Sistem de Triaj Mecatronic Controlat cu Apdocx

=== Sistem de triaj mecatronic controlat cu AP ===

Lucrare de disertație

Masterand, Coordonator,

Andrei Alexandru Ș.l. dr. ing. Grigore Vasiliu

[Septembrie 2015]

Specializarea:

Sisteme Informatice de Conducere Avansată

”Sistem de triaj mecatronic controlat cu AP ”

Rezumat

Lucrarea de fata are ca obiectiv realizarea unei benzi mecatronice de triaj automat. A fost ales ca proces sortarea pe o linie de benzi rulante dupa greutate cat si dupa culoare. Procesul este controlat prin intermediul AP-ului de la SIEMENS, mai exact S7-1200, iar partea de implementare SCADA utilizand WinCC, soft ce apartine aceleasi companii.

Structura lucrarii:

Introducere: Are rolul de a prezenta diversele tipuri de benzi transportoare si sisteme de sortare

Capitolul I : Scurt studiu asupra mecatronicii

Capitolul II: Ce este un Automat Programabil si prezentarea acestuia

Capitolul III: Softwareul de dezvoltare TIA Portal si SCADA

Capitolul IV: Reprezinta realizarea practica a programului de control pentru sistemul de triaj mecatronic si implementarea SCADA a acestuia

Capitolul V: Concluzii

Introducere:

Procesul de îndeplinire al unei comenzi poate avea mai multe nivele de automatizare în funcție de factori cum ar fi produsul ce tebuie expediat, nivelele de investiții,etc. Există o gamă largă de transportoare și tehnologii de sortare care pot fi amestecate și potrivite pentru onorarea comenzilor, bazate pe nivelul de automatizare dorit. Ca o introducere la transport și sortare, această prezentare generală va discuta vaste tehnologii disponibile de funcțiune.

Tehnologii de benzi rulante sau transportoare

Transportoarele sunt echipamente care transportă obiecte, lazi, genti sau materiale vrac de la o poziție la alta. Tehnologiile transportoare sunt de obicei grupate în trei sub-categorii: de transport, de acumulare și sistem de transportoare.

Categoria de transportoare nu este utilizata pentru acumularea unui produs, ci numai de a transporta obiectele intre diferite locatii. Acestea se regasesc sub mai multe forme cum ar fi:

-Transportoarele Gravitationale

Aceste tipuri de transportoare nu necesita alimentare electrica, astfel sunt cele mai ieftine solutii de transport.

-Sistem de benzi rulante

Transportoarele de benzi rulante sunt cele mai des utilizate deoarece reprezinta o varianta foarte eficienta din punct de vedere economic pentru transportul obiectelor dintr-un punct in altul. Acest sistem este eficient si in modificarea elevatiei intr-un sistem de trasportoare datorita gradului de frictiunie foarte mare dintre banda rulanta si obiect.

-Sistem pe role

Acest sistem este similar in constructie cu cel de banda rulanta. Acesta are in plus role ce sunt actionate de o curea, care poate fi plata, rotunda sau in V. Suprafata rolelor au un avantaj atunci cand obiectele sun incarcate din lateralul benzii. Acest sistem de transportor nu este ideal pentru zone cu diferente de elevatie, si sunt destul de scumpe.

-Banda transportoare modulara din plastic

Construite din module de plastic și balamale tip tija, puse in miscare de pinioane de plaster, acestea au urmatoarele caracteristici: sunt foarte dure, optiuni diferite pentru un grad de frictiune mare sau mic, rezistenta la abraziune si coroziune, usor de curatat. Reprezinta o metoda sigura si cu un grad de mentenanta foarte mic.

Tehnologii de sortare

Odată ce sistemul de transportoare a colectat elementele, există mai multe tehnologii utilizate pentru a automatiza distribuția acestora. Una dintre cele mai comune utilizări ale unui sortator într-un proces automat pentru împlinirea unei comenzi, este de a sorta elemente la stațiile de ambalare, sortarea pachetelor spre destinatii specifice, sau usile de andocare si incarcare.

Există mai multe tehnologii disponibile și ar trebui să fie alese în funcție de o varietate de factori, cum ar fi tipul obiectelor, marime și cerințele clientilor.

Sistemele de sortare se regasesc in trei categorii: sortarea de viteza mica, cea de viteza medie, si viteza mare.

Sortarea de viteza mica:

Sistemele de sortare de viteza mica, dupa cum spune si numele sunt cele mai lente si cele mai putin costisitoare, si au la baza benzi rulante standard. Aceste sisteme de sortare au o viteza de aproximativ 30 ambalaje sau colete pe minut.

Un exemplu ar fi bratul divertor. In acest sistem, un brat sau o pala se afla pozitionat paralel cu banda rulanta. Cand se apropie un pachet, bratul se pune in miscare si schimba directia de miscare intr-un anumit unghi catre o alta banda.

Figura 1. Brat Divertor

Este necesara o distanta destul de mare intre pachete pentru a se evita aglomerarea acestora in spatele bratului divertor.

Un alt exemplu ar fi un impingator. Acesta este montat pe lateralul benzii rulante, opus punctului de schimbare a benzii. Cand un pachet ajunge in acest punct, impingatorul este actionat si impinge pachetul intr-un unghi drept.

