Univerza v Ljubljani Fakulteta za elektrotehniko
Kristjan Junc
Implementacija in vodenje čiste sobe v delovni celici
Diplomsko delo visokošolskega strokovnega študija
Mentor: Doc. Dr. Vito Logar
Ljubljana, 2021
iii
Zahvala
Zahvala gre podjetju INEA d.o.o., ki mi je omogočilo, da sem lahko sodeloval pri projektu in mi omogočilo izdelavo projekta za diplomsko nalogo. Zahvalil bi se tudi mentorju in sodelavcem v podjetju za pomoč in sodelovanje pri izdelavi projekta.
Zahvaljujem se tudi mentorju na fakulteti, doc. dr. Vitu Logarju, za pomoč in svetovanje pri pisanju diplomske naloge. In na koncu bi se rad zahvalil tudi svoji družini, da so mi omogočili študij in za moralno podporo skozi študijska leta.
v
Povzetek
V diplomskem delu je opisano vodenje čiste sobe v delovnih celicah linije, ki je bila razvita v podjetju INEA, za avtomatsko sestavljanje osvetlitve ozadja zaslonov LCD (ang. backlight).Na njej se izdelujeta dve različici zaslona, tako za levo kot desno vozne avtomobile, ki bodo na trg prišli v prihodnjih letih.
V prvem delu je opisana čista soba v industriji, njeno delovanje in namen.
Predstavljeni so standardi ISO, ki morajo biti doseženi za pravilno delovanje čiste sobe. Opisane so tudi naročnikove zahteve, in sicer kakšno opremo zahtevajo, kakšen bo nadzor sistema, na katere stvari je potrebno paziti in katere povratne informacije o delovanju sistema želijo.
V nadaljevanju so opisane naprave, ki so sestavni deli čiste sobe. Podrobneje je opisan tudi namen, namestitev in konfiguracija vseh naprav. Opisan je tudi uporabljen programirljivi logični krmilnik, vhodno izhodni moduli in vmesnik človek-stroj.
V zadnjem delu je opisana programska oprema in njena uporaba. Opisana je programska koda na PLK-ju in zaslonih, ki so uporabljeni za vodenje in prikaz informacij. Program je napisan v programskem okolju TIA Portal v16.
Ključne besede: čista soba, programirljivi logični krmilnik, vmesnik človek-stroj, sekvenca, števec prašnih delcev, filtrirna enota, diferencialni merilec tlaka, izpušna turbina.
vii
Abstract
The diploma work describes the management of a clean room inside the working cells of a line developed by INEA, used for automatic assembly of the backlight of the LCD screens. It produces two versions of the screen, for both left- and right-hand- drive cars, which will appear in the market in the upcoming years.
The first part of the thesis describes a clean room in the industry, its operation and purpose. It also presents the ISO standards that must be achieved for a clean room to function properly. Furthermore, the client's requirements are described, i.e., what equipment is required, how should the control of the system be designed, what information needs to be taken care of and what feedback about system operation is required.
Next, the devices that are the integral parts of a clean room are described. The purpose, installation and configuration of all devices are described in more detail. The programmable logic controller used, the input-output modules and the human-machine interface are also described.
The last part describes the software and its use. It presents the PLC and HMI program codes, which control the system and display the information. The program is written in TIA Portal V16 software environment.
Keywords: Clean room, programmable logic controller, human-machine interface, sequence, particle counter, fan filter unit, differential pressure gauge, exhaust turbine.
ix
Vsebina
1 Uvod 1
2 Čista soba 3
2.1 Nadomestek čiste sobe ... 4
2.2 Standard ISO ... 5
3 Naročnikove zahteve 9 3.1 Naprave za zagotavljanje čistosti zraka ... 9
3.2 Nadzor sistema ... 10
3.3 Onesnaženje zraka v čisti sobi ... 10
3.4 Alarmi ... 11
4 Naprave 13 4.1 Filtrirna enota - FFU ... 13
4.1.1 Namestitev filtrirnih enot ... 14
4.1.2 Konfiguracija filtrirnih enot ... 14
4.2 Izpušne turbine ... 15
4.2.1 Namestitev izpušnih turbin ... 16
4.2.2 Konfiguracija izpušnih turbin ... 16
4.3 Števec prašnih delcev ... 17
x Vsebina
4.3.1 Namestitev števcev delcev ... 18
4.3.2 Konfiguracija števca delcev ... 19
4.4 Diferencialni merilnik tlaka ... 21
4.4.1 Namestitev diferencialnega merilnika tlaka ... 22
4.4.2 Konfiguracija diferencialnega merilnika tlaka ... 22
4.5 Programirljivi logični krmilnik - PLK ... 24
4.6 Vhodno-izhodna enota SIMATIC ET 200SP ... 24
4.6.1 Uporabljeni vhodno-izhodni signali ... 26
4.7 Vmesnik človek-stroj – HMI ... 28
5 Programska oprema in programska koda 29 5.1 Programska oprema Apex LWS ... 29
5.2 Programsko orodje TIA Portal v16 ... 30
5.2.1 Lestvični diagram ... 31
5.2.2 Osnovni gradniki ... 33
5.2.3 Programski bloki ... 34
5.3 Programska koda ... 35
5.3.1 Omrežje 4: Komunikacijske nastavitve ... 37
5.3.2 Omrežje 5: MB_Client ... 38
5.3.3 Omrežje 17: Izračun prašnih delcev... 41
5.3.4 Omrežje 22: Primerjava tlaka ... 42
5.3.5 Omrežje 24: Nastavljanje hitrosti FFU-jev ... 43
5.3.6 Omrežje 27: Vklop/izklop turbin ... 45
5.4 Zaslonski prikazi na vmesniku človek stroj - HMI ... 46
5.4.1 Začetni zaslon in meni zaslon ... 47
Vsebina xi
xi 5.4.2 Nadzor čiste sobe: števec prašnih delcev in diferencialni merilec
tlaka ... 49
5.4.3 Diagnostika števca prašnih delcev ... 50
5.4.4 Nadzor čiste sobe: FFU-ja ... 51
5.4.5 Nadzor čiste sobe: Alarmi ... 52
6 Zaključek 55
7 Viri in literatura 57
xii Vsebina
Seznam slik
Slika 1: Čista soba ... 4
Slika 2: Shema proizvodne linije ... 5
Slika 3: Čistost zraka kot jo opredeljuje standard ISO 14644-1 ... 6
Slika 4: filtrirna enota - FFU ... 14
Slika 5: FFU diagram povezave ... 14
Slika 6: Izpušne turbine ... 16
Slika 7:Namestitev ali odstranitev izpušne turbine ... 16
Slika 8: Dva tipa izpušnih turbin ... 17
Slika 9: Števec delcev ApexR3p ... 17
Slika 10: Števec prašnih delcev ... 18
Slika 11: SmartPort kabel ... 19
Slika 12: kabel Ethernet ... 19
Slika 13: LWS ApexR Setup Tool ... 20
Slika 14: Nastavitev časa in datuma za števec delcev ... 20
Slika 15: Internetne nastavitve števca delcev ... 21
Slika 16: Nastavitve za vzorčenje ... 21
Slika 17: Nastavitve za kanale ... 21
Slika 18: Diferencialni merilnik tlaka ... 22
Slika 19: Shema diferencialnega merilnika tlaka ... 23
Slika 20: Odprta in zaprta vezava kratkostičnikov ... 23
Slika 21: Programirljivi logični krmilnik Siemens S7-1513F-1PN ... 24
Slika 22: Vhodno-izhodni moduli in enota SIMATIC ET 200SP ... 25
Slika 23: Sestava vhodno-izhodnega modula SIMATIC ET 200SP ... 26
Slika 24: Mape vhodnih in izhodnih signalov ... 27
Slika 25: uporabniški zaslon SIMATIC HMI KTP700F Mobile ... 28
Slika 26: Programska oprema Apex LWS ... 30
Slika 27: TIA Portal V16 ... 31
Slika 28: Struktura programa ... 34
Slika 29: Blok »MOVE« ... 37
Slika 30: Komunikacijske nastavitve ... 38
Vsebina xiii
xiii
Slika 31: Blok »MB_CLIENT« ... 39
Slika 32: Zahteva Začni šteti ... 41
Slika 33: Blok »CALCULATE« in izračun ... 42
Slika 34: Primerjava tlakov ... 43
Slika 35: »Stop« način ... 43
Slika 36: »Semi-auto« način delovanja ... 45
Slika 37: Vklop-izklop turbin... 46
Slika 38: EStop ... 46
Slika 39: Spodnja orodna vrstica ... 46
Slika 40: Zgornji del zaslonov ... 47
Slika 41: Začetni zaslon ... 48
Slika 42: Meni zaslon ... 48
Slika 43: Števec prašnih delcev in diferencialni merilec tlaka ... 49
Slika 44: Diagnostika števca prašnih delcev ... 50
Slika 45: FFU-ja ... 51
Slika 46: Alarmi ... 52
xiv Vsebina
Vsebina xv
xv Seznam tabel
Tabela 1: Pregled naprav, ki sestavljajo proizvodno linijo ... 5
Tabela 2: Naprave ... 9
Tabela 3: Alarmi ... 11
Tabela 4: Vhodni in izhodni signali naprav ... 26
Tabela 5: Nova imena vhodno-izhodnih spremenljivk ... 28
Tabela 6: Programska koda lestvičnega diagrama ... 35
xvii
xviii Seznam uporabljenih simbolov
Seznam uporabljenih simbolov
Kratica Angleško ime Slovensko ime
PLC Programmable logic
controller
Programirljivi logični krmilnik (PLK) HMI Human-machine interface Vmesnik človek-stroj
TCP Transmission Control
Protocol
Protokol za nadzor prenosa
IP Internet Protocol Internetni Protokol
TIA Portal Total Integrated Automation Portal
Program za programiranje krmilnikov Siemens
FFU Fan Filter Unit Filtrirna enota
ISO Internatiaonal
Organization for Standardization
Mednarodna organizacija za standardizacijo
I/O modul Input/Output module Vhodno-izhodni (V/I) modul
LCD Liquid Crystal Display Prikazovalnik s tekočimi kristali
1
1 Uvod
Zakaj uporaba čiste sobe v avtomatizaciji? Obstaja veliko različnih razlogov, da podjetje potrebuje čisto sobo. Na primer, če podjetje izdeluje izdelke, na katere onesnaževalci ali delci v zraku zlahka vplivajo, je uporaba čiste sobe nujna. Obstaja veliko panog in proizvodnih dejavnosti, kjer je uporaba čistih sob zaželena, če ne celo nujna, npr.:
proizvodna podjetja,
raziskovalne ustanove,
farmacevtska podjetja,
medicinski laboratoriji,
izdelava elektronskih delov [1].
