PAR 4/2014

4/2014

P O M I A RY • A U T O M AT Y K A • R O B O T Y K A

PAR miesięcznik naukowo-techniczny

ISSN 1427-9126 Indeks 339512 Cena 10,00 zł w tym 8 % VAT

www.par.pl

Oczekujesz łatwego pozycjonowania?

Potrzebujesz optymalnej wydajności?

Oferujemy Ci kompletny system.

Festo Sp. z o.o.

Janki k/Warszawy ul. Mszczonowska 7 05-090 Raszyn Contact Center Tel. +48 22 711 41 00 Fax +48 22 711 41 02 www.festo.com/oms

Efektywność | Bezpieczeństwo | Prostota | Kompetencje Siłownik elektryczny EPCO z silnikiem skokowym EMMS-ST i pozycjonerem silnika CMMO-ST w trybie ServoLite – napęd prosty jak siłownik pneumatyczny, ale z zaletami napędów elektrycznych.

9 771427 91230 6

04

Temat Numeru

rozmowa par

rynek i technologie

Napędy i silniki elektryczne

Marek Marciniak, prezes SEW-Eurodrive Polska

Regulatory wielofunkcyjne

18

40

51

Doświadcz nowej wydajności Nowa rodzina przemienników częstotliwości PowerXLTM o mocy do 250 kW

Nowa seria przemienników DC1 i DA1 PowerXLTM

Na wszystkich etapach, rozpoczynając od projektowania przez instalację, parametryzację i uruchomienie, użytkownik doświadcza nowego wymiaru łatwości obsługi oraz niezawodności działania układu przy dużych obciążeniach.

• wygodna konfiguracja podstawowych parametrów oraz karta informacyjna ułatwiają rozruch • programator Bluetooth umożliwia kopiowanie parametrów pomiędzy urządzeniami bez użycia komputera

• Modbus RTU oraz CANopen w standardzie pozwalają na łatwą integrację z systemami automatyki

System Smar tW ire-DT: łączenie zamiast oprzewodowania, nowoczesna automatyka , inteligentna komunikacja.

Więcej informacji znajdą Państwo na stronach: www.moeller.pl/powerxl www.moeller.pl/sw-dt

Pobierz bezpłatną aplikację PAR+ i odkryj trzeci wymiar papieru PAR+ to bezpłatna aplikacja mobilna na systemy iOS oraz Android, dzięki której Czytelnicy miesięcznika „Pomiary Automatyka Robotyka” uzyskują bezpośredni dostęp do dodatkowych treści powiązanych z wybranymi publikacjami.

PAR jest pierwszym miesięcznikiem naukowo-technicznym w Polsce, który oferuje swoim odbiorcom to unikatowe rozwiązanie.

Dzięki PAR+można jednym dotknięciem palca obejrzeć film lub animację powiązaną z artykułem, przejść na stronę internetową lub do galerii zdjęć z wydarzenia opisanego w relacji prasowej, przeczytać rozszerzoną wersję artykułu, przejrzeć i pobrać specyfikację produktu opisywanego w artykule, skomentować artykuł na Facebooku, i wiele, wiele więcej.

Więcej informacji na par.pl/plus

Pobierz i uruchom bezpłatną aplikację PAR+

2

Skieruj kamerę telefonu lub tabletu na stronę artykułu oznaczonego ikoną PAR+

3

Na wyświetlaczu urządzenia pojawi się sześcian z logo PAR+ oraz przyciski prowadzące do dodatkowych treści

Zobacz więcej Pobierz bezpłatną aplikację PAR+ App Store | Google Play

FACEBOOK

VIDEO

Spis treści

8 Wydarzenia

30

Optymalizacja i energooszczędność w produktach firmy NORD

32

Napędzamy wiedzę – współpraca SEW-Eurodrive z Politechniką Śląską

34

Napędy w windach i podnośnikach

aplikacje 38

Technika pomiarowa w praktyce

Sterownik synchronizacji DANFOSS MCO 350 – zwiększona żywotność suwnic dzięki synchronizacji napędów jazdy

Relacja z targów EuroLab i CrimeLab 2014 W XVI Międzynarodowych Targach Analityki i Technik Pomiarowych EuroLab oraz III Międzynarodowych

Automatyka 44

Niezawodne rozwiązania pick&place – układy firmy SCHUNK najszybsze na rynku!

46

Komputery panelowe w strefie zagrożonej wybuchem

Targach Techniki Kryminalistycznej CrimeLab wzięło udział 178 wystawców z 13 krajów, których odwiedziło 6 tys. specjalistów. W trakcie trwającej trzy dni i zakończonej 14 marca imprezy odbyło się również 20 specjalistycznych konferencji.

POMIARY Wydarzenia 6

Automatyka i robotyka w centrum uwagi – zaproszenie na targi AUTOMATICA 2014

7

Aktualności

59

Konferencja IEEE Intelligent Systems ’14

48

Ciągła kontrola stanu izolacji urządzeń średniego napięcia

50

Badanie podgrzewania szyb samochodowych fotonową kamerą termowizyjną

Nowości 13

Nowe produkty

56

Magnesy trwałe – uniwersalne elementy do mocowania

18

Temat numeru

Napędy i silniki elektryczne

temat numeru

24

Konserwacja napędów i silników elektrycznych

27 28

4

Optymalne parametry i niskie koszty – technologia serwo dla każdego

Każda awaria systemów automatyki, niezależnie od branży

Silniki BLDC Dunkermotoren z interfejsami komunikacyjnymi

i gałęzi przemysłu, niesie ze sobą poważne konsekwencje

Sterowanie ruchem w systemie SoftCNC

wprowadzić planowe przeglądy zainstalowanego sprzętu.

finansowe. Aby uniknąć tego typu problemów, warto

40

Rozmowa PAR

Nasza siła tkwi w doświadczeniu Wywiad z Markiem Marciniakiem, prezesem SEW-Eurodrive Polska.

80

Zrównywanie wartości miar cech obiektów technicznych

prof. dr hab. inż. Piotr Bielawski – Katedra Diagnostyki i Remontów Maszyn, Akademia Morska w Szczecinie

88

Wykrywanie przeszkód wewnątrz pomieszczeń na trajektorii lotu BSP

mgr inż. Bartosz Brzozowski – Zakład Awioniki i Uzbrojenia Lotniczego, Instytut Techniki Lotniczej, Wydział Mechatroniki i Lotnictwa, Wojskowa Akademia Techniczna im. J. Dąbrowskiego

94

Synteza obserwatorów funkcyjnych liniowych ciągłych układów niecałkowitego rzędu

dr inż. Rafał Kociszewski – Politechnika Białostocka, Wydział Elektryczny

100

Indeks firm

102

Prenumerata

51

Rynek i technologie 55

The Pulse of Automation – detekcja nie tylko w trudnych warunkach

rynek i technologie forum mŁodych 60

Robomaticon 2014 już za nami!

Regulatory przemysłowe PID – przegląd rozwiązań dla różnych zastosowań Mimo upływu lat regulatory PID wciąż stanowią jeden z głównych elementów układów automatycznej regulacji.

polecane książki 62

Dictionary of Weighing Terms.

A Guide to the Terminology of Weighing

W związku z dynamicznym i stale postępującym rozwojem automatyki przemysłowej producenci dążą do poszerzania oferty produktów, by ich funkcjonalność pasowała do jak największej liczby aplikacji przemysłowych. Celem przeglądu jest zwrócenie uwagi na parametry i funkcje popularnych obecnie regulatorów

Nauka

przemysłowych, zarówno tych przeznaczonych do specjalnych

63

Pewne podejście do integracji informacyjnej przygotowania i realizacji produkcji

prof. nzw. dr hab. inż. Jerzy Zając, mgr inż. Adam Kmiecik – Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji Produkcji, Politechnika Krakowska

68

Układ elektroniczny cyfrowej symulacji rezystancji o średnich wartościach

dr inż. Jacek Korytkowski, prof. PIAP – Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP

75

Ograniczanie błędów nawigacji dla odwiertów kierunkowych i rurociągów podziemnych

mgr inż. Witold Dąbrowski dr inż. Stanisław Popowski – Instytut Lotnictwa, Warszawa

zastosowań, jak i uniwersalnych.

4/2014

P O M I A RY • A U T O M AT Y K A • R O B O T Y K A

Miesięcznik naukowo-techniczny Pomiary Automatyka Robotyka Rok 18 (2014) nr 4 (206) ISSN 1427-9126, Indeks 339512

PAR miesięcznik naukowo-techniczny

ISSN 1427-9126 Indeks 339512 Cena 10,00 zł w tym 8 % VAT

www.par.pl

Oczekujesz łatwego pozycjonowania?

Potrzebujesz optymalnej wydajności?

Oferujemy Ci kompletny system.

Festo Sp. z o.o.

Janki k/Warszawy ul. Mszczonowska 7 05-090 Raszyn Contact Center Tel. +48 22 711 41 00 Fax +48 22 711 41 02 www.festo.com/oms

Efektywność | Bezpieczeństwo | Prostota | Kompetencje Siłownik elektryczny EPCO z silnikiem skokowym EMMS-ST i pozycjonerem silnika CMMO-ST w trybie ServoLite – napęd prosty jak siłownik pneumatyczny, ale z zaletami napędów elektrycznych.

Na okładce: siłownik elektryczny EPCO firmy Festo

9 771427 91230 6

04

TEMAT NUMERU

ROZMOWA PAR

RYNEK I TECHNOLOGIE

Napędy i silniki elektryczne

Marek Marciniak, prezes SEW-Eurodrive Polska

Regulatory wielofunkcyjne

18

40

Pomiary Automatyka Robotyka nr 4/2014

51

5

Wydarzenia zapowiedzi

Automatyka i robotyka w centrum uwagi Zaproszenie na targi AUTOMATICA 2014

„Zoptymalizuj swoją produkcję” – to hasło przewodnie tegorocznych Międzynarodowych Targów Automatyki i Mechatroniki, które odbędą się w dniach 3–6 czerwca 2014 r. w Monachium.

Na tegorocznych targach Automatica w pięciu halach na 55 000 m2 zostanie zaprezentowane pełne spektrum nowoczesnych technologii, a wśród nich: technologia montażu i zastosowań, robotyka, w tym profesjonalna robotyka serwisowa, przemysłowe przetwarzanie obrazu, sensoryka, technologia napędu, systemy pozycjonowania, technika zaopatrzenia, technologia sterowania, technologia bezpieczeństwa, a także oprogramowanie. – Targi Automatica, to potencjał wzrostu dla nas i dla przemysłu. Chcemy, aby odwiedzający mogli dowiedzieć się, jakie są nadchodzące trendy i w jakim kierunku powinni rozwijać działalność – podkreślał Armin Wittmann, komisarz targów Automatica podczas konferencji prasowej, która odbyła się 27 marca w Warszawie. W konferencji uczestniczyli także Grzegorz Grabarczyk, dyrektor Biura Targów Monachijskich w Polsce i Grzegorz Bosak, dyrektor SCHUNK Intec.

6

W tym roku pod jednym dachem będzie można obejrzeć roboty przemysłowe i serwisowe. – Największe zagęszczenie robotów na 10 000 pracowników występuje w Korei, Japonii i Niemczech.

Polska plasuje się mniej więcej w połowie listy, co oznacza, że jest tutaj duży potencjał – ocenia Armin Wittmann. Na targach pojawią się wystawcy z nowych obszarów profesjonalnej robotyki serwisowej, takich jak medycyna i opieka, logistyka, kontrola i konserwacja.

W centrum zainteresowania będą także technologie pozwalające uzyskać lekkie konstrukcje w produkcji samochodów. Zaprezentowane zostaną nowości międzynarodowej branży automatyzacji, a ponadto przewidziany jest również pokaz specjalny, prezentujący najnowszy stan wiedzy w zakresie zwiększania prędkości procesowej oraz redukcji kosztów produkcji.

Goście targów mogą także liczyć na obecność wielu nowości z zakresu przemysłowego przetwarzania obrazu, zaliczanego obecnie do innowacyjnych i kluczowych technologii w branży automatyzacji. W trakcie targów zostaną zaprezentowane najnowsze komponenty i kompleksowe rozwiązania z tej dziedziny, bezpośrednio w odniesieniu do przemysłowych zastosowań. Do oczekiwanych w napięciu najgłośniejszych tematów w branży kamer zalicza się z pewnością pojedynki przetwarzania obrazu 2D i 3D, COMOS kontra CCD Sensor oraz kamer typu smart przeciwko systemom wspieranym przez PC.

Dodatkową gratką dla uczestników będzie możliwość odwiedzenia w tym roku kilku imprez targowych w jednym miejscu. W tym samym czasie odbywać się będą bowiem także targi MAINTAIN – największe europejskie targi obsługi przemysłu oraz Intersolar Europe – targi fotowoltaiki i magazynowania energii.

Podstawą decyzji organizatora targów Automatica 2014, Messe München International, o współlokalizacji tych imprez jest wzajemne uzupełnianie się obszarów tematycznych poszczególnych targów, interesujących dla użytkowników przemysłu. – Automatyzacja jest potrzebna i sprawdza się w różnych branżach, stąd pomysł połączenia tych wydarzeń – wyjaśnił Armin Wittmann.

Dobra koniunktura gospodarcza w Niemczech i współlokalizacja targów powodują, że oczekiwany jest znaczny wzrost liczby odwiedzających. W ubiegłym roku targi gościły blisko 31 tys. odwiedzających ze 111 krajów. Poprzednia edycja, która odbyła się w 2012 r., zgromadziła blisko 700 wystawców z 40 krajów. W bieżącej edycji organizatorzy spodziewają się 740 wystawców.

Urszula Chojnacka PAR

Zobacz więcej Pobierz bezpłatną aplikację PAR+ App Store | Google Play

aktualności Wydarzenia

PNEUMAT SYSTEM będzie miał nową siedzibę

2 lutego 2014 r. ruszyła budowa nowej siedziby wrocławskiej spółki Pneumat System. Biurowiec wraz z halą produkcyjną i magazynową powstaje przy ul. Obornickiej 160 we Wrocławiu. Obiekt będzie ośmiokrotnie większy od obecnego, który mieści się przy ul. Paprotnej.

Decyzję o budowie nowego obiektu podjęto w związku z dynamicznym rozwojem spółki, która nieprzerwanie od 1976 r. prowadzi i rozszerza działalność.

W ostatnim roku firma Pneumat System zwiększyła zatrudnienie o 20 proc.

Po przeniesieniu działalności do nowego obiektu planowane jest dalsze zwiększanie zatrudnienia, przede wszystkim pozyskanie specjalistów z dziedziny pneumatyki, pracowników produkcji i magazynierów. Otwarcie nowej siedziby zaplanowane jest na listopad 2014 r.

W związku z rozwojem sprzedaży eksportowej produktów na rynki Europy Wschodniej, firma Limatherm Sensor, która w tym roku obchodzi okrągłą, 10. rocznicę istnienia, uzyskała certyfikat zgodności GOST-R. Jest to świadectwo potwierdzające zgodność produkcji z wymogami jakości i bezpieczeństwa, ustalonymi dla danej produkcji w istniejących standardach i normach Federacji Rosyjskiej. Certyfikat w pełni potwierdza właściwości i jakość produktów Limatherm Sensor, co powinno przyczynić się do zainteresowania nimi nabywców z terytorium Rosji.

Trzecie urodziny RS Components Firma RS Components, dystrybutor produktów z zakresu elektroniki, automatyki i utrzymania ruchu, świętuje trzecią rocznicę obecności w Europie Wschodniej. Od stycznia 2011 r. funkcjonują lokalne wersje strony internetowej RS dla klientów z Polski, Czech i Węgier. Transakcje przeprowadzane są w walucie lokalnej, a oferta liczy 500 tys. produktów z zakresu elektroniki, automatyki, sterowania i utrzymania ruchu. Ostatnio firma wprowadziła na stronie znaczne ułatwienia dotyczące nawigacji i wyszukiwania produktów w językach lokalnych. Część strony, zawierająca dodatkowe informacje o produktach, została przetłumaczona na języki: polski, czeski i węgierski. RS udostępnia też szereg bezpłatnych narzędzi do projektowania, takich jak oprogramowanie DesignSpark PCB, które znacznie upraszcza i przyspiesza proces projektowania.

REKLAMA

Fot. Biuro Targów Monachijskich w Polsce, Pneumat System, Limatherm Sensor, RS Components

LIMATHERM SENSOR z certyfikacją zgodności GOST-R

Pomiary Automatyka Robotyka nr 4/2014

7

Wydarzenia relacje

Technika pomiarowa w praktyce Relacja z targów EuroLab i CrimeLab 2014 W XVI Międzynarodowych Targach Analityki i Technik Pomiarowych EuroLab oraz III Międzynarodowych Targach Techniki Kryminalistycznej CrimeLab, które odbyły się w dniach 12-14 marca w Warszawie, wzięło udział 178 wystawców z 13 krajów. Odwiedziło ich 6 tys. specjalistów.

Podczas uroczystej inauguracji prof. dr hab. Michał Kleiber, prezes Polskiej Akademii Nauk, podkreślił, że targi EuroLab są katalizatorem współpracy między środowiskiem naukowym a biznesowym.

Targi EuroLab oraz CrimeLab skierowane są do przedstawicieli laboratoriów badawczych, wzorcujących, fizycznych, budowlanych, pomiarowych, medycznych, farmaceutycznych, chemicznych, spożywczych i innych. Stykają się tu sektory prywatny i publiczny.

W kategorii „Laboratoryjna aparatura pomiarowa” nagrodę uzyskała firma Spectro-Lab za Spektrometr NMR PicoSpin45.

Wyróżnienia przyznano firmom Fritsch GmbH Milling and Sizing za Analysette 28 Image Sizer oraz Tusnovics Instruments za Eraflash.

W drugiej kategorii konkursowej – „Wyposażenie laboratorium” – komisja przyznała nagrodę firmie Witko za chłodnicę powietrzną Findenser, a wyróżnienia firmom DANLAB Wyposażenie laboratorium za chłodziarki RLDF/ RLDG pojemności 36 i 66 litrów, oraz Selvita za STARLIMS LIMS (Laboratory Information Management System).

Po raz pierwszy podczas targów przyznano Grand Prix PAN, które powędrowało do firmy SHIM-POL A.M. Borzymowski za LCMS-8050 – spektrometr mas typu potrójny kwadrupol. Wyróżnienia otrzymały firmy: IRtech Beata Kasprzycka za podręczny chromatograf gazowy sprzężony ze spektrometrem mas Tridion-9 oraz OPTA-TECH za RAL Stainer – automat do barwienia preparatów.

Targi EuroLab to także szeroki program wydarzeń towarzyszących, przygotowa-

8

ny we współpracy z czołowymi ośrodkami naukowymi. W tym roku odbyło się m.in. seminarium Polskiego Centrum Akredytacji, zatytułowane „Pobieranie próbek w działalności akredytowanych jednostek oceniających zgodność”, a także dwie konferencje: „Czerwona biotechnologia u podstaw bioekonomii”, organizowana przez Komitet Biotechnologii PAN i Polską Federację Biotechnologii oraz „Nowe horyzonty medycyny laboratoryjnej”, prowadzona przez Polskie Towarzystwo Diagnostyki Laboratoryjne.

Z kolei Klub Polskich Laboratoriów Badawczych POLLAB, wraz z Polskim Komitetem Normalizacyjnym, poprowadzili konferencję „Wyposażenie do pomiarów i badań – nadzór i eksploatacja, a Główny Urząd Miar był gospodarzem bloku seminaryjnego „Kierunki rozwoju metrologii na świecie – udział krajowych instytucji metrologicznych w programach badawczych EMPR i EMPIR”.

Na targach przedstawiono ofertę powiązaną z czterema dziedzinami: analityką chemiczną, Life Science, biotechnologią oraz metrologią, które znajdują zastosowanie w przemyśle, a także w instytucjach naukowych i badawczych, laboratoriach drogowych, uczelniach wyższych, stacjach sanitarno-epidemiologicznych, zakładach uzdatniania wody i innych.

Formuła łącząca naukę, biznes i technikę odniosła sukces, a targi EuroLab i CrimeLab należą obecnie do najważniejszych międzynarodowych wystaw branży laboratoryjnej w Europie.

Mat. pras. MT Targi Polska

aktualności Wydarzenia

Arkusze danych dla przewodów chainflex dostępne on-line Najbardziej rozbudowana baza arkuszy danych technicznych dla przewodów chainflex do pracy w prowadnikach firmy igus jest już dostępna on-line. Dzięki temu klienci, którzy kupują przewody chainflex, mają możliwość wyszukania szczegółowych danych technicznych dla ponad 1100 przewodów wśród informacji zamieszczonych na ponad 790 stronach. Ponad 1100 rysunków przekroju poprzecznego przewodów pozwala klientom szczegółowo ustalić położenia poszczególnych żył, w stosunku do łącznej wiązki skrętu i optymalnego przypisania do odpowiednich pinów wtyczek. Informacje zawierają dokładny opis różnych materiałów płaszczy, w jakich dostępne są przewody firmy igus, z podaniem wszystkich właściwości z zakresu odporności tych materiałów, w celu dalszego uproszczenia wyboru właściwego przewodu.

Szczegółowe parametry, takie jak warunki stosowania, droga przesuwu czy promień gięcia, pomagają zaprojektować

Fot. S. Ścibior (PAR), igus, Eaton

Raport EATON: udane wdrożenie dyrektywy ErP Firma Eaton przedstawiła nowy raport, omawiający wyzwania związane z wszystkimi aspektami wydajności energetycznej i opisujący potencjalne oszczędności.

Kwestie wydajności energetycznej są obecnie w Europie przedmiotem szczególnego zaangażowania większości spółek produkcyjnych. Wraz z wprowadzeniem przez UE dyrektywy ErP 2009/125/EC spółki te stanęły w obliczu wyzwań związanych z dalszym obniżaniem swojego zużycia energii, a także emisji CO2 w przemyśle.

cały system, zwiększając okres użytkowania urządzeń i maszyn. Dostępny on-line program arkuszy danych chainflex, do którego przechodzi się z poziomu informacji ogólnych o produktach chainflex, zawiera obszerną bazę danych o poszczególnych rodzajach produktów w językach niemieckim i angielskim. W planach są kolejne wersje językowe.

Napędy elektryczne, zużywając ponad dwie trzecie energii elektrycznej, stanowią główny element, odpowiedzialny za konsumpcję energii elektrycznej w produkcji przemysłowej, toteż właśnie w obszarze technologii napędów elektrycznych wciąż można znaleźć miejsce na znaczące oszczędności.

W 12-stronicowym raporcie zatytułowanym „Udane wdrożenie dyrektywy ErP” przedstawiono potencjalne oszczędności w technologii napędów elektrycznych. Obrazowo wyjaśniono i wskazano aktualne problemy, ukazując potencjał oszczędności na konkretnych przykładach i prezentująć różne rozwiązania techniczne. Publikacja zapewnia ponadto praktyczną pomoc w wyborze najlepiej dopasowanej optymalizacji, którą można szybko zastosować. Po dokonaniu rejestracji można bezpłatnie pobrać raport ze strony www.eaton.eu/publications.

REKLAMA

drgania

akustyka

termowizja

szybkie kamery

EC Test Systems Sp. z o.o. ul. Lublańska 34 31-476 Kraków tel. +48 12 627 77 77 fax +48 12 627 77 70 e-mail: biuro@ects.pl www.ects.pl

Czujniki drgań PCB Piezotronics model 603c01, najtańszy czujnik drgań w Polsce

SEQUOIA GEA monitoring drgań budowli

PHIILTEC bezkontaktowy pomiar amplitudy drgań i przemieszczeń

POLYTEC bezkontaktowy pomiar drgań, gorące powierzchnie, ruchome urządzenia, strefa EX

Wydarzenia AKTUALNOŚCI

Aplisens uruchomił nowy zakład na terenie Tarnobrzeskiej Specjalnej Strefy Ekonomicznej (TSSE) w Podstrefie Radom. Początkowo w zakładzie będzie pracować około 100 osób, a wartość inwestycji to około 30 mln PLN, wliczając zakup gruntu, budowę zakładu oraz

zakup maszyn i urządzeń. Nowy zakład oraz maszyny zostały w całości sfinansowane ze środków własnych i z zysków z przyszłych okresów. Należy przy tym zaznaczyć, że produkcja z warszawskiego zakładu nie będzie przenoszona do Radomia, ma natomiast zostać dokonany podział produkcji.

Bardziej zaawansowane technicznie urządzenia, wykonywane w krótszych seriach, będą produkowane w Warszawie, a radomski zakład skoncentruje się na produkcji masowej. Będą w nim wykonywane przetworniki ciśnienia oraz sondy głębokości. Nowy zakład ma powierzchnię 5,6 tys. m2.

Dwa zamówienia dla firmy RITTAL Rittal pozyskał dwa zamówienia na centrum danych RiMatrix S. Na zalety, jakie ono oferuje, postawiła firma Weiling, dystrybutor produktów ekologicznych oraz znana w branży budowlanej na całym świecie grupa Remmers.

Priorytetem dla obu tych średniej wielkości firm jest gwarantowana efektywność energetyczna, krótkie terminy dostaw oraz możliwość późniejszej rozbudowy.

Spółka Weiling GmbH jest pionierem w dystrybucji produktów ekologicznych i w ostatnich latach odnotowywała duży wzrost. Dotychczas przedsiębiorstwo korzystało z dwóch serwerowni, które nie mogły już sprostać dalszemu rozwojowi i wysokim wymaganiom dotyczącym dostępności infrastruktury IT. W ofercie Remmers jest ponad 400 produktów systemowych. Możliwość szybkiej dostawy decyduje o sukcesie tej średniej wielkości firmy z Dolnej Saksonii. Firma Remmers,

Strona WObit w nowej odsłonie Firma WObit istotnie zmodernizowała swoją stronę internetową.

Dzięki nowej szacie graficznej strona www.wobit. com.pl jest bardziej przystępna i przejrzysta. Oferta na nowej stronie została podzielona na sześć kategorii, aby ułatwić znalezienie właściwego rozwiązania. Można się tu zapoznać z nowościami produktowymi i promocjami. W górnym prawym rogu umieszczone są ikony bazy modeli 3D, forum, Strefy Niskich Cen, kanału firmy na YouTube oraz podstrony poświęconej modułom liniowym.

W zakładce „Pliki” znaleźć można aktualne wersje sterowników i oprogramowania do oferowanych urządzeń oraz katalogi i formularze. Odświeżona została również zakładka „Kontakt” – obecnie można tu znaleźć nie tylko numery kontaktowe do poszczególnych działów firmy, ale także przejrzystą mapkę dojazdową.

która korzysta już z centrum danych Rittal, postawi na RiMatrix S w celu optymalnego skompensowania obciążeń w procesie produkcyjnym. W ten sposób Remmers nie tylko zabezpiecza procesy biznesowe, lecz także może dotrzymać zobowiązań produkcyjnych – dotyczy to dostawy produktów firmy w ciągu 24 godzin od otrzymania zamówienia.

DANFOSS uhonorowany tytułem Business Superbrands

Fot. Aplisens, Rittal, WObit, Danfoss, Farnell element14, Pepperl+Fuchs

APLISENS uruchomił zakład w Radomiu

Conne

Marka Danfoss została uznana za jedną z najsilniejszych marek na polskim rynku i otrzymała tytuł Business Superbrands 2013/2014. Superbrands, organizacja nagradzająca najbardziej rozpoznawalne i najsilniejsze marki, po raz kolejny wyłoniła liderów na rynku polskim wśród marek korporacyjnych i marek dla biznesu (B2B). O przyznaniu tytułów Business Superbrands w bieżącej edycji decydowała Rada Marek, w skład której weszli przedstawiciele polskiego biznesu, rynku kapitałowego, mediów gospodarczych, a także eksperci od wizerunku marek biznesowych. Dwuetapowy proces certyfikacji, którego celem było wyłonienie najsilniejszych wizerunkowo marek biznesowych na polskim rynku, obejmował nominacje eksperckie oraz obrady Rady Marek. Przyznany marce Danfoss i potwierdzony certyfikatem tytuł Business Superbrands 2013/2014 świadczy o jej przynależności do elitarnego grona najsilniejszych marek.

Międzynarodowa organizacja The Superbrands Ltd, działająca obecnie w 87 krajach, od ponad 19 lat przyznaje tytuły Superbrands, które są prestiżowym wyróżnieniem dla zarządów oraz działów marketingu, konsekwentnie budujących siłę marki

10

140002 A

Fot. Aplisens, Rittal, WObit, Danfoss, Farnell element14, Pepperl+Fuchs

FARNELL ELEMENT14 wyróżniony przez CamdenBoss

PEPPERL+FUCHS Gazelą Biznesu

Farnell element14, w uznaniu współpracy w minionym roku, został wyróżniony tytułem Dystrybutora Roku 2013 przez jednego z partnerów firmy, CamdenBoss. – Jesteśmy bardzo zadowoleni z przyznania tytułu Dystrybutora Roku 2013 przez CamdenBoss w uznaniu naszej działalności dystrybucyjnej w 2013 roku. To partnerstwo pozwoliło nam wzmocnić pozycję lidera w Europie z jedną z najlepszych ofert produktowych – mówi Steve Herd, globalny dyrektor produktu (złącza) Farnell element14.

Firma Pepperl+Fuchs, dostawca rozwiązań z zakresu automatyki przemysłowej, został uhonorowany nagrodą Gazele Biznesu. Nagroda przyznawana przez „Puls Biznesu” jest wręczana najdynamiczniej rozwijającym się firmom z segmentu małych i średnich przedsiębiorstw. – Każde wyróżnienie jest niezmiernie cenne i ważne dla nas. Obiektywna ocena i docenienie naszej firmy na podstawie kondycji finansowej, zatrudnienia oraz dynamiki wzrostu jest dla nas powodem do szczególnego zadowolenia. Wyróżnienie statuetką Gazeli, jest traktowane przez nas jako symbol dobrej kondycji spółki oraz potwierdzeniem, że jesteśmy nie tylko silnym ale również transparentnym graczem. Gazela Biznesu to nagroda za dotychczasową pracę, solidność, rzetelność, jakość a także właściwe podejście do naszych klientów. Statuetka jest wspaniałą rekomendacją firmy oraz impulsem do dalszego rozwoju i pracy – mówi Tomasz Michalski, dyrektor ds. sprzedaży Factory Automation Pepperl+Fuchs.

Wieloletnie doświadczenie i kompetencje Farnell element14 w zakresie dystrybucji, wprowadzania nowych produktów na rynek czy logistyki przyczyniły się do wzrostu biznesowego CamdenBoss w 2013 r. – Zaangażowanie Farnell element14 w rozwój partnerstwa przerosło nasze oczekiwania. Nasza współpraca stała się niezwykle bliska we wszystkich aspektach – wprowadzania nowych produktów na rynek, logistyki i strategii penetracji rynku. Partnerska relacja stworzyła w ostatnim roku solidną platformę dla kontynuacji satysfakcjonującej współpracy – podkreśla Nicola Kay, dyrektor zarządzająca w firmie CamdenBoss.

REKLAMA

Connecting Global Competence

Nowy sektor wystawienniczy: w profesjonalna roboty robotyka serwisowa

ZIDENTYFIKUJ WŁASNE MOŻLIWOŚCI HANDLOWE Informacje: Biuro Targów Monachijskich w Polsce | Warszawa tel. +48 22 620 4415 info@targiwmonachium.pl

140002 Aut14_Anz_AV_SR_205x140_PARMeasAutoRob_PL.indd 1

6. Międzynarodowe Targi Automatyki i Mechatroniki 3.–6. czerwca 2014 r. | Messe München www.automatica-servicerobotics.com

15.01.14 09:56

Wydarzenia aktualności

Robot Kawasaki firmy ASTOR na Politechnice Rzeszowskiej

Uczelnie wyższe w Polsce w ostatnich latach bardzo mocno postawiły na innowacyjność i wyposażanie laboratoriów.

Nie inaczej jest w przypadku największej uczelni w województwie podkarpackim – Politechniki Rzeszowskiej. Od pewnego czasu działa tam w pełni funkcjonalne produkcyjnie stanowisko do paletyzacji z robotem Kawasaki w roli głównej. Węzeł paletyzujący, w nieco pomniejszonej skali, został przeniesiony wprost ze stosowanych rozwiązań na najnowocześniejszych liniach

Trójmiejski Turniej Robotów

Studenckie Koło Automatyków SKALP, działające przy Wydziale Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki Politechniki Gdańskiej, organizuje 24 maja kolejną edycję Trójmiejskiego Turnieju Robotów.

W VI Trójmiejskim Turnieju Robotów, który odbędzie się w Gdańskim Parku Naukowo-Technologicznym, zawodnicy zmierzą się w czterech konkurencjach.

Ze względu na liczne kategorie, najbardziej rozbudowane będą zawody robotów Sumo. Na okrągłej planszy, zwanej dohyo, umieszczone zostaną roboty, których zadaniem jest wypchnięcie z niej robota przeciwnika. W zależności od wymagań dotyczących wagi i wymiarów, kategoria ta jest podzielona na cztery konkurencje – MiniSumo, MiniSumo Lego, MicroSumo oraz NanoSumo.

12

produkcyjnych i wdrożony przez partnera ASTOR – firmę Markon z Tomaszowa Mazowieckiego. Zrobotyzowane stanowisko do paletyzacji zostało zaprojektowane z myślą o przyszłych pracownikach logistyki. Możliwości konfiguracyjne węzła są na tyle rozbudowane, że istnieje możliwość zaprogramowania ponad 70 scenariuszy tego, jaki produkt i w jaki sposób ma być układany.

W centrum wygrodzonej celi umieszczony jest robot Kawasaki RS010N, który zbiera informacje od dwóch systemów wizyjnych (jeden do lokalizacji obiektu, drugi do odczytu kodu kreskowego lub kodu 2D) oraz od nadrzędnego sterownika Horner XL7e, który zarządza pracą całego stanowiska. Możliwości stanowiska są zdecydowanie bardziej rozbudowane niż w przeciętnym węźle paletyzującym. Pozwala ono układać detale na docelową paletę, po wcześniejszym przesłaniu tych informacji do nadrzędnego systemu sterowania w formie plików arkusza kalkulacyjnego. W przypadku braku przypisania konkretnego

numeru do miejsca odkładczego, robot transportuje detal na miejsce buforowania, a w systemie pojawia się informacja o tym zdarzeniu. – Współczesna logistyka wykorzystuje nowoczesne systemy, które ułatwiają i przyśpieszają proces załadunku. Jednym z przykładów takiego urządzenia jest robot, którego celem jest automatyczna paletyzacja i depaletyzacja oraz sortowanie różnych produktów firmy. Ma to pokazać, jak wygląda ten proces, jak jest szybki, wydajny i – co najważniejsze – że system jest bezbłędny podczas sortowania. Dla studentów będzie to na pewno doskonały przykład zastosowania środków automatyzacji w pracach logistycznych – podkreśla dr hab. inż. Mirosław Śmieszek z Katedry Metod Ilościowych.

Osoby, które nie pasjonują się sportami kontaktowymi, mogą zainteresować się zawodami robotów LineFollower. Zadaniem robotów biorących udział w tej konkurencji jest jak najszybsze przebycie zawiłej trasy wyznaczonej na białej planszy za pomocą czarnej taśmy. Śmigające maszyny przykuwają uwagę widowni podczas każdych zawodów. W tym roku w szranki mogą stanąć zawodnicy, których konstrukcje wykonane są w sposób tradycyjny, jak i osoby budujące roboty z klocków LEGO – zwycięzca zostanie wyłoniony w tych dwóch kategoriach.

Interesująco zapowiadają się zawody MicroMouse. W tej dyscyplinie wpuszczony do labiryntu robot-mysz musi jak najszybciej wydostać się na zewnątrz. W tej konkurencji liczy się zarówno szybkość jednostki, jak i jej – a raczej jej twórcy - spryt.

W turnieju wezmą także udział konstruktorzy, których roboty nie pasują do wspomnianych wcześniej konkurencji. To właśnie dla tych „niezrzeszonych” przewidziana została ostatnia konkurencja – FreeStyle. Twórcy

zaprezentują w nim swoje autorskie, często innowacyjne i nietypowe konstrukcje.

Poza robotami biorącymi udział w zawodach, studenci z koła SKALP przygotowali kilka niespodzianek dla zwiedzających, w tym dla najmłodszych, którzy – dzięki współpracy z firmą eduROBOT – będą mogli nacieszyć się robotami do woli.

Turniej nie odbyłby się, gdyby nie pomoc partnerów, głównie firm EduPark, TechJet, MPL Techma, Sii, ASTOR i RoboNet. Firmy te wspierają Studenckie Koło Automatyków SKALP podczas organizacji turnieju i gwarantują jego atrakcyjność. Więcej informacji można znaleźć na stronie internetowej ttr.skalppg.pl.

Wydarzenie co rok gromadzi miłośników nowoczesnych technologii z całej Polski. W poprzedniej edycji wzięło udział ponad 100 konstruktorów, co świadczy o wadze turnieju dla polskiej robotyki amatorskiej.

Zobacz więcej Pobierz bezpłatną aplikację PAR+ App Store | Google Play

Dział powstaje we współpracy z portalem

NOWE PRODUKTY Nowości

Kontroler PC z 4 × RS-232 oraz 4 × RS-232/422/485

GS280 – zasilacz desktop o mocy 280 W

Firma Advantech wprowadziła do sprzedaży nowy, bezwentylatorowy komputer przemysłowy, oznaczony symbolem ARK-3500.

Jednostka wykorzystuje chipset Intel QM77 i wyposażona jest w podstawkę pod mobilne procesory Intel Core trzeciej generacji.

Na liście kompatybilnych procesorów znalazły się m.in.

W przypadku instalacji procesora Intel Core możliwe jest wyświetlenie trzech niezależnych obrazów. W celu instalacji systemu operacyjnego użytkownik ma do dyspozycji kilka nośników pamięci masowej: dwa dyski SATA (istnieje możliwość skonfigurowania w macierz RAID 0/1), kartę CFast

takie jednostki obliczeniowe, jak Core i7-3610QE 2.3GHz (Quad Core), Core i5-3610ME 2,7 GHz, Core i3-3120M 2,4 GHz i Celeron 1020 2,2 GHz. Komputer ma dwa sloty na kości DDR3/DDR3L SO-DIMM, przy czym maksymalna ilość pamięci RAM, jaka może zostać zainstalowana, wynosi 16 GB. ARK-3500 może wyświetlić obraz na monitorze wyposażonym w wejście VGA, DVI-D, HDMI lub DisplayPort.

oraz dwa dyski mSATA (konfigurowalne zamiennie z Mini PCIe). Kolejną charakterystyczną cechą komputera ARK-3500 jest obecność aż ośmiu portów COM. Cztery z nich to pełne porty RS-232, natomiast pozostałe to RS-232/422/485. Oczywiście w przypadku RS-485 obsługiwana jest automatyczna kontrola kierunku przepływu danych.

Firma Mean Well rozszerzyła ofertę zielonych zasilaczy desktop o model dużej mocy serii GS280 (280 W). Oznacza to, że wraz z obecnymi już na rynku modelami mniejszej mocy dostępna jest kompletna linia „zielonych” zasilaczy o mocy od 5 W do 280 W. GS280 to jednowyjściowy zasilacz, charakteryzujący się niskim poborem mocy w stanie bez obciążenia (< 0,5 W) i bardzo dużą sprawnością, dochodzącą do 94 proc.

Czynniki te sprawiają, że cała seria jest energooszczędna (zarówno w trybie standby, jak i w czasie normalnej pracy). Zasilacze mają szeroki zakres napięcia wejściowego – od 90 V AC do 264 V AC – i są wyposażone w aktywny układ korekcji współczynnika mocy. Na wyjściu dostępne są napięcia 12 V, 15 V, 20 V, 24 V i 48 V. Chłodzenie odbywa się w swobodnym obiegu powietrza, w zakresie temperatury pracy od –30 °C do +60 °C. Plastikowa obudowa, spełniająca wymagania normy UL94V-0, zabezpiecza przed porażeniem prądem. Od strony wejścia GS280 ma standardowe złącze zasilające

ELMARK Automatyka Sp. z o.o. www.elmark.com.pl

IEC320-C14, natomiast na wyjściu – czteropinowy styk AMP 1-480702-0. Dodatkowe funkcje urządzenia to: sygnalizacja pracy diodą LED oraz zabezpieczenia chroniące przed zwarciem, przeciążeniem, przepięciami i wysoką temperaturą. Zasilacz jest zgodny z przepisami na całym świecie i spełnia wymagania różnych norm, m.in. ErP etap drugi (Energy-related Products, 2009/125/WE), EISA 2007, NRCan i MEPS. Zasilacz ma także globalne certyfikaty bezpieczeństwa: EMC, UL, CUL, TUV, BSMI, CCC, PSE (od 12 V do 24 V), CB, FCC i CE, które w znacznym stopniu gwarantują bezpieczeństwo i niezawodność.

GS280 jest przeznaczony do zasilania urządzeń elektronicznych. Ma zastosowanie w automatyce przemysłowej i wszędzie tam, gdzie wymagana jest cicha i bezwentylatorowa praca zasilacza.

ELMARK Automatyka Sp. z o.o. www.elmark.com.pl

Fot. Astor, SKA SKALP, Elmark Automatyka, Peltron

Wielozakresowe analogowe przetworniki ciśnienia i różnicy ciśnień Bardzo ciekawym i ekonomicznym rozwiązaniem, dostępnym w ofercie firmy Peltron, są klasyczne przetworniki ciśnienia serii PX i różnicy ciśnień serii PXD, z możliwością skokowej zmiany zakresu pomiarowego. W wersji z wyjściem od 4 mA do 20 mA możliwe jest wykalibrowanie przyrządu na cztery zakresy pomiarowe.

Zmiany dokonuje się przez przełączanie mikroprzełączników, dostępnych po Promocja

odkręceniu tylnej części obudowy. Rozwiązanie to pozwala na zastosowanie klasycznych przetworników w punktach pomiarowych, w przypadku których jest korzystne, a nawet pożądane, korygowanie zakresu pomiarowego.

