Przekrawacz rotacyjny w tekturnicy

MASZYNY I URZĄDZENIA
Przekrawacz rotacyjny w tekturnicy
Cz. 3
STANISŁAW MUSIELAK
Sterowniki PLC
Sterowniki programowalne PLC (Programmable Logic Controllers) stanowią nieodłączną część układu sterowania i regulacji przekrawacza. Są komputerami przemysłowymi, które
pod kontrolą systemu operacyjnego czasu rzeczywistego (1)
zbierają wartości mierzone za pośrednictwem modułów wejściowych z analogowych i dyskretnych czujników pomiarowych.
A następnie:
- wykonują programy aplikacyjne na podstawie przyjętych
parametrów i uzyskanych danych o sterowanym procesie lub
maszynie,
- generują sygnały sterujące zgodnie z wynikami obliczeń tych
programów i przekazują je poprzez moduły wyjściowe do
elementów i urządzeń wykonawczych,
- transmitują dane oraz spełniają funkcje komunikacyjne,
- realizują funkcje diagnostyki programowej i sprzętowej.
Na rysunku 1 przedstawiono różne sterowniki firmy Siemens,
które spotykane są w wielu aplikacjach w wersji S5 oraz nowej
generacji S7 (2).
Sterowniki firmy Siemens są klasycznym przedstawicielem
układów programowalnych w przekrawaczach firmy BHS. Istnieje
również znaczna liczba rozwiązań z innymi sterownikami, np.
Rockwal Automation lub firmy B&R serii 2005.
Doboru sterowników dokonuje się uwzględniając wiele czynników technicznych oraz ekonomiczno-organizacyjnych. Aplikacja
sterownika w przypadku przekrawacza (rys. 2) stawia inne
wymagania niż typowe aplikacje przemysłowe. Wybór sterownika zależy od dwóch podstawowych czynników, wynikających
z zadań technologicznych układu regulacyjnego.
Jeżeli układ generowania trajektorii (profili) jest zintegrowany ze
sterownikiem, wówczas wybór sterownika jest trudny ze względu
na odpowiednie algorytmy czasu cyklu pracy sterownika oraz
rodzaj języka programowania. Należy sobie zdawać sprawę, że
cykl pracy sterownika (lub danego podprogramu) nie może ze
względów regulacyjnych przekraczać często 1 ms. Wtedy można
wybrać systemy B&R Motion Controler (3) ze zintegrowanym
przetwornikiem PLC lub Rockwal Automation albo Siemens
Simadin T400 (4). Są to często systemy oparte nie na cyklicznej
pracy programu lecz na pracy w systemie zadaniowym (task).
Dwa pierwsze wymienione sterowniki pracują w wielu aplikacjach
przekrawaczy rotacyjnych BHS.
W przypadkach, gdy oddzielny PC generuje profile, wybór
sterownika nie jest tak istotny, gdyż nie przejmuje on funkcji regulacyjnych lecz nadzoruje: sterowanie jednostkami napędowymi,
S. Musielak, BHS Corrugated Maschinen- und Anlagenbau GmbH,
Paul-Engel-Str. 1, 92729 Weiherhammer, Niemcy,
e-mail:[email protected]
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 67 · MARZEC 2011
Rys. 1. Sterowniki firmy Siemens (na dolnym zdjęciu
seria S7 400)
Rys. 2. Przykład układu regulacyjnego oraz PLC w jednym bloku elektronicznym
komunikację oraz proces wizualizacji. Nie ma więc znaczenia, czy
stosowany będzie np. typ Siemens S7, Allen – Bradly, Schneider,
Funik, czy inny.
Ważnym kryterium doboru jest niezawodność funkcjonowania
układu regulacyjnego, która decyduje o ciągłości pracy przekrawacza, a tym samym całej tekturnicy.
Standardowy blok generowania profili ma wiele ograniczeń
związanych głównie z tym, że jego producent proponuje podzespół elektroniczny, który może również z powodzeniem zostać
zainstalowany nie tylko w aplikacji przekrawacza rotacyjnego.
Należy podkreślić, że ogólny trend aplikacji zmierza w kierunku
układów zamkniętych i ściśle związanych z samym napędem
i jego integracją oraz bardzo szeroką gamą możliwości, czego
dowodem są rozwiązania firmy B&R ACOPS (5). Nie oznacza
to, że oddzielnym blokom elektronicznym generującym profile
grozi likwidacja.
