Fakulteta za elektrotehniko
Gašper Veselič
Robotska celica za manipulacijo in kontrolo kakovosti brizganih kosov
Diplomsko delo
Mentor: doc. dr. Janez Podobnik, univ. dipl. inž. el.
Ljubljana, 2021
Zahvala
Najprej bi se rad zahvalil mentorju, profesorju Janezu Podobniku za strokovno pomoč pri izdelavi diplomskega dela.
Iskrena zahvala gre podjetju Blubit, d. o. o., ter mentorju v podjetju Juretu Glaviču za nasvete in podano praktično znanje.
Zahvala gre tudi staršem, ki so mi omogočili študij in me pri tem ves čas podpirali.
Zahvaljujem pa se tudi sodelavcem Martinu Grumu in Jerneju Ilarju za praktične nasvete ter Joštu Grumu za razlago pri konstrukciji.
Kazalo vsebine
1. Uvod 1
2. Robotska celica 3
2.1 Zgradba ... 3
2.1.1 Brizgalna naprava KraussMaffei ... 5
2.1.2 Naprava za laserski odrez dolivkov ... 6
2.1.3 Robot Kuka KR50 R2500 ... 6
2.1.4 Mesto za odlaganje odrezanih kosov – Buffer ... 8
2.1.5 Naprava za preverjanje pravilnega tona svetlobe – Color check ... 9
2.1.6 Naprava za kontrolo vizualne kakovosti – Deco check ... 10
2.1.7 Mesto za odlaganje slabih kosov ... 10
2.1.8 Naprava za manipulacijo plastičnih zabojev – Trayfeeder ... 11
2.2 Delovanje ... 12
2.3 Ograja z varnostnimi vrati na robotski celici ... 13
3. Zgradba elektroomare 17 3.1 Programsko okolje EPLAN Electric P8 ... 17
3.2 Elektronačrt ... 17
3.2.1 Osnovni podatki za načrtovanje elektronačrta... 17
3.2.2 Električni dovod ... 22
3.2.3 Usmerjanje izmenične napetosti ... 26
3.2.4 EMC zaščita komunikacijskih kablov ... 28
3.2.5 Krmilni sistem ... 30
3.3 Varnost s stališča uporabnika ... 33
3.3.1 Varnostni krmilnik Siemens Profisafe ... 35
3.3.2 Varnostni rele Sick ... 36
3.4 Termične razmere v elektroomari ... 38
3.4.1 Vzdrževanje želene temperature s pomočjo ventilatorja in zračne rešetke ... 39
3.4.2 Hlajenje elektroomare... 40
3.4.3 Ogrevanje elektroomare ... 41
3.4.4 Simulacija temperature v elektroomari ... 41
4. Komunikacija v robotski celici 47 4.1 Industrijska povezava Profinet ... 48
4.1.1 Naslavljanje naprav v omrežjih Profinet ... 48
4.2 Industrijska povezava EtherCAT ... 49
4.3. Komunikacija z brizgalno napravo ... 50
4.3.1. Varnost robota pri komunikaciji z brizgalno napravo ... 50
5 Zaključek 55
Literatura 57
Kazalo slik
Slika 1 Tloris robotske celice. ... 4
Slika 2 Brizgalna naprava plastike proizvajalca KraussMaffei [2]. ... 5
Slika 3 Naprava za laserski odrez dolivkov. ... 6
Slika 4 Industrijski robot Kuka KR50 R2500 [3]. ... 7
Slika 5 Krmilna omara z učno enoto [4]. ... 7
Slika 6 Delovni prostor robota [3]. ... 8
Slika 7 Odlagališče brizganih kosov. ... 8
Slika 8 Napravi za merjenje pravilnega tona svetlobe. ... 9
Slika 9 Barvni senzor MFA-5 s priključenimi optičnimi vodniki [5]. ... 10
Slika 10 Naprava za manipulacijo plastičnih zabojev - "Trayfeeder". ... 11
Slika 11 Diagram poteka manipulacije kosov v robotski celici. ... 12
Slika 12 Robotska celica z varnostno ograjo. ... 13
Slika 13 Varnostna ključavnica Euchner MGB-AR [6]. ... 14
Slika 14 Varnostna ključavnica Keyence GS0171P. ... 15
Slika 15 Glavno napajanje robotske celice. ... 22
Slika 16 Izklopne I/t karakteristike inštalacijskih odklopnikov. ... 24
Slika 17 Stikalni napajalnik SITOP PSU6200 (levo) in enosmerna varovalka SITOP SEL1400 (desno). ... 26
Slika 18 Enosmerno napajanje naprave. ... 27
Slika 19 Diagram usmerjanja napetosti. ... 28
Slika 20 Primer pravilne in napačne postavitve kablov v energetskem kanalu [7]. .. 29
Slika 21 Zgradba krmilja. ... 31
Slika 22 CPU Simatic S7-151F-2PN [9]. ... 31
Slika 23 Vmesni modul Simatic ET200SP [10]. ... 32
Slika 24 Vmesnik človek stroj [11]. ... 33
Slika 25 Kombinirano zaščitno stikalo Schrack [12] ... 34
Slika 26 Vhodni in izhodni varnostni modul Siemens Profisafe [14]. ... 35
Slika 27 Varnostni rele Sick. ... 37
Slika 28 Poenostavljen prikaz delovanja dveh varnostnih relejev. ... 38
Slika 29 Termostat proizvajalca Rittal [15]. ... 40
Slika 30 Primer hladilne enote, ki se montira na vrh elektroomare [16]. ... 40
Slika 31 Grelna enota z ventilatorjem[17]. ... 41
Slika 32 Ustvarjanje novega projekta v programu Therm 6.7. ... 42
Slika 33 Vnašanje informacije o temperaturi in priključni napetosti v programu
Therm 6.7. ... 42
Slika 34 Izbira vrste in velikosti ohišja ter način montaže v programu Therm 6.7. .. 43
Slika 35 Potrditev izbire ohišja v programu Therm 6.7. ... 43
Slika 36 Izbira hladilnih oz. grelnih elementov v programu Therm 6.7. ... 44
Slika 37 Možnost izbire dodatnih komponent v programu Therm 6.7. ... 44
Slika 38 Povzetek vnesenih podatkov v programu Therm 6.7. ... 45
Slika 39 Vrste komunikacij med posameznimi napravami. ... 47
Slika 40 Industrijsko omrežno stikalo Siemens. ... 48
Slika 41 Primer različno naslovljenih naprav v istem lokalnem omrežju Profinet [18]. ... 49
Slika 42 Struktura protokola EtherCAT [20]. ... 50
Slika 43 Konektorja "X27" in "E67" na krmilni omari robota 1. ... 51
Slika 44 Varnostni signali med glavno elektroomaro in krmilno enoto robota 1. ... 52
Slika 45 Euromap 67 konektor [22]. ... 53
Slika 46 Euromap 78 konektor [23]. ... 54
Seznam uporabljenih kratic
KRATICA ANGLEŠKO IME SLOVENSKO IME
I/O input/output vhod/izhod
IP Internet Protocol Internetni Protokol MAC Media Access Control Strojni naslov
PMMA Poly Methil
Metacrylate
Poli metil metakrilat
EMC Elekctromagnetic
Compatibility
Elektromagnetna združljivost EMI Elekctromagnetic
Interference
Elektromagnetna interferenca PLC Programmable logic
controller
Programirljivi logični krmilnik
HMI Human Machine
Interface
Vmesnik človek stroj
EDM External device
monitoring
Nadzor zunanjih naprav
IEC International
electrotehnical commision
Mednarodna elektrotehniška
komisija
OSSD Output Signal
Switching Device
Preklopna stikalna naprava izhodnih
signalov EMO Emergency Machine
Off
Zasilno stikalo v primeru nevarnosti EtherCAT Ethernet for Control
Automation Technology
Protokol Ethernet za kontrolo v avtomatizaciji
Povzetek
V zadnjih desetletjih so se robotski sistemi uveljavili v številnih industrijskih procesih kot nepogrešljiv del moderne, ekonomične in človeku prijazne tehnologije.
Brez robotskih manipulatorjev si več ne znamo predstavljati sodobne industrije, saj je potreba po količini izdelkov in ponovljivosti dandanes na prvem mestu. Tako so robotski sistemi na nekaterih delovnih mestih v industriji že skoraj popolnoma izpodrinili ročno delo.
Robotska celica za manipulacijo in kontrolo kakovosti brizganega kosa je bila v celoti razvita v podjetju Blubit, d. o. o., ki se ukvarja z razvojem, projektiranjem in izdelavo namenskih strojev in naprav na področju avtomatizacije in robotizacije delovnih procesov.