Peltron TPH Sp. z o.o. tel. 22 615 63 56 fax 22 615 70 78 e-mail: peltron@home.pl www.peltron.pl

Pomiary Automatyka Robotyka nr 4/2014

13

Nowości Nowe produkty

Sprzęgacz Han Hood Link Sprzęgacz Han B, jeden z najnowszych produktów w portfolio HARTING, to rozwiązanie podnoszące funkcjonalność stosowania obudów złączy serii Han B. Wykonany jest z elastomeru, dzięki czemu charakteryzuje się wysoką odpornością na działanie olejów, gazów, uderzeń mechanicznych.

Specjalny kształt oraz zintegrowana uszczelka

pozwalają na łączenie dwóch standardowych obudów wtyczek rozmiaru 16B, przy równoczesnym

zachowaniu stopnia ochrony IP65.

Rozwiązanie charakteryzuje się łatwym montażem i trwałością łączenia.

Jest przeznaczone do stosowania w aplikacjach, w których istnieje ryzyko upadku złączy z dużych wysokości i konieczne jest natychmiastowe przywrócenie połączenia, aczkolwiek rozwiązanie

może być stosowane również w aplikacjach, w których liczy się łatwość i szybkość procesu łączeniowego.

prawidłowe położenie danych produkcyjnych, numerów seryjnych i szczegółów na temat dat ważności. Z kolei funkcja porównywania znaków firmowych sprawdza obecność i prawidłowe położenie znaków firmowych. W trybie wielu okien zakres odczytu dzielony jest na cztery pola, które są wykrywane i odczytywane oddzielnie.

Jednocześnie można odczytać i porównać kody oraz sprawdzić obecność druku i znaków firmowych.

Czytnik niezawodnie odczytuje kody 1D lub 2D, nawet z powierzchni o dużym współczynniku

odbicia światła, a prędkość odczytywania kodów wynosi nawet do 10 m/s i 100 odczytów/s. Duża głębia ostrości umożliwia niezawodne odczytywanie kodów o wielu rozmiarach z różnych odległości i kątów. Istnieje możliwość rekonstrukcji długich kodów kreskowych z wielu obrazów częściowych oraz sprawdzenia nawet do czterech kodów na jednym obrazie, zaś wejście enkodera obrotowegoumożliwia opóźnienie wyzwalacza.

Czytnik może także wykrywać i porównywać znaki firmowe lub ciągi znaków.

HARTING Polska Sp. z o.o. ul. Duńska 9, 54-427 Wrocław tel. 71 352 81 71 fax 71 350 42 13 e-mail: pl@HARTING.com www.HARTING.pl

Czytnik kodów OPC120P

REKLAMA

14

metalowych, plastikowych lub PCB. Duża głębia ostrości umożliwia niezawodne odczytywanie kodów z dużych odległości, bez konieczności regulacji mechanicznych czy zmian parametrów. Czytnik jest też wyposażony w zestaw przydatnych funkcji — wykrywanie obecności druku, porównywanie znaków firmowych i tryb wielu okien. Funkcja wykrywania obecności druku sprawdza

Fot. HARTING, Pepperl + Fuchs, Control Techniques, VIX Automation

Pepperl+Fuchs wprowadził do oferty czytnik kodów OPC120P do powierzchni odblaskowych oraz zastosowań, w których wymagana jest wysoka prędkość odczytu. Nowy czytnik wyposażono w unikatowe oświetlenie filtra polaryzacyjnego, co pozwala na odczytywanie kodów z powierzchni o dużym współczynniku odbicia światła, np. z powierzchni zakrzywionych,

Serwonapędy i serwomotory firmy CONTROL TECHNIQUES

Fot. HARTING, Pepperl + Fuchs, Control Techniques, VIX Automation

Control Techniques, oddział firmy Emerson Industrial Automation, dostarcza serwonapędy Digitax ST i serwomotory Unimotor FM do nowych maszyn pakujących Cartonwrap, zaprojektowanych przez włoską firmę CMC Machinery.

Technologia dostarczona przez Control Techniques zwiększa niezawodność i dokładność nowych maszyn CMC Machinery.

Maszyny Cartonwrap wykorzystują zwoje taniej tektury falistej do produkcji opakowań kartonowych, dostosowując wymiary tworzonych

pudeł do wymiarów pakowanych produktów. Produkty są transportowane za pośrednictwem przenośnika taśmowego do maszyny pakującej, która formuje wokół nich prostopadłościenne opakowanie.

Serwonapędy Digitax wykorzystują system zarządzania oparty na wielu sieciach, centralnym komputerze sterującym i okablowaniu Ethernet, zapewniając koordynację produkcji i programowanie parametrów indywidualnych komponentów procesowych. Firma CMC Machinery wykorzystuje

w każdym z napędów moduły SM Applications Plus, czyli kontrolery ze zintegrowanymi szynami komunikacyjnymi Fieldbus i zestawem linii I/O. Dzięki temu nie ma konieczności instalacji zewnętrznych sterowników PLC, co zmniejsza złożoność okablowania i zwiększa szybkość komunikacji.

Wspomniane moduły pracują pod kontrolą specjalizowanego oprogramowania, stworzonego specjalnie dla maszyn Cartonwrap przy współpracy inżynierów z Control Techniques. Każda z maszyn Cartonwrap zawiera

22 serwonapędy Digitax ST i serwomotory 075U2C /095U2B Unimotor FM, a także sześć serwonapędów Unidrive SP i pięć napędów Commander SK, również pochodzących z oferty Control Techniques.

System wizualizacyjny Proficy iFIX firmy GE Intelligent Platforms dostępny jest obecnie w najnowszej odsłonie – wersji 5.8.

Oprogramowanie iFIX, wraz z pozostałymi elementami systemu Proficy, to otwarte, zaawansowane rozwiązanie informatyczne do kontroli produkcji, umożliwiające zautomatyzowanie

przedsiębiorstwa, analizowanie danych czasu rzeczywistego i zarządzanie produkcją. W nowej wersji 5.8 znalazły się m.in. następujące funkcje: dynamiczne skalowanie rysunków, wsparcie dla nowych systemów operacyjnych (m.in.

Windows 8, Server 2012), nowe sposoby licencjonowania, archiwizator danych

GRATIS – Proficy Historian for SCADA do 1000 I/O + bufor 2500 I/O, nowe możliwości aplikacji WebSpace (mobilny dostęp do iFIX) i narzędzia do wyznaczania wskaźnika OEE. Nowa odsłona systemu Proficy iFIX gwarantuje także bardziej wydajne mechanizmy redundancji i zwiększone bezpieczeństwo aplikacji.

Proficy iFIX w wersji 5.8

REKLAMA

Nowości Nowe produkty

Fluke VT04 to nowy pirometr graficzny w ofercie firmy Eltron. Cechują go nieograniczone możliwości zastosowań i prosta obsługa.

Pirometr ma wbudowany aparat cyfrowy, a zakres mierzonej temperatury wynosi od –10 °C do +250 °C. Urządzenie pozwala na wyjątkową możliwość nakładania map cieplnych.

Używając jednego przycisku, można połączyć ze sobą obrazy cyfrowe i mapy

termiczne, aby natychmiast zobaczyć dokładną lokalizację problemu. Oprogramowanie do raportowania umożliwia zapis nawet do 10 tys. obrazów na dołączonej karcie SD i tworzenie profesjonalnych raportów.

Dużą rozdzielczość uzyskano dzięki optyce PyroBlend Plus. Pirometr ma najlepsze w swojej klasie pole widzenia (28° × 28°), o 40 proc. szersze w stosunku do typowych pirometrów, dzięki czemu świetnie sprawdza się w ciasnych przestrzeniach. Ma też funkcję alarmu przekroczenia górnego i dolnego progu temperatury, który wskazuje wszystkie miejsca, w których wystąpi ten problem.

Fluke VT04 ma kieszonkowe wymiary i bardzo niską cenę. Producent oferuje dwuletnią gwarancję.

Miernik MIC-5050 firmy SONEL Rodzina mierników z serii MIC powiększyła się o nowego przedstawiciela. Jest nim MIC-5050, który uzupełnia bogatą ofertę mierników rezystancji izolacji. Model ten wyróżnia bardzo duża odporność na zakłócenia, charakterystyczne dla bardzo trudnych warunków pomiarowych.

Miernik MIC-5050 pozwala na pomiar rezystancji izolacji nawet przy obecności napięć indukowanych o wartości do 500 V. Wówczas to miernik podejmuje próbę pomiaru, a gdy napięcie na obiekcie mierzonym jest wyindukowane, wykonuje pomiar rezystancji izolacji. Dodatkowym atutem jest współpraca miernika z adapterem AutoISO, umożliwiającym pomiary przewodów oraz kabli wielożyłowych, bez potrzeby każdorazowego przepinania kombinacji

połączeń. Miernik pozwala na pomiary wartości rezystancji do 20 TΩ, przy maksymalnym napięciu pomiarowym 5000 V. Umożliwia też wybór jednej z trzech wartości prądu pomiarowego: 1,2 mA, 3 mA lub 5 mA.

Dużym atutem jest bardzo wyraźny i jasny wyświetlacz graficzny o wymiarze 5,7”.

Możliwy jest także podgląd wykresów, przedstawiających rezystancję w zestawieniu z prądem upływu lub rezystancję z napięciem pomiarowym.

REKLAMA

Moduły HART do serii X20 I/O Do sprawdzonej serii modułów komunikacyjnych X20 firmy B&R dołączyły moduły HART wejść analogowych i wyjść analogowych. Moduły te są wyposażone w dwa wejścia i dwa wyjścia, a do przesyłania danych HART z czujników oraz układów wykonawczych bezpośrednio do sterownika, wykorzystują protokół czasu rzeczywistego Ethernet POWERLINK. W celu interpretacji danych sterownik przekazuje informacje przez magistralę procesową do stacji serwisowej, z zainstalowanym oprogramowaniem typu FDT Container, np. B&R Automation Studio, PAC-Tware czy FieldCare. Ten rodzaj komunikacji umożliwia konfigurowanie urządzeń HART. Konfiguracja jest dokonywana za pomocą DTM

16

(i komunikacji TCP/IP), który skanuje sieć i wykrywa całe drzewo sprzętowe, łącznie z urządzeniami polowymi. Serwer DTM na sterowniku pracuje jako bramka, która pozwala na dostęp odczyt/zapis do wszystkich szczegółowych informacji dotyczących urządzeń polowych HART, w celu monitorowania zasobów. Każdy kanał na module HART ma swój własny modem HART, co umożliwia optymalne wykorzystanie wysokiej przepustowości przesyłanych danych po POWERLINK.

Fot. Eltron, Sonel, B&R Automatyka Przemysłowa, Elmark Automatyka

Pirometr graficzny Fluke VT04

Panel PC 900 multi-touch

Fot. Eltron, Sonel, B&R Automatyka Przemysłowa, Elmark Automatyka

Nowy Panel PC 900 z funkcją multi-touch, dzięki wykorzystaniu zalet najnowszych procesorów, w tym technologii Intel Core i7, gwarantuje bardzo wysoką moc obliczeniową i kompatybilność z komputerami poprzednich generacji.

Zaletą jest także nowoczesna matryca dotykowa, wykonana w technologii PCT (ang. Projected Capacitive Touch), używana również w szerokoekranowych wyświetlaczach serii Automation Panel. Dzięki

antyodblaskowej, szklanej powierzchni od krawędzi do krawędzi oraz monitorom o wysokiej rozdzielczości, udało się połączyć maksymalną funkcjonalność oraz zaawansowany design w jednym panelu operatorskim. Wyświetlacze w zakresie od 15,6’’ do 24’’, z rozdzielczością Full HD, zapewniają spełnienie wszystkich możliwych wymagań.

Komputery Panel PC 900 są dostępne nie tylko z wyświetlaczami szerokoekranowymi z funkcją

multi-touch, ale również z wyświetlaczami w tradycyjnym formacie 4:3.

Wyposażone w analogowe rezystancyjne ekrany dotykowe, w wymiarach od 12,1’’ do 19’’, wersje single-touch zapewniają

pełną kompatybilność z komputerami poprzednich generacji pod względem rozdzielczości ekranu i wymiarów. Wiele wariantów Panel PC 900 może również pracować bez wentylatorów.

czytelność w każdych warunkach. Obudowa komputera jest wykonana ze stopu magnezu. Jest ona całkowicie szczelna, co potwierdza stopień ochrony IP65, oraz odporna na upadki z wysokości 1,8 m.

Szeroki zakres temperatury pracy (od –29 °C do 60 °C) to kolejna zaleta tej konstrukcji. Interesującą opcją dodatkową jest Night Vision.

Dzięki temu rozwiązaniu,

przy wykorzystaniu gogli do widzenia w nocy, można pracować na komputerze przy wyłączonym podświetleniu matrycy.

Getac B300 jest przeznaczony do pracy w terenie, dlatego nie mogło zabraknąć wbudowanego modemu 3G oraz modułu GPS.

Laptop Getac B300G5 do pracy w trudnych warunkach

Firma Getac wprowadziła piątą generację wytrzymałych laptopów. Getac B300G5 jest przeznaczony do pracy w najtrudniejszych

warunkach terenowych i klimatycznych.

Producent zastosował czwartą generację procesorów Intel Core i5 i i7.

Nowy układ graficzny, Intel HD 4600, pozwolił na wzrost wydajności o 34 proc. Bez zmian pozostał ekran QuadraClear o jasności 1400 NITS, który gwarantuje znakomitą

REKLAMA

Niezawodne i kompletne rozwiązania dla automatyki przemysłowej • Czujniki zbliżeniowe • Czujniki fotoelektryczne • Przemysłowe systemy wizyjne • Czujniki ultradźwiękowe • Enkodery obrotowe • Systemy pozycjonowania • Czujniki wychylenia i przyspieszenia • System AS-i • Systemy identyfikacji

Dział powstaje we współpracy z portalem

Konserwacja napędów i silników elektrycznych Każda awaria systemów automatyki, niezależnie od branży i gałęzi przemysłu, niesie ze sobą poważne konsekwencje finansowe.

Aby uniknąć tego typu problemów, warto wprowadzić planowe przeglądy zainstalowanego sprzętu.

Przeglądy skutkują co prawda wstrzymaniem produkcji, jednak przygotowanie się do ich przeprowadzenia pozwala znacznie zminimalizować związane z nimi koszty. Dlaczego prewencja jest tak ważna? Przede wszystkim właśnie ze względu na możliwość przygotowania się do wstrzymania działania części lub całego zakładu. Dzięki temu służby utrzymania ruchu mogą tak rozłożyć pracę, by firma jak najmniej straciła pod względem logistyki łańcucha dostaw czy w zakresie przebiegu procesów.

18

Awaria czy kontrolowane zatrzymanie?

Kontrolowane wstrzymanie prac maszyn, a przede wszystkim napędów, ma też bardzo duże znaczenie dla ochrony zainstalowanych w fabryce urządzeń. Normalna praca mechanicznych systemów przemysłowych zakłada bowiem najczęściej współpracę wielu podsystemów, które podają i odbierają przetwarzane obiekty.

Planowane zatrzymanie ich pracy pozwala w odpowiedniej kolejności wygasić pracę maszyn, podczas gdy w przypadku losowej usterki może dojść do trudnych do przewidzenia komplikacji. Przede wszystkim może ulec zniszczeniu partia produkowanego towaru, który może się potłuc, zaklinować lub przegrzać. Podobne problemy mogą wystąpić w odniesieniu do innych podzespołów maszyn. Jeśli linia produkcyjna nie jest odpowiednio oczujnikowana, istnieje ryzyko, że usterka nie zostanie automatycznie wykryta i zainstalowane maszyny będą pracowały tak, jak gdyby nic się nie stało. W zależności od warunków może dojść do zerwania pasa transmisyjnego, zbytniego obciążenia części maszyn lub nawet ich przegrzania.

Redukcja usterek Nawet jeśli wydaje się, że regularne przeglądanie komponentów maszyn i wymia-

na niektórych z nich, również wtedy, gdy jeszcze nie uległy zbytniemu zużyciu, to tylko dodatkowe koszty, szybka kalkulacja pozwoli zauważyć, że są one niższe niż koszty faktycznej awarii.

Wynika to nie tylko ze wspomnianych wcześniej problemów, związanych z nieprzewidzianym przerwaniem produkcji, ale też ze sposobu, w jaki poszczególne elementy maszyn ulegają zużyciu. W przypadku nowego, sprawnego napędu poszczególne jego podzespoły mają pewien określony, przewidywany czas życia, który da się oszacować dla sprawnie działającej maszyny. Jednak gdy któryś z elementów ulegnie uszkodzeniu wcześniej, wprowadza on maszynę w stan, w którym pracuje ona nieoptymalnie, np. nadmiernie obciążając inne komponenty. W efekcie te elementy, dla których przewidywano znacznie dłuższy czas niezawodnej pracy, często będące jednocześnie najdroższymi podzespołami urządzenia, zaczynają się znacznie szybciej zużywać, co nawet w krótkiej perspektywie może prowadzić do ich przedwczesnego zniszczenia. W takiej sytuacji koszt naprawy całego napędu staje się znacznie wyższy niż koszt kilku zaplanowanych wcześniej przeglądów i wymian serwisowych.

Fot. ABB

Temat numeru NAPĘDY I SILNIKI ELEKTRYCZNE

Producenci urządzeń automatyki przemysłowej zdają sobie sprawę z tych zależności i starają się pomóc służbom utrzymania ruchu odpowiednio planować przeglądy serwisowe. Z tego względu przygotowują szereg zaleceń odnośnie trybu, częstości i sposobu przeprowadzania prac konserwacyjnych. Spośród tych zaleceń można wybrać grupę typowych przykładów, które obrazują, jakiego sposobu serwisowania wymagają poszczególne elementy napędów.

Fot. ABB

Co i jak konserwować?

Prewencyjna konserwacja napędów składa się z corocznych oględzin, inspekcji, badań i wymiany podzespołów, zgodnie z określonymi przez producenta zaleceniami. Przygotowane przez producentów plany napraw bazują na wieloletnim doświadczeniu firm, które w oparciu o dane statystyczne mogą ustalić średnią częstość występowania poszczególnych usterek i zaplanować, jak ich uniknąć. Przyjęcie procedur zgodnych z zaleceniami pozwala zminimalizować ryzyko wystąpienia awarii do poziomu akceptowalnego w większości aplikacji przemysłowych.

Należy mieć świadomość, jakie są główne przyczyny występowania usterek i zużywania się sprzętu. W przypadku napędów jest to przede wszystkim starzenie się komponentów, które są najmniej odporne na działanie czasu, takich jak kondensatory elektrolityczne. Bardzo ważne są także warunki, w których działa napęd. Częste zmiany temperatury otoczenia, duża wilgotność, nadmierne i często zmienne obciążenie – to również czynniki wpływające na skrócenie czasu życia napędu elektrycznego.

Przegląd konserwacyjny napędu elektrycznego obejmuje następujący zestaw czynności: • odkurzenie i wyczyszczenie żeberek radiatorów, • wyczyszczenie lub wymianę filtrów powietrza, zarówno wlotowych, jak i wylotowych, • sprawdzenie poprawności pracy wentylatorów i wyczyszczenie ich w razie potrzeby oraz usunięcie obiektów blokujących przepływ powietrza, • sprawdzenie połączeń elektrycznych i – w razie potrzeby – ponowne ich dokręcenie; jeśli to możliwe, warto przeprowadzić skan termowizyjny złączy

mocy, który ułatwia wykrycie wadliwych połączeń, • sprawdzenie napięć silnika, • sprawdzenie przebiegu faz zasilania, • sprawdzenie stanu kondensatorów, • zanotowanie ustawień napędu, • sprawdzenie poprawności zamknięcia obudowy.

Poniżej omówione zostały kwestie, które służby utrzymania ruchu powinny wziąć pod uwagę, poddając napęd okresowej inspekcji.

Czystość wnętrza napędu Mimo że układy elektroniczne są zwykle mało wrażliwe na działanie kurzu, zabrudzenia pokrywające płytki drukowane mogą utrudniać chłodzenie, a w niektórych przykładach nawet powodować zwarcia między ścieżkami. W efekcie przyspieszają starzenie się sprzętu oraz mogą doprowadzić do niepożądanych zachowań układów sterujących, co w konsekwencji może skutkować uszkodzeniem napędu.

Należy również zwrócić uwagę na to, czy któreś z połączeń nie uległy korozji, co może prowadzić albo do nadmiernego nagrzewania się skorodowanych elemen-

REKLAMA

Pomiary Automatyka Robotyka nr 4/2014

19

Temat numeru NAPĘDY I SILNIKI ELEKTRYCZNE

Tab. Zalecenia producenta dotyczące harmonogramu konserwacji napędów na przykładzie firmy ABB Przedmiot badania/wymiany

1

2

3

4

5

6

7

8

Wewnętrzny/dodatkowy wentylator chłodzący

I

I

R

I

I

R

I

I

Podstawowy wentylator chłodzący

I

I

I

I

I

R

I

I

Wentylator chłodzący jednostki DSU zasilane prądem przemiennym 50 Hz

I

I

I

I

I

R

I

I

Wentylator chłodzący jednostki DSU zasilane prądem przemiennym 60 Hz

I

I

R

I

I

R

I

I

Wentylator chłodzący jednostek TSU

I

I

R

I

I

R

I

I

Wentylator chłodzący rozszerzenia obudów

I

I

R

I

I

R

I

I

Dodatkowe wentylatory chłodzące wewnatrz szaf

I

I

I

I

I

R

I

I

Dodatkowy wentylator chłodzący na dachu szafy

I

I

I

I

I

R

I

I

Wentylatory chłodzace

I

I

I

I

I

R

I

I

Uzupełnienie środka zapobiegającego korozji

I

P

I

P

I

P

I

P

Uruchomienie

0

P

Systemy chłodzenia powietrzem

Systemy chłodzenia cieczą

Wymiana płynu chłodzącego Czyszczenie wymiennika ciepła

I

I

P

I

Ciśnienie powietrza w zbiorniku z płynem

I

I

I

I

Stan zbiornika z płynem Pompa płynu chłodzącego

I

I

I

I

R

I

I

Rurki z płynem chłodzącym

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

R

I

I

Elementy starzejące się Kondensator elektrolityczne obwodów DC Bateria podtrzymująca pamięć konfiguracji Połączenia i zużycie ze względu na środowisko pracy Stan przewodów Stan złączy

I

Stan szybkich złączy

I

I

Filtry dla klas IP20 do IP42

I

I

I

I

I

I

I

I

Filtry dla klas IP54 i wyższych

R

R

R

R

R

R

R

R

Stan kontaktorów

I

I

Połączenia światłowodowe

I

I

Stan zakurzenia, korozji i temperatura

I

I

I

I

I

I

I

I

Jakość napięcia zasilania

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

P

P

P

P

P

P

P

P

Części zamienne

I

I

I

I

I

I

I

I

Kondensatory obwodów stałoprądowych

P

P

P

P

P

P

P

P

Ulepszenia i moduły rozszerzeń W zależności od danego produktu Pomiary Podstawowe pomiary po podłączeniu urządzenia do zasilania Części zamienne

I - Inspekcja wizualna, P - Pomiary i testy sprawności, R - wymiana podzespołu

20

Lata od uruchomienia 7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

I

I

R

I

I

R

I

I

R

I

I

R

I

I

R

I

I

I

I

I

R

I

I

I

I

I

R

I

I

I

I

I

I

I

I

R

I

I

I

I

I

R

I

I

I

I

I

R

I

I

R

I

I

R

I

I

R

I

I

R

I

I

R

I

I

R

I

I

R

I

I

R

I

I

R

I

I

R

I

I

R

I

I

R

I

I

R

I

I

R

I

I

I

I

I

R

I

I

I

I

I

R

I

I

I

I

I

I

I

I

R

I

I

I

I

I

R

I

I

I

I

I

I

I

I

R

I

I

I

I

I

R

I

I

I

I

P

I

P

I

P

I

P

I

P

I

P

I

P

I

R

R

I

I

P

I

I

P

I

I

I

I

I

I

I

I

R

R

I

I

I

I

I

R

I

I

I

I

I

R

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

R I

I

I

R I

I

R

I

I

I

I

I

R

R

R I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

R

R

R

R

R

R

R

R

R

R

R

R

R

R

R

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 4/2014

21

Temat numeru NAPĘDY I SILNIKI ELEKTRYCZNE

tów albo do niestabilnej pracy napędu.

W dłuższej perspektywie może być również przyczyną uszkodzeń podzespołów.

Trzeba ponadto upewnić się, że żadne niepożądane przedmioty, szczególnie metalowe, nie dostały się do wnętrza obudowy. Co prawda prawdopodobieństwo wystąpienia takiego zdarzenia jest bardzo niewielkie, jednak jeśli w jakiś sposób takie przedmioty dostaną się do obudowy, będą stanowiły poważne zagrożenie dla poprawności działania napędu.

Analizując czystość napędu warto też zastanowić się, w jakich warunkach on pracuje i czy przykładowo w jego otoczeniu nie są prowadzone jakieś prace konstrukcyjne lub inne działania, które mogłyby powodować silne pylenie. Jeśli tak, to należy postarać się o przykrycie napędu na czas prac, o ile nie jest on akurat używany. Może to znacznie wydłużyć bezawaryjne działanie urządzenia. Jednocześnie, po zakończeniu robót, warto dodatkowo dokonać inspekcji wnętrza napędu i oczyścić go np. za pomocą sprężonego, suchego powietrza. Zastosowanie odkurzacza nie jest zalecane, gdyż wymaga dużej ostrożności. Optymalną metodą pracy jest zdmuchiwanie kurzu powietrzem lub pędzelkiem i jednoczesne zasysanie unoszącego się kurzu z pewnej odległości.

O ile napęd pracuje w normalnych warunkach, większość producentów zaleca, by dokonywać inspekcji jego wnętrza około raz na rok i – w razie potrzeby – czyścić je. Jeśli po pierwszym roku okaże się, że warstwa zgromadzonego brudu jest duża, należy skrócić okresy między przeglądami.

Filtry powietrza Nie każdy napęd ma zainstalowane filtry powietrza, ale duża część z nich zostaje w nie wyposażona. Filtry są najczęściej lokalizowane na wlocie powietrza,

ale czasem można je też znaleźć na wylocie. Szybkość zapychania się filtrów jest różna w zależności od sposobu montażu i umieszczenia napędu, toteż początkowo zaleca się częste monitorowanie stanu filtrów, w celu określenia, które z nich wymagają częstszej konserwacji. Dopiero po pewnym czasie można precyzyjnie zaplanować regularne przeglądy.

Złącza W przypadku napędów przemysłowych bardzo częstą przyczyną awarii są problemy na złączach. Dlatego konieczne jest poddawanie złączy odpowiedniej inspekcji. W pierwszej kolejności należy sprawdzić złącza mocy, bo to one mogą powodować najpoważniejsze, a zarazem najtrudniejsze do wykrycia straty. Słaby kontakt między przewodem a gniazdem może spowodować przegrzewanie się elementu albo występowanie łuków elektrycznych, które stapiają i uszkadzają złącza. Mogą też być źródłem zakłóceń elektromagnetycznych, które negatywnie wpływają na pracę układu sterującego napędem.

W drugiej kolejności należy zwrócić uwagę na uziemienia. Gdy są poluzowane lub skorodowane, również mogą przyczynić się do emisji zakłóceń elektromagnetycznych, które normalnie byłyby tłumione przez poprawnie uziemione ekrany.

Słabe uziemienie ma ponadto negatywny wpływ na bezpieczeństwo pracy maszyny.

W przypadku przewodów przenoszących sygnały sterujące, luzy na złączach mogą powodować nieprawidłowe działanie urządzenia i resetowanie go. Tego typu błędy można łatwo wykryć podczas pracy, ale często stanowią przyczynę nagłego, nieprzewidzianego wstrzymania pracy maszyn. Identyczną rolę odgrywa uziemienie przewodów sterujących.

Inspekcję złączy należy rozpocząć od wyłączenia napędu i odczekania, aż wbudowane kondensatory rozładują

się do bezpiecznego poziomu. Następnie wszystkie dostępne złącza powinny być sprawdzone pod kątem ewentualności występowania korozji oraz pewności połączenia.

Większość producentów zaleca sprawdzenie połączeń przed pierwszym użyciem napędu, a następnie wykonywanie tej czynności co rok. W przypadku, gdy urządzenie jest narażone na silne wibracje, częstotliwość inspekcji można odpowiednio zwiększyć.

Wentylatory Kolejnym elementem, który warto sprawdzić, są wentylatory chłodzące napędy.

Poprawnie działające wentylatory obniżają temperaturę urządzenia, wydłużając jego żywotność. Ponieważ są to elementy mechaniczne, stale się obracające, powinny podlegać częstej kontroli, nie rzadziej niż raz na rok.

Wraz z wentylatorami należy sprawdzić radiatory i wloty powietrza i upewnić się, że nic nie blokuje przepływu.

W niektórych napędach wentylatory włączają się tylko wówczas, gdy temperatura urządzenia przekroczy pewną wartość graniczną, warto więc sprawdzić, czy jest ona poprawnie monitorowana.

W tym celu należy wyłączyć napęd i poczekać aż ostygnie, a następnie włączyć go i obserwować, czy wentylatory włączają się w odpowiednim momencie, tj. dopiero po pewnym czasie od uruchomienia napędu.

Dobrym sposobem testowania wentylatorów jest też nasłuchiwanie, czy nie emitują one niepożądanych dźwięków. To one są bowiem pierwszymi oznakami niepoprawnego działania i pozwalają przewidzieć, że wentylator niebawem ulegnie awarii. Pomocne są także czujniki temperatury, których odczyty mogą wskazać przegrzewanie się, a więc niewystarczający przepływ powietrza.

Napędy PowerFlex firmy Allen-Bradley

22

Napęd Danfoss VLT Micro Drive

Fot. VCP International, Allen-Bradley, Danfoss, Siemens

Napędy Vacon NXL firmy VCP International

Kondensatory elektrolityczne

Fot. VCP International, Allen-Bradley, Danfoss, Siemens

Duże kondensatory elektrolityczne to niezbędne elementy większości napędów. Pozwalają stabilizować napięcie, gdy zapotrzebowanie na prąd znacznie rośnie. Zastąpienie ich innymi rodzajami kondensatorów byłoby bardzo kosztowne, w związku z czym wciąż powszechnie stosuje się właśnie komponenty z elektrolitem. Niestety, elektrolit z czasem wysycha i choć proces ten może trwać latami, to będzie on przyspieszony w przypadku, gdy napęd działa w podwyższonej temperaturze.

Pierwszym symptomem złego stanu kondensatorów elektrolitycznych zazwyczaj jest pojawienie się tętnień na liniach napięcia stałego. Niektóre, bardziej zaawansowane napędy mają wbudowane czujniki, które monitorują poziom tych tętnień i pozwalają odpowiednio wcześniej wykryć pojawiający się problem.

W przeciwnym razie konieczne może być ręczne zmierzenie napięć stabilizowanych z użyciem kondensatorów elektrolitycznych. Warto ponadto sprawdzić, jak wyglądają kondensatory – czy nie napęczniały oraz czy nic z nich nie wycieka, co jest typowym objawem wysychania.

Częstym problemem związanym ze starzeniem się kondensatorów elektrolitycznych jest wzrost ich prądu upływu, który można zmierzyć dopiero przy wyższych napięciach. Jeśli taka sytuacja wystąpi i jeden z kondensatorów okaże się niesprawny, zdecydowanie zaleca się wymianę również wszystkich innych współpracujących z nim kondensatorów. Wynika to z faktu, że jeden uszkodzony element wpływa na pracę pozostałych, sprawiając, że szybciej się zużywają. Nawet jeśli jeszcze nie wyglądają na uszkodzone, warto zawczasu je wymienić, szczególnie że zazwyczaj nie są to elementy bardzo kosztowne.

Zaleca się wykonywanie badania kondensatorów co rok, chyba że napęd ma funkcję automatycznego monitorowania ich stanu – wówczas oględziny kondensatorów elektrolitycznych można pominąć.

Baterie i akumulatory Regularnie należy sprawdzać także baterie i akumulatory, przy czym ich wymiana powinna następować albo zgodnie z harmonogramem podanym przez producenta, albo w przypadku wypłynięcia z nich elektrolitu. W takiej sytuacji konieczne jest użycie odpowiednich narzędzi, gdyż większość elektrolitów może powodować korozję metali oraz silne poparzenia skóry. Oczywiście należy też pamiętać, by zużyte baterie odpowiednio zutylizować.

Napędy Siemens i dopasowany do nich silnik

Układy scalone i nośniki flash W przypadku wystąpienia awarii układów scalonych napęd prawdopodobnie w ogóle przestanie poprawnie działać. Jednocześnie elementy te są dosyć żywotne i dopiero wysoka temperatura może je uszkodzić, a silne, długotrwałe wibracje poskutkować powstaniem zimnych lutów na płytkach drukowanych. Z tego względu, w trakcie inspekcji, układy scalone należy oglądać praktycznie tylko pod kątem przebarwień, a konkretnie śladów spalenia lub nadpalenia. Dopiero wtedy powinny być one wymieniane, choć większość producentów zaleci wymianę całych płyt głównych lub modułów napędu.

Elementy silnika Jeśli inspekcja obejmuje również elementy samego silnika, a nie tylko napędu nim sterującego, należy zwrócić uwagę przede wszystkim na jego mechanikę. Ważne jest, by rotor poruszał się w stojanie, nie ocierając się o nic, a obrót nie powodował nietypowych dźwięków. Należy także sprawdzić, czy silnik jest wystarczająco czysty, np. czy elementy ruchome nie kleją się do siebie z powodu tłustych lub kleistych zabrudzeń. O ile instrukcja producenta to zaleca, należy także nasmarować wskazane komponenty, przy czym wielu wytwórców silników projektuje urządzenia niewymagające smarowania.

Co ważne, w przypadku zabrudzonych elementów stykowych przewodzących prąd, nie zaleca się ścierania ich powierzchni pilnikami. Jeśli oczyszczenie styków mniej agresywnymi metodami nie pomaga, należy po prostu wymienić dane podzespoły na nowe, najlepiej wymieniając od razu cały komplet złączy. Wielu producentów nie zaleca również stosowania specjalnych środków chemicznych oczyszczających elementy elektroniczne, gdyż ich pozostałości mogą negatywnie wpływać na działanie napędu.

W przypadku elementów stykowych, które są obudowane, a przez to ich stan trudno bezpośrednio ocenić, zaleca się dokonywanie wymian zgodnie z harmonogramem, na podstawie liczby wykonanych przełączeń lub wtedy, gdy wygląd obudowy wskazuje na ich zużycie.

W silnikach warto też sprawdzić cewki. Ich stan ocenia się analizując wygląd cewek, które mogą być nadtopione, nadpalone lub pęknięte. W przypadku wymiany trzeba koniecznie dokładnie usunąć pozostałości poprzednich uzwojeń, wraz z izolacją.

Jak układać plan konserwacji?

Dobrze ułożony plan przeprowadzania przeglądów prewencyjnych powinien uwzględniać zarówno zalecenia producenta, jak i zależności logistyczne między poszczególnymi maszynami zainstalowanymi na terenie fabryki. Listę zaleceń dla wybranego modelu napędu można otrzymać od producenta sprzętu. Istnieją również ogólne harmonogramy przeglądów, dotyczące wszystkich napędów produkowanych przez daną firmę. Jako przykład może posłużyć tabela, w której rozpisano zakres corocznych przeglądów na przestrzeni 21 lat od momentu wdrożenia napędu firmy ABB. Częstotliwość niektórych czynności serwisowych należy dostosować do zaistniałych warunków pracy urządzeń, toteż zebrane w tabeli zalecenia są jedynie orientacyjne. Warto ponadto rozplanować czynności serwisowe tak, by jak najrzadziej wstrzymywać pracę zakładu przemysłowego.

Planując przeglądy należy też uwzględnić zapotrzebowanie na części zamienne. Powinny one znaleźć się na magazynie zanim rozpocznie się przegląd, by niepotrzebnie go nie przedłużać.

W przypadku niektórych urządzeń, głównie starszych, czas oczekiwania na zamówione podzespoły może wynosić nawet kilka tygodni. Gdy zdobycie nowych, oryginalnych części zamiennych jest dużym problemem, warto poszukać ich zamienników lub postarać się o odświeżenie dotąd używanych podzespołów. Nie zawsze jest to możliwe, ale w przypadku prostszych podzespołów mechanicznych powinno się udać.

Andrzej Barciński

Pomiary Automatyka Robotyka nr 4/2014

PAR

23

Temat numeru NAPĘDY I SILNIKI ELEKTRYCZNE

Optymalne parametry i niskie koszty Technologia serwo dla każdego

Zespół napędowy Festo, składający się z siłownika elektrycznego EPCO, silnika skokowego EMMS-ST i pozycjonera silnika CMMO-ST

Siłownik

końcowych redukuje hałas przy dochodzeniu do położeń końcowych i zmniejsza energię uderzenia podczas ruchu referencyjnego. Konstrukcja CleanLook zapewnia łatwe czyszczenie, a żywotność szacowana jest na 10 tys. km.

Dostępne są trzy wielkości siłownika ze zintegrowanym na stałe, idealnie dopasowanym silnikiem. Napęd to śruba toczna oraz tłoczysko zabezpieczone przed obrotem z prowadnicą ślizgową. Amortyzacja w położeniach

w trybie ServoLite, łączy w sobie prostotę siłowników pneumatycznych z zaletami napędów elektrycznych. Ułatwia pozycjonowanie i jest znacznie tańszy od konwencjonalnych elektrycznych systemów pozycjonowania.

Dane techniczne dla siłownika elektrycznego EPCO Wielkość

16

25

40

Wielkość siłownika

[mm]

30 × 30

40 × 40

55 × 55

Zakres skoku

[mm]

50... 200

50... 300

50... 400

Skok śruby

[mm/obr.]

8

3

10

3

12,7

5

Siła posuwu

[N]

50

125

105

350

250

650

Maks. prędkość

[mm/s]

300

125

500

150

460

180

Obciążenie użyteczne w poziomie

[kg]

8

24

20

60

40

120

Obciążenie użyteczne w pionie

[kg]

8

12

10

30

20

60

Dokładność pozycjonowania

[mm]

Siłownik EPCO wielkość 25

Siłownik EPCO wielkość 40

24

Promocja

± 0,02

± 0,02

± 0,02

Fot. Festo

Siłownik EPCO wielkość 16

ServoLite CMMO-ST to kompletny pozycjoner silnika skokowego ze sprzężeniem zwrotnym, wytwarzający minimalną ilość ciepła, z funkcją bezpiecznego zatrzymania (STO) i płynnie pracującym silnikiem.

Kompletny system: Optimised Motion Series z siłownikiem EPCO Prosta konfiguracja i wygodne zamawianie elementów o odpowiednich wymiarach i właściwej kombinacji z użyciem kodu typu: siłownik EPCO z silnikiem, kablami dopasowanymi do prowadników i pozycjonerem silnika

skokowego CMMO-ST. Ponadto, szybkie uruchomienie z wykorzystaniem wbudowanego serwera WWW i typowej przeglądarki internetowej oraz prosty dobór przy użyciu oprogramowania PositioningDrives.

Konfiguracja szybsza i łatwiejsza niż kiedykolwiek Siłownik EPCO można konfigurować na dwa sposoby: 1) bardzo prosto i szybko za pomocą Web-Config i parametrów konfiguracyjnych umieszczonych w chmurze Festo. Predefiniowane, przetestowane pliki konfiguracyjne są zawarte

w katalogu wraz z niezbędnymi danymi. Wszystko odbywa się bardzo szybko, a pozycjonowanie jest możliwe do siedmiu swobodnie definiowanych pozycji; 2) za pomocą programu Festo Configuration Tool (FCT) – platformy programowej do parametryzacji napędów elektrycznych. Konfiguracja jest nieco bardziej skomplikowana.

Pomimo to jej czas jest do 70 % krótszy w porównaniu z konwencjonalnymi rozwiązaniami. Użytkownik ma do dyspozycji 31 rekordów pozycjonowania i wiele funkcji diagnostycznych.

Siłownik elektryczny EPCO z pozycjonerem CMMO-ST

Parametry techniczne i opcje – EPCO Siłownik • Gwint wewnętrzny w tłoczysku • Wydłużenie tłoczyska

Fot. Festo

Silnik • Hamulec silnika • Silnik z enkoderem: – praca ServoLite ze sprzężeniem zwrotnym (enkoderem) – rozwiązanie ekonomiczne: sterowanie pętli otwartej bez enkodera

Opcjonalna sygnalizacja położenia czujnika • Na zamówieniu należy sprecyzować opcję sygnalizacji położenia • Wybierz preferowane mocowa­nie czujnika: – Szyna czujnika (aluminium) – Zespół mocujący (tworzywo sztuczne) – Wybierz preferowany czujnik zbliżeniowy (SMT-8 lub SME-8), zależnie od zastosowania • Zamocuj samodzielnie uchwyt czujnika w odpowiednim miejscu, zamontuj czujnik i gotowe!

Sposób mocowania czujników indukcyjnych: a) zamocowany na stałe, b) z możliwością regulacji położenia w szynie

Pomiary Automatyka Robotyka nr 4/2014

25

Temat numeru NAPĘDY I SILNIKI ELEKTRYCZNE

Uniwersalność: szeroki zakres zastosowań siłownika elektrycznego EPCO

Podnoszenie/układanie

Pozycjonowanie elementów roboczych

Przenoszenie

Zatrzymywanie/rozdzielanie

Wciskanie

Ustawianie sortowników

Przechylanie

Napełnianie cieczą/usuwanie próbek

Charakterystyka techniczna, interfejs i funkcje – CMMO-ST Główne dane techniczne • Napięcie zasilania sterowania: 24 V DC • Napięcie zasilania silnika: 24 V DC • Maksymalny prąd silnika: 5 A • Logika sterowania: PNP lub NPN • Bezpieczeństwo: STO/kat. 3, PLd • Stopień ochrony: IP40 ServoLite • Silnik skokowy o parametrach silnika serwo dzięki enkoderowi • Praca ze sprzężeniem zwrotnym: regulacja prędkości, położenia, siły • Brak pomijania kroków • Płynne działanie, bez rezonansu Interfejsy • Komunikacja EtherNet/IP do konfiguracji i diagnostyki, opcjonalnie także do sterowania • Złącze silnika do 2-fazowych silników bipolarnych • 3-kanałowe połączenie enkodera (A, B, Z) do sygnałów wg standardu RS-422.

