Probleemanalyse 28 5. Probleemanalyse. Bij een automatische cyclus, waarbij een werkstuk of product behandeld, verplaatst of afgewerkt wordt, is het noodzakelijk dat alle bewerkingen of arbeidshandelingen zuiver gecoördineerd met elkaar verlopen. Een bepaalde arbeidshandeling zal pas mogen beginnen wanneer de voorgaande volledig beëindigd zijn of ten minste zover gevorderd dat er voor het verder verloop van de handelingen geen problemen kunnen optreden. Bij het verrichten van de arbeidshandelingen is het nodig het ogenblik vast te stellen waarop een volgende arbeidshandeling kan beginnen. Deze detectie zal geschieden met sensoren, waaronder: - eindschakelaars; - fotocellen; - - read-contacten; drukschakelaars; -... Bij een schakeling is het van belang om te weten wanneer een uitgaande en een ingaande slag van een cilinder plaats grijpt. In het verder verloop van deze bespreking wordt (volgens de ISO-norm) het vertrek uit de ruststand door een + voorgesteld en de beweging naar de ruststand door een -. Hierbij wordt geen rekening gehouden met het feit of dit de in- of uitgeschoven toestand is. Voorbeelden: A+ B+ C- A- B- C+ A+ C+ A- B+ C- B- A+ A- B+ B- A+ B+ B- A- Indien de stuursignalen afkomstig zijn van sensoren en rechtstreeks naar de stuurpoorten van de hoofdstuurventielen worden gevoerd, kunnen er in bepaalde gevallen moeilijkheden ontstaan, doordat de druk op één van de stuurpoorten niet verdwenen is terwijl de druk op de andere stuurpoort van hetzelfde hoofdstuurventiel opkomt, of dat de druk op een stuurpoort op een ongewenst tijdstip kan optreden. Bij 3 van de bovenstaande voorbeelden is dit het geval. Voor de laatste 2 zijn er zelfs onvoldoende signalen om dit op te lossen, we zullen dit dan moeten oplossen met een geheugen. Deze moeilijkheden kunnen het best gedecteerd worden door het verloop van de bewegingen uit te tekenen in een weg-tijd-diagram en hierbij ook de toestand van de signalen voor te stellen. Dit noemen we het fasendiagram, de oplossing afhangende van de problemen kan op diverse manieren gebeuren. In de volgende stappen wordt achtereenvolgens het fasendiagram besproken en diverse stappen die we hieruit kunnen nemen. 5.1. Fasendiagrammethode. De probleemstelling is om het pneumatisch schema op te stellen voor de vierkante cyclus: A+ B+ A- B-. De beide cilinders worden hier gestuurd door bistabiele hoofdstuurventielen. * Eerste stap: tekenen van het bewegingsdiagram, dit is de grafische voorstelling van de verschillende bewegingen in functie van de tijd. * Tweede stap: tekenen van de ingangssignalen. Per cilinder heeft men normaal 2 positiesignalen. De eindschakelaars worden even voor de eindstand bediend en komen vrij even na het vertrekken van de cilinder. Het omschakelen van de eindeloopschakelaars gebeurt dus niet op de wissellijnen zelf, maar iets ervoor of iets erna. We gaan in deze stap controleren of er voldoende signalen voorhanden zijn om de cyclus aan te sturen. Indien er onvoldoende signalen zijn zullen we één of evt. meerdere geheugens moeten plaatsen. Dit noemen we een sequentieel probleem, in het andere geval noemen we dit combinatorisch (we hebben voldoende signalen om te combineren).