V diplomskem delu je predstavljeno načrtovanje in izdelava robotske celice za manipulacijo brizganih kosov med brizgalno napravo plastike in drugimi napravami za kontrolo kakovosti in avtomatskega sortiranja kosov v zaboje. V drugem poglavju je opisano delovanje in opis vseh sodelujočih naprav. V tretjem poglavju delo zajema razvoj z vidika elektronačrtovanja, v četrtem poglavju so opisani komunikacijski sistemi v tej robotski celici. Predstavljeno je tudi dimenzioniranje industrijske elektroomare ter varnost s stališča uporabnika.
Ključne besede: Robotika, robot, manipulator, robotska celica, varnost, industrija, elektronačrt, komunikacija
Abstract
In recent decades, robotic systems have establish themselves in many industrial processes as an essential part of modern, economical and human-friendly technology.
Without robotic manipulators, we can no longer imagine a modern industry, as the need for product quantity and quality comes first today. Thus, robotic systems have in some industrial processes almost completely replaced manual labor.
The robotic cell for manipulation and quality control of the injection molded part was fully developed in the company Blubit d.o.o., which develops, designs and manufactures dedicated machines and devices in the field of automation and robotization of work processes.
The diploma thesis presents the design and manufacture of a robotic cell for the manipulation of injection molded parts between the plastic injection device and other devices for quality control and automatic sorting of parts into boxes. The second chapter describes the operation and description of all included devices. In the third chapter the work covers the development of electrical design, in the fourth chapter the communication systems in this robotic cell are described. The dimensioning of the industrial electrical cabinet and safety from the user's point of view are also presented.
Key words: Robotics, robot, manipulator, robot cell, safety, industry, electrical plan, communication
1
1. Uvod
V današnjih časih se je zahteva po avtomatizaciji proizvodnih procesov z velikim številom končnih izdelkov povečala, saj lahko tako podjetja, ki proizvajajo izdelke ali polizdelke, ponudijo svojim kupcem veliko količino in ponovljivost končnih produktov, hkrati pa lahko vedno dosegajo enako kakovost izdelka in s tem konkurirajo na trgu.
Ena izmed najbolj razširjenih metod oblikovanja plastičnih materialov je proces, imenovan brizganje. Izvaja se z brizgalnimi napravami. Sam proces brizganja plastičnih mas omogoča masovno proizvodnjo, plastična masa v obliki zrnc se stali in vlije v kalup. Ko se kalup ohladi dovolj, se masa strdi in kalup se lahko odpre. S tem procesom dobimo popolnoma enake izdelke [1].
Ker pa vseeno obstaja možnost, da pri procesu brizganja pride do minimalnih odstopanj pri geometriji in prosojnosti izdelka, je bilo treba razviti napravo za preverjanje kakovosti brizganih kosov.
V podjetju Blubit d.o.o. smo za našega naročnika razvili robotsko celico, ki bo zagotavljala manipulacijo in kontrolo kakovosti brizganih kosov in jih na koncu razvrstila v namenske plastične zaboje.
Cilj diplomskega dela je bil prikaz delovanja robotske celice in opis projektiranja po zahtevah naročnika. Predstavljena je bila robotska celica in potek dimenzioniranja industrijske elektroomare, najbolj pogosto uporabljene vrste komunikacij v industriji ter varnost s stališča uporabnika in samih naprav.
3
2. Robotska celica
2.1 Zgradba
Robotska celica za manipulacijo in kontrolo brizganega kosa (slika 1) je sestavljena iz:
▪ dveh robotov KUKA KR50 (Robot 1, robot 2),
▪ naprave za laserski odrez dolivkov,
▪ dveh odlagalnih mest odrezanih kosov (Buffer 1, Buffer 2),
▪ dveh naprav za kontrolo barv skozi brizgan kos (Color check 1, Color check 2),
▪ dveh naprav za kontrolo vizualne kakovosti brizganega kosa (Deco check 1, Deco check 2),
▪ mesta za odlaganje slabih kosov,
▪ dveh naprav za manipulacijo plastičnih zabojev (Trayfeeder) in
▪ varnostne ograje z dvojimi varnostnimi vrati (Varnostna vrata 1, Varnostna vrata 2).
Slika 1 Tloris robotske celice.
2.1.1 Brizgalna naprava KraussMaffei
Brizgalna naprava proizvajalca KraussMaffei za dodajni material pri brizganju uporablja granulat določene barve in vrste materiala. Gre za dvokomponentno brizganje, pri katerem je uporabljen dodajni material poli metil metakrilat (PMMA), ki mu pogovorno rečemo pleksisteklo.
Slika 2 Brizgalna naprava plastike proizvajalca KraussMaffei [2].
Najprej je treba plastično maso v obliki zrnc staliti, nato s pomočjo temperature in pritiska sledi oblikovanje in brizganje v kalup, ki omogoči, da vbrizgana masa zadrži obliko. Brizganje plastike se začne s podajanjem plastične mase v stroj skozi lijak, od tam drsi v brizgalni cilinder z zunanjimi grelci in polžem. Pri vstopu v cilinder doseže zahtevano temperaturo taljenja, po navadi pa je tu dovolj staljene mase za več vbrizgov. Plošči brizgalke, ki sta ena fiksna in ena gibljiva, s pomočjo zaporne sile potiskata orodje skupaj [1].
2.1.2 Naprava za laserski odrez dolivkov
Robot v napravo za laserski odrez dolivkov položi sveže brizgane kose, ki so ohlajeni na temperaturo približno 85 ºC.
Slika 3 Naprava za laserski odrez dolivkov.
Vsak kos se pred odrezom slika s kamero, ki je soosna z izvorom laserja.
Kamera je montirana na linearni enoti nad orodjem, ki laserju pove točno pozicijo kosa glede na njegovo referenčno točko. Pri odrezu z laserskim žarkom se zaradi toplote ustvarjajo tudi odvečni plini, ki se odstranijo s sesalcem, ki je postavljen za napravo. Odrezani kosi prosto padejo na tekoči trak in pridejo ven iz stroja.
2.1.3 Robot Kuka KR50 R2500
Kuka KR50 R2500 je industrijski robot srednje velikosti s 6 prostostnimi stopnjami. Največji doseg robota znaša 2500 mm, največja obremenitev pa 61 kg.
Teža robota je 559 kg.
Slika 4 Industrijski robot Kuka KR50 R2500 [3].
Krmilna omara robota Kuka KR C4 skrbi za vse robotske premike ter povezavo med robotom in učno enoto.
Slika 5 Krmilna omara z učno enoto [4].
Pri izbiri primernega robota smo morali biti poleg njegove maksimalne obremenitve pozorni na doseg in trajektorijo gibanja. V programu za 3- dimenzionalni izris je bilo treba narediti simulacijo in se prepričati, ali lahko z določeno postavitvijo robota in naprav dosežemo vse želene točke. Pri simulaciji je bil upoštevan delovni prostor robota, na sliki 6.
Slika 6 Delovni prostor robota [3].
2.1.4 Mesto za odlaganje odrezanih kosov – Buffer
Na odlagališču odrezanih kosov so na ploščo iz aluminija pritrjena plastična gnezda za brizgane kose. Zaradi različnih prijemal na obeh robotih uporabljamo vmesno odlagališče za namen preprijemanja kosov.
Slika 7 Odlagališče brizganih kosov.
2.1.5 Naprava za preverjanje pravilnega tona svetlobe – Color check
Color check je pri naročniku sestavljen iz standardne naprave in orodja, na katerem so gnezda za specifičen izdelek. To pomeni, da lahko naročnik to orodje nadomesti s katerim drugim in tako napravo uporablja za kontrolo kakovosti popolnoma drugačnih kosov (slika 8, levo).
Na napravi je na zahtevo naročnika uporabljeno krmilje proizvajalca Mitsubishi L06CPU-P z napajalnikom in dodatnimi enotami V/I. Omenjen krmilnik pa ne podpira komunikacijskega protokola Profinet, zato moramo z njim komunicirati preko V/I enot (vrste komunikacij med napravami so opisane v poglavju 4).
Color check (slika 8) ima na svojem orodju tiskano vezje z namenskimi LED- diodami, ki za kratek čas posvetijo skozi brizgan kos s spodnje strani. Na vrhu vsakega brizganega kosa pa imamo 4 točke (skupaj 16) za zaznavanje pravilnega tona svetlobe.
Slika 8 Napravi za merjenje pravilnega tona svetlobe, levo brez orodja in desno z orodjem.
Pravilen ton svetlobe zaznavamo s pomočjo namenskih barvnih senzorjev MFA-5 (slika 9) proizvajalca Micro-Epsilon. Za merilna mesta so uporabljene leče, ki svetlobo zajamejo in jo nato preko optičnega vodnika pošljejo do barvnega senzorja. Ta informacijo o svetlobi pretvori v električni signal in ga pošlje krmilniku.
Slika 9 Barvni senzor MFA-5 s priključenimi optičnimi vodniki [5].