Figura 2. Impingator

Impingatoarele sunt mai rapide decat bratele divertoare doarece nu necesita mult spatiu intre pachete, dar doarece au tendinta sa actioneze cu o forta destul de mare, nu sunt recomandate la sortarea pachetelor fragile.

Sortarea de viteza medie:

Sortatoarele de viteza medie pot aranja intre 30 si 200 pachete pe minut.

Un exemplu ar fi sistemul pop-up. Acestea sunt platforme speciale care o data ce a ajuns pachetul pe ele, se ridica si printr-o inclinare de 30-45 grade, trimite pachetul in directia dorita.

Sistemele tip pop-up functioneaza cel mai bine atunci cand ambalajele au baza rigida si plata. Alte ambalaje precum sacii, care prezinta o baza denivelata se sorteaza mai usor cu sistemele tip sliding shoe. Acestea sunt mult mai scumpe, dar reprezinta o alegere mai buna pentru pachetele fragile si pot functiona la viteze mai mici.

Sortarea de viteza mare:

Cand este necesara viteza foarte mare la sortare, aceste tipuri de sortatoare pot avea o viteza de 150 pana la 450 pachete pe minut, sau 27000 pachete pe ora. Pachetele se pot introduce in sortator manual sau automat utilizand banda rulanta de inductie.

Cand vine vorba de inductie, cu cat se creste viteza, cu cat trebuie sa fie mai precisa pozitia pachetelor pe sortator. O pozitie gresita, poate duce la scaderea ratei de sortare.

Sunt folosite patru tipuri de sortatoare de viteza mare:

-Tavi inclinate

-Benzi incrucisate

-Bomb bay

-Sliding Shoe

Figura 3. Sortare tip tava inclinata Figura 4. Sortare tip benzi incrucisate

Figura 5. Sortare tip bomb-bay Figura 6. Sortare tip sliding-shoe

Capitolul 1 – Linia mecatronica

1.1Ce este mecatronica

Numele de Mecatronica provine din combinatia dintre mecanica si electronica si reprezinta o abordare relativ noua de design si dezvoltare produs, imbinand principiile electrice, mecanice, din stiinta calculatoarelor si ingineria industriala. Se adresează celor patru discipline interconectate utilizate pentru toate dispozitivele moderne complexe. Sistemele mecatronice sunt de obicei compuse din componentele mecanice și electrice tradiționale, dar sunt cunoscute sub numele de dispozitive "inteligente" sau sisteme din cauza încorporarii de senzori, actuatoare și sisteme de control calculator. De-a lungul anilor, termenul "Mecatronică" a ajuns să însemne integrarea metodologica pentru proiectarea de produse care prezintă performanțe rapide, precise.

Mecatronica este un domeniu in curs de dezvoltare, un domeniu ce integrează ingineria electrică, ingineria mecanică, informatică, ingineria de control și de tehnologie a informației. În termeni simpli, mecatronica combină aceste zone de inginerie pentru a permite proiectarea, dezvoltarea și aplicarea "dispozitivelor inteligente" într-o manieră integrată, trans-disciplinara. Conceptul Mecatronică stabilește principii de bază pentru o metodologie de proiectare contemporana. În această metodologie, produse de inginerie și procese au componente care necesită manipularea și controlul dinamic (în mișcare) de construcții de un grad ridicat de precizie. De asemenea, procesul de proiectare necesită integrarea tehnologiilor generice, cum ar fi tehnologia informației și ingineriei de control. Un factor cheie pentru procesul de proiectare presupune integrarea microelectronicii moderne și ingineriei software-ului în sistemele mecanice și electromecanice.

Figura 7. Ramurele Mecatronicii

Istoria Mecatronicii

Geneza Mecatronicii a început în 1969, în Japonia, atunci când Tetsura Mori, un inginer senior pentru Yaskawa Electric Corp., a inventat acest termen. Pe atunci, mecatronica a fost vizualizata strict ca sisteme electromecanice sau de control și de inginerie de automatizare. După cum este evident, termenul de Mecatronică reprezinta o combinație de cuvinte, lucru deloc nou pentru Yaskawa; o companie care a folosit combinarea de cuvinte și concepte din anii 1950. Unul dintre primii termeni a fost "minertia", nume dat pentru o linie de servomotoare care foloseau inerție minimă pentru a dezvolta o plecare si o capacitate de oprire super-rapida. Urmatorul termen inventat a fost "mochintrol" – scurt pentru auto si mașini și de control – elemente de acționare electrice capabile de a controla în mod liber proteze mecanice și degete.

Yaskawa a solicitat o marcă înregistrată pentru numele deMecatronică în 1970 și a câștigat drepturile pentru acest termen in anul 1973. Deși a fost stabilita fundatia pentru studiul mecatronicii, nu a reușit să sa atinga potentialul maxim.

Insa incepand cu anii 1980, termenul a început să câștige popularitate. Yaskawa decis să nu reînnoiască marca inregistrata, și a renunțat la drepturile pentru termen astfel încât să nu limiteze cercetarea și promovarea acestui tip de tehnologii.

