Laajuus 2 ov Ajankohta sovitaan erikseen Edeltävät opinnot Samanaikaisesti suoritettava opintojaksoa Hydrauliikka ja pneumatiikka (tai opintojakso suoritettu aikaisemmin). Tyyppi Luennot ja harjoitukset. Opintojakson kuvaus
Tavoitteet ja sisältö Opintojakson suoritettuaan opiskelija - ymmärtää automaattisen koneen toiminnan ja koneen ohjaukseen tarvittavien komponenttien merkityksen - tuntee koneenohjauksen tavanomaiset anturit ja toimilaitteet - hallitsee loogisen ohjauksen perusteet ja - osaa suunnitella ja käyttää erilaisia ohjausjärjestelmiä koneiden ja laitteiden ohjaukseen. Sisältö Automaattisen koneen malli. Ohjaus ja säätö. Ohjausjärjestelmätyypit. Anturit ja niiden kytkeminen. Toimilaitteet. Hydrauliikan ja pneumatiikan releohjaukset. Sähköhydrauliset proportionaali- ja servoventtiilit. Loogisen ohjauksen perusteet. Ohjelmoitavat logiikat ja niiden ohjelmointi. Koneautomaation tiedonsiirron perusteita. Hajautettu ohjaus ja kenttäväylät. Robotiikan perusteita. Koneautomaation turvatekniikkaa. Hyväksymisehdot Hyväksytysti suoritetut harjoitustyöt ja kirjalliset kuulustelut. Oppimateriaali Ilmoitetaan opintojakson alkaessa. Opetuspiste(et) Turku Opetuskieli Suomi
Aikataulu
Ohjausjärjestelmät 1/7
ohjausjärjestelmän toiminnon kuvaus
automaattisen koneen malli
anturit ja niiden kytkeminen 2/7
kiinteästi langoitetut loogiset kytkennät 3/7
ohjelmoitavat logiikat 4/7
logiikan kytkentä
tietokone koneenohjauksessa 5/7
ohjausjärjestelmän dokumentointi
hajautetut järjestelmät
tentti 6/7
robotiikka 7/7
Ohjausjärjestelmät
Ohjausjärjestelmän keskeisenä tehtävänä on toimia käyttäjän ja koneen välisenä rajapintana. Käyttöliittymä koostuu painikkeista ja näytöistä, joiden avulla käyttäjä käskyttää konetta ja joiden avulla käyttäjä saa tietoja koneen tilasta. Yksinkertaisimmillaan ohjaus koostuu yksittäisestä katkaisijasta, joka kytkee jännitteen suuntaventtiilin kelalle ja näin saa aikaiseksi sylinterin liikkeen.
Ohjausjärjestelmä voidaan toteuttaa avoimena, jolloin ohjaus antaa ohjausarvon lähtöliitäntänsä kautta toimilaitteille, jotka muuttavat ohjauttavan prosessin tai laitteen tilaa. Yksinkertaiset automaatiolaitteet, esimerkiksi suuntaventtiilillä toteutetut sylinteriliikkeet, toteutetaan tyypillisesti Avoin säätöjärjestelmä eli ohjausjärjestelmä.
Ohjausjärjestelmät
Lisättäessä takaisinkytkentä liikkeen toteutuksesta (esim. paikkatieto), puhutaan suljetusta säätöjärjestelmästä. Suljetussa säätöjärjestelmässä ohjausarvon toteutumista mitataan takaisinkytkennän kautta ja ohjaussuuretta korjataan vastaamaan muuttunutta tilannetta.
Käytännössä suljettu säätöjärjestelmä toteutetaan yleensä erillisellä ohjaimella. Ohjain huolehtii säätöalgoritmin laskemisesta mittausarvojen perusteella, sekä syöttää itsenäisesti tarvittavat ohjausarvot. Tällöin ylemmäntasonohjauksen nopeus ei muodostu kriittiseksi järjestelmän toimivuuden kannalta.