Ko naprava dokonča svoj cikel, barvni senzor MFA-5 preko komunikacije RS 232 sporoči krmilniku, ali gre za dobro ali slabo brizgan kos. Krmilnik to informacijo sporoči robotu.
2.1.6 Naprava za kontrolo vizualne kakovosti – Deco check
Pravilno barvo in prosojnost brizganega kosa smo preverili s Color checkom, vizualno kakovost pa bomo preverili z Deco checkom.
Včasih se je vizualna kakovost kosa pregledovala ročno, kar je bilo za proizvodni proces zamudno opravilo. Odvisno je bilo tudi od osebe, ki je kos pregledala, tako da kontrola ni bila vedno enaka.
V robotsko celico se bo tako dodala naprava, ki bo s pomočjo strojnega vida pregledala brizgan kos. Možnosti za vizualne napake je več, v prvi vrsti se bo v vsakem ciklu preverjal laserski odrez, saj je tveganje za napako zaradi majhnih toleranc pri odrezu tukaj najvišja. Med drugim pa lahko napake nastanejo tudi pri brizganju (mehurčki v samem kosu, kos se ne nabrizga do konca) in manipulaciji (odlom dela brizganega kosa, praske).
2.1.7 Mesto za odlaganje slabih kosov
V proizvodnem procesu je možnosti za napako na samem kosu več. Do napak lahko pride že v procesu brizganja (pregret, deformiran kos), pri laserskem odrezu (prešibak, premočan odrez ali odrez zunaj tolerančnega območja) ali pri manipulaciji (odlom dela brizganega kosa, praske).
Mesto za odlaganje slabih kosov je zato v diagramu poteka postavljeno tik pred končnim zlaganjem v škatle.
2.1.8 Naprava za manipulacijo plastičnih zabojev – Trayfeeder
Trayfeeder (slika 10) je naprava, v katero upravljavec stroja naloži dvakrat po 3 prazne plastične zaboje. Naprava nato s pomočjo tekočih trakov in pnevmatskih cilindrov te zaboje fizično loči, da lahko robot v vsak posamezni zaboj odloži dobre brizgane kose. Na koncu se zaboji spet zložijo v prvotno stanje in se po tekočem traku pripeljejo do upravljavca stroja.
Slika 10 Naprava za manipulacijo plastičnih zabojev - Trayfeeder.
Opisane naprave z obema robotoma tvorijo robotsko celico, ki torej poskrbi za obdelavo ter kontrolo kakovosti brizganja, izmet slabo brizganih kosov ter avtomatsko zlaganje dobrih brizganih kosov v plastične zaboje.
2.2 Delovanje
Diagram poteka manipulacije in kontrole kosov je natančno določen in prikazan na sliki 11.
Slika 11 Diagram poteka manipulacije kosov v robotski celici.
Robotska celica z dvema enakima robotoma Kuka KR50 (robot 1, robot 2) je načrtovana tako, da prvi robot iz brizgalne naprave pobere sveže brizgane kose in jih odnese v napravo za laserski odrez dolivkov, ki ostanejo pri brizganju samega kosa.
Ko naprava za laserski odrez dolivkov dokonča svoj cikel, robot 1 vzame odrezane kose in jih položi v za to namenjeno odlagališče imenovano Buffer. Robot 2 nato preveri signal naprave za laserski odrez. Če so kosi dobri, jih odnese v napravo
za kontrolo barv skozi brizgan kos – Color check. Če je šlo pri laserskem odrezu kaj narobe, jih odnese na mesto za odlaganje slabih kosov.
Dobro odrezane kose najprej preveri Color check. Cikel zaklepa, testne svetlobe in branja svetlobe skozi brizgan kos traja 5 sekund. Če kos ni prave barve ali nima prave prosojnosti, ga robot 2 odnese na mesto za odlaganje slabih kosov, sicer pa v Deco check.
Cikel pri Deco checku je podoben, le da se tukaj iščejo vizualne napake. Če je kos dober, ga robot 2 odnese v trayfeeder, sicer pa v mesto za odlaganje slabih kosov.
2.3 Ograja z varnostnimi vrati na robotski celici
Ker v robotski celici nastopa več aktuatorjev, ki so lahko za upravljavca nevarni, je celica ograjena z varnostno ograjo (slika 12). Varnostna ograja nam tako omogoči, da smo med avtomatskim ciklom na varni razdalji od nevarnih gibljivih delov.
Zaradi potreb po servisiranju, morebitnih napak ipd. moramo občasno poseči v območje robotske celice.
Slika 12 Robotska celica z varnostno ograjo.
V ta namen imamo na ograji dvoja varnostna vrata, vsaka s svojo varnostno ključavnico. Na prva vrata v robotski celici je montirana varnostna ključavnica Euchner (slika 13), ki je dobavljena s stikalom za izklop v sili in še dvema dodatnima tipkama.
Slika 13 Varnostna ključavnica Euchner MGB-AR [6].
Obe tipki lahko uporabimo po želji, v našem primeru sta bili uporabljeni za:
1. Rumena - odpri vrata: V robotsko celico ne moremo vstopati, kadar si želimo, saj bi v takem primeru nekatere naprave zaustavili sredi cikla, zaradi česar je potem onemogočeno nadaljevanje delovanja naprav. V takem primeru bi bilo treba ročno odstraniti kose, napravo resetirati in jo pripraviti na ponovni začetek cikla. To je sprejemljivo samo ob pritisku na tipkalo za izklop v sili.
Ob pritisku rumene tipke se ni zgodilo nič nujnega, za kar bi morali nemudoma ukrepati. Robotska celica sprejme signal in počaka z odklepanjem vrat toliko časa, da vse naprave dokončajo svoj cikel ter da se robot varno zaustavi. Ko so vse naprave in roboti v mirovanju, se ključavnica odklene.
2. Bela - start: Ko izstopimo iz robotske celice in zapremo varnostna vrata, se le ta s ključavnico zaklenejo. S pritiskom te tipke torej potrdimo zaprtje varnostnih vrat robotske celice tako, da pošljemo signal vsem napravam.
Signal te tipke pošljemo tudi na brizgalno napravo.
Druga varnostna ključavnica je zaradi prostorske stiske in s tem fizično ožjih vrat drugačna. Izbrali smo varnostno ključavnico proizvajalca Keyence GS0171P (slika 14).
Ključavnica je prvotno namenjena zaklepanju oz. odklepanju varnostnih vrat, omogoča pa tudi detekcijo odpiranja/zapiranja varnostnih vrat na napravi, skozi katera lahko opravljamo servis naprave ipd. V našem primeru smo ključavnico uporabili za varnostna vrata v robotski celici. Za razliko od ključavnice Euchner, ta nima kljuke – to pomeni, da se vrata lahko sama zaprejo zaradi slabe postavitve vrat, ali pa jih lahko nekdo po pomoti potisne. Če pride do situacije, da je operater v tem času znotraj robotske celice, lahko še vedno izstopi, saj imata obe ključavnici dodano možnost »escape release«, ki omogoči izhod iz robotske celice tudi v primeru, če so vrata že zaklenjena.
Slika 14 Varnostna ključavnica Keyence GS0171P.
Z nekaj dodelavami je lahko uporaba te ključavnice primerna za našo aplikacijo. H ključavnici je tako treba dodati tipko, s katero potrjujemo, da smo vrata zaprli. Tako ne more pridi do napake zaradi slabe postavitve vrat ali pomote mimoi
dočega.
17
3. Zgradba elektroomare
3.1 Programsko okolje EPLAN Electric P8
Pri gradnji vsake električne naprave je poleg konstrukcije same naprave prav tako pomembno tudi elektronačrtovanje. Programsko okolje EPLAN Electric P8 nam omogoča načrtovanje in urejanje enopolnih in večpolnih električnih shem, ki se kasneje uporabijo pri ožičenju in vezavi vsakega stroja. Načrtujemo lahko sheme celotnih električnih sistemov, od glavnega napajanja pa vse do krmilja tega sistema.
Vsak posamezni element se v programsko okolje EPLAN doda na podlagi kataloške številke proizvajalca. Kataloško številko elementa vnesemo v iskalnik EPLAN Data Portal in nato podatke uvozimo v program. Tako lahko dobimo informacijo o električnem simbolu izbranega elementa in njegovih karakteristikah.
Če elementa, ki ga želimo uporabiti, ni v bazi podatkov, ga lahko kreiramo sami.
Določiti mu je treba glavne lastnosti, priključne sponke, povezave in fizično velikost.
Nato ga shranimo kot makro in do njega dostopamo iz kateregakoli projekta.
3.2 Elektronačrt
3.2.1 Osnovni podatki za načrtovanje elektronačrta
3.2.1.1 Zbiranje vseh sodelujočih naprav
Pri razvoju robotske celice upoštevamo naročnikove želje in zahteve. V tem primeru je bilo treba narediti robotsko celico s primerno postavitvijo robotov in naprav za optimalno manipulacijo brizganega kosa med napravami.
