Centralny system sterowania linii produkującej sprężyny

Fot. 1. Szafa sterownicza pieca hartowniczego wykonana została głównie z wykorzystaniem urządzeń marki LSIS dostarczonych przez wykonawcę systemu sterowania - firmę ANIRO z Torunia - generalnego dystrybutora urządzeń na terenie Polski

Proces produkcji sprężyn jest kilkuetapowy. Pierwszym etapem jest nawinięcie sprężyny o określonej długości, a następnie hartowanie sprężyn, nadające im ich właściwości. Kolejnym etapem jest szlifowanie zakończeń sprężyn, tak aby możliwe było postawienie sprężyny w pionie, po czym następuje testowanie wykonanych sprężyn na zgniatanie. Każda sprężyna, która poprawnie przejdzie wszystkie etapy produkcji, jest oznaczana grawerowanym laserowo tekstem zawierającym parametry, datę produkcji oraz producenta.

Na każdym etapie produkcji wykorzystywane są autonomiczne urządzenia. Przed wykonaniem centralnego systemu sterowania każde urządzenie było niezależnie obsługiwane przez pracownika. Transport sprężyn pomiędzy etapami produkcji również wykonywany był w sposób ręczny. Celem opracowania CSS było połączenie wszystkich etapów produkcji sprężyn w pełni zautomatyzowaną linię produkcyjną, sterowaną z centralnego sterownika. Wynikiem wdrożenia było usprawnienie procesu produkcyjnego, zwiększenie jego wydajności oraz ograniczenie udziału czynnika ludzkiego w produkcji.

ZAŁOŻENIA PROJEKTOWE

Każde z urządzeń wchodzących w skład linii produkcyjnej wyposażone było we własny system sterujący pozwalający na realizację zadań wyłącznie w zakresie pracy pojedynczego urządzenia. Część urządzeń miała bardzo ubogi system sterowania, wymagający poprawek w celu integracji z CSS. Dodatkowo w celu uzyskania pełnej automatyzacji procesu produkcyjnego niezbędne było zaprojektowanie i wykonanie systemu transportowego pomiędzy poszczególnymi etapami produkcji.

W wyniku przeprowadzonej modernizacji oraz opracowania CSS linia produkcyjna miała składać się z następujących elementów: nawijarka sprężyn CNC, piec hartowniczy, transporter siatkowy, ramię robota UR-5, maszyna szlifująca, maszyna testująca, urządzenie grawerujące laserowo.

WYBÓR ELEMENTÓW I METODY STEROWANIA

Fot. 2. Ramię robotyczne serii UR-5 Universal Robots (dystrybutorem jest firma PolSver), którego integrację z linią produkcji sprężyn wykonała firma ANIRO

Modernizacja zakładała pełną automatyzację procesu produkcyjnego. Po jej wykonaniu dostępne są trzy tryby sterowania: tryb automatyczny – produkcja sprężyn odbywa się automatycznie od początku do końca, tryb ręczny – umożliwia niezależne sterowanie każdą maszyną, tryb czyszczenia linii – zakończenie produkcji sprężyn bez pozostawiania materiału na linii.

Urządzenia dla CSS dostarczone zostały przez wykonawcę systemu, firmę ANIRO z Torunia – generalnego dystrybutora urządzeń marki LSIS w Polsce. Sterowanie linii produkcyjnej w każdym z trzech trybów realizowane jest przez sterownik PLC serii XBC-RD64H. Interfejs operatorski to 15-calowy panel dotykowy LSIS XP90-TTA/DC.

W ramach zadania zaprojektowano i wykonano dwie szafy sterownicze: jedną dla systemu CSS wyposażoną w sterownik PLC oraz wszystkie wymagane do pracy linii produkcyjnej aparaty i układy interfejsowe, a drugą na potrzeby sterowania piecem hartowniczym wyposażoną m.in. w styczniki półprzewodnikowe Siemens, przekaźniki interfejsowe MPI-001-U240-208 Aniro, przemienniki częstotliwości marki LSIS serii iG5A.

W celu połączenia wszystkich istniejących urządzeń w jedną automatyczną linię produkcyjną zaprojektowano i wykonano: nowy system sterowania pieca hartowniczego, transporter sprężyn od nawijarki CNC do pieca hartowniczego, transporter sprężyn od pieca hartowniczego do robota, mechaniczny system pozycjonowania sprężyn przed robotem wraz z buforem roboczym oraz stół buforowy dla sprężyn oczekujących na testowanie. Zastosowanie ramienia robota UR-5 pozwoliło na wyeliminowanie czynnika ludzkiego w procesie produkcyjnym.

REALIZACJA WDROŻENIA

W wyniku opracowania i wdrożenia centralnego systemu sterowania produkcja sprężyn odbywa się w pełni automatycznie. Zadaniem operatora jest jedynie podanie parametrów produkowanych sprężyn, ich ilości oraz wciśnięcie przycisku "Start" rozpoczynającego proces produkcyjny.

Produkcja rozpoczyna się od maszyny nawijającej sprężyny, przy czym nawijana jest ustalona przez operatora liczba sprężyn. Po nawinięciu i odcięciu każda sprężyna transportowana jest automatycznie do pieca hartowniczego, który wygrzewa sprężyny w określonej przez operatora temperaturze, przez określony czas. W wyniku hartowania sprężyny uzyskują wymagane właściwości.

