Реалізація комплексної системи управління промисловим роботом-маніпулятором

03/07/2014

Дане рішення є комплексною систему автоматизації, що включає в себе апаратне і програмне забезпечення. На нижньому рівні використовуються сервоприводи LENZE, управління системою здійснюється програмованим логічним контролером VIPA, а людино-машинний інтерфейс реалізований на базі промислового комп'ютера ESA з встановленою системою візуалізації SCADA zenon.

1 Розробка апаратного забезпечення

1.1 Розробка функціональної структури системи

Відповідно до вимог система управління взаємодіє з об'єктом управління, тому в ній необхідно передбачити підсистему управління технологічним обладнанням (малюнок 1.1). Ця підсистема включає в себе пристрої збору інформації (датчики положення суглобів), еталони і стану обладнання (обмеження по зміні положення суглобів), систему контролю стану обладнання, програму управління реалізує переміщення робочого органу, протиаварійне захист, блок перекладу в ручний режим управління і виконавчі органи (сервоприводи).

image

Малюнок 1.1 - Робот-маніпулятор

Крім того система повинна забезпечувати візуалізацію і контроль функціонування робота, тому вона повинна включати підсистему інформаційного забезпечення роботи оператора. Ця підсистема включає в себе реєстрацію параметрів процесів, людино-машинний інтерфейс і сигналізацію досягнення параметрами управління заданих значень.

Так само система повинна забезпечувати архівування відбуваються технологічних процесів, тому в ній має бути присутня підсистема ведення архівів параметрів і подій, що включає базу даних і резервне сховище.

З урахуванням перерахованих вимог функціональна структура системи має вигляд, наведений на малюнку 1.2. Така структура системи забезпечує управління, збір інформації, її реєстрацію, візуалізацію, збереження в базі даних і створення резервних копій. Крім того забезпечується контроль, за обладнанням і сигналізація досягнення параметрами управління заданих значень.

image

Малюнок 1.2 - Функціональна структурна схема

1.2 Вибір і обґрунтування апаратних засобів

Виходячи з вимог, що розробляється автоматизована система управління роботом-маніпулятором KUKA KR AGILUS: KR 6 R700 sixx, повинна забезпечувати автоматичне переміщення його робочого органу за мінімальний час за заданими координатами з урахуванням обмежень, що накладаються на робочу зону. У зв'язку з цим система повинна володіти високою динамікою і точністю управління кожним з шести електроприводів виконують позиціонування його суглобів. Технічні характеристики робота наведені в таблиці 1.1.

Найменування параметраЗначення
1 Корисне навантаження, кг 6
2 Кількість осей 6
3 Стабільність повторюваності, мм ±0,03
4 Максимальний виліт, мм 706,7
5 Зміна кута осі 1 (A1), ° ±170
6 Зміна кута осі 2 (A2), ° +45/-190
7 Зміна кута осі 3 (A3), ° +156/-120
8 Зміна кута осі 4 (A4), ° ±185
9 Зміна кута осі 5 (A5), ° ±120
10 Зміна кута осі 6 (A6), ° ±350
11 Монтаж Напольный
12 Маса, кг 50

Таблиця 1.1 - Технічні характеристики робота

Аналіз існуючих рішень показав, що вимоги до динаміки і точності управління суглобами робота можуть бути забезпечені за рахунок використання сервоприводів. При цьому система управління роботом відповідно до вимог повинна включати: програмований логічний контролер, систему управління сервоприводами, сервоприводи і ЧМІ панель. Структура системи приведена на малюнку 1.3.

image

Малюнок 1.3 - Структура системи управління роботом

З існуючих систем управління сервоприводами висунутим вимогам задовольняє сервосистема ECS компанії Lenze. Вона забезпечує високу динаміку, витримування осьовими модулями перевантаження в 200%, обмін енергією по загальній шині постійного струму, має спільне джерело живлення і вбудоване управління гальмом. Система ECS може використовуватися з синхронними і асинхронними сервоприводами, а в якості джерел зворотного зв'язку в системі можуть використовуватися резольвери або енкодери. Кожен модуль системи має 2 послідовних інтерфейса CAN і може бути розширений комунікаційними модулями PROFIBUS-DP, INTERBUS, DeviceNet, Lecom AB, LON і INTERBUS Loop. Система підтримує синхронність завдання уставок робочих позицій за час менше 1 мс. Структура системи управління роботом з урахуванням використання сервосистеми ECS приведена на малюнку 1.4.

