ANALYTICKÉ PRACOVIŠTĚ PRO PLYNOVÉ VENTILY

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV AUTOMATIZACE A MĚŘICÍ TECHNIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF CONTROL AND INSTRUMENTATION

ANALYTICKÉ PRACOVIŠTĚ PRO PLYNOVÉ VENTILY ANALYTICAL WORKPLACE FOR GAS VALVES

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS

AUTOR PRÁCE

PAVEL SKOČÍK

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2011

Ing. STANISLAV KLUSÁČEK

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav automatizace a měřicí techniky

Bakalářská práce bakalářský studijní obor Automatizační a měřicí technika Student: Ročník:

Pavel Skočík 3

ID: 106255 Akademický rok: 2010/2011

NÁZEV TÉMATU:

Analytické pracoviště pro plynové ventily POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ: Vypracujte rešerši a seznam požadavků pro návrh analytického pracovičtě plynových ventilů CVI, Compact automatic a Compact Basic firmy Honeywell. Navrhněte koncepci pracoviště po HW i SW stránce. Zařízení musí být schopno měřit: - otevírací čas MV a SV - zavírací čas MV a SV - náběhovou křivku "soft light" - hysterezní křivku M+ - vstupní a výstupní tlak - proud Modul+ - průtok Hodnoty musí být vynášeny v grafu a naměřená data archivována. Ovládání systému a vyhodnocení měření je předpokládáno pomocí PC s využitím programového prostředí LabVIEW, Siemens Simatic S7 300 a vhodných měřicích karet. Vytvořte rozbor jednotlivých komponent. Dbejte pokynů vedoucího a konzultantů práce. Práce bude realizována ve spolupráci s firmou Honeywell Brno CCV. DOPORUČENÁ LITERATURA: Návody k prostředí LabVIEW, návody k prostředí Siemens Simatic S7 300. Dle doporučení vedoucího práce. Termín zadání:

7.2.2011

Termín odevzdání:

Vedoucí práce:

Ing. Stanislav Klusáček

prof. Ing. Pavel Jura, CSc. Předseda oborové rady

30.5.2011

UPOZORNĚNÍ: Autor bakalářské práce nesmí při vytváření bakalářské práce porušit autorská práva třetích osob, zejména nesmí zasahovat nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a musí si být plně vědom následků porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č.40/2009 Sb.

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA ELEKTRONIKY AKOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV AUTOMATIZACE A MĚŘENÍ Analytické pracoviště pro plynové ventily Práce

Specializace studia : Student : Vedoucí práce:

Automatizace a měření Pavel Skočík Ing. Stanislav Klusáček

Abstrakt: Tato práce se zabývá měřením parametrů různých typů plynových regulačních armatur. Sestavením měřicího pracoviště a vývojem ovládacího programu pro komplexní systém složený z měřicích karet SIEMENS a softwareových prostředků LabVIEW. Program ukládá hodnoty vstupního a výstupního tlaku, průtok, čas nebo modulační proud do textového souboru. Časování a počet vzorků lze měnit.Výstupní tlak v závislosti na čase nebo modulačním proudu je vynášen do grafu na monitoru.

Klíčová slova : Plynový ventil, tlakový senzor, průtokový senzor, hysterezní křivka

-4-

BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FACULTY OF ELECTRICAL ENRINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF CONTROL, MEASUREMENT AND INSTRUMENTATION

Analytical workplace of Combustion control valves Thesis

Specification of study: Student : Supervisor:

Automatizace a měření Pavel Skočík Ing. Stanislav Klusáček

Abstract: This work deals with the measurement of parameters of different types of gas control valves, of a assembling measuring workplace and development of a program for a complex control system consisting of the Siemens acquisition boards and software resources LabVIEW. The program stores the values of inlet and outlet pressure, flow, time or modulation current into a text file. The timing and number of samples can be changed. Outlet pressure versus time or modulation current is displayed on the monitor chart.

Keywords : Gas Contol Valve, pressure sensors, flow sensors, hysteresis curve

-5-

Bibliografická citace: Skočík, P. Analytické pracoviště pro plynové ventily. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2011, 80s. Vedoucí bakalářské práce byl Ing. Stanislav Klusáček

-6-

Prohlášení „Prohlašuji, že svou bakalářskou práci na téma Analytické pracoviště pro plynové ventily jsem vypracoval samostatně pod vedením vedoucího bakalářské práce a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené bakalářské práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této bakalářské práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č. 40/2009 Sb.

V Brně dne: 21. května 2011

………………………… podpis autora

Poděkování Děkuji svému vedoucímu bakalářské práce Ing Stanislavu Klusáčkovi za cenné konzultace a rady. Dále děkuji Ing. Michalu Kalábovi, Ing. Aleši Martiníkovi za odborné konzultace a spolupráci. Poděkování patří také firmě Honeywell Brno za vytvoření dobrých podmínek pro realizaci mé bakalářské práce.

-7-

OBSAH 1.

Plynové regulační armatury ............................................................................................. 14 1.1. Měřené plynové armatury ........................................................................................ 14 1.2. Měřené veličiny u plynových regulačních armatur................................................. 17 1.3. Otevírací křivka........................................................................................................ 18 1.4. Hysterezní křivka Modul+, Modureg...................................................................... 18 1.5. Mrtvý čas, otevírací čas ventilu a uzavírací čas ventilu ........................................... 19 1.6. Vstupní a výstupní tlak............................................................................................. 19

2.

Senzory pro měření nízkých tlaků.................................................................................... 20 2.1. Diferenční tlakoměry................................................................................................ 20 2.2. Princip membránového senzoru ............................................................................... 20 2.3. Diferenční tlakoměr indukční.................................................................................. 21 2.4. Piezorezistivní tlakové senzory............................................................................... 22

3.

Měření průtoku ................................................................................................................. 24 3.1. LFE -Laminar flow element ..................................................................................... 24 3.2. Teplotní průtokoměry............................................................................................... 25

4.

Koncepce kontrolního pracoviště..................................................................................... 26 4.1. Celková koncepce .................................................................................................... 26 4.2. Koncepce SW a HW ................................................................................................ 26 4.3. Úprava tlakového vzduchu....................................................................................... 26 4.4. Měření průtoku,tlaku a proudu................................................................................. 27

5.

Výběr senzorů a měřicích karet....................................................................................... 28 5.1. Senzory vstupního a výstupního tlaku ..................................................................... 28 5.2. Měřicí karty tlakových senzorů................................................................................ 29 5.2.1. Dvanáctibitový převodník ................................................................................ 29 5.2.2. Čtrnáctibitový převodník.................................................................................. 29 5.3. Měření průtoku ......................................................................................................... 30 5.4. Vyhodnocovací jednotka CONTREC 415. .............................................................. 30 5.5. Regulace proudu Modureg a Modul+ ...................................................................... 32 5.5.1. Funkční popis karty TED 2003 ........................................................................ 32

6.

Vzduchová část ................................................................................................................ 34

7.

PLC Siemens .................................................................................................................... 35 7.1. Sestava PLC Siemens............................................................................................... 35

8.

Software PLC ................................................................................................................... 37 8.1. Popis programových segmentů ................................................................................ 37 8.2. Standardní funkční bloky použité pro převod analogových signálů ....................... 38

9.

Popis ovládacího programu PC ........................................................................................ 40 9.1. Program .................................................................................................................... 40 9.1.1. Název souboru.................................................................................................. 41 9.1.2. Rámeček Vstupní tlak ...................................................................................... 42 9.1.3. Kontrolky ......................................................................................................... 42 9.1.4. Nastavení .......................................................................................................... 43 9.1.5. Rámeček Čas .................................................................................................... 43 9.1.6. Rámeček Gastep ............................................................................................... 43 9.1.7. Graf................................................................................................................... 43 9.1.8. Tlačítka............................................................................................................. 43

-8-

10. Ruční režim ...................................................................................................................... 46 10.1. Ovládací panel ručního režimu............................................................................. 46 10.2. Indikátory tlaků a průtoku .................................................................................... 47 10.3. Proud CVI M+ a Modureg ................................................................................... 47 10.4. Gastep................................................................................................................... 48 10.5. Zápis do MS Excel ............................................................................................... 48 11. Měření hysterezní křivky ................................................................................................. 50 11.1. Kontrola hystereze................................................................................................ 50 11.2. Převod dat z textového souboru do programu MS Excel..................................... 53 11.3. Compact Automatic Modureg, Compact Basic Modureg ................................... 54 11.3.1. Měření mrtvého času, času otevření a zavření ................................................. 55 11.3.2. Stručný popis činnosti FB 150 ......................................................................... 56 11.3.3. Porovnání přesnosti měření časů...................................................................... 57 11.4. Compact Automatic.............................................................................................. 60 11.4.1. Měření SV ........................................................................................................ 60 11.4.2. Měření MV ....................................................................................................... 60 11.4.3. CVI_soft light................................................................................................... 63 11.5. Ventily Compact Basic......................................................................................... 65 12. Gastep1, Gastep 4............................................................................................................ 69 12.1. Popis funkce ventilu GASTEP............................................................................. 69 12.2. Gastep 4................................................................................................................ 73 13. Zdroj testovacího napětí ................................................................................................... 76 13.1. Úprava testovacího napětí .................................................................................... 76 13.2. Elektrická část ...................................................................................................... 77 14. Závěr................................................................................................................................. 78