• Interfejs sterowania WE/WY (11 WE/ 11 WY) • Wejście cyfrowe sygnału referencyjnego • Safe Torque Off (STO), SIL 2 Funkcje • 7 swobodnie definiowanych pozycji w trybie sterowania zaworowego • 31 pozycji w trybie sterowania binarnego • Ruch sekwencyjny • Przyspieszanie z ograniczaniem szarpnięć • Monitorowanie swobodnie definiowanych pozycji i zakresów momentów • Monitorowanie zmiennych procesowych, takich jak moment, prędkość, pozycja i czas

26

Pozycjoner silnika CMMO-ST

Festo Sp. z o.o.

Janki k. Warszawy ul. Mszczonowska 7, 05-090 Raszyn tel. 22 711 41 00 www.festo.pl

Silniki BLDC to napędy popularne w różnego typu aplikacjach, głównie z uwagi na niewielką awaryjność i korzystny stosunek ceny do jakości.

Dostępne w ofercie WObit silniki Dunkermotoren mają jeszcze jedną zaletę – mogą być wyposażone w różne interfejsy komunikacyjne, pozwalające na łatwą implementację napędów w istniejących systemach.

Silniki BLDC Dunkermotoren z interfejsami komunikacyjnymi Silniki bezszczotkowe typu BG wyróżniają się bardzo długą żywotnością oraz wysoką wydajnością i dynamiką. Charakteryzują je również: szeroki zakres obsługiwanych prędkości, duży stosunek mocy do rozmiarów, solidna obudowa, niski moment bezwładności oraz wysoki stopień ochrony, aż do IP65.

Fot. Festo, WObit

Funkcje i zalety Silniki te mają zintegrowane czujniki Halla i wykonane są w oparciu o magnesy neodymowe, dzięki czemu nie wymagają ciągłej konserwacji. Elektronicznie komutowane silniki prądu stałego mogą być zintegrowane z elektroniką sterującą, przekładniami planetarnymi i ślimakowymi, a także enkoderami, tworząc elastyczne, modularne i adaptowalne rozwiązania. Są dostępne w wykonaniach przeznaczonych do pracy z napięciem 24–325 V i prędkością obrotową 500–10 000 obr./min, osiągając moment znamionowy 2–100 Ncm. Zakres mocy wynosi 5–300 W.

Dostępne wersje Silniki bezszczotkowe Dunkermotoren są oferowane w wersjach ze zintegroPromocja

wanymi sterownikami o różnych funkcjach, co ma znaczenie w przypadku niektórych aplikacji. Najprostszą wersją sterownika jest czterokwadrantowy sterownik prędkości (SI). W tym wykonaniu dodatkowo istnieje możliwość ustawiania prędkości docelowej za pomocą napięciowego wejścia analogowego 0–10 V. Dostępne są dwa wejścia cyfrowe, warunkujące cztery tryby pracy: obroty w lewo/w prawo, zablokowanie kontrolera oraz stop z momentem trzymającym.

Bardziej zaawansowany model to silnik ze zintegrowanym czterokwadrantowym serwosterownikiem (PI), który dostarczany jest z oprogramowaniem dla komputerów PC, umożliwiającym parametryzację (Drive Assistant).

Dzięki temu w łatwy sposób można sparametryzować podstawowe tryby pracy, określając np. prędkość, moment i pozycję. Modele od BG45 do BG75 są dodatkowo wyposażone w interfejs CANopen, który pozwala na zmianę najważniejszych parametrów trajektorii w czasie rzeczywistym. W ten sposób można regulować m.in. pozycję, prędkość oraz wartości przyspieszeń.

Zaawansowane instalacje W aplikacjach, w których wymagany jest inny interfejs komunikacyjny Dunkermotoren proponuje silniki obsługujące sieci PROFIBUS, PROFINET oraz EtherCAT. W przypadku złożonych projektów dostępny jest również napęd ze zintegrowanym kontrolerem ruchu z funkcją Master. Pozwala on na budowę stacjonarnej sieci bez sterownika nadrzędnego typu PLC. Silnik jest wyposażony w dwa złącza do podłączenia interfejsu sieciowego, stopnia mocy i systemów sterowania, uwzględniając definiowane przez użytkownika cyfrowe wejścia/wyjścia. Komunikacja między kilkoma sterownikami jest wtedy możliwa przez wejścia/wyjścia oraz interfejs CANopen.

PPH WObit E. K. J. Ober s.c.

Dęborzyce 16 62-045 Pniewy tel. 61 222 74 22 fax 61 222 74 39 e-mail: wobit@wobit.com.pl www.wobit.com.pl

Pomiary Automatyka Robotyka nr 4/2014

27

Temat numeru NAPĘDY I SILNIKI ELEKTRYCZNE

Sterowanie ruchem w systemie SoftCNC Skrót CNC oznacza precyzyjne obrabiarki do wytwarzania i obróbki detali. Głównym zadaniem obrabiarek sterowanych numerycznie jest zapewnienie precyzji programowanej ścieżki. Istnieje też potrzeba, by maszyny pracowały z jak najszybszymi czasami reakcji, z wykorzystaniem funkcji oraz sygnałów procesowych sterownika PLC.

Zmiany w świecie CNC Rosnący stopień automatyzacji, obejmujący wszystkie dziedziny przemysłu, w połączeniu z większym stopniem komplikacji linii produkcyjnych, coraz częściej zaciera granicę pomiędzy maszyną „klasyczną” a CNC. Producenci maszyn nie chcą już prostego sterownika, lecz chcą mieć kompletną platformę dla automatyzacji maszyn, która obejmuje napędy, sterowanie ruchem i ścieżką, wizualizację oraz pracę w sieci wszystkich komponentów. Sterownik ścieżki z funkcją CNC staje się więc integralną częścią systemu automatyki.

Firma B&R połączyła te komponenty w jeden system. Platforma SoftCNC jest wbudowana w system operacyjny czasu rzeczywistego w sterowniku PLC, dzięki czemu spełnione są wymagania nawet dla najbardziej skomplikowanych zadań.

Platforma SoftCNC została już wdrożona w różnych zastosowaniach, takich jak klasyczne frezarki, centra obróbcze ram drzwi i okien, cięcie palnikiem, plazmą, laserem lub strumieniem wody, obróbka

28

Promocja

szkła, maszyny do lutowania selektywnego oraz maszyny do nakładania i dozowania powłok uszczelniających.

Co decyduje o tak niezwykłej wszechstronności SoftCNC? Po pierwsze system operacyjny czasu rzeczywistego stanowi środowisko, niezbędne do wykonywania bardzo precyzyjnych zadań pozycjonowania. Czas cyklu CNC, wynoszący 400 µs, pozwala na uzyskanie precyzji ścieżki w zakresie submikronowym.

Generowane pozycje zadane są przesyłane bez żadnych opóźnień, bezpośrednio do napędów, przez sieć Ethernet POWERLINK. Co więcej, w systemie można wykorzystać praktycznie nieograniczoną liczbę wejść/wyjść.

Elastyczna architektura systemu i duża liczba funkcji umożliwiają dopasowanie maszyny do określonych wymagań klienta. Innym istotnym aspektem jest fakt, że bieżący poziom techniczny rozwiązania automatyki może być zawarty w warstwie aplikacyjnej, a nie wbudowany bezpośrednio w rdzeń systemu CNC, co jest najczęściej spotykanym rozwiązaniem w produktach innych firm.

SoftCNC zawiera obszerną listę funkcji. Programy i procedury ruchu są zapisywane zgodnie z normą DIN 66025.

Podział na programy główne i podprogramy pozwala na łatwe zarządzanie programami CNC. Użyteczne funkcje zostały dodane do funkcji podstawowych, określonych w normie. Rozszerzone techniki programowania pozwalają na użycie elementów z języków wysokiego poziomu, takich jak pętle, instrukcje warunkowe i rozgałęzienia. Dane z programów apli-

kacyjnych w PLC są przesyłane przez wydajny interfejs. Różne funkcje dostępu pozwalają na kontrolowanie wykonywania programu w czasie rzeczywistym.

Promień narzędzia lub punkty końcowe odcinków ścieżki, można zmienić podczas wykonywania programu, a wybrane informacje są dostępne synchronicznie do przebiegu ścieżki.

Funkcje dynamiczne Możliwość wpływu na dynamikę ścieżki (tj. na takie parametry, jak prędkość ścieżki, przyspieszenie oraz zryw) jest szczególnie istotna w przypadku stosowania sterowania ścieżką w pewnych obszarach technologii. Parametry ścieżki zmieniane są wówczas podczas wykonywania programu lub następuje automatyczna regulacja, zgodnie z promieniem lub krzywizną ścieżki.

Dodatkowe funkcje można odnaleźć w obszarze kompensacji średnicy narzędzia. Punkty, w których następuje gwałtowne przełamanie ścieżki, wcięcia i wierzchołki, nie muszą wiązać się z zatrzymaniem ścieżki, co np. w przypadku maszyny do cięcia plazmą doprowadziłoby do poważnych uszkodzeń obrabianego przedmiotu. Są one natomiast automatycznie korygowane, zgodnie ze specyfikacją użytkownika.

Zintegrowana funkcja wstępnego przetwarzania – Look Ahead – zapewnia stale zoptymalizowaną prędkość ścieżki. Jest to szczególnie istotne, gdy dana ścieżka ma tendencję do częstych zmian przyspieszenia, co może powodować drgania maszyny.

Fot. B&R Automatyka Przemysłowa

Coraz częściej w maszynach produkcyjnych wykorzystywane są roboty przemysłowe, które realizują szerokie spektrum zadań. Znajdują one zastosowanie w aplikacjach obejmujących zarówno proste manipulowanie przedmiotami, jak i skomplikowane czynności, takie jak spawanie. Głównym kryterium w tego typu aplikacjach nie jest już geometryczna zgodność ścieżki ruchu, lecz powtarzalna precyzja dla punktów końcowych oraz dynamika ruchu.

Czasami małe „oszukanie” zasad fizyki poprawia jakość procesu. W pewnych warunkach można przeregulować wartości graniczne osi dynamicznej, by osiągnąć lepsze efekty.

Ilustruje to przykład. Urządzenia do cięcia są automatycznie ustawiane stycznie do ścieżki. Jeśli przejście między dwoma elementami ścieżki ma zbyt duży kąt, a narzędzie porusza się zbyt prędko, nie może być wystarczająco szybko przestawione. Prędkość ścieżki musiałaby zostać zmniejszona.

Spowodowałoby to znaczne zmniejszenie jakości cięcia.

Niezbędne staje się przeregulowanie wartości granicznych dla osi stycznej. Tymczasowy błąd położenia osi ma mniejszy wpływ na jakość cięcia niż zmniejszona prędkość.

Inne przydatne funkcje to swobodny obrót płaszczyzny roboczej w przestrzeni (3D) i korekta nachylenia osi maszyny.

Możliwe jest też dostrojenie narzędzi kompensujące nierówności płaszczyzny roboczej. Korekta nachylenia jest przydatna, gdy ustawienie kąta prostego między osiami współrzędnych jest mechanicznie niemożliwe lub zbyt trudne.

SoftCNC przekształca program obróbczy tak, że rzeczywista ścieżka odpowiada ścieżce idealnego układu kwadratowego.

SoftCNC udostępnia też funkcje korekcji na poziomie osi.

Obejmują one kompensację błędu skoku śruby oraz luzu.

Funkcje te pozwalają na uzyskanie dużej precyzji ścieżki, nawet dla maszyn, które są mechanicznie mniej precyzyjne.

Wi ksza moc dla rozproszonego sterowania ruchem

Miejsce dla nowych mo liwo ci nowych Miejsce dla

Wszystkie omówione funkcje mogą znaleźć zastosowanie także poza obszarem CNC. Maszyny są coraz częściej wyposażone w zespoły o funkcjach robotów lub w roboty przemysłowe, np. do podawania lub odbierania obrabianych detali.

Dlatego idea sterowania całym rozwiązaniem automatyki z użyciem jednolitego systemu nie jest wcale bezzasadna.

SoftCNC ma interfejsy pozwalające na opis kinematyki struktury mechanicznej. Dostępne są dwa szczególnie istotne przekształcenia. Pierwsze to kinematyka odwrotna (inaczej transformacja odwrotna), a drugie to kinematyka prosta (inaczej transformacja prosta).

Położenie w przestrzeni (położenie i orientacja), dzięki przekształceniu prostemu, jest obliczane z wykorzystaniem danych o kątach przegubów robota. Przekształcenie odwrotne stanowi odwrotność – obliczenie kątów przegubów następuje na podstawie położenia w przestrzeni.

Zasada ta pozwala na wykorzystanie układów CNC do sterowania robotami. Specjalne właściwości SoftCNC przynoszą korzyści w bardzo wielu aplikacjach. Przykładowo, jeśli seria linii prostych jest zastępowana dowolnymi krzywymi, zintegrowana funkcja Look Ahead pozwala zapewnić optymalną prędkość ścieżki.

SoftCNC obsługuje funkcje przekształceń dla sześcioosiowych, przegubowych ramion robotów oraz systemów SCARA. Programowanie wygląda tak samo, jak w przypadku standardowych programów CNC, należy jednak opisać sześć osi. Osie X, Y i Z określają położenie w przestrzeni, a osie A, B i C określają orientację (np. kąty Eulera). W przyszłości będzie możliwe wykorzystanie innych języków programowania do opisu ruchów robota.

`` ACOPOSmotor`servo`drives`–`napęd`zintegrowany` z`silnikiem.`Modułowość`maszyny`w`napędach `` Znacząca`oszczędność`miejsca`w`szafie `` Moc`od`500`W`do`4`kW `` W`pełni`zintegrowana`technologia`bezpieczeństwa`SIL3` bazuje`na`openSAFETY:`STO,`SOS,`SS1,`SS2,`SLS,`SMS,` SLI`i`SDI `` Maksymalna`uniwersalność:`jedno`rozwiązanie`dla`CNC,` robotyki`i`kontroli`ruchu`

dr Gernot Bachler B&R Automatyka Przemysłowa Sp. z o.o. ul. Strzeszyńska 33, 60-479 Poznań tel. 61 846 05 00, fax 61 846 05 01 e-mail: office.pl@br-automation.com www.br-automation.com

REKLAMA

Fot. B&R Automatyka Przemysłowa

Więcej niż CNC

Perfection in Automation

www.br-automation.com

Temat numeru NAPĘDY I SILNIKI ELEKTRYCZNE

Dostawcy systemów napędowych zauważają rosnącą z roku na rok świadomość i znaczne zwiększenie potrzeb klientów w zakresie stosowania rozwiązań energooszczędnych. Nie bez znaczenia jest fakt wejścia w życie w połowie 2011 r. dyrektywy UE, nakazującej producentom silników wytwarzanie wyrobów zgodnie z nowymi standardami energooszczędności.

Optymalizacja i energooszczędność w produktach firmy NORD

Wprowadzanie stanu niedomagnesowania W celu rozwiązania tego problemu firma Nord opracowała dla swoich

30

Promocja

przetwornic częstotliwości algorytm sterowania, umożliwiający redukcję poboru przez silnik energii biernej. Polega on na wymuszeniu pracy silnika w stanie niedomagnesowania.

W typowym sterowaniu wektorowym wektor prądu Is jest złożony z dwóch składowych: Iq – proporcjonalnej do momentu obrotowego oraz Id – składowej odpowiedzialnej za magnesowanie silnika (rys. 1). Przy obciążeniu częściowym składowa Iq spada, ale magnesowanie silnika i tak musi pozostać niezmienione (rys. 2). Dzięki zaawansowanemu algorytmowi sterowania składową Id, przetwornice Nord wymuszają pracę w stanie niedomagnesowania, przez co spada wartość sumaryczna prądu wyjściowego przetwornicy.

Rozpoznanie stanu niedociążenia trwa około 7,5 s, ale powrót do pełnego namagnesowania w przypadku wzrostu obciążenia następuje już po 350 ms (rys. 3). Przekładając to na sprawność silnika, dochodzi do sytuacji, w której dla pracy silnika pod częściowym obciążeniem zyskujemy 5–20 proc. sprawności systemu. Inaczej mówiąc, zabieg ten pozwala uzyskać stan, w którym wielkość silnika jest adekwatna do jego aktualnego obciążenia, dzięki czemu użytkownik może zminimalizować koszty energii elektrycznej, potrzebnej do eksploatacji przewymiarowanych zespołów napędowych.

Warto wspomnieć, że stosowanie funkcji autodopasowania strumienia magnetycznego silnika to tylko jedna z wielu metod podnoszenia sprawności energetycznej systemu. Zwiększając

Funkcje energooszczędne – praca w stanie niedomagnesowania

Fot. Nord Napędy

Z punktu widzenia użytkownika niezwykle istotne jest kompleksowe podejście do energooszczędności, a więc wykorzystanie właściwości dostępnych rozwiązań technicznych, zarówno pod względem elektrycznym, jak i mechanicznym.

Firma Nord, wychodząc naprzeciw oczekiwaniom rynku, od wielu lat wzbogaca swoje wyroby elektroniczne w zakresie rozwiązań elektrycznych i w obszarze sterowania o funkcje przekładające się bezpośrednio na korzyści dla środowiska i na oszczędność kosztów zużywanej energii. Sprawność silników elektrycznych, niezależnie od klasy energooszczędności, znacząco się zmienia, zależnie od chwilowego stopnia obciążenia silnika. Silniki obciążone w mniej niż 50 proc. konsumują znaczne ilości energii biernej, przez co ich sprawność wyraźnie spada. Jednocześnie bywa jednak tak, że układy wentylacji, pompowe lub przenośnikowe, są dobierane w taki sposób, aby pracować w zakresie obciążeń minimalnych, by w razie konieczności zwiększyć swą wydajność. Skutkiem jest nadmierne zużycie energii przez większość czasu pracy takich systemów.

zakres częstotliwości regulacji do 87 Hz, przy wyższych częstotliwościach napięcia zasilającego silnik, można uzyskać dodatkowe 4 proc. sprawności.

Wynika to z właściwości silnika asynchronicznego, gdzie część strat silnika jest niezależna od częstotliwości. Możliwe jest również sprzęganie przetwornic, tak aby w sytuacji pracy generatorowej silnika energia przepływała między urządzeniami lub wracała do sieci.

Zintegrowane zespoły napędowe Optymalizacja kosztów zakupu i eksploatacji stworzyła również nowe podejście do techniki napędowej, objawiające się integracją zespołów napędowych z przetwornicami częstotliwości.

Rozwiązanie integrujące napęd i przetwornicę częstotliwości w jeden zespół napędowy staje się coraz bardziej pożądane, zarówno pod względem technicznym, jak i cenowym. Do tej kategorii należą produkty serii Nord SK 200E. Brak konieczności prowadzenia okablowania ekranowanego oraz sterowanie magistralowe, w połączeniu ze stop-

Wymiary nowej przetwornicy SK 180E

niem ochrony IP66 i zakresem temperatury pracy od –25 °C do +50 °C, stawiają produkty firmy Nord na czele wśród producentów przetwornic częstotliwości, wytwarzających tzw. rozwiązania zdecentralizowane. Jest to istotne szczególnie teraz, gdy rynek oczekuje rozwiązań, dzięki którym można poczynić duże oszczędności inwestycyjne oraz eksploatacyjne.

Sposoby zabudowy przetwornic na silnikach

Nowe przetwornice i softstarty Sukces rynkowy rodziny falowników Nord SK 200E, będących dobrym przykładem techniki zdecentralizowanej, zmotywował dział konstrukcyjny firmy do szybszego wdrożenia nowej przetwornicy częstotliwości SK 180E oraz softstartu SK 135E. Seria przetwornic częstotliwości SK 200E, o zakresie mocy 0,25–22 kW, jest już dobrze znana producentom maszyn i urządzeń. Firma Nord, badając potrzeby klientów, zauważyła, iż częste zastosowania układów zdecentralizowanych w zakresie do 2,2 kW, to proste układy transportowe i urządzenia mobilne. Niekoniecznie wymaga się wtedy od falownika obsługi hamulca silnika, wejścia enkoderowego ani trybów serwo lub Posicon. Nie zawsze potrzebna jest też regulacja prędkości – czasami wystarczy miękki rozruch i zatrzymanie napędu.

Dzięki pracom zespołu Nord sukcesem zakończyła się faza wdrożeniowa i na początkiem 2014 r. w ofercie firmy pojawiły się dwa nowe wyroby: SK 180E, czyli uproszczona i tańsza

odmiana SK 200E oraz SK 135E – dwukierunkowy programowalny softstart zintegrowany z silnikiem.

SK 180E Podstawowe cechy napędu SK 180E: • obsługa wszystkich powszechnie stosowanych funkcji napędu, • prąd upływowy <16 mA, • praca samodzielna (wbudowany zasilacz 24 V), • trzy wejścia cyfrowe i dwa wyjścia cyfrowe, • dwa wejścia analogowe, które można stosować jako „wyspę” dla czujników, • funkcja oszczędzania energii, • dostępne dodatkowe moduły rozszerzeń I/O, • opcjonalna wersja ATEX 3D, • praca lokalna lub sieciowa – w sieciach szeregowych i ethernetowych.

SK 135E Podstawowe cechy softstartu SK 135E: • dwie wielkości: do 3,0 kW oraz do 7,5 kW, • regulacja funkcji za pomocą przełączników DIP i potencjometrów, • praca dwukierunkowa, • automatyczna detekcja kolejności faz, • zabezpieczenie termiczne silnika, • komunikacja RS-232, • dostępne dodatkowe moduły rozszerzeń.

Jarosław Nowak

Fot. Nord Napędy

NORD Napędy sp. z o.o. ul. Krakowska 58, 32-020 Wieliczka tel. 12 288 99 00, fax 12 288 99 11 www.nord.pl Rodzina wyrobów zdecentralizowanych NORD

Pomiary Automatyka Robotyka nr 4/2014

31

Temat numeru NAPĘDY I SILNIKI ELEKTRYCZNE

Na Wydziale Mechanicznym Technologicznym Politechniki Śląskiej w lutym 2014 r. została uruchomiona nowa specjalność na kierunku Mechatronika. Nosi ona nazwę „Aplikacje napędowe” i została utworzona pod patronatem

Napędzamy wiedzę Współpraca SEW-EURODRIVE z Politechniką Śląską

Wzajemna umowa o współpracy między firmą SEW-Eurodrive i Wydziałem Mechanicznym Technologicznym umożliwiła powstanie na terenie uczelni laboratorium, które przeznaczone jest do nauki nowych technologii, związanych z napędami i sterowaniem. Współpraca pozwala dodatkowo na przeprowadzenie zajęć praktycznych dla studentów w nowoczesnym Centrum Techniczno-Szkoleniowym SEW-Eurodrive w Tychach.

Motywacja Powstanie specjalności „Aplikacje napędowe” to odpowiedź na zapotrzebowanie przemysłu na wykwalifikowanych specjalistów, którzy nie tylko świetnie znają teorię, ale równie sprawnie poruszają się w świecie realnych urządzeń. To przygotowanie specjalistów, którzy znają aplikacje napędowe i mają umiejętność rozwiązywania problemów.

Połączenie nauki z przemysłem ma wymierne korzyści zarówno dla studentów, jak i dla firm. Pracodawcy – kadra zarządzająca dużymi firmami produkcyjnymi – potwierdzają duże zapotrzebowanie na specjalistów–praktyków

32

Promocja

i podkreślają, że jest to szansa, aby absolwenci uczelni technicznych zdobyli praktyczną wiedzę i wchodzili na rynek pracy od razu z wykształceniem przystosowanym do konkretnych wymagań rynku.

Zajęcia W ramach specjalności „Aplikacje napędowe” na kierunku Mechatronika studenci zapoznają się z projektowaniem, uruchamianiem i diagnostyką kompletnych aplikacji napędowych, w tym wind, stołów rolkowych, przenośników bądź systemów bezkontaktowego przekazywania energii, a także serwonapędów. Nauka w połączeniu z praktyką obejmować będzie programowanie i parametryzację przetwornic częstotliwości

i sterowników, a także posługiwanie się przemysłowymi sieciami komunikacyjnymi oraz montaż silników i motoreduktorów. Program zajęć prowadzonych w ramach nowej specjalności został od podstaw opracowany przez pracowników Instytutu Automatyzacji Procesów Technologicznych i Zintegrowanych Systemów Wytwarzania, wspólnie z ekspertami z firmy SEW-Eurodrive.

– Jestem przekonany, że potencjał naukowy i dydaktyczny zarówno profesorów, jak i adiunktów wydziału, połączony z praktyczną wiedzą i doświadczeniem inżynierów aplikacyjnych naszego partnera sprawią, że absolwenci nowej specjalności będą w niedalekiej przyszłości ekspertami w zakresie typowych we współczesnym przemyśle, mechatronicznych aplikacji napędowych oraz systemów ich sterowania i diagnostyki. Już dziś przekazane przez spółkę sprzęt laboratoryjny, oprogramowanie oraz know-how znakomicie służą studentom mechatroniki naszego wydziału. Z drugiej strony nasi absolwenci to cenny kapitał ludzki spółki, która od wielu lat jest ważnym partnerem przemysłowym naszego wydziału w obszarze mechatroniki – podkreśla

Fot. SEW-Eurodrive

firmy SEW-Eurodrive.

Fot. SEW-Eurodrive

prof. Jerzy Świder, dyrektor Instytutu Automatyzacji Procesów Technologicznych i Zintegrowanych Systemów Wytwarzania.

Potwierdza to Stanisław Nawracaj, dyrektor ds. techniczno-handlowych SEW-Eurodrive, który bardzo wysoko ocenia kwalifikacje absolwentów uczelni: – Szeregi naszej firmy regularnie zasilają absolwenci Politechniki Śląskiej i nigdy się na nich nie zawiedliśmy. Liczymy na to, że nasza współpraca z uczelnią w ramach nowej specjalności będzie istotnym krokiem w kierunku dynamicznego adaptowania programów edukacyjnych do wymogów przemysłu.

Współczesny przemysł i rynek pracy nie oferują już czasu na zbieranie doświadczeń zawodowych dla absolwentów dopiero po zatrudnieniu. Tymi kompetencjami trzeba dysponować już w chwili ukończenia studiów.

Korzyści płynące ze współpracy nauki z przemysłem podkreślają również absolwenci Politechniki Śląskiej. – Studia na Wydziale Mechanicznym Technologicznym pozwoliły mi zapoznać się ze sprzętem i standardami stosowanymi REKLAMA

w przemyśle. Zajęcia w laboratoriach wyposażonych w maszyny stosowane w przemyśle, podobnie jak liczne wycieczki do zakładów przemysłowych, dają dobry wstęp do codziennej pracy zawodowej – mówi inż. Witold Lisiecki, absolwent Politechniki Śląskiej i specjalista ds. aplikacji w Centrum Techniczno-Szkoleniowym SEW-Eurodrive w Tychach.

– Znajomość sprzętu i jego zastosowań, zdobyta podczas studiów i później w pracy programisty, to tylko część potrzebnych umiejętności. To dzięki przygotowaniu przez doskonałą kadrę dydaktyczną mogę dziś swobodnie łączyć aspekty praktyczne i teoretyczne problemów rozwiązywanych w codziennej pracy – przyznaje mgr inż. Szymon Gąsiorczyk, absolwent Wydziału Mechanicznego Technologicznego, pracujący obecnie w centrali spółki w Niemczech.

Jest inżynierem wsparcia technicznego, który na co dzień tworzy oprogramowanie sterujące oraz nadzoruje uruchomienia systemów transportu wewnętrznego.

Dodatkowym atutem utworzenia specjalności i w pełni profesjonalnego

laboratorium jest fakt, że studenci nowej specjalności będą kierowani na praktyki i staże przemysłowe w firmie SEW-Eurodrive.

SEW-EURODRIVE Polska Sp. z o.o.

Centrum Techniczno-Szkoleniowe ul. Strzelecka 66, 43-109 Tychy tel. 32 323 26 10 e-mail: szkolenia@sew-eurodrive.pl www.sew-szkolenia.pl

Temat numeru NAPĘDY I SILNIKI ELEKTRYCZNE

Częstym zastosowaniem napędów są różnego rodzaju windy, podnośniki i eskalatory. Aplikacje te mają wiele wspólnych cech, w związku z czym stosowanym w nich napędom stawia się zbliżone wymagania.

W artykule opisano, jakie systemy napędowe najlepiej sprawdzają się w takich wdrożeniach.

i zbiornik oleju do siłowników umieszczane są na dnie szybu.

Ulokowanie napędów bezpośrednio w szybie windy ma dalsze konsekwencje, bo generowany przez nie hałas roznosi się na całej wysokości budynku.

Z tego względu windy bez maszynowni są głośniejsze. Aby nie stanowiło to zbyt dużego problemu, ważne jest, by wybrany napęd był jak najcichszy.

Jedną z funkcji pomocnych w uzyskaniu cichej pracy jest zastosowanie automatycznej regulacji obrotów wentylatora chłodzącego, który pracuje z większymi obrotami tylko wtedy, gdy wzrośnie temperatura przetwornicy, a jednocześnie dobrze chroni ją przed przegrzaniem.

Algorytmy pracy

Fot. 1. Przeznaczone do wind napędy Emerson Unidrive SP

Systemy wind i podnośników, choć mogą wydawać się identyczne, działają na różnych zasadach. W klasycznych windach stosowane są dwa podstawowe rodzaje napędu kabiny: hydrauliczne i elektryczne. W przypadku wind hydraulicznych, silnik elektryczny używany jest do napędzania pompy, która pompuje olej do podnośników, unosząc w ten sposób kabinę. Opadanie kabiny realizowane jest wyłącznie przez regulację otworu odpływu oleju z siłowników i nie wymaga pracy napędu. Rola napędu elektrycznego jest w takiej instalacji ograniczona, a wpływ jego parametrów pracy nie jest tak duży, jak w przypadku wind napędzanych w pełni elektrycznie.

Podstawowe parametry Ze względu na sposób działania i budowę wind możliwe jest określenie parametrów i funkcji napędów, które predestynują je do zastosowań w podnośnikach tego typu. Oprócz tak oczywistych cech, jak wysoka sprawność oraz

34

odpowiednie moc i moment siły, istotne są też m.in. wymiary napędu, jego oprogramowanie, wbudowane funkcje bezpieczeństwa, głośność pracy i dostępne algorytmy sterowania.

Wymiary napędu są o tyle istotne, że musi on zmieścić się w maszynowni, a coraz częściej nawet w znacznie mniejszej przestrzeni, ponieważ stosowanie pełnowymiarowych maszynowni jest problematyczne ze względu na cenną przestrzeń budynku oraz uwarunkowania architektoniczne. Dlatego całe systemy napędowe wind w pełni elektrycznych montuje się najczęściej w wąskiej przestrzeni u samej góry szybu windowego, tak aby możliwe było dokonanie prac serwisowych z dachu kabiny, po zatrzymaniu windy na przedostatnim piętrze. Alternatywnie napęd można umieścić także na dnie szybu, przy czym to rozwiązanie również nie jest wygodne i nadal ważne jest, by zastosowane urządzenia miały niewielkie gabaryty. Oczywiście w przypadku wind z napędem hydraulicznym pompy

Wielu producentów na potrzeby podnośników opracowało bogate oprogramowanie dla swoich napędów, które umożliwia szybkie wdrożenie urządzeń. Przykładowo, oprócz możliwości łatwego określenia szybkości ruchu, pojawia się też wybór dopuszczalnych przyspieszeń oraz profili ruchu. W omawianych aplikacjach praktycznie nigdy nie stosuje się natychmiastowych przyspieszeń do docelowej prędkości. Zamiast tego napęd stopniowo przyspiesza, a następnie zwalnia unoszenie lub opuszczanie kabiny czy podnośnika. Co więcej, oprócz symetrycznego rozkładu czasu na przyspieszanie i zwalnianie, popularne jest użycie profilu prędkości określanego mianem „creep-to-floor”, który polega na tym, że winda względnie szybko przyspiesza, ale gdy ma się zatrzymać, najpierw zwalnia do niedużej prędkości pośredniej, z którą jeszcze przez chwilę się porusza i dopiero później zwalnia aż do całkowitego zatrzymania. Pozwala to uniknąć zaskoczenia pasażerów zbyt nagłym zatrzymaniem windy oraz ułatwia jej poprawne wypozycjonowanie względem piętra. W bardziej zaawansowanych napędach możliwe jest określenie, który profil ruchu ma być stosowany, w zależności od planowanej długości przejazdu oraz swobodne określenie obu prędkości ruchu (zarówno podstawowej, jak i pośredniej). Przydatne jest też, jeśli przy

Fot. Emerson

Napędy w windach i podnośnikach

wprowadzaniu ustawień napędu można posługiwać się od razu jednostkami stosowanymi w odniesieniu do wind i podnośników.

podczas monitorowania pozycji dźwigu.

Pomaga to zredukować drgania, oscylacje i szarpnięcia. Nierzadko jednak podnośniki pracują bezczujnikowo, tj. bez sprzężenia zwrotnego.

Fot. Emerson

Dodatkowe funkcje Najbardziej zaawansowane napędy windowe będą jednak działać w powiązaniu ze złożonymi sterownikami, które ustalają parametry ruchu dynamicznie, m.in. w oparciu o aktualne obciążenie, natężenie ruchu (liczbę pasażerów windy w jednostce czasu), a nawet o numery pięter, na których winda ma się zatrzymać, a które to pasażerowie wskazują jeszcze przed wejściem do kabiny.

Niektóre z napędów pozwalają na bezpośrednie podłączenie do nich styczników i hamulców, co ułatwia instalację i zmniejsza jej całkowite koszty, jeśli nie korzysta się z najbardziej zaawansowanych sterowników.

Dla zwiększenia komfortu pracy windy ważne jest, by przetwornica miała wysoką częstotliwość kluczowania na wyjściu (np. 16 kHz) i obsługiwała enkodery o wysokiej rozdzielczości

Bezpieczeństwo Windy, szczególnie te osobowe, wyposażane są też w szereg mechanizmów bezpieczeństwa, które mogą być realizowane częściowo przez ich napęd.

Przede wszystkim konieczna jest możliwość zatrzymania dźwigu w dowolnej chwili i utrzymywania go nieruchomo w zadanej pozycji. Ważne jest też, by winda reagowała na wszelkiego rodzaju zagrożenia, takie jak przeciążenie, przegrzanie, zbyt duży wzrost szybkości ruchu, czy nawet trzęsienia ziemi, które mogą spowodować uderzenie przeciwwagi o kabinę. Dlatego korzystne jest wybieranie takich napędów, które pozwalają na podłączenie stosownych czujników, wykrywających wszystkie wymienione zdarzenia.

W windach zamontowanych w budynkach korzysta się też z trybu pracy

awaryjnej, uruchamianego w momencie wystąpienia zagrożenia lub konieczności ewakuacji ludzi. Przykładem może być pożar budynku, który często wiąże się z odcięciem zasilania. Aby uniknąć uwięzienia pasażerów w windzie, nawet gdy brakuje prądu sieciowego, napędy windowe podłączane są do akumulatorów, które pozwalają przynajmniej na samodzielne dojechanie windy do najbliższego piętra i otwarcie drzwi, tak by pasażerowie mogli z niej swobodnie wysiąść i udać się do wyjść ewakuacyjnych.

Oszczędzanie energii Bardzo ważnym parametrem we współczesnym świecie jest sprawność urządzeń elektrycznych i możliwość oszczędzania zużycia energii. Najczęściej instalacje energooszczędne są droższe we wdrożeniu niż te, które charakteryzują się większym zużyciem prądu.

W przypadku podnośników stosuje się kilka zabiegów, które pozwalają zminimalizować koszty instalacji lub zaoszczędzić energię. Przykładowo niektóre

REKLAMA

Pomiary Automatyka Robotyka nr 4/2014

35

MAKING MODERN LIVING POSSIBLE

Bądź innowacyjny w automatyce napędowej, zaufaj ekspertom Danfoss i produktom marki VLT® AutomationDrive Przetwornica częstotliwości VLT® to efektywny i oszczędny układ sterowania napędem elektrycznym.

VLT® to najlepsza kontrola silnika elektrycznego maszyny w każdym obszarze zastosowań. Danfoss Drives jest światowym liderem w produkcji elektronicznie regulowanych napędów, a nasi eksperci służą Klientom fachowym doradztwem w ponad 100 krajach.

Odzyskiwanie energii

to rok w historii kiedy Danfoss, jako pierwsza firma na świecie, rozpoczął masową produkcję przetwornic częstotliwości o nazwie VLT®

THE REAL DRIVE

REKLAMA

www.danfoss.pl/napedy

Danfoss Poland Sp. z o.o.

36 tel. (22) 755 06 68

e-mail: vlt@danfoss.pl

Rozważając możliwość zaoszczędzenia energii podczas pracy podnośników należy wziąć pod uwagę przede wszystkim specyfikę ich pracy. W przypadku wind z siłownikami pneumatycznymi energia z sieci pobierana jest tylko wtedy, gdy winda jest podnoszona.

Opadanie windy nie wymaga zasilania napędu, ale też nie daje zbyt dużych możliwości odzyskiwania energii.

Inaczej sytuacja wygląda w przypadku wind z napędami w pełni elektrycznymi. Wtedy do wind podczepia się przeciwwagi, które sprawiają, że winda wypełniona w połowie będzie mogła swobodnie wisieć bez opadania ani unoszenia się. Oznacza to zarazem, że winda pusta lub wypełniona tylko częściowo będzie samoczynnie się unosiła, a winda pełna będzie opadała. Pociąga to za sobą konieczność zasilania windy jedynie wtedy, gdy jest wypełniona w ponad połowie i ma poruszać się w górę, lub gdy załaduje się do niej masę mniejszą niż połowa dopuszczalnej i winda ma się poruszać w dół. W odwrotnych sytuacjach samoczynny ruch windy, którego szybkość trzeba kontrolować, może zostać wykorzystany do odzyskiwania energii. W tym celu stosuje się przemienniki częstotliwości z funkcją zwrotu energii do sieci elektrycznej.

Urządzenia tego typu są znacznie bardziej kosztowne niż modele niewyposażone w tę funkcję, toteż sens ich instalacji trzeba dokładnie rozważyć.

O ile energia zużywana na pracę windy może wynosić nawet kilkanaście procent energii potrzebnej do działania budynku, o tyle w praktyce korzyści z wyboru

Fot. 2. Przeznaczony do wind napęd prądu przemiennego INVT Discovery EC100

napędów ze zwrotem energii do sieci zaczynają przewyższać koszty wdrożenia po kilku latach tylko w większych budynkach, gdzie pracują szybkie windy.

Rynek wind Polski rynek wind i podnośników niewątpliwie stale się rozwija, co wynika z faktu, że są one stosowane nie tylko w przemyśle, ale i w budownictwie.

Nowo powstające budynki, nawet te kilkupiętrowe, coraz częściej wyposażane są w windy, a jednocześnie rośnie liczba nowoczesnych biurowców, które bez wind nie mogłyby funkcjonować.

Trzeba także uwzględnić modernizacje.

Typowy „czas życia” windy szacuje się na około 20–30 lat i trudno go znacznie wydłużyć, nawet za pomocą regularnej, zaawansowanej konserwacji. Po 30 latach winda wymaga gruntownego przeglądu, który w praktyce najczęściej kończy się wymianą niemal wszystkich elementów dźwigu, łącznie z kabiną, linami i układem napędowym. Jest to o tyle opłacalne, że nowe instalacje są znacznie bardziej energooszczędne, a do tego bezpieczniejsze niż te starsze.

Liczba modernizacji w ostatnich latach rośnie i właśnie nadszedł okres, gdy wymianie podlegają napędy wind montowanych pod koniec lat 70. i na początku 80., kiedy to budowano wiele osiedli z wysokimi blokami z wielkiej płyty. Wskutek tego zapotrzebowanie na napędy do wind oraz powiązane z nimi komponenty nie spada i można przewidywać, że trend ten utrzyma się jeszcze przez wiele lat.

Andrzej Barciński PAR

Fot. INVT Electric

silniki łączy się z przekładniami, które pozwalają za pomocą tańszego, mniejszego napędu odpowiednio szybko poruszać podnoszonym obiektem. Niestety, takie podejście związane jest najczęściej z większymi stratami energii, które wydzielają się m.in. właśnie na przekładniach. Ponadto przekładnie wymagają dodatkowego serwisowania, co w konsekwencji również zwiększa koszty operacyjne. Problemem jest też generowany hałas. Przekładnie śrubowe, które cechują się lepszą sprawnością niż ślimakowe, są dosyć głośne w działaniu i mniej tłumią drgania. Trzeba też pamiętać, że reduktory ograniczają w praktyce maksymalną szybkość ruchu windy, dlatego w długich szybach najlepiej sprawdzają się odpowiednio duże instalacje bezprzekładniowe.

MIÊDZYNARODOWE ENERGETYCZNE TARGI BIELSKIE BIELSKO-BIA£A INTERNATIONAL POWER INDUSTRY FAIR

ENERGETAB

16 - 18 wrzeœnia / September 2014

Aplikacje regulowane napędy elektryczne

Sterownik synchronizacji DANFOSS MCO 350 Zwiększona żywotność suwnic dzięki synchronizacji napędów jazdy

Firma Danfoss należy do liderów branży napędowej, a nazwa VLT od lat określa produkty o najlepszych parametrach technicznych.

W artykule zaprezentowano jedno z wdrożeń firmy Wrzosel z Torunia,

Fot. Wrzosel

która współpracuje ze spółką Danfoss od ponad 10 lat.

Firma Wrzosel zapewnia kompleksową obsługę klientów – od projektu systemu, po jego realizację, uruchomienie i serwis. Aplikacja napędowa opisana w tym artykule została wdrożona u największego producenta wyrobów z betonu komórkowego w Polsce.

Sytuacja w zakładzie produkcji betonu Technologia produkcji i magazynowania oraz załadunek wyrobów gotowych wymagają ciągłego przenoszenia dużych ciężarów. W halach produkcyjnych i magazynowych zamontowane są suwnice pomostowe dwudźwigarowe. Problemy techniczne, związane z wysokimi wymaganiami dla przemienników stosowanych w napędach podnoszenia suwnicy, zostały pokonane w pierwszej kolejności. Dla napędu jazdy suwnicy przyjęto rozwiązanie cieszące się powszechnym uznaniem, jako prostsze technicznie.