image

Малюнок 1.4 - Структура системи управління роботом

Сервосистема ECS складається з трьох основних елементів: модуля джерела живлення, осьового модуля і сервоприводу. Модуль джерела живлення призначений для живлення осьових модулів за єдиною шиною постійного струму, використання даного підходу дозволяє ефективно перерозподіляти енергію між ними, що в свою чергу зменшить споживання енергії. Осьової модуль призначений для управління сервоприводом з метою підтримки моменту і швидкості, відпрацювання переміщення по відповідним позиціям з урахуванням різних швидкостей, реалізації скоординованого руху по декількох осях при централізованому управлінні. Сервопривод є виконавчим механізмом на базі синхронного або асинхронного електродвигуна охопленого негативним зворотним зв'язком, що дозволяє точно керувати параметрами руху.

Відповідно до методики компанії Lenze підбір обладнання для сервосистеми ECS починається з вибору сервоприводів, після чого вибираються осьові модулі і в ув'язненні вибирається модуль джерела живлення.

При розробці системи управління роботом-маніпулятором вибір сервоприводів здійснюється відповідно до необхідної номінальної швидкістю обертання, максимальною швидкістю обертання, номінальним моментом і піковим моментом. Відповідні вимоги, що пред'являються до технічних характеристик сервоприводів (з урахуванням наявності редукторів) для робота KUKA KR AGILUS: KR 6 R700 sixx наведені в таблиці 1.4.

ОсьA1A2A3A4A5A6
nN, об/мин 2850 5200 5350 3800 3950 3750
nmax, об/мин 6000 6500 6700 5900 7250 7500
Mn, Нм 2,7 2,4 1,6 1,9 0,9 0,4
Mmax, Нм 13,3 17,0 8,4 8,8 3,7 2,2

Таблиця 1.2 - Вимоги, що пред'являються до параметрів сервоприводів

Висунутим вимогам задовольняє сервоприводи виробляються компанією Lenze і Вхідять в серію MCS (рисунок 1.5). Статорна обмотка даних електродвигунів створена комбінуванням окремих котушок в одноелементний полюс. Спеціально сконструйовані полюси забезпечують високих динамічних характеристик приводу. У даних двигунів значно збільшена питома потужність і зменшений момент інерції. Мінімальні гальмівні моменти забезпечують плавний хід серводвігателя і, як результат, оптимальні характеристики управління.

image

Малюнок 1.5 - Сервопривод Lenze MCS

Технічні характеристики обраних сервоприводів наведені в таблиці 1.3.

ОсьА1А2А3А4А5А6
ДвигунMCS 09F38MCS 09H60MCS 09D60MCS 09D41MCS 06F41MCS 06C41
nN, об/хв 3750 6000 6000 4050 4050 4050
nmax, об/хв 7000 7000 7000 7000 8000 8000
M0, Нм 4,2 5,5 3,3 3,3 1,5 0,8
Mn, Нм 3,1 3,0 1,8 2,3 1,2 0,6
Mmax, Нм 15,0 20,0 9,5 9,5 4,4 2,4
Pn, кВт 1,2 1,9 1,1 1,0 0,51 0,25
In, А 2,5 6,0 3,8 2,3 1,5 1,3
fn, Гц 250 400 400 270 270 270
Jmot, кг * м2 * 10-4 1,5 1,9 1,1 1,1 0,22 0,14
ККД, % 96 96 96 96 96 96
m, кг 5,2 6,1 4,3 4,3 2,2 1,8

Таблиця 1.3 - Технічні характеристики сервоприводів

Вибрані сервоприводи мають в своєму складі резольвери, за допомогою яких визначається абсолютне положення вала двигуна, а так само швидкість його обертання. Тому вибір додаткових засобів контролю положення і швидкості не потрібно.