Następnie gorące sprężyny transportowane są do maszyny szlifującej, do której załadunek realizowany jest przez ramię robota UR-5. W trakcie transportu sprężyny są automatycznie pozycjonowane, tak aby robot mógł je prawidłowo pobrać i umieścić w szlifierce. Dodatkowo przed samym załadunkiem sprężyny trafiają do bufora roboczego zapobiegającego przed przeładowaniem linii i zatrzymaniem produkcji. Robot pobiera sprężyny z bufora i ładuje określoną ich ilość do szlifierki, która usuwa wszystkie niedoskonałości sprężyn wynikające z odcięcia sprężyny po nawinięciu – tak aby ich górna i dolna część była płaska.

Po zakończeniu szlifowania robot wyjmuje sprężyny ze szlifierki i odstawia je na pole odstawcze stołu buforowego przed maszyną testującą. Ponieważ szlifowanie sprężyn trwa dłużej niż testowanie, sekwencja pracy jest taka, aby robot w pierwszej kolejności zapełnił ponownie szlifierkę, a następnie przystąpił do przekazywania sprężyn do maszyny testującej. W trakcie szlifowania kolejnej partii sprężyn odbywa się testowanie sprężyn już oszlifowanych. Robot pobiera sprężynę ze stołu buforowego i umieszcza ją w maszynie testującej. Sprężyna poddawana jest działaniu określonej przez operatora siły. W wyniku testu określana jest charakterystyka sprężyny, która zostanie wygrawerowana na sprężynie.

Po zakończeniu testowania robot pobiera sprężynę z maszyny testującej i umieszcza ją w ognisku lasera grawerującego parametry sprężyny. Po zakończeniu grawerowania robot odstawia gotową sprężynę na pole odstawcze i rozpoczyna ponownie sekwencję testowania i grawerowania. Sprawne grawerowanie laserowe parametrów sprężyny możliwe jest dzięki zastosowaniu robota – napis może być wypalony tylko i wyłącznie w określonej odległości od lasera, tzw. ogniskowej. Ramię robota zapewnia powtarzalność ruchu oraz niezawodność wykonania tej operacji.

STEROWANIE PROCESEM

Fot. 3. Przykładowe ekrany operatorskie wykonane na urządzeniach HMI marki LSIS z serii XP; z lewej interfejs komunikacji z operatorem dla systemu sterowania piecem hartowniczym - 7-calowy kolorowy, dotykowy wyświetlacz komunikujący się przez sieć Ethernet z serii XP40; z prawej jeden z ekranów głównego systemu sterowania CSS - 15-calowy kolorowy, dotykowy panel operatorski serii XP90

Zastosowany sterownik PLC zapewnia pracę we wszystkich trybach i spełnia kilka zadań. Jego podstawowym zadaniem jest kontrolowanie pracy wszystkich urządzeń wchodzących w skład linii produkcyjnej, tak aby możliwa była bezawaryjna, bezprzerwowa, sekwencyjna praca automatyczna linii. Odpowiada także za kontrolę zabezpieczeń transportu i układu bezpieczeństwa, analizę wszystkich sygnałów przychodzących z czujników, przycisków oraz maszyn "samodzielnych" włączonych w ciąg produkcyjny.

Sterownik zapewnia również komunikację z panelem dotykowym HMI realizującym funkcję interfejsu z użytkownikiem, który umożliwia operatorowi uruchomienie oraz monitorowanie procesu produkcyjnego. Dzięki zastosowaniu paneli dotykowych operator ma możliwość ustawienia parametrów produkcji: ilość sprężyn do wyprodukowania, wymagana długość sprężyn, czas wygrzewania, itp. Możliwe jest również wybranie trybu produkcji z hartowaniem lub bez hartowania (w drugim przypadku następuje przejazd sprężyn przez zimny piec).

Dodatkowo interfejs użytkownika umożliwia: podgląd bieżących parametrów technologicznych, podgląd stanu systemu, stanu urządzeń wykonawczych (praca silników, pozycja zaworów, monitorowanie stanów awaryjnych urządzeń), podgląd alarmów, jak również ich kasowanie i archiwizację, pełne sterowanie wszystkimi elementami wykonawczymi, zaawansowaną konfigurację parametrów systemu sterowania.

Panel HMI umożliwia również monitoring procesu produkcyjnego: aktualną ilość sprężyn na linii, ilość sprężyn w szlifierce, ilość sprężyn przed testowaniem, czas grawerowania, etap sekwencji, w której znajduje się produkcja (załadunek, rozładunek, pozycjonowanie szlifierki, szlifowanie, testowanie, grawerowanie). Na linii produkcyjnej zastosowano elastycznego, niewielkiego i ekonomicznego robota serii UR-5. Do jego zadań należy: załadowanie i rozładowanie szlifierki, załadowanie sprężyny do maszyny testującej, pobranie sprężyny z maszyny testującej i podanie sprężyny do grawerowania, odłożenie gotowej sprężyny na pole odstawcze po zakończeniu produkcji.

PODSUMOWANIE

Po wykonaniu modernizacji wykonano testy funkcjonowania linii produkcyjnej. Spełnione zostały założenia projektowe dotyczące wydajności oraz dokładności pracy maszyn zintegrowanych w jednej linii. Opracowany centralny system sterowania umożliwia w pełni zautomatyzowaną produkcję sprężyn. Zastosowanie sterownika PLC oraz ramienia robota umożliwiło spełnienie wymagań klienta dotyczących integracji systemu sterowania.

Opisana aplikacja została wykonana w oparciu na produktach koreańskiej firmy LSIS (LG) oraz ramieniu robota UR-5 duńskiej firmy Universal Robots. Wszystkie urządzenia marki LSIS mają 24-miesięczną gwarancję i dostępne są bezpośrednio z magazynów ANIRO w Toruniu.

Rafał Kmieciak, Sebastian Pokorski
ANIRO Sp. z o.o.
www.aniro.pl