Kilka napędów, jeden pomost Ze względu na szerokość pomostu stosuje się dwa lub cztery silniki jazdy suwnicy, symetrycznie napędzające obie strony. W tym przypadku użyto dwóch silników asynchronicznych o parametrach 7,5 kW, 400 V AC, 1483 obr./min.

Powszechnie spotykanym rozwiązaniem jest zastosowanie przemiennika częstotliwości zasilającego równolegle połączone silniki. Przemiennik umożliwia regulację prędkości, łagodny start napędu i hamowanie. Stosuje się także rozwiązanie wykorzystujące dwa lub cztery przemienniki zasilające po jednym silniku. Dzięki temu możliwa jest dokładniejsza kontrola przemiennika nad silnikiem.

Wspólna wada tych rozwiązań ujawnia się wtedy, gdy następuje stosunkowo duże zużycie torowiska i kół suwnicy (występuje też tendencja pogłębiania się zużycia mechanicznego suwnicy).

Przyczyna tkwi w zasadzie działania silnika asynchronicznego. Prędkość obrotowa silnika jest zależna od chwilowego poślizgu silnika, a ten z kolei zależy od obciążenia. Jeśli jeden z silników jest w danym momencie bardziej

Modernizacja sterowania silnikami elektrycznymi napędów suwnic została wdrożona u największego producenta wyrobów z betonu komórkowego w Polsce

38

Promocja

obciążony, np. kiedy wózek z transportowanym towarem znajduje się bliżej jednego z silników, jego prędkość obrotowa jest nieznacznie mniejsza niż drugiego. Różnica prędkości powoduje, że pomost zjeżdża w jedną stronę do momentu, kiedy wewnętrzne części kół zaczną opierać się o torowisko.

Efekt ten, nazywany „ukosowaniem”, powoduje tarcie wewnętrznych części kół o torowisko, a w konsekwencji ich zużycie.

Eliminacja ukosowania Firma Wrzosel, wspólnie z kadrą techniczną zakładu produkcyjnego, podjęła próbę eliminacji tego niekorzystnego zjawiska.

Założono, że jeśli obie strony suwnicy będą przesuwały się tak samo, to koła pomostu nie „oprą” się o torowisko. Rozwiązanie polega na synchronizacji położenia kół z obu stron suwnicy, z wykorzystaniem dwóch przetwornic częstotliwości Danfoss VLT FC300 7,5 kW. Jeden z napędów został wyposażony w dedykowany sterownik synchronizacji ruchu MCO350 firmy Danfoss. Na wałkach obu silników zainstalowano enkodery inkrementalne i podłączone do sterownika MCO350.

Przemiennik bez sterownika synchronizacji pełni rolę napędu nadrzędnego (master) i jest sterowany sygnałami binarnymi oraz analogowymi, podobnie jak pojedynczy przemiennik często-

tliwości. Sterownik synchronizacji za pomocą enkoderów odczytuje pozycje obu silników i steruje przemiennikiem slave tak, aby jego położenie było zsynchronizowane z masterem.

Próby ruchowe wykazały, że sterownik MCO350 spełnia swoje zadanie i obie strony suwnicy przesuwają się identycznie. Różnica przejechanej drogi dla obu stron była nie większa niż 1 cm, a wewnętrzne krawędzie kół przestały ocierać się o torowisko i przez większość czasu jechały środkiem.

Fot. Wrzosel

Ograniczenia Zastosowanie tego rodzaju napędu ma jednak pewne wymagania. Dokładność synchronizacji zależy od dokładności wykonania elementów mechanicznych suwnicy. Przełożenia napędu muszą być identyczne, gdyż różnica w średnicy kół zakłóci pracę sterownika. Ważne jest, aby przed zastosowaniem tego rozwiązania stan mechaniczny suwnicy był bez zastrzeżeń.

Standardowy napęd Automation Drive może zostać wyposażony w moduły obsługujące tryby pracy wymagane w specjalnych aplikacjach, np. sterowniki ruchu VLT Motion Control MCO 3xx

zastosowanie regulowanego napędu jazdy suwnicy ze względu na poprawę techniki i dokładności poruszania się suwnicy. Dla nowych suwnic oraz wyremontowanych pod względem mechaniki warto stosować precyzyjne sterowanie jazdą suwnicy np. takie, jak opisano w tym artykule.

Szczegółowe informacje dotyczące przetwornic częstotliwości i innych produktów VLT oferty Danfoss Drives można znaleźć na stronie internetowej www. danfoss.pl/napedy.

Jakub Polichnowski WRZOSEL Sp. z o.o. Sp. k. ul. Maszynowa 19, 87-100 Toruń

Podsumowanie

tel. 56 652 84 00, 652 84 01

Podsumowując trzeba podkreślić, że zastosowanie sterownika synchronizacji w napędzie suwnicy jest opłacalne.

Stosunkowo niewielki koszt inwestycji szybko się zwraca dzięki zmniejszeniu kosztów eksploatacji. Opłacalne jest

fax 56 652 84 02 e-mail: wrzoselwrzosel.pl www.wrzosel.com.pl Danfoss VLT Drives Partner www.danfoss.pl/napedy

REKLAMA

Rozkładamy na części pierwsz

e

Pomiary Automatyka Robotyka nr 4/2014

www.AutomatykaOnline.pl

39

Rozmowa PAR

Wywiad z Markiem Marciniakiem, prezesem SEW-Eurodrive Polska.

Firma SEW-Eurodrive jest postrzegana jako firma „szyjąca produkty na miarę”. Oferujecie Państwo bogatą gamę układów napędowych, stawiając przede wszystkim na rozwiązania modułowe, przygotowane ściśle pod potrzeby klientów. Dzięki takiemu podejściu firma jest dziś liderem rynku tech-

40

niki napędowej. Jakie wartości niesie za sobą ta pozycja na rynku?

Ruch jest dla nas siłą napędową od ponad 80 lat. Nasza siła wynika z wieloletniego doświadczenia w zakresie projektowania i budowy systemów napędowych. SEW-Eurodrive Polska jest oddziałem największego na świecie pro-

W jakich gałęziach przemysłu i w jakich miejscach najczęściej znajdują zastosowanie rozwiązania SEW-Eurodrive?

Właściwy napęd zapewnia realizację dobrych pomysłów. Produkty i systemy firmy SEW-Eurodrive znajdują zastosowanie na całym świecie, w takich branżach jak: przemysł motoryzacyjny,

Fot. SEW-Eurodrive

Nasza siła tkwi w doświadczeniu

ducenta systemów napędowych, między innymi motoreduktorów, przekładni, falowników. Polski odział firmy, z siedzibą oraz zakładem montażowym zlokalizowanymi w Łodzi, powstał w 1996 roku. Dynamiczny rozwój pozwolił na stworzenie kilku biur technicznych – w Tychach, Poznaniu, Bydgoszczy, Radomiu oraz Rzeszowie. Dzięki temu jesteśmy bliżej klientów. Każdy projekt realizujemy zgodnie z najwyższymi standardami. Potwierdza to budowa nowoczesnego budynku siedziby firmy, wdrożenie systemu zarządzania relacjami z klientami SAP CRM oraz modernizacja i optymalizacja procesów montażu – WIEPROconsulting.

Zmiany towarzyszą nam każdego dnia. Inwestujemy w rozwój ośrodków szkoleniowych dla inżynierów, pracowników, studentów wyższych uczelni technicznych oraz optymalizację procesów biznesowych.

Firma SEW-Eurodrive jest obecna w 46 krajach. Gwarantuje to krótkie i pewne terminy dostaw zmontowanych systemów napędowych, zaprojektowanych zgodnie z wymaganiami lokalnego rynku.

Zapewnia to również jednolite standardy jakości oraz korzyści z globalnej wymiany doświadczeń. Potrafimy sprostać wyzwaniom stawianym przez różne branże przemysłu.

Produkty muszą być dostosowane do wymagań. Myślenie w kategoriach szukania najlepszych rozwiązań oznacza łączenie poszczególnych modułów tak, aby usprawnić konkretne zastosowanie.

Nasze indywidualne i efektywne rozwiązania z zakresu automatyki przemysłowej są budowane na systemach modułowych, które są łączone w miliony różnych wariantów napędowych. Działania opieramy na dialogu z klientami.

W oparciu o te spostrzeżenia oraz nasze doświadczenie pogłębiamy naszą wiedzę z najróżniejszych gałęzi przemysłu i ustanawiamy nowe standardy na rynku – standardy, które pomagają naszym klientom w szybkiej adaptacji w nowych obszarach działalności.

budowlany i materiałów budowlanych, produkcji napojów, żywności i dóbr konsumpcyjnych, przetwórstwa metali lub drewna, transport i logistyka, systemy obsługi w portach i na lotniskach i w wielu innych. Wybór techniki napędowej „made by SEW-Eurodrive” jest gwarancją niezawodności i bezpieczeństwa inwestycji.

Dostarczanie gotowych rozwiązań, nie zaś jedynie komponentów, nie jest konwencjonalnym podejściem. Skąd wziął się pomysł na rozwijanie działalności właśnie w ten sposób?

Modułowa koncepcja umożliwia praktycznie nieograniczoną liczbę wariantów konstrukcyjnych, co pozwala na dobór optymalnego napędu do każde-

W ostatnich latach widoczna była postępująca decentralizacja układów napędowych. Jakie korzyści dla odbiorców niosą ze sobą takie rozwiązania?

Komponenty z zakresu zdecentralizowanych systemów napędowych, które oferuje także nasza firma, mogą być instalowane poza szafą sterowniczą.

Spełniają one trzy najważniejsze kryteria dotyczące zastosowania w zautomatyzowanych aplikacjach: są modułowe, elastyczne i ekonomiczne. Widoczną zaletą jest możliwość znacznego obniżenia kosztów, związanych z bardzo czasochłonną instalacją okablowania do silników, czujników i urządzeń wykonawczych.

Zdecentralizowane systemy napędowe pozwalają w istotny sposób

Fot. SEW-Eurodrive

Zoptymalizowana logistyka zamawiania i dostarczania produktu zapewnia płynną realizację dostaw, co jest często kluczowym czynnikiem przy instalacji systemów.

go zastosowania. Specjalizujemy się w technice napędowej – oferujemy motoreduktory i falowniki z inteligentnym obwodem pośredniczącym DC lub opcjonalnym modułem odzysku i zwrotu energii do sieci zasilającej. Komponenty elektroniczne rozszerzają możliwości motoreduktorów, tworząc kombinację, która jest doskonałym uzupełnieniem dostępnej gamy systemów napędowych SEW-Eurodrive.

Do systemu modułowego zaliczają się również silniki DR, które spełniają wymagania dla klas sprawności IE2, IE3 i IE4 oraz zdecentralizowane systemy napędowe – energooszczędne sterowniki, takie jak Movifit lub Movipro.

Kolejne elementy systemu modułowego to systemy napędowe serwo, jak wieloosiowy falownik serwo Moviaxis, który cechuje duża dynamika pracy, wysoka elastyczność i niskie koszty eksploatacji. Dzięki swoim cechom systemy napędowe serwo stanowią optymalne rozwiązanie dla zastosowań wymagających równowagi między mocą a dokładnością.

zmniejszyć ilość przestrzeni wymaganej w szafie sterowniczej i są zgodne z wszystkimi dostępnymi na rynku systemami sieci przemysłowych.

W jakim kierunku Pana zdaniem będzie szedł rozwój techniki napędowej w najbliższych latach?

Mechatroniczne systemy napędowe, jak produkt Movigear naszej firmy, łączą w sobie aktualne trendy technologiczne. Przyszłością są systemy, które oferują całkowicie nowe możliwości funkcjonalne i konstrukcyjne – połączenie techniki napędowej, składającej się z motoreduktorów, elektroniki napędowej oraz opcji sterowania. Integracja oraz wzajemne dopasowanie wszystkich komponentów napędu skutkuje niezawodną i długą żywotnością oraz łatwością instalacji. W połączeniu z funkcjonalnym oprogramowaniem oraz możliwością pracy w sieci, zadania napędowe powinny być rozwiązywane w najprostszy możliwy sposób, co umożliwia obniżenie kosztów instalacji i rozruchu systemu. Napędowe systemy

przyszłości charakteryzują się bardzo wysoką sprawnością całkowitą, co wpływa na znaczne obniżenie kosztów energii. Oprócz zwiększenia wydajności i redukcji kosztów, coraz większą rolę przy opracowywaniu nowoczesnych maszyn i urządzeń odgrywa otoczenie urządzenia. Niezmiernie ważną kwestią stała się realizacja stanowisk roboczych o wysokiej jakości. Istotna jest ponadto realizacja całkowicie nowych koncepcji urządzeń dzięki wykorzystaniu technologii zasilania elektrycznego i transmisji danych jednym kablem standardowym. Technologia SNI (ang. Single Line Network Installation) znacznie ułatwia czynności montażowe i upraszcza okablowanie, co zapewnia przejrzystość linii przewodów podczas wykonywania prac serwisowych i konserwacyjnych.

Instalacja typu Single Line Network jest ponadto prawdziwą instalacją sieciową – umożliwia wykonywanie czynności diagnostycznych za pośrednictwem dowolnego znajdującego się w firmie komputera z dostępem do sieci, a nawet za pomocą komputera z dostępem do Internetu w dowolnym miejscu na świecie. Diagnoza zdalna odbywa się wówczas przy użyciu swobodnie definiowalnych poziomów dostępu określanych za pomocą oprogramowania diagnostycznego i parametryzującego.

Jednym z ważniejszych parametrów dla przemysłu jest obecnie energooszczędność. Jak Państwa firma odpowiada na te potrzeby?

Dla wielu przedsiębiorstw dokładne określenie potencjalnych oszczędności energii podczas realizacji działań operacyjnych nie jest po prostu możliwe. Oczywiste miejsca zużycia energii, takie jak maszyny i urządzenia produkcyjne, są monitorowane i optymalizowane. Jednak odnalezienie „ukrytych” konsumentów energii, obliczenie ich potencjału oszczędności oraz opracowanie alternatywnych rozwiązań jest znacznie bardziej skomplikowane i zawsze wymaga wiele czasu i wysiłku.

SEW-Eurodrive oferuje kompleksowy zestaw narzędzi, które wchodzą w skład energooszczędnych rozwiązań effiDRIVE. Narzędzia te są łatwo dostępne dla każdego. Na stronie www. sew-energooszczednosc.pl można przykładowo znaleźć wszelkie informacje dotyczące efektywności energetycznej, jak również całkowicie bezpłatny kalkulator oszczędności energii. Narzędzie to pozwala obliczyć potencjalne oszczędności energii w przypadku zastosowa-

Pomiary Automatyka Robotyka nr 4/2014

41

Rozmowa PAR

nia energooszczędnych silników. Za pomocą jednego kliknięcia można porównać zużycie energii przez silniki standardowe i silniki energooszczędne oraz obliczyć czas amortyzacji inwestycji.

Analiza zużycia energii to nowa funkcja oprogramowania narzędziowego SEW Workbench do projektowania i konfiguracji systemów, która umożliwia dokładne obliczenie i udokumentowanie potencjalnych oszczędności energii dzięki użyciu energooszczędnych rozwiązań effiDRIVE. Nowatorskim rozwiązaniem proponowanym przez SEW-Eurodrive są skalowalne pakiety aplikacyjne. Na czym dokładnie polega koncepcja Variolution?

Variolution to kompletne, predefiniowane rozwiązania, które oferują dodatkowo wysoką elastyczność przy ich indywidualnej adaptacji. Pakiety Variolution, oprócz techniki napędowej, obejmują konfigurowalne moduły oprogramowania aplikacyjnego, które objęte są gwarancją poprawnego działania sterownika w zakresie przewidzianym w zastosowaniu. Dołączana do poszczególnych pakietów dokumentacja oraz czytelny sposób oznakowania wszystkich komponentów gwarantują klientom wysoką niezawodność realizacji procesu oraz minimalizację zagrożeń. Zoptymalizowana logistyka

42

współpracy z SEW-Eurodrive GmbH w Bruchsal, w dziale zarządzania procesami, co umożliwiło tworzenie i koordynację nowatorskich projektów na skalę międzynarodową.

Zgodnie z zasadą firmy SEW: „Myśl globalnie – działaj lokalnie” właściciele firmy SEW docenili uzyskane wyniki i w 2010 r. zaproponowali Markowi Marciniakowi objęcie stanowiska prezesa zarządu SEW-Eurodrive Polska.

Prywatnie Marek Marciniak jest szczęśliwym mężem i ojcem czwórki dzieci. Dobra organizacja czasu pozwala na pogodzenie obowiązków rodzinnych oraz służbowych z zainteresowaniami, do których należą nowoczesne technologie w motoryzacji i aktywne uczestnictwo w wyścigach Formuły 1. Jest również miłośnikiem pojazdów zabytkowych i właścicielem Mercedesa SL280 z 1969 r.

Motto życiowe to: „Być numerem 1” w podejmowanych działaniach.

zamawiania i dostarczania produktu zapewnia płynną realizację dostaw, co jest często kluczowym czynnikiem przy instalacji systemów. Variolution zapewnia w ten sposób wartość dodaną, której nie są w stanie zaoferować inni dostawcy.

Głównym zadaniem pakietów Variolution jest zapewnienie użytkownikom optymalnego rozwiązania dla każdej aplikacji w oparciu o nieskomplikowany i sprawny proces doboru. Rozwiązania podstawowe, sprawdzone w rzeczywistych zastosowaniach, zapewniają maksymalne bezpieczeństwo i funkcjonalność, a szereg opcjonalnych, dodatkowych modułów oferuje maksymalną elastyczność. Ponadto pakiety Variolution, poza standardowymi modułami, mają dodatkowe opcje, które umożliwiają jeszcze lepszą ich adaptację do wymagań konkretnego systemu. Jeżeli użytkownik potrzebuje dodatkowych funkcji bezpieczeństwa, kompatybilności z normami higienicznymi, określonych parametrów rozruchowych lub większej efektywności energetycznej, pakiety Variolution oferują zindywidualizowane rozwiązania, idealnie dostosowane do tych wymagań.

W zakresie współpracy z klientami standardem dla SEW-Eurodrive są: doradztwo, szkolenia produktowe i aplikacyjne dla klientów oraz telefoniczna linia serwisowa 24 h. Rozwinięta została elektroniczna platforma komunikacji z klientem – portal DriveGate. To wygodna, przejrzysta i szybka forma komunikacji, dostępna 24 godziny na dobę, siedem dni w tygodniu. Portal DriveGate jest wyposażony w wiele funkcjonalnych narzędzi do projektowania i doboru systemów napędowych, jak: Drive CAD, SEW Workbench oraz DriveConfigurator. Wdrożyliśmy również dla klientów projekt Drive Benefits – kompleksowy program korzyści oraz wartości dodanych, które klient otrzymuje, współpracując z firmą SEW-Eurodrive. Program Drive Benefits to „łańcuch wartości”, płynących do klienta: oprócz narzędzi doboru napędu (SEW Workbench oraz DriveConfigurator), są to: nowoczesna logistyka i oznakowanie wysyłki towaru: DriveTag – etykieta z kodem kreskowym oraz samodzielne zarządzanie procesem zamówień części zamiennych drogą elektroniczną.

SEW-Eurodrive oferuje rozwiązania całościowe, w tym wiele poza produktowych rozwiązań, które optymalizują pracę SUR. Jakie są to wartości dodane dla klienta?

Firma SEW-Eurodrive uruchomiła także Centrum Szkoleniowe w Tychach. Jakiego rodzaju szkolenia Państwo oferują?

Prowadzimy skuteczne szkolenia z zakresu techniki napędowej SEW-Eurodrive.

Fot. SEW-Eurodrive

Marek Marciniak jest absolwentem Wydziału Mechanicznego Politechniki Łódzkiej na kierunku Technologia i Budowa Maszyn oraz Organizacja i Zarządzanie Produkcją. Już w czasach studenckich prowadził działalność gospodarczą, a ówczesne zmiany koniunktury rynkowej w Polsce pozwalały na dynamiczne dostosowanie działań biznesowych do pojawiających się nowych możliwości.

Elastyczność i znajdowanie nowych szans w biznesie w różnych branżach przemysłu pozwoliło mu zdobyć

rozległą wiedzę związaną z zarządzaniem i ustalaniem priorytetów, a także umiejętność szybkiego podejmowania decyzji.

Karierę zawodową w firmie SEW-Eurodrive rozpoczął w 1998 r. w gronie najbliższych współpracowników zarządu firmy. W czasie dynamicznego rozwoju firmy koordynował budowanie nowych struktur firmy SEW, np. magazynu części zamiennych, i rozwój działu serwisowego w Łodzi. W 2000 r. odpowiadał za strategiczny projekt – budowę nowego zakładu montażowego SEW-Eurodrive Polska w Łodzi. Realizacja tego projektu, zakończona sukcesem, potwierdziła gotowość Marka Marciniaka do objęcia stanowiska kierownika produkcji i serwisu. Dynamika działania oraz skuteczne zarządzanie nowymi projektami zostało zauważone przez centralę firmy SEW-Eurodrive w Niemczech. Efektem było rozpoczęcie

Fot. SEW-Eurodrive

Nasza wiedza to nie tylko informacje o cechach produktów, z którymi można zapoznać się w katalogach i broszurach. To także wiedza o ich funkcjach w systemach napędowych oraz wzajemnych oddziaływaniach między urządzeniami. Każdy z trenerów SEW jest praktykiem i na co dzień wykorzystuje swoją wiedzę jako inżynier aplikacyjny – doradza optymalne rozwiązania dla różnych aplikacji. Uczestnicy szkolenia mają możliwość skorzystania z tej wiedzy, a praktyczne przykłady motywują ich do zrozumienia zagadnień napędowych.

Powstanie Centrum TechnicznoSzkoleniowego firmy SEW-Eurodrive w Tychach pozwoliło na rozszerzenie oferty szkoleniowej. Dzisiejszy świat stawia przed nami wyzwania nie tylko w zakresie posiadania wiedzy produktowej, ale również umiejętności pełnienia funkcji menadżerskich i posługiwania się dostępnymi narzędziami Microsoft Office.

Firma SEW-Eurodrive podnosi nieustannie standardy jakościowe współpracy z kontrahentami. Kompleksowość obejmuje doradztwo, wsparcie techniczne, serwis, jak również nowoczesne zarządzanie konserwacją – jak realizowany jest ten program w Państwa firmie?

Zrównoważony rozwój firmy, którego celem jest zarówno budowanie szerokiego zakresu oferty produktowej, jak i serwisowej, jest realizowany z zachowaniem wysokich standardów pracy. Dynamicznie rozwijająca się na terenie Polski siatka biur technicznych SEW-Eurodrive zapewnia szybki dostęp do informacji i skuteczną realizację zadań we współpracy z kontrahentami. Potwierdzeniem ciągłego doskonalenia standardów obsługi serwisowej przez firmę SEW-Eurodrive jest zdobycie tytułu Jakość Roku 2013 w kategorii „Usługa” za system CDM. CDM to synonim całościowego systemu obsługi produktu, będącego częścią serwisu posprzedażowego. System ten polega na pełnej organizacji usług dla całej techniki napędowej i elektroniki sterującej SEW. Autorski program CDM zapewnia stały monitoring stanu zużycia poszczególnych komponentów i struktur urządzeń w taki sposób, by uniknąć awarii i zatrzymania całego procesu przemysłowego. Naszym celem jest minimalizacja ryzyka wystąpienia awarii jakiegokolwiek z podzespołów

oraz wystąpienia zaskakującej sytuacji, która angażuje dodatkowe zasoby ludzkie i finansowe. System CDM na bieżąco analizuje stan urządzeń tworzących skomplikowane linie montażowe czy węzły przemysłowe oraz sygnalizuje każdego dnia pracownikom, które z elementów należy poddać analizie i sprawdzeniu, z uwagi na upływającą żywotność podzespołu.

Tytuł Jakość Roku przyznawany jest firmom, które udowodniły, że dzięki wysokiej jakości są w stanie z powodzeniem konkurować na wymagających rynkach i popularyzują projakościowe myślenie. Idea ta promuje koncepcję ciągłego doskonalenia zarządzania firmą na wielu płaszczyznach. Promuje postawy konsumenckie, dążące do podwyższenia jakości obsługi klienta oraz jakości świadczonych usług i sprzedawanych towarów. Ten tytuł to nie tylko wyróżnienie, ale przede wszystkim zobowiązanie do nieprzerwanego podążania ścieżką projakościowego rozwoju i nieustannego poszukiwania rozwiązań służących podnoszeniu jakości. Jest to najważniejszy cel firmy SEW-Eurodrive.

Rozwijacie Państwo współpracę z uczelniami technicznymi. Czy może Pan przybliżyć nam jej szczegóły i efekty?

Dla nas ważna jest współpraca z ośrodkami naukowymi. Naszym dużym sukcesem jest uruchomienie w lutym 2014 roku na Wydziale Mechanicznym Technologicznym Politechniki Śląskiej nowej specjalności – Aplikacje napędowe – pod patronatem firmy SEW-Eurodrive. Przekonał nas do tej inicjatywy profesor Jerzy Świder, dyrektor Instytutu Automatyzacji Procesów Technologicznych i Zintegrowanych Systemów Wytwarzania, który z dużym zaangażowaniem zaprezentował wymierne korzyści dla studentów, wynikające z połączenia nauki i przemysłu.

Wzajemna umowa o współpracy umożliwiła również powstanie na terenie uczelni laboratorium, które dedykowane jest nowym technologiom w obszarze napędów i sterowania.

Współpraca pozwala dodatkowo na przeprowadzenie zajęć praktycznych dla studentów w nowoczesnym Centrum Techniczno-Szkoleniowym SEWEurodrive w Tychach.

szych latach i jakich nowości możemy spodziewać się w najbliższym czasie?

Obserwując rynek w Polsce i korzystając z lokalnych zasobów inwestujemy i tworzymy projekty na skalę europejską. W 2012 roku wybudowaliśmy nowoczesne Centrum Techniczno-Szkoleniowe SEW-Eurodrive w Tychach. Prowadzimy tam szkolenia z zakresu techniki napędowej oraz nowatorskie menadżerskie szkolenia dla kadry inżynierskiej z kraju, jak i całej Europy. Obecnie – jest to nasza najnowsza inwestycja – realizujemy projekt rozbudowy zakładu montażowego w Łodzi o specjalistyczny serwis przekładni przemysłowych.

2014 rok to przełomowy rok dla SEW-Eurodrive Polska – nastąpi rozbudowa siedziby firmy i zakładu montażowego. Otwarty zostanie najnowocześniejszy zakład serwisowy przekładni przemysłowych na terenie Europy Wschodniej. Nowa część montażowo-serwisowa zakładu SEW-Eurodrive będzie funkcjonowała w oparciu o zoptymalizowane energooszczędne rozwiązania techniki napędowej z zakresu intralogistyki, jak bezprzewodowa komunikacja, realizowana w oparciu o bezprzewodowy przesył energii Movitrans z zastosowaniem autonomicznych wózków jezdnych. Projekt uwzględnia optymalizację i ciągłe podnoszenie wydajności pracy przy zachowaniu najwyższych standardów pracy i zasad bezpieczeństwa. Zasada 5S metody Kaizen znalazła zastosowanie między innymi w strukturze budowy gniazd produkcyjnych. Całość będzie dostępna dla naszych kontrahentów i będzie stanowiła Show Room najnowszych rozwiązań napędowych.

Co jest Państwa największym sukcesem w ostatnim czasie?

Realizacja rocznych planów sprzedaży, która wymaga dużego zaangażowania pracowników, jest tylko środkiem do urzeczywistniania wartości firmy, zgodnych z polityką odpowiedzialności społecznej biznesu. Realizacja takich projektów, jak wyposażenie laboratorium dla studentów, dofinansowanie badań profilaktycznych dla kobiet czy wsparcie dla Fundacji Nasz Śląsk, są największym sukcesem firmy i dają największą satysfakcję.

Rozmawiała

Co będzie najważniejsze w Państwa strategii rozwoju w Polsce w najbliż-

Urszula Chojnacka

Pomiary Automatyka Robotyka nr 4/2014

PAR

43

Automatyka Napędy i układy wykonawcze

Niezawodne rozwiązania pick&place

Rozwiązania pick&place cechuje precyzja, szybkość i niezawodność, toteż są one dziś wyjątkowo pożądane. Wysokie wymagania dotyczące montażu i przenoszenia oraz rosnąca presja cenowa powodują, że układy pick&place są stosowane w wielu gałęziach przemysłu, m.in. aplikacjach optycznych, elektronice i fotowoltaice.

SCHUNK oferuje układ kompaktowy, który pozwala osiągnąć czas trwania cyklu już od 0,54 sekundy.

44

Promocja

Rozwiązania firmy SCHUNK – zarówno pneumatyczne, jak i elektryczne, modułowe bądź kompaktowe – stanowią idealne połączenie najważniejszych parametrów, charakteryzujących jednostki tego typu: skoku, przenoszonej masy, a przede wszystkim czasu cyklu.

SCHUNK, jako lider w dziedzinie komponentów automatyki i techniki mocowań, ma w swoim portfolio najszybsze z dostępnych na rynku układy typu pick&place.

Do prostych zastosowań można znaleźć w ofercie firmy ekonomiczne

Fot. Schunk

Układy firmy SCHUNK najszybsze na rynku!

rozwiązania wykorzystujące napędy pneumatyczne w konfiguracji modułowej, które potrafią wygenerować 45 cykli na minutę lub kompaktowe układy pneumatyczne PPU-P z liczbą 95 cykli na minutę.

Do bardziej wymagających aplikacji stosowane są układy wykorzystujące technologię direct drive w konfiguracji modułowej, które potrafią pracować z prędkością 85 cykli na minutę.

Najszybszy układ kompaktowy PPU-E oferowany przez firmę SCHUNK, oparty na napędach , jest

w stanie wygenerować 110 cykli na minutę, co oznacza 0,54 sekundy na cykl, wliczając w to czasy otwarcia i zamknięcia chwytaka!

SCHUNK oferuje pneumatyczne i elektryczne układy pick &place w konfiguracji kompaktowej i modułowej. Budowa modułowa umożliwia dodatkowe konfiguracje tych układów z różnymi modelami chwytaków, bez konieczności dorabiania interfejsów pośrednich.Po więcej szczegółów zapraszamy na naszą stronę www.pl.schunk.com.

Zobacz więcej Pobierz bezpłatną aplikację PAR+ App Store | Google Play

SCHUNK Intec Sp. z o.o. ul. Puławska 40A, 05-500 Piaseczno tel. 22 726 25 05 www.schunk.com www.pl.schunk.com

Kompaktowy układ pneumatyczny pick&place

Pneumatyczny moduł pick&place

PPU-P 10

PPU-P 30

maksymalny udźwig

15 kg

LM/CLM

maksymalny udźwig

1 kg

3 kg

skok poziomy

0...450 mm

skok poziomy

145 mm

210 mm

skok pionowy

0...450 mm

skok pionowy

45 mm

60 mm

powtarzalność

±0,01 mm

powtarzalność

±0,01 mm

±0,01 mm

liczba cykli na minutę

45

liczba cykli na minutę

95

95

Kompaktowy układ elektryczny pick&place

Fot. Schunk

Elektryczny moduł pick&place

ELM/ELM

LDN/LDK

PPU-E 30

PPU-E 50

maksymalny udźwig

5 kg

6 kg

maksymalny udźwig

3 kg

5 kg

skok poziomy

0...260 mm

0...500 mm

skok poziomy

0...270 mm

0...280 mm

skok pionowy

0...260 mm

0...400 mm

skok pionowy

0...100 mm

0...150 mm

powtarzalność

±0,05 mm

±0,01 mm

powtarzalność

±0,01 mm

±0,01 mm

liczba cykli na minutę

85

85

liczba cykli na minutę

110

110

Pomiary Automatyka Robotyka nr 4/2014

45

Automatyka BEZPIECZEŃSTWO

Komputery przemysłowe stają się coraz bardziej popularne w zdalnej automatyce procesowej, a warunki w jakich muszą pracować, są znacznie bardziej wymagające niż w przypadku tradycyjnych PC-tów.

Najtrudniejszym zadaniem przy projektowaniu takiego komputera jest zapewnienie najwyższej niezawodności w skrajnych warunkach pracy.

Zagwarantowanie niezawodności to spore wyzwanie, ponieważ pierwotnie komputery były projektowane do pracy w sieciach firmowych, gdzie konsekwencje awarii systemu są o wiele mniejsze i nie generują tak dużych kosztów. Dlatego redukowanie przestojów w pracy, które zdarzają się dosyć często w sieciach firmowych, ma pierwszorzędne znaczenie dla komputerów przemysłowych. Aby komputery oraz inny sprzęt mogły pracować nieprzerwanie w trudnych warunkach, wymagane jest odpowiednie zaprojektowanie tych urządzeń. Najtrudniejszym problemem w przypadku komputerów wbudowanych są skrajne temperatury.

Praca w ekstremalnie niskich temperaturach Producenci z wielu powodów skupiali się na przestrzeni lat przede wszystkim na radzeniu sobie ze skutkami wysokiej temperatury. Zaawansowane systemy, odprowadzające ciepło bez wentylatorów, są dzisiaj stosowane w wielu komputerach klasy przemysłowej, jed-

46

Promocja

nak ekstremalnie niskie temperatury są nadal twardym orzechem do zgryzienia dla inżynierów. W temperaturze poniżej 0 °C wydajność takich komponentów, jak dyski twarde oraz wyświetlacze panelowe znacznie się obniża i powoduje awarie lub restartowanie systemu.

Wielu producentów tych części w ogóle nie daje gwarancji na pracę w takich temperaturach. Obecnie obserwuje się natomiast duży wzrost zapotrzebowania na urządzenia do pracy w temperaturze znacznie poniżej 0 °C, spowodowany ekspansją przemysłu wydobywczego w coraz bardziej odległych, często zimnych strefach klimatycznych.

Komputery panelowe, używane jako HMI, pełnią coraz bardziej odpowiedzialne funkcje w systemach automatyki, więc niezależnie od temperatury pracy muszą zachować niezawodność.

Jednak ogrzewanie zimnego urządzenia jest znacznie trudniejszym zadaniem niż chłodzenie gorącego.

Podstawowym zadaniem inżynieryjnym w przypadku tego wyzwania, jest podniesienie temperatury urządzenia

do zakresu, w którym będzie one mogło pracować maksymalnie niezawodnie – czyli do około 0 °C, tj. dolnej granicy temperatury pracy dla większości podzespołów komputerowych. Gdy temperatura spadnie znacznie poniżej 0 °C, większość komputerów zawiesza się i resetuje. Podstawowym rozwiązaniem tego problemu jest stosowanie podgrzewacza elektrycznego do obudowy, który uruchamia się w temperaturze poniżej 0 °C, a więc dodatkowo wymagany jest układ do pomiaru temperatury otoczenia. Dzięki takiemu systemowi temperatura urządzenia jest zawsze utrzymywana na określonym poziomie, nawet gdy w otoczeniu znacznie się ona zmienia. Tego typu system kontroli temperatury został wbudowany w komputer panelowy EXPC-1319 i umożliwia jego pracę w temperaturze od –40 °C do +60 °C.

ATEX – co to jest?

W przeszłości przepisy dotyczące bezpieczeństwa w krajach Unii Europejskiej nie były jednolite, co utrudniało prze-

Fot. Elmark Automatyka

Komputery panelowe w strefie zagrożonej wybuchem

Schemat działania IHS (ang. Intelligent Heating Solution), czyli system podgrzewania obudowy w niskich temperaturach

pływ urządzeń pomiędzy państwami członkowskimi. Powodowało to liczne problemy, związane z zakupem sprzętu zza granicy, szczególnie gdy przepisy dotyczące bezpieczeństwa były w danym kraju bardziej restrykcyjne niż w kraju, z którego dokonywało się zakupu.

Aby ujednolicić przepisy w obrębie Unii Europejskiej dla sprzętu do strefy zagrożonej wybuchem, wprowadzono dyrektywę ATEX 94/9/WE, określającą kryteria, jakie urządzenie musi spełnić, aby pracować w lokalizacjach zagrożonych wybuchem o określonym stopniu zagrożenia. Od lipca 2003 r. jest ona obowiązkowa dla wszystkich organizacji w UE. Dyrektywa ta klasyfikuje urządzenia w grupach oraz kategoriach. Przynależność urządzenia do danej grupy (I lub II) określa rodzaj zagrożenia wybuchem oraz miejsce stosowania.

Fot. Elmark Automatyka

Co to jest atmosfera wybuchowa?

Atmosfera wybuchowa zdefiniowana jest jako mieszanina powietrza i łatwopalnych substancji, takich jak gazy, opary, kurz i pył, umieszczonych w określonych warunkach atmosferycznych. Gdy nastąpi zapłon, spalanie rozprzestrzenia się w całej jej objętości.

Dyrektywa ATEX określa dwie główne grupy miejsc: • praca w kopalniach oraz naziemnych częściach kopalń zagrożonych wybuchem, • praca na powierzchni, w obszarach zagrożonych wybuchem gazów, par, mgieł lub pyłów.

W grupie II występują też podgrupy, określające dokładniejszy charakter zagrożenia. ATEX definiuje także typ zagrożenia, czyli tak naprawdę typ atmosfery wybuchowej: G – gazy, ciecze i opary oraz D – łatwopalne pyły.

Dla każdej z tych grup wprowadzono dodatkowo oznaczenie częstości występowania danego zagrożenia. Spełnienie tych wysokich wymagań jest wyjątkowo trudne, szczególnie w przypadku komputerów przemysłowych.

Komputer panelowy EXPC-1319 Przemysł wydobywczy wciąż się rozwija, a procesy wydobycia ulegają coraz większej automatyzacji, ale w najbardziej odpowiedzialnych zadaniach nadal ostateczną decyzję podejmuje człowiek. Interfejsy HMI zostały stworzone, aby ułatwić komunikację człowieka z maszyną, czyli w praktyce do odczytu charakterystycznych wielkości i kontroli sterowanego procesu. Ostatnio coraz częściej stosuje się komputery panelowe, które mogą pełnić właśnie funkcję HMI lub funkcje wizualizacyjne, czyli np.

SCADA – przedstawiające stan maszyny czy parametry procesu. Komputer Moxa EXPC-1319 został stworzony właśnie do takich aplikacji, czyli może być stosowany wszędzie tam, gdzie panują trudne warunki otoczenia.

Najważniejsze parametry fizyczne komputera EXPC-1319 to wysoka odporność na kurz i wodę, o czym świadczy obudowa o stopniu ochrony IP66 lub – według amerykańskich oznaczeń – NEMA 4X, co odpowiada wypływowi wody wynoszącemu 65 GMP

(0,0041 m3/s) z jednocalowej dyszy, oddalonej co najmniej o 10 stóp (3 m) w czasie pięciu minut. Tak wysoka klasa szczelności umożliwia stosowanie tego urządzenia np. na platformach wiertniczych lub w innych aplikacjach przemysłu wydobywczego, a zgodność z dyrektywą ATEX dla strefy II pozwala na instalacje w strefach zagrożonych wybuchem.

Wzmocniona warstwa ochronna wyświetlacza tego komputera jest dużym atutem w warunkach przemysłowych, gdyż chroni go przed zarysowaniami, dzięki czemu urządzenie przez długi czas ma czytelny ekran, nawet przy dużym nasłonecznieniu.

Wydajność obliczeniowa tej maszyny sprosta większości aplikacji wykorzystywanych do wizualizacji, a to dzięki procesorowi Intel Atom D525 o częstotliwości taktowania 1,8 GHz. Warto też wspomnieć, że urządzenie nie ma wentylatorów, co korzystnie wpływa na jego niezawodność zarówno w teorii, jak i w praktyce.

Komputer EXPC-1319 to wszechstronne i elastyczne rozwiązanie, świetnie pasujące do aplikacji w przemyśle wydobywczym, a marka Moxa gwarantuje jego najwyższą niezawodność.

Piotr Gocłowski Elmark Automatyka Sp. z o.o. ul. Niemcewicza 76 05-075 Warszawa-Wesoła tel. 22 773 79 37, fax 22 773 79 36 e-mail: elmark@elmark.com.pl www.elmark.com.pl

Pomiary Automatyka Robotyka nr 4/2014

47

Pomiary MONITOROWANIE

Moduł RTD

Kondensatory sprzęgające

Przekładniki prądowe RFCT

Ciągła kontrola stanu izolacji urządzeń średniego napięcia Uszkodzenie izolacji stojana należy do najczęstszych usterek silników średniego napięcia. W przypadku wystąpienia awarii zazwyczaj konieczne jest przezwajanie silnika. Nieplanowany przestój instalacji w przypadku krytycznych urządzeń technologicznych może generować straty dla zakładu produkcyjnego, które znacznie przekraczają koszty samego silnika. Tego typu problemów można uniknąć dzięki użyciu monitora InsulGard firmy Eaton.

Istnieje wiele metod, które umożliwiają zweryfikowanie stanu izolacji układu. Wśród nich można wyróżnić m.in. test Meggera, pomiar współczynnika strat dielektrycznych oraz pojemności uzwojeń, metodę impulsową, metodę spektroskopii niskoczęstotliwościowej, a także pomiary oparte na kontroli poziomu wyładowań niezupełnych (WNZ). Ze względu na sposób przeprowadzania pomiaru metody te można podzielić na wykonywane przy wyłączonym urządzeniu (w trybie offline) oraz przy urządzeniu pracującym (w trybie on-line).

Tradycyjne metody, oparte na pomiarach napięciem stałym, umożliwiają sprawdzenie stanu układu odłączonego od zasilania. Wyzwaniem jest

48

Promocja

natomiast kontrola układu w trakcie jego normalnej pracy, co jest szczególnie istotne dla urządzeń wymagających sporadycznego odłączania od napięcia.

Zasada działania Monitor InsulGard firmy Eaton umożliwia ciągłe kontrolowanie poziomu WNZ w trybie on-line dla pracującego urządzenia. WNZ będące lokalnym przebiciem izolacji jest bardzo dobrym wskaźnikiem stanu izolacji układu. Postępująca degradacja izolacji skutkuje wzrostem aktywności WNZ, dzięki czemu możliwe jest wnioskowanie o stanie izolacji układu na podstawie trendów pokazujących zmiany wskaźników PDI, PPC oraz Qmax. Wyładowaniom w izolacji towarzyszy powstawanie pola

elektromagnetycznego, a także emisja fal dźwiękowych. InsulGard do kontrolowania poziomu WNZ wykorzystuje kondensatory sprzęgające, moduł RTD oraz przekładniki prądowe RFCT. Unikalna technologia InsulGard zapewnia ciągłą kontrolę stanu izolacji takich urządzeń średniego napięcia, jak: silniki, rozdzielnice, suche transformatory, wyłączniki, głowice kablowe lub generatory.

