Návrh technických prostriedkov na zabezpečenie funkcií systému riadenia pre výrobný systém s pneumatickým pohonom

V prípade špeciálnych požiadaviek na vlastnosti manipulátorov využívaných na zabezpečovanie špecifických činností vo výrobnom procese, je potrebné uvažovať o manipulátoroch, ktoré by spĺňali napríklad zvýšené požiadavky na čistotu prevádzky, alebo požiadavky na absenciu niektorých fyzikálnych prejavov použitého zariadenia.
Ako príklad je možné uviesť požiadavku, na použitie pohonu vo výbušnom prostredí. V prípade elektrického pohonu môže dôjsť k iskreniu, či zapáleniu pohonu, čo tento druh pohonu vylučuje z výberu. Na druhej strane, hydraulické motory nemusia mať dostatočne čistú prevádzku. V prípadoch, keď nie je možné použiť konvenčné pohony, je potrebné rátať s vhodnou alternatívou. Na splnenie niektorých požiadaviek môžu byť vhodné napríklad pneumatické umelé svaly. Ich najväčšou nevýhodou je dĺžka časového úseku potrebného na spracovanie a realizáciu riadiaceho signálu. Oneskorenie signálov v riadiacej sústave je možné nahradením riadiaceho systému pracujúceho na báze bežnej výpočtovej techniky, jeho alternatívou pracujúcou v reálnom čase (real-time systém). [1] [2] [3] [4] [5] [6]
V tomto článku je popísaný základný návrh real-time riadiaceho systému pre experimentálny pneumatický aktuátor a návrh jeho hardvérového a softvérového vybavenia. Úlohou riadiaceho systému je zabezpečenie riadenia hlavných funkcionalít experimentálneho zariadenia, ako sú riadenie polohy, respektíve tlaku v antagonistickom zapojení umelých svalov (PAMs), zber, spracovanie a záznam charakteristík zariadenia meniacich sa počas jeho prevádzky, identifikácia poruchových stavov, alebo stavov ohrozenia systému. V prípade potreby, riadiaci systém zároveň zasahuje do chodu zariadenia.

POPIS RIADENEJ SÚSTAVY
Riadená sústava je reprezentovaná antagonistickým zapojením pneumatických jednočinných ťažných umelých svalov so skrutkovými spojmi MAS-40-1000N-AA-MC-K, umiestnených na nosnej konštrukcii. Sila vyvíjaná zostavou pomocou reťaze, spájajúcej svaly, v zapojení s reťazovým kolesom, spôsobuje rotačný pohyb nosného ramena, upevneného na hriadeľ reťazového kolesa. Nosné rameno experimentálneho zapojenia slúži na upevnenie záťaže systému. Zdrojom stlačeného vzduchu pre PAMs je bezolejový kompresor Güde
AL210/8/24E. [4]

Do zostavy boli zabudované komponenty určené na vykonávanie meracích a riadiacich činností. Úlohou nižšie popísaného navrhnutého riadiaceho systému je riadenie chodu celého experimentálneho zariadenia, ktoré zahŕňa zabezpečenie snímania signálov, ich spracovanie a prenos riadiacich signálov k akčným členom zostavy.
Meranie tlaku zabezpečujú snímače tlaku PS 016V-504-LI2VPN8X H1141. Na riadenie tlaku sú použité elektropneumatické ventily MATRIX P/N MX821.104224, umožňujúce impulzovú šírkovú moduláciu (pulse-width modulation). Meranie uhla natočenia ramena je vykonávané pomocou axiálneho jednootáčkového potenciometrického odporového deliča. Napájanie jednotlivých snímačov a manuálneho riadenia elektropneumatických ventilov boli
zvolené laboratórne zdroje DC Power Supply HY3005. Pre snímanie teploty povrchu jedného z umelých svalov je použitý termočlánok.