V podjetju INEA sem se na začetku praktičnega izobraževanja pridružil projektu, na katerem sem po končanem praktičnem izobraževanju ostal in nadaljeval z delom. Potrebno je bilo skonstruirati in izdelati linijo za sestavljanje osvetlitve ozadja zaslonov LCD (ang. backlight).
Linija je namenjena izdelavi dveh različic zaslonov, tako za levo kot desno vozne avtomobile, ki bodo na trg prišli v prihodnjih letih. Ta 75,4 centimetra širok dvo- funkcionalni ukrivljeni zaslon predstavlja osrednji informacijski center na armaturni plošči, ki ga sestavljata nadzorna plošča in multimedijski center, občutljiv na dotik [2].
Proizvodno linijo, ki se razprostira na 140 m2, sestavlja približno 120.000 komponent, vanjo so vgradili 107 servomotorjev ter jo opremili z 10 roboti in 36 sistemi za vizualno kontrolo kakovosti. Ta med drugim zajema preverjanje toleranc položaja sestavnih delov, sledenje vgrajenih polizdelkov in testiranje slikovnih točk na sestavljenem zaslonu. S sistemi za kontrolo kakovosti na novi liniji spremljajo
2
približno 1.500 parametrov. Tako omogočajo zgodnje odkrivanje napak in s tem precej zmanjšajo izmet [2].
Cilj mojega dela na projektu je bil:
naučiti in konfigurirati naprave, kot so števec prašnih delcev, filtrirna enota, diferencialni merilec tlaka in izpušne turbine,
napisati program za krmilnik PLK in uporabniški vmesnik HMI za zagotavljanje čistosti zraka v celicah in za prikaz ključnih podatkov.
3
2 Čista soba
Čista soba je objekt, ki se običajno uporablja kot del specializirane industrijske proizvodnje ali znanstvenih raziskav, vključno s proizvodnjo farmacevtskih izdelkov, integriranih vezij, zaslonov LCD, OLED in microLED itd. Čiste sobe so namenjene vzdrževanju izredno nizke vsebnosti delcev, kot so prah, organizmi v zraku ali uparjeni delci. Čiste sobe imajo običajno stopnjo čistoče merjeno s številom delcev na kubični meter pri vnaprej določeni meri delca. Zunanji zrak v tipičnem mestnem območju vsebuje 35.000.000 delcev na vsak kubični meter v območju velikosti 0,5 μm in več, kar ustreza čisti sobi ISO 9 ali več. V čisti sobi, ki ustreza standardu ISO 1, ni dovoljenih delcev večjih od 0,3 μm, delcev manjših od 0,3 μm pa je lahko zgolj 12 na kubični meter [3].
Vsi produkti, ki so narejeni v opisani proizvodnji, morajo biti narejeni v kontroliranem čistem okolju oziroma čisti sobi, ki dosega razred ISO 6. Čista soba poskrbi za kontrolirano čistočo prostora. Razlog za to je, da ne pride do napak oz.
poškodb produktov in/ali za zagotavljanje varnosti oseb, ki se nahajajo v prostoru. V prostoru, kjer ni implementiran nadzor za kontrolo ozračja in kjer so postavljene celice ali linije, se postopoma začne v in na napravah nabirati prah, kar lahko privede do tega da so le-te onesnažene, posledično pa lahko to vpliva na njihovo delovanje ter na kvaliteto končnega izdelka. V najslabšem primeru se lahko zgodi kratek stik, ki lahko poškoduje napravo ali pa pripelje do vžiga. Primer čiste sobe prikazuje Slika 1.
4 2 Čista soba
Slika 1: Čista soba
2.1 Nadomestek čiste sobe
V nasprotju z običajnimi linijami, na katerih proizvodnja poteka v tako imenovani čisti sobi, smo v podjetju novo linijo za sestavljanje osvetlitve zaslonov zasnovali tako, da pogoje delovanja v čisti sobi ustvarjajo posamezne proizvodne celice same, kar stroške proizvodnje močno zniža. Proizvodnja produktov, ki zahteva čiste prostore s kontrolirano vlago in temperaturo ter zagotovljeno elektrostatično zaščito, je namreč izjemno draga [2]. V podjetju smo tem zahtevam zadostili na nivoju posameznih proizvodnih celic, in sicer z namestitvijo zmogljivih sistemov za odsesavanje, s filtri zraka, dodatnim tesnjenjem posameznih spojev, zračnimi zaporami, prehodom materiala in polizdelkov v stroje skozi dvojno izmenično zaporo in zagotavljanjem nadtlaka v postajah, ki preprečuje vstop morebitnih nečistoč [2].
Slika 2 in Tabela 1 prikazujeta pregled in lokacijo naprav, ki sestavljajo proizvodno linijo. Linija je razdeljena na deset delovnih celic. Od tega jih ima osem (WP1, WP2, WP4, WP5, WP6, WP7, WP8 in WP10) dva prostora, in sicer čisto sobo in pred-čisto sobo ter dva FFU-ja, dve celici (WP3 in WP9) pa imata samo en prostor ter posledično samo en FFU. V primeru opisane linije so čiste sobe namenjene sestavi zaslonov LCD, pred-čiste sobe pa nalaganju materiala.
5
Slika 2: Shema proizvodne linije
Tabela 1: Pregled naprav, ki sestavljajo proizvodno linijo
Naprava Celica [WP]
Števec prašnih
delcev
FFU v čisti sobi
FFU v pred-čisti
sobi
Diferencialni merilnik
tlaka
Izpušne turbine
0 Ne Ne Ne Ne Ne
1 Da Da Da Da Da
2 Da Da Da Da Da
3 Da Da Ne Da Da
4 Da Da Da Da Da
5 Da Da Da Da Da
6 Da Da Da Da Da
7 Da Da Da Da Da
8 Da Da Da Da Da
9 Da Da Ne Da Da
10 Da Da Da Da Da
2.2 Standard ISO
Standarde ISO je uvedla Mednarodna organizacija za standardizacijo z razlogom, da delo poteka bolj kakovostno, varno, ekološko in tudi zato, da se zmanjšajo napake v procesih. Standardi zajemajo širok spekter področij in definirajo smernice, ki opisujejo najboljše načine za proizvodnjo izdelkov, upravljanje procesov, zagotavljanje storitev ali dobavo materiala. Standardi izhajajo iz dolgoletnih izkušenj, strokovnih znanj in potreb organizacij na različnih področjih. Na primer:
Standardi vodenja kakovosti za učinkovitejše delo in zmanjšanje napak na izdelkih.
6 2 Čista soba
Standardi ravnanja z okoljem, ki pomagajo zmanjšati vplive na okolje, zmanjšati odpadke ter zagotavljajo bolj trajnostno delovanje.
Zdravstveni in varnostni standardi za zmanjševanje nesreč na delovnem mestu.
Standardi upravljanja z energijo za zmanjševanje porabe le-te.
Standardi varnosti hrane, ki preprečujejo onesnaženje hrane.
Varnostni standardi za zaščito občutljivih podatkov [5].
Standard ISO 14644-1: 2015 določa razvrstitev čistosti zraka glede na koncentracijo delcev v zraku v čistih prostorih in čistih conah. Za namene razvrščanja se upoštevajo samo populacije delcev, ki imajo kumulativno porazdelitev na podlagi mejnih (spodnjih mejnih) velikosti delcev od 0,1 µm do 5 µm [6]. Osnova za določanje koncentracije delcev v zraku so svetlobno-sijalni (diskretni) števci delcev v zraku (ang.