Probleemanalyse 29 Om te herkennen of een probleem nu combinatorisch of sequentieel is, moeten we nagaan of bepaalde combinaties meer dan eens voorkomen. Bij de Fasendiagrammethode kennen we aan de signalen van boven naar onder "Binaire gewichten" toe : 2 0, 2 1, 2², 2 3, enz... waarmee de tiendelige getallen 1, 2, 4, 8, enz... overeenkomen. Nu berekenen we de som van de gewichten van elke fase, in de eerste fase zijn a 0 en b 0 = 1 en zijn a 1 en b 1 = 0, zodat de som (door ze met deze digitale cijfers te vermenigvuldigen): 2 0 x 1 + 2 1 x 0 + 2 2 x 1 + 2 3 x 0 = 1 + 0 + 4 + 0 = 5 Wanneer we het fasendiagram bekijken zien we dat we in geen enkele stap met dezelfde cijfers zitten en dus in geen geval een geheugen nodig hebben. Deze stap kunnen we ook oplossen door een tabel op te bouwen met evenveel kolommen als er fasen zijn en evenveel rijen als er signalen zijn. 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 Hierbij zien we dat geen enkele fase dezelfde combinaties heeft. Bij heel veel cilinders zal deze laatste methode door het grote aantal rijen en kolommen niet bijdragen tot een snel doorzicht van de eventuele problemen. * Derde stap: afleiden van de logische vergelijkingen van de commando's uit het fasendiagram. Eerst wordt het opkomende signaal gezocht. We gaan dan tenslotte nog nazien of er in de vergelijkingen geen tegencommando's voorkomen: ga na als SA gegeven wordt, de RA niet aanwezig is. Doe dit ook voor cilinder B. SA = b0. start RA = b1 SB = a1 RB = a0 * Vierde stap: (deze kan evt. achterwege gelaten worden) inschrijven van de commando's. Zijn de hoofdstuurventielen bistabiel, dan wordt de beginfase van elk commando gearceerd. We nemen aan dat een commando gegeven wordt op hetzelfde ogenblik dat de eindschakelaar bediend of losgelaten wordt. Op deze manier heb je ook een goed beeld of er geen overlappingen zijn!
Probleemanalyse 30
Probleemanalyse 31 Het pneumatisch schema: 5.1.1 Combinatorische problemen: Kubische cyclus A+ C+ A- B+ C- B-
Probleemanalyse 32 Wanneer we de signalen uittekenen die de diverse stappen van de cyclus zal laten uitvoeren, zien we een aantal overlappingen (de reset van zowel A als B zal niet optreden door het te lang aanwezig zijn van de set-signalen).
Probleemanalyse 33 De oplossing zal zijn om het set-signaal in te korten zodat het wegvalt van zodra het niet meer nodig is. We zoeken naar een signaal dat aanwezig is op het moment dat de bewuste set moet plaats vinden en dat op voorhand reeds weggevallen is op het moment dat de reset moet gebeuren. SA=b0.c0.start RA=c1 SB=a0.c1 RB=c0 SC=a1 RC=b1 Het pneumatisch schema:
Probleemanalyse 34 5.1.2 Sequentiële schakelingen: L-cyclus A+ A- B+ B-
Probleemanalyse 35 Uit de tabel van de gewichten in het fasendiagram blijkt dat meerdere fasen dezelfde gewichten hebben. In fase 1 moet het commando SA gegeven worden en in fase 3 het commando SB, dit met dezelfde gewichten. De beschikbare ingangssignalen volstaan hier dus niet om de gewenste commando's te geven (er moeten 2 verschillende opdrachten uitgevoerd worden op 2 verschillende tijdstippen met hetzelfde signaal). De oplossing is het inschakelen van een geheugen X, teneinde de secundaire ingangssignalen uit de poorten 2 en 4 te creëren. Een geheugen wordt altijd geset en gereset als alle cilinders in een eindstand zijn, vervolgens moeten we nazien welke fasen hetzelfde gewicht hebben (hier 1 en 3). Hiertussen dienen gaan we het geheugen te setten en resetten. Zodoende wordt het geheugen geset in fase 2 en gereset in fase 4. Bepalen we nu de logische vgl.: SA: het actief signaal b 0 is te lang, het dient hier ingekort te worden met x. RA: het actief signaal x is goed. SB: het actief signaal a 0 is te lang, het dient hier ingekort te worden met x. RB: het actief signaal x is goed. SX: het actief signaal a 1 is goed. RX: het actief signaal b 1 is goed. Samengevat: SA = b 0.x.start RA = x SB = a 0.x RB = x SX = a 1 RX = b 1 Voorbeeld van een situatieschets met benaming der cilinders:
