Marek CIKLAMINI1 NÁVRH POHONNÝCH JEDNOTEK PRO TRYSKACÍ A KARTÁČOVÁ ZAŘÍZENÍ A AUTOMATIZACE LISU PELETEK SUCHÉHO LEDU Abstrakt Obsahem článku je seznámení se s výběrem vhodných pohonných jednotek pro tryskací zařízení včetně jejich regulace, dále také regulační armatury v podobě solenoidového ventilu pro tryskací zařízení kompaktní velikosti včetně výběru elektrického napájení armatury. Dále jsou zde také popsány jednotlivé vývojové kroky automatizace lisovacího stroje, který zpracovává peletky suchého ledu do tvarových bloků. Klíčová slova Tryskací zařízení, suchý led, stlačený vzduch, elektrický motor, frekvenční měnič, hydraulický lisovací stroj, automatizace.
1
ÚVOD
V rámci odborné stáže projektu Partnerství v oblasti energetiky zaštiťovaného Moravskoslezským energetickým klastrem (MSEK) ve spolupráci se společností Alkion service, s.r.o. a výzkumným a vývojovým centrem NETME Centre byl nejprve proveden návrh na výměnu pneumatického motoru tryskacího zařízení za asynchronní elektromotor, jehož regulaci obstarával frekvenční měnič. V podobném duchu se nesl i druhý požadavek vznesený společností Alkion service, neboť zde se jednalo o navržení pohonného systému pro kartáčový čistič. I zde byl pro pohon využit asynchronní třífázový elektromotor regulovaný frekvenčním měničem. Další požadavek společnosti, byl výběr regulační armatury pro regulaci průtoku stlačeného vzduchu v přenosném tryskacím zařízení kompaktních rozměrů, jež bylo vytvořeno zadávající společností. Posledním úkolem, který byl v rámci stáže řešen, byla kompletní automatizace kroků lisovacího stroje produkujícího bloky suchého ledu.
1
Bc. Marek Ciklamini, student oboru Mechatronika, Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické v Brně, Technická 2, 618 00 Brno - Žabovřesky, tel.: (+420) 721150538, e-mail:
[email protected].
1
2
VÝBĚR A NÁHRADA PNEUMATICKÉ POHONNÉ JEDNOTKY ZA ELEKTRICKOU
Mezi první úkoly, které byly zadány výše uvedenou společností, patřila náhrada pneumatického motoru instalovaného v tryskacím zařízení ColdJet SDI-5 za elektromotor z důvodu snížení spotřeby stlačeného vzduchu a tedy i snížení nároku na výkonnější kompresor. Tryskací zařízení ColdJet SDI-5 obsahuje krájecí soustrojí, které z bloků suchého ledu připravuje peletky o dané velikosti dle předem nadefinovaných parametrů na ovládacím panelu na čele zařízení [1].
Obr. 1: Stroj pro tryskání suchého ledu ColdJet SDI-5 [1] K pohonu rotačních břitů je využit pneumatický motor. Dle parametrů stávající pneumatické pohonné jednotky byl vybrán ekvivalentní pohon v podobě asynchronního třífázového elektromotoru s výkonem 0,55 kW. Pro regulaci a ovládání elektromotoru byl vybrán vhodný frekvenční měnič společnosti Control Techniques s modelovým označením Commander SKA1200055-CC. Dle slov výrobce je měnič vybaven programovatelnou vnitřní logikou vč. komparátorů a jiných funkcí, disponuje programovatelným PID regulátorem, obsahuje dostatek analogových a digitálních vstupů/výstupů pro většinu aplikací. Jeho PLC funkčnost lze navíc rozšířit modulem LogicStick [2]. Na základě průzkumu trhu dosahoval vybraný frekvenční měnič kromě svých parametrů také nejlepšího poměru cena/výkon.
