VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ NÁVRH A KONSTRUKCE MODELU AUTOMATICKÉ GALVANIZAČNÍ LINKY

ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKYA ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY

FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF POWER ELECTRICAL AND ELECTRONIC ENGINEERING

NÁVRH A KONSTRUKCE MODELU AUTOMATICKÉ GALVANIZAČNÍ LINKY DESIGN AND CONSTRUCTION OF AUTOMATIC GALVANIC LINE

DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER'S THESES

AUTOR PRÁCE

BC. JIŘÍ VONDRUŠ

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR BRNO 2008

ING. PETR MELICHAR

1


2

smlouva A ELEKTRONIKY ÚSTAV VÝKONOVÉLicenční ELEKTROTECHNIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií poskytována k výkonu práva užít školní dílo Vysoké učení technické v Brně uzavřená mezi smluvními stranami: 1. Pan Jméno a příjmení:

Bc. Jiří VONDRUŠ

Bytem:

Kouty 84, Ledeč nad Sázavou, 584 01

Narozen (datum a místo):

05. 04. 1982 v Háji u Ledče nad Sázavou

(dále jen „autor“) a 2. Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií se sídlem Údolní 53, Brno, 602 00 Jejímž jménem jedná na základě písemného pověření děkanem fakulty: doc. Ing. Čestmír Ondrůšek, CSc., předseda oborové rady Silnoproudá elektrotechnika a výkonová elektronika (dále jen „nabyvatel“).

Článek 1 Specifikace školního díla 1. Předmětem této smlouvy je vysokoškolská kvalifikační práce (VŠKP): disertační práce diplomová práce bakalářská práce (dále jen VŠKP nebo dílo).

Název VŠKP:

Návrh a konstrukce modelu automatické galvanizační linky

Vedoucí VŠKP:

Ing. Petr Melichar

Ústav:

Ústav výkonové elektrotechniky a elektroniky

Datum obhajoby:

10. 06. 2008

VŠKP odevzdal autor nabyvateli v: tištěné podobě

- počet exemplářů: 2

elektronické formě - počet exemplářů: 3

3

2. Autor prohlašuje, že vytvořil samostatnou vlastní tvůrčí činností dílo shora popsané a specifikované. ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKYA ELEKTRONIKY Autor dále prohlašuje, že při zpracovávání díla se sám nedostal do rozporu s autorským zákonem Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií 4 a předpisy souvisejícími a že je dílo dílem původním. Vysoké učení technické v Brně 3. Dílo je chráněno jako dílo dle autorského zákona v platném znění. 4. Autor potvrzuje, že listinná a elektronická verze díla je identická.

Článek 2 Udělení licenčního oprávnění 1. Autor touto smlouvou poskytuje nabyvateli oprávnění (licenci) k výkonu práva uvedené dílo nevýdělečně užít, archivovat a zpřístupnit ke studijním , výukovým a výzkumným účelům včetně pořizovaní výpisů, opisů a rozmnoženin. 2. Licence je poskytována celosvětově, pro celou dobu trvání autorských a majetkových práv k dílu. 3. Autor souhlasí se zveřejněním díla v databázi přístupné v mezinárodní síti ihned po uzavření této smlouvy 1 rok po uzavření této smlouvy 3 roky po uzavření této smlouvy 5 let po uzavření této smlouvy 10 let po uzavření této smlouvy (důvodu utajení v něm obsažených informací) 4. Nevýdělečné zveřejňování díla nabyvatelem v souladu s ustanovením § 47b zákona č. 111/1998 Sb., v platném znění, nevyžaduje licenci a nabyvatel je k němu povinen a oprávněn ze zákona.

Článek 3 Závěrečná ustanovení 1. Smlouva je sepsána ve třech vyhotoveních s platností originálu, přičemž po jednom vyhotovení obdrží autor a nabyvatel, další vyhotovení je vloženo do VŠKP. 2. Vztahy mezi smluvními stranami vzniklé a neupravené touto smlouvou se řídí autorským zákonem, občanským zákoníkem, vysokoškolským zákonem, zákonem o archivnictví, v platném znění a popř. dalšími právními předpisy. 3. Licenční smlouva byla uzavřena na základě svobodné a pravé vůle smluvních stran, s plným porozuměním jejímu textu i důsledkům, nikoliv v tísni a za nápadně nevýhodných podmínek. 4. Licenční smlouva nabývá platnosti a účinnosti dnem jejího podpisu oběma smluvními stranami.

V Brně dne:

30. 05. 2008

....................................................................... Nabyvatel

....................................................................... Autor


5

Abstrakt Práce pojednává o návrhu a konstrukci modelu linky pro galvanické pokovení. První část je zaměřena na sestavení vhodného technologického postupu pro pokovení a rozložení pracovních van. Dále se zabývá návrhem mechanické konstrukce, elektroinstalace a výpočtem a volbou vhodných pohonných systémů pro model galvanické linky. Součástí práce je také návrh řídícího měniče pro DC motorky a výpočet a konstrukce topných článků pro simulaci vytápění pracovních lázní. V poslední části je pojednáno o řídícím systému pro obsluhu galvanické linky a sestaveném obslužném programu. V příloze jsou uvedeny fotografie zhotoveného modelu, schéma elektroinstalace a obslužný program pro ovládání modelu linky pro galvanické pokovení.

Klíčová slova cizí buzení, dekapování, dimenzování pohonu, FBD, galvanická linka, generátor pilových kmitů, chrómování, inkrementální čidlo, komparátor, LAD, manipulátor, mikrotrhlinkové chromátování, model, návrh pohonu, niklování, odmašťování, oplachování, oscilátor, PLC, pulsně šířková modulace, PWM, regulátor, řídící systém, Simatic S7-300, snímače, stejnosměrný motor, STL, technologický postup


6

Abstract This thesis deals with the design of automated system of electroplating. The first part is centered on designing the technological process for this electroplating and the setout of operating vats. It also deals with the project of mechanical construction, electrical system, with the computing procedure and the optimum choice of gear for galvanic line model. The work includes the design of a DC motor controller, the computing procedure and the construction of heating element for vats heater simulation. The last part of this thesis offers an insight to the control system and the assembled program. In the addendum, the photo of the realized model, the wiring scheme, and the programme transcript for control galvanic line model can be found.

Key words acid activation, comparator, control system, degreasing, design of gear, dimensioning of gear, direct current motor, FBD, function block diagram, galvanic line, chromium electroplating, increment sensor, LAD, ladder logic, manipulator, microfissure chromatizing, model, nickel electroplating, oscillator, PLC, pulse width modulation, PWM, regulator, rinsing, sensors, separate excitation, Simatic S7-300, statement list, STL, sweep generator, technological process


7

Bibliografická citace VONDRUŠ, J.: Návrh a konstrukce modelu automatické galvanizační linky. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2008, 122 stran, Vedoucí diplomové práce Ing. Petr Melichar.


8

Prohlášení „Prohlašuji, že svou diplomovou práci na téma NÁVRH A KONSTRUKCE MODELU AUTOMATICKÉ GALVANIZAČNÍ LINKY jsem vypracoval samostatně pod vedením vedoucího projektu a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené diplomové práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení § 152 trestního zákona č. 140/1961 Sb. S ohledem na financování nákladů spojených s konstrukcí modelu galvanizační linky z vlastních zdrojů si vyhrazuji právo na ponechání zkonstruovaného modelu.“

V Brně dne 30. 05. 2008

Bc. Jiří Vondruš


9

Poděkování Děkuji vedoucímu Ing. Petrovi Melicharovi za pedagogickou a odbornou pomoc, za cenné náměty a rady při zpracování diplomové práce. Dále děkuji firmě Elektro Ženíšek Ledeč nad Sázavou za konzultace a odbornou pomoc při technologickém návrhu pro galvanizační linku pro pokovení chrómem s mezivrstvou lesklého niklu.

Bc. Jiří Vondruš


10

Obsah 1. Úvod..................................................................................................................................14 2. Technologický návrh........................................................................................................15 2.1. Popis problematiky.....................................................................................................15 2.2. Technologický postup................................................................................................15 2.3. Pracovní procesy........................................................................................................17 2.3.1. Odmašťování......................................................................................................17 2.3.1.1. Katodické odmaštění..................................................................................18 2.3.1.2. Anodické odmaštění....................................................................................18 2.3.1.3. Katodicko-anodické odmaštění..................................................................18 2.3.2. Oplachování........................................................................................................19 2.3.2.1. Způsob oplachování....................................................................................19 2.3.2.2. Jakost vody pro oplachování......................................................................20 2.3.3. Dekapování.........................................................................................................21 2.3.4. Niklování............................................................................................................21 2.3.5. Chromátování.....................................................................................................22 2.3.5.1. Mikrotrhlinkové chromátování...................................................................22 2.4. Snímače......................................................................................................................23 2.4.1. Snímače hladiny.................................................................................................23 2.4.2. Snímače teploty..................................................................................................24 2.4.3. Snímače polohy..................................................................................................24 2.4.3.1. Kontaktní snímače......................................................................................24 2.4.3.2. Indukční a kapacitní snímače......................................................................26 2.4.3.3. Optické a akustické snímače.......................................................................27 2.4.3.4. Inkrementální snímač..................................................................................28 2.4.3.5. Snímače pro horizontální pohyb manipulátoru...........................................29 2.4.3.6. Snímače pro vertikální pohyb manipulátoru...............................................30 2.5. Vytápění lázní.............................................................................................................30 2.6. Čeření.........................................................................................................................32 2.7. Aplikace technologie na modelu linky.......................................................................32


11

3. Mechanická instalace.......................................................................................................33 3.1. Pojezdová dráha.........................................................................................................34 3.2. Zdvihová dráha...........................................................................................................35 3.3. Tělo manipulátoru......................................................................................................35 3.4. Zdvihová část manipulátoru.......................................................................................35 3.5. Pojezdová část manipulátoru......................................................................................35 3.6. Konstrukce modelu linky...........................................................................................36 3.7. Pracovní vany.............................................................................................................38 4. Pohonné jednotky............................................................................................................39 4.1. Požadované parametry manipulátoru.........................................................................39 4.2. Výpočet a volba pohonných jednotek........................................................................40 4.2.1. Požadavky na pojezdový pohon.........................................................................41 4.2.2. Výpočet pohonu pojezdu....................................................................................41 4.2.3. Volba vhodného pohonu pojezdu.......................................................................42 4.2.4. Ověření zvoleného pohonu pojezdu...................................................................43 4.2.5. Požadavky na zdvihový pohon...........................................................................44 4.2.6. Výpočet pohonu zdvihu......................................................................................46 4.2.7. Volba vhodného pohonu zdvihu.........................................................................46 4.2.8. Ověření zvoleného pohonu zdvihu.....................................................................46 4.3. Zhodnocení zvolených pohonů..................................................................................47 5. Měnič pro řízení DC motorků........................................................................................48 5.1. Pulzně šířková modulace............................................................................................48 5.1.1. Popis problematiky PWM..................................................................................48 5.1.2. Výhody a nevýhody PWM regulace...................................................................49 5.1.2.1. Výhody PWM regulace..............................................................................49 5.1.2.2. Nevýhody PWM regulace...........................................................................50 5.1.3. Výkon PWM regulace........................................................................................50 5.1.4. Metody PWM regulace.......................................................................................51 5.1.4.1. Symetrická metoda.....................................................................................51 5.1.4.2. Nesymetrická metoda.................................................................................53 5.2. Návrh PWM regulátoru..............................................................................................54 5.2.1. Požadavky na regulátor......................................................................................54


12

5.2.2. Parametry motoru...............................................................................................55 5.2.3. Princip PWM regulátoru.....................................................................................56 5.2.4. Funkční prvky regulátoru...................................................................................56 5.2.4.1. Napájecí zdroj.............................................................................................57 5.2.4.2. Oscilátor......................................................................................................58 5.2.4.3. Generátor pily.............................................................................................59 5.2.4.4. Vstupní část.................................................................................................60 5.2.4.5. Komparátor.................................................................................................60 5.2.4.6. Koncový stupeň..........................................................................................62 5.2.5. Schéma regulátoru..............................................................................................63 5.2.6. Fotografie PWM regulátoru...............................................................................65 5.2.7. Naměřené průběhy PWM regulátoru..................................................................66 5.2.8. Soupis a parametry použitých obvodů...............................................................72 6. Elektroinstalace................................................................................................................75 6.1. Snímací prvky............................................................................................................76 6.1.1. Snímání hladiny..................................................................................................76 6.1.2. Snímání teploty...................................................................................................76 6.1.3. Snímání polohy...................................................................................................77 6.2. Ovládané prvky..........................................................................................................78 6.3. Simulace vytápění lázní.............................................................................................78 6.3.1. Ověření navržených topných těles......................................................................80 6.3.2. Fotografie zhotovených topných těles................................................................85 6.4. Ovládací panel............................................................................................................86 6.5. Schéma zapojení.........................................................................................................87 7. Řídící systém.....................................................................................................................88 7.1. Simatic S7-300...........................................................................................................88 7.2. Použité moduly...........................................................................................................89 7.2.1. Parametry S7-300 CPU 314...............................................................................89 7.2.2. Parametry modulu digitálních vstupů.................................................................90 7.2.3. Parametry modulu digitálních výstupů...............................................................90 7.2.4. Parametry analogového modulu.........................................................................91 8. Obslužný program...........................................................................................................92


13

8.1. Programovací prostředí..............................................................................................92 8.1.1. Editor STL..........................................................................................................93 8.1.2. Editor LAD.........................................................................................................94 8.1.3. Vlastnosti editoru FBD.......................................................................................95 8.2. Vývojový diagram......................................................................................................96 8.2.1. Vývojový diagram kontroly hladiny..................................................................96 8.2.2. Vývojový diagram kontroly teploty...................................................................97 8.2.3. Vývojový diagram ovládání galvanizačních zdrojů...........................................98 8.2.4. Další vývojové diagramy....................................................................................99 8.3. Popis programu........................................................................................................100 8.3.1. Automatický režim provozu.............................................................................101 8.3.2. Manuální režim provozu...................................................................................102 8.3.3. Režim řízeného zátopu.....................................................................................103 8.3.4. Režim DeBlok..................................................................................................104 8.3.5. Nouzové zastavení............................................................................................104 9. Závěr...............................................................................................................................106 10. Fotografie zhotoveného modelu..................................................................................108 11. Použitá literatura..........................................................................................................112 12. Seznam obrázků, tabulek a použitých symbolů........................................................114 12.1. Seznam obrázků.....................................................................................................114 12.2. Seznam tabulek.......................................................................................................117 12.3. Seznam použitých symbolů a zkratek....................................................................118 13. Seznam příloh...............................................................................................................120


1.

14

Úvod

Galvanotechnika je odvětví, které se zabývá problematikou povrchových úprav kovových dílů. Elektrotechnické (galvanické) vylučování povlaků je proces, který může probíhat ve vodních roztocích, v prostředí organických rozpouštědel a v taveninách. Při tomto procesu dochází k vylučování kovového povlaku průchodem elektrického proudu. Z vodného prostředí je možné vylučovat kovy jejichž vylučovací potenciál je vyšší než potenciál vodíku. Prakticky se vylučují z vodních roztoků povlaky cadmia (Cd), chrómu (Cr), cínu (Sn), mědi (Cu), niklu (Ni), palladia (Pd), platiny (Pt), rhodia (Rh), rtuti (Hg), stibia (Sb), stříbra (Ag), zinku (Zn), zlata (Au), železa (Fe) a jejich slitiny. Kovy, které není možno vylučovat z vodných roztoků, se vylučují z tavenin nebo organických rozpouštědel. Kovy s vysokým bodem tání i platinové kovy je možno vylučovat při teplotách 300 .. 1400 °C (V, wolfram - W, molybdén - Mo, iridium - Ir). Z tavenin je možné vylučovat i kovy se značně negativním standardním elektrovodním potenciálem (magnesium - Mg, hliník - Al, titan - Ti). Nanesené povrchy slouží jako ochranná vrstva, dekorativní povrch nebo jako podkladová vrstva pro další povrchy. Každá z těchto kategorií vyžaduje určité parametry povrchu (složení, tloušťku) a technologický postup nanášení. Práce je zaměřena na návrh automaticky řízené galvanické linky pro pokovení chrómem s mezivrstvou niklu. Kontrolu nad procesem galvanizace bude provádět PLC (Programmable Logic Controller) Siemens Simatic S7-300. Celý pokovovací proces je navrhován jako bezobslužný, bude vyžadovat pouze obsluhu na navěšovacím (resp. svěšovacím) pracovišti. Běh dopravníku, jednotlivé stupně technologického postupu, teploty a hladiny kapalin v pracovních lázních bude obstarávat PLC. Diplomová práce pojednává o návrhu a volbě přidružených prvků souvisejících s galvanizačním provozem. Jedná se o sestavení vhodného technologického procesu, volbu pohonných jednotek manipulátorů, návrh DC/DC měničů pro řízení motorků, a volbu snímacích prvků. Součástí práce je i návrh a konstrukce modelu linky, který bude umožňovat simulaci galvanizačního procesu.


2.

15

Technologický návrh 2.1.

Popis problematiky

Proces galvanizačního pokovení není složitý, ale vyžaduje dodržování stanovených postupů. Předepsané postupy se zejména týkají teplot pracovních lázní a časů pokovování. Odchylky od předepsaných hodnot mohou podle typu procesu způsobit značné snížení kvalit naneseného povlaku. Jednou z možností, jak minimalizovat nepřesnosti v procesu pokovování, a zajistit tak kvalitní vyloučené povlaky, je přenechat veškeré řízení činnosti programovatelnému automatu neboli PLC (Programmable Logic Controller). Obsluha poté provádí pouze volbu požadovaného procesu, pokud to PLC umožňuje – je na různé procesy naprogramováno; obsluhuje pracoviště pro navěšování materiálu určeného pro pokovení a pracoviště pro svěšování pokovených výrobků. Podle náročnosti galvanizačního procesu a požadované výtěžnosti linky lze volit mezi jednořadou, dvouřadou či víceřadou linkou s různým počtem manipulátorů. Čím více manipulátorů máme na lince, tím je obslužný program složitější a jsou také kladeny větší nároky na obslužné PLC. Tato práce se zabývá návrhem linky pro pokovení chrómem s mezivrstvou niklu s využitím dvou manipulátorů na jednořadé lince.

2.2.

Technologický postup

Účelem navrhované galvanizační linky je pokovení niklem s následným nanesením chrómu. Jedná se o dekorativní pokovování, které využívá vrstvy lesklého niklu jako podkladu a vrstvy mikrotrhlinkového chrómu. Každá z těchto dvou operací vyžaduje své dílčí operace, které musí samotnému pokovení předcházet a které mu musí následovat (odmaštění, oplach, dekapování …). Každá z dílčích operací má stejně jako hlavní pokovovací operace své požadavky na parametry pracovní lázně.


16

S využitím Galvanotechnických tabulek [1] a knih: Povrchová úprava kovů I a II [2,3] byl navržen optimální technologický postup pro zvolené pokovení. Postup je uveden v tabulce 2.1. Tabulka 2.1: Technologický postup Číslo operace

Operace

Doporučený

Čas

Teplota

přípravek

[min]

[°C]

Proudová hustota [A/dm2]

Napětí [V]

1.