Probleemanalyse 36 Het pneumatisch schema:
Probleemanalyse 37 5.2. Impulsenmethode. 5.2.1. Mechanisch: Het probleem dat er op de beide stuurpoorten van een hoofdstuurventiel druk kan aanwezig zijn, is eveneens op te lossen door er voor te zorgen dat het signaal dat op dat beschouwde tijdstip ongewenst is, van korte duur is. Dit korter duren kan bereikt worden door het toepassen van een ventiel met een kantelhefboom. De bediening van het ventiel vindt nu enkel plaats indien de zuigerstang zich in een bepaalde zin beweegt, in het andere geval zal het tuimelaartje in werking treden zonder dat hierbij het ventiel bediend wordt. Hier zal het wel nodig zijn om het ventiel iets voor de uiterste positie van de zuigerstang te plaatsen. Uiteraard is het ook mogelijk om een differentiaalventiel (=verschillende bedieningsoppervlakken van de stuurpoorten) te gebruiken (zie ook Logische Functies). 5.2.2. Pneumatische puls: Het inkorten van het signaal kan ook pneumatisch gebeuren, hiervoor zullen we gebruik maken van een gewoon nok-bediend NO ventiel. Hieraan wordt een reservoir of capaciteit aangesloten dat in de niet-bediende toestand zal opgeladen worden. Bij het bedienen van het ventiel zal de opgeladen lucht kunnen ontsnappen om de nodige ventielen te bedienen. Door echter op deze leiding een zijtak met smoring te voorzien
Probleemanalyse 38 kan deze leiding gecontroleerd ontlucht worden zodat de reeds bediende ventielen zonder lucht zullen vallen of toch minstens reeds een verminderde druk op de stuurleiding zullen hebben waardoor het ventiel toch terug zal kunnen omgeschakeld worden. De grootte van het reservoir zal hier afhangen van de lengte van de leiding naar het te bedienen ventiel. Desnoods moet gekozen worden voor een versterker (zie ook Logische Functies ). Tevens is er in de handel een impulsenventiel verkrijgbaar: Een tweede mogelijkheid bestaat erin dat het signaal van de positieventiel via een tijdschakeling zichzelf afsnijdt. Hierbij zullen we uitzonderlijk de stuurpoort en de voedingspoort beiden door hetzelfde signaal laten bedienen. Het signaal van het 3/2 ventiel zal dus over de voedingspoort door het NO ventiel naar het te bedienen ventiel gaan en terzelfder tijd zal door de smoring het reservoir opgeladen worden. Van zodra de druk voldoende gestegen is zal het NO 3/2 ventiel omgeschakeld worden en zal het signaal dus zichzelf afsnijden.
Probleemanalyse 39 5.3. Cascademethode. Wanneer we tot de conclusie komen dat om een schema te kunnen doen werken een geheugen nodig is, is dikwijls de moeilijkheid wanneer we dit geheugen moeten setten en resetten. Een oplossing hiervoor is de cascade methode die in de veel gevallen praktisch dezelfde oplossing heeft als de uitwerking vanuit het fasendiagram. De grondgedachte is hier dat de set en reset van éénzelfde ventiel in een aparte groep of druk net gestoken wordt. Deze druknetten zijn zodanig geschakeld dat wanneer een bepaald druk net onder druk staat de andere drukloos zijn In de ruststand staat de leiding I onder druk waarbij de druk door de 3 5/2 ventielen gaat. Wordt SII gegeven, dan zal ventiel (1) omschakelen en sturen we de lucht door poort 4 naar leiding 2 en wordt leiding 1 ontlucht. Wordt vervolgens SIII gegeven, dan zal leiding 3 van luchtdruk voorzien worden en wordt leiding 2 ontlucht. Door het op druk brengen van leiding 3 zal ventiel 1 in zijn rustpositie gebracht worden. Wordt vervolgens SIV gegeven, dan wordt leiding 4 belucht en leiding 3 ontlucht. Door de leiding IV van druk te voorzien, wordt het 2 ventiel in zijn rustpositie gebracht.