Light Scattering Airborne Particle Counter - LSAPC). Le-ti merijo količino delcev, ki so enaki ali večji od določenih velikosti na določenih mestih za vzorčenje [6]. Standard ne določa razvrstitve populacij delcev, ki so izven določenega praga velikosti delcev, tj., manjši od 0,1 µm ali večji od 5 µm. Koncentracije ultra finih delcev (manjših od 0,1 µm) obravnava ločen standard, ki določa čistost zraka na nivoju nanodelcev [6].
Slika 3 prikazuje razrede čistih prostorov od ISO 1 do ISO 9.
Slika 3: Čistost zraka kot jo opredeljuje standard ISO 14644-1
7
Iz Slike 3 je razvidno, da razred ISO 1 predstavlja najčistejši razred, razred ISO 9 pa najbolj »umazan« razred. Čeprav je razred ISO 9 definiran kot najmanj čist, je še vedno čistejši od običajne sobe. Najpogostejša razreda ISO, ki ju zasledimo v industriji, sta ISO 7 in ISO 8.
8 2 Čista soba
9
3 Naročnikove zahteve
Pri razvoju in izdelavi projekta je sodelovalo več kot 20 strokovnjakov iz podjetja INEA. Še pred prejemom naročila, že v fazi načrtovanja izdelka, so skupaj s stranko izdelali tehnično in ekonomsko študijo izvedljivosti in tako aktivno pripomogli k poslovno smiselni zasnovi in tehnološki dovršenosti rešitve [2].
V tem poglavju so opisane naročnikove zahteve glede čiste sobe, ki zajemajo specifikacije uporabljenih naprav (Tabela 2), nadzora sistema, delovanja sobe, ko se zrak onesnaži, alarmov, ki signalizirajo napake itd. V nadaljevanju so podrobneje predstavljene vse zahteve naročnika.
3.1 Naprave za zagotavljanje čistosti zraka
Za zagotavljanje ustrezne čistosti zraka v proizvodnih celicah, je naročnik sistema zahteval vgradnjo naprav, ki so prikazane v Tabeli 2.
Tabela 2: Naprave
Naprava Namen
Senzor diferencialnega tlaka Merjenje diferenčnega tlaka med čisto sobo in zunanjim prostorom. Nameščen na vse stroje.
Senzor za štetje delcev Merjenje delcev v zraku v čisti sobi.
FFU enota z regulacijo hitrosti
ventilatorja za čisto sobo Filtriranje dovodnega zraka, zagotavljanje ustreznega pretoka zraka in tlaka v čisti sobi.
Hitrost ventilatorja vodimo z merjenjem diferenčnega tlaka ali količine prašnih delcev.
FFU enota z regulacijo hitrosti ventilatorja za pred-čisto sobo
Filtriranje vsesanega zraka, zagotavljanje ustreznega pretoka zraka in tlaka v pred-čisti
10 3 Naročnikove zahteve
sobi. Hitrost ventilatorja je konstantna in določena vnaprej.
Izpušna turbina Odvajanje zraka iz delovne celice.
3.2 Nadzor sistema
Naročnik sistema je podal tudi določene zahteve za delovanje nadzornega sistema linije, ki so podane v nadaljevanju.
Če je krmiljenje stroja omogočeno (na WP0 pritisnjen gumb »Control ON«), naj nadzor čiste sobe deluje. To pomeni, da nadzor deluje tudi, če je linija ustavljena in/ali v ročnem načinu, ali če je linija pripravljena za proizvodnjo. Popoln izklop naj bo mogoč le, ko je pritisnjen gumb »Control OFF«.
V komori čiste sobe naj se preverja količina delcev s števcem delcev v zraku, ki meri delce v območju med 0,3 μm in 5,0 μm. Instrument naj vzorči zrak v nastavljenem časovnem intervalu in vrne izmerjeno količino delcev. Čas vzorčenja naj bo določen med zagonom.
Če število delcev preseže mejo ISO 6, naj bo stroj zaklenjen, FFU čiste sobe pa naj deluje na maksimalni hitrosti pri 50 % (hitrost večja od 50 % povzroči prevelik pretok zraka v delovni celici in posledično premikanje folij, ki se nameščajo).
Ko je število delcev v predpisanih mejah, naj FFU čiste sobe preide v način nadzora tlaka. Tlak v čisti sobi mora biti višji od tlaka v predhodno očiščenem prostoru. Da to dosežemo, FFU v pred-čistim prostorom deluje z vnaprej določeno hitrostjo. Hitrost FFU v čistem prostoru naj določa operater.
3.3 Onesnaženje zraka v čisti sobi
V nadaljevanju je naročnik specificiral tudi delovanje sistema v primeru onesnaženja zraka v posameznih celicah.
Če se med delovanjem odpro katera od vrat delovne celice, naj oba FFU-ja obratujeta s 50 % zmogljivostjo, s čimer se vstop zunanjega zraka v stroj zmanjša na najnižjo možno vrednost.
11
Po zapiranju izhodnih vrat stroja (glavni prostor) naj stroj vstopi v fazo zamenjave zraka, komora za čiščenje prostora pa naj deluje s 50 % zmogljivostjo toliko časa, da bo nekaj zaporednih meritev količine delcev zaznalo ustrezno čistost zraka.
Po zapiranju vhodnih vrat (pred prostora), po ponovnem polnjenju podajalnikov, naj se stroj zaskoči, če je število delcev ali diferenčni tlak zunaj meja.
Če se vrata stroja odprejo in se okolje čistega prostora kontaminira (števec delcev je izven meja), naj se material, ki je v robotskih prijemalih ali na prevzemnih mestih, označi kot izmet in odloži v koše. Prav tako naj se izdelek na paleti označi kot neustrezen.
3.4 Alarmi
Prvotno je bilo za spremljanje delovanja sistema definiranih sedem alarmov.
Kasneje sem, zaradi boljšega pregleda nad napravami, dodal še tri. Alarmi so opisani v Tabeli 3.
Tabela 3: Alarmi
Številka alarma Opis
Alarm 1 Število prašnih delcev ni znotraj meja.
Alarm 2 Števec prašnih delcev ne deluje.
Alarm 3 Povezava s števcem prašnih delcev ni vzpostavljena.
Alarm 4 Ni pretoka skozi števec prašnih delcev.
Alarm 5 Potrebna je kalibracija števca prašnih delcev.
Alarm 6 Diferencialni tlak ni znotraj meja.
Alarm 7 FFU čiste sobe je v okvari.
Alarm 8 Potrebno je preveriti filter FFU čiste sobe.
Alarm 9 FFU pred-čiste sobe je v okvari.
Alarm 10 Potrebno je preveriti filter FFU pred-čiste sobe.
12 3 Naročnikove zahteve
13
4 Naprave
V tem poglavju sem opisal ključne naprave, ki so potrebne za delovanje čiste sobe. Razložena je tudi namestitev in daljši opis konfiguracije naprav. Med opisane naprave spadajo tudi programirljivi logični krmilnik, vhodno-izhodni moduli in vmesnik človek-stroj.
4.1 Filtrirna enota - FFU
FFU je motorizirana enota, ki dovaja čisti, filtrirani zrak v čisto sobo. Zrak se dovaja skozi ventilator, skozi pred filter in nato skozi filter HEPA H14, ki filtrira delce večje od 1 μm in zagotavlja dotok čistega in predelanega zraka v celico. Za zagotovitev čistega zraka v celici je uporabljen FFU COMPACT, podjetja Exyte Technology.
Zaradi nizke skupne višine je FFU COMPACT še posebej primeren za čiste prostore, ki so dimenzijsko omejeni. Pri določenih celicah v proizvodni liniji sta uporabljena dva FFU-ja na celico, in sicer FFU, ki je v glavnem prostoru celice ter FFU, ki je v predprostoru celice. Uporabljen FFU prikazuje Slika 4.
14 4 Naprave
Slika 4: filtrirna enota - FFU
4.1.1 Namestitev filtrirnih enot
FFU-ji so nameščeni na zgornjo stran delovnih celic, obrnjeni navzdol, kot prikazuje Slika 4. Pri takšni namestitvi FFU sesa zrak z zgornje strani in ga preko filtrov dovaja v celico.
4.1.2 Konfiguracija filtrirnih enot
Slika 5 prikazuje diagram povezav filtrirnih enot.
Slika 5: FFU diagram povezave
15
Uporabljene povezave FFU-ja so sledeče:
povezava 1: PE,
povezava 3: N,
povezava 4: L,
povezava 5: 24 V,
povezava 6: digitalni vhod na vhodno-izhodnem modulu,
povezava 8: analogni izhod na vhodno-izhodnem modulu,
povezava 12: GND.
