MASTERPROEF: Opbouw van een testruimte voor ventilatoren
Studiegebied Industriële wetenschappen en technologie Opleiding Master in de industriële wetenschappen: Elektromechanica Afstudeerrichting Elektromechanica Academiejaar 2008-2009
David Degryse
Voorwoord Het verwezenlijken van een masterproef is een serieuze opdracht die heel wat tijd en inspanningen vergt. Deze twee factoren zijn vaak moeilijk te combineren met een drukke academische agenda. De kunst bestaat erin om een evenwicht te vinden tussen de verschillende taken. Bij het realiseren van mijn masterproef heb ik gelukkig beroep kunnen doen op verschillende personen die mij enorm hebben bijgestaan. Daarom wil ik in de eerste plaats mijn externe promotor dhr. Johan Wyckaert uitdrukkelijk bedanken voor zijn professionele als persoonlijke steun gedurende het ganse academiejaar. Eveneens een speciaal dankwoord voor zijn collega’s bij Alemco en PCA: dhr. Andy Trappeniers, dhr Serge Debue, dhr. Matthieu Suetens en dhr. Luc Matthys. Ook wil ik een dankwoord plaatsen aan alle arbeiders van Almeco en PCA voor hun technisch advies en hulp bij de realisatie. Verder wil ik ook de personen bedanken die momenteel aan mijn aandacht ontglippen. Ik kon steeds op iedereen van de firma rekenen voor advies of ondersteuning, wat ik enorm waardeer. Een oprechte dank voor het management van de firma, dhr. Lieven De Clercq, dhr. Francis De Clercq en dhr. Stefaan De Clercq, voor de gebeurde investeringen en mogelijkheid tot het realiseren van deze masterproef. Eveneens wil ik mijn interne promotor, dhr. Bruno Vanslambrouck bedanken voor de wetenschappelijke ondersteuning van deze masterproef. Verder wil ik een dankwoordje plaatsen aan dhr Jan Desmet en dhr Steve Dereyne voor het ondersteunend advies bij het uitwerken van mijn schakelkast. Ook dhr Dieter Vandenhoeke en dhr Henk Capoen wil ik bedanken voor hun advies bij de keuze en implementatie van de bijbehorende sturing. Uiteraard wil ik de Hogeschool West-Vlaanderen departement PIH bedanken voor de 4-jarige opleiding die ik er mocht genieten. Een laatste dankwoord wil ik plaatsen aan mijn familie en mijn vriendin Annelies, met wie ik de laatste tijd ongetwijfeld te weinig tijd heb doorgebracht, voor de mentale ondersteuning in de soms harde studententijd. Deze thesis vertelt het verhaal van tijdsinvesteringen en activiteiten van het voorbije academiejaar (2008-2009). Dit gaat van verschillende studies, ontwerp, productkeuzes, realisatie tot het programmeren. Achteraf realiseer ik mij dat dergelijke praktische masterproef een heleboel werk met zich meebrengt: concept opstellen, mensen inlichten, offertes aanvragen en vergelijken, levertermijnen in acht nemen, rekening houden met vele details van componenten om een goede werking te kunnen garanderen, tijdsdruk, opzoekwerk, onverwachte problemen,… Veel leesplezier David Degryse (mei 2009)
David Degryse
Masterproef
II
Inhoud Voorwoord ................................................................................................................................ II Inhoud ....................................................................................................................................... III Abstract ...................................................................................................................................VII Figuren .................................................................................................................................. VIII Tabellen ..................................................................................................................................... X 1
2
Inleiding ............................................................................................................................. 1 1.1
Historiek ...................................................................................................................... 1
1.2
PCA ............................................................................................................................. 2
1.3
Almeco anno 2009 … .................................................................................................. 2
Productieproces .................................................................................................................. 4 2.1
Axiale ventilatoren ...................................................................................................... 4
2.2
Centrifugale ventilatoren ............................................................................................. 8
3
Doel van de masterproef .................................................................................................. 10
4
Ventilatoren ...................................................................................................................... 12
5
4.1
Inleiding ..................................................................................................................... 12
4.2
Algemeenheden ......................................................................................................... 12
4.2.1
Gaswet ................................................................................................................ 12
4.2.2
Druk .................................................................................................................... 13
4.2.3
Vermogen ........................................................................................................... 14
4.2.4
Ventilatorwetten ................................................................................................. 14
4.3
Centrifugale ventilatoren ........................................................................................... 15
4.4
Axiale ventilatoren .................................................................................................... 19
4.5
ATEX ventilatoren .................................................................................................... 22
Testframe .......................................................................................................................... 25 5.1
Inleiding ..................................................................................................................... 25
5.2
Problematiek .............................................................................................................. 25
5.3
Eerste ontwerp ........................................................................................................... 26
5.4
Aangepast ontwerp .................................................................................................... 27
5.5
Dempers ..................................................................................................................... 30
5.5.1
FFT Analyse ....................................................................................................... 31
5.5.2
Dempingsgraad ................................................................................................... 34
5.6 6
Evaluatie .................................................................................................................... 35
Veiligheid ......................................................................................................................... 37 6.1
Veiligheid van de testzone ......................................................................................... 37
6.1.1 David Degryse
Inleiding ............................................................................................................. 37 Masterproef
III
6.1.2
Risico’s ............................................................................................................... 37
6.1.3
Risicoanalyse ...................................................................................................... 38
6.1.4
Oplossing ............................................................................................................ 39
6.1.5
Controle .............................................................................................................. 43
6.2
7
6.2.1
Inleiding ............................................................................................................. 45
6.2.2
Problematiek....................................................................................................... 45
6.2.3
Oplossing ............................................................................................................ 46
6.2.4
Praktische realisatie ............................................................................................ 48
Productiestructuur ............................................................................................................ 50 7.1
Inleiding ..................................................................................................................... 50
7.2
De functionele structuur / proceslay-out ................................................................... 50
7.2.1
Batch ................................................................................................................... 51
7.2.2
Nadelen ............................................................................................................... 51
7.2.3
Voordelen. .......................................................................................................... 51
7.3
8
Afscherming voor de balanceerunit. .......................................................................... 45
De lijnstructuur / productlay-out ............................................................................... 52
7.3.1
Werk in omloop .................................................................................................. 52
7.3.2
Voordelen ........................................................................................................... 52
7.3.3
Nadelen ............................................................................................................... 53
7.3.4
Kwaliteit ............................................................................................................. 53
7.4
Celstructuur ............................................................................................................... 53
7.5
Structuur gekenmerkt door een vast product ............................................................. 54
7.6
Huidige situatie in Almeco ........................................................................................ 54
7.7
Eerste mogelijke oplossing ........................................................................................ 57
7.8
Tweede mogelijke oplossing ..................................................................................... 59
7.9
Beoordeling ............................................................................................................... 60
Elektrisch testinfrastructuur ............................................................................................. 63 8.1
Inleiding ..................................................................................................................... 63
8.2
Elektrische schakelingen ........................................................................................... 63
8.3
Belangrijk installatie- en meetapparatuur .................................................................. 66
8.3.1
Stroomtransformatoren ....................................................................................... 66
8.3.1.1
Klassieke transformator .............................................................................. 66
8.3.1.2
Werking stroomtransformatoren ................................................................. 67
8.3.1.3
Uitvoeringsvormen ..................................................................................... 68
8.3.1.4
Keuze van de stroomtransformatoren. ........................................................ 69
8.3.1.5
Specificaties ................................................................................................ 69
8.3.2
David Degryse
Beveiliging ......................................................................................................... 71
Masterproef
IV
9
Kortsluitstroom ........................................................................................... 71
8.3.2.2
Uitschakelkarakteristieken .......................................................................... 73
8.3.2.3
Keuze van de beveiliging ............................................................................ 74
8.3.2.4
Selectiviteit? ................................................................................................ 74
8.3.3
3-fasige stekkers ................................................................................................. 75
8.3.4
Contactoren. ....................................................................................................... 75
8.3.5
Voedingstransformator ....................................................................................... 77
8.3.6
Veiligheidsrelais ................................................................................................. 78
Sturing .............................................................................................................................. 81 9.1
Onderdelen ................................................................................................................. 82
9.2
Benodigde componenten ........................................................................................... 83
9.2.1
Siemens en Phoenix Contact .............................................................................. 83
9.2.2
National Instruments .......................................................................................... 84
9.2.3
Beckhoff. ............................................................................................................ 84
9.3
10
8.3.2.1
9.2.3.1
Soft PLC ...................................................................................................... 84
9.2.3.2
Productkeuze ............................................................................................... 85
Profibus ...................................................................................................................... 86
9.3.1
Hardware ............................................................................................................ 87
9.3.2
Datatransmissie .................................................................................................. 89
9.3.3
Profibus in de testruimte .................................................................................... 89
Sensoren en meetapparatuur............................................................................................. 90 10.1
Inleiding ................................................................................................................. 90
10.2
Temperatuursensor ................................................................................................. 90
10.2.1
Problematiek....................................................................................................... 90
10.2.2
Mogelijkheden .................................................................................................... 90
10.2.3
Oplossing ............................................................................................................ 91
10.3
Drukmeting ............................................................................................................ 91
10.3.1
Problematiek....................................................................................................... 91
10.3.2
Oplossing ............................................................................................................ 92
10.3.3
Opbouw .............................................................................................................. 92
10.3.4
Ventielen ............................................................................................................ 93
10.4
Trillingsmeting ....................................................................................................... 94
10.4.1
Problematiek....................................................................................................... 94
10.4.2
Oplossing ............................................................................................................ 94
10.4.2.1
Frequentiespectrum ..................................................................................... 95
10.4.2.2
Trillingssensoren ......................................................................................... 96
10.4.2.3
Controle....................................................................................................... 97
David Degryse
Masterproef
V
11
Praktische realisatie .......................................................................................................... 99 11.1
Inleiding ................................................................................................................. 99
11.2
Het elektrisch schema ............................................................................................ 99
11.2.1
Randapparatuur .................................................................................................. 99
11.2.2
Vermogenkring................................................................................................. 100
11.2.3
Stuurkring ......................................................................................................... 100
11.2.4
PLC................................................................................................................... 101
11.3
Het testgebeuren. .................................................................................................. 101
11.3.1
Hardwareconfiguratie ....................................................................................... 102
11.3.2
Het programma ................................................................................................. 103
11.3.3
Initialisatie ........................................................................................................ 104
12
Visualisatie ..................................................................................................................... 105
13
Besluit............................................................................................................................. 107
14
Bibliografie..................................................................................................................... 108
15
14.1
Boeken ................................................................................................................. 108
14.2
brochures .............................................................................................................. 108
14.3
Naslagwerken ....................................................................................................... 108
14.4
Elektronische bronnen ......................................................................................... 108
14.5
Interne opleidingscursussen PIH.......................................................................... 109
14.6
Websites ............................................................................................................... 109
14.7
Persoonlijke mededelingen .................................................................................. 109
Bijlagen .......................................................................................................................... 111
David Degryse
Masterproef
VI
Abstract The goal of this thesis is to create a test zone for industrial fans, which are produced by Almeco from Moeskroen. This test zone was needed because in the past the tests happened unsafe, the number of measured parameters was limited and were not very precise. To start this thesis, it was necessary to have knowledge about the whole production process. The next step was to make an in-depth safety review. In a next phase, the workshop organization had been investigated. After that, the basics where made to develop a universal frame to support the fans while they’re assembled and tested. To develop the test zone itself, an electrical control cabinet with built-in controller was needed. Therefore it was necessary to develop a specific test procedure, concerning all safety and measuring conditions. For all necessary components, sensors, controllers, ... an extended product selection has been done. Once the control cabinet was realized and the controller programmed, a user program was created which coordinates the testing of the fans.
David Degryse
Masterproef
VII
Figuren Figuur 1.1: Almeco Roeselare .................................................................................................... 1 Figuur 1.2: Almeco Moeskroen ................................................................................................. 2 Figuur 2.1: Ventilatorschoepen .................................................................................................. 4 Figuur 2.2: Instellen van de schoephoek .................................................................................... 5 Figuur 2.3: Vastschroeven van de schoephouders ..................................................................... 5 Figuur 2.4: Opstelling van de balanceerunit .............................................................................. 7 Figuur 2.5: Montage van de ventilatorwaaier ............................................................................ 7 Figuur 2.6: Assemblage van een centrifugale ventilator ............................................................ 8 Figuur 4.1: Verloop van totale en statische druk in functie van het debiet .............................. 13 Figuur 4.2: Opstellen van snelheidsdriehoeken bij centrifugale ventilatoren .......................... 16 Figuur 4.3: Mogelijke schoepstanden voor waaiers van centrifugale ventilatoren .................. 17 Figuur 4.4: Ventilatorkarakteristieken van centrifugale ventilatoren ...................................... 18 Figuur 4.5: toepassingsgebied van centrifugale ventilatoren ................................................... 19 Figuur 4.6: Kenmerken van een axiale ventilatorschoep ......................................................... 19 Figuur 4.7: Invloed van de schoephoek op de ventilatorkarakteristiek .................................... 20 Figuur 4.8: Luchtstromingen bij verschillende werkingspunten .............................................. 20 Figuur 4.9: Toepassingsgebied van axiale ventilatoren ........................................................... 21 Figuur 4.10: Opbouw van een ATEX axiale ventilator............................................................ 24 Figuur 5.1: Grondkader eerste ontwerp .................................................................................... 26 Figuur 5.2: Ventilatorsteun eerste ontwerp .............................................................................. 27 Figuur 5.3: Samengestelde eerste ontwerp ............................................................................... 27 Figuur 5.4: Aangepast ontwerp van het grondkader ................................................................ 28 Figuur 5.5: Aangepast ontwerp van de ventilatorhouder ......................................................... 28 Figuur 5.6: Samenstelling van het aangepaste ontwerp ........................................................... 29 Figuur 5.7: Het geproduceerde testframe ................................................................................. 29 Figuur 5.8: Demper type M, Novibra, Trelleborg .................................................................... 30 Figuur 5.9: FFT analyse op grondkader ................................................................................... 31 Figuur 5.10: FFT analyse verticaal op motorvoet .................................................................... 32 Figuur 5.11: FFT analyse in asrichting op motorvoet .............................................................. 33 Figuur 5.12: FFT analyse in radiale horizontale richting op motorvoet .................................. 33 Figuur 5.13: Responsiefactor van een gedwongen gedempte trilling in functie van de gedwongen frequentie .............................................................................................................. 34 Figuur 5.14: Aanpassingen aan de constructie ......................................................................... 36 Figuur 6.1: Risico-inschatting volgens Fine & Kenneth .......................................................... 38 Figuur 6.2: Klassieke machineafscherming ............................................................................. 40 Figuur 6.3: Machineafscherming met massieve elementen ..................................................... 41 Figuur 6.4: Offertetekening van Axelent ................................................................................. 43 Figuur 6.5: Risico-inschatting volgens Fine & Kenneth .......................................................... 44 Figuur 6.6: Boutverbindingen bij een axiale waaier ................................................................ 46 Figuur 6.7: Zware testmassa..................................................................................................... 47 Figuur 6.8: Schets van een voorstel voor de waaierafscherming ............................................. 48 Figuur 6.9: Geoptimaliseerde situatie in de werkplaats ........................................................... 49
David Degryse
Masterproef
VIII
Figuur 7.1: De functionele structuur ........................................................................................ 50 Figuur 7.2: De lijnstructuur ...................................................................................................... 52 Figuur 7.3: De celstructuur....................................................................................................... 54 Figuur 7.4: Huidige situatie in de werkplaats .......................................................................... 55 Figuur 7.5: Huidig procesverloop bij de productie van een axiale ventilator .......................... 56 Figuur 7.6: Eerste mogelijke oplossing .................................................................................... 58 Figuur 7.7: Tweede mogelijke oplossing ................................................................................. 59 Figuur 7.8: Uiteindelijke locatie van de testruimte .................................................................. 61 Figuur 8.1: Voedingsmogelijkheden voor te testen ventilator ................................................. 64 Figuur 8.2: Mogelijkheden om ventilatoren aan te sluiten....................................................... 65 Figuur 8.3: Meetmogelijkheden ............................................................................................... 65 Figuur 8.4: Klassieke niet ideale transformator ....................................................................... 66 Figuur 8.5: Vectordiagram van niet ideale transformator ........................................................ 67 Figuur 8.6: Vectordiagram van een stroomtransformator ........................................................ 68 Figuur 8.7: Praktische uitvoeringen van stroomtransformatoren ............................................. 69 Figuur 8.8: Mogelijke uitschakelkarakteristieken .................................................................... 73 Figuur 8.9: Gekozen contactor LC1D..P7 van Téléméchanique.............................................. 76 Figuur 8.10: Selectie van de nodige veiligheidscategorie ........................................................ 78 Figuur 8.11: Schakeling van categorie B4 ............................................................................... 80 Figuur 9.1: De gekozen Siemens energiemeetmodule ............................................................. 85 Figuur 9.2: Profibus.................................................................................................................. 86 Figuur 9.3: Elektrisch equivalent van Profibus ........................................................................ 88 Figuur 9.4: Uitgebreide Profibus DP installatie met meerdere repeaters ................................. 88 Figuur 10.1: Opbouw verschildruksensor ................................................................................ 92 Figuur 10.2: Schakelen van de sensor met behulp van ventielen ............................................. 93 Figuur 10.3: Digitale oscilloscoop ........................................................................................... 95 Figuur 10.4: Schakeling trillingssensor .................................................................................... 96 Figuur 11.1: Hardwarconfiguratie in de System Manager ..................................................... 102 Figuur 12.1: Communicatieweg tussen besturingsprogramma en PLC software .................. 105
David Degryse
Masterproef
IX
Tabellen Tabel 4.1: Rendementen bij verschillende types ventilatoren .................................................. 14 Tabel 4.2: Verschillende soorten axiale ventilatoren ............................................................... 21 Tabel 4.3: Verschillende gevarenzones .................................................................................... 22 Tabel 6.1: Risicoanalyse: Situatie zonder testruimte ............................................................... 39 Tabel 6.2: Risicoanalyse: Situatie met testruimte .................................................................... 44 Tabel 6.3: K-factor die de ernst van de impact weergeeft........................................................ 47 Tabel 8.1: Gegevens betreffende de laagspanningsinstallatie in Almeco ................................ 71 Tabel 8.2: Verschillende gebruikersklassen voor contactoren ................................................. 76 Tabel 9.1: Vermoedelijke benodigdheden voor de PLC van elke fabrikant ............................ 83 Tabel 9.2: Benodigdheden voor Beckhoff PLC ....................................................................... 86
David Degryse
Masterproef
X
1 Inleiding 1.1 Historiek Almeco NV/SA is in 1974 opgericht door Lieven De Clercq. In de beginjaren was het een eenmansbedrijf. Het bedrijf profileerde zich in de exclusieve export van technische producten uit het voormalige Oost - Duitsland. Dit waren vooral ventilatoren, waterkoeltorens, luchtcompressoren, koelcompressoren en zijkanaalblowers. In 1986 had de firma zijn eerste volwaardige industriebouw in Roeselare. De activiteiten breidden zich ook uit tot het onderhouden van koeltorens. De eerste medewerkers werden dan in dienst genomen.
Figuur 1.1: Almeco Roeselare1
Door de val van de Berlijnse muur in 1989 verdwenen de handelsrelaties met het voormalige Oost - Duitsland. De firma was dus genoodzaakt om nieuwe leveranciers te zoeken op de Europese markt. In 1991 werd het eerste technisch geschoolde personeel aangeworven. Kort nadien begon de firma met het produceren van eigen ventilatoren. In de jaren ‘90 groeiden de activiteiten van het bedrijf sterk. Zowel het doorverkopen als het produceren van ventilatoren kenden een sterke groei. Door die continue groei van het bedrijf werd de vestiging in Roeselare al snel te klein. Eind de jaren ’90 werd er in Moeskroen een nieuwe industriezone ontwikkeld. De firma greep die kans en bouwde er een nieuwe, grotere vestiging. In 1999 werden alle activiteiten definitief verhuisd naar Moeskroen.
1
Bedrijfsvoorstelling, Intern document, Almeco NV/SA, MS PowerPoint document en MS Word document.
David Degryse
Masterproef
1
Figuur 1.2: Almeco Moeskroen
Door zich te profileren in verschillende andere producten en technologieën kende het bedrijf in de beginjaren 2000 opnieuw een sterke groei. Daarom werd de vestiging in Moeskroen in 2005 uitgebreid. Ook meer en meer buitenlandse klanten rekenen op Almeco. Om sneller hun vragen te beantwoorden en om een zo direct mogelijk contact te garanderen, werden 2 buitenlands filialen opgericht: in 2003 in Nederland en in 2006 in Frankrijk. Het bedrijf telt momenteel 27 werknemers.
1.2 PCA De firma PCA, gevestigd in Aalst, werd in 1991 opgericht. Dit bedrijf is gespecialiseerd in industriële waterbehandeling, kunststofverwerking en waterzuivering alsook procescontrole en automatisering. In 2004 werd de firma overgenomen door Almeco en is bijgevolg een zusterfirma geworden.
1.3 Almeco anno 2009 … De missie van Almeco is het behandelen en transporteren van vloeistoffen en gassen. Hiervoor wordt er een heel gamma aan producten aangeboden: • • • • • •
Industriële ventilatoren en blowers; Luchtmes droogsystemen; Koeltorens: verkoop, onderhoud, onderdelen en waterbehandeling; Adiabatische koeling; Waterbehandeling door middel van membraantechnologieën; Gaswassers.
Ook voor onderhoud en herstellingen kunnen klanten steeds bij Almeco terecht. De klanten van het bedrijf komen uit een heel brede waaier aan sectoren: • • •
Automobielindustrie; Voedings- en drankenindustrie; Chemische, petrochemische en farmaceutische industrie;
David Degryse
Masterproef
2
• • •
Staalindustrie; Glasindustrie; Kunststofindustrie.
Verder zijn machinebouwers, installateurs en studiebureaus niet onbelangrijke afnemers. De firma bezit enkele grote troeven. Zo is er een uitgebreid gamma aan standaardproducten of subassemblies waardoor korte levertermijnen gegarandeerd kunnen worden. Verder zijn er ook de op maat gemaakte uitvoeringen of systemen, specifiek volgens de eisen van de klant.
David Degryse
Masterproef
3
2 Productieproces Dit hoofdstuk omschrijft de kennismaking met het productieproces van de ventilatoren tijdens de stageperiode. Die stageperiode ging vooraf aan het academiejaar. Voornamelijk de facetten van de assemblage van de axiale ventilatoren kwamen aan bod. Ook werd duidelijk bestudeerd hoe tegenwoordig de testen na de productie gebeuren om de ventilator goed te keuren. Het allereerste dat er moet gebeuren als een klant een ventilator wenst te bestellen, is de eisen kenbaar maken. Het engineering team stelt dan een ventilator samen die zo goed mogelijk aan de eisen van de klant voldoet. Indien het ontwerp goedgekeurd wordt, worden de stukken die niet voorradig zijn besteld.
2.1 Axiale ventilatoren Het ontwerp van de ventilatorhuizen gebeurt binnen het bedrijf. De productie van die ventilatorhuizen wordt dan wel uitbesteed aan een metaalverwerkend bedrijf. De stalen ventilatorhuizen worden meestal ook nog gegalvaniseerd om ze te beschermen tegen corrosie. Van de veel voorkomende ventilatorhuizen is er wel een kleine voorraad. Zo moet de productie van de ventilator niet op zich laten wachten en kan er indien nodig een korte levertermijn gegarandeerd worden. Als er een productieorder aan een arbeider doorgegeven wordt, moet hij eerst en vooral alle benodigde onderdelen verzamelen. Vervolgens zal de arbeider de waaier assembleren. Al naar gelang de toepassing is er een specifiek schoeptype dat gekozen kan worden. Zo zijn er aluminium schoepen, schoepen uit polyamide (al dan niet glasvezel versterkt) of antistatische schoepen. Gelukkig is het niet aan de arbeider om het type en de schoepgrootte te kiezen maar is dit al voor hem gebeurd door het engineering team.
Figuur 2.1: Ventilatorschoepen
David Degryse
Masterproef
4
Dan wordt het correct aantal schoepen in de schoephouders geplaatst. Ook hier is de keuze van de schoephouder reeds op voorhand gebeurd. Het kan zijn dat er in de schoephouders meer plaatsen voorzien zijn om schoepen in de klemmen, dan dat er effectief maar schoepen zijn. In dat geval worden de lege plaatsen opgevuld met afsluitdopjes. Tijdens het plaatsen van de schoepen in de schoephouders wordt er aandacht besteed aan hun positie. De luchtrichting bij een opgegeven draaizin moet immers gerespecteerd worden. Tijdens het aanspannen van de schoephouders is de schoephoek een heel belangrijke parameter waarmee de arbeider rekening moet houden. De schoephoek is de stand van de schoepen ten opzichte van een vlak loodrecht op de as. Die schoephoek wordt ingesteld met behulp van markeringen op de schoephouders en de schoepen. Op sommige schoepen zijn echter geen markeringen aanwezig. Dan stellen arbeiders de schoephoek in met behulp van een simpele hoekmeter.
Figuur 2.2: Instellen van de schoephoek
Eenmaal de schoephoek correct is ingesteld, kunnen de boutverbindingen van de schoephouders aangespannen worden. Er wordt er steeds op gelet dat dit met het correcte aanspanmoment gebeurt.
Figuur 2.3: Vastschroeven van de schoephouders
David Degryse
Masterproef
5
Eenmaal de schoepen vastzitten in de schoephouders, rest er nog één bewerking alvorens de waaier afgewerkt is. De waaier moet nog op de correcte diameter gezaagd worden. Om dit te doen meet de arbeider eerst op verschillende punten de binnendiameter van het ventilatorhuis. Door de productie en het galvaniseren van het ventilatorhuis is het goed mogelijk dat deze niet meer cilindrisch is. De kleinste opgemeten diameter wordt in rekening gebracht. Vervolgens wordt deze waarde meestal nog met 0,5% van de diameter verminderd om de correcte waaierdiameter te bekomen. Deze correctie is nodig omdat de waaier zeker niet zou haperen aan het ventilatorhuis. Er wordt echter ook rekening gehouden met eventuele thermische uitzettingen en rek van de schoepen ten gevolge van de centrifugaalkracht. Laat het duidelijk zijn dat tijdens het ontwerp van de ventilator er rekening gehouden wordt met de kleinere waaierdiameter. Er wordt dus altijd wat marge genomen. Eenmaal die waaier geassembleerd is, moet die nog gebalanceerd worden. Door onvolmaaktheden van de onderdelen kan het immers zijn dat er een onbalans zou optreden. Niet alle waaiers worden gebalanceerd. Het hangt af van de diameter en het nominaal toerental. De reden dat sommige waaiers niet uitgebalanceerd worden, zit hem in het feit dat de onvolmaaktheden in dergelijke waaiers in hun toepassing nooit trillingen veroorzaken die klasse G6,3 van de balanceernorm ISO 1940 overschrijden. Aangezien de breedte van de waaier heel klein is ten opzichte van de diameter van de waaier, betreft het hier een 1-vlaks balancering. De motor met te balanceren waaier staat flexibel opgesteld ten opzichte van de werktafel. De trillingen ten gevolge van een onbalans worden dan opgemeten op de motorvoet. De balanceerunit van de firma kan niet beschouwd worden als een balanceermachine. Met een meettoestel worden de trillingen en de rotorsnelheid van de motor opgenomen. Dit is de methode die op reeds geïnstalleerde machines ook kan worden toegepast. Zoals reeds vermeld heeft het meettoestel voldoende aan één trillingswaarde en een optische sensor die een puls genereert wanneer de rotor 1 volledige toer gedraaid is. Eerst en vooral wordt het trillingsniveau gemeten van de afgewerkte waaier. In een tweede fase wordt er een testmassa aangebracht op de waaier. De gebruiker moet invoeren in het meettoestel wat de massa is, alsook de positie ten opzichte van de referentie en de afstand tot de as. Vervolgens wordt een nieuwe trillingswaarde opgemeten. Afhankelijk van de twee trillingsmetingen en de ingevoerde gegevens betreffende de testmassa, kan het meettoestel nu vectoriëel berekenen hoeveel en op welke plaats er een correctiemassa aangebracht moet worden. Uiteraard wordt er ook rekening gehouden met het al dan niet wegnemen van de testmassa. Na het aanbrengen van die correctiemassa wordt er nogmaals een trillingsmeting uitgevoerd. Indien dit trillingsniveau aanvaardbaar is, met andere woorden, voldoet aan de klasse G6,3 van de balanceernorm ISO 1940, wordt de waaier als afgewerkt beschouwd. Indien dit niet het geval is, worden alle voorgaande stappen opnieuw uitgevoerd.
David Degryse
Masterproef
6
Figuur 2.4: Opstelling van de balanceerunit
Voor het aanbrengen van massa’s aan de waaier wordt er dankbaar gebruik gemaakt van de boutverbindingen die de schoephouders samenhouden. De bouten die daarvoor gebruikt zijn, zijn zijn immers steeds ietwat te lang gekozen zodat er wat ruimte is om extra sluitringen of moeren aan te brengen indien nodig. Het volgende dat moet gebeuren is de waaier vastzetten op de motor en het geheel in het ventilatorhuis monteren. De verbinding tussen de waaier en motor gebeurt meestal met behulp van een eenvoudige as – naaf verbinding. De motor wordt vervolgens gewoon op de motorstoel in het ventilatorhuis vastgeschroefd. Omdat ook daar onnauwkeurigheden kunnen optreden, wordt de motor met waaier gecentraliseerd gecentraliseerd met behulp van kleine afstandsplaatjes tussen de motor en de motorstoel. De positionering van de motor met waaier in het midden van het ventilatorhuis berust op de ervaring van de arbeider.
Figuur 2.5: Montage van de ventilatorwaaier
Als alles vast gemonteerd is, kan de ventilator voor de eerste keer draaien. Tijdens deze testen wordt voor axiale ventilatoren enkel de motorstroom opgemeten. Indien die opgemeten David Degryse
Masterproef
7
stroom teveel afwijkt van de te verwachten waarde betekent dit dat er iets verkeerd is. Ook is het de taak van de arbeider om tijdens de testen te controleren als de ventilator naar behoren werkt. Zo moet de luchtrichting en draaizin correct zijn en mogen er zich geen abnormale geluiden of trillingen voordoen. In de laatste fase worden de accessoires gemonteerd. Het kan gaan om de bekabeling met eventueel de klemmenkast, beschermingsroosters, steunvoeten, trillingsdempers, … . Als alles gecontroleerd is en de metingen zijn uitgevoerd, is de ventilator klaar voor de uitgangscontrole en kan ze nadien verzonden worden naar de klant. De uitgangscontrole is puur een visuele controle als de afgewerkte ventilator wel degelijk het product is dat de klant besteld had. Zo worden serienummers gecontroleerd, maar ook de aanwezigheid van noodzakelijke accessoires en eventueel wordt er een snelle controle van de gemonteerde schoepen uitgevoerd.