Analiza technologii pomiaru WNZ wykazała silną zależność wskaźników od warunków klimatycznych oraz obciążenia układu. W związku z tym monitor wyposażono w dodatkowe wejścia umożliwiające kontrolowanie wartości prądu obciążenia, temperatury oraz wilgotności.

Fot. Eaton

Monitor InsulGard

Możliwości predykcyjne Zbieranie w pamięci urządzenia danych o poziomie WNZ umożliwia wprowadzenie predykcji stanu izolacji kontrolowanych urządzeń. Na podstawie trendów i wskaźników można określić z wyprzedzeniem, czy kontrolowane urządzenie powinno zostać odstawione do przeglądu, a tym samym, czy można uchronić się od nieplanowanego i pociągającego za sobą olbrzymie koszty postoju awaryjnego. Gromadzone charakterystyki fazowe pokazują ponadto, z jakim typem uszkodzenia izolacji mamy do czynienia. Przykładowe opcje to: pogorszenie stanu izolacji między przewodami fazowymi, rozwarstwienie izolacji lub groźba zwarcia doziemnego.

Możliwość przewidywania uszkodzenia izolacji stwarza szansę zoptymalizowania zarządzania utrzymaniem ruchu w przedsiębiorstwie. Zamiast wykonywać okresowe przeglądy stanu izolacji można reagować dopiero w momencie, gdy wskaźniki oceniające stan izolacji ulegają pogorszeniu.

znajdujących się w uzwojeniu stojana. Czujniki Pt 100 działają jak anteny, zbierające emitowane przez WNZ pole elektromagnetyczne. Moduł RTD umożliwia odseparowanie sygnałów o paśmie 1–20 MHz od sygnału wykorzystywanego przez zewnętrzny przekaźnik zabezpieczający układ przed przeciążeniem. Dla generatorów dużej mocy dodatkowo zwiększa się możliwości pomiarowe dodając drugi moduł RTD, dzięki czemu możliwe jest kontrolowanie do 12 czujników Pt 100.

Przykładowa aplikacja dla rozdzielnicy SN InsulGard, poza maszynami wirującymi, może kontrolować stan izolacji rozdzielnicy SN oraz zawartych w niej elementów, takich jak: izolatory, wyłączniki, szyny główne i głowice kablowe.

W aplikacjach tych najczęściej wykorzystuje się zestaw trzech kondensatorów sprzęgających na trzy pola odpływowe oraz dodatkowo przekładnik RFCT, montowany na ekranach kabli odpływowych.

Przykładowa aplikacja dla silnika SN

Korzyści z technologii InsulGard

Silniki oraz generatory SN należą do grupy urządzeń najczęściej kontrolowanych z użyciem monitora InsulGard.

W typowej aplikacji wykorzystuje się zestaw trzech kondensatorów sprzęgających, przyłączanych do zacisków silnoprądowych. W celu zwiększenia dokładności pomiaru dodatkowo stosuje się moduł RTD, który umożliwia podłączenie do sześciu czujników Pt 100,

Podstawowe korzyści, jakie daje InsulGard, to kontrola instalacji w trakcie jej pracy, co dostarcza informacji o zbliżającym się trwałym uszkodzeniu izolacji. Dzięki temu można podjąć odpowiednie środki zaradcze i przygotować się do planowanego postoju remontowego instalacji. Wiedza o stanie instalacji daje ponadto możliwość prawidłowego rozplanowania procesu

Charakterystyki fazowe, wzrost PPC w 1 i 3 ćwiartce oraz zdjęcie prezentujące wykrytą przez monitor degradację izolacji między dwiema fazami w generatorze 49 MVA

produkcyjnego z uwzględnieniem dostępności instalacji.

W przypadku, gdy monitoringiem objęto większą liczbę urządzeń, możliwe jest wskazanie, które z nich w pierwszej kolejności muszą zostać odstawione do remontu. Generowane przebiegi fazowe dodatkowo sugerują, w jakim miejscu należy szukać uszkodzenia izolacji.

Opcja monitoringu zdalnego Monitor InsulGard jest wyposażony w wyjścia przekaźnikowe, informujące o przekroczeniu alarmów 1 i 2 stopnia. Ponadto oprogramowanie InsulGard umożliwia podglądanie przebiegów oraz wykonywanie analiz korelacyjnych pokazujących, jaka jest zależność między poziomem WNZ a czynnikami klimatycznymi, takimi jak wilgotność i temperatura.

W celu zapewnienia kompleksowej oferty firma Eaton umożliwia wykonanie monitoringu zdalnego w oparciu o modem GSM. Dane z monitora zbierane są do centralnego serwera w USA, gdzie są obrabiane przez zespół specjalistów z zakresu WNZ. Na podstawie tych analiz generowane są comiesięczne raporty, informujące o stanie izolacji kontrolowanego układu.

Marek Gackowski Fot. Eaton

EATON Electric Sp. z o.o. ul. Galaktyczna 30, 80-299 Gdańsk tel. 58 554 79 00, fax 554 79 09 Przykładowa aplikacja dla maszyny wirującej

www.eaton.com

Pomiary Automatyka Robotyka nr 4/2014

49

Pomiary CZUJNIKI I SYSTEMY POMIAROWE

Badanie podgrzewania szyb samochodowych fotonową kamerą termowizyjną Artykuł jest kontynuacją publikacji „Termowizyjne badanie podgrzewanych szyb samochodowych”, zamieszczonej w marcowym numerze miesięcznika „Pomiary Automatyka Robotyka”, w której przedstawiono szybką metodę kontroli jakości szyb za pomocą kamer termowizyjnych Flir Systems. Dziś prezentujemy badanie przy użyciu

Rys. 1. Transmisja różnych rodzajów okien w zakresie promieniowania elektromagnetycznego od UV do IR

Rys. 2. Termogram podgrzewanej szyby, wykonany kamerą termograficzną Flir GF320

Rys. 3. Termogram podgrzewanej szyby, wykonany kamerą termograficzną Flir A655sc

Kontrola jakości podgrzewania szyb samochodowych ma na celu wyselekcjonowanie tych z nich, w których występują wady ścieżek grzewczych. Podczas drugiego badania wykorzystana została kamera termowizyjna Flir GF320 z detektorem chłodzonym, pracującym w zakresie 3–5 µm. Zastosowanie kamery średniofalowej pozwala na obserwację ścieżek grzewczych i pomiary temperatury przez szkło (rys. 1). Termogramy, czyli obrazy zarejestrowane przez kamerę, wyraźnie pokazują, jak wyglądają grzałki. Wysoka czułość termiczna kamery termowizyjnej (<20 mK) pozwala zobaczyć, że poszczególne ścieżki różnią się między sobą temperaturą, a dodatkowo występują miejscowo odcinki o podwyższonej temperaturze.

Tego typu analiz nie można przeprowadzić używając tańszej kamery termowizyjnej z detektorem mikrobolometrycznym, np. Flir A655sc. Jest to spowodowane charakterystyką spektralną szkła, wykreśloną na rys. 1 jako krzywa „Fused Silica”.

W zakresie średniej podczerwieni (3–5 µm), w którym pracują kamery termowizyjne Flir GF320 lub X6540sc, szkło wykazuje dużą przepuszczalność promieniowania podczewonego (około 80 proc.), dzięki czemu można zobaczyć grzałki umieszczone wewnątrz okna.

Kamery termowizyjne pracujące w zakresie długofalowym (7,5 –13 µm), takie jak Flir A655sc lub T450sc, pozwalają jedynie na obserwację powierzchni szkła. Zgodnie z wykresem pokazanym na rys. 1, szkło nie jest transparentne dla podczerwieni o długości fali powyżej 5 µm.

Jarosław Knapek EC Test Systems Sp. z o.o. ul. Lublańska 34, 31-476 Kraków tel. 12 627 77 77, fax 12 627 77 70 e-mail: biuro@ects.pl www.ects.pl

50

Promocja

Fot. EC Test Systems, www.newport.com

kamery z detektorem chłodzonym.

REGULATORY WIELOFUNKCYJNE rynek i technologie

Regulatory przemysłowe PID Przegląd rozwiązań dla różnych zastosowań

Mimo upływu lat regulatory

postępującym rozwojem automatyki

PID umożliwiały wykonywanie podstawowych zadań sterowania oraz przetwarzania sygnałów. Najczęstszymi zadaniami stawianymi obecnie przed takimi regulatorami są: stałowartościowa regulacja wielkości fizycznych (np. temperatury, ciśnienia, siły, prędkości) lub regulacja składu chemicznego, ze względu na możliwość połączenia regulatorów ze sterownikami PLC lub innymi elementami za pomocą interfejsów cyfrowych.

przemysłowej producenci dążą

Struktura i zasada działania

PID wciąż stanowią jeden z głównych elementów układów automatycznej regulacji.

W związku z dynamicznym i stale

do poszerzania oferty produktów, by ich funkcjonalność pasowała do jak największej liczby aplikacji przemysłowych. Celem przeglądu jest zwrócenie uwagi na parametry i funkcje popularnych obecnie regulatorów przemysłowych, zarówno tych przeznaczonych do specjalnych zastosowań, jak i uniwersalnych.

Historia regulatorów PID sięga początku XX w., kiedy zastosowano pierwszy tego typu komponent w praktyce. Wydarzenie to wywołało falę zainteresowania regulacją proporcjonalno-całkująco-różniczkującą, gdyż dawała ona większe możliwości w porównaniu do regulacji proporcjonalno-całkującej PI. Prace nad poszerzeniem możliwości regulacji PID trwają do dziś, a specjaliści z wielu dziedzin nauki poszukują nowych rozwiązań algorytmu tego typu regulacji. W pewnym okresie rozwijane były regulatory wielofunkcyjne, które poza standardową regulacją

Regulatory PID pracują w pętli sprzężenia zwrotnego, a ich główna zasada działania opiera się na mierzeniu oraz kompensacji uchybu regulowanej wielkości, tak aby była ona jak najbliższa wartości zadanej. Regulatory te składają się z trzech głównych członów: proporcjonalnego P (odpowiedzialny za kompensację uchybów bieżących), całkującego I (odpowiedzialny za uchyby z przeszłości) oraz różniczkującego D (odpowiedzialny za przewidywanie przyszłych uchybów). Proces regulacji jest zależny od nastaw tych trzech parametrów, a manipulacja nimi wpływa m.in. na stabilność układu, czas regulacji, wartość ustaloną uchybu oraz przeregulowanie.

Regulatory PID mogą pracować na podstawie wielu struktur. Jedną z najbardziej popularnych i najchętniej wykorzystywanych jest postać równoległa. Na rys. 1 przedstawiono idealną strukturę równoległą (wszystkie trzy człony pracują równolegle), a na rys. 2 – idealną strukturę szeregową, gdzie: e – sygnał wejściowy, u – sygnał wyjściowy, kr – współczynnik wzmocnienia regulatora, Ti – stała czasu całkowania (czas zdwojenia), Td – stała czasu różniczkowania (czas wyprzedzenia), s – zmienna zespolona. Na tej podstawie transmitancja operatorowa idealnej struktury równoległej może być wyrażona na podstawie modelu: r

1+

1 i

d

natomiast transmitancja idealnej struktury szeregowej:

r

i

Jednak idealne różniczkowanie jest nierealizowalne fizycznie, dlatego transmitancja rzeczywistego regulatora PID z równoległym algorytmem regulacji ma postać: r

(1 +

1 Td s + ) Ti s Td s+1 ad

gdzie ad oznacza wzmocnienie dynamiczne regulatora. Aby uzyskać postać rzeczywistej transmitancji dla struktury szeregowej, należy uwzględnić rzeczywisty człon różniczkujący, tak jak w przypadku struktury równoległej. Na podstawie schematu oraz transmitancji struktury szeregowej widać, że jest to szeregowe połączenie regulatorów PI oraz PD. Istnieje cały szereg metod strojenia regulatora PID. Poza doborem ręcznym bezpośrednio na obiekcie regulacji, jednym z najbardziej popularnych sposobów strojenia była metoda Zieglera-Nicholsa, jednak wymagała ona doprowadzenia układu do stanu krytycznego, co często uniemożliwiało stosowanie jej w niektórych gałęziach przemysłu, np. w przemyśle chemicznym. Obecnie niemal wszystkie regulatory przemysłowe mają wbudowane algorytmy automatycznego doboru parametrów, które są często wystarczające w przypadku standardowych procesów przemysłowych.

Warto nadmienić, iż w zależności od doboru nastaw, regulator PID może też pracować jako regulator P, PI lub PD. Dobrze dostrojony i dopasowany do obiektu regulator powinien zapewnić stabilną odpowiedź układu oraz działania adekwatne do zmian procesu bądź nastaw. W zależności od układu, zadania te nie zawsze mogą być spełnione za pomocą standardowych algorytmów regulacji. Jednym z występujących problemów może być tzw. windup całkowania (gromadzenie błędu wynikającego z całkowania uchybu stałego, znajdującego się na poziomie granicznym),

Pomiary Automatyka Robotyka nr 4/2014

51

rynek i technologie REGULATORY WIELOFUNKCYJNE

Tab. Zestawienie parametrów przykładowych regulatorów wielofunkcyjnych Producent

Autonics

Honeywell

Introl

JUMO

Lumel

Dystrybutor

WObit

Honeywell

Introl

JUMO

Lumel

Model

seria TZN4S

UDC1700

TROL2500

seria iTRON

RE19

Przeznaczenie

pomiar temperatury

uniwersalne

pomiar temperatury

uniwersalne

uniwersalne

Rodzaj pracy

regulacja PID, PI, PD, P, ON/OFF

regulacja PID, ON/OFF

regulacja PID

regulacja PID, PI, PD, P

regulacja PID

Dodatkowe funkcje

PID autotuning, dwa tryby sterowania PID

algorytmy pre-tune oraz self-tune

fuzzy logic, automatyczne dostrojenie, funkcja samodostrojenia

automatyczna optymalizacja, regulacja dwupunktowa z komparatorem, regulacja trójpunktowa

dwa algorytmy autoadaptacji, operacje arytmetyczne na sygnałach, opcjonalna regulacja krokowa i regulacja programowa

Wejścia

definiowane przez użytkownika: termoparowe, RTD, napięciowe, prądowe

wejścia uniwersalne (termoparowe, RTD, napięciowe, prądowe)

definiowane przez użytkownika: termoparowe, RTD, napięciowe, prądowe

definiowane przy zamówieniu: termoparowe, RTD , napięciowe, prądowe

2 wejścia główne uniwersalne, 2 wejścia logiczne, opcjonalne dodatkowe wejście napięciowe/prądowe/ rezystancyjne

Wyjścia

definiowane przez użytkownika: przekaźnikowe, SSR, prądowe

definiowane przez użytkownika: SSR, przekaźnikowe, napięciowe, prądowe

definiowane przez użytkownika: przekaźnikowe, napięciowe, prądowe, triak, inne

definiowane przy zamówieniu: przekaźnikowe, logiczne

definiowane przy zamówieniu: przekaźnikowe, tranzystorowe, ciągłe napięciowe lub prądowe

Interfejsy

brak danych

RS-485 – Modbus RTU, ASCII

RS-485, RS-232 – Modbus RTU

brak danych

RS-485 – Modbus RTU/ASCII

Montaż

brak danych

1/8 DIN

brak danych

tablicowy

tablicowy

Stopień ochrony

brak danych

od strony czołowej: IP66

od strony czołowej: IP65

od strony czołowej: IP65 od strony zacisków: IP20

Od strony czołowej: IP40 Od strony zacisków: IP20

Warunki pracy

temperatura: –10….+50 °C wilgotność: 35–75 %

temperatura: 0…+55 °C, wilgotność: 20…95 %

temperatura: –10...+50 °C, wilgotność: 0…90 %

temperatura: 0…+55 °C wilgotność: < 75 %

temperatura: 0…+40 °C, wilgotność: < 85 %

Wymiary

48 mm × 48 mm

96 mm × 48 mm × 100 mm

24 mm × 48 mm × 99 mm

od 48 mm × 24 mm do 96 mm × 96 mm

96 mm × 96 mm × 81 mm

52

fuzzy

1 wejśc pr

dwa w zamó nap iz przet

RS

IP6

50 mm ×

96 m

Lumel

Lumel

OMRON

Panasonic

Simex

Tecnologic

Lumel

Lumel

OMRON

Automatech

Automatyka-PomiarySterowanie, Simex

Simex

RE seria 41-44

RE92

seria E5_R

KT4H

CMC-99, CMC-141

TLK-94

uniwersalne

uniwersalne

uniwersalne

pomiar temperatury

uniwersalne

uniwersalne

regulacja PID

regulacja PID, ON/OFF, trójstawna grzaniechłodzenie, trójstawna krokowa

regulacja PID, ON/OFF

regulacja PID, PI, PD, P, ON/OFF

regulacja PID, PI, PD

regulacja PID, ON/OFF

fuzzy logic, autoadaptacja, samodostrajanie

algorytm samostrojenia SMART PID

sterowanie wielopunktowe, sterowanie kaskadowe, funkcje kalkulacyjne

automatyczne strojenie PID

rejestracja danych

algorytmy autotuning oraz selftuning, procedura Fuzzy Overschoot Control

1 wejście uniwersalne, 1 wejście prądowe/napięciowe, 1 wejście binarne

2 wejścia uniwersalne, 1 wejście opcjonalne (prądowe, napięciowe, rezystancyjne), wejścia logiczne

do 4 wejść analogowych w zależności od wersji: termoparowe, RTD, napięciowe, prądowe

wejścia uniwersalne

definiowane przy zamówieniu: uniwersalne, napięciowe, prądowe, termoparowe, RTD, cyfrowe, licznikowe, przepływomierzowe, tachometrowe

wejście uniwersalne (termoparowe, RTD, napięciowe, prądowe)

dwa wyjścia definiowane przy zamówieniu: przekaźnikowe, napięciowe, ciągłe, triak, izolowane zasilanie przetworników obiektowych

definiowane przy zamówieniu: przekaźnikowe, tranzystorowe napięciowe, ciągłe napięciowe/prądowe

w zależności od wersji: przekaźnikowe, prądowe, napięciowe (impulsowe), tranzystorowe

dostępne wyjścia: przekaźnikowe, napięciowe, prądowe

definiowane przy zamówieniu: przekaźnikowe, SSR, prądowe

definiowane przez użytkownika: przekaźnikowe, prądowe, napięciowe

RS-485 – Modbus RTU

RS-485 – Modbus RTU, Ethernet, Modbus TCP Slave

RS-485, DeviceNet

RS-485 – Modbus RTU, Modbus ASCII, MEWTOCOL

wersja podstawowa: RS-485, USB

RS-485 – Modbus RTU

tablicowy

tablicowy

tablicowy

brak danych

tablicowy

tablicowy

IP40 IP20

IP65 wg PN-EN 60529

od strony czołowej: IP65 od strony zacisków: IP20

od strony czołowej: IP66 obudowa tylna: IP20

od strony czołowej: IP66

bez USB od strony czołowej: IP65, z USB od strony czołowej: IP40, IP54

IP54

40 °C, %

temperatura: –10…+50 °C, wilgotność: 90 %

temperatura: 0…+50 °C, wilgotność:< 85 %

temperatura: –10…+50 °C wilgotność: 25…85 %

temperatura: 0…+50 °C, wilgotność: 35…85 %

temperatura: 0…+50 °C

temperatura: 0…+55 °C, wilgotność: 0…90 %

od 96 mm × 48 mm × 95 mm do 96 mm × 96 mm × 95 mm

48 mm × 48 mm × 62 mm

od 96 mm × 96 mm × 100 mm do 144 mm × 144 mm × 100 mm

48 mm × 96 mm × 98 mm

aptacji, zne nalna gulacja

e ścia ne ie we/

wieniu: torowe, ub

CII

1 mm

od 50 mm × 26,5 mm × 110,5 mm 96 mm × 96 mm × 100 mm do 96 mm × 96 mm × 65 mm

Pomiary Automatyka Robotyka nr 4/2014

53

rynek i technologie REGULATORY WIELOFUNKCYJNE

który występuje wtedy, gdy nagromadzony błąd przekroczy wartość maksymalną sygnału wyjściowego. Przykładowym rozwiązaniem wspomnianej niedogodności może być rozszerzenie algorytmu o element odpowiedzialny za przerwanie całkowania, gdy regulowany parametr znajdzie się poza dozwolonym przedziałem. Innym powszechnie występującym w przemyśle rodzajem regulacji jest regulacja kaskado-

z najbardziej popularnych i pożądanych funkcjonalności są algorytmy autostrojenia i autoadaptacji. W wielu przypadkach umożliwiają one pominięcie procedury ręcznego strojenia, a regulator sam dobiera optymalne nastawy członów PID (często na podstawie kilku algorytmów). Funkcje te są często pożądane w przypadku regulacji obiektów nieliniowych, które mogą być problematyczne w kontekście regulacji PID. Dzięki auto-

wejść uniwersalnych, które obsługują termopary, czujniki termorezystancyjne, sygnał napięciowy oraz prądowy, a następnie wybranie kilku wejść dedykowanych danemu rozwiązaniu. Nie mniej istotną rzeczą jest sama kwestia algorytmów regulacji i dodatkowych funkcji, które ułatwią instalację i uruchomienie stanowiska. Istotnym parametrem w procesie regulacji może być również częstotliwość próbkowania,

Rys. 1. Struktura równoległa idealna regulatora PID

wa, która wymaga stosowania dwóch regulatorów PID. Regulator zewnętrzny (zwany również nadrzędnym) odpowiada za wartość zadaną główną, na podstawie sprzężenia zwrotnego pochodzącego z sygnału wyjściowego układu. Sygnał wyjściowy regulatora nadrzędnego trafia do regulatora pracującego w pętli wewnętrznej (zwanego również podrzędnym), który koryguje wartość z regulatora zewnętrznego na podstawie sprzężenia zwrotnego, pochodzącego z dodatkowych zakłóceń występujących w układzie. Regulację kaskadową stosuje się, gdy możliwy jest pomiar innej, dodatkowej wartości fizycznej, której zmiany mogą mieć istotny wpływ na działanie całego układu i procesu regulacji. Zastosowanie tego typu realizacji struktury PID niesie za sobą korzyść, wynikającą z dokładniejszej i szybszej reakcji układu na zakłócenia w pętli wewnętrznej.

Innym nietypowym sposobem regulacji było stosowanie tzw. selektora i utworzenie układu regulacji selekcyjnej, gdzie do sterowania używa się jednej zmiennej głównej, natomiast ta w przypadkach szczególnych (np. awarii) była zastępowana inną zmienną.

Dodatkowe funkcje regulatorów Producenci wychodzą naprzeciw oczekiwaniom klientów i stale urozmaicają ofertę regulatorów PID, zarówno tych uniwersalnych, jak i przeznaczonych do konkretnych aplikacji. O klasie regulatora nie świadczą jedynie parametry związane z samą regulacją, ale i dodatkowe funkcje ułatwiające użytkownikowi m.in. wdrożenie komponentu do układu automatycznego sterowania. Jednymi

54

Rys. 2. Struktura szeregowa idealna regulatora PID

adaptacji regulator samoczynnie dostosowuje się do zmian parametrów regulowanego procesu (wynikających zazwyczaj z wpływu czynników zewnętrznych trudnych do przewidzenia). Kolejną coraz popularniejszą funkcjonalnością regulatorów PID jest zastosowanie algorytmów logiki rozmytej (ang. fuzzy logic). Polegają one na przypisaniu elementom w danym zbiorze tzw. stopni przynależności (zawartych w przedziale wartości 0–1), co umożliwia rozszerzenie klasyfikacji wpływu danych czynników na proces. W praktyce stosowanie takich algorytmów pozwala na minimalizację przeregulowań lub skrócenie czasu osiągnięcia przez regulator wartości optymalnej. Ponadto istnieją rozwiązania łączące funkcję regulatora oraz rejestratora danych.

która decyduje o tym, jak często regulator pobiera dane wejściowe. Jeśli regulator powinien współpracować z innymi urządzeniami, jak np. sterownik PLC lub komputer, warto wybrać ten wyposażony w interfejs cyfrowy. Jednym z najbardziej powszechnych wyborów w układach automatycznej regulacji jest interfejs RS-485. Końcowe rozważania powinny dotyczyć kwestii organizacyjnych i bezpieczeństwa. Takie cechy, jak gabaryty, stopień ochrony oraz rodzaj montażu są przeważnie definiowane przez aplikację, w której użyty zostanie regulator. Przed podjęciem ostatecznej decyzji warto sprawdzić warunki środowiskowe, w których może pracować urządzenie oraz wymogi bezpieczeństwa przez nie spełniane (np. kompatybilność elektromagnetyczną).

Czym kierować się przy zakupie?

Podsumowanie

Widoczne jest dążenie do minimalizacji komponentów układów automatycznej regulacji, toteż umieszczenie wszystkich dostępnych rozwiązań w jednym urządzeniu okazuje się niemożliwe.

W związku z tym producenci zamieszczają w katalogach tabele z dostępnymi opcjami, tak aby użytkownik mógł sam określić funkcjonalność regulatora na potrzeby danej aplikacji przemysłowej. Takie zestawienia mogą zajmować nawet kilka stron i najczęściej dotyczą wejść, wyjść, interfejsów komunikacyjnych oraz elementów opcjonalnych, dopasowanych do niektórych rozwiązań. Pierwszym istotnym wyborem jest właśnie konfiguracja wejść/wyjść, która powinna być dostosowana do całego układu regulacji. Powszechnym wyborem w przypadku wejść jest wybór kilku

Regulatory PID wciąż odgrywają znaczącą rolę w systemach automatyki przemysłowej. W związku z tym należy spodziewać się stałego rozwoju w dziedzinie regulacji, a parametry regulatorów i ich funkcjonalność będą stale poszerzane.

Przedstawiony przegląd tabelowy ma na celu wyodrębnić wybrane cechy niektórych produktów dostępnych na polskim rynku, jednak umieszczenie wszystkich istotnych informacji jest niemożliwe ze względu na ich ilość. W związku z tym przed wyborem regulatora należy zapoznać się dokładnie ze specyfikacją z katalogów danego producenta.

Piotr Bazydło Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP

czujniki ultradźwiękowe Nowości

Przemysłowe czujniki ultradźwiękowe przeznaczone do automatyzacji produkcji są dostępne na rynku od około 30 lat.

Te duże i kosztowne urządzenia były początkowo używane tylko w wybranych dziedzinach, ale dzisiaj można je znaleźć niemal w każdym obszarze automatyki przemysłowej.

The Pulse of Automation – detekcja nie tylko w trudnych warunkach Wraz z rozwojem czujników ultradźwiękowych znacznie zmniejszyły się ich wymiary i spadła cena, a jednocześnie zwiększyły się ich możliwości. Ten proces jeszcze się nie zakończył, a omawiane czujniki wciąż mogą znajdować całkiem nowe zastosowania.

Charakterystyka i zalety użytkowe W porównaniu z czujnikami fotoelektrycznymi czujniki ultradźwiękowe są znacznie bardziej odporne na kurz i wilgoć. Nieznaczne uszkodzenia powierzchni przetwornika nie mają istotnego znaczenia, ze względu na zasadę działania całego urządzenia. Nie trzeba chyba dodawać, że kolor czy stopień przezroczystości wykrywanych obiektów w żaden sposób nie wpływają na pomiar. Wytrzymałość czujników ultradźwiękowych jest porównywalna z wytrzymałością czujników indukcyjnych, ale oferowany zakres pomiarowy jest ponad 100 razy większy.

Firma Pepperl+Fuchs, prawdopodobnie jako jedyna na rynku, dysponuje zbliżeniowymi czujnikami ultradźwiękowymi, przeznaczonymi do pracy w strefie zagrożonej wybuchem.

Wersje cylindryczne (również z wyjściem analogowym), o zasięgu do 6000 mm, mogą pracować w strefie EX 2/22

Między tymi dwiema konstrukcjami istnieje również wiele podobieństw.

Cylindryczne czujniki ultradźwiękowe mogą mieć małe rozmiary, nawet M12, a modele prostopadłościenne są obecnie standardowo używane w obudowach typowych dla przełączników zbliżeniowych lub czujników fotoelektrycznych.

Dostępne są również wersje przystosowane do wymagań specjalnych, np. do pomiaru poziomu napełnienia.

Powszechnie spotyka się czujniki z cyfrowymi wyjściami kluczowania lub analogowym wyjściem prądowym 4–20 mA. Dostępne są również czujniki z wyjściem przekaźnikowym 250 V AC. Większość czujników udostępnia funkcję uczenia lub parametryzacji przy użyciu odpowiedniego interfejsu, co umożliwia dostosowanie urządzeń do określonego zastosowania. Ponadto od niedawna jest w nich wykorzystywany nowy standard przemysłowy IO-Link.

Fot. Pepperl+Fuchs

Zastosowania

Prawdopodobnie najmniejszy czujnik ultradźwiękowy na rynku, o długości zaledwie 31 mm

Promocja

Czujniki ultradźwiękowe znajdują zastosowania w niemal każdym sektorze przemysłu, w którym stosowana jest automatyzacja procesów: w poligrafii do monitorowania poziomu tuszu w zbiornikach oraz kontroli obecności, w instalacjach mobilnych i maszynach rolniczych do pomiaru odległości, położenia i poziomu napełnienia, podczas przeładunku materiałów, w przemyśle opakowaniowym i w systemach montażowych. Ultradźwiękowe czujniki

podwójnych arkuszy, używane w maszynach drukarskich, skanerach, bankomatach i podobnych urządzeniach, stają się coraz bardziej popularne, ponieważ zapobiegają jednoczesnemu pobieraniu kilku arkuszy. Nie mierzą one czasu biegu impulsów, a zakres tłumienia amplitudy sygnału przez obiekty.

Podsumowanie Nowoczesne czujniki ultradźwiękowe to atrakcyjna alternatywa dla innych typów czujników w niezliczonych zastosowaniach, zwłaszcza gdy czujniki operują na granicy swoich możliwości fizycznych lub tylko umożliwiają implementację systemów zautomatyzowanych. Dzisiejsza tendencja do miniaturyzacji oznacza, że czujniki mogą zostać zintegrowane z niemal każdą maszyną. Ogromny skok wydajności mikrosterowników obsługujących skomplikowane algorytmy umożliwił realizację bardzo wymagających zadań, co jeszcze kilka lat temu było nieosiągalne. Wdrożenie inteligentnej parametryzacji przy użyciu interfejsu IO-Link oraz interfejsów procesowych jeszcze bardziej ułatwia obsługę czujników i ich integrację z systemami sterowania w maszynach.

PEPPERL+FUCHS ul. Marsa 56B, 04-242 Warszawa tel. 22 256 97 70, faks 22 256 97 73 e-mail: info@pl.pepperl-fuchs.com www.pepperl-fuchs.pl

Pomiary Automatyka Robotyka nr 4/2014

55

Nowości ELEMENTY MOCUJĄCE

Fot. 1. Gama magnesów trwałych Elesa+Ganter

Magnesy trwałe – uniwersalne elementy do mocowania

pole magnetyczne. Umożliwiają one

Cała siła przyciągania magnesów trwałych, dzięki specjalnej konstrukcji i odpowiedniemu ukierunkowaniu pól magnetycznych, skupiona jest na powierzchni roboczej.

szybkie, bezkształtowe łączenie

Budowa magnesów

magnetyczne wytwarzające stałe

elementów. W artykule opisano zastosowania magnesów tego typu w aplikacjach montażowych oraz magnetyczne elementy łączeniowe firmy Elesa+Ganter.

56

Promocja

Magnesy trwałe zostały skonstruowane w taki sposób, by można je było łatwo dopasować do wymaganej aplikacji. Poszczególne typy magnesów różnią się od siebie rodzajem użytego materiału magnetycznego, materiałem, z którego wykonano obudowę, sposobem mocowania oraz kształtem. Większość z nich wyposażono dodatkowo w ekranowanie, zabezpieczające otoczenie przed niepożądanym namagnesowaniem.

Stal nierdzewna i ocynkowana, guma oraz mosiądz to materiały, z których zostały wykonane obudowy. Dzięki takiej różnorodności materiałów ułatwione staje się stosowanie ich w wymagających środowiskach (np. trudne warunki atmosferyczne, narażenie na korozję, wibracje) lub w aplikacjach, w których występuje kontakt z delikatnymi powierzchniami.

Obudowy Obudowy magnesów, ze względu na kształt i materiał, dzieli się na: • płaskie, • walcowe, • rozwidlone.

Obudowy płaskie w kształcie dysku wykonane są ze stali ocynkowanej,

Fot. Elesa+Ganter

Magnesy trwałe to układy

Fot. 2. Magnesy w obudowie ze stali nierdzewnej (GN 50.25) oraz w osłonie gumowej (GN 51.3)

Tab. 1. Właściwości magnesów według materiału wykonania Rodzaj

SrFe (HF)

AlNiCo (AN)

SmCo (SC)

NdFeB (ND)

Siła przytrzymania

zadowalająca

średnia

duża

bardzo duża

Maksymalna temperatura pracy*

ok. 200 °C

ok. 450 °C

ok. 200 °C

ok. 80 °C

bardzo dobra

bardzo dobra

dobra

słaba

niemożliwa

cięcie ostrzem diamentowym, szlifowanie

niemożliwa

niemożliwa

umiarkowana, za pomocą pól rozmagnesowujących

mała, za pomocą pól rozmagnesowujących

bardzo przystępny

wyższy

Odporność na korozję Skrawalność

Odporność na rozmagnesowanie Poziom cenowy

bardzo duża, duża, tylko za pomocą bardzo silnych tylko za pomocą bardzo silnych pól rozmagnesowujących pól rozmagnesowujących najwyższy

przystępny

Fot. Elesa+Ganter

* maksymalna temperatura pracy jest wartością orientacyjną, ponieważ zależy ona również od rozmiarów magnesu

lakierowanej na czerwono, lub stali nierdzewnej (aplikacje wymagające odpowiedniego zabezpieczenia przed korozją). Ich montaż wykonuje się za pomocą klejenia, mocowania na wcisk, lub przez połączenia śrubowe (przygotowany otwór przelotowy pod wkręt stożkowy, obudowa z trzpieniem gwintowanym lub z otworem gwintowanym, nieprzelotowym). Dodatkowo dla tej grupy magnesów i ich różnych sposobów mocowania dostępne są obudowy stalowe cynkowane z osłoną gumową. Osłona ta zabezpiecza przed uszkodzeniem powierzchnie robocze i kompensuje drgania. Obudowy tego typu zostały przedstawione na fot. 2.

Obudowy walcowe wykonane są ze stali ocynkowanej, lakierowanej na

czerwono lub mosiężnej (fot. 3), natomiast obudowy rozwidlone to odlewy nieekranowane, lakierowane na czerwono (fot. 4).

Materiały rdzenia Rdzenie magnesów trwałych mogą być wykonane z: • ferrytu, • połączenia aluminium niklu i kobaltu (AlNiCo), • samaru i kobaltu (SmCo), • neodymu (neodymu, żelaza i boru – NdFeB).

W przypadku ferrytu stosuje się twardy materiał ferromagnetyczny (HF) – SrFe, czyli ferryt strontu. Magnesy ferromagnetyczne (80 proc. stanowi w nich tlenek żelaza) są wytwarzane

w procesie spiekania. Tak jak wszystkie materiały ceramiczne, magnesy ferrytowe są bardzo twarde, kruche oraz nie poddają się obróbce skrawaniem. Mogą być stosowane w temperaturze otoczenia, która nie przekracza 200 °C. Materiał ten gwarantuje dobrą siłę przyciągania, która jednak zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury otoczenia.

Aluminium-nikiel-kobalt (AlNiCo) to materiał wyjątkowo twardy i ciężki, ale może być poddawany obróbce. Magnesy AlNiCo (główne pierwiastki chemiczne to aluminium, nikiel, kobalt i żelazo) mogą być produkowane metodami metalurgicznymi (odlewy) albo drogą metalurgii proszków (spiekanie). Materiał ten nie wymaga zabezpieczenia antykorozyjnego i jest warty polecenia

Pomiary Automatyka Robotyka nr 4/2014

57

Nowości ELEMENTY MOCUJĄCE

w przypadkach, gdy pole magnetyczne musi być stabilne i niezmienne, także przy różnych wartościach temperatury. Maksymalna temperatura pracy tego materiału wynosi 450 °C. Samar-kobalt (SmCo) to materiał o bardzo wysokiej sile magnetycznej.

Magnesy samarowo-kobaltowe (SC) są wytwarzane w procesie spiekania. Materiał ten jest bardzo twardy, kruchy oraz nie poddaje się obróbce skrawaniem. Magnetyczna siła przytrzymania (udźwig) zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury. Jest bardzo trudny do rozmagnesowania. Jego temperatura pracy nie powinna przekraczać 200 °C.

Fot. 3. Magnes w obudowie z mosiądzu – model GN 54.1

80 °C. Wartość magnetycznej siły przytrzymania zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury.

Siła przyciągania Głównymi czynnikami, spośród pozostałych, mającymi wpływ na siłę przyciągania magnesu są: • izolacja powietrzna (lub inne materiały nieprzewodzące pola magnetycznego), • rodzaj powierzchni (chropowatość i kształt), • temperatura, • stosunek materiału ferromagnetycznego do stali lub jego zdolność do całkowitego wchłonięcia strumie-

Fot. 4. Magnes rozwidlony – model GN 60

Należy także pamiętać, że elementy hartowane są złymi przewodnikami strumienia magnetycznego, dlatego w ich przypadku siła przyciągania jest mniejsza. Siła przyciągania magnetycznego może też zostać osłabiona przez zmiany temperatury lub czynniki chemiczne (kontakt z cieczami, gazami itp.).

Zastosowania magnesów Do najpopularniejszych zastosowań magnesów trwałych należą: • mocowanie wszelkiego rodzaju osłon, pokryw i drzwiczek, • ustalanie detali w urządzeniach kontrolnych i pomiarowych (jest to przydatne zwłaszcza wtedy, gdy zakres ruchu głowicy pomiarowej uniemożliwia zastosowanie tradycyjnych elementów dociskających), • wstępne pozycjonowanie detali w procesie spawania, zgrzewania itp., • przytrzymanie części w przyrządach montażowych, np. w stemplu wciskającym jeden element w drugi, • chwytanie i podnoszenie elementów w automatycznych liniach transportujących.

Szczegółowe dane dotyczące poszczególnych rodzajów magnesów można znaleźć na stronie www.magnesy -24h.pl.

Tab. 2. Wartość siły przyciągania magnesu dla różnych materiałów, w stosunku do siły przyciągania czystego żelaza Procent siły przyciągania

Materiał

Procent siły przyciągania

Materiał

Procent siły przyciągania

Materiał

95

St37

90

C45

72

X155CrMo12

95

C15

87

Ck45

65

X210CrW12

94

34CrNiMo6

86

C60

50

20MnCr5

93

St52-3

84

42CrMo4

30

GG

92

90MnV8

75

St50

0

metale niemagnetyczne

Neodym – neodym-żelazo-bor (NdFeB) – to materiał wytwarzany metodą metalurgii proszków (spiekanie). Materiał ten jest bardzo twardy, kruchy oraz nie poddaje się obróbce skrawaniem. Ten typ materiału charakteryzuje się najwyższą siłą magnetyczną i najmniejszym efektem rozmagnesowania. Maksymalna temperatura pracy wynosi

58

nia pola magnetycznego (zakłada się, że czyste żelazo jest materiałem w 100 proc. przyciąganym przez magnes, a wraz ze zmniejszeniem jego zawartości w stali oraz zwiększeniem zawartości składników stopowych, wartość siły przyciągania maleje i kształtuje się tak, jak to przedstawiono w tab. 2).

ELESA+GANTER Polska Sp. z o.o. ul. Nowa 23 Stara Iwiczna, 05-500 Piaseczno tel. 22 737 70 47, fax 22 737 70 48 e-mail: egp@elesa-ganter.com.pl www.elesa-ganter.pl

ZAPOWIEDZI Wydarzenia

Konferencja IEEE Intelligent Systems ’14

Instytut Badań Systemowych Polskiej Akademii Nauk, przy współpracy z Wydziałem IV Nauk Technicznych Polskiej Akademii Nauk, Przemysłowym Instytutem Automatyki i Pomiarów PIAP oraz Polskim Towarzystwem Badań Operacyjnych i Systemowych organizuje konferencję

Fot. Elesa+Ganter, IBS PAN

IEEE Intelligent Systems ’14.

Międzynarodowa konferencja naukowa, która odbędzie się w dniach 24–26 września 2014 r., jest organizowana co dwa lata. W tym roku jest ona technicznie wspierana przez IEEE SMC (Systems, Man, and Cybernetics Society), IEEE CIS (Computational Intelligence Society), Polish Chapter of IEEE, Polish Section of CIS IEEE, Polish Operational and Systems Research Society, Polish Neural Network Society i Polish Association of Artificial Intelligence.

Konferencja jest ważnym forum prezentacji wyników najnowszych badań, rozważań i nowych idei w zakresie teorii, projektowania i zastosowania szeroko rozumianych systemów inteligentnych. Zakres tematyczny konferencji obejmuje nowoczesne metody i narzędzia sztucznej inteligencji, inteligencji obliczeniowej (logika rozmyte, zbiory przybliżone, obliczenia ewolucyjne, sztuczne sieci neuronowe, inteligencja rojowa itp.), modelowanie niepewności, niestandardowych logik, analizy danych, eksploracji danych i odkrywania wiedzy, uczenia maszynowego, agregacji i fuzji informacji, przetwarzania informacji multimedialnej, technologii internetowej i Web intelligence, obliczeń kognitywnych i afektywnych, systemów wieloagentowych, ontologii dla systemów inteligentnych, „big data” itd.

Główne obszary zastosowań obejmują m.in. bioinformatykę, biznes i finanse, inteligentne systemy wspomagania decyzji, systemy zarządzania bazami danych, e-learning, e-administration, inżynierię środowiska, ochronę zdrowia, bezpieczeństwo, urządzenia pomiarowe, automatykę, mobilną robotykę, sys-

temy wytwarzania, logistykę, elektrotechnikę i energetykę, telekomunikację, infrastrukturę, transport itd.