Suljettu säätöjärjestelmä.
Ohjausjärjestelmät
Ohjausjärjestelmä voidaan toteuttaa seuraavilla tosistaan erotettavissa olevilla tavoilla:
kiinteästi langoitetut logiikat
ohjelmoitavat logiikat
sulautettu tietokoneohjaus
tietokoneohjaus
liikkeenohjausjärjestelmä
ohjausjärjestelmät
Kiinteästilangoitetut loogiset kytkennät soveltuvat yksinkertaisille automaatiolaitteille, joiden toiminta ja käyttötavat voidaan ennustaa etukäteen ja siten kytkeä kiinteäksi. Tämänkaltaisia kytkentöjä edustavat myös koneissa ja laitteissa käytetyt pito- ja hätäseispiirit. Turvallisuusnäkökohdan vuoksi on mielekästä erottaa nämä varsinaisesta ohjausjärjestelmästä, jolloin esim. ohjaustietokoneen käyttöjärjestelmän ”kaatuminen” ei vaikuta hätäseispiirin toimintaan. Kiinteästilangoitetuissa virtapiireissä releet ovat keskeisessä osassa ja usein puhutaankin relelogiikasta. Muistipiiri voidaan toteuttaa releen ja kahden kytkimen avulla. Itse asiassa jopa tietokone voitaisiin toteuttaa relelogiikalla.
Kiinteästä langoitettu looginen kytkentä.
ohjausjärjestelmät
Ohjelmoitavien logiikoiden käyttö on laajentunut huomattavasti niiden alkuperäisen käyttöalueen ulkopuolelle. Ideana näille ohjauslaitteille oli mahdollisuus ohjelmoida loogiset päättelyt uudelleen ja näin pienellä vaivalla muuttaa koneen alkuperäistä toimintatapaa ja lisätä koneen käyttöikää. Nykyisin logiikan lisääminen jo yksinkertaiseenkin järjestelmään on kannattavaa alhaisesta yksikköhinnasta johtuen. Logiikat vähentävät johdotustyötä ja näin ne maksavat itsensä takaisin jo muutaman tunnin johdotustyön säästymisellä. Teknisessä mielessä logiikka edustaa dedusoitua tietokonetta. Ts. prosessori suorittaa aina vakio sovellusohjelmaa. Automaatiosovellusten kannalta ohjelmoitavat logiikat ovat käyttövarmuutensa vuoksi erinomaisia. Logiikan ”kaatuminen”, vertaa tietokoneiden käyttöjärjestelmät, on erittäin harvinaista ja näin tulee automaattisten laitteiden kohdalla ollakin. Minilogiikka, jossa 13 tuloa ja 7 lähtöä. Lähdöt ovat reletyyppisiä, jotka eivät vaadi diodisuojausta ohjauspiireihin, kuten transistorilähdöt
ohjausjärjestelmät
Sulautetut tietokoneohjausjärjestelmät ovat volyymituoteteollisuuden ratkaisu alentaa yksikköhintoja. Räätälöidyn ASIC -piirin sijoittaminen koneen ”aivoiksi” on kannattava kun valmistussarjat ovat tuhansia kappaleita. Periaatteessa tämä on askel eteenpäin logiikkaohjauksissakin käytetystä ratkaisusta, jossa ohjelma poltettiin EPROM -piirille. Näin ohjausjärjestelmän kloonaaminen järjestelmästä toiseen vaati tuon piirin sekä siihen soveltuvan logiikkarungon. ASIC-piirien ympärille rakennetut järjestelmät ovat mahdollistaneet logiikkapiirejä monimutkaisemmat ohjausohjelmat automaatiolaitteisiin. Lisääntyneiden ominaisuuksien mukana on tullut myös näissä laitteissa aikaisemmin tuntemattomat ohjausjärjestelmän virhetoiminnot. Historian valossa tuntuu aivan käsittämättömältä, että esim. puhelin voi mennä sekaisin ja vaatii uudelleen käynnistyksen. Matkapuhelin edustaa pitkälle räätälöityä tietokoneohjausta.