VOĽBA TECHNICKEJ ZÁKLADNE PRE REAL TIME RIADACI SYSTÉM
Pojem „real-time“ je definovaný ako aplikácie, v ktorých počítač musí reagovať tak rýchlo, ako je požadované používateľom, alebo ako si vynútil riadený proces. [7]
V prípade použitia zapojenia pneumatických umelých svalov (PAMs) ako pneumatického aktuátora je vhodné brať zreteľ na to, akú činnosť má aktuátor vykonávať. V prípade jeho využitia v oblasti rýchlej manipulácie, riadenie zariadení s PAMs, pracujúce na báze bežnej výpočtovej techniky (PC), nemusí poskytovať dostatočne rýchlu odozvu, pre riadiace zásahy do chodu zariadenia. To môže spôsobiť ako nestabilitu riadeného systému, tak aj jeho poruchové stavy. Pre snímanie, spracovanie a odosielanie analógového a digitálneho signálu je dnes k dispozícii množstvo hardvérových komponentov. Z hľadiska vytvorenia algoritmov určených pre riadenie činností tohto hardvéru je tiež možné odlíšiť viacero prístupov. Na jednej strane je najviac používaným prístupom v oblasti vedy a výskumu vytvorenie algoritmov v univerzálnom vývojovom prostredí, ako je napríklad MATLAB alebo LabVIEW. [8] Na strane druhej sú tieto programovacie jazyky síce vhodné na tvorbu rýchlych prototypov, vďaka jednoduchému a rýchlemu návrhu programu, no v samotnom zariadení je vhodnejšie použiť algoritmus zapísaný priamo v zdrojovom kóde, ako je napríklad C respektíve C++. Preto je vhodné použiť kombináciu univerzálneho vývojového prostredia a zápisu algoritmu priamo v zdrojovom kóde. MATLAB, ani LabVIEW nie sú však vo svojich základných verziách vhodné pre použitie v real-time aplikáciách. [4]
Článok je ďalej orientovaný na prácu vo vývojovom prostredí LabVIEW. Pokiaľ je LabVIEW použité na bežnom PC, alebo pracovnej stanici, umožňuje použiť ako vnútorný časový zdroj pre riadenie časovej štruktúry algoritmu 1 kHz hodiny (1 kHz Clock), operačného systému. Vďaka tomuto zdroju, časová programová štruktúra vykoná jednu iteráciu každú milisekundu. [9] Pri snímaní a spracovaní analógového signálu však takýto časový interval nemusí byť vyhovujúci, pre real-time aplikácie.
Katedra procesnej techniky sa zaoberá návrhom riadiaceho systému pre zariadenie s pneumatickými umelými svalmi. Ako vývojové prostredie na tvorbu algoritmov slúži LabVIEW s modulom LabVIEW Real-Time. Hardvérovo sú pre real-time aplikácie použiteľné napríklad komponenty radu NI CompactRIO (cRIO), ktoré sú kompatibilné so systémom LabVIEW. LabVIEW Real-Time využíva ako interný časový zdroj 1 MHz hodiny (1 MHz Clock), ktoré časovej programovej štruktúre umožňujú vykonať jednu iteráciu každú mikrosekundu. [9] [10]

NÁVRH TECHNICKÉHO VYBAVENIA VÝPOČTOVEJ ČASTI ZARIADENIA
Ako bolo vyššie popísané, ako hardvérová technická základňa bola zvolená platforma programovateľných automatizačných regulátorov NI CompactRIO.
Výber hardvérových súčastí od firmy National Instruments (NI) bol uskutočnený na základe niekoľkých veľmi silných argumentov, založených na výhodách NI platforiem. Každý komponent so samostatným riadením obsahuje mikroprocesor, operačnú a fyzickú pamäť a V/V (I/O) zbernice.
Hardvér spoločnosti NI je kompatibilný a bez potreby ďalších rozšírení použiteľný s grafickým vývojovým prostredím LabVIEW. Existuje viacero spôsobov ako sa vyrovnať s otázkou návrhu hardvéru real-time systémov. Ide o hardvérové rady, kde každý je určený pre odlišný typ aplikácie. Nakoľko sa kvôli kompatibilite s navrhovaným algoritmom riadenia rátalo s komponentmi od NI, rozlišujeme pre aplikácie pracujúce v reálnom čase nasledujúce typy: PXI, priemyselné kontroléry, CompactRIO (Compact Reconfigurable I/O), Single-Board RIO, Real-Time Vision. V prípade, keď treba dosiahnuť čo najvyšší výkon, je najvhodnejšie použiť vybavenie radu NI PXI. Najviac možností poskytuje Compact Vision System. Systrém CompactRIO bol navrhnutý práve kvôli kompromisu medzi hore uvedenými systémami, a to vďaka pre náš systém najvhodnejšiemu pomeru vysokého výkonu k množstvu poskytovaných funkcií. Jeho ďalšou výhodou je možnosť využitia programovateľných hradlových obvodov FPGA.
Produkty CompactRIO sú používané v oblastiach monitoringu a diagnostiky výrobných zariadení a v systémoch riadenia polohy. Vďaka univerzálnej zbernici, kompatibilnej so všetkými CompactRIO modulmi je veľmi silným nástrojom pre tvorbu vstavaných prototypov.
Ako hlavný kontrolér bol navrhnutý vstavaný real-time regulátor Real-time NI cRIO 9024 s taktovacou frekvenciou procesora 800 MHz, na ktorom beží program LabVIEW Real-Time pre záznam dát, ich analýzu a deterministické ovládanie. Má integrované real-time hodiny s presnosťou 35 ppm pri 25°C. K používateľskému rozhraniu bežiacemu na PC, alebo pracovnej stanici je možné ho pripojiť pomocou rozhrania Dual Ethernet.
Ďalším komponentom je zbernica NI cRIO 9114 s presnosťou 100 ppm, ktorá akceptuje všetky komponenty rady NI cRIO. Obsahuje 8 vstupov pre meracie moduly.
Riadenie elektropneumatických ventilov zabezpečuje riadiaci obojsmerný digitálny V/V modul NI 9401. Osem kanálov sa pripája pomocou 25-pinového DSUB konektora. Maximálna frekvencia pri využití všetkých kanálov je 5 MHz a maximálne oneskorenie vstupu a výstupu je 100 ns. Prepojenie elektropneumatických ventilov s riadiacim modulom NI 9401 zabezpečuje káblovo vyhotovený interface, navrhnutý špeciálne pre túto funkciu. Jeho úlohou je snímanie úrovne H/L 5V TTL logiky. V prípade, že je na jeho vstupe detegované napätie vo veľkosti 5 V, spustí sa 24 V obvod s elektropneumatickým ventilom.
Výstupné signály zo snímačov tlaku, potenciometra a termočlánku sú zachytávané univerzálnym analógovým štvorkanálovým vstupným modulom NI 9219 s citlivosťou 24 Bit.
Pre vytvorenie možnosti manuálneho ovládania elektropneumatických ventilov bolo vyvinuté zariadenie nahradzujúce virtuálny riadiaci interface.
Používateľské rozhranie je používateľovi experimentálneho zariadenia k dispozícii na PC zostave, na ktorej beží virtuálny nástroj vyvinutý v programe LabVIEW.

