Precyzyjna kontrola podnoszenia 20-tonowych bloków z wykorzystaniem NI CompactRIO

SPECJALIZOWANE UKŁADY HYDRAULICZNE I STEROWANIE NIMI

Firma VAPO Hydraulics specjalizuje się w tworzeniu rozwiązań hydraulicznych na zamówienie klientów. Wytwarza ona różnego rodzaju siłowniki, w tym wersje o dużych wymiarach – nawet do 8 metrów długości i wewnętrznych średnicach do 700mm. W ostatnim czasie jej klienci zaczęli również wymagać dostarczania kompletnych układów sterowania i regulacji tego typu systemów hydraulicznych.

W przypadku względnie prostych układów, gdzie zachodzi potrzeba kontroli pracy jednego lub dwóch siłowników, system sterowania może być wykonany z wykorzystaniem powszechnie dostępnych kontrolerów i sterowników programowalnych. Do komunikacji wykorzystywane są tutaj standardowe sieci fieldbus i cyfrowe moduły we/wy.

Aby jednak kontrolować bardziej złożone maszyny, VAPO wykorzystuje rozwiązania z kontrolerami CompactRIO firmy National Instruments. Ich użycie jest niezbędne, gdy konieczne jest spełnienie dodatkowych wymogów, takich jak zapewnienie precyzyjnej kontroli pozycji siłownika w całym zakresie ruchu tłoka czy duża prędkość ruchu lub synchronizacja pracy wielu tłoków. Urządzenia CompactRIO nie tylko pozwalają na spełnienie tego typu wymogów, lecz charakteryzują się też dużą niezawodnością i odpornością na trudne warunki środowiskowe.

„CIĘŻKIE” ZADANIE

Klient VAPO Hydraulics wytwarza prefabrykowane bloki betonowe, które muszą być osuszane przez 24 godziny przed przetransportowaniem ich do magazynu, gdzie są składowane w pozycji pionowej. Aby oszczędzić przestrzeń, w zakładzie wykonano system wstępnego magazynowania składający się z 10 poziomów rozmieszczonych wokół centralnego podnośnika.

Na tym etapie produkcji beton jest jeszcze płynny, przez co formy z odlewem muszą być przez 24 godziny przechowywane w pozycji ściśle horyzontalnej. Każda z nich waży 20 ton, ma wymiary 12×2,5 metra i zawiera odlew betonowy o grubości 10cm (wagi formy oraz odlewu są w przybliżeniu podobne i wynoszą po 10 ton).

Aby umieścić ją na półce magazynowej, forma musi być podniesiona przy utrzymaniu jej orientacji poziomej, a następnie wsunięta na miejsce przechowywania. W celu podnoszenia elementów o takiej wadze wykorzystano 4 siłowniki hydrauliczne, każdy o długości 3 metrów oraz napęd łańcuchowy, co pozwala na ruch podnośnika do 6 metrów w górę. W czasie przemieszczania ładunku wysuw każdego z siłowników musi być kontrolowany z dokładnością do 2mm (pomiary wykazały, że w wykonanym systemie odbywa się to z dokładnością 0,1mm).

Praca każdego z siłowników musi być również kontrolowana oddzielnie, tak aby móc skompensować różnice w rozkładzie wagi poszczególnych bloków (niektóre z wytwarzanych elementów mają przykładowo otwory na okna, co zmienia gradient ciężaru).

Ponieważ transport elementów o tak dużej wadze nie może być natychmiastowo zatrzymywany lub rozpoczynany, w kontrolerze wbudowano profil prędkości, dzięki któremu zmienia się ono stopniowo, od zera do maksymalnie 45mm/s (ruch cylindra) i 90mm/s (ruch podnośnika). Zatrzymanie ruchu ma także charakter płynny. Do pomiaru pozycji tłoków wykorzystywane są enkodery magnetyczne wbudowane w siłowniki. Miejsce montażu zapewnia odporność na uszkodzenia. Dokładność pomiarowa enkoderów to 5‒10 μm, do komunikacji z systemem nadrzędnym wykorzystywany jest protokół szeregowy SSI.

COMPACTRIO DO KONTROLI SYSTEMU HYDRAULICZNEGO

Sterowanie pracą systemów hydraulicznych postrzegane jest jako relatywnie łatwe zadanie. Zupełnie inaczej jest jednak w przypadku konieczności kontroli pracy siłowników w całym zakresie ruchu ich tłoków. Układy hydrauliczne są bowiem z natury nieliniowe, przez co ich sterowanie i regulacja wymagają wiedzy i zastosowania odpowiedniego systemu kontroli.

Do innych ważnych cech siłowników należy zmienność parametrów dynamicznych zależnie od pozycji tłoka. Częstotliwość rezonansowa oraz sztywność są funkcją pozycji tłoka, co spowodowane jest ściśliwością cieczy wykorzystanej w układzie.

Podczas tworzenia systemu sterowania i regulacji należało wziąć pod uwagę wszystkie te cechy, gdyż były one bardzo istotne w przypadku maszyny podnoszącej tak duże ciężary. W celu odpowiedniej kontroli ruchu, regulator PID musi cały czas odpowiednio adaptować się do bieżącej pozycji tłoków siłowników. Tego typu zadanie byłoby niemożliwe do zrealizowania z wykorzystaniem PLC.