2.2 Centrifugale ventilatoren Wanneer er een centrifugale ventilator besteld wordt door een klant, is opnieuw het eerste dat hij moet doen zijn eisen kenbaar maken. Meestal is het ook zo dat de klant zelf de beslissing neemt tussen een axiale en een centrifugale ventilator. Als alle eisen gekend zijn, kan het engineering team van de firma opnieuw aan de slag. Het productieproces van de centrifugale ventilatoren is heel wat minder uitgebreid dan dat van de axiale ventilatoren. De firma koopt de geschikte ventilator aan bij één van hun leveranciers. Een waaier van een centrifugale ventilator heeft immers altijd een bijbehorende behuizing. In de werkplaats van de firma hoeft enkel nog de geschikte motor op de waaier gemonteerd te worden. Alles moet opnieuw geassembleerd worden en de ventilator is in principe klaar voor het proefdraaien.
Figuur 2.6: Assemblage van een centrifugale ventilator
Bij het testen van centrifugale ventilatoren zou het ideaal zijn om de toestand te kunnen nabootsen waarin de klant de ventilator zal gebruiken. Met andere woorden: het zou ideaal zijn om de ventilator te testen op zijn werkingspunt. Dit werkingspunt is het snijpunt van de ventilatorkarakteristiek met de leidingkarakteristiek.
David Degryse
Masterproef
8
Aangezien het praktisch niet haalbaar is om voor iedere ventilator de het werkingsgebied te simuleren, worden er slechts 2 punten opgemeten van de ventilatorkarakteristiek. Namelijk het punt bij een nuldebiet en het punt bij een maximaal debiet. In deze twee situaties worden er nu stroommetingen uitgevoerd. Bij de meting met een nuldebiet wordt ook een drukmeting uitgevoerd teneinde de positie op de ventilatorkarakteristiek te kunnen controleren. Ook hier is het aandeel van de arbeider niet onbelangrijk. Het is immers ook zijn taak om onregelmatigheden vast te stellen. Dergelijke onregelmatigheden kunnen beschadigingen zijn, maar ook ongewoon geluid of trillingen wat wijst op andere problemen.
David Degryse
Masterproef
9
3 Doel van de masterproef Iedere ventilator die in de firma Almeco geproduceerd wordt, wordt proefgedraaid en getest. Er verlaat geen enkele ventilator de firma alvorens die goed bevonden is. Tegenwoordig wordt er tijdens het proefdraaien bij gewone ventilatoren enkel de onttrokken elektrische stroom opgemeten. Het is de taak van de arbeider om vast te stellen of die ventilator normaal werkt. Hetzelfde geldt voor de centrifugale ventilatoren. Daar worden de metingen wel twee keer uitgevoerd. Éénmaal met een gesloten en éénmaal met een open uitlaat. Bij de test met de gesloten uitlaat wordt er tevens nog een statische druk gemeten. Volgens de huidige manier van testen zijn er nog heel wat problemen en ongemakken. Een eerste groot probleem is de veiligheid. Axiale ventilatoren staan gewoon op de werktafel en worden meestal met een spantang of een boutverbinding bevestigd aan het frame van de werktafel. Aangezien de axiale ventilatoren meestal een rechtstreekse opstart kennen, brengt dit dan wegens de opstelling een relatief grote schok met zich mee. Andere gevaren zijn de loshangende kabels, de papieren en gereedschappen die in de buurt rondslingeren. De arbeider kan in de meeste gevallen wel zelf het gevaar inschatten, maar een collega arbeider die enkele meters verder werkt is zich niet bewust van de risico’s die naast hem optreden. Dergelijke risico’s zijn bij centrifugale ventilatoren heel wat kleiner. Centrifugale ventilatoren staan meestal op een stevige voet of blijven vaststaan op de pallet waarop ze toekomen. Ook zit de waaier van dergelijke ventilatoren volledig in het huis, wat de gevaren verkleint. Een ander probleem is de wanorde en chaos die kunnen optreden in de werkplaats. Hiermee wordt specifiek verwezen naar de kabels, de meetinstrumenten en de sturingen. Als een ventilator getest moet worden, moet de voeding gekozen worden, het meetinstrument geschakeld worden en vervolgens aan de ventilator gekoppeld worden. Het ongebruikte materieel of kabels blijven in de buurt rondslingeren en het is soms zoeken naar de juiste sturing of passende kabels. Met al die wanorde is het niet ondenkbaar dat er ingeschakeld wordt en dat de verkeerde ventilator start, wat uiteraard een zeer onveilige situatie is. Verder zijn er nog problemen rond de gebruikte kabels en aansluitklemmen. Het klinkt nogal logisch dat het niet praktisch is om in de klemmenkast van een kleine motor dikke draden aan te sluiten. Ook weet een arbeider nooit op voorhand als de motor bekabeld is en er wordt gestart, hoe de ventilator zal draaien. Het is voor hem altijd een beetje gokken. Er is geen uniformiteit aanwezig. Overigens zijn er nog problemen met de sturingen. Aangezien iedere keer verschillende motoren aangedreven worden met die sturingen, wordt er geen moeite gedaan om deze correct in te stellen. Dit is ook niet nodig als de motor maar een korte tijd draait. In de praktijk wordt dan ervaren dat de afgelezen stroomwaarde op de sturing niet correct is. Momenteel zal iedere arbeider afzonderlijk zijn eigen geproduceerde ventilator testen. Het kan dus zijn dat eenzelfde meetresultaat door twee verschillende personen anders beoordeeld zal worden. Door de implementatie van een testruimte moeten ook deze fouten weggewerkt worden. Door alle testen te laten gebeuren in één specifieke, al dan niet afgeschermde zone, wordt in eerste instantie het veiligheidsprobleem grotendeels opgelost. Het is niet de omgeving die
David Degryse
Masterproef
10
moet afgeschermd worden van de ventilator, maar de ventilator die moet ‘beveiligd’ worden tegen de omgeving. Ook zullen personen of zaken die niet nodig zijn voor het correct uitvoeren van de testen niet in de nabije omgeving hoeven te komen. Om het probleem op te lossen van de keuze van de geschikte voeding en de correcte instellingen van de meetapparatuur, kan er gekozen worden om alles te integreren in één vaste opstelling. Door de testen te centraliseren, is er ook geen nood meer om de toestellen op andere locaties te gebruiken. De testruimte moet ook voorzien zijn van de nodige flexibiliteit. Zo moeten in principe alle mogelijke ventilatoren te testen zijn. Dit wil zeggen dat zowel motoren van 120 W als van 55 kW moeten geschakeld worden. Enkelfasige motoren komen soms ook voor. Dit betekent dat alle voorzieningen moeten getroffen worden naar zowel meetmogelijkheden, schakelmogelijkheden en bekabelingmogelijkheden. Er zal ook onderzocht worden als er eventuele bijkomende grootheden kunnen opgemeten worden om de kwaliteit van het geproduceerde product te controleren. Er zullen eventueel standaarden opgesteld worden om meetwaarden mee te vergelijken. Zo zou er iets kunnen gezegd worden over de kwaliteit van die ene ventilator ten opzichte van een zekere intern bepaalde referentie. Door het gebruik van vermoedelijk één meettoestel kan ook op voorhand gezegd worden wat de maximale fout is op een meetwaarde. Dit is momenteel niet het geval. Verschillende manieren worden gebruikt om de stroom te meten, en het is zeker niet gekend hoe groot de fout is op de gemeten waarde. Aangezien er moet voorzien worden dat er mogelijks geen gebruik gemaakt kan worden van een loopkat, en aangezien het feit dat vele ventilatoren te groot zijn om zelfstandig op te heffen en te verplaatsen, zal er moeten gezocht worden naar andere oplossingen om de ventilatoren te verplaatsen. Een voorstel dat reeds vanuit de firma kwam is om te werken met verplaatsbare draagstructuren. Deze draagstructuren moeten eenvoudig te verplaatsen zijn met een palletkar of een heftruck. Eén of meerdere ventilatorhuizen kunnen zo in het magazijn op dergelijke structuren gemonteerd worden. Vervolgens kunnen ze verplaatst worden naar de arbeidsplaats waar de effectieve productie plaatsvindt. Achteraf kunnen ze dan gemakkelijk getransporteerd worden naar de testzone en dan terug naar het magazijn waar ze eraf kunnen gehaald worden om dan te verpakken en te verzenden naar de klant.
David Degryse
Masterproef
11
4 Ventilatoren 4.1 Inleiding Algemeen kan gesteld worden dat ventilatoren gebruikt worden voor het transport of onder druk brengen van gassen. Het is de taak van de ventilator om energie toe te voegen aan een gas zodanig dat er een drukverschil en bijgevolg een gasstroming gecreëerd wordt. De energie die daarvoor nodig is, wordt in bijna alle gevallen geleverd door een elektromotor. Een directe aandrijving van een ventilator met een verbrandingsmotor, een turbine of dergelijke is ook mogelijk. Ventilatoren of compressoren? Beiden kunnen gebruikt worden voor het transport en onder druk brengen van gassen. Het verschil tussen beiden zit hem in het feit dat ventilatoren ingezet worden daar waar een groter debiet en een kleinere druk geëist wordt. Compressoren daarentegen zijn ontworpen met het doel om druk te creëren en in mindere mate om aan een grote debietvraag te voldoen. Ventilatoren zullen in tegenstelling tot waaiercompressoren ook altijd enkeltraps worden uitgevoerd. Om inzicht te krijgen en om te kunnen rekenen en werken met ventilatoren is het nodig om toch een zekere basiskennis te hebben. De kennis wordt hier beperkt tot het meest noodzakelijke om goed te kunnen functioneren binnen de firma Almeco.
4.2 Algemeenheden 4.2.1 Gaswet Er zal ten allen tijde gewerkt worden met gassen. Het is dan niet onlogisch dat de algemene gaswet de basisuitdrukking is van alles. Hierbij is:
(4.1)
p: de druk [N/m²] of [Pa]; V: het volume [m³]; n: de hoeveelheid gas [mol]; R: de gasconstante [8,314 ]; T: de absolute temperatuur [K].
Om een ventilator te kunnen dimensioneren moeten eerst en vooral de condities van het te transporteren gas gekend zijn. Is het gewone lucht of betreft het een ander gas? Wat is de temperatuur en de dichtheid van het gas? Is het droge of vochtige lucht? Heel wat vragen die kunnen gesteld worden met als doel zo exact mogelijk de dichtheid van het gas te kennen.
David Degryse
Masterproef
12
4.2.2 Druk De basisdefinitie van druk is kracht per oppervlakte-eenheid. Eén Pascal komt overeen met een kracht van één Newton uitgeoefend op een oppervlakte van één vierkante meter. Bij een ventilator zijn er echter twee vormen van druk waar te nemen: statische en dynamische druk. De statische druk is een druk die zich voordoet op ieder gasdeeltje en de omgeving. Het bezit een zekere potentiële energie-inhoud. De dynamische druk daarentegen is kinetische energie. Dit is de druk veroorzaakt door de snelheid van een bewegende gasmassa en kan berekend worden aan de hand van volgende formule:
Hierbij is:
(4.2)
: de dynamische druk [Pa]; ρ: de soortelijke massa van het gas [kg/m³]; v: de snelheid van de gasstroming [m/s].
Om de totaaldruk te kennen die geleverd wordt door de ventilator volstaat het om de som te nemen van de statische en de dynamische druk.
Hierbij is:
(4.3)
: de totaaldruk [Pa]; : de dynamische druk [Pa]; : de statische druk [Pa].
Het verband tussen statische druk, dynamische druk, totale druk en debiet wordt weergegeven in Figuur 4.1.
Figuur 4.1: Verloop van totale en statische druk in functie van het debiet2
Een ventilator die vrij kan uitblazen en dus geen weerstand ondervindt, levert alleen dynamische druk. In dergelijke situatie levert hij ook zijn maximale debiet. Een goed voorbeeld hiervan zijn wandventilatoren. De statische druk die een ventilator opbouwt, is nodig om de wrijving te overwinnen.
2
Almeco NV/SA, ‘intern opleidingsdocument’, Basisbegrippen bij ventilatoren, 10 pagina’s.
David Degryse
Masterproef
13
4.2.3 Vermogen Belangrijk naar de praktijk toe is het opgenomen asvermogen van een waaier.
Hierbij is:
(4.4)
η
: het opgenomen asvermogen [W]; Q: het debiet [m³/s]; : de totale druk [Pa]; η: het rendement.
Het rendement van een ventilator is sterk afhankelijk van het type en de bouw ervan. Tabel 4.1 geeft enkele richtwaarden. Tabel 4.1: Rendementen bij verschillende types ventilatoren
Axiale ventilator Standaard centrifugale ventilator Centrifugale ventilator voor vezeltransport
60% 80% 50%
4.2.4 Ventilatorwetten Verder zijn er nog enkele ventilatorwetten die handig kunnen zijn in de praktijk. Een eerste reeks wetten geeft de invloed van het toerental weer op het debiet, de druk en het vermogen.
!
!
"
!
Hierbij is:
(4.5) (4.6) (4.7)
, : het debiet voor en na de toerentalwijziging [m³/s]; , : de druk voor en na de toerentalwijziging[Pa]; , : het asvermogen voor en na de toerentalwijziging [W]; , : de twee verschillende toerentallen [tr/min].
Vooral de toepassing van de laatste vergelijking komt in de praktijk veel voor. Beschouw even een ventilator aangedreven door een Dahlandermotor. Dergelijke motor heeft de mogelijkheid op om twee snelheden te werken: bijvoorbeeld 1500 tr/min en 3000 tr/min. Dan zal die ventilator op de hoogste snelheid maar liefst acht keer zoveel vermogen onttrekken als bij de laagste snelheid ! Verder zijn er nog ventilatorwetten die de invloed van een diameterwijziging weergeven op het debiet, druk en vermogen. Deze vinden in de praktijk echter geen toepassing. Ter volledigheid worden ze hier toch even aangehaald. $
$ !
David Degryse
Masterproef
"
(4.8)
14
$
!
$ $ %
! $
Hierbij is:
(4.9) (4.10)
, : het debiet voor en na de toerentalwijziging [m³/s]; , : de druk voor en na de toerentalwijziging[Pa]; , : het asvermogen voor en na de toerentalwijziging [W]; & , & : de twee verschillende diameters '().
4.3 Centrifugale ventilatoren De waaier van een centrifugale ventilator bestaat uit één vast schoepenwiel. Door dit wiel te roteren ondervinden de gasdeeltjes een middelpuntsvliedende kracht waardoor ze versneld worden en onder druk komen te staan. De gasstroming in de waaier kan wat meer gedetailleerd bekeken worden. Via de aanzuiging komt het gas axiaal de waaier binnen, buigt dan om en stroomt vervolgens tussen de schoepen door terug naar buiten. In eerste instantie zal het gas in radiale richting en met een absolute snelheid * tussen de schoepen stromen. (Figuur 4.2) Op deze plaats heeft de waaier ten opzichte van een gasdeeltje een omtreksnelheid + . Anders gezegd: het gas heeft ten opzichte van de waaier een snelheid + ′. De resulterende snelheid , van een gasdeeltje is de vectoriële som van + ′ en * . De snelheid , is dus de relatieve snelheid van een gasdeeltje ten opzichte van de waaier en wordt ook wel intredesnelheid genoemd. Voor een botsingsvrije intrede moet , raken aan een schoep. De stromingsverliezen zijn dan het kleinst en het rendement het hoogst.
David Degryse
Masterproef
15
Figuur 4.2: Opstellen van snelheidsdriehoeken bij centrifugale ventilatoren3
Na de intrede stroomt het gasdeeltje tussen de schoepen door naar de buitenomtrek van de waaier. De richting van , is daarbij gelijk aan de richting van de raaklijn aan de schoep. Aan de omtrek heeft de waaier een absolute snelheid + . Door de vectoriële som te nemen van , en + wordt de absolute snelheid * van een gasdeeltje gevonden. Deze absolute snelheid kan ontbonden worden in een radiale *- en een tangentiële component *. . De radiale component is verantwoordelijk voor het debiet en de tangentiële component zorgt voor de druk. Het debiet bij dergelijke ventilator wordt dan geschreven als: *- / Hierbij is:
(4.11)
Q: het debiet [m³/s]; *- : de radiale component van de uittredesnelheid van een gasdeeltje [m/s]; A: het buitenoppervlak van de waaier [m²].
Wat de praktische uitvoeringen betreft van de waaiers kunnen ze onderverdeeld worden in drie categorieën. •
Een eerste categorie is die van de achterwaarts gebogen schoepen 01 2 90°5. Het schoepaantal bij dergelijke waaiers is meestal beperkt (6-20). Ventilatoren uitgerust
3
OUWEHAND, J., PAPA, T.J.G., POST, E., TAAL, A.C., Toegepaste energietechniek deel 1, 3e herziene uitgave, Academic Service, Den Haag, 2005, 552 pagina’s.
David Degryse
Masterproef
16
met dergelijke waaiers hebben een hoog rendement, zijn stevig en kunnen dus snel draaien. Ze zijn wel enkel geschikt voor zuivere gassen of gassen die licht bevuild zijn. •
•
Een tweede groep van waaiers is die van de radiale schoepen 01 90°5. Ook hier wordt het aantal schoepen beperkt (6-20). Het rendement van deze waaiers is een stuk lager dan die met de achterwaarts gebogen schoepen. Ook zijn dit stevige waaiers en kunnen grote snelheden aan. Ze worden gebruikt voor sterk vervuilde lucht of voor het transporteren van vezels. Een laatste groep van waaiers is die met de voorwaarts gebogen schoepen 01 6 90°5. Hier zijn er meestal wel veel meer schoepen aanwezig (±50), maar ze zijn ook veel kleiner. Ze zijn ook niet al te stevig, wat maakt dat ze geen grote snelheden en dus drukken aankunnen. Het rendement is slechter dan in voorgaande gevallen. Vaak worden ventilatoren met een dergelijke waaier aanzien als een low budget oplossing.
Figuur 4.3: Mogelijke schoepstanden voor waaiers van centrifugale ventilatoren4
Elk type waaier zal resulteren in een andere ventilator karakteristiek. In Figuur 4.4 valt het op dat vooral de ventilatoren met voorwaarts gebogen schoepen een risico vormen om te werken in het stallgebied. Tevens is er op die grafieken een tweede ordinaat aanwezig waar het opgenomen vermogen wordt uitgezet.
4
Voorstelling industriële ventilatoren FEVI, Almeco NV/SA, MS PowerPoint document.
David Degryse
Masterproef
17
Stall
Figuur 4.4: Ventilatorkarakteristieken van centrifugale ventilatoren5
Centrifugale ventilatoren worden ingezet in situaties waar niet zozeer het grote gasdebiet van belang is maar eerder de opgebouwde druk. De verhouding debiet-druk is niet zo groot als bij axiale ventilatoren, al zijn ze natuurlijk niet te vergelijken met compressoren. Almeco biedt de klant een heel brede waaier aan centrifugale ventilatoren. Vooral wat de bouwvormen betreft zijn de mogelijkheden heel uitgebreid.
5
Almeco NV/SA, ‘intern opleidingsdocument’, Basisbegrippen bij ventilatoren, 10 pagina’s.
David Degryse
Masterproef
18
Figuur 4.5: Toepassingsgebied van centrifugale ventilatoren6
4.4 Axiale ventilatoren De waaiers van axiale ventilatoren hebben steeds een aantal schoepen die vast verdeeld staan over de omtrek van de as. Om effectief druk te kunnen opbouwen en een zo een stroming te creëren in het gas, moeten de schoepen onder een zekere hoek staan met het rotatievlak. De schoepen bezitten om aerodynamische redenen het typische draagvleugel profiel. De zijde van de schoep die effectief eerst in de lucht snijdt, wordt de leading edge genoemd en de zijde waarlangs de lucht de schoep verlaat wordt de trailing edge genoemd.
Figuur 4.6: Kenmerken van een axiale ventilatorschoep7
De schoephoek is een belangrijke parameter als het aankomt op de specificaties van de ventilator. Zo zal een grotere schoephoek logischerwijze een groter debiet teweeg brengen en een groter vermogen eisen van de aandrijving. Een grotere schoephoek zal echter nagenoeg geen invloed hebben op de druk geleverd door de ventilator. Om meer druk te bekomen met een axiale ventilator moeten er meer of bredere schoepen voorzien worden. Op de ventilatorkarakteristiek kan duidelijk het effect van een wijziging van de schoepgrootte waargenomen worden. De ventilatorkarakteristiek toont de geleverde druk in functie van het geleverde debiet van de ventilator. 6 7
Voorstelling industriële ventilatoren FEVI, Almeco NV/SA, MS PowerPoint document. Gebruiksaanwijzing voor rechtstreeks gedreven axiale ventilatoren, Almeco NV/SA, MS Word document.
David Degryse
Masterproef
19
Figuur 4.7: Invloed van de schoephoek op de ventilatorkarakteristiek8
Merk op dat er sommige configuraties van axiale ventilatoren zijn waarbij er onstabiele werkingspunten op kunnen treden. Deze moeten uiteraard vermeden worden. Als een axiale ventilator werkt met een hogere druk waarop hij berekend is, dan kan het zogenaamde “stall”-effect optreden. In dit onstabiele werkingsgebied kunnen er trillingen ter hoogte van de schoepen voorkomen en kan het toerental gaan fluctueren. Dit kan nefast zijn voor de motor wegens de te hoge motorstroom. In Figuur 4.8 wordt in situatie 1 het onstabiele werkingspunt weergegeven. De punten twee en drie stellen normale regimes van de ventilator voor. Het rendement van de ventilator is ook sterk afhankelijk van het debiet. Dit rendement is maximaal wanneer de luchtstroom mooi langs de schoepen glijdt en er dus een minimum aan botsingen is met de waaier.
Figuur 4.8: Luchtstromingen bij verschillende werkingspunten9
Een andere parameter die belangrijk is bij axiale ventilatoren is de luchtrichting. Deze is rechtstreeks afhankelijk van de draaizin. Indien de draaizin van de aandrijving en dus de
8 9
Almeco NV/SA, ‘intern opleidingsdocument’, Basisbegrippen bij ventilatoren, 10 pagina’s. Gebruiksaanwijzing voor rechtstreeks gedreven axiale ventilatoren, Almeco NV/SA, MS Word document.
David Degryse
Masterproef
20
luchtrichting verkeerd is, heeft dit geen nadelige gevolgen voor de ventilator. Wel zal hij niet meer aan de vooropgestelde eisen voldoen en zal het resulteren in een slechter rendement. Axiale ventilatoren worden ingezet in situaties waar er een groot debiet verwacht wordt tegenover een relatief kleine druk. De debiet- drukverhouding is bijgevolg heel groot.
Figuur 4.9: Toepassingsgebied van axiale ventilatoren10
De meeste axiale ventilatoren ontwerpt en produceert Almeco zelf onder het geregistreerde AAA-TripleA® label. Verschillende uitvoeringsvormen zijn mogelijk: Tabel 4.2: Verschillende soorten axiale ventilatoren11
Korte buisventilator (ADK)
10 11
Lange buisventilator (ADL)
Riemgedreven axiale ventilator (ADR)
Axiale ventilator met geïntegreerde aanzuigconus (AVK)
Almeco NV/SA, brochure, Axiale ventilatoren, 4 pagina’s. Almeco NV/SA, brochure, Axiale ventilatoren, 4 pagina’s.
David Degryse
Masterproef
21
4.5 ATEX ventilatoren Een speciale uitvoering van de centrifugale en axiale ventilatoren zijn de ventilatoren voor de explosiegevaarlijke omgevingen, ofwel ATEX ventilatoren genoemd. De geproduceerde ventilatoren voldoen aan de economische richtlijn 94/9/EG. Om de overeenstemming met de voorwaarden van de richtlijn aan te tonen, wordt er gebruik gemaakt van de Europese norm EN 14986. De ene explosiegevaarlijke omgeving is de andere niet. Daarom zijn er zones gedefinieerd die de graad van het gevaar aangeven. Tabel 4.3: Verschillende gevarenzones
Zone 0 Zone 1 Zone 2 Zone 20
Een plaats waar
Een explosieve atmosfeer, bestaande uit een mengsel van brandbare stoffen in de vorm van gas, damp, of nevel met de lucht
Een explosieve atmosfeer bestaande uit een wolk brandbare stof in de lucht.
Zone 21 Zone 22
Voortdurend, gedurende lange perioden of herhaaldelijk aanwezig is. Onder normaal bedrijf waarschijnlijk af en toe aanwezig kan zijn. Onder normaal bedrijf niet waarschijnlijk is en waar, wanneer dit toch gebeurt, dit verschijnsel van korte duur is. Voortdurend, gedurende lange perioden of herhaaldelijk aanwezig is. Onder normaal bedrijf waarschijnlijk af en toe aanwezig kan zijn. Onder normaal bedrijf niet waarschijnlijk is en waar, wanneer dit toch gebeurt, dit verschijnsel van korte duur is.
De richtlijn 94/9/EG verdeelt ook apparaten voor explosiegevaarlijke omgevingen in groepen en categorieën. •
Groep 1: Alle apparaten die bedoeld zijn voor ondergrondse werkzaamheden in mijnen en bovengrondse installaties ervan waar ten gevolge van mijngas en/of brandbaar stof gevaar kan optreden. In groep 1 bevinden zich nog twee categorieën. Deze worden niet verder behandeld. Almeco produceert en verkoopt geen ventilatoren voor deze groep.
•
Groep 2: Deze groep is bedoeld voor apparaten in omgevingen waar explosiegevaar kan aanwezig zijn of ontstaan, andere dan mijninstallaties. •
Categorie1: De blootstelling van de ventilator aan een omgeving die door de aanwezigheid van lucht met gas, damp, nevel of stof – luchtmengsels, voortdurend, langdurig of dikwijls explosief is.
•
Categorie2: De blootstelling van een ventilator aan omgeving die door de aanwezigheid van lucht met gas, damp, nevel of stof – luchtmengsels, waarschijnlijk explosief kan worden. De ventilatoren voor deze categorie hebben een hoog beschermingsniveau. Zelfs bij frequente storingen of gebreken in de werking moet het vereiste veiligheidsniveau gewaarborgd worden. Ventilatoren
David Degryse
Masterproef
22
geproduceerd voor deze categorie kunnen in de zone 1, 2, 21 en 22 geplaatst worden. •
Categorie 3: De ventilator is bestemd voor een omgeving waar het weinig waarschijnlijk is dat er door de aanwezigheid van lucht met gas, damp, nevel of stof – luchtmengsels ontploffingsgevaar heerst en dat dergelijk gevaar zich naar alle waarschijnlijkheid zelden voorkomt en kort duurt. De ventilatoren voor deze categorie hebben een normaal beschermingsniveau en zijn geschikt voor de zones 2 en 22.
Een belangrijke component die ervoor zorgt dat de ventilator voldoet om in explosiegevaarlijke omgevingen te werken is de motor. Er zijn verschillende soorten motoren die daarvoor kunnen gebruikt worden. •
Drukvaste motoren EExd: De motor is fysisch in staat om een interne explosie te weerstaan zonder die over te dragen aan de omgeving. Er bestaan verschillende types EExd motoren afhankelijk van de groep en de categorie.
•
Verhoogde veiligheidsmotoren EExe: De verhoogde veiligheid bestaat uit beschermingen tegen te hoge temperaturen, vonken en bogen. Deze gelden voor zowel de buiten als de binnenkant van de motor. Ook is er een speciale beveiliging nodig die een zekere uitschakeltijd respecteert.
•
Niet vonkende motoren EExnA: Deze motoren zijn zo ontworpen dat er geen vonken voorkomen in normale omstandigheden en binnen de specificaties van de fabrikant.
•
Dust ignition proof motoren (DIP): Dergelijke motoren zijn zo gemaakt dat geen enkele explosiegevaarlijke atmosfeer de motor kan binnendringen. Dit wordt verhinderd door de hoge beschermingsgraad (IP 55 of 65). Er mogen geen vonken voorkomen buiten het motorhulsel en de maximale oppervlaktetemperatuur buiten de motor mag de temperatuur waarvoor de motor gecertificeerd is niet overschrijden.
Bij foute of slechte werking kan een mogelijke wrijving verwacht worden tussen twee bewegende delen. De mogelijke contactvlakken tussen statische en draaiende delen moeten vervaardigd worden uit materialen waarbij het risico op ontsteking door wrijving of impact of hete plekken wordt geminimaliseerd. De schoepen van de waaiers voor ATEX ventilatoren zijn vervaardigd uit aluminium of glasvezelversterkte elektrisch geleidende polyamide. Wanneer er aluminium schoepen gebruikt worden moet het ventilatorhuis inwendig van een zeewaardig messing ring voorzien worden. Indien het kunststoffen schoepen zijn, staan alle mogelijkheden open: messing ring, staal, gietijzer of roestvast staal. Figuur 4.10 illustreert de opbouw van een axiale ATEX ventilator met zijn bijbehorende componenten.
David Degryse
Masterproef
23
Figuur 4.10: Opbouw van een ATEX axiale ventilator12
12
ATEX ventilatoren, Intern opleidingsdocument, Almeco NV/SA, pdf document.
David Degryse
Masterproef
24
5 Testframe 5.1 Inleiding Dit hoofdstuk beschrijft de opbouw van het testframe. De opdracht voor het ontwerp van een testframe werd meegedeeld direct in het begin van het academiejaar. Om een zeker veiligheidsprobleem op te lossen was het hoogdringend dat er een dergelijke constructie ontworpen werd. Deze constructie kan mogelijks het basisconcept vormen voor het monteren en transporteren van alle ventilatoren binnen de firma.