Naprave v celici so morale izvajati naslednje operacije:
1) Odrez dolivkov pri brizganju:
Ker se je rezanje odvečnega materiala pri brizganju z laserskim žarkom v preteklosti izkazalo kot dobro, je bila tudi v naši aplikaciji za odrez dolivkov razvita naprava z laserjem.
2) Preverjanje pravilne barve in moči svetlobe skozi brizgan kos:
Naročnikova zahteva je bila, da se uporabi standardna naprava z namenskim orodjem za to aplikacijo. Razviti je bilo treba orodje s senzorji za zaznavanje pravilne barve in moči svetlobe skozi brizgan kos.
3) Preverjanje vizualne kakovosti brizganega kosa:
Napake na brizganih kosih lahko preverimo s kamero. V ta namen je bilo treba razviti napravo s kamero in ležiščem za vsak kos posebej.
4) Mesto za slabe kose:
Ker lahko pride do napak pri brizganju, je bilo treba predvideti tudi mesto v robotski celici, kamor bo robot zlagal slabe kose.
5) Zlaganje dobrih brizganih kosov v plastične zaboje:
Po želji naročnika je bila razvita naprava za manipulacijo s plastičnimi zaboji. Cilj je bil, da se pri razvoju naprave vanjo zloži več plastičnih zabojev naenkrat in da robot v vsakega posebej odloži brizgane kose.
Upravljavcu stroja tako ne bo treba biti vedno ob stroju.
Poleg tega je naročnik postavil zahtevo tudi po časovnem ciklu. Ker je zaradi prostorske stiske na eni standardni napravi nemogoče preveriti vse kose v ciklu hkrati, smo naredili dve napravi za barvno kontrolo ter dve napravi za vizualno kontrolo.
Izbira robotov, primernih za našo aplikacijo, se je lahko določila šele na koncu, ko so bili znani vsi točni položaji naprav (doseg robota) in približna končna teža prijemala (maksimalna obremenitev robota).
3.2.1.2 Izbira komunikacijskega protokola med napravami
V robotski celici imamo glavno elektroomaro s krmiljem, ki skrbi za komunikacijo med preostalimi napravami in roboti. Vsaka naprava robotski celici
ima svoje krmilje, da je sposobna izvajati logične operacije in komunicirati z zunanjo napravo.
Glede na krmilje vsake posamezne naprave je bilo treba pri vsaki določiti komunikacijski protokol z glavnim krmilnikom.
Če je imela naprava možnost komunikacije preko protokola Profinet, smo ga zaradi enostavnosti in zanesljivosti tudi uporabili. V nasprotnem primeru se je uporabila komunikacija preko modulov V/I, protokola EtherCAT ali standarda Euromap (več o komunikaciji v robotski celici je zapisano v poglavju Komunikacija v robotski celici).
V primeru komunikacije prek modulov V/I se moramo s programerjem posvetovati, koliko povezav potrebujemo. Takšna vrsta komunikacije je zanesljiva, vendar je naknadno težko spreminjati število povezav.
3.2.1.3 Uporabljeni elementi
Vsako podjetje si prizadeva uporabljati elemente določenih proizvajalcev, saj so s tem naprave v proizvodnji bolj poenotene, kar za podjetje v prihodnosti pomeni lažje servisiranje ter zmanjšanje skladiščenja in dobaviteljev rezervnih delov.
Pri načrtovanju naprave moramo biti tako pozorni, da bo vsebovala elemente (krmilniki, releji, cilindri, senzorji, elektromotorji …) proizvajalcev, ki so navedeni v zahtevniku naročnika.
3.2.1.4 Določitev izvedbe varnosti
Pri določanju izvedbe varnosti moramo natančno vedeti, ob katerih pogojih lahko roboti ali naprave nemoteno delujejo in ob katerih se morajo brezpogojno zaustaviti, da dosežemo zahtevan nivo varnosti za uporabnika in vse sodelujoče naprave. Avtomatsko delovanje robotske celice in s tem vsake naprave ter robotov lahko ustavimo na dva načina:
▪ Pritisk tipkala za izklop v sili – Nujna zaustavitev robotov in vseh naprav, ne glede na to v katerem položaju so.
▪ Pritisk tipke pri varnostnih vratih za vstop v robotsko celico – za potrebe servisiranja, čiščenja, nastavljanja ipd. uporabimo zaustavitev
avtomatskega delovanja z odprtjem vrat robotske celice, saj ne gre za nič nujnega.
Zaradi velikega števila zunanjih naprav smo se v glavni elektroomari odločili uporabiti varnostni krmilnik, katerega varnost deluje na protokolu Profisafe. Ta je od navadnih varnostnih relejev bolj primeren, saj imamo za nadzor zunanjih naprav več možnosti, med drugim lahko preko tega protokola varnost pogojujemo enemu izmed robotov.
V preostalih napravah pa so bili zaradi manj kompleksne varnosti uporabljeni varnostni releji, ki pa vseeno zagotavljajo enak nivo varnosti kot varnostni krmilnik v glavni elektroomari.
Varno delovanje z brizgalno napravo je določeno v komunikacijskem protokolu Euromap (opisan v poglavju Varnost robota pri komunikaciji z brizgalno napravo). Izpolniti je bilo treba vse pogoje, ki jih za delovanje potrebuje brizgalna naprava in prav tako upoštevati vse pogoje, ki jih moramo za varno pobiranje brizganih kosov od brizgalne naprave dobiti.
3.2.1.5 Uskladitev s konstruktorjem naprav
Vsak razvoj naprave se najprej začne pri konstrukciji, kjer konstruktor izdela 3- dimenzionalni model robotske celice oziroma naprave z znanim potekom delovanja.
Usklajevanje mora biti končano pred montažo in poteka v več vidikih:
▪ Usklajevanje glede vrste uporabljenih senzorjev ter njihove postavitve:
V prvem koraku se moramo z vidika elektronačrtovanja s konstrukcijo uskladiti glede vrste uporabljenih senzorjev. Konstruktor nam poda vrsto materiala, ki ga moramo zaznavati, ter oddaljenost materiala od mesta montaže senzorja. Naša naloga je, da na podlagi teh informacij določimo primeren senzor in konstruktorju podamo tip senzorja, iz katerega lahko razbere njegove gabarite ter način montaže.
V industriji za razne premike ali rotacije skrbijo pnevmatski cilindri, katerih položaj zaznavamo z magnetnimi senzorji. Za vsak izbran cilinder je s strani proizvajalca predviden tip magnetnega senzorja.
▪ Uporaba senzorskih distributorjev:
Za lažjo organizacijo poteka kablov lahko uporabimo tudi senzorske distributorje, da nam ni treba vsakega senzorja posebej priklopiti na napajanje.
Slika 15 Senzorski distributor
Tip distributorja posredujemo konstruktorju, iz katerega lahko pridobi pozicijo montažnih lukenj, usmeritev kabla ter velikost samega distributorja.
▪ Razdelilno mesto:
Če imamo kjerkoli v robotski celici ali na stroju potrebo po razdelilnem mestu, moramo definirati velikost in vrsto tega razdelilnega mesta (npr.
razdelilna doza).
▪ Povezave med napravami:
V robotski celici je za povezavo med posameznimi napravami treba razpeljati kable. Naša naloga je, da konstruktorju definiramo količino kablov med posameznimi napravami in posledično želen presek kabelskega kanala, kabelske police, pohodnega kanala ipd. Če je treba, moramo prav tako definirati ustrezno razdaljo med napajalnimi in komunikacijskimi kabli. S tem predvidimo večji kabelski kanal ali kabelsko polico (več o razdalji in morebitnih motnjah v poglavju »EMC zaščita komunikacijskih kablov«).
3.2.1.6 Uskladitev s programerjem naprave
Uskladitev med konstruktorjem naprave in elektronačrtovanjem se mora na koncu uskladiti tudi s programerjem, ki mora biti prav tako seznanjen s potekom delovanja naprave, uporabljenimi senzorji ter aktuatorji.
Uskladitev elektronačrtovanja s programerjem pa je najbolj pomembna pri izbiri krmilja. Pri glavnem krmilniku moramo poleg zahteve naročnika upoštevati tudi programerja, da se izbere dovolj sposoben krmilnik.
3.2.2 Električni dovod
Ko imamo na električni napravi znane vse porabnike, se lahko osredotočimo na električni dovod. Naročniku definiramo napajalno napetost in priključno moč naše naprave. Definirati moramo tudi velikost in tip varovalke oz. inštalacijskega odklopnika, ki bo varoval napravo.
Slika 16 Glavno napajanje robotske celice.
3.2.2.1 Izračun porabe celotne robotske celice
Izračuna porabe v robotski celici se bomo lotili tako, da bomo sešteli vse maksimalne trenutne moči glavnih porabnikov – to sta oba robota in naprave, ki sodelujejo v celici.