2
Obr. 2: Původní pneumatický motor (vlevo) nahrazený elektrickým motorem (vpravo)
Funkce PLC frekvenčního měniče bylo využito po vložení rozšiřujícího modulu LogicStick pro naprogramování kroků otáčení, neboť rotační soustrojí krájecích břitů se při spuštění nejprve pootáčejí v protisměru pro odtržení od bloků suchého ledu, jež vlivem nízké teploty přimrzá ke krájecímu soustrojí, a po časové prodlevě nadále ve směru krájení. Pomocí softwaru SYPTLite, jež je volně dostupný ke stažení na stránkách výrobce frekvenčního měniče, byly naprogramovány jednotlivé kroky frekvenčního měniče a vloženy do paměti modulu LogicStick.
3
NÁVRH REGULACE MOTORU PRO KARTÁČOVÉ ČISTIČE
Mezi další požadavky, které byly uvedeny zadávající firmou Alkion, s. r. o., bylo navržení vhodné regulace pohonu kartáčového čističe. Zadávající firma poskytla údaje o pohonné jednotce, kterým byl třífázový asynchronní elektromotor o výkonu 0,37 kW a 2740 ot./min. Požadavky na provoz, které byly dle zadavatele uvedeny, sestávaly z plynulé regulace otáček pohonné jednotky, síťové jednofázové napájení o napětí 230 V a možnosti změny směru otáčení pomocí dvou tlačítek, kdy po zmáčknutí jednoho tlačítka bude pohonná jednotka otáčená směrem vpravo a po zmáčknutí druhého naopak vlevo. Z uvedených požadavků byl pro regulaci elektromotoru zvolen frekvenční měnič vyráběný společnosti Control Techniques s modelovým označením Commander SKA1200055-CC. Frekvenční měnič, jehož jmenovitý výkon činil 0,55 kW, zajišťoval dostatečnou výkonovou rezervu pro možnost potenciálního nahrazení elektromotoru za výkonnější.
3
Obr. 3: Frekvenční měnič Commander SKA1200055-CC [2] Po výběru a dodání frekvenčního měniče byl proveden test funkčnosti s pohonnou jednotkou. Nejprve byly nastaveny štítkové hodnoty motoru do paměti frekvenčního měniče a poté byla pohonná jednotka spuštěna. Na základě prvotního testu bylo zjištěno, že instalována převodovka měla nevyhovující převodový poměr, neboť nedosahovala požadovaných výstupních otáček.
Obr. 4: Zapojení frekvenčního měniče k elektromotoru s převodovkou Po výměně převodovky proběhl další test zapojeného elektrického pohonu, přičemž bylo využito i softwaru CTSoft dodávaného výrobcem frekvenčních měničů. Pomocí tohoto programu byly měřeny parametry vstupního/výstupního napětí a proudu, otáček elektromotoru a pomocí něj byly také nastavovány akcelerační a decelerační rampy dle požadavku zadávající firmy. Po úspěšném otestování funkčnosti zapojení a splnění funkčních parametrů, byla zadávající firmou vyrobena skříň ukrývající pohonnou jednotku (elektromotor se šnekovou převodovkou) s výstupem pro bowden a frekvenční měnič. K této skříni pak byly namontovány ovládací prvky pro obsluhu kartáčového čističe. Těmi byly potenciometr, dvoupolohový přepínač a dvě tlačítka. Pomocí potenciometru připojeného k frekvenčnímu měniči bylo možno plynule nastavovat otáčky elektromotoru a tlačítky měnit jeho směr
4
otáčení. Dvoupolohový přepínač sloužil k blokaci výše uvedených ovládacích prvků a k jejich opětovnému uvolnění.
Obr. 5: Umístění elektromotoru s převodovkou, frekvenčního měniče a ovládacích prvků ve skříni kartáčového čističe
4
VÝBĚR REGULAČNÍHO VENTILU PRO PŘENOSNÉ TRYSKACÍ ZAŘÍZENÍ
Pro regulaci přívodu stlačeného vzduchu pro kompaktní tryskací zařízení byl vybrán elektroventil se solenoidovou cívkou, který je v nečinnosti uzavřen a při průchodu proudu naopak otevřen. Navržený regulační systém sestával z elektroventilu AEN22100 a solenoidové cívky ASA33. Jako zdroj energie pro napájení solenoidové cívky a tedy k ovládání elektroventilu bylo navrženo využití stejnosměrného 12V nebo 24V adaptéru napájeného ze sítě 230 V nebo externích bezúdržbových Pb akumulátorů.