5.2 Problematiek Momenteel worden alle benodigde ventilatoronderdelen naar de plaats van de assemblage gebracht. Eenmaal de montage voltooid is, worden ze op een geïmproviseerde wijze vastgezet aan hun omgeving. Eenmaal alles voltooid is, kunnen ze getest worden waarna ze dan afgevoerd worden voor de uitgangscontrole. Als er in de toekomst gewerkt zou worden met een testruimte om de ventilator te testen, is het bijkomende probleem dat de afgewerkte ventilatoren moeten vervoerd worden van de montageplaats naar die testruimte. Een eerste mogelijkheid om die ventilatoren te verplaatsen is door gebruik te maken van een loopkat. Aangezien er slechts in een klein deel van de werkplaats een loopkat aanwezig is en aangezien er nog niet geweten is waar die testruimte zich exact zal bevinden, wordt deze oplossing buiten beschouwing gelaten. Een andere oplossing die onder meer door de firma naar voor is geschoven, is gebruik maken van draagstructuren. Op die draagstructuren zouden één of meerdere ventilatoren gemonteerd kunnen worden. Het is belangrijk dat deze structuren dan eenvoudig vervoerd kunnen worden met een palletkar of een heftruck. De ventilatorhuizen zouden in het magazijn op de structuren bevestigd moeten worden. Vervolgens kan de montage en de testen geschieden. Nadien kan de gemonteerde ventilator dan van de draagconstructie verwijderd worden in het magazijn waar ze dan klaar zijn voor de uitgangscontrole. Eerst en vooral is er aangedrongen om dergelijke draagconstructies te maken voor de korte buisventilatoren met een binnendiameter van 1350, 1250 en 1120 mm. Dit zijn ventilatoren die geregeld geproduceerd moeten worden. Omwille van de beperkte bevestigingsmogelijkheden worden deze in het magazijn geproduceerd. Omdat dergelijke ventilatoren een groot vermogen bezitten en omwille van ook daar de geïmproviseerde bevestigingsmethoden om die ventilator te testen, is dit alles behalve een veilige situatie. Na beraad zijn de volgende eisen gesteld aan de draagconstructie: •
Ze moet flexibel zijn: 3 verschillende ventilatordiameters met verschillende buislengtes moeten erop gemonteerd kunnen worden;
David Degryse
Masterproef
25
• • •
Ze moet eenvoudig en veilig opgetild kunnen worden met een palletkar of een heftruck; De constructie moet stijf en zwaar zijn. Dit omwille van het feit dat ze ook zware ventilatoren moeten dragen; Verder zijn er nog de twee traditionele eisen die regelmatig voorkomen: een goedkoop eindresultaat en een eenvoudige productie;
5.3 Eerste ontwerp Het is snel duidelijk dat de draagconstructie moet bestaan uit twee delen: een grondkader dat alles zal dragen en bepalend zal zijn voor het transport en een deel dat effectief de ventilator zal dragen. Het grondkader bestaat voornamelijk uit rechthoekige - en U – profielen. Enkele zaken zijn hier te herkennen: de gleuven voor het plaatsen van de vorken van de heftruck of de palletkar en de geleidingsgleuven voor de blokken die de steunen zullen aanspannen. Op het grondkader in Figuur 5.1 is er echter nog geen plaat getekend. Deze plaat zal gleuven moeten bezitten om de bouten in te geleiden van de blokken die de ventilatorsteunen zullen aanspannen. Ook zal ze als loopvlak dienen voor de arbeider. De constructie moet volledig gelast worden.
Figuur 5.1: Grondkader eerste ontwerp
Verder zijn er de ventilatorhouders. Deze ventilatorhouders worden met boutverbindingen op het grondkader bevestigd. Doordat de bouten in geleiders liggen in het grondkader kan de positie van de ventilatorhouders geregeld worden. Verder is het de bedoeling dat de ventilator met de flens over de boord van de ventilatorhouder zal komen. Met boutverbindingen wordt het huis dan vast bevestigd. De uitsparingen voorzien plaats voor de verstevigingsribben van de ventilator. Met behulp van de grote ronde boringen zou de ventilatorhouder opgetild kunnen worden.
David Degryse
Masterproef
26
Figuur 5.2: Ventilatorsteun eerste ontwerp
Het samengesteld geheel met een gemonteerde ventilatorhuis is te zien in Figuur 5.3 . De ventilatorhouder is ontworpen voor het grootste ventilatorhuis. Voor de kleinere modellen kan er eenvoudigweg gebruik gemaakt worden van aanpassingsplaten.
Figuur 5.3: Samengestelde eerste ontwerp
5.4 Aangepast ontwerp Na overleg is er vastgesteld dat voorgaand ontwerp nog niet optimaal was. Het grondkader is te complex opgebouwd waardoor er teveel arbeid nodig is om het te produceren. Tevens zorgen de geleiders die voorzien zijn voor de inbreng van een palletkar of een heftruck ervoor
David Degryse
Masterproef
27
dat de stevigheid van het grondkader sterk verminderd is. Het aangepaste concept van het grondkader is te zien in Figuur 5.4 . Een belangrijk verschil met voorgaande is de verminderde complexiteit. Ook hier moet dit grondkader nog voorzien worden van een plaat met gleuven in waar arbeiders kunnen op staan en waar de bouten van de geleidingsblokken moeten kunnen in bewegen. Een ander belangrijk aspect is dat er tijdens het transport met een palletkar of heftruck, het geheel op minstens drie profielen gedragen wordt. Dit geldt voor het aanrijden langs beide zijden.
Figuur 5.4: Aangepast ontwerp van het grondkader
Ook de ventilatorhouders zijn te complex opgebouwd. Dezelfde vorm met meer stevigheid en een kleinere productietijd kan bekomen worden door een plaatwerk samen te vouwen. Het vermijdt het gebruik van overbodige profielen en extra lasnaden. Aangezien het feit dat de ventilator volledig opgehouden wordt door de spankracht tussen zijn flens en de houder, kan de flens tegen de buitenzijde bevestigd worden. Een andere kostenbesparende maatregel is om niet meer een halve cirkel in te klemmen. De houder hoeft niet meer zo hoog te zijn zonder in te boeten aan opspankwaliteit. Het aangepaste ontwerp van de ventilatorhouder is te zien in Figuur 5.5
Figuur 5.5: Aangepast ontwerp van de ventilatorhouder
David Degryse
Masterproef
28
De samenstelling van de aangepaste delen is te zien op Figuur 5.6
Figuur 5.6: Samenstelling van het aangepaste ontwerp
Het goedgekeurde ontwerp is uitbesteed geweest voor productie aan een metaalverwerkend bedrijf. Figuur 5.7 illustreert het geproduceerde testframe. De stuktekeningen van het definitieve ontwerp zijn terug te vinden in bijlage 1
Figuur 5.7: Het geproduceerde testframe
David Degryse
Masterproef
29
5.5 Dempers Als een dergelijke constructie op een betonnen vloer geplaatst wordt, zal die altijd door minieme oneffenheden niet heel vast staan. Tevens zullen er tijdens de testen van de ventilator trillingen optreden. Door de grote massa (die tot 850 kg kan oplopen), de draagconstructie, de geassembleerde ventilator en de grote stijfheid wordt een niet vaste opstelling bekomen. Voor de keuze van de dempers is vanuit de firma aanbevolen geweest om te kiezen voor het merk Novibra van Trelleborg. Almeco is vertrouwd met die dempers omdat ze dikwijls meegeleverd worden als accessoire bij ventilatoren. Om een geschikte demper te kunnen kiezen zijn hier nog even de voorwaarden opgesomd: • De constructie zal in totaal op 4 dempers moeten rusten; • Het toerental van de motoren van de ventilatoren bedraagt meestal1000 tr/min (16,67Hz); • Een gemonteerd geheel kan maximaal tot 850 kg wegen; • De graad van demping is minder belangrijk. Resonantie is uiteraard te vermijden. Uit hun gamma is een soort demper geselecteerd. De best passende demper voor deze toepassing zou een demper van het type M zijn. Dergelijke dempers zijn ideaal voor het dempen van lage frequenties in alle vlakken. Typisch worden ze gebruikt voor ventilatoren, meetapparatuur, … . De bouwvorm van dergelijke dempers is niet complex en ze zijn ook niet duur.
Figuur 5.8: Demper type M, Novibra, Trelleborg13
Met het nomogram uit de datasheets van de demper kan de geschikte demper gekozen worden. Verschillende modellen komen in aanmerking: M600-40, M400-40 en M200-60. Wat de M200-60 betreft is deze bij een maximale belasting op het randje na niet overbelast. Toch is voor deze demper gekozen omwille van zijn kleinere bouwvorm en de iets lagere kostprijs. De selectie van de dempers is terug te vinden in de bijlage 2. Als de demper M200-60 een maximale belasting van ongeveer 220kg ondervindt, dan heeft deze demper volgens het nomogram een eigenfrequentie van ongeveer 7,2 Hz. Bij een toerental van 1000 tr/min (16,67Hz) is die demper in staat om trillingen met ongeveer 75% te dempen. Bij die statische belasting zal de demper ongeveer 7,5 mm inzakken. De 13
NovibraUKLR, productcatalogus, www.trelleborg.com, pfd document.
David Degryse
Masterproef
30
dempingsfactor is hier echter van minder belang. Het belangrijkste is dat de constructie stevig en vast op de grond staat en dat die ook niet gaat resoneren als de ventilator getest wordt.
5.5.1 FFT Analyse Het is eveneens mogelijk om even de eigenfrequentie op te meten. In het bedrijf is er een trillingsmeettoestel aanwezig, een Schenck VibroTest 60 met accelerometers, dat tevens in staat is om een Fourrier analyse uit te voeren op het opgemeten resultaat. Door de constructie te exciteren met een korte schok zijn de trillingen bekomen. Dit resulteert in kleine trillingen aangezien het een grote massa betreft die aangestoten wordt door mankracht. De FFT analyse van de trillingen is te zien in Figuur 5.9. De trillingssensor is geplaatst geweest op de grondplaat vlak boven een hoekpunt van het grondkader.
Figuur 5.9: FFT analyse op grondkader
Er zijn verschillende resonantiefrequenties van de constructie waar te nemen. Er is een piek bij een frequentie ongeveer gelijk aan 7 à 8 Hz. Dit is de resonantiefrequentie van de dempers. Volgens de datasheets zou een eigenfrequentie van 7,2Hz bekomen moeten worden. Aangezien de ‘snelste’ motor van een ventilator met dergelijke omvang een 4 – polige machine kan zijn, betekent dit dat de maximale gedwongen frequentie van de constructie 25Hz kan zijn. De resonantiepiek rond 32 Hz kan dus nooit bereikt worden. De trillingsmeting is uitgevoerd geweest met een gemonteerde korte buisventilator met een diameter van 1250mm. Het totaalgewicht van de ventilator en draagconstructie is niet maximaal maar bedraagt ongeveer 750kg. Verder is het nog het feit dat de ventilator niet centraal opgesteld staat op de constructie. De vier dempers zijn dus niet allemaal evenveel belast. Dit zal theoretisch wel resulteren in een verschil qua resonantiefrequentie, maar zal
David Degryse
Masterproef
31
praktisch niet waarneembaar zijn. Uit het nomogram in bijlage 2 is het eenvoudig waar te nemen dat de eigenfrequentie immers afhankelijk is van de belasting van de demper. Door die ongelijke belasting is een klei verschil in eigenfrequentie mogelijk. De eigenfrequentie van de constructie kan worden weergegeven in volgende betrekking: 78
Hierbij is:
9
:
;
(5.1)
78 : de eigenfrequentie van het systeem [Hz]; k: de stijfheid van de constructie [N/m]; m: de massa van de constructie [kg].
Anderzijds kunnen de trillingen ook opgemeten worden op de motor van de ventilator. De FFT analyse is te zien in Figuur 5.10 . Een kleinere resonantiepiek is waar te nemen bij 15 Hz, maar deze is niet zo groot en zal nagenoeg geen invloed hebben op het totaalsysteem.
Figuur 5.10: FFT analyse verticaal op motorvoet
De FFT analyse kan ook nog uitgevoerd worden in het horizontale vlak. De eerste keer is de analyse uitgevoerd met de sensor op de motorvoet in de richting van de as (Figuur 5.11). De andere keer is de analyse uitgevoerd met de trillingssensor loodrecht op de motoras. (Figuur 5.12) Telkens is een resonantiepiek te zien bij een frequentiewaarde die ongeveer 4Hz is. Door in het vlak evenwijdig met het grondkader te meten worden vermoedelijk andere eigenfrequenties van de draagstructuur geregistreerd. Er is ook te zien dat bij lage frequenties het meettoestel geen waarden registreert. Dit komt hoogstwaarschijnlijk omdat de trillingen opgemeten zijn met een accelerometer. Eigen aan de acelerometer is dat de respons bij frequenties tot 3 Hz te laag is en er dus niet meer in het lineaire gebied gewerkt wordt. (Zie bijlage 3)
David Degryse
Masterproef
32
Figuur 5.11: FFT analyse in asrichting op motorvoet
Figuur 5.12: FFT analyse in radiale horizontale richting op motorvoet
David Degryse
Masterproef
33
5.5.2 Dempingsgraad Uit de datasheets is waar te nemen dat de kritische dempingsfactor van de dempers van Novibra nooit meer dan 10% zal bedragen. De grafiek in Figuur 5.13 geeft de responsiefactor weer bij een gedwongen gedempte trilling in functie van de opgelegde frequentie. Deze geeft aan hoeveel de indrukking is van de demper bij een zekere frequentie ten opzichte van de eigenfrequentie. De indrukking wordt weergegeven met een factor ten opzichte van het quotiënt van de dynamische amplitude en de equivalente statische uitwijking. De dynamische amplitude komt neer op de onbalanskracht. Met behulp van de veerconstante van de demper kan dan de equivalente statische uitwijking berekend worden. In het voorbeeld waar de meting op uitgevoerd is, was er een 6-polige inductiemotor gemonteerd in de ventilator. Aangesloten op een net van 50Hz heeft die, zonder rekening te houden met de slip, een rotatiefrequentie van 16,67 Hz. In de maximale belastingstoestand is de eigenfrequentie van de dempers gelijk aan 7,2Hz. De verhouding tussen de gedwongen en <,<=>? de eigenfrequentie is dan: 2,32. Op de grafiek is dan te zien dat de werkelijke =,>?
situatie zeker binnen het omcirkelde gebied zit. Dit betekent dat in normaal regime de trillingsamplitude slechts ongeveer 0,2 keer de equivalente statische uitwijking van de onbalanskracht is.
Figuur 5.13: Responsiefactor van een gedwongen gedempte trilling in functie van de gedwongen frequentie14
Aangezien er telkens andere ventilatoren, en er zo telkens een andere onbalans is, is het onmogelijk om de berekeningen exact uit te voeren. In de theorie rond gedwongen gedempte trillingen is er een formule om de opslingeringsfactor te berekenen. Het betreft ook hier weer een benadering. De dempingsfactor is niet exact gekend en er wordt gerekend met een maximale waarde van 10%. Uit de grafiek is af te leiden 14
Interne opleidingscursus PIH: VANSLAMBROUCK, B., Theorie mechanische trillingen en geluid, 20082009.
David Degryse
Masterproef
34
dat een andere dempingsfactor bij deze excitatiefrequentie niet veel meer zal uitmaken op het resultaat van de opslingeringsfactor. $, B In voorgaande formule is:
CD EF H FG
FJ I ! FG
CK E
L,LM L,LMG, N I M, M,
!
0,23
(5.2)
$, B : de opslingeringsfactor; ω: de gedwongen eigenpulsatie [rad/s]; O8 : de natuurlijke eigenpulsatie [rad/s]; ζ: de dempingsfactor [x100 %].
Aangezien het feit dat het in de formule telkens de verhouding is tussen de eigenpulsaties, kan evengoed gewerkt worden met de frequenties. De bekomen waarde komt goed overeen met hetgeen verwacht wordt af te lezen uit de grafiek. De ‘traagste’ motor die op een dergelijke ventilator kan gemonteerd worden is een 10 – polige machine. Zonder rekening te houden met de slip van die machine, genereert die dan een gedwongen frequentie van 10 Hz. De verhouding van de gedwongen frequentie tot de 8>? natuurlijke eigenfrequentie is dan: 1,39. Op de grafiek is te zien dat het werkingspunt =,>?
zich dan net naast het resonantiegebied bevindt. De responsiefactor is dan ongeveer één. Dit betekent dat onbalanskrachten dan niet gedempt worden. De invloed van de massa op de eigenfrequentie is niet in rekening gebracht. Doordat in verschillende situaties de massa anders kan zijn, zal ook de eigenfrequentie wat wijzigen. Tevens is het belangrijkste doel van de dempers in deze toepassing niet om trillingen te dempen, maar om de constructie mooi vast, op vier punten, op de ondergrond te kunnen zetten. In principe is het ook mogelijk om de doorgegeven kracht op de vloer, veroorzaakt door de onbalans, te berekenen. Bij iedere ventilator is de onbalans echter anders en relatief klein.
5.6 Evaluatie Na de eerste ingebruikname en grondig overleg met de arbeiders, blijkt toch dat de constructie niet optimaal is. Zo zijn in eerste instantie de hoeken van het grondkader nog te scherp en dus gevaarlijk. Verder zijn er problemen om de ventilator aan de tweede ventilatorhouder vast te schroeven. De positie van de boringen in de flens zijn niet altijd even nauwkeurig. Een afwijking van enkele boogminuten zal zich bij dergelijk grote diameters al snel resulteren in een afwijking van enkele mm. Tevens kan het zijn dat de flensen soms wat verschoven zijn ten opzichte van elkaar. De bouten zijn wel een stuk kleiner dan de boringen in de flens, maar toch zijn er nog problemen. Dit probleem zou in de toekomst opgelost worden door gebruik te maken van simpele klemmen. Verder is er nog een probleem om de afgewerkte ventilator te verwijderen van zijn draagconstructie. Door onder meer het grote motorgewicht kan na het verwijderen van één ventilatorsteun de ventilator gevaarlijk gaan overhellen. Het is dan ook heel moeilijk om de resterende boutverbindingen los te schroeven als de ventilator aan de loopkat hangt. Daarom
David Degryse
Masterproef
35
zal er geopteerd worden om de ventilator samen met de laatste ventilatorhouder 90° te laten kantelen en dan te laten steunen op een ander rustpunt. Dan zouden er geen problemen meer zijn met het losschroeven van de ventilator en ligt hij tevens al in de juiste positie om verpakt te worden. Het kantelen of verdraaien van dergelijk gevaarte is anders geen sinecure. De wijzigingen zijn reeds op de tekeningen aangebracht door een medewerker van het engineering team.
Figuur 5.14: Aanpassingen aan de constructie
Nu blijkt dat een dergelijk montage en transportmiddel heel handig is om enerzijds de ventilatoren te monteren en anderzijds om ze te transporteren en te testen, zullen ook dergelijke ventilatorhouders ontworpen worden voor de kleinere modellen. Eventueel kan er dan geopteerd worden om meerdere ventilatoren op één constructie te bevestigen. Afhankelijk van de tijd en de evolutie van de rest van het project, kunnen deze constructies nog worden uitgewerkt. Indien dit niet een geval is kan er gerust een medewerker van het engineering team deze taak op zich nemen.
David Degryse
Masterproef
36
6 Veiligheid 6.1 Veiligheid van de testzone 6.1.1 Inleiding Dit hoofdstuk handelt over de benodigde veiligheid waaraan een testruimte moet voldoen. Met de veiligheid van personen wordt er niet gespeeld of gelachen. Daarom worden in de praktijk zelden voorkomende of onmogelijke situaties in dit hoofdstuk toch serieus genomen. Een hoofddoel van de afscherming van de testruimte is externe personen beschermen tegen de gevaren die optreden tijdens het testen van de ventilatoren. Het is dan niet gewenst dat personen in de buurt komen van de te testen ventilator. De afscherming van de testruimte moet ook voorkomen dat externe elementen in de buurt kunnen komen van de te testen ventilator. Als voorbeeld wordt er gedacht aan papier, gereedschap, … . Oorspronkelijk is er gedacht aan het feit dat de testruimte toegankelijk moet zijn voor een loopkat. Een onderdeel zou zo buiten de testruimte kunnen gehesen worden. Met behulp van de loopkat zou het verplaatst en gelost moeten worden in de testruimte. In dit geval betekent dit dat de toegangsdeur van de testruimte bovenaan geen doorlopende verbinding mag hebben. Later is op deze eis teruggekomen. De ventilatoren zouden op een draagconstructie gemonteerd worden en met een palletkar of heftruck verplaatst worden. Wel moet er voor gezorgd worden dat de testzone toegankelijk is voor een heftruck.
6.1.2 Risico’s Om de veiligheid in de testruimte te verhogen moeten er eerst en vooral risico’s weggenomen worden. Door het verminderen van risico’s kunnen heel wat ongevallen vermeden worden. Het ongewenst starten, of het starten van de verkeerde ventilator mag eigenlijk niet gebeuren. Het zou niet toegelaten zijn om losse voorwerpen achter te laten in de testruimte. Met deze ligt de nadruk specifiek op gereedschap, vodden, papier, … . Rond de werktafels, de plaats waar de testen nu doorgaan, is dit wel het geval. Indien een los voorwerp dan in de waaier gezogen wordt of om een andere reden in de waaier terecht komt, doet er zich een gevaarlijke situatie voor. Tevens bestaat het risico dat ze met verhoogde snelheid wegschieten en zo een projectiel vormen. De kans is reëel dat er zo schade veroorzaakt wordt aan de ventilator of de waaier zelf. Alle voedingskabels en meetapparatuur moeten vast bevestigd worden. Zo wordt er ook vermeden dat deze in de draaiende ventilator terecht kunnen komen. Een ander risico dat kan optreden is het voorkomen van productie- of assemblagefouten. Het zou bijvoorbeeld kunnen dat de motor niet helemaal vast gemonteerd staat op de motorstoel. Of dat de waaier niet vast bevestigd is aan de motoras. Anderzijds is het ook mogelijk dat de waaier hapert aan het ventilatorhuis. Een mogelijke productiefout zou zich kunnen situeren ter hoogte van schoepen van de waaier of het ventilatorhuis. Bij deze wordt er bijvoorbeeld gedacht aan scheuren ter hoogte van het schoephoofd, of slechte lassen aan het
David Degryse
Masterproef
37
ventilatorhuis, … . Van alle voorgaand opgenoemde risico’s zijn de gevolgen nefast. Zo zouden er stukken kunnen afbreken van de waaier en zich als een projectiel gedragen. Tijdens het testen zal de ventilator voor de eerste keer draaien. Dan kunnen voorgaande problemen zich voor de eerste keer voordoen, iets wat misschien in stilstand niet op te merken is. Verder zijn er nog een paar andere zaken waar het mis kan lopen. Hierbij wordt gedacht aan moeren, sluitringen, correctiegewichtjes. Stel dat er tijdens het balanceren niets verkeerd is gelopen, of dat de waaier omwille van zijn toepassing niet moest gebalanceerd worden, kan het zijn dat dergelijke zaken tijdens het testen van de ventilator toch nog loskomen en zo een gevaarlijk projectiel vormen. Omwille van voorgaande opgesomde risico's wil de firma een testruimte om het testen van de ventilatoren afzonderlijk te laten gebeuren van de assemblageplaats. Ook zouden er tijdens het uitvoeren van de testen geen onbevoegde of onnodige personen in de buurt mogen kunnen komen.
6.1.3 Risicoanalyse Nu al deze risico’s gekend zijn, kan er gedacht worden aan een risicoanalyse. Om de risicoanalyse te maken moet er gekend zijn waardoor de geschatte risico’s bepaald worden. Zo zal de ernst van de schade een eerste bepalende factor zijn. Zijn er lichte of zware verwondingen mogelijk? Kan er een dode vallen of is een catastrofe mogelijk? Een tweede bepalende factor is die van de waarschijnlijkheid op een incident. Als het bijna zeker is dat een ongeval kan voorkomen zal die factor uiteraard veel zwaarder doorwegen dan wanneer het praktisch onmogelijk is dat een ongeval voorkomt. Een derde factor geeft de frequentie van de blootstelling aan het gevaar weer. Als er een continue blootstelling is aan het gevaar is het risico uiteraard groter dan bij een blootstelling die bijvoorbeeld maar wekelijks voorkomt. Voor het uitvoeren van een risicoanalyse, kan beroep gedaan worden op methode van Fine & Kenneth met de gegevens uit Figuur 6.1.
Figuur 6.1: Risico-inschatting volgens Fine & Kenneth15
15
Interne opleidingscursus PIH: VANDEPUTTE, E., Machinerichtlijnen, 2007-2008.
David Degryse
Masterproef
38
Tabel 6.1: Risicoanalyse: Situatie zonder testruimte
Omschrijving gevaar Ongewenst starten of starten van verkeerde ventilator
Aanwezigheid van losse voorwerpen: gereedschap, kabels, papier, vodden, …
Losse (voedings)kabels in de buurt van de draaiende waaier
Wegschietende projectielen ten gevolge van breuk aan het ventilatorhuis, de waaier of waaieronderdelen of montagefouten
Wegschietende projectielen zoals bouten, moeren, testgewichtjes
Gevolgen F1 F2 F3 R Kan leiden tot materiële schade, lichamelijke schade aan arbeider 3 6 10 60 die werkt aan startende ventilator. Oplossing: Ervoor zorgen dat het testen op een andere plaats gebeurt. Testen door 1 persoon laten gebeuren. Vaste procedure voor schakelen, testen. Kan leiden tot materiële schade, lichamelijke schade aan arbeider 3 6 10 180 die dergelijk aangezogen voorwerp tegen zich krijgt. Oplossing: Zorgen dat niets in de buurt ligt van de te testen ventilator. Zorgen dat ander persoon niet in de buurt kan komen. Kan leiden tot materiële schade. Lichamelijke schade is ook mogelijk indien arbeider 1 6 7 42 brokstukken tegen zich zou krijgen. Oplossing: kabels beter vasthangen. Losse einden kort houden. Naast de materiële schade is zware lichamelijke schade mogelijk. De dood van een arbeider als gevolg 0,2 6 15 18 van de klap van dergelijk wegschietend onderdeel is niet onmogelijk. Oplossing: Plaatsen van bescherming die de impact van dergelijk projectiel al dan niet geheel opvangt. Geen of heel kleine materiële schade. Aanzienlijke of blijvende 0,5 6 10 30 lichamelijke schade (gezicht). Oplossing: Plaatsen van bescherming die de impact van dergelijk projectiel al dan niet geheel opvangt.
Het valt op dat na de risicoanalyse de vooropgestelde risico’s niet onbelangrijk zijn. Sommige gevaren betekenen een hoog of belangrijk risico en behoeven verbetering.
6.1.4 Oplossing Door de testen in een testruimte te laten doorgaan en die door slechts één persoon te laten verlopen, worden heel wat van voorgaande risico’s weggewerkt. In de testruimte zal ook orde
David Degryse
Masterproef
39
moeten heersen. Dit betekent concreet dat er geen onnodige elementen zullen mogen binnen gebracht worden. Ook het bekabelen van de ventilatoren zal volgens een veilige procedure verlopen. Ook zal er tijdens het testen, in de testruimte dus, geen andere personen mogen aanwezig zijn dan de uitvoerder van de testen. Juist daarom is er een afscherming nodig. Een markering op de vloer of een waarschuwingsbord houdt een persoon niet tegen, een afscherming wel. Het risico op wegschietende projectielen ten gevolge van breuk is zodanig laag dat het aanvaardbaar kan zijn. De afscherming van de testruimte zou dit risico zelfs ten dele kunnen wegnemen. Voor het risico op de kleinere projectielen zoals de moeren en dergelijke, die kleiner zijn dan de maasgrootte van de afscherming, kan eventueel een doorzichtig kunststoffen paneel op de afscherming geplaatst worden. Dit zou dan enkel nodig zijn op de plaats van de bediener. Een mogelijkheid om de testruimte af te schermen is door gebruik te maken van de traditionele machine afschermingen. Deze worden in de industrie veelvuldig toegepast voor de afscherming van vele soorten machines of voor magazijnindelingen.
Figuur 6.2: Klassieke machineafscherming16
Er is reeds aangehaald dat dergelijke afscherming een bescherming kan zijn tegen wegvliegende brokstukken bij breuk of ernstige beschadigingen. Dit risico is zeer klein want de kans dat dit gebeurt is heel onwaarschijnlijk. Mocht het dan toch voorvallen, dan is de aanwezigheid van het ventilatorhuis al een groot voordeel. Door de middelpuntsvliedende kracht zal het ventilatorhuis het eerste object zijn waarmee een losgekomen element in botsing komt. Indien er grotere brokstukken afbreken en wegschieten zoals een ventilatorschoep, dan zal ook die in eerste instantie het grootste deel van zijn kinetische energie afgeven aan het ventilatorhuis. Indien dit brokstuk zich dan toch nog in de richting van de afscherming begeeft, wordt het erdoor tegengehouden. In het ergste geval wordt de
16
Machineafscherming: www.axelent.be.
David Degryse
Masterproef
40
afscherming beschadigd. Het is dus praktisch onmogelijk dat een arbeider zich door dergelijk feit blesseert. Er is maar een heel kleine kans dat een element kleiner dan de maasgrootte van de afscherming van de ventilator wegschiet. Toch zouden er eventueel maatregelen kunnen genomen worden. Zo zouden van de machineafscherming de gaaselementen kunnen vervangen worden door massieve elementen. Er kan dan gedacht worden aan plaatstaal of aan kunststof. Toegepast betekent dit dat er vlak voor de bediener van de testruimte een doorzichtige kunststoffen plaat kan gemonteerd worden.
Figuur 6.3: Machineafscherming met massieve elementen17
De afscherming die er moet komen moet een zeker aantal eigenschappen bezitten.
17
•
Veiligheidsafstanden: De afscherming van de testruimte moet ervoor zorgen dat de toegang tot de gevaarlijke zone niet mogelijk is. Deze afscherming moet zo geconstrueerd en geplaatst worden dat delen van het menselijke lichaam de zone niet kan bereiken. Zo zal bij een type afscherming een veiligheidsafstand gedefinieerd worden. Wanneer een of ander menselijk lichaamsdeel door de afscherming komt, bijvoorbeeld een vinger, dan is de veiligheidsafstand de afstand die van de afscherming moet bewaard worden om geen lichamelijke letsels te veroorzaken. Ook kan een afscherming gebruikt worden om de vrije beweging van de onderste ledematen te beperken. Zo kunnen voeten, benen, … niet binnen de gevarenzone komen.
•
Zicht: Om het zicht van de gebruiker van de testruimte op de te testen ventilator te waarborgen, moet de afscherming zodanig geconstrueerd worden, dat de noodzaak om
Machineafscherming: www.axelent.be.
David Degryse
Masterproef
41
deze te verwijderen geminimaliseerd wordt. Met andere woorden: het kan niet de bedoeling zijn om een deel van de afscherming te verwijderen om een kijk te hebben op de zaak. Om dit te voorkomen kan een specifiek deel van de afscherming in een ander materiaal vervaardigd worden. Er kan dan gekozen worden voor een grotere maasopening, rekening houdend met de vergrootte veiligheidsafstand. Maar er kan ook geopteerd worden voor een aangepast kleur van de afscherming. Zo wordt het zicht verbeterd als het geperforeerde materiaal donkerder is dan de te observeren zone. Dit is de reden waarom vele afschermingen zwart zijn. •
Stevigheid: De steunpalen, kaders en vulmateriaal van de afscherming moet dusdanig worden gekozen dat een robuuste en stabiele structuur bekomen wordt. Het geheel moet dan voldoende weerstand bieden tegen vervorming. Dit kan belangrijk zijn om dan niet binnen de gevarenzone te komen.