Zaakceptowane referaty zostaną zamieszczone w materiałach konferencyjnych, w publikowanej przez wydawnictwo Springer serii wydawniczej „Advances in Intelligent Systems and Computing” (www.springer.com/series/11156), zgłoszonej do indeksowania przez Thomson Reuters Conference Proceedings Citation Index i Elsevier’s EI Compendex, i będą dostępne w IEEE Explore.

Autorzy wybranych referatów zostaną zaproszeni do przygotowania rozszerzonych wersji, które będą opublikowane w uznanych czasopismach, takich jak „Control and Cybernetics”, „Journal of Automation”, „Mobile Robotics and Intelligent Systems”, „Intelligent and Complex Systems” i innych. Planuje się również opublikowanie w wydawnictwie Springer prac zbiorowych, poświęconych wybranym nowym kierunkom i tematom badań, które spotkają się ze szczególnym zainteresowaniem w trakcie konferencji.

Konferencja odbędzie się w warszawskim hotelu Gromada. Więcej informacji na stronie ieee-is-2014.ibspan.waw.pl.

Mat. pras. Komitetu Organizacyjnego IS ’14

Pomiary Automatyka Robotyka nr 4/2014

59

Forum młodych RELACJE

Turniej Robotów Mobilnych Robomaticon „People Behind Technology”, który odbył się 8 marca 2014 r. w Gmachu Głównym Politechniki Warszawskiej, zgromadził jeszcze więcej publiczności niż rok temu. W czasie czwartej edycji imprezy miłośnicy robotów mogli obserwować ich zmagania w kilkunastu konkurencjach.

Pod dachem Politechniki Warszawskiej ponownie spotkali się w tym roku najlepsi konstruktorzy robotów z całej Polski, aby zmierzyć się w 13 wyjątkowych konkurencjach. Nie zabrakło także atrakcji dla widzów – każdy mógł tu znaleźć coś dla siebie, zarówno duży, jak i mały amator robotycznych zmagań.

Uroczyste rozpoczęcie czwartego już Turnieju Robotów Mobilnych Robomaticon „People Behind Technology” nastąpiło o godzinie 900 rano – wtedy rozpoczęły się pierwsze rozgrywki. Organiza-

60

torzy przygotowali 12 konkurencji standardowych, czyli takich, które są rozgrywane na turniejach robotycznych na całym świecie, a dodatkowo zaproponowali jedną nową pod nazwą Death Race.

Zacięta rywalizacja Jedną z konkurencji, która zgromadziła tłum obserwatorów, było Sumo w kilku odsłonach. Dwóch przeciwników ma w tym przypadku tylko jeden cel – wypchnąć wroga poza krawędź ringu.

Na małej, okrągłej planszy ścierały się

ze sobą oryginalne wizje konstruktorskie w sześciu kategoriach: Sumo, Minisumo, Mikrosumo, Nanosumo (roboty wielkości 2,5 cm x 2,5 cm), Lego Sumo oraz Humanoid Sumo.

Kolejną dyscypliną, która wzbudziła równie wiele emocji, były wyścigi robotów w konkurencjach Exatel Line Follower, Line Follower Enhanced i Humanoid Sprint. Roboty, które przypominają małe wyścigówki lub – w ostatnim z wymienionych przypadków – ludzi, ścigają się po krętej czarnej linii przygoto-

Fot. P. Szaławiński (Klub Focus.pl)

Robomaticon 2014 już za nami!

Fot. P. Szaławiński (Klub Focus.pl)

Na Robomaticon 2014 zjechali najlepsi konstruktorzy z całej Polski. Turniej jest adresowany nie tylko do doświadczonych inżynierów, ale także do tych, którzy stawiają w tej dziedzinie pierwsze kroki lub chcą pozostać jedynie obserwatorami

wanej przez sędziów. Trudność i długość trasy są inne dla każdej z dyscyplin.

W trakcie turnieju rozegrano też Efla Freestyle – najbardziej „dowolną” konkurencję. Jeśli robot biega, skacze, pływa, otwiera piwo, gada, wspina się, lata czy nawet nic nie robi, ale w wielkim stylu, to właśnie na Elfa Freestyle jest mile widziany.

Roboty obecne na Robotimaticon 2014 można było obejrzeć także w zmaganiach w konkurencji Micromouse – mysz szukająca drogi w labiryncie – oraz w konkurencji Puck Collect, w której dwa roboty walczą między sobą o krążki.

Zorganizowana konkurencja dodatkowa – Death Race – to wyścigi na śmierć i życie robotów o luźno zdefinio-

wanej konstrukcji. W tej konkurencji nie ma zasad, liczy się jedynie to, kto pierwszy i w całości dotrze do celu.

Dodatkowe atrakcje Na tych wszystkich, którzy zjawili się w Gmachu Głównym Politechniki Warszawskiej, oprócz emocjonujących igrzysk robotycznych, czekało wiele atrakcji. Powstały małe targi technologiczne, ponieważ część z partnerów wydarzenia, czyli firmy ASTOR, KUKA oraz igus, przywiozły swoje roboty przemysłowe. Ze swoimi stoiskami obecne były również inne firmy i instytucje, m.in. Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP oraz Exatel. Była to dobra okazja, by porozmawiać z przed-

stawicielami tych firm i dowiedzieć się więcej o ich działalności.

Milusińscy także nie mogli się nudzić.

Z myślą o najmłodszych firma Roboty i Spółka zorganizowała warsztaty robotyczne, zaś firma Exatel zaproponowała malowanie buziek. Uwagę najmłodszych fanów przyciągało też stoisko Centrum Nauki Kopernik.

Koło Naukowe Robomatic

www.robomaticon.pl

Zobacz więcej Pobierz bezpłatną aplikację PAR+ App Store | Google Play

Pomiary Automatyka Robotyka nr 4/2014

61

Polecane książki

Roland Nater, Artur Reichmuth, Roman Schwartz, Michael Borys, Panagiotis Zervos

Dictionary of Weighing Terms A Guide to the Terminology of Weighing Każdą z dziedzin pomiarowych wyróżnia charakterystyczna terminologia. Ze względu na wielowiekową tradycję pomiaru masy, zróżnicowanie techniczne przyrządów ważących i różnorodność ich zastosowań, terminologia w tej dziedzinie jest niezwykle bogata. We współczesnym, zglobalizowanym świecie terminy te funkcjonują w kilkunastu językach. Publikacja o charakterze glosariusza w języku angielskim zapewnia, iż dany termin jest przez wszystkich rozumiany tak samo.

Misji stworzenia kompendium terminów stosowanych w ważeniu i wagarstwie podjęła się grupa naukowców ze szwajcarskiej firmy Mettler-Toledo (R. Nater i A. Reichmuth) oraz niemieckiego krajowego instytutu metrologicznego, PTB (M. Borys, P. Zervos i R. Schwartz). Chociaż autorzy wywodzą się z niemieckiego obszaru językowego, to monografię wydano w języku angielskim, dzięki czemu ma ona charakter dokumentacji międzynarodowej.

Dzieło „Dictionary of Weighing Terms. A Guide to the Terminology of Weighing” („Słownik terminów wagarskich. Przewodnik po terminologii stosowanej w ważeniu”) zawiera około 1100 zwięźle, lecz przystępnie wyjaśnionych pojęć używanych w ważeniu i wagarstwie. Są tu określenia podstawowych pojęć z zakresu metrologii masy, objaśnienia zasady działania poszczególnych typów wag, opisy części składowych przyrządów ważących oraz terminy odnoszące się do zjawisk wpływających na niepewność pomiaru masy. W przypadku pojęć zdefiniowanych w dokumentach organizacji

62

międzynarodowych, słownik podaje odniesienia do odpowiednich dokumentów źródłowych. Cytowanych jest 17 dyrektyw Unii Europejskiej oraz 38 dokumentów OIML, ISO, BIPM, NIST, IUPAC, ASTM, USP i krajowych norm niemieckich odnoszących się do wag, ważenia i wzorców masy, co ułatwia odszukanie odpowiednich materiałów źródłowych.

Słownik jest bogato ilustrowany.

Schematy, wykresy, wzory oznakowań i fotografie przyrządów pomiarowych sprawiają, iż mimo technicznego charakteru publikacja jest przejrzysta. Nie sposób nie zauważyć, że producentami znacznej większości zaprezentowanych na fotografiach urządzeń pomiarowych są firmy szwajcarskie i niemieckie. Również w odniesieniach do krajowych instytutów metrologicznych autorzy powołują się głównie na niemiecki PTB i szwajcarski METAS; wzmiankowane są też amerykański NIST, brytyjski NPL i francuski LNE. Próżno jednak szukać w owym kompendium odniesień do NMI innych krajów, mających duży potencjał przemysłowy (również w wagarstwie) i znaczne osiągnięcia w metrologii masy.

Omawiana monografia stanowi szczegółowe kompendium terminów technicznych stosowanych w ważeniu i wagarstwie, ale czytelnik zainteresowany metrologią naukową zauważy brak odniesień do ważnego tematu, jakim jest redefinicja jednostki masy oraz zagadnienia pokrewne, jak idea i realizacja wagi Watta lub alternatywna metoda realizacji jednostki masy za pomocą kul krzemowych (projekt Avogadro).

Wynika to z inżynierskiego charakteru tego dzieła, które koncentruje się na zagadnieniach i pojęciach dobrze ugruntowanych, nie podejmując tematów będących przedmiotem badań naukowych i związanych z nimi kontrowersji.

Słownik jest bardzo wartościową pozycją w dziedzinie metrologii masy i inżynierii urządzeń ważących. Można go

polecić metrologom, konstruktorom wag laboratoryjnych, przemysłowych i handlowych oraz użytkownikom wag.

Publikacja będzie pomocna wszędzie tam, gdzie wagi i dokładne ważenie są istotnym elementem pracy zawodowej.

Można go też rekomendować bibliotekom politechnik, uniwersytetów i instytutów badawczych.

Proces globalizacji, obejmujący stopniowo kolejne dziedziny aktywności społecznej, wymaga ujednolicenia pojęć, którymi posługują się naukowcy, inżynierowie, handlowcy, a także humaniści na całym świecie. Chociaż nauki techniczne, w odróżnieniu od nauk humanistycznych, są wolne od wątków ideologicznych i światopoglądowych, wpływających na interpretację pojęć, to problem jednoznaczności terminów stosowanych w wymiernych dziedzinach wiedzy wcale nie jest mniejszy. Wynika to z rozwoju nauki i techniki, który prowadzi do rozbudowy wąskospecjalistycznego nazewnictwa oraz wymogu precyzyjnego wysławiania się w dziedzinie nauk ścisłych. W metrologii ogólnej ideę unifikacji terminologii realizują kolejne wydania słowników VIM („International Vocabulary of Metrology – Basic and General Concepts and Associated Terms”) i VIML („International Vocabulary of Terms in Legal Metrology”) oraz inne publikacje normatywne organizacji międzynarodowych, takich jak BIPM, OIML lub ISO. Słownik terminów wagarskich jest przyczynkiem do tego dzieła w dziedzinie metrologii masy.

Wydawnictwo Springer (Dordrecht, Heidelberg, London, New York), druk i oprawa: Stürtz GmbH, Würzburg, 2013 r. (pierwsze wydanie 2009 r.); ISBN: 978-3-642-02013-1; e-ISBN: 978-3642-02014-8; DOI: 10.1007/978-3642-02014-8; 269 str.

dr Wojciech T. Chyla

Zezwala się na korzystanie z artykułu na warunkach licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0

Nauka

Pewne podejście do integracji informacyjnej przygotowania i realizacji produkcji Jerzy Zając, Adam Kmiecik Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji Produkcji, Politechnika Krakowska

Streszczenie: W pracy podjęto tematykę integracji informacyjnej procesów przygotowania i realizacji produkcji. Wykorzystując standard XML, zaproponowano hierarchiczny opis wielowariantowych procesów wytwarzania. Przyjęty sposób budowy opracowanego formatu zapisu wielowariantowego procesu wytwórczego sprawia, iż zapis ten jest rozwiązaniem otwartym i skalowalnym. Dzięki temu nadaje się do bezpośredniego wykorzystania w rozproszonych, wieloagentowych systemach sterowania produkcją, które umożliwiają budowę rekonfigurowalnych systemów wytwarzania. Systemy takie odpowiadają współczesnym wyzwaniom ukierunkowanym na indywidualizację wytwarzanych produktów.

Słowa kluczowe: integracja informacji, rekonfigurowany system wytwarzania, XML DOI: 10.14313/PAR_206/63

1. Wprowadzenie Cykl życia produktu PLM (ang. product lifecycle management) jest zwykle definiowany jako proces obejmujący całość zagadnień związanych z produktem: od powstania koncepcji produktu, przez jego projekt i wytwarzanie, obsługę posprzedażną, aż do recyclingu włącznie. W dużym uproszczeniu cykl życia produktu obejmuje trzy zasadnicze etapy: przygotowanie produkcji, realizację produkcji i użytkowanie.

Szybkość reagowania na zmieniające się potrzeby klientów nabiera w warunkach globalnej konkurencji istotnego znaczenia, co powoduje, iż minimalizacja czasu potrzebnego do wytworzenia nowego produktu, stanowi jeden z istotnych wskaźników decydujących o efektywności ekonomicznej przedsiębiorstw. Aby efektywnie skrócić czas niezbędny do wprowadzenia produktu na rynek, przedsiębiorstwo powinno dążyć m.in. do skrócenia okresów przygotowania i realizacji produkcji. Wymaga to nowego podejścia do budowy systemów wytwarzania, które nie tylko łączy w sobie wysoką wydajność produkcji z elastycznością systemów wytwórczych, ale także oferuje dużą szybkość reagowania na charakterystyczne dla globalnego rynku zmiany wynikające m.in. z coraz wyższego stopnia indywidualizacji wytwarzanych produktów.

Istotną cechą takich systemów jest ich zdolność do rekonfiguracji, która daje im możliwość dostosowania się do rosnących potrzeb i wymagań przez zmiany w strukturze systemu wytwarzania oraz w realizowanych w nich procesach.

Koncepcja rekonfigurowalnych systemów wytwarzania RMS (ang. reconfigurable manufacturing systems) i jednego z jej składników – rekonfigurowalnych obrabiarek RMT (ang. reconfigurable machine tools) zostały opracowane na Uniwersytecie Michigan [6]. Cel powstania RMS podsumować można stwierdzeniem – „dajemy możliwości i funkcjonalność systemom wytwarzania tylko wtedy, kiedy są one potrzebne” [4].

Jedną z istotnych cech systemów rekonfigurowalnych jest to, iż dopuszczają one realizację wielowariantowych procesów wytwórczych oraz pozwalają na sterowanie produkcją bez zastosowania długookresowych okresów planowania, co umożliwia szybkie wprowadzanie nowych zleceń produkcyjnych.

W ramach prowadzonych na Politechnice Krakowskiej prac [1, 7] dotyczących problematyki sterowania systemami wytwarzania, zauważono, iż najlepszym sposobem budowy systemu sterowania rekonfigurowalnego systemu wytwarzania będzie zastosowanie rozproszonego systemu zbudowanego z wykorzystaniem technologii agentowej. W takim przypadku przyjmuje się, iż zasadniczymi elementami systemu sterowania są agenty reprezentujące poszczególne zasoby i urządzenia, np. obrabiarki, roboty, magazyny, pojazdy itp. Podstawową zaletą takiego założenia jest fakt, iż system sterowania tworzą elementy, które można nazwać autonomicznymi. Mają one bowiem najczęściej własne sterowniki i mogą wykonywać określony zbiór czynności wytwórczych samodzielnie lub we współdziałaniu z innymi elementami. Inną zaletą takiego podejścia jest traktowanie czynności wytwórczych (za których realizację odpowiedzialne są poszczególne zasoby) jako czynności, które wykorzystywane są podczas projektowania procesów wytwórczych już w trakcie przygotowania produkcji. Umożliwia to prostą i przejrzystą analizę zachowań systemu oraz integrację przygotowania produkcji z realizacją produkcji.

2. Procesy przygotowania i realizacji produkcji W tradycyjnych systemach wytwarzania przygotowanie oraz realizacja produkcji, dwa następujące po sobie etapy cyklu życia produktu, wykonywane były w sposób sekwencyjny – jeden po drugim, czyli według schematu „zakończ jeden etap aby rozpocząć kolejny”.

W systemach wytwarzania nowej generacji etapy przygotowania produkcji i jej realizacji muszą być zintegrowane informacyjnie oraz organizacyjnie, a pewne elementy działań powinny być realizowane współbieżnie. Wymagane jest zatem dopaPomiary Automatyka Robotyka nr 4/2014

63

Nauka

sowanie struktur danych oraz opracowanie mechanizmów wymiany informacji między systemami i procesami istniejącymi w integrowanych etapach cyklu życia produktu.

Proponuje się zatem, aby głównym elementem integrującym przygotowanie produkcji i jej realizację była struktura wielowariantowego procesu wytwórczego obejmująca zadania technologiczne oraz zadania przepływu i magazynowania materiałów. Każdy z możliwych do realizacji procesów wytwórczych w rozpatrywanym systemie wytwarzania, obejmował będzie sekwencję różnorodnych działań, takich jak: zmiana stanu produktu (np. obróbka pomiar, mycie), transport, manipulacja oraz magazynowanie.

W trakcie przygotowania produkcji istnieje zazwyczaj wiele potencjalnych wariantów prowadzących do wytworzenia gotowego produktu. Jest to ważna i pożądana cecha charakteryzująca systemy rekonfigurowalne, zwiększająca ich odporność na zakłócenia wynikające z występujących awarii, czy też napływających losowo zleceń produkcyjnych. Jednym z zadań przygotowania produkcji jest opracowanie odpowiednich danych dla systemu sterowania wytwarzaniem. Realizacja produkcji musi uwzględniać nie tylko kolejność czynności wytwórczych, ale także stan przedmiotów oraz zasoby biorące udział w wykonywanych czynnościach. Zasadnicze elementy tego zadania realizowane są w ramach projektowania procesów technologicznych [2, 3].

Rezultatem zadania projektowania procesów technologicznych, wykonywanego w ramach przygotowania produkcji, jest zbiór niezbędnych operacji wraz z żądaną kolejnością ich realizacji. Operacje te powodują zmianę kształtu, wymiarów oraz właściwości wytwarzanych produktów. Procesy technologiczne mogą różnić się strukturą – składać się z różnej liczby operacji technologicznych. Każda operacja w procesie technologicznym może być zazwyczaj wykonana w wielu wariantach wynikających z zastosowania różnych obrabiarek, struktur operacji w zakresie ustawień, pozycji i zabiegów, sekwencji zabiegów, czy też parametrów obróbki, np. w zależności od dobranego narzędzia. W efekcie wyboru różnych wariantów struktury operacji (ustawienia, pozycje, zabiegi) oraz oprzyrządowania, otrzymujemy warianty czynności wytwórczej różniące się kosztem i czasem wykonania przy utrzymaniu przyjętych wymagań jakościowych. Z punktu widzenia przygotowania produkcji i sterowania wytwarzaniem operacja technologiczna, utożsamiana z czynnością wytwórczą zmieniająca stan [5], jest najważniejszym elementem, stanowiącym zadanie (zależne i niepodzielne) realizowane na stanowisku wytwórczym.

Opracowane procesy technologiczne są procesami podstawowymi. Wraz z nimi muszą znaleźć się w projektowanym procesie wytwórczym również działania odpowiedzialne za realizację procesów pomocniczych, gdyż są one niezbędne dla sprawnej realizacji procesów podstawowych. Dlatego wymagane jest podjęcie działań, w których sekwencja operacji technologicznych zostanie uzupełniona o czynności pomocnicze, co doprowadzi do rozwiązania dającego w efekcie końcowym pełnowartościowy, wielowariantowy proces wytwórczy. Proces ten, będący wynikiem pracy systemu przygotowania produkcji, stanowić będzie jednocześnie podstawę do konfiguracji/ rekonfiguracji systemu sterowania wytwarzaniem. Zakłada się, że przyjęty sposób rozwiązania problemu zapewni bezpośrednią wymianę danych między tymi systemami.

64

Wymagane jest opracowanie formatu zapisu procesu wytwórczego, który będzie przedstawiał sekwencje czynności wytwórczych prowadzących do otrzymania gotowego produktu z wyjściowego półfabrykatu. Wielowariantowy proces wytwórczy obejmuje czynności wytwórcze odpowiadające działaniom: zmieniającym stan produktu, transportowym, manipulacyjnym oraz magazynowania. W proponowanej koncepcji istotne znaczenie ma jednoznaczność przyjętego zapisu, nie budząca wątpliwości interpretacyjnych zarówno w trakcie przygotowania produkcji, jak i sterowania systemem wytwarzania.

3. Ujednolicony zapis procesów wytwórczych w formacie XML W celu integracji informacyjnej dwóch niezależnych zadań, jakimi są projektowanie procesów wytwórczych oraz sterowanie systemem wytwarzania, opracowano format znaczników XML. Za ich pomocą zapisywana jest informacja o wygenerowanym wielowariantowym procesie wytwórczym. Główne założenia do budowy formatu to: –– Czynność zmieniająca stan przedmiotu jest operacją technologiczną realizowaną przez określone zasoby systemowe i ma na celu zmianę kształtu, wymiarów oraz właściwości przedmiotów obrabianych (obróbka, mycie, kontrola jakości itp.). Szczególnym przypadkiem czynności zmieniającej stan jest czynność obróbkowa. Czynność ta oznacza nieprzerwane działanie wykonywane w ramach jednej operacji, jednego ustawienia i na wybranej obrabiarce.

–– W przypadku zmiany ustawienia, wykonywane są czynności pomocnicze (manipulacyjne), które muszą być uwzględnione w procesie sterowania.

–– Dla każdej z czynności obróbkowej istnieje opracowany program NC. –– Istnieją warianty danej czynności obróbkowej różniące się czasem i kosztem przy zachowaniu przyjętych wymagań jakościowych. Cechą wariantowych czynności obróbkowych jest to, iż stan przedmiotu przed ich rozpoczęciem musi być identyczny. Po zakończeniu tych czynności stan przedmiotu jest również taki sam (ale inny niż przed ich rozpoczęciem).

–– Wariant czynności obróbkowej może wynikać ze zmiany obrabiarki na inną lub też zmiany wewnętrznej struktury operacji w przypadku użycia tej samej obrabiarki, przy czym uzyskane różnice czasów i kosztów nie wpływają na przyjęte wymagania jakościowe.

–– Wariant czynności transportowej może wynikać ze zmiany środka transportowego, drogi przejazdu lub ze zmiany parametrów, np. średnia prędkość pojazdu wpływająca na czas i koszt wykonania.

–– Aby realizacja czynności była możliwa, niezbędne jest spełnienie określonych warunków weryfikowanych na dwóch poziomach. Na poziomie wyższym systemu sterowania (logicznym) weryfikowane są dostępność niezbędnych zasobów oraz ich stan, a na poziomie niższym (lokalnym) weryfikowane są w przypadku czynności obróbkowej warunki dotyczące dostępności oraz stanu narzędzi i niezbędnego oprzyrządowania, oraz dostępność programów NC. Dalej omówiona zostanie opracowana hierarchiczna struktura dokumentu XML zawierająca opis wielowariantowego procesu wytwórczego. W opisie znaczników XML, części skła-

dowe są reprezentowane przez elementy, które mają znacznik otwierający i zamykający. <process id=… name=… wkpid=…> <activity id=… name=… subject=…> <previousActivities> <activity id=… name=…/> ... </previousActivities> <nextActivities>…</nextActivities> <inputConditions> <condition> <Agent name=… type=resource /> <jobEntity> <Agent name=... type=part state=.../> <pallet type=…/> </jobEntity> </condition> <condition>…</condition> </inputConditions> <outputConditions><condition> …</condition> </outputConditions> <auxiliaryConditions> <condition> <Agent name=… type=resource /> </condition> </auxiliaryConditions> <variant cost=… time=...> <Resources> …. </Resources> <NCProgram> … </NCProgram> </variants> </activity> <activity>… </activity> </process> Rys. 1. Format zapisu procesu wytwórczego Fig. 1. Format of manufacturing process data

Elementem nadrzędnym jest w przypadku proponowanego formatu proces wytwórczy, który reprezentuje najwyższy poziom w hierarchii. Element <process> ma następujące atrybuty: –– id – identyfikator procesu, –– name – nazwa identyfikująca proces, –– wkpid – identyfikator przedmiotu obrabianego, którego proces dotyczy.

Podstawowym elementem składowym procesu jest czynność wytwórcza przedstawiana jako element <activity> o następujących atrybutach: –– name – nazwa czynności wytwórczej, –– id – identyfikator czynności, –– subject – opis czynności, oraz następujące elementy zagnieżdżone: –– previousActivities – czynności poprzedzające, –– nextActivities – czynności następne, –– inputConditions – warunki wejściowe konieczne do realizacji czynności, –– outputConditions – warunki wyjściowe otrzymane po zakończeniu czynności,

–– auxiliaryConditions – pomocnicze zasoby wymagane do realizacji czynności, –– variants – warianty realizacji czynności wytwórczej.

Zagnieżdżone elementy <previousActivities> oraz <nextActivities> nie mają atrybutów, ale zawierają jeden lub więcej elementów <activity>. Liczba obowiązkowych atrybutów elementu <activity> jest ograniczona do atrybutu name oraz id. Element <previousActivities> grupuje elementy <activity> odpowiadające czynnościom, które w procesie poprzedzają bezpośrednio opisywaną czynność. Natomiast element <nextActivities> grupuje elementy <activity> odpowiadające czynnościom, które w procesie następują bezpośrednio po opisywanej czynności. Obydwa elementy (<previousActivities>, <nextActivities>) zawierają jeden lub więcej elementów <activity>. W przypadku większej ich liczby jest to interpretowane tak, iż poprzedzającą lub kolejną w procesie może być każda z wymienionych czynności (na zasadzie alternatywy).

W ten sposób definiowana jest wielowariantowość procesu w aspekcie możliwości realizacji różnych czynności na danym etapie procesu. Przyjęta koncepcja opisu wielowariantowego procesu zakłada, iż pierwsza czynność w procesie nie zawiera elementu <previousActivities> oraz analogicznie ostatnia czynność procesu nie zawiera elementu <nextActivities>.

Kolejnymi elementami zagnieżdżonymi w znaczniku odpowiadającym czynności wytwórczej są <inputConditions> i <outputConditions>, które określają odpowiednio warunki wejściowe i wyjściowe. W warunkach tych określa się odpowiednio: zasób, na którym znajduje się przedmiot przed rozpoczęciem czynności; zasób, na którym znajduje się przedmiot po wykonaniu czynności, zasoby pomocnicze oraz typ przedmiotu, a także jego stan przed i po wykonaniu czynności.

Każdy z elementów <inputConditions> lub <outputConditions> zawiera jeden lub więcej elementów <condition>.

W zapisie warunku – condition znajdują się kolejne elementy zagnieżdżone: –– <agent> – zasób wykonawczy, –– <jobEntity> – szczegóły związane z przedmiotem obrabianym.

Element <agent> ma atrybut type zdefiniowany jako resource i atrybut name odpowiadający nazwie zasobu.

Element <jobEntity> określa szczegóły dotyczące przedmiotu obrabianego, zawiera elementy zagnieżdżone: –– <agent> – przedmiot obrabiany, –– <pallet> – typ palety.

Element <agent> ma atrybut type tym razem zdefiniowany jako part oraz atrybuty name i state określające nazwę i stan przedmiotu. Ten ostatnio wymieniony atrybut, w przypadku warunków wejściowych, określa stan przed rozpoczęciem czynności, zaś ten rozpatrywany w kontekście warunków wyjściowych, definiuje stan przedmiotu po zakończeniu czynności. Element <jobEntity> może zawierać także jeden lub więcej elementów <pallet>, których atrybut type określa dopuszczalny typ lub typy stosowanych w procesie realizacji produkcji palet.

Opcjonalny element zagnieżdżony w czynności wytwórczej <auxiliaryConditions> zawiera jeden element <condition>, który definiuje dodatkowe (pomocnicze) zasoby wymagane do realizacji czynności, np. dla czynności transportowej może to oznaczać zasób utożsamiany ze środkiem transportu.

Pomiary Automatyka Robotyka nr 4/2014

65

Nauka

Ostatni element <variants> zawiera jeden lub więcej elementów <variant>, z których każdy definiuje szczegóły techniczne dla realizowanej czynności, a także szacowany koszt i czas wykonania (atrybuty cost i time). W ten sposób definiowana jest wielowariantowość na poziomie różnych sposobów (wariantów) realizacji pojedynczej czynności.

Element <variant> zawiera następujące obiekty zagnieżdżone: –– <NCProgram> – program NC do realizacji czynności (element opcjonalny, np. w czynności transportowej nie występuje), –– <Resources> – lista zasobów, koniecznych do realizacji czynności – opracowana dla czynności obróbkowej jako najbardziej typowej.

Element <Resources> ze względu na obszerną liczbę znaczników XML został pominięty w przedstawionym opisie.

Składa się on z elementów stanowiących listy: zespołów przedmiotowych narzędziowych stałych i zmiennych, narzędzi oraz urządzeń pomiarowych.

Na rys. 2, w postaci diagramu UML, przedstawiono przykładowy fragment procesu wytwórczego, uwzględniający kolejność wykonywanych czynności.

Rys. 2. Diagram UML przebiegu procesu dla fragmentu procesu wytwórczego Fig. 2. UML diagram of part of a manufacturing process

Przebieg procesu rozpoczyna się od pobrania palety zawierającej przedmioty typu PO1, znajdującej się w magazynie międzyoperacyjnym MAG a następnie przetransportowaniu jej do obrabiarki OB1. Po przetransportowaniu palety na obrabiarkę OB1 i wykonaniu czynności obróbkowej, paleta z przedmiotami przewożona jest z powrotem do magazynu międzyoperacyjnego MAG. Kolejna czynność zakłada transport z magazynu do kolejnej obrabiarki OB2. Przebieg procesu umożliwia również realizację wariantu z bezpośrednim transportem między obrabiarkami OB1 i OB2. <activity name=”PO1:OB1”> <previousActivities> <activity name=”PO1:MAG-OB1”/> </previous Activities>

66

<nextActivities> <activity name=”PO1:OB1-MAG”/> <activity name=”PO1:OB1-OB2”/> </nextActivities> <inputConditions> <condition> <agent name=”OB1” type=”resource”/> <jobEntity> <agent name=”PO1” type=”part” state =”PBOB1” /> <pallet type=”pa01” /> </jobEntity> </condition> </inputConditions> <outputConditions> <condition> <agent name=”OB1” type=”resource” /> <jobEntity> <agent name=”PO1” type=”part” state =”PAOB1” /> <pallet type=”pa01”/> </jobEntity> </condition> </outputConditions> <variants> <variant name=”v01” cost=”150.0” time=”2.531”> <ncProgram> <link id=”1” name=”program.nc” link =http://12.12.12.12/SO2/nc5 /> </ncProgram> </variant> <variant name=”v02” cost=”130.0” time=”4.531”> <ncProgram> <link id=”2” name=”program.nc” link =http://12.12.12.12/SO2/nc6 /> </ncProgram> </variant> </variants> </activity> Rys. 3. Zapis czynności obróbkowej Fig. 3. Notation of machining activity

Jako przykład zastosowania formatu przedstawiono zapis czynności PO1:OB1 z przykładowego procesu wytwórczego.

Informacje zawarte w powyższym przykładzie, dotyczą czynności poprzedzających <previousActivities> i kolejnych <nextActivities> względem czynności definiowanej, warunków wejściowych <inputCondition> i wyjściowych <outputConditions> oraz wariantów realizacji czynności. Czynnością poprzedzającą względem zdefiniowanej jest czynność transportowa PO1:MAG-OB1, która odpowiedzialna jest za dostarczenie przedmiotu PO1 z magazynu MAG do obrabiarki OB1.

Rozpatrując przykład, można zauważyć, że wielowariantowość pojawia się na etapie wyboru możliwej do wykonania czynności po zakończeniu realizacji czynności PO:OB1. Wielowariantowość ujęta jest tu w definicji elementu <nextActivities>, co należy interpretować, że po zakończeniu realizacji czynności definiowanej można rozpocząć albo czynność PO1:OB1MAG (transport do magazynu) albo czynność PO1:OB1-OB2

(transport bezpośrednio do obrabiarki OB2). Aby definiowana czynność mogła być wykonywana, muszą być spełnione warunki wejściowe, które określają potrzebne zasoby: dostępna obrabiarka OB1 oraz przedmiot PO1 znajdujący się w stanie PAOB1 i umieszczony na palecie typu pa01. Warunek wyjściowy określa z kolei, w jakim stanie znajdzie się przedmiot PO1 po wykonaniu czynności. Istotne znaczenie w zapisie czynności obróbkowej posiada element <variants>, w którym określony jest zbiór wariantów realizacji definiowanej czynności wraz z takimi parametrami, jak czas trwania danego wariantu czynności oraz jego umowny koszt. Jest to inny sposób wariantowania czynności wytwórczej (na poziomie operacji), który w odróżnieniu od omówionego wcześniej, związany jest z kolejnością operacji wynikających z wykorzystania różnych typów zasobów lub też zasobów zwielokrotnionych.

W przykładzie pominięto elementy dotyczące stosowanych narzędzi, wskazano jednak, że będą używane różne programy NC wykorzystywane do sterowania działaniem obrabiarki.

Opracowany format zapisu procesu wytwórczego może okazać się przydatny do rozwiązywania wielu problemów występujących m.in. w rekonfiguracji systemu sterowania oraz w procesie optymalizacji planowania procesów produkcyjnych.

Zaproponowane rozwiązanie jest ważnym elementem służącym do integracji przygotowania i realizacji produkcji. Sposób budowy opracowanego formatu zapisu procesu wytwórczego sprawia, że jest on otwartym i skalowalnym rozwiązaniem, mogącym rozszerzać się w kierunku różnych ontologii, bez uszczerbku dla własnej spójności.

4. Podsumowanie Jednym z preferowanych obecnie kierunków rozwoju systemów wytwarzania jest wzrost integracji procesów w nich zachodzących, w celu usprawnienia i skrócenia czasu wprowadzenia nowego produktu na rynek. Ważnym krokiem w kierunku wdrażania nowych koncepcji jest zastosowanie rekonfigurowalnych systemów wytwarzania, w których brak jest zasadniczych ograniczeń w obszarze wymiany informacji między różnymi obszarami procesu produkcji, jakimi są jej przygotowanie lub realizacja. Sterowanie systemem RMS ma charakter modułowy i budowane jest zazwyczaj przy wykorzystaniu systemów wieloagentowych. Dzięki temu, w przeciwieństwie do systemów wytwarzania budowanych w oparciu o inne koncepcje, nie ma on zamkniętej struktury sprzętowej i programowej.

Pozwala to w większym stopniu na dostosowywanie jego funkcjonalności i wydajności do potrzeb rynku, w porównaniu do systemów wytwarzania dominujących aktualnie w przemyśle.

4. Hoda A., El Maraghy, Changeable and Reconfigurable Manufacturing Systems, Springer Series in Advanced Manufacturing 2009.

5. Kmiecik A., Zając J., Integracja operacji technologicznych i transportowych w rekonfigurowalnych systemach wytwarzania. „Technika Transportu Szynowego”, Vol. 9/2012, 2545–2552.

6. Koren Y., Heisel U., Jovane F., Moriwaki T., Pritschow G., Ulsoy.G., Van Brussel H., Reconfigurable Manufacturing Systems. Annals of the CIRP, Vol. 48/2, 1999, 520–527.

7. Zając J., Rozproszone sterowanie zautomatyzowanymi systemami wytwarzania, Seria Mechanika. Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Monografia Kraków, 2003.

An approach to information integration of production preparation and production execution Abstract: The article relates to process of information integration for preparation and execution of production. A hierarchical description of alternative manufacturing processes using XML is proposed. This concept presents open and scalable solution resulting from construction of applied data format. This makes it suitable for direct use in distributed, multi-agent manufacturing control systems that allow the construction of reconfigurable manufacturing systems. These systems meet today’s challenges focused on the individualization of manufactured products.

Keywords: information integration, reconfigurable manufacturing system, XML Artykuł recenzowany; nadesłany 21.11.2013 r., przyjęty do druku 13.01.2014 r. prof. nzw. dr hab. inż. Jerzy Zając Pracuje na stanowisku profesora Politechniki Krakowskiej na Wydziale Mechanicznym. Jest kierownikiem Zakładu Zautomatyzowanych Systemów Produkcyjnych w Instytucie Technologii Maszyn i Automatyzacji Produkcji. Pełni funkcję zastępcy dyrektora instytutu ds. naukowo-badawczych. Jest opiekunem kierunku Automatyka i Robotyka. Jego zainteresowania badawcze koncentrują się na zagadnieniach automatyzacji i sterowania systemami produkcyjnymi oraz robotyki podwodnej. e-mail: zajac@mech.pk.edu.pl mgr inż. Adam Kmiecik

Bibliografia 1. Chwajoł G., Rozproszone sterowanie systemami wytwarzania z wykorzystaniem technologii internetowych, Praca doktorska, Politechnika Krakowska, Kraków 2009.

2. Duda J., Wspomagane komputerowo generowanie procesu obróbki w technologii mechanicznej, Kraków 2003.

3. Feld M., Projektowanie i automatyzacja procesów technologicznych części maszyn, Podręczniki akademickie, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1994.

Ukończył studia magisterskie na Politechnice Krakowskiej, Wydział Mechaniczny, kierunek: Automatyka i robotyka oraz studia doktoranckie na Politechnice Krakowskiej, Wydział Mechaniczny, kierunek Budowa i eksploatacja maszyn. Aktualnie finalizuje pracę doktorską. Jego zainteresowania badawcze koncentrują się na zagadnieniu integracji informacji w systemach produkcyjnych. e-mail: adas@pk.edu.pl

Pomiary Automatyka Robotyka nr 4/2014

67

Nauka

Zezwala się na korzystanie z artykułu na warunkach licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0

Układ elektroniczny cyfrowej symulacji rezystancji o średnich wartościach Jacek Korytkowski Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP

Streszczenie: Omówiono opracowany przez autora układ cyfrowej syntezy rezystancji o średnich wartościach złożony ze wzmacniaczy monolitycznych oraz cyfrowo sterowanego monolitycznego przetwornika cyfrowo-analogowego. Podano opis matematyczny charakterystyki symulowanej rezystancji w funkcji sterującego sygnału cyfrowego. Przedstawiono schemat i wyniki badań nieliniowości charakterystyki modelowego układu symulatora rezystancji w przedziale zmian od 2,4 kΩ do 10 MΩ. Opracowany układ elektroniczny umożliwia symulowanie charakterystyki rezystancji o nieliniowości poniżej 0,01 % i o błędach temperaturowych nie większych od 0,05 %/10 °C. Słowa kluczowe: wzmacniacz monolityczny, monolityczny przetwornik cyfrowo-analogowy, symulacja rezystancji DOI: 10.14313/PAR_206/68

1. Wstęp Symulatory rezystancji są stosowane we współczesnych komputerowych i mikroprocesorowych technikach kontroli właściwości izolacyjnych sprzętu elektrycznego i elektronicznego w celu sprawdzania układów do pomiaru rezystancji o dużych wartościach. Symulatory te stanowią wyposażenie mikroprocesorowych testerów przeznaczonych zarówno dla producentów sprzętu, jak i dla użytkowników tego sprzętu.

Opisy układów takich sterowanych cyfrowo symulatorów rezystancji średnich (MΩ) i dużych (GΩ) są rzadko spotykane w polskiej literaturze technicznej [1, 2]. Są liczne publikacje [3–8] dotyczące metod wzorcowania mierników dużych rezystancji oraz symulatorów do wzorcowania megaomomierzy, jednak nie są w nich poruszane zagadnienia bezpośredniego cyfrowego sterowania symulowanej rezystancji.

Zasada działania różnych sterowanych cyfrowo symulatorów rezystancji małych wartości została opisana w numerach 5/2013 [9], 10/2013 [10] miesięcznika naukowo-technicznego „Pomiary Automatyka Robotyka”. W artykule został opisany opracowany przez autora układ symula-

68

tora rezystancji o średnich wartościach. Układ ten zaliczyć należy do grupy układów nazywanych syntezatorami rezystancji (ang. resistance synthesizers), są to układy syntezy rezystancji wykorzystujące monolityczny przetwornik cyfrowo-analogowy oraz monolityczne wzmacniacze. Syntezator rezystancji umożliwia wytwarzanie cyfrowo sterowanej rezystancji, bazując na wartości odniesienia rezystancji rezystora dokładnego i na wartości odpowiednio cyfrowo sterowanego wzmocnienia sygnału napięciowego lub prądowego w układzie elektronicznym z przetwornikiem cyfrowo-analogowym.

W układzie syntezatora rezystancji, będącego przedmiotem artykułu, stosowany jest ten sam typ 12-bitowego przetwornika cyfrowo-analogowego AD7545AKNZ [11], co w układzie syntezatora małych rezystancji [10], ale schemat nowego układu wymagał zastosowania innych wzmacniaczy monolitycznych, charakteryzujących się znacznie mniejszym prądem polaryzacji wejścia oraz wyższym napięciem zasilania. Opracowany układ realizuje swoją funkcję przez proporcjonalne sterowanie sygnałem cyfrowym współczynnika wzmocnienia napięcia, które jest proporcjonalne do wartości prądu na zaciskach wyjściowych symulatora, a napięcie to jest wymuszane między dwoma zaciskami wyjściowymi syntezatora. To powoduje, że wartość symulowanej rezystancji jest proporcjonalna do wartości wzmocnienia oraz do wartości cyfrowego sterującego sygnału wejściowego. Układ syntezatora ma wspólny punkt sygnałowy napięciowego poziomu odniesienia („zero zasilania 0 V”) połączony z jednym z dwu zacisków wyjściowych syntezatora łączonych bezpośrednio z układem pomiaru rezystancji, dla którego realizowana jest symulacja. Dzięki temu układ współpracy syntezatora z układem pomiaru rezystancji jest odporny na zakłócające prądy pojemnościowe o częstotliwości 50 Hz sieci zasilającej.