Navěšování / Svěšování

-

-

-

-

-

2.

Chemické odmaštění

Radalod

2

80..100

-

-

3.

Oplach studený 1°

voda

2

t.m.

-

-

4.

Katodické odmaštění

Synbalod 60

1

70..80

10

7..9

5.

Oplach studený 2°

voda

2x1

t.m.

-

-

6.

Dekapování

HCl

0,5

t.m.

0,05

10

7.

Oplach studený 2°

voda

2x1

t.m.

-

-

8.

Niklování

Wattsova lázeň

5

35..75

10

10

9.

Oplach studený 2°

voda

2x1

t.m.

-

-

10.

Dekapování

H2CrO4

0,5

t.m.

0,05

10

11.

Chromátování

Syngal Cr 850

5

30..55

10

10

12.

Oplach ekonomický

voda

0,5

t.m.

-

-

13.

Oplach studený 2°

voda

2x1

t.m.

-

-

14.

Sušení / chlazení

vzduch

2x2

60+

-

-

Z časů potřebných pro jednotlivé operace uvedených v tabulce 2.1 lze nyní sestavit pracovní postup a počet jednotlivých van, aby bylo dosaženo co největší optimalizace pokovovacího procesu. Operace jako niklování a chromátování vyžadují delší časy než jiné přípravné a finalizační procesy. Z těchto důvodů je vhodné osadit linku dvěma vanami pro


17

niklování a dvěma vanami pro chromátování; tím bude dosaženo lepší časové optimalizace celého pracovního procesu a na lince může současně pracovat více pracovišť. Tyto úpravy podstatně zvyšují efektivnost linky, ale jsou náročnější na obslužný program. Celkovou aktivní dobu pro pokovení jedné dávky lze vypočítat sečtením dílčích časů jednotlivých operací. 14

t =

∑ tn

= 2  2  1  1  1  0,5  1  1  5  1  1  0,5  5  0,5 

n=2

 1  1  2  2 = 28,5 min = 1710 s

(2.1)

Ve skutečnosti je zapotřebí počítat i s časem potřebným pro založení či vyzvednutí pracovního ramene s materiálem pro pokovení a s časem nutným pro přejezd manipulátoru mezi pracovišti. Lze říci, že čas potřebný pro celý proces je 30 minut.

2.3.

Pracovní procesy

2.3.1.

Odmašťování

Jedná se o proces, při kterém se povrch součástí zbavuje především mastnot a ulpěných nečistot, je to nezbytná operace před vlastním pokovením. Jeho účelem je odstranit nečistoty na povrchu kovu. Na odmaštění se kladou vyšší nároky, neboť špatné odmaštění se projeví až po skončení technologického postupu, tj. po pokovení. Chyba se mnohdy zjistí až u spotřebitele, když kovový povlak špatně lpí na povrchu a místy se odlupuje. Při odmašťování se musí překonat vazební síly, které působí ve vrstvě mastnoty, a adhezní a absorpční síly, které působí mezi základním materiálem a vrstvou mastnoty. Při styku navzájem nesmísitelných fází (kov, mastnota, odmašťovací roztok) prvky zaujímají takový tvar a polohu, které odpovídají nejnižšímu energetickému stavu. Odmašťovací proces může být chemický, elektrolytický, ultrazvukový či emulzní. V galvanizačním procesu je využito chemického a elektrolytického odmaštění. Při chemickém odmašťování zajišťuje narušování vazebních sil chemický proces, který vyvolává použitá odmašťovací lázeň.


18

Během elektrolytického odmaštění vznikají plyny (na katodě vodík, na anodě kyslík), které ruší adhezní síly, jenž vážou nečistoty na povrchu kovu a odtrhují se od něho. Elektrolytické odmašťování se dělí na katodické, anodické a katodo-anodické. 2.3.1.1.

Katodické odmaštění

Katodické odmaštění je účinnější než odmašťování anodické, protože mechanický účinek je zde větší. Při použití stejných proudových hustot se na katodě vyvíjí dvojnásobné množství vodíku než na anodě kyslíku. Nevýhodou katodického odmašťování je především to, že při odmašťování kovových předmětů, na jejichž mechanické vlastnosti se kladou velké požadavky (např. pružin), difunduje vyvíjející se vodík do povrchu materiálu a způsobuje nežádoucí vodíkovou křehkost. 2.3.1.2.

Anodické odmaštění

Při anodickém odmaštění nedochází ke vzniku vodíkové křehkosti materiálu, čehož se využívá zejména při odmašťování materiálu, na jehož mechanické vlastnosti jsou kladeny velké požadavky. Kromě mechanického působení vyvíjejícího se kyslíku dochází i k částečnému naleptání povrchu, takže kovový povlak může k povrchu součásti lépe přilnout. Z téhož důvodu však nelze použít tento způsob k odmašťování litiny. Nevýhodou je menší mechanický účinek kyslíku a také okolnost, že vyvíjející se kyslík může způsobit oxidaci mastných nečistot, které se pak nesnadno odstraňují, popř. i oxidaci kovu. 2.3.1.3.

Katodicko-anodické odmaštění

U kombinovaného katodicko-anodického odmaštění se po katodickém odmaštění elektrody přepólují na odmašťování anodické. Tím se využívá výhodných vlastností obou zapojení. Vlastní odmašťovací proces probíhá z větší části při katodickém zapojení, kdežto v anodickém zapojení, které trvá jen asi 30 sekund, se katodicky vyloučené nečistoty rozpustí a povrch se mírně naleptá. Obojí se děje v jedné vaně.


2.3.2.

19

Oplachování

Pro odstranění zbytků lázní z jednotlivých operací povrchové úpravy, přenášených na povrchu upravovaných

součástí, závěsech a bubnech,

se součásti oplachují.

Účelem oplachování je snižovat přenosy chemikálií z jednoho funkčního roztoku do následujícího na únosnou míru, tj. zřeďovat přenášené roztoky vodou, a tím zamezit znehodnocování následujícího funkčního roztoku v technologickém postupu povrchové úpravy. 2.3.2.1.

Způsob oplachování

Způsoby oplachování se rozlišují podle různých kritérií, viz. tabulka 2.2, zejména podle počtu oplachových stupňů, druhu oplachu, způsobu míchání oplachu, průtoku vody, teploty vody, jakosti vody, teploty vody, charakteru přítoku. Tabulka 2.2: Způsoby oplachování [1] Počet oplachových stupňů

Jednostupňový, Dvoustupňový, Vícestupňový

Druh oplachu

Ponorový, Postřikový, Kombinovaný

Míchání

Čeřený vzduchem, Míchaný čerpadlem nebo míchadlem

Průtok vody

Neprůtočný (úsporný, ekonomický), Průtočný

Teplota oplachu

Studený (cca 20°C), Teplý (cca 50°C), Horký (cca 80°C)

Jakost vody

Užitková voda, Upravená voda, Chemický oplach

Způsob řízení přítoku vody

Neřízený, Řízený průtok ventilem (vodivostním čidlem)

Pro zvýšení jakosti oplachování, případně zachycení přenášených lázní se využívá různých kombinací jednotlivých způsobů, např.: dvoustupňový protiproudý oplach s řízeným přítokem vody, neprůtočný oplach a jednostupňový postřikový oplach, neprůtočný oplach a dvoustupňový průtočný oplach, kombinovaný ponorový a postřikový oplach jednostupňový a vícestupňový.

ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKYA ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně 2.3.2.2.

20

Jakost vody pro oplachování

Voda pro účely oplachování má předepsané maximální množství látek, které může obsahovat. Toto množství je uvedeno pro každou skupinu v tabulce 2.3. Oplachové vody se dělí do čtyř skupin (tabulka 2.4).

Tabulka 2.3: Přípustné množství nečistot ve vodě [1] A

Skupina vody B C

Tvrdost celková (°n)

2

10

25

5000

Odparek při 105 °C

30

250

500

3000

Železo Fe2+

0,1

0,5

2

5

Vápník Ca2+

10

40

80

250

Hořčík Mg2+

5

20

40

150

stopy

5

15

100

Sírany SO42-

15

50

250

500

Chloridy Cl-

15

20

200

1000

stopy

5

20

100

50

300

500

neomezeno

stopy

0,5

0,5

5

0,2

5

10

50

stopy

10

20

150

Množství nečistot (mg/l)

Amoniak NH4+

Fosforečnany PO43Alkalický CO2 Aktivní Cl2 Oxidy těžkých kovů Nerozpustné látky

D


21

Tabulka 2.4: Jakost vody pro oplachování [1] A

Destilovaná nebo deionizovaná voda

B

Pitná pramenitá voda nebo upravená potoční voda

C

Většina pitných vod po odstranění přebytečné tvrdosti

D

Vratná voda, po úpravě v čisticí stanici

2.3.3.

Dekapování

Dekapování je přípravný proces před galvanickým pokovováním. Provádí se v kyselém prostředí. Někdy je účelem dekapování i neutralizace po předchozím pobytu materiálu v alkalickém prostředí, zpravidla odmaštění. Ocel se nejčastěji provádí v roztoku 3 .. 15% HCl nebo 3 .. 45% H2SO4 za studena. Někdy se do dekapovacího roztoku přidává povrchově aktivní látka, aby došlo k dokonalému smočení součástí před pokovením. Těžké neželezné kovy se dekapují ve směsi H2SO4 + HCl nebo ve směsi HNO3 a HF v poměru 3:1. Před pokovováním v kyanidových lázních se používá pro dekapování roztok NaOH a NaCN, popř. samotný 3 .. 5% NaCN. Pro aktivaci před procesem chrómování je vhodné použít kyselinu chrómovou či její odvozené soli – chromany (chromáty) až tetrachromáty (polychromany).

2.3.4.

Niklování

Niklové povlaky jsou za normálních podmínek velmi odolné proti působení atmosferických podmínek a vodě, značně odolné proti mechanickému opotřebení. Na vzduchu postupně ztrácejí lesk, šednou a pokrývají se neviditelnými korozními produkty zelené barvy. Proto se zpravidla chrání velmi tenkou vrstvou chrómu, která zaručuje niklovému povlaku trvalý kovový lesk. Niklové povlaky patří mezi nejrozšířenější galvanické povlaky, především pro ozdobné ochranné účely.


22

Elektrolytické vylučování niklu se provádí ze slabě kyselých elektrolytů pH 3 až 5, výjimečně nižší. Elektrolyty jsou jednoduché roztoky solí s dvojmocným iontem niklu. Pro kombinaci Ni-Cr (Nikl – Chróm) pro dekorativní účely je nejvhodnější způsob kombinace lesklého niklu a mikrotrhlinkového chrómu.

2.3.5.

Chromátování

Chróm je pro své přednosti, což jsou hlavně tvrdost, otěruvzdornost a odolnost proti atmosférické korozi za normálních i zvýšených teplot, výhodným povlakem pro uzavírací vrstvy v systému pro dekorativní i korozivzdorné povlaky. Lesklý chrómový povlak si svůj lesk udržuje velmi dlouho. Tohoto efektu se využívá v mnoha odvětvích průmyslu. Vyloučené chrómové vrstvy jsou lesklé, eventuálně je lze snadno mechanicky leštit. Povlak dekorativního chrómu je oproti ostatním vrstvám v systému poměrně slabý – 0,2 .. 0,8 µu. Silnějších vrstev se využívá při tzv. tvrdém chrómování, kde se vylučují vrstvy až několik milimetrů silné, schopné dalšího mechanického opracování. Čistě pro dekorativní účely se využívá i vylučování černě zbarvených chrómových vrstev – tzv. černý chróm. Chrómová vrstva se chová k podkladové vrstvě lesklého niklu jako katoda. Tím je vytvořen místní galvanický článek a je dána možnost vzniku koroze. Napětí tohoto galvanického článku závisí na ploše chrómového povlaku, teplotě a druhu elektrolytu. Úvaha, že teplotu a typ elektrolytu nelze v běžném případě ovlivňovat, vedla ke snaze zmenšit na nejmenší možnou míru plochu chrómové vrstvy. Z tohoto důvodu bylo zavedeno mikrotrhlinkové a mikroporézní chrómování. Rozkladem do mnoha dílčích galvanických článků je výsledné napětí každého článku mizivě malé a nestačí na rozpuštění podkladové vrstvy, cimž je prakticky zabráněno korozi. 2.3.5.1.

Mikrotrhlinkové chromátování

Podstata mikrotrhlinkového chromátování spočívá v nanášení vrstvy chrómu na vrstvu lesklého niklu přičemž vlivem působení povrchového pnutí jednotlivých vrstev dochází v maximální míře ke tvorbě mikrotrhlinek. Vzhled a vysoký lesk povlaku zůstává zachován.


23

Tím se tvoří velké množství mikročlánků, jejichž napětí je však nepatrné, a nemůže tudíž docházet k narušení podkladových vrstev niklu. Mikrotrhlinkové chrómování není vhodné pro konstrukčně členité díly, kde vlivem rozptylu nedochází v plné míře ke tvorbě mikrotrhlinek.

2.4.

Snímače

Galvanizační linka se neobejde bez snímačů polohy, teploty a dalších veličin, které umožňují zpětnou vazbu pro řídící systém o probíhajících procesech.

2.4.1.

Snímače hladiny

V každé pracovní vaně, která obsahuje kapalinu je zapotřebí kontrolovat hladinu. Nedodržení hladiny by mohlo zapříčinit selhání pracovního procesu. Nedokonale smočené součásti by se špatně odmastily a také by nedošlo k úplnému pokovení. Největší důraz je kladen na hladinu ve vytápěných vanách, odhalená topná část topného tělesa by mohla zapříčinit jeho přehřátí, a tím i poškození. Pro snímání hladiny se používá odporových hladinových čidel – obrázek 2.1 [4], které jsou instalovány na vanách, délkou elektrod hladinových čidel se nastaví požadovaná hladina. Snímá se jak minimální hladina pro zajištění plného smočení navěšených součástí a topných těles, tak i max. hladina, aby nedošlo k přeplnění (přetečení) pracovních van.

Obrázek 2.1: Vodivostní hladinové čidlo [4]


2.4.2.

24

Snímače teploty

Snímače teploty tvoří zpětnou vazbu pro řídící sytém o aktuální teplotě měřené kapaliny. Některé operace jako chemické odmaštění, katodické odmaštění i samotné pokovení vyžadují dodržení pracovní teploty. Teplotní snímače jsou obdobně jako snímače hladiny umístěny na vanách a zanořeny do pracovní lázně. Typ použitých snímačů teploty je závislý od schopností zvoleného řídícího systému či použitých převodníků.

2.4.3.

Snímače polohy

O aktuální poloze manipulátoru informuje systém snímače polohy. Je mnoho typů snímačů polohy, např.: kontaktní, indukční, kapacitní, optické, inkrementální... Pro bezpečnostní koncové polohy musí být využito kontaktních mechanických snímačů, které zajišťují spolehlivé sepnutí a nepotřebují pro svoji činnost přídavné napětí. Pro kontrolu polohy manipulátoru, například zda je nad pracovní vanou, zle použít kterékoliv snímače i jejich kombinace. V praxi se nejvíce využívá indukčních snímačů, inkrementálních čidel či optických laserových měřičů vzdálenosti. 2.4.3.1.

Kontaktní snímače

Kontaktní snímače pracují na mechanickém principu, pohybující se dopravník či zdvihový manipulátor s nimi přichází do přímého styku a pohybuje s pohyblivou částí snímače, která stlačí kontakty. Konstrukce tohoto snímače přináší své výhody právě díky mechanickému spínání kontaktů. Snímače jsou schopné spínat i proudy desítek ampér a nevyžadují žádné další přídavné napájení. Monitorovaný předmět, v tomto případě dopravník, se musí o snímač přímo opřít, a tím je zaručeno sepnutí snímače. Bohužel ale mechanické části podléhají opotřebení a je nutné provádět časté kontroly a údržbu. V některých chemických procesech tyto snímače nelze použít z důvodu zvýšeného rizika koroze. Některé verze kontaktních snímačů jsou dovybaveny kladkami či tyčinkami, které umožňují odvalování aktivní části po monitorovaném předmětu bez vzájemného

ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKYA ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně opotřebení či monitorování ve více směrech. Příklady některých kontaktních snímačů jsou uvedeny na obrázcích 2.2, 2.3, 2.4 [5].

Obrázek 2.2: Kontaktní snímač dotykový [5]

Obrázek 2.3: Kontaktní snímač s vačkou [5]

Obrázek 2.4: Kontaktní snímač se stavitelnou tyčkou [5]

25


26

Indukční a kapacitní snímače

Indukční a kapacitní snímače pracují bez dotyku se snímaným předmětem. Využívají změn kapacity případně indukčnosti vlivem přiblížení kovového předmětu. Snímače pro svoji činnost vyžadují napájení, obsahují podle druhu indukční či kapacitní obvod, jehož parametry jsou monitorovány vnitřní elektronikou. Při stanovené změně parametrů dojde k vyhodnocení a změně výstupní logiky. Výstupní signál není proudově dimenzován na velké zátěže, proto tento druh snímačů vyžaduje použití dalších prvků, jako jsou například relé, stykače či různé řídící systémy. V dnešní době je na trhu mnoho druhů těchto snímačů •

pro stejnosměrné i střídavé napětí

•

pro napětí 5 .. 230V

•

v zapojení dvou, tří či čtyř drátovém

•

s rozpínacím, spínacím či přepínacím „kontaktem“

Bezkontaktní snímače jsou výhodné z důvodu nulového mechanického namáhání, nevykazují opotřebení a snesou horší provozní podmínky. Mají ale také svoje nevýhody: nutnost napájení pro svou činnost, aktivní vzdálenost od snímaného předmětu řádově v milimetrech, snímaný předmět musí být z magnetického materiálu v případě indukčních snímačů či elektricky vodivého materiálu v případě kapacitních snímačů. Příklady indukčních snímačů jsou vyobrazeny na obrázku 2.7 [6].

Obrázek 2.5: Příklad indukčních snímačů [6]


27

Optické a akustické snímače

Optické a akustické (ultrazvukové) snímače polohy pracují na principu závory, kdy jedna strana vysílá paprsek a druhá strana paprsek přijímá. Některé verze pracují s odrazem a přijímač i vysílač je obsažen v jednom pouzdře. Optické či ultrazvukové snímače nejsou obdobně jako kapacitní a indukční snímače při své činnosti mechanicky namáhány. Velkou výhodou je jejich aktivní vzdálenost, která dosahuje i stovek metrů. Snímače dosahují vysoké pracovní přesnosti a jsou schopné zaznamenat i malé předměty pohybující se vysokou rychlostí. Jejich nevýhodou je obdobně jako u indukčních snímačů nutnost přídavného napájení a v některých případech i speciální obslužné elektroniky. Nevýhodou těchto snímačů je, že v některých chemických procesech dochází ke krystalizaci výparů na aktivních částech snímačů a světelný paprsek ani ultrazvukový signál není přes tyto usazeniny schopen projít. Také se setkáváme s chemikáliemi, které v plynném stavu stěžují prostup světelného paprsku nebo ultrazvukového signálu (např. kyselina dusičná). Tohoto druhu snímačů se využívá spíše než k detekci předmětů k měření vzdáleností pomocí porovnávání zpoždění mezi vysláním a příjmem signálu. Příklad optického snímače a ultrazvukového snímače je na obrázcích 2.6 [6] a 2.7 [7].