În timpul anilor 1970, mecatronica se axa pe tehnologie servo, tehnologii simple care au ajutat la punerea în aplicare a metodelor de control sofisticate, cum ar fi macaralele automate pentru uși și auto-focusul de la aparatul de fotografiat. În anii 1980, mecatronica a inceput sa se concentreze pe tehnologia informației, microprocesoare erau integrate in sisteme mecanice pentru a îmbunătăți performanța, ca exemplu antiblocarea la frânare și scaune electrice. În cele din urmă, în anii 1990, mecatronica s-a centrat pe tehnologia de comunicare pentru a conecta produsele în rețelele mari, inclusiv producerea de pungi de aer și alte tehnologii conexe.

Viitorul mecatronicii

Cand vine vorba de mecatornica, potentialul este nelimitat, pe parcurs vor aparea si se vor dezvolta din ce in ce mai multe idei ce vor imbunatatii modul in care traim si ne ducem viata de zi cu zi. O data cu nevoile in continua schimbare si cererile unei lumi complexe si sofisticate, inovatiile si tehnologiile vor trebui sa se imbunatateasca si sa dezvolte la fel de repede pentru acomodarea acestor cerinte. În viitor, mecatronica se va concentra din ce în ce mai mult pe siguranță, fiabilitate și accesibilitate.

Mecatronica va juca, de asemenea, un rol mare în utilizarea roboticii pentru a creste eficiența, productivitatea, responsabilitatea și controlul. Roboții nu numai ca stapanesc sarcini repetitive și periculoase, dar ei o fac low-cost și cu marje mai mici de eroare. Companiile care folosesc robotica vor avea luxul de a menține locul de muncă în propriile lor fabrici, in loc sa faca productie in tari straine.

Mecatronica, de asemenea, este proiectata pentru a juca un rol important în domeniul medical, precum și în lumea computerizata și in domeniul productiei industriale.

Capitolul 2 – Prezentare Automate Programabile

Un AP (Automat Programabil) reprezinta un sistem de control industrial care monitorizeaza continuu semnalele primite de la diverse dispozitive si ia decizii ce au la baza un program special conceput pentru a controla starea altor dispozitive.

Aproape orice linie de productie, functionarea diverselor masinarii, sau procese pot fi imbunatatite foarte mult utilizand acest tip de dispozitiv. Cu toate acestea, cel mai mare beneficiu în utilizarea unui AP il reprezinta abilitatea de a schimba și de a reproduce operațiunea sau procesul, în timp ce colecteaza și comunica informații vitale.

Un alt avantaj al unui AP il reprezinta faptul ca este modular, adica pot fi combinate o gama larga de dispozitive si echipamente pentru a se potrivi cererilor diverselor aplicatii.

Istoria Automatelor Programabile

Inaintea aparitiei AP-urilor, singurul mod de a controla o masina de productie sau orice alt timp de masinarie, era utilizarea releelor in circuite de control. Releele functioneaza prin alimentarea unei bobine. In urma acestei alimentari partea mecanica a releului, si anume contactul este cuplat. Aceasta operatie poarta denumirea de control electromecanic.

În principiu, un releu este un comutator electric alimentat. Un releu are două părți principale, o bobină și comutator de contact. Bobina este ca un buton electric, se aplică tensiune asupra bobinei, cum ar fi de 24 de volți CC, opereaza contactele comutatorului. Scoaterea de sub tensiune permite contactelor comutatorului sa cada înapoi în poziția OFF. Aplicarea și îndepărtarea tensiunii, astfel, oferă o acțiune ON / OFF (sau OFF / ON acțiune pentru contacte normal închise).

Primele AP-uri au fost priectate si dezvoltate de catre Modicon ca un inlocuitor pentru releele GM si Landis. Primul motiv in realizarea unui astfel de dispozitiv a fost acela de a elimina costurile mari in intretinerea cabinetelor de control ce aveau la baza relee. AP-urile au eliminat nevoia de trasare a cablurilor suplimentare si adaugare de echipament nou pentru fiecare logica de configurare.

Structura unui Automat Programabil

Un AP are la baza trei blocuri: Blocul de Intrari, Blocul de Iesiri si Unitatea Centrala de Procesare.

Figura 8. Schema Bloc AP

Blocul de Intrari reprezinta blocul in care sunt introduse toate semnalele din teren care trebuiesc monitorizate de catre AP. Aceste semnale sunt transmise in doua moduri: ca semnale digitale sau ca semnale analogice.

Cele digitale sunt transmise sub forma de curent continuu la o tensiune de 24 de volti.

Cele analogice vin sub forma de semnal unificat, 4-20 mA.

Semnalele digitale sunt reprezentate sub forma codului binar, astfel accestea pot fi fie ON (1 binar) fie OFF (0 binar). Semnalele de intrare digitale sunt folosite pentru a reprezenta echipamente ce au doar doua stari cum ar fi ON/OFF, conditii de stare de Alarma/Normala.

Semnalele analogice sunt variabile, astfel se regasesc in mai multe stari. Semnalele de intrare analogice pot reprezenta stari cum ar fi temperatura, debit apa, presiune, etc.

Blocul de Iesiri reprezinta metoda de control a unui AP a diverselor echipamente din teren. Aceste bloc poate avea iesiri sub forma de semnale digitale, analogice sau pe releu.

Semnalele digitale de iesire sunt folosite pentru a controla echipamente ce au doua stari cum ar fi Start/Stop.

Semnalele analogice de iesire sunt deasemenea variabile, si pot fi folosite in scopul deschiderii unei vane pana in pozitia dorita.

