VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV AUTOMATIZACE A INFORMATIKY FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF AUTOMATION AND COMPUTER SCIENCE

NÁZEV DIPLOMOVÉ PRÁCE UZLOVACÍ STROJ PRO STŘEVA, NÁVRH ZAŘÍZENÍ A JEHO AUTOMATICKÉHO ŘÍZENÍ

DIPLOMOVÁ PRÁCE AUTOR PRÁCE

Bc. Jiří Šimeček

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2011

doc. Ing. Zdeněk Němec, CSc.

Strana 3

Strana 4

Strana 5

ABSTRAKT Tato diplomová práce se zabývá návrhem a stavbou prototypového zařízení do potravinářského průmyslu, které slouží k uzlování párkových střev. Tento uzel se vyrábí na nejedlém párkovém střevě, ze kterého se řásní roubík. Diplomovou práci jsem rozdělil do několika částí. V první části se věnuji návrhu principu uzlování. V další části navrhuji přístrojové komponenty a automatizační funkce, algoritmy řízení, řešení automatizačních úloh a realizace uživatelského programu. Práce je doplněna o program ve Visilogic.

ABSTRACT My diploma work deals with the project and the construction of prototype machinery into food-processing industry which serves for knotting of frankfurther casings. This knot is make on uneatable frankfurther casing of which is shirring a peg. Diploma work I separated into several parst. In the firts part I inscribe to project of principle of knotting. In other part I prefer instrumentation components and automation function, algorithms of operating, solution to automation problems and realization of application program. This work is complete any program in Visilogic.

KLÍČOVÁ SLOVA Uzlíkovací jednotka, uzel, střevo, roubík

KEYWORDS Knot end unit, stringy knot, casing,

Strana 6

Poděkování: Rád bych poděkoval doc. Ing. Zdeněk Němec, CSc. za cenné rady, připomínky a pomoc při realizaci celého projektu

Strana 7

Obsah: 1.

ÚVOD ............................................................................................................................................................ 9

2.

NÁVRH PRINCIPU................................................................................................................................... 11 2.1. VYTAŽENÍ STŘEVA Z ROUBÍKU ............................................................................................................. 13 2.1.1. Vytažení střeva pomocí háčku..................................................................................................... 13 2.1.2. Vytažení střeva pomocí podtlaku ................................................................................................ 13 2.1.3. Vytažení střeva pomocí prstů ...................................................................................................... 14 2.2. VYTVOŘENÍ UZLU ................................................................................................................................. 16 2.2.1. Vytvoření uzlu pomocí drážkového válečku ................................................................................ 16 2.2.2. Vytvoření uzlu pomocí válečku ................................................................................................... 17 2.2.3. Vytvoření uzlu namotáním pomocí prstu..................................................................................... 18

3.

NÁVRH POHYBŮ A MĚŘICÍCH KOMPONENTŮ............................................................................. 25 3.1. KLUZNÁ LOŽISKA ................................................................................................................................. 25 3.2. LINEÁRNÍ VEDENÍ ................................................................................................................................. 25 3.2.1. Výpočet síly vytahovací jednotky ................................................................................................ 26 3.3. PNEUMATICKÉ PRVKY .......................................................................................................................... 28 3.3.1. Výpočet přímočarých motorů...................................................................................................... 28 3.3.2. Proporcionální redukční ventil ................................................................................................... 28 3.3.3. Ventilový terminál....................................................................................................................... 29 3.4. KROKOVÝ MOTOR ................................................................................................................................ 31 3.5. OVLÁDÁNÍ KROKOVÉHO MOTORU ........................................................................................................ 33 3.6. PROGRAMOVACÍ JEDNOTKA ................................................................................................................. 34 3.7. MĚŘENÍ SÍLY ........................................................................................................................................ 38

4.

PŘÍJEZD UZLOVACÍ JEDNOTKY K ROUBÍKU ............................................................................... 39 4.1. 4.2. 4.3.

5.

POSUN POMOCÍ VZDUCHOVÉHO LINEÁRNÍHO VÁLCE S ČASOVÝM INTERVALEM ................................... 40 POSUN POMOCÍ KROKOVÉHO MOTORU S KULIČKOVÝM ŠROUBEM ........................................................ 41 POSUN JEDNOTKY POMOCÍ VZDUCHOVÉHO VÁLCE ............................................................................... 42

NÁVRH UŽIVATELSKÉHO PROGRAMU........................................................................................... 43 5.1. DOTAŽENÍ UZLU ................................................................................................................................... 49 5.1.1. Princip dotažení uzlu .................................................................................................................. 50 5.2. PRINCIP PŘÍTLAKU JEDNOTKY PRO NABRÁNÍ STŘEVA ........................................................................... 52

6.

REALIZACE POGRAMŮ ........................................................................................................................ 53 6.1. REALIZACE DOTAŽENÍ UZLU ....................................................................................................................... 56

7.

NÁVRH ZADÁVÁNÍ HODNOT .............................................................................................................. 59

8.

POŽADAVKY NA OBSLUHU ................................................................................................................. 61 8.1. LADĚNÍ UTAHOVACÍ SÍLY ..................................................................................................................... 61 8.2. DETEKCE PORUCH ................................................................................................................................ 62 8.2.1. Seznam chybových hlášení.......................................................................................................... 62 8.2.2. Možné příčiny zablokování stroje ............................................................................................... 63

9.

VYHODNOCENÍ VÝSLEDKŮ ................................................................................................................ 65 9.1. 9.2. 9.3.

10.

POZNATKY Z ŘEŠENÍ ............................................................................................................................. 65 NARÁŽENÍ STŘEVA ............................................................................................................................... 65 CENOVÁ ROZVAHA ............................................................................................................................... 66 ZÁVĚR ................................................................................................................................................... 67

Strana 9

1.

ÚVOD

Firma Viskoteepak je nadnárodní firma s vedením ve Finsku a výrobními pobočkami v Belgii, Holandsku, České republice a Mexiku. Firma se zabývá výrobou nejedlých párkových střev. Toto střevo se extruduje z viskózy a potom se řásní do roubíků dle přání zákazníka (obr. 1)

Obr. 1 Nařásněný roubík Tyto roubíky jsou z důvodu jednoduššího plnění masem (narážením) ukončeny ucpávkou. Firma Viskoteepak nabízí čtyři druhy ukončení roubíků. Jako první nabízí otevřený konec - OE (open end). Toto ukončení je nejstarší typ, který firma Viskoteepak vyrábí. Dle obr. 2 je vidět, že se nejedná o ucpávku, samotnou ucpávku musí vyrobit v masokombinátě při narážení, proto se v dnešní době vyrábí již velice zřídka. Druhý typ ucpávky, který se vyrábí je close-end - CE (obr. 3). Je to v současné době nejčastěji vyráběný konec, který se vyrábí namotáním střeva na čep. Dalším koncem je tzv. push-pack - PP (obr. 4), který vzniká pouhým stlačením konce střeva. Nejnovější ucpávkou je knot-end - KE (obr. 5), který se v dnešní době vyrábí ručně. Po tomto produktu se v poslední době zvedá poptávka. Z důvodu jeho ruční výroby je tato ucpávka nejdražší, proto mě firma Viskoteepak dala úkol, abych vymyslel princip a zrealizoval stavbu prototypu automatické jednotky, která bude tento konec vyrábět automaticky přímo na stroji.

Obr. 2 Otevřený konec

Strana 10

Obr. 3 Close-end

Obr. 4 Push-pack

Obr. 5 Knot-end

Strana 11

2.