Probleemanalyse 40 Geven we vervolgens SI, dan wordt de leiding 4 ontlucht en komen we terug in de ruststand van alle ventielen en zit leiding I terug onder druk.. Voor n stuurgroepen zijn hier dus (n-1) 5/2 ventielen nodig. Het verdelen van de stuursignalen van de diverse aan te sturen cilinders in de druknetten kan heel eenvoudig geschieden, men moet er enkel voor zorgen dat de set en reset van een bepaald hoofdstuurventiel niet in hetzelfde druknet zit. Hierdoor bestaat elke groep uit een eenvoudig schema waarin geen schakelmoeilijkheden zullen optreden. Het einde van het programma moet niet noodzakelijk het einde van een stuurgroep te zijn. Best is er wel voor te zorgen dat alle ventielen die de stuurgroepen aansturen in hun rustpositie staan op het einde van het programma, m.a.w. als alle ventielen en cilinders in rust staan. Voorbeeld: A+ A- B+ B- I II I Hierbij zien we dat + en - beweging van de cilinders A en B elkaar opvolgen, door deze nu in een aparte drukgroep te steken, worden de eerder gezien problemen vermeden. In formulevorm: Het signaal dient steeds de actieve drukleiding te bevatten (I, II,...) en vervolgens het eerder opgekomen signaal ermee in en-functie te schakelen. Wanneer een signaal moet gegeven worden in het begin van de groep dan is het voldoende om de drukleiding weer te geven (hier RA en RB). Het setten van de druknetten gebeurt vanuit het vorige druknet met behulp van het eerder opgekomen signaal in en-functie te schakelen. SA RA = I.b 0.start = II SB RB = II.a 0 = I SI SII = II.b 1 = I.a 1
Probleemanalyse 41 Het pneumatisch schema:
Probleemanalyse 42 5.4. Stappenschakelaar. Bij een stappenschakelaar gaan we van het principe uit dat een signaal een opdracht heeft die moet uitgevoerd worden. Van zodra deze uitgevoerd is, wordt een signaal hiervan gegeven (b.v. dat een cilinder een positie bereikt heeft). Intern wordt dan naar de volgende stap overgeschakeld. Een stappenschakelaar vereist in de meeste gevallen meer signaalgevers dan elke andere manier van besturen, maar we kunnen hier met zekerheid stellen dat het programma in de voorgeschreven volgorde zal uitgevoerd worden. De besturingen kunnen zowel vol- als halfautomatisch verlopen. Een half-automatische besturing ligt voor de hand wanneer voor iedere cyclus een startsignaal moet gegeven worden, dit kan afkomstig zijn van een aanwezig product of van een machinebedienaar. Op de volgende aansluitpunten sluiten we aan: Y n : start van cyclus via drukknop bediend vanuit Y n+1 uit de laatste blok; P: continue drukleiding; Z n : terugkoppeling naar voorgaande blok, zijnde hier de laatste; L: evt. alg. resetleiding Van zodra we een signaal via Y n laten doorgaan wordt het betreffende 3/2 bistabiele ventiel geschakeld en wordt enerzijds een uitgaand signaal naar A gecreëerd (bestemd om b.v. een hoofdstuurventiel aan te sturen). Tevens wordt een signaal Z n terug gestuurd naar de laatste blok (Z n+1 ). Als de opdracht voor het uit te voeren commando uitgevoerd is, wordt een signaal gecreëerd dat op de poort X aangesloten wordt, dit zal een monostabiel 3/2 ventiel doen omschakelen. Hierbij wordt een signaal via de interne overgang Y n+1 - Y n naar de volgende blok gestuurd waarbij de volgende stap kan uitgevoerd worden. Nu wordt de na het omschakelen van het bistabiele 3/2 ventiel terug een uitgang actief en wordt terzelfder tijd een reset signaal naar de voorgaande blok gezonden via de interne koppeling Z n - Z n+1 Naast de pneumatische stappenschakelaar is eveneens de pneumatische stepper beschikbaar die in die mate van elkaar verschillen waar het inkomend signaal moet aangesloten worden.
