Automatyzacja małych maszyn. Część 1

Niemal każdy dzień w ostatnich latach przynosi zmiany technologiczne, jakie możemy obserwować na każdym kroku. Dotyczą one praktycznie każdej dziedziny życia. Spotykamy je nabywając bilety w automacie zamiast w okienku kasowym czy korzystając z autonomicznej kasy sklepowej. Automatyczna myjnia samochodowa z  wbudowanym czytnikiem QR czy paczkomat wydający przesyłki na podstawie aplikacji, stały się standardem dnia codziennego. Zastosowane tam rozwiązania oraz metody projektowania mają swoje korzenie w aplikacjach przemysłowych. Ich konstrukcje były i są poprzedzone długim procesem testowania i dopasowania do wymogów bezpieczeństwa oraz potrzeb użytkownika. W wyniku tych prac, powstały linie procesowe, z którymi wiele osób ma kontakt w swojej codziennej pracy. Maszyny te zostały wyposażone w układy sterowania oraz panele operatorskie, zoptymalizowane pod kątem określonej technologii, ale i ergonomii pracy operatorów.

Te wszystkie zadania, poza oczywiście podstawowym rezultatem, dają szereg bardzo ważnych obserwacji i doświadczeń. Stąd bierze się wiedza jak poprawnie podchodzić do automatyzacji jako takiej, jak przygotować założenia i później je realizować w prototypie, oraz wreszcie jak z sukcesem wdrożyć rozwiązanie w seryjnej produkcji. I to nie tylko w przypadku dużych linii, ale właśnie małych i średnich maszyn, stosowanych często w niewielkich zakładach.
W artykule tym, autor chciałby się podzielić obserwacjami oraz wnioskami powstałymi podczas konstruowania kilku urządzeń, wykorzystywanych przy przetwarzaniu i obróbce mięsa. Celem tego artykułu jest nie tylko analiza rozwiązań, ale także (a może przede wszystkim) uświadomienie użytkownikowi jak ważny jest jego udział w procesie tworzenia. Jego doświadczenie oraz wymagania powinny znacząco wpływać na konstrukcję, w szczególności na elementy związane z pracą operatora oraz na realizację funkcjonalną samego procesu technologicznego.

Wczoraj a dziś
Choć w ostatnich latach, szeroko pojęte urządzenia gastronomiczne, także zostały „dotknięte” działaniem zmian technologicznych, to przez wiele lat były nieco na marginesie rozwoju. Obserwując urządzenia powstałe przed 10 czy 20 laty można zobaczyć rozwiązania w których mechanika stanowiła główne rozwiązanie zadania. Wszelkie zmiany koncepcyjne były związane z jej wymianą lub przekonstruowaniem. Silniki elektryczne zazwyczaj sterowane bezpośrednio lub przy większych mocach przez układ gwiazda-trójkąt. Operator miał do dyspozycji jedynie przyciski włączenia i wyłączenia. Regulacja prędkości, o ile była, to oparta o przekładnie mechaniczne, lub w najlepszym przypadku silnik dwubiegowy.
Dynamiczny rozwój sterowników programowalnych PLC połączony z ewolucją konstrukcji układów napędowych, pozwolił na wprowadzenie nowoczesnych rozwiązań także do urządzeń związanych z szeroko pojętym masowym przetwórstwem mięsnym, nie tylko przemysłowym, ale i lokalnym. Nowe możliwości dały szansę konstruktorom na takie przygotowanie maszyn by jak najbardziej odpowiadały potrzebom użytkowników.