NÁVRH PRINCIPU

Prvním úkolem, který vyplynul ze zadání, bylo vymyslet princip zauzlování konce roubíku. V této kapitole chci popsat kroky, které vedly k finální verzi. Samotný problém principu uzlovacího zařízení jsem rozdělil do dvou fází. 1. Vytažení střeva z roubíku 2. Vytvoření samotného uzlu Abychom mohli začít vymýšlet způsob, jak vytáhnout střevo z roubíku, musíme pochopit samotnou výrobu. Roubík se vyrábí ze střeva, které je extrudováno v pobočce v Lommelu v Belgii. Samotné střevo se z velké části skládá z viskózy, která je dále chemicky upravená. Střeva se vyrábí v různých velikostech (různé průměry), různých konstrukcích (různé chemické složení), dále je možné označení střeva barevnými proužky pro jednodušší identifikaci v masokombinátech. Toto střevo ještě může být potisknuté různými potisky. Všechny tyto vlastnosti střeva se vyrábí na základě poptávky od zákazníka. Toto střevo je transportováno do našeho závodu namotané na cívce. (obr. 6)

Obr. 6 Cívka se střevem Samotné zpracování střeva spočívá v nařásnění pomocí řásnicích kol do roubíků. Řásnění spočívá v ukládání střeva na trnu do kliček (obr. 7). V průběhu řásnění se na vnitřní stranu střeva nanese roztok, který slouží k usnadnění loupání párků. Na obrázku 8 je ukázán průřez roubíkem, na kterém je vidět poskládání střeva.

Strana 12

Obr. 7 Řásnění střeva mezi řásnicími koly

Obr. 8 Průřez roubíkem

Strana 13

2.1.

Vytažení střeva z roubíku

Jak bylo naznačeno v předchozím textu, dříve než se budeme zaobírat myšlenkou samotného zauzlování, musíme nejprve vytáhnout konec střeva z roubíku. Při této činnosti nabereme na konci roubíku střevo a povytáhneme ho. Při této činnosti nesmíme roubík nijak poškodit, aby nedošlo k roztržení střeva při narážení v masokombinátech.

2.1.1. Vytažení střeva pomocí háčku Prvním způsobem, jak vytáhnout střevo, bylo s použitím háčku. Ten by zachytil konec střeva v roubíku a vytáhl ho. Ovšem zajistit, aby došlo vždy k zachycení střeva je složité, dále zde hrozí možnost porušení střeva nebo k zdeformování samotného roubíku. Z toho důvodu jsem od této varianty ustoupil.(obr. 9)

Orb. 9 Princip vytažení střeva pomocí háčku

2.1.2. Vytažení střeva pomocí podtlaku V dalším kroku jsem se zaměřil na možnost vytáhnutí střeva pomocí podtlaku. Jednalo by se o zařízení, které by bylo schopno při dotyku s koncem roubíku se přisát na konec střeva a tím by bylo možno toto střevo vytáhnout. Bohužel jsem nenašel žádného výrobce, který by vyráběl takové zařízení, které by alespoň částečně odpovídalo mým požadavkům. (obr. 10)

Strana 14

Obr. 10 Podtlakové nádstavce [1]

2.1.3. Vytažení střeva pomocí prstů Finální varianta je založena na částečném namotání střeva na čep, posléze k zajištění střeva a následně k jeho vytažení.(obr. 11)

Obr. 11 Vytahovací prsty s čepem Tento text obsahuje utajené informace. (obr. 12)

Strana 15

Obr. 12 Příjezd vytahovacích prstů k roubíku Tento text obsahuje utajené informace Zde je znázorněná celá jednotka, která zajišťuje vytažení střeva z roubíku.(obr 13)

Obr. 13 Vytahovací jednotka Jak již bylo zmíněno, firma vyrábí různé velikosti střeva. Z toho důvodu také sběrací prsty a čep se vyrábí v různých velikostech.

Strana 16

2.2.

Vytvoření uzlu

Při ručním vázání se používá pro zavření konce roubíku nejjednodušší uzel typu očko. Základem tohoto uzlu je vytvoření očka a následném protáhnutí volného konce tímto očkem.

2.2.1. Vytvoření uzlu pomocí drážkového válečku První variantou, která je technicky schopna zajistit vytvoření uzlu, byla pomocí dutého válečku, ve kterém je vybroušena drážka dle obr. 14

Obr. 14 Drážkový váleček

Princip činnosti je následující: 1. 2. 3. 4. 5.

Střevo, které je vytažené z roubíku se smotá do tenkého pramínku K tomuto pramínku přijede váleček pod úhlem α=30° Rotací kolem své osy o 360° se střevo namotá kolem válečku, toto střevo je vedené v drážce Středem válečku vyjede vtahovací háček Další rotací válečku dojde k přehození konce střeva a vtažení pomocí háčku, tím dojde k vytvoření uzlu

Strana 17 2.2.2. Vytvoření uzlu pomocí válečku Další variantou vytvoření uzlu je pomocí dutého válečku. (obr. 15)

Obr. 15 Dutý váleček Princip činnosti: 1. 2. 3. 4. 5.

Střevo, které je vytažené z roubíku se smotá do tenkého pramínku Dutý váleček stáhne střevo Otočí se o 180° ve směru osy x Otočí se o 90° ve směru osy y Pomocí háčku se volný konec vtáhne do válečku a tímto dojde k vytvoření uzlu.

Strana 18 2.2.3. Vytvoření uzlu namotáním pomocí prstu Tento text obsahuje utajené informace. (obr. 16)

Obr. 16 Uzlovací prst Princip činnosti: Tento text obsahuje utajené informace. (obr. 17)

Obr. 17 Jednotka vyjetá v pracovní poloze

Strana 19 Tento text obsahuje utajené informace. (obr. 18)

Obr. 18 Vytáhnutí střeva Tento text obsahuje utajené informace. (obr. 19)

Obr. 19 Najetí uzlovací jednotky

Strana 20

Tento text obsahuje utajené informace. (obr. 20)

Obr. 20 Vyjetí vnitřního válečku

Tento text obsahuje utajené informace (obr. 21, 22)

Obr. 21 Přehození střeva

Strana 21

Obr. 22 Přehození střeva Tento text obsahuje utajené informace. (obr. 23)

Obr. 23 Vyjetí vtahovací jehly

Strana 22 Tento text obsahuje utajené informace. (obr. 24)

Obr. 24 Zachycení střeva vtahovací jehlou Tento text obsahuje utajené informace. (obr. 25)

Obr. 25 Vtažení střeva

Strana 23 Tento text obsahuje utajené informace. (obr. 26, 27)

Obr. 26 Dotažení uzlu

Obr. 27 Dotažení uzlu

Strana 24 Na obr. 28 je vidět výsledek uzlování střeva. Velikost uzlu je závislá na dotahované síle. Tato síla se bude nastavovat na předem dané hodnoty dle velikosti a struktuře střeva.

Obr. 28 Uzel vytvořený jednotkou

Strana 25

3.

NÁVRH POHYBŮ A MĚŘICÍCH KOMPONENTŮ

Pro pohyb jednotky je zapotřebí specifikovat ložiska i samotné lineární vzduchové válce. Nejdříve budu specifikovat lineární ložiska. Lineární ložiska slouží k zjištění lineárních pohybů. Dle požadavků se používají různé druhy ložisek

3.1.

Kluzná ložiska

Výhody: - jednoduchost a nízká cena - snadná montáž s přesným uložením - jednoduchá výměna - možnost použití ve vysokých teplotách - tlumí rázy a vibrace Nevýhody: - vyšší tření - menší únosnost - nutnost dostatečného mazání - náchylné k zadření - po montáži většinou vyžadují záběh

3.2.

Lineární vedení

Pro správný výběr kuličkového lineárního vedení je třeba spočítat momentové charakteristiky. (obr. 29)

Obr. 29 Moment síly [2] Moment síly je vektor, který vyjadřuje otáčivé účinky síly. →

→

→

M = r× F

Hmotnost vyjadřuje setrvačné či gravitační účinky hmoty. →

→

F = m⋅g →

F - vektor síly [N] m - hmotnost tělesa [Kg] →

g - gravitační zrychlení [ms-2]

Strana 26 3.2.1. Výpočet síly vytahovací jednotky Pro výpočet síly, je nutné zjistit hmotnost vytahovací jednotky. Tu jsem zjistil z CAD systému, ve kterém jsem tuto jednotku kreslil. Hmotnost vytahovací jednotky byla spočítaná na 5,35 kg. →

→

F = m ⋅ g = 5,35 ⋅ 9.81 ≅ 52,49 N Výpočet momentu Mx (obr. 30)

Obr. 30 Těžiště vytahovací jednotky →

→

→

M X = r × F = r ⋅ F ⋅ sin α = = 8.37 ⋅ 10 − 3 ⋅ 52.49 ⋅ sin 90° = = 0,44 Nm

Strana 27 Výpočet momentu My (obr. 31)


→ →

M Y = r ⋅ F = r ⋅ F ⋅ sin α = = 7,53 ⋅ 10 − 2 ⋅ 52.49 ⋅ sin 90° = = 3,95 Nm Výpočet momentu Mz (obr. 32) Pro tento moment použijeme maximální sílu utahování uzlu F=200N


→ →

M Z = r ⋅ F = r ⋅ F ⋅ sin α = = 4.45 ⋅ 10 − 2 ⋅ 200 ⋅ sin 90° = = 8,9 Nm

Výpočty ostatních momentů jednotky byly provedeny obdobně. Dle těchto výpočtů byly zkontrolovány navržené lineární vedení na celé jednotce.