Unitatea Centrala de Procesare (CPU), contine un program intern care spune AP-ului cum sa efectueze urmatoarele functii:

-Sa execute instructiunile de control ce sa regasesc in programul utilizatorului. Acest program se stocheaza intr-o memorie nevolatila , astfel incat sa nu se piarda la scoaterea de sub tensiune a AP-ului.

-Sa comunice cu alte dispozitive, care pot fi dispozitive I/O, Dispozitive de programare, Retele, sau chiar si alte AP-uri.

-Sa efectueze diverse functii cum ar fi Comunicatiile, Diagnosticarea interna, etc.

Functionarea unui AP

Exista patru pasi de baza in cadrul functionarii tuturor AP-urilor:

-Scanarea semnalelor de intrare:

Detecteaza starea tuturor dispozitivelor ce transmit semnale catre AP

Aceste dispozitive pot fi:

Intrerupatoare si Butoane

Dispozitive de senzoristica – Limitatori

– Senzori fotoelectrici

– Senzori de proximitate

Senzori de conditie

Encoder -Comutator de presiune

-Comutator de nivel

-Comutator de temperatura

-Comutator de vacum

-Plutitor cu contacte electrice

-Scanarea programului:

Executa logica programului realizat de catre utilizator

-Scanarea semnalelor de iesire:

Alimenteaza sau intrerupe alimentarea dispozitivelor ce sun controlate de AP

Aceste dispozitive pot fi:

Valve

Startere de motor (soft startere, convertizoare de frecventa)

Solenoid

Acuator

Alarme si claxoane

Lampi de semnalizare

Relee de control

Contoare/Totalizatoare

Pompe

Imprimante

Ventilatoare

-Intretinere:

Acest pas reprezinta comunicarea cu terminalele de programare, diagnosticare interna, etc.

Pasii sunt urmati intr-o bucla ce se repeta.

Figura 9. Functionarea unui AP

Lucruri ce trebuiesc luate in calcul in alegerea unui AP:

In ziua de astazi exista o gama variata de AP-uri. In afara pretului, urmatoarele lucruri trebuiesc luate in calcul la alegerea dispozitivului corect care sa fie compatibil nevoilor de aplicatie.

-Tipul de alimentare: Curent Alternativ sau Curent Continuu

-Memoria suficienta pentru stocarea programului utilizatorului

-Daca viteza de rulare a sistemului este suficient de mare pentru a face faca cerintelor aplicatiilor

-Compatibilitatea tipului de software utilizat in generarea programului

-Daca AP-ul va fi in stare sa gestioneze numărul de intrări și ieșiri necesare aplicatiei

-In functie de nevoile aplicatiilor, daca AP-ul poate gestiona intrari si iesiri analogice, sau o combinatie de iesiri si intrari analogice si discrete

-Cum se va realiza comunicarea cu AP-ul (Profibus, Profinet, RS232/485, etc.)

-Daca aplicatia este centralizata intr-un singur loc, sau raspindita pe o arie foarte mare

Limbaje de programare AP

Exista cinci tipuri de limbaje de programare a unui Automat Programabil:

1. Lista de instructiuni (IL):

Un limbaj foarte asemănător cu limbajul de asamblare low-level.Codul este compact și adecvat pentru proiecte mici. Nu este foarte puternic.Celelalte limbi sunt mai ușor de utilizat și de documentat.

2. Structura de Text (ST):

Un limbaj de nivel înalt structurat ca Pascal. Utilizatorii instruiți în limbi de text la nivel înalt ar fi confortabil cu ST.

3. Diagrame Ladder (LD):

Cunoscut si sub numele de Logica Ladder. Modelat dupa cablajul electric de contacte și relee utilizate pentru a crea logică. A făcut trecerea de la logica de releu la PLC mai ușoara. Are dezavantajul de a nu face fata atunci când sarcinile devin complexe. Nu este cel mai bun pentru programarea unui PLC modular.

4. Diagrame Bloc de Functii (FBD):

Blocurile conțin proceduri sau funcții ce acționeaza pe intrarea primita din teren și sa scoata rezultatul. Ea se pretează ușor la standardizare, modulare, și menținerea programelor.

5. Diagrama secventiala de Functii (SFC):

Acest limbaj grafic este foarte bun pentru operațiunile secvențiale paralele concurente. Este folositoare la imbinarea intr-o diagrama secventiala a celorlalte tipuri de elemente de programare, cum ar fi Functii Bloc (FB) sau Textul Structural (ST). Formatul său arată fluxul de ansamblu foarte bine, ceea ce face mai rapid și mai ușor de înțeles ceea ce are de facut programul. Ușor de identificat partea de interes pentru depanare sau de imbunatatire a programului.

Despre AP-ul S7-1200

Un exemplu de Automat Programabil este cel de la SIEMENS, si anume S7-1200.

Aceste este un AP compact si modular, de dimensiuni reduse, foarte bun pentru sisteme de automatizare de dimensiuni reduse care necesita o logica de functionare simpla sau avansata, interfete om-masina, si retelistica. Gama S7-1200 impreuna cu software-ul de dezvoltare inteligent TIA Portal, ofera flexibilitatea necesara la rezolvarea diferitelor nevoi de automatizare.