Obr. 6: Elektroventil API AEN22100 s cívkou ASA33 [3]
5
V případě zdroje elektrické energie realizovaného pomocí napájení ze sítě je ovšem zapotřebí výše zmíněný adaptér s výstupním napětím 12 V případně 24 V. Hodnota výstupního napětí bude uzpůsobena potřebám napájení solenoidové cívky (12 V nebo 24 V). Výhodou tohoto řešení je neomezený provoz a možnost nabíjet případně rovnou napájet integrovanou svítilnu v tryskací pistoli kompaktního tryskacího zařízení. Nevýhodou naopak může být nutnost vedení prodlužovací kabeláže pro napájení zařízení z elektrické sítě. Tab. 1: Soupis potřebných elektrických součástí pro napájení elektroventilu ze sítě Prvek
Popis
Elektroventil
Ventil solenoidový AEN22100
Cívka
ASA3301200
Adaptér (trafo)
MINWA 12V/1000mA
Při použití zdroje elektrické energie v podobě bezúdržbových gelových Pb akumulátorů se nabízí možnost vyhnout se zapojování prodlužovací kabeláže do sítě. Ovšem oproti možnosti s adaptérem napájeným ze sítě mají baterie větší hmotnost (2,16 kg) a poskytnou elektrickou energii pouze po dobu 9,6 hodin neustálého provozu (otevřený ventil). Po té je nutno je znova nabíjet. Pro delší provoz je možno opatřit zařízení baterií s větší kapacitou ovšem zároveň i větší hmotností. Výhodou této možnosti realizace napájení elektroventilu je eliminování kabeláže prodlužovačky. Jednotlivé komponenty a prvky jsou uvedeny v tabulce níže.
Tab. 2: Soupis potřebných elektrických součástí pro napájení elektroventilu z baterie Prvek
Popis
Elektroventil
Ventil solenoidový AEN22100
Cívka
ASA3301200
Akumulátor
WP2.6-12, 12V 2,6Ah
Nabíječka akumulátorů MW-ALCS2-24A Konektory
5
KSS PV2-5A
NÁVRH A REALIZACE AUTOMATIZACE LISOVACÍHO STROJE PELETEK SUCHÉHO LEDU
Lisovací stroj pro tvarovou úpravu peletek suchého ledu na bloky byl konstruován společností Alkion service, s.r.o., která vznesla požadavek na automatizaci jednotlivých kroků. Mezi hlavní kroky lisovacího stroje patří pohyb hlavy lisu směrem dolů (lisování) a nahoru (návrat do referenční polohy), pootočení formy o 90°, vycentrování formy a signalizace vyosení formy nebo její nevystředění. Z konečného návrhu konstrukce a prvků obstarávajících pohyb jednotlivých dílů, kterými jsou ventily hydrauliky a pneumatiky, bylo následně vytvořeno blokové schéma algoritmu jednotlivých kroků lisu pro jeho přehlednou transformaci do programu.
5.1
Návrh programu automatizace kroků lisu
Pomocí schématu jednotlivých kroků lisu byly sepsány požadavky na funkce. Z úvahy nad možnou automatizací byl nakonec vybrán způsob automatizace pomocí relé
6
ovládaných mikrokontrolérem. Návrh programu pro mikrokontrolér probíhal v grafickém vývojovém prostředí, které je volně dostupné ke stažení na webových stránkách výrobce HW platformy Arduino. Programovací jazyk Wiring je svou strukturou podobný jazyku C a je velmi uživatelsky přívětivý.