Strana 28

3.3.

Pneumatické prvky

Pro lineární pohony použiji pneumatické vzduchové válce. Jako hlavní důvod, proč použiji tyto prvky, je přítomnost stlačeného vzduchu na stroji, na který se uzlovací jednotka připojuje. Dalším důvodem jsou malé vstupní náklady, vysoká spolehlivost, dlouhá životnost prvků a jednoduchá řiditelnost rychlostí pohybů lineárních pohonů. Pro pneumatické prvky jsem zvolil prvky od firmy Festo. Důvod, který mě vedl k tomuto rozhodnutí je v tom, že firma Viskoteepak již řadu let s touto firmou spolupracuje a je s ní velice spokojená. Dále asi 90% prvků, které potřebuji na tuto jednotku má firma skladem.

3.3.1. Výpočet přímočarých motorů Pro výpočet těchto válců jsem použil software PROPNEU, který se může zdarma stáhnout na stránkách festo. Tento software slouží pro výběr vzduchových válců dle požadavků. Po zadání vstupních informací program navrhne několik přímočarých motorů, které doporučuje použít. Např. pro posun vytahovací jednotky navrhl program vzduchový válec ADN-20-120-A-P-A.

3.3.2. Proporcionální redukční ventil Pomocí proporcionálního redukčního ventilu můžeme analogovým signálem řídit výstupní tlak. Tento ventil můžeme ovládat pomocí napětí (0-10V), nebo pomocí proudu (4-20mA). Velikost výstupního regulovaného tlaku a normálního jmenovitého průtoku je závislá na vybraném typu proporcionálního ventilu. Princip elektropneumatického regulačního obvodu je znázorněn v blokovém schématu (obr. 33)

Obr. 33 Blokové schéma proporcionálního ventilu [4] Pro dané použití jsem z důvodů regulovaného tlaku a normálního jmenovitého průtoku vzduchu vybral proporcionální ventil od firmy Festo s označením MPPES-3-1/8-6-420 MPPES ventil s proporcionálním elektromagnetem 3 třícestný ventil 1/8 připojovací rozměr 6 regulační rozsah 0 – 6 bar 420 řízené napětím 4 – 20mA

Strana 29 Pro praktické použití tohoto ventilu uvádím způsob zapojení konektoru (obr. 34)

Obr. 34 Zapojení proporcionálního ventilu [3]

3.3.3. Ventilový terminál Pro ovládání válců se v tomto případě použijí elektromagnetické ventily. Pro tento případ jsem zvolil kompaktní ventilový terminál od firmy Festo s označením CPV 10 (obr. 35). Pro výběr terminálu jsem využil konfigurátor výrobku. Velkou výhodou tohoto terminálu spočívá v tom, že se jedná o stavebnicový systém, který se poskládá dle potřeb. Pro stavbu prototypu jsem použil tento terminál s elektrickým ovládáním připojený pomocí konektoru. Pro použití jednotky na řásnicím stroji navrhuji použít ovládání pomocí sítě CanOpen, z důvodu jednoduššího připojení na řásnicí stroj (obr. 36). Pro otestování připojení jsem dostal zapůjčenu elektrickou desku s připojením CanOpen na ventilový terminál. Pří testech jsem zjistil, že tento terminál je plně kompaktibilní s ovládací jednotkou a mohu ho využít.

Strana 30

Obr. 35 Ventilový terminál CPV10 [3] 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13.

elektrická část koncová deska ventily koncová deska držák popisků připojení vzduchu vertikální výstavba základová deska koncová deska koncová deska s tlumičem držák na DIN lištu držák na stěnu el. konektor

Strana 31

Obr. 36 Ventilový terminál CPV10 s připojením CanOpen [3]

3.4.

Krokový motor

Krokový motor převádí digitální signál na polohu. Princip je podobný jako u asynchronního motoru, jenom místo točivého magnetického pole se používá „poskakující“ magnetické pole, které vzniká postupným napájením dvojic pólů. Počtem poloh, při kterých se mění magnetické pole v 1 otáčce motoru nazýváme počtem kroků. Krokové motory dle konstrukce dělíme do dvou skupin • •

s pasivním rotorem - rotor je vyroben z feromagneckého materiálu s aktivním rotorem - rotor je vyroben z permanentního magnetu

V tomto případě jsem použil krokové motory od firmy Microcon řady SX16-0503 a SX232727 (obr. 37). V obou případech mají motory délku kroku 1,8° a toleranci kroku ± 0,1°. Na obr. 38 a 39 jsou technické parametry použitých krokových motorů.

Strana 32

Obr. 37 Krokový motor [5]

Obr. 38 Technické parametry krokových motorů řady SX16 a 17 [5]

Obr. 39 Technické parametry krokových motorů řady SX23 [5] Pro stavbu prototypové jednotky jsem použil zapojení krokových motorů dle obrázků 40 a 41

Strana 33

Obr. 40 Zapojení vynutí motoru SX16-503 [5] Obr. 41 Zapojení vynutí motoru SX23-2727 [5]

3.5.

Ovládání krokového motoru

Pro ovládání motoru jsem zvolil programovatelnou jednotku CD30x (obr. 42). Tato deska obsahuje jak řídící část, tak i výkonnou část. Řídící část je realizovaná kontrolerem řady M1486.

obr. 42 Programovatelná jednotka CD30x [5] Před použitím této jednotky se nejprve nastaví výstupní proud do krokového motoru, který se může pohybovat od 0,4 - 3,3 A. Toto nastavení se provádí pomocí spínačů SIPB-1 (obr. 43) podle tabulky (obr. 44). Toto nastavení se provádí z technických parametrů krokových motorů.

Obr. 43 Schéma vstupů, výstupů a spínačů na desce CD30x [5]

Strana 34

Obr. 44 Nastavení proudu motoru [5] Dále na této desce můžeme využít sériovou linku RS232 CAN9M (obr. 43), a další vstupy a výstupy na svorkovnicích 20W-1 a 6W-1.

3.6.

Programovací jednotka

Pro ovládání jednotky jsem zvolil programovací jednotku Unitronic řady 120 (obr. 45). Zvolil jsem ho z toho důvodu, že se již na řásnicím stroji nachází a využívá se k ovládání zařízení, které vytváří jiné konce pushpack a close end. Programovatelná jednotka Unitronic detekuje zařízení, které je umístěné na stroji a podle něj vybere program, který bude zaručovat správnou funkci.

Obr. 45 Programovací jednotka Unitronics V120 [6]

Strana 35 Tato jednotka má tyto technické parametry: • • • • • • • • • •

Napájecí napětí je 12 nebo 24 VDC 12 digitálních vstupů typu pnp nebo npn dva rychlé vstupy ( s frekvencí 10ms ), místo dvou digitálních vstupů dva analogové 12 bitové vstupy ( 0-10V, 0-20mA nebo 4-20mA – dle nastavení ), místo dvou digitálních vstupů 12 digitálních výstupů 2 rychlé výstupy ( maximálně 2 kHz) grafický LCD display 128x64 pixelů paměť 448kbit dva sériové porty s rozhraním RS232 nebo RS485 jeden CANbus port

Z důvodu nedostatku digitálních a analogových vstupů a výstupů jsem pro stavbu prototypového dílu dále použil rozšiřující moduly. Pro spojení programovací jednotky a rozšiřujících modulů je zapotřebí použít rozšiřující adaptér EX-A1 (obr. 46). Použité rozšiřující moduly: •

IO-A14-A02

1x

4 analogové 12-bitové výstupy 2 analogové 12-bitové vstupy •

IO-D18-T08

2x

8 digitálních výstupů 8 digitálních vstupů

Obr. 46 Rozšiřující moduly

Strana 36 Zapojení, které je použito na prototypové jednotce, je znázorněno na obr. 47

Obr. 47 Způsob zapojení prototypové jednotky Tyto díly jsem použil z důvodu dostupnosti, protože firma Viskoteepak má tyto jednotky skladem. Vzhledem k zadání této práce, kdy je požadovaná mobilita zařízení, to znamená, že bude možné jednoduše tuto jednotku přidělat na řásnicí stroj, navrhuji řízení této jednotky pomocí sítě CanOpen. Na obr. 48 a 49 je naznačeno zapojení pomocí této sítě.