На підставі технічних характеристик сервоприводів обрані осьові модулі (малюнок 1.6). Їх технічні характеристики наведені в таблиці 1.4.

image

Малюнок 1.6 – Осьовий модуль Lenze ECS

ОсьA1A2A3A4A5A6
ДвигунECS_A008ECS_A016ECS_A008ECS_A004ECS_A004ECS_A004
Струм прискорення, А 8,0 16,0 8,0 4,0 4,0 4,0
Ном. струм, А 4,0 8,0 4,0 2,0 2,0 2,0
Струм утримання, А 4,0 8,0 4,0 2,0 2,0 2,0
Потужність, кВт 2,2 5,5 2,2 1,1 1,1 1,1
Струм шини, А 4,9 9,8 4,9 2,5 2,5 2,5
Ємність, мкФ 165 165 165 165 165 165
Напруга, В 0 ÷ 770 0 ÷ 770 0 ÷ 770 0 ÷ 770 0 ÷ 770 0 ÷ 770
Макс. частота, Гц 600 600 600 600 600 600

Таблиця 1.4 – Технічні характеристики сервоприводів

Відповідно до загальним номінальним струмом всіх осьових модулів 22 А і їх загальною потужністю 13,2 кВт, як модуль джерела живлення обраний ECSEE040 з номінальним струмом в ланці постійного струму 38,5 А і номінальною потужністю 20 кВт (малюнок 1.7).

image

Малюнок 1.7 - Модуль джерела живлення Lenze ECSEE040

Технічні характеристики модуля джерела живлення наведені в таблиці 1.5.

Найменування параметраЗначення
1 Напруга живлення, В 3 фази, ~380
2 Струм живлення, А 31,9
3 Номінальний струм в ланці постійного струму, А 38,5
4 Номінальна потужність при 400 В, кВт 20,0
5 Гальмівний внутрішній опір, Ом 20,0
6 Максимальна короткочасна потужність гальмування, кВт 31,2
7 Тривала потужність гальмування з внутрішнім резистором, кВт 0,15
8 Тривала потужність гальмування із зовнішнім резистором, кВт 6,0

Таблиця 1.5 - Технічні характеристики модуля джерела живлення

Відповідно до методики потрібно розрахувати необхідну постійну потужність, теплоємність і опір гальмівного резистора, що б визначити чи задовольняє вимогам сервосистеми ECS внутрішній гальмівний резистор модуля блоку живлення.

Постійна потужність розраховується за формулою:

P ≥ Pmax * ηe * ηm *
t1 / tcycl
,

де P – потужність гальмівного резистора (Вт), Pmax – максимальна гальмівна потужність навантаження (Вт), ηe – електричний ККД (перетворювач + електродвигун), ηm – механічний ККД (редуктор, механізм), t1 – час гальмування (с), tcycl – час циклу (с).

Час циклу розраховується за формулою:

tcycl = t1 + tp,

де tp – час паузи (с).

Виходячи з обраного обладнання та вимог до системи максимальна гальмівна потужність відповідає сумі гальмівних потужностей всіх осьових модулів 8,8 кВт, електричний ККД сервоприводів 0,96, а механічний з урахуванням редукторів суглобів 0,93, час гальмування не перевищує 1 с, а час паузи не складає не менше 1 с. На підставі цього потужність гальмівного резистора:

P ≥ Pmax * ηe * ηm *
t1 / tcycl
≥ 8,8 * 0,96 * 0,93 *
1 / 1 + 1
≥ 3,92 кВт.

Теплоємність розраховується за формулою:

CPmax * ηe * ηm * t1 ≥ 8,8 * 0,96 * 0,93 * 1 ≥ 7,86 кВт * c.

Опір розраховується за формулою:

R ≤
U2 / Pmax * ηe * ηm
,

де U – поріг спрацьовування гальмівного транзистора (В).

Відповідно до вибраного обладнанням поріг спрацьовування гальмівного транзистора 790 В. На підставі цього опір гальмівного резистора:

R ≤
U2 / Pmax * ηe * ηm
7902 / 8800 * 0,96 * 0,93
≤ 79,4 Ом.