Syntezatory rezystancji o średnich wartościach charakteryzuje mała wartość prądu na zaciskach wyjściowych syntezatora rzędu 1000 nA. Z tego powodu monolityczny wzmacniacz pomiarowy prądu wyjściowego powinien mieć prąd polaryzacji wejścia nie większy niż 100 pA. Syntezatory średnich rezystancji powinny być przystosowane do pracy przy dość dużym napięciu wyjściowym rzędu kilkunastu woltów. Wykorzystywany do sprawdzenia

dokładności charakterystyki układu modelowego syntezatora bardzo dokładny miernik cyfrowy firmy Keithley typu 2002 na zakresie 20 MΩ stosuje napięcie wyjściowe do 14 V. Z tego powodu w układzie syntezatora zastosowano podwyższone napięcia zasilające ±18 V, co zapewniło napięciowe pole pracy wzmacniaczy przekraczające 15 V. Z przeglądu współczesnych wzmacniaczy monolitycznych precyzyjnych i elektrometrycznych [12] do realizacji syntezatora wybrano wzmacniacz monolityczny typu LT1097CN8 [13] spełniający powyższe wymagania oraz posiadający możliwość precyzyjnego zerowania wejściowego napięcia niezrównoważenia.

2. Zasada działania syntezatora średnich rezystancji Jak stwierdzono wcześniej, wartość symulowanej rezystancji jest proporcjonalna do iloczynu wartości wzmocnienia napięciowego i wartości cyfrowego sygnału sterującego w układzie syntezatora. Dlatego w układzie syntezatora ważną rolę spełnia wzmacniacz różnicowy sygnałów napięciowych. Schemat takiego wzmacniacza podano na

Wzór (1) upraszcza się do prostej postaci: U wy =

R24 (U 1 −U 2 ) R23

(4)

pod warunkiem spełnienia równania (3).

Uproszczony schemat syntezatora rezystancji został podany na rys. 2. Zawiera on wzmacniacz różnicowy W2 opisany równaniem (4). Elektroniczny układ syntezatora średnich rezystancji o takim schemacie został opracowany w Przemysłowym Instytucie Automatyki i Pomiarów PIAP w Warszawie i został oznaczony symbolem ZR213AI10MΩ.

Zakres zmian rezystancji od 10 MΩ do 2,4 kΩ umożliwia sprawdzanie mierników rezystancji izolacji. Układ syntezatora jest układem aktywnym, który wymusza wartość napięcia US na swoich zaciskach wyjściowych „1” i „2”.

Napięcie to ma wartość proporcjonalną do iloczynu R1IS, gdzie IS jest prądem między zaciskami wyjściowymi, który identyfikowany jest przy zacisku 1 syntezatora. Napięcie US jest proporcjonalne do wartości wzmocnienia napięciowego wzmacniacza różnicowego wg wzoru (4) i jest proporcjonalne do wartości cyfrowego sygnału sterującego XC według wzoru:

Rwy =

U S K 1R1I SX C = = K 1R1 X C IS IS

(5)

gdzie K1 jest współczynnikiem proporcjonalności o wartości wzmocnienia wzmacniacza różnicowego wg (4).

Rys. 1. Schemat wzmacniacza różnicowego Fig. 1. The differential amplifier circuit

rys. 1 [12]. Pomijając takie parametry wzmacniacza jak wejściowe napięcie niezrównoważenia oraz prądy polaryzacji wejść i zakładając, że wartość wzmocnienia napięciowego (w pętli otwartej) wzmacniacza jest nieskończenie duża, to napięcie wyjściowe Uwy układu wzmacniacza różnicowego opisze równanie:

U wy =

R24 R22 R23 + R24 R U 1 − 24 U 2 R23 R24 R21 + R22 R23

(1)

Wystarczy spełnienie następującego warunku:

R22 R23 + R24 = 1 R24 R21 + R22

(2)

(3)

Sygnał napięciowy o wartości –R1IS, proporcjonalny do wartości prądu IS pobieranego z zacisku 1 syntezatora, jest formowany przez układ inwersyjny wzmacniacza W1 względem punktu oznaczonego na schemacie symbolem 3.

który po przekształceniu tworzy równanie:

R22 R24 = R21 R23

Do formowania sygnału napięcia US służy przetwornik CA ze wzmacniaczem W3 oraz odpowiednie sterowanie wzmacniacza W1. Wzmacniacz W1 przetwarza prąd IS pobierany z zacisku wyjściowego syntezatora 1 na ujemny sygnał napięcia –R1IS względem punktu oznaczonego 3 na schemacie (rys. 2), o napięciu U3 względem wspólnego punktu sygnałowego AGND. Napięcie U3 jest napięciem ujemnego sprzężenia zwrotnego kaskady wzmacniacza W1, wzmacniacza W2, przetwornika C/A i wzmacniacza W3.

Wzmacniacz W1 charakteryzuje się bardzo dużą wartością wzmocnienia napięciowego (106 V/V), pomijalnym wejściowym napięciem niezrównoważenia (5 μV) i pomijalną konduktancją wejściową wzmacniacza. Te właściwości wzmacniacza W1 decydują o tym, że wartość napięcia na jego końcówkach wejściowych („–”, „+”) jest praktycznie pomijalna, toteż można przyjąć, iż napięcie U3 jest praktycznie równe napięciu na zaciskach 1, 2 symulatora według wzoru: U3 = US

Pomiary Automatyka Robotyka nr 4/2014

(6)

69

Nauka

Rys. 2. Schemat uproszczony syntezatora o średnich wartościach rezystancji Fig. 2. The simple circuits diagram of synthesizer for middle worth of resistance

Sumaryczny sygnał napięcia wyjściowego wzmacniacza W1 względem wspólnego punktu sygnałowego AGND jest równy U1 = U3 – R1IS. W celu usunięcia z sygnału U1 składnika U3 zastosowano układ wzmacniacza różnicowego ze wzmacniaczem W2 o wzmocnieniu K1 według równania:

K1 =

R24

R23

(7)

o wartości 100 V/V. Wzmocnienie takie zapewniają dwie pary rezystorów, każda para rezystorów o wartościach R23 oraz R24. Na wejście nieinwersyjne („+”) wzmacniacza różnicowego W2 podawane jest napięcie U1, a na wejście inwersyjne („–”) podawane jest napięcie U3. Sygnał napięcia wyjściowego U2 jest opisany wzorem:

R R U 2 = 24 (U 3 − R1I S − U 3 ) = − 24 R1I S R23 R23

(8)

Napięcie wyjściowe wzmacniacza W2 podawane jest na wejście napięcia referencyjnego przetwornika cyfrowo-analogowego [11] CA, toteż:

U2 = UREF.

(9)

Zastosowany w układzie syntezatora typ przetwornika CA [11] wymaga stosowania na swoim wyjściu wzmacniacza inwersyjnego W3. Wzmacniacz W3 równoważy prądy formowane w przetworniku CA, według sygnału cyfrowego sterującego XC, z prądem swojego ujemnego sprzężenia zwrotnego przez rezystor zawarty wewnątrz przetwor-

70

nika CA. Trzeba zauważyć, że rezystor ujemnego sprzężenia zwrotnego inwersyjnego wzmacniacza W3, zawarty w scalonym przetworniku CA, ma takie same współczynniki temperaturowe zmian rezystancji od temperatury jak i pozostałe rezystory wewnętrzne tego przetwornika. Ogranicza to do minimum wpływ zmian temperatury nagrzewania własnego i zmian temperatury otoczenia na sygnał wyjściowy napięciowy U3. Przetwornik CA ze wzmacniaczem inwersyjnym W3 formuje sygnał według wzoru:

U 3 = −U REF X C = −( −

R24 R R1I S )X C = 24 R1I SX C (10) R23 R23

Zgodnie ze wzorem (6) można napisać:

US = U3 =

R24 R1I SX C .

R23

(11)

Rezystancja symulowana jest opisana wzorem:

(12)

W modelu wykonanego syntezatora rezystancji, składnik ze wzoru (12) R1=100 kΩ i stanowi wartość rezystancji rezystora ujemnego sprzężenia zwrotnego układu wzmacniacza inwersyjnego W1, a iloraz R24 do R23 stanowi wzmoc-

nienie o wartości 100 V/V wzmacniacza W2 ze schematu podanego na rys. 2. Zgodnie ze wzorem (12) charakterystyka syntezatora opisana jest równaniem:

Rwy = 10 (a1 2−1 + a2 2−2 + a3 2−3 + K + a12 2−12 ) MW (13)

Syntezator ma zakres rezystancji od 9,99756 MΩ dla pełnego wysterowania, do 2,44 kΩ dla najmniej znaczącego dwunastego bitu a12.

Jak wynika ze schematu podanego na rys. 2, ważną zaletą układu jest bezpośrednie połączenie wyjściowego zacisku 2 syntezatora i wspólnego punktu sygnałowego układu („0V”) nazwanego AGND całego układu elektronicznego syntezatora.

3. Opis modelu doświadczalnego syntezatora średnich rezystancji Pełny schemat układu syntezatora rezystancji o oznaczeniu ZR213AI10MΩ dla wykonania o zakresie 10 MΩ został podany na rys. 3.

W celu uzyskania lepszej przejrzystości na schemacie nie umieszczono zastosowanych kondensatorów odprzęgających o pojemności 680 nF dołączonych między wspólny punkt AGND do końcówek 7 poszczególnych wzmacniaczy W1, W2, W3 dla dodatnich napięć zasilających +Uz oraz dołączonych między wspólny punkt AGND do końcówek 4 tych wzmacniaczy dla ujemnych napięć zasilających – Uz. Dla rozszerzenia roboczego pola napięć wzmacniaczy do ponad ±15 V, czego wymagają układy pomiaru rezystancji, w układzie zastosowano napięcia zasilające tych wzmacniaczy +Uz=+18 V±1 V oraz –Uz = –18 V±1 V. Przetwornik CA typu AD7545AKNZ [11] ma doprowadzone dodatnie napięcie zasilające +15V na końcówkę 18 z diody Zenera D6. Dla tego przetwornika zastosowano dwa kondensatory odprzęgające o pojemności 680 nF między końcówką 18, a AGND oraz między końcówką 18, a DGND stanowiącym wspólny punkt zasilania dla sygnałów cyfrowych. Dla sygnałów cyfrowych przetwornika AD7545AKNZ zastosowano osobny wspólny punkt zasilania nazwany DGND, zasilany z dodatkowego napięcia ujemnego o wartości około –0,5 V, a uzyskanego z odpowiednio zasilanej ujemnym napięciem diody krzemowej D5.

Zapewniło to brak zakłócającego działania sygnałów cyfrowych na obwód syntezatora rezystancji.

Schemat podany na rys. 3 zawiera układ inwersyjnego wzmacniacza W1 stanowiącego przetwornik prąd-napięcie [12].

Układ tego przetwornika oraz pozostałe układy syntezatora zostały zrealizowane na wzmacniaczach monolitycznych typu LT1097CN8 [13]. Wzmacniacz LT1097CN8 jest tanim układem monolitycznym (cena poniżej 4 dolarów), a charakteryzują go bardzo dobre właściwości – typowa wartość wejściowego napięcia niezrównoważania tylko 10 μV z możliwością zerowania, typowa wartość dryftu temperaturowego napięcia niezrównoważenia 0,2 μV/°C, typowa wartość dryftu długoterminowego napięcia niezrównoważenia to 0,3 μV w okresie jednego miesiąca, typowa wartość prądu polaryzacji wejścia

40 pA oraz bardzo duża typowa wartość współczynnika wzmocnienia napięciowego wynosząca 2,5×106 V/V. Przetwornik prąd-napięcie o układzie inwersyjnego wzmacniacza W1 dokładnie formuje sygnał inwersyjny napięciowy proporcjonalny do wartości prądu IS na wyjściu syntezatora, gdyż wzmacniacz zawiera w układzie potencjometr P11 umożliwiający dokładne wyzerowanie wejściowego napięcia niezrównoważenia wzmacniacza. Ten sygnał napięciowy jest równy –R1IS względem końcówki dodatniej „+” wzmacniacza W1 oznaczonej na schemacie cyfrą 3, końcówka „+” ma napięcie +U3 względem wspólnego punktu AGND. Toteż sumaryczny sygnał wyjściowy wzmacniacza W1 jest równy: U1 = U3 – R1IS względem wspólnego punktu AGND. Aby wysterować przetwornik cyfrowo-analogowy tylko sygnałem proporcjonalnym do iloczynu R1IS, w układzie syntezatora zastosowano dokładny wzmacniacz różnicowy sygnałów napięciowych [12] ze wzmacniaczem W2 też typu LT1097CN8. Wejściowe napięcie niezrównoważenia tego wzmacniacza podlega wyzerowaniu potencjometrem P21.

Wzmacniacz różnicowy sygnałów napięciowych W2 zapewnia dokładne wzmocnienie różnicy tych sygnałów wejściowych według równania (8), jeżeli jego rezystory spełniają dokładnie następujący warunek:

R22 + P22 R24 + P23 = = 100 R21 R23

(14)

Dysponując dwoma parami rezystorów o wartościach R22 ≈ R24 = 20 kΩ ±0,1 % oraz R21 ≈ R23 = 200 Ω ±0,1 %, można ten warunek spełnić dobierając dwie pary: R22 < 100 R21 oraz R24 < 100 R23 i odpowiednio dobierając nastawy wieloobrotowych potencjometrów strojeniowych o rezystancji nominalnej 50 Ω, aby zostały spełnione następujące równości:

R22 + P22 = 100 R21 oraz R24 + P23 = 100 R23

(15)

Po zestrojeniu wartości rezystorów uzyskuje się dokładne wzmocnienie według wzoru (14). Wzmacniacz różnicowy W2 formuje sygnał wyjściowy U2 = 100(U3 –R1IS –U3) = –100 R1 IS według wzoru (8).

Sygnał napięciowy U2 zostaje podany jako napięcie referencyjne UREF do przetwornika cyfrowo-analogowego CA, który formuje sygnał z inwersją. Napięcie to opiszemy UREF = U2.

Potencjometrami wieloobrotowymi strojeniowymi P1, P2 dokonuje się strojenia końcowego, aby uzyskać dokładną zależność opisaną wzorem (13).

Syntezator ma zakres rezystancji od 9,99756 MΩ dla pełnego wysterowania, do 2,44 kΩ dla najmniej znaczącego 12 bitu.

Jako rezystory R1, R21, R22, R23, R24 decydujące o wzmocnieniu wzmacniacza inwersyjnego i wzmacniacza różnicowego zastosowano precyzyjne rezystory o tolerancji ±0,1 % i 0,5 % oraz o małych współczynnikach temperaturo-

Pomiary Automatyka Robotyka nr 4/2014

71

Nauka

wych rezystancji. Rezystor wzmacniacza W1 o rezystancji R1 = 100 kΩ ±0,1 % jest typu MF006BB1003A10 o współczynniku ±15 ppm/°C [15]. Rezystory wzmacniacza różnicowego W2 o rezystancjach R21 = 200 Ω i R23 = 200 Ω tworzą dwie grupy po dwa szeregowo połączonych rezystorów typu RMP 100 Ω o współczynniku ±25 ppm/°C (jest ich odpowiednik typu MF006BB2000A10 o współczynniku ±15 ppm/°C [15]). Rezystory dalsze wzmacniacza W2, to rezystory typu RM70Y o rezystancjach R22 = 20 kΩ ±0,1 % oraz R24 = 20 kΩ ±0,1 % o współczynniku ±10 ppm/°C (jest odpowiednik typu MF006BB2002A10 o współczynniku ±15 ppm/°C [15]).

Analizując wzór (12) opisujący charakterystykę układu syntezatora zauważymy, że maksymalny współczynnik temperaturowy charakterystyki może być sumą wartości bezwzględnych współczynników trzech rezystorów (R1, R23, R24), a więc może osiągnąć wartość maksymalną 50 ppm/°C. A to w przeliczeniu na zmianę temperatury o 10 °C stanowić może maksymalny błąd dodatkowy 0,05 %/10 °C tej charakterystyki. Trzeba jednak zauważyć, że jest niezwykle małe prawdopodobieństwo przypadku wystąpienia dla wszystkich rezystorów maksymalnych wartości ich współczynników i najbardziej niekorzystnych znaków („+” lub „–”).

Rys. 3. Schemat syntezatora rezystancji ZR213AI10MΩ Fig. 3. The schematic of ZR213AI10MΩ resistance synthesizer

72

Wieloobrotowe potencjometry strojeniowe typu helitrim P11, P21, P22, P23, P1, P2 oraz P31 służą do odpowiedniego wyzerowania napięcia niezrównoważenia wzmacniaczy, zestrojenia rezystorów wzmacniacza różnicowego oraz zestrojenia zakresu symulowanej rezystancji syntezatora. Współczynniki temperaturowe rezystancji zastosowanych potencjometrów strojeniowych P22, P23 typu helitrim są nie większe od 100 ppm/°C, a ich wpływ na korygowane rezystancje R22, R24 jest ok. 400 krotnie mniejszy (0,25 ppm/°C). Pozostałe rezystory, nie decydujące bezpośrednio o dokładności, są rezystorami o tolerancji 5 %.

Monolityczne wzmacniacze scalone LT1097CN8 miały zestrojone niewielkie wartości (±5 µV) napięć niezrównoważenia. W celu zabezpieczenia przed przepięciami obwodów wyjściowych przetwornika CA, na jego końcówkach 1, 2 oraz 3 zastosowano, jako diody ograniczające napięcia D1, D2, D3, D4 stanowiące złącza kolektor-baza tranzystorów BC107 o dość dużym napięciu ograniczenia ok. 680 mV, znacznie wyższym od dodatkowego ujemnego napięcia zasilania (–0,5 V) DGND. Dla zapewnienia stabilnej pracy układu wzmacniaczy objętych ujemnymi sprzężeniami zwrotnymi, zastosowano jako sprzężenie dynamiczne kondensatory o pojemnościach 10 nF, 50 nF oraz 33 pF ±20 %.

Tab. 1. Zmierzone wartości błędów względnych nieliniowości charakterystyki syntezatora ZR213AI10MΩ odniesionych do zakresu 10 MΩ Tab. 1. Measured values of relative errors nonlinearity characteristics of sustained synthesizer ZR213AI10MΩ, range to 10 MΩ Rid MΩ

9,99756

8,75000

7,50000

6,25000

5,00000

3,75000

2,5000

1,25000

0,62500

Rwy MW „−”

9,99720

8,74953

7,49976

6,24987

4,99990

3,75002

2,5007

1,25001

0,62498

δRwywy „−”

−36 ppm

−47 ppm

−24 ppm

−13 ppm

−10 ppm

+2 ppm

+7 ppm

+1 ppm

−2 ppm

Rwy MW „+”

9,99751

8,74986

7,49989

6,24981

4,99984

3,75003

2,5008

1,24997

0,62496

δRwywy „+”

−5 ppm

−14 ppm

−11 ppm

−19 ppm

−16 ppm

+3 ppm

+8 ppm

−3 ppm

−4 ppm

Rid MW

0,31250

0,15625

0,07813

0,03906

0,01953

0,00977

0,00488

0,00244

0,00000

Rwy MW „−”

0,31253

0,15632

0,07814

0,03910

0,01959

0,00982

0,00494

0,00249

0,00002

δRwywy „−”

+3 ppm

+7 ppm

+1 ppm

+4 ppm

+6 ppm

+5 ppm

+6 ppm

+5 ppm

+2 ppm

Rwy MW „+”

0,31253

0,15629

0,07811

0,03907

0,01955

0,00979

0,00490

0,00246

−0,00001

δRwy wy „+”

+3 ppm

+4 ppm

−2 ppm

+1 ppm

+2 ppm

+2 ppm

+2 ppm

+2 ppm

−1 ppm

Po uruchomieniu układu modelowego sprawdzono charakterystyki stosując multimetr cyfrowy typ 2002 firmy Keithley. Producent tego multimetru na zakresie 20 MΩ deklaruje spodziewaną niedokładność krótkoterminową (10 min) ±15 ppm wartości mierzonej oraz długoterminową (2 lata) ±300 ppm wartości mierzonej.

Wyniki badania charakterystyki modelowego układu syntezatora ZR213AI10MΩ przeznaczonego do symulacji rezystancji o zakresie zmian od 9,99756 MΩ do 2,44 kΩ podano w tab. 1. Symbolem Rid oznaczono idealną wartość zadawanej rezystancji sygnałem cyfrowym. Są to dwie charakterystyki dla ujemnych oraz dla dodatnich napięć wyjściowych między zaciskami 1 oraz 2. Dla ujemnych napięć wyjściowych wyniki oznaczono wy „−”, a dla dodatnich napięć wyjściowych wyniki oznaczono wy „+”.

Z powodu niepomijalnej krótkoterminowej niedokładności multimetru (±15 ppm), w poszczególnych punktach charakterystyki wykonywano kilka odczytów pomiarów, a w tabeli wpisano wartości średnie z tych odczytów.

Ze względu na inercyjny charakter układu, po wybraniu sygnału cyfrowego danego punktu charakterystyki należało odczekać kilkanaście sekund do rozpoczęcia pomiarów.

Największy błąd nieliniowości charakterystyki nie przekracza 50 ppm. Błąd przy zerowej wartości sygnału cyfrowego to tylko 2 ppm.

Celem badań eksperymentalnych, w których zastosowano 12-bitowy tani przetwornik CA [11] i tanie precyzyjne rezystory, było sprawdzenie charakterystyki całego układu syntezatora. Uzyskano błąd nieliniowości mniej-

szy niż graniczny błąd nieliniowości (ang. relative accuracy [11]) przetwornika CA. Dla zastosowanego typu przetwornika C/A największy błąd nieliniowości może wynosić ±1/2 LSB (120 ppm).

4. Wnioski W opisanym układzie 12-bitowego syntezatora ZR213AI10MΩ uzyskano błędy względne nieliniowości charakterystyki nieprzekraczające 0,01 %, odniesione do zakresu 10 MΩ wartości rezystancji. Błąd zera charakterystyki nie przekracza 0,0002 %. Ze względu na tani typ zastosowanych rezystorów precyzyjnych graniczny błąd wpływu temperatury w najgorszym przypadku nie powinien przekroczyć 0,05 %/10 °C. Zaletą opisanego syntezatora rezystancji jest wspólny punkt sygnałowy AGND jego układu elektronicznego z wyjściem syntezatora oznaczonym 2 „–”, co zapewnia odporność na działania przez pojemności zakłócających źródeł prądowych o częstotliwości 50 Hz z sieci zasilającej.

Stosując odpowiednio mniejsze wartości rezystora dokładnego R1 można zrealizować syntezator średnich rezystancji na niższe zakresy pomiarowe takie jak 1 MΩ, 100 kΩ. Istnieje możliwość zmniejszenia granicznego błędu wpływu temperatury do ok. 0,006 %/10 °C po zastosowaniu jako R1, R21, R22, R23, R24 bardzo drogich rezystorów precyzyjnych, na przykład typu Vishay Z-Foil Audio Resistors o współczynniku temperaturowym nieprzekraczającym ±1,8 ppm/°C [16].

Pomiary Automatyka Robotyka nr 4/2014

73

Nauka

Bibliografia 1. Urbański K., Kalibrator wielkich rezystancji sterowany za pomocą komputera, Komisja Metrologii PAN. Konferencja Podstawowe Problemy Metrologii ppm ’98, Gliwice 1998, Wrocław 2003.

2. Szmytkiewicz J., Adjustacja kalibratorów rezystancji, „Pomiary Automatyka Kontrola”, nr 6 bis 2006.

3. Lisowski M., Metody wzorcowania analogowych mierników bardzo dużych rezystancji, Część I: Metoda bezpośrednia, „Pomiary Automatyka Kontrola”, Vol. 49, nr 6, 10–12, 2003.

4. Lisowski M., Metody wzorcowania analogowych mierników bardzo dużych rezystancji, Część II: Metoda interpolacyjna i metody pośrednie, „Pomiary Automatyka Kontrola”, Vol. 49, nr 6, 12–14, 2003.

5. Lisowski M., Metody wzorcowania cyfrowych mierników bardzo dużych rezystancji, „Pomiary Automatyka Kontrola”, Vol. 51, nr 10, 5–7, 2005.

6. Guzik J., Aktywny imitator rezystancji do wzorcowania megaomomierzy, „Pomiary Automatyka Kontrola”, Vol. 55, nr 9, 766–768, 2009.

7. Guzik J., Pilśniak A., Rochiński P., Uogólniony model matematyczny imitatora dużych rezystancji, Materiały Konferencji „Podstawowe Problemy Metrologii, ppm 2011”, 160–163, Krynica-Zdrój, 12–15 czerwca 2011.

8. Guzik J., Topór-Kamiński L., Imitatory rezystancji izolacji elektrycznej, „Pomiary Automatyka Kontrola”, Vol. 59, nr 6, 542–544, 2013.

9. Korytkowski J., Układ elektroniczny cyfrowej syntezy rezystancji do dokładnej symulacji rezystancyjnych czujników temperatury, „Pomiary Automatyka Robotyka”, nr 5, 86–92, 2013.

10. Korytkowski J., Nowy układ elektroniczny cyfrowej symulacji rezystancyjnych czujników temperatury, „Pomiary Automatyka Robotyka”, nr 10, 138–143, 2013.

11. Analog Devices, CMOS 12-Bit Buffered Multiplying DAC AD7545A, Analog Devices Inc. 2000 rev.C, [www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ AD7545A.pdf].

12. Korytkowski J., Liniowe i nieliniowe układy ze wzmacniaczami monolitycznymi w urządzeniach pomiarowych, Oficyna Wydawnicza PIAP, Warszawa 2011.

13. Linear Technology: LT1097, Low Cost, Low Power, Precision Op Amp, 1989, [http://pdf1.alldatasheet. com/datasheet-pdf/view//70296/LINEAR/LT1097. html].

14. Korytkowski J., Układy przetwarzania cyfrowo-analogowego oraz właściwości scalonych przetworników CA, Oficyna Wydawnicza PIAP, Warszawa 2012.

15. ROYAL OHM: PRECISION METAL FILM FIXED RESISTORS, General Specyfications, 2006–2007, [www.tme.eu/pl/Document/0027213a25a9a49cOb87 60349ca3ff7c/mp0_6w.pdf].

74

16. VISHAY: VAR (Vishay Audio Resistor), Vishay Foil Resistors. Ultra High Precision, High Resolution Z-Foil Audio Resistor, with TCR of ±0,2 ppm oC, Tolerance to ±0,01 %, Dokument Number 63140, [www.partsconnexion/prod_pdf/vishay_var.pdf].

The electronic circuit for digital controlled simulation of middle worth resistance Abstract: The paper describes the electronic circuit for digital controlled resistance synthesis including monolithic amplifies and monolithic digital-analogue converter. On fig. 3 it is shown the electronic schematic of this digital controlled resistance synthesizer. It was formulated equation as the characteristic description of this resistance synthesizer. The experimental examination results of synthesizer model for resistance at the range from 2.4 kΩ to 10 MΩ are described. The elaborated electronic circuit of resistance synthesizer have very good qualities of resistance characteristic accuracy, The nonlinearity is better than 0,01 % and temperature errors better than 0.05 %/10 °C. Keywords: monolithic amplifier, monolithic digital-analogue converter, resistance simulation

Artykuł recenzowany; nadesłany 18.11.2013 r., przyjęty do druku 10.03.2014 r.

dr inż. Jacek Korytkowski, prof. PIAP Ukończył studia na Wydziale Elektrycznym Politechniki Warszawskiej w 1956 r., doktorat 1972, docent 1978, prof. nzw. 2010. Kierownik Pracowni w Instytucie Elektrotechniki 1962–70.

Kierownik Zespołu w Przemysłowym Instytucie Automatyki i Pomiarów PIAP w latach 1970–2007 i prof. nzw. od 2010 r.

W okresie 1973–1982 starszy wykładowca i docent w Instytucie Sterowania i Elektroniki Przemysłowej Wydziału Elektrycznego Politechniki Warszawskiej. Jest laureatem kilkunastu nagród za wdrożenia przemysłowe, w tym Zespołowej Nagrody Państwowej 2. stopnia w 1976 r. Ma w swoim dorobku jako autor, współautor lub tłumacz: 8 wydawnictw książkowych, jest autorem lub współautorem 62 publikacji oraz 14 patentów polskich. Jest specjalistą w dziedzinie elektroniki przemysłowej. e-mail: jkorytkowski@piap.pl

Nauka

Zezwala się na korzystanie z artykułu na warunkach licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0

Ograniczanie błędów nawigacji dla odwiertów kierunkowych i rurociągów podziemnych Witold Dąbrowski, Stanisław Popowski Instytut Lotnictwa, Warszawa

Streszczenie: Znajomość trajektorii odwiertu jest niezbędna do prawidłowego sterowania wiertłem, gwarantującego osiągnięcie założonego przebiegu odwiertu. Również w przypadku rurociągów do przesyłania paliw – ich przebieg powinien być monitorowany. Zadania te mogą być zrealizowane dzięki zastosowaniu metody zmniejszania błędów układów nawigacji zliczeniowej, ze szczególnym uwzględnieniem prawidłowo ustalonych warunków początkowych nawigacji.

Słowa kluczowe: nawigacja, nawigacja zliczeniowa, nawigacja inercjalna, błędy nawigacji DOI: 10.14313/PAR_206/75

1. Wprowadzenie Coraz szersze stosowanie odwiertów kierunkowych wymaga znajomości ich trajektorii. Wiedza ta jest niezbędna w trakcie prowadzenia wiercenia w celu umożliwienia ste-

Z

Orientacja: {θ1, Φ1, Ψ1} Nawigacja {X1, Y1, Z1}

Yi Y1

Y {N}

2

Y2

Orientacja: {θ2, Φ2, Ψ2}

1

Nawigacja {X2, Y2, Z2}

X1

Xi

X2

∆L

Zł oże 3

Zi

Zł oże 1

rowania wiertłem tak, aby osiągnąć założone położenie odwiertu. Dzięki temu możliwe jest osiągnięcie z jednego punktu wiercenia różnych rejonów złoża (rys. 1). Można też dotrzeć do trudno dostępnego złoża położonego pod naturalnymi przeszkodami (np. zbiornikami wodnymi lub terenami górzystymi). Podobnie w przypadku rurociągów do przesyłania paliw płynnych i gazowych, które powinny być w szczególny sposób monitorowane ze względu na niebezpieczeństwo wystąpienia katastrofy ekologicznej. Aby zagwarantować bezpieczeństwo, rurociągi te są najczęściej ułożone w wykopach pod ziemią. Również przeprawy przez rzeki są wykonywane pod dnem rzek. Takie postępowanie powoduje, że w miejscach, gdzie na skutek oddziaływania dużej masy wody na podłoże niestabilne geologicznie, dochodzi do przemieszczenia fragmentów rurociągów i w efekcie do nieszczelności i wycieków, nie ma bezpośredniego dostępu z zewnątrz i możliwości ich kontroli.

Monitorowanie takich miejsc odwiertów oraz rurociągów jest bardzo kłopotliwe. Metody geodezyjne są bezsilne. Również systemy GPS nie mogą tu być stoso-

X {E} Tłok: {ωx, ωy, ωz} {ax, ay, az} {∆L}

Zł oże 2

Rys. 1. Przykład zastosowania odwiertów kierunkowych Fig. 1. An example of controlled drilling application

Rys. 2. Przykład odcinka rurociągu podziemnego: 1 – punkt początkowy (wlot), 2 – punkt końcowy (wylot), tłok – inercjalny układ pomiarowy i hodometr do pomiaru długości rurociągu Fig. 2. The example of underground pipeline part: 1– start point (inlet), 2 – end point (outlet), piston – the inertial measuring system and the hodometer for measurement of length of the pipeline Pomiary Automatyka Robotyka nr 4/2014

75

Nauka

wane. Jedynym sposobem jest pomiar położenia rurociągów od wnętrza rury za pomocą czujników inercjalnych (rys. 2). W systemach nawigacji odwiertów i rurociągów ma zastosowanie przede wszystkim nawigacja zliczeniowa lub (w szczególnych przypadkach, gdy nie można skorzystać z licznika drogi) nawigacja inercjalna [1, 2]. W pierwszym przypadku realizowany jest inercjalny pomiar kątów orientacji oraz pomiar przebytej drogi za pomocą hodometru. W drugim przypadku – zarówno kąty orientacji, jak i droga są mierzone czujnikami inercjalnymi.

W jednym i drugim przypadku pojawia się problem związany z cechą charakterystyczną nawigacji zliczeniowej, w szczególności inercjalnej. Na skutek całkowania w systemie błędy rosną wraz z czasem trwania nawigacji.

Dla nawigacji zliczeniowej jest to liniowy przyrost błędu w czasie, a w przypadku nawigacji inercjalnej, wzrost paraboliczny.

2. Błędy nawigacji zliczeniowej Dalej zostanie przedstawiony sposób liczenia błędów występujących w nawigacji zliczeniowej. Dla uproszczenia zostanie przeanalizowany przypadek dwuwymiarowy, gdzie położenie określone jest za pomocą dwóch współrzędnych X i Y. Mierzony jest jeden kąt orientacji, azymut, natomiast założona jest stała prędkość obiektu, którego trajektorię należy określić. W dużym uproszczeniu jest to model nawigacji w rurociągu, w którym przepływa ciecz o stałej prędkości. Rurociąg ten jest zakopany w terenie płaskim (rys. 3).

Przy powyższych założeniach błąd określenia końcowego położenia można oszacować następująco:

k

Xk =

∑x

Yk =

∑y

i =0

i

=

i

=

k

i =0

k

∑ s sin Ψ i =0

i

k

∑ s cos Ψ i =0

i

Ψk

Y sk cosΨk

k

Yk sk

Ψi

si co sΨi

s0 cosΨ0

Ψ1

s1

Ψ0 s0

0

s0 = v0 ∆t

Xk sk sinΨk

si sin Ψi

s0 s inΨ0 s1 sinΨ1 v0 = v1 = ...= vk = v ∆t = c o n s t

k

k

i =0

i =0

X k = ∑ xi = ∑ s sin Ψi

s0 = s1 = .... = sk = s k

k

i =0

i =0

Yk = ∑ yi = ∑ s cos Ψi

Rys. 3. Nawigacja zliczeniowa – model płaski Fig. 3. Dead reckoning – 2D model

76

∂x i ∂x i + ∆Ψi ∂si ∂Ψi

∆yi = ∆si

∂y i ∂y i + ∆Ψi ∂si ∂Ψi

x i = s sin Ψi ∂x i = sin Ψi ∂si

∂x i = s cos Ψ ∂Ψi

yi = s cos Ψi ∂y i = cos Ψi ∂si

∂y i = −s sin Ψi ∂Ψi

∆x i = ∆si sin Ψi + ∆Ψi s cos Ψi ∆yi = ∆si cos Ψi − ∆Ψi s sin Ψi

∆Li =

∆x i2 + ∆yi2

∆Li =

∆x i2 + ∆yi2

(∆s

∆Li =

∆L =

2 i

k

k

+ ∆Ψi2s 2 )

∑ ∆L = ∑ (∆s i =0

i

i =0

2 i

+ ∆Ψi2s 2 )

(1)

Mierząc w trakcie przemieszczania drogę i azymut, można określić końcowe położenie z dokładnością ΔL (1). Dokładność tego pomiaru zależy od błędu hodometru i błędu azymutu. Pomiar hodometrem charakteryzuje się dużą dokładnością. Najczęściej jest to licznik drogi z rolką dociśniętą do wnętrza rury. Obroty rolki są zliczane i przy znajomości długości obwodu rolki przeliczane na drogę. W celu zapewnienia redundancji pomiaru, układ hodometru może być zwielokrotniony (2-, 3-krotnie). Problemem podstawowym jest zapewnienie dokładności pomiaru azymutu, i to zarówno podczas ustalania warunków początkowych (na starcie), jak i podczas ruchu.

3. Błędy nawigacji inercjalnej

si

s1 cosΨ1

∆x i = ∆si

X

Nawigacja bezwładnościowa jest jedną z odmian nawigacji zliczeniowej. Znając miejsce startu, mierząc w każdej chwili kierunek ruchu oraz prędkość względem przyjętego układu współrzędnych, można obliczyć aktualne położenie przez całkowanie odpowiednich składowych prędkości względem czasu. W nawigacji inercjalnej pierwotną, mierzoną informacją są składowe przyspieszenia w przyjętym układzie współrzędnych, a prędkość jest wielkością pośrednią (rys. 5). Składowe przyspieszenia mierzone są przez przyspieszeniomierze, które najczęściej działają na zasadzie pomiaru sił bezwładności masy pomiarowej utrzymywanej w stałym położeniu za pomocą sił zawieszenia.

Niestety, przyspieszeniomierze liniowe nie mogą zmierzyć obrotów i każdy ruch kątowy platformy niweczy

Z

z1

z y

Y

z2

y1

ax ay az

błędy w funkcji czasu narastają nieliniowo, osiągając w krótkim czasie bardzo duże wartości. W przypadku czujników inercjalnych średniej klasy o dokładności żyroskopu 1 deg/h i przyspieszeniomierza 0,1 mg, dla czasu pomiaru 60 s można uzyskać dokładność rzędu Δxp = 1,74 m oraz Δxg = 1,8 m, w sumie powyżej 3,5 m.

y2

ω x ωy ω z

x2

x1

x

4. Ograniczanie błędów początkowych nawigacji

X

Rys. 4. Nawigacja inercjalna: platforma z czujnikami Fig. 4. Inertial navigation: platform with sensors

przyspieszenie

∫

czas t1 t2 t3

t4 t5

t6

t7

t8

prędkość t1 t2 t3

t4 t5

t6

t7

t8

t1 t2 t3

t4 t5

t6

t7

t8

czas

∫ droga

czas

Rys. 5. Nawigacja inercjalna: proces dwukrotnego całkowania przyspieszenia Fig. 5. Inertial navigation: double integration process of acceleration

dotychczasowy pomiar. Potrzebne jest dodatkowe urządzenie, które odpowiednio zorientowałoby platformę względem przyjętego układu współrzędnych. Takim urządzeniem może być żyroskop, który umożliwia realizację pomiaru obrotów w przestrzeni inercjalnej.

Problem nawigacji na obiektach polega na nawigowaniu względem obracającej się Ziemi, a nie przestrzeni inercjalnej. Ponadto, istnieje jeszcze jeden problem związany z zachowaniem odpowiedniej dokładności nawigacji inercjalnej w czasie. Jeśli zastosowany przyspieszeniomierz w kierunku ruchu obiektu ma dokładność δf, to przy pominięciu wszystkich innych błędów, po czasie t na skutek dwukrotnego całkowania błąd określenia położenia wyniesie:

∆x p =

δf ⋅ t 2

2

(2)

Podobnie dryf żyroskopu δw byłby przyczyną pochylenia platformy od nominalnej płaszczyzny i powodowałby również błędy położenia równe:

∆x g =

g δω ⋅ t 3

6

(3)

Błąd całkowity tak prowadzonej nawigacji byłby w najprostszym przypadku sumą obu błędów. Jak widać,

Jak widać z przedstawionych przykładów, zarówno dla nawigacji zliczeniowej, jak i dla jego szczególnego przypadku – nawigacji inercjalnej – błędy narastają z czasem.

Wynika to z procesu całkowania, który występuje w obu przypadkach. Dodatkowo, wpływ na wynik końcowy mają warunki początkowe całego procesu, które również są obarczone błędami. W obu przypadkach nawigacji jest sześć warunków początkowych. Trzy dotyczą położenia punktu startu (X0, Y0, Z0) oraz trzy dotyczą początkowej orientacji sondy pomiarowej (Q0, F0, Y0). W przypadku współrzędnych miejsca startu stosunkowo łatwo ustalić je z dużą dokładnością korzystając z metod geodezyjnych lub za pomocą różnicowego odbiornika GPS. Kąty początkowe muszą zostać wyznaczone inercjalnymi czujnikami pomiarowymi. Najłatwiej jest w przypadku pochylenia i przechylenia. Kąty są mierzone za pomocą przyspieszeniomierzy.

Zależność (4) [3] określa mierzone przyspieszenia. Wynikają one z ruchu sondy oraz z przyspieszeń grawitacyjnych.

W przypadku unieruchomienia, przyspieszenia wynikające z ruchu są równe zero i wtedy można za pomocą dwóch pierwszych równań zmierzyć oba kąty (5).

a x  u& + qw − rv   g sin Θ        & a y  = v + ru − pw  +  − g cos Θ sin Φ  a  w     z   & + pv − qu   −g cos Θ cos Φ  a  Θ = a sin  x  ,  g

 ay  Φ = −a sin  .  g cos Θ 

(4)

(5)

W zależności od dokładności zastosowanych przyspieszeniomierzy można osiągnąć różne dokładności pomiaru kątów. Przykładowo, dla dokładności przyspieszeniomierza 0,01g otrzymamy dokładność pomiaru kąta 0,0573 deg; dla 0,0005g – dokładność 0,0286 deg.

Istotnym problemem jest pomiar kąta azymutu początkowego. Do tego celu wykorzystuje się pomiary prędkości kątowej dokonane za pomocą żyroskopów. Na rys. 6 pokazano ideę takiego pomiaru.

Założono wstępnie, że kąty pochylenia i przechylenia są już wyznaczone z pomiarów przyspieszeniomierzami. Na rys. 6 (po lewej) przedstawiono kulę ziemską, która wiruje z prędkością kątową ΩF. Urządzenie pomiarowe znajduje się na szerokości geograficznej F. W tym miejscu prędkość kątowa obrotu kuli ziemskiej ma dwie składowe, horyzontalną ΩH oraz pionową ΩV. Na rys. 6 (z prawej) przedPomiary Automatyka Robotyka nr 4/2014

77

Nauka

N

a)

ΩE

N

b)

ΩE ΩV

ΩH

ψ

Xg

Błąd azymutu początkowego określamy jako różnicę między azymutem obliczonym i rzeczywistym. Na podstawie (6) wynosi on:

Xb

Ω H = Ω E cosΦ ΩbX = Ω H cosψ + BX

Φ

W

ψ obl − ψ ≈

E ΩYb = Ω H sinψ + BY

BY

ΩH

(7)

Na rys. 7 przedstawiono zależność błędu azymutu początkowego w funkcji dryfu żyroskopów i szerokości geograficznej, na której dokonywany jest pomiar.

Azymut początkowy jest ważnym parametrem, od dokładności którego zależy jakość prowadzonej nawigacji.