Komunikacja i funkcje diagnostyczne
Teoretycznie przekrawacz może pracować jako maszyna
autonomiczna. Niezbędne i bardzo ważne staje się jednak zagadnienie wprowadzania danych dotyczących wielkości produkcji.
Możliwe jest oczywiście wprowadzenie danych tylko do bloku
przekrawacza, ale taki sposób nie jest obecnie stosowany. Spo-
167
MASZYNY I URZĄDZENIA
tykane dawniej w produkcji tektury „długości” zleceń wynosiły
1000–30000 m i obecnie są rzadko spotykane. Typowe zlecenia
mieszczą się w zakresie 400– 600 m, ale realizowane są również
krótkie – 50–100 m. W Japonii zdarzają się zlecenia 5–6 arkuszy
(przy długości ciętego arkusza ok. 5000 mm).
Obecne systemy stanowią wielopoziomowe struktury przesyłu danych produkcyjnych. Dane maszynowe przesyłane są
z głównego komputera – typu host – do pulpitu centralnego, do
komputera procesu, a następnie rozdzielane do poszczególnych
bloków systemowych (przekrawacz HQM, składarka AAR, cięcie
poprzeczne SRA, system zmian zleceń OC itd.).
Podstawowe dane dla przekrawacza to: długość i liczba ciętych formatów oraz rodzaj fali. Przekrawacz przekazuje dane,
w systemie on-line, o aktualnych parametrach produkcyjnych,
np. formatach, dokładności cięcia, oraz o ewentualnych zakłóceniach. Dane te mogą podlegać natychmiastowemu korygowaniu,
którego dokonuje operator procesu technologicznego. Na rysunku
3 przedstawiono typową strukturę wymiany danych między komputerem nadrzędnym a przekrawaczem. Jako typowe stosowane
są rozwiązania SCADA Siemens WINCC (6).
Rys. 3. Przykładowa struktura układu przesyłania danych
Dalszą strukturę hierarchiczną tekturnicy BHS Corrugator
przedstawia rysunek 4. Jest to struktura czteropoziomowa,
w której wyodrębniono następujące poziomy: tekturnicy, PLC,
PC, HOST.
Dokładność procesu cięcia
Jest to jedna z najważniejszych cech przekrawacza. Od dokładności procesu cięcia tektury na przekrawaczu zależy w głównej
mierze jakość finalna produktu (rys. 5).
Rys. 4. Czteropoziomowy system przesyłania danych wg BHS Corrugated
Control System
168
Rys. 5. Widok pakietu pociętych arkuszy tektury
Dokładność procesu cięcia zależy również od wielu innych
czynników (7) np.:
- odchyłek prędkości linii produkcyjnej,
- zakłóceń w systemie napędowym,
- wpływu systemów transportowych,
- zmian w procesie technologicznym.
Dla przypomnienia należy dodać, że długości cięcia formatów
mogą się zmieniać w zakresie 400–7000 mm, przy różnych
rodzajach fali, zmiennych prędkościach 15–400 m/min, ale
jednocześnie przy zachowaniu dokładności cięcia +0,5 mm na
1000 mm długości formatu. Wymagania są więc duże, a zadanie
utrzymywania wysokiej dokładności jest trudne. Jeszcze nie tak
dawno odchyłki, stanowiące tolerancję ± 2 do ± 3 mm, były
tolerowane, co obecnie jest niemożliwe. Wiąże się to z dalszym
procesem bezpośredniego przetwarzania pociętych arkuszy,
których nawet niewielkie odchyłki wymiarowe mogą spowodować
zatrzymanie linii przetwórczych.
Zasadniczo na dokładność cięcia istotny wpływ ma dokładność
pomiaru prędkości linii technologicznej tekturnicy.
Klasyczny pomiar prędkości i drogi oraz aplikacja lasera
W klasycznym układzie pomiar prędkości tekturnicy oraz drogi
ciętej tektury odbywa się za pomocą standardowych przetworników obrotowych, encoderów sprzężonych z tradycyjnym kołem
pomiarowym, toczącym się swobodnie po powierzchni przesuwającej się tektury. Jest to metoda sprawdzona, umożliwiająca
uzyskiwanie dokładnych wyników pomiarowych i regulacyjnych.
Encodery dostarczają do układu regulacyjnego impulsy prostokątne, przy czym sensor posiada 6 kanałów. Liczba impulsów
przypadających na jeden obrót koła pomiarowego zawiera się
w przedziale 4096–8196 lub więcej, w zależności od aplikacji.
Obwód koła może wynosić 500–1000 mm.
