Ontwerp en productie van een highspeed flexibele collator als invoersysteem op een casepacker

Ontwerp en productie van een highspeed flexibele collator als invoersysteem op een casepacker Andries Daem

Promotor: Tim Saillé Begeleider: Ingrid Claus Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master of Science in de industriële wetenschappen: elektrotechniek

Vakgroep Industriële Technologie en Constructie Voorzitter: prof. Marc Vanhaelst Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Academiejaar 2013-2014

De auteur geeft de toelating deze scriptie voor raadpleging beschikbaar te stellen en delen ervan te kopi¨ eren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichte bronvermelding bij het gebruiken of aanhalen van teksten of resultaten uit deze scriptie. De auteur is niet aansprakelijk voor eventuele fouten en onvolledigheden in dit werk. 2 juni 2014

Woord vooraf Dit document vormt de uitgeschreven versie van het project rond de flexibele collator. Voordien was dit project nog maar een idee van David Van Den Houte, Solutions Engineer bij Intrion NV, die er al langer aan gedacht had om iets dergelijks op poten te zetten. Uiteraard wil ik hem ervoor bedanken om mij de kans te geven hierover mijn thesis te maken, en mij optimaal te begeleiden in het realiseren van dit project. Tegelijk dank ik ook Benny Roekens, PLC Robotics Engineer bij Intrion NV, om mij, op programmatorisch en elektrisch vlak, de weg te wijzen in dit project. Uiteraard ben ik dankbaar voor de hulp van mijn promotoren van de UGent, Dhr. Tim Saill´e en Mevr. Ingrid Claus, die mij op het goede moment in de juiste richting konden voortduwen. Daarnaast had ik dit nooit gekund zonder de steun, goede raad en tips van alle andere ingenieurs/techniekers die gedurende dit project werkzaam waren bij Intrion NV, waarvoor dank!

Andries Daem

3

2 juni 2014

Abstract The purpose of this thesis is to provide a solution for the recent trend to make fully automated industrial manufacturing lines more flexible. Modern processing or packaging of semior fully finished products is realised with conveyors, tractor pulleys and servodrivers, and most of those installations are designed for one specific product. Making production lines more flexible means that the machines need to be able to quickly adapt to changes in the products. For this thesis specifically, we will focus on the collator. This machine collects products in order to process them jointly. The modern day collator can only process a fixed number of products at a time, and needs to be shut down and manually adapted by a technician if the size and number of the products change. This problem calls for a more efficient, flexible and easy-to-use machine. Based on the design of current collators, and using different mechanical principles, a new concept for the flexible collator was created. After realising a mechanical design, this thesis aims to make the machine intelligent by controlling it with a HMI and a PLC which is connected with a servodriver using Profibus. By doing this, the flexible collator only needs a minor input from the user trough the HMI, and will adapt itself, using the logical commands programmed in the PLC. Although this thesis leaves certain detailed aspects aside, it forms a solid ground for further study.

Het doel van deze thesis is om een oplossing te bieden in de vele problemen die er ontstaan in de recente trend om productielijnen flexibeler te maken. Hedendaagse verwerkings- of verpakkingsmachines die half - of volledig afgewerkte producten verwerken, maken gebruik van transportbanden, robots en servomotoren, en deze onderdelen zijn vaak bedoeld voor het verwerken van een vast aantal producten met uniforme afmetingen. Het flexibel maken van productielijnen betekent dat de machines zich snel moeten aanpassen aan veranderende omstandigheden. In dit eindwerk werd er gefocust op de collator. Deze machine verzamelt producten zodat ze gezamenlijk verwerkt kunnen worden. De moderne collators kunnen slechts een vast aantal producten verwerken, en moeten stilgelegd worden zodat een technieker ze manueel kan aanpassen, indien dat nodig is. Dit probleem heeft een effici¨ente, flexibele en gebruiksvriendelijke oplossing nodig. Gebaseerd op het ontwerp van moderne collators, en met behulp van verschillende mechanische principes, werd een concept bedacht voor een flexibele collator. Naast het mechanisch ontwerp, zal dit eindwerk een elektrisch ontwerp, en een intelligente sturing voorzien, waarin een HMI, een PLC en een servodriver via een Profibus-netwerk communiceren. Zo heeft de machine een minimale input nodig van de gebruiker, en zal ze zich autonoom aanpassen op basis van de instructies van de PLC. Hoewel deze thesis op elk vlak (elektrisch, mechanisch, programmatorisch) oplossingen voorziet voor de machine, laat ze nog veel ruimte voor verdere studie en optimalisatie.

4

Inhoudsopgave 1 Inleiding 1.1 Wat is een collator? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Wat wordt er bedoeld met ”flexibel”? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Marktonderzoek 2.1 Reeds bestaande concepten . . . . . . 2.1.1 Pick and place toepassingen . . 2.1.2 Racetrack . . . . . . . . . . . . 2.1.3 Streamfeeder . . . . . . . . . . 2.2 Oplossingen in ontwikkeling . . . . . . 2.2.1 Beckhoff XTS . . . . . . . . . . 2.2.2 Festo Supramotion Technologie 2.3 Out-of-the-box-oplossingen . . . . . . 2.3.1 3D-printing . . . . . . . . . . . 2.3.2 Draadloze besturing . . . . . .

8 8 9

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

10 10 10 13 14 14 14 15 17 17 17

. . . . . . . . . . . . . . of Profinet . . . . . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

18 18 20 20 23

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

24 24 25 26 26 27 28 31 31

5 Vermogensberekening 5.1 Manuele vermogensberekening . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.1 Bepaling van de equivalente traagheidsmomenten 5.1.2 Bepaling van het askoppel . . . . . . . . . . . . . 5.1.3 Bepaling van het asvermogen . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

34 34 34 35 35

3 Literatuurstudie 3.1 Mechanisch . . . . . . . . . 3.2 Elektrisch . . . . . . . . . . 3.2.1 Netwerken - Profibus 3.2.2 S110 Servo driver . .

4 Conceptstudie en mechanisch ontwerp 4.1 Kliksysteem met 2 banden . . . . . . . 4.2 Wielblokkering - 2 banden . . . . . . . 4.3 Afkoppelsysteem met kogel . . . . . . 4.4 Systeem met kabel . . . . . . . . . . . 4.5 Systeem met ketting . . . . . . . . . . 4.6 Veer-lager-systeem . . . . . . . . . . . 4.7 Overzicht . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8 Definitieve ontwerp . . . . . . . . . . .

5

. . . . . . . .

5.2 5.3 5.4 5.5 5.6

5.7 5.8 5.9

Vermogensberekening met SIZER . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mechanische vereisten van de collator in moderne productielijnen Invoeren van de mechanische systeemeigenschappen . . . . . . . Bepaling van het drive systeem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bepaling van de motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6.1 Effect van een reductiekast op de motorkeuze . . . . . . . 5.6.2 Effect van de pauzeertijd op de motorkeuze . . . . . . . . Bepaling van de power unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Keuze van Output Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . System Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6 Budgettering van het gekozen ontwerp 6.1 Koopdelen . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.1 Elektrische componenten . . . . 6.1.2 Mechanische componenten . . . . 6.2 Maakdelen . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

37 37 37 40 41 42 47 48 50 52

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

55 55 55 56 56

7 Besturing 7.1 Inleiding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 Principeschets . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3 HMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4 Communicatie PLC S7-300 - Servodrive S120 7.5 Grafcetschema’s . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6 PLC programma . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6.1 Overzicht Profibusnetwerk . . . . . . . 7.6.2 Overzicht PLCprogramma . . . . . . . 7.6.3 FB6 Hoofdprogramma . . . . . . . . . 7.6.4 FB2 Machine aanpassen . . . . . . . . 7.6.5 FC5 Positiecontrole . . . . . . . . . . 7.6.6 FC4 Positieopname . . . . . . . . . . . 7.6.7 FC3 Bereken aanpassingen . . . . . . 7.6.8 DB2 Gewenste Posities . . . . . . . . 7.6.9 FC8 Enable Drive . . . . . . . . . . . 7.6.10 FC2 Teller . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6.11 Simulatorvoorstelling . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

57 57 57 59 59 61 63 64 64 64 75 77 79 82 84 85 85 86

. . . .

. . . .

8 E-Planschema

88

9 Laagspanningsberekening 9.1 Werkwijze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2 Dimensionering van de transformator . . . . . . . . . . . . . . . 9.3 Berekening kabelsecties met de impedantiemethode . . . . . . . 9.3.1 Impedantie van het HS-net . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3.2 Impedantie van de transfo . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3.3 Impedantiemethode: verbinding Transfo - ALSB . . . . 9.3.4 Impedantiemethode voor geleiders: Algemene werkwijze 9.3.5 Impedantiemethode: Verbinding ALSB - LSB1 . . . . . 9.3.6 Impedantiemethode: verbinding ALSB - LSB2 . . . . . 9.3.7 Impedantiemethode LSB1 - V1 . . . . . . . . . . . . . . 6

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

97 99 99 101 101 102 103 105 108 110 112

9.4

9.5

9.6 9.7

9.8

9.9

9.3.8 Verbinding LSB1 - V2 (via LSB3) . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3.9 Verbinding LSB2 - v3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3.10 Verbinding LSB2 - V4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3.11 Overzicht van alle berekende weerstanden . . . . . . . . . . . . Bepaling van de maximale en minimale kortsluitstromen . . . . . . . . 9.4.1 Maximale kortsluitstroom per automaat of lastscheider . . . . . 9.4.2 Minimale kortsluitstroom per verbruiker en verbinding . . . . . Controle van de spanningsval over de installatie . . . . . . . . . . . . . 9.5.1 Spanningsval Transfo - ALSB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.5.2 Spanningsval van ALSB naar LSB1 . . . . . . . . . . . . . . . . 9.5.3 Spanningsval van ALSB naar LSB2 . . . . . . . . . . . . . . . . 9.5.4 Spanningsval van LSB1 naar V1 . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.5.5 Spanningsval van LSB1 naar V2 . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.5.6 Spanningsval van LSB2 naar v3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.5.7 Spanningsval van LSB2 naar v4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . Besluit van de eerste berekening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Herberekening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.7.1 LSB1-V1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.7.2 LSB1-LSB3-V2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Overzicht na herberekening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.8.1 Slechtste omstandigheden: K = 0.51 . . . . . . . . . . . . . . . 9.8.2 Beste omstandigheden: K = 1.15 . . . . . . . . . . . . . . . . . Beveiligen van de laagspanningsinstallatie in slechtste omstandigheden

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

114 115 117 118 119 120 120 121 122 122 124 125 127 128 129 131 131 131 132 135 135 135 136

10 Besluit

144

Bijlage A Handleiding WinCC

153

Bijlage B Handleiding STARTER

159

Bijlage C Mechanische tekeningen

174

Bijlage D.1 D.2 D.3 D.4 D.5 D.6 D.7

D Motorsturing via Profibus Inleiding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Een nieuw project aanmaken en hardwareconfiguratie Instellen Micromaster . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verbinding PLC-PC tot stand brengen . . . . . . . . . Testen van de verbindingen . . . . . . . . . . . . . . . Foutmeldingen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PLC-stuurprogramma . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

187 187 187 194 195 197 203 204

Hoofdstuk 1

Inleiding Om goed te kunnen starten met dit project, is het noodzakelijk goed te begrijpen wat er juist gevraagd werd. Wat is precies de functie van een collator binnen een productielijn? En op welke manier kan men een dergelijke machine flexibeler maken?

1.1

Wat is een collator?

Letterlijke vertaald is een ’collator’ eigenlijk een ’verzamelaar’. Dit betekent dat een collator in een productielijn kan dienen als een verzamelaar van producten. Het verzamelen van producten kan voor verschillende toepassingen nuttig zijn. Enkele voorbeelden: • Een vast aantal producten groeperen om gezamenlijk verpakt te worden • Enkele producten in vaste hoeveelheden tegelijk kantelen, zodat ze beter gepositioneerd liggen op de volgende transportband • De producten met een bepaalde zijde kortstondig in de gewenste richting kantelen, zodat ze gecodeerd, ge¨etiketteerd of voorzien van een vervaldatum kunnen worden Het gezamenlijk verwerken van producten met verschillende afmetingen heeft zowel voordelen op het vlak van productieruimte (vb. als 1 machine meerdere productielijnen kan convergeren, is dit ongetwijfeld financieel voordeliger) en op vlak van technisch onderhoud. Een collator wordt meestal aangedreven door een servomotor, omdat er van de machine vereist is dat ze zich zeer snel kan verplaatsen om producten op te vangen die snel na elkaar toekomen. De versnellingen zijn dus zeer hoog en de posities moeten zeer nauwkeurig instelbaar zijn, waardoor de rekenkracht en het leverbaar elektrisch vermogen uitermate belangrijk zijn. Bovendien draait de machine niet continu en moet er ook gekeken worden naar de thermische eigenschappen van de motor. Met zelfkoelende asynchrone inductiemachines zou de opwarming redelijk hoog zijn, omdat bij een lage snelheid de temperatuur snel kan oplopen. Servomotoren werken met permanente magneten, waardoor er door het anker geen elektrische stromen moeten lopen en de opwarming geen probleem vormt. De servomotor is gekoppeld aan een lineair beweegbare tandriem of kettingstructuur. Op deze riem of ketting zijn meenemers geplaatst die elk een product kunnen opnemen. Door een vast aantal meenemers achter elkaar te monteren, kan er ook een vast aantal producten verzameld worden.

8

Aangezien men de snelheid waarmee de producten van de voorgaande transportband komen niet in de hand heeft, zal de collator zich hieraan moeten kunnen aanpassen. Figuur 1.1: Bestaande Industri¨ele Collator

1.2

Wat wordt er bedoeld met ”flexibel”?

In het bovenstaande voorbeeld, en in alle huidige toepassingen, zijn de afmetingen van de producten die verzameld moeten worden, constant. De meenemers zijn zodanig gemaakt dat de producten er mooi in passen. In modernere productielijnen gebeurt het vaker en vaker dat de productie z´elf ook flexibel wordt. Dit betekent dat een fabriek geregeld verandert van product, en dat dezelfde machines dus verschillende producten moeten kunnen fabriceren. Of dat producten van verschillende productielijnen, en dus met verschillende afmetingen, convergeren naar ´e´en machine, die beide producten moet kunnen verwerken. In dit opzicht spreekt het voor zich dat de collator ook flexibel moet worden. De grootte van de meenemers, en ook het aantal producten, moet instelbaar kunnen zijn. In moderne fabrieken mag deze omschakeling niet veel tijd in beslag nemen, zeker omdat er soms zelfs enkele keren per dag van product gewisseld wordt. Daarom is het ondenkbaar om hiervoor telkens een andere collator te plaatsen, of de huidige meenemers op de collator te verplaatsen door andere meenemers, in een andere configuratie. De nood aan een geautomatiseerde, flexibele oplossing dringt zich dus op.

9

Hoofdstuk 2

Marktonderzoek 2.1

Reeds bestaande concepten

In dit deel worden de verschillende mogelijke oplossingen voor het probleem bestudeerd vanuit een actueel oogpunt. Alle bestaande concepten en hun ontwerpers (de bedrijven) worden op een rijtje gezet, samen met een korte beschrijving van de uitvoering en werking. Dit heeft als doel onszelf bewust te maken van de markt waarin we wensen terecht te komen met dit nieuwe ontwerp en dusdanig ook onszelf een bepaalde doelstelling op te leggen. Welke geautomatiseerde concepten bestaan er? Waar zijn verbeteringen mogelijk? Welke technologie¨en zitten eraan te komen?

2.1.1

Pick and place toepassingen

Door middel van Pick and Place-machines worden de producten opgetild, verplaatst, geroteerd en weer neergezet. Precisie en snelheid zijn hier van groot belang, waardoor een geavanceerd regel- of besturingssysteem noodzakelijk is. Deltarobots Als de snelheid van de productielijn prioritair is, wordt er meestal gebruik gemaakt van deltarobots. Dit type robot bestaat uit meerdere (meestal 3) parallelle actuatoren die rotationeel (met servomotoren) of lineair kunnen bewegen. Hierdoor krijgt de robotkop minstens 3 vrijheidsgraden. Er zijn ook modellen die de kop kunnen roteren.

10

Figuur 2.1: Festo Lineaire deltarobot

Figuur 2.2: ABB Flexpicker

Enkele producenten van deze robots zijn Bosch Packaging Technology (vroeger Demaurex), Marchesini group, Festo en ABB. Deze deltarobots zijn op zich zeer flexibel, en worden bestuurd op basis van camerabeelden die producten en hun ori¨entatie kunnen detecteren. In de meeste toepassingen worden deze robots gebruikt om producten van de ene transportband (waarop ze in willekeurige volgorde en richting liggen) vast te nemen met een vacu¨ umventiel, en gesorteerd op de andere transportband neer te plaatsen. Robotarmen De robotarmen hebben een gelijkaardige werking, maar een andere bouwvorm. Ze zijn vaak iets minder snel als de deltarobots, maar kunnen grotere verplaatsingen realiseren. Hieronder is een dergelijke robotarm te zien met 6 vrijheidsgraden.

11

Figuur 2.3: Robotarm ABB IRB 6640

Hoewel dit type robots zeer populair en gemakkelijk in gebruik te nemen is, blijft het een grote investering. Een eenvoudige deltarobot heeft een kostprijs van ongeveer e25000, exclusief plaatsingskosten en programmatiekosten. Deze robotarmen of deltarobots worden gebruikt om producten van de ene transportband, waarop ze in willekeurige volgorde en ori¨entatie liggen, op te tillen en te verplaatsen naar een parallelle transportband waar ze gegroepeerd en verpakt worden.

12

Figuur 2.4: Intrion Deltarobot Flexpicker

2.1.2

Racetrack

In dit concept worden de producten in een racetrack verzameld en vervolgens tegelijk in hun verpakking geduwd, getrokken, of gedropt. Dit is een relatief eenvoudig concept dat ook zeer snel en effici¨ent kan werken. De producten komen van een transportband en komen terecht in een reeks van houders (of meenemers) die een bepaald aantal producten in ´e´en reeks kunnen bevatten. Als de reeks vol is, schuift ze door en worden de gesorteerde en gerangschikte producten in de verpakking gebracht. Om het tempo te verhogen kunnen er meerdere reeksen aan dezelfde loopband gekoppeld worden, zodat de productielijn niet telkens onderbroken wordt als een reeks vol is. Een bekende producent van deze machines is Somic. Figuur 2.5: Racetrack

13

2.1.3

Streamfeeder

Het verzamelen van verschillende producten gebeurt nadat de producten gesorteerd werden. Deze machines nemen veel ruimte in beslag en zijn niet flexibel. Ze zijn daarentegen wel onderhoudsvriendelijk en kunnen gemakkelijk blijven werken tijdens een onderhoud of wanneer de productielijn verandert. Figuur 2.6: Streamfeeder

2.2 2.2.1

Oplossingen in ontwikkeling Beckhoff XTS

Dit nieuw concept geeft volledige controle over elk product. Dit gebeurt door elke grijper of klem afzondelijk te besturen. Op die manier kunnen de grijpers zelf objecten blokkeren of aantrekken, of kunnen ze per twee samenwerken om objecten vast te klemmen. De meenemers zijn nauwkeurig tot op 0.25 mm en kunnen grote versnellingen en krachten leveren. Dit systeem kan zowel rotationele als lineaire bewegingen uitvoeren en maakt gebruik van het EtherCAT protocol. Men verwacht dat dit product vanaf januari 2014 verkrijgbaar zal zijn.

14

Figuur 2.7: Beckhoff XTS

Na een prijsvraag bij Beckhoff in Hasselt in verband van een testopstelling van de XTS bleek dat een dergelijk systeem e47327.65 incl. BTW kost. Dit geldt voor de eXtended Transport System Large Starters kit, die 1500 mm in lengte heeft, en 10 movers op de rails. Deze configuratie komt, zoals later zal blijken, het dichtst in de buurt met de gewenste configuratie van de Flexibele Collator.

2.2.2

Festo Supramotion Technologie

Deze technologie is gebaseerd op het fenomeen waarbij magnetische veldlijnen afgestoten worden door een supergeleidend materiaal, het zogenaamde Meissner-effect. Door supergeleidende materialen in een magnetisch veld te brengen, wordt een aantal veldlijnen ’gevangengenomen’ in het materiaal, waardoor het object kan zweven in het magneetveld. Festo heeft hierin al enkele concepten gerealiseerd onder de naam Supramotion. Men is er reeds in geslaagd om eenvoudige lineaire bewegingen, of bewegingen in een 2D vlak te controleren door het gebruik van supergeleiding en magnetisme. Door gravitationele banen te cre¨eren met behulp van servopneumatische cilinders wordt het mogelijk om objecten wrijvingsloos te laten zweven over een traject. Het voornaamste nadeel aan deze technologie is de nood aan een koelsysteem dat het supergeleidend materiaal zodanig kan afkoelen dat het zijn supergeleidende eigenschappen krijgt. Momenteel zijn er reeds materialen die supergeleidend worden bij een temperatuur van ongeveer -200◦ C tot maximaal -100◦ C. Hierdoor kan vloeibaar stikstof gebruikt worden als koelmiddel, maar verwacht wordt dat de kritische temperatuur van supergeleiders (de temperatuur waarbij ze hun supergeleidende eigenschappen krijgen) nog zal stijgen tot boven het vriespunt (0◦ C) als deze materialen verder worden onderzocht en ontwikkeld. Festo past deze technologie toe op drie gebieden: SupraLinearMotion Hierbij zweeft een last boven een platform dat gekanteld wordt door elektrische of pneumatische actuators. De zwaartekracht zorgt er vervolgens voor dat de last beweegt over het platform. Het platform werkt dus als een gravitationele baan.

15

Figuur 2.8: SupraLinearMotion Festo

SupraHandling Deze installatie kan objecten verplaatsen over een 2D-vlak waarbij opnieuw gebruik gemaakt wordt van de zwaartekracht en de zwevende eigenschappen van de last boven de geleidingen. De verplaatsing wordt gecontroleerd met optische sensoren en servomotoren. Figuur 2.9: SupraHandling Festo

SupraPicker Deze toepassing is vooral nuttig als de producten heel gevoelig zijn en in hermetische ruimtes bewaard worden. De robotarm kan de producten optillen en verplaatsen zonder ze aan te raken, door een zwevende permanente magneet in de ruimte te manipuleren. Hierdoor is het overbodig om de robot zelf in de afgesloten ruimte te plaatsen.

16

Figuur 2.10: SupraPicker Festo

Festo slaagt er reeds in om de koeling te realiseren met kleine compressoren, en ontdoet zich dus van de nood voor een circuit met vloeibare stikstof. Toch zit deze technologie nog volop in de onderzoeksfase en zullen de eerste toepassingen nog enkele jaren op zich laten wachten.

2.3 2.3.1

Out-of-the-box-oplossingen 3D-printing

Als uitbreiding van de flexibiliteit van een bestaande racetrack, kan er gekozen worden om de meenemers in verschillende formaten te laten 3D-printen. Een standaard ketting kan dan gebruikt worden om de geprinte stukken vast te monteren en te laten meedraaien. Indien men op voorhand weet welke producten er van de transportband komen, en welke afmetingen die producten hebben, kunnen zo ook combinaties van 3D-geprinte stukken op de ketting gemonteerd worden, om op die manier producten van vari¨erende grootte tezamen te verwerken. Hoewel 3D-printing een veelbelovende industrie is, zal deze techniek hier niet van toepassing kunnen zijn. Deze oplossing vereist nog steeds de manuele omschakeling, en is dus geen geautomatiseerde oplossing. Bovendien zou de machine slechts enkele formaten kunnen verwerken, omdat er per formaat een bepaalde meenemer geprint wordt. Flexibel is deze werkwijze dus alvast ook niet.

2.3.2

Draadloze besturing

In dit concept zou elke houder uitgerust worden met een ontvanger die draadloos signalen kan opnemen. Deze signalen zouden elke houder afzonderlijk kunnen besturen en ze ofwel vast op de transportband, ofwel los van de transportband gekoppeld kunnen sturen. Met behulp van een elektromagnetische klem, gevoed door een batterijtje, zouden de houders dan afzonderlijk gecontroleerd kunnen worden, en kunnen de onderlinge afstanden geregeld worden. Een controle-unit kan elke houder afzonderlijk besturen, en de houders op elke plaats in de cyclus vast- of losmaken van de band. Dit concept zou zeer flexibel en haalbaar kunnen zijn, ware het niet dat batterijen uiteindelijk altijd vervangen of opgeladen moeten worden, waardoor de productie ongewenst stil zou komen te liggen. 17

Hoofdstuk 3

Literatuurstudie 3.1

Mechanisch

Er zijn veel mogelijke oplossingen voor dergelijke problemen, gaande van CAM-profielen, gecombineerde transportbanden met verschillende steek en trilplaten tot meer geavanceerde oplossingen met geautomatiseerde robotarmen en pneumatische bruggen. Het principe van de racetrack is een relatief eenvoudige, en vaak gebruikte toepassing. Een transportband met meenemers wordt met een servomotor aangedreven zodat de producten gegroepeerd worden en nadien gelijktijdig verwerkt kunnen worden. Figuur 3.1: Racetrack

In de hedendaagse installaties is de grootte van de meenemers vastgelegd, en kan deze moeilijk gewijzigd worden. Hiervoor zou de machine stilgelegd moeten worden, en zou een technicus de meenemers moeten vervangen. Dit kost tijd, en dus ook geld, en roept om een gebruiksvriendelijkere manier van werken. Het komt er dus op neer om de afstand tussen de plaatjes, of de grootte van de meenemers, aan te passen door de gebruiker de gewenste afstanden te laten ingeven. Vervolgens moet de machine zichzelf instellen. Servomotor Servomotor of asynchrone motor? Om het geheel aan te drijven kan men kiezen tussen een aantal verschillende types motoren. De meest voor de hand liggende motoren zijn de asynchrone motor en de servomotor. Het belangrijkste aspect van de opdracht is het verwezenlijken van een stijve regelkring en heel erg nauwkeurige positionering van de transportband. De huidige frequentieregelaars kunnen ervoor zorgen dat ook de asynchrone

18

motoren zeer dynamisch en regelbaar zijn, maar het gedrag bij lage snelheden is steeds gunstiger bij servomotoren. Bij lage snelheden moet er bij een zelfkoelende asynchrone motor namelijk op gelet worden dat de rotorwikkelingen niet doorbranden. De stroom door de rotor wordt immers groot bij lage snelheden, en juist dan is de koeling noodzakelijk. Dit vormt geen gevaar bij servomotoren, want deze werken met permanente magneten. In de onderstaande figuur is dit weergegeven: De S1-curve is de nominale motorcurve. Op deze punten werkt de motor optimaal, en het gemiddelde werkingspunt moet onder deze curve liggen, terwijl het piekkoppel en - toerental hier een beetje boven mag liggen. In het rood staat aangeduid wat er gebeurt bij lage toerentallen in het geval van asynchrone motoren. Het koppel daalt sterk als de snelheid nul nadert. Dit beperkt de flexibiliteit en wekt zorgen op in verband met koeling en rendement. Figuur 3.2: Motorcurven (groen = servomotor, rood = asychrone motor)

Ook de bouwvorm van een servomotor laat ons toe om een veel kleinere vermogenper-volumeverhouding te bereiken, iets wat in een fabriekshal toch zeker ook belangrijk is. Verder hebben servomotoren tegenover asynchrone motoren het voordeel dat ze hoge piekbelastingen aankunnen, een zeer groot regelbereik hebben en uiterst nauwkeurig zijn. Werking van de servomotor De sturing van een servomotor is essentieel voor het optimaliseren van de motor. Naar analogie met de frequentieregelaars voor asynchrone en synchrone motoren worden servomotoren aangestuurd met behulp van servodrives. Dit zijn modules die via feedbacksignalen en inputs van een externe stuurmodule het veld rond de rotor van de servomotor gaan controleren. Deze externe stuurmodule kan bijvoorbeeld een PLC zijn. Op basis van de signalen van de stuurmodule genereert de servodrive stromen en spanningen om zo een magnetisch veld op te wekken in de servomotor. De feedbacksignalen sturen de werkelijk gemeten snelheid en positie terug naar de servodrive, zodat deze via een gesloten feedbacklus en een geschikte regelaar kan corrigeren voor fouten.