Obrázek 2.6: Optické snímače [6]


28

Obrázek 2.7: Ultrazvukový snímač [7]

2.4.3.4.

Inkrementální snímač

Inkrementální snímače jsou nejvhodnější snímače na měření polohy otáčejících se součástí, tedy například na měření uražené vzdálenosti dopravníku. Inkrementální snímače se skládají z rotačního disku se značkami a vhodného snímače. Tedy například děrovaného kotouče s „n“ dírami po obvodu a optickým snímačem. Neoddělitelnou součástí inkrementálního snímače je i obslužná elektronika. Příklad inkrementálního čidla je vyobrazen na obrázku 2.8. [8]

Obrázek 2.8: Inkrementální čidlo [8]


29

Snímač za jednu otáčku vygeneruje „n“ impulzů. Čím více impulzů snímač vygeneruje, tím dosahuje větší přesnosti, ale v závislosti na otáčkách snímače a počtu impulzů se zvyšují nároky na rychlost datového přenosu a zpracování signálu. Celé tělo inkrementálního snímače může být přiděláno na ose pohonu nebo může být přímo součástí pohonné jednotky – motoru. Měření pomocí inkrementálních snímačů může vykazovat chybu při prokluzování spojky pohonu nebo při prokluzu celého pohonu (například při špatné přilnavosti poháněných koleček dopravníku). 2.4.3.5.

Snímače pro horizontální pohyb manipulátoru

Linka pro galvanické pokovení obsahuje pohyblivé součásti, a proto je nutné ji vybavit bezpečnostními koncovými snímači. Z důvodu spolehlivosti snímání je nutné použít mechanické snímače koncové polohy, protože nevyžadují pomocné napájení a fungují, i když dojde k selhání pomocných zdrojů obslužného sytému. Na signál z koncových snímačů většinou reagují silové spínací prvky (stykače), které odpojí napájení od pohonných motorů, čímž dojde k odstavení pohonu a zastavení dopravníku. Pro snímání aktuální polohy je nejvhodnější využít kombinace inkrementálního snímače přímo v motoru, pokud to konstrukce motoru umožňuje, nebo osadit inkrementální snímač na poháněnou osu. Pro zajištění výchozího bodu a zkalibrování snímače je nutné osadit jeden či dva snímače polohy na dráhu dopravníku, a to nejlépe bezkontaktní indukční snímače. Jeden snímač se umístí na počáteční pracovní polohu, kde dochází k vynulování čítače, a druhý snímač se umístí nejlépe na prostřední pracovní polohu, kde dojde ke kalibraci nastavení snímače, čímž se minimalizuje chyba vzniklá případným prokluzem pohonu. Velkým přínosem této kombinace je neustálý dohled nad polohou manipulátoru. Obslužný systém pomocí frekvence přicházejících impulzů z inkrementálního čidla může zpětně vypočítávat aktuální rychlost pohybu dopravníku a upravovat ji podle potřeby. Systém ví, kdy se přiblíží k následující pracovní pozici, a snadno může určit, kdy začít brzdit, a tak je nejen rozjezd dopravníku, ale i brzdění plně řízené a plynulé.


30

Snímače pro vertikální pohyb manipulátoru

Obdobně jako u horizontální dráhy se musí i vertikální dráha vybavit bezpečnostními mechanickými snímači koncových poloh, aby se při poruše zabránilo pohybu manipulátoru mimo vymezenou mez nebo zabránilo poškození zařízení či případnému úrazu obsluhy. I když je vertikální dráha mnohem kratší než horizontální, je vhodné osadit pohonný systém také inkrementálním čidlem. Neustálá kontrola nad polohou a rychlostí ramene manipulátoru umožňuje systému řídit plynulost rozjezdu i dojezdu, obdobně jako u horizontálního pohybu dopravníku. U zdvihové části má kontrola polohy a rychlosti také velkou výhodu při manipulaci s nadměrně těžkým nákladem. Systém snadněji ovládá rozběh motoru při zdvihu či brzdění při pokládání zátěže.

2.5.

Vytápění lázní

Vytápění lázní lze provádět pomocí topných elektrických těles či topných spirál vyhřívaných pomocí horké vody, páry či oleje. Podle technologického procesu lze stanovit požadované teploty v pracovních vanách. Instalovaný výkon vyhřívacích jednotek lze stanovit z požadované teploty, teploty okolí, objemu lázně a času potřebného pro vyhřátí lázně na požadovanou teplotu.

K výpočtu lze využít empirický vztah (2.2) [1]. P ⋅t =

V ⋅  ⋅h1 h2

[kW, hod; litr, °C , -, -]

(2.2)

kde h1 a h2 jsou činitele charakterizující ohřívané médium. Činitel h1 vyjadřuje tepelné ztráty (tabulka 2.5) a činitel h2 je činitelem média (tabulka 2.6).


31

Tabulka 2.5: Činitel tepelných ztrát Tepelné ztráty

Činitel h1

10%

1,11

20%

1,25

30%

1,43

40%

1,67

50%

2,00

60%

2,50

75%

4,00

Tabulka 2.6: Činitel média Médium

Činitel h2

voda

857

kyselina

857

louh

857

olej

2149

Například pro ohřátí 600 litrů vodní lázně o teplotu 50°C za dobu 2 hodin při tepelných ztrátách 30% vyjde potřebný výkon (2.3): P =

V ⋅  ⋅ h1 ⋅ t 600 l ⋅50 ° C ⋅1,43 ⋅2 hod = = 25 kW h2 857

(2.3)

Tento výkon je potřebný pro počáteční vytopení pracovní lázně na požadovanou teplotu; během provozu k udržení teploty postačí výkon poloviční. Operace, které pro svoji činnost vyžadují galvanizační zdroj (niklování, chromátování), mohou mimo topných spirál vyžadovat i chladící zařízení, protože při elektrolyzačních procesech dochází k velkému


32

vývinu tepla, které ohřívá lázeň. Přibližně 2/3 výkonu zdroje pro galvanizaci se mění v teplo. Například při pokovování plochy 1m2, proudové hustotě 10A/dm2 a napětí 10V je zapotřebí výkon zdroje 10kVA. Proces vývinem tepla nahradí topné těleso o výkonu cca 6kW.

2.6.

Čeření

Určité dílčí procesy v lince pro galvanické pokovení vyžadují pro svoji činnost či zlepšení činnosti čeření lázně. Čeření lze zajistit pomocí čerpadla nebo vháněním vzduchu na dno nádrže. Čeření vzduchem je jednoduché na konstrukci, vyžaduje minimální údržbu i náklady na provoz. Hlavním zdrojem energie je stlačený vzduch; jeho vpouštění do lázně je zajištěno pomocí trubek s otvory, o řízení (spínání) se stará pneumatický ventil. Tento způsob čeření má bohužel tu nevýhodu, že okysličuje lázeň. Okysličování lázně je nepřijatelné například u chrómovací lázně. Možnou alternativou je čeření pomocí čerpadla, které odsává lázeň a znovu ji vhání do pracovní vany pomocí trysek, tzv. ejektorové čeření. Tento způsob je náročnější na konstrukci i údržbu, ale nedochází k okysličování lázně a oběhový systém je možné doplnit filtrací, která zajišťuje průběžné čištění lázně.

2.7.

Aplikace technologie na modelu linky

Model linky pro galvanické pokovení je konstruován jako suchý, tedy bez obsahu pracovních lázní. Další běžně používané prvky, jako jsou hladinové snímače, ventily pro doplňování vod a ventily pro stlačený vzduch pro čeření, jsou nahrazeny tlačítky, spínači a LED, které umožňují lepší simulaci chodu linky. Topné spirály jsou nahrazeny malými topnými články, aby byla umožněna i simulace vytápění a analogového snímání teploty pro plnohodnotnou simulaci. Ostatní kontaktní snímače jsou řešeny pomocí mikrospínačů.


3.

33

Mechanická instalace

Manipulátor u linky pro galvanické pokovení vykonává pohyb ve dvou směrech: horizontální pro přejezd mezi pracovními pozicemi a vertikální pohyb pro vyzvednutí a založení předmětů pro pokovení. Na obrázku 3.1 je vyobrazen zjednodušený příklad konstrukce takového manipulátoru.

Obrázek 3.1: Nákres manipulátoru


34

Manipulátor galvanické linky je tvořen z následujících částí: •

pojezdová (horizontální) dráha – pozice 1 na obrázku 3.1

•

zdvihová (vertikální) dráha – pozice 2 na obrázku 3.1

•

zdvihová část manipulátoru – pozice 3 na obrázku 3.1

•

pojezdová část manipulátoru – pozice 4 na obrázku 3.1

•

pohonná jednotka pro pojezd manipulátoru – pozice 5 na obrázku 3.1

•

pohonná jednotka pro zdvih manipulátoru – pozice 6 na obrázku 3.1

Součástí manipulátoru můžou být i některé následující prvky: •

snímače polohy pojezdu manipulátoru

•

snímače polohy zdvihu manipulátoru

•

bezpečnostní koncové snímače

•

řídící elektronika pro ovládání pohonných motorů

•

ovládací tlačítka pro manuální provoz

3.1.

Pojezdová dráha

Tvar, velikost a členitost dráhy je závislá na dané aplikaci. Pojezdová dráha galvanické linky v běžné praxi dosahuje délky řádově jednotek metrů až cca 50m. Nejčastěji se využívá železných profilů tvaru „I“, „O“ případně „L“ podle potřeby aplikace a způsobu uchycení manipulátoru. Na dráhu jsou kladeny vysoké nároky na přesnost, hlavně na rovnost a rovnoběžnost. Vysoká nerovnost může způsobovat naklánění manipulátoru, velké opotřebení kol, chvění i spadávání navěšeného materiálu pro pokovení. Přílišná nerovnoběžnost dráhy může způsobit i zaseknutí manipulátoru. Dráha dopravníku musí být vždy umístěna v dostatečné výšce nad pracovištěm.


3.2.

35

Zdvihová dráha

Zdvihová dráha je obdobou dráhy pojezdové, je ale umístěna ve vertikální poloze na manipulátoru a zajišťuje vymezení prostoru pro pohyb zdvihového zařízení. Její délka je pouze v jednotkách metrů, podle velikosti pracovišť. Možností jejího tvaru je několik, nejčastěji bývá profilu „I“ či „U“, konstruují se i dráhy trubkovitého tvaru, kde se na zdvihovém manipulátoru využívá kluzných ložisek místo koleček. Pro některé aplikace není zdvihová dráha zapotřebí vůbec, je nahrazena samotným navijákem s lanem či řetězem.

3.3.

Tělo manipulátoru

Tělo manipulátoru tvoří nosnou část manipulátoru, na které jsou přidělané pohonné mechanizmy, kola pro pojezd po horizontální dráze a vertikální dráha zdvihové části dopravníku. Dále se zde nachází řada snímačů poloh pro zpětnou vazbu o činnosti dopravníku pro řídící systém. V některých případech může být na těle manipulátoru osazeno i samotné řízení a tlačítka pro ovládání dopravníku.

3.4.

Zdvihová část manipulátoru

Zdvihová část manipulátoru je část, která přichází do přímého styku s opracovávanými předměty. Obsahuje systém háků či závěsů, na které se navěšují předměty nebo jsou jimi zachycovány manipulační palety. Zajištění zdvihu této části může být různé, nejčastěji se využívá řetězů případně plochých řemenů, které jsou ke zdvihové části pevně přidělány a jsou namotávány pomocí zdvihového systému na těle dopravníku.

3.5.

Pojezdová část manipulátoru

Pojezd manipulátoru zajišťuje pohonný systém se soustavou převodů a koly (nejčastěji pogumovanými), které se odvalují po horizontální dráze linky. Velikost a tvar kol záleží na tvaru dráhy a na konstrukčním návrhu linky. Kola musí mít dobrou přilnavost pro zaručení co nejlepšího přenosu síly a minimalizaci prokluzu, ale nesmí klást pohybu dopravníku příliš velký odpor. Případný prokluz kol by mohl zapříčinit chybu v poloze dopravníku (v závislosti na druhu použitého snímání polohy) nebo dokonce i vzpříčení a zastavení manipulátoru.


3.6.

36

Konstrukce modelu linky

Model linky pro galvanické pokovení je konstruován z hliníkových profilů na podkladu z plastových desek. Tato kombinace je zvolena z důvodu snadného opracování a nízké hmotnosti. Základní rozměry byly zvoleny 2000x500mm, podkladová deska je tloušťky 8mm. Po obvodu základní desky je připevněno vyztužení, aby při manipulaci nedocházelo k přílišnému mechanickému namáhání konstrukce. Na nosné desce je připevněna také veškerá potřebná obslužná elektronika a řídící systém. Na přední straně desky je umístěn ovládací panel, který umožňuje simulování stavů na jednotlivých pracovištích a pomocí LED zpětně informuje o probíhajících procesech, chybách a dalších funkčních stavech. Dráha pro manipulátory je tvořena hliníkovými profily „L“ o rozměrech 20x10mm a je umístěna na deseti čtvercových profilech 15x15mm. V „L“ profilu dráhy se pohybují dva manipulátory, které jsou také zkonstruovány z hliníkových profilů. Na obrázku 3.2 je detailní pohled na profil dráhy a usazení manipulátoru. Obrázek 3.3 vyobrazuje celý model galvanické linky manipulátorů a van.

Obrázek 3.2: Detail dráhy a usazení manipulátoru


Obrázek 3.3: Fotografie modelu bez manipulátorů

37


3.7.

38

Pracovní vany

Model je konstruovaný jako suchý, tedy bez obsahu lázní. Jednotlivé pracovní vany jsou nahrazeny hliníkovou konstrukcí s plastovými lůžky (obrázek 3.4) pro uložení pracovních tyčí. Jelikož se jedná o model linky, je veškeré příslušenství, které náleží k jednotlivým vanám, nahrazeno soustavou LED a přepínačů na ovládacím panelu. Jednotlivé pozice LED a přepínačů odpovídají pracovním pozicím. Vytápění je navíc simulováno soustavou malého topného tělesa a teplotního čidla. Probíhající elektrolytický proces je signalizován také LED na předním panelu.

Obrázek 3.4: Lůžka pro pracovní tyče


4.

39

Pohonné jednotky

Žádné mechanické zařízení se neobejde bez pohonné jednotky, která mu bude dodávat potřebnou energii pro vykonávání práce. V případě pohonu manipulačního mechanizmu pro galvanickou linku se využívá jako zdroj energie elektrický motor. Pro tento pohon ale nelze použít jakýkoliv elektrický motor; motor musí být totiž schopen vyvinout mechanickou energii daných parametrů, aby zajistil správné fungování poháněného manipulačního mechanizmu. Mezi hlavní parametry generované mechanické energie patří otáčky a moment. Volbu vhodného elektrického pohonu lze provést několika způsoby – experimentálním zkoušením, využitím předchozích praktických zkušeností či výpočtem. Nejjednodušší způsob je využití předchozích praktických zkušeností z návrhů a konstrukcí, ale ne vždy tyto potřebné zkušenosti máme. Možnost experimentální je nevhodná z důvodu finanční a časové náročnosti a hlavně z konstrukčních rozmanitostí elektrických motorů. Proto je nejlepší provést volbu vhodného elektrického motoru pomocí výpočtu. Ne vždy lze najít vhodný elektrický motor, proto někdy je nutné provádět hledání vhodné kombinace elektrického motoru, systému převodů a případně i vhodného řízení motoru ( různé měniče apod.).

4.1.

Požadované parametry manipulátoru

Manipulátor linky pro galvanické pokovení vykonává dva různé nezávislé pohyby. Požadované parametry pro pojezd a pro zdvih jsou rozdílné, proto každý z těchto pohybů bude mít vlastní pohonnou jednotku. Parametry linky a požadavky na manipulátor u modelu galvanické linky budou v porovnání se skutečnou linkou přibližně v poměru 1:10, budou tedy celkem provedeny dvě série výpočtů (jedny pro pojezd a druhé výpočty pro zdvih). Pro stanovení požadovaných výkonů pohonných systémů je nutné si nejprve stanovit parametry galvanické linky.


40

Parametry modelu linky jsou následující: •

celková pracovní délka linky 2 metry lH = 2 m

•

pracovní délka zdvihové dráhy 0,11 metru lV = 0,11 m

•

maximální doba přejezdu celé linky 1 minuta tHmax = 60 s

•

maximální doba zdvihu pracovního ramene 10 vteřin tV max = 10 s

•

průměr kol pro horizontální pojezd dopravníku 0,02 metru dH = 0,02 m

•

průměr kol pro vertikální zdvih dopravníku 0,01 metru dV = 0,006 m

•

hmotnost těla manipulátoru 0,3 kg mM = 0,3 kg

•

hmotnost pracovního ramene 0,1 kg mR = 0,1 kg

•

maximální hmotnost navěšeného materiálu k pokovení 0,5 kg mP = 0,5 kg

4.2.

Výpočet a volba pohonných jednotek

U výpočtu pohonu pro model není nutné takové bezpečnostní dimenzování jako u velké linky. Model je pouze demonstrační, převáží pouze makety a neprovádí se pokovování. Proto stačí bezpečnostní koeficient přetížení kBP = 1,2. Výsledná nosnost zdvihového systému bude tedy m N = m P ⋅ k BP = 0,5 kg ⋅1,2 = 0,6 kg

(4.1)


4.2.1.

41

Požadavky na pojezdový pohon

Celková hmotnost manipulátoru, se kterou bude pojezdový pohon pracovat je součtem hmotností jednotlivých částí a nosnosti zdvihového zařízení: mCH = m M  m R  m N = 0,3 kg  0,1 kg  0,6 kg = 1 kg

(4.2)

Dále ze stanovených parametrů lze vypočítat minimální potřebnou rychlost horizontálního posuvu dopravníku (výpočet 4.3) a minimální otáčky kol (výpočet 4.4), aby dopravník překonal celou dráhu linky za stanovený čas. v Hmin = n Hmin =

lH t Hmax

=

2m = 0,033 m⋅s−1 60 s

lH 60 2m 60 ⋅ = ⋅ = 31,83 min−1 ⋅ d H t Hmax  ⋅0,02 m 60 s

4.2.2.