Strana 37

Obr. 48 Zapojení CanOpen do jednotky Unitronics V120 [7]

Obr. 49 Schéma zapojení sítě CanOpen [6]

Strana 38 Technické parametry sběrnice CanOpen • • • •

napájení 24 V maximální odběr 40 mA galvanické oddělení kontroléru a sběrnice Maximální délky kabelů: 1 Mbit/s 25 m 500 kbit/s 100 m 250 kbit/s 250 m 125 kbit/s 500 m 100 kbit/s 500 m 50 kbit/s 1000 m 20 kbit/s 1000 m Kabely, jejichž délka převyšuje 500 m, vyžadují další zdroj napájení

3.7.

Měření síly

Pro měření síly, jsem v případě prototypového dílu využil tenzometrický siloměr, který firma Viskoteepak již vlastní a používá ho pro jiné aplikace. Bohužel tento tenzometr má velké rozpětí měření (až 5kN), proto při zkouškách prototypu dochází k nepřesnostem v utahování uzlu. Z toho důvodu navrhuji použít jiný tenzometrický siloměr od firmy Lukas-Tenzo s označením S-46. Tento siloměr má rozsah měření 0 - 200N, které dostatečně postačí pro tuto aplikaci. Pro úpravu signálu ze siloměru použiji tenzometrický převodník od firmy ATERM s označením TZA 11420, který tenzometrický signál převádí na unifikovaný signál 4 - 20mA. Tento převodník je však nutné nastavit podle snímače. Postup nastavení převodníku TZA 11420: • • •

snímač je bez zatížení, pomocí trimru "nula" nastavíme výstupní proud 4mA snímač zatížíme na maximální zatížení, v našem případě 200N, a pomocí trimru "zisk" nastavíme na výstupu 20mA celý proces ještě jednou zopakujeme.

Výstupem je křivka s maximálně 0,1% nelinearizací

Strana 39

4.

PŘÍJEZD UZLOVACÍ JEDNOTKY K ROUBÍKU

Jak již bylo řečeno, roubík se vyrábí na trnu. Při konečné fázi je pomocí vyhazovacího táhla roubík z tohoto trnu stažen a uchycen do transportních kleští. Tyto kleště potom přesunou roubík do polohy, kdy je možno vytvořit na konci roubíku požadovaný konec. K tomu, aby se toto uzavření mohlo uskutečnit, musí celá jednotka přijet k roubíku. (obr. 50)

Obr. 50 Příjezd jednotky k roubíku Než může začít celý proces vytvoření uzlu, musíme nejprve detekovat, jestli se roubík nachází v kleštích. Pokud by se tam roubík nenacházel, hrozilo by při samotném cyklu zničení některých komponent o transportní kleště. Po samotné detekci můžeme jednotku nechat přijet k roubíku. Problém ovšem nastává v tom, že pozice roubíku v kleštích není stejná, ale pouze přibližná. Musíme tedy přesně detekovat pozici roubíku a nechat jednotku vyjet do pozice, kdy se roubíku dotýká sběracími prsty. Před zahájením cyklu musí jednotka být tlačena do roubíku určitou silou. Tato síla záleží na velikosti střeva a na konstrukci. Samotné síly byly zjištěny experimentálním způsobem. Pro tento pohyb jsem navrhl tři způsoby řešení, které jsem popsal v kapitolách 4.1, 4.2 a 4.3. V prvním a třetím způsobu řešení jsem použil k lineárnímu pohybu pneumatické válce s řízenými jednosměrnými škrtícími ventily. Ve druhém případě jsem navrhl pohyb pomocí krokového motoru s kuličkovým šroubem. Pro sestavení prototypového dílu jsem použil variantu číslo 1, protože je to levné řešení, které pro vyzkoušení prototypu je dostačující. Pro použití na řásnicím stroji navrhuji použít třetí variantu, protože není závislá na správném seřízení škrtících ventilů na pneumatickém válci a eliminuje časovou prodlevu, která nastává při časovém intervalu, při kterém vytahovací prsty přijedou k roubíku.

Strana 40

4.1.

Posun pomocí vzduchového lineárního válce s časovým intervalem

Detekci roubíku navrhuji provést již v průběhu přesunu roubíku v transportních kleštích pomocí kapacitního senzoru.

Nadřazený řídící systém stroje vyšle signál po dojetí transportních kleští do pozice, kdy se roubík nachází v ose jednotky

Nastaví se síla, kterou jednotka bude vyjíždět. Tuto sílu nastavíme pomocí změny tlaku, který budeme přivádět do vzduchového válce pomocí proporcionálního ventilu. Tato síla je pro každý kalibr a konstrukci střeva stejná.

Jednotka se musí pohybovat plynule, přibližně 20 cm/s, ale nesmí příliš narazit do roubíku. Tento pohyb se bude regulovat pomocí škrtících ventilů, které nastaví seřizovač.

Pro dojetí jednotky k roubíku je zvolen časový interval, při kterém se musí vytahovací prsty dotknout roubíku. Tento časový interval je pro všechny velikosti a konstrukce střeva stejný. Zajištění, že jednotka přijede k roubíku v časovém intervalu bude záviset na seřízení rychlosti pohybu jednotky seřizovačem. Nastavíme sílu, kterou vytahovací prsty tlačí na střevo nařásněné v roubíku. Pokud síla je malá, nedojde, nebo dojde pouze k částečnému namotání střena na trn a tím dojde ke špatnému vytáhnutí střeva. Pokud tato síla bude velká, může dojít k protržení střeva v roubíku a tím k jeho znehodnocení. Tato síla je pro každý kalibr a konstrukci střeva různá. Jednotka namotá střevo na vytahovací zajišťovacího čepu toto střevo zajistí.

prsty

a

pomocí

Vstupní tlak do vzduchového válce se vypne, tím se aktivuje brzda na vzduchovém válci a zablokuje ho na pozici, kde jednotka provede zauzlování.

Řídící systém uzlovací jednotky dokončí cyklus

Po ukončení uzlovacího cyklu se provede návrat do startovací polohy a připraví se jednotka pro vykonání následujícího cyklu.

Strana 41

4.2.

Posun pomocí krokového motoru s kuličkovým šroubem

Detekci roubíku navrhuji provést již v průběhu přesunu roubíku v transportních kleštích pomocí kapacitního senzoru.

Nadřazený řídící systém stroje vyšle signál po dojetí transportních kleští do pozice, kdy se roubík nachází v ose jednotky

Nastaví se vyjížděcí proud, který je menší než proud přítlaku jednotky

Uzlovací jednotka začne vyjíždět. Samotný pohyb bude realizován pomocí krokového motoru se zpětnou vazbou, který je spojen s kuličkovým šroubem

Pro dojetí jednotky k roubíku je zvolen časový interval, při kterém se musí vytahovací prsty dotknout roubíku. Tento časový interval je pro všechny velikosti a konstrukce střeva stejný.

Řídící jednotka nastaví předem daný minimální proud. Tento proud zajistí přítlak jednotky do roubíku, ovšem tento přítlak je menší než požadovaný.