ohjausjärjestelmät
Tietokoneohjaus tulee tarpeelliseksi, kun käyttäjälle halutaan antaa runsaasti informaatiota järjestelmän tilasta, tai päättelyalgoritmi on erittäin monimutkainen. Myös järjestelmän jäljitettävyyden kriteeri voi olla syynä tietokoneohjauksen valintaan. Tietokantapohjainen historiatiedon keruu mahdollistaa hyvinkin seikkaperäisin toiminnan jäljittämisen vikatapauksen ilmetessä. Ohjauslaitteena tietokoneella on periaatteessa rajattomat mahdollisuudet ja itse hintakaan ei ole esteenä. Ongelmat ovat lähinnä luotettavuus puolella. Nykyiset käyttöjärjestelmät vikatiheyksineen ovat aivan liian epävakaita automaatiolaitteen ohjausjärjestelmälle. UNIX –pohjaisten järjestelmien varaan toki voidaan rakentaa, mutta Windows ei nykyisellään sellaisenaan sovellu. Windowsin huonon muistin suojauksen johdosta sovellusohjelmat voivat kirjoittaa käyttöjärjestelmän muistialueelle. Tästä seuraa säännöllisen epäsäännöllisin väliajoin käyttöjärjestelmän jumiutuminen ja koneen uudelleen käynnistys.
ohjausjärjestelmät
Windows-käyttöjärjestelmän soveltuvuutta voidaan parantaa järjestelmä monitorointien avulla. Nämä eivät poista itse ongelmaa, mutta auttavat häiriötilanteessa tarvittaessa automaattisesti käynnistämän järjestelmän uudelleen. Monitorointi on käyttöjärjestelmän ulkopuolinen lisälaite, joka tarkkailee järjestelmän käyttäytymistä.
Tietokoneen sisäistä muistiavaruutta ei sellaisenaan voi hyödyntää koneen ohjauksessa. Ainoastaan rinnakkaisportista (kirjoitinportti) voidaan vähäisin lisäkomponentein rakentaa tulo- ja lähtöportti. Rinnakkaisporttihan on itse asiassa tarkoitettu ulkoisten laitteiden kanssa keskusteluun tulo- ja lähtöpiireineen. Jännitetaso ja virrankesto kuitenkin vaativat liityntään optoerotuksen, jolloin toisiopiiri voidaan varustaa halutulla ohjausjännitteellä. Automaatiosovelluksia varten on kuitenkin kehitetty joukko erilaisia ratkaisuja. Teollisuussovelluksissa voidaan hyödyntää mm. seuraavia ratkaisuja:
teollisuus I/O –kortin sijoittaminen koneen vapaaseen korttipaikkaan
rinnakkais- ja sarjaliikenneporttiin lisättävät älykkäät tulo- ja lähtösarjat
hajautetut verkkojärjestelmät.
ohjausjärjestelmät
Tietokonepohjaisesta ohjausjärjestelmät mahdollistavat hyvin monimutkaiset automaatioratkaisut tiedonkeruusta suoriin ohjauksiin (National Instruments Finland Oy).
ohjausjärjestelmät
Liikkeenohjausjärjestelmillä tarkoitetaan yleensä sähköisten servomoottoreiden ja askelmoottoreiden ohjaukseen erikoistuneita ohjausjärjestelmiä. Tyypillisiä liikkeenohjausjärjestelmiä edustavat NC -ohjaukset, robottiohjaukset ja yleiset liikkeenohjausjärjestelmät.