Familia SIMATIC S7-1200 pune la dispozitie un numar mare Procesoare cu diferite clase de performanta: CPU 1211C, CPU1212C, CPU 1214C, CPU 1215C, si CPU 1217C, si doua modele de redundanta CPU 1214FC si 1215FC. Fiecare dintre acestea se pot imbunatatii in functie de nevoile diverselor echipamente. AP-ul S7-1200 poate fi extins cu pana la 3 module de comunicatie si 8 module de semnal.

Module de semnal si placi de semnal pot fi integrate astfel incat sa se mareasca numarul de semnale I/0 atat digitale cat si analogice, fara a afecta dimensiunea Ap-ului.

Modulele aditionale se pot conecta in partea dreapta a procesorului. CPU 1212C accepta doua module, CPU 1215C si 1217C accepta 8 module de semnal.

Modulele de semnal se conecteaza in partea dreapta a procesorului.

Figura 10. AP-ul S7-1200

1- Modul de comunicatie

2-Unitate Centrala de Procesare S7-1200

3-Modul de Intrari Digitale

4-Modul de Iesiri Analogice

Capitolul 3 – Prezentare TIA Portal si SCADA

Potrivit Siemens TIA Portal este cheia care permite accesul la întregul potențial de Automatică Total INTEGRATA. Software-ul optimizează toate procedurile de planificare, mașină și proces. Interfața intuitivă de utilizator, funcțiile sale simple și transparența completă a datelor il face extrem de ușor de utilizat. Date și proiecte existente pot fi integrate cu ușurință.

TIA Portal este mediul de programare cel mai cunsocut si cel mai utilizat la scara larga in lume, in automatizarile industriale. Acest mdeiu de programare este folosit pentru programarea AP-urilor: configurarea si programarea controlerelor SIMATIC S7-1200, S7-300, S7-400, WinAC pentru controlere bazate pe PC si noul S7-1500.

Aces mediu de programare este considerat un soft inteligent deoarece a redus drastic efortul operatorului care dezvolta aplicatii pentru AP, realizand fara interventia acestuia setarea corespunzatoare a unui numar mare de parametrii, necesari programarii, interconectarii resurselor necesare si dezvoltarii ulterioare a proiectului.

Avantajele programului TIA Portal V13:

• Interfata prietenoasa: Este un mediu de programare intuitiv, ce usureaza foarte mult munca utilizatorului

• Abilitatea de a compila un program chiar dacă acesta conține erori / avertismente.

• Realizarea comunicatiei între PC / PG și PLC / HMI se face destul de simplu.

• Integrarea WinCC în interfața V13 TIA Portal care face programarea mai ușoară și mai ales un consum mai puțin al resurselor.

• compilarea automată a programului actualizat și simplificat.

SCADA

Ce este SCADA:

SCADA (Control de supraveghere si achizitie a datelor) reprezinta un sistem de control automat industrial ce sta la baza multor industrii moderne:

-Energie

-Mancare si racoritoare

-Productie

-Ulei si gaz

-Reciclare

-Transport

-Tratarea apei si a apei uzate

Sistemele SCADA sunt utilizate de către companii private și furnizorii de servicii din sectorul public. SCADA funcționează bine în multe tipuri diferite de întreprinderi, deoarece acestea pot fi de la configuratii de tip Single la proiecte mari, complexe.

Cum Functioneaza Sistemele SCADA:

Aceste sisteme utilizeaza o sumedenie de elemente hardware si software care permit organizatiilor industriale sa:

-Monitorizeze, adune si sa proceseze informatii

-Interactioneze si sa controleze masinarii si dispozitive precum vane, pompe, motoare, acestea fiind conectate prin intermediul unui HMI (Interfata Om-Masina)

-Sa inregistreze diverse rapoarte de lucru

Intr-o arhitectura SCADA, informatii ce provin de la un sensor, sau dispozitive actionate manual sunt trimise catre un AP, sau un RTU (terminal comandat de la distanta), care pe urma trimit informatii catre un PC ce contine software SCADA. Acest software analizeaza si afiseaza diverse informatii necesare catre utilizator.

Sistemele SCADA ajuta foarte mult la usurarea muncii, la econimisirea de timp si de bani.

Arhitectura unui sistem SCADA:

Figura 11. Arhitectura unei retele SCADA

Capitolul 4 – Prezentarea Lucrarii

Pentru realizarea benzii rulante de sortare s-a folosit Automatul Programabil de la SIEMENS, S7-1200.

Programul de comanda pentru AP s-a realizat prin intermediul softului TIA PORTAL V13, si WinCC professional.

Scopul lucrarii a fost realizarea unui sistem de sortare in 3 pasi:

-Presortarea

-Sortarea dupa greutate

-Sortarea dupa culoare

In Figura 12 se poate observa schema bloc a sistemului de sortare:

Figura 12. Schema Bloc

In figura 13 este prezentata schema logica a sistemului automat de sortare:

Figura 13. Schema Logica

In figura de mai jos se poate observa linia de sortare in ansamblu:

Figura 14. Schema de ansamblu

Din schema de ansamblu se pot observa cele trei etape de sortare: Presortarea, Sortarea dupa greutate si cele doua ramuri ale sortarii dupa culoare.

Sistemul automat are la baza 4 motoare M0, M1,M2 si M3 care pun in miscare benzile principale.

Presortarea este alcatuita dintr-un sistem de convergenta reglabil, un senzor de proximitate, un limitator si un brat opritor.