Delovanje FFU-ja se spremlja preko analognega izhodnega signala na vhodno- izhodni enoti, ki je na vsakem FFU-ju povezan z analognim izhodom na povezavi 8 (Slika 5). Analogni izhod je uporabljen za spremljanje trenutnega stanja v celici, preko katerega lahko izvedemo regulacijo ventilatorja. Delovanje FFU je omejeno med 15
% (pri tem % začne delovati) in 50 % hitrosti (hitrost večja od 50 % povzroči prevelik pretok zraka v delovni celici in posledično premikanje folij, ki se nameščajo) oziroma med 0 V in 10 V. Če FFU ne deluje, oziroma je v napaki, izhodni signal na povezavi 6 signalizira okvaro FFU-ja.
4.2 Izpušne turbine
Izpušne turbine so namenjene odsesavanju zraka in prašnih delcev iz celic (Slika 6). Delujejo tako, da v sodelovanju z FFU-jema v celici ustvarjajo podtlak. Edinstvena oblika podpornega nosilca dovoljuje izpušni turbini namestitev ali odstranitev brez demontaže sosednjih kanalov (Slika 7).
16 4 Naprave
Slika 6: Izpušne turbine
Slika 7:Namestitev ali odstranitev izpušne turbine
4.2.1 Namestitev izpušnih turbin
Vsaka delovna celica ima nameščene tri izpušne turbine, ki se nahajajo zgornji strani, poleg FFU-jev. Vsaka turbina je povezana s celico preko pregibne cevi. Dve izpušni turbini delujeta z maksimalno močjo, tretja pa s srednjo močjo. Pogoj za njihovo delovanje je, da vsaj en FFU obratuje, in da ni aktivirana zaustavitev v sili.
4.2.2 Konfiguracija izpušnih turbin
Za delovne celice sta bila uporabljena dva tipa izpušnih turbin, in sicer tip »TD- 250_100« in tip »TD-500_150« (Slika 8). Tip »TD-250_100« ima dve možnosti delovanja (minimalno in maksimalno), pri čemer je bilo v konkretnem primeru izbrano maksimalno delovanje »LA«. Tip »TD-500_150« ima tri možnosti delovanja (minimalno, srednje in maksimalno), pri čemer je bilo v konkretnem primeru izbrano srednje delovanje »LB«.
17
Vse turbine (2 x »LA« in »LB«) so bile skupaj vezane na en digitalni izhodni signal na vhodno-izhodni enoti, pri čemer digitalni izhod deluje kot stikalo.
Slika 8: Dva tipa izpušnih turbin
4.3 Števec prašnih delcev
Števec prašnih delcev je samostojna naprava, ki zaznava in šteje delce v zraku velikosti od 0,3 do 5 μm. Za merjenje količine delcev smo uporabili instrument ApexRp, ki je standardno opremljen z dvema kanaloma, ki omogočata merjenje pri pretoku zraka 1,0 ali 0,1 kubičnega čevlja na minuto (ang. Cubic Feet per Minute – CFM). Na zahtevo je ApexRp dobavljiv tudi s štirimi kanali [7]. Slika 9 prikazuje uporabljen števec delcev, ApexR3p.
Slika 9: Števec delcev ApexR3p
18 4 Naprave
Števec delcev ApexR3p uporablja lasersko diodo za svetlobni vir in optično oblikovan laserski žarek za osvetlitev prereza poti zračnega toka. Ko se delci premikajo po tej poti, prečkajo laserski žarek in razpršijo svetlobo. Razpršeno svetlobo na fotodiodi zbira optični sistem za slikanje. Fotodioda pretvori sliko v tok, ki se pretvori v napetost in ojači z elektronskim vezjem. Vsakič, ko delci prečkajo laserski žarek, vezje odda napetostni impulz. Amplituda impulza je sorazmerna z razpršeno svetlobo, ta pa je sorazmerna z velikostjo delcev [7]. Napetostne impulze, ki jih ustvarijo delci, nato obdela dodatno elektronsko vezje, ki analizira njihovo amplitudo ter s tem velikost vsakega ustreznega delca, s čimer se določi število delcev različnih velikosti [7]. Instrument je učinkovit na obeh ultra čistih območjih, tj., razred ISO 1 in ISO 2, pa tudi v manj čistih območjih razredov ISO 3 ali višje. Števec delcev je namenjen neprekinjenemu delovanju 24 ur na dan, 7 dni v tednu [7].
4.3.1 Namestitev števcev delcev
Števec delcev je nameščen v notranjosti delovne celice, in sicer na sredini glavnega prostora le-te. Namen takšne namestitve je, da natančneje in bolj enakomerno zajema prašne delce v prostoru. Namestitev števca prikazuje Slika 10.
Slika 10: Števec prašnih delcev
19
4.3.2 Konfiguracija števca delcev
Za konfiguracijo števca delcev, je potrebno le-tega priklopiti na osebni računalnik preko kabla SmartPort, ki ga prikazuje Slika 11. Stran s priključkom USB se priklopi v računalnik, stran s priključkom Smart Port pa na števec.
Slika 11: SmartPort kabel
Ko je števec konfiguriran, ga lahko priklopimo na krmilnik z uporabo kabla Ethernet, kot prikazuje Slika 12. Komunikacija med števcem in krmilnikom poteka preko protokola Modbus, preko katerega PLK števcu pošilja zahteve po želenem podatku, le-te števec sprejme in krmilniku pošlje povratno informacijo. Števec delcev za napajanje uporablja enosmerno napetost 24 V, ki jo zagotavlja elektronski odklopnik za zaščito obremenitve pri 24 V enosmerne napetosti v primeru preobremenitve in kratkega stika.
Slika 12: kabel Ethernet
20 4 Naprave
Ko je števec priključen na napajanje in so v programu LWS ApexR Setup Tool izbrana pravilna vrata COM, se odpre okno nastavitev, kot prikazuje Slika 13.
Slika 13: LWS ApexR Setup Tool
Najprej števcu nastavimo ustrezen čas (Slika 14). Gumb »Use System Time«
naloži trenutni čas in datum, ki je nastavljen na računalniku, gumb »Update Instrument« pa shrani spremembe na pomnilnik naprave.
Slika 14: Nastavitev časa in datuma za števec delcev
Za internetne nastavitve je potrebno vnesti točno določen naslov IP, pravilno podomrežje in izbrati gumb »Ethernet« (Slika 15). Za ogled spletne strani, je potrebno v brskalnik vnesti naslov IP naprave. Na spletni strani je prikazan čas vzorčenja, ko so bili podatki zajeti, serijska številka naprave, lokacija naprave, ikona storitve, ikona alarma vrednosti vseh štirih kanalov in statusi naprave:
datum, ko je bila naprava nazadnje kalibrirana,
stanje laserskega toka,
stanje moči laserja,
stanje laserskega napajanja,
21
stanje pretoka,
stanje zaslona naprave,
stanje napajanja naprave in
stanje zdravja naprave.
Slika 15: Internetne nastavitve števca delcev
V vzorčnih nastavitvah sem določil samo vzorčni čas, in sicer na 20 s. To pomeni da bo naprava na vsakih 20 sekund izpisovala oz. pošiljala podatke (Slika 16).
Slika 16: Nastavitve za vzorčenje
Pri nastavitvah kanalov sem aktiviral delovanje vseh kanalov, alarmov pa nisem aktiviral, saj za to skrbi programu na PLK-ju (Slika 17).
Slika 17: Nastavitve za kanale
4.4 Diferencialni merilnik tlaka
Diferencialni merilnik tlaka je namenjen merjenju razlike tlakov. Za merjenje uporablja referenčno točko, imenovano tlak nizke strani, in jo primerja s tlakom na visokotlačni strani. V konkretnem primeru smo uporabili diferencialni merilnik tlaka DPT-R8, proizvajalca HK Instruments. Tovrstni merilniki se običajno uporabljajo za:
nadzor ventilatorjev, puhal in filtrov,
22 4 Naprave
nadzor tlaka in pretoka,
krmiljenje ventilov in loput ter
nadzor tlaka v čistih prostorih [8].
4.4.1 Namestitev diferencialnega merilnika tlaka
Merilnik tlaka je nameščen pravokotno na steno celice pri vratih, kot prikazuje Slika16. Zračna vhoda na instrumentu sta označena s pozitivnim znakom (+) in z negativnim znakom (-). Pozitivni vhod meri tlak v delovni celici, negativni vhod pa zunanji tlak, preko cevke iz zgornje zunanje strani celice.
Slika 18: Diferencialni merilnik tlaka
4.4.2 Konfiguracija diferencialnega merilnika tlaka
Merilnik tlaka ima dva vhoda in dva izhoda, kot prikazuje Slika 19. Vhoda sta namenjena napajanju naprave, analogna izhoda pa za povratna signala oz. signal meritve. Merilnik ponuja možnost, da se za meritev lahko uporabi kateri koli od izhodov, tj., napetostni ali tokovni. Za potrebe projekta smo uporabili tokovni izhod
»mA Out«, ki deluje v razponu od 4 do 20 mA. Izhod je povezan na analogni vhod vhodno-izhodnega modula.
23
Slika 19: Shema diferencialnega merilnika tlaka
Za dodatno konfiguracijo je bilo potrebno nastaviti še kratkostičnike (ang.
jumpers), ki imajo dve nastavitvi, in sicer zaprto vezavo in odprto vezavo, kot prikazuje Slika 20. Vezava kratkostičnikov je naslednja:
J1, J2, J3: odprta vezava (s kombinacijo vezav izbiramo, v kakšnem razponu bo merilnik prikazoval rezultat. V tem primeru je bil razpon od -100 do 100.