-9-

Seznam obrázků Obrázek 1.1-1 Ventil Compact Basic [14] ............................................................................... 14 Obrázek 1.1-2 Ventil Compact Basic Modureg [14] ............................................................... 14 Obrázek 1.1-3 Ventil Compact Automatic [14] ....................................................................... 15 Obrázek 1.1-4 Vemtil CVI M+ [14]......................................................................................... 15 Obrázek 1.1-5 Ventil Gastep 1 [14] ......................................................................................... 16 Obrázek 1.1-6 Ventil Gastep 4 [14] ......................................................................................... 16 Obrázek 1.2-1 Plynový regulační ventil CVI [14] ................................................................... 17 Obrázek 1.3-1 Otevírací charakteristika „rychlé otevření“ ventilu (černá křivka) a „pomalé otevření“ ventilu [14] ............................................................................................................... 18 Obrázek 1.4-1 Hysterezní křivka Modul+ [14]........................................................................ 19 Obrázek 2.1-1 Diferenční membránový kapacitní tlakový senzor [17] ................................... 20 Obrázek 2.3-1 Blokové schéma MG 3172 A [16] ................................................................... 21 Obrázek 2.3-2 Indukční diferenciální tlakoměr firmy HBM PD1 -vnitřní elektrické zapojení [16] ........................................................................................................................................... 22 Obrázek 2.3-3 PD 1 - mechanické uspořádání [16] ................................................................ 22 Obrázek 2.4-1 Křemíková membrána s piezorezistivními tenzometry [15] ............................ 23 Obrázek 2.4-2 Příklad rozmístění měřicích odporů na piezorezistivním snímači [15]............ 23 Obrázek 3.1-1 Laminar flow princip [9] .................................................................................. 24 Obrázek 3.2-1 Princip hmotnostního průtokměru [13] ............................................................ 25 Obrázek 4.1-1 Koncepce analytického pracoviště ................................................................... 26 Obrázek 5.1-1 Tlakový senzor DRUCK PTX7517 [11] .......................................................... 28 Obrázek 5.3-1 Diferenční tlakový senzor DRUCK LPX [2] ................................................... 30 Obrázek 5.4-1 Flow computer CONTREC [1] ........................................................................ 31 Obrázek 5.4-2 Furness Controls limited .................................................................................. 31 Obrázek 5.4-3 Laminar flow element ...................................................................................... 31 Obrázek 5.5-1 Elekrické schema karty TED 2003 [14] ........................................................... 32 Obrázek 5.5-2 Karta TED 2003 [14]........................................................................................ 33 Obrázek 9.1-1 Vývojový diagram koncepce řídícího prograu v LabVIEW ........................... 41 Obrázek 9.1-2 LabVIEW – vytvoření složky........................................................................... 42 Obrázek 9.1-3 Hlavní panel ..................................................................................................... 42 Obrázek 9.1-4 Vytvoření souboru textového souboru ............................................................. 44 Obrázek 9.1-5 Vývojový diagram – automatické měření LabVIEW...................................... 44 Obrázek 9.1-6 Záznam jedné sady vzorků ............................................................................... 45 Obrázek 10.1-1 Ruční ovládání................................................................................................ 46 Obrázek 10.1-2 Tlačítka SV ,MV a PU ................................................................................... 47 Obrázek 10.2-1 Indikátory vstupního tlaku ,výstupního tlaku a průtoku................................. 47 Obrázek 10.3-1 Ovládání modulačního proudu ....................................................................... 48 Obrázek 10.4-1 Ovládání Gastep ............................................................................................. 48 Obrázek 10.5-1 Zápis jednotlivých vzorků .............................................................................. 49 Obrázek 10.5-2 Zápis do MS Excelu ....................................................................................... 49 Obrázek 11.1-1 Hysterezní křivka CVI M+............................................................................. 50 Obrázek 11.1-2 Vývojový diagram - modulační proud ........................................................... 51 Obrázek 11.1-3 Zapojení ventilu CVI M+ ............................................................................... 52 Obrázek 11.1-4 Měřený ventil CVI s cívkou Modureg ........................................................... 52 Obrázek 11.1-5 Osy XY převedené přímo do Excel................................................................ 53 Obrázek 11.2-1 Hysterezní křivka CVI s Modureg ............................................................... 53 Obrázek 11.3-1 Zapojení ventilu Compact Basic Modureg..................................................... 54 Obrázek 11.3-2 Hysterezní křivka Compact Modureg ............................................................ 54

- 10 -

Obrázek 11.3-3 Výsledný graf - Compact Basic Modureg ...................................................... 55 Obrázek 11.3-4 Vývojový diagram FB 150 - měření časů ..................................................... 56 Obrázek 11.3-5 Obrazovka po skončení měření – mrtvý čas, doba náběhu a zavírací čas...... 57 Obrázek 11.3-6 DRUCK DPI 261 [10] .................................................................................... 57 Obrázek 11.3-7 Zkušební zapojení – porovnání měření času .................................................. 58 Obrázek 11.3-8 Měření mrtvého času – náběhová křivka....................................................... 58 Obrázek 11.3-9 Program měření mrtvého času v LabVIEW ................................................... 59 Obrázek 11.3-10 Výsledný graf měření mrtvého času............................................................. 59 Obrázek 11.4-1 Vývojové diagramy - měření SV a MV ........................................................ 61 Obrázek 11.4-2 Hlavní panel měření MV ................................................................................ 62 Obrázek 11.4-3 Výsledný graf - měření MV ........................................................................... 62 Obrázek 11.4-4 Vývojový diagram měření časů...................................................................... 63 Obrázek 11.4-5 Měření časů u výrobku CVI M+ ................................................................... 64 Obrázek 11.4-6 Hlavní panel po ukončení měření MV ........................................................... 64 Obrázek 11.4-7 Výsledek měření po převedení do MS Excel ................................................. 65 Obrázek 11.4-8 Výsledný graf měření časů a křivky soft light................................................ 65 Obrázek 11.5-1 Řez ventilem Compact Basic [14].................................................................. 66 Obrázek 11.5-2 Hlavní obrazovka po měření Compact Basic SV ........................................... 66 Obrázek 11.5-3 Výsledný graf Compact Basic Modureg ........................................................ 67 Obrázek 12.1-1 Motor Gastep 4 [14] ...................................................................................... 69 Obrázek 12.1-2 Vývojový diagram měření Gastep 1 - SV 1 otevření, zavření ....................... 70 Obrázek 12.1-3 Zapojení pro měření Gastep 1 ........................................................................ 71 Obrázek 12.1-4 Hlavní obrazovka - měření Gastep 1 .............................................................. 71 Obrázek 12.1-5 Graf vygenerovaný po měření ........................................................................ 72 Obrázek 12.1-6 Výsledný graf vytvořený ze záznamu do textového souboru po převedení do Excelu....................................................................................................................................... 72 Obrázek 12.2-1 Vývojový diagram měření otevíracích a zavíracích časů Gastep 4................ 73 Obrázek 12.2-2 Měřicí zapojení Gastep4................................................................................. 74 Obrázek 12.2-3 Hlavní panel – měření Gastep 4 ..................................................................... 74 Obrázek 12.2-4 Napájecí napětí ventilů ................................................................................... 75 Obrázek 13.1-1 Sub VI -výpočet kontrolního součtu.............................................................. 76 Obrázek 13.1-2 Zapojení zdroje Diametral a transformátorů SV a MV .................................. 77 Obrázek 13.1-3 Transformátory SV a MV, usměrňovače a relátka přepínající ovládací napětí .................................................................................................................................................. 77

- 11 -

Seznam tabulek Tabulka 5.2-1 Kontrolní kalibrace měřicího okruhu vstupního tlaku se 14 bitovou kartou SM331 ...................................................................................................................................... 29 Tabulka 5.5-1 Kontrolní měření proudu a řídícího napětí karty TED 2003............................ 33 Tabulka 7.1-1 Sestava PLC Siemens ....................................................................................... 35 Tabulka 7.1-2 Nastavení analogových vstupů HW konfigurace SM331 AI 8x14 Bit............. 35 Tabulka 7.1-3 Nastavení analogových výstupů SM332 AO 4x12BIT ................................... 35 Tabulka 11.3-1 Porovnání měření mrtvého času měřeného LabVIEW program a PLC FB150 .................................................................................................................................................. 59

Seznam rovnic Rovnice 1 Kapacita kondezátoru.............................................................................................. 20 Rovnice 2 Výpočet průtoku..................................................................................................... 24 Rovnice 3 Přepočet vstupního napětí na fyzikální rozměr..................................................... 38 Rovnice 4 Výpočet výstupního napětí ..................................................................................... 38

- 12 -

ÚVOD Důležitou součástí každého výrobního procesu je kontrolní pracoviště určené pro pravidelnou inspekci vyráběných produktů, pro odhalování nedostatků a vad ve výrobním procesu a ke kontrole parametrů nově zaváděného výrobku. Cílem bakalářské práce je návrh hardware a software inspekčního testeru plynových regulačních ventilů. Měření a testování bude řízeno PC. Naměřené data budou ukládána do textového souboru a dále zpracovávána. Toto řešení umožní snadnou archivaci dat a jejich pozdější rozbor. Kotel je vyhrazené plynové zařízení, u kterého hrozí nebezpečí výbuchu plynu. Proto jsou kladeny vysoké nároky na bezpečnost a spolehlivost plynového ventilu. Ty lze zajistit zdvojením, proto obsahují plynové ventily dvojici: bezpečnostní ventil (Safety Valve – SV) a hlavní resp. regulační ventil (Main / Modulation Valve – MV). Na základě požadavků procesních inženýrů a pracovníků oddělení kvality, zařízení musí být schopno měřit, vykreslovat v grafu a archivovat naměřená data: • • • • • • • •

dobu otevření SV a MV (safety valve, main valve) dobu zavření SV a MV náběhovou křivku hysterezní křivku Modul+, Modureg, Ekomodureg vstupní tlak výstupní tlak proud procházející regulační cívkou M+ průtok přes ventil

Dále musí umožňovat zapínání a vypínání komponentů v „ručním režimu“. Zařízení musí být také schopno otevírat a zavírat ventily řady Gastep (Gastep1 a Gastep 4). V automatickém režimu musí zajistit otevření ventilu stejným způsobem, jako ve výrobním testeru.

- 13 -

1.

Plynové regulační armatury

Všechny plynové regulační regulační armatury typu Comact Automatic a CVI mají dvě hlavní části.Bezpečnostní vetil SV - Safety Valve a hlavní ventil MV – Main Valve. Oba ventily jsou elektricky ovládané.Viz obr 1.2-1 Ventily typu Compact Basic mají bezpečnostní ventil koncipován jako elektromechanický systém. V kotli hoří tzv. „věčný plamen“. Jeho úroveň je kontrolována termočlánkem. Po zmenšení nebo zhasnutí plamene přestane proudit proud přes elektromagnet v SV a dojde k zavření bezpečnostní cívky Viz. kapitola 11.5

1.1. Měřené plynové armatury Měření lze provádět na následujících typech plynových armatur: Compact Basic • •

SV - elektromechanický systém MV - elektricky ovládaný

Obrázek 1.1-1 Ventil Compact Basic [14]

Compact Basic Modureg -ovládání stejné jako u Compact Basic Modureg – plynulé řízení výstupního tlaku modulačním proudem.(do 310 mA). Čím větší je modulační proud, tím vyšší je výstupní tlak.

Obrázek 1.1-2 Ventil Compact Basic Modureg [14]

- 14 -

Comapct Automatic ,Compact Automatic Modureg • •

SV – elektromagnetický ventil MV – elektricky ovládaný ventil

V kotli nehoří „věčný plamen“. Kotel má zapalovací systém.

Obrázek 1.1-3 Ventil Compact Automatic [14]

CVI M+ -ovládání stejné jako Compact Automatic

Obrázek 1.1-4 Vemtil CVI M+ [14]

Gastep 1 • •

SV elektricky ovládaný MV krokovým motorem ventil

Po ztrátě napětí (přerušení dodávky elektrické energie) krokový motor zůstává ve stejné poloze, ve které byl v okamžiku ztráty elektrické energie.

- 15 -

Obrázek 1.1-5 Ventil Gastep 1 [14]

Gastep 4 – elektricky ovládaná SV 1, MV – krokový motor má implementovanou elektromagnetickou spojku. Po ztrátě napětí se působením pružiny zavře. Elektromagnetická spojka tak plní funkci druhého bezpečnostního prvku -SV 2 (viz. Obr 12.1-1)

Obrázek 1.1-6 Ventil Gastep 4 [14]

- 16 -

1.2. Měřené veličiny u plynových regulačních armatur Výrobní závod Honeywell Brno divize Combustion Control Valve vyrábí plynové regulační ventily pro kotle do výkonu 40 kW. Podle druhu spalování rozlišujeme plynové kotle na typy s atmosférickým spalováním, nuceným prouděním vzduchu a kondenzační. Do atmosférických kotlů se používají regulační ventily řady CVI Modul+, Gastep a Compact. Do kondenzačních kotlů ventily Compact a CVI v kombinaci s Venturiho trubicí, kde dochází ke smísení vzduch s plynem. Vzhledem ke snahám o úsporu nákladů na vytápění vystupují do popředí kotle kondenzační. Ty dosahují účinnost až 108%, vztaženou ke spalnému teplu plynu. Testery výkonu kontrolují funkční parametry ventilů a porovnávají s hodnotami v inženýrské specifikaci. Testují se otevírací a zavírací časy, průběh křivky „soft light open“ a hysterezní křivka u produktů s proudovou regulací.