(4.3)

(4.4)

Výpočet pohonu pojezdu

Pojezd manipulátoru je zajištěn pomocí čtyř koleček, která se odvalují po dráze. Při pohybu na celý systém působí valivý odpor; navržená pohonná jednotka musí tuto valivou sílu překonat. Velikost valivé síly FV je dána vztahem (4.5), kde FN je tlaková síla působící na kolečka, r je poloměr kolečka a ξ je rameno valivého odporu: F V = ⋅

FN r

[N, m, N, m]

(4.5)

Hodnotu ramene valivého odporu lze najít ve fyzikálních tabulkách [9], hodnoty jsou udávané pro různé kombinace materiálů. Dopravníková dráha je hliníkové konstrukce, kolečka jsou gumová. Valivý odpor pro tuto kombinaci se v tabulkách neuvádí. Pro tento návrh můžeme považovat hodnotu valivého odporu pro kombinaci hliník guma stejnou jako pro kombinaci ocel guma, tedy ξ = 0,0077 m. Výsledná velikost valivé síly je: F V = ⋅

FN m ⋅g 1 kg ⋅9,806 m⋅s−2 = ⋅ CH = 0,0077 m⋅ = 7,55 N r dH 0,02 m 2 2

(4.6)


42

Tedy na dopravník o celkové hmotnosti 1 kg stačí působit silou větší jak 7,55 N, aby se uvedl do pohybu. Z výpočtu (4.3) víme, že dopravník se musí pohybovat minimální rychlostí 0,033 m.s-1. Maximální zvolený čas, za který musí dopravník této rychlosti dosáhnout je tRmax = 1 vteřina. Tomuto požadovanému zrychlení odpovídá akcelerační síla: F AHmin

v Hmin 0,033 m⋅s−1 = mCH ⋅ = 1 kg ⋅ = 0,033 N t Rmax 1s

(4.7)

Celková síla, kterou musí pohonný systém vyvinout: F CHmin =F V  F AHmin = 7,55 N  0,033 N = 7,584 N

(4.8)

Potřebný minimální moment na hřídeli poté vychází: M Hmin = F CHmin ⋅

4.2.3.

dH 0,02 m = 7,584 N ⋅ = 0,076 N⋅m 2 2

(4.9)

Volba vhodného pohonu pojezdu

Pro zajištění správného pojezdu manipulátoru je nutné pohánět alespoň jednu osu (dvě kola), obdobně jako u reálné linky. Bez použití převodových stupňů ani nelze docílit požadovaných otáček, protože miniaturní stejnosměrné motorky mají otáčky řádově v tisících až desetitisících otáčkách za minutu. Přizpůsobení lze zajistit pomocí zařazení vhodného převodového prvku mezi motor a poháněnou osu kol. Vhodný miniaturní motor vyhovující požadavkům je stejnosměrný motorek s cizím buzením (permanentní magnet) s převodovkou – GM13-050SK (obrázek 4.1) , parametry motoru jsou uvedeny v tabulce 4.1 [10]. Motorek dále osadíme převodovkou s poměrem 1:1 pro možnost osazení motoru mimo hnací osu.

Obrázek 4.1: Motorek GM13-050SK


43

Tabulka 4.1: Parametry motorku GM13-050SK [10] Jmenovité napětí - UN

7V

Jmenovitý proud - IN

0,096 A

Otáčky - na

40 min-1

Moment - Ma

1,47 N.m

4.2.4.

Ověření zvoleného pohonu pojezdu

Zpětným výpočtem ověříme zda zvolený motor GM13-050SK s otáčkami na = 40 min-1 a momentem Ma = 1,47 N.m vyhovuje naší aplikaci. Horizontální síla ve směru pohybu, kterou pohonná jednotka dokáže maximálně působit na dopravník: F CHmax = M a ⋅

2 2 = 1,47 N⋅m⋅ = 147 N dH 0,02 m

(4.10)

Zanedbáme-li přetížení dopravníku, a tím i zvýšení valivého odporu, můžeme „přebytek“ energie využít na rychlejší akceleraci. F AHmax = F CHmax − F V = 147,00 N − 7,55 N = 139,45 N

(4.11)

Maximální zrychlení dopravníku při stanovené zátěži je: a Hmax =

F AHmax 139,45 N = = 139,45 m⋅s −2 mCH 1 kg

(4.12)

Maximální možné dovolené zatížení dopravníku pro zvolený pohon se zachováním požadované minimální rychlosti pojezdu je (vzorec vychází z úprav a zjednodušení vzorců 4.6, 4.7, 4.8): mCHmax =

F CHmax v ⋅ 2⋅ g  Hmin dH t Rmax

=

147 N = 19,38 kg −2 −1 0,0077 m⋅ 2⋅ 9,806 m⋅s 0,033 m⋅s  0,02 m 1s (4.13)


44

V poslední řadě je také nutné ověřit maximální možnou rychlost pojezdu dopravníku. S otáčkami pohonu na = 40 min-1 překoná dopravník celou dráhu galvanické linky za čas t Hmin =

lH 60 2m 60 ⋅ = ⋅ = 47,75 s  ⋅d H n a  ⋅0,02 m 40 min−1

(4.14)

tedy s maximální rychlostí posunu v Hmax =

lH t Hmin

=

4.2.5.

2m = 0,042 m⋅s−1 47,75 s

(4.15)

Požadavky na zdvihový pohon

Celková hmotnost zdvihového zařízení, se kterou bude zdvihový pohon pracovat, je: mCV = mR  m N = 0,1 kg  0,6 kg = 0,7 kg

(4.16)

Dále ze stanovených parametrů lze vypočítat minimální potřebnou rychlost vertikálního posuvu zdvihového manipulátoru dopravníku: v Vmin =

lV t Vmax

=

0,11 m = 0,011 m⋅s−1 10 s

(4.17)

Zdvih manipulátoru zajišťuje pohonná jednotka, která pohání naviják plochého řemenu, který je namotáván na buben o průměru dV = 0,006 m v jedné řadě v „i“ vrstvách. V případě modelu není nutné provádět tak velké bezpečnostní opatření, a proto stačí bezpečnostní koeficient kZ = 2. Řemeny jsou použity dva a je nutné je nadimenzovat na celkovou nosnost: m ZŘ = mCV ⋅ k Z = 0,7 kg ⋅ 2 = 1,4 kg

(4.18)

Jako vhodnou náhražku řemenů lze u modelu použít polyesterovou stuhu zvolených rozměrů, její pevnost je pro model dostačující. Zvolené rozměry jsou: šířka lř1 = 9 mm a tloušťka lř2 = 0,25 mm. Při navíjení řemene na buben dochází ke zvětšování průměru řemene. Počáteční průměr je dV = 0,006 m; při každé otáčce dojde k navýšení průměru bubnu o dvě tloušťky řemene, tedy o  d V = 2 ⋅l ř2 = 2 ⋅0,00025 m = 0,0005 m

(4.19)


45

Z tohoto vyplývá, že s postupným navíjením řemene se bude měnit moment na hřídeli a navinutá délka řemene odpovídající jedné otáčce. Pracovní výška vertikálního manipulátoru je lV = 0,11 m; je tedy nutné navinout 0,11 metru řemene. Tabulka 4.2 ukazuje závislost průměru bubnu (dBi), obvodu bubnu (oBi), délku navinutého lana (lLi) v závislosti na počtu otáček (i) bubnu. Výpočty vycházejí z následujících vztahů: d Bi = d V  n ⋅2 ⋅l ř2

[m; m, -, m]

o Bi = ⋅ d Bi =  ⋅  d v  n ⋅2 ⋅l ř2 

(4.20) [m; m; m, -, m]

(4.21)

i

l Li =

∑ o Bi , k

[m; m]

(4.22)

k =0

Tabulka 4.2: Parametry navijákového bubnu v závislosti na otáčkách i

dBi

oBi

lLi

[-]

[m]

[m]

[m]

0

0,0060

0,0188

0

1

0,0065

0,0204

0,0188

2

0,0070

0,0220

0,0392

3

0,0075

0,0236

0,0612

4

0,0080

0,0251

0,0848

5

0,0085

0,0267

0,1099

6

0,0090

0,0283

0,1382

Z posledního sloupečku tabulky 4.2, který udává délku navinutého řemenu vyplývá, že k navinutí celé pracovní délky řemenu dojde po páté otáčce bubnu. Potřebná rychlost otáčení bubnu pro dodržení stanoveného maximální času zdvihu je: n Vmin = i ⋅

60 t Vmax

= 5⋅

60 −1 = 30 min 10 s

(4.23)


4.2.6.

46

Výpočet pohonu zdvihu

Při výpočtu je zanedbán vliv prodlužování řemene důsledkem zatížení a ztráty způsobené třením řemene při namotávání na buben. Celková zdvihaná hmotnost činí 1,4 kg. Z výpočtu (4.17) víme, že rameno se musí pohybovat minimální rychlostí 0,011 m.s-1. Maximální zvolený čas, za který musí dopravník této rychlosti dosáhnout je tRmax = 1 vteřina. Tomuto požadovanému zrychlení odpovídá akcelerační síla: F AVmin = mCV ⋅

v Vmin 0,011 m⋅s −1 = 1,4 kg ⋅ = 0,0154 N t Rmax 1s

(4.24)

Celková síla, kterou musí pohonný systém vyvinout: −2

F CVmin =F AVmin  mCV ⋅ g = 0,0154 N  1,4 kg ⋅ 9,806 m⋅s

= 13,74 N

(4.25)

Protože má buben během namotávání řemene proměnlivý průměr, musíme při navrhování vycházet z nejvyšší možné hodnoty. S průměrem bubnu je totiž počítáno při výpočtu potřebného minimálního momentu na pohonné hřídeli pro navíjecí zařízení. M Vmin = F CVmin ⋅

4.2.7.

d Bmax 0,0085 m = 13,76 N ⋅ = 0,058 N⋅m 2 2

(4.26)

Volba vhodného pohonu zdvihu

Podobně jako u volby pohonu pojezdu je nutné uložení motoru mimo osu pohonu a vložení vhodné převodové skříně pro přizpůsobení otáček a momentu. I pro tento pohon lze využít stejnosměrného motorku GM13-050SK s otáčkami na = 40 min-1 a momentem Ma = 1,47 N.m.

4.2.8.

Ověření zvoleného pohonu zdvihu

Zpětným výpočtem ověříme, zda zvolený motor GM13-050SK vyhovuje naší aplikaci. Vertikální síla ve směru pohybu, kterou pohonná jednotka dokáže maximálně působit na rameno manipulátoru: F CVmax = M a ⋅

2 d Bmax

= 1,47 N⋅m⋅

2 = 345,88 N 0,0085 m

(4.27)


47

Zanedbáme-li možné přetížení zdvihového systému, můžeme „přebytek“ energie využít na rychlejší akceleraci. −2

F AVmax = F CVmax − mCV ⋅ g = 345,88 N − 1,4 kg ⋅ 9,806 m⋅s

= 332,15 N

(4.28)

Maximální zrychlení při stanovené zátěži je: F Amax 332,15 N = = 237,25 m⋅s−2 mCV 1,4 kg

a Vmax =

(4.29)

Maximální možné dovolené zatížení pro zvolený pohon se zachováním požadované minimální rychlosti zdvihu je (vzorec vychází z úprav a zjednodušení vzorců 4.24, 4.25): mCVmax =

F CVmax 332,15 N = = 33,83 kg v Vmin 0,011 m⋅s−1 −2 g 9,806 m⋅s  t Rmax 1s

(4.30)

V poslední řadě je také nutné ověřit maximální možnou rychlost zdvihu manipulátoru dopravníku. Jelikož se průměr bubnu během navíjení mění, musíme nejprve vypočítat střední hodnotu průměru bubnu. dB =

d Bmin  d Bmax 0,0060 m  0,0085 m = = 0,0073 m 2 2

(4.31)

S otáčkami pohonu na = 40 min-1 přejede zdvihové rameno z krajní polohy do druhé krajní polohy za minimální čas (4.32) a s maximální rychlostí (4.33): t Vmin = v Vmax =

4.3.

lV 60 0,11 m 60 ⋅ = ⋅ = 7,19 s  ⋅d B nV  ⋅0,0073 m 40 min−1 lV t Vmin

=

0,11 m = 0,015 m⋅s−1 7,19 s

(4.32)

(4.33)

Zhodnocení zvolených pohonů

Z výsledků je patrné, že zvolený motor GM13-050SK je nadmíru dostačující jak pro pohon pojezdu, tak zdvihu. Jeho výkonová rezerva je dokonce za hranicí nosnosti manipulátoru. Manipulátor by s navrženým pohonem při požadované rychlosti byl schopen uvézt zátěž 19,4 kg a zvednout dokonce 33,8 kg; toto zatížení by ale neuneslo uchycení polyesterové stuhy ve zdvihovém rameni ani sekundární plastový převod u motoru zdvihu.


5.

48

Měnič pro řízení DC motorků

Rozmanitost zařízení vyžaduje mnoho druhů pohonných jednotek s různými výkony a otáčkami. Ne vždy lze zakoupit pohonnou jednotku s parametry, které vyhovují dané aplikaci, neboť výroba motoru se specifickými parametry by byla příliš nákladná, případně i nerealizovatelná. Z tohoto důvodu je potřeba vhodnými prostředky provádět změnu parametrů. Pokud daná aplikace vyžaduje neměnnou hodnotu otáček, lze změnu otáček a momentu provést aplikací vhodné převodovky. Některé stroje vyžadují pohon s proměnnými otáčkami, a zde máme možnost použít převodovky s několika převodovými stupni, skokovou regulaci otáček, nebo regulaci plynulou s použitím vhodného řízení pro danou pohonnou jednotku. Při použití elektrických pohonných jednotek lze regulaci provádět pomocí změny vstupní energie, případně energie ztrátové (například změnou odporu rotorového vinutí). Tuto změnu lze provádět pomocí předřadných, případně přídavných odporových či indukčních bočníků. Tyto prvky ale vykazují ztrátovou energii, která se negativně projevuje na účinnosti pohonné jednotky. Z důvodu zlepšení účinnosti regulace je vhodnější použít pro regulaci polovodičové prvky. U střídavých elektrických motorů lze pro regulaci otáček motoru využít polovodičového regulátoru se změnou kmitočtu – frekvenčního měniče. U motorů stejnosměrných lze výstupní otáčky řídit pomocí pulzně šířkového modulátoru (dále jen PWM = Pulse Width Modulation).

5.1.

Pulzně šířková modulace

5.1.1.

Popis problematiky PWM

Pulzně šířková modulace je jedním z mnoha způsobu přenosu (kódování) dat, která se přenášejí od vysílajícího zařízení k přijímacímu zařízení zvolenou přenosovou cestou. Touto cestou může být drátové (pevné) spojení nebo bezdrátové spojení, kdy se data přenášejí vzduchem např. při IR komunikaci.


49

PWM signál nabývá dvou statických hodnot, „0“ a „1“, tedy nulové napětí a napětí plné (dané napájecím napětím a nastavením koncového stupně generátoru signálu). Proměnnou hodnotou signálu je střída. Střída je poměr mezi dobou periody a dobou, kdy je signál ve stavu „1“. Průběh PWM signálu můžeme vidět na obrázku 5.1.

Obrázek 5.1: Průběh PWM signálu

Střída 1 neboli 100% je stav, kdy je signál neustále ve stavu „1“. Při střídě 0 neboli 0% je signál naopak po celou dobu ve stavu „0“. Z toho vyplývá, ze hodnota střídy může nabývat pouze hodnot v rozsahu 0 .. 1 (0% .. 100%).

5.1.2. 5.1.2.1.

Výhody a nevýhody PWM regulace Výhody PWM regulace

Tento způsob regulace má oproti klasické spojité regulaci změnou napětí tu výhodu, že připojené zařízení (motor) nemá na svých napájecích svorkách snížené napětí. Hlavní výhodou PWM regulace je nízká ztrátovost koncové tranzistory pracují ve spínacím režimu. Tranzistory mají velice nízký odpor v sepnutém stavu, a tedy i ztráty na tranzistoru vlivem procházejícího proudu jsou nízké. Motor v době signálu na úrovni „1“ vykazuje jmenovitý výkon a v době vypnutí,


50

signál na úrovni „0“, motor není napájen a je vlivem tření a zátěže brzděn. Výsledný výkon i otáčky motoru odpovídají střídě PWM signálu. 5.1.2.2.

Nevýhody PWM regulace

PWM regulace ale přináší také své nevýhody. Pokud frekvenci signálu zvolíme příliš nízkou (jednotky až desítky Hz), dochází k velkému kolísání otáček motoru. V okamžiku, kdy je signál v „0“, otáčky vlivem zatížení motoru a tření znatelně poklesnou. Další nevýhodou této modulace je akustické rušení. Toto rušení nastává, když se nalézá frekvence PWM signálu ve slyšitelném pásmu pro lidské ucho (20Hz .. 20kHz). Je tedy třeba brát zřetel na umístění motoru: na místo, kde bude motor provozován. Toto rušení ale nemá velkou akustickou sílu a rozsah jeho působení je jen v řádech metrů. Příliš vysoká modulační frekvence ale také není nejlepším řešením. Vlivem vysoké frekvence může docházet ke zkreslování signálu při zpracovávání. Koncové spínací tranzistory mají omezenou frekvenci spínání vlivem parazitních kapacit. Pokud se frekvence PWM signálu blíží mezní frekvenci tranzistorů, dochází ke ztrátám při spínání a vypínání tranzistorů; tyto ztráty deformují signál. Dochází ke snižování rychlosti přeběhu (strmosti) signálu z úrovně „1“ do „0“ a naopak. I samotná indukčnost vinutí připojeného motoru má nepříznivý vliv na procházející proud obvodem.

5.1.3.

Výkon PWM regulace

Jak už bylo výše uvedeno, výstupní výkon je odvozen od střídy PWM signálu. Hodnotu lze vypočítat pomocí integrace jedné periody signálu (5.1). t

1 P = s ⋅ P1 = ⋅∫ u ⋅i ⋅dt T 0

[W; -, W; t, V, A]

(5.1)

kde „P“ je výstupní výkon, „P1“ je jmenovitý výkon, „u“ a „i“ jsou hodnoty výstupního napětí a proudu. „T“ je doba periody signálu, „t“ je doba signálu na úrovni „1“ a „s“ je střída PWM signálu. Rovnice (5.1) vyjadřuje výpočet výstupního výkonu, který PWM regulátor dodává do připojeného motoru. PWM regulátor pracuje v režimu step-down, výstupní výkon tedy může dosahovat pouze hodnot od P = 0 (s = 0) až od jmenovité hodnoty výkonu P = P1 (s = 1).


51

Střídu PWM signálu lze vypočítat pomocí vzorce (5.2). s =

T t

[-; s, s]

5.1.4.

(5.2)

Metody PWM regulace

5.1.4.1.

Symetrická metoda

Symetrická metoda proto, protože se PWM signál pohybuje kolem nuly do kladné i záporné části. Poměrem délky (času) kladné části a délky periody se určuje střída signálu. Střední hodnota napětí se podle střídy signálu pohybuje od maxima záporné hodnoty po maximum kladné hodnoty. Symetrická metoda regulace se vyznačuje tím, že v každém okamžiku je na výstupu napětí, a to i v případě nulové střídy. Při nulové střídě je totiž na výstupu PWM regulátoru plné záporné napětí (obrázek 5.2), postupným zvyšováním střídy dochází ke zvyšování podílu kladného pulsu. Po dosažení střídy 0,5 (50%) je délkový poměr záporného a kladného pulsu roven 1 (obrázek 5.4), střední hodnota napětí PWM signálu je nulová. Zvyšujeme-li dále střídu, dochází v PWM signálu k převládání kladného pulzu, až při střídě 1 záporný pulz zcela zanikne (obrázek 5.6). Výsledkem je tedy ten stav, kdy střída symetrické metody PWM regulace určuje nejen velikost výstupního výkonu a otáček motoru, ale i směr otáčení. Výhodou této metody je neexistence zóny necitlivosti, ale nevýhodou je proměnné znaménko napětí, což může v některých případech způsobovat pulzaci momentu motoru. Kromě toho vznikají tepelné ztráty v železe i mědi, neboť při střídě 0,5 (poměr kladného a záporného pulsu 1:1 ) je efektivní hodnota proudu nenulová. Střední hodnota momentu je při střídě 50% nulová, ale okamžitá hodnota momentu je rovněž nenulová.