),
J4: zaprta vezava (čas vzorčenja je 20 sekund).
Slika 20: Odprta in zaprta vezava kratkostičnikov
24 4 Naprave
Merilno enoto se lahko nastavi smo tako, da se J5 sklene, s pritiskom na tipko
»Zero button« pa se izbere merska enota. V tem primeru je bila izbrana enota paskal [Pa].
4.5 Programirljivi logični krmilnik - PLK
Za krmiljenje posameznih celic je bil izbran Siemensov krmilnik serije 1500, in sicer model S7-1513F-1PN, ki ga prikazuje Slika 21. Vsa programska koda, ki je napisana v TIA Portalu je naložena na ta krmilnik. Krmilnik omogoča, da s puščicami pod zaslonom nastavimo ime krmilnika, naslov IP in masko podomrežja. Poleg tega ima krmilnik dva gumba, ki omogočata izbiro delovanja, in sicer način STOP, kjer se krmilnik izklopi in način START, v katerem krmilnik deluje. Za delovanje krmilnika je potrebna napajalna napetost 24 V, ki jo zagotavlja napajalni modul. Krmilnik ima za potrebe programa 450 kB delovnega spomina, 1,5 MB za podatke in dva priključka RJ 45.
Slika 21: Programirljivi logični krmilnik Siemens S7-1513F-1PN
4.6 Vhodno-izhodna enota SIMATIC ET 200SP
SIMATIC ET 200SP, ki jo prikazuje Slika 22, je trenutno ena najpopularnejših vhodno-izhodnih enot na trgu. Sestavljena je iz dveh delov, in sicer iz glavnega modula, ki je povezan in komunicira s programirljivim logičnim krmilnikom preko protokola Profinet in vhodno-izhodnega modula, ki ga sestavljajo vhodno-izhodni
25
moduli, ki so povezani s senzorji in aktuatorji. Senzorji signale pošiljajo na vhodno- izhodno enoto, ta jih sprejme in pošlje naprej do krmilnika. Podobno poteka tudi komunikacija v drugi smeri, kjer krmilnik pošlje ukaze vhodno-izhodni enoti, ta pa naprej aktuatorjem. Prednosti izbrane vhodno-izhodne enote so naslednje:
prosta izbira priključne tehnologije Profinet prek adapterja vodila,
zaradi vstavitvene tehnologije za ožičenje niso potrebna nobena orodja,
izboljšana dostopnost ožičenja zaradi nove razporeditve vzmetnih kontaktov NC in pripadajoče odprtine prevodnika,
izjemno jasno označevanje, zahvaljujoč barvnim in referenčnim nalepkam ter trakom za označevanje,
diagnostične funkcije, specifične za kanal,
hitra komunikacija preko protokola Profinet,
med delovanjem sistema je mogoče zamenjati module in priključne omarice,
enoten koncept zaščite, od prevodnika, priključne omarice in zadnje ravni vodila, do omrežja Profinet,
nadzor konfiguracije s programsko opremo [11].
Slika 22: Vhodno-izhodni moduli in enota SIMATIC ET 200SP
Sestavljanje glavnega modula in vhodnih-izhodnih modulov je bilo relativno enostavno. Najprej je bilo potrebno glavni modul postaviti na vodilo, ki je nameščeno v električni omarici. Nato je sledilo prvo podnožje, ki se ga postavi ob strani glavnega
26 4 Naprave
modula. Na podoben način se dodajajo tudi ostala podnožja, in sicer ob strani predhodnega podnožja. Nazadnje se v podnožja vstavi še vhodno-izhodne kartice, kar predstavlja končen vhodno-izhodni modul. Potek sestave je prikazan na Sliki 23.
Slika 23: Sestava vhodno-izhodnega modula SIMATIC ET 200SP
4.6.1 Uporabljeni vhodno-izhodni signali
Za delovanje naprav v čisti sobi je bilo uporabljeni šest signalov, ki jih prikazuje Tabela 4. Signali imajo dodeljene naslove in imena spremenljivk, ki se jih pozneje uporablja v programski kodi. Nahajajo se v projektnem drevesu, ki ga prikazuje Slika 24, in sicer v mapah »InputMapping«, kjer se nahajajo vhodni signali v PLK in
»OutputMapping«, kjer se nahajajo izhodni signali iz PLK-ja.
Tabela 4: Vhodni in izhodni signali naprav
Naprava Tip
signala Ime spremenljivke signala Podatkovni tip FFU v glavnem
prostoru
Analogni izhod
»AQ_WPx_CRFFUSpeeedCtrl« Real
Digitalni
vhod »I_WPx_CRFFUFaulted« Bool
FFU v pred
prostoru Analogni
izhod »AQ_WPx_Pre-CRFFUSpeeedCtrl« Real Digitalni
vhod
»I_WPx_Pre-CRFFUFaulted« Bool Izpušne turbine Digitalni
izhod
»Q_WPx_ExhaustTurbines« Bool Diferencialni
merilnik tlaka
Analogni izhod
»AI_WPx_CRPressure« Real
27
Slika 24: Mape vhodnih in izhodnih signalov
Imena spremenljivk vhodnih in izhodnih signalov so napisana v obliki
»TipSignala_DelovnaCelica_ImeKratica«.
Pri analognih vhodih in izhodih je bilo potrebno v TIA portalu na analognih vhodno-izhodnih modulih določiti merilno območje, in sicer pri signalih FFU-jev in pri diferencialnem merilniku tlaka. Merilno območje za FFU-je znaša od 0 V do 10 V, za diferencialni merilnik tlaka pa od 4 mA do 20 mA. Zaradi boljše preglednosti in uporabe pri pisanju programa, smo vhodno-izhodnim spremenljivkam dodelili nova imena, v obliki »“ImeLokacijeMape_DB”.DelavnaCelica_ImeKratica«, kot kaže Tabela 5.
28 4 Naprave
Tabela 5: Nova imena vhodno-izhodnih spremenljivk
Ime spremenljivke signala Novo ime
»AQ_WPx_CRFFUSpeeedCtrl« »“Map_AQ_DB”.WPx_
CRFFUSpeeedCtrl«
»I_WPx_CRFFUFaulted« »“Map_DI_DB”.WPx_CRFFUFaulted«
»AQ_WPx_Pre-CRFFUSpeeedCtrl« »“Map_AQ_DB”.WPx_Pre- CRFFUSpeeedCtrl«
»I_WPx_Pre-CRFFUFaulted« »“Map_DI_DB”.WPx_Pre- CRFFUFaulted«
»Q_WPx_ExhaustTurbines« »“Map_DQ_DB”.WPx_ExhaustTurbines«
»AI_WPx_CRPressure« »“Map_AI_DB”.WPx_CRPressure«
4.7 Vmesnik človek-stroj – HMI
Vmesnik človek-stroj (HMI) je uporabniški vmesnik ali nadzorna plošča, ki osebo poveže s strojem, sistemom ali napravo. Za vmesnik smo izbrali Siemensov zaslon SIMATIC HMI KTP700F Mobile, ki ga prikazuje Slika 25. Zaslon meri 7 palcev, ima ločljivost 800 x 480 slikovnih pik, možnost upravljanja s tipkami in dotikom, 8 funkcijskih tipk, en vmesnik Profinet, en vmesnik USB, stikalo s ključem, potrditveni gumb in gumb za zaustavitev v sili. Na vmesnik so naloženi vsi uporabniški zaslonski prikazi, ki smo jih izdelali v programskem orodju TIA Portal V16. Preko vmesnika lahko spremljamo delovanje procesa, saj so na njem vidne vse pomembne informacije, hkrati pa omogoča, da operater s sistemom tudi upravlja.
Slika 25: uporabniški zaslon SIMATIC HMI KTP700F Mobile
29
5 Programska oprema in programska koda
V tem poglavju je opisana vsa programska oprema, ki je bila potrebna za delovanje naprav. Podrobno je opisana tudi programska koda, ki je potrebna za delovanje PLK-ja in zaslonov, ki predstavljajo vmesnike človek-stroj.
5.1 Programska oprema Apex LWS
Programska oprema Apex LWS je namenjena konfiguraciji merilnikov delcev v zraku in je dobavljena s konfiguracijskim kompletom, ki poleg programske opreme vključuje tudi kabel SmartPort in napajalnik 24 VDC. Za pravilno uporabo kompleta, je najprej potrebno na računalnik namestiti programsko opremo, ki deluje kot konfiguracijska postaja (Slika 26). Ob zagonu programske opreme, se namestijo gonilniki USB FTDI in orodje za nastavitev instrumenta, ki je potrebno za komunikacijo med računalnikom in instrumentom preko kabla.