Так як внутрішній резистор модуля джерела живлення не задовольняє вимогам, як зовнішнього гальмівного резистора обраний резистор компанії Lenze ERBP047R200W потужністю 4 кВт і опором, 47 Ом (рисунок 1.8).

image

Малюнок 1.8 - Гальмівний резистор Lenze ERB047R200W

Для зниження впливу сервосистеми ECS на мережу, зниження споживання нею струму і продовження її терміну служби до вхідної силовий ланцюг повинен бути встановлений дросель. Відповідно до струмом споживання модуля джерела живлення 31,9 А обраний трифазний дросель компанії Lenze ELN3-0075H045 (рисунок 1.9).

image

Малюнок 1.9 – Дросель Lenze ELN3-0075H045

Технічні характеристики дроселя наведені в таблиці 1.6.

Найменування параметруЗначення
1 Напруга, В ~320 ÷ 528
2 Індуктивність, мГн 0,75
3 Струм, А 45,0
4 Маса, кг 10,0

Таблиця 1.6 – Технічні характеристики дроселя Lenze ELN3-0075H04

Для зниження впливу сервосистеми ECS на мережу, зниження споживання нею струму і продовження її терміну служби до вхідної силовий ланцюг повинен бути встановлений дросель. Відповідно до струмом споживання модуля джерела живлення 31,9 А обраний трифазний дросель компанії Lenze ELN3-0075H045 (рисунок 1.9).

image

Малюнок 1.10 - RFI фільтр E94AZRP0824

На підставі обраного устаткування сервосистеми ECS розроблений перелік вхідних і вихідних сигналів системи управління наведений в таблиці 1.7.

№ п/пНайменування інформації (сигнали, дані)Іденті-
фіка-
тори
Напр. вх. / вих.ФункціяВидДжерело /
Одержувач
Форма
уявлення (розрядність, точність)
Період
ст. / вив., мсек
Зовн. Внутр.
1 Уставка кута осі A1 1-1 Вихід. Керування Дискрет. ПЛК/ECS_A008   32 біт 1
2 Швидкість зміни кута осі A1 2-1 Вхід. Контроль Дискрет. ECS_A008/ПЛК   32 біт 1
3 Кут повороту осі A1 3-1 Вхід. Контроль Дискрет. ECS_A008/ПЛК   32 біт 1
4 Уставка кута осі A2 4-1 Вихід. Керування Дискрет. ПЛК/ECS_A016   32 біт 1
5 Швидкість зміни кута A2 5-1 Вхід. Контроль Дискрет. ECS_A016/ПЛК   32 біт 1
6 Кут повороту осі A2 6-1 Вхід. Контроль Дискрет. ECS_A016/ПЛК   32 біт 1
7 Уставка кута осі A3 7-1 Вихід. Керування Дискрет. ПЛК/ECS_A008   32 біт 1
8 Швидкість зміни кута осі A3 8-1 Вхід. Контроль Дискрет. ECS_A008/ПЛК   32 біт 1
9 Кут повороту осі A3 9-1 Вхід. Контроль Дискрет. ECS_A008/ПЛК   32 біт 1
10 Уставка кута осі A4 10-1 Вихід. Керування Дискрет. ПЛК/ECS_A004   32 біт 1
11 Швидкість зміни кута осі A4 11-1 Вхід. Контроль Дискрет. ECS_A004/ПЛК   32 біт 1
12 Кут повороту осі A4 12-1 Вхід. Контроль Дискрет. ECS_A004/ПЛК   32 біт 1
13 Уставка кута осі A5 13-1 Вихід. Керування Дискрет. ПЛК/ECS_A004   32 біт 1
14 Швидкість зміни кута осі A5 14-1 Вхід. Контроль Дискрет. ECS_A004/ПЛК   32 біт 1
15 Кут повороту осі A5 15-1 Вхід. Контроль Дискрет. ECS_A004/ПЛК   32 біт 1
16 Уставка кута осі A6 16-1 Вихід. Керування Дискрет. ПЛК/ECS_A004   32 біт 1
17 Швидкість зміни кута осі A6 17-1 Вхід. Контроль Дискрет. ECS_A004/ПЛК   32 біт 1
18 Кут повороту осі A6 18-1 Вхід. Контроль Дискрет. ECS_A004/ПЛК   32 біт 1

Таблиця 1.7 - Перелік вхідних та вихідних сигналів системи управління

Відповідно до вимог до системи робочий цикл програмованого логічного контролера повинен тривати не більше 500 мкс, для забезпечення реакції на зміни положення суглобів робота.