19

Figuur 3.3: Regellus Servomotor

De servodrive zal het foutsignaal manipuleren (via een versterking of een PID-regeling) waardoor de servomotor nauwkeuriger en dynamischer zal reageren op inputs. Op deze manier kan de positie, de snelheid en het koppel geregeld worden. Enkele van de belangrijkste eigenschappen voor servomotoren: • Teruggekoppeld systeem via encoder • Grote energieversterking • Klein motortraagheidsmoment dus een snelle responsie • Groot koppel bij stilstand • Lineaire M-n-curve

3.2 3.2.1

Elektrisch Netwerken - Profibus of Profinet

Alle onderdelen van het elektrische deel van de installatie zullen verbonden zijn in een netwerk. Dit is essentieel voor een goede en betrouwbare werking van de machine. Gegevens van sensoren, actuatoren en rekeneenheden moeten snel en betrouwbaar data uitwisselen en foutmeldingen genereren. Er bestaan reeds vele standaarden en protocollen op het vlak van communicatienetwerken (TCP-IP, USB, RS232, CAN, NFC, ...). In de industrie, en dan voornamelijk de automatiseringstoepassingen van de moderne productielijnen, communiceren alle componenten vaak via een Profibus of Profinet. Profibus Profibus (Process Field Bus) is een twee-draads seri¨ele bus die controllers, sensoren en actuatoren verbindt door ze een Profibus-adres te geven. Zijn fysieke laag bestaat uit een RS485-kabel en de verbinding haalt snelheden tot 12MBaud. Er bestaan 2 varianten: de Profibus DP (Decentralized Periphery) en de Profibus PA(Process Automation). Ze onderscheiden zich op de volgende punten:

20

Profibus DP • Vooral plug-and play toepassingen. • Een master bepaalt wanneer de slaves hun outputs gaan schrijven en hun inputs gaan lezen. • Snelheid staat centraal. Profibus PA • Is gebaseerd op profibus DP • Explosieveiligheid staat centraal, door het voorzien van een power-over-profibus systeem. Sensoren en actuatoren (die een beperkte hoeveelheid elektriciteit verbruiken) kunnen hun voeding en data over dezelfde kabel krijgen. Hierdoor zijn de sensoren van het Ex-i type, wat betekent dat ze intrinsiek veilig zijn. Ze kunnen in risicovolle zones geplaatst worden omdat ze geen of slechts zeer kleine vonken kunnen veroorzaken. Dit concept noemt men het High-Power-Trunk - concept. • PA-netwerken kunnen gekoppeld worden op DP-netwerken. Figuur 3.4: Profibus-PA in risicozone 0

Gebruikers van een profibus-netwerk kunnen snelheden tussen de 9.6kbps en 12Mbps selecteren. Aangezien de master de slaves cyclisch gaat aanroepen, is de totale cyclustijd afhankelijk van het aantal slaves.

21

Redundantie Sinds 2004 is er een nieuwe Profibus-standaard waarbij zowel de slaves als masters in een Profibus-netwerk inzetbaar zijn in systemen die zeer bestendig moeten zijn tegen fouten of onderhoudswerken. Elke slave, alsook de master, heeft naast zijn primaire poort ook een backup-poort. Afhankelijk van de configuratie wordt er ook een backuptransmissielijn gebruikt. In dat geval hebben de primaire en de backup-poort hetzelfde adres in het netwerk. Figuur 3.5: Redundantie-concepten bij Profibus

De communicatiestandaard tussen master en slave is het Profibus DPV2 communicatieprotocol. Fysische laag De fysische laag is meestal uitgevoerd in een RS-485 verbinding, maar er kan ook met glasvezel of zelfs met een draadloze infraroodverbinding gewerkt worden. Deze verbinding is een afgeschermde aderpaarverbinding. Figuur 3.6: Profibuskabel

Datalinklaag Deze laag beschrijft hoe de data op de fysische laag gezet wordt. Elke deelnemer heeft een fysisch adres waarmee hij geadresseerd kan worden. De slaves in het 22

netwerk zijn volledig passief. De masters gaan afwisselend data sturen en opvragen in de vorm van een token-ring. Deze ”token”wordt doorgegeven, en enkel als een master het token in zijn bezit heeft, is hij actief, en werkt de rest van de masters als slave. Op die manier is profibus eigenlijk een multi-master bus. Profibus is zodanig opgebouwd dat als er een master wegvalt (door kabelbreuk, of spanningsverlies) de token toch gewoon door kan gegeven worden in de ring waarin hij zich op dat moment bevindt. Profinet Profinet is een standaard voor industri¨ele communicatie via een ethernet, en dus berust op het TCP-IP-protocol. Het grote voordeel hiervan is dat zo een netwerk gebouwd kan worden dat een volledig geautomatiseerd proces controleert, en tegelijk verbonden kan zijn via een ethernetverbinding (het internet) aan een ander netwerk dat met hetzelfde protocol werkt (bijvoorbeeld naar een verafgelegen controlekamer, of de IT-dienst).

3.2.2

S110 Servo driver

De SINAMICS S110 is een servoregelaar van Siemens die te gebruiken is in eenvoudige positioneertoepassingen. Hij is instelbaar met de STARTER software, waarvan een handleiding in de bijlage te vinden is. De aandrijving is leverbaar met een Profibus-interface. Via de Drive-CliQ-aansluiting (een ethernet-verbinding tussen de motor-encoder en de driver) kan men met behulp van STARTER automatisch de motorgegevens inlezen, zodat de juiste instellingen gegarandeerd zijn. De communicatie met de PLC wordt dus uitgevoerd met een Profibus-netwerk. Ook kunnen diagnosemeldingen via een profibus op een HMI weergegeven worden. De driver is ook instelbaar via een groot aantal parameters die met het Basic Operator Panel (BOP) of via de STARTER software ingesteld kunnen worden. De Control Unit van de S110 is de CU305.

23

Hoofdstuk 4

Conceptstudie en mechanisch ontwerp In dit onderdeel zullen de overwogen concepten beschouwd worden. Dit deel van het eindwerk heeft op zich zeer lang geduurd aangezien het uiteindelijk gaat om een volledig nieuw ontwerp van een machine. Er zijn dus zeer veel mogelijkheden om deze opdracht uit te voeren, het kwam erop aan om het meest betrouwbare en tegelijk realiseerbare ontwerp te kiezen en verder uit te werken. Het concept van de racetrack, waarbij tot nog toe vaste houders op een kabel gemonteerd werden, kan worden aangepast tot een systeem waarbij de grootte van de houders (ofwel de afstand tussen de meenemers) variabel kon zijn. Het werd al snel duidelijk dat het klemmingsmechanisme (de manier waarop de meenemers vastgemaakt en losgemaakt kunnen worden aan de transportband) zeer doorslaggevend is voor de snelheid en robuustheid van het ontwerp. Verschillende mechanismen werden bedacht en uitgetekend met de 3D-modellingsoftware Creo Elements van Parametric Technologies (PTC). Al deze concepten hebben hun voor- en nadelen, het kwam er op neer om deze tegen elkaar af te wegen en zo het beste concept uit te kiezen en in verder detail te ontwikkelen.

4.1

Kliksysteem met 2 banden

De transportband bestaat uit drie lagen met een middelste laag die iets minder breed is. In deze opening kunnen wielen draaien als de meenemers los van de band gekoppeld zijn. Als de hendels naar boven geklikt zijn, zou een meenemer geklemd zitten met een klem langs de binnenkant van de band (de bovenkant van de figuur). Er werken twee parallelle transportbanden tegelijk, waarbij de verdeling van de meenemers over de band identiek is. Twee banden simultaan laten werken, en dus de servomotor voor elke band zodanig regelen dat de andere band niet gehinderd wordt, kan de capaciteit van de machine verdubbelen.

24

Figuur 4.1: Concept Kliksysteem

Figuur 4.2: Concept Kliksysteem 2

4.2

Wielblokkering - 2 banden

De tandwielen die aan de binnenkant van de band draaien bij stiltstand van de transportband, worden geblokkeerd als de meenemer vastgeklemd moet worden. De blokkage zou gerealiseerd moeten worden door de twee rode tandwielen mechanisch te verbinden. Dit blokkeringsmechanisme zou zeer veel kleine elementen bevatten die veel statische wrijvingkracht moeten uitoefenen op de band, zodat de meenemer goed vastgeklemd zit. Figuur 4.3: Concept wielblokkering

25

4.3

Afkoppelsysteem met kogel

De veren klemmen de meenemers bij normale activiteit op de transportband. In dit concept worden de plaatjes omhoog geduwd als ze over de rode vlakken getrokken worden. Dit zorgt ervoor dat de veer uitgerokken wordt en de kogel (blauw) tegen de band gedrukt wordt. Op die manier komt de meenemer in een bufferzone terecht waar men dan met een pneumatische actuator de meenemers op gewenste tijdstippen opnieuw op de band kan klemmen. Een belangrijk nadeel in dit systeem is dat de aandrijving van de band ook het vermogen zal moeten leveren om de meenemers los te koppelen. Dit zou voor een schokkende belasting kunnen zorgen, waardoor het nauwkeurig positioneren van deze band misschien in het gedrang komt. Figuur 4.4: Concept Kogel

4.4

Systeem met kabel

De meenemers zitten vast op een kabel of tandriem. De tandwielen worden geklemd en losgemaakt door de verbindingselementen in elkaar te schuiven of te klikken. Als de meenemers losgemaakt zijn, zal de band blijven bewegen en zullen de tandwielen draaien waardoor de meenemer op zijn plaats blijft. Als de meenemers vastgeklemd zijn, bewegen de tandwielen niet en volgt de meenemer de kabel of tandriem. De wrijving speelt hier opnieuw een grote rol en zal groot genoeg moeten zijn zodat de tandwielen niet beginnen te draaien wanneer de platen geklemd moeten zijn. Als de band rondom de riemschijf draait, zal de klemkracht verminderen aangezien de band zich rond het binnenste wieltje zal buigen. Figuur 4.5: Concept met kabel en tandwielen

26

Figuur 4.6: Concept met kabel en tandwielen 2

4.5

Systeem met ketting

Om het probleem met de wrijvingskoppeling te vermijden, werd hier gekozen om de meenemers vast te zetten op een ketting. Via regelschroeven kan de positie van het plaatje op een kettingstuk geregeld worden. Deze positie is helaas niet meer willekeurig over de hele lengte van de ketting, maar gebonden aan een kettingstuk. Figuur 4.7: Concept met ketting

27

Figuur 4.8: Concept met ketting - meenemer

Figuur 4.9: Concept met ketting - kettingstuk

4.6

Veer-lager-systeem

Het principe werkt op basis van een klemming van de meenemers door middel van een veer. De meenemers zullen rond de transportband geklemd worden en op vaste afstanden blijven werken in bedrijf. Aangezien productielijnen hooguit enkele keren per dag van product wisselen, zal deze toepassing volstaan om deze omschakeling in enkele minuten te voltooien. Als de afstanden tussen de meenemers aangepast moeten worden, zal de machine een tragere run uitvoeren met tussenstops wanneer een meenemer de cilinders passeert. Bij stilstand worden de cilinders uitgestuurd, en drukken ze de veer langs beide kanten van de meenemer in. Het klemstaafje aan de binnenkant van de transportband zal loslaten en de meenemer is dan afgekoppeld. Als men dan het commando geeft aan de transportband om een gewenste afstand te circuleren, kunnen we de meenemer op deze afstand weer vastklemmen. De klemstaafjes zullen de omloop niet blokkeren als men gebruik maakt van een ATP10-type band.

28

Figuur 4.10: ATP10 - profiel

De klemstaven liggen dwars op de transportband in de kleinste gleuven van de ATP10. Op deze manier zal de band geen hinder ondervinden. De staven worden door de veren tegen de band geklemd, en kunnen losgekoppeld worden door de bout in te drukken. De kracht waarmee de veer ingedrukt wordt mag niet door de band opgevangen worden, omdat deze anders teveel zou vervormen. Om dit te voorkomen zijn de geleidingsplaten voorzien van gleuven waarin lagerwieltjes zullen rollen die per 2 langs de zijkanten van elk plaatje vastgeschroefd zijn. Figuur 4.11: Meenemers

29

Figuur 4.12: Geleidingsplaat

Om de transportband op te spannen worden spanlatten voorzien. Deze kunnen bijgesteld worden met een regelschroef. Hierdoor zal de montage gemakkelijker kunnen gebeuren en kan de optimale spanning in de band ingesteld worden. Figuur 4.13: Spanlatten

Bij de wisseling van productielijn, als de afstand tussen de meenemers aangepast moet worden, kan de machine op een lagere snelheid circuleren, en op gewenste tijdstippen de meenemers los- en vastkoppelen. Het indrukken van de veren om de meenemer los te koppelen gebeurt met pneumatische cilinders langs beide kanten van de meenemer. Eens de meenemer losgekoppeld is, wordt aan de servomotor het signaal gegeven om de band een gewenste afstand door te draaien, om vervolgens weer tot stilstand te komen en de meenemer weer op de band te klemmen. Om ervoor te zorgen dat de cilinders de band niet naar boven duwen, zijn er lagerwielen voorzien in de meenemers, die in de gleuven van de geleidingsplaten de band meevolgen. Deze gleuven zorgen ervoor dat de kracht van de cilinders op de veren terecht komt en niet op de band zelf. Een goede communicatie tussen de PLC, de pneumatische drivers en de servomotor is dus zeker een vereiste.

30

4.7

Overzicht

De verschillende concepten zullen nu op een aantal belangrijke criteria beoordeeld worden. Elk criterium krijgt bovendien een wegingsfactor naargelang het belang van dit criterium. Op die manier wordt per concept een totaalscore berekend die doorslaggevend is voor het verdere ontwerp. De criteria zijn de volgende: • Eenvoud: Is het concept vergezocht? Bevat het ongebruikelijke onderdelen of principes? • Robuustheid: Kan het ontwerp tegen een stootje, en is er nog ruimte voor verandering nadat de onderdelen gemaakt werden? • Flexibiliteit: In welke mate is het mogelijk om een variabele productie op te vangen? Dit is vanzelfsprekend de belangrijkste factor, omdat dit verbonden is met de nauwkeurigheid waarmee de meenemers gepositioneerd kunnen worden. • Kostprijs: Valt de kostprijs van de productie binnen het budget? • Slijtage: Bevat het concept veel bewegende onderdelen die onderhevig zijn aan slijtage? • Betrouwbaarheid: Is de correcte werking gegarandeerd, of zijn er onzekerheden? Zal het concept, mits enkele experimentele beproevingen, uiteindelijk kunnen werken? • Haalbaarheid: Is het ontwerpen en produceren van het concept wel mogelijk binnen de beschikbare tijdsduur? Tabel 4.1: Overzicht concepten en scores criterium eenvoud robuustheid flexibiliteit kostprijs slijtage betrouwbaarheid haalbaarheid totaalscore

factor 10 15 30 20 15 30 15 135

klik 8 5 17 12 13 16 10 81

wielblokkering 7 10 17 12 12 18 12 88

afkoppeling 5 11 15 11 4 9 6 61

kabel 5 10 16 7 9 17 7 71

ketting 9 13 5 7 12 22 12 80

veer-lager 8 10 27 14 12 23 13 107

Wat blijkt uit dit overzicht is dat het concept met de veerklem en de lagerwieltjes over het algemeen het beste scoort voor deze criteria. Dit concept wordt bijgevolg meer in detail uitgewerkt.

4.8

Definitieve ontwerp

De ATP10-type band die gebruikt werd in het veer-lager-concept wordt in de industrie voornamelijk gebruikt voor vermogenoverdracht, en niet voor positioneertoepassingen. Bovendien is deze band nogal duur en moeilijk verkrijgbaar. Daarom werd aan het concept nog een laatste verandering aangebracht. De band zal van het type AT10 zijn, waarbij de

31

breedte van de riem iets groter is als de breedte van de riemschijven. Dit zorgt ervoor dat we langs de zijkanten nog ruimte hebben om de meenemer vast te klemmen. Het volledige typenummer van de band is 100 AT10 / 3150, en het typenummer van de riemschijven Al 85 AT10 / 48 - 0. Hieruit volgt dat de staaf die normaal de klemming voorziet, vervangen wordt door een kleinere klempin die langs beide kanten op de bout wordt gedraaid. Als laatste werden de twee geleidingsplaten steviger gemonteerd door twee assen met een blind gat in de uiteinden, en werden de lagers gekozen om de aandrijf- en lageras te bevestigen. Figuur 4.14: AT10 type riem

Figuur 4.15: volledige definitieve ontwerp

32

In de bijlage zitten de 2D-productietekeningen van de maakstukken. Dit is slechts een deel van de maakstukken voor de totale assembly, zoals hierboven weergegeven, aangezien sommige onderdelen gerecupereerd werden uit andere machines of vervangen werden door reserveonderdelen. Hierdoor werden nog enkele aanpassingen gemaakt aan het definitieve ontwerp zodat de productie van de flexibele collator binnen het budget zou vallen. Figuur 4.16: Zijaanzicht assemblage

33

Hoofdstuk 5

Vermogensberekening 5.1

Manuele vermogensberekening

De aandrijving van de flexibele collator zal gebeuren met een servomotor. De keuze voor een servomotor boven een asynchrone motor wordt gestaafd in de literatuurstudie. De servomotor moet gedimensioneerd worden zodat deze een optimaal rendement en ideale werkingsomstandigheden bereikt voor deze toepassing. Hiertoe zal er in de manuele vermogensberekening gebruik gemaakt worden van enkele vereenvoudigingen op het vlak van geometrie, en eenvoudige formules van de mechanica. Om de machine op de gewenste snelheid te kunnen laten draaien moeten we het piekvermogen bepalen, en vervolgens een motor kiezen die dit vermogen (al dan niet kortstondig) kan leveren.

5.1.1

Bepaling van de equivalente traagheidsmomenten

Er zijn 3 onderdelen die in grote mate bijdragen tot het totale traagheidsmoment: de transportband, de riemschijven en de nuttige last (plaatjes en producten). Het totale traagheidsmoment moet om de aandrijfas berekend worden. De diameter van de riemschijven is 151mm, en we kunnen de afstand van de nuttige last tot de aandrijfas schatten op 125mm (als we ervan uitgaan dat het zwaartepunt van de last zich 50mm boven de transportband bevindt. Figuur 5.1: Mechanische onderdelen voor vermogensberekening

34

Figuur 5.2: Equivalent mechanisch systeem

Het equivalente traagheidsmoment Jeq kan, volgens [3], voor dit type mechanische systemen geschreven worden als: m2 R22 m1 R12 + (5.1) 2 2 Als we m0 de massa van de riem noemen, en bij deze formule nog enkel het effect van de nuttige last m3 (met afstand tot de werklijn van de kracht gelijk aan R3 ) optellen, bekomen we volgende formule: Jeq = m0 R12 +

Jeq = m0 R12 +

5.1.2

m1 R12 m2 R22 + + m3 R32 2 2

(5.2)

Bepaling van het askoppel

Met het equivalente traagheidsmoment gekend, kunnen we het vereiste koppel berekenen om een gewenste versnelling te realiseren: dΩ (5.3) dt met Tt het statisch koppel [N ∗ m], Ω de hoeksnelheid in [rad/s] en Jeq de totale inertie [kg ∗ m2 ]. Aangezien het hier gaat om een positioneringstoepassing zal het statisch koppel (de wrijvingskrachten) weggelaten worden. Het komt er enkel op neer om de totale inertie van de last, riem en riemschijven te overwinnen. Ta = Tt + Jeq

5.1.3

Bepaling van het asvermogen

Het asvermogen wordt dan ook gegeven door: dΩ dt De volgende gegevens hebben we ter beschikking: Pa = ΩJeq

Tabel 5.1: Mechanische eigenschappen

35

(5.4)

onderdeel R0 R1 R2 R3 m0 m1 m2 m3

grootte 0.075 0.075 0.075 0.125 6 3.8 3.8 3

eenheid m m m m kg kg kg kg

De grootste versnelling die de machine zal moeten ondergaan is deze die bereikt wordt nadat de het laatste product in de trein gevallen is. In dit geval moet een afstand van 60 cm afgelegd worden in 0.4s, en dit gebeurt met een trapeziumprofiel. De maximale versnelling is in dit geval 17m/s2 . Berekening van de traagheid van het systeem levert: Jeq = 0.102kg ∗ m2

(5.5)

Als men de maximale versnelling en snelheid omzet in rad/s bekomt men voor de maximale versnelling 75rad/s2 en voor de maximale snelheid 30rad/s. Het asvermogen is bijgevolg: Pa = 225W

(5.6)

Dit vermogen vormt het absolute piekvermogen, bij volle belasting en grootste versnelling ´en snelheid. Het spreekt voor zich dat het gemiddeld vermogen van de motor veel lager mag liggen.

36

5.2

Vermogensberekening met SIZER

SIZER is een vrij beschikbare softwaretool van Siemens waarmee potenti¨ele klanten de nodige elektromotor kunnen dimensioneren op basis van de eigenschappen van het mechanische systeem. Door alle nodige mechanische parameters in te geven wordt de best passende motor, bijhorende reductiekast en drivers bepaald. Hier volgt een overzicht van de werking van de tool toegepast op het voorbeeld van de flexibele collator.

5.3

Mechanische vereisten van de collator in moderne productielijnen

De volgende eisen werden vooropgesteld aan het begin van de uitwerking: • De modernste verpakkingslijnen verwerken 120 – 250 pakjes per minuut. Dit tempo moet behaald worden. Er werd gekozen om het systeem te dimensioneren op 120 pakjes per minuut, later kan er onderzocht worden of hogere snelheden haalbaar zijn. • De standaardlengte van containers in magazijnen is 60cm. De lengte van een reeks van meenemers mag deze lengte dus niet overschrijden. Afhankelijk van de afmetingen van de producten kunnen we dus 2 tot 60 producten verzamelen (bij afmetingen van 30cm resp. 1cm per product). We kiezen er voor om een volle reeks producten 60 cm door te schuiven zodat we de machine later kunnen uitbreiden naar installatie waarbij twee banden tegelijk werken, en de ene reeds volgeladen wordt terwijl de andere ontladen wordt. • Het spreekt voor zich dat we de massa van de belasting niet op voorhand kunnen kennen, aangezien producten geen standaardgewicht hebben en het aantal producten ook niet vast ligt. We kiezen ervoor om de totale belasting van een volle reeks niet hoger in te schatten dan 3kg. Dit is een realistische waarde aangezien vaak gewerkt zal worden met etenswaren of farmaceutische producten, waarbij de massa geen bepalende factor is ten opzichte van de gewenste versnellingen en inertie van de machine zelf.

5.4

Invoeren van de mechanische systeemeigenschappen

Na het opstarten van de tool maakt men een nieuw project aan en kiest men een opslaglocatie. Daarna moet het mechanisch systeem gedefinieerd worden. Dit doet men via mechanical systems - new mechanical system te klikken. In dit menu kan er gekozen worden uit 14 verschillende types mechanische systemen (transportbanden, hijskranen, draaitafels,...). We kiezen hier voor Travel drive, deze toepassing lijkt het meeste op diegene die we nodig hebben. Vervolgens krijgt men een lijst met gegevens die ingevuld moet worden op basis van de toepassing. De steady payload is de nuttige last die verplaatst moet worden, maar aangezien hier geen veld beschikbaar is om aan te geven hoe hoog het zwaartepunt van de nuttige last boven de band ligt, laten we deze waarde op 0kg staan. Om de effecten van de nuttige last en de riemschijven toch in rekening te brengen worden de massatraagheidsmomenten van deze onderdelen (dus van 2 riemschijven en de nuttige last) als additional inertia to

37

Figuur 5.3: new mechanical system

Figuur 5.4: types mechanical systems

the load ingegeven. De Internal mass (massa van de transportband zelf + de meenemers) wordt op 6 kg geschat. Zeer belangrijk is ook de diameter van het aandrijfwiel, die 151mm bedraagt. Dit zal zeer doorslaggevend zijn voor het nodige motorkoppel. De rest van de eigenschappen laten we op hun defaultwaarde staan, indien ze later aangepast moeten worden kan er makkelijk op teruggekomen worden.

38

Figuur 5.5: Mechanische gegevens invoeren

Klik op ‘next’. In het volgende scherm kan je het snelheidprofiel van de last beschrijven. Het spreekt voor zich dat de inertie van de hele mechanische installatie en de nodige versnellingen voor een heel groot deel het nodige vermogen gaan bepalen. De meenemers moeten immers ´e´en voor ´e´en gevuld worden en telkens ´e´en positie doorschuiven, om vervolgens over een grotere afstand te verschuiven en daar afgeladen te worden. Bij elke sectie kan ervoor gekozen worden om deze met een driehoekig of een trapezo¨ıdaal profiel uit te voeren. Hierbij geeft men enkele gegevens (bijvoorbeeld de tijd waarin een bepaalde afstand moet afgelegd worden) en wordt de rest vanzelf uitgerekend. Wanneer de trein gevuld wordt, is de af te leggen afstand tussen de producten redelijk klein. Hier opteren we dus voor een driehoekig profiel. Wanneer de trein vol is moet deze verplaatst worden naar het aflosmechanisme (een cilinder of robotarm die de gegroepeerde producten afneemt). Deze afstand bedraagt 60cm en kan men ofwel met een driehoekig profiel ofwel met een trapeziumprofiel overbruggen. 1

Zo bekomt men de volgende secties en snelheidsprofielen voor een volle reeks producten met een lengte van 15cm per product. Stel dat we 0.4s nodig hebben om een product in een meenemer te duwen, en 0.4s om de volle reeks over 60 cm te verplaatsen. Daarna rekenen we een pauzetijd om de reeks leeg te maken van 0.4s. Dit komt neer op een totale cyclustijd van 2s. Aan dit tempo zou de gewenste verwerkingssnelheid van 120 pakjes per minuut gehaald moeten worden. De pauzeertijd van 0,4s tijdens het afladen van de producten zal een grote invloed hebben op de dimensionering van de motor. De motor geeft dan veel warmte af die opgebouwd is tijdens de voorgaande versnellingen en vertragingen. Zonder pauzeertijd zou deze warmte 1 Opmerking: De belasting varieert na opname van elk product met het gewicht van ´ e´ en product. Daar zouden we voor kunnen corrigeren in de vermogensberekening, maar aangezien de installatie nog geen productielijn toegewezen kreeg kan men niet weten wat het gewicht van een product is. Onnodig dus om zodanig in detail te gaan en er werd voor gekozen om de berekening uit te voeren waarbij de band continu op volle belasting werkt.