Koncepcje konstrukcyjne
Analiza wymagań użytkownika nie musi dzisiaj być ograniczona możliwościami sprzętu. Elastyczność konfiguracji układów sterowania pozwala nie tylko na zrealizowanie założeń procesowych ale także spełnienie potrzeb i wymagań operatorów. Lista tematów poruszanych w analizach może być całkiem długa, jednak na potrzeby naszych urządzeń ograniczymy ją do najważniejszych.
Ergonomia to jeden z najbardziej niedocenianych aspektów procesu tworzenia. Przez lata olbrzymi wpływ na jej brak miały dostępność i ograniczone funkcje automatyki. Rozmieszczenie przycisków czy wskaźników było podyktowane ich rozmiarami oraz możliwościami zabudowy. Pojawienie się płaskich ekranów HMI, w szczególności zintegrowanych ze sterownikiem PLC, uwolniło praktycznie wszystkie restrykcje. Na panelach można w dowolny sposób definiować aparaturę pulpitową, wskaźniki, wykresy czy pola zadawania wartości. Kolorystyka, układ graficzny czy loga inwestora mogą być w sposób dowolny zmienianie. Warto tu także wspomnieć o możliwości wyświetlania dokumentów w formacie pdf, co jest ciekawym pomysłem na udostępnianie instrukcji obsługi.

Diagnostyka pracy stała się znacznie prostsza dzięki dostępności czujników i dodatkowych dedykowanych wyjść z urządzeń składowych jak zawory czy pompy. Możliwość elastycznego zwiększania wejść sterowników, dała szansę na wprowadzenie tych informacji do układu sterowania i informowania operatora o stanie maszyny. Dzięki temu w sytuacjach awaryjnych można zdecydowanie szybciej podjąć właściwe decyzje i automatycznie przywrócić maszynę do pracy. Zastosowanie dedykowanych styczników sprzężonych ze sterownikiem pozwala na przeprowadzenie procesu przywracania wszystkich funkcji oraz w przypadkach złożonych awarii, wprowadzenie funkcjonalnych obejść.
Konsekwencją detekcji problemów jest predykcja uszkodzeń. Kiedyś wymagała zastosowania zaawansowanego oprogramowania, dzisiaj możliwa jest przez dodanie liczników czasu pracy, liczników operacji czy monitorów temperatury. Stosunkowo niewielkim kosztem można wyposażyć układ sterowania w moduł zdalnego dostępu i powiadamiania serwisu o statusie urządzenia. W razie wystąpienia problemów, tą drogą można ocenić przyczyny i przygotować interwencję techniczną.
Zbieranie informacji o przebiegu pracy, zarówno typowego urządzenia jak i prototypowego, jest podstawą do powstania konstrukcji odpornej na błędy. Możemy tu powiedzieć o dwóch kategoriach takich sytuacji. Pierwsza jest związana z otoczeniem. To przede wszystkim zakłócenia elektromagnetyczne. Mogą one być wynikiem pracy elementów samego urządzenia takich jak silniki, falowniki, styczniki, grzałki itp. Dostępność urządzeń pomiarowych pozwala na ocenę wielkości szkodliwego wpływu i zastosowania adekwatnych rozwiązań. Dodanie filtrów, dławików czy choćby ekranów przewodów nie stanowi dzisiaj problemu, a idealnie ogranicza szkodliwy wpływ na sterowanie. Zakłócenia tego typu mogą także pochodzić od wspólnego zasilania sieciowego. Tu metodologia zabezpieczania i pomiaru jest w zasadzie identyczna, choć wymaga często większych zabezpieczeń instalowanych poza urządzeniem. Druga kategoria to błędy użytkownika. Można powiedzieć, ze to jest temat rzeka, często trudno jest przewidzieć co może zrobić operator. Dlatego też elastyczność konfiguracji całego systemu sterowania pozwala nie tylko na ograniczenie błędów w początkowym okresie użytkowania, ale także – i chyba co najważniejsze – na modyfikację urządzenia w oparciu o obserwację zachowania operatorów i w ich konsekwencji samej maszyny. Wspomniana wcześniej obserwacja stanu daje właśnie takie możliwości, a zdalny dostęp na aktualizację programów „w locie”.
Powyższe tematy są bardzo istotne dla konstruktorów, ale przede wszystkim warto by o nich pamiętali także potencjalni użytkownicy. Wyartykułowanie swoich potrzeb i założeń projektantom i dostawcom, ułatwi późniejszą eksploatację i wpłynie na szybkość reakcji w sytuacjach awaryjnych.