Naprava v robotski celici (porabnik) Priključna moč [VA]
Robot 1 13500
Robot 2 13500
Naprava za laserski odrez 4000
Color check 1 300
Color Check2 300
Trayfeeder 1 1400
Trayfeeder 2 1400
Skupaj: 34400
Tabela 1 Priključne moči porabnikov v robotski celici.
Skupna poraba vseh naprav v robotski celici znaša torej 34400 VA. Za izračun maksimalnega toka, ki lahko steče po posamezni fazi uporabimo enačbo:
𝑃 = 𝑈 ∙ 𝐼 ∙ 𝑐𝑜𝑠φ ∙ √3 (1) Iz te enačbe izpostavimo tok I in vnesemo podatke v enačbo. Za faktor moči cosφ vzamemo 1, ker smo že pri izračunu same naprave upoštevali skupno instalirano moč S [VA]. Priključna napetost je medfazna, torej 400 V.
𝐼 =
𝑃U ∙ 𝑐𝑜𝑠φ ∙ √3 (2)
𝐼 =
34400 𝑊400 𝑉 ∙ 1 ∙ √3 (3)
𝐼 = 49,71 𝐴 (4)
Izračunan tok je maksimalni trenuten tok, ki lahko steče po posamezni fazi iz električnega dovoda. Ker smo glede na časovni diagram poteka v robotski celici prepričani, da bo do takšnega dovodnega toka prišlo zgolj za nekaj sekund, lahko vzamemo inštalacijski odklopnik z manjšim nazivnim tokom od maksimalnega
trenutnega toka, ampak s počasnejšo karakteristiko odklopa. Izbiro lahko vidimo na grafu.
Slika 17 Izklopne I/t karakteristike inštalacijskih odklopnikov.
Odločili smo se za inštalacijski odklopnik z izklopno karakteristiko C in nazivnim tokom 40 A.
Smiselno je izračunati tudi faktor istočasnosti fi, ki je razmerje med največjo trenutno močjo in inštalirano močjo. Faktor istočasnosti naj bi bil vedno manjši od 1, v našem primeru pa bo gotovo večji, saj je inštalirana moč zaradi izbranega odklopnika manjša kot največja trenutna moč.
Preden izračunamo faktor istočasnosti, moramo na podlagi izbrane varovalke določiti inštalirano moč:
𝑃𝑖 = 𝑈 ∙ 𝐼 ∙ 𝑐𝑜𝑠φ ∙ √3 (5) 𝑃𝑖 = 400 ∙ 40 ∙ 1 ∙ √3 (6)
𝑃𝑖 = 27712,81 𝑊 (7)
Ker je za izračun inštalirane moči cosφ enak 1, lahko trdimo, da znaša skupna inštalirana moč 27712,81 VA.
Zdaj lahko izračunamo faktor istočasnosti fi: 𝑓𝑖 =𝑃𝑚𝑜
𝑃𝑖 = 34400 𝑉𝐴
27712,81 𝑉𝐴= 1,24 (8)
Glede na nazivni tok in mesto polaganja kabla smo uporabili 5x10 mm2, ki smo prav tako izbrali iz tabele presekov vodnikov za električne inštalacije. Kabli so bili v energetskih kanalih položeni skladno s skupino B2.
3.2.2.2 Izbira napajalne moči za DC stikalni napajalnik
Pri izračunu celotne priključne moči naprave lahko poleg večjih porabnikov dodamo tudi porabo napajalnikov, ki napajajo porabnike z nazivno napetostjo +24V DC.
Nazivne moči (senzorji, enosmerni elektromotorji, linearne enote …) seštejemo in izberemo napajalnik z ustrezno izhodno močjo. Nato preverimo, kakšne so njegove izgube pri izračunani obremenitvi in temperaturi prostora, tipičen izkoristek stikalnih napajalnikov je med 85 in 90 %. Predpostavimo lahko, da je izbran napajalnik maksimalno obremenjen. Na podlagi Ohmovega zakona določimo priključno moč na vhodu napajalnika. Moči preostalih porabnikov, ki so napajani z nazivno napajalno napetostjo dovoda, seštejemo in določimo moč, potrebno za napajanje celotne celice.
V našem primeru je bila skupna moč enosmernih porabnikov, priklopljenih na ta napajalnik, 210 W. Za izračun smo predpostavili maksimalno obremenitev napajalnika P, torej 240 W.
𝑃𝑠𝑘 = 𝑃 + 𝑃𝑖 = 276 𝑊 (9)
Upoštevali smo tudi izgube Pi, ki znašajo med 10 in 15 % celotne moči. Tako je bila poraba na vhodu napajalnika 276 W.
3.2.3 Usmerjanje izmenične napetosti
Ker v našem primeru kontrolni sistem in vsi senzorji ter enosmerni aktuatorji delujejo na enosmerni napetosti +24V DC, je treba dovodno izmenično napetost 230 V AC usmeriti. Za usmerjanje izmenične napetosti obstaja več načinov, v našem primeru so za to uporabljeni stikalni napajalniki proizvajalca Siemens.
Slika 18 Stikalni napajalnik SITOP PSU6200 (levo) in enosmerna varovalka SITOP SEL1400 (desno).
Z varovalkami je treba varovati tako izmenične kot tudi enosmerne tokokroge.
V ta namen je neposredno na izhodu napajalnika dodana enosmerna varovalka proizvajalca Siemens SITOP SEL1400.
Slika 19 Enosmerno napajanje naprave.
SITOP SEL1400 ima vgrajene 4 varovalke MOSFET. Tako lahko vsaki varovalki posebej določimo nazivni tok in s tem omogočimo pravočasni izklop napajanja ob morebitnih napakah.
Stikalni napajalnik napajamo z napetostjo 230V AC, varujemo pa ga z inštalacijskim odklopnikom »-3F1« (slika 19) z nazivnim tokom 4A izklopne karakteristike B. Nazivni tok varovalke za stikalni napajalnik izračunamo po Ohmovem zakonu. Moč napajalnika na izhodu znaša 240W, torej bo pri maksimalni obremenitvi potrebna takšna moč tudi na vhodu. Poleg tega je treba dodati še izgube napajalnika.
𝑃 = U ∙ I (10)
𝐼 =P
U= 240W
230V = 1,043𝐴 (11)
Na izhodu napajalnika pozitivni pol usmerjene napetosti dovedemo na enosmerno varovalko, ki generira 4 ločene varovane kanale. Negativni pol usmerjene napetosti se dovede direktno na zbiralko imenovano -X20. Poenostavljen diagram prikazuje slika 20.
Slika 20 Diagram usmerjanja napetosti.
3.2.4 EMC zaščita komunikacijskih kablov
Elektromagnetna združljivost (angl. electromagnetical compatibiity – EMC ) je sposobnost naprave, enote naprave ali sistema, da zadovoljivo deluje v elektromagnetnem okolju, ne da bi pri tem vnašala nedopustne elektromagnetne motnje v okolje. To področje elektrotehnike se ukvarja z dvema problemoma:
emisijo elektromagnetnih motenj iz naprave in odpornostjo naprave na elektromagnetne motnje v okolju.
Elektromagnetne motnje (angl. electromagnetic Interfereces – EMI) vplivajo na elektromagnetno združljivost. EMI predstavlja elektromagnetne pojave/motnje, ki vplivajo na električne naprave preko vodnikov, elektromagnetne indukcije ali sevanja. Posledica teh vplivov je nepravilno delovanje in zmanjšana zmogljivost naprav, v najhujšem primeru pa lahko povzroči tudi uničenje naprave. Z drugimi besedami EMC nadzoruje EMI [8].
V elektroindustriji imajo lahko motnje največji vpliv na komunikacijske povezave. Napačna postavitev elementov in napačna urejenost napajalnih ter komunikacijskih kablov lahko tako vpliva na delovanje celotnega sistema.
Slika 21 Primer pravilne in napačne postavitve kablov v energetskem kanalu [7].
Znotraj energetskih kanalov moramo napajalne in komunikacijske vodnike ločiti za ustrezno razdaljo, označeno na sliki 21. Minimalne razdalje med kabli, glede na tip instalacije, najdemo v standardu SIST EN 50174-2 (tabela 1).
Kot lahko vidimo iz tabele, je najboljši primer oklopljen energetski in oklopljen komunikacijski kabel, kjer je razdalja med njima lahko 0 mm.
V našem primeru imamo v energetskih kanalih neoklopljene energetske in oklopljene komunikacijske kable. Pri napeljavi kablov v energetskih kanalih bomo tako morali biti pozorni, da bo razdalja med njima vsaj 5 mm. Če to ne bo mogoče, bomo uporabili še oklopljen energetski kabel, da preprečimo motnje ne glede na velikost toka v energetskem kablu.