Obrázek 1.2-1 Plynový regulační ventil CVI [14]

Popis obrázku 1.2-1: Bezpečnostní ventil SV - červená část Hlavní ventil MV – modrá část Regulátor výstupního tlaku – zelená část

- 17 -

1.3. Otevírací křivka Pro Evropský trh vyrábí firma Honeywell Brno plynové regulační ventily řady Compact, Gastep a CVI. Každá typová řada má své specifické ovládání a nastavování výstupního tlaku. Podle způsobu otevírání rozlišujeme ventily „fast open“ a „soft light open“. „Fast open“ ventil se po aktivaci rychle otevře na maximum, což způsobuje nahromadění plynu ve spalovací komoře a jeho následné hlučné zapálení - viz obr. 3.1-1 - černá křivka. Ventil „soft light open“ se nejprve pootevře asi na 30% nastaveného maxima. Do spalovacího prostoru tak proudí malé množství plynu. Po jeho zapálení se ventil otevře na nastavené maximum výstupního tlaku - viz obr.3.1-1 červená křivka.

Obrázek 1.3-1 Otevírací charakteristika „rychlé otevření“ ventilu (černá křivka) a „pomalé otevření“ ventilu [14]

1.4. Hysterezní křivka Modul+, Modureg U ventilů řady CVI Modul + a Compact Modureg je výstupní tlak nastavován velikostí proudu do elektromagnetické cívky, která vyvíjí tlak na regulační mechanismus a tím se určí výstupní tlak. Viz obr.1.4-1 Závislost výstupního tlaku na proudu cívky Modul+ je patrná z grafu na obrázku 1.4-1. Výstupní tlak při klesajícím regulačním proudu je vyšší než při vzrůstajícím proudu. Ve výrobním testeru je tato hysterezní křivka vyhodnocována při 70% maximálního proudu. Maximum je určeno podle typu Modul +.

- 18 -

Obrázek 1.4-1 Hysterezní křivka Modul+ [14]

1.5. Mrtvý čas, otevírací čas ventilu a uzavírací čas ventilu V okamžiku přivedení napětí na bezpečnostní ahlavní cívku současně, začne se měřit doba, za kterou přesáhne tlak na výstupu 0,7 mBar. To je „mrvý čas“ (ventil je nalměn tlakem a začne se otevírat). Otevírací čas je doba za kterou dosáhne výstupní tlak hodnotu 2 mBar. V okamžiku odpojení hlavní cívky od napětí se měří doba, za kterou klesne tlak na výstupu pod 0,2 mBar je uzavírací čas ventilu.

1.6. Vstupní a výstupní tlak Velikost testovacích tlaků se pohybuje řádově v rozmezí 0,01 až 150 mBar. V seznamu preferovaných výrobců senzorů pro měření nízkých tlaků jsou DRUCK, HBM, Furness Controls .

- 19 -

2.

Senzory pro měření nízkých tlaků 2.1. Diferenční tlakoměry

Diferenční membránové tlakoměry se vyrábí s kapacitním můstkem nebo s indukčním můstkem

Obrázek 2.1-1 Diferenční membránový kapacitní tlakový senzor [17]

Rovnice 1 Kapacita kondensátoru

C = ε 0ε r

S d

C......... kapacita

ε 0 ........ permitivit a vakua ε r ........ relativní permitivit a S .......... plocha elektrod d .......... vzdálenost elektrod

(1)

[F] [-] [-]

[m ] 2

[m ]

2.2. Princip membránového senzoru Membrána tvoří střední pohyblivou elektrodu. Na membránu z jedné strany působí měřený tlak a referenční tlak z druhé strany. Změna tlaku způsobí prohnutí membrány a tím i změnu kapacity. Vyhodnocovací jednotka je tvořena střídavým můstkem nebo vf oscilátorem.

- 20 -

2.3. Diferenční tlakoměr indukční Indukční diferenční snímač je uspořádán stejným způsobem jako kapacitní snímač. Na místě snímacích elektrod jsou v těle převodníku zabudovány snímací cívky. Magnetický obvod je uzavírán přes jádro cívky a vzduchovou mezeru. Měřicí membrána je vyrobena z feromagnetického matriálu a tvoří část magnetického obvodu. S výchylkou membrány se mění poměr indukčností obou cívek zapojených ve střídavém můstku. Tlakové senzory PD 1 spolupracují s vyhodnocovací jednotkou MG 3172A, která má dvě funkce. Napájí PD 1 sinusovým signálem o frekvenci 5 kHz a vyhodnocuje a převádí výstup z PD 1 na hodnou ±10 V = nebo ±20 mA odpovídající velikosti diference tlaků.

Obrázek 2.3-1 Blokové schéma MG 3172 A [16]

EU – vstupní transformátor; VV předzesilovač; G – generátor; IF – modulátor a posunutí fáze MV – měřicí zesilovač; D – demodulátor; TP – dolní propust; EV – koncový zesilovač; K - kalibrační signál; R – vyvážení; C – vyvážení fáze; HB – poloviční můstek

- 21 -

Obrázek 2.3-2 Indukční diferenciální tlakoměr firmy HBM PD1 -vnitřní elektrické zapojení [16]

Obrázek 2.3-3 PD 1 - mechanické uspořádání [16]

2.4. Piezorezistivní tlakové senzory Tlakové piezorezistivní senzory mají křemíkovou membránu opracovanou do tloušťky řádově v µm s vloženými piezorezistivními tenzometry. Rezistory mají hodnotu asi 3,5 kΩ. Tlakem vyvolané napětí zvyšuje hodnotu radiálního rezistoru a snižuje hodnotu rezistoru napříč poloměru. Tato změna může být až 30%. Rezistory jsou zapojeny do Wheatsonova můstku.

- 22 -

Obrázek 2.4-1 Křemíková membrána s piezorezistivními tenzometry [15]

Obrázek 2.4-2 Příklad rozmístění měřicích odporů na piezorezistivním snímači [15]

Popis obrázku 2.4-2 1 – snímací rezistory 2 – pohyblivá část 3 - pevná část

- 23 -

3.

Měření průtoku

V testovacích zařízeních používáme hmotnostní průtokoměry Bronkhorst a laminar flow elementy Furness controls s diferenčním tlakoměrem.

3.1. LFE -Laminar flow element Čidla, jimiž laminárně proudí plyn přes soustavu oddělujících souosých prstenců, měří tlakovou diferenci. Pro plyny s vyšším obsahem vodním par jsou čidla temperována. Přednostní je minimální tlaková ztráta a vysoká přesnost i při velmi malých průtocích.

Obrázek 3.1-1 Laminar flow princip [9]

Rovnice 2 Výpočet průtoku

Q=K

(P1 − P2 )

(2)

V

Q……průtok P1…...tlak na vstupu P2…...tlak na výstupu V……absolutní viskozita měřeného plynu K……restrikční konstanta

[l/h] [Pa] [Pa] [Nsm-2] [-]

- 24 -

3.2. Teplotní průtokoměry Jsou měřidla hmotnostního průtoku plynů nebo kapalin, které využívají princip ochlazování žhaveného drátku proudícím měřeným médiem. Při měření ve volném prostředí fungují jako anemometry. Pokud se jimi měří rychlost proudění v uzavřených systémech za definovaných podmínek, pak měří i průtok - termální průtokoměry. Metoda využívá buď měření ochlazení žhaveného drátku, nebo spotřebovaný elektrický výkon pro zachování stále stejné teploty ochlazovaného drátku nebo nárůst teploty protékající kapaliny ohřáté drátkem při stejném výkonu.

Obrázek 3.2-1 Princip hmotnostního průtokoměru [13]

- 25 -

4.

Koncepce kontrolního pracoviště 4.1. Celková koncepce

Obrázek 4.1-1 Koncepce analytického pracoviště

4.2. Koncepce SW a HW Jako hlavní kontrolní prvek je určen PC s operačním systémem Windows XP a instalovanou kartou Siemens SIMATIC NET 5611 A2. Přes Profibus DP je propojen s PLC Simatic S7-300 s analogovými a digitálními IO kartami pro přímé řízení testovací stolice a sběr dat. Řídící program je tvořen v LabVIEW 8.2. Softwarové propojení PC – PLC je realizováno Siemens OPC serverem.

4.3. Úprava tlakového vzduchu Výrobní závod má rozvod talkového vzduchu 6 Bar který je upraven na potřebný tlak a výkonový průtok standardně používaným způsobem ve výrobních testerech – snížením kaskádou tlakových regulátorů. Požadovaný pracovní tlak 0 až 100 mBar.

- 26 -

4.4. Měření průtoku,tlaku a proudu Pro měření průtoku lze použít snímače průtoku Bronkhorst (tepelný průtokoměr – diferenční termoanometr) nebo laminar flow element ve spojení s diferenčním tlakoměrem a vyhodnocovací jednotkou. U tlakových senzorů je požadována dostatečná přesnost, stabilita a odolnost proti rušení Ke generování a měření modulačního proudu lze využít elektronickou kartu TED 2003 standardně používanou ve výrobních testerech.

- 27 -

5.

Výběr senzorů a měřicích karet 5.1. Senzory vstupního a výstupního tlaku

Při měření fyzikálních veličin v průmyslovém prostředí je nutné počítat s možným elektromagnetickým rušením. Nejsnadnějším způsobem eliminace těchto vlivů je použití senzorů s proudovým výstupním signálem 4 až 20mA. Tento rozsah je vhodný i pro kontrolu proudové smyčky – při přerušení obvodu je proud 0 mA – měřící systém v PLC detekuje chybu. Přesnost zvoleného senzoru musí být taková, aby součet přesností veškerých měřících prvků v obvodu nepřesáhl 1%.(vnitřní směrnice Honeywell - Measurement system accuracy). Tlakový senzor Furnes Controls FCO 352 s 4½ digit LCD displejem, výstup 4 až 20 mA, katalogová přesnost 0,25%. Měřicí rozsah je nastaven dle požadavků zákazníka. Byly zvoleny tlakové senzory DRUCK PTX7517-1 s rozsahem 100 mBar a výstupem 4 až 20 mA.Výrobce udává přesnost v celém rozsahu 0,3%. Zvolený tlakový senzor vykazuje velkou stabilitu a je dimenzován na dvanáctinásobné krátkodobé přetížení. Po odeznění tohoto přetížení výrobce garantuje původní přesnost.

Obrázek 5.1-1 Tlakový senzor DRUCK PTX7517 [11]

Výstupní analogový signál tlakového senzoru bude zpracovávat vhodně nastavená analogová karta v sestavě PLC Siemens.