Obrázek 5.2: Symetrická metoda PWM, střída 0%






52


53

Nesymetrická metoda

Nesymetrická metoda znamená, že se PWM signál pohybuje pouze v „jedné části“ napájecího napětí, výstupní signál nabývá hodnot 0 a U. Výpočet střídy je stejný jako u symetrické metody, poměrem doby pulsu a doby periody. Střída může nabývat hodnot 0 (obrázek 5.7) až 1 (obrázek 5.11), přičemž nulové střídě odpovídá nulová hodnota středního napětí. Při zvyšující se střídě se zvyšuje i hodnota středního napětí výstupního PWM signálu. Nesymetrická metoda oproti symetrické neumožňuje bez dalších prvků změnu směru otáčení připojeného motoru, což může být v některých případech na škodu. Na druhou stranu vykazuje oproti symetrické metodě tu výhodu, že v době nulového středního výstupního napětí je i nulová hodnota okamžitého napětí v každém okamžiku průběhu, tedy i hodnota výstupního proudu je rovna nule. Nevýhodou nesymetrické metody je existence zóny necitlivosti v době nízké střídy, při zaniknutí napětí zaniká i proud motorem.

Obrázek 5.7: Nesymetrická metoda PWM, střída 0%



54




5.2.

Návrh PWM regulátoru

5.2.1.

Požadavky na regulátor

Hlavním požadavkem na navrhovaný regulátor je možnost realizovat připojení regulátoru k PLC jednotce Simatic, která se bude zajišťovat řízení regulátoru.


55

Požadavky tedy jsou: •

Regulace napětím 0 .. 10 V DC

•

Digitální volba směru otáčení

•

Možnost odpojení výstupu

•

Nulové okamžité napětí na výstupu při nulové střídě

5.2.2.

Parametry motoru

Jedná se o stejnosměrný elektrický motorek s cizím buzením (permanentní magnet) s převodovkou - GM13-050SK [10]. Výkres použitého motorku je na obrázku 5.12 [10].

Parametry motorku GM13-050SK •

Jmenovité napětí

7V

•

Jmenovitý proud

96mA

•

Otáčky

40 min-1

•

Otáčky naprázdno

80 min-1

•

Směr otáčení ve směru i protisměru hod. ručiček

•

Moment

15 kg*cm-1 (1,47 N*m-1)

Obrázek 5.12: Výkres použitého DC motorku [10]


5.2.3.

56

Princip PWM regulátoru

Základem tvorby PWM je porovnávání dvou signálů, referenčního signálu a vstupního signálu (obrázek 5.13). Referenční signál má tvar pily o neměnné frekvenci. Tvar a přesnost referenčního pilovitého signálu udává přesnost samotného PWM regulátoru.

Obrázek 5.13: Průběhy signálů

Vytvořený PWM signál je nadále přiveden do budícího obvodu, který budí koncové tranzistory. Koncový stupeň je tvořen čtyřmi výkonovými tranzistory.

5.2.4.

Funkční prvky regulátoru

Samotný regulátor se skládá z několika funkčních bloků. Každý dílčí blok obvodu se stará o určitou funkci. Pospojováním jednotlivých funkčních bloků vzniká celek, který plní funkci PWM regulátoru s požadovanými parametry.

Navrhovaný PWM regulátor se skládá z následujících prvků: •

Napájecí zdroj

Zajišťuje napájení jednotlivých bloků

•

Oscilátor

Generuje nosný signál dané frekvence

•

Generátor pily

Vytváří signál pilovitého tvaru

•

Vstupní část

Přizpůsobuje vstupní řídící signály

•

Komparátor

Vytváří PWM signál

•

Koncový stupeň

Výkonově přizpůsobuje signál pro daný motor


57

Napájecí zdroj

Regulátor je napájen ze sítě střídavým napětím 230V. Integrované obvody použité pro generování PWM signálu jsou TTL logiky a vyžadují napájecí napětí 5 V. Koncový komparátor je navržen na napájení symetrické ± 5 .. 20 V (možnost nesymetrického napájení 5 .. 20 V). Koncový výkonový stupeň využívá DMOS tranzistorů a budících obvodů – je navržen na nesymetrické napětí 8 .. 48 V. Motorek má jmenovité napájecí napětí 7V. Shrneme-li si všechny potřebné napětí, dostaneme: •

5V

TTL IO

•

5 .. 20 V

Komparátor

•

8 .. 48 V

Koncový výkonový stupeň

•

7V

Motorek

Nejjednodušším způsobem, jak vytvořit jednotlivé zdroje napětí, je využití integrovaných obvodů určených speciálně ke stabilizaci napětí. Jedná se o řadu stabilizátoru 78xx. Pro zjednodušení konstrukce zdroje můžeme motorek napájet napětím 8V, protože motorek bude provozován v pulzním režimu, a v plánovaném užití bude minimálně provozován na maximální otáčky. Koncový komparátor bude porovnávat vstupní signály na úrovni TTL logiky (5V), pro jeho správnou funkci v tomto rozsahu vstupních napětí je nutné zajistit komparátoru dostatečné napětí, minimálně o 1 V vyšší jak vstupní napětí. Potřebná napětí zdroje: •

5V

TTL IO

•

8V

Komparátor, Koncový výkonový stupeň

Z katalogových údajů [11] o IO 78xx víme, že napájecí napětí stabilizátoru musí být minimálně o 2 V vyšší než výstupní, ale nejvýše 35V.


58

Z doporučeného katalogového zapojení vychází zapojení zdroje (obrázek 5.14)

Obrázek 5.14: Schéma napájecího zdroje

5.2.4.2.

Oscilátor

PWM signál pracuje s určitým taktem, s určitou frekvencí. V dnešní době je mnoho možností, jak generovat nosný signál, počínaje jednoduchým RC členem až po využití moderních integrovaných obvodů pracujících s vysokou frekvenční přesností. Jako oscilátor byl zvolen RC člen doplněný Schmittovým klopným obvodem (Obr. 5.15), tento obvod je velice jednoduchý na konstrukci, frekvenční rozsah takového generátoru je dán frekvenčním rozsahem použitého integrovaného obvodu.

Obrázek 5.15: Schéma RC oscilátoru

V tomto zapojení se RC člen stará o generování signálu a Schmittův klopný obvod zajišťuje tvarování na obdélníkový signál (obrázek 5.16). Frekvence, na které odvod pracuje, je dána vztahem (5.3)[12]: f =

1 1 = T 0,8 ⋅ R⋅ C

[Hz; s; Ω, F]

(5.3)


59

Obrázek 5.16: Průběh napětí na RC oscilátoru 5.2.4.3.

Generátor pily

Generátor je tvořen dvojitým 4bitovým čítačem a DA převodníkem. Pro tuto aplikaci byl zvolen nesymetrický kladný pilovitý signál s postupnou náběžnou hranou a okamžitou sestupnou hranou. Jako obvod čítače je použit integrovaný obvod logiky TTL (74HC393 [13]), který funguje jako dvojitá 4bitová dělička. Na výstupech děličky je zapojený odporový most, který převádí výstupní digitální signál na signál analogový. Odporový most je tvořen sérií odporů, kde každý odpor vyššího řádu je poloviční hodnoty než odpor nižšího řádu.

Obrázek 5.17: Schéma zapojení generátory pily


60

Vstupem děličky je výstup oscilátoru, s každým pulsem oscilátoru dochází k inkrementování výstupu. Jelikož se jedná o 8bitový dělič, tak výstupem je signál o 256ti napěťových hladinách a frekvenci 256krát nižší. 5.2.4.4.

Vstupní část

Vstupní část se stará o přizpůsobení řídících signálů. Plánované PLC Simatic má analogový výstup 0 .. 10 V, PWM generátor pracuje na TTL logice (0 .. 5 V). Je tedy nutné provést napěťové přizpůsobení řídícího signálu. Komparátor, do kterého je signál přiveden, má vysokou vstupní impedanci (3 MΩ), proto je možné použít jednoduchý odporový napěťový dělič (obrázek 5.18) s poměrem 1:2 (výstupní napětí ku vstupnímu napětí). Digitální řízení směru otáčení pracuje také na TTL logice (0 .. 5 V); použitý PLC Simatic disponuje digitálním výstupem o napěťové úrovni 24 V. Tedy i pro řízení směru otáčení je potřeba provést napěťové přizpůsobení, tomto případě odporovým děličem s poměrem 1:5.

Obrázek 5.18: Vstupní dělič

5.2.4.5.

Komparátor

Komparátor (obrázek 5.19) je poslední část, která se stará o tvorbu samotného PWM signálu. V obvodu probíhá porovnávání dvou signálů, referenčního pilovitého signálu (neinvertující vstup) a řídícího signálu (invertující vstup). Pro tuto aplikaci je vhodné zvolit jeden z rychlejších obvodů, aby generovaný PWM signál měl „ostré hrany“. Byl zvolen komparátor LM318P [14], který má rychlost překmitu minimálně 50V/µs.


61

Obrázek 5.19: Schéma komparátoru

Porovnáváním okamžité napěťové úrovně obou signálů obvod rozhoduje o úrovni výstupního signálu. Pokud je signál přivedený na neinvertující vstup vyšší napěťové úrovně než signál na invertujícím vstupu, je výstup nastaven do vysoké napěťové úrovně. Funkce porovnávání signálů a příklady jednotlivých průběhů jsou zobrazeny na obrázku 5.20.

Obrázek 5.20: Průběhy signálů na komparátoru


62

Koncový stupeň

Koncový stupeň tvoří napěťový a proudový zesilovač, který je řízen vytvořeným PWM signálem a signálem pro volbu směru. Tyto dva signály ovládají pomocí budičů čtveřici tranzistorů zapojených do dvou půlmostů. V jeden časový okamžik jsou spínány vždy dva tranzistory, přičemž jeden je připojen na kladný pól napájecího napětí a druhý na zem napájení. Místo montáže budičů, čtyř tranzistorů, ochranných obvodů a dalších prvků bylo zvoleno použití integrovaného obvodu obsahujícího všechny tyto prvky. Obvod nese označení L6203 (blokové zapojení obvodu je zobrazeno na obrázku 5.21 [15]), je umístěn v pouzdře „Multiwatt“. V obvodu jsou využity tranzistory DMOS (struktura vysvětlena dále). Průběh spínání je patrný z pravdivostní tabulky 5.1.

Obrázek 5.21: Blokové schéma zapojení koncového stupně [15] Struktura DMOS znamená Double Diffused MOS [16], jedná se o strukturu s indukovaným kanálem. Struktura tranzistoru je tvořena pomocí desetitisíce i více dílčích struktur malých rozměrů paralelně spojených. Dílčí tranzistory mají kolektor spojený pomocí substrátu, dílčí elektrody S a G mají spojení provedené vodivou sítí na horní straně


63

čipu. Proud protéká laterálně přes kanál a potom vertikálně přes vrstvy N- a N+, čímž je zajištěn malý odpor v sepnutém stavu (desetiny ohmu). Tabulka 5.1: Pravdivostní tabulka koncového stupně Vstupy

Tranzistory

Výstupy

Enable

IN1

IN2

T1L

T1H

T2L

T2H

OUT1

OUT2

L

x

x

OFF

OFF

OFF

OFF

-

-

H

L

L

ON

OFF

ON

OFF

Sense

Sense

H

L

H

ON

OFF

OFF

ON

Sense

VS

H

H

L

OFF

ON

ON

OFF

VS

Sense

H

H

H

OFF

ON

OFF

ON

VS

VS

5.2.5.

Schéma regulátoru

Spojením všech funkčních dílčích prvků vzniká samotný PWM regulátor požadovaných parametrů.

Obrázek 5.22: Blokové schéma kompletního PWM regulátoru


Obrázek 5.23: Schéma kompletního PWM regulátoru

64


5.2.6.

Fotografie PWM regulátoru

Obrázek 5.24: Fotografie zhotoveného PWM regulátoru

Obrázek 5.25: Fotografie zhotoveného PWM regulátoru

65


5.2.7.

66

Naměřené průběhy PWM regulátoru

Na obrázku 5.26 je vyobrazen záznam průběhu generovaného obdélníkového signálu, který je přiváděn do vstupu 1CP čítače 74HC393. Signál je generován pomocí RC členu a Schmittova klopného obvodu.

Obrázek 5.26: Průběh signálu generátoru

Generovaný signál je v úrovni TTL logiky a má frekvenci 28,6 kHz. Doba přeběhu signálu z „0“ do „1“ a naopak je menší než 0,5 µs. Detail přeběhu signálu je vyobrazen na snímku 5.27.


Obrázek 5.27: Detail průběhu signálu generátoru

Obrázek 5.28: Průběh pilovitého signálu

67


68

Na obrázku 5.28 je vyobrazen pilovitý signál, který je výstupem ze synchronního čítače. Signál se pohybuje v napěťovém rozmezí 0,5 .. 5,2 V s frekvencí 111 Hz. Pila je tvořena 8 bitovým čítačem, má tedy 256 napěťových úrovní. Detail pilovitého signálu je uveden na obrázku 5.29. Napětí jednoho kroku je 20 mV a časová délka 35 µs. Signál lze vyhladit pomocí kondenzátoru, tím ale také dochází k posunu napěťového rozmezí pilovitého signálu do oblasti 0,7 .. 5,2 V. Detail vyhlazeného pilovitého signálu je vyobrazen na obrázku 5.30.

Obrázek 5.29: Detail pilovitého signálu

Obrázek 5.30: Detail vyhlazeného pilovitého signálu


69

Na sérii obrázků 5.31 až 5.36 je patrný vygenerovaný PWM signál s různou střídou. Proud připojeným DC motorkem byl měřen pomocí bočníkového odporu. K tomuto měření je i přizpůsoben samotný koncový stupeň L6203 (pin označený SENSE, viz obrázek 5.21 blokového schéma L6203 na str. 62). Na průbězích napětí je patrná hodnota a průběh indukovaného napětí na svorkách motorku.

Obrázek 5.31: Průběh napětí na motorku při střídě 25%

Obrázek 5.32: Průběh proudu motorkem při střídě 25%




70


71



Z průběhu proudu procházejícího motorkem je patrné kolísání proudu. Toto kolísání je zapříčiněno komutací. Frekvence zákmitů je stejná jako frekvence pulzů indukovaného napětí.


5.2.8.

72

Soupis a parametry použitých obvodů Tabulka 5.2: Parametry 7805 [11]

Symbol

Parametr

Min.

Typ.

Max.

Jednotka

VCC

Napájecí napětí

7,00

-

35,00

V

VO

Výstupní napětí

4,75

5,00

5,25

V

IO

Výstupní proud

-

-

1,00

A

IK

Zkratový proud

-

-

1,60

A

PTOT

Max. ztrátový výkon

-

-

20,8

W

ZO

Výstupní impedance

0,04

0,04

0,2

Ω

υj

Pracovní teplota

-30

-

150

°C

VNO

Napěťové zvlnění

-

50

-

µV

Tabulka 5.3: Parametry 7808 [11] Symbol

Parametr

Min.

Typ.

Max.

Jednotka

VCC

Napájecí napětí

10,00

-

35,00

V

VO

Výstupní napětí

7,60

8,00

8,40

V

IO

Výstupní proud

-

-

1,00

A

IK

Zkratový proud

-

-

1,10

A

PTOT


-

-

20,8

W

ZO

Výstupní impedance

0,04

0,04

0,2

Ω

υj

Pracovní teplota

-30

-

150

°C

VNO

Napěťové zvlnění

-

70

-

µV


73

Tabulka 5.4: Parametry 74HC14 [12] Symbol

Parametr

Min.

Typ.

Max.

Jednotka

VCC

Napájecí napětí

2,00

5,00

6,00

V

VI

Vstupní napětí

0

-

VCC

V

VO

Výstupní napětí

0

-

VCC

V

IO

Výstupní proud

-

-

±25

mA

CI

Vstupní kapacita

-

3,50

-

pF

PTOT


-

-

750

mW

t

Časová prodleva vstup/výstup

-

-

12

ns

fMAX

Max. frekvence

-

80

-

MHz

Tabulka 5.5: Parametry 74HC393 [13] Symbol

Parametr

Min.

Typ.

Max.

Jednotka

VCC

Napájecí napětí

2,00

5,00

6,00

V

VI

Vstupní napětí

0

-

VCC

V

VO

Výstupní napětí

0

-

VCC

V

IO

Výstupní proud

-

-

±25

mA

CI

Vstupní kapacita

-

3,50

-

pF

PTOT


-

-

750

mW

t

Časová prodleva vstup/výstup

-

-

10

ns

fMAX

Max. frekvence

-

99

-

MHz


74

Tabulka 5.6: Parametry LM318P [14] Symbol

Parametr

Min.

Typ.

Max.

Jednotka

VCC

Napájecí napětí

±5,00

-

±20,00

V

VI

Vstupní napětí

0

-

VO

Výstupní napětí

0

-

RI

Vstupní impedance

0,5

3

-

MΩ

PTOT


-

-

500

mW

vMAX

Rychlost přeběhu signálu

50

70

70

V/µs

fMAX

Max. frekvence

-

15

-

MHz

±VCC (max 15) ±VCC (max 15)

V V

Tabulka 5.7: Parametry L6203 [15] Symbol

Parametr

Min.

Typ.

Max.

Jednotka

VCC

Napájecí napětí

8,00

36,00

48,00

V

VIL

Vstupní napětí – log. 0

-0,30

-

0,80

V

VIH

Vstupní napětí – log. 1

2,00

-

7,00

V

-

0,30

0,55

Ω

RDS

Odpor DMOS tranzistorů v sepnutém stavu

IO

Výstupní proud

-

-

5,00

A

PTOT


-

-

20

W

fMAX

Max. frekvence

-

-

100

kHz


6.

75

Elektroinstalace

Model galvanizační linky je napájen z jednofázové střídavé sítě o napětí 230V, 50Hz. Ovládané a ovládací prvky jsou na napěťové úrovni 24V DC a menší, od sítě jsou galvanicky odděleny pomocí transformátoru. Dílčí elektrické obvody mají vlastní jištění pomocí trubičkových pojistek. Zdroj, který se stará o napájení linky, je dimenzován na proud 5A. Přímo ze zdroje jsou napájeny obvody řídícího systému (PLC), obvody vstupů a výstupů (simulační tlačítka, vypínače a signalizační prvky). Obvody pro řízení motorků pojezdu a zdvihu manipulátorů mají vlastní přizpůsobovací zdroj (230V AC / 8V DC, 5V DC). Topná tělesa jsou rovněž napájena z centrálního zdroje 24V 5A. Proud signalizačními diodami je dimenzován na 15mA, digitální vstupy vyžadují pro svoji správnou činnost proud 10mA. Systém obsahuje 96 digitálních vstupů a 96 digitálních výstupů. Celkový přibližný instalovaný výkon je uveden v tabulce 6.1. Tabulka 6.1: Instalovaný výkon Prvek

Napěťová úroveň

Proud

Příkon

PLC

24 V

500 mA

12,0 W

Signalizace

24 V

1500 mA

36,0 W

Snímače

24 V

1000 mA

24,0 W

Topná tělesa

24 V

900 mA

21,6 W

Pohonné jednotky

8V

200 mA

1,6 W

24 V

3900 mA

93,6 W

8V

200 mA

1,6 W

Celkem


6.1.