Даним вимогам задовольняє програмований логічний контролер компанії VIPA 314-2AG12 має час виконання арифметичної операції над подвійним цілим 0,01 мкс, обсяг пам'яті програм 512 кбайт і обсяг робочої пам'яті 256 кбайт (малюнок 1.11).

Виходячи з вимог до системи управління програмований логічний контролер не матиме модулі введення і модулі виведення тому в якості джерела живлення для обраного контролера обрано блок живлення компанії VIPA PS 307-1BA00 з вихідною напругою 24 В і максимальною здатністю навантаження 2.5 А.

image

Малюнок 1.11 - ПЛК VIPA 314-2AG12

Технічні характеристики ПЛК наведені в таблиці 1.8.

Найменування параметраЗначення
1 Тип CPU 314SB/DPM
2 Пам'ять, кБайт 512
3 Робоча пам'ять, кБайт 256
4 Максимальна кількість модулів, штук 32
5 Час виконання команди над бітом, мкс 0,01
6 Час виконання команди над байтом, мкс 0,01
7 Час виконання команди над словом, мкс 0,01
8 Час виконання команди над подвійним словом, мкс 0,06
9 LAN інтерфейс Есть
10 PROFIBUS-DP інтерфейс, майстер Есть
11 Напруга живлення, В 24
12 Потужність, Вт 6

Таблиця 1.8 - Технічні характеристики ПЛК VIPA 314-2AG12

Так як стандартної польовий шиною для управління, як сервоприводами, так і їх осьовими модулями є польова шина CAN, інтерфейси програмованого логічного контролера необхідно розширити за допомогою комунікаційного процесора. Відповідно до вимог обраний комунікаційний процесор компанії VIPA 342-1CA70 працює в режимі майстра і використовує для обміну даними з контролером внутрішню надшвидку шину SPEED-Bus (малюнок 1.12).

image

Малюнок 1.12 - комунікаційний процесор VIPA 342-1CA70

Технічні характеристики модуля наведені в таблиці 1.9.

Найменування параметраЗначення
1 Тип CP 342S CAN, CANopen
2 Режим роботи Майстер
3 Внутрішня шина SPEED-bus
4 Кількість ведених в мережі, штук 125
5 Переданих PDO 40
6 Прийнятих PDO 40
7 Серверів SDO 1
8 Клієнтів SDO 127
9 Напруга живлення, В 24
10 Потужність, Вт 2,75

Таблиця 1.9 - Технічні характеристики комунікаційного процесора

Відповідно до вимог до системи відображення процесів, які протікають при переміщенні робочого органа робота має здійснюватися в реальному часі за допомогою людино-машинного інтерфейсу, а доступ до даних контролера по інтерфейсу Ethernet. Пристрій відображення ЧМІ повинно мати фізичний дозвіл екрану не менше 17 ", і дозвіл зображення не менше 1024 x 768 пікселів. Висунутим вимогам задовольняє промисловий комп'ютер компанії ESA XS717 (рисунок 1.13) має фізичний дозвіл екрана 17 "і дозвіл зображення 1280 x 1024 пікселів. В якості джерела живлення для панелі обраний блок живлення SPD 241 201 з вихідною напругою 24 В і максимальною здатністю навантаження 5 А.

image

Малюнок 1.13 - Промисловий комп'ютер ESA XS717

Технічні характеристики промислового комп'ютера наведені в таблиці 1.10.