Zaletą tego rozwiązania jest prostota, ale są także wady: ścieranie się powierzchni rolki, wpływ temperatury, kontakt z materiałem, poślizgi, zmienność współczynnika tarcia, wibracje itd.
Na rysunku 6 przedstawiono typową aplikację układu rolki
pomiarowej z przetwornikiem impulsów – encoderem.
Coraz większe wymagania technologiczne doprowadziły do
postępu w technice pomiarowej, polegającego na zastosowaniu
lasera jako czujnika do pomiaru prędkości oraz drogi.
Autor artykułu uczestniczył w historycznym dla rozwoju
tekturnic procesie zintegrowania systemu laserowego z przekrawaczem.
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 67 · MARZEC 2011
MASZYNY I URZĄDZENIA
Rys. 7. Zasada działania lasera firmy Polytec
Rys. 6. Typowa rolka pomiarowa z encoderem
Laser został zainstalowany na maszynie szybkobieżnej o prędkości 400 m/min w firmie Kunert (Niemcy). Przetestowano
lasery kilku producentów, ale najdokładniejszy okazał się laser
niemieckiej firmy Polytec. W celu omówienia zastosowanego
rozwiązania niezbędna jest krótka charakterystyka funkcjonalna
lasera pokazanego na rysunku 7.
Laser firmy Polytec pracuje na zasadzie podwójnego zjawiska
Dopplera (8). Laser jest systemem optyczno-elektronicznym,
a jego zasadniczym celem jest bezkontaktowy pomiar prędkości
(9). W takim systemie łatwe jest wyeliminowanie błędów spotykanych w klasycznym pomiarze encodera z rolką pomiarową.
Osiąga się w efekcie 2-4-krotny (w zależności od aplikacji) wzrost
dokładności pomiarów i dzięki temu uzyskuje się bardzo wysoką
i stałą w czasie dokładność cięcia.
Odchyłki cięcia w przypadku idealnej serii pomiarowej za
pomocą encodera przedstawiają rząd +1,0,0,-1,1,0,1,-1,0 [mm]
i nie są one regularne.
W przypadku lasera szeregi pomiarowe odchyłek są bardzo
regularne i posiadają wiele miejsc zerowych lub jedynkowych,
np. 0,0,0,0,0,1,0,0,0 [mm] lub 1,1,1,1,1,0,1,1,1 [mm] (Uwaga:
wyników 0 lub 1 mm nie należy brać dosłownie, wartości te są
również obarczone błędem).
Podstawowy opis matematyczny lasera dotyczy podstawowych wielkości: interwałów czasowych wzorca interferencyjnego, prędkości, czasu i długości.
Analizując zalety lasera, nie należy zapominać o jedynej jego
słabej stronie technicznej, wynikającej z potrzeby tolerancji
dotyczącej odległości (dystansu) głowicy lasera od powierzchni
mierzonego produktu – materiału. Dystans ten nie może przekraczać pewnego progu tolerancji, co wynika z zależności:
X dys = H ± H pappe
gdzie: H jest odległością podawaną przez producenta, wynoszącą np.
H pappe
H = 500 lub 900 mm, przy wymaganej tolerancji
równej np.
± 35 mm (rys. 8).
Wynika to z konieczności uwzględnienia odkształcenia (wypukłości) płaszczyzny tektury, spowodowanego naprężeniami
wewnętrznymi, np. w czasie procesu jednostronnego suszenia.
Brak równoległości tektury do podłoża może powodować powsta-
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 67 · MARZEC 2011
Rys. 8. Wpływ efektu wypukłości arkusza lub tektury na wartość tolerancji
Hpappe
Rys. 9. Aplikacja przemysłowa lasera w otoczeniu klasycznego encodera.
Pomiar prędkości na tekturnicy BHS w firmie Kunert
nie błędu systematycznego, spowodowanego przez laser. Może
również nastąpić przyrost błędów poza zakres tolerancji a nawet
zanik sygnałów na wyjściu bloku elektronicznego lasera. W takim
przypadku, w celu poprawy warunków funkcjonowania, zaleca się
stosowanie dodatkowej rolki eliminującej odkształcenie tektury
albo specjalnej szczotki dociskającej tekurę do stołu, po którym
jest ona transportowana. Pomimo tej wady, laser stosowany jest
już w tekturnicach BHS zainstalowanych w niemieckich zakładach
Prowell i Kunert (rys. 9). Brak większego zainteresowania laserem
wynika z wysokiej ceny układu, ale efekty zastosowania są bardzo
wymierne i dlatego inwestycja jest zdecydowanie opłacalna.