Obr. 7: Ukázka vývojového prostředí a navrhovaného programu pro mikrokontrolér Program byl rozdělen na tři části, z čehož první část obsahovala nastavení knihoven, vstupně-výstupních pinů a deklarování proměnných. Druhá část již byla součástí hlavního jádra programu a v ní spočíval výběr režimu funkce lisu pomocí tlačítka na režim ‚Manual‘ nebo ‚Automat‘. Třetí část programu již obsahovala jednotlivé podprogramy, kterým bylo otáčení formy, ověřování polohy formy včetně hlášení chyb pomocí signalizace, centrování čepem a samotné lisování. Po splnění veškerých podmínek se cyklus dle blokového schématu opakoval.
5.2
Výběr elektronických součástí a jejich zapojení
Jelikož program byl vytvářen ve vývojovém prostředí platformy Arduino, bylo vhodné využít jako řídící mikrokontrolér ATmega 328p-PU, jež tvoří srdce HW platformy Arduino UNO. Mikrokontrolér ATmega je vyráběn společností Atmel a disponuje 8bit procesorem, 14 digitálními vstupně-výstupními piny, z čehož šest těchto pinů umožňuje PWM výstup a dalších 6 pinů lze využít pro analogový vstup. Dále je tento mikrokontrolér vybaven 32kB pamětí programu, která je plně dostačující pro vytvořený program automatizace lisu [4]. Vstup signálu o napětí 24 V z čidel umístěných na lisu, jež detekují polohu formy, centrovacího čepu a hlavy lisu, byl opatřen optočleny s modelovým označením PC817,
7
jejichž napěťový výstup o hodnotě 5 V byl zesílen na vhodnou proudovou úroveň a ošetřen proti zákmitům pomocí logického hradla AND s označením 74HC-08. Signály z těchto hradel již vedly přímo na piny mikrokontroléru. Jednotlivá relé s označením NT-73DSDC24V, kterými byly ovládány prvky s vyšší proudovou hustotou (ventil hydrauliky lisovací hlavy, pneumatický ventil posuvu formy a centrovacího čepu) byly řízeny výstupem z mikrokontroléru. Výstupní signál byl ovšem nejprve oddělen optočlenem PC817 a dále zesílen pomocí NPN tranzistoru BC547. Po té byl již přiveden na danou cívku relé, přes kterou po sepnutí kontaktu procházel proud do požadovaného elektricky ovládaného ventilu. Schéma zapojení veškerých elektronických součástí bylo pro budoucí vyhotovení desky plošného spoje vytvářeno v softwaru Eagle, který slouží k návrhu plošných spojů.
Obr. 8: Částečný náhled na schéma zapojení elektronických součástí
5.3
Testování zkušební DPS a vytvořeného programu
Pro otestování funkčnosti programu byl vytvořen prototyp z univerzální desky plošného spoje, kde byly ručně spojovány a vytvářeny vodivé cesty k daným osazovaným elektronickým součástím. Jelikož se jednalo o testovací zařízení, byly zde aplikovány patice pro veškeré integrované obvody z důvodu jednoduché výměny poškozeného obvodu. Pro mikrokontrolér byla použita precizní pozlacená patice, neboť se očekávala případná nutnost přeprogramování z důvodu úpravy kroků programu. Po nahrání vytvořeného programu do mikrokontroléru pomocí HW platformy Arduino UNO, které posloužilo jako programátor. Po té bylo možno připojit vstupy a výstupy prototypu k předem instalovaným senzorům polohy hlavy lisu, formy a středicího čepu (magnetické spínače) a ovládacím ventilům hydrauliky a pneumatiky. První testy ukázaly, že pneumatický píst posunující formu má velkou časovou prodlevu při návratu do zpětné polohy a tak bylo potřeba navýšit zpoždění za krokem
8
v cyklu posunu formy v programu mikrokontroléru. Po přeprogramování mikrokontroléru byl docílen požadovaný chod lisu dle zadavatele, a tudíž se mohla vytvářet finální podoba desky plošného spoje.