Tip instalacije Razmik Brez ali z
nekovinsko pregrado
Pregrada Aluminij
Pregrada kovinska
neoklopljen napajalni in neoklopljen komunikacijski kabel
200 mm 100 mm 50 mm
neoklopljen napajalni in oklopljen komunikacijski kabel
50 mm 20 mm 5 mm
oklopljen napajalni in neoklopljen komunikacijski kabel
30 mm 10 mm 2 mm
oklopljen napajalni in oklopljen komunikacijski kabel
0 mm 0 mm 0 mm
Tabela 2 Minimalne razdalje med kabli po standardu SIST EN 50174-2 [7]
Celovita rešitev EMC in EMI so prepletene parice (TP – angl. twisted pair) in ustrezna oklopitev kabla (shielded, S/F). Ta preprečuje sofazne motnje, povzročene zaradi sofaznega toka.
3.2.5 Krmilni sistem
Krmilni in regulacijski sistemi so postali del vsakega naprednejšega stroja oz.
naprave, saj lahko z njimi dosežemo avtomatizacijo na vseh področjih uporabe. V industriji to prepoznamo po večji in enakomerni kakovosti in količini izdelkov.
Velika prednost uvajanja teh sistemov, in posledično avtomatizacije, je tudi razbremenitev človeške delovne sile, ki je v mnogih primerih v slabem delovnem okolju in težkih delovnih razmerah.
Slika 22 prikazuje mrežo krmilja v robotski celici. Na njej prikazani elementi so predstavljeni v nadaljevanju tega poglavja. Pri izbiri opreme za izvedbo krmilnega sistema smo upoštevali zahteve naročnika.
Slika 22 Zgradba krmilja.
3.2.5.1 CPU Simatic S7-1515F-2PN
Krmilnik 1515F-2PN (slika 20) spada v družino Siemensovih krmilnikov 1500.
Krmilniki so namenjeni za izvajanje kod PLC v srednje do zahtevnih aplikacij v avtomatizaciji procesov. Krmilniki z oznako F imajo dodane aplikacije za izvedbo varnostnih funkcij, ki se uporabljajo za krmiljenje sklopov v posameznih obratovalnih režimih.
Slika 23 CPU Simatic S7-151F-2PN [9].
3.2.5.2 Vmesni modul Simatic ET 200SP
Modul ET200SP (slika 26) se uporablja za povezavo med krmilnikom in vhodno/izhodnimi enotami. S krmilnikom je povezan preko Profinet protokola.
Slika 24 Vmesni modul Simatic ET200SP [10].
Vhodno/izhodne enote priključimo neposredno na vmesni modul in so namenjene sprejemanju informacij iz krmilja oz. za pošiljanje le-teh iz njega. Z vhodnimi enotami zaznavamo senzorje, tipke, stikala ipd., z izhodnimi enotami pa vklapljamo krmilne releje, signalizacijo ipd. Uporabljeni moduli so lahko različnih tipov. Razlikujejo se po številu in vrsti vhodov/izhodov, številu kanalov, varnostni funkciji itn.
3.2.5.3 Vmesnik človek stroj
Vmesnik človek stroj (angl. Human Machine Interface) je uporabniški vmesnik, ki operaterju omogoča upravljanje in nadzorovanje naprave. Za izdelavo uporabniškega vmesnika je bil uporabljen SIMATIC WinCC, ki je integrirano orodje v programskem okolju TIA portal. Po zahtevi stranke je bil uporabljen Siemens SIMATIC TP700 Comfort in prav tako izdelan grafični vmesnik.
Slika 25 Vmesnik človek stroj [11].
3.3 Varnost s stališča uporabnika
Pri načrtovanju električne naprave moramo biti posebno pozorni na varnost uporabnika v proizvodnji. Varno delovanje naprave lahko ob pravočasnem posredovanju zagotovimo ali z varnostnimi releji in krmilniki ali varnostnimi ključavnicami. V našem primeru so bili uporabljeni varnostni krmilniki proizvajalca Siemens in varnostni releji proizvajalca Sick.
V industriji se lahko upravljavec stroja sreča z več nevarnostmi. Ob pravočasni reakciji (pritisk na tipkalo za izklop v sili) lahko varnostni releji ali krmilniki preprečijo mehanske poškodbe na napravah in poškodbe upravljavca, kot so ureznine, stisk delov telesa, ujetje delov telesa v rotirajoče telo ipd.
Obstajajo pa tudi druge vrste poškodb, ki so v večini posledica zunanjih dejavnikov in jih varnostni releji ne morejo preprečiti. Te poškodbe nastanejo zaradi toplote, hrupa, vibracij ipd. in so posledica zunanjih dejavnikov, ki jih moramo za varnost upravljavca zagotoviti na drugačen način.
▪ Dostop do vroče površine se fizično omeji;
▪ Prevelik hrup se mora izolirati, če to ni mogoče, mora upravljavec nositi glušnike;
▪ Izvori svetlobe (npr. Laser) se za preprečitev neposrednega pogleda v žarek ogradijo;
▪ Odvečni plini se morajo z ustreznim sesalcem ali prezračevanjem odstraniti.
Do poškodbe lahko pride tudi zaradi električnega udara. Varnost pri električnem udaru zagotavljamo s kombiniranimi zaščitnimi stikali RCD, ki izklopijo napajanje v primeru napake na električni napeljavi ali stiku človeka z prevodnim delom.
Slika 26 Kombinirano zaščitno stikalo Schrack [12]
Tokovna zaščitna stikala (RCD oz. FID) ščitijo osebe, živali in premoženje pri odpovedi osnovne zaščite ali zaščite ob okvari. Vsi aktivni vodniki (v tem primeru L in N) so speljani skozi merilnik tokov. Če v tokokrogu ni okvare, je vsota pritekajočih in odtekajočih tokov enaka 0 (prvi Kirchhoffov zakon). Izmenična magnetna polja tokov v vodnikih se v merilniku med seboj izničijo in v merilni tuljavi ni inducirane napetosti.
Če pride do okvare, steče okvarni tok po ozemljitvenem vodniku PE nazaj do vira. To pomeni, da je prišlo do stika med prevodnim in ozemljenim delom, ki se je zgodil ali na napravi ali pa ga je naredil človek. Vsota pritekajočih in odtekajočih tokov ni več enaka 0 in v merilni tuljavi se inducira napetost, ki sproži izklop.
Na tokovnih zaščitnih stikalih je vedno naveden diferenčni tok I, v našem primeru 30 mA. Gre za vrednost diferenčnega toka (med pritekajočim in odtekajočim tokom), pri katerem mora stikalo RCD odklopiti [13].
3.3.1 Varnostni krmilnik Siemens Profisafe
V robotski celici imamo dva robota KUKA KR50, enemu izmed njiju varnost pogojuje varnostni krmilnik s svojimi Profisafe moduli. V našem primeru je to krmilnik proizvajalca Siemens zaradi zahteve naročnika.
Varnost je tudi v tem primeru zelo pomembna s stališča uporabnika in naprav.
Vedeti moramo, ob katerem dogodku se mora eden izmed robotov brezpogojno ustaviti in kdaj lahko nadaljuje delovanje.
Drugi robot pa ima varnost zaradi komunikacije z brizgalno napravo po standardu Euromap 67, ki je podrobneje opisan v poglavju 5.2.2, pogojeno na drugačen način.
Slika 27 Vhodni in izhodni varnostni modul Siemens Profisafe [14].
Moduli Profisafe se uporabljajo v sistemih, kjer je varnost kompleksnejša in je treba preverjati več pogojev. Moduli upravljajo nadzor nad celotnim procesorjem in imajo možnost v hipu zaustaviti celoten proces. Z drugimi besedami, če bi bil ogrožen človek ali stroj, bi se proces v hipu ustavil in preprečil nesrečo.
Na modulu so signali modulirani zaradi varnosti. Vsak vhod in izhod je dvo- kanalen, kar pripomore k višji stopnji varnosti, saj imata signala različni fazni kot.
Če se vsaj eden od signalov prekine (napaka na električni vezavi tipkala za izklop v sili ali pritisk tipkala za izklop v sili), v trenutku program preide v varnostni sistem. S to metodo se je bistveno povečala stopnja varnosti.
3.3.2 Varnostni rele Sick
Rele je elektromagnetno krmiljeno stikalo, sestavljeno iz elektromagneta (jedro, navitje, priključki) in stikalnega elementa (kotva, kontakti, priključki). Ko skozi navitje releja steče dovolj velik tok postane jedro magnetno ter pritegne kotvo.
Gibanje kotve se prenese na kontakte, ki sklenejo (NO) ali razklenejo (NC).