•
Ingang van de testruimte: Het spreekt voor zicht dat de testruimte toegankelijk moet zijn. Dit voor zowel personen als voor ventilatoren die al dan niet gemonteerd zijn op een draagconstructie. Er moet dus een toegangspoort voorzien zijn die kan afgesloten worden om te beletten dat onbevoegde personen zich in de buurt van de te testen ventilator begeven. Een slot is niet noodzakelijk. Het feit dat personen fysisch belet worden om het gevaar te naderen, is al voldoende.
Nadat al deze parameters gekend zijn, kan er een offerte aangevraagd worden aan de firma Axelent. Deze firma is immers gespecialiseerd in het ontwikkelen van afscheidingen, gaaswanden,… voor machines en magazijnen. Aangezien er in het beginstadium nog geen specifieke eisen gekend zijn op het gebied van afmetingen, wordt er een schatting gemaakt naar de vermoedelijke grootte van de testruimte. Zo wordt een testruimte beschouwd van 5m op 5m die aan twee zijden afgeschermd worden door betonnen wanden van het gebouw. Er wordt ook meegedeeld dat de toegang tot de testruimte voldoende breed moet zijn. Dit omwille van de grote ventilatoren die eventueel op een draagconstructie de testruimte zouden binnenkomen. Bij de toegang van de testruimte mag er geen horizontale verbinding aanwezig zijn. Dit omwille van de toegankelijkheid met een loopkat of met de heftruck. Het volgende voorstel is dan toegestuurd geweest.
David Degryse
Masterproef
42
Figuur 6.4: Offertetekening van Axelent
Verdere details omtrent deze offerte kan terug gevonden worden in bijlage 4. Uiteraard is Axelent niet de enige firma die dergelijke producten verkoopt. Een gelijkaardige offerte is aan de firma Troax aangevraagd. Het blijkt dat deze mensen liever eens ter plaatse komen alvorens ze een offerte kunnen opstellen. Hiermee zal dus gewacht worden tot de definitieve realisatie.
6.1.5 Controle Eenmaal er gekend is aan welke veiligheidseisen de testruimte moet voldoen, kan er opnieuw een risicoanalyse uitgevoerd worden. Door het toepassen van een afscherming worden er geen noemenswaardige risico’s gecreëerd. Er zou gedacht kunnen worden aan het vergrendelen van de toegangsdeur zodat er tijdens de testen niemand in kan. Dit is echter overbodig. Het hoofddoel van de afscherming is om onbevoegde personen niet onbewust in de buurt te laten komen van de testen ventilator. Met onbevoegd wordt verstaan: iedere persoon die op dat ogenblik niets met de testen te maken heeft. Eenmaal een arbeider de deur opent om tijdens het testen aanwezig te zijn bij de ventilator voor het uitvoeren van één of andere handeling, dan is dit niet meer onbewust. De testen mogen dan uiteraard ook niet onderbroken worden. Deze analyse is opnieuw gebaseerd op de methode van Fine & Kenneth. Merk op dat de blootstellingduur hier als voortdurend beschouwd wordt. De testen zullen steeds door dezelfde persoon uitgevoerd wordt.
David Degryse
Masterproef
43
Figuur 6.5: Risico-inschatting volgens Fine & Kenneth18
Tabel 6.2: Risicoanalyse: Situatie met testruimte
Omschrijving gevaar Ongewenst starten of starten van verkeerde ventilator.
Aanwezigheid van losse voorwerpen: gereedschap, kabels, papier, vodden, …
Losse (voedings)kabels in de buurt van de draaiende waaier.
Wegschietende projectielen ten gevolge van breuk aan het ventilatorhuis, de waaier of waaieronderdelen of montagefouten.
Wegschietende projectielen zoals bouten, moeren, testgewichtjes. 18
Gevolgen F1 F2 F3 R Kan leiden tot materiële schade, lichamelijke schade aan arbeider 0,2 6 10 12 die werkt aan startende ventilator. Oplossing: Door de vaste testprocedure en één enkele uitvoerder van de testen wordt dit risico geëlimineerd. Kan leiden tot materiële schade, lichamelijke schade aan arbeider 0,2 6 7 8,4 die dergelijk aangezogen voorwerp tegen zich krijgt. Oplossing: Geen onnodige voorwerpen in de testruimte laten. Tijdens de testen staat de arbeider buiten de ruimte. De afscherming biedt dan nog een minimale bescherming tegen weggeslingerde voorwerpen. Kan leiden tot materiële schade. Lichamelijke schade is ook mogelijk indien arbeider 0,2 6 7 8,4 brokstukken tegen zich zou krijgen. Oplossing: kabels beter vasthangen. Losse einden kort houden. De testpersoon staat ook hier weer buiten de testzone. Naast de materiële schade is zware lichamelijke schade mogelijk. De dood van een arbeider als gevolg 0,2 6 10 12 van de klap van dergelijk wegschietend onderdeel is niet onmogelijk. Oplossing: Plaatsen van bescherming die de impact van dergelijk projectiel al dan niet geheel opvangt. Een afscherming zal dergelijke impact gedeeltelijk opvangen. Geen of heel kleine materiële 0,1 6 10 6 schade. Aanzienlijke of blijvende
Interne opleidingscursus PIH: VANDEPUTTE, E., Machinerichtlijnen, 2007-2008.
David Degryse
Masterproef
44
lichamelijke schade (gezicht). Oplossing: Plaatsen van bescherming die de impact van dergelijk projectiel al dan niet geheel opvangt. De risico’s zijn heel wat geminderd. In vele gevallen is het risico aanvaardbaar. Som is er toch nog aandacht vereist. Zo zal een testruimte niet beletten dat een arbeider gereedschap of andere zaken in de testruimte brengt en deze daar achter laat. Het zal de verantwoordelijkheid van de uitvoerder van de testen zijn om te controleren als alles veilig is om een ventilator voor de eerste keer te starten.
6.2 Afscherming voor de balanceerunit. 6.2.1 Inleiding Tijdens het opzoekwerk naar de veiligheidseisen voor een testzone, is ook gezocht naar de veiligheidseisen voor de afscherming van een balanceermachine. Momenteel bezit de balanceerunit in het bedrijf totaal geen afscherming. Het is een kleine moeite geweest om de veiligheidseisen vast te leggen en de berekeningen uit te voeren waaraan de afscherming voor de balanceerunit moet voldoen.
6.2.2 Problematiek Tijdens het balanceren worden massa’s toegevoegd en weggenomen van de waaier. Het is dus niet ondenkbaar dat er tijdens het uitbalanceren dergelijke massa’s loskomen en weggeslingerd worden. Voor de veiligheid van de arbeider die het balanceren uitvoert, maar ook voor andere arbeiders in de werkomgeving moeten er dus maatregelen getroffen worden. Ook hier zijn enkele elementaire beveiligingsvoorschriften van toepassing. Zo mogen er geen onnodige voorwerpen rondslingeren in de buurt van de uit te balanceren waaier en mag er dan niemand in de directe omgeving staan. Het is ook al gebleken dat het risico op weggeslingerde onderdelen, zoals waaieronderdelen, ten gevolge van breuk, heel klein is. Ook het risico dat de te balanceren waaier niet correct op de aandrijfas gemonteerd is, wordt al heel klein beschouwd. Er wordt gewerkt met bekwame arbeiders die weten wat hun taak is. Een fout als deze zou constructief ook onmiddellijk opvallen. Het feit dat er aan de waaier voortdurend massa’s toegevoegd en verwijderd worden, zorgt ervoor dat het risico op het wegslingeren van dergelijke elementen sterk vergroot wordt. De gevaren voor de arbeider die de waaier uitbalanceert blijven dan beperkt tot: • •
Het wegslingeren van de kleine onderdelen zoals testmassa’s, moeren, sluitringen, … ; De mogelijkheid van een arbeider om lichamelijk contact te hebben met de draaiende waaier.
David Degryse
Masterproef
45
6.2.3 Oplossing Het beschermen van de omgeving tegen het wegslingeren van kleine testmassa’s wordt volledig omschreven in de norm ISO 7475. Daar het risico op het wegslingeren van elementen groter dan de aangebrachte testmassa’s heel klein is, wordt de afscherming enkel ontworpen voor het tegenhouden van de kleine testmassa’s. Een eerste zaak die moet gekend zijn is de maximale omtreksnelheid van het object dat zich kan verwijderen van de waaier. In de firma worden waaiers geproduceerd met een diameter tot 1350mm. Dit betekent echter niet dat de testmassa’s ook zo ver van de as verwijderd zijn. Om dit te begrijpen moet de opbouw van een waaier wat nader bestudeerd worden. De balanceermassa’s worden aangebracht op de bestaande boutverbindingen van de schoephouders van de waaier. Op de rand van de schoephouders, nr. 1 op Figuur 6.6 , kan er wegens plaatsgebrek geen extra massa’s aangebracht worden. Dit kan wel op de andere boutverbindingen dichter van de as; 2 op volgende figuur. Bij kleinere waaiers en dus ook kleinere schoephouders kan er soms wel massa aangebracht worden op de buitenste boutverbindingen. Voor alle type waaiers kan er gesteld worden dat de maximale afstand van de aan te brengen massa tot de as nooit groter zal zijn dan 150mm.
Figuur 6.6: Boutverbindingen bij een axiale waaier
De snelheid waarmee er gebalanceerd wordt hangt af van het type waaier en de toepassing. Er kan wel gezegd worden dat deze rotatiesnelheid voor het balanceren nooit groter zal zijn dan 1500 tr/min. Zo kan een maximale snelheid van de aan te brengen massa’s berekend worden voor het slechtst mogelijk geval. * Hierbij is:
David Degryse
9 <8
Q RST
98," %88 <8
23,6
(6.1)
v: de omtreksnelheid [m/s]; d: de diameter van de rotatiecirkel de aangebrachte massa [m]; n: de rotatiesnelheid [tr/min].
Masterproef
46
Stel nu dat een kleine massa loskomt van een waaier die uitgebalanceerd wordt. Die massa zal loskomen met een zekere snelheid. Een massa met een zekere snelheid bezit kinetische energie. Het is die kinetische energie die zorgt voor een indringvermogen in de bescherming rond de waaier. Dit indringvermogen van het weggeslingerde massa kan weergegeven worden met volgende formule:
Hierbij is:
(6.2)
m: de massa van het element. [kg]; v: de snelheid van het element [m/s²]; K: factor die de ernst van de impact weergeeft.
De factor die de ernst van de impact weergeeft, moet geschat worden volgens de aard en materiaal van het element. Zo zijn volgende K waarden mogelijk: Tabel 6.3: K-factor die de ernst van de impact weergeeft.
K=0,3 Deze factor wordt toegepast wanneer het impactelement niet kritisch is. Dit zal zijn bij stalen bolvormige voorwerpen of voorwerpen van om het even welke ander vorm in een zacht materiaal zoals aluminium, koper, kunststoffen,… . K=1 Deze factor wordt toegepast voor de meeste standaardelementen. Bouten, moeren en sluitringen zijn een voorbeeld voor deze toepassing K=10 Deze factor dient voor de berekeningen als het voorwerp hard, scherp en hoekig is. Indien de vorm van de testmassa niet tot voorgaande categorieën gerekend kan worden dan moet deze experimenteel bepaald worden. In de firma worden er tijdens het balanceren meestal moeren en sluitringen gebruikt als correctiemassa. Een correctiefactor K=1 zou dan voldoende zijn voor deze toepassing. Het aanbrengen van deze lichte correctiemassa’s is meestal voldoende om de onbalans weg te werken. Soms kan het zijn dat grotere testmassa nodig zijn. Dan wordt er gebruik gemaakt van correctiemassa’s weergegeven in Figuur 6.7.
Figuur 6.7: Zware testmassa
Het zwaarste correctie element heeft een massa van 50,9 gram. Deze elementen zijn vervaardigd uit een gewone staalsoort. Ze hebben relatief grote oppervlakken en zeker geen scherpe hoeken. Uit veiligheidsoverwegingen wordt de correctiefactor K groter dan één gekozen. Een ruime, veilige keuze is om K gelijk aan drie te stellen. Het indringvermogen van het grootste en zwaarste element kan nu in het slechtste geval berekend worden. Dit wil zeggen bij een toerental van 1500 tr/min en een afstand tot de as van 150 mm. De snelheid bij wegslingeren zou dan zoals eerder berekend 23,6m/s bedragen.
David Degryse
Masterproef
47
Het indringvermogen:
R Y
"8.8%W;X ".< !
49.1[\+]^
(6.3)
In de worst case situatie bezit het weggeslingerde element een maximale energie van 49.1 Joule. Bijgevolg moet een afscherming gekozen worden die een impact van een element met dergelijke energie kan weerstaan.
6.2.4 Praktische realisatie Rekening houdend met de grootte en de andere mogelijke risico’s die kunnen optreden tijdens het balanceren, is het voldoende om slechts een afscherming te voorzien in het slingerveld. Een element dat weggeslingerd wordt, zal zich immers altijd voorbewegen in het vlak van de waaier. Verder kan de bediener van de balanceerunit nog wat beschermd worden. Zo zou het mogelijk zijn om een doorzichtige afscherming te plaatsten tussen de motor met waaier en de meetapparatuur met de bediener. Een nadeel is dat het waaiers zijn die gebalanceerd moeten worden. Dit betekent dat er steeds lucht verplaatst wordt. Indien deze lucht teveel gehinderd wordt door het doorkijkscherm zullen er bijkomende trillingen veroorzaakt worden. De positie van het eventuele doorkijkscherm ten opzichte van het afscherming van de waaier moet zodanig zijn dat een de luchtstroom nagenoeg niet gehinderd wordt. De luchtstroom kan naar en weg van de gebruiker gericht zijn, al naar gelang het type waaier. In beide gevallen mogen er geen extra trillingen veroorzaakt worden door een eventuele gehinderde luchtstroom. De afscherming van de waaier zou dergelijke vorm kunnen aannemen die weergegeven wordt in Figuur 6.8. Uiteraard is deze constructie niet stevig genoeg en moet er nog een bijkomende draagconstructie voorzien worden.
Figuur 6.8: Schets van een voorstel voor de waaierafscherming
Om het risico op lichamelijke letsels weg te nemen kan ervoor gezorgd worden dat de motor stilvalt indien de arbeider zich naar de waaier begeeft. Dit kan eenvoudig opgelost worden met wat logica en een optische sensor. Indien alle voorgaande maatregelen toegepast zouden worden, zou er volgende situatie verkregen worden:
David Degryse
Masterproef
48
Figuur 6.9: Geoptimaliseerde situatie in de werkplaats
Aangezien het feit dat dit een extraatje was op het aspect veiligheid, is het bijlange nog niet zeker als praktisch gerealiseerd zal kunnen worden. Indien dit niet het geval zou zijn, kan voorgaande als basis door de firma gebruikt worden om uit eigen beweging tot de praktische realisatie over te gaan.
David Degryse
Masterproef
49
7 Productiestructuur 7.1 Inleiding De kostprijs,, leveringstijd en de kwaliteit kwaliteit van het afgewerkte product zijn drie belangrijke factoren waarmee het bedrijf concurrentie voert. Deze elementen worden sterk beïnvloed door de productieorganisatie. De productiestructuur en de lay-out lay zijn van groot belang. Deze bepalen immers de wijze waarop de processen fysisch verlopen. Traditioneel wordt er een onderscheid derscheid gemaakt tussen proceslay-out proces out en productlay-out. productlay In de proceslay-out out worden de processen zo homogeen mogelijk bij elkaar gebracht terwijl in de productlay-out de lay-out georganis organiseerd wordt met het oog op een specifiek product. In dit hoofdstuk worden de mogelijke productiestructuren onderzocht. Tevens zal er een poging gedaan worden om de werkplaats te herschikken om een optimale productiestructuur te bekomen. Aan het eind van de rit is het de bedoeling om te weten op welke locatie in de werkplaats de testzone geïntegreerd zal worden.
7.2 Dee functionele structuur / proceslay-out proceslay De functionele structuur wordt gekenmerkt door het feit dat alle gelijkaardige bewerkingen in eenzelfde deel el van een fabriek worden gegroepeerd. In de praktijk betekent dit dat alle identieke processen zoals draaien, frezen, … in een overeenkomstige afdeling worden gegroepeerd.
Figuur 7.1: De functionele structuur19
19
KALS, H.J.J., BUITING-CSIKOS, CSIKOS, Cs., VAN LUTTERVELT, C.A., MOULIJN, K.A., Industriële productie: Het voortbrengen van mechanische producten, producten 3e herziene druk, tenHagenStam uitgevers, Den Haag, 2004, 2 448 pagina’s.
David Degryse
Masterproef
50
7.2.1 Batch Een productieorder wordt meestal gelanceerd in loten ofwel batches genoemd. Wanneer een lot in een bepaalde afdeling afgewerkt is, kan de volgende bewerking van start gaan, weliswaar in een andere afdeling. Een voorwaarde is wel dat deze afdeling vrij is of productiecapaciteit over heeft. Zo doorloopt elk lot een bepaalde route doorheen het bedrijf.
7.2.2 Nadelen Een belangrijk nadeel van deze structuur is het gebruik van voorraden. Als een bepaalde afdeling niet vrij is, moet het product in een voorraad ‘orders in bewerking’ komen. Deze voorraad kan soms zelfs heel groot zijn. Hiervoor zijn verschillende redenen: • • • •
Er kunnen twee orders vrij komen voor bewerking, alhoewel er in de praktijk slechts één order gelijktijdig kan bewerkt worden; Een panne aan een bewerkingsmachine of een verkeerd geschatte bewerkingstijd kan zorgen voor grote tussenvoorraden; Spoedorders kunnen ervoor zorgen dat alle andere orders ervoor moeten wijken en zo in de voorraad geplaatst worden; Lange omsteltijden. Indien er telkens andere orders door een zelfde machine uitgevoerd moeten worden, dan kan er veel tijd verloren worden door de machine telkens te moeten instellen.
Een ander nadeel is de complexiteit van het proces. Een exacte planning van de orders is moeilijk op te stellen. Producten volgen complexe routes gedurende hun proces. Ook kunnen ze lange doorlooptijden hebben. Lange en onbetrouwbare levertijden zijn hiervan het gevolg. Aangezien een product lange bewerkingstijden kan hebben, kunnen er veel productieorders gelijktijdig lopen. Dit betekent dat er in het productieproces en in de tussenvoorraden heel wat ‘dood’ kapitaal opgeslagen kan liggen. Ook kan een functionele structuur veel plaats eisen en kan het dikwijls onoverzichtelijk overkomen. Ook de kwaliteit van een afgewerkt product zal geen voordeel putten uit dergelijke structuur. Kwaliteitbeheersing zal zich meestal beperken tot het zo goed mogelijk beheersen van elke bewerking afzonderlijk en van een globale kwaliteitscontrole achteraf. De bewerkingen op elkaar afstemmen met als doel de kwaliteit te verhogen is heel moeilijk. Door producten in tussenvoorraden te steken kunnen ze beschadigd raken, eigenschappen verliezen of zelfs zoek geraken.
7.2.3 Voordelen. Aan de proceslay-out zijn een aantal onmiskenbare voordelen verbonden. Zo is de machinebezetting over het algemeen hoger. Een uitval van een machine zal niet het ganse systeem lam leggen. Het systeem is ook heel flexibel. Nagenoeg gelijk welk product kan in dergelijke structuur geproduceerd worden. De diverse taken voor de operator zorgt er ook voor dat hij meer voldoening zal krijgen bij het uitvoeren van zijn job.
David Degryse
Masterproef
51
Door het feit dat alle gelijkaardige operaties in hetzelfde departement van de fabriek gebeuren en dat het product dus telkens van bewerkingsplaats bewerkingsplaats moet veranderen, wordt er aan de functionele structuur ook wel de naam jobshop gegeven.
7.3 De lijnstructuur ijnstructuur / productlay-out productlay Bij een zuivere lijnstructuur wordt de lay-out lay out van de machines volledig bepaald door het product of het productonderdeel dat op de betreffende lijn wordt gefabriceerd. De producten volgen elkaar op, product na product, alle bewerkingsstations in een vaste route.
Figuur 7.2: De lijnstructuur20
7.3.1 Werk in omloop In een lijnstructuur is het aantal stations meestal vrij groot. Daardoor zijn er korte stationtijden. In een lijnstructuur worden de bufferstocks zoveel mogelijk beperkt. Enkel in het begin en op het einde van de lijn wordt er gewerkt met kleine voorraden.
7.3.2 Voordelen Door alle machines nes in een lijn op te stellen en het vermijden van tussenvoorraden zal de totale tijd van een product beperkt worden. Ook de hoeveelheid producten in omloop wordent worden beperkt in vergelijking met de proceslay-out. proceslay Aangezien de machines gekozen kunnen worden om één specifiek product of productgroep te vervaardigen en aangezien het feit dat er weinig werk in omloop is, is de lijnstructuur een efficiënte productiemethode. Nochtans laat de flexibiliteit van deze structuur meestal te wensen over. Dit is zeker het geval als zowel de bewerkingen als het transport geautomatiseerd zijn. Door het automatiseren van dergelijke lijnen kan de efficiëntie wel serieus verhoogd worden, meestal ten koste van de flexibiliteit van de lijn.
20
KALS, H.J.J., BUITING-CSIKOS, CSIKOS, Cs., VAN LUTTERVELT, C.A., MOULIJN, K.A., Industriële productie: Het voortbrengen van mechanische producten, producten 3e herziene druk, tenHagenStam uitgevers, Den Haag, 2004, 448 pagina’s.
David Degryse
Masterproef
52
7.3.3 Nadelen Een belangrijk nadeel van een lijnstructuur is de storingsgevoeligheid. Indien er één machine faalt, ligt gans de productielijn stil. Om niet een ganse lijn te moeten stilleggen worden er in de praktijk toch nog meestal gebruik gemaakt van bufferstocks. Indien er één machine uitvalt kan de rest van de lijn nog verder werken op de aangelegde buffervoorraad. Er wordt dan verwacht dat het probleem opgelost is voordat de rest van de lijn door de buffervoorraad heen is.
7.3.4 Kwaliteit Bij een lijnstructuur is het mogelijk om tussen twee bewerkingsstations een automatische kwaliteitcontrole in te bouwen. Zo kan de kwaliteit in het proces gecontroleerd worden. De kwaliteitscontrole op het einde kan dan beperkt blijven tot een steekproef. Aangezien het feit dat alle producten op de productielijn allemaal achter elkaar alle bewerkingsmachines in een vaste route volgen wordt de productlay-out soms ook nog de flowshop genoemd.
7.4 Celstructuur De grondslag van de celstructuur wordt gevormd door de groepentechnologie. Hier wordt getracht om gelijkaardige producten te identificeren en te groeperen om zo een voordeel te halen inzake productontwerp en uit te voeren bewerkingen. Gelijkaardige producten worden daarvoor gegroepeerd in zogenaamde families. Dit groeperen gebeurt op basis van ontwerpovereenkomsten en overeenkomsten in de aard en de volgorde van de uit te voeren bewerkingen en de te gebruiken gereedschappen. Dergelijke families worden dan toegewezen aan machinegroepen waarbinnen alle opeenvolgende bewerkingen noodzakelijk zijn voor het bekomen van een compleet eindproduct.
David Degryse
Masterproef
53
Figuur 7.3: De celstructuur21
Het valt op dat de productgerichte lijnstructuur en het celproductieconcept veel gelijkenissen vertonen. Het eindproduct wordt via het lijnmatig en sequentieel uitvoeren van de vereiste bewerkingen opgebouwd. Bij een productgerichte lijnstructuur kan de nadruk meer liggen op de massaproductie van één of meerdere producten. Bij de celproductie ligt de nadruk dan meer op variëteit. Kleinere doorlooptijden, kleinere tussenvoorraden en minder complexe materiaalstromen van een product uit een lijnstructuur worden overgedragen naar een bewerkingsgerichte productieomgeving.
7.5 Structuur gekenmerkt door een vast product Veelal is het telkens het product dat naar de verschillende bewerkingsstations wordt verplaatst. In de vaste productstructuur worden de gereedschappen echter naar het product verplaatst en blijft het product op zijn plaats. Deze structuur wordt alleen toegepast als men te maken heeft met grote, zeer zware producten die niet ofwel zeer moeilijk transporteerbaar zijn. Een voorbeeld hiervan is de scheepsbouw. De overeenkomstige structuur wordt een fixed product lay-out genoemd.
7.6 Huidige situatie in Almeco Beschouw even de huidige situatie van de werkplaatsindeling. In iedere afgebakende zone op Figuur 7.4 heeft ieder onderdeel zijn eigen doel.
21
GELDERS, L., Technische bedrijfsvoering en organisatie, 1e druk, Lanoo Campus, Tielt, 2004, 142 pagina’s.
David Degryse
Masterproef
54
Figuur 7.4: Huidige situatie in de werkplaats
1. Dit is het bureau van de werkplaatsverantwoordelijke. Hier moet een arbeider een document ophalen in verband met de uit te voeren opdracht. Hierin staat alles omschreven welke onderdelen er nodig zijn alsook wat er moet getest worden bij het afgewerkte product. Na de assemblage van de ventilator dient de arbeider dit document opnieuw in, met ingevulde meetwaarden. Indien het van toepassing is, wordt hierbij ook een balanceerrapport bijgevoegd. 2. Dit is de voorraad wat betreft de kleine onderdelen zoals, bouten, moeren, … Ook het specifiek handgereedschap zoals, momentsleutels, grote draadkniptangen, …, wordt hier bewaard. 3. In dit gedeelte situeert zich alle voorraad wat betreft de waaiers. Niet alleen alle soorten schoepen maar ook de schoephouders, hubs, pluggen, as – naafverbindingen, … worden hier gestockeerd. 4. In deze zone assembleert de arbeider de waaier. Volgens de instructies die hij meegekregen heeft van de werkplaatsverantwoordelijke kent hij alle gegevens om de waaier te assembleren. Ook het afzagen van de waaier op de correcte diameter gebeurt op deze locatie. 5. Hier situeert zich de balanceerunit. Afhankelijk van de type waaier en de toepassing moet deze uitgebalanceerd worden.
David Degryse
Masterproef
55
6. Op deze locatie bevindt zich het gereedschap voor het persen van een messing band aan de binnenkant van een ventilato ventilatorhuis. rhuis. Dit hoeft enkel voor sommige ATEX ventilatoren. 7. Dit zijn werkbanken voor arbeiders. Hier gebeurt de uiteindelijke assemblage van de ventilatoren. Ook de revisie en herstel van oudere ventilatoren gebeurt hier. 8. In deze zone bevinden zich wat grotere grotere bewerkingsmachines zoals een kleine draai – en freesbank, een kolomboormachine, een slijpmolen, … In het gebied afgebakend door de twee grote horizontale lijnen kan gebruik gemaakt worden van twee loopkatten die elk 500kg kunnen tillen. Het procesverloop op van een gewone axiale ventilator ziet er dan uit zoals weergegeven in Figuur 7.5.
Figuur 7.5:: Huidig procesverloop bij de productie van een axiale ventilator
1. Eerst en vooral gaat de arbeider achter de opdracht met de gegevens om de ventilator te assembleren. 2. Dan haalt hij de benodigde onderdelen uit het magazijn en plaatst die aan zijn werktafel. Dit zijn dan de motor, het ventilatorhuis, en de afschermingen. Deze stukken zullen daar blijven totdat de gehele ventilator klaar is. 3. Het volgende dat de arbeider hoeft te doen is de waaier maken. Hiervoor hoeft hij eerst de benodigde stukken te gaan halen alvorens hij daaraan kan beginnen. uitgebalanceerd 4. Indien nodig wordt de waaier uitgebalanceerd.
David Degryse
Masterproef
56
5. Als dit gebeurd is, kan de arbeider de waaier op de motor bevestigen en het geheel in het ventilatorhuis vastzetten. 6. Het kan soms zijn dat een extra bewerking nodig is. Denk bijvoorbeeld maar aan de beschermingsroosters die op maat moeten worden gebracht en waarvan de bramen afgeslepen moeten worden. 7. Indien de ventilator geassembleerd is, en die ook getest en goed gekeurd is, kan de arbeider de ventilator naar de uitgangscontrole brengen. Van daaruit worden ze dan verpakt en verzonden naar de klant. 8. De arbeider dient zijn opdracht met de meetresultaten en het balanceerrapport in en vraagt een nieuwe opdracht aan de werkplaatsverantwoordelijke. Het valt op dat in het verleden al, de werkplaats geschikt werd om de opeenvolgende stappen in het proces naast elkaar te plaatsen en dus zo weinig mogelijk tijd te verliezen door heen en weer te lopen. Soms kan het ook niet anders. Denk maar aan het ventilatorhuis dat ter plaatste blijft. Het is de waaier die elders wordt geassembleerd. Eigenlijk is de assemblage van de ventilator een gebeuren op één locatie. Het zijn de onderdelen en handwerktuigen die naar de ventilator gaan en niet de ventilator die door de verschillende processen gaat en zo beetje bij beetje vorm krijgt. De proceslay-out van de subassemblage van de waaier kan wel als een jobshop aanzien worden. De stukken worden genomen uit de voorraadrekken. De waaier wordt geassembleerd en ter plaatse op maat gezaagd en vervolgens wordt die al dan niet uitgebalanceerd. Dit kleine productieproces gebeurt in een hoekje van de werkplaats. Over correcte locaties van ieder onderdeel zou gediscussieerd kunnen worden.
7.7 Eerste mogelijke oplossing Door het feit dat het testen van de ventilatoren in de toekomst in een testruimte zou moeten gebeuren, moet de werkplaats wat herschikt worden. Beschouw nog maar eens de productie van een gewone axiale ventilator. Het ophalen van de opdracht door de arbeider zou uiteraard moeten blijven. Als de arbeider dan in het magazijn de grote onderdelen gaat halen en hij komt de werkruimte binnen zou hij onmiddellijk moeten de correcte stukken nemen om de waaier te assembleren. Nadien kan de arbeider dan het ventilatorhuis en dergelijke op de plaats gaan neerzetten waar hij de uiteindelijke assemblage zal verrichten. Met de stukken van de waaier kan hij zich dan naar de assemblagetafel begeven om de waaier samen te stellen. Het assembleren, afkorten en balanceren van de waaier zou op dezelfde plaats kunnen gebeuren. Met de afgewerkte waaier zou de arbeider dan uiteindelijk de ventilator kunnen assembleren. De afgewerkte ventilator kan dan naar de testruimte. Indien alles goed bevonden is, kan die ventilator dan ook weg voor de uitgangscontrole. Concreet betekent dit voor de werkplaats dat de bewerkingsmachines zouden wisselen van plaats met de voorraad van de waaieronderdelen. De werkbanken zouden uiteraard ook wat moeten herschikt worden. Er kan dan gezorgd worden voor een doorgangsweg. Aan de ene zijde ervan zou zich dan de testruimte met de waaiervoorraad bevinden terwijl aan de andere kant dan de werktafels zouden zijn.