Poza tym w omawianym systemie należało zrealizować pomiary analogowe. Aby precyzyjnie kontrolować pracę siłowników, niezbędne było zaimplementowanie nieliniowego algorytmu regulacji – np. bazującego na regulatorach liniowo-kwadratowych, typu H-nieskończoność lub wykorzystujących model obiektu. Tego typu algorytmy zapewniają dokładniejszą regulację, mniejsze przeregulowania i lepsze możliwości strojenia. Po ich ewaluacji inżynierowie firmy zadecydowali, że algorytm regulacji, bazujący na sterowaniu ze sprzężeniem zwrotnym na podstawie stanu bieżącego, zapewni najlepsze rezultaty.

ARCHITEKTURA SYSTEMU

System składa się z interfejsu operatorskiego oraz kontrolera NI CompactRIO. Ten pierwszy wykonany jest przy użyciu panelu dotykowego i komunikuje się z kontrolerem poprzez sieć Ethernet. Z kolei CompactRIO zawiera system mikroprocesorowy czasu rzeczywistego, układ programowalny FPGA oraz interfejsy we/wy. Jako oprogramowanie wykorzystano, w przypadku obydwu urządzeń, NI LabVIEW.

FPGA UMOŻLIWIA PRZETWARZANIE RÓWNOLEGŁE

W aplikacji zastosowano wbudowany w CompactRIO układ FPGA, który pozwala na szybkie, równoległe przetwarzanie sygnałów. Te ostatnie przesyłane są z enkoderów umieszczonych w cylindrach z wykorzystaniem protokołu SSI, a następnie służą do utworzenia informacji bieżącej pozycji tłoka i przesyłane są do układu sterującego.

Omawiana komunikacja wymaga zastosowania protokołu, w którym urządzenie master wysyła 26 impulsów zegarowych. Po każdym impulsie transmitowany jest bit informacji, która jest następnie dekodowana. Do podłączenia czujników wykorzystano układy we/wy NI 9401.

Co 50 mikrosekund układ FPGA odczytuje informacje z czujników z częstotliwością 1MHz i przetwarza je na zmienne określające bieżącą pozycję i prędkość ruchu tłoków. Dane te przesyłane są do układu przetwarzającego je w czasie rzeczywistym.

Interfejsy we/wy układu FPGA wykorzystywane są również w celu obsługi sygnałów bezpieczeństwa. Zaistnieć mogą sytuacje, w których ruch siłowników musi być zatrzymany w krótkim czasie, tak aby zapobiec możliwości uszkodzenia elementów. W przypadku gdy obsługa wywoła funkcję zatrzymania awaryjnego, polecenie to jest przekazywane bezpośrednio do sterownika, który wykonuje kontrolowane zatrzymanie podnośnika. Dodatkowo układ FPGA cały czas przetwarza te dane, przez co, w przypadku gdy maszyna nie zatrzyma się w okreś lonym momencie, może dokonać jej bezpośredniego zatrzymania.

W omawianej aplikacji wykorzystano FPGA także w celu próbkowania wartości na 16 wejściach analogowych, do których podłączone są czujniki mierzące wartości ciśnienia i inne parametry. Dane te są konwertowane do wartości cyfrowych i transmitowane do pracującego w czasie rzeczywistym systemu sterowania.

IMPLEMENTACJA SYSTEMU KONTROLI W UKŁADZIE CZASU RZECZYWISTEGO

Informacje z czujników, takie jak te dotyczące ciśnienia, pozycji i prędkości ruchu, przetwarzane są z wykorzystaniem odpowiedniego algorytmu w LabVIEW Real-Time. Układ FPGA generuje co 5ms sygnał zegarowy (przerwanie) do kontrolera, którego zadaniem jest wyliczenie parametrów sterowania pracą czterech siłowników. Tego typu rozwiązanie gwarantuje precyzję pracy, a wyzwalanie z FPGA daje pewność, że system sterujący będzie zawsze w takim samym stanie jak rzeczywisty układ sterowany.

Zastosowany kontroler czasu rzeczywistego jest odpowiedzialny za pracę systemu w odpowiednim zakresie wartości.. Odczytywane są wartości ciśnień, pozycji tłoków oraz wartości referencyjne. W przypadku gdy są one poza wyznaczonym zakresem (tolerancją), istnieje możliwość wprowadzenia zmian kompensujących odchyłki powstałe np. na skutek zużywania się elementów mechanicznych. Wykrywane są także ewentualne uszkodzenia czujników lub siłowników. Tego typu diagnostyka i wykrywanie nieprawidłowości działania są aktywne zarówno podczas fazy rozruchu, jak i pracy systemu.

WYKORZYSTANIE PANELU DOTYKOWEGO

Operator steruje pracą podnośnika poprzez panel dotykowy. Komunikacja ethernetowa z kontrolerem CompactRIO wykonana została z użyciem protokołu TCP/IP. Uruchamianą na panelu aplikację utworzono w LabVIEW z wykorzystaniem modułu Touch Panel, zawiera ona menu i pozwala na kontrolowanie ruchów maszyny. Operator ma dostęp do takich funkcji jak np.: rozpoczynanie podnoszenia, wykonanie diagnostyki, wstrzymanie ruchów. Panel wyświetla również informację o bieżącym stanie pracy, dane diagnostyczne oraz komunikaty o błędach.

PODSUMOWANIE

Po uruchomieniu systemu okazało się, że spełnia on z naddatkiem wymogi aplikacji. Pozwala na podnoszenie betonowych bloków z prędkością 45mm/s (dotyczy wysuwu tłoków), a przy tym zapewnia precyzję pomiarów na poziomie 0,1mm. Aplikację wykonano w dwa miesiące. Ponieważ oprogramowanie stworzone zostało jako modułowe, w razie potrzeby może ono być w większości powtórnie użyte i w ciągu kilku tygodni zaadaptowane do nowego systemu.

Stijn Schacht
National Instruments Poland Sp. z o.o.
www.ni.com/poland