Marynator – studium przypadku.
Popatrzmy na powyższe tematy w kontekście marynatora, urządzenia stosowanego w wielu miejscach do próżniowego mieszania mięsa i marynaty. Zdecydowana większość Czytelników zapewne wie jak to działa i do czego się stosuje. Dla autora – automatyka – był to przykład urządzenia z jakim należy się zmierzyć. Rozmowy z potencjalnymi użytkownikami oraz konstruktorami strony mechanicznej, dały obraz wyjściowy wymagań. Po załadowaniu produktów (czyli mięsa i marynaty) konieczne jest stworzenie próżni przez wypompowanie części powietrza. Przy znanej wydajności pompy, czas jej pracy był wystarczającym parametrem określającym ten etap procesu. Po jego zakończeniu i weryfikacji podciśnienia przez operatora, możliwe było zamknięcie zaworu pompy oraz odłączenie węża i przejście do mieszania całości. Tu również czas, jako parametr obracania bębnem, był jedyną zadaną wartością procesową. Jego upływ oznaczał całkowite zakończenie wymaganych operacji.

Analiza ergonomiczna sugerowała jeden podświetlany przycisk do podstawowego sterowania. Ustalone zostały następujące stany :
zgaszony > oczekiwanie na pracę
aktywny >proces próżni lub mieszania w toku
migający > zakończenie usuwania powietrza lub mieszania

Zadawanie czasu pracy pompy oraz czasu mieszania zostało zrealizowane za pomocą prostego dwulinijkowego wyświetlacza zintegrowanego ze sterownikiem PLC. Układ tekstu oraz jednostki czasu zostały dobrane tak, by intuicyjnie nawiązywały do procesu technologicznego. Sam sterownik miał za zadanie nadzorować poszczególne etapy oraz monitorować stan komponentów. Warto zwrócić uwagę na obecność niezależnego od PLC wskaźnika podciśnienia. Z punktu widzenia operatora, taka prezentacja daje więcej informacji niż liczba wyświetlana, a zastosowanie większego wyświetlacza oraz analogowego czujnika próżni było nieuzasadnione kosztowo. Ta droga wpisuje się w optymalizację całego rozwiązania, której głównym celem jest oczywiście prawidłowa i ergonomiczna praca.
Umiejscowienie wszystkich elementów wewnątrz urządzenia zostało tak pomyślane, by w razie awarii lub konieczności wykonania przeglądów łatwo było to wykonać. Z uwagi na charakter miejsca w którym pracuje marynator oraz brak szczególnego przygotowania operatorów do prac elektromechanicznych, dobór komponentów był ukierunkowany na maksymalnie długi czas bezawaryjnej pracy, często w warunkach mało sprzyjających elektronice. Zastosowane zostały układy o wyższej wytrzymałości termicznej, wymaganej z uwagi na użycie obudowy ze stali kwasoodpornej, pozbawionej w zasadzie wentylacji wnętrza.

Podsumowując
Pokazany na przykładzie marynatora proces decyzyjno-konstrukcyjny można uznać za modelowe podejście do realizacji niewielkich urządzeń przemysłowo-gastronomicznych. Wykorzystanie dostępnych dzisiaj technologii otwiera szereg nowych opcji konfiguracyjnych by spełnić wszystkie wymagania stawiane przez użytkowników. Nie zawsze jednak udaje się je zrealizować przy pierwszym podejściu. Autor podczas prac, korzystał z symulatora całego procesu, dzięki czemu możliwe było wprowadzane i testowanie zmian, zanim zostaną zaimplementowane w produkcji seryjnej. To bardzo dobre podejście i warto tworzyć takie testowe stanowiska. Nie tylko do weryfikacji ale także do prezentowania użytkownikom możliwości interfejsu operatora. Na ich bazie można pokusić się również o przygotowanie szkoleń, a zwłaszcza z radzenia sobie w sytuacjach awaryjnych.

Rafał Tutaj
www.sterowniki.pl

Informacje o autorze:
Rafał Tutaj
Inżynier, Trener, Projektant, Konstruktor

Z automatyką i robotyką związany od ponad 35 lat. Współzałożyciel Elmark Automatyka i Sterowniki.pl. W tej ostatniej realizuje szereg projektów koncepcyjnych i badawczych dla różnych branż przemysłu.