- 28 -

5.2. Měřicí karty tlakových senzorů Výběru vhodné měřící karty je potřeba věnovat zvláštní pozornost. Měřené veličiny: vstupní tlak, výstupní tlak, proud a průtok. Tyto veličiny nejsou rychle měnící se v čase, jedná se o poměrně pomalé děje, takže není potřeba rychlý převodník. Siemens vyrábí vstupní karty s rozlišením 12 bitů, 13 bitů, 14 bitů a 16 bitů. Přesnost měření A/D převodníky je dána počtem kvantovacích kroků.

5.2.1.

Dvanáctibitový převodník

Dvanáctibitový převodník, katalogová přesnost 0,7% pro 4-20mA, má nejvýznamnější bit rezervován pro znaménko (bit s nejvyšší váhou udává znaménko u všech AI karet SIEMENS). Počet kvantovacích kroků je tedy 211 =2048. Je-li požadavek měřit tlak v rozsahu 100 0 – 100 mBar je rozlišovací schopnost d = = 0,048 mBar =& 5 Pa 2048 Rozlišení 5 Pa je z hlediska požadavků přesnosti měření nedostatečné. Při měření se nízká přesnost projevuje stále se opakujícími stejnými číslicemi na pozici setin mBar. I součet katalogových přesností tlakového senzoru 0,3% a karty 0,7% nevyhovuje vnitřní směrnici Honeywell.

5.2.2.

Čtrnáctibitový převodník

Čtrnáctibitový převodník má katalogovou přesnost 0,3% pro výstup 4 až 20 mA. Počet kvantovacích kroků je 213 = 8192, rozlišovací schopnost je 0,012 mBar (1,2 Pa). Přesnost měřícího systému s tlakoměrem s udanou přesností 0,3% a s 14bit měřící kartou s přesností 0,3% je 0,6%. Vzhledem k rozlišovací schopnosti a celkové přesnosti byla navržena karta SM331 AI 8x14BIT 331-7KF01-0AB0. Tabulka 5.2-1 Kontrolní kalibrace měřicího okruhu vstupního tlaku se 14 bitovou kartou SM331

Poř.měř. Etalon[mBar] P vstup[mar] 1 30,0 30,02 2 30,0 30,05 3 30,0 30,03 4 30,0 30,04 5 30,0 30,03 6 30,0 30,04 7 30,0 30,02 8 30,0 30,03 9 30,0 30,02 10 30,0 30,04

- 29 -

5.3. Měření průtoku Hodnota průtoku se vyhodnocuje na ventilech, které obsahují tzv. throttle - omezení maximálního průtoku a dále při vyhodnocování správné činnosti ventilů řady GASTEP. Pro měření průtoku byla zvolena sestava laminar flow element Furness Controlls, diferenční tlakoměr s vyhodnocovací jednotkou, protože všechny komponenty máme k dispozici z vývojového centra v Nizozemí. Katalogový údaj laminar flow elementu je 200 l/min při maximálním tlakovém rozdílu ∆P = 100 Pa . Je požadováno měřit průtok 0 – 10 m3/h QV = 200 ⋅ 60 = 12 m 3 /hod Požadavku měřit 10m3/hod plně vyhovuje. Rozdíl tlaků na laminu je snímán senzorem diferenčního tlaku DruckLPX 9481 (Obr 5.3-1 Diferenční tlakový senzor DRUCK LPX Rozsah ±10mBar, katalogová přesnost 0,1%, výstup 4 až 20mA.

Obrázek 5.3-1 Diferenční tlakový senzor DRUCK LPX [2]

5.4. Vyhodnocovací jednotka CONTREC 415. CONTREC Flow Computer 415 má zabudovanou teplotní a tlakovou kompenzaci. Výstupní signál je 0 až 10 V. V programu PLC není potřeba mimo užití FB106 SCALE provádět žádné výpočty. Teplotní senzor PT100 a tlakový senzor Druk PTX7517 jsou zapojeny přímo do CONTREC jednotky (Obr 5.4-1 Flow computer CONTREC)

- 30 -

Obrázek 5.4-1 Flow computer CONTREC [1]

Při ověřování funkčnosti a přesnosti senzorů se ukázalo, že vyhodnocovací jednotka CONTREC měří správně, ale její analogový napěťový výstup nedává žádné napětí. Po prostudování dokumentace a ověření, že analogový výstup není proudový, byla vyměněna jednotka i s laminar flow elementem za starší, ale funkční typ FCO 16, výrobce Furness Controlls. Jeho rozsah je 0 až 12 m3, výstup 0 až 2V.

Obrázek 5.4-2 Furness Controls limited

Obrázek 5.4-3 Laminar flow element

- 31 -

5.5. Regulace proudu Modureg a Modul+ Standardní elektronická karta TED 2003, požívaná ve výrobních testerech a obsahuje integrovaný obvod µA723, který je zapojen jako řízený zdroj proudu.

5.5.1.

Funkční popis karty TED 2003

Střídavé napětí 24 VAC je přivedeno na piny 28,29 a 30,32. Je usměrněno můstkovým usměrňovačem BB0C2200. Jištění je provedeno pojistkou F1, hodnota 1A. Za ní je připojen filtr C1 2200µF a kolektor tranzistoru T1 2N3055 a piny 11, 12 U1 µA723. Na piny EMR1 a EMR2 je připojena induktivní zátěž , cívka M+. Proud z EMR1 jde na cívku M+, vrací se na EMR2 a přes rezitor R4 11Ω a R5 10Ω je veden na zem. Podle velikosti tohoto proudu vzniká na R4 napětí. Napětí na R4 je upraveno děličem R2 a R3 a přivedeno na pin 4, minus IN . Řídící napětí je přivedeno na pin 5, plus IN. Vnitřní komparátor porovnává tyto dvě napětí. Výsledek je zesilován vnitřním tranzistorem a jeho emitor je vyveden na pin 10 V out a přes R1 je řízen výkonový tranzistor T1.Schéma viz. Obr.5.5-1

Obrázek 5.5-1 Elektrické schéma karty TED 2003 [14]

- 32 -

Obrázek 5.5-2 Karta TED 2003 [14]

. Kontrolní měření funkce regulátoru proudu bylo provedeno měření s cívlou M+ V7335A 5045 12 V =, 310 mA, 1 – 37 mBar.V výsledky měření jsou v tab 5.5-1 Tabulka 5.5-1 Kontrolní měření proudu a řídícího napětí karty TED 2003

Nastavená hodnota [mA] 70 100 150 200 250 300 350

Monitor [mA] 70,31 100,0 150,0 200,0 250,0 300,1 350,1

Ampermetr [mA] 70,14 100,18 150,11 200,10 250,08 299,95 350,47

Ampérmetr FLUKE 186 evč.:15-0037 Voltmetr FLUKE 186 evč.:15-0050

- 33 -

Řídící napětí [V] 0,604 1,006 1,405 2,012 2,401 3,016 3,502

6.

Vzduchová část

V rozvodu stačeného vzduch je tlak 6 Bar.K testování výkonu ventilů je potřeba testovací tlak 0 – 60 mBar o průtoku až 10 m3/h.K tomu je potřeba použít kaskádu regulačních ventilů, protože žádný regulační ventil není schopen přímého zregulování tlaku ze 6 Bar na řádově desítky mBar. Testovací stolice je napojena na rozvod 6 Bar přes solenoid FESTO. Následuje první snížení tlaku regulačním ventilem na hodnotu 2 Bar. Na tento tlak je napojen regulátor NORGREN, který sníží tlak na 500 mBar. Finální úpravu a regulaci požadovaného tlaku zajišťuje upravený ventil V4085 1006 Honeywell. Minimální regulační kapacita je 1,5 m3/h. Maximální 100 bm3/h. Maximální regulovaný tlak 100 mBar. Maximální ∆p je 5 mBar při plném průtoku. Jeho speciální úprava spočívá v odstranění elektrické spínací části ventilu tak, aby byl stále otevřen. Dále je potřeba nahradit regulátor tlaku tohoto ventilu vhodně napojeným regulátorem Nulmatic 40-2, výrobce Air-Siemens. Výstupní tlak je nastavován ručně. Za tímto regulátorem je již požadovaný tlak. Ten jde přes laminar flow do vstupu fixtury. K celkové realizaci jsem využil stávajících částí inspekčních testovacích lavic, které byly dovezeny z Honeywell Emmen během transferu výroby.

- 34 -

7.

PLC Siemens 7.1. Sestava PLC Siemens

Výrobní divize CCV používá ve svých výrobních zařízení PLC S7 Siemens 300. S přihlédnutím na sjednocení používaného řídicího systému a držení náhradních dílů byl zvolen PLC S7 3000 CPU 315- 2DP. Výkon této CPU vyhovuje i požadavku na rychlost přenášení dat a umožňuje tak další modifikaci testovacího zařízení. Tabulka 7.1-1 Sestava PLC Siemens

Popis Zdroj CPU Analogové vstupy Analogové výstupy Digital I/O Sériová linka RS232

Typové označení PS307 10A 315-2DP SM331 AI 8x14BIT SM332 AO 4x12BIT SM323 DI16/DO16 CP340

Objednávací číslo 307-1KA01-0AA0 315-2AG10-0AB0 331-7KF01-0AB0 332-5HD01-0AB0 323-1BL00-0AA0 340-1AH02-0AE0

Tabulka 7.1-2 Nastavení analogových vstupů HW konfigurace SM331 AI 8x14 Bit

Kanál č. 0 1 2 3

Adresa 256 260 264 268

HW nastavení D D B B

SW nastavení 2DMU 4 až 20 mA 2DMU 4 až 20mA E +/-5V E +/-5V

Popis Vstupní tlak Výstupní tlak Proud M+ Proud Power Unit

Tabulka 7.1-3 Nastavení analogových výstupů SM332 AO 4x12BIT

Kanál č. 0

Adresa 272 276

SW nastavení E +/-10V E +/-10 V

Popis Nastavení proudu do M+ Nastavení Power Unit proudu

Zdroj - PS307 je desetiampérový zdroj určený především pro napájení PLC sestav.Lze ho využít i na ovládací napětí jednotlivých relé a solenoidů. CPU - centrální procesorová jednotka CPU 315 -2DP je nejvýkonnější ve své řadě.Je zvolena vzhledem k případnému rozšiřování o další měřící karty a sériové připojení (např. RS 232). Analogvé vstupy - SM331 AI 8x14BIT 331-7KF01-0AB0 viz 3.2 Tlakové senzory. Analogové výstupy - Napětí 0 až 10V je potřeba pro řízení elektronické karty TED 2003. Karta SM332 AO 4x12BIT 332-5HD01-0AB0 je vyhovující.

- 35 -

Digitílní vstupy a výstupy - Karta SM323 DI16/DO16 323-1BL00-0AA0 obsahuje 16 opticky oddělených vstupů a 16 tranzistorových výstupů. Bude použita pro ovládaní testovací stolice. RS 232 - Karta CP340 340-1AH02-0AE0 realizuje sériovou linku. Po sériové lince je ovládán driver krokových motorů od ventilů Gastep 1 a Gastep 4.

- 36 -

8.