Найменування параметраЗначення
1 Екран TFT, 15”
2 Дозвіл екрану, піксель 1280 x 1024
3 Процесор Intel Atom Dual Core 1,86 GHz
4 Оперативна пам'ять, ГБайт 4
5 Жорсткий диск, ГБайт 250
6 RS-232 2
7 USB 5
8 Ethernet RJ45 2
9 Операційна система Windows XP Professional Service Pack 3
10 Напруга живлення, В 24
11 Споживаний потужність, Вт 95

Таблиця 1.10 - Технічні характеристики промислового комп'ютера

1.3 Розробка функціональної схеми автоматизації

На підставі вимог до системи автоматизованого управління роботом-маніпулятором і обраного апаратного забезпечення розроблена функціональна схема автоматизації, наведена на малюнку 1.14.

image

Малюнок 1.14 - Функціональна схема автоматизації

Налаштування параметрів роботи робота-маніпулятора виконується за допомогою людино-машинного інтерфейсу UYR (промисловий комп'ютер ESA XS717).

Налаштування від промислового комп'ютера передаються контролеру UY (ПЛК 314-2AG12) за допомогою інтерфейсу Ethernet. Контролер під час виконання програми задає абсолютні значення кутів для кожного з суглобів. Значення кутів передаються по польовій шині CAN відповідним осьовим модулів SC (регулятор швидкості, осьової модуль Lenze ESC).

Значення кутів надходять на всі модулі синхронно і можуть оновлюватися з гарантованою частотою 1 кГц. Осьові модулі аналізують положення суглобів і починають відпрацьовувати їх переміщення, контролюючи процес за допомогою датчиків положення GE (первинний перетворювач положення) і датчиків швидкості SE (первинний перетворювач швидкості). Перетворення положення і швидкості виконується відповідними перетворювачами GT (проміжний перетворювач положення для передачі на відстань) і ST (проміжний перетворювач швидкості для передачі на відстань). Дані з датчиків передаються від осьових модулів програмованого логічного контролера. Інформація про стан суглобів передається від контролера промислового комп'ютера, який його візуалізує за допомогою людино-машинного інтерфейсу.

1.4 Розробка схеми електричної принципової

На основі функціональної схеми автоматизації та обраного апаратного забезпечення розроблена схема електрична принципова системи управління роботом-маніпулятором наведена на малюнку 1.15.

image

Малюнок 1.15 - Схема електрична принципова

В системі використовуються три незалежних джерела живлення для програмованого логічного контролера, промислового комп'ютера і сервосистеми ECS. Таким чином, силові, сигнальні та інформаційні ланцюга мають різні джерела живлення і розв'язані між собою, за рахунок вбудованих в них гальванічних розв'язок.

Зв'язок між програмованим логічним контролером і промисловим комп'ютером організована за допомогою інтерфейсу Ethernet, а з сервосистемах ECS за допомогою польової шини CAN. В якості майстра польової шини CAN виступає програмований логічний контролер VIPA 314-2AG12. Усередині сервосистеми ECS зв'язок між осьовими модулями так само організована за допомогою шини CAN зі своїм майстром.

Кожен осьової модуль відповідає за відповідний сервопривод. Сервопривод є асинхронний двигун з електромагнітним гальмом, датчиком перегріву і резольвером. Підключення сервоприводу до осьового модулю виконується за допомогою двох кабелів: силового і сигнального. За силового кабелю виконується управління електродвигуном і електромагнітним гальмом, по сигнальному реалізується негативний зворотний зв'язок по положенню вала електродвигуна, а так само контролюється його перегрів.

2 Розробка програмного забезпечення

Відповідно з вимогами до системи необхідно розробити фрагмент людино-машинний інтерфейс, який повинен відображати положення суглобів робота-маніпулятора. Дані для людино-машинного інтерфейсу повинні надходити від програмованого логічного контролера за допомогою інтерфейсу Ethernet. Адресація даних програмованого логічного контролера приведена в таблиці 2.1.