Varnostni releji imajo poleg navitja in kontaktov vgrajeno krmilje za nadzor signalov na vhodih in izhodih varnostnega releja. Za sklenitev kontaktov varnostnega releja je tako potreben določen pogoj. Poznamo več vrst varnostnih relejev, in sicer za
- detekcijo aktivacije stikala za izklop v sili, - detekcijo dvoročnega vklopa in
- detekcijo varnostnega signala OSSD (Output Signal Switching Device), ki ga dobimo iz varnostnih senzorjev.
Uporabili smo rele RLY3-EMS100 proizvajalca Sick nam poleg vezave več stikal za izklop v sili omogoča spremljanje stanj releja na svojih izhodih ter potrditev aktivacije izklopa v sili na svojem vhodu.
Da se oba NO kontakta v varnostnem releju skleneta, moramo izpolniti dva pogoja. S pomočjo stikala za izklop v sili je treba sočasno kratko skleniti testna izhoda X1 in X2 z njegovima vhodoma I1 in I2. Ko je to izpolnjeno, je treba varnostni rele še resetirati tako, da preko tipke dovedemo +24V DC na pin S1 – »test output«.
Slika 28 Varnostni rele Sick.
Ker imamo napravo povezano v robotsko celico, ji moramo z vidika varnosti zagotoviti dva različno pogojena varnostna napetostna nivoja imenovana »SX21« in
»SX22«. Prvi je aktiven takrat, kadar ni bilo nikjer aktivirano stikalo za izklop v sili, drugi pa takrat, kadar so vrata robotske celice zaprta in potrjena. Zato imamo tudi dva varnostna releja (slika 28). Poenostavljen diagram delovanja pa prikazuje slika 29.
Varnostne releje smo uporabili v trayfeederju in Color checku zaradi tega, ker je varnostni tokokrog bolj enostaven in nam ni treba preverjati več pogojev kot v glavni elektroomari, kjer smo uporabili Profisafe.
Slika 29 Poenostavljen prikaz delovanja dveh varnostnih relejev.
3.4 Termične razmere v elektroomari
Pred začetkom projektiranja elektronačrta se moramo pri naročniku pozanimati, v kakšnih klimatskih pogojih bo elektroomara postavljena. Tako lahko pravilno dimenzioniramo hladilne oz. grelne elemente, ki bodo vzdrževali želeno temperaturo v elektroomari za pravilno delovanje vseh vgrajenih komponent.
3.4.1 Vzdrževanje želene temperature s pomočjo ventilatorja in zračne rešetke
Če temperatura prostora, v katerem je elektroomara postavljena, od želene temperature znotraj elektroomare ne odstopa preveč, lahko to temperaturo krmilimo samo z ventilatorjem in zračno rešetko, ki sta po navadi montirana na vratih oz. steni elektroomare. Temperatura prostora je tako lahko nekoliko nižja oz. višja, in če upoštevamo osnovni zakon termodinamike o gibanju toplote (konvekcija), je tako od tega odvisna postavitev ventilatorja ter zračne rešetke:
1. Temperatura prostora je nižja od želene
V tem primeru bo ventilator montiran v spodnjem delu elektroomare, zračna rešetka pa zgoraj. Smer pretoka zraka ventilatorja moramo usmeriti v elektroomaro, tako bo ventilator iz prostora vlekel hladen zrak in s tem hladil elektroomaro. Ker pa se vgrajene komponente med svojim delovanjem vedno grejejo, bo topel zrak s pomočjo ventilatorja izstopal na zračni rešetki, ki je montirana zgoraj.
2. Temperatura prostora je višja od želene
V primeru višje temperature prostora si želimo v elektroomari zagotoviti le ustrezen pretok zraka oz. izpihovanje toplote, ki nastane zaradi gretja komponent. Za pravilno postavitev ventilatorja in zračne rešetke moramo spet upoštevati zakon o termodinamiki. Zračna rešetka bo tako montirana spodaj, ventilator pa zgoraj s smerjo pretoka zraka iz elektroomare v prostor.
Ker je bila v našem primeru temperatura prostora višja od želene in ker razlika teh dveh temperatur ni bila prevelika, smo se odločili za postavitev in smer pretoka zraka, ki je opisan pod točko 2.
3.4.1.1 Termostat
Ker za zdaj nimamo nobene povratne informacije o dejanski temperaturi znotraj elektroomare, jo lahko samo vzdržujemo in upamo, da bo ta čim bližje želeni.
Če hočemo imeti možnost regulacije temperature s povratno zanko, je treba dodati še termostat. Ta nam prek nastavljene temperature vklaplja oz. izklaplja ventilator glede na svojo histerezo.
Slika 30 Termostat proizvajalca Rittal [15].
Če odstopanje zunanje temperature od temperature v elektroomari ni preveliko, lahko z dodanim termostatom prihranimo tudi električno energijo, saj se bo ventilator ob nastavljeni temperaturi v elektroomari izklopil.
3.4.2 Hlajenje elektroomare
Če imamo v prostoru preveliko temperaturo hlajenje elektroomare samo z ventilatorjem in zračno rešetko ni dovolj. Ventilator lahko sicer še vedno uporabimo, ampak je treba poleg tega dodati še za to namenjen hladilnik, ki se po navadi montira na vrh ali ob stran elektroomare.
Slika 31 Primer hladilne enote, ki se montira na vrh elektroomare [16].
3.4.3 Ogrevanje elektroomare
Elektroomara je lahko postavljena tudi v hladnejšem prostoru. V tem primeru je treba za doseganje želene temperature v samo omaro dodati namensko grelno napravo. Glede na zakon o termodinamiki pa moramo upoštevati tudi lokacijo montaže grelne enote v elektroomari.
Slika 32 Grelna enota z ventilatorjem[17].
3.4.4 Simulacija temperature v elektroomari
Zaradi zahtev naročnikov in zagotavljanja ustrezne temperature znotraj elektroomare, se lahko pri proizvajalcih elektroomar ter hladilnih oz. grelnih enot dobi tudi program za izračun notranje temperature.
Eden izmed teh programov je Rittal Therm verzije 6.7, ki nam omogoča izbiro standardne proizvajalčeve elektroomare in hladilno/grelnih elementov. Program nam tako zagotavlja želeno temperaturo ob pravilni montaži vse predlaganih elementov.
3.4.4.1 Postopek izbire elektroomare in hladilno/grelnih elementov
Na spletnem naslovu https://www.rittal.com/com-en/Software/Therm (pridobljeno dne 11. 8. 2021) zaženemo »online« program Therm 6.7. Odpre se nam novo okno, kjer s klikom na »Create new project« ustvarimo nov projekt.
Slika 33 Ustvarjanje novega projekta v programu Therm 6.7.
V naslednjem koraku vnesemo bistvene podatke o projektu in informacije o maksimalni zunanji in notranji temperaturi ter podatke o priključni napetosti.
Slika 34 Vnašanje informacije o temperaturi in priključni napetosti v programu Therm 6.7.
Sledi izbira ohišja (slika 35 levo zgoraj) in njegove velikosti ter način montaže.
Od tega koraka naprej, lahko za elektroomaro v naši robotski celici delamo samo informativni izračun, saj je bila zaradi prostorske stiske pri naročniku dobavljena elektroomara po meri, in ne standardna od proizvajalca Rittal.
Pri izbiri v programu smo tako vzeli najboljši približek, ki ga proizvajalec ponuja glede na našo elektroomaro. Tukaj smo bili pozorni na material, debelino stene, velikost izrezov ter velikost same elektroomare.
Slika 35 Izbira vrste in velikosti ohišja ter način montaže v programu Therm 6.7.
S klikom na »Save enclosure« zaključimo izbiro parametrov ohišja.
Slika 36 Potrditev izbire ohišja v programu Therm 6.7.
Na sliki 36 s klikom na puščico naprej potrdimo izbrano ohišje.
Slika 37 Izbira hladilnih oz. grelnih elementov v programu Therm 6.7.
V zavihku »Calculation« nam program onemogoči izbiro hladilnih ali grelnih komponent, ki niso zadostne za naš primer, ali jih je nemogoče montirati na izbrano ohišje. Ker imamo zunanjo temperaturo višjo od želene znotraj elektroomare, smo pod vrstico »Cooling unit« izbrali hladilnik, ki se montira na vrh elektroomare (angl.
Roof mounted). Program nam je ponudil vrste primernih hladilnikov z njihovimi kataloškimi številkami.
Slika 38 Možnost izbire dodatnih komponent v programu Therm 6.7.
V naslednjem koraku nam program ponudi še razne dodatne elemente, kot so dodatna plačljiva programska oprema z namenskimi kabli za izbrano hladilno enoto, filtri, stikalo za vrata ipd. S klikom na puščico spodaj potrdimo izbiro.
Slika 39 Povzetek vnesenih podatkov v programu Therm 6.7.
V zadnjem koraku lahko vidimo povzetek vnesenih podatkov ter možnost izvoza le-teh v različne formate. Program nam je izračunal, da je treba odvesti 146 W toplotnega toka in nam predvidel hladilno enoto z zmožnostjo odvajanja 437 W toplotnega toka.