David Degryse
Masterproef
57
Schematisch wordt dit weergegeven in Figuur 7.6.
Figuur 7.6: Eerste mogelijke oplossing
De onderdelen in de werkplaats zijn nog steeds dezelfde. Er is enkel een testruimte bijgekomen. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
Bureau van de werkplaatsverantwoordelijke; werkplaatsverantwoordelijke Voorraad kleine onderdelen; onderdelen Voorraad waaieronderdelen; waaieronderdelen Assemblagetafel voor de waaiers; waaiers Balanceerunit; Perstoestel voor messing band ATEX ventilatoren; ventilatoren Werktafels; Bewerkingsmachines; Testruimte.
Aan het aantal processen en het procesverloop is er ook niet veel gewijzigd. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
De opdracht ophalen van werkplaatsverantwoordelijke; werkplaatsverantwoordelijke Waaieronderdelen nemen en magazijnstukken magazijnstukken op werklocatie plaatsen; De waaier assembleren; assembleren De waaier uitbalanceren; uitbalanceren De ventilator assembleren; assembleren Indien nodigg een extra machinale bewerking; De afgewerkte ventilator testen in de testruimte; testruimte
David Degryse
Masterproef
58
8. De ventilator naar de uitgangscontrole voeren; 9. Documenten indienen aan werkplaatsverantwoordelijke. In de werkplaats zou er ook met behulp van vloermarkeringen een zone afgebakend kunnen worden waar er niet in gewerkt mag worden en er geen materiaal of onderdelen mogen rondslingeren. In die zone, die als ‘weg’ zou functioneren, zou het veiliger zijn om met een vorkheftruck rond te rijden.
7.8 Tweede mogelijke oplossing In voorgaand voorstel staan de werktafels nog relatief dicht van de transportweg. Zonder afscherming zou dit voor de arbeider heel aanlokkelijk zijn om daar onderdelen te plaatsen of zichzelf op de transportweg begeven. Een afscherming zou zoals reeds aangehaald een eerste mogelijke oplossing zijn. Een andere mogelijkheid bestaat erin om de positie van de centrale werktafels te verwisselen met die van de bewerkingsmachines. De situatie weergegeven in Figuur 7.7 zou zich dan voordoen.
Figuur 7.7: Tweede mogelijke oplossing
1. 2. 3. 4. 5.
Bureau van de werkplaatsverantwoordelijke; Voorraad kleine onderdelen; Voorraad waaieronderdelen; Assemblagetafel voor de waaiers; Balanceerunit;
David Degryse
Masterproef
59
6. 7. 8. 9.
Perstoestel voor messing band ATEX ventilatoren; Werktafels; Bewerkingsmachines; Testruimte.
Door de bewerkingsmachines langs de transportweg te plaatsen vermindert het risico dat een arbeider tijdens zijn werk ongewenst in die zone terecht komt. Dit omwille van het feit dat er tijdens het bewerken van een werkstuk op een machine geen andere machines of onderdelen aan te pas komen. Er moet opgemerkt worden dat er in dit geval zou moeten geïnvesteerd worden in extra voedingslijnen voor de bewerkingsmachines. In de werkplaats is er enkel voedingsspanning ter beschikking langs de wanden. Bijgevolg zouden er kabelgoten moeten geïnstalleerd worden met spanningskabels om de bewerkingsmachines van energie te voorzien.
7.9 Beoordeling Nadat deze twee voorstellen voorgelegd waren aan de firma, kwamen er enkele opmerkingen. •
Het verplaatsten van de voorraad aan waaieronderdelen weg van de assemblagetafel en balanceerunit is geen goed idee. Bij de groei van het bedrijf zouden er meer waaiers kunnen geproduceerd worden en zou dit door één enkele persoon kunnen gedaan worden.
•
Het verplaatsen van de bewerkingsmachines zou een extra kost met zich meebrengen. Ook het verplaatsen van de stopcontacten zou een extra kost betekenen. Het idee van het centraal plaatsen van de bewerkingsmachines wordt dan ook meteen afgeschoven. Dit omwille van de verandering van de infrastructuur.
•
Een positief feit is om alle arbeidszones te groeperen en deze te scheiden van een transportweg van de testruimte. Omwille van bovengenoemde redenen die niet worden uitgevoerd, zal deze er nu ook niet komen.
Er zijn nog andere mogelijkheden die overwogen werden. Zo zou de testruimte zich in het magazijn naast de werkplaats kunnen bevinden. De herinrichting van het magazijn en de minder comfortabele werkomgeving voor de persoon die de testen zou uitvoeren zijn de redenen om hier niet mee door te gaan. Een andere optie is om de testruimte in de hoek van de werkplaats te zetten waar nu de werktafels staan. Het argument om dit niet te doen is de aanwezigheid van de nooduitgang en de brandslang die zich dan in de testruimte zou bevinden. Tevens zou de aan en afvoer naar de testruimte steeds langs werktafels moeten gebeuren. Voor andere arbeiders zou dit hinderlijk zijn. Ook voor de productieflow, de afgelegde weg en tijd van een product in de werkplaats, zou dit niet bevorderlijk zijn. Een reden waarom er aan de indeling van de werkplaats niet veel veranderd zou mogen worden, is het feit dat het bedrijf in de komende jaren sterk zou kunnen groeien. Een andere indeling, of zelfs een andere functie van de huidige werkplaats, zou zich dan kunnen voordoen. Hiermee rekening houdend is er volgende indeling bekomen:
David Degryse
Masterproef
60
Figuur 7.8: Uiteindelijke locatie van de testruimte
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
Bureau van de werkplaatsverantwoordelijke; Voorraad kleine onderdelen; Voorraad waaieronderdelen; Assemblagetafel voor de waaiers; Balanceerunit; Perstoestel voor messing band ATEX ventilatoren; Werktafels; Bewerkingsmachines; Testruimte.
Het komt er op neer om de huidige indeling zoveel mogelijk te bewaren. De testruimte zal geplaatst worden op de plaats waar nu de voorraadrekken staan met waaieronderdelen. Een mogelijk nadeel daaraan verbonden is het feit dat de testruimte dan drie zijden zou hebben die om een extra afscherming vragen. In voorstel 1 & 2 zou dit slechts twee zijden zijn omdat de testruimte daar in een hoek van de werkplaats kan gezet worden. Om deze voorraad van de waaieronderdelen in de buurt te houden van de assemblagetafels voor de waaiers moeten deze rekken wat herschikt worden. Zo zou een eerste rek de meest courante stukken bevatten. De minder noodzakelijke stukken kunnen dan aan de andere zijde van de testruimte gestockeerd worden. Het feit dat de testruimte omgeven zou worden van voorraadrekken lost meteen een ander probleem op: dit van de drie onbeschermde zijden. Door twee rekken als afscherming te gebruiken van de testruimte, zal er in de toekomst slechts één afschermingzijde moeten
David Degryse
Masterproef
61
gemaakt of gekocht worden. Er dient wel een kleine aan passing te gebeuren aan de rekken. Zo moet de achterzijde ervan dan voorzien worden van een staalplaat of gaas zodanig dat voorraadelementen dan niet in de testzone terechtkomen. De locatie van de testruimte kan als functioneel aanschouwd worden. Ze staat hier namelijk niet middenin de groep van werktafels. Er is ook een vlotte doorgang mogelijk naar de uitgangspoort om ze klaar te zetten voor de uitgangscontrole.
David Degryse
Masterproef
62
8 Elektrisch testinfrastructuur 8.1 Inleiding Dit hoofdstuk handelt over de keuze van het elektrisch materiaal. Tevens wordt verklaard hoe de opbouw van de schakeling tot stand gekomen is. Op de werking van speciale toestellen wordt wat dieper ingegaan.
8.2 Elektrische schakelingen De bedoeling is dat na montage de afgewerkte ventilatoren naar de testruimte komen. De volgende parameters zouden minstens opgemeten moeten kunnen worden: • • • •
Elektrische stroom en eventueel andere parameters (Spanning, vermogen, PF, … ); Statische druk (enkel bij centrifugale ventilatoren); Trillingen; Omgevingstemperatuur.
Wat de elektrische parameters betreft, is het de bedoeling dat ventilatoren van alle groottes en types getest kunnen worden. In bijna alle gevallen zijn het 3-fasige motoren. Het komt in de praktijk echter zelden voor dat er 1-fasige motoren getest moeten worden. Toch moet ook die mogelijkheid voorzien worden. De grootte van de motoren kan ook sterk variëren. De kleinste motoren in het gamma hebben een vermogen van 120 W. De krachtigste motoren daarentegen hebben een nominaal vermogen van 55 kW. Neem aan dat een ventilator telkens in vollast werkt, dan onttrekken deze motoren respectievelijk een stroom van ongeveer 0,45 A en 100 A. Het spreekt voor zich dat iedere meting uitgevoerd zal moeten worden met een aanvaardbare nauwkeurigheid. Het is hiervoor niet ondenkbaar dat er voor eenzelfde parameter verschillende toestellen zullen moeten ingezet worden met elk een ander meetbereik. Door het centraliseren van alle uit te voeren testen, is het mogelijk om alle mogelijke voedingen, meetapparatuur en aansluitmogelijkheden op één plaats te houden. Om de ventilatoren aan te sturen zijn er immers verschillende mogelijkheden: •
Directe opstart: Wegens de grote aanloopstromen van de motor en de grote schokken die dit teweegbrengt, wordt dit zoveel mogelijk beperkt. In de praktijk zal de zwaarste motor die een directe opstart zal kennen een 4 kW motor zijn. Als een dergelijke motor gemonteerd is op een waaier met een grote inertie zou de stroompiek te lang aanhouden en kan er dan nog geopteerd worden om niet meer direct op te starten.
•
Frequentiesturing: Almeco bezit drie frequentiesturingen die gebruikt kunnen worden voor het proefdraaien van ventilatoren. Het betreft scalaire sturingen van 5,5 kW, 15 kW en 55 kW. De frequentiesturingen worden niet iedere keer opnieuw ingesteld volgens de motor die aangedreven moet worden. Dit zou tijdrovend en trouwens
David Degryse
Masterproef
63
nutteloos werk zijn. Een motor zal hoogstens enkele minuten werken tijdens het proefdraaien en heeft dus de kans niet om op te warmen. Zolang de frequentiesturing de motor kan laten draaien hoeft er niets aan de instellingen gewijzigd te worden. •
Softstarter: De firma bezit een softstarter van 37 kW. Een softstarter heeft het grote voordeel dat eenmaal hij opgestart is, hij zichzelf overbrugt. Dit zorgt ervoor dat de motor toch rechtstreeks op het net aangesloten is als hij zijn nominaal toerental draait. Bij het opstarten is er nog een grote stroompiek. Deze is echter veel kleiner dan bij een directe opstart. De schokken die verkregen worden in de ventilator bij een rechtstreekse opstart zijn niet meer aanwezig als de softstarter gebruikt wordt.
Er zijn dus een vijftal mogelijkheden om een ventilator aan te drijven. Het spreekt voor zich dat er nooit meer dan 1 aanstuurmogelijkheid in één keer mag ingeschakeld zijn. De sturing van 55kW wordt niet bij de testruimte geplaatst maar wordt ingeplugd wanneer deze nodig is. Om de uitgangen te schakelen kan er gebruik gemaakt worden van contactoren.
Figuur 8.1: Voedingsmogelijkheden voor te testen ventilator
Het aangename van een testzone is het feit dat er meerdere ventilatoren in één keer kunnen getest worden zonder ze telkens apart te moeten bekabelen. Zeker bij de kleinere modellen en bij seriewerk kan dit aan te raden zijn. Voor de aansluitmogelijkheden zou er gewerkt worden met 3-fasige stopcontacten. De arbeider hoeft dan alle motoren ineens te bekabelen en met de stekker de motor in te pluggen. Het spreekt voor zicht dat er telkens maar hoogstens één ventilator zal proefdraaien. De verschillende uitgangen kunnen ook geschakeld worden met contactoren. Door niet alle uitgangen te voorzien van het maximaal schakelbare vermogen kan er heel wat bespaard worden op de kostprijs van de installatie. Er is geopteerd dat er vier ventilatoren met een vermogen kleiner of gelijk aan 5,5 kW geschakeld moeten kunnen worden. Voor motoren met een vermogen groter dan 5,5 kW en kleiner dan 15 kW zijn er slechts twee aansluitmogelijkheden meer. Ventilatoren met een motorvermogen groter dan 15 kW zullen slechts één voor één afzonderlijk getest kunnen worden.
David Degryse
Masterproef
64
Figuur 8.2: Mogelijkheden om ventilatoren aan te sluiten
Het opmeten van de elektrische grootheden kan ook geïntegreerd worden in de schakeling. Het is logisch dat enkel de waarden van de ventilatormotor interessant zijn. Bijgevolg zullen de waarden opgemeten worden op een locatie na de sturingen. Aangezien het eenvoudiger is om ze ook te integreren in de schakelingen, kunnen ze geplaatst worden vlak voor de 3-fasige stopcontacten waarop de te testen ventilatoren aangesloten zullen worden. Door het grote stroombereik dat nauwkeurig opgemeten moet worden, is het al zeker dat één meetmogelijkheid niet voldoende zal zijn. Daardoor zal er gebruik gemaakt worden van twee, drie of meer meeteenheden die een voldoende nauwkeurigheid garanderen.
Figuur 8.3: Meetmogelijkheden
In de schakeling zal er geen onderdeel voorzien worden om de draairichting van de motoren te veranderen. Dit is een kost die vermeden kan worden door tijdens de realisatie van het geheel te zorgen voor uniformiteit in de installatiekabels. Als bijvoorbeeld de zwarte, grijze en bruine kabel respectievelijk aan U1, V1 en W1 aangesloten wordt van een motor, dan zal dit ervoor zorgen dat om het even welke motor steeds dezelfde draaizin heeft. De arbeider kan
David Degryse
Masterproef
65
dus steeds op voorhand weten hoe zijn motor zal draaien en aan de hand van dit gegeven al dan niet de fasevolgorde van de aansluiting wijzigen.
8.3 Belangrijk installatie- en meetapparatuur Voor het meten van elektrische parameters moeten in eerste instantie de stroom- en spanningswaarden gekend zijn. Het rechtstreeks meten van spanningen is geen probleem. De firma bezit een TNS net 3x400V+N. Veel courante meettoestellen zijn in staat om een spanning van 400V rechtstreeks binnen te lezen. Het is dus niet nodig om die spanning om te vormen. De stroom die in de installatie moet kunnen vloeien varieert van 0 A (0,45 A) tot 100A. Dergelijke grote stromen kunnen door de meeste toestellen niet meer rechtstreeks binnengelezen worden. Een oplossing is dan gebruik maken van stroomtransformatoren. Stroomtransformatoren transformeren de stroom naar een bereik typisch 1 A of 5 A.
8.3.1 Stroomtransformatoren 8.3.1.1 Klassieke transformator De stroomtransformator verschilt in werkelijkheid niet zoveel van een klassieke transformator. Voor de bespreking van stroomtransformatoren worden hier enkel de fundamentele zaken beschouwd. Om dieper in te gaan op de werking, symboliek en voorstellingen van transformatoren wordt verwezen naar de specifieke literatuur.22
Figuur 8.4: Klassieke niet ideale transformator
Voor een klassieke, ideale transformator geldt volgende gelijkheid: _
_
Hierbij geldt:
`
a
b
` a b
(8.1)
N: Het aantal windingen aan primaire (1), secundaire (2) zijde; E: De geïnduceerde spanning aan primaire (1), secundaire (2) zijde [V]; U: De klemspanning aan primaire (1), secundaire (2) zijde [V];
22
Interne opleidingscursus PIH: WALCARIUS, H., Theorie basis wisselstroomtechnieken, Deel 2: Transformatoren, 2005-2006.
David Degryse
Masterproef
66
I: De stroom aan primaire (1), secundaire (2) zijde [A]. Uit het vectordiagram van de niet ideale transformator kan aangetoond worden dat aan deze voorwaarde niet meer voldaan wordt.
Figuur 8.5: Vectordiagram van niet ideale transformator
Bij transformatoren ontstaan er dus twee fouten. De stroom/spanningsverhouding komt niet meer overeen met de verhouding van de opgewekte e.m.k. Bovendien is de faseshift tussen primaire spanning en stroom niet gelijk aan de faseshift tussen secundaire spanning en stroom. Bij een meting, en specifiek bij een vermogenmeting, is het niet alleen de grootte die correct omgezet moet worden, maar ook de hoekverschuiving tussen spanning en stroom zou onveranderd moeten blijven. 8.3.1.2 Werking stroomtransformatoren Bij stroomtransformatoren moet er vooral naar de stromen gekeken worden. De primaire en secundaire spanningen moeten zo laag mogelijk zijn. Bij stroomtransformatoren worden deze spanningen geïnterpreteerd als spanningsvallen over secundaire en primaire ten gevolge van de doorlopen stroom. De belasting van een stroomtransformator bestaat, als die normaal gebruikt wordt, uit een ohms - inductieve belasting (meetspoel). De opgedrongen belastingsstroom wordt door de primaire windingen doorlopen en creëert een aantal ampère – windingen. Deze dienen ten allen tijde gecompenseerd te worden door een aantal ampère – windingen ten gevolge van de secundaire stroom. Om deze reden moet een stroomtransformator steeds belast zijn. Indien er geen secundaire stroom kan vloeien, worden het aantal ampère – windingen ten gevolge van de primaire stroom niet meer gecompenseerd. Bijgevolg wordt de volledige primaire stroom gebruikt om de stroomtransformator te magnetiseren. Hierdoor zal de ijzeren kern heel sterk in verzadiging gaan, wat absoluut te vermijden is. Als er wel een secundaire stroom vloeit, worden de ampère - windingen ten gevolge van de primaire stroom deels gecompenseerd door de ampère - windingen ten gevolge van de secundaire stroom. Het resterend aantal ampère - windingen dienen dan om de kern te magnetiseren. De magnetische flux gevormd in de kern moet net zo groot zijn dat deze aan secundaire zijde een kleine spanning opwekt die de secundaire stroom tot gevolg heeft. De magnetiseringsstroom, die afgeleid kan worden uit de resterende ampère – windingen, zal verantwoordelijk zijn voor de hoekfout en de amplitudefout van de secundaire stroom. De
David Degryse
Masterproef
67
producenten van stroomtransformatoren zorgen er voor dat de magnetiseringsstroom zo laag mogelijk is om een zo klein mogelijke amplitude en hoekfout te bekomen. In Figuur 8.6 is het vectordiagram getekend van een stroomtransformator met een transformatieverhouding gelijk aan één.
Figuur 8.6: Vectordiagram van een stroomtransformator
Zowel de amplitudefout als de hoekfout wordt bepaald uit de grootte van de magnetiseringsstroom van een stroomtransformator. Dit willen zeggen dat het aangewezen is om de belastingsstroom (stroom in primaire) liefst zo dicht mogelijk van de nominale waarde te houden en de impedantie die de secundaire belast, liefst zo laag mogelijk te houden. De omzettingsfout en de hoekfout kunnen dan gedefinieerd worden. 7
b E;.b ;.b
c arg hhi g j arg ghhhi Hierbij is:
(8.2) (8.3)
f: De amplitude- of omzettingsfout I: De stroom aan primaire (1), secundaire (2) zijde [A] k: De transformatieverhouding: het quotiënt van de secundaire nominale stroom tot de primaire nominale stroom. δ: De hoekfout [°]
8.3.1.3 Uitvoeringsvormen Om in de praktijk de stromen te kunnen meten moet de stroomtransformator uiteraard in serie met de verbruiker geschakeld worden. Naast een transformerende eigenschap zullen stroomtransformatoren voor hoogspanningstoepassingen ook een isolerende eigenschap moeten bezitten. Er bestaan ook verschillende soorten uitvoeringen van stroomtransformatoren. Voor lage stromen is er, wegens het zwakke magnetisch veld, effectief een primaire wikkeling nodig. Eenmaal de stroomwaarde groter wordt (25 A à 50 A), kunnen er doorvoerstroomtransformatoren gebruikt worden. In principe zijn dit gewone David Degryse
Masterproef
68
stroomtransformatoren met slechts één primaire wikkeling. Verder bestaat er dan ook nog de mogelijkheid om te kiezen voor demonteerbare stroomtransformatoren of niet, wat handig kan zijn om ze te plaatsen op bestaande installaties.
Figuur 8.7: Praktische uitvoeringen van stroomtransformatoren23
8.3.1.4 Keuze van de stroomtransformatoren. Aangezien het stroombereik dat nauwkeurig opgemeten moet kunnen worden heel groot is, zal het praktisch niet haalbaar zijn om dit met slechts één enkele stroomtransformator te doen. De nauwkeurigheid neemt immers af naarmate de belasting van de stroomtransformator afneemt. Daarom zijn er drie verschillende stroomtransformatoren voor drie verschillende bereiken gekozen. De secundaire stroom wordt standaard op 5 A of 1 A gezet. Voor de eenvoud en de eventuele mindere kostprijs wordt er geopteerd om te kiezen voor 5 A aan secundaire zijde. Er zullen dus drie types stroomtransformatoren nodig zijn. • • •
100/5; 30/5; 10/5.
Voor stromen kleiner dan 5A kan er in principe gemeten worden zonder stroomtransformatoren. Toch wordt er hiervoor niet geopteerd. Bij een forse overstroom wordt een stroomtransformator magnetisch verzadigd waardoor de stroomwaarde aan secundaire zijde beperkt blijft. De continue aanwezigheid van een stroomtransformator heeft dus een beschermende functie voor het meettoestel. Voor de allerkleinste stroomwaarden kan het nog zijn dat de meting onnauwkeurig is. Zolang er een idee kan geschetst worden hoe groot de fout dan wel is, is dit voor de firma aanvaardbaar. 8.3.1.5 Specificaties Bij het gebruik van stroomtransformatoren moeten nog enkele termen bekend zijn. De meeste onder hen zijn van toepassing bij de keuze van stroomtransformatoren voor de testzone. •
23
Het maximaal toelaatbaar schijnbaar vermogen: Het maximaal schijnbaar vermogen van een stroomtransformator, uitgedrukt in VA, is het maximale vermogen dat de transformator aan secundaire zijde kan leveren. Dit betekent dat de som van de jouleverliezen in de kabels en het eigenverbruik van het meettoestel kleiner moet zijn dan deze waarde. Indien dit niet het geval is, is het mogelijk dat de
Verdoolaege NV, catalogus, MBS Product Range 2008, 356 pagina’s.
David Degryse
Masterproef
69
stroomtransformator niet meer aan zijn specificaties voldoet. De jouleverliezen in de kabels zijn kwadratisch afhankelijk van de doorlopen stroom. Daarom worden bij grote kabellengtes en bij nauwkeurige metingen stroomtransformatoren gebruikt die aan secundaire zijde maximaal 1 A uitsturen. De jouleverliezen in de kabels zijn dan een factor 25 keer kleiner. Voor de toepassing in de testzone kan geopteerd worden om te kiezen voor een schijnbaar vermogen van 10VA. Dit is al een relatief grote waarde voor een stroomtransformator en aangezien het meettoestel nog niet gekozen is, wordt verondersteld dat dit zeker zal voldoen. Ook zal alles in de schakelkast geïntegreerd zitten wat de kabellengtes voldoende beperkt. •
Thermische grensstroom: Dit is de effectieve waarde van de primaire stroom die de stroomtransformator kan voeren gedurende één seconde zonder elektrische of mechanische schade te hebben opgelopen.
•
Nauwkeurigheid: Standaard worden stroommeettransformatoren uitgevoerd met een nauwkeurigheidsklasse van 0.1%, 0.2%, 0.5%, 1% of 3%. Verder wordt er nog een veiligheidsfactor k meegegeven die aangeeft bij welke overstroom de fout 10% wordt. Merk op dat de nauwkeurigheid enkel slaat op de amplitude van de stroom bij nominale belasting. In catalogi wordt er ook nog een hoekfout meegedeeld voor een zekere belasting bij een zeker nauwkeurigheidsklasse. Aandacht is hier vereist aangezien de hoekfout meestal wordt uitgedrukt in minuten van honderdsten van een radiaal. Normaal gezien zal voor de testruimte een nauwkeurigheidsklasse van 1% meer dan voldoende zijn. Indien de kostprijs het toelaat zal er eventueel kunnen overgestapt worden naar meer nauwkeurigere stroomtransformatoren.
Voor de testruimte zullen, zoals reeds gezegd, drie types stroomtransformatoren nodig zijn (100/5, 30/5, 10/5). De nauwkeurigheidsklasse is vastgesteld op 0,5% en het schijnbaar vermogen op 10VA. Ook de grote stroomtransformator (100/5) is uitgevoerd als een stroomtransformator met een primaire wikkeling. Praktisch en economisch zou het misschien aangewezen zijn om een doorvoerstroomtransformator te kiezen, maar het schijnbaar vermogen van dergelijke stroomtransformatoren is beduidend lager dan van de stroomtransformatoren met een primaire wikkeling. Datasheets van de gekozen stroomtransformatoren kunnen in bijlage 5 gevonden worden. Voor de aankoop van stroomtransformatoren werden enkele prijsaanvragen ingediend. Het blijkt dat de kostprijs van dergelijke component relatief laag is (€30 - 60€). Daarom is er geopteerd om die componenten samen te bestellen met het andere elektrisch materiaal. Een prijsaanvraag voor de stroomtransformatoren is samen met de rest van het benodigde elektrische materiaal aangevraagd. Hiervoor werd er contact gelegd met de firma Cheyns NV uit Kortrijk, Cebeo: verkoopsfiliaal in Kuurne en de firma Bekeart Eric NV uit Kortrijk. De kostprijs voor stroomtransformatoren bij voorgaande leveranciers liggen dicht bij elkaar. Nadien is er beslist om al het materiaal bij de firma Bekaert Eric NV te bestellen, enerzijds dankzij de goede voorwaarden, anderzijds vanwege de reeds opgebouwde relatie met die firma.
David Degryse
Masterproef
70
8.3.2 Beveiliging Het spreekt voor zich dat een elektrische installatie een beveiliging nodig heeft. De aftakking van de spanning zou gebeuren van het railstelsel dat reeds in de werkplaats aanwezig is. Aangezien de softstarter toch verplaatst moet worden in de werkplaats, kan dit aftakmateriaal hergebruikt worden. Deze aftakking wordt direct beveiligd met trage meszekeringen (gL/gG) van 100 A (Ik= 120kA). 8.3.2.1 Kortsluitstroom Op het algemeen laagspanningsbord in de firma kan de maximale kortsluitstroom 8,6 kA bedragen. Dit is een waarde die opgegeven is door de installateur van de elektrische installatie. Bij een kortsluiting moet een beveiliging immers in staat zijn om de kortsluitstroom te breken. Wat verder, op de plaats van de testzone zal dit logischerwijze iets minder zijn. In de werkplaats worden er voor de aftakking van het railstel, die overal de spanning voorziet, automaten gebruikt met een onderbrekingsvermogen van 6 kA. Het vermoeden is er dat dit ook in deze toepassing voldoende zal zijn. Toch kan dit even nagerekend worden. Volgende gegevens van de installatie zijn gekend: Tabel 8.1: Gegevens betreffende de laagspanningsinstallatie in Almeco
Transformator Sn [kVA] In [A] Ucc (%] Lastverliezen [kW] R fase [mΩ] X fase [mΩ] Kabel naar laagspanningsbord Lengte [m] Fase [mm²] PEN [mm²] Railstel naar werkplaats Lengte [m] Fase [mm²]
250 344 4 3 8,31 26,94 15 2x95 2x50 30 (schatting) 25
In eerste instantie kan de kortsluitstroom op het niveau van het laagspanningsbord berekend worden g Hierbij is:
David Degryse
a l
a
:mn Ion
(8.4)
I: De kortsluitstroom [A]; U: De fasespanning [V]; Z: De fase-impedantie [Ω]; pq : De fase - inductantie [Ω]; q : De ohmse weerstand per fase [Ω]. Masterproef
71
Voor de berekeningen wordt er verondersteld dat de fasespanning juist 230V is. De faseimpedantie bestaat hoofdzakelijk uit de impedantie van de transformator en van de kabel. De gegevens van de transformator zijn gekend. De inductantie van de kabel zal verwaarloosd worden omwille van het feit dat de kabellengtes hier beperk zijn. Anders wordt er als richtwaarde gerekend met 3,3mH/km. De ohmse weerstand van de kabel daarentegen kan zelf berekend worden met de wet van Pouillet.
ρ r
=,% 8st u %
W% 8sL ²
1,38 10E" Ω
(8.5)
R: De ohmse weerstand van de geleider [Ω]; ρ: De specifieke weerstand van het geleidermateriaal (koper: 17,5 10EW Ω(); l: De lengte van de geleider [m]; A: De doorsnede van de geleider [m²].
Hierbij is:
Vervolgens kunnen de ohmse weerstanden van de geleider en van de transformator bij elkaar opgeteld worden. De kortsluitstroom op niveau van het laagspanningsbord kan berekend worden g Hierbij is:
a l
a
:mn Ion
"8{
|0<,W} 8s~ u5 I0 ," 8s~ uI," 8s~ u5
8034/
(8.6)
I: De kortsluitstroom [A]; U: De fasespanning [V]; Z: De fase-impedantie [Ω]; pq : De fase-inductantie [Ω]; q : De ohmse weerstand per fase [Ω].
De kortsluitstroom is qua grootteorde gelijkaardig aan de kortsluitstroom opgegeven door de installateur. Om de kortsluitstroom te kennen op het punt van aftakking in de werkplaats moet er eerst nog de ohmse weerstand gekend zijn van het railstel tot in de werkplaats. Hierbij is:
ρ r
=,% 8st u "8
% 8sL ²
21 10E" Ω
(8.7)
R: De ohmse weerstand van de geleider [Ω]; ρ: De specifieke weerstand van het geleidermateriaal (koper: 17,5 10EW ); l: De lengte van de geleider [m]; A: De doorsnede van de geleider [m²].
Het valt onmiddellijk op dat de ohmse weerstand van dit railstel veel hoger is dan van de voedingskabels van het algemeen laagspanningsbord. De kortsluitstroom op het punt van aftakking kan berekend worden door de ohmse weerstand van het railstel bij de andere ohmse weerstanden te tellen. Ook hier wordt de inductantie van het railstel verwaarloosd.
David Degryse
Masterproef
72
g
a l
Hierbij is:
a
:mn Ion
"8{
|0<,W} 8s~ u5 I0 ," 8s~ uI," 8s~ uI 8s~ u5
5632/
(8.8)
I: De kortsluitstroom [A]; U: De fasespanning [V]; Z: De fase-impedantie [Ω]; pq : De fase-inductantie [Ω]; q : De ohmse weerstand per fase [Ω].