76

Snímací prvky

Na lince pro galvanické pokovení je mnoho prvků, které zajišťují zpětnou vazbu o probíhajícím procesu pro řídící systém.

6.1.1.

Snímání hladiny

Na běžné (velké) lince se využívá pro snímání hladiny odporových hladinových čidel (viz. kapitola 2.4.1 Snímače hladiny – str. 23). Konstruovaný model je suchý, tedy bez obsahu lázní. Z tohoto důvodu jsou hladinová čidla nahrazena třípolohovým přepínačem, který umožňuje jednoduchou a pohodlnou simulaci hladiny. Polohy nahrazují hladiny: minimální, provozní a maximální. Jednotlivé přepínače jsou umístěny na předním ovládacím panelu, jejich pozice odpovídá rozložení van.

6.1.2.

Snímání teploty

Běžně používané teplotní snímače (kapitola 2.4.2 Snímače teploty – str. 24) jsou pro použití v modelu příliš veliké, proto jsou nahrazeny malými termistorovými články. Termistorový článek je připojen do analogového proudového vstupu systému. Teplo působící na termistorový článek způsobuje změnu odporu článku (graf na obrázku 6.1), který omezuje procházející proud.

Obrázek 6.1: Závislost odporu termistoru na teplotě


77

Hodnota termistoru a předřadného odporu je nastavena tak, aby se výsledný proud v rozsahu pracovních teplot 25 .. 90 °C (viz. tabulka 2.1 v kapitole 2.2 Technologický postup – str. 15) pohyboval v dovoleném proudovém rozsahu analogového vstupu PLC a charakteristika byla co nejvíce lineární (z důvodu lineárního převodu v řídícím systému), graf na obrázku 6.2.

Obrázek 6.2: Závislost proudu termistorem na teplotě

V oblasti, která vyžaduje přesné měření, 35 .. 60 °C (niklování, chromátování), je charakteristika závislosti proudu na teplotě lineární.

6.1.3.

Snímání polohy

Z důvodu minimalizace rozměrů jsou běžné snímače (uvedené v kapitole 2.4.3 Snímače polohy – str. 24) nahrazeny mikrospínači. Mikrospínače nahrazují koncové i bezpečnostní spínače. Místo běžného inkrementálního snímače je využito optické závory ze staré kuličkové počítačové myši. Čidlo neobsahuje signál udávající směr otáčení; tento signál je sbírán z řízení motorků pro pojezd a zdvih manipulátoru.


6.2.

78

Ovládané prvky

V běžném provozu se na pracovních vanách nalézají ventily pro doplňování kapalin, ventily pro tlakový vzduch pro čeření lázní, ovládání chlazení a další prvky. Všechny prvky musí být pro plný automatický provoz připojeny do řídícího systému. I na modelu linky musí být veškeré prvky připojeny do systému. Pouze jsou běžné solenoidové ventily nahrazeny signalizačními LED. Všechny LED jsou osazeny obdobně jako přepínače na simulačním panelu. Pro lepší přehlednost je simulační panel dovybaven LED pro signalizaci obsazení zásobné pozice. Signalizace galvanizačního procesu i vytápění či chlazení je také provedena pomocí LED na panelu.

6.3.

Simulace vytápění lázní

Vytápění lázní je simulováno pomocí výkonového rezistoru uloženého v hliníkové trubičce s křemičitým pískem. Součástí konstrukce je i termistor pro měření teploty článku. Konstrukce je použita z důvodu zajištění tepelné setrvačnosti, která zpomalí ohřev i chladnutí. •

napájecí napětí

U = 24 V

•

odpor rezistoru

R = 165 

•

vnější a vnitřní průměr trubičky

D 1 = 10 mm ,

•

tepelná kapacita hliníku [9]

c Al = 896 W⋅s⋅kg ⋅K

•

tepelná kapacita křemičitého písku

c Si = 800 W⋅s⋅kg−1⋅K −1

•

teplotní rozdíl

  = 80 K

•

doba ohřevu

t = 300 s

•

hustota hliníku [9]

 Al = 2700 kg⋅m

•

hustota křemičitého písku

 Si = 2300 kg⋅m−3

D 2 = 8 mm −1

1 Za parametry pojistkového křemičitého písku děkuji doc. Ing. Z.

−3

Vávrovi, CSc.

*1

−1

*1


79

Hliníková trubička má průměr 10mm s tloušťkou stěny 1mm. Je vyplněna pojistkovým křemičitým pískem. Ze stanovených parametrů a požadavků je nutné vypočítat potřebnou délku soustavy. Ve výpočtu je zanedbán prostor obsazený výkonovým odporem, čidlem a přívodními kabely. Nejprve je zapotřebí stanovit tepelnou kapacitu (vzorec 6.1) a hustotu (vzorec 6.2) celku podle poměru hliníku a křemičitého písku v ploše trubičky: c =

=

S Al ⋅ c Al  S Si ⋅ c Si = S

2

D Al

(6.1)

=

  10 mm  2 − 8 mm 2  ⋅ 896W⋅s⋅kg−1⋅K −1  8 mm 2 ⋅800 W⋅s⋅kg −1⋅K−1  10 mm 2 −1

= 834,56 W⋅s⋅kg ⋅K

=

−1

S ⋅  S Si ⋅ Si  = Al Al = S

=

 D 2Al − D 2Si  ⋅ c Al  D 2Si ⋅ c Si

 D 2Al − D 2Si  ⋅  Al  D2Si ⋅ Si 2

D Al

  10 mm  2 − 8 mm 2  ⋅ 2700 kg⋅m−3  8 mm 2 ⋅ 2400 kg⋅m−3  10 mm  2

(6.2)

=

=

−3

= 2508 kg⋅m

Potřebnou délku topného článku lze vypočítat pomocí úpravy vztahu pro výpočet tepelné kapacity materiálu (6.3). c =

P ⋅t m⋅  

(6.3)

U2 24 V 2 ⋅t ⋅ 300 s P ⋅t R 165 m = = = = 15,68⋅10−3 kg −1 −1 c⋅ c ⋅  834,56 W⋅s⋅kg ⋅K ⋅80 K

(6.4)

Z rovnice 6.4 vychází, že je zapotřebí 7,84g materiálu. Tedy těleso musí mít délku: l =

m = ⋅ S

−3

15,68⋅10 kg = 79,6⋅10−3 m = 80 mm 2 ⋅  0,01 m  2508 kg⋅m−3 ⋅ 4

(6.5)


80

Z výsledků lze podle rovnice 6.6 sestavit graf závislosti oteplení na době ohřevu (obrázek 6.3). 2

2

U 24 V  ⋅t ⋅t P ⋅t R 165   = = = = 0,267 K⋅s−1 ⋅ t −1 −1 −3 c⋅ m c⋅ m 834,56 W⋅s⋅kg ⋅K ⋅15,68⋅10 kg (6.6)

Obrázek 6.3: Závislost oteplení na čase

Z grafu je patrná lineární charakteristika. Lineární závislost vzniká z důvodu zanedbání ochlazování tělesa okolním vzduchem.

6.3.1.

Ověření navržených topných těles

Navržený systém simulace topných těles je nutné prakticky ověřit. Při praktickém měření je zohledněno okolní prostředí, které ochlazuje systém, a také setrvačnost jednotlivých prvků. Naměřené hodnoty jsou uvedeny v tabulce 6.2. Měření probíhalo až do ustálení teploty a následně probíhalo samovolné ochlazování. Z tabulky je pro přehlednost zpracován graf pro oteplovací charakteristiku (obrázek 6.4) a ochlazovací charakteristiku (obrázek 6.5), skutečná teplota je vyznačena modře a naměřená hodnota červeně.


81

Tabulka 6.2: Tepelná charakteristika topného článku Teplota (skutečná) [°C]

Teplota (naměřená) [°C]

Topení

Chlazení

Topení

Chlazení

0

24,5

93,0

24,60

90,59

20

31,0

88,5

30,22

87,51

40

36,5

84,2

35,61

84,44

60

41,0

80,4

40,45

81,26

80

45,0

77,0

44,94

78,39

100

48,2

74,0

48,99

75,62

120

52,4

70,8

53,03

72,75

150

57,0

66,5

58,31

68,44

180

61,4

62,8

62,81

64,45

210

64,8

59,5

66,63

60,96

240

68,0

56,5

69,89

57,58

270

71,0

53,5

72,70

54,40

300

73,4

51,2

75,06

51,63

330

75,8

49,0

77,30

49,07

360

77,4

47,0

78,76

46,71

390

79,5

45,0

80,56

44,66

420

81,0

43,0

81,57

42,72

480

83,8

40,0

83,93

39,54

540

85,9

37,6

85,62

36,77

600

88,0

35,5

87,08

34,62

660

89,0

33,8

87,87

32,98

720

90,2

32,5

88,65

31,65

780

91,2

31,2

89,21

30,41

840

91,8

30,4

89,78

29,49

900

92,0

29,4

90,00

28,88

960

92,4

28,8

90,23

28,26

1020

92,6

28,2

90,34

27,85

1080

92,8

27,8

90,45

27,44

1140

93,2

27,5

90,56

27,03

1200

93,4

27,5

90,56

27,03

Čas [s]


Obrázek 6.4: Oteplovací charakteristika

82


Obrázek 6.5: Ochlazovací charakteristika

83


84

Praktickým měřením bylo zjištěno, že tepelné ztráty způsobují, že maximální teplota není požadovaných 100°C, ale cca 95°C. Maximální teploty není také vlivem ochlazování okolím dosaženo za 300 vteřin, ale za dobu 4krát delší, tedy 1200 vteřin. Tuto dobu lze zkrátit na požadovanou dobu zvýšením tepelného výkonu rezistorů, to ale vyžaduje větší instalační prostor. Z těchto důvodů budou upraveny požadované teploty pro jednotlivé procesy, jedná se totiž pouze o modelaci, při které nebude probíhat pokovování, a lze tedy teplotní parametry změnit. I přes změnu parametrů je zachována požadovaná simulace vytápění lázní. Z důvodu nelineární závislosti odporu termistoru na teplotě (viz graf 6.2 na str. 77), a tedy i průchozího proudu a lineárního převodu proudu zpět na teplotu v řídícím systému, je charakteristika proložena přímkou (graf 6.6). Tímto proložením vzniká převodní chyba, praktickým měřením bylo zjištěno, že maximální chyba, která tímto vzniká, je 6,7°C. Této chyby je dosahováno až při teplotách nad 80°C a pod 20°C (viz charakteristiky na str. 82 a 83), v pracovní oblasti (35 .. 60 °C) je chyba pouze 0,2°C.

Obrázek 6.6: Proložení charakteristiky teplotního čidla


6.3.2.

Fotografie zhotovených topných těles

Obrázek 6.7: Fotografie zhotovených topných těles

Obrázek 6.8: Umístění topných těles na zhotoveném modelu

85


6.4.

86

Ovládací panel

Ovládací panel je umístěn na čelní straně modelu. Panel obsahuje tlačítka a přepínače sloužící k nasimulování různých stavů vstupních obvodů, tlačítka pro ruční ovládání dopravníku a dva hlavní přepínače pro volbu provozního režimu. Na ovládacím panelu jsou umístěny i informační LED sloužící pro zobrazení aktuálního dění na galvanické lince. Jednotlivé prvky mají odpovídající rozmístění podle pozice van. Na obrázku 6.9 je uveden příklad rozmístění ovládacích a signalizačních prvků pro pozici 07 (katodické odmaštění).

Obrázek 6.9: Fotografie ovládacího panelu

Zelené LED ve vrchní řadě signalizují dopouštění vody do příslušné vany. Třípolohový přepínač v druhé řadě slouží pro simulaci (nastavení) aktuální hladiny lázně ve vaně, horní poloha = maximální hladina, střední poloha = provozní hladina, spodní hladina = minimální hladina.


87

Žlutá LED ve třetí řadě signalizuje čeření lázně. Červená LED v předposlední řadě signalizuje vytápění lázně, ve stejné řadě se na některých lázních nalézá i modrá LED, která reprezentuje probíhající chlazení. Poslední řada obsahuje dvě tlačítka a LED pro zapínání, vypínání a signalizaci galvanizačního procesu. Na posledních dvou pozicích, na kterých probíhá sušení a chlazení navěšeného materiálu jsou v posledních řadách umístěna tři tlačítka pro ovládání procesu. Modré pro sepnutí chlazení, žluté pro sušení a červené pro vypnutí.

Na obrázku 6.10 je fotografie části ovládacího pultu, který obsahuje prvky pro volbu pracovního režimu, ruční ovládání manipulátorů a hlavní signalizační LED a tlačítka.

Obrázek 6.10: Fotografie ovládacího panelu

Součástí ovládacího pultu jsou i tři Central STOP tlačítka pro nouzové zastavení činnosti.

6.5.

Schéma zapojení

Elektrické schéma zapojení modelu linky pro galvanické pokovení je uvedeno na přiloženém CD-ROM.


7.

88

Řídící systém 7.1.

Simatic S7-300

Jako řídící sytém pro tuto aplikaci byl zvolen systém Simatic S7-300 od firmy Siemens. Jedná se o modulový průmyslový řídící systém. Jádrem je jednotka CPU, která zpracovává uživatelský program. Druhů CPU jednotek je velké množství, každý druh má své předurčené použití. Některé aplikace totiž vyžadují rychlejší zpracování, měření s velkou frekvencí, technologické aplikace či třeba bezpečnostní opatření. Příklad procesorové jednotky je na obrázku 7.1; obrázek 7.2 vyobrazuje rozšiřující modul.

Obrázek 7.1: Simatic S7-300 – CPU [17]

Obrázek 7.2: Simatic S7-300 – modul [17]

Použitá jednotka neobsahuje žádné vstupy a výstupy, proto je zapotřebí ji pomocí modulů rozšířit. Siemens dodává vstupní i výstupní moduly jak v digitálním, tak analogovém provedení. Déle je možné u jednotek volit parametry, jako je počet vstupů či výstupů, napěťová úroveň a proudové dimenzování u výstupních jednotek. Volbou vhodných modulů a jejich množstvím lze sestavit požadovaný řídící systém pro danou aplikaci.


7.2.

89

Použité moduly

Pro řízení modelu linky byl sestaven řídící systém z následujících modulů: •

1x

Zdroj 24V DC / 5A

6ES7 307-1EA00-0AA0

•

1x

CPU 314

6ES7 314-1AE04-0AB0

•

3x

32x DI – 24V DC

6ES7 321-1BL00-0AA0

•

3x

32x DO – 24V DC / 0,5A

6ES7 322-1BL00-0AA0

•

1x

4x AI + 2x AO

6ES7 334-0CE01-0AA0

Řídící systém tedy celkem disponuje 96 digitálními vstupy, 96 digitálními výstupy (dimenzovány na proud 0,5A), 4 analogovými vstupy (napěťové 0 .. 10V či proudové 0 .. 20 mA) a 2 analogovými výstupy (napěťové 0 .. 10V či proudové 0 .. 20 mA).

7.2.1.

Parametry S7-300 CPU 314

•

Napájecí napětí

20,4 .. 28,8 V

•

Proudová spotřeba

60 .. 600 mA

•

Integrovaná paměť

32 kB

•

Rychlost zpracování bitové operace

min. 0,2 µs

•

Rychlost zpracování bytové operace

min. 0,4 µs

•

Rychlost zpracování číselné operace

min. 5 µs

•

Počet čítačů

128

•

Počet časovačů

128

•

Časový rozsah

10ms .. 9990 s

•

Maximum digitálních vstupů / výstupů

256 / 256

•

Maximum analogových vstupů / výstupů

64 / 64

•

Maximum rozšiřujících modulů

8


7.2.2.

Parametry modulu digitálních vstupů

•

Napájecí napětí

20,4 .. 28,8 V

•

Proudová spotřeba

25 mA

•

Proudová spotřeba na jeden vstup

7 mA

•

Napětí pro signál log 0

-30 .. 5 V

•


13 .. 30 V

•

Vstupní zpoždění log 0 > log 1

1,2 .. 4,8 ms

•

Indikace aktivního vstupu

LED

•

Počet vstupů

32

•

Galvanické oddělení skupin vstupů

Ano, po 16 DI

7.2.3.

Parametry modulu digitálních výstupů

•

Napájecí napětí

20,4 .. 28,8 V

•

Proudová spotřeba

160 mA

•

Proud na jeden výstup

5 .. 500 mA

•

Maximální proud na skupinu výstupů

3A

•


Ucc – 0,8 V

•

Max. frekvence spínání (odporová zátěž)

100 Hz

•

Max. frekvence spínání (indukční zátěž)

0,5 Hz

•

Indikace aktivního výstupu

LED

•

Počet výstupů

32

•

Galvanické oddělení skupin vstupů

Ano, po 8 DI

90


7.2.4.

Parametry analogového modulu

•

Napájecí napětí

20,4 .. 28,8 V

•

Proudová spotřeba

110 mA

•

Počet vstupů

4

•

Napěťový rozsah vstupu

0 .. 10 V

•

Proudový rozsah vstupu

0 .. 20 mA

•

Destruktivní hodnota napětí

20 V

•

Destruktivní hodnota proudu

40 mA

•

Čas skenování všech vstupů

max. 5 ms

•


-30 .. 5 V

•

Počet výstupů

2

•

Napěťový rozsah výstupu

0 .. 10 V

•

Proudový rozsah výstupu

0 .. 20 mA

•

Rychlost nastavení výstupu (odporová z.)

0,3 ms

•

Rychlost nastavení výstupu (kapacitní z.)

3 ms

•

Rychlost nastavení výstupu (indukční z.)

0,3 ms

•

Ochrana napěťového výstupu proti zkratu Ano, 11 mA

•

Napětí nezatíženého proudového výstupu

15 V

•

Zatěžovací limit napěťového výstupu

min. 5 kΩ

•

Zatěžovací limit napěťového výstupu

max. 1 µF

•

Zatěžovací limit proudového výstupu

max. 300 Ω

•

Zatěžovací limit proudového výstupu

max. 1 mH

•

Bitové rozlišení převodníku

8 bit

•

Galvanické oddělení mezi vstupy/výstupy Ne

91


8.

92

Obslužný program 8.1.

Programovací prostředí

Uživatelský program pro kontrolu CPU lze vytvořit pomocí programovacího prostředí STEP 7. Pro sestavení programu pro model linky bylo využito volně šiřitelné verze STEL 7 Lite, která má sice omezené funkce, ale pro tuto aplikaci je dostačující.

