществить высокоскоростной обмен данными с частотными приводами и системами SIMOTION, а также панелями оператора для функций визуализации. Таким образом, данный контроллер может быть легко применен для согласования в одной системе оборудования различных производителей.

Однако данный подход к разработке управляющих решений приемлем лишь в случае применения несложных упаковочных машин в условиях сравнительно небольшого производства. Разработчику следует учитывать тот факт, что в современном высокопроизводительном упаковочном оборудовании непрерывно растет доля так называемых мехатронных приводных узлов, постепенно вытесняющих классические механические решения.

Термин мехатронный означает своего рода гибрид из механики и электроники. Особенность работы двух и более мехатронных приводов в системе заключается в том, что они должны быть непрерывно связаны друг с другом. Причем обмен данными между всеми приводами должен проходить строго синхронно с тактовым интервалом, не превышающем 1 мс.

Помимо прочего, специфика работы мехатронного узла состоит в том, что для его управления необходимо передавать большой объем данных в двунаправленном режиме: управляющие команды, задание различных параметров и прочая дополнительная служебная информация. В общей сложности требуется передать до 20 управляющих слов в двунаправленном режиме с тактовым интервалом не более 1 мс.

При такой постановке задачи централизованная концепция системы управления не оптимальна ввиду ограничений, связанных с пропускной возможностью цифровых интерфейсов. Мировые производители техники для систем управления, понимая эту проблему, разработали ряд решений.

Так, компания Siemens выпустила семейство контроллеров SIMOTION и приводов SINAMICS S120. Особенностью данной техники является объединение ПЛК и управляющей электроники привода в одном устройстве (рисунок 3). Такой подход позволяет существенно увеличить скорость программного и аппаратного взаимодействия ввиду сокращения тактового интервала до 0,25 мс. Как следствие — существенно повышается быстродействие всего оборудования в целом, а также точность и повторяемость операций.

Рассмотренные выше примеры можно дополнить вариантом построения системы средней сложности, для которой оптимальны компромиссные решения, комбинирующие первую (рисунок 1) и вторую (рисунок 3) схемы.

Рис. 3. Пример подключения многоосевого контроллера SIMOTION

Суть таких решений заключается в выделении наиболее ответственного мехатронного узла, который управляется системой класса SIMOTION (рисунок 4).

Рис. 4. Комбинированная система управления упаковочным оборудованием

Управление остальными узлами оборудования может осуществляться классическими приводами.

Проанализированные в статье примеры построения систем управления упаковочным оборудованием не являются обязательными к неукоснительному исполнению, а призваны лишь направить мысль разработчика к созданию своего, уникального проекта. Такие решения отвечают современным требованиям рынка систем управления, имеют оптимальные экономические характеристики и находят все большее применение среди самых крупных производителей упаковочного оборудования в России.

Литература

http://www.iadt.siemens.ru.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: automation.vesti@compel.ru