Software PLC 8.1. Popis programových segmentů

Programové segmenty v PLC neběží samostatně, ale jsou řízeny z hlavního programu na PC, který je popsán v následující kapitole. Vývojové prostředí Step7 je dodáváno se standardní knihovnou progamových modulů.Použil jsem tyto moduly : FB2,FB3 – obsluha linky RS 232 FC 105 – SCALE FC 106 – UNSCALE FC 151 – MiddlePartOfString FC 152 - StringTo Integer FC153 – StringTo DoubleInteger Následující moduly jsem vytvořil nebo upravil: OB1 - organizační blok FC 1 – ovládání digitálních vstupů a výstupů FC 2, DB2, DB3 – obsluha linky RS 232 FC 7 – výběr typu produktu a typu měření FC 10, FB10, DB10 – regulace proudu M+ FC 12, FB 11, FB12, DB11, DB 12 – měření vstupního a výstupního tlaku FC 14, FB 14, DB 14 – Ovládání AD zdroje DIAMETRAL po sériové lince RS 232 FC 16 – proud Power Unit FC20, FB20, DB 20 – řízení krokového motoru GASTEP FC 20, FB20, DB18, DB20, DB22 – řízení krokového motoru FC 26, FB 26, DB 26 – měření SV FC 28, FB 28, DB 28 – měření MV FC 30, FB 30, DB 30 – měření GASTEP FC 100 – převod hodnoty typu byte do hexadecimálního tvaru FB 140, DB 140 – krokový motor FB 150 – standardní blok Honeywell pro časování FB 151 – standardní blok Honeywell pro čtení čárových kódů

FC 1 - ovládaní relé a solenoidů zajišťujících připojení a odpojení testovaného ventilu ve stanoveném čase (otevírací a uzavírací čas). FB 2 P_RCV - příjem z karty CP 340 RS 232 FB 3 P_SEND – vysílání z karty CP 340 RS 232 Standardní funkční bloky v Library /CP PtP / Nastavení přenosové rychlosti, parity a START/STOP bitů se provádí v HW konfiguraci. FB 10 – regulátor proudu – spolupráce s kartou TED 2003 FB 12 - obsluha měření vstupního a výstupního tlaku. Obsahuje bloky pro přepočet AI/AO

- 37 -

FC20, FB20 – řízení krokového motoru – převod nastavených hodnot do hexadecimálního tvaru, sestavení řídícího řetězce pro kartu HONEYWELL Gastep controller. HW a SW elektronická karty PK 28/05 je uzpůsoben k ovládání motorů Gastep. FC26, FB26 - měření časů SV výrobků Comapact Automatic, Compact Basic, SVI FC28, FB28 – měření časů MV výrobků Comapact Automatic, Compact Basic, SVI Viz obr. 11.4 -1 - Vývojový diagram – měření MV a SV FC30, FB30 – měření časů SV1 s SV2 výrobků GASTEP Viz obr. 12.1-2 Vývojový diagram GASTEP1 a obr. 12.2-1 GASTEP4

FB140 – sériová linka RS 232 GASTEP - zabezpečuje přímou komunikaci s kartou Gastep Controler. FB 150 – programový blok využívá strojového času CPU k vytvoření časových funkcí Viz . obr. 11.3-4 Vývojový diagram FB 150 – měření časů

8.2. Standardní funkční bloky použité pro převod analogových signálů FC 105 – SCALE převod vstupní hodnoty z měřicí karty – bere hodnotu celého čísla ze vstupu a konvertuje ji na „real“ hodnotu pomocí zadaného horního limitu (HI_LIM) a dolního limitu (LO_LIM). Výsledek je zapsán do výstupu OUT. Funkce SCALE používá vzorec Rovnice 3 Přepočet vstupního napětí na fyzikální rozměr

 FLOAT ( IN ) − K1    * (HI _ LIM − LO _ LIM ) + LO _ LIM OUT =  (K 2 − K1)    Je-li vstupní hodnota UNIPOLAR, je K1 -27648 ; K2 27648 Je-li vstupní hodnota BIPOLAR, je K1 = 0 ; K2 =27648 V případě, že je vstupní hodnota je mimo rozsah , zablokuje se výstup (OUT) a na výstupu RET_VAL je chybové hlášení. (#16#0008)

(3)

FC 106 – UNSCALE převod hodnoty REAL na výstupní kartu – hodnotu REAL konvertuje na celé číslo pomocí zadaného horního limitu (HI_LIM) a dolního limitu (LO_LIM) Tato funkce používá vzorec Rovnice 4 Výpočet výstupního napětí

 IN − LO _ LIM OUT =   HI _ LIM − LO _ LIM

   * (K 2 − K1) + K1  

Je-li vstupní hodnota UNIPOLAR, je K1 -27648 ; K2 27648 - 38 -

(4)

Je-li vstupní hodnota BIPOLAR, je K1 = 0 ; K2 =27648 V případě, že vstupní hodnota celého čísla “integr”je mimo rozsah , zablokuje se výstup (OUT) a na výstupu RET_VAL je chybové hlášení. (#16#0008) Obě funkce FC105 a FC 106 jsou součástí Standard Library / TI –S7 Converting Bloks

- 39 -

9.

Popis ovládacího programu PC 9.1. Program

Hlavní program reaguje na požadavky uživatele, řídí prostřednictvím OPC serveru Siemens a kartu 5611 programové segmenty v PLC.Výsledky měření zobrazuje na monitoru a ukládá do souboru. Ovládací program je vytvořen ve vývojovém prostředí LabVIEW 8.2 Program je koncipován jako stavový automat. Je to upravená a rozšířená šablona z nabídky „Project; New; Producer/Consumer Design Patern“. Po spuštění programu je deklarace fronty, která řídí běh programu, pak následuje počáteční nastavení proměnných. Základní programová struktura Producer/Consumer se skádá ze dvou smyček „while“. V řídící smyčce „Producer“ je osm „case“ struktur : Init – nastavení vlastností vybraných proměnných Start meas- zadá do fronty příkaz pro měření a změna vlastností tlačítla [Start měření] a [Stop měření] Stop meas – zadá do fronty příkaz Stop meas,zastavení měření a změní vlastnosti tlačítek [Start měření] a [Stop měření]. ToExcel – vloží do fronty příkaz, který převede graf do Excel Shut down – vloží do fronty příkaz pro ukončení celého programu Hand Mode- vložení do fronty příkaz ,který přepne program do ručního režimu. Wait – obsahuje osm ošetření událostí. Jsou to rakce na zmáčknutí tlačítek : [Start mření], [Stop měření], [Nastavení OK], [Excel], [Hand Mode] a [Ukončit].Všechny události jsou nastaveny na změnu hodnoty. Vývojový diagram na Obr 9.1-1 ukazuje koncepci hlavního programu v LabVIEW.

- 40 -

START programu

1 Vytvoření složky

Vyběr typu ventilu a měření ,počet vzorků a časování

2 3

Ručně

Automat

Ručně-Automat Ukončení prog Konec

Ruční ovládání

4

START

5

Měření

8 NE Konec ?

9

6

ANO

Uložení dat

7 STOP Ukončení programu

Obrázek 9.1-1 Vývojový diagram koncepce řídícího programu v LabVIEW

9.1.1.

Název souboru

Po zpuštění programu je automaticky vytvořena složka v C:\TEMP s názvem ve tvaru: - první dvojčíslí měsíc den - druhé dvojčíslí - třetí dvojčíslí hodina

- 41 -

- čtvrté dvojčíslí

minuta

Obrázek 9.1-2 LabVIEW – vytvoření složky

Následuje počáteční nastavení proměnných, inicializace a otevře se hlavní panel.Na panelu jsou indikátory zaznamenávaných hodnot – vstupní tlak, výstupní tlak, modulační proud a průtok.

Obrázek 9.1-3 Hlavní panel

9.1.2.

Rámeček Vstupní tlak

- žádaná hodnota - je nastavena automaticky podle typu měření. - kontrolka - červená - signalizuje nízký tlak a měření se nespustí, zelená - vstupní tlak je v pořádku, oranžová – vstupní tlak je příliš vysoký, měření se nespustí.

9.1.3. Kontrolky Pod rámečkem Vstupní tlak - zelená kontrolka – měření běží - zašedlá kontrolka – ovládací napětí výrobku je napětí 24V - červená - ovládací napětí výrobku je 230V - kontrolka MV – stav spínacího relé 14K4 - kontrolka SV – stav spínacího relé 14k3

- 42 -

- Proud PU - aktuální proud jednotky Power Unit - kontrolka PU – stav spínacího relé 14K5

9.1.4. Nastavení V rámečku „Nastavení“ jsou zobrazeny nastavené hodnoty pro měření -časování vzorkování v [ms] - počet vzorků - index měření -čas ON - prodloužení doby sepnutí MV, SV - popis – je možné vložit popis souboru - výběr měření – z nabídky se vybere typ měření - výběr typu výrobku - DiamNap – nastavení napětí zdroje Diametral - tlačítko [Nastavení OK] – potvrzení nastavení

9.1.5.

Rámeček Čas

-Čas 1 – mrtvý čas -Čas 2 – doba náběhu -Cas 3 – zavírací doba

9.1.6.

Rámeček Gastep

- odpovědi řídící karty Gastep - aktuální proud do krokového motoru - signalizace stavu SV1 a SV2

9.1.7.

Graf

Na osu Y je vynášen výstupní tlak [mBar]. Na ose X je při měření hystereze modulačního proudu [mA] a při měření času otevírání a zavírání [s]. Tyto dvě hodnoty se přepínají podle zvoleného typu měření.

9.1.8.

Tlačítka

[Start měření] – spustí se zvolené měření [Stop měření] – předčasné ukončení měření [Excel] – převod grafu XY do programu Excel [Hand Mode] - přepnutí do „ručního režimu“ [Ukončit ESC] – ukončení programu Po zvolení typu měření a výrobku se vysvítí tlačítko [Start měření] a je umožněno automatické měření nebo ruční režim.Zvolíme-li automatické měření tlačítkem [Start měření], vytvoří se textový soubor. Je automaticky indexován. Po každém spuštění měření se vytvoří nový.Je-li popisové pole prázdné, má pojmenování souboru tvar „[index]m.txt „.

- 43 -

Obrázek 9.1-4 Vytvoření souboru textového souboru

Běh programu v LabVIEW je patrný z vývojového diagramu na obr. 9.1-4.Bez předchozího nastavení není možné spustit automatické měření. Tlačítko [Měření] je zašedlé. Po zmáčknutí tlačítka [Měření] se nejprve vytvoří textový soubor složený z názvu, který může zadat uživatel v rámečku Nastavení, z čísla, které udává pořadí měření - tzv.„index“ a znaku „m“. Index a m je generováno automaticky. V prvním řádku textového souboru je čas spuštění měření. Po vytvoření souboru jsou odebrány a uloženy první vzorky. Následuje časová prodleva zvolená před spuštěním měření. Po uplynutí nastavené doby následuje znovu záznam. Opakuje se podle nastaveného počtu vzorků. Měření lze předčasně ukončit tlačítkem [Stop]. START

Vytvoření souboru *.txt Popis v *.txt Vynulování clustru XY Spuštění FB v PLC Start měření

Záznam dat Časová prodleva

NE

Je počet vzorků dosažen?