NC –ohjausjärjestelmiä sovelletaan konepaja-automaatiossa työstökoneiden ohjauksiin. NC – sorvissa esimerkiksi on yleensä kaksi akselinen ohjain, teräkelkan X – ja Z –liike, sekä lisäksi portaattomasti säädettävä karan pyörimisnopeus. Ohjaimen avulla käyttäjä pystyy ohjelmoimaan standardin mukaisella APT –koodilla terän liikkeet. Hienoimmat sovellukset ovat varustettu CAD/CAM –ominaisuuksin (graafiset interaktiiviset ohjaimet). Näissä käyttäjä vastaa ohjaimen kyselyihin aihion muodoista, mitoista ja sen jälkeen käyttäjä ”piirtää” valmistettavan kappaleen CAD -periaatteita mukaillen ohjaimen näyttöön. Ohjain prosessoi kuvan perusteella työstö –koodin. Tarvittaessa työstöohjelma voidaan vielä simuloida ohjaimen näytössä ja näin suorittaa törmäystarkastelu kuiva ajona. Vastaavalla periaatteella toimivat koneistuskeskusten ohjaimet, joissa ohjelmoitavien akseleiden lukumäärä vaihtelee kolmen ja viiden välillä ja lisäksi tulee vielä ohjelmoitava karan pyörimisnopeus.
ohjausjärjestelmät
Työstökonevalmistajat eivät yleensä valmista itse NC –ohjausta (poikkeuksia mm. MAZAK), vaan tarjoavat asiakkaille mahdollisesti jopa useiden NC –ohjainvalmistajien tuotteita, joilla itse työstökone voidaan varustaa. Ohjaimet eivät siis ole laitteistoon räätälöityjä, vaan ohjelmoitavien akselien lukumäärä ja halutut ominaisuudet määräävät valittavan ohjaintyypin. Alustana olevan työstökoneen välityssuhteet ja liiketakaisin kytkennät kalibroidaan konekohtaisesti ohjaimen parametritiedostoihin.
Työstökoneista poiketen robottivalmistajat valmistavat yleensä itse myös liikkeenohjausjärjestelmät. Tämä selittynee osittain robotin monimutkaisuudella.
Tyypillisesti robotti on varustettu kuudella ohjelmoitavalla akselilla. Suuret liikenopeudet, monimutkainen mekaniikka ja rakenteen dynaaminen tarkastelu vaativat huomattavasti laskentakapasiteettia, jolloin yleiskäyttöiset robottiohjaimet eivät tule kyseeseen.
Yleiset liikkeenohjainjärjestelmät ovat perusapuneuvoja mielivaltaisten ohjelmoitavien automaattien rakentamiseen. Tällöin ohjain suorittaa moottorin ajon sekä asematakaisinkytkennän korjaukset automaattisesti. Käyttäjää varten järjestelmä varustetaan ylemmän tason ohjauksella, joka voi olla esimerkiksi logiikka tai tietokone. Ohjauksen välittämien yksinkertaisten liikekäskyjen perusteella liikkeenohjaimet ohjaavat koneen paikoitustarkkuuden rajoissa haluttuun kohtaan.
ohjausjärjestelmät
Adept -robotin ohjausjärjestelmä. Ohjelmointi tapahtuu joko kuvassa näkyvää opetusyksikköä käyttäen pistepisteeltä tallentaen, tai tekstuaalisesti pisteiden paikka, liiketapa ja nopeustiedot syöttäen järjestelmään kytketyllä tietokoneella.