Obrázek 8.1: Logo programu STEP 7

Prostředí programu je přehledné a intuitivní. Lze zde nalézt hardwarovou konfiguraci programovaného PLC, tabulku zástupných symbolů, monitor a modifikátor vstupů a výstupů, kontrolu použité paměti a bloky samotného programu. Z programovacího prostředí lze provádět i konfiguraci a diagnostiku procesorové jednotky a připojených modulů. Příklad vzhledu prostředí je vyobrazen na obrázku 8.2.

Obrázek 8.2: Prostředí programu STEP 7 Lite


93

STEP 7 Lite disponuje třemi základními programovacími jazyky (editory): STL, LAD a FBD.

8.1.1.

Editor STL

Editor STL zobrazuje program jako znakově orientovaný programovací jazyk. Umožňuje vytvářet řídící programy vkládáním textových instrukcí. Editor STL také umožňuje tvorbu programů, které by pomocí editoru LAD nebo FBD nešly vytvořit. Je to proto, že v STL se programuje v ASCII jazyku, a nikoli v jazyku grafického editoru, kde platí určitá omezení, aby byly diagramy správně vykresleny. Na obrázku 8.3 je vyobrazen příklad pro ovládání časovače pro spínání galvanizačního zdroje.

Obrázek 8.3: Editor STL

CPU provádí instrukce postupně od shora dolů. Pro řešení řídící logiky používá STL logický zásobník, uživatel vkládá pouze instrukce pro manipulaci se zásobníkem. Při volbě editoru STL je třeba vzít v úvahu tyto hlavní body: •

STL je nejvhodnější pro zkušené programátory

•

STL někdy umožní řešit problémy, které se nedají snadno řešit pomocí editorů LAD a FBD

•

Editor STL je možné používat pouze s instrukčním souborem SIMATIC

•

Editor STL je možné vždy použít na prohlížení nebo editaci programu, který byl vytvořen pomocí LAD nebo FBD, naopak to ale není vždy možné


8.1.2.

94

Editor LAD

Editor LAD zobrazuje program v grafické formě podobné schématům. Programy v kontaktním schématu umožňují simulovat tok elektrického proudu z napájecího zdroje přes řadu logických podmínek, které následně aktivují výstupní prvky. Program LAD obsahuje levou napájecí lištu, která je pod napětím. Kontakty, které jsou sepnuté, umožňují tok energie do dalšího prvku; kontakty, které jsou rozepnuté, tok energie blokují. Logika je dělena do spojitých sítí (network). CPU provádí vždy jen jeden network zleva doprava a pak shora dolů tak, jak je to určeno programem. Instrukce jsou představovány grafickými symboly: kontakty, výstupy, logické bloky. Obrázek 8.4 vyobrazuje stejnou část programu pro ovládání zdrojů, jako bylo uvedeno v kapitole 8.1.1 Editor STL – str. 93.

Obrázek 8.4: Editor LAD

Při volbě editoru LAD je třeba vzít v úvahu tyto hlavní body: •

Kontaktní schéma snadno používají i programátoři začátečníci

•

Grafické zobrazení se snadno chápe a je populární po celém světě

•

Editor LAD je možné používat s instrukčním souborem SIMATIC i IEC 1131-3

•

Vždy je možné použít editor STL pro zobrazení programu vytvořeného editorem LAD


8.1.3.

95

Vlastnosti editoru FBD

Editor FBD zobrazuje program v grafické formě, která připomíná běžná logická schémata. Neobsahuje kontaktní cívky, které se nalézají v editoru LAD, ale ekvivalentní instrukce, které se objevují jako blokové instrukce. FBD nepoužívá pojem levých a pravých napájecích lišt, proto se termín „signálový tok“ používá pro vyjádření analogického pojmu toku řízení přes logické bloky FBD, čili cestu logické „1“ přes prvky FBD. K vstupu a výstupu signálového toku je možné přímo přiřadit operandu. Logika programu je odvozena od spojení těchto bloků. To znamená, že výstup jedné instrukce (jako je například blok AND) je možné použít pro aktivaci jiné instrukce (např. časovače). Tato koncepce spojování umožní vyřešit mnoho různých logických problémů. Na následujícím obrázku je uveden stejný příklad jako ve dvou předchozích kapitolách (Editor STL a LAD).

Obrázek 8.5: Editor FBD

Při volbě editoru FBD je třeba vzít v úvahu tyto hlavní body: •

Styl zobrazení pomocí grafických logických členů umožňuje dobře sledovat tok programu

•

Editor FBD je možné použít s instrukčním souborem SIMATIC i IEC 1131-3

•

Pro zobrazení programu vytvořeného editorem FBD je možné použít editor STL


8.2.

96

Vývojový diagram

Vývojový diagram je jedním z možných zobrazení daného programu, jsou v něm přehledně zobrazeny jednotlivé kroky a podmínky pro další operace. Pro přehlednost je vhodné celý program rozdělit do několika dílčích podprogramů, které jsou postupně volány z hlavního programu. Dílčí programy musí být vytvořeny tak, aby nedošlo k zacyklení při nesplnění některé z podmínek v podprogramu.

8.2.1.

Vývojový diagram kontroly hladiny

Procedura kontroly hladiny

Dosaženo min. hladiny

NE

Sepnout dopouštění

ANO

Vypnout dopouštění

ANO

Dosaženo max. hladiny NE

Konec procedury Obrázek 8.6: Vývojový diagram pro kontrolu hladiny

Proces kontroluje minimální a maximální hladinu v dané vaně. Doplňování hladiny je automaticky spuštěno při nedosažení minimální hladiny; dopouštění se vypne až po


97

dosažení maximální hladiny. Ve stavu, kdy je hladina mezi minimem a maximem, proces neprovádí žádné změny výstupu, tedy zachovává předchozí stav.

8.2.2.

Vývojový diagram kontroly teploty

Procedura kontroly teploty

Dosaženo min. teploty

NE

Sepnout topení

ANO

Vypnout topení

ANO

Dosaženo max. teploty NE

Konec procedury Obrázek 8.7: Vývojový diagram pro kontrolu teploty

Obdobně jako v případě kontroly hladiny pracuje i proces pro kontrolu teploty a vytápění lázní. Při poklesu teploty pod nastavenou mez je sepnuto vytápění, které je vypnuto až po dosažení požadované teploty. Při teplotě mezi min. a max. také nedochází ke změně výstupu. Podprogram pro vytápění lázní je navíc podmíněn dosažením minimální hladiny. Topné těleso nesmí být sepnuto, aniž by bylo ponořeno.


8.2.3.

98

Vývojový diagram ovládání galvanizačních zdrojů

Některé operace vyžadují pro svoji činnost galvanizační zdroj. Galvanizační zdroj se spíná automaticky po vložení materiálu do pracovní vany (při automatickém provozu) nebo je sepnut ručně (při manuálním ovládání). Vypnutí je zajištěno časovačem, v ručním provozu je možno zdroj vypnout pomocí tlačítka. Volání podprogramu pro ovládání galvanizačních zdrojů je obdobně jako vytápění van podmíněno dosažením minimální hladiny a také musí být splněna podmínka minimální teploty pro daný proces.

Procedura galvaniz. zdrojů

Je zdroj zapotřebí

ANO

Sepnout zdroj

NE

Dosaženo ANO požadovaného času

Vypnout zdroj

NE

Konec procedury Obrázek 8.8: Vývojový diagram ovládání galvanizačních zdrojů


Výše

8.2.4.

Další vývojové diagramy

popsané

tři

vývojové

diagramy

reprezentují

základní

99

podprogramy.

Další podprogramy, které se starají o jejich podmíněné seskupování a ovládání manipulátorů, obsahují mnoho podmínek a zpětnovazebních smyček, které činí vývojové diagramy složitými. Na obrázku 8.9 je pro příklad vyobrazena část programu, která v ručním režimu zajišťuje pouze nastavování rychlostních a akceleračních parametrů pro pojezd jednoho manipulátoru.

Obrázek 8.9: Příklad podprogramu ovládajícího rychlost manipulátoru Program pro ruční řízení obou manipulátorů, který zajišťuje i doplňování hladin, vytápění a ovládání zdrojů (pomocí podprogramů), zabere v programovém editoru LAD přibližně 70 stran A4. Vývojový diagram tohoto programu by byl velice rozsáhlý a složitý.


8.3.

100

Popis programu

Řídící program pro ovládání galvanické linky disponuje čtyřmi hlavními provozními režimy: •

Automatický : program vykonává provoz plně automaticky podle technologického procesu

•

Manuální :

ovládání manipulátorů a galvanizačních procesů probíhá ručně

•

Zátop :

program udržuje teploty lázní, aby nebylo nutné před provozem čekat na jejich ohřátí do provozních teplot

•

DeBlok :

program pro nouzové ruční řešení problémů

Parametry jednotlivých dílčích procesů jsou v programu přednastaveny a nelze je během činnosti měnit bez použití PC. Pro změnu parametrů bez použití PC a znalosti programu by bylo zapotřebí osadit model operátorským LCD panelem (obrázek 8.10), který umožňuje sledovat činnost programu a měnit technologické parametry.

Obrázek 8.10: Operátorský panel

Obslužný program pracuje v cyklech, podle jednotlivých podmínek prochází dílčí podprocesy řádek po řádku. Po dokončení posledního řádku začíná znovu od prvního. Pokud dojde během procesu k nějaké chybě, je tato chyba signalizována pomocí LED a signalizační houkačky. Celý proces lze kdykoliv zastavit pomocí tlačítka Central STOP.


8.3.1.

101

Automatický režim provozu

V automatickém provozu se o vše stará řídící PLC. Obsluha pouze zajišťuje navěšování materiálu určeného k pokovení a svěšuje pokovený materiál. Linka obsahuje pouze jednu pozici pro manipulaci s materiálem, proto je tato pozice vybavena dvěma tlačítky, které určují, zda už je materiál navěšen či ne. Stiskem příslušného tlačítka je dán signál systému, zda je tyč na první pozici plná materiálu k pokovení a připravena pro galvanizační proces, či je prázdná a připravena na odložení do zásobníku, aby se pozice mohla uvolnit pro další pracovní tyč s materiálem, který je ještě v procesu. Před samotným galvanizačním procesem systém zkontroluje hladiny v jednotlivých pracovnách vanách a podle situace automaticky zajistí jejich doplnění. Pokud je hladina v dané vaně nad minimem, tak je spuštěno automatické vytápění na požadovanou teplotu, která je nadále automaticky udržována v daném rozsahu. Během celého provozu je prováděno čeření lázní pomocí stlačeného vzduchu či ejektorových trysek. Jakmile je linka plně připravena k provozu, může začít pokovovací proces. Po navěšení materiálu k pokovení na první pozici manipulátor vyzvedne pracovní tyč a odveze ji na příslušné pracoviště. Pokud obsluha připraví další pracovní tyč s materiálem pro pokovení, systém o ní ví a čeká na volný okamžik, aby ji vyzvedl a převezl do některé ze zásobníkové pozice. Řídící systém se musí rozhodovat podle priority jednotlivých procesů, kterou činnost vykoná dříve. Nejvyšší prioritu mají operace, kde probíhá samotné pokovení. Pokud se pokovovací proces blíží ke konci, manipulátor se připraví na vyzvednutí tyče, její převezení na další pozici podle technologického postupu; ponechání materiálu v pokovovací lázni po delší dobu má negativní vliv na kvalitu pokovení. V každém okamžiku řídící systém ví, které pozice má obsazené a jaký čas zbývá pro dokončení dané operace. Před přesunem tyče je zapotřebí, aby se systém podle podmínek rozhodl, zda může operaci za požadovaný čas vykonat, či ne, a jaké operace musí předcházet. Některé operace mají tak krátký pracovní čas, že manipulátor ani pozici neopustí. Každá operace má svůj přednastavený čas podle technologického postupu; PLC musí vyhodnotit, zda během tohoto času stihne vykonat daný manipulátor jinou operaci (převoz jiné pracovní tyče s materiálem pro pokovení apod.). U některých operací může být


102

přednastavený čas překročen, aniž by to mělo vliv na výsledek pokovovacího procesu (oplach, odmaštění, sušení …). Jakmile pracovní tyč projde všemi procesy, je navrácena na první pozici, kde obsluha provede svěšení pokoveného materiálu. O manipulaci s pracovními tyčemi se starají dva manipulátory; každý manipulátor je schopen obsloužit přibližně 2/3 pracovních van. Manipulátory se pohybují na společné dráze, nemohou se tedy křížit. Pokud dojde během procesu k jakékoliv chybě (přílišný pokles teploty, velká prodleva před doplněním pracovní hladiny, poloha manipulátoru mimo vymezenou dráhu), dojde k opatřením, která zabrání dalšímu postupu. Například pokud dojde k sepnutí jakéhokoliv bezpečnostního snímače (např. kolize manipulátorů), systém okamžitě zastaví veškerý proces a nelze dále pokračovat, dokud obsluha problém neodstraní ve speciálním provozním režimu, který se nazývá DeBlok. Toto bezpečnostní zastavení ale také znamená znehodnocení materiálu, který se zrovna nalézá v lázních pro pokovení, dekapování či elektrolytické odmaštění, protože dojde k odstavení galvanizačních zdrojů i vytápění lázní. Pokud by provoz nebyl automaticky zastaven, mohly by nastat značné škody na samotném zařízení, mohlo by dojít k poškození pracovních van a úniku lázní, či dokonce k poranění obsluhy. Toto se týká hlavně linky pro galvanické pokovení v reálných rozměrech.

8.3.2.

Manuální režim provozu

V manuálním (ručním) režimu se o některé dílčí procesy stará PLC automaticky (kontrola hladiny, doplňování lázní, topení) a zbylé procesy jsou řízeny dle příkazů obsluhy. Z počátku systém obdobně jako při automatickém provozu zkontroluje hladiny pracovních lázní, provede jejich případné doplnění, a poté sepne vytápění lázní na požadovanou teplotu a tuto teplotu udržuje. I při manuálním procesu je po celou dobu zajištěno čeření lázní. V ručním režimu už systém nevyžaduje informace, zda je pracovní tyč naložena či ne. Řízení převozu pracovních tyčí je plně na rozhodnutí obsluhy. Obsluha také provádí ruční spínání příslušných galvanizačních zdrojů pro jednotlivé


103

pozice, vypínání zdrojů je časové (podle technologického postupu), ale obsluha může proces ukončit i předčasně, či čas prodloužit opětovným spuštěním zdroje. Pro lepší přehlednost je zbývající čas pro operaci pokovení signalizován blikáním LED, kde snižující se perioda odpovídá zbývajícímu času. Pokud je čas pro dokončení operace menší jak 1 minuta, LED bliká s periodou 500ms, při času menším jak 30 vteřin je perioda blikání 250ms a pro čas menší jak 15 vteřin je perioda blikání pouze 125ms. Pro lepší přehlednost je výhodné PLC doplnit o informační displej, kde by byly vyobrazeny přesné zbývající časy. Pohyb manipulátorů je řízen tlačítky z ovládacího pultu. Manipulátory reagují na impulz z tlačítka a na přidržení tlačítka různě. Pokud dojde pouze ke krátkému stisku tlačítka směru, manipulátor se rozjede na nižší rychlost a přejede na další pozici. Pokud je ovládací tlačítko drženo, manipulátor na další pozici nezastaví a jede dokud obsluha tlačítko drží, jakmile dojde k uvolnění tlačítka, manipulátor automaticky zastaví na další pozici. Vyšší rychlosti pojezdu manipulátor dosáhne, pokud je tlačítko znovu stisknuto, když se manipulátor pohybuje. Po opětovném uvolnění tlačítka manipulátor pozvolna zpomalí na nižší rychlost a automaticky se zastaví při dosažení další pozice. Rozsah pohybu manipulátoru je programově omezen, aby nebyl překročen dovolený pracovní rozsah. K okamžitému zastavení dojde, jakmile je sepnut kterýkoliv z bezpečnostních snímačů pro daný manipulátor nebo je stisknuto tlačítko Central STOP, které odstaví celou linku. V manuálním režimu nedojde k zastavení procesu při přílišném poklesu teploty nebo příliš pomalému doplnění pracovní hladiny; toto rozhodnutí je ponecháno na obsluze.

8.3.3.

Režim řízeného zátopu

Režim zátopu slouží k předehřátí a připravení linky pro galvanické pokovení. V tomto režimu nelze pohybovat s manipulátory ani nelze spínat galvanizační zdroje. Systém automaticky bez zásahu obsluhy kontroluje a doplňuje hladiny v pracovních vanách a provádí jejich ohřev. Aby bylo zabráněno sedimentaci lázní a bylo dosaženo lepšího a rovnoměrného ohřevu, dochází v pravidelných cyklech (po dobu 4 vteřin jednou za půl minuty) k čeření lázní. Čeření lázní probíhá podle typu lázně pomocí stlačeného vzduchu nebo pomocí cirkulačního čerpadla a ejektorových trysek.


104

Režim zátopu je důležitý hlavně u reálných linek pro galvanické pokovení, protože pro vytopení lázně o objemu například 600 litrů na teplotu 70°C při výkonu topných těles 25kW je zapotřebí čas asi 2 hodiny. A čekat až dvě hodiny před zahájením směny na galvanické lince by mohlo být velice neekonomické. Proto se využívá tohoto režimu k udržení požadovaných teplot, i když se na lince nepracuje, nebo je systém schopen pomocí časového spínače připravit linku ještě před zahájením provozu. U sestaveného modelu se simulační tělíska ohřívají na požadovanou teplotu cca 5 minut. Tělíska mají výkon 4 W a ochlazování probíhá samovolně vlivem proudění okolního vzduchu.

8.3.4.

Režim DeBlok

Tento režim se využívá pro řešení nouzových situací. Režim DeBlok se od ostatních provozních režimů liší tím, že je tu možnost překlenout bezpečnostní kontakty. Je to jediná možnost, jak například pohnout manipulátorem, pokud najel na bezpečnostní polohu, která v jiných režimech odstaví manipulátor a zamezí jeho pohybu. Manipulátor z bezpečnostních důvodů vykonává pohyb sníženou rychlostí a pohybuje se, pouze pokud je drženo tlačítko pro daný pohyb. Jelikož provoz umožňuje překlenutí bezpečnostních kontaktů (mimo tlačítek pro Central STOP), tak za provoz nese plnou odpovědnost obsluha; systém není schopen kontrolovat a případně zastavit manipulátor. Režim DeBlok je na sestaveném modelu lehce omezen. Kontrola, doplňování a ohřev lázní je i zde prováděn automaticky. Ovládací panel nedisponuje tlačítky (vypínači), které by umožňovaly ruční sepnutí těchto operací. Pro doplnění těchto možností, by muselo být PLC rozšířeno o další modul vstupů a ovládací panel o odpovídající tlačítka, nebo lze připojit k PLC dotykový obslužný panel, který by možnosti ovládání rozšířil.

8.3.5.

Nouzové zastavení

Nouzové zastavení neboli Central STOP slouží k okamžitému odstavení linky. Jakmile dojde ke stisku jednoho z tlačítek, systém reaguje s nejvyšší prioritou a okamžitě celou linku odstaví. Opětovné uvedení linky do chodu je možné stiskem tlačítka pro „znovuoživení“.