Obr. 9: Fotografie osazené univerzální desky plošného spoje elektronikou
5.4
Návrh finální desky plošného spoje
Po otestování funkčnosti zapojení elektroniky vytvořen návrh finální podoby desky plošného spoje. vygenerování souborů se souřadnicemi pro výrobu, elektronických součástí a plán zapojení jednotlivých ovládacích tlačítek, signalizačních LED diod a napájení.
9
a programu byl v softwaru Eagle Kromě návrhu jednotlivých cest a byl také vytvořen osazovací plán čidel a ovládaných ventilů včetně
Obr. 10: Návrh finální podoby desky plošného spoje
Obr. 11: Osazovací plán desky plošného spoje
10
Obr. 12: Plán zapojení příslušných čidel, ovládaných ventilů, tlačítek a napájení
6
ZÁVĚR
V první části článku byla věnována pozornost popisu výběru vhodného ekvivalentního pohonu pro výměnu stávajícího pneumatického motoru za motor elektrický ve stroji ColdJet SDI-5 sloužícího pro tryskání suchého ledu. Bylo zde nastíněno i naprogramování zapojeného frekvenčního měniče pro regulaci asynchronního třífázového elektromotoru z důvodu splnění správné funkce rotačních břitů tryskacího zařízení. Ve druhé části článku je pojednáváno o výběru frekvenčního měniče pro asynchronní třífázový elektromotor sloužící jako pohonná jednotka kartáčového čističe. Také je zde zahrnut výběr regulačního ventilu pro přenosné tryskací zařízení a návrh napájení tohoto elektroventilu, přičemž jsou zde uvedeny dvě možnosti. První sestává z napájení ze sítě a druhá možnost zahrnuje instalaci akumulátorů. V případě aplikace akumulátoru je kompaktní tryskací zařízení zbaveno nutnosti připojení k elektrické síti, ale jeho hmotnost se navýší o instalované akumulátory, které poskytnou elektrickou energie pro provozní dobu okolo 10 hodin při permanentně otevřeném ventilu. Po té je nutno akumulátory dobít. Poslední část článku popisuje návrh a realizaci automatizace lisovacího stroje pro tvarovou úpravu peletek suchého ledu do bloků. Zde byly nastíněny jednotlivé kroky automatizace a to od prvotní tvorby blokového schématu algoritmu lisovacího stroje, návrh programu ve vývojovém prostředí, výběru elektronických komponent až po vytvoření univerzální desky plošného spoje pro otestování funkčnosti programu a elektroniky. Na závěr kapitoly je zde uveden finální návrh DPS včetně plánu osazení a zapojení jednotlivých vstupů a výstupů.
11
Poděkování Příspěvek byl realizován za finančního přispění Evropské unie v rámci projektu Partnerství v oblasti energetiky, č. projektu: CZ.1.07/2.4.00/31.0080.
[1] [2]
[3] [4]
Literatura SDI-5 – stroj pro tryskání suchým ledem. Coldjet LLC. [online]. [cit. 2014-02-11]. Dostupné z: http://www.coldjet.com/cz/products/dry-ice-blasting/SDI-5.php Frekvenční měnič SKA1200055-CC. Pohony-menice.cz [online]. [cit. 2014-02-11]. Dostupné z: http://www.pohony-menice.cz/gds/3-frekvencni-menic-ska1200055--055-kw/ Products Catalogue. Api-pneumatic.com [online]. [cit. 2014-02-11]. Dostupné z: http://www.api-pneumatic.com/wp-content/uploads/2011/10/Valves.pdf ATmega328P-PU. Atmel Corporation [online]. [cit. 2014-02-11]. Dostupné z: http://www.atmel.com/devices/atmega328p.aspx?tab=parameters CONTRIBUTION TITLE IN ENGLISH Keywords
Blasting system, dry ice, compressed air, electric motor, variable-frequency drive, hydraulic press machine, automation. Summary This article deals with the selection of suitable drive units including their regulation for blasting system. There is also proposal of regulating valves in the form of a solenoid valve for compact size of blasting system with including a selection power supply for valves. Furthermore, there are also described various stages of development automation the hydraulic press machine that handles pellets of dry ice into shaped blocks.
12