30 5 Programska oprema in programska koda
Slika 26: Programska oprema Apex LWS
5.2 Programsko orodje TIA Portal v16
Programski paket Siemens TIA Portal (TIA - Totally Integrated Automation) predstavlja inženirsko okolje, ki omogoča izvedbo različnih rešitev v avtomatizaciji procesov, od planiranja, zagona, obratovanja, vzdrževanja do nadgradnje obstoječih sistemov avtomatizacije. TIA Portal v enem programskem paketu omogoča programiranje krmilnikov, porazdeljenih vhodno/izhodnih enot, vmesnikov človek- stroj, pogonov ter drugih industrijskih sistemov. Njegov namen je povezati vse glavne gradnike preko vseh štirih nivojev avtomatizacije:
1. nivo upravljanja, 2. nivo operaterjev, 3. nivo krmilnikov ter 4. nivo izvrševanja [16].
31
TIA Portal je osnovan na mednarodnem standardu IEC 61131-3, ki določa programsko strukturo in programske jezike za programiranje logičnih krmilnikov in ostalih naprav. Programski paket deluje v operacijskih sistemih Windows, zaradi česar je način dela v njem podoben kot pri ostalih programih v tem okolju. Naštejmo samo nekaj funkcionalnosti, ki jih omogoča TIA Portal:
vnos, urejanje in shranjevanje projektov za logično, sekvenčno in zvezno vodenje,
prenos projektov na naprave (krmilnike, uporabniške vmesnike itd.),
sprotno spremljanje delovanje programa,
spremljanje in spreminjanje stanj spremenljivk v krmilniku,
spreminjanje programa med izvajanjem. [16]
Osnovni izgled programskega orodja TIA Portal prikazuje Slika 27.
Slika 27: TIA Portal V16
5.2.1 Lestvični diagram
Lestvični diagram (angl. Ladder Diagram - LD) je eden najbolj razširjenih načinov programiranja PLK-jev. Kot eden od grafičnih programskih jezikov je vključen tudi v mednarodni standard IEC 61131-3 [16].
Lestvični diagram temelji na relejskih vezalnih shemah, ki predstavljajo električni načrt relejskega krmilja. V takšni shemi so narisani kontakti, katerih vzporedne in/ali zaporedne vezave predstavljajo testiranje logičnih pogojev, in tuljave, ki se aktivirajo, če vezje kontaktov med posamezno tuljavo in električnim napajanjem
32 5 Programska oprema in programska koda
prevaja. Za boljšo preglednost takšnega električnega načrta se je uveljavil način risanja z navpičnima napajalnima vodnikoma in vodoravno usmerjenimi vezij kontaktov in tuljav med njima. Celotno vezje ob tem spominja na obliko lestve in od tu ime lestvični diagram [16].
Z razvojem programirljivih logičnih krmilnikov se je pojavila potreba po kar najenostavnejšem načinu programiranja in zato so obliko lestvičnega diagrama prenesli v programski jezik. Simbole gradnikov električnih vezij so zamenjali s simboli programskih elementov, pri čemer sta simbola za kontakt in tuljavo ostala enaka.
Simbole zlagamo v prečke, podobne vezjem v relejskih lestvičnih logičnih shemah.
Prečke so levo in desno omejene z napajalnima vodnikoma (angl. power rails). To sta navpični črti, pri čemer leva predstavlja vir napajanja in desna predstavlja ponor.
Desna črta se lahko opušča. Pri interpretaciji logičnega delovanja programa privzamemo, da je napajalni vodnik v stanju 1. Poleg kontaktov, tuljav in napajalnih vodnikov sestavljajo lestvični diagram še povezave ter dodatni gradniki, kot so funkcijski bloki in funkcije [16].
Vsi simboli lestvičnih diagramov imajo smisel le, če so prirejeni določeni vhodno/izhodni sponki krmilnika ali notranji pomnilniški lokaciji, s čimer dobijo nek pomen glede na proces, ki ga s krmilnikom vodimo. Za prireditev programskih elementov k fizikalnim uporabimo prireditveno tabelo. Da bi tudi funkcionalno čimbolj posnemali delovanje električnih vezij, kjer se vse veje vezja izvajajo hkrati, se je uveljavil način izvajanja programa v ciklih. Na začetku vsakega cikla se preberejo stanja binarnih vhodov krmilnika in se shranijo v pomnilnik v t.i. vhodno sliko.
Program nato obdeluje sliko vhodov in rezultate vpisuje v pomnilnik, rezerviran za izhode, t.i. izhodno sliko. Ob koncu cikla, ko se obdelajo vse veje diagrama, se vsebina izhodne slike prepiše na izhodne sponke krmilnika. Na ta način dosežemo, da se izhodi, ki so posledica sočasnih sprememb vhodov, tudi v resnici spremenijo sočasno, ne glede na vrstni red prečk. Ker je čas izvajanja enega cikla programa zelo kratek (običajno nekaj delcev sekunde), je navzven videti, kot da se vse prečke izvajajo hkrati [16].
33
5.2.2 Osnovni gradniki
Osnovni gradniki v programskem orodju TIA Portal so naslednji:
Device configuration (Slika 28): je zavihek, s katerim dostopamo do konfiguracije krmilnika. V njem lahko nastavljamo različne parametre procesne enote, kot npr. nastavitve naslova IP krmilnika, nastavitve dodatnih razširitvenih modulov (ang. signal boards), pregled vhodno- izhodnih povezav (imena spremenljivk, ki so vezane na vhode oz. izhode) itd. [16].
Online & diagnostics (Slika 28): je zavihek, s katerim dostopamo do nastavitev krmilnika, kot npr. nastavitev trenutnega časa, nastavitev naslova IP krmilnika, ponastavitev krmilnika na tovarniške nastavitve itd. [16].
Program blocks (Slika 28): predstavlja programske bloke, med katere spadajo organizacijski bloki (ang. Organization blocks - OB), funkcijski bloki (ang. Function blocks - FB), funkcije (ang. Functions - FC) ter podatkovni bloki (ang. Data blocks - DB). S pomočjo programskih blokov zgradimo strukturo programa, pri čemer vsak blok pripada določenem programskem nivoju od najvišjega - OB, preko srednjega - FB, do najnižjega - FC. S klikom na »Add new block« v projekt dodamo nov programski blok [16].
PLC tags (Slika 28): predstavlja seznam tabel spremenljivk (ang. PLC tags), ki jih uporabljamo pri izgradnji programa. V seznam spremenljivk je potrebno vnesti spremenljivke, ki jih bomo uporabljali pri programiranju (vhode, izhode in notranje spremenljivke, tj., stanja in zastavice) [16].
34 5 Programska oprema in programska koda
Slika 28: Struktura programa
5.2.3 Programski bloki
Pri programiranju krmilnika je potrebno ukaze oz. programsko kodo zapisati v programske bloke. V okolju TIA Portal imamo na izbiro tri možne bloke, v katere zapisujemo programsko kodo, in ki se med seboj ločijo po namenu in hierarhiji.
Programski jezik, ki je uporabljen v posameznem programskem bloku, določi uporabnik in je lahko lestvični diagram - LD, strukturiran tekst - SCL ali funkcijski bločni diagram - FBD. Vsi programski bloki so medsebojno kompatibilni, neglede na uporabljen programski jezik [16].
Organizacijski bloki (OB) predstavljajo najvišji programski nivo in so vmesnik med operacijskim sistemom krmilnika ter uporabniškim programom. Organizacijski
35
bloki skrbijo za pravilno delovanje krmilnika in se uporabljajo za izvajanje določenih akcij:
pri zagonu krmilnika,
pri cikličnem izvajanju,
kadar se pojavi napaka,
kadar se pojavi prekinitev [16].
Funkcijski bloki (FB) predstavljajo naslednji programski nivo in vsebuje kodo, ki se izvaja s klicem iz drugih programskih blokov (OB, FB ali FC). Ena od lastnosti funkcijskih blokov je tudi, da imajo spomin. To pomeni, da se trenutne vrednosti posameznih spremenljivk ohranjajo pri vsakem klicu za izvajanje programa.
Funkcijski bloki običajno vsebujejo glavno kodo celotnega programa [16].
Funkcije (FC) predstavljajo najnižji programski nivo in običajno vsebujejo podrutine oz. funkcije, ki jih kličejo ostali programski bloki (OB, FB ali FC). Funkcija, za razliko od funkcijskega bloka, nima spomina, kar pomeni, da se vrednosti spremenljivk pri vsakem klicu funkcije ponastavijo na začetne [16].
5.3 Programska koda
Program za čisto sobo je bil spisan v funkcijskem bloku (FB). V Tabeli 6 je prikazan grob opis kako je koda sestavljena po omrežjih in kakšen namen ima vsako omrežje. Koda se izvaja postopoma od prvega do zadnjega omrežja.
Tabela 6: Programska koda lestvičnega diagrama
Številka omrežja
kode
Ime omrežja Namen
Omrežje 1 Kontrola čiste sobe Če so vsi štirje kanali števca in diferencialni tlak ustrezni, dobimo potrditveni signal
»CleanroomOK«.
Omrežje 2 Preverjanje delovanja stroja Preverja in označuje, da je čista soba v delovanju.
36 5 Programska oprema in programska koda
Omrežje 3 Signal za zaprta vrata Preverja, če so vrata celice zaprta.