ПараметрАдресаТип данихДіапазон
1 Уставка кута осі A1 DB1.DBD0 Речовий -170 ÷ +170°
2 Швидкість зміни кута осі A1 DB1.DBD4 Речовий -10 ÷ +10°
3 Кут повороту осі A1 DB1.DBD8 Речовий -170 ÷ +170°
4 Уставка кута осі A2 DB2.DBD0 Речовий -190 ÷ +45°
5 Швидкість зміни кута осі A2 DB2.DBD4 Речовий -10 ÷ +10°
6 Кут повороту осі A2 DB2.DBD8 Речовий -190 ÷ +45°
7 Уставка кута осі A3 DB3.DBD0 Речовий -120 ÷ +156°
8 Швидкість зміни кута осі A3 DB3.DBD4 Речовий -15 ÷ +15°
9 Кут повороту осі A3 DB3.DBD8 Речовий -120 ÷ +156°
10 Уставка кута осі A4 DB4.DBD0 Речовий -185 ÷ +185°
11 Швидкість зміни кута осі A4 DB4.DBD4 Речовий -15 ÷ +15°
12 Кут повороту осі A4 DB4.DBD8 Речовий -185 ÷ +185°
13 Уставка кута осі A5 DB5.DBD0 Речовий -120 ÷ +120°
14 Швидкість зміни кута осі A5 DB5.DBD4 Речовий -20 ÷ +20°
15 Кут повороту осі A5 DB5.DBD8 Речовий -120 ÷ +120°
16 Уставка кута осі A6 DB6.DBD0 Речовий -350 ÷ +350°
17 Швидкість зміни кута осі A6 DB6.DBD4 Речовий -30 ÷ +30°
18 Кут повороту осі A6 DB6.DBD8 Речовий -350 ÷ +350°

Таблиця 2.1 - Адресація даних програмованого логічного контролера

Розроблена система є автоматизованою системою управління (АСУ). В АСУ стандартом для збору і візуалізації інформації за допомогою людино-машинного інтерфейсу є використання SCADA систем. При виборі SCADA системи ключовими питаннями є наявність драйверів необхідних для зв'язку з використовуваним апаратним забезпеченням, наявність сертифікації в даній галузі виробництва, простота і зручність розробки людино-машинного інтерфейсу, можливості розширення функціональності за рахунок використання скриптів, VBA, VSTA, наявність симуляції апаратного забезпечення.

В даному випадку, основними вимогами, висунутими до SCADA системі, є наявність драйвера Ethernet для підключення до програмованих логічних контролерів фірми VIPA з функцією повноцінної симуляції апаратного забезпечення. Даним вимогам задовольняє SCADA система zenon вивчається на кафедрі автоматизації та комп'ютерних систем в рамках дисципліни "Програмування систем реального часу".

Розроблюване програмне забезпечення для SCADA системи zenon має виконувати як функції збору інформації, візуалізації та архівування, так і функції симуляції об'єкта управління. Структура програмного забезпечення наведена на малюнку 2.1.

При розробці програмного забезпечення для SCADA системи zenon спочатку виконується конфігурування драйверів надають доступ до апаратного забезпечення. Для доступу до даних програмованого логічного контролера повинен використовуватися драйвер Ethernet організуючий роботу SCADA системи з сімейством контролерів VIPA 300. Даним вимогам задовольняє драйвер "S7 TCP-IP", конфігурація якого наведена на малюнку 2.2.

image

Малюнок 2.1 - Структура програмного забезпечення

image image image

Малюнок 2.2 - Структура програмного забезпечення

У зв'язку з відсутністю фізичної системи драйвер налаштований таким чином, що б використовувати програмну симуляцію об'єкта управління на підставі програмного програмованого логічного контролера zenon Logic входить до складу SCADA системи zenon.

Виходячи з вимог до системи, дані програмованого логічного контролера повинні зчитуватися не рідше одного разу в 100 мс, відповідно до цього задано загальне час опитування "Global updatetime in ms" рівним 100 мс. Затримка часу з'єднання доступу до контролера "Reconnect delay" задана рівною 10000 мс.

В якості основного IP адреси контролера "Primary connection" задано адресу "192.168.9.180", так як в системі не використовується резервування контролерів резервний адресу "Secondary connection" не вказано.