Probleemanalyse 43 5.5. Grafcet. 5.5.1. Definitie. Grafcet (Graphe de Fonctionnement Commande Etape Transition) is een manier om diverse stappen die moeten gevolgd worden grafisch voor te stellen. Hierbij zien we: Stappen: Hierbij wordt het gedrag van meestal de uitgangen vastgelegd. Een stap is ofwel actief of inactief en de overeenkomstige acties worden pas uitgevoerd als de betreffende stap actief is. Overgangen: Zij geven de mogelijkheid aan om van de ene stap naar de andere over te gaan. Aan elke overgang is een logische voorwaarde verbonden, deze wordt schuifvoorwaarde genoemd. Deze kunnen zowel uit externe (sensoren, drukknoppen,...) als uit interne (tellers, timers,...) variabelen bestaan. Een voorwaarde die altijd aanwezig is, wordt als =1' gemarkeerd. Georiënteerde verbindingen: Deze duiden de weg aan die gevolgd wordt tijdens het verloop van het proces. De algemeen gangbare doorlooprichting is van boven naar beneden, in het andere geval wordt een pijl geplaatst.
Probleemanalyse 44 5.5.2. Regels. Initialisatie: De stappen die door paraatstelling (=initialisering) aan het begin van een cyclus worden geactiveerd. Deze worden met een dubbel vierkant aangeduid. Overgang: Een overgang is geldig en wordt gecontroleerd van zodra de direct daaraan voorafgaande stap actief is. De overgang wordt effectief van zodra aan de gestelde logische voorwaarde voldaan is. Effectuering van een overgang: Dit zal tot gevolg hebben dat alle daarop volgende stappen ingeschakeld worden, evenals de uitschakeling van alle voorgaande. Verschillende overgangen die gelijktijdig kunnen geëffectueerd worden, zullen ook gelijktijdig worden geëffectueerd. 5.5.3. Voorstelling van de vertakkingen. Voorwaardelijke keuze uit verschillende sequenties. Een cyclus is in het algemeen samengesteld uit een aantal sequenties, hieruit dient dan dikwijls terug een keuze gemaakt te worden. De dikwijls exclusieve keuze van een sequentie op een knooppunt met vertakkingen kan afhankelijk zijn van één ingangs- of externe variabele. Soms kan er via logische functies prioriteiten gesteld worden.
Probleemanalyse 45 Bij de overgang vanaf stap 12 in de figuur links onderaan spreken we van een exclusieve overgang, hier mag slechts 1 signaal actief zijn (a of b) dan pas mag overgegaan worden naar stap 13 of 16. In de rechterfiguur heeft a prioriteit, wanneer a en b op hetzelfde moment aanwezig zijn krijgt de overgang naar stap 13 voorrang. De sprongfunctie (jump) en herhaalfunctie (loop). De voorwaardelijke sprongfunctie is een speciale vertakking waarbij één of meerdere stappen worden overgeslagen. De voorwaardelijke herhalingsfunctie is eveneens een speciale vertakking waarbij één of meerdere malen een deel van de cyclus wordt herhaald (programma-lus).
Probleemanalyse 46 De voorwaardelijke sprong is complementair, nl als de variabele k niet aanwezig is, gaan we van stap 17 over naar stap 22, is k wel aanwezig, dan wordt de cyclus normaal verder gezet. De voorwaardelijke herhaling: zolang niet aan de voorwaarde voldaan is, worden de stappen 18 tot 21 herhaald.