Naprava 1: Števec prašnih delcev
Omrežje 4 Komunikacijske nastavitve Nastavi se IP, »Remote port«,
»Local port« in ID.
Omrežje 5 MB_Client Komunikacijski blok za
vzpostavitev povezave med napravo in krmilnikom.
Omrežje 6 Ponastavitev sekvenc ali števca Preko vmesnika človek-stroj lahko ponastavimo sekvence ali števec.
Omrežje 7 Korak 0: Start Začne sekvenco.
Omrežje 8 Korak 1: Ponastavitev povezave Odklopitev od naprave.
Omrežje 9 Korak 2: Povezava Povezava na napravo.
Omrežje 10 Korak 3: Začetek štetja Pošlje ukaz za začetek štetja.
Omrežje 11 Korak 4: Branje statusa Branje statusa naprave.
Omrežje 12 Korak 5: Ocena podatkov Ocena podatkov o stanju števca.
Omrežje 13 Korak 6: Ukaz branje kanalov Branje vrednosti vseh štirih kanalov.
Omrežje 14 Korak 7: Ocena kanalov Ocena časa vzorčenja in vrednosti vseh štirih kanalov.
Omrežje 15 Korak 8: Nadzor čiste sobe Preverja, če je nadzor čiste sobe še vedno omogočen.
Omrežje 16 Korak 9: Ustavitev štetja Ukaz za ustavitev štetja.
Omrežje 17 Izračun prašnih delcev Enačba po kateri izračuna število prašnih delcev zraka za vse štiri kanale.
Omrežje 18 Preverjanje število delcev Preverja, če je število prašnih delcev v nastavljenem območju.
Omrežje 19 Preverjanja ISO Za vsak kanal preveri, v katerem razredu standarda ISO se nahaja.
Omrežje 20 Preverjanja najvišjega ISO Primerja vse štiri kanale med sabo in izpiše tisti razred ISO, ki je najvišji.
Naprava 2: Diferencialni merilec tlaka
Omrežje 21 Pretvorba spremenljivke Spremeni ime signala.
Omrežje 22 Primerjava tlaka Preverja če je tlak znotraj meja.
Naprava 3: FFU-ja
Omrežje 23 Maksimalna hitrost FFU-jev Omeji maksimalno hitrost FFU- jev na 50 %.
Omrežje 24 Nastavljanje hitrosti FFU-jev Nastavi hitrosti FFU-jev v normalnem delovanju in v napaki.
Omrežje 25 Hitrost FFU-ja v pred prostoru Kontrolni blok za nadzor FFU- ja.
Omrežje 26 Hitrost FFU-ja v glavnem prostoru
Kontrolni blok za nadzor FFU- ja.
37
Naprava 4: Izpušne turbine
Omrežje 27 Vklop/izklop turbin Možen vklop in izklop turbin, če ni nikjer pritisnjen »Stop«.
Alarmi
Omrežje 28 Alarm 1 Število prašnih delcev ni znotraj
meja.
Omrežje 29 Alarm 2 Števec prašnih delcev ne deluje.
Omrežje 30 Alarm 3 Povezava s števcem prašnih
delcev ni vzpostavljena.
Omrežje 31 Alarm 4 Ni pretoka skozi števec prašnih
delcev.
Omrežje 32 Alarm 5 Potrebna je kalibracija števca
prašnih delcev.
Omrežje 33 Alarm 6 Diferencialni tlak ni znotraj
meja.
Omrežje 34 Alarm 7 FFU čiste sobe je v okvari.
Omrežje 35 Alarm 8 Potrebno je preveriti filter FFU –
ja čiste sobe.
Omrežje 36 Alarm 9 FFU pred-čiste sobe je v okvari.
Omrežje 37 Alarm 10 Potrebno je preveriti filter FFU –
ja pred-čiste sobe.
Omrežje 38 Potrditev alarmov. Potrditev za ponastavitev alarmov.
Omrežje 39 Preverjanje alarmov. Preverja, če so vsi alarmi OK.
V nadaljevanju so podrobneje opisani nekateri deli kode, ki so bili za izdelavo projekta ključnega pomena.
5.3.1 Omrežje 4: Komunikacijske nastavitve
To omrežje predstavlja parametre, ki so potrebni za komunikacijo med PLK-jem in števcem prašnih delcev. Spremenljivkam je bilo potrebno določiti parametre, kar je najenostavneje izvesti z uporabo bloka »MOVE« na Sliki 30. Blok »MOVE« se uporablja z namenom, da prenese vsebino spremenljivke na vhodu »IN« na drugo spremenljivko na izhodu »OUT1« bloka.
Slika 29: Blok »MOVE«
38 5 Programska oprema in programska koda
Komunikacijske nastavitve prikazuje Slika 30.
Slika 30: Komunikacijske nastavitve
Vsak števec prašnih delcev ima določen naslov IP, ki ga je potrebno zapisati v blok »MOVE«. V tem primeru je bil naslov IP razdeljen na štiri dele (»1. del«.»2.
del«.»3. del«.»4. del«), pri čemer je bilo potrebno vsak del posebej vnesti v svoj blok
»MOVE«. Spremenljivki »RemotePort« in »LocalPort« sta enaki za vsak števec, spremenljivka »ID« pa ima drugačno število za vsak števec posebej (npr.: WP1:
ID=10, WP2: ID=20…).
5.3.2 Omrežje 5: MB_Client
Blok »MB_CLIENT« komunicira kot odjemalec Modbus TCP preko povezave Profinet. Z njim se vzpostavi povezava med odjemalcem in strežnikom ter pošlje zahteva po Modbusu. Posledično je mogoče spremljanje odgovorov ter nadzor prekinitev povezave odjemalca Modbus TCP. Pri tem je pomembno, da ima v primeru več naprav (števcev), ki potrebujejo blok »MB_CLIENT«, vsak blok svoj podatkovni blok (DB), naslov IP in identifikacijo ID. Blok »MB_CLIENT« prikazuje Slika 31.
39
Slika 31: Blok »MB_CLIENT«
40 5 Programska oprema in programska koda
Funkcije vhodov in izhodov bloka »MB_CLIENT« so naslednje:
»REQ«: vhod, na katerega so povezane spremenljivke
»InternalBit[0,1,2,3,4,5]«, kjer je vsaka posebej predstavljena kot zahteva. Ko je katera koli zahteva klicana, se poleg nje spremenijo še
spremenljivke »MB_MODE«, »MB_DATA_ADDR«,
»MB_DATA_LEN« in »ExchData«.
»DISCONNECT«: vhod, ki nadzira povezavo. Za vsako zahtevo, ki se pošlje, je potrebno povezavo prekiniti in jo ponovno vzpostaviti za naslednjo zahtevo.
»MB_MODE«, »MB_DATA_ADDR« in »MB_DATA_LEN«: vhodi, katerih kombinacija definira kodo funkcije Modbus, uporabljeno v trenutnem sporočilu Modbus. »MB_MODE« vsebuje informacijo o zahtevi (pisanje ali branje). »MB_DATA_ADDR« vsebuje informacijo kaj je potrebno pisati ali brati in podatke o naslovu, iz katerih
»MB_CLIENT« izračuna oddaljeni naslov. »MB_DATA_LEN« vsebuje število vrednosti, ki jih je potrebno zapisati ali prebrati.
»MB_DATA_PTR«: vhod, ki deluje kot kazalec na podatkovni vmesnik za prejem podatkov iz strežnika Modbus ali pošiljanje na strežnik Modbus (Zahteve: »Začni šteti« (Slika 32), »Prenehaj šteti«, »Oceni podatke o stanju«, »Ovrednoti podatke o kanalih«).
»CONNECT«: vhod, ki vključuje vse parametre, ki so potrebni za vzpostavitev povezave.
»DONE«: izhod, ki signalizira, da je zadnje opravilo Modbus končano brez napak.
»BUSY«: izhod, ki signalizira ali je zahteva po Modbus v obdelavi ali ne.
»ERROR«: izhod, ki signalizira ali je med delovanjem prišlo do napake.
V primeru napake, se ta izpiše na izhodu »STATUS«.
»STATUS«: izhod, ki izpisuje podrobne informacije o stanju sistema.
41
Slika 32: Zahteva Začni šteti
5.3.3 Omrežje 17: Izračun prašnih delcev
Programska koda v Omrežju 17 je namenjena izračunu prašnih delcev v delovni postaji. Iz števca delcev dobimo podatek o količini delcev na enoto vzorčenja, v obliki:
𝑑𝑒𝑙𝑐𝑖 č𝑎𝑠 𝑣𝑧𝑜𝑟č𝑒𝑛𝑗𝑎,
kar pa ni oblika oz. enota podatka, ki si jo želimo. Veliko primernejša je enota, ki je v skladu s standardom ISO 14644-1, kar pomeni:
𝑑𝑒𝑙𝑐𝑖 𝑚3 .
Posledično sem moral sestaviti enačbo, s katero pretvorimo dobljen podatek v želene enote. Na voljo so bili naslednji podatki:
42 5 Programska oprema in programska koda
čas vzorčenja [s]: nastavljen na 20 s,
število delcev na čas vzorčenja [delci]: podatek, ki ga vrača števec in
pretok [m3/s]: dobljen iz podatkovnega lista naprave (2,83 l/min), ki ga pretvorimo v osnovne enote, tj., 0.0000472 m3/s, za lažje krajšanje enot v enačbi.