47
4. Komunikacija v robotski celici
Med napravami je za nemoteno delovanje treba vzpostaviti komunikacijo. V industriji poznamo več vrst komunikacij, zaradi enostavnosti pri povezovanju je najbolj razširjen Profinet, uporabili pa smo tudi EtherCAT, komunikacijo preko modulov V/I in komunikacijo po standardu Euromap.
Slika 40 Vrste komunikacij med posameznimi napravami.
4.1 Industrijska povezava Profinet
Protokol Profinet je industrijski komunikacijski protokol, narejen na osnovi Etherneta. Standardni konektor za Profinet komunikacijo je RJ-45.
Največja dolžina kabla za nemoteno komunikacijo je 100 m, odzivnost je tudi na tej dolžini manj kot 1 ms, zato je Profinet primeren za hiter prenos podatkov med napravami.
Za razširitev Profinet omrežja uporabljamo standardna industrijska omrežna stikala, v našem primeru so to Siemens SCALANCE XB008.
Slika 41 Industrijsko omrežno stikalo Siemens.
4.1.1 Naslavljanje naprav v omrežjih Profinet
Naprave, povezave v omrežje Profinet, imajo 3 različne načine naslavljanja, in sicer glede na:
1. IP naslov, 2. MAC naslov, 3. ime naprave.
Slika 42 Primer različno naslovljenih naprav v istem lokalnem omrežju Profinet [18].
V istem lokalnem omrežju mora imeti vsaka naprava določeno svoje različno ime ter IP naslov. MAC naslov je unikaten za vsako napravo posebej, ne glede na to, v katerem omrežju je. Določi ga proizvajalec strojne opreme.
4.2 Industrijska povezava EtherCAT
EtherCAT (angl. Ethernet for Control Automation Technology) je razvilo podjetje Beckhoff Automation. Gre za standardiziran IEC 61158 protokol, ki omogoča zajem in obdelavo podatkov v realnem času. Cilj pri razvoju EtherCAT je bila uporaba Etherneta za aplikacije v avtomatizaciji. Proizvajalci so z vpeljavo protokola zmanjšali ceno strojne opreme, saj ta temelji na široko razširjenem Ethernet standardu. Hkrati je izumitelj standarda pohitril čas osveževanja podatkov in vzpostavil nizek raztros časa sinhronizacije, ki znaša tsync ≤ 1μs (angl. jitter).
Do pohitritve je prišlo, ker osnovni Ethernet okvir (angl. frame) ni več prejet, interpretiran in nato kopiran v vsaki napravi omrežja, ampak se procesiranje podatkov začne prej. Tak način komunikacije je mogoč zato, ker je topologija omrežja natančno določena in je celotno omrežje vezano na eno napravo, gospodar (angl. master) ter naslovljeno z enim okvirjem (angl. frame) [19]
Slika 43 Struktura protokola EtherCAT [20].
Slika 42 prikazuje strukturo protokola EtherCAT. Slika procesa je prosto nastavljiva. Podatke kopiramo v vhodno izhodnem terminalu neposredno na želeno lokacijo znotraj slike procesa, zato odpade dodatno preslikovanje. Na voljo je 4GB naslovnega prostora [21].
4.3. Komunikacija z brizgalno napravo
Ker je naloga robota 1 v robotski celici pobiranje kosov iz brizgalne naprave je treba s slednjo tudi komunicirati. Standard za komunikacijo z vsako brizgalno napravo se imenuje Euromap. V našem primeru je bil za komunikacijo uporabljen Euromap 67, za zunanje varnostne signale pa Euromap 78.
4.3.1. Varnost robota pri komunikaciji z brizgalno napravo
Robotsko celico poleg drugih naprav sestavljata dva robota KUKA KR50, ki imata svoje delovanje s stališča varnosti pogojeno na drugačen način.
Prvi robot ima na svoji krmilni enoti dodana dva konektorja (slika 44).
Konektor »E67« za komunikacijo z brizgalno napravo preko standarda Euromap 67 ter konektor »X27« za zunanje varnostne signale.
Slika 44 Konektorja "X27" in "E67" na krmilni omari robota 1.
Katerikoli premik robota v območje brizgalne naprave je zelo nevaren, zato se morata ob morebitni napaki brezpogojno ustaviti tako robot kot brizgalna naprava.
Komunikacija med njima poteka s pomočjo protokola Euromap 67 preko V/I enot, zato je brizgalno napravo nemogoče ustaviti s protokolom Profisafe. Robot ima zato predviden dodaten konektor »X27«, namenjen izključno varnostnim signalom.
Varnostni krmilnik v robotu za svoje delovanje potrebuje dodatne varnostne signale, ki morajo biti različno pogojeni. Za nemoteno delovanje robota moramo na konektorju »X27« skleniti kontakte C1 in C2 ter D1 in D2 takrat, kadar stikalo za izklop v sili ni bilo aktivirano kjerkoli v robotski celici ter kontakte C3 in C4 ter D3 in D4, kadar so varnostna vrata v robotski celici zaprta. Električno shemo prikazuje slika 11.
Slika 45 Varnostni signali med glavno elektroomaro in krmilno enoto robota 1.
Električni potenciali v glavni elektroomari in krmilni omari robota morata biti ločeni. V ta namen so uporabljeni releji, ki omogočajo galvansko ločitev potencialov.
Euromap 67:
Standard za komunikacijo med robotom in brizgalno napravo se imenuje Euromap 67. Obe napravi si preko posebnega konektorja izmenjujeta signale, ki potujejo med krmilnikoma v robotu ter v brizgalni napravi. Mesto posameznega signala v konektorju ter sam konektor sta natančno določena in je ne moremo spreminjati.
Slika 46 Euromap 67 konektor [22].
Skupni potencial naprav:
Ker komunikacija poteka preko vhodno/izhodnih enot, katerih krmilje je napajano iz različnih virov napetosti, moramo biti še posebej pozorni na skupni potencial s strani ene in druge naprave. Izhodni modul mora poleg signalov, ki so ranga +24 VDC, poslati še referenco, v tem primeru svojih napajalnih 0 VDC. Tako lahko vhodni modul na drugi napravi dobi pravo informacijo o razliki potencialov na svoj vhod. Enako velja za obratno smer komunikacije preko Euromap 67.
Euromap 78:
Preko tega protokola povemo brizgalni napravi, da z njo ne deluje samo upravljavec, ampak celotna robotska celica. Pošiljamo ji tudi informacijo o odprtih/zaprtih varnostnih vratih na robotski celici ter potrditev zaprtja varnostnih vrat.
Izmenjava signalov z releji:
V nekaterih primerih moramo signale galvansko ločiti. Elementi, ki nam omogočajo galvansko ločitev, so releji.
Pri komunikaciji s standardom Euromap 78 brizgalni napravi s kontaktom releja povemo, da imamo potrjeno varnost (kontakt releja -10K19) in zaprta varnostna vrata robotske celice (kontakt releja -21K2). Brizgalna naprava nam pošlje signal s potencialom +24 VDC, ki ji ga nato ob sklenjenem kontaktu releja pošljemo nazaj. Tako smo signal brizgalne naprave uporabili kot svoj izhod in ga galvansko ločili od svojih potencialov.
Slika 47 Izmenjava signalov z releji pri Euromap 78 [23].
55
5 Zaključek
Razvoj robotske celice za manipulacijo in kontrolo brizganega kosa se je izkazal kot uspešen. Potekal je na treh različnih področjih, in sicer na konstrukciji, pri programiranju in elektronačrtovanju.
Natančno preverjanje napak upočasni celoten sistem, vendar je delo izvedeno bolj kakovostno. V začetni fazi razvoja smo ugotovili, da so se vpeljave strojnega vida kot rešitev preverjanja napak na izdelkih izkazale kot uspešne. Robotska manipulatorja sta omogočila hiter in zanesljiv prenos brizganega kosa brez njegovega poškodovanja.
Robotsko celico bi lahko še izboljšali tako, da bi jo fizično popolnoma zaprli in v njej ustvarili nadtlak. Tako bi dosegli večjo čistočo, in s tem daljšo življenjsko dobo elementov in naprav, saj zaradi nadtlaka ob odprtju vrat celice vanjo ne bi vstopali prašni delci. Takemu prostoru pravimo čista soba ali angleško clean room.
Cilj diplomskega dela je bil avtomatizirati manipulacijo brizganih kosov med vsemi sodelujočimi napravami v robotski celici, preveriti kakovost brizganih kosov in jih na koncu razvrstiti v plastične zaboje. V nalogi je bila predstavljena zgradba z opisom vseh sodelujočih naprav, osnovna pravila električnih povezav in komunikacij v robotski celici ter varnost s stališča uporabnika in naprav.