Uit de berekeningen blijkt dat de maximale kortsluitstroom op het punt van aftakking ongeveer 5,6kA bedraagt. In die berekeningen zijn er enkele verwaarlozingen gemaakt: inductantie van de kabels, impedanties van zekeringen en automaten, de impedantie van het stroomopwaartse net, … . De berekende waarde is een maximale waarde. Het is dus zeker verantwoord om in de schakelkast automaten te gebruiken met een kortsluitvermogen van 6kA. 8.3.2.2 Uitschakelkarakteristieken In alle gevallen moet een motor gestart kunnen worden. Dit kan met een directe opstart, met de softstarter of met de frequentiesturingen gebeuren. De gekozen automaten zijn van het merk Merlin Gerin. Er is geopteerd om automaten te kiezen met een uitschakelcurve type D. Deze kunnen gedurende een korte tijd een stroom verdragen die 10 à 14 keer de nominale stroom is alvorens de magnetische beveiliging van die automaten in werking treedt. De sturingen zijn individueel al passend beveiligd. De gekozen automaat dient dus enkel om de resterende kring stroomafwaarts te beveiligen.
Figuur 8.8: Mogelijke uitschakelkarakteristieken24
24
Catalogus elektrisch installatiemateriaal: www.schneider-electric.be.
David Degryse
Masterproef
73
8.3.2.3 Keuze van de beveiliging Een eerste kring die beveiligd moet worden, is deze van alle randapparatuur. Dit kan de pc of een meettoestel op 230V AC zijn. Een tweepolige automaat van 20A is hier voldoende. Verder is er nog een beveiliging nodig voor de 24V DC voeding. Het zusterbedrijf PCA is vertrouwd met het bouwen van elektrische kasten met een sturing. Op hun advies werd er aangeraden om te kiezen voor een gebruikelijke Sitop voeding van Siemens. Een 2A voeding zou in deze toepassing normaal gezien al volstaan hebben. Er is toch aangeraden geweest om de voeding een klasse zwaarder te kiezen dan nodig. Bijgevolg is er een 5A voeding aangekocht die eigenlijk nauwelijks meer kost dan de 2A voeding. Twee eenvoudige automaten volstaan om deze voeding aan primaire en secundaire zijde te beveiligen. Een volgende kring die beveiligd zal worden is deze die de mogelijkheid voorziet voor de directe opstart van een motor. Aangezien het motorvermogen voor een directe opstart zal beperkt worden tot 4 kW, is het voldoende om te kiezen voor een 4-polige beveiliging van 20 A. De nulleider moet hier immers meegenomen worden aangezien Enkelfasige motoren ook gestart moeten kunnen worden. Draadsecties van 2,5 mm² zijn hier voldoende. Ook de sturing van 5,5 kW heeft voldoende aan een 4-polige automaat van 20 A en draadsecties van 2,5mm². De kring van de softstarter hoeft geen extra beveiliging. De softstarter zal immers extern geplaatst worden en deze heeft in zijn eigen schakelkast al een aangepaste beveiliging. Verder is er nog de kring van de 15 kW sturing die moet beveiligd worden. Een 4-polige automaat van 32 A is voldoende. Wel moeten er draadsecties van 4 mm² gebruikt worden. De sturing van 55 kW zal niet verplaatst worden naar de testruimte. Deze staat momenteel centraal opgesteld in het bedrijf en kan indien nodig gebruikt worden voor speciale projecten. Indien de sturing nodig zou zijn voor het testen van de ventilatoren, dan kan deze met een 3-fasige stekker worden ingeplugd worden. Die sturing zou dan bediend worden met de afstandsbediening. Voor de stromen tot 100 A moeten er wel draadsecties van 25 mm² worden toegepast. Aangezien de sturing van 55kW niet opgenomen wordt in de schakelkast van de testruimte, kan er gekozen worden om gans de testinstallatie te beveiligen met een automaat van slechts 80 A. Die is dan een categorie kleiner dan de automaat in het algemeen laagspanningsbord (100 A) wat de kans op selectiviteit vergroot. 8.3.2.4 Selectiviteit? De vraag rijst nu wat er gebeurt als er een kortsluiting of overbelasting optreedt. Totale selectiviteit is er wanneer in alle mogelijke foute situaties het steeds de beveiliging is die het dichtst van de bron staat die uitgeschakeld wordt. Het is al snel duidelijk dat dit misschien wel haalbaar maar onbetaalbaar is. De maximale kortsluitstroom is voldoende laag. Alle automaten zijn in staat om die kortsluitstroom te onderbreken. De automaat die de voedingsrails in de werkplaats beveiligt, kan een nominale stroom aan van 100 A. De magnetische beveiliging van deze automaat treedt pas in werking als de stroom groter wordt dan 800 A. Indien er een overbelasting of een kleine kortsluiting optreedt, zal een automaat van de testruimte in werking treden. Bij de hoofdautomaat kan er een tijdsvertraging ingesteld worden waardoor er zo tijdselectiviteit verkregen wordt. Als er
David Degryse
Masterproef
74
echter een zware kortsluiting optreedt, kan niet met zekerheid gezegd worden welke beveiliging eerst in werking zal treden. Vermoedelijk is dit een beveiliging van de testruimte. Indien dit niet het geval is schakelt de hoofdautomaat een deel van de werkplaats uit. In het tienjarig bestaan van Almeco te Moeskroen is het nog geen enkele keer voorgevallen dat de hoofdautomaat de werkplaats uitschakelt. Als er al eens een kortsluiting voorkwam, was de beveiliging na de aftakking van het railstelsel vlug genoeg om die te onderbreken. Stel nu nog dat hoofdautomaat een deel van de werkplaats zonder spanning zet, is dit niet echt kritisch. De enige andere verbruikers op dit circuit zijn: een zaagmachine, de balanceerunit, een radio, eventueel klein elektrisch handgereedschap, … . Als de spanning zou wegvallen voor deze gebruikers kan dit absoluut geen kwaad voor de veiligheid van de arbeiders of voor het productieproces.
8.3.3 3-fasige stekkers Als er arbeiders af en toe eens tot bij een klant moeten om een probleem op te lossen, kan het gebeuren dat ze een frequentiesturing nodig hebben. Daarom wordt er voor gekozen om de sturingen van 5,5 kW en 15 kW niet vast op te stellen. Om deze mogelijkheid te voorzien wordt er gekozen om ze te kunnen in- en uitpluggen met behulp van 3-fasige stekkers. De softstarter daarentegen zal in zijn eigen schakelkast blijven, maar zal vast opgesteld worden. De stekkergroottes die gebruikt moeten worden zijn beperkt tot twee. In Almeco zijn er namelijk reeds stekkers van 32 A en 125 A aanwezig. Het spreekt voor zicht dat alle stekkers 5-polig zijn. Voor de sturingen van 5,5 kW en 15 kW volstaan stekkers van 32 A. De sturing van 55 kW hoeft een stekkeraansluiting van 125 A. Ook de verbinding tussen de ventilatormotor en de schakelkast zal geschieden met 3-fasige stekkers. Aangezien er toch nooit meer dan één ventilator met een vermogen groter dan 15 kW tegelijk getest zal worden, hoeven ook niet alle stopcontacten van het grootste kaliber te zijn. Hier zullen er drie 3-fasige stopcontacten van 32 A en één van 125 A komen. Er zullen wel meer stekkers nodig zijn dan dat er stopcontacten zijn. Dit om de problematiek rond kabeldiktes te elimineren. Het kan best zijn dat een stekker van 125 A bekabeld wordt met een kabel van 4 mm². Zo kunnen er toch 4 kleine motoren tegelijkertijd bekabeld en getest worden.
8.3.4 Contactoren. Het zusterbedrijf PCA is redelijk vertrouwd met het opbouwen van elektrische schakelkasten. Op hun aanraden zal hier voor dezelfde type contactoren gekozen worden, namelijk: LC1D..P7 van Téléméchanique. Deze contactoren zijn heel modulair. Ze kunnen met tal van hulpcontacten en andere elementen worden uitgebreid. Ook bestaan ze in een heel brede waaier wat betreft hun nominale stroom.
David Degryse
Masterproef
75
Figuur 8.9: Gekozen contactor LC1D..P7 van Téléméchanique
Als een contactor ingezet moet worden, is het niet om het even welk type contactor er voor een zekere toepassing gebruikt wordt. Er bestaan immers verschillende gebruikersklassen. Tabel 8.2: Verschillende gebruikersklassen voor contactoren
Wisselstroom AC-1 De vermogensfactor is ten minste gelijk aan 0,95 Vb: verwarming AC-2
AC-3
AC-4 en AC-2 AC-41
AC-42
Wordt gebruikt voor het starten, tegenremmen en het trapsgewijs schakelen van sleepringankermotoren. De inschakelstroom is ongeveer 2,5 keer de nominale stroom Wordt gebruikt voor het onderbreken van kooiankermotoren terwijl de motor draait. De inschakelstroom is 5 tot 7 keer de nominale stroom Wordt gebruikt voor kooianker- of sleepringankermotoren die tegenremmen of trapsgewijs schakelen Bedieningsschakel- en beveiligingsapparaten met niet of zwak inductieve belastingen. Vb.: verwarming Bedieningsschakel- en beveiligingsapparaten met (sterk) inductieve belasting. Vb.: kooiankermotor
David Degryse
Gelijkstroom DC-1 Voor op gelijkstroomwerkende gebruikersapparaten waarvan de tijdsconstante (L/R) kleiner is dan 1 ms. DC-3 Regelt het starten, tegenremmen en trapsgewijs schakelen van shuntmotoren met een tijdsconstante (L/R) die maximaal 2 ms is. DC-5
Masterproef
Regelt het starten, tegenremmen en trapsgewijs schakelen van seriemotoren met een tijdsconstante (L/R) die maximaal 7,5 ms is.
76
Voor de toepassing in de testruimte, waar alle ventilatoren met een kooiankermotor worden uitgerust, moeten alle contactoren van het type AC-3 zijn. Nu blijkt dat in sommige gevallen er een 4-polige contactor vereist is. Daar AC-3 contactoren enkel dienen voor het schakelen van 3-fasige motoren bestaan dergelijke contactoren niet in een 4-polige uitvoering. Daarom zal er moeten gekozen worden voor contactoren van klasse AC-1 en deze zodanig declasseren zodat ze voldoen aan de voorwaarden voor een AC-3 contactor. Voor de bekrachtiging van de contactoren wordt gekozen voor een 230 V AC spanning. Dit beperkt de benodigde stroom. De contactoren worden telkens de eerstvolgende categorie hoger gekozen dan de nominale stroom die ze moeten voeren. Zo is het zeker dat ze bij een eventuele kleine overstroom die in alle gevallen kunnen onderbreken. Ook kunnen ze op thermisch gebied wat meer verdragen. Alle contactoren zijn normaal standaard voorzien van één normaal open en één normaal gesloten hulpcontact. Voor de 3-fasige stopcontacten naar de testruimte toe wordt er geopteerd om niet alle uitgangen evenveel stroom te laten voeren. Het kan zijn dat er vier kleinere ventilatoren in één keer bekabeld en getest worden. Er werd ook een keuze gemaakt om slechts twee ventilatoren met een vermogen groter dan 5,5 kW tegelijk te bekabelen en te testen. Eenmaal een ventilator een vermogen bezit groter dan 15 kW, kan er slechts één ventilator per keer bekabeld en getest worden. Merk op dat ventilatoren met een groot vermogen zelden voorkomen. Ongeveer 5 % van alle geproduceerde ventilatoren heeft een vermogen groter dan 15 kW. De datasheets van de gekozen contactoren kan in bijlage 6 teruggevonden worden. Alvorens tot de aankoop over te gaan van het benodigde elektrisch materiaal, moeten de prijzen worden vergeleken van verschillende leveranciers. Hiervoor is een prijsaanvraag ingediend aan de firma Cheyns NV uit Kortrijk, aan Cebeo: het verkoopsfiliaal in Kuurne en aan Bekaert Eric NV uit Kortrijk.
8.3.5 Voedingstransformator Alle gekozen contactoren hebben een spoel die bekrachtigd wordt met een 230V AC spanning. Een voordeel hiervan is dat de benodigde stroom veel kleiner is dan bij contactoren met een 24V DC bekrachtigingspoel. Nu kan er hiervoor gemakshalve een fasespanning gebruikt worden om alle contactorspoelen te voeden. De machinerichtlijn legt echter op dat voor dergelijke toepassingen er gewerkt moet worden met een scheidingstransformator. Om de nullijn niet nodeloos te belasten is er geopteerd voor 400/230 V AC stuurstroomtransformator van Erea. Belangrijk is het schijnbaar vermogen van een dergelijke stuurstroomtransformator. Om dit schijnbaar vermogen te bepalen is er rekening gehouden met de worst case situatie. Vertrekkende van een aantal contactoren die al ingeschakeld zijn, en een aantal die ingeschakeld worden, kan er een som gemaakt worden van de benodigde vermogens. Merk op dat de zwaarste contactoren in de testruimte 200A in AC1 en dus 115A in AC3 kunnen schakelen. Deze behoeven een nominaal vermogen van 22VA en een inschakelvermogen van 300VA. Het inschakelvermogen is slechts heel kortstondig en een transformator kan gerust wat overbelast worden. Toch is er een transformator van 630VA gekozen om de warmteontwikkeling zo veel mogelijk te beperken. Zowel de kring als de transformator zelf zijn beveiligd. De primaire kring bezit een kleine automaat, terwijl de secundaire zijde thermisch beveiligd is met een kleine motorbeveiliging.
David Degryse
Masterproef
77
Zowel de DC voeding als de stuurstroomtransformator hebben uiteraard aan secundaire zijde 1 fase die geaard is.
8.3.6 Veiligheidsrelais Deze testruimte is een elektrische uitrusting. Het is niet ondenkbaar dat er ooit eens iets fout loopt. In dergelijke situaties moet de gebruiker kunnen ingrijpen en het geheel veilig afschakelen. Het spreekt voor zich dat er een noodstop hier onontbeerlijk is en dat deze zich binnen handbereik van de gebruiker moet bevinden. Als de noodstop ingedrukt wordt, moet de installatie gegarandeerd uitvallen. Anderzijds, als de installatie opnieuw geactiveerd wordt, moet er zekerheid zijn dat dit in een veilige situatie kan gebeuren. Een veiligheidsrelais vervult deze functies. Om een veiligheidsrelais te kunnen toepassen moet er gekend zijn welke risicocategorie er van toepassing is. Het bepalen van die risicocategorie en de systeemeisen ervan staan beschreven in de EN 954-1 norm. Vertrekkende van de risicoanalyse kan er aan de hand van Figuur 8.10 afgeleid worden welke categorie er van toepassing is. Het risico wordt bepaald aan de hand van een aantal parameters. De combinatie leidt tot een bepaalde indeling in een zekere veiligheidscategorie.
Figuur 8.10: Selectie van de nodige veiligheidscategorie25
Hierbij is:
S: de mate van de verwonding • S1: Lichte verwondingen (omkeerbaar); • S2: ernstige verwondingen of dood (onomkeerbaar). F: Frequentie van blootstelling • F1: Zelden tot soms en/of korte blootstellingstijd; • F2: Vaak tot continu en/of lange blootstellingstijd.
25
Bepalen van de nodige veiligheidscategorie volgens EN 954-1: http://wiki.edu-lab.nl/
David Degryse
Masterproef
78
P: Mogelijkheid tot afwenden • P1: mogelijk onder bepaalde omstandigheden; • P2: nauwelijks mogelijk. Uit de risicoanalyse is gebleken dat bij het testen van ventilatoren in de testruimte nog steeds ernstige verwondingen kunnen optreden (S2), ook al is het risico sterk verminderd door de vaste werkprocedure en de afscherming. Het risico op ernstige verwondingen is immers niet nul. Als een gebruiker in de toekomst continu ventilatoren gaat testen, dan is de blootstellingstijd continu (F2). Ook al is het gevaar op ernstige verwondingen miniem, de gebruiker is voortdurend bezig met het testen. Het gevaar is wel af te wenden onder bepaalde omstandigheden (P1). Zo is er een afscherming voorzien die de te testen ventilatoren afschermt van de omgeving. De hoofdschakelaar van de testruimte bevindt zich uiteraard aan de buitenzijde zodat het mogelijk is om deze in extreme situaties te bedienen. Volgens de EN 954-1 norm is de categorie van de veiligheidsfunctie dan B3. Toch is er geopteerd om categorie B4 van toepassing te laten zijn. Een hogere categorie kan verantwoord zijn om eventuele inschattingsfouten tijdens de risicoanalyse in te dekken. Een categorie B4 is ook verantwoord omwille van het feit dat het verschil met categorie B3 slechts in de bedrading van de noodstop zit. De bedrading van de noodstop en de noodstopcontacten worden redundant uitgevoerd. Categorie B4 kan dan weergegeven worden zoals in Figuur 8.11.
David Degryse
Masterproef
79
Figuur 8.11: Schakeling van categorie B426
Naast een PLC, veiligheidsrelais en een noodstop is er ook nog een resetknop nodig. Met deze knop wordt het relais bekrachtigd. In serie met de startknop is in de schakelkast voor de testruimte van iedere contactor een normaal gesloten contact in serie gezet. Zo wordt er na een noodstop vermeden dat er opnieuw ingeschakeld wordt als er een contactor, door bijvoorbeeld een zware overstroom, blijft samenkleven en zo een onveilige situatie creëert. Verder zijn er nog de twee contactoren MC1 en MC2. Wanneer het veiligheidsrelais aantrekt worden deze contactoren bekrachtigd waardoor de voedingskring voor de contactoren in de schakelkast wordt vrijgegeven. Belangrijk aan categorie B3 en B4 is dat er hier een redundantie 2 gehaald wordt. Indien MC1 of MC2 tijdens een noodstopoperatie faalt en dus niet opent, is er nog de andere contactor om de voedingskring te onderbreken. Van deze twee contactoren is er ook één normaal gesloten hulpcontact opgenomen in de feedbackloop. Zo is resetten onmogelijk als op een of andere manier de contactor toch nog zou zijn ingeschakeld. Ook de noodstop is uitgevoerd met een redundantie 2. Dit is zo voor zowel de contacten als voor de bedrading. Draadbreuk kan zo gemakkelijk gedetecteerd worden en als een contact faalt, dan schakelt het veiligheidsrelais toch uit. Een voorwaarde om opnieuw te kunnen resetten is dat het noodstopsignaal op beide kanalen gedetecteerd is! Het verschil tussen categorie B3 en B4 zit hem in de bedrading van de noodstop. Bij een categorie B3 is die 3-draads uitgevoerd, terwijl dit bij de categorie B4 4-draads is. Een mogelijke fout in het noodstopcircuit wordt zo opgemerkt.
26
Bepalen van de nodige veiligheidscategorie volgens EN 954-1: http://wiki.edu-lab.nl/
David Degryse
Masterproef
80
9 Sturing Het doel van de testruimte is, naast het verhogen van de veiligheid, een standaard testprocedure te creëren waarin de ventilatoren getest kunnen worden. Door steeds gebruik te maken van dezelfde meetapparatuur en dezelfde meetmethode kunnen de resultaten als veel correcter aanschouwd worden. Ook is van elk meetinstrument de nauwkeurigheid gekend. Zo is uiteindelijk van ieder opgemeten waarde de foutmarge gekend. Het uiteindelijke beoogde doel is om de opgemeten waarden te kunnen visualiseren en al dan niet af te printen of op te slaan op de server van het bedrijf. Op die manier is het veel eenvoudiger om de meetdata een deel te laten uitmaken van het technisch constructiedossier. Een andere mogelijkheid die op termijn kan gebeuren, is om de meetdata te exporteren naar een database. Zo kunnen op termijn meetwaarden met elkaar vergeleken worden en kan er een schat aan informatie uit de meetwaarden gehaald worden. In de toekomst kunnen er zo per type ventilator richtwaarden opgesteld worden zodat op voorhand gekend is hoeveel de meetwaarde moet bedragen. Nu worden de meetwaarden geïnterpreteerd door de arbeiders en volgens hun ervaring al dan niet goed bevonden. Er is er lang over nagedacht om de meetwaarden binnen te nemen op een computer met behulp van een data - acquisitiekaart. Met aangepaste software zou zo de nodige visualisatie bekomen worden. Een nadeel aan data – acquisitiekaarten is dat ze voornamelijk dienen om data te collecteren. Aangezien het feit dat de schakelkast van de testruimte een hele logica moet volgen om correct te werken, zou er in het geval van een data – acquisitiekaart een hele uitgebreide stuurkring moeten opgebouwd worden opdat de schakelkast correct zou werken. Een ander nadeel aan data – acquisitiekaarten is het feit dat ze, samen met de bijbehorende software, absoluut niet goedkoop zijn. Een toestel dat zowel kan dienen voor het binnenlezen, verwerken en het uitsturen van informatie is de PLC. Een voordeel is dat er geen uitgebreide stuurkring meer nodig is voor de schakelkast. Een nadeel is dat er nog apart moet gekeken worden voor de visualisatie en dat deze hoogstwaarschijnlijk in een andere software moet gemaakt worden. De visualisatie van de meetwaarden en de besturing van de testruimte kan dan geschieden vanuit een programma die werkt vanaf de PC. De opstelling van de PLC met bijbehorende componenten is te zien in Figuur 9.1.
Figuur 9.1: PLC opstelling
David Degryse
Masterproef
81
Tegenwoordig is Siemens een grote en veel gekende speler op de markt wat betreft de PLC’s. Verder zijn er op de markt nog wat andere spelers zoals Phoenix Contact, Beckhoff, Bosch, Schneider Electric, Vipa, … . Een verschil tussen Siemens PLC’s en de andere is dat Siemens de IEC 61131-3 norm niet volgt. Deze IEC 61131-3 norm definieert 5 verschillende programmeertalen (ladder diagram, function block diagram, instruction list, sequential function chart en structured text). Ook de andere delen van die IEC 61131 norm worden niet door Siemens gevolgd. Nochtans is het een wereldwijd verspreide norm die grote voordelen biedt op het gebied van uitwisselbaarheid. Omwille van het verschil in prijs en mogelijkheden zullen de systemen van verschillende producenten met elkaar vergeleken worden.
9.1 Onderdelen Het allereerste dat moet gekozen worden bij de aanschaf van een stand - alone PLC, is de centrale verwerkingseenheid (CPU). Een eenvoudige CPU die gemakkelijk programmeerbaar is, volstaat voor de bescheiden toepassing die de testruimte is. Voor het systeem zullen verschillende digitale ingangen en uitgangen nodig zijn. Deze dienen niet alleen voor het sturen en voor het binnenlezen van de toestand van de contactoren, maar ook voor het sturen en informatie krijgen over de frequentiesturingen en de softstarter. Het betreft vooral de start/stop functies en foutsignalen. Digitale uitgangen schakelen een 24V DC spanning. Om daarmee spoelen te sturen die bekrachtigd worden met een 230V AC spanning kan er gebruik gemaakt worden van een simpel interfacerelais. Analoge ingangen zullen nodig zijn voor het binnenlezen van de trillingswaarden en de drukmeting. De analoge uitgangen zullen enkel gebruikt worden voor de frequentieregeling van de sturingen. Door een spanning tussen 0 V en 10 V aan de sturing aan te bieden, kan die de frequentie regelen tussen de minimum en de maximum ingestelde waarde. Verder is er nog het niet onbelangrijkste deel: de module die de elektrische parameters zal opmeten. Dergelijke energiemeetmodules of multimeters zijn in staat een hele reeks elektrische parameters op te meten zoals: stromen, spanningen, schijnbaar -, reactief - en actief vermogen en de vermogensfactor. Het zal zo zijn dat deze niet rechtstreeks op de PLC staat maar dat deze ermee communiceert door middel van een seriële of ander type verbinding. De keuze om te kiezen voor een energiemeetmodule kan eenvoudig verantwoord worden. Stel nu dat elke stroomwaarde, de spanning en het vermogen met een aparte meetomvormer moet worden opgemeten en omgezet worden naar een stroom- of spanningssignaal, dan is er voor elk signaal naast het meettoestel en/of meetomvormer, een dure analoge ingang nodig op de PLC. In dergelijk geval zal de meetfout door de extra omzettingen groter zijn. Eenmaal de PLC alles goed kan laten functioneren en opmeten, moet het nog mogelijk zijn om de informatie uit te wisselen met een computer. Deze visualisatie kan gebeuren met specifieke geïntegreerde software of software die extra aan te schaffen is. Ook het
David Degryse
Masterproef
82
communicatiemedium tussen de PC en de PLC kan verschillen van fabrikant tot fabrikant en dus ook in kostprijs.
9.2 Benodigde componenten 9.2.1 Siemens en Phoenix Contact In eerste instantie ging de voorkeur uit naar een Siemens PLC of een PLC van Phoenix Contact. Dit zijn twee types PLC’s die reeds gekend zijn uit de vooropleiding. Voor de PLC van Phoenix Contact is er zelf een configuratie samengesteld uit de catalogus. Op basis daarvan is er een offerte aangevraagd. De Siemens PLC daarentegen is in samenspraak met een verkoper samengesteld. De lijst met benodigde componenten en de totaalprijs is terug te vinden in Tabel 9.1. Tabel 9.1: Vermoedelijke benodigdheden voor de PLC van elke fabrikant
Phoenix Contact ILC 150 ETH
Siemens CPU S7 315-2DP incl MPI interface voeding Trio 24V DC/2,5A 5A voeding: 6ES7 3071BA00-0AA0 Digitale ingang IB IL 24 DI 2-PAC en/of Digital input SM 321 – 32 DI IB IL 24 DI 8-PAC 24V Digitale uitgang IB IL 24 DO2(8)-PAC Digital output SM 322 – 32DO 24V Analoge ingang IB IL AI 2/SF-PAC en/of Analog input SM 331 8AI 13 IB IL AI 8/SF-PAC bit Analoge uitgang IB IL AO 2/U/BP-PAC Analog output SM332 2AO U/I 11/12 bits Meetmodule EMM W 3/5-500 PAC 3200 incl profibus DP expansion module Communicatie Seriële kaart: IB IL RS 232- Profibus (DP geïntegreerd op PAC CPU) Communicatie met pc Ethernet kabel MPI- interface Programmerings software Pc Worx (freeware bij aankoop Simatec Step 7 van PLC) Visualiseringssoftware Ja (webapplicatie) Nee: OPC server extra aan te van de fabrikant schaffen geïntegreerd Kostprijs ± €2400 ±€4000 (excl Simatec Step 7) Uit het resultaat van beide offertes is snel duidelijk welk systeem er gekozen zou worden. Aangezien beide systemen betrouwbaar zijn en alle noodzakelijke functies kunnen leveren, kan er heel vlug geopteerd worden voor de goedkoopste uitvoering.
David Degryse
Masterproef
83
9.2.2 National Instruments In de firma waren, in de periode waarin de PLC gekozen zou worden, nog 2 studenten bezig aan hun masterproef. Deze hebben voor hun masterproef ook een sturing nodig. Samen is er uitgekeken als National Instruments geen oplossing kan bieden voor beide problemen. Na een vlot gesprek met een vertegenwoordiger van die firma blijkt dat die heel wat mogelijkheden bieden. Vooral de combinatie sturing - visualisatie is veelbelovend. De reden waarom hiermee niet verder mee gegaan is, is omwille van de kostprijs. Dergelijke toepassing is opmerkelijk duurder dan een klassieke PLC installatie. Het domein van National Instruments ligt meer in de research en development en is dermate niet gecommercialiseerd en ontwikkeld om te dienen als proces of productiesturing voor de industrie.
9.2.3 Beckhoff. Een andere optie die voorgesteld is vanuit het bestuur van Almeco, is om de sturing te laten geschieden met een Beckhoff PLC. Deze PLC technologie is een nieuwe opkomende technologie in de industrie die ook de IEC 61131 norm volgt. Aangezien de zusterfirma PCA ervaring heeft in het maken van elektrische schakelkasten en die te voorzien van een sturing, zou het een pluspunt zijn als ze naast de Siemens PLC’s en in mindere mate de PLC’s van Phoenix Contact ook de Beckhoff PLC kan aanbieden als oplossing aan de klant. Een klassieke PLC werkt cyclisch. De ingangen worden uitgelezen, het besturingsprogramma wordt uitgevoerd en de uitgangen worden aangestuurd. Het uitvoeren van een programma in een Beckhoff PLC gebeurt op precies dezelfde wijze als in een klassieke PLC. Nauwkeurig getimede cycli worden, ongeacht de programmalengte, in dezelfde tijd uitgevoerd. De bewerking van de gebruikersinterface wordt uitgevoerd in de cycluspauze waarvoor rekencapaciteit kan gereserveerd worden. De implementatie van het Beckhoff TwinCAT werkt door de volledige integratie van real-time taken in Windows zonder een 2e operating system. TwinCAT vereist geen speciale hardware! Een standaard PC is voldoende. Het programma zorgt er wel voor dat bij hoge real-time belastingen geen enkele eigenschap van Windows wordt beperkt of beïnvloed. 9.2.3.1 Soft PLC Een PLC die draait als software op een gewone PC wordt ook wel een soft PLC genoemd. Dit kan een klassieke PC zijn, maar de “PC” kan ook geïntegreerd worden in de “PLC”. Dergelijk geval wordt een embedded PC genoemd. De PLC sturing draait dan als een programma op een computer. Deze computer zit dan geïntegreerd in de sturing. Dergelijke systemen kennen heel wat voordelen. Zo hebben de huidige PC’s enorme rekencapaciteiten. De mogelijkheden van de PC technologie worden nog voortdurend uitgebreid wat heel wat potentieel biedt voor de soft PLC. Een ander voordeel van een PC of embedded PC is dat het meerdere taken tegelijk aankan. Zo kunnen visualisatiesoftware of een aantal andere applicaties mooi samen draaien met de PLC software onder Windows. Een mogelijk nadeel aan dergelijk systeem is de robuustheid. Als een andere software zorgt voor een foute werking van Windows en bijgevolg het uitvallen van de PC, dan stopt ook de PLC software met werken. Een PC heeft voor het opstarten ook beduidend meer tijd nodig dan een klassieke PLC. Bij spanningsdips of bij een spanningsuitval kan de PC operationeel
David Degryse
Masterproef
84
gehouden worden met een UPS systeem. Het spreekt voor zich dat dit enkel aantrekkelijk is voor kritische processen. Een sturing voor de schakelkast die geen eigen CPU heeft is ideaal voor een toepassing als de testruimte. De kost voor een CPU wordt uitgespaard en er is toch al een PC nodig voor de besturing en visualisatie, alsook voor het opstellen van het meetrapport. Ook het testen van ventilatoren is absoluut geen kritisch gebeuren. Een spanningsuitval zorgt niet voor schade aan product of omgeving. 9.2.3.2 Productkeuze Voor de testruimte is ook de productkeuze gemaakt en een offerte aangevraagd. In eerste instantie is er uitgekeken naar de mogelijke oplossingen die Beckhoff te bieden heeft voor het opmeten van de elektrische parameters. Deze zijn echter ontoereikend. Aangezien er in de offerte voor de Siemens PLC een interessant voorstel gedaan is voor een meetmodule, zal deze behouden worden. Het betreft de PAC 3200.