ZÁVER
Na Katedre procesnej techniky bola zhotovená experimentálna zostava manipulátora s antagonistickým zapojením pneumatických umelých svalov. Článok popisuje návrh softvérového a hardvérového vybavenia pre real time riadiaci systém, ktorého úlohou je zabezpečiť monitoring a diagnostiku a zároveň zabezpečiť riadiace a spätnoväzobné zásahy do systému.

LITERATÚRA:
[1] TONDU, B.: Modelling of the Mckibben Artificial Muscle. A review. In: Journal of Intelligent Material Systems and Structures. USA: SAGE, 2012, p. 255-268. eISSN: 1530 – 8138
[2] DEARDEN, F.; LEFEBER, D.: Pneumatic artificial muscles: Actuators for robotics and automation. In: European Journal of Mechanical and Environmental Engineering. Belgium, 2002, p. 11 – 21. ISSN 1371 – 6980
[3] KLUTE, G. K.; HANNAFORD, B.: Accounting for Elastic Energy Storage in McKibben Artificial Muscle Actuators. In: Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, Washington: ASME, 2000. p. 386 – 388
[4] KUNA, Š.: Research methods for real time monitoring and diagnostics of production machines. Dizertačná práca. Prešov. 2015, TUKE
[5] LAPLANTE, A. P.; OVASKA, J. S.: Real-Time Systems Design and Analysis. 4. ed. USA: John Wiley & Sons Ltd, 2012. 560 p. ISBN 978-0-470-76864-8
[6] KUO, S. M., at al.: Real-Time Digital Signal Processing: Implementations and Applications. 2. ed. England: John Wiley & Sons Ltd, 2006. 646 p. ISBN-13 978-0-470-01495-0
[7] FLEXNER, S. B.; HAUCK, L. C.: The Random House Dictionary of the Englisch language. UK: Random House, 1987. 2478 p. ISBN 0394500504.
[8] SUROVČÍK, T.; JURŠICA, L.: Spracovanie obrazu v reálnom čase. In: ATP Journal, [online]. [cit. 2015-01-30]. Dostupné na internete: <http://www.atpjournal.sk/buxus/docs/casopisy/atp_2009/pdf/atp-2009-01-56.pdf>.
[9] NATIONAL INSTRUMENTS: Configure Timed Loop Dialog Box. [online]. [cit. 2015-01-30]. Dostupné na internete: <http://zone.ni.com/reference/en-XX/help/371361H-01/lvdialog/loop_configuration_db/> .
[10] NATIONAL INSTRUMENTS: Timed Loop and Timed Sequence Structures (Windows, ETS, VxWorks). [online]. [cit. 2015-01-30]. Dostupné na internete: <http://zone.ni.com/reference/en-XX/help/371361G-01/lvconcepts/con_timed_structures/>.

TEXT/FOTO PETER ŠMERINGAI, MIROSLAV RIMÁR, MARCEL FEDÁK, KATEDRA PROCESNEJ TECHNIKY, FAKULTA VÝROBNÝCH TECHNOLÓGIÍ, PREŠOV