39

Figuur 5.6: snelheidsprofielen

niet tijdig kunnen dissiperen en zou de levensduur veel verlagen. Later zal echter blijken dat we door de juiste reductiekast te kiezen, een zeer klein elektrisch vermogen nodig hebben. Hierdoor zal de warmteopwekking beperkt blijven. Figuur 5.7: tijdsverloop snelheid- en versnellingsprofielen

Hierna klikt men op ‘finish’ om het mechanische deel af te sluiten.

5.5

Bepaling van het drive systeem

Klik op ‘add drive system’ om de sturingscomponenten (servomotor en bijpassende drive) te kiezen. We klikken op Single drives, SINAMICS S110 en 1FT/FK. Multi-axis converter 40

wordt enkel gebruikt bij toepassingen met meer dan ´e´en motor en waarbij de motoren op elkaar afgesteld moeten zijn. Single drivers zal dus geschikt zijn voor deze toepassing. Binnen deze selectie hebben we verschillende SINAMICS-opties. SINAMICS is de branche van Siemens die zich op positioneer- en verplaatsingsinstallaties focust. De SINAMICS S120 en S110 modules zijn specifieke drivers voor positioneersystemen met asynchrone en servomotoren. De S120-reeks is een high-end-reeks die bedoeld is voor uiterst nauwkeurige toepassingen met grote vermogens. De toepassing in kwestie behoort dus eerder tot de standaard S110-reeks. Binnen deze S110-reeks klikt men op 1FT/1FK om aan te duiden dat we kiezen voor een servo-motor (we kiezen een 1FK omdat deze goedkoper zijn, aangezien de 1FT-serie een veel hoger koppel kan leveren). Door onderaan op mechanical system te klikken, en vervolgens in de rechterkolom “Mechanics” te selecteren, geeft men aan dat we deze motor aan het vooropgestelde mechanische systeem wilt koppelen. Figuur 5.8: Selectie drive system

5.6

Bepaling van de motor

In dit onderdeel zullen we het nodige piekkoppel, gemiddeld koppel en toerental dat uit de mechanische eisen volgt proberen te koppelen aan gepaste servomotor.

41

Figuur 5.9: Selectie van de motor

5.6.1

Effect van een reductiekast op de motorkeuze

Het zal blijken dat de aanwezigheid van een reductiekast een zeer grote invloed heeft op de dimensies van de motor. Hoe groter de tandwielverhouding, hoe kleiner de inertieverhouding. De inertieverhouding is een verhouding van het aandrijfmechanische en het lastmechanisme en is bij voorkeur kleiner dan 10. inertieverhouding =

Ilast Imotor i2

(5.7)

De inertieverhouding zal dus duidelijk zeer sterk afhankelijk zijn van de tandwielverhouding i. Deze verhouding wordt bepaald door de keuze van de reductiekast. Uit wat volgt zal blijken dat de keuze van een geschikte reductiekast bepalend is voor de keuze van de motor. We beschouwen de motorcurves bij tandwielverhoudingen 0 (zonder reductiekast), 10 en 20. In dit menu stellen we de tandwielverhouding in.

42

Figuur 5.10: mechanische eigenschappen zonder reductiekast

Nu kunnen we controleren of het traagheidsmoment van de last overeenkomt met het berekende traagheidsmoment in de manuele vermogensberekening (formule 4.5). In de bovenstaande afbeelding zien we onderaan dat aan de belastingszijde van de reductiekast de moment of inertia inderdaad 0.102452kg ∗ m2 is. Aan de motorzijde van de reductiekast is het traagheidsmoment een factor i2 lager, en zijn de snelheid en het koppel 10 keer resp. hoger en lager geworden. Op deze figuur is duidelijk te zien hoe het koppel en toerental veranderen met factor 10 resp. 1/10 na de reductiekast. Als we deze waarde nu op 0 instellen, en dus de motor rechtstreeks op de aandrijfas plaatsen, krijgen we onaanvaardbare motorcurves.

43

Figuur 5.11: Motorcurve zonder reductiekast

De roze curve is de absolute maximale belastingscurve. Het piekkoppel mag bij geen enkele snelheid boven deze curve liggen. Het werkingspunt mag zich slechts gedurende een beperkte tijdsduur boven de S1-curve bevinden, omdat de motor tijd nodig heeft om af te koelen na een belastingspiek. De S1-curve (groen) is de nominale curve. Het gemiddelde koppel mag niet boven deze curve liggen. Zonder reductiekast is het werkingspunt bij piekbelasting veel te hoog, en ligt zelfs het gemiddelde werkingspunt boven de maximale curve. Ook de reductieverhouding van 2057,14 is veel te hoog, en ligt bij voorkeur onder de 10. We kiezen nu voor een tandwielverhouding van 10 en kijken wat er gebeurt met de motorcurves.

44

Figuur 5.12: Motorcurve bij tandwielverhouding 10

Als men een reductiekast met overbrengingsverhouding 10 gebruikt, zien we dat het werkingspunt bij piekbelasting onder de maximale curve duikt, en dat het gemiddelde werkingspunt onder de S1 curve ligt. Deze reductiekast zorgt er dus voor dat dezelfde motor wel geschikt is voor deze toepassing. We trekken de lijn nu door en gebruiken een overbrengingsverhouding van 20.

45

Figuur 5.13: Motorcurve bij tandwielverhouding 20

Deze reductiekast zal er zeker voor zorgen dat de motor voldoende beveiligd is tegen stootbelastingen. Het piekkoppel ligt net boven de S1-curve en voldoet dus ruimschoots aan de eisen van de toepassing. De motor die geschikt is voor deze machine is de volgende: Figuur 5.14: Motorkeuze

De motor die hier voorgesteld wordt is de 1FK7022-5AK71-1AA3. Dit is een motor met een vermogen van 380W, waardoor het berekende piekvermogen in de manuele vermogensberekening perfect door deze motor geleverd kan worden.

46

Figuur 5.15: Motordata

5.6.2

Effect van de pauzeertijd op de motorkeuze

Als men de pauzeertijd, dus de tijd om de motor af te koelen, dan zou de motor minder last mogen hebben van piekbelastingen. Dit controleren we door in de snelheidprofielen deze sectie weg te laten, en de motorkeuze opnieuw uit te voeren. Het volgende snelheidsprofiel bekomen we als we de pauzeertijd voor de motor weglaten. Figuur 5.16: Snelheidsprofiel zonder pauze

Als we met dit profiel voortgaan in de berekening, bekomen we de volgende waarden in de motorcurve.

47

Figuur 5.17: Motorcurve zonder pauze

Hieruit valt af te leiden dat de pauzeertijd een te verwaarlozen invloed heeft bij de dimensionering van een motor voor de installatie. De thermal utilisation (de thermische belasting van de motor) is weliswaar iets groter (47,1 in plaats van 41,9), maar bereikt nog steeds niet de helft van de capaciteit. Men kan dus besluiten dat de motor voldoende tegen opwarming bestand is.

5.7

Bepaling van de power unit

Nu moeten de onderdelen die de motor gaan aansturen bepaald worden. We kiezen voor een driver van het type S110.

48

Figuur 5.18: Keuze van de power unit

De gemiddelde stroom naar de motor voor deze toepassing is 0,66A en de piekstroom is 1,72A. De 6SL3210-1SE11-3UA0 driver kan deze stromen leveren en is dus een verantwoorde keuze. De drivers kunnen slechts in beperkte mate aan energierecuperatie doen als de motor afremt. Als de energie die vrijkomt bij het remmen van de motor te groot is om weer op het net te zetten, zal een extra remcomponent noodzakelijk zijn. Deze component zal de overtollige energie in warmte omzetten. Figuur 5.19: Extra remweerstand

Nadat deze keuzes gemaakt zijn hebben we de gepaste power unit bepaald.

49

Figuur 5.20: Overzicht power unit

5.8

Keuze van Output Components

In dit onderdeel van de motordimensionering zal bepaald worden welke kabels het beste geschikt zijn, en welke encoder gebruikt moet worden. Hiervoor klikken we op ”supply cable¨en ¨encoder evaluation”. Bij de kabelselectie kan men kiezen tussen het 500-type en het 800-type. Als de kabel zeer beweeglijk moet zijn, (als de motor bijvoorbeeld op een bewegend onderdeel gemonteerd is) kiezen we voor het 800-type. Dit is de ’trailing type’ kabel. In dit geval beweegt de kabel niet mee en zal een 500-type (fixed type) volstaan. Er wordt ook gekozen voor een kabellengte van 10m.

50

Figuur 5.21: Kabelselectie

Er wordt gewerkt met een interne encoder die feedback levert aan de servodrive. Deze encoder zal een aantal pulsen sturen zodat de servodrive weet welke de hoekverdraaiing van de motoras is. Men heeft de keuze tussen het 15-bit - en het 20-bit-type. Deze waarden geven aan hoeveel pulsen per omwenteling gegenereerd worden. In het 15-bit geval zal bij elke puls een binair getal van 15 bits naar de servodrive gestuurd worden. Bij elke opeenvolgende puls zal deze binaire waarde incrementeren. Dit betekent dat de 2 tot de 15de macht (32768) pulsen per omwenteling naar de driver gestuurd worden. De resolutie van de hoekverdraaiing bedraagt dus ongeveer 0.011 graden, ofwel iets meer dan een halve boogminuut (39.6”). Deze afwijking is te verwaarlozen tegenover de onnauwkeurigheid van de tandwielen in de reductiekast. Onnodig dus om de duurdere maar nog nauwkeurigere 20-bit-versie te kiezen.

51

Figuur 5.22: Encoderselectie

5.9

System Components

Als laatste moeten we het control unit bepalen en de interface tussen de encoder en de servodrive instellen. Figuur 5.23: System Components

De processor en stuurkaarten zelf zijn van het type CU305PN. Dit type kan in een profinet gebruikt worden en is compatibel met de S110. Hier kan ook nog gekozen worden om een Basic Operator Panel (BOP) toe te voegen. Deze worden voornamelijk gebruikt om foutmeldingen en statuslezingen weer te geven.

52

Figuur 5.24: Control Unit

De interface tussen encoder en drive bij Siemens-servomotoren wordt Drive-Cliq genoemd. Ook hier kiezen we voor een 500-type kabel met een lengte van 10m.

53

Figuur 5.25: Drive-Cliq

54

Hoofdstuk 6

Budgettering van het gekozen ontwerp In dit onderdeel wordt een kostprijsraming gemaakt van het uitgewerkte concept. Het resultaat hiervan zal de materiaalkostprijs zijn van een volledig ontworpen en gebouwde flexibele collator. Deze berekening laat de kosten voor ontwerp, montage en plaatsing buiten beschouwing. Het spreekt voor zich dat men de kosten kan opdelen in twee kolommen; de maakdelen en de koopdelen. Hoe minder onderdelen er moeten gemaakt worden, hoe goedkoper. De maakdelen zullen enkel bestaan uit de mechanische machineonderdelen die niet te koop (en eventueel te bewerken) zijn. Deze raming geldt voor een flexibele collator in zijn volledige configuratie, dus met de gepaste motor, reductiekast, lagers,... en met 7 meenemers. Het doel is om een kostprijs te realiseren die competitief is met de huidige machines.

6.1 6.1.1

Koopdelen Elektrische componenten

Tabel 6.1: Elektrische koopdelen ordernummer beschrijving aantal eenheidsprijs OMRON S8PS-10024CD Voeding PLC 1 e140 SITOP 6EP1333-3BA00 Voeding Servodrive 1 e100 6SL3000-0HE21-0AA0 Line Filter 1 e196 6SE6400-3CC00-2AD3 Line Choke 1 e87.82 6SE6400-4BD11-0AA0 remweerstand 1 e160.26 6FX5002-5CG01-1BA0 motorkabels 1 e82.43 6ES7211-1BD30-0XB0 S7-1200 1 e182 524-5868 Reedcontact sensoren 8 e10.92 6SL3040-1MA00-0AA0 SINAMICS S120 1 e1000 1FK7022-5AK71-1AA3 Servomotor 1 e1100 TP177b HMI 1 e500

55

totaalprijs e140 e100 e196 e87.82 e160.26 e82.43 e182 e87.36 e1000 e1100 e500

6.1.2

Mechanische componenten

ordernummer DFC-6-10-P-A-GF CFS2.5 CX-30S/B NKI 80/25 NKI 30/20 AT10/3150 85AT10/48-0 D=15H7

6.2

Tabel 6.2: Mechanische koopdelen beschrijving aantal eenheidsprijs pneumatische cilinders 2 e131.18 lagerwieltjes HPC 28 e60.23 circlips HPC 4 e70.13 per 50 lagers SKF 2 e84.94 lagers SKF 2 e18.68 Brecoflex band 1 e496.48 riemschijven 2 e142.86

totaalprijs e262.36 e1686 e70.13 e169.88 e37.36 e496.48 e228.58

Maakdelen

Deze onderdelen werden gemaakt of bewerkt in het atelier van Intrion NV, door middel van CNC-machines en draai-en freesbanken. Een ordernummer is dus niet van toepassing. De 2D-productietekeningen van deze onderdelen zitten in de bijlage. Tabel 6.3: Mechanische maakdelen Naam aantal eenheidsprijs totaalprijs Lageras 1 e50.61 e50.61 Spanlat 1.1 2 e29.08 e58.16 Geleidingsplaat 2 1 e290.24 e290.24 Geleidingsplaat 1 1 e285.41 e285.41 Spanplaat 1 2 e88.43 e176.86 Plaatje 7 e23.06 e161.42 Meenemer 7 e27.04 e189.28 Klempin 14 e5.57 e38.99 Cilindermontageplaat 2 e30.43 e60.86 Blokje 2 e23.90 e47.80 Steun 4 e18.70 e74.80 Spanlat 2 e27.09 e54.19 Druklat 1 2 e19.21 e38.43 Spanstaaf 2 e15.68 e31.37 Dit brengt het totaalbedrag van de kostprijs aan onderdelen op e8142. Rekent men hierbij een kost voor divers materiaal (bouten, koperdraad,...) met een bedrag van e100, een arbeidkost van e85 /uur en een totaal aantal werkuren van 200, dan heeft men een totaalkost van e25242 excl. BTW. Het spreekt voor zich dat de arbeidkost voor het grootste stuk bijdraagt aan de totaalprijs, en dat deze kost snel zou dalen als deze machine in productie zou gaan.

56

Hoofdstuk 7

Besturing 7.1

Inleiding

De installatie zal bestuurd worden met een Siemens S7-300 PLC. Deze zal geprogrammeerd worden met Simatic step 7. In deze omgeving kan in verschillende vormen geprogrammeerd worden, waaronder LAD (ladderdiagrammen) FDB, en STL. Deze 3 vormen kunnen tegelijk gebruikt worden en zullen de basis vormen voor de code. Vooraleer men begint met het programmeren, moeten flowcharts of Grafcet-schema’s opgesteld worden die de werking van de installatie volledig zullen beschrijven. Van daaruit kan voortgegaan worden met het schrijven van code voor de PLC. Figuur 7.1: Overzicht van de communicatie tussen de componenten

In bovenstaande figuur stellen de paarse verbindingen Profibus-kabels voor, terwijl de communicatie tussen de PLC en de klemcilinder verloopt via de interface van de PLCuitgangskaart.

7.2

Principeschets

Er zijn twee situaties waarin de machine zich kan bevinden. De eerste is het normale bedrijf, waarbij de producten gegroepeerd worden en de meenemers met een vaste afstand blijven meedraaien met de transportband. In deze situatie wordt de onderlinge afstand niet gewijzigd en blijven de klemcilinders ongebruikt. Daarnaast is er de situatie waarin de machine zichzelf moet aanpassen. Hierbij zullen de klemcilinders wel aangestuurd moeten

57

worden, en zal de servomotor ook in de andere richting moeten draaien om de plaatjes op de gewenste positie vast te klemmen. Figuur 7.2: principeschets

De betekenis en functie van de 9 sensoren wordt verduidelijkt in volgende tabel.

S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9

Tabel 7.1: Sensoren naam type sensor product aanwezig fotocel ontlaadcilinder in reedcontact ontlaadcilinder uit reedcontact klemcilinder 1 uit reedcontact klemcilinder 1 in reedcontact klemcilinder 2 uit reedcontact klemcilinder 2 in reedcontact detectie plaat 1 reedcontact detectie plaat 2 tot 7 reedcontact

In de bovenstaande figuur is S1 de sensor waarbij, als hij een negatieve flank detecteert, de plc zal weten dat er net een product in de collator terecht gekomen is. Hierop zal de plc de servodriver aansturen om door te schuiven naar de volgende positie. Wanneer de gevulde trein in het ontlaadstation gekomen is, zal een positieve flankdetectie op S2 het signaal zijn dat de trein net leeggemaakt is. Op dit moment mag de transportband weer in beweging komen om opnieuw gevuld te worden. S4, S5, S6 en S7 worden gebruikt als de machine zich aanpast. S4 en S6 zullen actief zijn wanneer een plaatje ontkoppeld is van de band. In alle andere gevallen moeten S5 en S7 actief zijn. Om de positie van de plaatjes op de band op te nemen gebruikt men S8 en S9. Plaatje 1 wordt voorzien van een magneet bovenaan, die gedetecteerd wordt door S9. De rest krijgt een magneet onderaan, en dit wordt gedetecteerd door S8. De configuratie van de afstanden kan heel vari¨erend zijn. Als de machine zich moet aanpassen kan het zijn dat enkele plaatjes zich naar rechts moeten verplaatsen, en andere naar links. Afhankelijk van de gewenste posities moeten we per plaatje twee dingen kennen om de machine aan te passen: 1. De afstand waarover het plaatje verplaatst moet worden. 58

2. De ruimte die een plaatje nodig heeft om verplaatst te worden, ofwel of er geen andere plaatjes in de weg staan. Figuur 7.3: Maximale spreiding

In bovenstaande situatie zijn de plaatjes maximaal gespreid, en kunnen twee producten met een lengte van 30cm gegroepeerd worden. Hiervoor zijn 3 plaatjes noodzakelijk, en zullen de overige 4 achteraan de trein meevolgen. Figuur 7.4: minimale spreiding

In deze situatie worden 6 producten met een lengte van 10 cm gegroepeerd. Hierbij zijn alle 7 de plaatjes noodzakelijk.

7.3

HMI

De gebruikte HMI wordt geprogrammeerd met WinCC Flexible 2008 SP2. Dit touchpanel zal de gebruiker de mogelijkheid geven om de machine te starten, te stoppen en de afstanden manueel in te geven naargelang de grootte van de producten die de machine zal moeten verwerken. Onder de drukknoppen van het touchpanel worden tags gelinkt met DB2 (de data block die de gewenste posities bijhoudt) in de PLC. Op die manier kan de gebruiker rechtstreeks de waarden in de Data Block invullen. De DB met de werkelijke waarden zal vervolgens vergeleken worden met de DB die de gewenste waarden bevat, en op basis hiervan zal de machine zich aanpassen. De programmatie van de TP177-touchpanel wordt in de bijlage ’WinCC Handleiding’ uitgelegd.

7.4

Communicatie PLC S7-300 - Servodrive S120

Om ervoor te zorgen dat het PLC-programma bepaalde instructies kan sturen naar de servodrive, werd door Siemens een standaard functieblok(FB202) geschreven die inputs wegschrijft en outputs inleest van de servodriver via het profibus-netwerk. Een gedetailleerde werking van de communicatie tussen een S7-300-PLC en een frequentieregelaar wordt in de bijlage ’Profibus Motorsturing’ uitgeklaard. De functieblok FB202 wordt een aantal keer gebruikt in het programma en zal gelinkt worden met een Data Block DB202. Deze Data Block bevat het geheugen dat gebruikt wordt door de FB202, en wordt telkens actief als de 59

FB202 aangeroepen wordt. Door deze functie te activeren met de gewenste inputs (positie, snelheid, versnelling, enable, ...) zal de servodriver de motoras bewegen naar de ingestelde positie. Figuur 7.5: FB202

De betekenis van de inputs en outputs staat vermeld in de volgende tabellen. Tabel 7.2: Inputs voor de servodriver

60

inputs EN PZD Address IN PZD Address OUT Enable Drive Ack Error Start Refrun Stop Pos Jog P Jog N Activate MDI Mode MDI Position MDI Speed MDI Accel MDI Decel Override MDI Mode Drive Object Nr

type Bool INT INT Bool Bool Bool Bool Bool Bool Bool DINT DINT INT INT INT INT INT

betekenis stelt de FB202 en bijhorende DB202 actief Startadres van de inputs nodig in HWconfig Startadres van de outputs nodig in HWconfig Zet spanning op de motor Bevestig fout in de driver Brengt de motor as naar het nulpunt Stopt en reset de positionering beweeg de as traag in de positieve richting beweeg de as traag in de negatieve richting bij 1 zal motoras doen wat plc vraagt Setpoint voor positie (in Length Units) Setpoint voor de snelheid (in 1000LU/min) Versnelling (0-100 procent) Vertraging (0-100 procent) schaling van de snelheid (0-100 procent) 0 = Absoluut, 1 = Relatief Bepaalt welke drive er door de CU aangestuurd wordt

Start Pos is zowel een input als een output, en heeft een 1 nodig om de motoras naar de MDI Position te bewegen. De merker of input die StartPos op 1 zette, zal automatisch opnieuw op 0 gezet worden. Tabel 7.3: Outputs voor de servodriver outputs type betekenis ENO Bool Geeft aan of de drive actief is Axis Error Bool Bij 1 staat de drive in fout Error ID WORD Geeft aan welke fout er zich voordoet Homing Ok Bool Hoog als de aspositie op nul gezet is (homing) POS OK Bool 1 Als de drive stilstaat SWLIMIT Plus Bool Softwarematige positieve limiet bereikt SWLIMIT Neg Bool Softwarematige negatieve limiet bereikt HWLIMIT Plus Bool Hardwarematige positieve limiet bereikt HWLIMIT Neg Bool Hardwarematige negatieve limiet bereikt Actual Position DINT Actuele positie van de as (LU)

7.5

Grafcetschema’s

Onderstaande afbeeldingen geven de grafcetschema’s weer op een begrijpbare manier. De verschillende stappen zijn in FDB’s vertaald zodat de PLC ze kan doorlopen. De grafcetschema’s werden gemaakt met de software van Visio (Microsoft).

61

Figuur 7.6: Normaal bedrijf + positieopname

62

Figuur 7.7: Subprogramma’s

7.6

PLC programma

In dit onderdeel zullen in grote lijnen de structuur en enkele praktische programmeermethoden uitgelegd worden. De meeste FC’s (functies) en FB’s (functieblokken) werden in FBD (functionele blokdiagrammen) geprogrammeerd, enkele werden in STL overgezet zodat ze minder ruimte innemen om in dit document te passen. Het volledige programma is voorzien van commentaar en op de CD-ROM bijgevoegd aan het eindwerk. De belangrijkste blokken worden verder in dit onderdeel uitgelegd.

63

7.6.1

Overzicht Profibusnetwerk

De PLC, HMI en servodriver communiceren via een profibus. In de PLC ziet dat er als volgt uit (via CPU - Connections). Figuur 7.8: Netwerkvoorstelling vanuit PLC

7.6.2

Overzicht PLCprogramma

In dit overzicht staat vermeld welke delen (FB’s, FC’s, DB’s) van het programma met elkaar communiceren. OB1 bevat enkel FC’s, maar deze FC’s enablen FB’s, die op hun beurt weer andere FC’s en DB’s gaan aanspreken. Figuur 7.9: Overzicht PLCprogramma

7.6.3

FB6 Hoofdprogramma

Het hoofdprogramma is opgebouwd uit een groot aantal netwerken die de werking volgens de grafcet simuleren. Door verschillende merkers afwisselend te setten en te resetten kan de logische volgorde gesimuleerd worden. Vanuit het hoofdprogramma worden een aantal merkers als uitgangen beschouwd. Deze uitgangen fungeren als enables voor de verschillende FC’s en andere FB’s. Anderzijds gebruikt het hoofdprogramma ingangen die het resultaat 64

zijn van de functies en functieblokken, of die fysieke ingangen op de plc zijn. Hier volgen alle merkers en ingangen die door het hoofdprogramma gebruikt worden. In het hoofdprogramma wordt ook de servodrive aangestuurd. Het geheugen van de FC202 wordt het best slechts vanuit een enkele FB aangesproken. Elk commando naar de servodriver (dus zowel voor normaal bedrijf als tijdens een aanpassing) wordt in FB6 geschreven.

Tabel 7.4: Overzicht van de PLC-inputs Werkelijke Inputs Adres betekenis prodaanwezig I0.0 sensor die aankomend product detecteert detp1 I0.1 detecteert het eerste plaatje in de trein detpx I0.2 detecteert de andere plaatjes voor positieopname klem1in I0.3 reedcontact klemcilinder1 in klem1uit I0.4 reedcontact klemcilinder1 uit cilin I0.5 cilinder die trein leegmaakt ingetrokken ciluit I0.6 cilinder die trein leegmaakt uitgeschoven start I0.7 drukknop die de machine in werking zet stop I1.0 drukknop die machine in machinestop zet bevestig I1.1 bevestiging van foute positiecontrole klem2in I1.2 reedcontact klemcilinder 2 in klem2uit I1.3 reedcontact klemcilinder 2 uit

Nu volgt een overzicht van de merkerbits die het resultaat zijn van de functies en functieblokken, die het hoofdprogramma gebruikt als ingangen. Tabel 7.5: Overzicht van de belangrijkste merkers naar FB6 Naam merkerbit betekenis positiecontroleOk M0.0 resultaat van FC5, is 1 als DB2 = DB3 vol M0.1 merker wordt hoog als de trein gevuld is positieopname voltooid M0.2 bit wordt hoog na positieopname HMI-commando M0.3 wordt actief als machine aangepast moet worden aanpassen voltooid M0.4 geeft signaal aan FB6 dat aanpassing gedaan is pos1 OK M0.5 wordt 1 als servomotor in pos 1 staat pos next OK M0.6 wordt 1 als er gewacht wordt op een product pos ontlaad OK M0.7 wordt 1 als de trein in het ontlaadstation is positiecontrole voltooid M1.0 na positiecontrole wordt deze bit 1 machinestop M1.1 als machine stopt blijft deze merker hoog Nu volgen de merkerbits die het resultaat zijn van berekeningen in FB6. Deze merkers zullen andere functies enablen en zo bepalen in welke volgorde de verschillende acties uitgevoerd worden. Tabel 7.6: Overzicht van de belangrijkste merkers vanuit FB6

65

Naam GaPos1 GaNextPos GaOntlaad DoePosCont foutmelding PositieOpname InPositie InPositie InOntlaad aanpassen gaPos2 gaPos3 gaPos4 gaPos5 gaPos6

merkerbit M20.0 M20.1 M20.2 M20.3 M20.4 M20.5 M20.7 M21.0 M21.1 M21.2 M21.3 M21.4 M21.5 M21.6 M21.7

betekenis deze bit zal de functie FC12 enablen deze bit zal telkens de volgende positie instellen stuurt de trein naar het ontlaadstation door FC18 enable van de positiecontrole FC5 enable van FC19 enable van FC4 bit die te kennen geeft dat positie bereikt is positie 1 is bereikt de trein is in het ontlaadstation aangekomen enable voor FB2 - Aanpassen enable die de servo klaarzet om product 2 op te vangen enable die de servo klaarzet om product 3 op te vangen enable die de servo klaarzet om product 4 op te vangen enable die de servo klaarzet om product 5 op te vangen enable die de servo klaarzet om product 6 op te vangen

Afhankelijk van welke waarde er in AantalProducten[INT] ingegeven werd, zullen gaPos2 tot gaPos6 elkaar opvolgen tot de merker vol (M0.1) actief wordt. Het vullen zal dan afgebroken worden, GaOntlaad(M20.2) wordt actief en de motor draait door naar het ontlaadstation. FB6 - normale werking De lokale variabelen in de FB6 worden in de volgende figuur opgesomd. Alle lokale inputs zijn in FC6 gelinkt met werkelijke inputs. Op die manier hoeft niet het hele programma aangepast te worden als er een input van adres zou veranderen, maar slechts de link naar die input. IFISERVO en IFOSERVO zijn structs die een aantal gegevens (met verschillende datatypes) bevatten die verantwoordelijk zijn voor de communicatie met de servo. Startservo staat hier onder INOUT omdat deze variabele het startsignaal is voor de servo, en de servodriver zet dit signaal zelf weer laag eens de motor gestart is.

66

Figuur 7.10: FB6 variabelen

FB6 doorloopt de grafcet van het normaal bedrijf.

67

Figuur 7.11: FB6 netwerk 1

Productdetectie Als er een product voorbij de prodaanwezig-sensor gegaan is, zal dit in het hoofdprogramma begrepen worden met een negatieve flankdetectie. ganextpos wordt actief als het product in de trein terecht gekomen is, en als de trein nog niet vol is. Als de trein wel vol is, zal overgegaan worden naar gaposontlaad.

68

Figuur 7.12: FB6 netwerk 9

De volgorde van opeenvolgende posities bewaren Om de volgorde van de ga-posx-commando’s te bewaren, wordt gebruik gemaakt van een aantal hulpmerkers (MB120) die de logische overgang van ga-pos1 naar ga-pos2, van ga-pos2 naar ga-pos3 enz. bewaren. Hiervoor wordt geteld op positieve flanken van ga-nextpos.

69

Figuur 7.13: FB6 netwerk 13

Noodstopsituatie Een noodstop die gegeven wordt als input voor de plc, zal meteen alle merkers resetten die instaan voor het doorlopen van de grafcet. Ook zal een noodstop de drivers op inactief zetten, zodat er geen spanning meer op de motor toekomt. Dit wordt gedaan door in FC8 (Enable Drive) de noodstopingang te linken met DB202.DBX2 6.0 (drive enabled ”DB van servo”. Drive Enabled). Als deze input niet hoog staat, zal de motor nooit kunnen draaien.

70

Figuur 7.14: FB6 noodstop

Als de noodstop weer losgemaakt is, en het signaal weer op de plc-ingangskaart toekomt, moet eerst een bevestiging gegeven worden, alvorens men weer kan starten. Een noodstop is tegelijk ook een reset, dus alle producten die op het moment van de noodstop nog in de trein aanwezig waren, moeten manueel verwijderd worden. Als men de machine opnieuw opstart, zal de grafcet vanaf het begin starten.

71

Figuur 7.15: FB6 bevestig noodstop

De servo-as aansturen Het volgende netwerk beschrijft hoe de servo effectief zal gaan bewegen. Als de merker ga-pos1 hoog komt, wordt een reeks van gegevens geschreven naar de IFO-Servo-struct. Servo-Pos-OK is een bit die hoog komt te staan als de servo-as in stilstand is. Door deze toe te voegen aan de voorwaarden voor dit netwerk, wordt vermeden dat er twee commando’s tegelijk naar de servo-as gestuurd worden. De hulpmerker M270.0 wordt later gebruikt om de belangrijke Start-Pos-merker te setten.

72

Figuur 7.16: FB6 ga positie x

Figuur 7.17: FB6 start pos

73

Opvolging van de beweging De huidige positie van de servo-as, en de positie waarheen hij moet gaan, worden met elkaar vergeleken, en het verschil wordt continu in het DB3.DBD200-hulpgeheugen weggeschreven. Als de servo-as tot stilstand komt, en hij is in de buurt van waar hij zou moeten zijn, dan weet het hoofdprogramma dat de gewenste positie bereikt is. Deze benadering gebeurt omdat de resolutie van de encoder (die het actual-pos-signaal doorgeeft) zeer klein is, en omdat het wegschrijven van die data naar het geheugen langer kan duren dan dat het signaal zelf verandert. Men moet hier dus benaderend tewerk gaan en stellen dat de servo-as zijn gewenste positie bereikt heeft als de geheugenwaarden van actual-position en de gevraagde positie ongeveer (mits een absolute fout van 100) gelijk zijn. Figuur 7.18: FB6 Positie OK

74

Het aanpassen van de plaatjesposities De aanpassing van de positie van een plaatje gebeurt ook in het hoofdprogramma FB6. Voor elk plaatje worden hiervoor telkens 7 stappen doorlopen: 1. Beweeg de servo naar de huidige positie van het plaatje. 2. Volg de beweging op met hulpgeheugens, en controleer of de servo-as de huidige positie bereikt heeft als hij tot stilstand komt. Als dit niet zo is, wordt opnieuw het commando gegeven om naar de huidige positie te gaan. 3. Als de huidige positie bereikt is, worden de klemcilinders uitgestuurd en wordt het plaatje losgekoppeld. 4. Eens het plaatje losgekoppeld is, wordt de servo naar de gewenste positie van het plaatje gestuurd. 5. Opnieuw wordt deze beweging opgevolgd via een hulpgeheugen. 6. Als de as in de buurt van de gewenste positie komt, en tot stilstand gekomen is, dan mogen de klemcilinders weer losgelaten worden. 7. Als laatste wordt de gewenste positie (opgeslagen in DB2) gekopieerd naar de overeenkomstige DINT in de DB met actuele posities (opgeslagen in DB3). Op die manier zal het hoofdprogramma weten (via FB2 - Bereken Aanpassingen) dat de aanpassing gebeurd is, en dat men mag voortgaan met de volgende stap. Voor elk plaatje dat aangepast moet worden (plaatje 2 - plaatje 7) zijn deze 7 stappen geschreven in het PLC-programma.

7.6.4

FB2 Machine aanpassen Figuur 7.19: FB2 netwerk 1

75

Figuur 7.20: FB2 netwerk 2 en 3

Als de aanpassing voltooid is, zullen de waarden in DB2 en DB3 perfect overeen komen, omdat na elke aanpassing de waarde van de DB2 gekopieerd wordt naar DB3. Nadat FC3 uitgevoerd is, zullen alle waarden in DB4 (de DataBlock die het verschil tussen DB3 en DB2 bijhoudt) nul zijn. In dit geval zal de merker ’Aanpassing voltooid’ aan het hoofdprogramma laten weten dat voortgegaan kan worden in normale werking.

76

Figuur 7.21: FB2 netwerk 8

7.6.5

FC5 Positiecontrole

Deze FC wordt telkens geactiveerd nadat de positieopname gebeurd is, en dus ook ´e´en keer per cyclus van de machine. De posities die net opgenomen zijn door de positieopname, worden vergeleken met de gewenste waarden. Dit gebeurt met een INT-comparator. Als alle overeenkomstige waarden hetzelfde zijn, dan zal de merker positiecontroleOK(M0.0) actief worden, tegelijk met de merker Positiecontrole voltooid (M1.0). Op die manier weet het hoofdprogramma dat de plaatjes nog op de juiste plaats staan, en kan doorgegaan worden naar gaPos1. Als echter de positiecontrole niet OK is, zal M0.0 laag blijven terwijl M1.0 wel hoog wordt. Hierop zal het hoofdprogramma reageren door de foutmelding actief te zetten. De gebruiker moet daarna bevestigen om door te gaan naar GaPos1.

77

Figuur 7.22: FC5 netwerk 1

Figuur 7.23: FC5 netwerk3

78

Figuur 7.24: FC5 netwerk 5

7.6.6

FC4 Positieopname

De Positieopname gebeurt nadat de trein leeggemaakt is in het ontlaadstation. Terwijl deze FC uitgevoerd wordt zal de servomotor draaien, en wordt er gewacht op een positieve flank van detp1. Deze sensor detecteert enkel het eerste plaatje in de rij, en zal ook aangesloten zijn om de homing-ingang van de servodrive. Om een onderscheid te maken tussen de verschillende plaatjes, wordt het eerste plaatje gemarkeerd met een magneet bovenaan, en de andere plaatjes met een magneet onderaan.

79

Figuur 7.25: Detectie plaatjes

Op het moment dat detp1 een positieve flank vertoont, zal DB3.DBD0 (de eerste Double Integer in DB3 dat de positie van het eerste plaatje bijhoudt) op 0 gezet worden. Figuur 7.26: FC4 netwerk 1

De motor blijft draaien terwijl de rest van de plaatjes door detpx gezien worden. Bij elke positieve flank zal de huidige positie van de servomotor (die bijgehouden wordt in actual.Position in de datablock van de servo) gekopieerd worden naar opeenvolgende woorden in DB3. De functie FC4 telt het aantal plaatjes dat er gepasseerd is met negatieve flanken van det-px in counter C2, en zal positie voltooid (M0.2) hoog zetten als dit aantal bereikt is.

80

Figuur 7.27: FC4 netwerk 2

Figuur 7.28: FC4 netwerk 4

81

Figuur 7.29: FC4 netwerk 6

Nu heeft men de werkelijke positie van de plaatjes opgenomen, en kan verder gegaan worden naar de positiecontrole. Figuur 7.30: FC4 netwerk 16

7.6.7

FC3 Bereken aanpassingen

FC3 wordt aangeroepen als de machine aangepast moet worden. Deze functie berekent wat de afstand is waarover de plaatjes verplaatst moeten worden, door het verschil van de waarden in DB2 (de gewenste plaatjesposities) en DB3 (de actuele plaatjesposities) op te slaan in DB4.

82

Figuur 7.31: FC3 netwerk 1

Tegelijk wordt per plaatje gecontroleerd of er genoeg ruimte is voor het plaatje om naar zijn gewenste positie verplaatst te worden. Dit gebeurt door te berekenen of de actuele positie van het voorgaande plaatje kleiner is dan de gewenste positie van het te verplaatsen plaatje, ´en dat de positie van het volgende plaatje groter is. Als aan beide voorwaarden voldaan is, wordt dit aangegeven door een merker ’plaat2gp’ (= Plaatje 2 heeft genoeg plaats, en kan dus aangepast worden).

83

Figuur 7.32: FC3 netwerk 15

7.6.8

DB2 Gewenste Posities

Gedurende de normale werking van de machine kan de gebruiker de waarden in DB2 aanpassen via de HMI. Dit gebeurt door deze geheugenplaatsen te linken aan visualisaties op het scherm via tags. De programmatie hiervan staat beschreven in de bijlage ’WinCC Handleiding’. In de gebruikte DB’s worden de plaatjesposities opgeslagen als Double Integers (DINT), omdat DB202 (Data Block van de Servo) zijn Actual-Position ook als een DINT onthoudt. De inhoud van een Data Block (DB) ziet er zo uit: Figuur 7.33: Data Block 2 - Gewenste Posities

Merk op dat ook het aantal producten dat verwacht wordt in ´e´en trein instelbaar is vanaf het touchpanel. Deze waarde wordt gebruikt in het hoofdprogramma en bevindt zich in geheugenplaats DB2.DBD28.

84

7.6.9

FC8 Enable Drive

In het geval van een noodstop of een machinestop moet de spanning onmiddellijk weggehaald worden van de servomotor. Tijdens normale werking wordt er dus voor gezorgd dat er continu een merker ’DB van Servo. Drive-enabled’ hoog staat, en deze merker wordt gereset als de noodstop niet meer ingedrukt is. Figuur 7.34: FC8 netwerk 1

7.6.10

FC2 Teller

De teller houdt bij hoeveel producten reeds in de trein zitten, en als de trein vol is, zet hij de merker ’vol’ hoog. Dit wordt door het hoofdprogramma gebruikt om door te kunnen gaan naar het ontlaadstation. Figuur 7.35: FC2 netwerk 1

85

Figuur 7.36: FC2 netwerk 2

7.6.11

Simulatorvoorstelling

Tijdens het schrijven van dit programma werd vaak getest met behulp van de PLCSIMsimulator. Hiermee wordt de werking van een PLC gesimuleerd op PC waarmee geprogrammeerd wordt. Bepaalde delen van het fictieve PLC-geheugen kunnen weergegeven en gemanipuleerd worden.

86

Figuur 7.37: PLCSIM

87

Hoofdstuk 8

E-Planschema

88

Figuur 8.1: Voedingsschema 1

89

Figuur 8.2: Voedingsschema 2

90

Figuur 8.3: Profibusnetwerk

91

Figuur 8.4: PLC-ingangskaart 1

92

Figuur 8.5: PLC-ingangskaart 2

93

Figuur 8.6: PLC-uitgangskaart

94

Figuur 8.7: Vermogensschema

95

Figuur 8.8: Stuurschema

96

Hoofdstuk 9

Laagspanningsberekening

97

Figuur 9.1: Opgave

In de figuur hierboven staat de installatie weergegeven. Alle berekening werd uitgevoerd met de volgende eigenschappen:

98

• Alle kabels liggen ondergronds • Alle Icc,min -waarden werden op 150◦ C berekend, alsook alle spanningsvallen • Alle Icc,max -waarden werden op 20◦ C berekend. • De berekeningen werden in zowel in slechte omstandigheden (K = 0.51) als de beste omstandigheden (K = 1.15) uitgevoerd. • De Icc,min -waarden per automaat zijn de minimale kortsluitstromen die mogelijk kunnen voorkomen stroomafwaarts tot aan de volgende automaat, of tot aan de verbruiker voor de laatste automaat in een tak. • De spanningsvallen in verbindingen tussen ALSB en LSB worden volgens de norm enkel op nominaal vermogen berekend, maar in dit geval werden ze ook berekend wanneer alle verbruikers tegelijk in aanloop zijn. Dit zal uiteraard een grotere spanningsval veroorzaken.

9.1

Werkwijze

Het berekenen van een laagspanningsinstallatie betekent: • Het dimensioneren van een gepaste transformator • Het bepalen van de bedrijfsstroom die de verbruikers zullen trekken • De gepaste kabelsecties bepalen op basis van de bedrijfsstroom en de omgevingsfactoren • Het berekenen van de elektrische impedantie van de kabels bij verschillende omgevingstoestanden • Op basis van de berekende impedanties de maximale en minimale kortsluitstroom berekenen op verschillende punten in de installatie • Het berekenen van de spanningsval in de installatie en controleren of deze de normen niet overschrijdt • Een geschikte beveiliging kiezen voor elke tak in het slechtste geval

9.2

Dimensionering van de transformator

De transformator moet men kiezen op basis van het nominaal schijnbaar vermogen dat de installatie nodig heeft. De actieve en reactieve vermogens van de tak naar LSB1 en de tak naar LSB2 moeten berekend en opgeteld worden, en van daaruit kan men het totale schijnbaar vermogen berekenen.

99

Figuur 9.2: Verschillende elektrische vermogens

P = S ∗ cos(φ)

(9.1)

Q = S ∗ sin(φ)

(9.2)

In de linkse tak van de installatie is Stot = 100kV A en is cos(φ) = 0.8 gegeven. Hieruit berekenen we het reactief vermogen QLSB1 en het actief vermogen PLSB1 . QLSB1 = Stot ∗ sin(bgcos(0.8)) = 60kV Ar

(9.3)

PLSB1 = Stot ∗ cos(φ) = 80kW

(9.4)

In de rechtse tak van de installatie zijn er enkel actieve vermogens en cos(φ)-waarden gegeven. Men berekent daarom eerst het schijnbaar vermogen naar elke verbruiker, en van daaruit het reactief vermogen. Sv1 =

Pv1 = 66667V A cos(φ)v1

Qv1 = Sv1 ∗ sin(bgcos(cos(φ)v1 )) = 40kV Ar Sv2 =

Pv2 = 7246V A cos(φ)v2

Qv2 = Sv2 ∗ sin(bgcos(cos(φ)v2 )) = 5245V Ar

(9.5) (9.6) (9.7) (9.8)

Voor LSB2 tellen we nu de actieve en reactieve vermogens op. QLSB2 = Qv1 + Qv2 = 45245V Ar

(9.9)

PLSB2 = Pv1 + Pv2 = 55kW

(9.10)

Nu telt men de reactieve en actieve vermogens per tak op: Ptot = PLSB1 + PLSB2 = 135kW

(9.11)

Qtot = QLSB1 + QLSB2 = 105245V Ar

(9.12)

100

Het totaal schijnbaar vermogen dat de installatie verbruikt is dus: q 2 = 171177V A Stot = Q2tot + Ptot

(9.13)

Nu kan de cos(φ) van alle verbruikers samen berekend worden: cos(φ) =

Ptot = 0.79 Stot

(9.14)

De stroom die door alle verbruikers samen getrokken wordt, is: Ib = √

Ptot = 247A 3U cos(φ)

(9.15)

We kiezen voor een transformator van het type Minera MS/LS distributietransformatoren. Figuur 9.3: Transformatorgegevens

De transformator kan dus een nominaal vermogen van 250kVA leveren, heeft 425W koperverlies en een procentuele kortsluitspanning van 4%.

9.3

Berekening kabelsecties met de impedantiemethode

Elk deel van de installatie zal een impedantie vormen voor eventuele foutstromen.

9.3.1

Impedantie van het HS-net

Het kortsluitvermogen van het hoogspanningsnet bedraagt 500MVA. De lijnspanning aan secundaire zijde bedraagt 400V. Uit de handleiding voor laagspanningsinstallaties van Schneider berekenen we de impedanties van de transformator en het HS-net.

101

Figuur 9.4: Handleiding Schneider impedanties

De impedanties van het HS-net (impedantie Z, weerstand R en impedantie X) zijn ZHS =

(m ∗ Us )2 4202 = 0.353mΩ = SKQ 500 ∗ 106

(9.16)

met m = factor voor de nulbelasting = 1.05

9.3.2

RHS = 0.1 ∗ ZHS = 0.0353mΩ

(9.17)

XHS = 0.995 ∗ ZHS = 0.351mΩ

(9.18)

Impedantie van de transfo

De transformator zelf vormt ook een impedantie voor de secundaire stroom: Ztr,s =

(mUs )2 ∗ UK,% = 28, 2mΩ 100 ∗ ST

(9.19)

Pcu ∗ (mUs )2 = 1.1mΩ ST2

(9.20)

Rtr,s =

met koperverlies of nullastverlies Pcu = 425W q 2 2 Xtr,s = Ztr,s − Rtr,s = 28.2mΩ

(9.21)

Dit zijn echter nog niet de uiteindelijke waarden waarmee men werkt in de impedantiemethode. Sinds de invoering van de nieuwste norm zal er bij deze R, X en Z-waarden een co¨effici¨ent KT in rekening gebracht moeten worden. 102

KT = 0.95 Waarbij cmax = 1.1 en xT =

cmax 1 + sin(φ) ∗ xT

ST ∗ Xtr = 0.0440625 UT2

(9.22)

(9.23)

Voor de KT -waarde krijgen we dus: KT = 0.95

1.1 = 1.018 1 + 0.613 ∗ 0.0440625

(9.24)

De bekomen waarden voor de impedantie van de transformator zelf zijn dus: Ztr = KT

(mUs )2 ∗ UK,% = KT ∗ 28, 2mΩ = 28.7mΩ 100 ∗ ST

Pcu ∗ (mUs )2 = KT ∗ 1.1mΩ = 1.1mΩ ST2 q 2 2 = KT ∗ 28.2mΩ = 28.7mΩ − Rtr,s = KT Ztr,s

Rtr = KT Xtr

9.3.3

(9.25) (9.26) (9.27)

Impedantiemethode: verbinding Transfo - ALSB

Deze verbinding wordt uitgevoerd in koperen baren die gedimensioneerd worden op het vermogen van de transformator. Als er een transformator gekozen wordt, ligt dus ook de doorsnede van de rails vast. Deze verbinding wordt ook altijd uitgevoerd in een TN-C net. De doorsnede van rails wordt altijd berekend bij een regimetemperatuur van 100◦ C. Figuur 9.5: Transfo-ALSB

De nominale secundaire stroom volgt uit de volgende formule Str In,s = √ = 361A 3Us

103

(9.28)

De maximale kortsluitstroom net na de transformator: Icc,s =

In,s ∗ 100 = 9025A UK,%

(9.29)

De nominale secundaire stroom zal doorslaggevend zijn voor de doorsnede van de rails. Bij deze berekening moet geen rekening gehouden worden met K-correctiefactoren aangezien deze rails niet ge¨ısoleerd zijn. De bedrijfsstroom is volgens vergelijking 1.20 361A. Uit de onderstaande tabel kiezen we voor blanke rails. Figuur 9.6: BTV-vademecum doorsnede rails

De gekozen rail heeft een doorsnede van 124mm2 . Nu kan men de weerstand van de rails berekenen. De berekening wordt uitgevoerd bij 20◦ C (voor Icc,max ) en bij 100◦ C (voor Icc,min ) omdat koper een PTC-materiaal is, en dus de weerstand stijgt met de temperatuur. Een hogere temperatuur betekent een hogere weerstand voor een eventuele kortsluitstroom. De minimale kortsluitstroom wordt dus berekend bij de hoogste temperatuur. De minimale kortsluitstroom door geleiders wordt berekend bij 150 ◦ C. Tabel 9.1: Effect van temperatuur op elektrische weerstand koper Temperatuur dichtheid eenheid Ωmm2 20◦ C 0.0185 m Ωmm2 100◦ C 0.0224 m Ωmm2 150 ◦ C 0.0280 m Rrail,20◦ C =

ρ20◦ C ∗ L = 0.90mΩ S

(9.30)

met L = lengte van de rails = 6m Xrail,20en100◦ C = 0.15 ∗ L = 0.9mΩ

(9.31)

De reactantie van de rails is onafhankelijk van de temperatuur, en lineair met de lengte van de rail. ρ100◦ C ∗ L = 1.08mΩ (9.32) Rrail,100◦ C = S 104

9.3.4

Impedantiemethode voor geleiders: Algemene werkwijze

Men volgt deze werkwijze: • Bepaal de bedrijfsstroom • Bepaal de correctiefactoren voor omgevingsomstandigheden K1, K2, K3, zowel voor de slechtst mogelijke als de best mogelijke omstandigheden • Bepaal de fictieve stroom Iz0 =

IB K1∗K2∗K3

• Kies een kabeldoorsnede zodat Iz0 < Iz • Bepaling van de nulgeleiderdoorsnede rekening houdend met effecten van harmonischen • Bepaal de geleiderimpedantie in de beste en in de slechtste omstandigheden Bepaling van de K-factoren voor de beste en slechtste omstandigheden uit de volgende tabel. We gaan altijd uit van montagemethode E en isolatiemateriaal EPR.

105

Figuur 9.7: K correctiefactoren 1, 2 en 3 vanuit Schneider handleiding p.62

Om de invloed van de harmonischen in rekening te brengen, gebruiken we volgende gegevens uit de Schneider handleiding voor laagspanningsberekeningen:

106

Figuur 9.8: Effect van harmonischen op nulgeleiderdoorsnede - Schneider p.63

De uiteindelijke kabeldikte wordt gekozen uit de volgende tabel:

107

Figuur 9.9: Genormeerde minimale kabelsecties - Schneider p.65

9.3.5

Impedantiemethode: Verbinding ALSB - LSB1 Figuur 9.10: ALSB-LSB1

108

De bedrijfsstroom bepalen we uit √

3U Icos(φ)

(9.33)

PLSB1 = 144A 3U cos(φ)

(9.34)

P = dus Ib = √ met PLSB1 = 100000V A ∗ 0.8 = 160kW

Verbinding ALSB-LSB1: slechtste omstandigheden Uit de handleiding p.62 volgt: • K1 = 1 • K2 = 0.72 (er zijn 9 of meer kringen in de kabelgoot op plaatsteunen) • K3 = 0.71 (omgevingstemperatuur = 60◦ C) • Sn = Sf*1.73 (als het percentage (ih3) groter is dan 33%) Hieruit volgt dat K = 1 ∗ 0.72 ∗ 0.71 = 0.5112

(9.35)

De bedrijfsstroom gecorrigeerd voor de slechtste omstandigheden is bijgevolg: Iz0 =

144A = 282A 0.5112

(9.36)

We kiezen dus voor een fasedoorsnede van 95mm2 en een PEN-geleiderdoorsnede die (omwille van de slechtste omstandigheden qua harmonischen) berekend moet worden op 1.74 keer de doorsnede van de fasegeleider. Deze doorsnede zou dus 165.3mm2 groot moeten zijn. De PEN-geleider is dus berekend op 185mm2 . De impedantie die uit deze fasedoorsnede volgt is bijgevolg: Rf,20◦ C =

ρ20◦ C ∗ L = 7.79mΩ S

(9.37)

met L = lengte van de geleider = 40m Xf,20en150◦ C = 0.09 ∗ L = 3.6mΩ

(9.38)

De reactantie van de geleiders is onafhankelijk van de temperatuur, en lineair met de lengte van de geleider. ρ150◦ C ∗ L Rf,150◦ C = = 11.79mΩ (9.39) S De berekening van de impedantie van de PEN-geleider met doorsnede 185mm2 is dus: RP EN,20◦ C =

ρ20◦ C ∗ L = 4.00mΩ S

(9.40)

XP EN,20en150◦ C = 0.09 ∗ L = 3.6mΩ

(9.41)

ρ150◦ C ∗ L = 6.05mΩ S

(9.42)

RP EN,150◦ C =

109

Verbinding ALSB-LSB1: Beste omstandigheden Uit de handleiding p.62 volgt: • K1 = 1 • K2 = 1 (er zijn geen andere kringen in de kabelgoot) • K3 = 1.15 (omgevingstemperatuur = 10◦ C) • Sn = Sf (als het percentage (ih3) kleiner is dan 15%) Hieruit volgt dat K = 1 ∗ 1 ∗ 1.15 = 1.15

(9.43)

De bedrijfsstroom gecorrigeerd voor de beste omstandigheden is bijgevolg: Iz0 =

144A = 125A 1.15

(9.44)

Hieruit volgt de kabelsectie voor de fase-en PEN-geleiders: 25mm2 De impedantie die uit deze doorsnede volgt is bijgevolg: ρ20◦ C ∗ L = 29.60mΩ S

(9.45)

Xf,P EN 20en150◦ C = 0.09 ∗ L = 3.6mΩ

(9.46)

Rf,P EN 20◦ C =

ρ150◦ C ∗ L = 44.8mΩ (9.47) S Meteen valt op dat de weerstand van de geleiders in de beste omstandigheden veel hoger ligt dan die in de slechtste omstandigheden. Rf,P EN 150◦ C =

9.3.6

Impedantiemethode: verbinding ALSB - LSB2 Figuur 9.11: Verbinding ALSB-LSB2

110

Bepaling van de bedrijfsstroom Ib: Ib = √

PLSB1 = 103A 3U cos(φ)

(9.48)

met PLSB1 = 55kW Verbinding ALSB-LSB2: Slechtste omstandigheden In de slechtste omstandigheden werd reeds aangetoond in de vorige paragrafen dat de totale correctiefactor K = 0.5112 bedraagt. Hieruit volgt: Iz0 =

103A = 201A 0.5112

(9.49)

Dit komt overeen met een kabelsectie van de fasegeleider van 50mm2 . De impedantie die uit deze doorsneden volgt is bijgevolg: Rf,20◦ C =

ρ20◦ C ∗ L = 7.40mΩ S

(9.50)

met L = lengte van de geleider = 20m Xf,20en150◦ C = 0.09 ∗ L = 1.80mΩ

(9.51)

De reactantie van de geleiders is onafhankelijk van de temperatuur, en lineair met de lengte van de geleider. ρ150◦ C ∗ L Rf,150◦ C = = 11.20mΩ (9.52) S In het geval dat de harmonischen een zeer sterke invloed hebben op de kabel, moet de doorsnede van de neuter (of PEN-geleider) dus berekend worden op 1.73 ∗ Iz0 = 349A, wat overeenkomt met een kabelsectie van 150mm2 . RP EN,20◦ C =

ρ20◦ C ∗ L = 2.47mΩ S

(9.53)

met L = lengte van de geleider = 20m XP EN,20en150◦ C = 0.09 ∗ L = 1.8mΩ

(9.54)

De reactantie van de geleiders is onafhankelijk van de temperatuur, en lineair met de lengte van de geleider. ρ150◦ C ∗ L RP EN,150◦ C = = 3.73mΩ (9.55) S Verbinding ALSB-LSB2: Beste omstandigheden In dit geval spreken we van een correctiefactor K = 1.15 (zie formule 1.32) Iz0 =

103A = 90A 1.15

(9.56)

Hieruit volgt dezelfde kabelsectie voor fase en PEN-geleider: 16mm2 . Hierbij horen de volgende impedanties:

111

ρ20◦ C ∗ L = 23.13mΩ S

(9.57)

Xf,P EN,20en150◦ C = 0.09 ∗ L = 1.8mΩ

(9.58)

Rf,P EN,20◦ C = met L = lengte van de geleider = 20m

De reactantie van de geleiders is onafhankelijk van de temperatuur, en lineair met de lengte van de geleider. ρ150◦ C ∗ L Rf,P EN,150◦ C = = 35.00mΩ (9.59) S

9.3.7

Impedantiemethode LSB1 - V1 Figuur 9.12: Verbinding LSB1 - V1

V1, of verbruiker 1, is een motor van 15kW, cos(φ) = 0.79 en rendement η = 82%. Het rendement van de motor is belangrijk in de bepaling van de bedrijfsstroom: Ib = √

P = 33A 3U cos(φ)η

(9.60)

Impedantiemethode LSB1 - V1: slechtste omstandigheden In de slechtste omstandigheden heeft men K = 0.5112, dus de gecorrigeerde bedrijfsstroom wordt: Iz0 =

33 = 65A 0.5112

(9.61)

Een kabel met doorsnede 6mm2 zal dus volstaan om deze stroom te leveren. Vanaf dit punt hebben we ook te maken met een TN-S net en zullen we de beschermings- en nulgeleider apart moeten bekijken. De nulgeleider zal in het slechtste geval 1.73 keer de grootte van de fasedoorsnede moeten bedragen, wat neerkomt op een sectie van 10mm2 . De PE-beschermingsgeleider voldoet aan de volgende dimensies:

112

Tabel 9.2: Doorsnede Sf ase <16mm2 32mm2 >Sf ase >16mm2 Sf ase >32mm2

PE-geleider SP E = Sf ase SP E = 16mm2 SP E = 0.5Sf ase

De beschermingsgeleider heeft dus dezelfde doorsnede als de fasegeleider. Rf,P E,20◦ C =

ρ20◦ C ∗ L = 46.25mΩ S

(9.62)

met L = lengte van de geleider = 15m Xf,P E,20en150◦ C = 0.09 ∗ L = 1.35mΩ

(9.63)

ρ150◦ C ∗ L = 70.00mΩ S

(9.64)

Rf,P E,150◦ C =

De neuter heeft de volgende impedanties bij een doorsnede van 10mm2 : RN,20◦ C =

ρ20◦ C ∗ L = 27.75mΩ S

(9.65)

met L = lengte van de geleider = 15m XN,20en150◦ C = 0.09 ∗ L = 1.35mΩ

(9.66)

ρ150◦ C ∗ L = 42.00mΩ S

(9.67)

RN,150◦ C =

Impedantiemethode LSB1 - V1: beste omstandigheden Bij K = 1.15 wordt IZ0 : IZ0 =

33A = 29A 1.15

(9.68)

Hierbij hoort een fasedoorsnede van 1.5mm2 , en deze waarde geldt ook voor PE en N. ρ20◦ C ∗ L = 185mΩ S Xf,P E,N,20en150◦ C = 0.09 ∗ L = 1.35mΩ Rf,P E,N,20◦ C =

Rf,P E,N,150◦ C =

ρ150◦ C ∗ L = 280mΩ S

113

(9.69) (9.70) (9.71)

9.3.8

Verbinding LSB1 - V2 (via LSB3) Figuur 9.13: Verbinding LSB1-V2 via LSB3

De bedrijfsstroom naar de motor via LSB3 bedraagt: Ib = √

P = 17A 3U cos(φ)η

(9.72)

Verbinding LSB1 - V2 (via LSB3): slechtste omstandigheden In de slechtste omstandigheden heeft men K = 0.5112, dus de gecorrigeerde bedrijfsstroom wordt: Iz0 = 17/0.5112 = 33A 2

(9.73) 2

Hierbij hoort een sectie van 2.5mm en een nulgeleidersectie van 6mm . De beschermingsgeleider heeft dus dezelfde doorsnede als de fasegeleider. ρ20◦ C ∗ L = 296.00mΩ S met L = lengte van de geleider = 30m + 10m = 40m Rf,P E,20◦ C =

(9.74)

Xf,P E,20en150◦ C = 0.09 ∗ L = 3.6mΩ

(9.75)

ρ150◦ C ∗ L = 448mΩ S

(9.76)

Rf,P E,150◦ C = Voor de neuter geldt: RN,20◦ C =

ρ20◦ C ∗ L = 123.33mΩ S

114

(9.77)

met L = lengte van de geleider = 40m XN,20en150◦ C = 0.09 ∗ L = 3.6mΩ RN,150◦ C =

ρ150◦ C ∗ L = 186.66mΩ S

(9.78) (9.79)

Verbinding LSB1 - V2 (via LSB3): beste omstandigheden In deze omstandigheden geldt opnieuw K = 1.15 Iz0 = 17/1.15 = 15A

(9.80)

Hierbij hoort een sectie van 1.5mm2 voor zowel PE, N als fase. ρ20◦ C ∗ L = 493.33mΩ S Xf,P E,N,20en150◦ C = 0.09 ∗ L = 3.6mΩ

Rf,P E,N,20◦ C =

Rf,P E,N 150◦ C =

9.3.9

ρ150◦ C ∗ L = 746.66mΩ S

(9.81) (9.82) (9.83)

Verbinding LSB2 - v3 Figuur 9.14: Verbinding LSB2-V3

In deze verbruiker is geen rendement opgegeven, dus we gaan ervanuit dat het rendement 100% bedraagt, waardoor we rekening houden met de grootste bedrijfsstroom en de grootste kabelsectie. Ib = √

P = 96A 3U cos(φ)η

115

(9.84)

Verbinding LSB2 - V3: slechtste omstandigheden In de slechtste omstandigheden heeft men K = 0.5112, dus de gecorrigeerde bedrijfsstroom wordt: Iz0 = 96/0.5112 = 188A 2

(9.85) 2

Hierbij hoort een sectie van 50mm en een nulgeleidersectie van 95mm . De beschermingsgeleider heeft dezelfde doorsnede als de fasegeleider. Rf,P E,20◦ C =

ρ20◦ C ∗ L = 2.6mΩ S

(9.86)

met L = lengte van de geleider = 7m Xf,P E,20en150◦ C = 0.09 ∗ L = 0.63mΩ Rf,P E,150◦ C =

ρ150◦ C ∗ L = 3.9mΩ S

(9.87) (9.88)

Voor de neuter geldt: RN,20◦ C =

ρ20◦ C ∗ L = 1.36mΩ S

(9.89)

met L = lengte van de geleider = 7m XN,20en150◦ C = 0.09 ∗ L = 0.63mΩ

(9.90)

ρ150◦ C ∗ L = 2.06mΩ S

(9.91)

RN,150◦ C =

Verbinding LSB2 - V3: beste omstandigheden In deze omstandigheden geldt opnieuw K = 1.15 Iz0 = 96/1.15 = 83A

(9.92)

Hierbij hoort een sectie van 10mm2 voor zowel PE, N als fase. ρ20◦ C ∗ L = 12.95mΩ S Xf,P E,N,20en150◦ C = 0.09 ∗ L = 0.63mΩ Rf,P E,N,20◦ C =

Rf,P E,N 150◦ C =

ρ150◦ C ∗ L = 19.60mΩ S

116

(9.93) (9.94) (9.95)

9.3.10

Verbinding LSB2 - V4 Figuur 9.15: Verbinding LSB2 - V4

Ib = √

P = 15A 3U cos(φ)η

(9.96)

Verbinding LSB2 - V4: slechtste omstandigheden In de slechtste omstandigheden heeft men K = 0.5112, dus de gecorrigeerde bedrijfsstroom wordt: Iz0 = 96/0.5112 = 29A 2

(9.97) 2

Hierbij hoort een sectie van 1.5mm en een nulgeleidersectie van 4mm . De beschermingsgeleider heeft dezelfde doorsnede als de fasegeleider. Rf,P E,20◦ C =

ρ20◦ C ∗ L = 111mΩ S

(9.98)

met L = lengte van de geleider = 9m Xf,P E,20en150◦ C = 0.09 ∗ L = 0.81mΩ Rf,P E,150◦ C =

ρ150◦ C ∗ L = 168mΩ S

(9.99) (9.100)

Voor de neuter geldt: ρ20◦ C ∗ L = 32.38mΩ S

(9.101)

XN,20en150◦ C = 0.09 ∗ L = 81mΩ

(9.102)

ρ150◦ C ∗ L = 49mΩ S

(9.103)

RN,20◦ C = met L = lengte van de geleider = 7m

RN,150◦ C =

117

Verbinding LSB2 - V4: beste omstandigheden In deze omstandigheden geldt opnieuw K = 1.15 Iz0 = 15/1.15 = 13A

(9.104)

Hierbij hoort een sectie van 1.5mm2 voor zowel PE, N als fase. ρ20◦ C ∗ L = 111mΩ S Xf,P E,N,20en150◦ C = 0.09 ∗ L = 0.81mΩ Rf,P E,N,20◦ C =

Rf,P E,N 150◦ C =

9.3.11

ρ150◦ C ∗ L = 168mΩ S

(9.105) (9.106) (9.107)

Overzicht van alle berekende weerstanden

De impedanties van het HS-net (impedantie Z, weerstand R en impedantie X) zijn • ZHS = 0.353mΩ • RHS = 0.0353mΩ • XHS = 0.351mΩ De impedanties van de transfo zijn: • Ztr = 28.7mΩ • Rtr = 1.1mΩ • Xtr = 28.7mΩ De impedanties van de rails van transfo naar ALSB zijn: • Rrail,20◦ C = 0.90mΩ • Xrail,20en100◦ C = 0.9mΩ • Rrail,100◦ C = 1.08mΩ Alle waarden zijn in mΩ. Eerst zijn de beste K-waarden, daarna de slechtste K-waarden samengevat. Tabel 9.3: Overzicht van de weerstanden in beste omstandigheden Beste K Onderdeel Rf,P E,N,20◦ C Rf,P E,N,150◦ C Xf,P E,N ALSB-LSB1 29.60 44.80 3.6 ALSB-LSB2 23.13 35.00 1.8 LSB1 - V1* 185 280 1.35 LSB1 - V2* 493.33 746.66 3.6 LSB2-V3 12.95 19.60 0.63 LSB2-V4 111 168 0.81 Opmerking: een ’*’ bij het onderdeel wijst op een voorlopige waarde 118

Tabel 9.4: Overzicht van de weerstanden in slechtste omstandigheden Slechtste K Onderdeel Rf,(P E)20◦ C RN,(P E),20◦ C Rf,(P E)150◦ C RN,(P E),150◦ C Xf,P E,N ALSB-LSB1 7.79 4 11.79 6.05 3.6 ALSB-LSB2 7.4 2.47 11.20 3.73 1.8 LSB1-V1* 46.25 27.75 70.00 42.00 1.35 LSB1-V2* 296 123.33 448 186.66 3.6 LSB2-V3 2.6 1.36 3.9 2.06 0.63 LSB2-V4 111 32.38 168 49 0.81 Opmerking: een ’*’ bij het onderdeel wijst op een voorlopige waarde

9.4

Bepaling van de maximale en minimale kortsluitstromen

Voor elke automaat of lastscheider in de installatie is het nodig om de maximale kortsluitstroom te bepalen. Deze stroom wordt kleiner als we stroomafwaarts de installatie gaan. Elke automaat moet, op de plaats waar hij gemonteerd wordt, de maximale kortsluitstroom op die plaats zeker kunnen onderbreken. Dit betekent dat deze maximale kortsluitstroom onder zijn onderbrekingsvermogen moet liggen. Tegelijk moeten we voor de hele installatie en alle beveiligingscomponenten de minimale kortsluitstroom berekenen, omdat deze stroom (die relatief klein kan worden door alle kabelweerstanden) door de automaten ook als kortsluitstroom beschouwd moet worden, en dus hun magnetische beveiliging moet kunnen activeren. De maximale kortsluitstroom Icc,max wordt gegeven door: Icc,max,20◦ C =

m ∗ n ∗ Uf ase Zf out

(9.108)

waarin • m = de netspanningsvariatie = 1.05 • n = de nullastfactor = 1.05 • Uf ase = 230V • Zf out = de impedantie van de foutstroom vanaf het HS-net naar de plaats van de q kortsluiting = Rf2 out + Xf2out De Zf out -factor zal dus stijgen naarmate men verder stroomafwaarts in de installatie gaat. De minimale kortsluitstroom wordt berekend op het verste punt in de installatie, oftewel het punt met de grootste weerstand: Icc,min,150◦ C =

m ∗ n ∗ Uf ase Zf outlus

waarin • m = de netspanningsvariatie = 0.95 119

(9.109)

• n = de nullastfactor = 1.05 • Uf ase = 230V • Zf out = de impedantie van de foutstroom vanaf het HS-net naar de plaats van de kortsluitingqen terug naar het sterpunt van de transformator via de neuter of PENgeleider = Rf2 out + Xf2out Omdat de minimale kortsluitstroom ook een terugweg kent, zal de impedantie die hij ondervindt onderweg veel groter zijn, waardoor de minimale kortsluitstroom nog kleiner is dan de maximale kortsluitstroom.

9.4.1

Maximale kortsluitstroom per automaat of lastscheider

De Uf ase per automaat, de netspanningsvariatie en de nullastfactor blijven gelijk voor elke automaat. De enige variabele is de foutlusimpedantie. Alle automaten kregen een letter (A tot H) toegewezen en alle lastscheiders kregen een nummer (I tot III). Tabel 9.5: Maximale kortsluitstromen Automaat Zf out,slechtsteK (Ω) Icc slechtste K (A) Zf out,besteK (Ω) A 0.029688 8541 0.029688 B 0.030323 8362 0.030323 C 0.038905 6518 0.060141 D 0.038905 6518 0.060141 E* 0.260921 971 0.430148 F 0.030323 8362 0.030323 G 0.037939 6684 0.0535229 H 0.037939 6684 0.0535229 I 0.038905 6518 0.060141 II* 0.260921 971 0.430148 III 0.037939 6684 0.0535229 Opmerking: een ’*’ bij de automaat wijst op een voorlopige waarde

9.4.2

Icc beste K (A) 8541 8362 4216 4216 590 8362 4738 4738 4216 590 4738

Minimale kortsluitstroom per verbruiker en verbinding

De volgende tabel geeft de minimale kortsluitstromen volgens de formule van Cenelec (formule 1.109). Tabel 9.6: Minimale kortsluitstromen

120

Verbruiker Zf out,slechtsteK (Ω) Icc slechtste K (A) Zf out,besteK (Ω) v1* 0.190023 1207 0.681548 v2* 0.945826 242 1.614858 v3 0.055117 4162 0.141181 v4 0.419913 546 0.437907 Verbinding Transfo - ALSB 0.031993 7170 0.031993 ALSB-LSB1 0.05111 4488 0.12176 ALSB-LSB2 0.04723 4857 0.10196 LSB1-LSB3* 0.52284 439 1.190 Opmerking: een ’*’ bij de verbinding wijst op een voorlopige waarde

Icc beste K (A) 336 142 1625 524 7170 1884 2250 193

Hieruit blijkt dat verbruiker v2 een knelpunt zal vormen. Een kortsluiting vlakbij deze verbruiker in de beste omstandigheden zal een foutstroom genereren van slechts 142A. Dit is iets minder dan de nominale stroom die van ALSB naar LSB1 stroomt (144A). Automaat B zal deze kortsluiting dus niet merken, waardoor men moet gebruik maken van selectiviteit. Dit betekent dat automaat E zal uitschakelen bij een kortsluiting aan v2, maar automaat B niet, waardoor de rest van de installatie actief blijft.

9.5

Controle van de spanningsval over de installatie

Deze controle is nodig om te verzekeren dat elke machine of verbruiker geen problemen zal ondervinden met een te lage voedingsspanning. De volgende vuistregel wordt gebruikt om dit te controleren. Figuur 9.16: Maximale spanningsval

Deze berekening kan men op twee manieren uitvoeren: volgens de formule van CENELEC 121

voor de spanningsval over 1 lijndraad, en volgens de formule van Schneider die de spanning tussen twee lijndraden in het begin (aan de transfo) en op het einde (verbruiker) vergelijkt. Voor deze berekening wordt het effect van het HS-net verwaarloosd, en gaat men ervan uit dat de transformator helemaal is opgestart.

9.5.1

Spanningsval Transfo - ALSB

Met Cenelec De spanningsval over 1 lijn wordt bepaald met deze formule: ∆U1lijn = b(Rcos(φ) + Xsin(φ))Ib ∗ 10−3

(9.110)

waarbij b = 1 voor 3F-systemen en R = de ohmse weerstand van transformator en rails, en X = de reactantie van de transformator en de rails (in mΩ), en dit bij de hoogste temperatuur (want hierbij is de weerstand, en dus ook de spanningsval, het grootst). φ is de hoek tussen stroom en spanning van alles verbruikers samen (zie formule 1.14). Uitgewerkt krijgen we: ∆U1lijn = 1((1.1 + 1.08)0.79 + (28.7 + 0.9)0.61)243 ∗ 10−3 = 4.8V

(9.111)

Hieruit volgt dat lijnspanning ook zal zakken, en dat berekent men zo: 400V Ul0 Uf 1 = √ = √ = 230V 3 3 Uf 10 = Uf 1 − ∆U1lijn = 226V √ U12 = Ul = 3Uf 10 = 391.7V

(9.112) (9.113) (9.114)

De lijnspanning aan het ALSB is dus reeds gezakt van 400V naar 391.7V. Met Schneider ∆U =

√

3(Rcos(φ) + Xsin(φ))Ib =

√

3 ∗ 4.8 = 8.3V

(9.115)

Deze waarde is de vermindering van de lijnspanning van transfo naar ALSB. Dit komt inderdaad overeen met wat er in formule (9.114) berekend werd. De procentuele spanningval is gezakt met: U% = 1 −

9.5.2

U12 = 2.1% Utransf o

(9.116)

Spanningsval van ALSB naar LSB1

In bedrijf Slechtste geval ∆U = b(R150◦ C cosφ + X150◦ C sinφ)ILSB1,bedrijf = 1.67V ULSB1 = UALSB −

√

3 ∗ 1.67V = 388.8V

Dit betekent dus een procentuele spanningsval van 1-388.8V/391.7V = 0.74% 122

(9.117) (9.118)

Beste geval ∆U = b(R150◦ C cosφ + X150◦ C sinφ)ILSB1,b = 5.48V ULSB1 = UALSB −

√

3 ∗ 5.48V = 382.2V

(9.119) (9.120)

Dit betekent dus een procentuele spanningsval van 1-382.2V/391.7V = 2.4% In zowel het beste als het slechtste geval is de spanningsval in bedrijf steeds kleiner dan 3%, waardoor er aan de norm voldaan wordt. Bij aanloop Bij motoren met een nominale stroom kleiner dan 100A is de cosφ bij aanloop gelijk aan 0.45. De stroom bij aanloop is ook 7 keer groter dan de nominale stroom. Stroomafwaarts vanaf het LSB1 zijn er twee motoren bekend (15kW en 7kW), en een totaal vermogen van 100kVA met cosφ van 0.8. We berekenen de spanningsval als beide motoren tegelijk aanlopen. Aangezien er twee verschillende cosφ-waarden zijn zullen we de totale cosφ en bijhorende stroom moeten berekenen. Dit doen we door de imaginaire en re¨ele delen van elke component op te tellen. De nominale stroom van V1 (motor 15kW, η = 0.82, cosφ = 0.79) is: Iv1,nom = √

P = 33.4A 3U ηcosφ

(9.121)

De stroom bij aanloop is 7 keer groter dus: Iv1,aanloop = 7 ∗ Iv1,nom = 234A

(9.122)

Hetzelfde berekent men voor v2 (motor 7kW, η = 0.79, cosφ = 0.76) Iv2,nom = √

P = 16.8A 3U ηcosφ

(9.123)

De stroom bij aanloop is 7 keer groter dus: Iv2,aanloop = 7 ∗ Iv2,nom = 118A

(9.124)

Hieruit volgt dat de twee motoren samen bij aanloop een stroom van 352A bij een cosφ = 0.45. LSB1 levert in bedrijf een nominale stroom van 144A bij cosφ = 0.8. De totale stroom van ALSB naar LSB1 volgt dan uit: ILSB1 = Ib cosφ − jIb sinφ = 115.2 − j ∗ 86.4

(9.125)

Iaanloop = Iaanloop cosφ − jIaanloop sinφ = 158.4 − j ∗ 314.3

(9.126)

It = ILSB1 + Iaanloop = 274 − j ∗ 401

(9.127)

Hieruit wordt de totale stroom en bijhorende cosφ bij aanloop bepaald: p Itot,LSB1 = 2742 + 4012 = 486A

(9.128)

−401 ) = 0.56 (9.129) 274 Nu kan de spanningsval over de kabel bij aanloop berekend worden. Ook dit moet men berekenen in het beste en in het slechtste geval. cosφtot,LSB1 = cos(Bgtg

123

Beste geval ∆Ulijn,aanloop = b(R150◦ C cos(φ) + X150◦ C sin(φ))Itot,LSB1 ∗ 10−3 = 13.6V √ ULSB1 = UALSB − 3 ∗ 13.6V = 368.1V

(9.130) (9.131)

Dit betekent dus een procentuele spanningsval van 1-388.8V/391.1V = 5.9% Slechtste geval ∆Ulijn,aanloop = b(R150◦ C cos(φ) + X150◦ C sin(φ))Ib ∗ 10−3 = 4.7V √ √ ULSB1 = UALSB − 3 ∗ 4.7V = 391.7V − 3 ∗ 4.7 = 383.6V

(9.132) (9.133)

Dit betekent dus een procentuele spanningsval van 1-383.6V/391.7V = 2.1%

9.5.3

Spanningsval van ALSB naar LSB2

In bedrijf Slechtste geval ∆U = b(R150◦ C cosφ + X150◦ C sinφ)ILSB2,bedrijf = 1V

(9.134)

met Ib = 103A, cosφ = 0.77, R150◦ C = 11.20mΩ en X150◦ C = 1.8mΩ. ULSB2 = UALSB −

√

3 ∗ 1V = 390V

(9.135)

Dit betekent dus een procentuele spanningsval van 1-390V/391.7V = 0.4% Beste geval ∆U = b(R150◦ C cosφ + X150◦ C sinφ)ILSB1,b = 2.9V

(9.136)

met Ib = 103A, cosφ = 0.77, R150◦ C = 35mΩ en X150◦ C = 1.8mΩ. ULSB2 = UALSB −

√

3 ∗ 2.9V = 386.7V

(9.137)

Dit betekent dus een procentuele spanningsval van 1-382.2V/391.7V = 1.3% Zowel in het beste als het slechtste geval blijft de procentuele spanningsval onder de 3%. Voorlopig voldoet de installatie aan de norm. Bij aanloop De stroom van ALSB naar LSB2 bij aanloop van motor v4 (5kW) wordt berekend door de stroom naar v4 te berekenen op 7 ∗ IN en bij cosφ = 0.45. Verbruiker v3 is grotendeels onbekend, dus men gaat er in deze berekening vanuit dat er geen opstarteffecten zijn. De nominale stroom van V3 (verbruiker 50kW, η = onbekend, cosφ = 0.75) is: Iv1,nom = √

P = 96.2A 3U cosφ

(9.138)

Voor v4 (motor 5kW, η = 0.70, cosφ = 0.69) geldt: Iv4,nom = √

P = 14.9A 3U ηcosφ 124

(9.139)

De stroom bij aanloop is 7 keer groter dus: Iv4,aanloop = 7 ∗ Iv4,nom = 104.6A

(9.140)

LSB2 levert in bedrijf een nominale stroom van 103A bij cosφ = 0.77. Bij aanloop van v4 en normaal bedrijf van v3 bekomt men volgende totale stroom: Iv3 = Ib cosφ − jIb sinφ = 72.2 − j ∗ 63.6

(9.141)

Iv4,aanloop = Iaanloop cosφ − jIaanloop sinφ = 47.1 − j ∗ 93.4

(9.142)

It = ILSB2 + Iaanloop = 119.3 − j ∗ 157

(9.143)

Hieruit wordt de totale stroom en bijhorende cosφ bij aanloop bepaald: p Itot,LSB2 = 119.32 + 1572 = 197.2A −157 ) = 0.61 119.3 Nu kan de spanningsval over de kabel bij aanloop berekend worden. cosφtot,LSB2 = cos(Bgtg

(9.144) (9.145)

Beste geval ∆Ulijn,aanloop = b(R150◦ C cos(φ) + X150◦ C sin(φ))Itot,LSB2 ∗ 10−3 = 4.49V √ ULSB2 = UALSB − 3 ∗ 4.49V = 383.9V

(9.146) (9.147)

Dit betekent dus een procentuele spanningsval van 1-383.9V/391.1V = 2% Slechtste geval ∆Ulijn,aanloop = b(R150◦ C cos(φ) + X150◦ C sin(φ))Ib ∗ 10−3 = 1.6V √ √ ULSB2 = UALSB − 3 ∗ 1.6V = 391.7V − 3 ∗ 4.7 = 383.6V

(9.148) (9.149)

Dit betekent dus een procentuele spanningsval van 1-383.6V/391.7V = 2.1%

9.5.4

Spanningsval van LSB1 naar V1

In bedrijf De nominale stroom naar V1 bedraagt 33,4A bij een cosφ = 0.8. Beste geval ∆Ulijn,aanloop = b(R150◦ C cos(φ) + X150◦ C sin(φ))Ib ∗ 10−3 = 7.5V met R150◦ C = 280mΩ, X150◦ C = 1.35mΩ Uv1 = ULSB1,beste −

√

3 ∗ 29.8V = 370.2V

(9.150)

(9.151)

met ULSB1,beste,bedrijf = 382.2V Nu kan de procentuele kortsluitspanning van ALSB-V1 berekend worden in het beste geval: 370.2 U%,ALSB−V 1 = 1 − = 5.5% (9.152) 391.7 Hieruit blijkt dat de spanningsval bij aanloop te groot is om aan de norm te voldoen. Deze spanningsval mag maximaal 5% bedragen. 125

Slechtste geval ∆Ulijn,aanloop = b(R150◦ C cos(φ) + X150◦ C sin(φ))Ib ∗ 10−3 = 1.9V

(9.153)

met R150◦ C = 70mΩ, X150◦ C = 1.35mΩ √

Uv1 = ULSB1,slechtste −

3 ∗ 7.7V = 370.3V

(9.154)

met ULSB1,slechtste = 388.8V De procentuele kortsluitspanning van ALSB-V1 in het slechtste geval: 368.9 = 1.6% (9.155) U%,ALSB−V 1 = 1 − 391.7 In het slechtste geval zal deze spanning dus niet te laag zakken. Aanloop Bij de volgende berekeningen zullen de procentuele spanningsvallen van ALSB naar de verbruikers V1, V2 en V4 berekend worden. Deze spanningsvallen moeten onder de 10% blijven als de motoren aanlopen. De stroom door deze verbinding bij aanloop van V1(motor 15kW) is volgens (1.122) 234A, bij een cosφ = 0.45. Deze spanningsval is het gevolg: Beste geval ∆Ulijn,aanloop = b(R150◦ C cos(φ) + X150◦ C sin(φ))Ib ∗ 10−3 = 29.8V

(9.156)

met R150◦ C = 280mΩ, X150◦ C = 1.35mΩ Uv1 = ULSB1,beste −

√

3 ∗ 29.8V = 316.5V

(9.157)

Nu kan de procentuele kortsluitspanning van ALSB-V1 berekend worden in het beste geval: U%,ALSB−V 1 = 1 −

330.6 = 19.2% 391.7

(9.158)

Hieruit blijkt dat de spanningsval bij aanloop te groot is om aan de norm te voldoen! Deze spanningsval mag maximaal 10% bedragen. De doorsnede van de verbinding ALSB LSB1 zal dus vergroot moeten worden, zodat de impedantie kleiner wordt, en de procentuele spanningsval verkleint. Slechtste geval ∆Ulijn,aanloop = b(R150◦ C cos(φ) + X150◦ C sin(φ))Ib ∗ 10−3 = 7.7V

(9.159)

met R150◦ C = 70mΩ, X150◦ C = 1.35mΩ Uv1 = ULSB1,slechtste −

√

3 ∗ 7.7V = 370.3V

(9.160)

De procentuele kortsluitspanning van ALSB-V1 in het slechtste geval: U%,ALSB−V 1 = 1 −

368.9 = 5.5% 391.7

(9.161)

In het slechtste geval, dus met K = 0.51, zal de doorsnede van de geleiders ervoor zorgen dat de spanningsval beperkt blijft onder de 10%. 126

9.5.5

Spanningsval van LSB1 naar V2

In bedrijf Bij normale werking trekt v2 17A stroom met een cosφ = 0.67. Beste geval ∆Ulijn,aanloop = b(R150◦ C cos(φ) + X150◦ C sin(φ))Ib ∗ 10−3 = 3.2V

(9.162)

met R150◦ C = 280mΩ, X150◦ C = 1.35mΩ Uv1 = ULSB1,beste,bedrijf −

√

3 ∗ 3.2V = 376.6V

(9.163)

met ULSB1,beste,bedrijf = 382.2V Nu kan de procentuele kortsluitspanning van ALSB-V1 berekend worden in het beste geval: 376.6 = 3.8% 391.7

U%,ALSB−V 2 = 1 −

(9.164)

Hier voldoet de spanningsval aan de norm. Slechtste geval ∆Ulijn,aanloop = b(R150◦ C cos(φ) + X150◦ C sin(φ))Ib ∗ 10−3 = 0.81V

(9.165)

met R150◦ C = 70mΩ, X150◦ C = 1.35mΩ Uv1 = ULSB1,slechtste −

√

3 ∗ 0.81V = 387.4V

(9.166)

met ULSB1,slechtste = 388.8V De procentuele kortsluitspanning van ALSB-V1 in het slechtste geval: 387.4 U%,ALSB−V 2 = 1 − = 1.1% (9.167) 391.7 Aanloop De stroom door deze verbinding bij aanloop van V2(motor 7kW) is volgens (1.124) 118A, bij een cosφ = 0.45. Deze spanningsval is het gevolg: Beste geval ∆Ulijn,aanloop = b(R150◦ C cos(φ) + X150◦ C sin(φ))Ib ∗ 10−3 = 40V

(9.168)

met R150◦ C = 280mΩ, X150◦ C = 1.35mΩ Uv1 = ULSB1,beste −

√

3 ∗ 40V = 298.8V

(9.169)

Nu kan de procentuele kortsluitspanning van ALSB-V1 berekend worden in het beste geval: U%,ALSB−V 2 = 1 −

298.8 = 23.7% 391.7

(9.170)

Hier is de spanningsval ruim 2 keer zo groot als toegelaten! Deze verbinding LSB1-V2 moet dus een veel grotere doorsnede krijgen om aan de norm te voldoen. 127

Slechtste geval ∆Ulijn,aanloop = b(R150◦ C cos(φ) + X150◦ C sin(φ))Ib ∗ 10−3 = 24.2V

(9.171)

met R150◦ C = 70mΩ, X150◦ C = 1.35mΩ Uv1 = ULSB1,slechtste −

√

3 ∗ 24.2V = 340.2V

(9.172)

De procentuele kortsluitspanning van ALSB-V1 in het slechtste geval: U%,ALSB−V 1 = 1 −

368.9 = 12.7% 391.7

(9.173)

Bij de verbinding ALSB-V2 is de spanningsval zowel in het slechtste (K = 0.51) als in het beste geval (K = 1.15) te groot. Een grotere doorsnede is dus noodzakelijk.

9.5.6

Spanningsval van LSB2 naar v3

In bedrijf De nominale stroom naar deze verbruiker is 96,2A bij een cosφ = 0.75. Beste geval ∆Ulijn,aanloop = b(R150◦ C cos(φ) + X150◦ C sin(φ))Ib ∗ 10−3 = 1.5V

(9.174)

met R150◦ C = 19.6Ω, X150◦ C = 0.63mΩ Uv1 = ULSB2,beste,bedrijf −

√

3 ∗ 1.5V = 384.2V

(9.175)

met ULSB2,beste,bedrijf = 386.7V Nu kan de procentuele kortsluitspanning van ALSB-V4 berekend worden in het beste geval: U%,ALSB−V 3 = 1 −

384.2 = 1.9% 391.7

(9.176)

Dit resultaat voldoet aan de norm. Slechtste geval ∆Ulijn,aanloop = b(R150◦ C cos(φ) + X150◦ C sin(φ))Ib ∗ 10−3 = 0.3V

(9.177)

met R150◦ C = 3.9mΩ, X150◦ C = 0.81mΩ Uv1 = ULSB2,slechtste −

√

3 ∗ 0.3V = 389.4V

(9.178)

met ULSB2,slechtste = 390V De procentuele kortsluitspanning van ALSB-V4 in het slechtste geval: 389.4 U%,ALSB−V 3 = 1 − = 0.6% (9.179) 391.7

128

Aanloop Deze verbruiker is geen motor, en veroorzaakt dus geen opstarteffecten zoals bij de andere verbruikers. Wat echter wel van belang is, is de spanningsval die van ALSB naar V3 gaat als de motor V4, die ook op LSB2 aangesloten is, aan het aanlopen is. Dit zal een effect hebben op de spanning op LSB2, en dus ook op de totale spanningsval ALSB-V3. V3 heeft volgens (1.138) een nominale stroom van 96.2A bij een cosφ = 0.75. Beste geval ∆Ulijn,aanloop = b(R150◦ C cos(φ) + X150◦ C sin(φ))Ib ∗ 10−3 = 1.5V

(9.180)

met R150◦ C = 19.6Ω, X150◦ C = 0.63mΩ Uv1 = ULSB2,beste −

√

3 ∗ 1.5V = 381.4V

(9.181)

Nu kan de procentuele kortsluitspanning van ALSB-V4 berekend worden in het beste geval: U%,ALSB−V 3 = 1 −

330.6 = 2.6% 391.7

(9.182)

Dit resultaat is de procentuele spanningsval vanaf het ALSB naar verbruiker V3, wanneer V4 aanloopt en in de beste omstandigheden (K = 1.15). Men voldoet hier aan de norm. Slechtste geval ∆Ulijn,aanloop = b(R150◦ C cos(φ) + X150◦ C sin(φ))Ib ∗ 10−3 = 0.3V

(9.183)

met R150◦ C = 3.9mΩ, X150◦ C = 0.81mΩ Uv1 = ULSB1,slechtste −

√

3 ∗ 0.3V = 383V

(9.184)

De procentuele kortsluitspanning van ALSB-V4 in het slechtste geval: U%,ALSB−V 3 = 1 −

368.9 = 2.2% 391.7

(9.185)

Dit resultaat is de procentuele spanningsval vanaf het ALSB naar verbruiker V3, wanneer V4 aanloopt en in de slechtste omstandigheden (K = 0.51). Men voldoet ook hier aan de norm.

9.5.7

Spanningsval van LSB2 naar v4

In bedrijf V4 trek in bedrijf 15A vanuit het LSB2. Dit bij een cosφ = 0.69. Beste geval ∆Ulijn,aanloop = b(R150◦ C cos(φ) + X150◦ C sin(φ))Ib ∗ 10−3 = 1.7V

(9.186)

met R150◦ C = 168mΩ, X150◦ C = 0.81mΩ Uv1 = ULSB2,beste,bedrijf − 129

√

3 ∗ 8V = 383.6V

(9.187)

met ULSB2,beste,bedrijf = 386.7V Nu kan de procentuele kortsluitspanning van ALSB-V4 berekend worden in het beste geval: 383.6 = 2.0% 391.7

U%,ALSB−V 4 = 1 −

(9.188)

V4 voldoet in bedrijf aan de norm. Slechtste geval ∆Ulijn,aanloop = b(R150◦ C cos(φ) + X150◦ C sin(φ))Ib ∗ 10−3 = 1.7V met R150◦ C = 168mΩ, X150◦ C = 0.81mΩ Uv1 = ULSB1,slechtste −

√

3 ∗ 8V = 387V

(9.189)

(9.190)

met ULSB2,slechtste = 390V De procentuele kortsluitspanning van ALSB-V4 in het slechtste geval: 387 U%,ALSB−V 4 = 1 − = 1.2% (9.191) 391.7 Aanloop De stroom door deze verbinding bij aanloop van V4(motor 5kW) is volgens (1.140) 104.6A, bij een cosφ = 0.45. Deze spanningsval is het gevolg: Beste geval ∆Ulijn,aanloop = b(R150◦ C cos(φ) + X150◦ C sin(φ))Ib ∗ 10−3 = 8V met R150◦ C = 168mΩ, X150◦ C = 0.81mΩ Uv1 = ULSB2,beste −

√

3 ∗ 8V = 370V

(9.192)

(9.193)

Nu kan de procentuele kortsluitspanning van ALSB-V4 berekend worden in het beste geval: U%,ALSB−V 1 = 1 −

330.6 = 5.5% 391.7

(9.194)

Slechtste geval ∆Ulijn,aanloop = b(R150◦ C cos(φ) + X150◦ C sin(φ))Ib ∗ 10−3 = 8V met R150◦ C = 168mΩ, X150◦ C = 0.81mΩ Uv1 = ULSB1,slechtste −

√

3 ∗ 8V = 369.7V

(9.195)

(9.196)

De procentuele kortsluitspanning van ALSB-V4 in het slechtste geval: 368.9 = 5.6% (9.197) 391.7 Merk op dat de ∆Ulijn,aanloop voor beste en slechtste geval exact dezelfde is, aangezien in beide gevallen dezelfde kabel gebruikt wordt. De verbinding ALSB-LSB2 is echter wel verschillend voor slechtste en beste omstandigheden, waardoor de totale spanningsval ALSBV4 toch afhankelijk is van de omstandigheden. In elk geval blijft de spanningsval onder de grens van de 10%. U%,ALSB−V 1 = 1 −

130

9.6

Besluit van de eerste berekening

Uit de voorgaande berekeningen kan besloten worden dat in de verste punten van de installatie (verbruiker 1 en 2) er een probleem optreedt. De procentuele spanningsval van ALSB naar Verbruiker 1 wordt bij aanloop, en in het beste isolatiegeval (waarbij de kabelsectie het kleinst is), 19.2%. De spanningsval van ALSB naar Verbruiker 2 wordt bij aanloop in het beste isolatiegeval 23.7%, en dus ook veel groter dan de norm dit toelaat. Deze problemen kunnen opgelost worden door de kabelsecties van de verbindingen te vergroten, zodat de spanningsval verkleint. De impedantie van de kabels, de minimale en maximale kortsluitstroom moeten hierdoor ook opnieuw berekend worden. De verbindingen LSB1-V1 en LSB2-LSB3-V1 moeten aangepast worden.

9.7 9.7.1

Herberekening LSB1-V1

Slechtste omstandigheden Volgens vergelijking 1.60 is de bedrijfsstroom van LSB1-V1 gelijk aan 33A. In de slechtste omstandigheden wordt de Iz0 = 65A. Hierbij hoort een sectie van 6mm2 . We vergroten deze doorsnede nu naar 16mm2 voor de fasegeleider (en dus ook de PE-geleider), en omwille van de slechte harmonischen wordt de doorsnede van de nulgeleider 1.73 keer groter dan fasegeleider, dus 35mm2 . Nu wordt de impedantie opnieuw berekend: Rf,P E,20◦ C =

ρ20◦ C ∗ L = 17.34mΩ S

(9.198)

met S = 6mm2 ρ150◦ C ∗ L = 26.25mΩ (9.199) S De reactantie van deze geleiders wordt niet be¨ınvloed door de doorsnede, en zal dus onveranderd blijven (=1.35mΩ) De neuter heeft de volgende impedanties bij een doorsnede van 35mm2 : Rf,P E,150◦ C =

RN,20◦ C =

ρ20◦ C ∗ L = 7.9mΩ S

ρ150◦ C ∗ L = 12mΩ S Nu herberekenen we de minimale kortsluitstroom voor deze verbinding: RN,150◦ C =

Icc,min,150◦ C =

m ∗ n ∗ Uf ase = 3223A Zf out

(9.200) (9.201)

(9.202)

met m = 1.05, n = 1.05, U = 230V en Z = de herberekende impedantie van de foutlus (=71.19mΩ) Het herberekenen van de spanningsval is hier onnodig, aangezien deze al aan de norm voldeed bij de vorige waarde voor de doorsnede.

131

Beste omstandigheden Van LSB1-V1 gaat er in de beste omstandigheden een fictieve stroom Iz0 = 29A bij een doorsnede van 1.5mm2 . De doorsnede verhogen we naar 6mm2 . De nulgeleider is in deze omstandigheden even dik als de fasegeleider. We herberekenen de Ohmse weerstanden: RN,f,P E,20◦ C =

ρ20◦ C ∗ L = 46.3mΩ S

ρ150◦ C ∗ L = 70mΩ S Men herberekent nu de minimale kortsluitstroom voor v1 in het beste geval: RN,f,P E,150◦ C =

Icc,min,150◦ C =

m ∗ n ∗ Uf ase = 877A Zf out

(9.203) (9.204)

(9.205)

met m = 1.05, n = 1.05, U = 230V en Z = de herberekende impedantie (=261.7mΩ) De spanningsval moet opnieuw berekend worden (enkel in het beste geval, want in het slechtste isolatiegeval was deze spanningsval binnen de normen.) ∆Ulijn,aanloop = b(R150◦ C cos(φ) + X150◦ C sin(φ))Ib ∗ 10−3 = 7.65V met R150◦ C = 105mΩ, X150◦ C = 1.35mΩ en Ib = 234A √ Uv1 = ULSB1,beste − 3 ∗ 11.3V = 354.8V

(9.206)

(9.207)

met ULSB1,beste = 368.1V Nu kan de procentuele kortsluitspanning van ALSB-V1 berekend worden in het beste geval: U%,ALSB−V 1 = 1 −

354.8 = 9.4% 391.7

(9.208)

Met een doorsnede van 6mm2 zal de spanningsval van ALSB-V1 net niet onder de 10% duiken als beide motoren (v1 en v2) tegelijk aanlopen.

9.7.2

LSB1-LSB3-V2

De doorsnede van deze verbinding moet zeer sterk vergroot worden, aangezien de spanningsval zowel in beste als slechtste omstandigheden boven de 10% gaat bij aanloop. Slechtste omstandigheden Iz0 = 33A in deze verbinding. We kiezen hierbij niet voor een sectie van 2.5mm2 , maar vergroten deze tot 16mm2 . Bijhorend zal de nulgeleidersectie tot 35mm2 stijgen. De beschermingsgeleider heeft dezelfde doorsnede als de fasegeleider. ρ20◦ C ∗ L = 46.3mΩ S met L = lengte van de geleider = 30m + 10m = 40m Rf,P E,20◦ C =

Xf,P E,20en150◦ C = 0.09 ∗ L = 3.6mΩ

132

(9.209)

(9.210)

Rf,P E,150◦ C =

ρ150◦ C ∗ L = 70mΩ S

(9.211)

Voor de neuter geldt: RN,20◦ C =

ρ20◦ C ∗ L = 21.1mΩ S

(9.212)

met L = lengte van de geleider = 40m XN,20en150◦ C = 0.09 ∗ L = 3.6mΩ

(9.213)

ρ150◦ C ∗ L = 32mΩ (9.214) S Op basis hiervan herberekent men de maximale kortsluitstroom van automaat E en lastscheider II, de minimale kortsluitstromen voor LSB1-LSB3 en voor V2. Daarna wordt ook de spanningsval herberekend. RN,150◦ C =

Icc,max,E,II =

m ∗ n ∗ Uf ase = 3288A Zf out

(9.215)

met m = 1.05, n = 1.05, U = 230V, en Zf out = 77.13mΩ Icc,min,LSB1−V 2 =

m ∗ n ∗ Uf ase = 1497A Zf out

(9.216)

met m = 0.95, n = 1.05, U = 230V, en Zf out = 153.3mΩ Icc,min,LSB1−LSB3 =

m ∗ n ∗ Uf ase = 1795A Zf out

(9.217)

met m = 0.95, n = 1.05, U = 230V, en Zf out = 127.8mΩ Nu berekenen we de spanningsval van ALSB - V2. ∆Ulijn,aanloop = b(R150◦ C cos(φ) + X150◦ C sin(φ))Ib ∗ 10−3 = 4.1V met R150◦ C = 70mΩ, X150◦ C = 3.6mΩ en Ib = 118A √ Uv1 = ULSB1,slechtste − 3 ∗ 4.1V = 376.5V

(9.218)

(9.219)

met ULSB1,slechtste = 383.6V Nu kan de procentuele kortsluitspanning van ALSB-V1 berekend worden in het beste geval: U%,ALSB−V 2 = 1 −

354.8 = 3.8% 391.7

(9.220)

Bij de vorige doorsnede was deze spanningsval 12.7%. Nu is dit probleem opgelost.

133

Beste omstandigheden Iz0 = 15A in deze verbinding. We kiezen hierbij niet voor een sectie van 1.5mm2 , maar vergroten deze (zoals bij de slechtste omstandigheden) tot 16mm2 . Bijhorend zal de nulgeleidersectie tot 35mm2 stijgen. De beschermingsgeleider heeft dezelfde doorsnede als de fasegeleider. ρ20◦ C ∗ L = 46.3mΩ S met L = lengte van de geleider = 30m + 10m = 40m Rf,P E,20◦ C =

Xf,P E,20en150◦ C = 0.09 ∗ L = 3.6mΩ Rf,P E,150◦ C =

ρ150◦ C ∗ L = 70mΩ S

(9.221)

(9.222) (9.223)

Voor de neuter geldt: RN,20◦ C =

ρ20◦ C ∗ L = 21.1mΩ S

(9.224)

met L = lengte van de geleider = 40m XN,20en150◦ C = 0.09 ∗ L = 3.6mΩ

(9.225)

ρ150◦ C ∗ L = 32mΩ (9.226) S Opnieuw moeten de kortsluitstromen en spanningsvallen in deze tak herberekend worden, om lastscheider II en automaat E te kunnen dimensioneren. RN,150◦ C =

m ∗ n ∗ Uf ase = 2666A Zf out met m = 1.05, n = 1.05, U = 230V, en Zf out = 95.1mΩ Icc,max,E,II =

m ∗ n ∗ Uf ase = 1024A Zf out met m = 0.95, n = 1.05, U = 230V, en Zf out = 224mΩ Icc,min,LSB1−V 2 =

m ∗ n ∗ Uf ase = 1156A Zf out met m = 0.95, n = 1.05, U = 230V, en Zf out = 198mΩ Nu berekenen we opnieuw de spanningsval van ALSB - V2. Icc,min,LSB1−LSB3 =

∆Ulijn,aanloop = b(R150◦ C cos(φ) + X150◦ C sin(φ))Ib ∗ 10−3 = 4.1V met R150◦ C = 70mΩ, X150◦ C = 3.6mΩ en Ib = 118A √ Uv1 = ULSB1,beste − 3 ∗ 4.1V = 361V

(9.227)

(9.228)

(9.229)

(9.230)

(9.231)

met ULSB1,beste = 368.1V Nu kan de procentuele kortsluitspanning van ALSB-V2 berekend worden in het beste geval: 361 = 7.8% (9.232) 391.7 Bij de vorige doorsnede was deze spanningsval 23.7%. Nu is dit probleem opgelost. U%,ALSB−V 2 = 1 −

134

9.8

Overzicht na herberekening

In de volgende twee tabellen wordt er per automaat of lastscheider weergegeven wat de nominale stroom is die erdoor moet, en welke de minimale en maximale kortsluitstromen zijn die erdoor kunnen stromen.

9.8.1

Slechtste omstandigheden: K = 0.51

Tabel 9.7: Overzicht belangrijkste stromen per automaat/lastscheider in slechtste omstandigheden Automaat Ibedrijf (A) Icc,max (A) Icc,min (A) A 361 8541 7170 B 144 8362 4488 C 33 6518 3223 D 17 6518 1795 E 17 3288 1497 F 103 8362 4857 G 96 6684 4162 H 15 6684 546 I 144 6518 II 17 3288 III 103 6684

9.8.2

Beste omstandigheden: K = 1.15

Tabel 9.8: Overzicht belangrijkste stromen per automaat/lastscheider in beste omstandigheden Automaat Ibedrijf (A) Icc,max (A) Icc,min (A) A 361 8541 7170 B 144 8362 1884 C 33 4216 877 D 17 4216 1156 E 17 2666 1024 F 103 8362 2250 G 96 4738 1625 H 15 4738 524 I 144 4216 II 17 2666 III 103 4738 Op basis van deze gegevens kan men de automaten gaan dimensioneren.

135

9.9

Beveiligen van de laagspanningsinstallatie in slechtste omstandigheden

Elk onderdeel van de laagspanningsinstallatie moet beveiligd zijn tegen overbelasting en kortsluiting. Dit houdt in dat: 1. Elke kortsluiting (minimaal of maximaal) moet magnetisch onderbroken worden. (a) Icc,min > Im (b) Icc,max < Icu 2. Elke automaat heeft een bepaalde IN , en bij elke automaat past een losser. Als er slechts ´e´en type losser beschikbaar is per automaat, is de IN van de losser dezelfde als die van de automaat. Indien er meerdere types beschikbaar zijn, is de IN (die bovendien vaak instelbaar is) van de losser bepalend voor de triggerwaarden voor de automaat. Per automaat is er ook een Inf = 1.05Ir en een If = 1.3Ir gegeven. Bij deze stromen moet de automaat respectievelijk n´a en v´o´or de conventionele uitschakeltijd uitschakelen. Deze conventionele uitschakeltijd bedraagt: (a) tconv = 1u als IN ≤ 63A (b) tconv = 2u als IN > 63A Omdat deze grenzen niet altijd even duidelijk afleesbaar zijn, past men volgende methode toe: (a) Bereken eerst

1.45Iz Ir

(b) Als deze berekende waarde groter is als 1.3, dan is de leiding voldoende beschermd (c) Indien de berekende waarde kleiner is als 1.3, zal de beveiliging niet snel genoeg uitschakelen, wat beschadiging van de leiding als gevolg kan hebben. 3. De isolatie rond de kabel moet voldoende bestand zijn tegen de opwarming als gevolg van een kortsluiting. Men berekent hiertoe de maximale uitschakeltijd voor een automaat om een kabel te beschermen. I 2 t ≤ k 2 s2

(9.233)

met k = een constante van het isolatiemateriaal (=143) en s = de doorsnede van de kabel (mm2 ) Hieruit volgt dat de beveiliging binnen de tijd t: t=

k 2 s2 2 Icc,max

De Iz -waarde wordt bepaald uit volgende figuur (volgens IEC 60364):

136

(9.234)

Figuur 9.17: Maximale toegelaten stroom door een kabel

De automaten moeten dus voldoen aan deze voorwaarden, en ervoor zorgen dat de kabels beschermd blijven. De lastscheiders moeten enkel in staat zijn om de maximale kortsluitstroom kortstondig te verdragen. Automaat A Voor automaat A geldt: Ib = 361A, Icc,max = 8541A, Icc,min = 7170A. Hierdoor is de conventionele uitschakeltijd 2u (7200s). Hieruit leidt men af dat Iz = 366A en dat 1.45Iz = 530.7A boven de If moet liggen. Daarom kiest men voor de automaat NSX400N met losser Micrologic 2.3. Deze automaat heeft een IN = 400A en een kortsluitvermogen Icu = 50kA. De Ir van de losser is instelbaar tussen 0.9...1 ∗ I0 met I0 = 400A. Als men dus de lange vertraging L instelt op 0.92, is Ir = 368A. Bij deze waarde zullen de conventionele uitschakeltijden gerespecteerd worden. Als men de korte vertraging instelt op 10, is de Isd = 10Ir = 3680A wat ervoor zorgt dat ook de minimale kortsluitstroom zeker magnetisch onderbroken zal worden.

137

Figuur 9.18: Automaat A

Automaat B Voor automaat B geldt: Ib = 144A, Icc,max = 8362A, Icc,min = 4488A. Deze verbinding heeft een doorsnede van 95mm2 waarbij een Iz = 298A hoort. Kies de automaat NSX 160 F met bijhorende losser TM 160 D. Als we de Ir = 0.8IN instellen zal de leiding voldoende beschermd zijn. 1.45Iz = 432.1A

(9.235)

432.1A = 3.38 > 1.3 → OK 0.8 ∗ 160A

(9.236)

Figuur 9.19: Automaat B

138

Voor de isolatie moet gelden dat de automaat uitschakelt binnen: t=

1432 ∗ 952 = 2, 6s 83622

(9.237)

om te voorkomen dat deze beschadigd geraakt. Bij deze stroom schakelt de automaat in minder van 0.01s uit, dus aan deze voorwaarde is voldaan. Automaat C Voor automaat C geldt: Ib = 33A, Icc,max = 6518A, Icc,min = 3223A. Deze verbinding heeft een doorsnede van 16mm2 waarbij een Iz = 100A hoort. Kies een automaat met IN = 40A, in dit geval een IC 60 L met uitschakelcurve B. Hieruit volgt dat IN = Ir = 40A. De geleider is hiermee voldoende beschermd, en de conventionele uitschakelgrenzen zijn voldaan. De automaat zal zeker binnen het uur uitschakelen bij een stroom van 1.3Ir = 52A. 1.45Iz = 145A

(9.238)

145A = 3.625 > 1.3 → OK 40A

(9.239)

Figuur 9.20: Automaat C

Voor de isolatie moet gelden dat de automaat uitschakelt binnen: t=

1432 ∗ 162 = 0.12s 65182

(9.240)

om te voorkomen dat deze beschadigd geraakt. Bij deze stroom schakelt de automaat in minder van 0.01s uit, dus aan deze voorwaarde is voldaan.

139

Automaat D Voor automaat D geldt: Ib = 17A, Icc,max = 6518A, Icc,min = 1795A. Deze verbinding heeft een doorsnede van 16mm2 waarbij een Iz = 100A hoort. Men opteert voor automaat IC 60 L K- 20A. Hieruit volgt dat IN = Ir = 20A. De leiding is hiermee voldoende beschermd: 1.45Iz = 145A (9.241) 145A = 7.25 > 1.3 → OK (9.242) 20A Op de uitschakelcurve valt af te lezen dat de grenzen voor conventionele uitschakeltijd (1u) ook gecontroleerd zijn. Inf = 1.05 ∗ 20A = 21A → tuitschakel = 4000s

(9.243)

If = 1.3 ∗ 20A = 26A → tuitschakel = 2000s

(9.244)

Figuur 9.21: Automaat D

Voor de isolatie moet gelden dat de automaat uitschakelt binnen: 1432 ∗ 162 = 0.12s (9.245) 65182 om te voorkomen dat deze beschadigd geraakt. Bij deze stroom schakelt de automaat in minder van 0.01s uit, dus deze voorwaarde is voldaan. t=

Automaat E Voor automaat E geldt: Ib = 17A, Icc,max = 3288A, Icc,min = 1497A. Deze verbinding heeft een doorsnede van 16mm2 waarbij een Iz = 100A hoort. Hier is het mogelijk om dezelfde als automaat D te kiezen, aangezien enkel de kortsluitstromen veranderen, en deze vallen nog steeds binnen de grenzen voor de automaat IC60L K -20A. Aangezien de maximale kortsluitstroom kleiner geworden is, zal deze ook langer verdragen kunnen worden door de isolatie. De automaat schakelt ook een kortsluitstroom van 3288A binnen de 0.01s uit, dus deze voorwaarde is ook gecontroleerd. 140

Automaat F Voor automaat F geldt: Ib = 103A, Icc,max = 8362A, Icc,min = 4857A. Deze verbinding heeft een doorsnede van 50mm2 waarbij een Iz = 192A hoort. Kies voor NSX160F met losser TM160D, en stel de losser in op Ir = 0.7IN = 112A. 1.45Iz = 278.4A

(9.246)

278.4A = 2.48 > 1.3 → OK (9.247) 112A Op de uitschakelcurve valt af te lezen dat de grenzen voor conventionele uitschakeltijd (2u) ook gecontroleerd zijn. Inf = 1.05 ∗ 112A = 117.6A → tuitschakel = 9000s

(9.248)

If = 1.3 ∗ 112A = 145.6A → tuitschakel = 5000s

(9.249)

Figuur 9.22: Automaat F

Voor de isolatie moet gelden dat de automaat uitschakelt binnen: t=

1432 ∗ 502 = 0.73s 83622

(9.250)

om te voorkomen dat deze beschadigd geraakt. Bij deze stroom schakelt de automaat in minder van 0.01s uit, dus aan deze voorwaarde is voldaan. Automaat G Voor automaat G geldt: Ib = 96A, Icc,max = 6684A, Icc,min = 4162A. Deze verbinding heeft een doorsnede van 50mm2 waarbij een Iz = 192A hoort. Kies voor NSX100F met losser TM100D, en stel de losser in op Ir = 0.7IN = 70A. 1.45Iz = 278.4A 141

(9.251)

278.4A = 3.97 > 1.3 → OK (9.252) 70A Op de uitschakelcurve valt af te lezen dat de grenzen voor conventionele uitschakeltijd (2u) ook gecontroleerd zijn. Inf = 1.05 ∗ 70A = 73.5A → tuitschakel = 8000s

(9.253)

If = 1.3 ∗ 70A = 91A → tuitschakel = 5000s

(9.254)

Figuur 9.23: Automaat G

Voor de isolatie moet gelden dat de automaat uitschakelt binnen: t=

1432 ∗ 502 = 1.14s 66842

(9.255)

om te voorkomen dat deze beschadigd geraakt. Bij deze stroom schakelt de automaat in minder van 0.01s uit, dus aan deze voorwaarde is voldaan. Automaat H Voor automaat H geldt: Ib = 15A, Icc,max = 6684A, Icc,min = 546A. Deze verbinding heeft een doorsnede van 1.5mm2 waarbij een Iz = 23A hoort. Men kiest hier voor de IC 60 L K16A. Bij deze automaat is Ir = IN = 16A. 1.45Iz = 33.35AA

(9.256)

33.35A = 1.96 > 1.3 → OK (9.257) 16A Op de uitschakelcurve valt af te lezen dat de grenzen voor conventionele uitschakeltijd (1u) ook gecontroleerd zijn. Inf = 1.05 ∗ 16A = 16.8A → tuitschakel = 7000s 142

(9.258)

If = 1.3 ∗ 16A = 20.8A → tuitschakel = 3000s

(9.259)

Figuur 9.24: Automaat H

Lastscheider I Voor lastscheider I geldt: Ib = 144A, Icc,max = 6518A. Men kiest een INS250-160 met een conventionele thermische stroom van 160A en een sluitingsvermogen voor kortsluiting van 330kA. Lastscheider II Voor lastscheider II geldt: Ib = 17A, Icc,max = 3288A. Kies voor een INS250-100. Deze heeft een conventionele thermische stroom van 100A en een sluitingsvermogen voor kortsluiting van 330kA. Lastscheider III Voor lastscheider III geldt: Ib = 103A, Icc,max = 6684A. Kies voor een INS250-160. Deze heeft een conventionele thermische stroom van 160A en een sluitingsvermogen voor kortsluiting van 330kA.

143

Hoofdstuk 10

Besluit In de realisatie van dit project werd vanaf nul begonnen, met een wit blad en een balpen. De eerste grote stap was het bedenken van een concept, dat in voldoende mate flexibel was en tegelijk haalbaar op vlak van uitwerking en kostprijs. Dit bleek al snel een grote (misschien wel de grootste) uitdaging van de masterproef te zijn. Uit een hele resem aan mogelijkheden en mechanische systemen moest een keuze gemaakt worden voor het ontwerp, en dat ontwerp zou dan later beslissend zijn voor de programmatorische, en elektrische uitwerking van het project. Allerlei pistes zijn afgetast, gaande van katrolsystemen vergelijkbaar met kabelbanen, loopbanden met kettingen die een verstelbare steek hadden, tot 3D-geprinte houders die met een robot op een geperforeerde band gemonteerd werden. Na heel wat bedenkingen is er toch een concept uit voortgekomen, dat relatief simpel, en tegelijk realistisch en voldoende flexibel was. Dit was het concept met de met veerkracht vastgeklemde meenemers op een transportband. Een servomotor regelt de positie van een transportband waarop plaatjes met variabele onderlinge afstand geplaatst zijn. Deze plaatjes kunnen worden losgemaakt door twee pneumatische cilinders aan te sturen. De volgende stap in het proces was het bedachte concept in detail uittekenen. Bij Intrion zelf wordt er op de afdeling Mechanica gebruik gemaakt van de software Creo-Elements van PTC, die mij voordien volledig onbekend was en waarmee ik mezelf vertrouwd moest maken om hiermee aan de slag te kunnen gaan. Nadat dit 3D-ontwerp afgewerkt was, moesten er nog enkele aanpassingen aan gebeuren om de kostprijs te drukken, en zodat de maakstukken allemaal in het bedrijf zelf gemaakt zouden kunnen worden (CNC-machines en draai- en freesbanken kunnen slechts stukken maken van beperkte afmetingen). Uit het recuperatiemagazijn werden onderdelen (bv. lagers, spanlatten, sensoren en cilinders) gevonden die gebruikt konden worden in het ontwerp. Na vele revisies konden uit het ontwerp de 2D-tekeningen gegenereerd worden. De onderdelen die nog gemaakt moesten worden, zijn bij het schrijven van deze thesis in productie, en zouden begin juni 2014 klaar moeten zijn. De transportband en de riemschijven die gebruikt werden in het concept, zijn ook een aantal keer aan een revisie onderworpen, omwille van de kostprijs of een te lange levertermijn. Uiteindelijk wordt de bestelling voor de AT10-riem en bijhorende riemschijven met een levertermijn van minstens 8 weken verwacht om in het midden van juni 2014 aan te komen bij Intrion. Dit is dan ook de reden waarom de machine op het moment dat de thesis ingediend moet worden, nog niet effectief gebouwd is. Na het mechanisch ontwerp was de volgende grote stap het schrijven van de software waarop de machine zal draaien. Het programmeren van de PLC beschouw ikzelf dus als het tweede grote onderdeel van deze thesis. Om de machine zo betrouwbaar

144

mogelijk te maken, moest een PLC-programma geschreven worden dat leesbaar en gestructureerd opgebouwd is. Het programma is vaak gesimuleerd en getest en bevat nu een mooie structuur die robuust en gemakkelijk te bedienen is. De logica voor het aanpassen van de machine en de communicatie tussen de PLC en de servodriver is verduidelijkt in de thesis, en het programma is bijgevoegd op CD-ROM en voorzien van voldoende commentaar. Naast deze twee grote pijlers (het mechanisch ontwerp en het PLC-programma) moest ook aandacht besteed worden aan het elektrisch ontwerp (e-plan schema’s, vermogensberekening, motorkeuze, kostprijsberekening...) en werden er in opdracht van meneer Tim Saill´e ook enkele randopdrachten uitgevoerd (de laagspanningsberekening en de handleiding voor het besturen van een frequentieregelaar met een PLC) die het eindwerk een uitbreidende meerwaarde bieden. De effectieve bouw en montage van de machine wordt waarschijnlijk in de zomervakantie van 2014 uitgevoerd als vakantiewerk, zodat deze machine voor Intrion ook een nuttige meerwaarde kan betekenen.

145

Lijst van figuren 1.1

Bestaande Industri¨ele Collator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10

Festo Lineaire deltarobot . . ABB Flexpicker . . . . . . . . Robotarm ABB IRB 6640 . . Intrion Deltarobot Flexpicker Racetrack . . . . . . . . . . . Streamfeeder . . . . . . . . . Beckhoff XTS . . . . . . . . . SupraLinearMotion Festo . . SupraHandling Festo . . . . . SupraPicker Festo . . . . . .

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

11 11 12 13 13 14 15 16 16 17

Racetrack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Motorcurven (groen = servomotor, rood = asychrone Regellus Servomotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . Profibus-PA in risicozone 0 . . . . . . . . . . . . . . Redundantie-concepten bij Profibus . . . . . . . . . Profibuskabel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . motor) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

18 19 20 21 22 22

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16

Concept Kliksysteem . . . . . . . . Concept Kliksysteem 2 . . . . . . . Concept wielblokkering . . . . . . . Concept Kogel . . . . . . . . . . . Concept met kabel en tandwielen . Concept met kabel en tandwielen 2 Concept met ketting . . . . . . . . Concept met ketting - meenemer . Concept met ketting - kettingstuk ATP10 - profiel . . . . . . . . . . . Meenemers . . . . . . . . . . . . . Geleidingsplaat . . . . . . . . . . . Spanlatten . . . . . . . . . . . . . . AT10 type riem . . . . . . . . . . . volledige definitieve ontwerp . . . . Zijaanzicht assemblage . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

25 25 25 26 26 27 27 28 28 29 29 30 30 32 32 33

5.1

Mechanische onderdelen voor vermogensberekening . . . . . . . . . . . . . . . 34

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

146

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

9

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11 5.12 5.13 5.14 5.15 5.16 5.17 5.18 5.19 5.20 5.21 5.22 5.23 5.24 5.25

Equivalent mechanisch systeem . . . . . . . . . new mechanical system . . . . . . . . . . . . . . types mechanical systems . . . . . . . . . . . . Mechanische gegevens invoeren . . . . . . . . . snelheidsprofielen . . . . . . . . . . . . . . . . . tijdsverloop snelheid- en versnellingsprofielen . Selectie drive system . . . . . . . . . . . . . . . Selectie van de motor . . . . . . . . . . . . . . . mechanische eigenschappen zonder reductiekast Motorcurve zonder reductiekast . . . . . . . . . Motorcurve bij tandwielverhouding 10 . . . . . Motorcurve bij tandwielverhouding 20 . . . . . Motorkeuze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Motordata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Snelheidsprofiel zonder pauze . . . . . . . . . . Motorcurve zonder pauze . . . . . . . . . . . . Keuze van de power unit . . . . . . . . . . . . . Extra remweerstand . . . . . . . . . . . . . . . Overzicht power unit . . . . . . . . . . . . . . . Kabelselectie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Encoderselectie . . . . . . . . . . . . . . . . . . System Components . . . . . . . . . . . . . . . Control Unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Drive-Cliq . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35 38 38 39 40 40 41 42 43 44 45 46 46 47 47 48 49 49 50 51 52 52 53 54

7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 7.10 7.11 7.12 7.13 7.14 7.15 7.16 7.17 7.18 7.19 7.20 7.21 7.22 7.23

Overzicht van de communicatie tussen de componenten principeschets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Maximale spreiding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . minimale spreiding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FB202 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Normaal bedrijf + positieopname . . . . . . . . . . . . . Subprogramma’s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Netwerkvoorstelling vanuit PLC . . . . . . . . . . . . . . Overzicht PLCprogramma . . . . . . . . . . . . . . . . . FB6 variabelen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FB6 netwerk 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FB6 netwerk 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FB6 netwerk 13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FB6 noodstop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FB6 bevestig noodstop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FB6 ga positie x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FB6 start pos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FB6 Positie OK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FB2 netwerk 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FB2 netwerk 2 en 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FB2 netwerk 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FC5 netwerk 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FC5 netwerk3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

57 58 59 59 60 62 63 64 64 67 68 69 70 71 72 73 73 74 75 76 77 78 78

147

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7.24 7.25 7.26 7.27 7.28 7.29 7.30 7.31 7.32 7.33 7.34 7.35 7.36 7.37

FC5 netwerk 5 . . . . . . . . . . Detectie plaatjes . . . . . . . . . FC4 netwerk 1 . . . . . . . . . . FC4 netwerk 2 . . . . . . . . . . FC4 netwerk 4 . . . . . . . . . . FC4 netwerk 6 . . . . . . . . . . FC4 netwerk 16 . . . . . . . . . . FC3 netwerk 1 . . . . . . . . . . FC3 netwerk 15 . . . . . . . . . . Data Block 2 - Gewenste Posities FC8 netwerk 1 . . . . . . . . . . FC2 netwerk 1 . . . . . . . . . . FC2 netwerk 2 . . . . . . . . . . PLCSIM . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

79 80 80 81 81 82 82 83 84 84 85 85 86 87

8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8

Voedingsschema 1 . Voedingsschema 2 . Profibusnetwerk . . . PLC-ingangskaart 1 PLC-ingangskaart 2 PLC-uitgangskaart . Vermogensschema . Stuurschema . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

89 90 91 92 93 94 95 96

9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8 9.9 9.10 9.11 9.12 9.13 9.14 9.15 9.16 9.17 9.18 9.19 9.20 9.21 9.22 9.23 9.24

Opgave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verschillende elektrische vermogens . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transformatorgegevens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Handleiding Schneider impedanties . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transfo-ALSB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . BTV-vademecum doorsnede rails . . . . . . . . . . . . . . . . . . . K correctiefactoren 1, 2 en 3 vanuit Schneider handleiding p.62 . . Effect van harmonischen op nulgeleiderdoorsnede - Schneider p.63 Genormeerde minimale kabelsecties - Schneider p.65 . . . . . . . . ALSB-LSB1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verbinding ALSB-LSB2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verbinding LSB1 - V1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verbinding LSB1-V2 via LSB3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verbinding LSB2-V3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verbinding LSB2 - V4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Maximale spanningsval . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Maximale toegelaten stroom door een kabel . . . . . . . . . . . . . Automaat A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Automaat B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Automaat C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Automaat D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Automaat F . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Automaat G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Automaat H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

98 100 101 102 103 104 106 107 108 108 110 112 114 115 117 121 137 138 138 139 140 141 142 143

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

148

A.1 Startscherm . . . . . . . . . . . . . . . . A.2 Nieuw project . . . . . . . . . . . . . . . A.3 Configuratie . . . . . . . . . . . . . . . . A.4 Instelling van beschikbare touchpanel . . A.5 Algemene schermweergave . . . . . . . . A.6 Instelling weergavestructuur 1 . . . . . . A.7 Instelling weergavestructuur 2 . . . . . . A.8 Selecteer de te gebruiken bibliotheken . A.9 Configureer verbinding met PLC . . . . A.10 Ingeven van de Tags . . . . . . . . . . . A.11 Linken van de tags aan variabelen in het

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PLC-project

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

153 154 154 155 155 156 156 157 157 158 158

B.1 B.2 B.3 B.4 B.5 B.6 B.7 B.8 B.9 B.10 B.11 B.12 B.13 B.14 B.15 B.16 B.17 B.18 B.19 B.20 B.21

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

159 160 160 161 161 162 162 163 163 164 164 165 165 166 167 168 169 170 171 172 173

Startscherm . . . . . . . Nieuw project aanmaken Invoegen drive unit . . . Configuratie 1 . . . . . . Configuratie 2 . . . . . . Configuratie 3 . . . . . . Configuratie 4 . . . . . . Configuratie 5 . . . . . . Configuratie 6 . . . . . . Configuratie 7 . . . . . . Configuratie 8 . . . . . . Configuratie 9 . . . . . . Configuratie 10 . . . . . Configuratie 11 . . . . . Configuratie 12 . . . . . Configuratieoverzicht . . Drive toegevoegd . . . . Technologie instellingen Mechanische configuratie Mechanische limieten . . Actieve Homing . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

C.1 Assembly zijaanzicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 D.1 Nieuw project aanmaken . . . . . . . . . . . . . D.2 Simatic 300 toevoegen . . . . . . . . . . . . . . D.3 Begin Hardwareconfiguratie . . . . . . . . . . . D.4 Hardware: Insert object . . . . . . . . . . . . . D.5 Nieuwe rail aanmaken . . . . . . . . . . . . . . D.6 Voeding toevoegen . . . . . . . . . . . . . . . . D.7 Voeding PS307 5A . . . . . . . . . . . . . . . . D.8 Selecteer beschikbare CPU . . . . . . . . . . . . D.9 Profibusinterface instellen . . . . . . . . . . . . D.10 Profibusinterface instellen - netwerkinstellingen D.11 Nieuwe profibusinterface aangemaakt . . . . . . D.12 Slave toevoegen . . . . . . . . . . . . . . . . . .

149

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

187 188 188 188 189 189 189 190 190 191 191 191

D.13 Micromaster toevoegen . . D.14 Slave-adres instellen . . . D.15 Slave toegevoegd . . . . . D.16 Het telegramtype ingeven D.17 Adressen aanpassen . . . D.18 Save and compile . . . . . D.19 Basic Operator Panel . . . D.20 CPU - Connections . . . . D.21 MPI-instellingen . . . . . D.22 Set PG-PC interface . . . D.23 MPI-interface . . . . . . . D.24 Testen van de verbinding D.25 Monitor/Modify variables D.26 Initialiseren Micromaster . D.27 Activeren Micromaster . . D.28 Motor rechtsdraaien . . . D.29 Motor in stilstand . . . . D.30 Motor linksdraaien . . . . D.31 Betekenis van de bits voor D.32 Betekenis van de bits voor D.33 Betekenis van de bits voor D.34 LED Foutcodes . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . QW64 IW64 IW66 . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

150

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

192 192 192 193 193 194 194 195 196 197 197 198 198 199 199 200 200 200 201 202 203 204

Lijst van tabellen 4.1

Overzicht concepten en scores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

5.1

Mechanische eigenschappen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

6.1 6.2 6.3

Elektrische koopdelen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Mechanische koopdelen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Mechanische maakdelen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6

Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . Inputs voor de servodriver . . . . . . . Outputs voor de servodriver . . . . . . Overzicht van de PLC-inputs . . . . . Overzicht van de belangrijkste merkers Overzicht van de belangrijkste merkers

. . . . . .

. . . . . .

58 60 61 65 65 65

9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7

Effect van temperatuur op elektrische weerstand koper . . . . . . . . . . . . Doorsnede PE-geleider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Overzicht van de weerstanden in beste omstandigheden . . . . . . . . . . . Overzicht van de weerstanden in slechtste omstandigheden . . . . . . . . . . Maximale kortsluitstromen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Minimale kortsluitstromen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Overzicht belangrijkste stromen per automaat/lastscheider in slechtste omstandigheden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Overzicht belangrijkste stromen per automaat/lastscheider in beste omstandigheden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . .

104 113 118 119 120 120

9.8

151

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . naar FB6 . vanuit FB6

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. 135 . 135

Bibliografie [1] Sinamics s110, 2009. [2] Manfred Becker Dieter Jannasch Dieter Muhs, Herbert Wittel, editor. Rolof/Matek Machine-onderdelen. Academic Service, 2011. [3] Jean Pollefliet. Elektronische vermogencontrole, volume Elektronische motorcontrole. Academia Press, 2012. [4] Schneider. Gids voor laagspanningsverdeling. 2012. [5] Siemens. Simatic, Programming with STEP 7. 2010. [6] Jo Verhaevert. Industri¨ele Communicatie. 2012. [7] Wikipedia-bijdragers. Profibus — wikipedia, de vrije encyclopedie, 2013. [Online; accessed 2-december-2013].

152

Bijlage A

Handleiding WinCC Deze handleiding wordt gebruikt om touchpanels van SIEMENS in te stellen. WinCC is software die verschillende types HMI-devices kan configureren en programmeren. Figuur A.1: Startscherm

We beginnen met het openen van het reeds bestaande S7-project, waarin de PLC al geprogrammeerd is.

153

Figuur A.2: Nieuw project

Voor deze toepassing zal een ’Small machine’ volstaan. Dit betekent dat een PLC rechtstreeks aan de touchpanel verbonden is. Kies voor ’Large machine’ als het netwerk ook andere apparatuur bevat, of als er meerdere touchpanels aanwezig zijn. Figuur A.3: Configuratie

Nu wordt het type van de HMI ingesteld (in dit geval een TP 177 die via profibus communiceert).

154

Figuur A.4: Instelling van beschikbare touchpanel

Hier kan een template gekozen worden met algemene informatie van het project, het bedrijf, en een navigatiebalk. Figuur A.5: Algemene schermweergave

Instelling van de schermen waartussen er genavigeerd kan worden.

155

Figuur A.6: Instelling weergavestructuur 1

Figuur A.7: Instelling weergavestructuur 2

Beschikbare bibliotheken voor toetsen, schakelaar en afbeeldingen worden hier geselecteerd als ze gebruikt moeten worden in het project.

156

Figuur A.8: Selecteer de te gebruiken bibliotheken

Nu kan de werkelijke verbinding ingesteld worden. Als de touchpanel reeds toegevoegd is in het S7-project, wordt deze verbinding automatisch voorgesteld. Figuur A.9: Configureer verbinding met PLC

Om gegevens van een HMI effectief weg te schrijven naar een PLC, gebruikt men tags. Dit zijn lokale variabelen in het HMI-geheugen die gelinkt worden aan geheugenplaatsen in het PLC-geheugen. Hier kiest men ervoor om de gewenste posities van de plaatjes te linken met pos2- pos7 in de HMI. Belangrijk is dat het datatype overeenkomt (Double Integer).

157

Figuur A.10: Ingeven van de Tags

Als naar het gebruikersscherm enkele IO-Fields slepen, kunnen we deze velden linken met de tags die reeds gedefinieerd zijn. Op die manier kan elk IO-field weergeven welke data er in de overeenkomstige geheugenlocatie zit. Als men positie 2 - positie 7 instelt als input/output - field, kan er ook geschreven worden naar het geheugen van de PLC. Naast enkele Double Integers te linken, zorgen we ook voor een Booleaanse variabele ’Aanpassen’ die gelinkt is met de merker ’HMI-commando’. Figuur A.11: Linken van de tags aan variabelen in het PLC-project

158

Bijlage B

Handleiding STARTER De servoregelaar is instelbaar met behulp van de STARTER software, die gratis te downloaden is op de website van SIEMENS. Dit programma gebruikt men voor het instellen, controleren en testen van servomotoren. Bij een servomotor hoort altijd een driver. In de testopstelling werd er gebruik gemaakt van een motortype 1FK7042-5AF71-1UH0 en bijhorende servodriver van het type 6SL3040-1MA00-0AA0. Deze driver is een servoregelaar van de S120 reeks en heeft een CU320-2DP Control Unit. Als de software ge¨ınstalleerd is, kan ze opgestart worden en komen we op het beginscherm terecht. Figuur B.1: Startscherm

Bovenaan is de toolbar zichtbaar waarmee het project gedownload kan worden, of waarmee het juiste ’target system’ geselecteerd kan worden. Het is ook mogelijk om een reeds bestaand project, dat nog op de servoregelaar staat, te uploaden naar de PC, waardoor de hele configuratie gekopieerd kan worden in een nieuw project. Deze methode noemt men de ’online’-methode, maar verder zal verduidelijkt worden hoe men een project ’offline’ moet configureren. Klik hiervoor op ’Project’ - ’New’.

159

Figuur B.2: Nieuw project aanmaken

Geef nu in over welk type driver je beschikt. In dit geval een CU320-2DP van de S120 familie. De DIP-switches op de CPU staan ingesteld op 10, dus geeft men dat hier ook in. Figuur B.3: Invoegen drive unit

Klik op ’OK’. Nu wordt de configuratiewizard opgestart. Bij de ’Option Module’ kan ingegeven worden welke extra componenten er gebruikt worden. Deze stap mag overgeslaan worden. Nu geven we aan dat er gebruik gemaakt wordt van een DRIVE-CLiQ-interface.

160

Figuur B.4: Configuratie 1

In de volgende stappen wordt aangegeven welke voeding en Line Filter er gebruikt wordt. Figuur B.5: Configuratie 2

161

Figuur B.6: Configuratie 3

Figuur B.7: Configuratie 4

Nu geven we aan dat we een servo-as willen toevoegen. 162

Figuur B.8: Configuratie 5

Figuur B.9: Configuratie 6

163

Figuur B.10: Configuratie 7

Figuur B.11: Configuratie 8

164

Figuur B.12: Configuratie 9

Aan de voorlaatste letter in het serienummer van de motor, kan men zien op welke manier er een rem ingericht is op de motor. In dit geval hebben we te maken met een interne rem. Figuur B.13: Configuratie 10

165

In de volgende stap geeft men aan welke encoder gebruikt wordt. Als reeds aangegeven is dat de motor via DRIVE-CLiQ aangesloten is zal deze interne encoder standaard gebruikt worden (encoder 1). Als men een andere externe encoder wil gebruiken, kan die aangeduid worden via de checkboxes encoder 2 en 3. Figuur B.14: Configuratie 11

In dit tabblad geeft men aan dat de servo-drive via profibus naar de telegram 110 luistert. Dit is ook het message frame dat door de PLC gebruikt wordt om commando’s naar de PLC te sturen. De standaard Block van Step 7 (SIEMENS), maakt gebruik van telegram 110.

166

Figuur B.15: Configuratie 12

167

Figuur B.16: Configuratieoverzicht

Nadat er op ’Finish’ geklikt is, is de drive geconfigureerd en toegevoegd aan het project. Drive 2 stelt nu de servo-as voor die gebruikt wordt om de band te bewegen.

168

Figuur B.17: Drive toegevoegd

Nu kunnen de mechanische instellingen aangepast worden door naar het tabblad ’technology’ te gaan.

169

Figuur B.18: Technologie instellingen

In het volgend scherm stelt men de verhouding in tussen de rotorverplaatsing en de nuttige mechanische verplaatsing (in length units (LU’s) waarvan de eenheid geen rol speelt). Met deze verhoudingswaarde werkt de positieregelaar. 1 motorrevolutie betekent in dit geval een verplaatsing van 10000LU, aangezien de load/motor-verhouding gelijk is aan 1. Als deze verhouding 10 zou bedragen, zouden 10 motorrevoluties nodig zijn om een verplaatsing van 10000LU te realiseren.

170

Figuur B.19: Mechanische configuratie

In het volgende menu worden de maximale waarden voor versnelling, jerk en snelheid ingesteld.

171

Figuur B.20: Mechanische limieten

Hierna wordt er aangeduid hoe de servoregelaar zijn referentie zal herkennen. Hier vindt men het veld om de externe sensor aan te duiden die aangeeft wanneer de transportband gehomed moet worden. Men opteert hier het best voor passieve homing, omdat de servoregelaar dan telkens als de sensor actief wordt, zijn positie aanpast als er een afwijkende referentie zou zijn.

172

Figuur B.21: Actieve Homing

Na al deze instellingen geconfigureerd te hebben, moet het project opgeslagen worden, en kan vanuit de SIMATIC manager deze Servodrive toegevoegd worden.

173

Bijlage C

Mechanische tekeningen Hier volgt nog eens een zijaanzicht van de volledige assembly, zoals hij gemaakt werd. De 2D-tekeningen van de gemaakte onderdelen zitten in deze bijlage toegevoegd. Figuur C.1: Assembly zijaanzicht

174

Bijlage D

Motorsturing via Profibus D.1

Inleiding

In dit onderdeel van de thesis wordt besproken hoe een asynchrone kooiankermotor kan bestuurd worden met een PLC via een Profibus-netwerk. Door vanuit het PLC-stuurprogramma commando’s naar een frequentieregelaar (in dit geval de micromaster 420) te sturen over een Profibus-netwerk, kan de draaizin en snelheid van de motoras bepaald worden.

D.2

Een nieuw project aanmaken en hardwareconfiguratie

Om te beginnen start men de SIMATIC Manager op. Met dit programma zal de hele configuratie van het Profibus-netwerk en de programmatie verlopen. Eens de Manager is opgestart, maakt men een nieuw project aan via File-New-Project. Geef een gepaste naam aan het project, kies een opslaglocatie en sla op. Figuur D.1: Nieuw project aanmaken

187

Werkstation toevoegen Eens het project aangemaakt is, moet er binnen dit project een werkstation aangemaakt worden. Rechtsklik hiervoor op het nieuwe project, en selecteer ’insert new object’. In het tabblad dat dan automatisch opent, kiest men voor SIMATIC 300 Station. Figuur D.2: Simatic 300 toevoegen

Nadat dit gebeurd is, kan men binnen het werkstation via ’Hardware’ de hardwareconfiguratie beginnen. Figuur D.3: Begin Hardwareconfiguratie

Nieuwe Rail toevoegen Dubbelklik op ’Hardware’, waarna er een leeg werkblad verschijnt. In dit werkblad rechtsklikt men nu in het lege veld, en selecteert men ’insert object’. Figuur D.4: Hardware: Insert object

In het verschenen tabblad selecteren we nu een nieuwe rail, waarop alle componenten ’gemonteerd’ zullen worden. Doe dit via SIMATIC300-Rack300-Rail. 188

Figuur D.5: Nieuwe rail aanmaken

Voeding toevoegen Nu is de rail verschenen in het Hardware-werkblad. Op de eerste regel van de rail moet de voeding toegevoegd worden. Om dit te doen rechtsklikt men op de eerste regel, en selecteert men de beschikbare voeding. Figuur D.6: Voeding toevoegen

Het type van de voeding staat op de voorkant weergegeven. In dit geval hebben we een voeding van het type PS307 5A. Figuur D.7: Voeding PS307 5A

189

CPU toevoegen Op de tweede regel van de rail moet de CPU toegevoegd worden. Het type van de CPU staat opnieuw geschreven op de voorkant van de PLC. In dit geval beschikt men over een CPU 314C-2DP 6CF01. Figuur D.8: Selecteer beschikbare CPU

Profibusinterface configureren Als er via Profibus gewerkt zal worden, zal er in het typenummer van de CPU de lettercombinatie ’DP’ voorkomen. Dit wijst op de mogelijkheid om een profibusinterface in te stellen. Nadat de CPU geselecteerd is, zal automatisch een scherm verschijnen waarmee deze interface geconfigureerd kan worden. Ga naar het tabblad ’Parameters’ en klik op ’New’. Stel de waarden in het tabblad ’General’ in zoals hieronder weergegeven en kies een naam voor het profibusnetwerk. Figuur D.9: Profibusinterface instellen

Ga vervolgens naar het tabblad ’Network Settings’ en stel de gewenste snelheid in (Transmission Rate). Stel de snelheid in op 1,5Mbps. Klik op ’OK’. Nu is het nieuwe netwerk zichtbaar in het Hardware-werkblad.

190

Figuur D.10: Profibusinterface instellen - netwerkinstellingen

Figuur D.11: Nieuwe profibusinterface aangemaakt

Slave toevoegen in Profibus-netwerk Door de rechtsklikken op het netwerk, via ’insert object’ kan men kiezen om de Micromaster 420 in te stellen als slave van de PLC in het Profibusnetwerk. Figuur D.12: Slave toevoegen

.gsd file toevoegen Het toevoegen van de micromaster gebeurt via SIMOVERT - Micromaster 4. In het geval deze optie niet vindbaar is in het tabblad, moet men eerst te .gsd-file toevoegen die eigen is aan de Micromaster 420. Deze file kan gedownload worden via de website van SIEMENS. Pak het bestand uit en bewaar het op de harde schijf onder Program Files - Siemens - STEP7 - S7DATA - GSD. Sluit hierna het project af en laat enkel de hardwareconfiguratie open. Ga bovenaan via ’Options’ - ’Install GSD File’ naar het pas gedownloade bestand (via ’From the directory’) en installeer het bestand. Hierna klikt men op ’Options’ - ’Update Catalog’. Nu zou de Micromaster 4 toegevoegd moeten zijn aan het tabblad.

191

Figuur D.13: Micromaster toevoegen

In het scherm dat opent kan men het adres van de Micromaster in het Profibusnetwerk instellen. Dit kan ook manueel gebeuren met behulp van de DIP-switches die onder het Operator Panel op de Micromaster bevestigd zijn. Als deze switches allemaal op 0 staan, moet het adres softwarematig toegekend worden. Figuur D.14: Slave-adres instellen

Als de slave correct aan het netwerk toegevoegd is, ziet men de Micromaster verschijnen in het netwerk. Figuur D.15: Slave toegevoegd

192

Slave configureren Klik op de pas toegevoegde slave in het netwerk, en onderaan in het Hardware-werkblad zullen er enkele regels verschijnen. Rechtsklik op de eerste regel en kies voor SIMOVERTMICROMASTER4-PPO1. Dit telegramtype zal later gebruikt worden om de communicatie tussen de slave en master in het netwerk in te stellen. Figuur D.16: Het telegramtype ingeven

Nadat de telegram PP01 geselecteerd is, moeten de adressen aangepast worden van 256263 en 264-267 naar 56-63 en 64-67 omdat de standaard adressen niet beschikbaar zijn in deze PLC. Figuur D.17: Adressen aanpassen

Daarna is de slave ook correct geconfigureerd. De Hardwareconfiguratie is nu voltooid en de instellingen mogen opgeslagen worden.

193

Figuur D.18: Save and compile

D.3

Instellen Micromaster

De motoreigenschappen moeten ingegeven worden in de frequentieregelaar. Deze bepalen uiteindelijk de spanningen en stromen die door de motor gestuurd worden, en zullen de motor beschermen. Op de kenplaat van de motor vindt men alle nodige gegevens (fasespanning, stroom, vermogen, power factor, rendement,...) om de Micromaster correct in te stellen. Via een Quick Commissioning kunnen de belangrijkste motorparameters ingegeven worden in de regelaar. Deze parameters worden ingesteld via het Operator Panel en de pijltjestoetsen. Figuur D.19: Basic Operator Panel

Als we parameter ’user access level’ P0003 op ’expert level(3)’ zetten, kunnen we de motorinstellingen wijzigen. Hierna zet men P0010 (commissioning parameter) op ’quick commissioning (1)’ zodat de belangrijkste parameters sneller overlopen kunnen worden. Volg deze stappen om de quick commissioning te voltooien: • P0100: frequentie van het net (50Hz) • P0304: Rated motor Voltage • P0305: Rated motor Current 194

• P0307: Rated motor Power • P0308: Rated cos phi • P0309: Rated motor efficiency • P0311: Rated motor speed • P0700: MOET op 6 gezet worden; geeft aan dat de micromaster via Profibus bestuurd wordt. • P1000: Zoals P0700 moet deze op 6 ingesteld worden. • P1080: Minimale frequentie: ingesteld op 15Hz. • P1082: Maximale frequentie: ingesteld op 50 Hz. • P1120: Ramp-Up time: tijd nodig om vanuit stilstand naar de maximale frequentie te gaan. Deze wordt ingesteld op 5s. • P1121: Ramp-down time: tijd nodig om vanuit maximale snelheid tot stilstand te komen. Wordt ook ingesteld op 5s. Uiteraard is het ook van belang te controleren of de voedingsspanning naar de Micromaster niet groter is van 3x400V. De frequentieregelaar zal deze spanningen omzetten naar toelaatbare spanningen voor de motor, mits correcte instelling van de parameters.

D.4

Verbinding PLC-PC tot stand brengen

Als men terug in het S7-project, onder de CPU, klikt op ’Connections’, kan men de verbinding tussen de PC en de PLC instellen. Dit is van belang om het project en het stuurprogramma te kunnen overzetten van de PC naar de PLC. Figuur D.20: CPU - Connections

In het netwerkblad kan men zien dat de MPI-kabel bovenaan nog nergens aan verbonden is. Door op de SIMATIC300-PLC op het rode vakje te dubbelklikken, worden deze communicatie-instellingen geopend. Aangezien we gebruik maken van een MPI-kabel om te 195

verbinding tussen PC en PLC te realiseren, gaat men naar ’Parameters’-’MPI’ en klikt men op ’Properties’. Het hoogste adres en de snelheid van deze verbinding mogen ongewijzigd blijven, maar moeten wel onthouden worden om later te gebruiken. Hier onthoudt men dus dat het adres van de CPU ’2’ is, het hoogste adres ’15’, en de snelheid op ’187.5Kbps’ ingesteld is. Figuur D.21: MPI-instellingen

Deze instellingen moeten worden ingevuld in de selectie van de PG-PC-interface. Ga hiervoor naar het projectscherm en klik op ’Options’ - ’Set PG-PC interface’.

196

Figuur D.22: Set PG-PC interface

De juiste keuze van de verbinding is niet altijd meteen duidelijk. We kiezen hier voor CP5611(Auto) zodat er automatisch gedetecteerd wordt welke de huidige verbinding is, en welke instellingen gekozen moeten worden. Als er gebruik gemaakt wordt van een adapter, zijn de instellingen die onthouden moesten worden uit het Connections-werkblad manueel in te stellen. Figuur D.23: MPI-interface

Als dit correct gebeurd is, is het netwerk nu volledig ingesteld, en zal de communicatie vlot verlopen.

D.5

Testen van de verbindingen

De verbinding tussen de PC en PLC, en het schrijven van commando’s via het Profibus netwerk van PLC naar Micromaster, kan nu getest worden. Via het Hardware-werkblad klikt men hiertoe op de Micromaster-slave. Nu verschijnen de regels onderaan het scherm 197

en rechtsklikt men op de tweede regel. Via Monitor/Modify kunnen commando’s geschreven en gelezen worden die de motor besturen vanuit de PLC. Figuur D.24: Testen van de verbinding

Als de PLC in ’Run’ staat en de Micromaster niet in fout staat (groene LED brandt continu) dan zou er onderaan het Monitor/Modify-scherm in het groen ’Running’ zichtbaar moeten zijn. Figuur D.25: Monitor/Modify variables

De vier communicatiewoorden bestaande uit twee ingangswoorden en twee uitgangswoorden. De ingangswoorden(IW64 en IW66) zijn afkomstig van de Micromaster via de PLC en kunnen dus niet rechtstreeks aangepast worden. De uitgangswoorden(QW64 en QW66) gaan van PLC naar Micromaster en zijn wel rechtstreeks aanpasbaar, door deze te wijzigen zullen ook de ingangswoorden veranderen. Wanneer men op ’Status Value’ klikt wordt de huidige stand van de in- en uitgangswoorden in de tabel geschreven in de ’Status Value’-Kolom. De Hexadecimale waarden hebben een specifieke betekenis die verder zal uitgeklaard worden aan de hand van het voorbeeldprogramma. 198

Initialiseren van de Micromaster via de PLC over het Profibusnetwerk Het initialiseren van de Micromaster bestaat uit twee stappen. Eerst moet het commando gegeven worden dat de Micromaster gereset wordt. Dit doet men door W#16#04FE te schrijven naar QW64. Dit zal de micromaster herstellen van elke fout (groen knipperende led-signaal of oranje led-signaal). Als de led continu groen brandt, is de fout opgelost. Figuur D.26: Initialiseren Micromaster

Daarna moet de Micromaster geactiveerd worden. Schrijf hiertoe W#16#047E naar QW64. Om te controleren of de waarde goed weggeschreven is, klikt men hierna op ’Status Value’. De waarden in de kolommen ’Status Value’ en ’Modify Value’ moeten overeenkomen na correct schrijf-commando. Figuur D.27: Activeren Micromaster

Deze procedure (het achtereenvolgens schrijven van de hexadecimale waarden voor resetten en activeren) zal in het stuurprogramma vanzelf gebeuren in de FC1 ’Initialisatie’. Nuttige stuurcommando’s naar de Micromaster via Profibus Motor rechtsdraaien Nadat de Micromaster ge¨ınitialiseerd is, worden de hexadecimale waarden W#16#047F en W#16#1000 naar resp. QW64 en QW66 geschreven. QW64 bevat dan het commando om te bewegen in rechtse draaizin, en QW66 bevat de snelheid waarmee de motor moet bewegen. De ’1000’ op het einde in QW66 duidt erop dat de motor met een vierde van de maximale snelheid draait. ’4000’ op het einde betekent logischerwijs dat de motor op zijn hoogst ingestelde toerental zal draaien. De motor op snelheid ’0000’ laten draaien zal ervoor zorgen dat de motor stilstaat, maar het magnetisch veld rond de rotor nog steeds actief is. Om de motor in stilstand te krijgen is een ander commando vereist (zie verder). Merk op dat het belangrijk is dat er eerst de waarde W#16#047E, en meteen vervolgens #16#047F in QW64 moet geschreven worden.

199

Figuur D.28: Motor rechtsdraaien

Motor in stilstand Om de motor vanuit beweging in stilstand te krijgen, worden de commando’s zoals op de figuur hieronder naar de uitgangswoorden geschreven. Figuur D.29: Motor in stilstand

Motor linksdraaien Om de motor in tegengestelde richting te draaien, worden volgende commando’s gebruikt. Opnieuw wordt in QW66 de draaisnelheid bijgehouden. Figuur D.30: Motor linksdraaien

Betekenis van de hexadecimale waarden Voor de communicatiewoorden QW64, QW66, IW64 en IW66 worden bitpatronen gebruikt van elk 16 bits. Deze bits hebben elk een betekenis die in de volgende tabellen weergegeven wordt. Van 16 bits kan overgegaan worden naar een hexadecimale waarde van 4 tekens. De 16 bits kunnen immers opgesplitst worden in reeksen van 4 bits, die elk hexadecimale waarden tussen 0 en 15 (=E) voorstellen. Het woord W#16#047F komt dus overeen met bitpatroon 0000 – 0100 – 0111 – 1111. Op basis hiervan kunnen commando’s verstuurd worden vanuit de PLC naar de Micromaster.

200

Figuur D.31: Betekenis van de bits voor QW64

201

Figuur D.32: Betekenis van de bits voor IW64

202

Figuur D.33: Betekenis van de bits voor IW66

D.6

Foutmeldingen

De led op de Micromaster is in normale werking continu groen. Indien er een fout opgetreden is, kan op basis hiervan achterhaald worden wat er misgelopen is.

203

Figuur D.34: LED Foutcodes

D.7

PLC-stuurprogramma

Het stuurprogramma van de motor wordt geschreven in de Blocks-omgeving van het S7Project. In OB1 wordt het hoofdprogramma geschreven, en in FC1 wordt de initialisatie uitgevoerd. Vanuit OB1 wordt dus eenmaal, bij het begin van het programma, FC1 aangeroepen. Het programma schrijft via de ’move’-instructie vaste hexadecimale waarden naar QW64 en QW66, en simuleert een automatische poortsturing. Het programma is voorzien van commentaar in verband met de werking.

204

MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM M MMM MMMMM MM MM M MMM M MMM MMM MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM

>>>>>>>>>>>>>>> MMMMM2 MM2MMM MMMMM > > > > :> >>: :>>:

: >>:> :> > > :> :>::>>:::>>:>:::

M 2 MM

> >>: :> :>>> M M :>>::>:> :>>> M MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM : MMMMMMMMMMMMMMMMMMM

M 2M2MM MMM MM

MMMMM MMM

MMM M

M M

MM0 MM

M M

MMM 00 MM

M M

MMM0MMM

M M

MM00M 0 M

M M

MMMM00M00M0M

M M

MMMM

:>>:: >>>>>> M.MM MMMMMMM2 MMMMMMM MMMM.MM 2MMMM.MMMM.2MM.M MMMMMMMMMM2 MM.M.MMMMMMMMMMM22M

MM MM.MMMMMMMMM

MM M 0MM22MM

MMMM..MM. MMM.MMMMM MM MM M.MM 2MMMMM2 MMMMMMMMM

M000 MM M MMMMM2 MM MMM

0

0 M

MM M 0

M

0 0

MM

MM MM.MMMMMMMMM M.MM 2MMMMM2.MMMMM.MMMMM M000 MM M MMMMM2 MM MMM

0

0 M

MM MM0

M

0 0

MM

MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM2MMMMMMMMM

MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM M MMM MMMMM MM MM M MMM M MMM MMM MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM

MM MM.MMMMMMMMMMM MM.2 M22MMM MMM22MM.MMM.MMM MMMMM2

& MM M MMMMM2 MM MMM

2M 2MM MM M.MM 2MMMMMMMM

MM M MMlMMMM2 MMMMM M

MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM2MMMMMMMMM

MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM MM M MMM M MMM MM MM M MM M MMM MMM MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM

>>>>>>>>>>>>>>> MMMMM > > > >

: >>: :> :>>> M M >>>::>:> :>>> M MMMMMMMMMMMMMMMMM 9MMM MMMMMMM99MMMMMMMMMMMMM : MMMM2MMMM M2MMMMMMM

:> >>: :>>:

: :>:> :> > > :> :>::>>:::>>:>:::

M 9 MM

M 9M9MM MMM

MM

MMM0MMM

MMMMM MMM

MMMM

M M MMMMM M MMM MM MMMMM MMM 0 MMMM) 9MMMM

M MMMMM

M MMM

MMMM

M0000M0MMMM

MM

M M

MMMM

M0MMM 0MM

MM

M M

MM MM MM

MMMM

M0MnM nMMnM

MM

M M

MMMMMMM MMMM

MMMM

M0

MM

M

MMMM

M0n0M0n00 0MM

MM

M M

MMMM

M0n0M0n00 0MM

MM

M M

nMMMM M MMMMMM MMM

MMMM

M0Mn000MnM00M MMM

M M

M ) MMMM MMMMMMMM MMMMM

MMMM

M0MM 0MnM00M

MMM

2 M

MMMM M M) ) MMMM MMMMM

MM

M

MMM)MM M

MMMM

M0MM)0MnM00M

MMM

MM M

M9nM M M) ) MMMM MMMMM

MM

M

MMM)MM M

MMMM

M0 MM00MMM0M

0

M nM

9MM0MM 0MM M MM M

>>>:: >>>>>> >"" >>>" >:

MM

MMMMM9MMMM)9MMMMMMM

MM

M M M)9MMM MMMMM

M0nM)MMMMM

MM9MM)9MMMMMM M))MM M

M

nMMMM M MMMMMM MMM

9MMM9M MMM MM

MMM)9MM

M

MMM)MM M

MMMM9MMM

>"">>:>::::>>:"

MMMM0M MMMMM9 9MMMMMMMMMM MM MMMMM MMMM 9MMMMM MMM0MMM MMM MMMMMMMMMMMMMM MM)M )M 9M M MMM99MM MM M)MM 9MMMMMMMMMMMMMM M MM MMMMM)9 M MMM M MMM MMM9MMMMMM M M: MMM MM 9 MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM M MMMMM M MMMMMM99MM M MMMMM MM M 9MMMMM)MM MMM MMMM9MMMM9 MMM9 MMMMMMM) 9)M 99MMMMMMMM)MM MM M M 9M MMM)MM MMMMMMMMMM MM9M M)M MMM9 MMMMM M MMMM) 9)M 99MMMMMMMM)MM MM M M 9MMMMM)MM MMMMMM M MMMMM MM MM MMMMM M 9MMMMM)MM MMM MMMM9MMMM9 MMM9 MMMMMMM) 9)M 99MMMMMMMM)MM MM M M 9M MMM)MM MMMMMMMMMM MM9M M)M MMM9 MMMMM M MMMM) 9)M 99MMMMMMMM)MM MM M M 9MMMMM)MM MMMMMMMMM MMMMMMMMMM)

MM MM)MMMMMMMMM 1MM MMMMM9 MM9MMM MM M MMMMM9 MM MMM

0

0

MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM9MMMMMMMM9

MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM MM M MMM M MMM MM MM M MM M MMM MMM MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM

MM MM)MMMMMMMMM & MM M MMMMM9 MM MMM

MM M MMMMM9 MM MMM n

MM M MMlMMMM9 MMMMM

MM M MMlMMMM9 MMMMM n

MM MM)MM MMMMMM & MM M MMM MM9M MM M M90MMMM MM M 00M

MM M MMM MM) M M M MM M MMM MM9M n MM M 00M n MM M M90MMMM n

MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM9MMMMMMMM9

MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM MM M MMM M MMM MM MM M MM M MMM MMM MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM

MM MM)MMMMMMMMM & MM M MMM MM) M M

MM MM99MMM) MM M

MM M 9 MMMMMM

MM M MMM MM) M M n

MM MM)MMMMMMMMM & MM MM99MMM) MM MM M 00M

MM M MMM MM9M M MM MM99MMM) MM n MM M 9 MMMMMM n

MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM9MMM MMMM9

MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM MM M MMM M MMM MM MM M MM M MMM MMM MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM

MM MM)MMMMMMMMM & MM M MMM MM9M MM M 00M

MM M MMM MM)M

MM M M90 M) M

M MM M MMM MM9M n MM M 00M n MM M M90 M) M n

MM MM)MM MMMMMM & MM M MMM MM)M MM 9 MMMMMM

MM M MM99M MM) M M MM M MMM MM)M n

MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM9MMMMMMMM9

MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM MM M MMM M MMM MM MM M MM M MMM MMM MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM

MM MM)MM2MMMMMM & MM M MM99M MM) M

MM M MMM MM9M

MM M 00M

M MM M MM99M MM) M n MM 9 MMMMMM n

MM MM)MM9MMMMMM MM M MMM MMMM MMMM)MMMMMM 9MM MM MMM MM 99

MM M:MMM MM MM

& MM M MMM MM9M MM M0 M

MM M 00M

M MMMSMM

M0 n

M MM M M90MMMM M

M Q

MM MM)MMMMMMMMM MM M0 M MM M MMM MM) M M MMMSMM

M M0

M

MM M 9 MMMMMM

M M

n

Q

MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM9MMMMMMMM9

MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM MM M MMM M MMM MM MM M MM M MMM MMM MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM

MM MM)MMMMMMMMM M M0 M MM MM99MMM) MM MMMS M

M

M

M0

MM M 00M M

M

n

Q

MM MM)MMMMMMMMM & MM M MMM MM9M MM M0 M

MM M 00M

M MMMSMM

M0 n

M MM M M90 M) M M

M Q

MM MM)MMM MMMMM MM M0 M MM M MMM MM)M M MMMSMM

M0

M

MM 9 MMMMMM

M M

n

Q

MM MM)MMMMMMMMM MM M0 M MM M MM99M MM) M MMMS M

M M0 n

M M

MM M 00M M

Q

MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM9MMMMMMMM9

MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM MM M MMM M MMM MM MM M MM M MMM MMM MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM

MM MM)MMMMMMMMMMMM MM9M

)M

9M MM M9MMMMMMMMMMM99MM M)MM 9MMMM

M 00 MM M MMM MM9M 0 ESMMSM 0

M

M

QEMM

M

QEMM

0

MM MM)MMMMMMMMM M 00 MM M MMM MM9M 0 ESMMSM

M

0

MM MM)MMM MMMMMMM99MM MM)M )M

9M MM 9MMM0MMM99MM M)MM 9MMMMM

M 00 MM M MM99M MM) M

0

ESMMSM 1

M

M

QEMM

M

QEMM

0

MM MM)MMM2MMMMM M 00 MM M MM99M MM) M

0

ESMMSMMM

M

0

MM MM)MMM9MMMMMMMM M MM)M M)M

9M MM 9MMM0MMM99MM M)MM 9MMMM

M 00 MM M MMM MM)M 0 ESMMSM 1

M

M

QEMM

0

MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM9MMM MMMM9

MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM MM M MMM M MMM MM MM M MM M MMM MMM MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM

MM MM)MMMMMMMMM M 00 MM M MMM MM)M 0 ESMMSMMMM

M

M

QEMM

0

MM MM)MMMMMMMMMMMM MMM) MM M)M

9M MM 9MMM0MMM99MM M)MM 9MMMM

M 00 MM M MMM MM) M M

0

ESMMSM 1

M

M

QEMM

M

QEMM

0

MM MM)MMMMMMMMM M 00 MM M MMM MM) M M

0

ESMMSMMMM

M

0

MM MM)MMM MMMMMMM99MMMM) MMM M)M

9M MM 9MMM0MMM99MM M)MM 9MMMM

M 00 MM MM99MMM) MM ESMMSM 1

0 M

M

QEMM

M

QEMM

0

MM MM)MMMMMMMMM M 00 MM MM99MMM) MM ESMMSMMM

0 M

0

MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM9MMM2MMMM9