Figuur 9.2: De gekozen Siemens energiemeetmodule27
Deze meetmodules meten heel wat parameters: spanningen, stromen, vermogens (schijnbaar, actief en reactief), arbeidsfactor, harmonische distortie, energie, … Met de extra Profibus DP expansion module kan dit meettoestel aangesloten worden op een profibus DP netwerk. Van deze eigenschap zal er gebruik gemaakt worden om de data uit te lezen door de PLC. Verder is er nog een kleine, maar niet onbelangrijke parameter waarmee rekening gehouden moet worden. Het betreft het eigenverbruik van de stroomspoelen. Uit de datasheets, die in bijlage 7 te vinden zijn, blijkt dat deze in een 5 A regime maximaal 112mVA consumeren. De stroomtransformatoren hebben een schijnbaar vermogen van 10VA. Aangezien het feit dat zowel stroomtransformatoren als de meetmodule zich in dezelfde kast bevinden, is het onnodig om een extra berekening te maken als de stroomtransformator niet overbelast wordt door jouleverliezen in de kabels. Dit is zeker niet het geval als er gewerkt wordt met draadsecties van 2,5mm² of 4mm².
27
Siemens catalogus: http://mall.automation.siemens.com.
David Degryse
Masterproef
85
De geselecteerde componenten zijn te vinden in Tabel 9.2. Tabel 9.2: Benodigdheden voor Beckhoff PLC
Ethercat coupler Digitale ingangen Digitale uitgangen Analoge ingangen Analoge uitgangen Profibus master Netwerkkaart PC Licentie twinCAT Geraamde kostprijs
EK1100 8 DI 24VDC: EL1008 8DO 24VDC: EL2008 2 AI 12bit: EL3052 2 AO: 4022 EL6731 FC 9011 ± €2000
De firma PCA heeft geen ervaring met Beckhoff PLC’s. Daarom was er de mogelijkheid om een demokit aan te kopen. Zo is er ook een financieel voordeel gedaan. Zaken als de ethercat coupler, de softwarelicentie en wat IO zijn aan sterk verminderde prijs verkregen. De extra aangepaste netwerkkaart is nodig om de korte cyclustijden te kunnen garanderen teneinde een betrouwbare communicatie te hebben met de ethercat coupler. Tijdens de installatie van de ethercat coupler is gebleken dat deze in feite twee keer een 24VDC voeding nodig heeft. Een voeding dient om de in- en uitgangen te sturen, een andere dient voor de interne bus. Ook moest de voeding voor de interne bus afgezekerd worden met een zekering van 1 A. In de praktijk zijn dus geen twee 24V DC voedingen gebruikt maar is er gewoon een extra zekering geplaatst voor de voeding van de interne bus.
9.3 Profibus Profibus is het meest gebruikte open veldbussysteem in de industriële automatiseringstechniek in Europa. Het systeem is gestandaardiseerd in de norm EN 50170. Hedentendage is profibus de norm voor een bussysteem dat het mogelijk maakt de meest diverse toestellen van de meest diverse origine met elkaar te laten communiceren. Toestellen die aan de EN 50170 norm voldoen kunnen zonder bijkomende hardwarekosten aan elkaar gekoppeld worden.
Figuur 9.3: Profibus28
Er bestaan 3 versies van profibus.
28
Profibus: www.profibus.com
David Degryse
Masterproef
86
•
Profibus FMS (Field Message Specification): Het is een celbus die een universele oplossing biedt voor automatisering met zeer uitgebreide doelstellingen. Deze is vooral ontworpen om in de communicatie tussen PC en PLC te voorzien. Tegenwoordig wordt dit maar zelden meer toegepast.
•
Profibus DP (Decentrale Periphery): Het is sterk geoptimaliseerd waardoor het lage cyclustijden en lage aansluitingskosten heeft. Profibus DP is vooral bedoeld voor de communicatie tussen geautomatiseerde procesbesturingssystemen (PLC) en de in het proces verspreidde in- en uitgangen.
•
Profibus PA (Proces Automation): Dit is speciaal bedoeld voor de procesautomatisering. De communicatie tussen sensoren en actuatoren is geschikt voor explosie gevaarlijke omgevingen. Zowel de gegevens als de voeding van de componenten kunnen over het medium getransporteerd worden. Dit alles geschiedt volgens de norm IEC 1158-2
9.3.1 Hardware Wat de transmissietechnieken betreft zullen enkel deze voor Profibus DP behandeld worden. Dit kan geschieden via RS485 en glasvezel. Glasvezelkabels worden vooral gebruikt in omgevingen met grote elektromagnetische storingen en voor lange afstanden. RS 485 is een seriële communicatietechnologie die gebruikt maakt van 2 signaalgeleiders. Er wordt gewerkt met het spanningsverschil tussen beide geleiders. Dit maakt het systeem storingsongevoelig. De beste resultaten worden verkregen als de lijnen getwist zijn. Een extra afscherming rond de kabel is gewenst als grote elektromagnetische storingen zich kunnen voordoen. Deze afscherming dient dan uiteraard geaard te zijn. De lijnen moeten aan beide uiteinden afgesloten worden met afsluitweerstanden. Het vrij zijn van de lijnen resulteert dan in een constante positieve spanning. Iedere deelnemer op de bus kan data lezen of plaatsten. Dit gebeurt dan door het spanningspotentiaal tussen beide draden te wijzigen.
David Degryse
Masterproef
87
Figuur 9.4: Elektrisch equivalent van Profibus29
Met dergelijke technologie kunnen grote afstanden overbrugd worden en kunnen er grote datatransmissiesnelheden gehaald worden. Wel moet er vermeld worden dat hoe groter de afstand is, hoe kleiner de transmissiesnelheid is. Zo kan er bij een lengte van 1200m nog een snelheid van 9,6kbits/s gehaald worden terwijl dit bij 100m lengte nog 12Mbits/s is. Op een Profibus installatie kunnen 32 deelnemers, masters of slaves, geïnstalleerd worden. Indien repeaters gebruikt worden kan dit uitgebreid worden naar 126. Iedere deelnemer van het netwerk bezit een uniek stationnummer. Dergelijke stations kunnen geplaatst of verwijderd worden zonder invloed te hebben op andere stations. Een voorbeeld van een Profibus DP installatie is terug te vinden in Figuur 9.5.
Figuur 9.5: Uitgebreide Profibus DP installatie met meerdere repeaters30 29
Interne opleidingscursus: CAPOEN, H., Theorie Factory and Process Automation, 2007-2008.
David Degryse
Masterproef
88
9.3.2 Datatransmissie Om uit te maken welke deelnemer het recht heeft om uit te zenden, wordt er gebruik gemaakt van de Hybrid Acces Method. Dit is een combinatie van een token passing en de master – slave methode. Met dergelijke methode kan een master – slave, een master – master of een combinatie van beiden worden geïmplementeerd. Een Profibus netwerk kent actieve of passieve deelnemers. De actieve deelnemers, de masters, kunnen data sturen naar andere deelnemers zonder dat deze daarom gevraagd hebben en ze kunnen ook data van andere deelnemers opvragen. De passieve deelnemers, de slaves, ontvangen data wanneer dit door de master specifiek voor hen is uitgezonden. Ze kunnen ook slechts data verzenden wanneer dit door de master gevraagd is. De communicatie tussen verschillende deelnemers geschiedt in zogenaamde telegrammen. Voor verschillende taken/toepassingen bestaan er verschillende soorten telegrammen die elk een specifieke opbouw hebben. Meer details hierover zijn terug te vinden in de specifieke vakliteratuur. (cursus Henk Capoen). Het principe blijft altijd hetzelfde. De master zendt een request of een command naar een zekere slave, die slave antwoordt, de master zendt een request of command naar een volgende slave, die slave antwoordt, enz. … . als er meerdere masters aanwezig zijn wordt er gewerkt met een zogenaamde token. Een master bezit een token, overloopt al zijn slaves en geeft de token door aan de volgende master die op zijn beurt al het nodige doet met de slaves, … Verder is er naast de het cyclisch opvragen van gegevens van de slaves, ook nog een acyclische mode. Dit zijn boodschappen die telkens opnieuw door de gebruiker moeten aangestoten worden. Zij hebben dus een lagere prioriteit dan de cyclische boodschappen. Het configureren van een Profibus DP netwerk gebeurt via een specifieke GSD file (Gerät Stamm Daten). In dit GSD bestand zitten een aantal parameters betreffende de te configureren slave. Voor iedere slave in het Profibus netwerk moet er een GSD file aanwezig zijn in de catalogus. Tijdens de hardwareconfiguratie van het Profibus netwerk wordt dan beroep gedaan op de aanwezige GSD files om de slaves op het netwerk te kunnen configureren.
9.3.3 Profibus in de testruimte Het geselecteerde meettoestel van Siemens heeft de mogelijkheid om alle opgemeten waarden extern te laten uitlezen. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van Profibus DP. Dit is de reden waarom er bij de aankoop van de Beckhoff PLC ook een Profibus DP master is aangekocht. Het is misschien wat absurd om Profibus te gebruik waar er slechts 2 toestellen met elkaar moeten communiceren die zelfs in dezelfde schakelkast zitten, maar het was de enige optie van dit meettoestel om de gegevens uit te lezen.
30
Interne opleidingscursus: CAPOEN, H., Theorie Factory and Process Automation, 2007-2008.
David Degryse
Masterproef
89
10 Sensoren en meetapparatuur 10.1 Inleiding Dit hoofdstuk handelt over de keuze van de benodigde sensoren en meetapparatuur. Er wordt uitgelegd waarop de keuze gebaseerd is en wat het werkingsprincipe is van de sensoren. De keuze en werking van de energiemeetmodule wordt hier niet in behandeld.
10.2 Temperatuursensor 10.2.1Problematiek Een eerste parameter die opgemeten wordt is de temperatuur in het atelier. Op het eerste zicht is dit misschien een onbelangrijke parameter. Toch heeft de temperatuur een invloed op de meetresultaten en de interpretatie ervan. Zo kan het in de winter op een maandagmorgen gemakkelijk slechts 10°C zijn in het atelier, terwijl in de zomer gemakkelijk 25°C gehaald kan worden. Warme lucht zal een iets lagere dichtheid hebben dan koude lucht wat zich dan manifesteert in een lager ventilatorvermogen. Dit verschil kan gemakkelijk 5% bedragen. In principe zou ook de atmosfeerdruk kunnen opgemeten worden om de dichtheid van de lucht te bepalen. Dit zou het echter iets te ver drijven. Het opmeten van de temperatuur is dus puur indicatief. Het is geen criteria om een geteste motor goed of af te keuren maar enkel om de omgevingsomstandigheden te kennen tijdens het testgebeuren. Het spreekt voor zich dat die temperatuursensor op een oordeelkundige plaats moet gemonteerd worden in het atelier.
10.2.2Mogelijkheden Om de temperatuur op te meten bestaan er verschillende type sensoren. Pt100 is in de industrie een veelgebruikt type sensor omwille zijn eenvoud, robuustheid en lineariteit. Verder zijn er nog sensoren met een PTC of NTC weerstand. Zowel sensoren met een Pt100, PTC als NTC weerstand zijn gebaseerd op een weerstandsverandering bij een veranderlijke temperatuur. Deze component wordt dan geïntegreerd in een elektronische schakeling en zo wordt er een waarde voor de temperatuur verkregen. De goedkoopste oplossing voor een toepassing als de testruimte zou zijn om te werken met een Pt100. Een nadeel hiervan is echter dat het opmeten van temperaturen met dergelijke sensoren een aangepaste PLC kaart vereist. Aangezien het hier slechts één temperatuursmeting betreft die in eerste instantie niet bepalend is voor een goed- of een afkeur van de ventilator en aangezien het feit dat er nog andere sensoren nodig zullen zijn die op hun beurt de meetwaarde in een klassiek PLC signaal weergeven, is er besloten om te kiezen voor een 4-20mA stroomsignaal.
David Degryse
Masterproef
90
10.2.3Oplossing Op basis van deze gegevens zijn er verschillende klassieke temperatuursensoren gevonden. Uiteindelijk is er besloten om de sensor HT 292 verdeeld door de firma AE Sensors aan te kopen. Meer informatie betreffende deze sensor is terug te vinden in datasheets in bijlage 8.
10.3 Drukmeting 10.3.1Problematiek Het testen van centrifugale ventilatoren gebeurt in 2 fasen. Éénmaal met een volledig open en éénmaal met een volledig afgesloten uitlaat. Bij de meting in afgesloten toestand wordt de statische druk opgemeten. Zo worden er twee punten verkregen van de ventilatorkarakteristiek die gecontroleerd kunnen worden. Bij axiale ventilatoren wordt dit niet gedaan aangezien het daar praktisch heel wat moeilijker is om de uitlaat van dergelijke ventilatoren af te sluiten. De statische die tijdens het testen van ventilatoren optreden, kunnen sterk variëren. De allerkleinste centrifugale ventilatoren creëren een statische druk van slechts 500Pa, terwijl het bij de hele grote modellen kan oplopen tot 20kPa. De opgemeten drukwaarde is kritischer dan de omgevingstemperatuur. De gekozen druksensor moet “voldoende” nauwkeurig zijn. Om aan deze eis te voldoen is er een compromis gezocht tussen de investeringskost en de nauwkeurigheid van het toestel. De nauwkeurigheid van dergelijke sensoren wordt steeds weergegeven in % full scale (%FS). Dit betekent dat de absolute fout bij zowel grote of kleine opgemeten drukwaarden dezelfde is. De fout die steeds bij dergelijke toestellen wordt meegedeeld is een verzameling van verschillende parameters. Zo bezitten dergelijke druksensoren een zekere niet- lineariteit. De verhouding druk tot de uitgestuurde waarde kan licht afwijken bij verschillende meetwaarden. Verder is er nog een fout op de reproduceerbaarheid. Dezelfde drukmeting onder dezelfde omstandigheden kan een kleine afwijking weergeven in het meetresultaat. Verder is er nog de temperatuursinvloed. Door het toestel bloot te stellen aan temperatuursschommelingen kan er zich een afwijking in de uitlezing voort doen bij het meten van de referentiedruk. Bij de betere meettoestellen is het aandeel van dit type fout op de totale fout verwaarloosbaar. Een laatste en niet onbelangrijk type fout die niet inbegrepen zit in de totale fout van het meettoestel, is de lange termijn drift. Door het toestel veelvuldig te gebruiken vergroot de fout immers. Door het toestel jaarlijks te laten kalibreren wordt deze fout weggewerkt. Stel nu een toestel met een meetbereik van 0-25kPa met een fout van 1% FS. Bij een drukmeting van 20kPa is dit een fout van ± 250 Pa, wat zeker aanvaardbaar is. Maar bij een drukmeting van 500Pa is het nog steeds dezelfde fout van ±250Pa, wat ontoelaatbaar is. Om dit probleem aan te pakken zijn er twee mogelijke oplossingen voor handen. Ofwel wordt er één meettoestel aangeschaft die het ganse meetbereik aankan en die heel nauwkeurig en dus ook duur is, ofwel worden er 2 of meer meettoestellen aangeschaft zodanig dat het meetbereik kan opgesplitst worden en dat elk meettoestel minder nauwkeurig en dus goedkoper is.
David Degryse
Masterproef
91
10.3.2Oplossing Uiteindelijk is er beslist om slechts één meettoestel aan te kopen. Op de markt zijn er heel wat spelers te vinden die dergelijke producten aanbieden. Opnieuw was het de firma AE Sensors die ons de beste voorwaarden kon aanbieden. Het betreft de sensor AE 600. Deze heeft een meetbereik van 0-20kPa met een relatieve fout van 0,25%FS. Bij een opgemeten druk van 20kPa is dit een fout van ± 50Pa, wat zeer goed is. Maar bij een opgemeten druk van 500Pa is de fout ook ± 50Pa. Dit is niet meer zo nauwkeurig. Toch is er beslist geweest om dit als aanvaardbaar te beschouwen vooral vanwege het feit dat de fout nog gekend is. De lange termijn drift van dit toestel is ook heel laag. Het bedraagt slechts 0,1%FS. Meer details omtrent dit toestel is terug te vinden in bijlage 9.
10.3.3Opbouw De gekozen types druksensoren zijn in feite verschildruk sensoren. Dit type sensoren met een laag meetbereik worden vooral toegepast in HVAC installaties. Daar worden ze ingezet om de conditie van filters te bewaken. Aan dergelijke filters zijn er dus 2 aansluitingen voor de drukmetingen. Voor de drukmeting in de testruimte komt dergelijke sensor ook in aanmerking. De lage drukzijde wordt dan gewoon opengelaten zodat er gerefereerd wordt naar de atmosfeerdruk. In principe zou er ook een onderdrukmeting aan de ventilatoren kunnen uitgevoerd worden door de aanzuigkant van de ventilator af te dekken en er de lage drukzijde van het sensorelement op aan te sluiten. Het verschil in opgemeten drukken wordt dan geregistreerd door een Dit element heeft als eigenschap dat er bij een uitgeoefende druk ladingsverschuiving geschiedt en zo een kleine spanning teweeg spanning wordt dan door elektronica opgemeten en omgevormd stroomsignaal (4-20mA).
piëzo resistief element. op het element er een gebracht wordt. Deze tot een klassiek PLC
De opbouw van dergelijke verschildruk sensoren is weergegeven in Figuur 10.1.
Figuur 10.1: Opbouw verschildruksensor31
31
Sensoren: www.istec.nl
David Degryse
Masterproef
92
10.3.4Ventielen Aangezien het feit dat er slechts één nauwkeurige sensor aangekocht is, en er meerdere ventilatoren in één keer getest kunnen worden, moest er een oplossing gezocht worden om niet telkens de druksensor te verplaatsen naar een andere ventilator. Om verschillende drukingangen te schakelen naar één meettoestel, wordt er meteen gedacht om gebruik te maken van pneumatische ventielen. Een toepassing als deze is niet waarvoor dergelijke ventielen ontworpen zijn, maar het kan perfect. Het idee is om telkens samen met de ventilator uitgang, het juiste ventiel te schakelen zodanig dat de druksensor dan pneumatisch aan de correcte ventilator gekoppeld is. Voor de keuze van dergelijke ventielen kunnen er enkele eisen gesteld worden: • • • •
Simpele 2/2 of 3/2 ventielen volstaan; Elektromagnetisch met 24V DC; In lekvrije toestand is er geen luchtdebiet! Er kan dus geen drukval optreden waardoor de ventielen in principe klein mogen zijn; Kunnen omgaan met relatieve drukken van 0 tot 20kPa.
Pneumatisch zouden de 4 ventielen dan mogen geschakeld worden zoals weergegeven in Figuur 10.2.
Figuur 10.2: Schakelen van de sensor met behulp van ventielen
Voor de aankoop van de 4 kleine pneumatische ventielen is er beroep gedaan op de firma Festo. Almeco en PCA hebben in het verleden al producten aangekocht van Festo.
David Degryse
Masterproef
93
10.4 Trillingsmeting 10.4.1Problematiek Eenmaal een ventilator geassembleerd is, wordt die door de arbeider gecontroleerd. Naast het opmeten van elektrische parameters en eventueel de statische druk, wordt er ook beroep gedaan op de ervaring van de arbeider om de ventilator goed te keuren. Zo mag er geen abnormale geluidsproductie zijn en mag de ventilator niet abnormaal trillen. Aangezien vroeger de ventilatoren getest werden op de plaats van de assemblage, was het voor een arbeider heel eenvoudig om van dichtbij de goede werking te controleren. Eenmaal het testen van de ventilatoren in de testruimte zal gebeuren, zal het niet meer mogelijk zijn om van dichtbij de ventilatoren te controleren. Uiteraard zal het geproduceerde geluid wel nog altijd geëvalueerd kunnen worden. Om eventuele abnormale trillingen waar te nemen zullen trillingen moeten opgemeten worden om de goede werking van de ventilator te evalueren. Verder zijn er nog de ATEX ventilatoren. Wanneer deze ventilatoren getest moeten worden, gebeurt er wel degelijk een uitvoerige trillingsmeting. Een afgewerkte ATEX ventilator moet altijd voldoen aan de Europese richtlijn 94/9/EG. Om conformiteit aan te tonen baseert men zich op de ISO 14694 norm. Deze norm legt op dat het RMS trillingsniveau van de ventilator op een frequentie gelijk aan het rotatietoerental, een zeker niveau niet mag overschrijden. ER zijn in de norm twee maximale trilliingsniveau’s opgegeven. Één voor een oneindig starre en één voor een flexibele oplossing.De trillingsniveau’s in de drie hoofdrichtingen moeten aan de ISO 14694 norm voldoen. Dit betekend concreet de axiale, radiaal horizontale en radiaal verticale richting. Aangezien de ventilatoren op een draagconstructie zullen gemonteerd worden, kan dit de trillingswaarden beïnvloeden. De stijfheid van de draagconstructie is echter niet gekend. Daarom kan er voor het testen gerefereerd worden naar de strengste waarde, namelijk die van de oneindig starre opstelling. In de praktijk blijkt dat bij een goed gebalanceerde rotor deze waarde gemakkelijk gehaald wordt. Het grootste deel van de trillingen wordt veroorzaakt door de onbalans van de ventilatorwaaier. Het spreekt voor zich dat axiale trillingen te verwaarlozen zullen zijn en dat het aandeel in radiaal horizontale en radiaal verticale trillingen ongeveer even groot is. Voor de testruimte moet er dus manier gezocht worden om de gewone ventilatoren te testen op montagefouten of gebreken door een simpele trillingsmeting. Ook moet er een manier gezocht worden om een trillingsmeting te kunnen uitvoeren bij ATEX ventilatoren.
10.4.2Oplossing Het verifiëren van gewone ventilatoren zou kunnen gebeuren door eigen standaarden op te stellen. Voor dergelijke ventilatoren is het immers niet verplicht om de normen te volgen. Er kan dus een type sensor gekozen worden die het trillingsniveau opmeet en die een waarde uitstuurt voor de RMS trilling (in mm/s) over gans het meetbare spectrum van de sensor. Dergelijke sensoren zijn veelvuldig terug te vinden in de wereld van de machineconditie bewaking. Ook kunnen dergelijke sensoren heel eenvoudig aan een PLC aangesloten worden.
David Degryse
Masterproef
94
Ze hoeven een 24V DC voeding en de doorlopen stroom is een maat voor het opgemeten trillingsniveau. Het opmeten van de trillingen bij de frequentie gelijk aan het rotatietoerental bij ATEX ventilatoren is niet zo eenvoudig. In eerste instantie kan voor dergelijke ventilatoren het RMS trillingsniveau opgemeten worden over gans het spectrum. Voldoet dit aan de norm, dan zal het RMS trillingsniveau bij een frequentie gelijk aan het rotatietoerental ook zeker aan de norm voldoen. Indien de invloed van omgevingsfactoren te groot is, zoals laagfrequente structuurtrillingen van de draagconstructie, kan de totale RMS trillingswaarde serieus oplopen. In dergelijke gevallen is er wel een meer specifieke meting nodig. 10.4.2.1 Frequentiespectrum Een oplossing hiervoor kan gevonden worden in het domein van de machineconditie bewaking. Dergelijke systemen zijn heel efficiënt maar zijn uiterst duur voor een testruimte als deze. Een andere mogelijke oplossing is om zelf een Fourier analyse te maken van het opgemeten signaal. Door onbalans zou er immers een piek te zien moeten zijn bij een frequentie die exact de rotatiefrequentie is. Om zelf een Fourier analyse te maken is er gedacht aan een oscilloscoop met dergelijke ingebouwde functie. De firma TiePie Engineering biedt digitale oscilloscopen die bestuurd en uitgelezen moeten worden met behulp van een PC. Dit is een pluspunt aangezien het sturen, uitlezen, exporteren van gegeven ook via de PC gebeurt.
Figuur 10.3: Digitale oscilloscoop32
Met bijgeleverde software zijn er heel wat functie mogelijk: • • • •
Oscilloscoop; Spectrum analyser; Voltmeter; Transient recorder.
Voor relatief laagfrequente toepassingen als het opmeten van ventilatortrillingen is een oscilloscoop van 5MHz al meer dan voldoende. Ook bezitten dergelijke oscilloscopen 4 32
Sensoren: www.tiepie.nl
David Degryse
Masterproef
95
ingangen wat zeker voldoende is om de drie hoofdrichtingen van één ATEX ventilator op te meten. Verder zijn er ook nog de functies die een klassieke oscilloscoop heeft zoals het aanpassen van het meetbereik en tijdsbasis. Ook kan de resolutie van de analoog - digitaal omzetting aangepast worden tussen 12 en 16 bits. Eenmaal het trillingssignaal is opgemeten en de spectrumanalyse is gebeurd, kan het toestel data gaan exporteren. Het meest voor de hand liggende is om de data te exporteren naar een CSV bestand dat nadien met MS Excel geopend kan worden. Eenmaal de data geëxporteerd is, kan opnieuw de omzetting gebeuren naar versnelling, snelheid, RMS,… Tevens is het met enkele formules in Excel ook mogelijk om bijvoorbeeld de 5 grootste pieken weer te geven. Heel waarschijnlijk zal de trillingswaarde bij de rotatiefrequentie ook weergegeven worden. Net deze waarde is nodig om te kunnen verifiëren als de ATEX ventilator aan de richtlijn voldoet. Eventueel kunnen de meetwaarden geëxporteerd worden naar een zelfgemaakt standaard Excel bestand. Zo moeten niet telkens opnieuw de formules ingegeven worden. 10.4.2.2 Trillingssensoren Nu er twee toepassingen van trillingsmetingen zijn, zou het gemakkelijk zijn om één type sensor te vinden die kan dienen voor beide toepassingen. Trillingssensoren zijn namelijk dure componenten (enkele honderden euro’s per stuk) en het zou ongeoorloofd zijn om twee type sensoren te kiezen. Na lang zoekwerk, het vergelijken van verschillende producten met hun kostprijzen van verschillende producenten en het selecteren van de gewenste eigenschappen, is uiteindelijk gekozen voor de Monitran sensor MTN/1186C van de firma AE Sensors. Speciaal aan deze sensor is dat zowel het AC trillingssignaal als de RMS waarde voor de trilling (in mm/s) over gans het spectrum worden uitgestuurd. Zo kan één sensor dienen voor twee toepassingen. Figuur 10.4 toont de aansluiting van dergelijke sensor aan de PLC en aan een analysetoestel. Er zijn door Almeco vier dergelijke sensoren aangekocht. Zo is het mogelijk om trillingen van vier gewone ventilatoren te meten en trillingen in de drie hoofdrichtingen te meten voor ATEX ventilatoren.
Figuur 10.4: Schakeling trillingssensor33
33
Sensoren: www.aesensors.nl
David Degryse
Masterproef
96
Van dergelijke sensoren kunnen enkele eigenschappen wat nader bekeken worden. Deze heeft dus twee uitgangen. Één uitgang die 4-20mA uitstuurt evenredig met de RMS trilsnelheid en een andere uitgang die een AC spanningssignaal uitstuurt die evenredig is met de versnelling. De bandbreedte van dergelijke sensor is 2Hz tot 1kHz. ± 10% en resonantie treedt op bij een frequentie van 5kHz. Voor een laagfrequente toepassing als ventilatortrillingen is dit zeker goed. Het meetbereik voor de RMS meting gaat tot 20mm/s terwijl de gevoeligheid van het element 100mV/g bedraagt. Meer details over de gekozen sensor zijn terug te vinden in bijlage 10. Dergelijke sensor bezit een tolerantie van ± 10%. Dit is niet weinig, maar zeker vergelijkbaar met andere types van andere producenten. Het opmeten van trillingen kan niet nauwkeurig gebeuren. Zo legt de norm ISO 14694 op dat het opmeten van de trillingen moet gebeuren ter hoogte van de lagers. Bij een geassembleerde ventilator is dit echter onmogelijk. Daarom worden de trillingen indien mogelijk op de motorvoet opgemeten. Omwille van het feit dat het motorhuis geen oneindig star geheel is, wordt er daar een meetfout gemaakt. Bij de kleinere modellen is het wegens plaatsgebrek ook onmogelijk om de sensor op de motorvoet te plaatsen. Daar wordt de sensor dan op de motorstoel aangebracht. De stijfheid hiervan is echter nog kleiner dan die van het motorhuis waardoor de meetfout nog groter wordt. Bij het interpreteren van de meetresultaten moet er met deze mogelijke fout rekening gehouden worden. Ook het feit dat de sensor met een magneetkop zal bevestigd worden en niet vast op de constructie geschroefd, zal zijn invloed hebben op het meetresultaat. Het werkingsprincipe van de gekozen trillingssensoren is gebaseerd op het Piëzo elektisch effect. Wanneer dergelijk element in de sensor onderhevig is aan trillingen ontstaat er in dat element een ladingsverschuiving wat resulteert in een kleine spanning. Dergelijke sensoren moeten gevoed worden. Met deze voeding wordt er interne elektronica gestuurd die de ontwikkelde spanning versterkt en die de omvorming maakt naar een stroomsignaal dat de RMS trilsnelheid weergeeft over gans het spectrum. 10.4.2.3 Controle Van de gekozen sensor is gekend dat die 100mV/g genereert. Alvorens tot de aankoop over te gaan, moet het gegarandeerd zijn dat de sensor in elke situatie een werkbaar signaal kan doorsturen naar de digitale oscilloscoop. De worst case situatie hiervoor is een ventilator met een 10 polige motor (600tr/min = 10tr/s) die nagenoeg geen onbalans heeft (1mm/s amplitude). Dit leidt tot volgende: *05 sin0ω 5 sin02 7 5 Hierbij is:
(10.1)
v(t): De trilfunctie in functie van de tijd [mm/s] V: De amplitude van de trilsnelheid: [mm/s] ω: Periode van de trilfunctie [rad/s] f: De frequentie van de trilling [Hz] t: De tijd [s]
Indien beide leden van deze gelijkheid afgeleid worden, wordt het volgende bekomen:
05 2 7 cos02 7 5 Hierbij is:
David Degryse
(10.2)
a(t): De trilfunctie in functie van de tijd [mm/s²]
Masterproef
97
V: De amplitude van de trilsnelheid: [mm/s] f: De frequentie van de trilling [Hz] t: De tijd (s) Interessant is de uitdrukking voor de amplitude van de trilversnelling: / 27 Hierbij is:
(10.3)
A: De amplitude van de trilfunctie [mm/s²] V: De amplitude van de trilfunctie [mm/s] f: De frequentie van de trilling [Hz]
Met de gegevens uit de worst case situatie wordt dan volgende waarde bekomen voor de amplitude van de trilfunctie (mm/s²): /1
2 10 62,8
(10.4)
Aangezien de sensor 100mV/g uitstuurt, kan dit nu nog omgerekend worden. 62,8
8,8<
²
X
R Y²
W,
88 { X
0,64(
(10.5)
Volgens TiePie engineering kan dit signaal met een 16bits resolutie nog voldoende nauwkeurig worden opgemeten zonder extra versterker.