Перед розробкою програми симуляції об'єкта управління створюються змінні драйвера з відповідними адресами. Після створення змінні стають доступні програмному програмованому логічному контролеру zenon Logic, який виконує функцію програмної симуляції. Заповнена таблиця змінних наведена на малюнку 2.3.

image

Малюнок 2.3 - Таблиця змінних

Розробка програми симуляції об'єкта управління виконується в два етапи. На першому етапі заповнюється таблиця сигналів. У таблиці для кожного сигналу вказується значення відповідне тимчасової мітці і назвою сигналу. Таблиця сигналів заповнена, відповідно до функціонуванням об'єкта управління приведена на малюнку 2.4.

image

Малюнок 2.4 - Таблиця символів

Симуляція об'єкта виконується в наступному порядку. У початковий момент часу суглоб A2 повернуть на -90 °, суглоб A3 повернутий на 90 °, інші суглоби знаходяться в початковому положенні 0 ° (малюнок 2.5).

image

Малюнок 2.5 - Допустимі кути повороту суглобів робота-маніпулятора

Через 5 секунд починається симуляція роботи суглоба A1, в результаті якої робот повертається навколо своєї осі в положення +170 °, після чого робиться пауза і він починає повертатися в положення -170 °, після чого так само робиться пауза і робот повертається у вихідне положення.

Далі виконується симуляція роботи суглоба A2, паралельно з поворотом суглоба в положення + 45 °, виконується поворот суглоба A3 в положення 0 °, що пов'язано з обмеженнями, що накладаються конструкцією робота.

По завершенню симуляції роботи суглоба A6, робот перебувати в початковому стані, цикл симуляції може бути запущений заново непомітно для SCADA системи.

На другому етапі розробки програмного zenon Logic, виконується безпосередня розробка програми симуляції об'єкта управління на мові програмування функціональних блоків FBD. Програма виконує відтворення сигналів за допомогою специфічного для zenon Logic функціонального блоку SigPlay. За допомогою функції SigID вказується, з якої таблиці формування сигналів і який колонки вираховується значення відповідне даної тимчасової мітки. Фрагмент програми наведено на малюнку 2.6.

image

Малюнок 2.6 - Фрагмент програми на мові функціональних блоків FBD який реалізує відтворення сигналів

Перевірка правильності функціонування і відповідності висунутим вимогам розробленого програмного забезпечення програмного програмованого логічного контролера zenon Logic виконується за допомогою програмного осцилографа "Soft Scope". Вікно осцилографа з діаграмами відповідними функціонуванню об'єкта управління наведено на малюнку 2.7.

image

Малюнок 2.7 - Вікно програмного осцилографа

На цьому розробка програмного забезпечення симуляції об'єкта управління завершена. Далі виконується розробка людино-машинного інтерфейсу системи.

Виходячи з вимог і обраного апаратного забезпечення, людино-машинний інтерфейс повинен розроблятися під промисловий комп'ютер з дозволом 1280 x 1024 пікселів і мати інтерфейс. В SCADA системі zenon дана задача вирішується за допомогою шаблонів, які дозволяють розділити робочу область монітора на кілька секторів з кожним, з яких може бути пов'язаний свій тип зображення. Так як екрану має співвідношення сторін 4: 3 було прийнято рішення розмістити, кнопки перемикання між зображеннями в нижньому рядку. Зовнішній вигляд людино-машинного інтерфейсу відповідного висунутим вимогам наведено на малюнку 2.8.

image

Малюнок 2.8 - Основне зображення

Відповідно до вимог розробляється зображення системи управління повинно відображати уставки положення суглобів робота, швидкість зміни положення, поточний стан суглобів, а так само безпосередньо сам робот-маніпулятор.

Виходячи з висунутих вимог розроблено зображення відображає положення маніпулятора, наведене на малюнку 2.9. Зображення умовно розділене на чотири частини: області осі A1, область осей A2, A3, A5, область осей A4, A6 і область відображення інформації про стан робота. Всі проекції робота є анімованими і відображають поточний стан робота. В області осі A1 проекція повертається навколо своєї осі, в області осей A2, A3, A5 суглоб A5 повертається щодо суглоба A3, суглоб A3 повертається щодо суглоба A2, а суглоб A2 повертається щодо суглоба A1. В області осей A4, A6 проекція суглоба A6 повертається щодо суглоба A4, а проекція суглоба A4 повертається щодо суглоба A3.

image image image

Малюнок 2.9 - Зображення контролю положення маніпулятора