Enačba za pretvorbo enot, ki sem jo izpeljal, je naslednja:
60 𝑠×𝑑𝑒𝑙𝑐𝑖
(č𝑎𝑠 𝑣𝑧𝑜𝑟č𝑒𝑛𝑗𝑎)2×𝑝𝑟𝑒𝑡𝑜𝑘.
Ko se imel enačbo pripravljeno, jo je bilo potrebno pretvoriti v enačbo v bloku
»CALCULATE«. Uporabil sem štiri »CALCULATE« bloke, enega za vsak kanal števca. Implementacija enačbe je vidna na Sliki 33. Pri tem je potrebno paziti, da so vse vhodne spremenljivke podatkovnega tipa »Real«. Na izhodu bloka sem dobil želeni podatek, ki sem ga kasneje uporabil za signalizacijo na zaslonu in za potrditev, da je število prašnih delcev znotraj meje razreda ISO 6.
Slika 33: Blok »CALCULATE« in izračun
5.3.4 Omrežje 22: Primerjava tlaka
Omrežje, ki je prikazano na Sliki 34, je dokaj enostavno, ampak ključnega pomena za delovanje čiste sobe. Omrežje preverja ali je dejanska razlika tlaka
43
»DiffPressureValue« večja od nastavljene vrednosti tlaka »DiffPressureSP«. Če je ta pogoj izpolnjen, se bit spremenljivke »DiffPressureOK« postavi na 1 in s tem signalizira, da je tlak v čisti sobi ustrezen. V primeru, da ta pogoj ni izpolnjen, je posledično bit »DiffPressureOK« enak 0, kar pomeni, da je celica v napaki (razlika tlaka je nižja od nastavljene vrednosti). V tem primeru je stanje »DiffPressureOK« na vmesniku HMI prikazano z rdečo lučko. Takoj ko pride do padca tlaka v celici, se FFU-ja preklopita na maksimalno hitrost, s čimer povečata razliko tlakov.
Slika 34: Primerjava tlakov
5.3.5 Omrežje 24: Nastavljanje hitrosti FFU-jev
Hitrosti delovanja FFU-jev so odvisne od dveh načinov delovanja, in sicer način
»Stop« (»CRCheckMode«: Int=0), ki ga prikazuje Slika 35 ter način »Semi-auto«
(»CRCheckMode«: Int=1), ki ga prikazuje Slika 36.
Slika 35: »Stop« način
44 5 Programska oprema in programska koda
Logika za načinom »Stop« je dokaj enostavna, saj v tem primeru želimo, da se FFU-ja ustavita. Ustavitev se izvede tako, da se ob pritisku na katero koli od tipk
»Stop« na uporabniškem vmesniku s pomočjo bloka »Move« premakne vrednost 0 v spremenljivke »CRFFU_DB.Auto_SetPoint« in »Pre-CRFFU_DB.Auto_SetPoint«.
Ti dve spremenljivki sta ključnega pomena, saj preko njih nastavljamo hitrost delovanja FFU-jev.
Delovanje v načinu »Semi-Auto«, ki ga prikazuje Slika 36, je odvisno še od drugih pogojev, kot so »MachDoorsClosed«, kar pomeni da so vrata celice zaprta in
»CleanroomOK«, kar pomeni, da vse naprave delujejo pravilno. V primeru, da sta oba pogoja izpolnjena, program dovoljuje, da lahko spremenljivkam
»CRData.CRFFU_SpeedSP« in »Pre-CRData.CRFFU_SpeedSP« na zaslonu HMI za upravljanje FFU-jev spreminjamo hitrost delovanja. Nastavljeni vrednosti se s pomočjo bloka »MOVE« premaknejo v spremenljivke »CRFFU_DB.Auto_SetPoint«
in »Pre-CRFFU_DB.Auto_SetPoint«. V primeru, da eden ali oba pogoja nista izpolnjena, pričneta FFU-ja delovati z maksimalno hitrostjo.
45
Slika 36: »Semi-auto« način delovanja
5.3.6 Omrežje 27: Vklop/izklop turbin
Izpušne turbine delujejo vedno, kadar obratuje vsaj eden od FFU-jev. Hkrati je za njihovo delovanje nujno, da na celotni liniji ni pritisnjen gumb za zasilno ustavitev
»EStop« (Slika 38). Ko so ti pogoji izpolnjeni, se spremenljivka »ExhaustTurbines«
46 5 Programska oprema in programska koda
postavi na »1«, s čimer se vseh tri turbine na celici vklopijo. Program za vklop/izklop turbin prikazuje Slika 37.
Slika 37: Vklop-izklop turbin
Slika 38: EStop
5.4 Zaslonski prikazi na vmesniku človek stroj - HMI
Za delovanje in prikaz informacije se uporabljajo trije zasloni in glavni zaslon, ki omogoča preklapljanje med zasloni »Particle counter & pressure sensor«, »FFUs«
in »Alarms«. Za premik med zasloni so v spodnji vrstici zaslona uporabljeni dve zeleni tipki, ki ju prikazuje Slika 39. Tipki sta na voljo na vseh treh zaslonih, poleg njiju pa se nahajajo tipke »Domov«, ki odpre »Začetni zaslon«, tipka »Menu«, ki odpre meni in tipka s sivo puščico, ki odpre zadnji uporabljeni zaslon.
Slika 39: Spodnja orodna vrstica
47
Vsi zaslonski prikazi imajo enak zgornji del zaslona, kot ga prikazuje Slika 40.
V zgornjem delu se nahajajo:
Tri tipke, ki se uporabljajo za premik med zasloni in za signalizacijo, na katerem zaslonu se operater nahaja,
prikazovalnik stanja »Cleanroom OK«, ki se obarva zeleno, če so vsi pogoji delovanja ustrezni,
prikazovalnik stanja »Alarms OK«, ki se obarva zeleno, če ni nobenih aktivnih alarmov,
prikazovalnik stanja »Doors open«, ki se obarva zeleno, ko so vsa vrata na delovni postaji zaprta,
prikazovalnik delovnega načina »Stop«, ki se obarva oranžno, kadar je čista soba v mirovanju in
prikazovalnik delovnega načina »Semi-auto«, ki se obarva oranžno, kadar je čista soba v delovanju.
Slika 40: Zgornji del zaslonov
5.4.1 Začetni zaslon in meni zaslon
Vsak uporabniški vmesnik ima svoj začetni zaslon, kot prikazuje Slika 41.
Zasnova zaslonskega prikaza je odvisna od naprav in strojev, ki so uporabljene na pripadajoči delovni postaji.
48 5 Programska oprema in programska koda
Slika 41: Začetni zaslon
Na glavnih zaslonih na vseh vmesnikih lahko operater zažene, ustavi in ponastavi linijo oz. stroje. Na glavnih zaslonih je prikazanih tudi nekaj pomembnih stanj sistema. Glavni zaslon lahko uporabnik odpre s katerega koli drugega zaslona s pritiskom na gumb »Domov«. Za dostop do zaslonov, s katerimi se upravlja čisto sobo, je potrebno pritisniti na gumb »Menu«. S tem se odpre zaslonski prikaz kot ga prikazuje Slika 40. Za dostop do zaslonskih prikazov čiste sobe, je potrebno klikniti na tipko »Cleanroom control«.
Slika 42: Meni zaslon
49
5.4.2 Nadzor čiste sobe: števec prašnih delcev in diferencialni merilec tlaka Slika 43 prikazuje zaslon »Particle counter & Presssure sensor«, ki se odpre ob pritisku na tipko »Cleanroom control«.
Slika 43: Števec prašnih delcev in diferencialni merilec tlaka
Zaslonski prikaz se uporablja za nastavitve in spremljanje informacij števca prašnih delcev in merilca tlaka. Ker je zaslon uporabljen za dve napravi, je razdeljen na dva dela. Leva stran zaslona je namenjena števcu prašnih delcev, desna pa merilcu tlaka. Na levi strani so za števec prašnih delcev prikazane naslednje informacije in ukazi:
• »Size«: štirje velikostni kanali delcev: 0,3 µm, 0,1 µm, 3 µm in 5 µm,
• »Particles/m3«: količina delcev, glede na njihovo velikost, na kubični meter,
• »Max. particles/m3«: največja sprejemljiva količina delcev, ki se lahko ureja s pritiskom na bel kvadrat,
• »OK«: zelena lučka označuje, da je vrednost »Particles/m3« nižja od največje sprejemljive vrednosti »Max. Particles/m3«,
• »ISO«: prikazuje najvišji razred ISO vseh kanalov,
• “Seq .:”: prikazuje, v katerem koraku je sekvenca,
• tipka »Read seq. Reset«: ponastavi sekvenco,
• tipka »Particle counter reset«: ponastavi števec prašnih delcev,
• tipka »Particle counter diagnostics«: odpre zaslon »Particle counter diagnostics« in