David Degryse
Masterproef
98
11 Praktische realisatie 11.1 Inleiding Dit hoofdstuk gaat over de praktische realisatie van de schakelkast en het programmeren van de soft PLC. De keuze en dimensionering van alle benodigde componenten zijn in voorgaande hoofdstukken al aan bod gekomen. In een eerste fase wordt er stap voor stap de opbouw van het schema overlopen. Verder zal het PLC programma en de testprocedure door de gebruiker toegelicht worden.
11.2 Het elektrisch schema In dit deel zal het elektrisch schema verklaard worden. Zowel de opbouw als de werking ervan zal besproken worden. Het elektrische schema is terug te vinden in bijlage 11. De schakelkast is bekabeld in PCA in Aalst. Daar is er het nodige gereedschap en klein materiaal aanwezig. Tevens is er in PCA een technieker die heel wat ervaring heeft in het maken van schakelkasten. Op het elektrische schema is overal waar nodig een draadsectie toegekend. Deze zijn gebeurd volgens de standaarden van PCA. Voor bekabeling in schakelkasten wordt er immers altijd een sectie groter gebruikt dan nodig. Zo zal een maximale stroom van 100 A niet door een sectie van 25mm² vloeien maar door 35mm², een maximale stroom van 20 A niet door 2,5mm² maar door 4mm², … . Voor deze meerkost in de installatie is er een reden. In een elektrische schakelkast kan er heel wat warmteontwikkeling geschieden. Heel wat componenten en de bedrading genereren per definitie een verlieswarmte. Tevens is het mogelijk dat schakelkasten bekabeld door PCA in niet ideale, te warme omgevingen, terechtkomen. Omwille van voorgaande twee redenen, kan er door de verhoogde temperatuur extra weerstand in geleiders geschieden, wat op zich een verhoogde temperatuur teweeg brengt, een snellere veroudering van isolatiemateriaal, enz. … .
11.2.1Randapparatuur In eerste instantie moet er vertrokken worden van het voedingsnet. In Almeco is dit de Canalis installatie. De benodigde koppeleenheid met zekeringen wordt gerecupereerd van de softstarter. Deze wordt immers verplaatst en zal niet meer rechtstreeks vanuit de Canalis gevoed worden. Op bladzijde 10 is de hoofdautomaat met lastscheider te zien. Deze beveiligen de installatie en maken het mogelijk om de installatie spanningsloos te zetten zonder de kast te openen. Verder is er nog een kring die interne en externe stopcontacten van 230V AC voorzien met bijbehorende automaat. Eveneens is de 24V DC voeding weergegeven die zowel aan primaire als aan secundaire beveiligd is en waarvan 1 fase van de secundaire met de aarding verbonden is. Op bladzijde 15 is in eerste instantie de stuurstroomtransformator te zien met magnetische beveiliging aan primaire zijde en een thermische beveiliging die afgeregeld is op de nominale stroom aan secundaire zijde. Ook hier is één fase aan secundaire zijde geaard. Verder is hier
David Degryse
Masterproef
99
nog het veiligheidsrelais weergegeven. Als dit bekrachtigd wordt, zullen twee contactoren gemagnetiseerd worden die de voeding van de stuurkring vrijgeven. Het is ook duidelijk te zien dat zowel de manuele als de PLC noodstop met redundantie twee zijn uitgevoerd. Vervolgens is er nog de feedbackloop. Deze bezit een normaal gesloten hulpcontact van iedere contactor van de schakeling en de startknop. Er kan dus niet gestart worden als niet alle contactoren in open toestand staan. De manuele noodstop en de startknop zijn op klemmenstroken gebracht omdat deze in de nabijheid van de gebruiken moeten bediend kunnen worden. Als laatste op deze pagina is er nog de schakeling van drie signalisatielampjes. Een eerste wit lampje geeft aan als de spanning aanwezig is. Een groen lampje geeft aan als het veiligheidsrelais geschakeld is, terwijl het rode lampje een noodstop aangeeft. Hiervoor wordt er gebruik gemaakt van nog een vrij contact van het veiligheidsrelais.
11.2.2Vermogenkring Om de schakeling te begrijpen kan beter eerst gekeken worden naar de vermogenkring. Deze beslaan bladzijde 200 tot en met 204. Op bladzijde 200 wordt er bovenaan vertrokken van een railstel die onmiddellijk na de lastscheider komt. Van hieruit wordt de spanning verdeeld naar alle voedingsmogelijkheden met uitzondering van de 55kW sturing. Deze wordt extern gevoed en ingeplugd indien nodig. Uiteraard bezit iedere kring een contactor om de voedingskeuze te kunnen maken. Alle kringen zijn beveiligd met een automaat met uitzondering van de softstarter die in de eigen kast beveiligd is en de 55kW sturing die extern beveiligd is. Aangezien de softstarter vast naast de kast zal staan, zijn er hiervoor aansluitklemmen voorzien. De 5,5kW en 15kW sturing kunnen worden in- en uitgeplugd om indien nodig te gebruiken op verplaatsing. Alles komt dan samen op een railstel dat als basis dient voor het meetgedeelte. Dit meetgedeelte bestaat uit drie schakelingen, elk voor een afzonderlijk meetbereik (pagina 201-203). Telkens zijn er drie stroomtransformatoren, een contactor aan primaire zijde en drie contactoren aan secundaire zijde te herkennen. Op pagina 201 is er nog een aftakking met een kleine automaat en contactor de spanningsmeting toe te laten aan het meettoestel. Afhankelijk van de geschakelde contactor aan primaire zijde wordt er gekozen voor een ander meetbereik. Aan secundaire zijde is er telkens één contactor die zorgt voor een mogelijkheid tot kortsluiten. De twee andere contactoren dienen om, bij het schakelen van een contactor aan primaire zijde, de secundaire zijde te schakelen. Om kringstromen in de secundaire spoel van niet geschakelde stroomtransformatoren te vermijden is er beroep gedaan op normaal gesloten hulpcontacten. Elk meetbereik komt dan opnieuw terecht op een railstel. Dit railstel is de basis om de geschikte uitgang te schakelen (bladzijde 204). Elke uitgang heeft zijn eigen contactor en alles is voorzien van klemaansluitingen. Er zijn twee uitgangen voorzien voor motoren tot 5,5kW, één voor motoren tot 15kW en één voor motoren tot 55kW.
11.2.3Stuurkring Nu de vermogenkring gekend is, kan teruggekeerd worden naar de stuurkring op pagina 100. In eerste instantie zijn er 2 contacten terug te vinden van de contactoren die gestuurd worden door het veiligheidsrelais. Deze schakelen de voeding van alle contactoren. Op pagina 100 is de stuurkring van de voedingsmogelijkheden weergegeven. Van elke contactor die kan
David Degryse
Masterproef
100
geschakeld worden, is er één normaal gesloten contact van alle andere contactoren in serie in de kring opgenomen. Dit is niet specifiek om veiligheidsredenen maar eerder als extra bescherming voor de sturingen. Stel nu dat er iets verkeerd gaat in de software, dan is er nog deze beveiliging die bijvoorbeeld de uitgangen van de sturingen beschermt tegen de netspanning. Hetzelfde geldt voor de spoelen van de uitgangscontactoren op pagina 101. Daar is het echter wel om veiligheidsredenen! Er mag hoogstens één uitgang tezelfdertijd geschakeld zijn. Door dit elektrisch beveiligen kan een softwarefout opgevangen worden en blijft de veiligheid te allen tijde gegarandeerd. Op pagina 102 staat de sturing voor de spoelen van de pneumatische ventielen. Deze worden door middel van een dubbelpolig interfacerelais samen geschakeld met de uitgangen. Op pagina 103 -105 zijn de stuurkringen voor de drie meetmogelijkheden terug te vinden. De primaire contactor, de kortsluitcontactor en de twee secundaire contactoren worden elk apart geschakeld vanuit de PLC. Op pagina 103 is de contactor te zien die de spanningsmeting mogelijk maakt. Deze mag niet schakelen als er getest wordt met een sturing omdat het meettoestel dan mogelijks beschadigd kan worden.
11.2.4PLC Pagina 300 illustreert de ethercat coupler van de soft PLC. Daar is te zien hoe de voeding voor de informatiebus apart wordt afgezekerd. Pagina 310 tot en met 312 geven de digitale ingangen van de PLC weer. De informatie die van de noodstop, softstarter of sturingen moet komen, worden geschakeld via klemmen. De pagina’s 350 tot en met 352 behandelen de digitale uitgangen van de PLC. In alle gevallen zijn het interfacerelais die rechtstreeks met 24V DC geschakeld worden. Op pagina 360 worden nog twee hulpcontacten weergegeven voor de links of rechts schakeling van de sturing. De analoge ingangen voor de trillingssensoren, temperatuursensor en druksensor worden weergegeven op pagina 400 tot en met 402. Alles wordt met behulp van klemmen aangesloten. De analoge uitgangen voor de snelheidsregeling van de frequentiesturingen staan op pagina 410. Verder er is nog de Profibus master op pagina 403 en de energiemeetmodule op pagina 710. Op pagina 700 is de schakeling van de softstarter te vinden. Deze is al geschakeld in zijn kast, maar er worden twee hulprelais en enkele hulpcontacten toegevoegd om hem op aftand te sturen en te controleren.
11.3 Het testgebeuren. Eenmaal de kast volledig geschakeld is en nadat de schoonheidsfoutjes er zijn uitgehaald, kan de PLC sturing geprogrammeerd worden. Aangezien het werken met een soft PLC van Beckhoff nieuw is, is daarom eerst bij de leverancier een opleiding (demo) van enkele uren gevolgd.
David Degryse
Masterproef
101
11.3.1Hardwareconfiguratie Een eerste stap is bedoeld om in de system manager van Beckhoff de hardwareconfiguratie uit te voeren. Dit kan normaal gezien volledig automatisch gebeuren. In de PLC bevindt zich een Profibus DP master met slechts één slave op de veldbus: De energiemeetmodule. Om data te kunnen uitlezen van die module moet die geconfigureerd worden met behulp van de GSD file. Eenmaal dit gebeurd is, kunnen alle parameters afzonderlijk uitgelezen worden. Er zijn echter ook mogelijkheden om vooraf gedefinieerde groepen gegevens in 1 keer uit te lezen. De voorkeur wordt aan dergelijke groep gegeven om de hardwareconfiguratie niet onnodig zwaar maken. De samenstelling van de gekozen groep is terug te vinden in bijlage 12 . Tevens zijn in de hardwareconfiguratie ook onmiddellijk de geïnstalleerde I/O kaarten zichtbaar. De hardwareconfiguratie van de PLC in de schakelkast is te zien in Figuur 11.1 . De omschreven parameters en hardware-elementen zijn aangeduid.
Figuur 11.1: Hardwarconfiguratie in de System Manager
Aangezien er continu van meetbereik veranderd wordt, moet er rekening gehouden worden met de vermenigvuldigingsfactoren van de stroomtransformatoren. In principe zouden omzettingen zonder problemen puur softwarematig kunnen gebeuren. Aangezien de meetmodule in de kastdeur gemonteerd zit, zou het mooi meegenomen zijn als bij het veranderen van het meetbereik ook de settings van het toestel zouden veranderen zodanig dat de uitlezing op de deur steeds correct is.
David Degryse
Masterproef
102
In principe is het mogelijk om via een welbepaald telegram de settings van het toestel te veranderen. Dit is wel een acyclisch gebeuren en moet door het programma opgeroepen worden alvorens dit wordt uitgevoerd. Vermoedelijk is hiervoor een specifieke bibliotheek nodig in TwinCAT om dergelijke acyclische telegrammen te versturen. Wegens tijdsgebrek tijdens het uitvoeren van deze masterproef moet dit nog gebeuren.
11.3.2Het programma De PLC control software van Beckhoff volgt de IEC 61131-3 norm. Dit betekent dat er zonder veel verschillen kan geprogrammeerd worden in de reeds gekende Structure Text en Function Block Diagramma programmeertalen. De voorkeur voor het programmeren bestaat er hier in om het hoofdprogramma in Function Block Diagramma te schrijven. Verder worden dan verschillende onderdelen, function blocks geprogrammeerd in Structure Text. In het hoofdprogramma kunnen de, door de gebruiker gedefinieerde, function block aan in en uitgangsvariabelen of aan elkaar gekoppeld worden. In het hoofdprogramma worden de variabelen reeds voorzien waarmee in de toekomst door de visualisatiesoftware gecommuniceerd zal worden. Het PLC besturingssysteem doorloopt cyclisch de programmacode. Daarom is het belangrijk om steeds in het begin van de cyclus de toestand van de noodstop af te vragen. Indien de noodstop geactiveerd is, mag er niets anders meer uitgevoerd worden. Een eerste actie die van de gebruiker gevraagd wordt, naast het eventueel ingeven van zijn persoonlijke gegevens en het serienummer van de ventilator, is het kiezen van de te testen ventilator. Hiermee wordt bedoeld: het schakelen van de gewenste uitgang. Het softwarematig feit dat één uitgang pas geschakeld kan worden als de andere uitgangen gedeactiveerd zijn, moet bevestigd worden door de stuurkring in de elektrische schakeling alvorens de uitgang kan schakelen. Het is hier een strikte veiligheidsvoorwaarde dat er hoogstens één uitgang geschakeld is. Vervolgens moet de gebruiker de gewenste voedingsmethode kiezen. Ook hier is softwarematig geprogrammeerd dat een voedingscontactor pas kan inschakelen als de andere vier uitgeschakeld zijn. Dit is hier geen kritische veiligheidsvoorwaarde. Het dient enkel om bij een fout eventuele schade aan de sturingen te vermijden. Daarom is ook hier geopteerd om het softwarecommando te laten bevestigen door de stuurkring van de desbetreffende contactor. Vervolgens moet er nog een gewenst meetbereik ingeschakeld worden. Het selecteren van het meetbereik door de operator kan zowel manueel als automatisch gebeuren. Het is belangrijk om hier ervoor te zorgen dat de kortsluitcontactor steeds ingeschakeld is als er niet hoeft gemeten te worden op het bijbehorende meetbereik. In manuele mode wordt een zekere tijd na het inschakelen van de primaire contactor de secundaire contactoren geschakeld en vervolgens de kortsluitcontactoren uitgeschakeld om te kunnen meten. Bij het veranderen van meetbereik moeten de twee kortsluitcontactoren ingeschakeld zijn, mag de primaire contactor van het gewenste meetbereik inschakelen en de andere uitschakelen. Hetzelfde geldt voor de
David Degryse
Masterproef
103
secundaire contactoren. Pas dan mag de kortsluitcontactor van het gewenste meetbereik ontkrachtigd worden. Indien er een te grote stroom gedetecteerd wordt dan het ingestelde meetbereik dan schakelt de PLC de noodstop in. De gebruiker heeft ook de mogelijkheid om automatisch het meetbereik te laten selecteren. Er wordt begonnen in het grootste meetbereik. Als na het verdwijnen van de eventuele piekstroom de stroom groter is dan 100A, dan gaat opnieuw de noodstop in. Maar is de stroom lager dan 28 A dan kan er overgeschakeld worden naar meetbereik 2. Als die een stroom meet groter dan 30 A, kan er weer naar meetbereik 1 overgeschakeld worden. Meet die een stroom kleiner dan 8 A, kan er naar meetbereik 3 overgeschakeld worden. Wordt er in meetbereik 3 een stroom opgemeten die groter is dan 10A, dan kan er weer naar meetbereik 2 overgeschakeld worden. De volgorde van het schakelen van contactoren is hier dezelfde als in manuele mode. Eenmaal dit alles geprogrammeerd is, kan er nog een extra function block aangemaakt worden. Ondanks het feit dat de gebruiker moet weten waarmee hij bezig is, kan het zijn dat er bijvoorbeeld een te zware motor voor een uitgang gestuurd wordt door de softstarter. In dat geval betekent dit voor de uitgangskabel een overstroom. Die extra function block zou ervoor zorgen dat afhankelijk schakeltoestand, de gemeten stroomwaarde en de tijdsduur er ingegrepen kan worden op een tijdstip veel vlugger dan dat er schade is aan de installatie. Normaal gezien duurt het testen van ventilatoren hooguit enkele minuten waardoor er geen schadelijke overbelastingen kunnen optreden. Kortsluitingen daarentegen kunnen wel voorkomen maar deze worden gedetecteerd door de automaten op het begin van de kring. Eenmaal ook het meetbereik gekozen is, kan de gebruiker op start drukken. Pas dan worden de sturingen en de softstarter gestart en schakelt de contactor van de directe opstart. Als er dan op stop gedrukt wordt, worden alle parameters gereset evenals de componenten van het testgebeuren. Daarna moet de gebruiker de eerste meting opslaan en kan er voor centrifugale ventilatoren eventueel nog een meting geschieden. Bij de opgemeten parameters kan overal de nauwkeurigheid vermeld worden. Hierbij moet niet alleen rekening gehouden worden met de nauwkeurigheid van het meettoestel, maar ook met die van de stroomtransformatoren. Nadien kan de gebruiker de data exporteren naar een CSV bestand en die opslaan op de server, afdrukken of de data exporteren naar een database.
11.3.3Initialisatie Als laatste stap moeten de variabelen uit het softwareprogramma gelinkt worden aan de hardware. Alles kan uitgetest worden door de toestand van de variabelen in online modus op te volgen. De volledige programmacode is niet opgenomen in dit eindwerk. Ook dient deze programmacode nog wat afgewerkt of verfijnd te worden in de toekomst. Het is niet ondenkbaar dat er nog fouten of ongemakken optreden.
David Degryse
Masterproef
104
12 Visualisatie De uiteindelijke bedoeling is dat gans de testruimte bediend wordt vanaf de PC. Ook moet het mogelijk zijn om alle waarden en toestanden van de apparatuur te visualiseren. In principe gebeurt al het omzetten en sturen van parameters reeds door het PLC stuurprogramma. Daarom moet het programma dat de gebruiker zal bedienen in principe enkel maar communiceren met de variabelen van het PLC programma. De bedieningssoftware zal geprogrammeerd worden met behulp van Visual Basic, een product van Microsoft®. De benodigde data zal worden uitgewisseld tussen de visulisatiesoftware en het PLC besturingsprogramma met behulp de OCX technologie. OCX is eigenlijk de extensie voor een ActiveX control. Het is de opvolger van het vroegere OLE (Object Linked and Embedded) technologie. Het is een methode die gebruikt worden door programma’s binnen Windows om gegevens onderling met elkaar te kunnen uitwisselen. De flowchart van de gegevensoverdracht tussen PLC software en het visualisatieprogramma is te zien in Figuur 12.1.
Figuur 12.1: Communicatieweg tussen besturingsprogramma en PLC software34
Uit deze flowchart blijkt dat het ook mogelijk is om te communiceren met een PLC over een netwerk volgens het TCP/IP protocol. Dit is in het geval van de testruimte niet van toepassing. Het besturingsprogramma en de PLC software zullen immers op dezelfde PC werken.
34
PLC: www.beckhoff.com
David Degryse
Masterproef
105
Naast het ophalen, versturen en weergeven van data, moet het besturingsprogramma nog enkele functies bezitten. Zo moet het mogelijk zijn om de data te exporteren naar een CSV bestand. Dit CSV bestand kan een zelf opgebouwde template zijn. Eenmaal de gegevens geëxporteerd zijn naar die template kan die dan op de server worden opgeslagen. Het meetrapport is immers een deel van het technisch constructiedossier van de ventilator dat door het bedrijf minstens 10 jaar bewaard moet worden. In een latere fase kunnen de meetgegevens ook geëxporteerd worden naar een database bestand. Zo kan er in de toekomst meetgegevens van gelijke ventilatoren met elkaar vergeleken worden. Op die manier kunnen waarden verkregen die dienen als richtwaarde voor ventilatortesten in de toekomst. Het creëren van deze besturings- en visualisatiesoftware is wegens de omvang van de thesis nog niet gerealiseerd.
David Degryse
Masterproef
106
13 Besluit Na het beëindigen van deze masterproef kan er besloten worden dat er heel wat gerealiseerd is. Zo is in eerste instantie de werkplaats opnieuw ingericht en is er een grondige veiligheidsanalyse gebeurd. Verder is er een prototype ontwikkeld voor de draagconstructies van de ventilatoren. Dit alles is onderzocht en gerealiseerd in het eerste semester. Ook toen was er al een eerste concept over de mogelijk werking van de testruimte. In het tweede semester is concept verfijnd geweest. Er is heel veel tijd besteed aan het kiezen van de componenten. Alle componenten gaande van contactoren, tot sturing en sensoren werden met zorg geselecteerd. De afscherming van de testruimte is reeds gedeeltelijk geïnstalleerd in de werkplaats. Ook de schakelkast is afgewerkt en na enkele testen goed bevonden. Er is reeds een eerste versie ontwikkeld van het PLC programma. Aangezien de PLC software nog ongekend was, is er veel aandacht besteed aan het aanleren ervan. Het is uiteindelijk de bedoeling dat PCA de opgedane kennis van deze nieuwe PLC technologie kan implementeren in hun producten. Er kan gezegd worden dat er met dergelijke testruimte aan heel wat van de vooropgestelde eisen voldaan zal worden. Zo zal er een enorme vooruitgang geboekt zijn op het gebied van veiligheid. Verder zullen ook de metingen betrouwbaarder en nauwkeurig zijn. Hierdoor is het mogelijk om met zekerheid meer productiefouten te ontdekken en zo een meer kwalitatief product aan te bieden aan de klant. Verder is er een standaard testprocedé ontwikkeld wat samen met de mogelijkheid om meerdere ventilatoren in één keer te testen zorgt voor hogere efficiëntie in het testgebeuren. Als laatste kan er gezegd worden dat nog niet alles volledig is afgewerkt. Zo is er de wat de praktische realisatie betreft nog werk aan het afwerken van een deel van de afscherming. Verder moet ook het PLC programma nog wat verbeterd en verfijnd worden. Uiteraard moet er ook nog een besturings – en visualisatieprogramma ontwikkeld worden. Dit moet de gebruiker in staat stellen om de testruimte met al zijn componenten te bedienen en om de gemeten waarden af te lezen. Bijkomend kan deze software de gemeten data exporteren naar een bestand om zo een deel van het technisch constructiedossier te genereren. Verder kan data-export er ook voor zorgen dat in de toekomst meetwaarden kunnen geanalyseerd worden.
David Degryse
Masterproef
107
14 Bibliografie 14.1 Boeken • • • • •
DE CLIPPELEER, W., Tabellenboek voor metaaltechniek, 5e druk, Wolters Plantyn, Deurne, 1996, 322 pagina’s. GELDERS, L., Technische bedrijfsvoering en organisatie, 1e druk, Lanoo Campus, Tielt, 2004, 142 pagina’s. KALS, H.J.J., BUITING-CSIKOS, Cs., VAN LUTTERVELT, C.A., MOULIJN, K.A., Industriële productie: Het voortbrengen van mechanische producten, 3e herziene druk, tenHagenStam uitgevers, Den Haag, 2004, 448 pagina’s. NACHTEGAEL, M., BERNUS, O., GEERTS, M., Wetenschappelijk Vademecum: Een synthese van de leerstof chemie en fysica, vierde druk, Uitgeverij Pelckmans, Kapellen, 2001, 160 pagina’s. OUWEHAND, J., PAPA, T.J.G., POST, E., TAAL, A.C., Toegepaste energietechniek deel 1, 3e herziene uitgave, Academic Service, Den Haag, 2005, 552 pagina’s.
14.2 brochures • • • •
Almeco NV/SA, ‘intern opleidingsdocument’, Basisbegrippen bij ventilatoren, 10 pagina’s. Almeco NV/SA, brochure, Axiale ventilatoren, 4 pagina’s. Almeco NV/SA, brochure, Centrifugale ventilatoren Févi, 4 pagina’s. Verdoolaege NV, catalogus, MBS Product Range 2008, 356 pagina’s.
14.3 Naslagwerken •
DECAIGNY, P. Opbouw proefstand centrifugaalpompen, eindwerk, PIH, 1994-1995, 116 pagina’s.
14.4 Elektronische bronnen • • • • •
ATEX ventilatoren, Intern opleidingsdocument, Almeco NV/SA, pdf document. Bedrijfsvoorstelling, Intern document, Almeco NV/SA, MS PowerPoint document en MS Word document. Gebruiksaanwijzing voor rechtstreeks gedreven axiale ventilatoren, Almeco NV/SA, MS Word document. NovibraUKLR, productcatalogus, www.trelleborg.com, pfd document. Voorstelling industriële ventilatoren FEVI, Almeco NV/SA, MS PowerPoint document.
David Degryse
Masterproef
108
14.5 Interne opleidingscursussen PIH • • • • • • • • • •
CAPOEN, H., Theorie Basic Principles of Automation, 2006-2007. CAPOEN, H., Theorie Factory and Process Automation, 2007-2008. D’HULSTER, F., Theorie toegepaste energietechniek, 2006-2007. DEREYNE, S., Computer Aided Engineering: Eplan, 2007-2008. DEREYNE, S., Labo industriële installatietechnieken, 2007-2008. DESMET, J., Theorie industriële installatietechnieken, 2007-2008. DESMET, J., Theorie industriële meettechnologie, 2007-2008. VANDEPUTTE, E., Machinerichtlijnen, 2007-2008. VANSLAMBROUCK, B., Theorie mechanische trillingen en geluid, 2008-2009. WALCARIUS, H., Theorie basis wisselstroomtechnieken, Deel 2: Transformatoren, 2005-2006.
14.6 Websites • • • • • • • • •
Algemene bedrijfsinformatie: www.almeco.be; www.pca.be. Dempers: www.trelleborg.com. Elektrische installatiemateriaal: catalogus en verdelers: www.schneider-electric.be; www.cheyns.be; www.bekaerteric.com; www.cebeo.be. EN 954-1 norm betreffende het veiligheidsrelais: http://wiki.edu-lab.nl. Machineafscherming: www.troax.be; www.axelent.be PLC catalogus: https://mall.automation.siemens.com; www.phoenixcontact.be; www.beckhoff.be; www.nationalinstruments.com. Profibus : www.profibus.com. Sensoren : www.aesensrors.nl; www.istec.nl; www.pruftechnik.be; www.tiepie.nl; www.isi.be. Stroomtransformatoren: www.verdoolaege.be; www.mbs-stromwandler.de
14.7 Persoonlijke mededelingen • • • • •
David Gits, Promotor Automation bij Siemens NV, Configuratie van de eventuele Siemens PLC, 12/02/2009. Dieter Vandenhoeke, afdeling elektrotechniek: automatisering, Howest dep. PIH, Praktische realisatie met een PLC: 24/10/2008, 27/11/2008, 5/12/2008, 26/02/2009, 15/05/2009. Francis Declercq, zaakvoerder Almeco NV/SA, Historiek van Almeco: 11/12/2008. Guy Joos, medewerker Multiprox NV, Keuze van de interfacerelais, 05/02/2009. Henk Capoen afdeling elektrotechniek: automatisering, Howest dep. PIH, Keuze van de componenten voor een Phoenix Contact PLC, 5/12/2008.
David Degryse
Masterproef
109
• • • • • •
Jan Desmet, afdeling elektrotechniek: elektrotechniek, Howest dep. PIH, Evaluatie van de schakelingen: 20/02/2009, 6/03/2009. Julien Roland, Field Sales Engineer bij National Instruments, Configuratie van de eventuele National Instruments sturing, 25/02/2009. Luc Matthys, medewerker PCA, informatie betreffende de PLC keuze, Serge Debue, medewerker PCA, informatie over testschakeling, PLC, keuze van de beveiligingen, opbouw van de elektrische schema’s en het configureren van Profibus DP: 29/11/2008, 11/12/2008, 05/03/2009, 10/04/2009. Sigi Van Lancker, medewerker Multiprox NV, demo omtrent werken met een Beckhoff PLC, 20/03/2009. Steve Dereyne, afdeling elektrotechniek: elektrotechniek, Howest dep. PIH, Keuze van de contactoren: 21/11/2008.
David Degryse
Masterproef
110
15 Bijlagen • Bijlage 1: Stuktekeningen van het ontwerp. • Bijlage 2: Dempers: Novibra, Trelleborg. • Bijlage 3: Accelerometer van schenck vibrotest 60. • Bijlage 4: Offerte afscherming Axelent. • Bijlage 5: Datasheets gekozen MBS stroomtransformatoren. • Bijlage 6: Datasheets van de gekozen contactoren van Téléméchanique LC1D..P7. • Bijlage 7: Datasheets van de energiemeetmodule PAC3200. • Bijlage8: Datasheets van de gekozen temperatuursensor HT-292. • Bijlage 9: Datasheets van de gekozen verschildruktransmitter AE600. • Bijlage 10: Datasheets van de gekozen trillingssensor. • Bijlage 11: De schema’s van de schakelkast van de testruimte. • Bijlage 12: De samenstelling van de uitgelezen parameters van de energiemeetmodule.
David Degryse
Masterproef
111
Bijlage 1: Stuktekeningen van het ontwerp.
David Degryse
Masterproef
112
Bijlage 2: Dempers: Novibra, Trelleborg.
David Degryse
Masterproef
113
Bijlage 3: Accelerometer van schenck vibrotest 60.
David Degryse
Masterproef
114
Bijlage 4: Offerte afscherming Axelent.
David Degryse
Masterproef
115
Bijlage 5: Datasheets gekozen MBS stroomtransformatoren.
David Degryse
Masterproef
116
Bijlage 6: Datasheets van de gekozen contactoren van Téléméchanique LC1D..P7.
David Degryse
Masterproef
117
Bijlage 7: Datasheets van de energiemeetmodule PAC3200.
David Degryse
Masterproef
118
Bijlage8: Datasheets van de gekozen temperatuursensor HT-292.
David Degryse
Masterproef
119
Bijlage 9: Datasheets van de gekozen verschildruktransmitter AE600.
David Degryse
Masterproef
120
Bijlage 10: Datasheets van de gekozen trillingssensor.
David Degryse
Masterproef
121
Bijlage 11: De schema’s van de schakelkast van de testruimte.
David Degryse
Masterproef
122
Bijlage 12: De samenstelling van de uitgelezen parameters van de energiemeetmodule.
David Degryse
Masterproef
1