Ohjausjärjestelmän valinta
Ohjausjärjestelmän valintaan vaikuttavat:
ohjattavien laitteiden ja kerättävän informaation määrä (järjestelmän monimutkaisuus)
valmistettavien kappaleiden lukumäärä
käyttäjälle annettavan informaation määrä
turvallisuusnäkökohdat
järjestelmän muutostarpeet
Ohjausjärjestelmän valinta
Ohjausjärjestelmän valinta
Järjestelmän monimutkaisuus vaikuttaa erittäin yksinkertaisissa, sekä erittäin monimutkaisissa järjestelmissä. Erittäin yksinkertaisissa järjestelmissä taloudellisuusseikat yleensä pakottavat käyttämään kiinteästi langoitettua loogista kytkentää. Näin järjestelmän yksikkö hinta saadaan pidettyä alhaalla ja siten rakentaminen halvaksi. Tämänkaltaisia järjestelmiä edustavat mm. muutaman sylinterin pakkotoimiset ohjaukset. Erittäin suuret järjestelmät ja erittäin monimutkaiset järjestelmät voidaan ratkaista joko hajauttamalla logiikkaohjaukset aliohjauksiin tai valitsemalla riittävän suuritehoinen tietokoneohjaus. Tämänlaisia järjestelmiä edustavat mm. tehdastason ohjaukset. Näiden ääripäiden väliin jää suuri joukko ohjauksia, jotka voidaan hoitaa ohjelmoitavilla logiikkaohjauksilla.Valmistettavien kappaleiden lukumäärä tulee määrääväksi useiden satojen tai useiden tuhansien sarjoissa. Tällöin tulee kannattavaksi rakentaa juuri kyseistä sovellusta varten suunniteltu ohjain. Pienissä järjestelmissä tämä voi mennä piiritasolle asti (ASIC).
Ohjausjärjestelmän valinta
Käyttäjälle annettavan informaation määrän kasvaessa tietokoneohjaus tulee käytännössä ainoaksi vaihtoehdoksi. Tähän samaan päätelmään johtaa myös tilanne, jossa halutaan kerätä historiatietoa järjestelmän toiminnasta. Tietokoneohjauksen ongelmana ovat epävakaat käyttöjärjestelmät, sekä grafiikkanäyttöjen syömä laskentateho. Suorat tietokoneohjaukset eivät tulekaan yleensä kyseeseen reaaliaikaisissa hyvin pieni vasteisissa ohjauksissa. Tällöin hyväksi koettu ratkaisu on rakentaa ylemmäntason ohjaus tietokoneelle, jolloin järjestelmän toiminta voidaan näyttää graafisesti näyttävässä asussa, ja alemmantason reaaliaikainen ohjaus logiikan tai liikkeenohjausjärjestelmien varaan. Tällöin alemmantason ohjaus huolehtii liikkeiden toteutuksesta ylemmäntason ohjauksen antamien käskyjen välityksellä.
Turvallisuusnäkökohdista johtuen automaatiojärjestelmien ohjaukset varustetaan aina kiinteästi langoitetuilla hätaseis –piireillä. Tällä varmistetaan turvalaitteiden toiminta kaikissa olosuhteissa.
Järjestelmän muutostarpeet, voivat olla syynä ohjelmoitavien ohjainten käyttöön silloinkin, kun niitä ei muusta syystä tarvita. Ohjelmoitavuus mahdollistaa järjestelmän toiminnan muuttamisen hyvin pienin muutoksin yleensä vain ohjausohjelman muutoksella.
Ohjausjärjestelmän toiminnankuvaus
Kulunvalvontajärjestelmän lukituksen toimintakaavio vuokaavioesityksenä. Lähtökohdaksi ohjausjärjestelmällä otetaan järjestelmän toiminnan kuvaus. Digitaaliohjaustekniikassa (ohjaustoimenpiteen päällä/pois -tyyppisiä) yksinkertaisen järjestelmän toiminta pystytään yleensä kuvaamaan matka-askelkaaviona. Kukin liike seuraa toista aina samassa järjestyksessä tai vaihtoehtoisia toiminta malleja on hyvin vähän.
Monimutkaisten ja haarautuvien ohjaustapahtumien kuvaukseen matka-askelkaavio ei kuitenkaan sovellu. Tällöin soveltuva ratkaisu on esim. vuokaavio esitys, jolla voidaan kuvata hyvin monimutkaisia päättely ja tapahtumaketjuja.
Comments