105

Použité PLC obsahuje záložní baterii, pamatuje si tedy jednotlivé stavy i při odpojení od napájení. Model neobsahuje podpěťové relé, tedy při výpadku napájení a následném znovupřipojení do napájecí sítě řídící systém naváže v programu, kde před výpadkem skončil. Systém by měl správně čekat na signál od obsluhy a začít celý proces od začátku. Při výpadku napájení dojde obdobně jako při nouzovém zastavení k vypnutí galvanizačních zdrojů a vyhřívání lázní, tedy ke znehodnocení materiálu, který je zrovna založen v pracovních vanách.


9.

106

Závěr

Úkolem diplomové práce bylo navrhnout a zkonstruovat model pro automatickou galvanickou linku. Práce se zpočátku zabývá volbou vhodného technologického procesu, který stanoví parametry jednotlivých operací. Pro tuto aplikaci bylo zvoleno pokovení chrómem s mezivrstvou niklu, této kombinace se využívá především pro dekorativní účely. Pokovení niklem i následné nanesení chrómu vyžaduje přípravné a finalizační procesy; každý z těchto dílčích procesů má své parametry. Parametry jednotlivých procesů (napětí, teplota, čas) udávají celkový technologický postup a rozložení pracovních pozic. Běžné funkční galvanické linky vyžadují mnoho snímacích a funkčních prvků. Model je z bezpečnostních důvodů konstruován jako suchý (neobsahuje pracovní lázně). Rozměry modelu jsou ve srovnání s reálnou linkou v poměru přibližně 1:20. Z těchto důvodů bylo nutné zvolit alternativní snímací a funkční prvky. Například hladinová čidla jsou na modelu nahrazena přepínačem, ventily pro dopouštění lázní a pro čeření lázní jsou nahrazeny signalizačními LED, mechanické snímače jsou nahrazeny mikrospínači a snímání polohy manipulátorů je realizováno pomocí optických snímačů. Model linky pro galvanické pokovení je postaven na plastové desce o rozměrech 2000x500 mm, dráha pro manipulátory i samotné manipulátory jsou sestaveny z hliníkových profilů. Součástí práce je také návrh a volba pohonných jednotek pro manipulátory. Z požadovaných parametrů linky jsou vypočteny minimální požadavky na pohonný motor. Podle výsledků byl zvolen vhodný motor, jedná se o DC motorek s cizím buzením (permanentní magnety) s převodovkou. Pohonná jednotka musí splňovat nejen požadované parametry (otáčky, moment), ale musí mít odpovídající rozměry, aby je bylo možné na modelu použít. Pro zajištění plynulého pohybu manipulátorů, hlavně rozjezd a zastavování, byl proveden návrh řídícího měniče, který lze ovládat pomocí signálu z PLC. Navržený měnič pracuje na principu pulzně šířkové modulace. Měnič umožňuje plynule ovládat střídu PWM signálu, tedy rychlost pojezdu manipulátoru. Celý měnič je zkonstruován jako dvojitý,


107

tedy pro nezávislé řízení dvou motorků (dvou manipulátorů). Práce se dále zabývá návrhem topných těles, aby bylo dosaženo co nejreálnější simulace galvanické linky. Jedná se o malá tělesa, která pracují s napájením 24V a mají v sobě zabudovaný termistor pro měření teploty. Navržená topná tělesa nejsou ponořena v kapalině, jsou připevněna na nosnících dráhy pro manipulátory a jsou ochlazována samovolně pomocí proudění okolního vzduchu. Dosahují výkonu 4 W a jsou schopna dosáhnout teploty okolo 95 °C, při provozu modelu pracují maximálně do teploty 60°C, které dosáhnou přibližně za 5 minut. Poslední část diplomové práce se věnuje návrhu obslužného programu pro kontrolní systém Simatic S7-300 od firmy Siemens. Obslužný program umožňuje pracovat ve čtyřech režimech: Automat (provoz plně kontrolován a ovládán systémem), Manual (provoz kontrolován systémem, ruční ovládání manipulátorů a zdrojů), Zátop (program pro vytopení lázní a přípravu linky před provozem), DeBlok (plné ruční ovládání pro řešení nouzových situací). Ovládání modelu probíhá pomocí ovládacích a signalizačních prvků na ovládacím panelu modelu. V automatickém režimu systém vykonává všechny potřebné výpočty a rozhodování o přepravě jednotlivých pracovnách tyčí s navěšeným materiálem pro pokovení, tak aby nedošlo k překročení přednastavených operačních časů a linka měla co největší využití, tedy aby probíhalo co nejvíce operací současně. Ovládací logika a algoritmus je poměrně složitý, pro nejefektivnější využití by bylo vhodné osadit linku víceprocesorovým systémem, kde by každý manipulátor měl vlastní řídící PLC a další jednotka by se starala o hladiny pracovních lázní, vytápění a galvanizační zdroje. PLC Simatic totiž pracuje ve smyčce, tedy postupuje programem řádek po řádku a po dokončení celé procedury začíná od začátku. Použitá jednotka vykoná jednu smyčku programu přibližně za dobu 1 .. 5 ms (podle aktuálních podmínek dílčích procedur). Model neobsahuje operátorský displej, který by umožnil lepší a přehlednější vyobrazení aktuálních činností a zlepšil ovládání celé linky. S osazením operátorského panelu s dotykovým displejem, který by umožnil zefektivnit činnost modelu, je počítáno v budoucnu. Model bude sloužit jako výukové a testovací pracoviště pro zdokonalování algoritmů automatického režimu. Při chybě v programu na modelu hrozí ve srovnání s reálnou linkou minimální nebezpečí poškození či úrazu. Na modelu je pro zajímavost použito cca 500 m vodičů a cena dosahuje 150 tisíc Kč.


10.

Fotografie zhotoveného modelu

Obrázek 10.1: Celkový pohled na zhotovený model

Obrázek 10.2: Celkový pohled na zhotovený model

108


Obrázek 10.3: Detail energetického řetězu

Obrázek 10.4: Ovládací pult pro volbu režimu a řízení manipulátorů

109


Obrázek 10.5: Ovládací pult pro obsluhu pracovních van

Obrázek 10.6: Detail manipulátoru

110


Obrázek 10.7: Řídící systém Simatic S7-300

Obrázek 10.8: PWM regulátor

111


11.

112

Použitá literatura

[1] Porazil F. a kol.:

Galvanotechnické tabulky, TES Praha, 1974, 478 stran

[2] Krejčík V.:

Povrchová úprava kovů I, STNL Praha, 1987, 168 stran

L13-C1-V-31/25 893 [3] Krejčík V.:

Povrchová úprava kovů II, STNL Praha, 1988, 312 stran

L13-C1-IV-31/25 894 [4] Kolektiv autorů:

Katalog produktů firmy Newport Electronics, [on-line], 2008

URL: http://www.omegaeng.cz/ [5] Kolektiv autorů:

Katalog produktů firmy SEZ a.s. [on-line], 2008

URL: http://www.sez.sk [6] Kolektiv autorů:

Katalog produktů firmy Balluff CZ s.r.o. [on-line], 2008

URL: http://www.balluff.cz [7] Kolektiv autorů:

Katalog produktů firmy JSP Nová Paka [on-line], 2008

URL: http://www.jsp.cz [8] Kolektiv autorů:

Katalog produktů firmy SKV s.r.o. [on-line], 2008

URL: http://www.skv-sro.cz [9] Bureš J.:

Fyzikální tabulky online [on-line], 2008

URL: http://www.converter.cz/tabulky/index.htm [10] Kolektiv autorů:

Katalog produktů firmy GM Electronic [on-line], 2008

URL: http://www.gme.cz [11] Kolektiv autorů:

Korea Electronics Co., LTD – 78xx [on-line], 1998

URL: http://www.keccorp.com [12] Kolektiv autorů:

Philips Semiconductors – 74HC14 [on-line], 1993

URL: http://www.semiconductors.philips.com

ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKYA ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně [13] Kolektiv autorů:

Philips Semiconductors – 74HC393 [on-line], 1990

URL: http://www.semiconductors.philips.com [14] Kolektiv autorů:

Texas Instruments – LM318P [on-line], 1994

URL: http://www.ti.com [15] Kolektiv autorů:

ST Microelectronics - L6203 [on-line], 1997

URL: http://www.st.com [16] Kolektiv autorů:

Nejdůležitější elektronické součástky [on-line]. 2003

URL: http://www.zesilovace.cz [17] Kolektiv autorů:

Katalog produktů firmy Siemens s.r.o. [on-line], 2008

URL: http://www.siemens.cz

113


12. 12.1.

114

Seznam obrázků, tabulek a použitých symbolů Seznam obrázků

Obrázek 2.1: Vodivostní hladinové čidlo [4]..........................................................................23 Obrázek 2.2: Kontaktní snímač dotykový [5].........................................................................25 Obrázek 2.3: Kontaktní snímač s vačkou [5]..........................................................................25 Obrázek 2.4: Kontaktní snímač se stavitelnou tyčkou [5]......................................................25 Obrázek 2.5: Příklad indukčních snímačů [6].........................................................................26 Obrázek 2.6: Optické snímače [6]..........................................................................................27 Obrázek 2.7: Ultrazvukový snímač [7]...................................................................................28 Obrázek 2.8: Inkrementální čidlo [8]......................................................................................28 Obrázek 3.1: Nákres manipulátoru.........................................................................................33 Obrázek 3.2: Detail dráhy a usazení manipulátoru.................................................................36 Obrázek 3.3: Fotografie modelu bez manipulátorů................................................................37 Obrázek 3.4: Lůžka pro pracovní tyče....................................................................................38 Obrázek 4.1: Motorek GM13-050SK.....................................................................................42 Obrázek 5.1: Průběh PWM signálu........................................................................................49 Obrázek 5.2: Symetrická metoda PWM, střída 0%................................................................51 Obrázek 5.3: Symetrická metoda PWM, střída 25%..............................................................52 Obrázek 5.4: Symetrická metoda PWM, střída 50%..............................................................52 Obrázek 5.5: Symetrická metoda PWM, střída 75%..............................................................52 Obrázek 5.6: Symetrická metoda PWM, střída 100%............................................................52 Obrázek 5.7: Nesymetrická metoda PWM, střída 0%............................................................53 Obrázek 5.8: Nesymetrická metoda PWM, střída 25%..........................................................53 Obrázek 5.9: Nesymetrická metoda PWM, střída 50%..........................................................54 Obrázek 5.10: Nesymetrická metoda PWM, střída 75%........................................................54 Obrázek 5.11: Nesymetrická metoda PWM, střída 100%......................................................54 Obrázek 5.12: Výkres použitého DC motorku [10]................................................................55 Obrázek 5.13: Průběhy signálů...............................................................................................56 Obrázek 5.14: Schéma napájecího zdroje...............................................................................58


115

Obrázek 5.15: Schéma RC oscilátoru.....................................................................................58 Obrázek 5.16: Průběh napětí na RC oscilátoru.......................................................................59 Obrázek 5.17: Schéma zapojení generátory pily....................................................................59 Obrázek 5.18: Vstupní dělič...................................................................................................60 Obrázek 5.19: Schéma komparátoru.......................................................................................61 Obrázek 5.20: Průběhy signálů na komparátoru.....................................................................61 Obrázek 5.21: Blokové schéma zapojení koncového stupně [15]..........................................62 Obrázek 5.22: Blokové schéma kompletního PWM regulátoru.............................................63 Obrázek 5.23: Schéma kompletního PWM regulátoru...........................................................64 Obrázek 5.24: Fotografie zhotoveného PWM regulátoru.......................................................65 Obrázek 5.25: Fotografie zhotoveného PWM regulátoru.......................................................65 Obrázek 5.26: Průběh signálu generátoru...............................................................................66 Obrázek 5.27: Detail průběhu signálu generátoru..................................................................67 Obrázek 5.28: Průběh pilovitého signálu................................................................................67 Obrázek 5.29: Detail pilovitého signálu.................................................................................68 Obrázek 5.30: Detail vyhlazeného pilovitého signálu............................................................68 Obrázek 5.31: Průběh napětí na motorku při střídě 25%........................................................69 Obrázek 5.32: Průběh proudu motorkem při střídě 25%........................................................69 Obrázek 5.33: Průběh napětí na motorku při střídě 50%........................................................70 Obrázek 5.34: Průběh proudu motorkem při střídě 50%........................................................70 Obrázek 5.35: Průběh napětí na motorku při střídě 75%........................................................71 Obrázek 5.36: Průběh proudu motorkem při střídě 75%........................................................71 Obrázek 6.1: Závislost odporu termistoru na teplotě..............................................................76 Obrázek 6.2: Závislost proudu termistorem na teplotě...........................................................77 Obrázek 6.3: Závislost oteplení na čase..................................................................................80 Obrázek 6.4: Oteplovací charakteristika.................................................................................82 Obrázek 6.5: Ochlazovací charakteristika..............................................................................83 Obrázek 6.6: Proložení charakteristiky teplotního čidla.........................................................84 Obrázek 6.7: Fotografie zhotovených topných těles...............................................................85 Obrázek 6.8: Umístění topných těles na zhotoveném modelu................................................85 Obrázek 6.9: Fotografie ovládacího panelu............................................................................86 Obrázek 6.10: Fotografie ovládacího panelu..........................................................................87


116

Obrázek 7.1: Simatic S7-300 – CPU [17]...............................................................................88 Obrázek 7.2: Simatic S7-300 – modul [17]............................................................................88 Obrázek 8.1: Logo programu STEP 7.....................................................................................92 Obrázek 8.2: Prostředí programu STEP 7 Lite.......................................................................92 Obrázek 8.3: Editor STL.........................................................................................................93 Obrázek 8.4: Editor LAD........................................................................................................94 Obrázek 8.5: Editor FBD........................................................................................................95 Obrázek 8.6: Vývojový diagram pro kontrolu hladiny...........................................................96 Obrázek 8.7: Vývojový diagram pro kontrolu teploty............................................................97 Obrázek 8.8: Vývojový diagram ovládání galvanizačních zdrojů..........................................98 Obrázek 8.9: Příklad podprogramu ovládajícího rychlost manipulátoru................................99 Obrázek 8.10: Operátorský panel.........................................................................................100 Obrázek 10.1: Celkový pohled na zhotovený model............................................................108 Obrázek 10.2: Celkový pohled na zhotovený model............................................................108 Obrázek 10.3: Detail energetického řetězu...........................................................................109 Obrázek 10.4: Ovládací pult pro volbu režimu a řízení manipulátorů.................................109 Obrázek 10.5: Ovládací pult pro obsluhu pracovních van....................................................110 Obrázek 10.6: Detail manipulátoru.......................................................................................110 Obrázek 10.7: Řídící systém Simatic S7-300.......................................................................111 Obrázek 10.8: PWM regulátor..............................................................................................111


12.2.

117

Seznam tabulek

Tabulka 2.1: Technologický postup........................................................................................16 Tabulka 2.2: Způsoby oplachování [1]...................................................................................19 Tabulka 2.3: Přípustné množství nečistot ve vodě [1]............................................................20 Tabulka 2.4: Jakost vody pro oplachování [1]........................................................................21 Tabulka 2.5: Činitel tepelných ztrát........................................................................................31 Tabulka 2.6: Činitel média......................................................................................................31 Tabulka 4.1: Parametry motorku GM13-050SK [10].............................................................43 Tabulka 4.2: Parametry navijákového bubnu v závislosti na otáčkách..................................45 Tabulka 5.1: Pravdivostní tabulka koncového stupně.............................................................63 Tabulka 5.2: Parametry 7805 [11]...........................................................................................72 Tabulka 5.3: Parametry 7808 [11]...........................................................................................72 Tabulka 5.4: Parametry 74HC14 [12].....................................................................................73 Tabulka 5.5: Parametry 74HC393 [13]...................................................................................73 Tabulka 5.6: Parametry LM318P [14]....................................................................................74 Tabulka 5.7: Parametry L6203 [15]........................................................................................74 Tabulka 6.1: Instalovaný výkon..............................................................................................75 Tabulka 6.2: Tepelná charakteristika topného článku.............................................................81


12.3.

Seznam použitých symbolů a zkratek

Symbol a

Jednotka . -2

ms . .

-1.

Popis zrychlení

-1

c

W s kg K

tepelná kapacita

C

F

kapacita

d

m

průměr

f

Hz

frekvence

F

N

síla

g

. -2

ms

gravitační konstanta

h

-

činitel ohřívaného média

I

A

proud

kBP

-

bezpečnostní koeficient přetížení

kZ

-

bezpečnostní koeficient nosnosti řemene

l

m

délka

M

N.m

moment

m

kg

hmotnost -1

n

min

otáčky

o

m

obvod

P

kW

výkon

q

-

převodový poměr

r

m

poloměr

R

Ω

odpor

s

-

střída signálu

t

s

čas

t.m.

°C

T

s

perioda

u

V

napětí

U

V

napětí

teplota místnosti (okolní teplota)

. -1

rychlost (mechanická)

v

. -1

Vs

rychlost (elektrická)

V

l

objem

Z

Ω

impedance

v

ms

118

ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKYA ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně Symbol

Jednotka

Popis

ξ

m

ρ

kg.m-3

hustota

ϑ

°C

teplota

rameno valivého odporu

Zkratka

Popis

AC

alternating current, střídavý proud

AI

analog input, analogový vstup

AO

analog output, analogový výstup

CPU

central processing unit, centrální procesorová jednotka

DA

digital – analog, digitální – analogový (převodník)

DC

direct current, stejnosměrný proud

DI

digital input, digitální vstup

DMOS

double diffused MOS (transistor structure), dvoj difuzní MOS (struktura tranzistoru)

DO

digital output, digitální výstup

FBD

function block diagram programming language

IO

integrovaný obvod

IR

infrared, infračervený

LAD

ladder logic programming language

LCD

liquid crystal display, displej z tekutých krystalů

LED

light emitting diode, světlo emitující dioda

MOS PLC PWM STL TTL

Metal-oxide-semiconductor (transistor structure), kov-oxid-polovodič (struktura tranzistoru) programmable logic controller, programovatelný automat pulse width modulation, pulsně šířková modulace statement list programming language transistor transistor logic, tranzistorově tranzistorová logika

119


13.

Seznam příloh

1. CD-ROM •

elektronická verze diplomové práce

•

schéma elektrického zapojení

•

řídící program

•

fotografie

•

dokumentace k použitým součástkám

120


121


122

BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Faculty of Electrical Engineering and Communication Department of Power Electrical and Electronic Engineering

Design and construction of automatic galvanic line

Supervisor: Ing. Petr Melichar ABSTRACT This thesis deals with the design of automated system of electroplating. The first part is centered on designing the technological process for this electroplating and the setout of operating vats. It also deals with the project of mechanical construction, electrical system, with the computing procedure and the optimum choice of gear for galvanic line model. The work includes the design of a DC motor controller, the computing procedure and the construction of heating element for vats heater simulation. The last part of this thesis offers an insight to the control system and the assembled program. In the addendum, the photo of the realized model, the wiring scheme, and the programme transcript for control galvanic line model can be found.

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ NÁVRH A KONSTRUKCE MODELU AUTOMATICKÉ GALVANIZAČNÍ LINKY

Recommend Documents