W przypadku stosowania klasycznej aplikacji koła pomiarowego bardzo ważne jest miejsce jego zainstalowania. Odległość
koła od przekrawacza nie powinna być duża, jednakże zbyt bliskie
położenie powoduje także negatywne skutki (10).
169
MASZYNY I URZĄDZENIA
Temperatura ma niekorzystny wpływ na koło pomiarowe,
powodując zmianę jego średnicy. W celu określenia takiej zależności wykonano serię pomiarów w warunkach przemysłowych.
Przykład wyników badań wpływu temperatury na zmianę średnicy
koła pomiarowego przedstawiono na rysunku 10. Koło zostało
wykonane ze specjalnych materiałów.
Rys. 10. Wpływ temperatury w procesie produkcji tektury na zmianę średnicy
koła pomiarowego
Zmiany temperatury są typowym zjawiskiem w procesie
Rys. 11. Rozkłady błędów cięcia tektury uzyskane z pomiarów encoderem
Rys. 12. Rozkłady błędów cięcia tektury uzyskane z pomiarów laserem
170
produkcji tektury falistej. Wartości temperatur mogą mieścić
się w granicach 80–100°C. Sytuację pogarsza częsta zmiana
zamówienia produkcyjnego, co oczywiście powoduje cykliczne
zmiany temperatury koła pomiarowego. Przyrost temperatury
w granicach 60°C powoduje istotną zmianę średnicy i obwodu
koła pomiarowego. Na przykład, w przypadku obwodu wynoszącego 500 mm, przyrost jego wynosi ok. 0,8 mm.
Na rysunkach 11 i 12 przedstawiono rozkłady błędów cięcia tektury, wykonane dla serii pomiarów z klasycznym encoderem oraz
laserem. Dokonano pomiarów dokładności cięcia tektur o formatach krótkich i długich oraz dla różnego typu fal. W przypadku
zastosowania encodera odchylenie od wartości znormowanej
0 przedstawia rysunek 11, natomiast dla lasera – rysunek 12.
Z wykresów wynika, że krzywa rozkładu dla pomiarów metodą
klasyczną z encoderem nie jest symetryczna, a współczynnik skośności (asymetrii) jest wysoki (11). W przypadku zastosowania
lasera uzyskany rozkład jest symetryczny, a odchylenia tolerancji
są dodatnie. Jest to niezmiernie ważne dla ewentualnej dalszej
kompensacji odchyłek, która jest możliwa do zrealizowania
w przypadku stosowania techniki laserowej.
Podstawowe zalety lasera stosowanego w pomiarach prędkości:
- rozróżnianie kierunku przemieszczania się materiału (tektury),
- dokładność pomiaru nie jest uzależniona od prędkości materiału
oraz jego rodzaju,
- wysoka powtarzalność wyników,
- jednorazowa kalibracja,
- niskie koszty eksploatacyjne,
- brak kontaktu z materiałem (pomiar nie powoduje odcisków na
powierzchni tektury).
Wady:
- możliwość wystąpienia dodatkowej odchyłki od wartości zadanej wymiaru arkusza, w zależności od wyjścia poza strefę
tolerancji lasera (zlikwidowanie tej wady wymaga zastosowanie
np. dodatkowej szczotki dociskowej),
- wysokie koszty zakupu (niska rentowność w przypadku pracy
jednozmianowej).
Ale uwaga! Koszty nakładów finansowych zwracają się po 2-3
miesiącach. Dla systemów przekrawaczy typu triplex oszczędności przy pracy trójzmianowej wynoszą ok. 80000 EUR. Osiągana
dokładność lasera jest mniejsza od 0,05%, a powtarzalność
niższa od 0,02%.
Literatura
1. Kasprzyk J.: Programowanie sterowników PLC.
2. Siemens Anwenderbuch SIMOREG DC Master 6RA70.
3. B&R System 2005 Anwenderbuch V4.1.
4. SIMADIN T400 mit Querschneider Scherenregelung.
5. B&R ACOPOS Anwenderbuch V1.
6. Kasprzyk J.: System SCADA Programowanie sterowników PLC.
7. Musielak S.: Przekrawacz rotacyjny cutoff störungen, materiały własne
2006.
8. Materiały firmy Polytec. Laser surface Velocimeter LSV Serie 6000.
9. Grundlagen der Velocimetrie firma Polytec.
10. Musielak S: „Analysis encoder infeed roll”, materiały własne niepublikowane.
11. Piotrowski J.: „Podstawy Miernictwa”, WNT Warszawa 2002.
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 67 · MARZEC 2011