Banda dedicata sortarii dupa greutate are in ansamblu doua cantare electronice, si doua impingatoare pneumatice care vor face trecerea spre banda de sortare a culorii. La capatul liniei se afla un container de colectare a obiectelor ce nu se incadreaza in limitele de greutate prestabilite.

Liniile de sortare a culorii sunt alcatuite dintr-un senzor de culoare RGB care va monitoriza o singura culoare, un brat divertor ,actionat in functie de semnalul trimis de catre senzor, care va face trecerea obiectului a carui culoare corespunde cerintelor din programul incarcat in AP, spre o banda secundara.

Aceasta abnda secundara are la randul ei un motor propriu, care va fi pornit doar atunci cand se afla un obiect care corespunde culorii cerute. Acesta se va opri in functie de un limitator ce este actionat de trecerea obiectului sortat.

La capatul ambelor ramuri de sortare a culorii se afla cate un container care preia obiectele de culori necorespunzatoare.

Pornirea Liniei de Triaj mecatronica controlata cu AP

Pentru pornirea liniei de sortare mecatronice fiecare motor principal este actionat independent, dupa cum se poate observa din schema Ladder a programului.

Figura 15. Pornirea Benzilor Rulante

BS MO, BS M1, BS M2, BS M3 – Butoane de Start Motoare

BO M0, BO M1, BO M2, BO M3 – Butoane de Oprire Motoare

QM0, QM1, QM2, QM3 – Contactoarele respectiv contactele aferente pornirii Motoarelor

Fiecare motor principal va dispune de un Buton de Start si un Buton de Stop.

La apasarea butonului de start (BS), bobina contactorului este alimentata (QM), care la randul ei va inchide contactul normal deschis aferenta ei, prin cadrul caruia se va face automentinerea contactorului.

In momentul acesta Motorul nostru va fi alimentat si va functiona pana se va apasa pe butonul de oprire (BO), moment in care se va intrerupe circuitul de alimentare al bobinei contactorului.

Figura 16. Lista tag-uri aferente Schemei de Pornire a Motoarelor

Presortarea

Scopul presortarii il reprezinta alinierea obiectelor ce urmeaza sa fie sortate. Acest lucru este necesar pentru a elimina posibilitatea incurcarii obiectelor cand urmeaza sa fie sortate.

Spre exemplu daca am un obiect de culoare rosie si in apropierea acestuia se afla un obiect de culoare albastra, sunt sanse mari ca la sesizarea culorii rosii, sa fie trecuta pe banda rulanta destinata acelei culori si obiectul de culoare albastra.

Astfel este necesar ca obiectele sa fie alineate, si sa aibe o distanta constanta intre ele.

Schema liniei de presortare este data in figura de mai de jos:

Figura 17. Schema Liniei de Presortare

Obiectele trec printr-un sistem de convergenta reglabil. Acest sistem este gandit astfel incat sa incapa doar cate un obiect pe rand, acest lucru ajutand la alinierea acestora.

La capatul sistemului de convergenta sa afla un opritor pneumatic. Acesta are un brat care se extinde si se retrage perpendicular cu banda rulanta in functie de un interval de timp prestabilit, astfel incat sa asigure o distanta constanta intre obiectele ce urmeaza sa fie sortate, acest lucru ajutand la o sortare sigura.

Opritorul este actionat de catre un senzor de proximitate localizat spre iesirea sistemului de convergenta. Acesta poate fi infrarosu sau ultrasonic, iar atunci cand depisteaza un obiect va transmite catre AP un semnal de tip analogic, 4-20mA. La primirea acestui semnal AP-ul actioneaza bratul opritor, si va sta pe pozitie o perioada de timp predeterminata, in exemplul nostru 5 secunde.

Astfel vom avea la iesirea presortarii obiectele aliniate si cu o distanta de 5 secunde intre ele.

Figura 18. Schema Ladder Linie de Presortare si tag-urile aferente

SP – Senzor de Proximitate

L – Limitator

B OP – Brat Opritor

Timer 0 – Temporizator , care la intreruperea alimentarii prin intermediul contactului normal inchis aferent limitatorului L, va intrerupe la randul sau alimentarea spre bratul opritor dupa perioada de timp prestabilita, in cazul nostru 5 secunde

SORTAREA DUPA GREUTATE

Sortarea dupa greutate se realizeaza cu ajutorul a doua cantare electronice speciale pentru sistemul de benzi rulante. Acestea transmit greutatea masurata catre Automatul Programabil sub forma unui semnal analogic, de forma 0-10 V.

AP-ul primeste acest semnal, il interpreteaza, si in functie de greutati prestabilite in program, in cazul nostru intervalele 100-300 g, respectiv 400-600 g, va actiona doua impingatoare.

Aceste impingatoare fac transferul dintre banda de sortare a greutatii catre benzile de sortare pe culori. Ele sunt actionate de catre un motor electric monofazat. Astfel pentru controlul acestuia sunt necesare doua faze si un nul de lucru. Prima faza, R, impreuna cu nulul de lucru vor pune motorul in miscare intr-un sens, iar a doua faza, S, impreuna cu nulul il vor misca in sens opus.

Figura 19. Cantar Banda Rulanta

Figura 20. Impingator

Figurele urmatoare prezinta cum s-au preluat si interpretat semnalele analogice primite de la cele doua cantare electronice.