ANO

Zavření *.txt

KONEC

Obrázek 9.1-5 Vývojový diagram – automatické měření LabVIEW

- 44 -

Obrázek 9.1-6 Záznam jedné sady vzorků

- 45 -

10. Ruční režim 10.1. Ovládací panel ručního režimu Po nastavení typu výrobku máme možnost zvolit „ruční ovládání“. Po zmáčknutí tlačítka [Hand Mode] je spuštěno HandMod.vi a na monitoru se objeví obrazovka pro ruční nastavení a ovládání ventilů.

Obrázek 10.1-1 Ruční ovládání

V levém horním rohu je ovládání cívek ventilu a Power Unit pro řadu ventilů Compact Basic. Ovladač CVI/Comp SV ovládá relé 14K4 (výstup z PLC Q8.3). Ovladač spíná relé 14K5 (výstup z PLC Q8.4). Přepínačem se volí velikost proudu PU. Je–li nastaven proud 250 mA, vybavovací mechanismus je přidržován v otevřeném stavu. Přepneme-li na 100 mA, bezpečnostní mechanismus musí zavřít.

- 46 -

Obrázek 10.1-2 Tlačítka SV ,MV a PU

10.2. Indikátory tlaků a průtoku Idikátory v podobě bargrafů usnadňují zběžnou kontrolu hodnot. Číselná hodnota je v indikátorech pod grafy. Časový průběh veličin je zobrazen na Waveform Grafech .

Obrázek 10.2-1 Indikátory vstupního tlaku ,výstupního tlaku a průtoku

10.3. Proud CVI M+ a Modureg Nastavení modulačního proudu se provádí „vertical pointer slide“ v levé časti rámečku. Proud je indikován bargrafem a indikátorem pod ním. Vypínačem [M+Ruka 1/0] se ovládá relé 14K3 (výstup z PLC Q8.2) .

- 47 -

Obrázek 10.3-1 Ovládání modulačního proudu

10.4. Gastep Přepínač [Close/Open] určuje směr otáčení krokového motoru Gastep.Do „Control Frek“ se zadává frekvence krokování motoru v rozsahu 20 až 250 Hz, do „Proud“ žádanou hodnotu proudu od 0 až 300 mA a „Kroky“ počet kroků od 1 do 999.Ovladač [SV1] spíná relé 14K1 (výstup Q8.0 PLC) a [SV2] spíná relé 14K2 (výstup Q8.1 PLC) V okně „Zpráva“ jsou zobrazovány odpovědi karty na řídící řetězce. V okně „Proud“ je aktuální hodnota proudu krokového motoru. Dotaz na aktuální proud se vysílá automaticky 1s po zapnutí chodu motoru tlačítkem [Run]. Je-li vše v pořádku, odpovídá aktuální proud nastavenému v „Proud“. Rozdílná hodnota signalizuje problémy se zapojením motoru nebo s motorem samotným.

Obrázek 10.4-1 Ovládání Gastep

10.5. Zápis do MS Excel V levé dolní orámované části je zapisování aktuálních hodnot indikátorů do tabulky v okamžiku zmáčknutí tlačítka [Zápis] Je-li připojena čtečka čárového kódu do sériového portu PLC, je do prvního sloupce v tabulce zapisované sériové číslo získané z přečteného čárového kódu na štítku výrobku.

- 48 -

Po zmáčknutí tlačítka [Do Excelu] je celá tabulka převedena do MS Excel.

Obrázek 10.5-1 Zápis jednotlivých vzorků

Obrázek 10.5-2 Zápis do MS Excelu

- 49 -

11. Měření hysterezní křivky U výrobků řady CVI M+, Compact Automatic Modureg a Compact Basic Modureg je použita modulace výstupní tlaku proudem do max. 310 mA.

11.1. Kontrola hystereze Modulační proud je pomalu zvyšován k nominální hodnotě. Pak je zase se stejnou rychlostí snižován. Kvalitu výrobku určuje rozdíl mezi hodnotou tlaku při modulačním proudu vzrůstajícím a hodnotou tlaku při modulačním proudu klesajícím při stejné hodnotě proudu. (viz obr. 1.4-1 v části 1.4 Hysterezní křivka Modul + , Modureg )

Obrázek 11.1-1 Hysterezní křivka CVI M+

Typ modulační cívky a typ výrobku se nastaví na hlavní obrazovce a zmáčkne se tlačítko [Měření]. V PLC se spustí FC10 a FB10 . Napětí z analogového 29U2 3 a 4 je přivedeno na svorky 2 a 3 karty TED 2003. FB zabezpečuje plynulé zvyšování proudu. Průběh programu je zobrazen ve vývojovém diagramu Obr 10.4-2. Aktuální hodnota proudu je odebírána jako úbytek napětí na rezistoru R5 10 Ω na kartě TED 2003. V FB je převedena na hodnotu proudu a vynášena do grafu na osu x. Hodnota výstupního tlaku je přivedena na osu y. Zároveň jsou hodnoty vstupního a výstupního tlaku, průtoku a modulačního proudu zaznamenávány ve zvolené vzorkováni do textového souboru a do tabulky v LabVIEW. Po ukončení měření je umožněno XY GRAF převést do MS Excelu. (tlačítko [Excel]), ve výsledné tabulce jsou ve sloupcích výstupní tlak a proud a zároveň je vykreslen graf z těchto hodnot. - 50 -

START

Nastaveni maxima proudu Kontrola vstupního tlaku

Otevevření ventilu Start zvyšování proudu

Zvyšování proudu

Je dosaženo maxima?

NE

ANO

Časová prodleva 3s

Snižování proudu

NE Počet vzorků dosžen?

ANO STOP Obrázek 11.1-2 Vývojový diagram - modulační proud

Na obr.11.1-3 je měřicí zapojení ventilu typu CVI M+. Toto zapojení je principielně stejné pro ostatní řady s proudovou modulací výstupního tlaku. Žluté silné šipky představují směr proudění vzduchu přes měřený ventil. Q je průtokoměr, P jsou tlakové senzory na vstupu a na výstupu. Do cívky M+ vstupuje modulační proud.

- 51 -

K1 P vstup

Q

mA

K2

SV+MV

M+

P výst.

CVI M+ Obrázek 11.1-3 Zapojení ventilu CVI M+

Obrázek 11.1-4 Měřený ventil CVI s cívkou Modureg

- 52 -

Obrázek 11.1-5 Osy XY převedené přímo do Excel

11.2. Převod dat z textového souboru do programu MS Excel Textový soubor obsahuje všechna naměřená data. K převodu dat do formátu programu Excel jsem vytvořil program ze dvou příkladových řešení v LabVIEW. V první fázi je obsah textového souboru převeden do tabulky v systému LabVIEW, následně se tato tabulka zapíše ve formátu MS Excelu, ve kterém je možné data dále zpracovávat. Z naměřených dat je vytvořený graf Hysterezní křivka.

Hysterezní křivka 60

10 9

tlak [ mBar]

50

8

40

7

30

6 5

Výstupní tlak

20

4

Průtok [m3/h]

10

3 2

0 -50

-10

0

50

100

150

200

250

1 300 0

proud [mA]

Obrázek 11.2-1 Hysterezní křivka CVI s Modureg

- 53 -

Vstupní tlak

11.3. Compact Automatic Modureg, Compact Basic Modureg Výrobky řady Compact Modureg a Compact Basic Modureg jsou funkčně totožné s CVI M+. Hysterezní křivka se měří stejným způsobem. Od ostatních typů se liší provedením bezpečnostního ventilu SV. Je to elektromagnetický systém, který nelze sepnout bez proudu Power Unit, který je generován v termočlánku ohřívaném tzv. věčným plamenem. modulační proud mA

K2 P vstup

Q

P výst.

Compact Basic Modureg

mA PU proud

Obrázek 11.3-1 Zapojení ventilu Compact Basic Modureg

Obrázek 11.3-2 Hysterezní křivka Compact Modureg

- 54 -

Compact Basic Modureg 60

8 7

50

6 tlak [mBar]

40 30 20

5

Výstupní tlak

4

Vstupní tlak

3

Průtok [m3/h]

2 10

1

0 -20

0

20

40

60

80

100

120

140

0 160

proud [mA]

Obrázek 11.3-3 Výsledný graf - Compact Basic Modureg

11.3.1. Měření mrtvého času, času otevření a zavření U plynových ventilů se měří při otevírání tzv. mrtvý čas a doba náběhu. Mrtvý čas je doba, za kterou dosáhne výstupní tlak hodnoty 0,7 mBar od aktivování bezpečnostní cívky a hlavní cívky. Tato hodnota se u různých typů liší. Otevírací doba je měřená od mrtvého času až po dosažení 2 mBar výstupního tlaku. Doba zavření je doba, za kterou klesne tlak pod 0,2 mBar po odpojení napájení obou cívek. Jednotlivé časy není možné odečítat z grafu, protože je relativně velká časová režie přenosu informací přes OPC server. Proto jsem měření těchto časů realizoval stejným způsobem, jako u výrobních testerů. Časová základna je brána přímo ze systémového času PLC Siemens. Volání FB 150 má tři vstupní parametry Start, Stop a Reset a výstupní Čas.

- 55 -

START

ANO Běží časování? NE Load system time Call SFC 64 to StartHodnota

Load system time Call SFC 64 to AktualHodn

NE Stop ? ANO AktualHodn - StartHodn =čas [ms]

KONEC

Obrázek 11.3-4 Vývojový diagram FB 150 - měření časů

11.3.2. Stručný popis činnosti FB 150 První instrukce volá SFC 64, přečte strojový čas a uloží ho do „StartHodnota“. Když běží měření času, v každé programové smyčce se ukládá strojový čas. Po aktivaci STOP bitu se odečte AktualHodnota od „StartHodnota“ a to je uplynulý čas.

- 56 -

11.3.3. Porovnání přesnosti měření časů K porovnání přesnosti časových měření jsem vytvořil měřicí zapojení, které se skládá z měřicí karty NI USB 6009, tlakového senzoru DRUCK DPI 260 a jednoduchého programu v LabVIEW. Parametry DRUCK DPI 261 s integrovaným převodníkem jsou 0 až 100 mBar, analogový výstup napěťový 0 až 10 V.

Obrázek 11.3-5 Obrazovka po skončení měření – mrtvý čas, doba náběhu a zavírací čas

Obrázek 11.3-6 DRUCK DPI 261 [10]

Vstup AI0+ a AI0- NI USB 6009 jsem nastavil jako DIFFERENTIAL 0 až 2V. Trigger jsem nastavil na zápornou hranu a čítačový vstup PFI 0 jsem přivedl +5V přes 5 kΩ rezistor. Spínacím kontaktem je PFI 0 spojován s GND. Při nastavení triggeru na náběžnou jsem nedosahoval přesvědčivého spouštění. Cívka relé byla paralelně zapojena k relé 17K4 - spínání MV pomocného relé - viz zapojení. První grafy byly značně zašumělé, nebylo možné se z grafu odečítat.

- 57 -

Q8.4

Trigger

AI 0+ AI 0-

+

K2

K1 P vstup

Q

SV

MV

-

GND

P výst.

P výst.