Pomocí siloměru kontrolujeme sílu přítlaku. Pokud je tento přítlak menší, zvětšíme pomocí řídící jednotky proud do krokového motoru a tím také zvětšíme přítlak. Pokud pomocí tenzometru zjistíme, že přítlak je stejný nebo větší než požadovaný, program uzlovací jednotky může pokračovat

Jednotka namotá střevo na vytahovací prsty a pomocí zajišťovacího čepu toto střevo zajistí.

Pomocí krokového motoru zafixuje jednotku v pracovní poloze


Po ukončení cyklu dojde k zajetí jednotky do základní polohy.

Strana 42

4.3.

Posun jednotky pomocí vzduchového válce

Nadřazený řídící systém po dojetí transportních kleští do pozice vyšle signál

Nastaví se vstupní tlak do vzduchového válce, který provádí posun uzlíkovací jednotky. Tento tlak nastavíme pomocí proporcionálního ventilu.

Rychlost posunu se bude nastavovat pomocí škrtících ventilů, které bude seřizovat seřizovač. Pohyb musí být plynulý a musí se pohybovat okolo 20cm/s.

Pokud se jednotka pohybuje a snímač polohy detekuje větší vzdálenost, než je možná vzdálenost pro detekci roubíku, potom se roubík nenachází v kleštích.

Pokud snímač polohy nedetekuje změnu a zároveň není překročena kritická vzdálenost, potom jednotka přijela k roubíku a je připravena začít cyklus zauzlování. Nastavíme sílu, kterou vytahovací prsty tlačí na střevo nařásněné v roubíku. Pokud síla je malá, nedojde, nebo dojde pouze k částečnému namotání střena na trn a tím dojde ke špatnému vytáhnutí střeva. Pokud tato síla bude velká, může dojít k protržení střeva v roubíku a tím k jeho znehodnocení. Tato síla je pro každý kalibr a konstrukci střeva různá. Jednotka namotá střevo na vytahovací prsty a pomocí zajišťovacího čepu toto střevo zajistí.

Vstupní tlak do vzduchového válce se vypne, tím se aktivuje brzda na vzduchovém válci a zablokuje ho na pozici, kde jednotka provede zauzlování.


Po ukončení uzlovacího cyklu se provede návrat do startovací polohy a připraví se jednotka pro vykonání následujícího cyklu

Strana 43

5.

NÁVRH UŽIVATELSKÉHO PROGRAMU

V této kapitole se zabývám návrhem posloupností kroků, které je potřeba udělat, aby byl zajištěn správný postup při výrobě uzlu. Před návrhem uživatelského programu jsem nejprve vytvořil krokový diagram pneumatických válců, ze kterého je vidět posloupnost pohybů.(obr 51).

Obr. 51 Krokový diagram pneumatických válců Po vytvoření krokového diagramu můžeme vytvořit vývojový diagram, ze kterého je patrné, jaké vstupy a výstupy budeme potřebovat, na které válce musíme umístit snímače koncových poloh a kde bude nutno nastavit tlak do pneumatických přímočarých válců pomocí proporcionálních ventilů.

Strana 44

cíl: podmínky: výstup: kód údržby:

start programu startovací impuls z nadřízeného řídícího systému zmačknutím klávesy "1" SET interní proměnné "startovací signál" 0

cíl: podmínky: výstup:

nastavení tlaku do vzduchového válce č. 1 SET interní proměnné "startovací signál" analogový výstup propor. ventil 1 SET interní proměnné "proporcionální ventil 1"


vyjetí vzduchového válce č. 1 startovací impuls SET pneumatický ventil č. 1


kontrola vypršení časové prodlevy. Experimentálně byla nastavena tato prodleva na hodnotu 2 s startovací impuls SET interní proměnné "konec vyjetí válec č. 1"


konec vyjetí vzduchového válce č. 1 SET interní proměnné "konec vyjetí válec č. 1" RESET pneumatický ventil č. 1


start motor 1 RESET pneumatický ventil č. 1 start motor 1


kontrola vypršení časové prodlevy. Experimentálně byla nastavena tato prodleva na hodnotu 0,8 s RESET pneumatický ventil č. 1 SET interní proměnné "stop motor 1"


stop motor 1 SET interní proměnné "stop motor 1" stop motor 1


zajetí vzduchového válce č. 3 SET interní proměnné "stop motor 1" RESET pneumatický ventil č. 3 1

Strana 45


vyjetí vzduchového válce č. 2 SET vstup "válec 3 zajetí" SET pneumatický ventil č. 2 2


vyjetí vzduchového válce č. 4 SET vstup "válec 2 vyjetí" SET pneumatický ventil č. 4 3


start motor 1 SET vstup "válec 4 vyjetí" start motor 1


kontrola vypršení časové prodlevy. Experimentálně byla tato prodleva nastavena na hodnotu 1 s SET vstup "válec 4 vyjetí" SET interní proměnné "stop motor 1-1"


stop motor 1 SET interní proměnné "stop motor 1-1" stop motor 1


vyjetí vzduchového válce č. 5 SET interní proměnné "stop motor 1-1" RESET pneumatický ventil č. 5 4


vyjetí vzduchového válce č. 6 SET vstup "válec 5 vyjetí" SET pneumatický ventil č. 6


kontrola vypršení časové prodlevy. Experimentálně byla tato prodleva nastavena na hodnotu 0,1 s SET vstup "válec 5 vyjetí" SET interní proměnné "konec vyjetí válec č. 6"


vyjetí vzduchového válce č. 7 SET interní proměnné "konec vyjetí válec č. 6" SET pneumatický ventil č. 7

cíl:

kontrola vypršení časové prodlevy. Experimentálně byla tato prodleva nastavena na hodnotu 0,3 s SET interní proměnné "konec vyjetí válec č. 6" SET interní proměnné "konec vyjetí válec č. 7"

podmínky: výstup:

Strana 46


zajetí vzduchového válce č. 6 SET interní proměnné "konec vyjetí válec č. 7" RESET pneumatický ventil č. 6


kontrola vypršení časové prodlevy. Experimentálně byla tato prodleva nastavena na hodnotu 0,1 s SET interní proměnné "konec vyjetí válec č. 7" SET interní proměnné "konec vyjetí válec č. 6_1"


vyjetí vzduchového válce č. 3 SET interní proměnné " konec vyjetí válec č. 6_1" SET pneumatický ventil č. 3


start motor 2 program 1 SET interní proměnné " konec vyjetí válec č. 6_1" SET start motor 2


vyjetí vzduchového válce č. 8 SET vstup "stop motor 2" SET pneumatický ventil č. 8 5


nastavení programu 2 motor 2 SET vstup "vyjeti valec 8" SET interní proměnné "program 2 motor 2"


start motor 2 program 2 SET interní proměnné "program 2 motor 2" SET start motor 2


zajetí vzduchového válce č. 8 SET vstup "stop motor 2" RESET pneumatický ventil č. 8 6


vyjetí vzduchového válce č. 9 SET vstup "zajeti valec 8" SET pneumatický ventil č. 9 7


zajetí vzduchového válce č. 7 SET vstup "vyjeti valec 9" RESET pneumatický ventil č. 7 8

Strana 47


vyjetí vzduchového válce č. 11 SET vstup "zajeti valec 7" SET pneumatický ventil č. 11


vyjetí vzduchového válce č. 10 SET vstup "vyjeti valec 11" SET pneumatický ventil č. 10


nastavení tlaku do vzduchového válce č. 1 SET vstup "vyjeti valec 10" analogový výstup propor. ventil 2 SET interní proměnné "proporcionální ventil 2"


vyjetí vzduchového válce č. 12 SET interní proměnné "proporcionální ventil 2" SET pneumatický ventil č. 12


kontrola vypršení časové prodlevy. Experimentálně byla tato prodleva nastavena na hodnotu 0,5 s SET interní proměnné "proporcionální ventil 2" SET interní proměnné "konec vyjetí válec č. 12"


vyjetí vzduchového válce č. 13 SET interní proměnné "konec vyjetí válec č. 12" SET pneumatický ventil č. 13


kontrola vypršení časové prodlevy. Experimentálně byla tato prodleva nastavena na hodnotu 0,3 s SET interní proměnné "konec vyjetí válec č. 12" SET interní proměnné "konec vyjetí válec č. 13"


zajetí vzduchového válce č. 13 SET interní proměnné "konec vyjetí válec č. 13" RESET pneumatický ventil č. 13


zajetí vzduchového válce č. 11 SET interní proměnné "konec vyjetí válec č. 13" RESET pneumatický ventil č. 11 SET interní proměnné "konec zajetí válec č. 11"


impuls vzduchové trysky 1s SET interní proměnné "konec zajetí válec č. 11" SET/RESET pneumatický ventil č. 14 SET interní proměnné "tryska"