Figura 21. Functii Bloc preluare intrari Analogice si lista de tag-uri aferenta Cantar1

Figura 22. Functii Bloc preluare intrari Analogice si lista de tag-uri aferenta Cantar2

C1,C2 – Iesirile de comanda a doua contacte ce vor comanda cele doua impingatoare

Greutate Intrare1, Greutate Intrare2 – Intrarile de tip word de la cele doua cantare ce intra in AP

Greutate Normalizata1, Greutate Normalizata2 – Parametrii de tip real ce rezulta in urma conversiei

Greutate Variabila1, Greutate Variabila2- Informatia ce rezulta in urma scalarii

Informatia primita de la cantar sub forma de semnal analogica este introdusa intr-un bloc de functie denumit NORM_X, care are rolul de a face conversia din informatie tip word in informatie de tip real. Intervalul 0 – 27648 este standard pentru semnal de tip 0 – 10 V, dupa cum se poate observa in tabelul de mai jos. Aceasta informatie este memorata in variabila GreutateNormalizata.

Figura 23. Reprezentarea Intrarilor Analogice in functie de tensiune

Urmatorul bloc SCALE_X, are rolul de a face o scalare a variabilei GreutateNormalizata, in functie de valorile introduse MIN si MAX. Acestea fiind 0, respectiv 1000, inseamna ca in cazul nostru fiecare volt va reprezenta 100 de grame. Scalarea rezultata se va memora in variabila GreutateVariabila.

Blocul urmator este un comparator, acesta avand rolul de a verifica daca variabila GreutateVariabila se afla in intervalul prestabilit. 100 – 300 pentru primul cantar, si 400 – 600 pentru cel de al doilea. Daca conditiile sunt indeplinite atunci se for actiona impingatoarele 1 si 2.

In figura 24 este prezentata schema ladder de control pentru cele doua impingatoare.

Figura 24. Schema Ladder de control a celor doua impingatoare

Figura 25. Lista taguri Schema Ladder pentru controlul impingatoarelor

C1, C2 – Contacte normal deschise ce sunt actionate de catre comparatoarele de greutate din fig. 21, 22

Impingator1,2 – Iesirile de comanda pentru actionarea impingatoarelor

Impingator1,2R – Iesirile de comanda pentru actionarea impingatoarelor in sens opus pentru revenire la pozitia de repaus

LP1,LP2,LP1R,LP2R – Limitatoare de cursa pentru cele doua impingatoare

Dupa ce Automatul Programabil interpreteaza datele primite de la cantar, si daca acestea se incadreaza in intervalul prestabilit, se actioneaza contactul normal deschis aferent fiecarui impingator, C1 respectiv C2, astfel realizandu-se alimentarea acestora.

La atingerea limitatoarelor de cursa LP1 si LP2, este intrerupta alimentarea prin actionarea contactelor normal inchise, in timp ce contactele normal deschise aferente lor se vor inchide.

Cele doua temporizatoare la pornire au rolul de a alimenta bobinele contactelor pentru mers in sens opus a impingatoarelor, insa dupa o perioada de timp prestabilita, in cazul acesta 1secunda. Aceasta perioada de timp este necesara pentru oprirea motorului in cazul in care acesta a impins un obiect spre banda de sortare a culorii.

LP1R si LP2R au rolul de a opri alimentarea impingatoarelor cand acestea au ajuns in pozitia de repaus.

Sortarea dupa Culoare

Dupa ce este realizata sortarea dupa greutate, urmatorul pas il reprezinta sortarea dupa culoare. Aceasta sortare este realizata pe doua ramuri, cate o ramura aferenta intervalelor de greutate, 100-300 g respectiv 400-600g.

Logica de sortare pentru culoare este identica pentru ambele ramuri, indiferent de tipul de culoare sortat. Echipamentele utilizate in acest scop sunt cate un senzor de culoare tip RGB, un brat divertor, si limitatorii de cursa utilizati in controlul bratului si a benzilor rulante.

In imaginea urmatoare se poate observa logica de sortare in alegerea si separarea culorilor intre ele.

Figura 26. Sortare culoarea rosie

In cazul prezentat mai sus, sortarea pentru culoare rosie, cand un obiect trece prin faza senzorului, acesta ii va identifica culoarea. Senzorul transmite un semnal de intrare analogic sub forma de 0-10 V catre Automatul Programabil, iar daca culoarea corespunde, este actionat motorul monofazat al bratului divertor.

Bratul are rolul de a modifica directia de mers a obiectului catre o banda laterala pozitionata la un unghi de 45 de grade, banda ce are rolul de a deplasa numai obiectele de culoare rosie spre cutia de colectare a culorii respective.

Limitatorul are rolul de a transmite semnal catre AP, indicand acestuia faptul ca obiectul a ajuns pe banda de transport, si ca bratul divertor poate reveni la pozitia initiala. Acest lucru este necesar deoarece astfel se evita aglomerarea obiectelor de culoare diferita.

Motorul aferent benzii de culoare rosie este pornit in acelasi timp cu bratul divertor, iar la actionarea limitatorului, datorita unei temporizari realizate in program, va mai functiona inca 3 secunda dupa care ii este oprita alimentarea, aceasta temporizare asigurand caderea obiectului in cutia de colectare.