Compact

Obrázek 11.3-7 Zkušební zapojení – porovnání měření času

Obrázek 11.3-8 Měření mrtvého času – náběhová křivka

První grafy byly značně zašumělé, nebylo možné z grafu odečítat - viz obr 11.3 – 8. Zkoušel jsem různé nastavení a zapojení měřící karty 6009, ale stále byl graf zašuměný. Až se zapojením kondensátoru 479µF mezi AI 0+ a AI 0- se graf vyhladil a bylo možné z něj odečítat. Viz obr. 11.3-10. Jako další kontrolu jsem vytvořil malý program v LabVIEW - viz. Obr.11.3-9. Měřicí karta je nastavena na měření 48 000 vzorků za sekundu (vzorkovací frekvence karty NI USB 6009 je max 48 kHz). Po zpuštění se ve smyčce WHILE inkrementuje čítač „i“ a v okamžiku dosažení 0,07 V, což odpovídá 0,7 mBar se smyčka zastaví, hodnota v “i“ se vydělí 48 a v indikátoru „trigger 0,07“ je k dispozici „mrtvý čas“. Provedl jsem pět pokusných měření. Průměrný rozdíl je 20,665 ms. Rozdíl může plynout z použití rozdílné metody a z časové režie sepnutí triggerovacího relé. PLC již měření odstartovalo zároveň s vystavením Q8.3 a Q8,4 do logické jedničky, triggerovací relé teprve zahájilo spínání a přestavení kontaktů relátka zabere „jistý čas“. Proto jsou časy z LabVIEW kratší.

- 58 -

Tabulka 11.3-1 Porovnání měření mrtvého času měřeného LabVIEW program a PLC FB150 Pokus 1 2 3 4 5

LabVIEW[ms] 353.771 361.038 348.563 359.482 346.821

PLC [ms] 372.000 388.000 370.000 376.000 367.000

Obrázek 11.3-9 Program měření mrtvého času v LabVIEW

Obrázek 11.3-10 Výsledný graf měření mrtvého času

Z porovnání výsledků dvou odlišných metod usuzuji, že měření času PLC je dostatečně přesné.

- 59 -

11.4. Compact Automatic Z hlediska bezpečnosti jsou také důležité reakční časy ventilu na ovládací signály. Doba otevření a zavření je měřená u každého produktu. Následující podkapitoly popisují měření těchto časů. S výjimkou produktů řady Gastep je postup měření stejný.

11.4.1. Měření SV Je-li vstupní tlak v pořádku, otevře se MV a po třech sekundách se otevře SV a odstartuje časovač. V okamžiku překročení výstupního tlaku 0,7 mBar se časovač zastaví a zaznamená se otevírací čas. Následuje reset časovače. Pak se SV zavře a spustí časovač. Po klesnutí výstupního tlaku pod 0,2 mBar je časovač zastaven. Zavírací čas je uložen do pamětí, časovač je resetován a MV se zavře. Měření je ukončeno.

11.4.2. Měření MV Po kontrole vstupního tlaku a po časové prodlevě 3 sekundy jsou současně otevřeny cívky SV a MV a spustí se měření mrtvého času.V okamžiku dosažení výstupního taku 0,7 mBar je zaznamenán „mrtvý čas“.Časovač běží dál a až výstupní tlak dosáhne 2 mBar, je časovač zastaven a zaznamená se „otevírací čas“. Časovač se zresetuje. Po třívteřinové prodlevě se MV zavře a současně se spustí časování. Po poklesu tlaku pod 0,2 mBar je zaznamenán zavírací čas, SV se zavře a podprogram je ukončen.

- 60 -

START

NE

START

Vstupní tlak OK

Vstupní tlak OK NE ANO

ANO

3s stabilizace

MV otevřít 3s stabilizace

Start časovače SV otevřít VM otevřít

Start časovače SV otevřít

NE

Výstup P > limit

Výstup P > limit mrtvý čas ANO

NE

Zápis mrtvého času ANO

Stop časovač Zápis času do DB Reset časovače

NE

Výstup P > limit otevírací čas ANO

Stop časovač Zápis času do DB Reset časovače

Start časovače SV zavřít

3s prodleva Start časovače MV zavřít NE

Výstup P < limit ANO NE

Stop časovače Zápis do DB

Výstup P < limit ANO

Stop časovače Zápis do DB

MV zavřít 2s prodleva

SV zavřít 2s prodleva

STOP

STOP

Obrázek 11.4-1 Vývojové diagramy - měření SV a MV

- 61 -

Obrázek 11.4-2 Hlavní panel měření MV

tlak [mBar]

Compact Automatic měření MV 35

4

30

3.5

25

3

20

2.5 Výstupní tlak

15

2

10

1.5

Vstupní tlak Průtok [m3/h]

5

1

0 -5

0.5 0

5

10

15

20

25

-5

0 čas [s]

Obrázek 11.4-3 Výsledný graf - měření MV

- 62 -

11.4.3. CVI_soft light Při měření časů u výrobků CVI M+ a Compact Modureg musí modulační proud přesahovat 65% proudu nominálního. Je to proto, aby nedostatečně otevřený regulátor neovlivňoval otevření MV. Podmínky pro měření časů byly vysvětleny v kapitole 11.3.1

START

NE

Vstupní tlak OK Prod M+ OK ANO

3s stabilizace Start časovače SV otevřít VM otevřít

NE

Výstup P > limit mrtvý čas ANO

Zápis mrtvého času

NE

Výstup P > limit otevírací čas ANO

Stop časovač Zápis času do DB Reset časovače

3s prodleva Start časovače MV zavřít

NE

Výstup P < limit ANO

Stop časovače Zápis do DB 2s prodleva

STOP

Obrázek 11.4-4 Vývojový diagram měření časů

Po zpuštění měření je zkontrolován vstupní tlak a výrobků s proudovou modulací i minimální modulační proud. Po časové prodlevě jsou současně sepnuty cívky SV a MV a je spuštěn časovač. Při dosažení výstupního tlaku je zaznamenán „mrtvý čas“ a měření běží dál a v okamžiku, kdy výstupní tlak dosáhne limitu „čas otevření‘, je zastaven časovač a je zaznamenán čas otevření.

- 63 -

Časovač je resetován. Po uplynutí času 3s se zavře MV a po klesnutí výstupního tlaku pod limit 0,2 mBar je časovač zastaven a je zaznamenán “zavírací čas“ (viz diagram 11.1-4). Na obrázku 11.3-12 je zapojení ventilu při měření časů pro všechny ventily CVI, Compact Automatic .

K1 P vstup

Q

mA

K2

SV+MV

M+

P výst.

CVI M+ Obrázek 11.4-5 Měření časů u výrobku CVI M+

Na obrázku 11.4-6 je hlavní panel po dokončení měření časů výrobku CVI soft light. V rámečku “Čas“ jsou k dispozici: Čas1 – mrtvý čas 0,901 s Čas2 – doba otevření 0,205 s Čas3 – zavírací čas 0,386 s Tyto časy jsou zaznamenány v textovém souboru.

Obrázek 11.4-6 Hlavní panel po ukončení měření MV

Na obr. 11.4-7 je fotografie obrazovky PC po převodu textového souboru do programu MS Excel a po vytvoření grafu s měřenými hodnotami. Ve spodní části obrázku jsou vidět časy měřeného ventilu.

- 64 -

Obrázek 11.4-7 Výsledek měření po převedení do MS Excel

CVI soft light s pilot 12

35 30

10

tlak [mBar]

25 8

20 15

6

10

4

Výstupní tlak Vstupní tlak Průtok [m3/h]

5 2

0 -5

-5 0

5

10

15

20

25

30 0

čas [s]

Obrázek 11.4-8 Výsledný graf měření časů a křivky soft light

11.5. Ventily Compact Basic Ventily Compact Basic se od ostatních ventilů liší tím, že místo cívky SV mají elektromechanický systém otevírání a přidržování bezpečnostního ventilu, tzv. Power Unit. Jsou používány v zařízení s „věčným plamenem“. Hoří-li plamen, ohřívá bimetal a produkuje proud PU 100 až 250 mA, který přidržuje bezpečnostní mechanismus otevřený. Při poklesu tohoto proudu pod hranici 100 mA musí bezpečnostní ventil zavřít. Proto se u těchto výrobků neměří otevírací časy SV, ale pouze zavírací čas PU. Proud PU je nastaven na 100 mA a od tohoto okamžiku běží měření zavírací doby PU. Na obrázku 11.4-1 je řez ventilem Compact Basic. Žlutá část nalevo je mechanický bezpečnostní ventil.

- 65 -

Měření MV probíhá stejně jako u typů CVI a Compact Automatic s tím rozdílem, že se musí ručně zamáčknout jednotka PU.

Obrázek 11.5-1 Řez ventilem Compact Basic [14]

Obrázek 11.5-2 Hlavní obrazovka po měření Compact Basic SV

- 66 -

Compact Basic Modureg 40

4

35

3,5

30

3

tlak [mBar]

25 20 15 10

-10

2,5

Výstupní tlak

2

Vstupní tlak

1,5

Průtok [m3/h]

5

1

0

0,5

-5 0

10

20

30

čas [s]

Obrázek 11.5-3 Výsledný graf Compact Basic Modureg

- 67 -

40 0

12. Gastep1, Gastep 4 12.1. Popis funkce ventilu GASTEP Před měřením časů je potřeba zajistit plné otevření ventilu ovládaného krokovým motorem. Motor nejprve ventil zavře a pak jej otevře na maximum. Po prodlevě 3 sekundy se SV1 otevře sepnutím relé 14K1 (Q8.1). Měří se doba, za kterou dosáhne výstupní tlak 0,7 mBar na výstupu ventilu. Po 3 sekundách se bezpečnostní ventil zavře. Měří se doba, za kterou klesne výstupní tlak pod 0,2 mBar na výstupu ventilu. Výrobky řady Gastep 4 mají druhou bezpečnostní cívku, která je implementovaná v krokovém motoru. Pracuje jako elektromagnetická spojka. Motor se nejprve zavře, stejně jako u typu Gastep 1, pak je sepnuto relé 14k2, které přivede napětí na cívku SV2. Pak se ventil otevře.

Obrázek 12.1-1 Motor Gastep 4 [14]

Po ztrátě napětí na SV 2 elektromagnet v motoru se rozepne a pružina zavře ventil. Ventily řady Gastep jsou konstruovány jako tzv. „low cost“ produkt. Mají jiný typ regulátoru než ostatní typy ventilů. Jejich otevírací časy jsou kratší. Měření časů u výrobků řady Gastep je v FC 30 a FB30 PLC Siemens. FC 20 a sériová karta RS 232 zabezpečuje komunikaci s kartou Honeywell Gastep driver. V FC 20 jsou převáděny nastavené hodnoty frekvence v Hz, proud v mA, počet kroků a směr otáčení do hexadecimálního tvaru a přehození byte. Funkce FB 30 je patrná z vývojového diagramu 12.1-2.