Probleemanalyse 47 Gelijktijdige sequenties. Een cyclus kan op een gegeven moment meerdere parallelle takken bevatten die gelijktijdig, doch onafhankelijk van elkaar afgewerkt moeten worden. De grafische voorstelling is een dubbel horizontale streep die aangeeft dat alle takken gelijktijdig geactiveerd worden. Vertrekkende van stap 23 zal de schuifvoorwaarde de gelijktijdige inschakeling van stappen 30 en 40 tot gevolg hebben. De twee sequenties 30-37 - 38 en 40-43 - 44 worden totaal onafhankelijk afgewerkt. Van zodra de eindstappen 38 en 44 actief zijn geworden en er aan de volgende schuifvoorwaarde voldaan is, zal de stap 50 actief worden en zullen 38 en 44 inactief worden.
Probleemanalyse 48 Voorbeeld: automatisatie van een lijmproces van hout onder druk.
Probleemanalyse 49 5.6. Start-stop-voorwaarden. Dit toch wel belangrijk aspect van een besturing, werd in het verleden maar al te vaak verwaarloosd. Tegenwoordig met de zeer flexibele automatisaties en hun haast onbeperkte mogelijkheden qua programmering en de door de Europese Unie opgelegde veiligheidsnormen is de studie van de start-stop voorwaarden zeker relevant. De meest gebruikte werkingstoestanden zijn: manueel; stap per stap; half-automatisch; automatisch;... Met half-automatisch bedoelt men dat de operator manueel in de cyclus kan ingrijpen en dit in tegenstelling tot de vol-automatische cyclus welke zonder tussenkomst van de operator verloopt. Bij praktisch alle sturingen is het noodzakelijk om een voorziening in te bouwen die tot doel heeft dat de werking van de machine bruusk kan worden onderbroken. Deze geforceerde onderbreking wordt door het ingrijpen van de operator gestart, in het algemeen om de veiligheid van de arbeiders te verzekeren indien er onregelmatigheden optreden tijdens de werking van de machine. Deze voorziening wordt NOODSTOP genoemd. De reactie van de sturing op het indrukken van de noodstop hangt af van de aard der actoren, van de stand die zij bezaten op het moment van ingrijpen en van het ogenblik dat de noodstop gevraagd wordt. Verder dient er eveneens rekening gehouden te worden met het feit dat de machine hoe dan ook weer moet opgestart worden. In ieder geval is het belangrijk, om alvorens te beginnen met het opstellen van de te volgen procedure, de machinereacties in ogenschouw te nemen: directe stop, door het afsnijden van de energie: het afvallen van de voedingsspanning en de druk met het ontluchten van de beide kamers van de cilinders tot gevolg; het stoppen van de bewegingen met het behoud van de positie (de beide cilinderkamers worden afgesloten hier is een 3-wegventiel nodig); het stoppen met een procedure waardoor de machine (geheel of gedeeltelijk) in een bepaalde stand wordt gebracht;... Een verdere studie hiervan kan enkel gebeuren van geval tot geval. Wel dient er opgemerkt te worden dat het éénvoudig afsluiten van de energie geen algemene oplossing is. Aks we het geval beschouwen van elektromagneten, klemmen, transportelementen, zuignappen,... wordt dit meteen duidelijk. Het geval van een belaste verticaal geplaatste cilinder met een naar boven uitgeschoven zuigerstang als rustpositie mag eveneens niet verwaarloosd worden en vraagt een gepaste handeling.
Probleemanalyse 50 Een noodstopprocedure veroorzaakt op het niveau van de actoren verschillende reacties. Deze stop zal nadien moeten gevolgd worden door het hervatten van de machinewerking en daar zijn er eveneens een aantal mogelijkheden: hervatten van de cyclus waar hij onderbroken werd; de cyclus wordt van vooraf aan terug hervat; de cyclus start vanuit een afwijkende opstart positie;... Bij de programmeerbare besturingen zal er in de meeste gevallen een noodstopprogramma geschreven worden welke het hoofdprogramma en evt. sub-programma s zal uitschakelen. Nadien kan er dan naar één van hen of kan een apart opstart sub-programma opgestart worden.