Strana 48


zajetí vzduchového válce č. 10 SET interní proměnné "tryska" RESET pneumatický ventil č. 10






kontrola vypršení časové prodlevy. Experimentálně byla tato prodleva nastavena na hodnotu 0,2 s SET interní proměnné "konec zajetí válec č. 9" SET interní proměnné "konec zajetí válec č. 9"


zajetí vzduchového válce č. 6 SET interní proměnné "konec zajetí válec č. 9" RESET pneumatický ventil č. 6


zajetí vzduchového válce č. 4 SET interní proměnné "konec zajetí válec č. 9" RESET pneumatický ventil č. 4


zajetí vzduchového válce č. 2 SET interní proměnné "konec zajetí válec č. 9" RESET pneumatický ventil č. 2 SET motor 2 program 3


start motor 2 program 3 SET vstup "zajeti valec 2" SET start motor 2


zajetí vzduchového válce č. 1 SET vstup "zajeti valec 2" RESET pneumatický ventil č. 1 SET konec cyklu SET motor 2 program 1

Strana 49

5.1.

Dotažení uzlu

Dále bych se rád věnoval cyklu, při kterém dochází k dotahování uzlu. Síla, kterou se uzel dotahuje, je závislá na kalibru střeva, tloušťce stěny střeva a dalších vlastnostech. Tato síla se zjišťuje experimentálně při testech, který se dělá vždy při první výrobě dané specifikace. Zatím byly udělány pouze testy na určitých kalibrech. Výsledky byly zapsány do tabulky (obr. 52).

Obr. 52 Tabulka pro zadání sil

Strana 50 5.1.1. Princip dotažení uzlu Pro správné dotažení uzlu je zapotřebí, aby utahovací síla byla nastavena správně. V našem případě musíme eliminovat různé ztráty, jak třecí tak opotřebením vzduchového válce. Proto jsem použil korekci přepočtu utahovací síly, která se provede dle následujícího diagramu.

1. Nastavení požadovaného tlaku do vzduchového válce

2. Kontrola vypršení času

3. Kontrola utahovací síly

4. Korekce utahovací síly

5. Přepočet nastavení tlaku

6. Korekce nastavení tlaku

1. Nastavení požadovaného tlaku do vzduchového válce se provede pomocí proporcionálního ventilu. Požadovaný tlak se vyčte z interní proměnné, kde v případě prototypu, se tato hodnota zadavá do jednotky unitronics ručně. Nastavení se provede pomocí analogového výstupu, který se spočítá pomocí těchto vzorců: výpočet síly válce: F p d R

F = p ⋅ 10 ⋅

d 2 ⋅π −R 4

síla vzduchového válce [N] vstupní tlak do vzduchového válce [bar] průměr válce [cm] tření (10%) [N]

Pro proporcionální ventil typ MPPES-3-1/8-6-420 platí tato závislost (obr. 53)

Strana 51

Závislost vstupního řídícího proudu na výstupním tlaku 7 6 5

Bar

4 3 2 1 0 0

5

10

15

20

25

mA

Obr. 53 Závislost řídícího proudu na výstupním tlaku Z tohoto grafu vyplývá rovnice závislosti řídícího proudu na výstupním tlaku

p = ( x − 4) ⋅ p x

3 8

výstupní tlak [bar] vstupní řídící proud [mA]

d 2 ⋅π −R 4 d 2 ⋅π F F = p ⋅ 10 ⋅ − 4 10 4⋅ F 4⋅ F p= + 2 10 ⋅ d ⋅ π 100 ⋅ d 2 ⋅ π 3 4⋅ F 4⋅ F ( x − 4) ⋅ = + 2 8 10 ⋅ d ⋅ π 100 ⋅ d 2 ⋅ π 3 3 2⋅ F 2⋅ F ⋅x− = + 2 8 2 5 ⋅ d ⋅ π 50 ⋅ d 2 ⋅ π 16 ⋅ F 8⋅ F x= + +4 2 15 ⋅ d ⋅ π 25 ⋅ d 2 ⋅ π F = p ⋅ 10 ⋅

2. Počká se, dokud nevyprší časová prodleva. Tato prodleva byla nastavena experimentálně 3. Pomocí siloměru se zjistí aktuální utahovací síla, která se vypočítá podle grafu obr. 54

Strana 52 Tenzometrický převodník - závislost síly na proudu 250

200

síla [N]

150 Řada1 100

50

0 0

5

10

15

20

25

proud [mA]

Obr. 54 Závislost síly na proudu Z tohoto grafu vyplývá rovnice závislosti řídícího proudu na výstupním tlaku

F = ( x − 4) ⋅

25 2

4. Pokud tato síla není požadovaná, vypočítá se rozdíl sil

∆F = Fpož − Fskut 5. Přepočítá se korekce tlaku dle vzorce

xF = x +

16 ⋅ ∆F 8 ⋅ ∆F + 2 15 ⋅ d ⋅ π 25 ⋅ d 2 ⋅ π

6. Přenastaví se analogový výstup

5.2.

Princip přítlaku jednotky pro nabrání střeva

Nastavení tlaku pro přítlak jednotky je velice podobná jako pro dotažení uzlu. V tomto případě není nutné použít korekci tlaku, protože dle testů, které byly provedeny, pro tento krok můžeme pracovat s větší odchylkou tlaku. Tento tlak se opět v případě prototypu zadává do jednotky unitronics ručně. V tomto případě se použije vzorec

3 8 3 12 p = ⋅x− 8 8 8 ⋅ p = 3 ⋅ x − 12 p = ( x − 4) ⋅

8 x= ⋅p+4 3

Strana 53

6.

REALIZACE POGRAMŮ

V této kapitole se věnuji samotné realizaci psaní programu. Pro tento účel se používá program Visilogic, který je volně dostupný. V tomto programu se využívá příčkového diagramu, ve kterém se píše jak samotný program, tak i HMI výstup na LCD display (obr 55).

Obr. 55 Program Visilogic [7] Protože v tomto programu můžeme psát program pro různé jednotky, musí se nejprve nakonfigurovat jednotka unitronic a expanzní moduly. Na expanzních modulech ještě nakonfigurujeme typy vstupů a výstupů (obr. 56)

obr. 56 Hardwarová konfigurace

Strana 54

Při psaní programu musíme brát na zřetel způsob skenování, což znamená jak probýhá pracovní cyklus jednotky. Nejprve se načtou všechna vstupní data, jak z fyzických vstupů, tak i z klávesnice. Potom proběhne samotný řídící program, který napsal uživatel. Nakonec proběhne aktualizace výstupů. (obr. 57). Tento cyklus probíhá nepřetržitě. V aplikacích můžeme používat tyto proměnné (obr. 58)

Obr. 57 Pracovní cyklus [7] Zkratka MB MI ML DW T SB SI SL SDW

Počet proměnných 1024 1024 256 64 128 512 512 64

Počet bitů 1 16 32 32 32 1 16 32

64

32

Název Memory bits Memory integer Memory long Double word Timer System bits System integer System long System double word

Obr. 58 Datové proměnné Při psaní programu se může využít mnoho předem naprogramovaných funkcí, jako například logických operacích, matematických funkcí, nastavení PID regulátoru a mnoho dalších. V části programu, který je na obrázku 59, jsem použil standartní vstupní, výstupní, matematické (násobení a dělení) a linearizační funkce. Celý program je uveden v příloze.

Strana 55

Obr. 59 Část programu psaný ve Visilogic Program se následně zkompiluje a přes RS485 nahraje do programovatelné jednotky. Při testování programu můžeme využít online test, při kterém kontrolujeme veškeré funkce, které se právě provádí.