- 69 -

START

NE

Vstupní tlak OK ANO

SV1 otevřít Motor zavřít Motor otevřít SV1 zavřít

Start časovače SV1 otevřít

Výstup P > limit NE ANO

Stop časovač Zápis času do DB Reset časovače

Start časovače SV1 zavřít

NE

Výstup P < limit ANO

Stop časovače Zápis do DB

2s

STOP

Obrázek 12.1-2 Vývojový diagram měření Gastep 1 - SV 1 otevření, zavření

- 70 -

RS 232

Řídící karta

K1

P vstup

SV1

Krokový motor + SV2

P výstup

Q

Obrázek 12.1-3 Zapojení pro měření Gastep 1

Obrázek 12.1-4 Hlavní obrazovka - měření Gastep 1

- 71 -

25 20 15 10 5 0 0

20

40

60

Obrázek 12.1-5 Graf vygenerovaný po měření

Po ukončení měření je zde možnost převodu výsledku měření, který je vidět na XY grafu do programu Excel. Kompletní záznam je v automaticky vytvořeném textovém souboru. Ten lze programem TxtToExcel (LabVIEW) převést do formátu Excel a data dále zpracovávat.

Gastep 1 35

6

30 5 25 4 tlak [mBar]

20 Výstupní tlak 15

3

Vstupní tlak Průtok [m3/h]

10 2 5 1 0 -5

0

5

10

15

20

-5

25

30

35 0

čas [s]

Obrázek 12.1-6 Výsledný graf vytvořený ze záznamu do textového souboru po převedení do Excelu

- 72 -

12.2. Gastep 4 Program ve funkčním bloku FB30 není ukončen po změření časů SV1, ale pokračuje dál. Znovu sepne SV1.Po době pro ustálení se SV2 v krokovém motoru vypne a spustí se časovač. Po poklesu výstupního tlaku pod 0,2 mBar se časovač zastaví a uloží se zavírací čas SV2. Program je ukončen.Viz vývojový diagram 12.2-1. Měřicí zapojení na obr.12.2-2. START

NE

Vstupní tlak OK ANO

SV1 otevřít Motor zavřít Aktivace SV2 Motor otevřít SV1 zavřít

Start časovače SV1 otevřít

Výstup P > limit NE ANO

Stop časovač Zápis času do DB Reset časovače Start časovače SV1 zavřít

NE

Výstup P < limit ANO

Stop časovače Zápis do DB,reset čas SV1 otevřít NE

SV2 zavřít Start časovače

Výstup P < limit Stop časovače Zápis do DB,reset čas STOP

Obrázek 12.2-1 Vývojový diagram měření otevíracích a zavíracích časů Gastep 4

- 73 -

RS 232

Řídící karta K2 K1

P vstup

SV1

Krokový motor + SV2

P výstup

Q

Obrázek 12.2-2 Měřicí zapojení Gastep4

Obrázek 12.2-3 Hlavní panel – měření Gastep 4

Na obr.12.2-3 je vidět průběh výstupního tlaku během měření časů SV1 a SV2. V první části, kdy je výstupní tlak nulový, se zavírá krokový motor.Pak se motor otvírá a výstupní tlak stoupá. Po ukončení otevírání motoru, hlášení z řídicí karty „Done“, se SV1 zavře. Tento postu jsem upravil na přání pracovníků z vývojového centra. Je pro ně důležitá informace o velikosti průtoku v závislosti na výstupní tlaku. Viz obr. 12.2-4. Následuje měření časů SV1 a SV2.

- 74 -

Gastep 4 40

6

35 5 30 4

tlak [mBar]

25

Výsstupní tlak

20 3 15

Průtok [mBam]

10

2

5 1 0 -10

Vstupní tlak

0

10

20

30

-5

40 0

čas [s]

Obrázek 12.2-4 Napájecí napětí ventilů

- 75 -

13. Zdroj testovacího napětí 13.1. Úprava testovacího napětí Některá měření vyžadují napětí o velikosti 85% nominální hodnoty. Ke splnění této podmínky jsem použil stabilizovaný zdroj střídavého napětí DIAMETRAL AC250K2D-S. Využil jsem možnosti jeho nastavování po lince RS 232. Sestavení řídicího řetězce je realizováno v subVI. Skládá se z úvodního znaku @ hexadecimálně, požadovaného napětí dekadicky, kontrolního součtu a ukončovacího znaku D hexadecimálně (viz obr 13,1-1). Postup výpočtu kontrolního součtu je uveden v technické dokumentaci zdroje. Odeslání řídícího řetězce zajišťuje FC 14 a FB 14 v PLC. Chceme – li nastavit výstupní napětí zdroje ručně, stačí odpojit konektor RS 232, na zdroji přestane svítit kontrolka PC a zdroj začne reagovat na klávesnici.

Obrázek 13.1-1 Sub VI -výpočet kontrolního součtu

Při měření ventilů typu Compact s cívkami 24 V~ se ukázalo, že při zapnutí obou cívek, SV a MV současně, řídící obvody zdroje vykáží proudový náraz jako zkrat a dojde ke krátkému poklesu napětí (odpojení výstupu) pod požadovanou hodnotu, což je nepřístupné při měření otevíracích časů. Tuto nepříjemnou skutečnost jsem vyřešil zapojením dvou transformátorů pro každou cívku zvlášť. Primární vinutí jsou napájeny ze zdroje DIAMETRAL. Odbočky sekundárního vinutí 220 V, 110 V, 24 V a 12V jsou přivedeny přes kaskády relátek ke spínacím relé SV a MV. Výběr napětí se provádí v programu na hlavní obrazovce. Je-li požadavek na snížené napětí, zvolí se napětí zdroje DIAMETRAL na požadovanou hodnotu. Úměrně se sníží i výstupy na sekundárních výstupech transformátorů.

- 76 -

RS232

DIAMETRAL

X2.L

T1

PLC

T2 MV

SV

220

X2.6

220

X2.N

12

12 22

24

110

86 12

22

14

24

12

17K3

22

24

12

12

12

86

14 22

17K1

X2.N

24

12

110 22

14

17K1.1

24

12

14

17K3.1

14 22

17K2

24

12

14

17K2.1

22

24

12

14 22

17K4

24

12

14

17K4.1

14K5 14K4

X5.3

X5.4

X5.5

X5.6

Obrázek 13.1-2 Zapojení zdroje Diametral a transformátorů SV a MV

Obrázek 13.1-3 Transformátory SV a MV, usměrňovače a relátka přepínající ovládací napětí

13.2. Elektrická část PLC, elektronické karty a relé jsem umístil do samostatného rozvaděče. S testovací lavicí je propojen kabely. Ventily jsou připojovány nezaměnitelnými konektory. Elektrické zapojení viz.příloha - 77 -

14. Závěr Cílem bakalářské práce bylo sestavení analytického pracoviště pro plynové regulační armatury s archivací naměřených hodnot a vynášení do grafu hodnotu výstupního tlaku. Pracoviště je složeno ze tří hlavních částí: • • •

Úprava stlačeného vzduchu na potřebný tlak do 100 mBar PLC SIEMENS s programovým vybavení a měřicími a komunikačními kartami PC s řídícím programem vytvořeným v LabVIEW 8.2 a s kartou Siemens SIMATIC NET 5611 A2

Kontrolní pracoviště slouží k hloubkovým analýzám plynových regulačních armatur. Odstranilo problematické sledování několika hodnot ve stejném časovém okamžiku. Ve zvolených časových intervalech a počtech vzorků zaznamenává do textového souboru: • • • •

Vstupní tlak Výstupní tlak Průtok přes armaturu (plynový ventil) Modulační proud nebo čas

Měří a zaznamenává do textového souboru: • •

Mrtvý čas, otevírací čas a zavírací čas hlavního ventilu Otevírací čas a zavírací čas bezpečnostního ventilu

Umožňuje: • • • •

Vyhodnocení výstupního tlaku v závislosti na modulačním proudu Vyhodnocení výstupního tlaku v závislosti na průtoku Vyhodnocení tlakových ztrát ( ∆ p) přes plynovou regulační armaturu Archivace dat – možný návrat k analýze ventilu v čase a jejího zpětného použití

K ověření měření časů byla k dispozici analogová karta NI USB – 6009 s možností triggerování. Po porovnání záznamů pořízených přes systém PLC – OPC server - PC a záznamy pořízených měřicí kartou NI USB – 6009 se ukázalo, že k detailnímu vykreslování otevíracích a zavíracích křivek je vhodnější používat komponenty National Instrumens, protože přenosy dat přes OPC server mají relativně velkou časovou režii. Celá sestava je nyní nainstalována na testovacím pracovišti oddělení kvality.

- 78 -

REFERENCE [1] Contrec USA [online]. 2009 [cit. 2011-05-20]. CONTREC 415 . Dostupné z WWW: . [2] GEsensing.com [online]. 2002 [cit. 2011-05-20]. PLX 9000. Dostupné z WWW: . [3] Norgren.cz [online]. 2008 [cit. 2011-05-20]. Regolátory tlaku. Dostupné z WWW: . [4] Support.automation.siemens.com [online]. 2008-11-11 [cit. 2011-05-20]. PtP coupling and configuration of CP 340 . Dostupné z WWW: . [5] Support.automation.siemens.com [online]. 2008 [cit. 2011-05-20]. SIMATIC S7-300 S7300 Automation System Module Data . Dostupné z WWW: . [6] Simatic S7 STEP7. Vsetín : SIMEX CoNTROL s.r.o., 2002. 432 s. [7] Programování pro pokročilé. Ostrava : Temex, 1198. 126 s. [8] Furness-controls.com [online]. 2011 [cit. 2011-05-20]. Laminar Flow Elements. Dostupné z WWW: . [9] Sigmaaldrich.com [online]. 2011 [cit. 2011-05-20]. Humonics MicroFlo 20 Flowmeter. Dostupné z WWW:. [10] Transcat.com [online]. 2011 [cit. 2011-05-20]. Dpi260_druck. Dostupné z WWW: . [11] Ge-mcs.com [online]. 2011 [cit. 2011-05-20]. PTX 7500 Series Industrial Pressure Transmitters. Dostupné z WWW: . [12] S7300_baugruppendaten_en-US.pdf . Nurnberg : Siemens AG , 2008 . 626 s. [13] Principy měření hmotnostního . Automatizace. 2004, 47, 12, s. 768. [14] Interní dokumentace fy Honeywell [15] Snímače tlaku - přehled trhu. Automatizace. 2006, 47, 1, s. 34-61.

- 79 -

[16] HMB -Operating Manual MG3172. Darmstadt : Hottinger Baldwin Messtechnik, 1990. 15 s. [17] E-automatizace.cz [online]. 2011 [cit. 2011-05-20]. Elektrické tlakoměry . Dostupné z WWW: . [18] Ni.com [online]. 2011 .

[cit.

2011-05-20].

Manuals.

Dostupné

SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ A ZKRATEK CCV M+ SV MV PC PLC CPU USB NI LabVIEW PU CVI SV1 SV2 RS 232 MS txt

Combustion Control Valve Moduplus Safety Valve Main Valve Personal Computer Programmble Logic Controler Central Procesor Unit Universal Serial Bus National Instrumens Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench Power Unit Combined Valve Ignition Safety Valve 1 Safety Valve 2 Recommended Standard 232 MicroSoft přípona textového souboru

Přílohy CD Program PLC SIEMENS Program LabVIEW Program – převod z textového souboru do MS Excel (LabVIEW) Elektrické zapojení Uživatelský manuál

- 80 -

z

WWW: