Sisteme de fabricatie automate flexibile

S-a aratat in capitolul anterior ca functionarea automata a unui sistem de fabricatie flexibil - SFF presupune ca operatorul uman nu are interventii, continue sau discontinue la timpi prestabiliti, in procesul de fabricatie care se desfasoara.

Conditiile functionarii automate a SFF

Un SFF poate functiona automat daca fiecare componenta functioneaza automat, corelarea acestora realizandu-se de asemenea fara interventia operatorului uman.

Prima conditie a functionarii automate a unei componente a SFF este acea ca ea sa fie mecanizata, deci toate miscarile organelor sale active sa fie actionate de surse de energie mecanica (motoare).

A doua conditie a functionarii automate a componentei este posibilitatea de a fi comandata automat, ea avand capacitati de autoconfigure, autoreglare, programabilitate si de comunicare.

Autoconfigurea unui utilaj inseamna efectuarea automata a reechiparilor, trecerea in pozitiile de pornire-oprire, aducerea semifabricatelor si evacuarea obiectelor de lucru finite, alegerea valorilor nominale ale parametrilor regimului de lucru, respectiv de manipulare.

Autoreglarea inseamna mentinerea automata a valorilor parametrilor de functionare, in cazul operatiilor cu perturbatii.

Prin programabilitate se intelege facilitatea componentei de a accepta, memora si utiliza programe de calculator (produse software), in vederea ordonarii executiei fazelor cuprinse in operatii, intr-o succesiune prestabilita prin instructiuni.

Capacitatea de comunicare exprima proprietatea componentei de a schimba mesaje cu componente de acelasi rang sau cu subsisteme de rang ierarhic diferit. Prin intermediul mesajelor, componentele isi adapteaza parametri functionali la proces, isi coreleaza ciclurile de functionare, emit si receptioneaza semnale de interblocare, informeaza despre evolutia parametrilor din procesul tehnologic si din procesele interne ale fiecarui component.

Rezolvarea dezideratelor de mai sus necesita echiparea componentelor cu sisteme de comanda bazate pe automatica si tehnica de calcul.

Legarea sistemelor de comanda ale mai multor utilaje intr-o retea informationala unitara este cunoscuta sub denumirea de integrare informationala. Ea consta din integrare hard - continand calculatoare si dispozitive periferice ale acestora si integrare soft - continand programe de calculator pentru desfasurarea proceselor din SFF. Schema unui sistem integrat informational este redata in Fig. 1.

Activitatile din acest sistem sunt coordonate de un calculator central, dotat cu echipamente periferice: unitate flopy-disc, CD-rom, tastatura, monitor, imprimanta, interfete.

Calculatorul central gestioneaza informatiile de sistem, distribuie programele de conducere la calculatoarele utilajelor componente, preia si proceseaza informatii despre functionarea utilajelor (in scop de mentenanta si diagnoza) si informatii despre evolutia procesului tehnologic (in scopul intocmirii de statistici, rapoarte de productie si de monitorizare a procesului).

Fig. 1    Schema unui SFF integrat informational

Majoritatea utilajelor componente ale unui SFF contin niste elemente de executie, care in decursul procesului actioneaza asupra mediului, consumand energie. In cazul in care elementele de executie actioneaza consumand energie mecanica, ele sunt in miscare. In acest caz, cu elementele de executie se solidarizeaza obiecte de lucru (atat in cadrul subsistemului de lucru, cat si in cadrul celui de manipulare), respectiv scule (in cadrul subsistemului de lucru)

Energia necesara realizarii actiunii elementelor de executie este vehiculata, de la sursa de energie la elementul de executie, pe un traseu de dispozitive legate in serie care poarta numele de axa energetica [KOV 01].

SFF se poate considera ca fiind o multime de axe energetice cu functionare corelata in conformitate cu cerintele procesului tehnologic de efectuat.

Exemple de axe energetice sunt: axele miscarii principale, cele ale miscarilor de avans, de aducere a lichidului lubrefiant, etc., in cazul masinilor de lucru (Cap. 4), axele dispozitivelor IA/E (Cap. 5), axele aferente cuplelor cinematice conducatoare ale mecanismelor dispozitivului de ghidare ale robotilor (Cap. 6).

Componentele SFF pot functiona automat numai daca axele lor energetice sunt comandate automat.

Intr-un SFF integrat informational, componentele trebuie sa aiba axe energetice descentralizate. Descentralizarea se caracterizeaza prin independenta cinematica, fiecare axa avand sursa de energie proprie si o functionare comandata de catre sistemul de comanda al utilajului din care face parte. Se intelege prin comanda axei energetice transmiterea de la sistemul de comanda la axa a unei informatii privind momentul inceperii si opririi functionarii acestuia si valorile de referinta (in general variabile in timp) ale parametrilor de functionare.

Structura axei energetice

De regula, energia primara nu corespunde nici calitativ si nici cantitativ cu energia ceruta de procesul tehnologic servit. Pentru preluarea, convertirea, cuantificarea si transmiterea energiei in proces, in structura axelor energetice se prevad componente specializate (Fig. 2).

Fig. 2    Structura unei axe energetice

Conectorul asigura racordarea axei la sursa de energie. Axele energetice ale unui utilaj, alimentate de la aceiasi sursa, sunt legate pe un conector comun.

Intreruptorul serveste pentru pornirea si oprirea fluxului energetic prin axa la care se refera.

Convertorul asigura prelucrarea energiei: o poate redresa, poate trece din flux continuu in impulsuri, poate influenta unii dintre parametri energetici, de exemplu presiunea, debitul viteza, tensiunea, frecventa sau faza, dupa felul actuatorului.

Actuatorul preschimba energia primita la intrare in cea necesara procesului. In majoritatea cazurilor aceasta conversie schimba natura energiei. Actuatoarele se deosebesc dupa tipul conversiei de realizat. Pentru conversia energiei electrice in caldura actuatorul poate fi o rezistenta electrica sau o bobina de inductie cu curenti de inalta frecventa. Pentru conversia energiei fluidice (pneumatice, hidraulice) ori a celei electrice in energie mecanica se utilizeaza ca actuatoare, diferite tipuri de motoare.

Rolul adaptorului este acela sa potriveasca parametri fluxului energetic de iesire din actuator cu parametri energetici necesari fluxului de intrare la elementul de executie.

In cadrul fluxurilor de energie mecanica, adaptoarele sunt constituite din transmisii mecanice. Ele modifica natura si caracteristicile miscarii de iesire din actuator in functie de cerintele de miscare ale elementului de executie impuse de proces.

Transferul energetic de la axa energetica la proces se realizeaza prin intermediul unor organe active, numite elemente de executie. Conceptia elementelor de executie difera dupa natura energiei de transferat si natura procesului.

Reuniunea dintre actuator si adaptor constituie elementul de actionare al axei energetice. El este dimensionat pentru un anumit flux energetic, de intensitate egala cu puterea nominala a axei.

Reuniunea dintre intreruptor si convertor se defineste ca element de dirijare a fluxului energetic. In cazul axei energetice elementul de dirijare accepta doar comanda bipozitionala P/O (pornit/oprit). Comanda bipozitionala se implementeaza in sistemele automate prin intermediul limitatoarelor de cursa, a releelor contactoare, a supapelor etc.

Controlul axei energetice

Fluctuatiile de putere din proces produc perturbatii Z (t), dependente de timp, care pot cauza regimuri oscilatorii in functionarea componentelor axei energetice. Pentru evitarea intrarii componentelor in oscilatii instabile (rezonante), axa energetica trebuie sa fie protejata de o bucla de reactie (Cap. 1).

Axa energetica neprotejata poate fi folosita numai in procese stabile, spre exemplu: deschiderea / inchiderea usilor de protectie, actionarea pompelor de ungere-racire, a unor dispozitive de lucru si dispozitive de prehensiune, a unor componente din IA/E (Cap. 5). Functia de protejare a axei energetice de efectele negative ale perturbatiilor din mediu poarta denumirea de control

Controlul analogic

Adaptarea automata a axei energetice la perturbatiile unui proces poate fi facuta cu ajutorul controlului analogic. El utilizeaza o axa de reglare analogica, constituita dintr-un comparator de semnal C si un regulator conectat pe convertor (Fig. 3). Axa de reglare analogica lucreaza in bucla inchisa, cu doua semnale de intrare de mica putere. Comanda de referinta este realizata prin semnalul direct 'i', proportional cu valoarea nominala 'e' a parametrului supus reglarii pe axa energetica. Semnalul de reactie r(t) este proportional cu valoarea reala e(t) a parametrului respectiv, din fluxul de energie perturbat. Convertirea proportionala este descrisa de o relatie de forma:

(1)

Aceasta operatie este efectuata de un traductor T sau un senzor S, care preleveaza valoarea parametrului e(t) din fluxul energetic, dintr-un punct situat obisnuit dupa actuator. Cu ajutorul celor doua semnale de intrare comparatorul determina eroarea de semnal:

(2)

pe care o trimite apoi spre regulator, ca semnal de intrare.

Pe baza erorii de semnal, regulatorul elaboreaza semnalul de servocomanda s(t), cu care modifica regimul de functionare al convertorului, in sensul anularii erorii de semnal e(t). Acest deziderat se realizeaza intr-un timp de raspuns Tr, conform relatiei:

(3)

Fig. 3 Structura unei axe energetice avand control analogic

Cum parametrul de iesire e(t) tinde sa ia valoarea constanta prescrisa 'e', axa perturbata se stabilizeaza.

Variatia in timp a parametrului e(t) dupa o perturbatie treapta, se numeste caracteristica de raspuns a buclei de reactie. Caracteristicile de raspuns depind de constructia componentelor in bucla.

Pentru a reduce timpul de raspuns se utilizeaza regulatoare PID, avand proprietati proportional-integrator-derivative acordate (corelate) cu cele ale altor componente. In cazul functionarii stabilizate, caracteristica de raspuns a buclei de reglare are una din formele specificate in Fig. 4.

Fig. 4 Caracteristici de raspuns la o bucla de reglare stabila

a) - raspuns cu oscilatii amortizate b) - raspuns cu amortizare critica

Ansamblul format din comparator, regulator, convertor, releu si intreruptor este obisnuit o constructie monobloc, numit regulator de axa. Axa de reglare este subsistem in regulatorul de axa, iar acesta din urma are cu axa energetica o parte comuna.

Cu ajutorul releului, prin regulatorul de axa se poate porni si opri automat functionarea axei energetice, iar cu ajutorul axei de reglare se poate mentine automat valoarea parametrului reglat la cea prescrisa.

Controlul analogic se utilizeaza pentru reglari de turatii, debite, presiuni, nivele, temperaturi, concentratii, etc.

Controlul analogic asigura de asemenea protectia automata a componentelor de pe axa energetica, fata de distrugerile prin rezonanta care pot apare in urma perturbatiilor generate de procesul tehnologic servit.

Controlul digital

La anumite procese, valoarea de referinta a unui parametru de functionare al axei energetice trebuie modificata in timp, dupa o lege prestabilita.

Sistemele care comanda axa energetica pe baza unei marimi de referinta i(t) variabila in timp, se numesc sisteme de urmarire.

Sistemul de urmarire este o bucla de reactie digitala, subordonata unui calculator numeric, care preia atat rolul comparatorului, cat si cel al regulatorului, indeplinind si alte functii, asa cum se va arata in continuare.

El contine un convertor digital-analog D A, un dispozitiv de testare DT, un element de retinere EM, traductorul/senzorul T/S si un convertor analog-digital A D

Fig. 5 Structura unei axe energetice avand control digital

Reglarea se bazeaza pe testare. In acest scop, contactele dispozitivului DT (Fig. 5) se inchid si se deschid alternativ, o singura data intr-un interval de timp DT, numit durata de tact. In momentul inchiderii contactelor, convertorul A D transforma valoarea analogica r(t) a semnalului de reactie intr-un semnal digital r'(t), care se trimite la calculator. Acesta citeste dintr-o baza de date valoarea dorita a parametrului 'e' pentru tactul de testare urmator, stabileste eroarea de semnal e(t) si o prelucreaza - folosind un program care reproduce efectul unui regulator PID acordat - elaborand in final semnalul de comanda digital i'(t), care este transformat de convertorul D A intr-un semnal de comanda analogic i(t).

La tactul de testare urmator, contactele dispozitivului DT se inchid din nou pentru o scurta durata, trecand un impuls de semnal i(t) la elementul de retinere EM. Acesta nu-i modifica valoarea, dar ii prelungeste durata la DT si apoi, aplica semnalul de servocomanda s(t) rezultat pe convertorul axei energetice.

Daca timpul de raspuns si durata de tact sunt in relatia:

(4)

parametrul e(t) se stabilizeaza la valoarea comandata 'e' inaintea unui tact de testare nou, rezultand o urmarire precisa.

Pentru obtinerea unor viteze de urmarire satisfacatoare trebuie utilizate durate Tr si DT mici. Minimizarea lui Tr poate fi realizata prin optimizarea reglarii PID.

Pentru reducerea lui DT (Fig. 6) se recurge la esantionarea (stabilirea intervalelor de testare) fina a parametrului comandat, ceea ce reduce si timpul de raspuns Tr prin faptul ca oscilatiile, produse pe axa energetica de treptele de comanda e micsorate, se amortizeaza mai rapid.

Actuatorul, controlat printr-un sistem de urmarire, nu trebuie sa sufere perturbatii din partea procesului tehnologic. Capacitatea unui calculator numeric utilizat in controlul digital asigura comanda simultana descentralizata a mai multor axe, precum si legatura informationala spre alte sisteme. O anumita componenta a SFF poate avea axe energetice controlate in diferite moduri.

Fig. 6    Semnalele de intrare / iesire ale elementului de retinere EM

Programarea axelor energetice

Programul de comanda a axelor energetice ale unei componente a SFF prevazut cu sistem CNC, consta dintr-o succesiune de informatii codificate, prin care se definesc: parametri de configurare, parametri de functionare, conditiile de interblocare, de alarma, momentele de pornire-oprire ale functionarii axelor si de extragere a informatiilor de comunicatie.

Programarea poate fi efectuata 'on-line' sau 'off-line'. In cazul programarii 'on-line', instructiunile programului se elaboreaza la tastatura calculatorului numeric al sistemului de comanda al utilajului, mentinand-o pe acesta pe toata durata programarii in repaus. Programarea 'off-line' se efectueaza in avans, pe un calculator independent. Programul intocmit se salveaza pe un suport de memorie extern (Floppy-Disk sau CD-Rom) si se incarca spre folosire in sistemul de comanda al utilajului pentru care este destinat, fie prin intermediul unitatilor de disc ale acestuia, fie prin reteaua informationala a SFF.

Functionarea corelata a axelor energetice ale utilajului se asigura prin ordinea instructiunilor inscrise in programul de comanda. Aceasta ordine depinde de ciclurile de lucru ale axelor energetice pe durata unei operatii si de conceptia controlului acestora.