Strana 56

6.1. Realizace dotažení uzlu Z důvodu zjednodušení přepočtu síly na výstupní proud 4 - 20mA jsem použil linearizační funkci, která převádí vstupní hodnotu na výstupní podle lineární funkce. Samotné nastavení je na obr. 60.

Obr. 60 Nastavení linearizační funkce X1 Y1 X2 Y2 X Y

minimální hodnota osy X minimální hodnota osy Y maximální hodnota osy X maximální hodnota osy Y vstupní hodnota výstupní hodnota

V tomto případě se převádí tlak 0-615 (0-6,15 Bar) na hodnotu 0-4095 (výstup 12bit) ze vstupní hodnoty MI 13 na výstupní hodnotu MI 14, která je nastavena jako analogový výstup. Ze zadané síly (MI 4), která se na prototypové jednotce nastavuje pomocí klávesnice na Unitronics v obrazovce utahovací síla, se vypočítá tlak do pneumatického válce. Nejprve se zadaná síla vynásobí 100, z důvodu jednoduššího dělení, a potom se vydělí 28 (obr. 61). Maximální síla 170N je dosažena při tlaku 6 Barů. Z toho jsem vypočítal, že přibližně x=28y.

Obr. 61 Přepočet síly na tlak Pomocí linearizace se převede vypočítaná hodnota tlaku na analogový výstup na proporcionální ventil, který nastaví tlak do pneumatického válce (obr. 62)

Obr. 62 Linearizace výstupu

Strana 57 Po časové prodlevě se načte do analogového vstupu (MI 2) unifikovaný signál ze siloměru, a uloží se do proměnné MI 8. Od zadané hodnoty síly (viz obr. 61) se odečte naměřená síla, která díky přepočtu je vždy menší, a uloží se do proměnné MI 9 rozdíl sil (obr. 63)

Obr. 63 Výpočet rozdílu sil Rozdíl sil se přičte k vypočítané síle (obr. 64) a zpětnou linearizací se provede korekce tlaku do pneumatického válce (obr. 65)

Obr. 64 Oprava přepočtu síly

Obr. 65 Korekce tlaku Pro nastavení tlaku pro přítlak jednotky se postupuje obdobným způsobem.

Strana 58

Strana 59

7.

NÁVRH ZADÁVÁNÍ HODNOT

Pro jednotky, které budou nainstalované na řásnicích strojích, navrhuji jiný způsob zadávání hodnot. Při výměnách na řásnicím stroji se zadávají základní hodnoty do řídícího systému stroje. V těchto základních hodnotách je i kalibr střeva. Je nesmyslné, aby mechanik, který dělá výměnu na stroji, zadával tyto informace do řídící jednotky unitronics. Může dojít ke špatnému zadání hodnot a tím i k výrobě špatných roubíků. Na základě těchto skutečností navrhuji, aby informace, které jsou zapotřebí k ovládání jednotky, byly získány automaticky.

Síly, potřebné pro zadání uzlovacího cyklu budou uloženy na SQL serveru, kde mohou být aktualizované. Při zmáčknutí startovacího tlačítka řásnicího stroje dojde k poslání požadavku sil na SQL server. Jako ukazatel bude použit kalibr střeva. Tím, že budeme požadovat načtení sil při startu řásnicího stroje, bude zajištěno, že budeme používat vždy správné síly. Řídicí systém řásnicího stroje načte síly, které jsou potřebné při nastavení uzlovací jednotky. Tyto síly zapíše do vnitřní paměti a pošle do řídicí jednotky uzlovacího zařízení. Pro tuto aplikaci využiji toho, že již existuje síť, která propojuje řídící systémy řásnicích strojů (obr. 66). Tato síť vznikla z důvodu shromažďování dat, především chyb, které jsou následně vyhodnocovány. Propojuje řídící systémy PLC 5 od výrobce Allen-Bradley.

RSLinx

DH+ Řásnicí stroj 1

Řásnicí stroj Řásnicí stroj 2 3 Obr. 66 Síť DH+

Řásnicí stroj 4

Strana 60 Pro spojení mezi sítí a daty v počítači se používá program RSLinx. Tento program zajišťuje komunikaci různých programů a různých komunikačních protokolů. V tomto případě se využívá komunikační protokol DDE. Byl navržený firmou Microsoft, využívá vztah klient - server. Pro spuštění komunikace se provádí následující sled úkonů: • • •

• •

klient naváže spojení se serverem otevře se komunikační kanál nastavení DDE parametrů: Aplication name - název aplikace (RSLinx) Topic name - název předmětu (definice cílového zařízení) Item name - název položky (specifikace paměťového místa) posílají se data klientovi, pokud dojde ke změně požadovaných dat kanál je otevřený do doby, než ho jedna z aplikací nepřeruší

Pro spojení řídícího systému řásnicího stroje a uzlovací jednotky navrhuji použít síť RS485 (obr. 67). Pro toto připojení je nutné koupit kartu do řídící jednotky řásnicího stroje s označením 1771DB. Tato karta umožňuje propojení přes RS485.

Obr. 67 Propojení řídicích systémů

Jako komunikační protokol jsem zvolil Modbus ASCII. Komunikace je založena na principu klient server. V tomto protokolu se posílá každý osmibitový bite jako dvojice ASCII znaků. Počáteční identifikátor se používá : a konec zprávy znaky CR/LF (obr. 68).

Obr. 68 Protokol Modbus ASCII

Strana 61

8.

POŽADAVKY NA OBSLUHU

Z důvodu snadnějšího a rychlejšího ovládání jednotky doporučuji naprogramovat některé funkce, které usnadní ovládání jednotky. V prvém případě se jedná o doladění utahovací síly a v druhém případě se jedná o údržbářský modul, který nabízí rychlou detekci při poruchách.

8.1.

Ladění utahovací síly

Na kvalitu uzlu při dotahování má vliv kvalita střeva, síla stěny střeva, potisk, proužky a vlhkost. Z tohoto důvodu je nutné mít možnost doladění dotahované síly. Síla, která byla získána testy, není vždy ta nejvhodnější, je to pouze doporučená síla. Proto doporučuji naprogramovat modul, ve kterém seřizovač jednoduše může zvýšit či snížit utahovací sílu (obr. 69).

Obr. 69 Modul k úpravě utahovací síly Na tomto příkladu je vidět, že síla bude zvýšena o 2% na sílu 81,6N pomocí kláves 1 nebo 6. Tímto způsobem je zajištěna rychlá korekce síly. Tento rozdíl sil bude uložen do vnitřní paměti jednotky a při každém nastavení utahovací síly se přičte nebo odečte od základní síly.

Strana 62

8.2.

Detekce poruch

Z důvodu jednodušší identifikace problému při zastavení uzlovací jednotky, jsem do programu vložil kód údržby. Tento kód zajistí rychlejší opravy a tím vyšší výkon stroje. Samotný proces použití kódu údržby je následující. • • • •

Při poruše na jednotce dojde k zastavení stroje a obsluha přivolá mechanika Mechanik na jednotce Unitronic vyvolá "maintenance modul" stisknutím klávesy 5 (obr. 70) Na displeji se vypíše kód chyby a stručný popis V manuálu pro ovládání uzlovací jednotky budou vypsány možné příčiny zastavení jednotky.

Obr. 70 Údržbářský modul

8.2.1. Seznam chybových hlášení 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Chyba vyjeti jednotky Chyba zachyceni streva vytahovaci jednotkou Chyba zajeti vytahovaci jednotky Chyba klesti Chyba vyjeti uzlovaci jednotky Chyba vyjeti vtahovaci jehly Chyba zajeti vtahovaci jehly Chyba zasunuti vodiciho valecku Chyba vyjeti vtahovací sestavy

Strana 63 8.2.2. Možné příčiny zablokování stroje Pro vyhodnocení sil jsem vytvořil tabulku, která popisuje nejčastější závady při zablokování uzlíkovací jednotky (obr. 71)

Strana 64

Obr. 71 Tabulka možných závad uzlíkovací jednotky

Strana 65

9.

VYHODNOCENÍ VÝSLEDKŮ

V této kapitole bych chtěl shrnout výsledky, kterých jsem dosáhl. V současné době je prototyp funkční a provádí se na něm testy různých kódů střeva. S těmito testy vznikají další požadavky, které se průběžně řeší. Zároveň se připravuje připojení jednotky na řásnicí stroj, který by se měl uskutečnit 1.7.2011.