Figura 27 reprezinta partea de program ce are rolul de a colecta si interpreta semnalul analogic primit de la senzorul de culoare RGB.

Figura 27. Citirea si interpretarea semnalelor analogice primite de la senzorul RGB

Figura 28. Lista taguri aferente Semnalelor Senzorului RGB

SemnalSenzor – Semnalul Analogic de tip 0-10 V ce este transmis catre AP

Semnal Normalizat – Semnalul primit de la senzor dupa ce acesta a fost transformat din tip word in tip real

Semnal Variabil – Semnalul Scalat

SR2.1, SV2.2, SA2.3 – Iesirile ce vor actiona bratele divertoare

Ca si in cazul semnalelor analogice primite de la cantare, semnalul senzorului RGB trebuie convertit in tip real, in cazul nostru sistemul decimal, intervalul fiind 0-27648. Aceasta conversie este salvata in variabila cu numele SemnalSenzor Normalizat.

Pasul urmator il reprezinta scalarea, intervalul ales fiind cel in care se afla lungimile de unda a culorilor existente, dupa cum se paote observa in figura de mai jos.

Figura 28. Lungimile de unda ale culorilor

Dupa ce a fost realizata scalarea sunt folositi trei comparatori, cate unul pentru fiecare culoare. Daca semnalul are valoarea de 660nm, este actionat bratul divertor pentru culoarea rosie, 570 nm bratul pentru culoarea verde iar 470 nm pentru culoarea albastra.

Schema Ladder utilizata pentru controlul unui brat divertor se afla in figura cu numarul 29.

Figura 29. Schema Ladder sortare culoare

Figura 30. Lista taguri aferenta schemei de sortare a culorii

SR2.1 – Contact normal deschis actionat in functie de semnalul primit de la senzorul de culoare, in cazul acesta pentru culoarea rosie

D2.1 – Iesirea de comanda pentru bratul divertor pentru mersul intr-un sens

D2.1R – Iesirea de comanda pentru bratul divertor pentru mersul in sens opus

L2.1 – Limitator de cursa utilizat in revenirea bratului divertor la pozitia de repaus si orpirea benzii rulante aferenta culorii

LD2.1 – Limitator de cursa utilizat in oprirea bratului divertor la revenire

M2.1 – Motorul utilizat in punerea in miscare a benzii de trensport a culorii rosii

Daca senzorul depisteaza culoarea prestabilita, acesta va inchide contactul SR2.1,astfel alimentand motorul bratului diveror. Alimentarea acestuia este intrerupta prin deschiderea contactului L2.1 aferent limitatorului cu acelasi nume, limitator ce semnalizeaza trecerea obiectului pe banda de culoare depistata.

In acelasi timp este inchis contactul normal deschis L2.1, care alimenteaza revenirea bratului divertor in pozitia de repaus, insa dupa o intarziere de 3 secunde, intarziere ce asigura oprirea si repornirea motorului in siguranta.

In acelasi timp cu alimentarea bratului divertor prin intermediul contactului SR2.1, este pus in miscare si motorul benzii culorii respective, acesta fiind oprit la actionarea limitatorului L2.1, dar dupa o intarziere de 7 secunde, astfel pachetul are timp sa ajunga la cutia de colectare.

Implementare SCADA

Programul SCADA are rolul de a permite colectarea de date si controlul liniei de triaj de la distanta prin intermediul unui PC. Implementarea SCADA s-a realizat prin intermediul softului WinCC professional.

Legatura dintre Automatul Programabil si PC se realizeaza prin intermediul interfetei Profibus, o interfata seriala promovata in 1989 de catre BMBF (Departamentul German de cercetare si educatie), si ulterior utilizata in proiecte de catre firma SIEMENS.

In acest proiect SCADA permite controlul diverselor echipamente din cadrul liniei de triaj, astfel au fost proiectate patru ecrane ce reprezinta schema globala a sistemului de triaj, etapa de presortare, sortarea pe greutate si sortarea dupa culoare.

Figura 31. Schema Globala

Figura 32. Etapa de presortare

Figura 33. Sortarea dupa greutate

Figura 34. Sortarea dupa culoare

Concluzii

Prezentul proiect a avut ca scop realizarea unui sistem de triaj mecatronic controlat cu un Automat Programabil de tip S7-1200, si implementarea acestuia in softul de control si achizitie date SCADA.

In faza actuala au fost realizate urmatoarele obiective:

-au fost implementate functiile de preluare ale semnalelor analogice de la diversele echipamente din teren

-s-a implementat si testat programul de control pentru cele trei etape de sortare

-realizarea softului SCADA pentru control si preluare date

Sistemul de sortare realizat este unul de viteza lenta, datorita echipamentelor utilizate, impingatoarele si bratele divertoare, acesta fiind capabil de o viteza de sortare de pana la 30 de pachete pe mintut.

Pentru dezvoltarile ulterioare se va incerca:

– optimizarea programului de control

-inlocuirea echipamentelor folosite in scopul cresterii vitezei de sortare

-reducerea numarului de echipamente utilizate pentru reducerea costurilor la implementarea sistemului

Bibliografie

Anexe

Anexa nr. 1 cuprinde Programul de control al sistemului de triaj mecatronic

Anexa nr. 2 cuprinde ecranele de comanda SCADA