9.1.

Poznatky z řešení

Nejprve bych chtěl podotknout, že toto zařízení, které jsem navrhl, ve firmě nikdy nebylo. Proto musím konstatovat, že ne všechny věci se podařily vyřešit na první pokus. Jeden z velkých problémů, které jsem musel řešit, nastal při vtahování střeva jehlou. Bohužel jsem nebyl schopen zajistit, aby střevo, které je vytahované z roubíku bylo stejně namotané na vytahovacích prstech. Po několika nezdarech jsem řešil problém komplexněji, a došel jsem k softvarovému řešení, kdy jsem změnil posloupnost chodu lineárních pohybů. Výsledek mě velice překvapil, protože problém byl vyřešen naprosto jiným způsobem. Z toho plyne pro mne ponaučení, že na problém se musím dívat více globálně a i řešení, které zdánlivě nemá s problémem nic společného, může vést ke zdárnému konci

9.2.

Narážení střeva

V rámci testů, které se provádí na nových výrobcích, je i test narážení střeva. Tento test spočívá v naplnění párkového střeva masem. Tento test se provádí na automatickém narážecím stroji Townsend RT6, na kterém se naráží střevo masem i v masokombinátech. Test byl proveden v testovací kuchyni firmy Cutisin v Jilemnici dne 5. dubna 2011 a prováděl ho ing. Vladimír Ševčík. Roubíky s konci vyrobené na této jednotce byli vyrobeny 29.března 2001, aby tyto roubíky vyschly. Test byl rozdělen do několika částí: Nový roubík OE 6 ks - simuluje standartní výrobu na stroji s jednotkou knotend Nový roubík

25 ks - simuluje standartní výrobu na stroji s jednotkou knotend, při které dojde k opravě konce

Starý roubík přepracovaný 25 ks - simuluje opravu konce roubíků, které byly vyrobeny před min. 24h Nový roubík + starý roubík přepracovaný, u kterých byl vysunut uzel z roubíku - test jiného způsobu dodávání k zákazníkovi

10 ks

Výsledek testu: Během narážení a uzení nedošlo k prasknutí roubíků (nebylo poškozeno střevo jednotkou) a nedošlo i k rozvázání uzlu. Jediný problém, který vznikl při narážení masem, byl u jednoho roubíku v testu starý roubík přepracovaný, kdy došlo k vytlačení uzlu bez masa. Tento problém vznikl z důvodu špatného vsunutí uzlu do roubíku (obr. 72)

Strana 66

Obr. 72 Vytlačení uzlu bez masa V rámci tohoto testu vznikly další podměty pro zkvalitnění výrobku. ustřihnout střevo 2-4 mm za uzlem vystředit uzel vsunutý do roubíku Celá zpráva je součástí přílohy.

9.3.

Cenová rozvaha

Cena uzlíkovací jednotky nesouhlasí s cenou, kterou stála prototypová jednotka. Tento rozdíl je zapříčiněn vývojem této jednotky, to znamená, že některé díly prototypové jednotky byly objednávány několikrát. Proto jsem sečetl cenu všech dílů, které se nachází na prototypové jednotce a nepočítal jsem díly, které sice byly objednány na tuto jednotku, ale nenachází se na poslední verzi této jednotky. Cenu, kterou jsem takto vypočítal je 127 256,30 Kč. Pro výpočet nákladů, jsem vyčíslil provozní náklady na výrobu jednoho roubíku: 1. pomocí uzlovací jednotky Vstupní náklady 127 256,30 Kč Spotřeba vzduchu na 1 roubík 8,8ˑ10-5 m3≈0 Kč Spotřeba el. energie na 1 robík ≈ 0 Kč Jednotka bude sukovat na stroji, proto vyrobí 900 roubíků za 24h. 2. pomocí operátora, který udělá uzel na konci roubíku ručně Vstupní náklady 0 Kč Náklady na ruční vázání jsou 130 Kč/h (hodinová sazba operátora) Operátor zaváže přibližně 2000 roubíků za 24 h. Z toho vyplívá, že náklady na zavázání 1 roubíku činí 0,64 Kč

Počet roubíků, které musí vyrobit uzlovací jednotka, aby se vyrovnaly náklady s operátorem

x=

127256,3 = 198837,9 ≈ 198840 0,64

Doba, za kterou jednotka vyrobí 198840 roubíků je 221 dní. Z toho plyne, že návratnost uzlovací jednotky je 221 dní.

Strana 67

10.

ZÁVĚR

V této diplomové práci jsem se zabýval sestrojením prototypové jednotky, která slouží k vytvoření ucpávky na konci roubíku. Zadání této práce jsem obdržel od firmy Viskoteepak, která se zabývá výrobou nejedlých párkových střev. Samotná ucpávka se vyrobí zauzlováním konce střeva. Tento proces musí být automatický, musí mít nezávislé řízení a uzlovací jednotka se musí dát přimontovat na řásnicí stroj, na kterém se vyrábí roubík. Uzlovací jednotku, kterou jsem vymyslel, firma doposud neměla a nikdy se nepokoušela o její vývoj. Proto před samotnou realizací tohoto úkolu jsem musel udělat zkušební testy na střevě. Jednalo se například o maximální sílu, při které nedojde k perforaci střeva. Po těchto testech jsem musel vymyslet samotný princip uvázání uzlu. Tento úkol jsem rozdělil do dvou částí, vytažení střeva z roubíku a vytvoření uzlu. V následující etapě tohoto projektu jsem zvolil přístrojové komponenty pro měření, pohyby a ostatní automatizační funkce. Pro samotné pohyby jsem zvolil pneumatické válce od firmy Festo, ventilový terminál CPV10 a ovládací jednotku Unitronics. V této jednotce jsem napsal řídící program pro ovládání prototypové jednotky. Při psaní programu jsem musel řešit problémy s nastavení utahovací síly. Tento problém jsem vyřešil pomocí změny vstupního tlaku do pneumatického válce pomocí proporcionálního ventilu. Vstupní data je zadávaná ručně do jednotky Unitronics. Z důvodu zjednodušení ovládání navrhuji tyto data zadávat automaticky pomocí nadřazeného ovládacího systému, který se nachází na řásnicím stroji, který je propojen s vnitřní sítí LAN pomocí sítě DH+. Dále navrhuji pro ovládání pneumatických ventilů, vstupních a výstupních dat programovací jednotky Unitronic, využít sítě CanOpen, která zjednoduší instalaci jednotky na stroj. Z tohoto důvodu jsem provedl test komunikace po síti CanOpen mezi jednotkou Unitronic a ventilovým terminálem CPV10. Při tomto testu vznikl problém s inicializací ventilového terminálu, který se mi podařilo odstranit. Jednalo se o špatné nastavení vstupní adresy. V současné době je prototypová jednotka sestrojena, je plně funkční a jsou na ní prováděné testy na různých typech střev. Na roubících, na kterých byl vytvořen uzel touto jednotkou, byly provedeny testy naplnění masem. Z výsledků těchto testů vyplývá, že žádný uzel se nerozvázal a ani samotné střevo při plnění masem neprasklo, to znamená že nebylo poškozeno uzlovací jednotkou. Z toho je patrné, že zadání tohoto úkolu jsem splnil. Při těchto testech vznikly další podměty pro zkvalitnění výrobku, které se budou řešit v další fázi vývoje uzlovací jednotky.

Seznam použité literatury [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8]

http://marek.eu/cz/katalogy/schmalz-vakuove-komponenty-a-systemy-pdf-anglicky/ http://www.hiwin.cz/cs/linearni-vedeni/pdf-download.html?id=6 http://www.festo.com/pnf/cs_cz/products/catalog http://2009.oc.smc-cee.com/sk/pdf/LG2_Proportional.pdf http://microcon.cz/ http://www.unitronics.com/ http://www.unitronics.com/Series.aspx?page=120

Strana 68

Strana 69

PŘÍLOHY

Strana 70

Strana 71

Strana 72

Strana 73

Strana 74

Strana 75

Strana 76

Strana 77

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Recommend Documents