Yb

Rys. 6. Pomiar azymutu początkowego w procesie żyrokompasowania Fig. 6. An initial azimuth measurement during gyrocompassing

N

stawiono sytuację w płaszczyźnie horyzontalnej w miejscu pomiaru.

Wzdłuż kierunku N (północnego) jest wspomniana wyżej składowa horyzontalna prędkości obrotu kuli ziemskiej. Z sondą pomiarową związany jest układ współrzędnych XbYb, a na niej żyroskopy zorientowane wzdłuż tych osi. Każdy z żyroskopów ma błąd Bx i By. Obliczony azymut początkowy (6):

Ω by = −Ω H sin Ψ + B y Ω

b +180 y

(Ω

b y

Ω bx = Ω H cos Ψ + B x

= Ω H sin Ψ + B y

+ Ω by+180 2

)=B

xb

Ψ

y

Ω bx+180 = −Ω H cos Ψ + B x

(Ω

Ω H = Ω cos φ

b x

)

+ Ω bx+180 = Bx 2

Ω bx = Ω H cos Ψ + B x

y b180

Ω bx+180 = −Ω H cos Ψ + B x E

b y

Ω = −Ω H sin Ψ + B y Ω by+180 = Ω H sin Ψ + B y

yb Ψ + 180 o

ψ obl

 Ω by Ψobl = tan −1  b Ω  x

Ω   Ω sin ψ + BY  = tan  = tan −1  H

 Ω   ΩH cos ψ + BX  −1

b Y b X

(6)

  − Ω H sin Ψ + B y  = tan −1   Ω cos Ψ + B  x  H 

  

xb180

Rys. 8. Procedura podwójnego żyrokompasowania Fig. 8. The double gyrocomassing procedure

12

[deg]

Φ = 70o

Dokładność żyrokompasowania

8

Φ = 52o

4

Φ = 0o

Dryf żyroskopu

[deg/h]

0 0

0.2

0.4

0.6

Rys. 7. Błędy azymutu początkowego Fig. 7. The initial azimuth errors

78

0.8

1

1.2

Tak jak w przypadku pochylenia i przechylenia stosunkowo łatwo jest zwiększyć dokładność przez zastosowanie dokładniejszych przyspieszeniomierzy, to w przypadku azymutu należy zastosować bardzo dokładne (tym samym drogie) żyroskopy.

Na rys. 8 przedstawiono sposób umożliwiający zmniejszenie tych błędów. Wykorzystano tu zjawisko obserwowane w żyroskopach wysokiej dokładności, że dryfy ulegają zmianom stosunkowo wolno. Bardzo często po włączeniu urządzenia, po wygrzaniu czujników (osiągnięciu równowagi termodynamicznej) żyroskopy przez długi czas wykazują dryfy quasi stałe. W tym momencie wykonanie dwóch pomiarów: jeden na wybranym azymucie, drugi przemieszczony o 180 deg pozwala na wyeliminowanie tego dryfu.

Metoda nie jest w pełni skuteczna, ale w praktyce pozwala na kilkukrotne zmniejszenie błędu azymutu początkowego w stosunku do pomiaru jednokrotnego.

5. Ograniczanie błędów podczas nawigacji Do ograniczenia błędów nawigacji inercjalnej można również zastosować procedurę ZUPT (ang. Zero Velocity Updates). Procedura ta polega na kalibracji czujników inercjalnych podczas zatrzymania obiektu względem Ziemi lub innego ciała niebieskiego. Na rys. 9 przedstawiono efekt działania procedury ZUPT.

δ

δ

t

t

Rys. 9. Efekt działania procedury ZUPT Fig. 9. The effect of the ZUPT procedure functioning

cje prezentowanej metody [5] można próbować stosować w rurociągach.

Procedura ZUPT pozwala na osiągnięcie liniowej zależności błędu prowadzonej nawigacji w funkcji czasu dla nawigacji inercjalnej.

Bibliografia 1. Collinson R.P.G., Introduction to Avionics, Chapman & Hall, 1996. DOI: 10.1007/978-94-011-0007-6 2. Kayton M., Fried W.R., Avionics Navigation Systems, John Wiley and Sons, 1997.

DOI: 10.1002/9780470172704 3. Merhav S., Aerospace Sensor Systems and Applications, Springer–Verlag, 1996.

4. Szymanowski J., Grzelak J., Popowski S., Static Initial Azimuth Update Method in Land Navigation Systems, “Annual of Navigation”, no. 6, 2003, 91–101.

5. Szymanowski J., Grzelak J., Popowski S., Dynamic Initial Settings Update Method in Inertial Navigation Systems, “Annual of Navigation”, no. 8, 2004, 45–56.

Na rysunku po lewej stronie przedstawiono wykres błędów prowadzenia nawigacji w czasie. Błąd narasta nieliniowo w czasie od momentu rozpoczęcia nawigacji (całkowania). Na rysunku po prawej stronie przedstawiono błąd nawigacji po zastosowaniu tej procedury. Po krótkim czasie prowadzenia nawigacji sonda pomiarowa zatrzymała się.

W tym momencie wyliczone położenie końcowe jest zapamiętywane jako położenie początkowe dla następnego odcinka pomiarowego. Ten scenariusz powtarza się wielokrotnie, zatrzymując się w każdym przypadku. Dzięki temu błędy narastają liniowo (a nie nieliniowo) w czasie, zaś kąt nachylenia tej prostej można w pewnym zakresie regulować częstotliwością zatrzymań.

Procedurę ZUPT można stosować w przypadku, gdy można dokonać zatrzymania, na przykład w odwiertach pionowych. W przypadku rurociągów z poruszającym się medium (ropą lub gazem) jest to niemożliwe.

6. Wnioski końcowe Przedstawione metody zmniejszania błędów układów nawigacji zliczeniowej, a w szczególności inercjalnej mogą znaleźć zastosowaniu do nawigacji w odwiertach kierunkowych i w nawigacji rurociągów. Najważniejsze jest, aby zarówno w jednym, jak i w drugim przypadku nawigacji, warunki początkowe nawigacji były prawidłowo ustalone.

Tutaj bardzo przydatna może być procedura podwójnego żyrokompasowania ze względu na trudności z otrzymaniem dokładnej wartości azymutu. Bez prawidłowych warunków początkowych nie może być dokładnej nawigacji. W pracy [4] przedstawiono alternatywną metodę.

Procedura ZUPT przeznaczona jest dla nawigacji inercjalnej przy założeniu, że sonda pomiarowa ma możliwość zatrzymania się względem Ziemi. Ogranicza to jej zastosowanie do odwiertów kierunkowych. Pewne modyfika-

Methods of errors limitation of navigation for directional drilling and underground pipelines Abstract: Knowledge of the trajectory of the borehole is necessary in order to allow for the control of the drill so as to achieve the established process bore. Similarly, in the case of pipelines for transferring fuels, they should be monitored. This is possible thanks to the use of methods of reducing errors in dead reckoning navigation systems with special taking into account of proper set of the initial conditions of navigation.

Keywords: navigation, dead reckoning, inertial navigation, navigation errors, ZUPT

Artykuł recenzowany; nadesłany 21.11.2013 r.; przyjęty do druku 10.03.2014 r.

dr inż. Stanisław Popowski Adiunkt w Instytucie Lotnictwa. Absolwent Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej w 1978 r.

Główne zainteresowania badawcze – lotnicze układy pomiarowe, szczególnie pomiary z wykorzystaniem technologii inercjalnych. e-mail: stanislaw.popowski@ilot.edu.pl mgr inż. Witold Dąbrowski Starszy specjalista badawczo-techniczny w Instytucie Lotnictwa. Absolwent Wydziału Mechaniczego Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej w 1979 r. Jego główne zainteresowania badawcze to lotnicze układy pomiarowe. e-mail: witold.dabrowski@ilot.edu.pl

Pomiary Automatyka Robotyka nr 4/2014

79

Nauka

Zezwala się na korzystanie z artykułu na warunkach licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0

Zrównywanie wartości miar cech obiektów technicznych Piotr Bielawski Katedra Diagnostyki i Remontów Maszyn, Akademia Morska w Szczecinie

Streszczenie: Scharakteryzowano przedsiębiorstwo działające w społecznej gospodarce rynkowej, wymieniono cechy przedsiębiorstwa i przedstawiono fazy życia obiektów technicznych. Dokonano dekompozycji majątku przedsiębiorstwa i wyszczególniono pojęcia: system produkcyjny, obiekty techniczne, obiekty systemów technicznych. Poruszono problem cech i struktury cech systemu produkcyjnego. Wskazano na wpływ potencjału eksploatacyjnego na inne cechy systemu produkcyjnego. Wskazano na związki między cechami systemu produkcyjnego i cechami przedsiębiorstwa. Przedstawiono relacje między jakością przedsiębiorstwa, jakością systemu produkcyjnego i jakością wyrobu. Wprowadzono pojęcie wartości rzeczywistej i wartości pożądanej miary danej cechy. Wykazano konieczność zrównywania wartości rzeczywistych miar cech systemu produkcyjnego z pożądanymi wartościami miar cech systemu produkcyjnego. Przedstawiono algorytmy zrównywania wartości miar cech na poziomie systemów technicznych, obiektów systemów technicznych, zespołów funkcjonalnych obiektów i elementów obiektów. Opisano metody i środki wyrównywania wartości miar cech. Każdemu poziomowi przypisano sposób realizacji zrównywania wartości miar cech. Poruszono problem identyfikacji cech na każdym poziomie dekompozycji systemu produkcyjnego. Wskazano na rolę obsługiwania w zrównywaniu wartości cech systemu produkcyjnego. Scharakteryzowano metodykę identyfikacji obiektów stosowaną w obsługiwaniu.

Opisano rolę „asset management” w zrównywaniu wartości miar cech systemu produkcyjnego. Uzasadniono potrzebę tworzenia kompletnego i spójnego systemu miar cech od poziomu przedsiębiorstwa do poziomu elementu obiektu systemu technicznego. Zaznaczono, że istotą takiego systemu powinna być możliwość wyznaczania wartości miar cech jednego poziomu dekompozycji na podstawie wartości miar cech sąsiedniego poziomu dekompozycji systemu.

Słowa kluczowe: cechy przedsiębiorstwa, cechy systemów technicznych, identyfikacja obiektów technicznych, zarządzanie majątkiem, obsługiwanie, wartość miary cechy

DOI: 10.14313/PAR_206/80

80

1. Wprowadzenie Globalizacja i wzrost konkurencji zmuszają do skutecznego i efektywnego zarządzania na każdym szczeblu organizacyjnym przedsiębiorstwa produkcyjnego. Istnieją różne podziały organizacyjne przedsiębiorstwa, a zarządzający przedsiębiorstwami poszukują i wprowadzają różne idee zarządzania, np. Total Quality Management czy też Lean Manufacturing, której jednym z narzędzi jest Total Productive Maintenance. Obecnie lansowana jest idea zwana Asset Management. W usystematyzowaniu i ocenie idei oraz w polepszeniu skuteczności i efektywności zarządzania w przedsiębiorstwie pomocne okazać się może podejście polegające na działaniach na cechach przedsiębiorstwa i cechach obiektów przedsiębiorstwa celem zrównywania rzeczywistych i pożądanych wartości miar cech przedsiębiorstwa i jego obiektów.

2. Obiekty techniczne i ich wytwarzanie Z nauk ekonomiczno-społecznych wynika, że naturalnym i podstawowym celem działania ludzi we wszystkich systemach społecznych jest zaspokajanie potrzeb, i że środkami zaspokajania potrzeb są dobra. Wyróżnia się przy tym dobra konsumpcyjne, dobra produkcyjne i usługi.

Dobra nazywane są również wyrobami lub produktami.

W gospodarce rynkowej produkcja dóbr realizowana jest w przedsiębiorstwach a wymiana dóbr dokonywana jest na rynku. Dobra produkcyjne są obiektami eksploatacji w przedsiębiorstwie produkcyjnym (rys. 1).

O sukcesie rynkowym wyrobu decyduje jego jakość.

Według ISO 9001, jakość to „ogół cech i właściwości wyrobu i usługi, decydujących o zdolności wyrobu lub usługi do zaspakajania stwierdzonych lub przewidywanych potrzeb” [1]. Koszty jakości to nakłady ponoszone na uzyskanie oczekiwanego poziomu jakości oraz straty wynikające z niedostatecznej jakości [3].

Jakość wyrobu określona jest w „specyfikacji” wyrobu.

Jakość wyrobu można zmierzyć i ocenić, jeżeli: –– znane są cechy i właściwości wyrobu, –– znane są miary cech i właściwości wyrobu,

Rynek: – zapotrzebowanie na środki produkcji, dobra konsumpcyjne i usługi; – podaż surowców i nośników energii; – rynek pracy.

Zakup Sprzedaż

Recykling

Instalacja obiektu

Zapotrzebowanie rynku

Wyłączenie obiektu z ruchu

Uruchomienie obiektu

Planowanie produktu Rozwój produktu

Eksploatacja obiektu

Wytwarzanie produktu

–– –– –– ––

wymagania rynku, ograniczenia prawne, istnienie konkurencji, postępującą globalizację.

Efektem globalizacji jest wzrost konkurencji. Drogi sprostania konkurencji i utrzymania się na rynku to [6]: –– utrzymanie/podwyższanie jakości wyrobu/usługi, –– wprowadzanie innowacji.

Na podstawie powyższego sformułować można następujące cechy opisujące jakość przedsiębiorstwa: –– rentowność przedsiębiorstwa, –– konkurencyjność przedsiębiorstwa, –– innowacyjność przedsiębiorstwa, –– udział w rynku produktów przedsiębiorstwa.

W ekonomii znane są miary wyżej wymienionych cech.

Warunkiem koniecznym sukcesu przedsiębiorstwa jest posiadanie system produkcyjnego o odpowiedniej jakości.

2.2. System produkcyjny

System produkcyjny Przedsiębiorstwo Ograniczenia prawne

Rys. 1. Fazy życia dóbr produkcyjnych w społecznej gospodarce rynkowej [2] Fig. 1. Life phase of production goods in a social market economy

–– znane są przedziały wartości wymienionych miar, w których wyrób jest zdolny do zaspokojenia stwierdzonych lub oczekiwanych potrzeb.

Do produkcji konieczne są materiały, energia i praca ludzka. Podstawowym składnikiem przedsiębiorstwa jest system produkcyjny składający się z obiektów technicznych i ludzi. Obiekty techniczne systemów produkcyjnych są produktami/wyrobami innych systemów produkcyjnych.

System produkcyjny jest systemem składającym się ze zbioru obiektów technicznych, ludzi i wiedzy (technologii). Elementy składowe obiektów technicznych zestawiono hierarchicznie na rys. 2. Obiekty techniczne i wiedza składają się na majątek przedsiębiorstwa (asset). Systemy i obiekty systemów technicznych przechodzą przez określone fazy życia: projektowanie, wytwarzanie elementów, montaż obiektów, instalowanie obiektów, uruchamianie systemu, eksploatacja systemu, likwidacja i recycling obiektów systemu (rys. 1).

System produkcyjny po uruchomieniu ma pewien potencjał eksploatacyjny (nadany w fazie projektowania

System produkcyjny

Ludzie

Technologie

2.1. Przedsiębiorstwo

Przedsiębiorstwo to samodzielna jednostka prowadząca działalność gospodarczą, wyodrębniona prawnie, organizacyjnie i ekonomicznie [4].

Aksjomatami przedsiębiorstwa działającego w społecznej gospodarce rynkowej są niezależność i elastyczność, a sensem działania jest utrzymanie się na rynku i dalszy rozwój [5]. W danej chwili przedsiębiorstwo ma określone: rodzaj produktu, technologię produkcji, krąg odbiorców i socjalne zobowiązania. Przedsiębiorstwo prowadzi działalność przynoszącą zysk. Celami głównymi przedsiębiorstwa są według [5]: –– maksymalizacja zysku, –– podwyższanie rentowności/efektywności, –– poszerzanie rynku zbytu, –– zapewnienie płynności finansowej.

Przedsiębiorstwo w swojej polityce i zarządzaniu musi uwzględniać:

Konstrukcje

Obiekty techniczne

Budynki

Systemy techniczne

Urządzenia typu: linie przesyłowe, rurociągi itp.

Agregaty

Obiekty systemów technicznych

Aparaty

Elementy maszyn i urządzeń

Maszyny

Zespoły funkcjonalne

Rys. 2. Dekompozycja systemu produkcyjnego Fig. 2. Decomposition of the production system

Pomiary Automatyka Robotyka nr 4/2014

81

Nauka

i wytwarzania) oraz ma określone wartości miar cech.

Cechy te opisują jakość systemu produkcyjnego. Potencjał eksploatacyjny podczas użytkowania wyczerpuje się (obiekty systemów technicznych ulegają niedającemu się wyeliminować zużyciu) a wartości rzeczywiste miar cech zmieniają się wraz z redukcją potencjału. Wyczerpanie potencjału oznacza, że co najmniej jedno najsłabsze ogniwo systemu (maszyna, urządzenie, zespół, element) uległo uszkodzeniu a cały system znajduje się w stanie niezdatności.

Wartość potencjału wpływa na cechy systemu produkcyjnego: wartości rzeczywiste cech zmieniają się wraz z redukcją potencjału. Cechą najmocniej zależną od potencjału jest nieuszkadzalność (ang. reliability) systemu.

Według PN-EN 13306 [7] nieuszkadzalność obiektu to jego zdolność do spełniana wymaganych funkcji w danych warunkach, w danym przedziale czasu. Nieuszkadzalność według PN-EN 13306 to także „prawdopodobieństwo działania”.

W [8] zdefiniowano wybrane cechy układu człowiek– maszyna. Według [8] do głównych cech i właściwości układu: człowiek–maszyna można zaliczyć: odpowiedniość (ang. adequacy), niezawodność (ang. dependability), bezpieczność (ang. safety), trwałość (ang. durability) i efektywność (ang. effectiveness). Wymienione cechy główne są zbiorami innych określonych cech. Przykładowo niezawodność obejmuje nieuszkadzalności, nadmiarowości, bezbłędności i gotowości [8]. Według PN-EN 13306: 20006 [7] termin niezawodność (ang. dependability) jest używany tylko do ogólnego, nieliczbowego opisu i oznacza zespół właściwości (nieuszkadzalność, obsługiwalność i wspomagalność obsługiwania), które opisują gotowość obiektu i wpływają na nią.

Wymienione cechy układu człowiek–maszyna można uznać za cechy systemu produkcyjnego. Każda cecha powinna być mierzalna. Dla każdej cechy tworzy się miary ilościowe wyznaczalne lub szacowalne (ex post lub ex ante), głównie na podstawie danych statystycznych. Nieuszkadzalność, gotowość, obsługiwalność przykładowo opisywane są odpowiednio za pomocą wskaźników nieuszkadzalności, gotowości i obsługiwalności, np. zgodnie z wymaganiami normy PN-93/N-50191] [9]. Norma PN-80/N-04000 [10] wskaźniki nieuszkadzalności zaliczała bezpośrednio do wskaźników niezawodności.

Istnieje pewna zależność między cechami systemu produkcyjnego. W wielu przypadkach osiągnięcie jednej cechy uwarunkowane jest osiągnięciem innej cechy, np. według [8] niezawodność warunkuje bezpieczność i efektywność.

Możliwe wydaje się tworzenie relacji między cechami przedsiębiorstwa i cechami systemu produkcyjnego, przykładowo: –– gotowość (ang. availability) systemu produkcyjnego determinuje dyspozycyjność (ang. disposability) systemu produkcyjnego. Dyspozycyjność wpływa na potencjalne korzyści/dochody z systemu produkcyjnego i dalej ma znaczący wpływ na rentowność przedsiębiorstwa;

82

–– bezpieczność (ang. safety) według [8] to łączna cecha systemu produkcyjnego opisująca przysposobienie systemu do unikania zagrożeń i narażeń w ruchu i w stanie spoczynku. Bezpieczność systemu produkcyjnego ma wpływ na bezpieczeństwo ludzi, obiektów i środowiska (bezpieczeństwo to stan niezagrożenia, spokoju, pewności [4]). Spełnianie wynikających z aktów prawnych wymagań dotyczących bezpieczeństwa pociąga za sobą pewne koszty ale przyczynia się do unikania awarii skutkujących kosztami przerw w produkcji i kosztami usuwania skutków awarii systemu produkcyjnego. Wymienione koszty wpływają na rentowność przedsiębiorstwa; –– efektywność (ang. effectiveness) systemu produkcyjnego wpływa na potencjalne koszty wytworzenia produktu/ usługi i tym samym na rentowność przedsiębiorstwa.

Efektywność opisywana jest zbiorem czterech pojęć: sprawność energetyczna (ang. efficiency), wydajności (ang. capability), ekonomiczność (ang. economics), gospodarność (ang. managementability).

W tab.1 wskazano zależności między cechami przedsiębiorstwa i wybranymi cechami systemu produkcyjnego.

Tab. 1. Zależność cech przedsiębiorstwa od wybranych cech systemu produkcyjnego Tab. 1. Dependence of enterprise features on selected features of the production system Cechy jakości przedsiębiorstwa

Cechy jakości systemu produkcyjnego

rentowność

gotowość, sprawność energetyczna, nieuszkadzalność, obsługiwalność

konkurencyjność

wydajność, sprawność energetyczna, ekonomiczność, gospodarność

udział w rynku

wydajność

innowacyjność

kompatybilność, sprawność energetyczna

Istnieje możliwość spowalniania ubytków potencjału i przywracania potencjału eksploatacyjnego. Istnieje również możliwość zmiany (podwyższania) wartości miar cech systemu produkcyjnego.

3. Zrównywanie rzeczywistych i pożądanych wartości miar cech Jakość wyrobu lub usługi znacząco zależy od jakości systemu produkcyjnego wytwarzającego te wyroby lub usługi i jakości użytych materiałów. Jakość wyrobów ma wpływ na jakość przedsiębiorstwa. Przedsiębiorstwo determinuje jakość wyrobu sterując odpowiednio jakością systemu produkcyjnego. Możliwe jest również sterowanie wartościami

Jakość przedsiębiorstwa

Jakość wyrobu/usługi Jakość systemu produkcyjnego

Rys. 3. Relacje między jakością przedsiębiorstwa, systemu produkcyjnego i wyrobu Fig. 3. Relation between the quality of the enterprises, the production system and product

W przypadku, gdy wartości rzeczywiste miar cech nie mieszczą się w przedziale wartości pożądanych konieczne są działania celem zrównania wartości rzeczywistej z wartością pożądaną. W przypadku nowo wytworzonego systemu produkcyjnego takie działania w części technicznej systemów produkcyjnych (podobne działania należy prowadzić w części organizacyjnej i technologicznej) polegają na usuwaniu błędów projektowych, konstrukcyjnych, wytwarzania i montażowych. Stosowana jest w takich przypadkach procedura znana z literatury jako „analiza uszkodzeń”. Analizę uszkodzeń przeprowadza się po każdej awarii systemu technicznego.

Pożądane wartości miar cech systemu produkcyjnego

cech systemu produkcyjnego celem uzyskania pożądanych wartości cech przedsiębiorstwa. Istniejące relacje między jakością przedsiębiorstwa, jakością systemu produkcyjnego i jakością wyrobu/usługi schematycznie można przedstawić tak, jak na rys. 3.

Przedsiębiorstwo decyduje o jakości swojego systemu produkcyjnego na etapie projektowania i wytwarzania, dążąc do nadania mu pożądanych wartości miar cech.

Po uruchomieniu systemu produkcyjnego, podczas użytkowania systemu, po upływie czasu pozwalającego na identyfikację rzeczywistych wartości miar cech systemu produkcyjnego następuje porównanie wartości rzeczywistych i pożądanych.

Pożądane wartości miar cech przedsiębiorstwa: przedziały wartości miar cech przedsiębiorstwa

Pożądane wartości miar cech systemu produkcyjnego: przedziały wartości miar cech ∆Ai System produkcyjny

Rzeczywiste wartości miar cech systemu produkcyjnego – – – –

Kasacja systemu Modernizacja Przebudowa Nowy system

V

Ai ∉ ∆Ai

Rys. 4. Zrównanie wartości miar cech pożądanych i rzeczywistych systemu produkcyjnego Fig. 4. Equalization of the required and real features measures values of production system

Obiekt systemu produkcyjnego

Pożądane wartości miar cech obiektu (np. efektywność, sprawność, wydajność, bezpieczność): przedziały wartości miar cech obiektu ∆Bi

Rzeczywiste wartości miar cech obiektu Bi Remont: – demontaż obiektu – weryfikacja elementów obiektu – naprawy/regeneracje elementów – montaż obiektu

V

Bi ∉ ∆Bi

Rys. 5. Zrównanie wartości miar cech pożądanych i rzeczywistych obiektów systemu technicznego Fig. 5. Equalization of the required and real features measures values of technical system objects

W przypadku dłużej eksploatowanych systemów produkcyjnych konieczność zrównania wartości rzeczywistych z pożądanymi może być spowodowana koniecznością podwyższenia wartości miar cech przedsiębiorstwa lub może być skutkiem zużycia systemu produkcyjnego. W takim przypadku zrównywanie wartości miar cech następuje w kolejności i w sposób przedstawiony na rys. 4.

Wybór sposobu zrównania (kasacja, modernizacja, przebudowa, nowy system) musi być dopasowany do planowanych, pożądanych wartości miar cech przedsiębiorstwa.

Poza kasacją i budową nowego systemu inne działania, to jest modernizacja i przebudowa, nie dotyczą całego systemu, ale wybranych części systemu lub wybranych obiektów systemu technicznego. W tych przypadkach dzia-

Pomiary Automatyka Robotyka nr 4/2014

83

Nauka

Pożądane wartości miar cech obiektu systemu technicznego

Zespół funkcjonalny obiektu systemu technicznego

Pożądane cechy zespołów funkcjonalnych: przedziały wartości miar cech ∆Ci

Rzeczywiste wartości miar cech Ci

Konserwacja zespołu

V

Ci ∉ ∆Ci

Weryfikacja elementów zespołu

• Naprawa • Regeneracja • Wymiana elementu

Rys. 6. Zrównanie wartości miar cech pożądanych i rzeczywistych zespołów funkcjonalnych obiektów systemów technicznych Fig. 6. Equalization of the required and real features measures values of functional groups of technical system objects

łania, celem zrównania wartości miar cech rzeczywistych systemu produkcyjnego z wartościami pożądanymi, podejmuje się dopiero po zbadaniu, że działania celem zrównania wartości rzeczywistych z wartościami pożądanymi poszczególnych obiektów systemu technicznego (rys. 5) są niemożliwe lub nieuzasadnione.

Obiekty techniczne systemów produkcyjnych są z re­guły wyrobami, które powinny się charakteryzować (pkt 2) wartościami cech określonymi w specyfikacji technicznej wyrobu. Wartości te powinny być zarazem optymalne dla systemu produkcyjnego, co wymaga znajomości relacji między cechami obiektu systemu produkcyjnego i cechami systemu produkcyjnego.

Elementy poszczególnych obiektów systemu produkcyjnego, w szczególności obiektów systemów technicznych, zużywają się z różną szybkością. Różna jest szybkość utraty potencjału eksploatacyjnego poszczególnych obiektów i różna jest szybkość zmian rzeczywistych wartości miar cech poszczególnych obiektów. Konieczna jest identyfikacja wartości cech poszczególnych obiektów i w przypadku, gdy wartości rzeczywiste nie mieszczą się w przedziale wartości pożądanych to niezbędna jest odbudowa potencjału eksploatacyjnego. Czynności organizacyjnotechniczne celem odbudowy potencjału eksploatacyjnego

84

obiektu nazywane są remontem obiektu (rys. 5). W przypadkach, gdy istnieje możliwość odbudowy potencjału eksploatacyjnego obiektów działania według rys. 4 przeprowadza się po zbadaniu, że działania według rys. 5 nie spowodują zrównania wartości miar cech pożądanych i rzeczywistych systemu produkcyjnego.

W obiektach typu maszyna można wyróżnić tzw. zespoły funkcjonalne realizujące w maszynie zadania cząstkowe. Szybkość utraty potencjału eksploatacyjnego poszczególnych zespołów funkcjonalnych obiektu (maszyny) nie jest stała i jednakowa dla wszystkich zespołów obiektu. Takim zespołom można, dokonując dekompozycji cech maszyny, przypisać pożądane wartości miar cech. Jeżeli rzeczywiste wartości miar cechy zespołu funkcjonalnego nie mieszczą się w przedziale pożądanych wartości to odnowa potencjału odbywa się poprzez konserwacje i naprawy danego zespołu (rys. 6). Utrata potencjału zespołu funkcjonalnego często wynika z uszkodzenia jednego z elementów np. elementów węzła tribologicznego.

Na podstawie rzeczywistych wartości miar cech zespołu funkcjonalnego nie zawsze jest możliwe wskazanie uszkodzonego elementu. Konieczne są badania poszczególnych elementów jako osobnych części. Badania, których celem jest określenie rzeczywistych wartości miar cech swobodnych (wymontowanych) elementów obiektów technicznych nazywane są weryfikacją elementów. Wyniki weryfikacji są podstawą decyzji dotyczących dalszych działań na przedmiotowych elementach.

Na rys. 7 przedstawiono algorytm zrównywania wartości cech elementu swobodnego (nowego lub wyjętego z obiektu). Celem zrównania wartości miar cech rzeczywistych i pożądanych elementów, element można wymienić na nowy, naprawić lub zregenerować. Podobnie w przy-

Pożądane cechy elementów: przedziały wartości miar cech ∆Di

Element

Rzeczywiste wartości miar cech Di elementu

V

Di ∉ ∆Di

Decyzja: • naprawa • regeneracja • wymiana elementu Rys. 7. Zrównanie wartości miar cech rzeczywistych i pożądanych elementów (weryfikacja elementów) Fig. 7. Equalization of the required and real features measures values of objects parts (verification of objects parts)

padku remontów obiektów: po demontażu każdy element jest weryfikowany i w zależności od wyników weryfikacji może być wymieniony na nowy, naprawiony lub regenerowany. Identyfikacji poddawany powinien być każdy element nowo wytworzony. Celem takiej identyfikacji jest zbadanie zgodności wyrobu ze specyfikacją oraz: –– wykrywanie niedoskonałości, które sprzyjają destrukcji elementu pod działaniem obciążeń roboczych; –– wykrywanie niedoskonałości o wartościach krytycznych (wykrywanie wad) dyskwalifikujących element.

Różnica między działaniami według rys. 5 i 6 polega na tym, że według rys. 5 dokonuje się poszukiwania uszkodzonych elementów przez badanie wszystkich elementów po demontażu maszyny. Według rys. 6 działania koncentrują się tylko na elementach zespołu funkcjonalnego i najpierw przeprowadza się działania konserwujące, które mogą spowodować pożądaną poprawę wartości miar cech zespołu funkcjonalnego.

4. Metody i środki zrównywania wartości miar cech Zrównywanie wartości miar cech na każdym poziomie dekompozycji (rys. 4–7) to swego rodzaju układ regulacji i, analogicznie jak w mechatronicznych systemach regulacji, można mówić o członach sterujących i wykonawczych czy też wyróżnić sensory i aktory [11]. Sensory służą tu do identyfikacji (selekcji, pomiaru i analizy) miar cech, aktory do przeprowadzenia czynności celowo zmieniających wartości miar cech.

Metody i środki zrównywania wartości miar cech elementów, zespołów funkcjonalnych i obiektów systemów technicznych określane są podczas projektowania i konstruowania systemu produkcyjnego i jego obiektów.

Zastosowane metody i środki zrównywania mają bezpośredni wpływ na osiągane wartości miar cech systemu produkcyjnego. System produkcyjny może osiągać zaplanowane wartości cech tylko pod warunkiem skutecznego i efektywnego przeprowadzania czynności zrównywania wartości miar cech obiektów systemu produkcyjnego. Ponieważ metody i środki zrównywania są ciągle rozwijane istnieje możliwość zrównywania cech obiektów i systemu produkcyjnego poprzez wprowadzanie, drogą modernizacji obiektów i systemów, bardziej skutecznych i efektywnych metod i środków zrównywania. Skuteczność i efektywność zrównywania nowymi metodami i środkami musi być wcześniej dowiedziona a celowość ich zastosowania w danym przypadku sprawdzona metodami symulacyjnymi.

Na rys. 4–6 wartości pożądane miar cech danego obiektu wynikają z wartości pożądanych miar cech obiektów nadrzędnych. Dla danego obiektu mogą w wielu przypadkach pojawić się dodatkowe, specyficzne dla danego obiektu wartości miar cech pożądanych. Z [12] wynika, że takie wartości miar mogą być brane pod uwagę ze względu na: –– przebieg szybkości zużywania się elementów; –– naprawialność elementów.

W obu powyższych przypadkach wartość graniczna przedziału pożądanego jest wartością dopuszczalnego zużycia danego elementu. W pierwszym przypadku wartość dopuszczalnego zużycia odpowiada początkowi intensywnego zużycia (drugiemu punktowi charakterystycznemu na krzywej Lorenza w przypadku zużycia tribologicznego) kończącego się destrukcją materiału i dalej awarią obiektu.

W drugim przypadku wartość dopuszczalnego zużycia zależy od zastosowanej technologii realizacji zrównywania np. technologii naprawy.

Czynności służące utrzymaniu wartości miar cech systemu produkcyjnego i jego obiektów w pożądanym zakresie wartości cech określane są jako „utrzymanie w ruchu” lub „obsługiwanie” (niem. Instandhaltung, ang.

Maintenance). Zastosowane tu metody i środki identyfikacji znajdują odzwierciedlenie w nazwie „strategii obsługiwania”. W kolejności powstawania, znane są następujące strategie: obsługiwanie do awarii, obsługiwanie według resursu, obsługiwanie według stanu technicznego.

W przypadku obsługiwania do awarii podstawą identyfikacji są skutki utraty potencjału eksploatacyjnego danego obiektu objawiające się nie tylko wartościami miar cech obiektu niemieszczącymi się w zakresie wartości pożądanych, ale często również całkowitym zatrzymaniem pracy danego obiektu i uszkodzeniami wtórnymi to znaczy uszkodzeniami, które nastąpiły na skutek wystąpienia wcześniejszego, innego uszkodzenia w obiekcie.

W obsługiwaniu według resursu mierzoną cechą sterującą jest czas pracy danego obiektu, a warunkiem koniecznym posiadanie tzw. charakterystyk niezawodnościowych opracowanych na podstawie danych uzyskanych z obiektów tego samego typu wcześniej eksploatowanych. Działania sanacyjne podejmowane są po upływie „z góry” określonego czasu pracy obiektu.

Obsługiwanie według stanu wymaga pomiaru i oceny wartości cech typowo technicznych, takich cech, które są związane z cechami technicznymi elementów składowych obiektu. Mierzone muszą być przy tym takie cechy, których zmiany mają charakter trwały i wynikają ze zużycia elementów (zużycie – trwałe, niepożądane zmiany materiału elementu). Identyfikacja cech elementu w strategii według stanu jest wynikiem przeglądu albo diagnozowania danego obiektu. Przegląd wiąże się z zatrzymaniem pracy obiektu i jego częściowym lub całkowitym demontażem. Całkowity demontaż pozwala na identyfikacją cech elementów swobodnych. Przegląd bez demontażu ukierunkowany jest na identyfikację elementów wbudowanych: wartości cech elementów po wbudowaniu (po ich zamontowaniu w obiekcie) są wypadkową wartości cech elementów przed ich wbudowaniem i oddziaływań między elementami obiektu w stanie zmontowanym. Dla pewnych elementów określonych typów obiektów zdefiniowane są mierzalne cechy elementów wbudowanych. Diagnozowanie dotyczy elementów pracujących w obiekcie i wymaga wprowadzania i pomiaru nowych cech związanych z zespołami (układami elementów wbudowanych) funkcjonalnymi obiektów. Operując pojęciem cechy, jako odpowiedzi na wymuszenie, wartość takiej cechy powinna być zależna

Pomiary Automatyka Robotyka nr 4/2014

85

Nauka

od wartości cech elementów składowych oraz obciążenia działającego na dany zespół funkcjonalny. Środki diagnozowania wymagają ich wcześniejszego stworzenia bądź zakupu. Każda metoda diagnozowania ma swoją określoną skuteczność i jest „zorientowana” (termin stosowany w pracach Cz. Cempela) na określone uszkodzenie. Wprowadzenie „nowej” metody diagnozowania do obsługiwania danego obiektu wiąże się z poniesieniem przez przedsiębiorstwo kosztów związanych z zakupem stosownych środków, szkoleniem pracowników, przystosowaniem obiektu i otoczenia do nowej metody. Koszty takie mogą spotkać się z akceptacją w przypadkach, gdy wprowadzenie nowej metody diagnozowania: –– spowoduje wzrost wartości jednej z cech przedsiębiorstwa; –– wynika z aktów prawnych obowiązujących przedsiębiorstwo (rys. 1. Ograniczenia prawne).

Wprowadzanie nowych metod i środków obsługiwania to jedna z wielu możliwości utrzymania lub podwyższenia wartości miar określonych cech systemu produkcyjnego: musi być jednak najpierw znaleziona, a następnie wzięta pod uwagę w podejmowaniu decyzji o zakresie prac według rys. 5. Biorąc pod uwagę, że akcjonariusze przedsiębiorstw oczekują ciągłego podwyższania wartości miar cech przedsiębiorstwa należy spodziewać się, że zarząd przedsiębiorstwa będzie dążył do podwyższania wartości miar określonych cech systemu produkcyjnego poprzez ciągłe podwyższanie wartości miar odpowiednich cech obiektów tego systemu. Prognoza takiego zachowanie zarządu wynika między innymi z faktu, że według [13] koszty inwestycyjne są zawsze dużo niższe od późniejszych kosztów użytkowania i obsługiwania. Można przyjąć, że każda celowa modernizacja może doprowadzić do zmniejszenia kosztów eksploatacji przekraczającej znacznie koszty modernizacji.

Uzasadnione są zatem takie działania, które podnosząc koszt inwestycji spowodują spadek kosztów eksploatacji.

Warunkowo uzasadnione są wszelkie działania na systemie produkcyjnym, które spowodują celową zmianę pożądanych wartości cech przedsiębiorstwa. Działania takie powinny przebiegać według poniższego algorytmu: –– Analiza potrzeb zmian wartości miar cech przedsiębiorstwa. Wskazanie cechy, która powinna być zmieniona.

–– Analiza możliwości zmiany wartości wskazanej cechy przedsiębiorstwa poprzez zmianę wartości cechy/cech systemu produkcyjnego. Wskazanie cechy systemu produkcyjnego, która powinna być zmieniona.

–– Analiza możliwości działań technicznych na obiektach systemu produkcyjnego, które mogą spowodować określoną wcześniej zmianę. Analiza wpływu poszczególnych rozwiązań na wartości cech przedsiębiorstwa. Wybór rozwiązania.

–– Realizacja wybranego rozwiązania i ocena efektywności i skuteczności rozwiązania.

Istnieje zatem potrzeba patrzenia na obiekty techniczne systemów produkcyjnych nie z punktu „obsługownika” („użytkowanie – użytkownik” analogicznie „obsługiwanie

86

– obsługownik”) danego obiektu, ale z punktu „zarządzającego obiektami systemów produkcyjnych”.

Rozwój i wprowadzanie nowych metod i środków zrównywania cech, w tym metod i środków diagnozowania, wykracza poza ramy standartowych czynności obsługiwania obiektów systemów produkcyjnych. Z drugiej strony zadanie znajdywania nowych możliwości zrównywania cech obiektów technicznych to zadania w sposób naturalny przypisywane obsługownikom. Doniesienia literaturowe wskazują na duże zainteresowanie tą problematyką. Powstały między innymi idee zwane „terotechnologia” (ang. Terotechnology) oraz „zarządzanie majątkiem technicznym” (ang. Asset Management). Na podstawie [14] terotechnologię można zdefiniować jako studia i zarządzanie systemami technicznymi od ich projektowania do likwidacji. Cele i zadania podobne do terotechnologii przypisano idei asset management. Różnica polega na tym, że w asset management (AM) wskazuje się głównego wykonawcę: zadania ma realizować dział obsługiwania, kierownik działu staje się asset manager [13, 15].

Najbardziej znaną metodą AM jest Reliability Centered Maintenance (RCM). W aspekcie przedmiotowego zrównywania wartości miar cech jest to rozwiązanie cząstkowe.

RCM ukierunkowana jest tylko na jedną z cech obiektu /systemu – nieuszkadzalność.

5. Zakończenie Utrzymanie/podwyższanie jakości przedsiębiorstwa to główny cel przedsiębiorstwa produkcyjnego w gospodarce rynkowej. Warunkiem koniecznym osiągnięcia celu jest skuteczne i efektywne zarządzanie przedsiębiorstwem wsparte systemem doradczym zbierającym i analizującym wszelkie dostępne istotne informacje. Jakość przedsiębiorstwa opisuje się za pomocą zbioru stosownych cech. Istnieją relacje między jakością przedsiębiorstwa, jakością systemu produkcyjnego przedsiębiorstwa i jakością wyrobu lub usługi. Cechy wyrobu określone są w specyfikacji wyrobu. Pożądane wartości miar cech wyrobu i przedsiębiorstwa zależą w dużym stopniu od aktualnej sytuacji prawno-ekonomicznej. Pożądane wartości miar cech systemu produkcyjnego wynikają z pożądanych wartości miar jakości przedsiębiorstwa i pożądanych miar jakości wyrobu/usługi. System produkcyjny można zdekomponować i w zależności od poziomu dekompozycji znaleźć cechy jakości obiektów danego poziomu. Rzeczywiste wartości cech systemu produkcyjnego ulegają zmianom na skutek fizycznego zużycia elementów tworzących obiekty systemu produkcyjnego. Konieczne jest ciągłe zrównywanie rzeczywistych wartości miar cech obiektu z pożądanymi wartościami miar cech obiektu. W procesie zrównywania przydatny jest model zrównywania jakości rzeczywistej z pożądaną. Jednym z najistotniejszych składników modelu wyrównywania wartości cech jest identyfikacja cech na każdym poziomie dekompozycji systemu produkcyjnego przedsiębiorstwa. Wskazane są badania celem utworzenia kompletnego i spójnego systemu cech i ich

miar od cech elementu do cech przedsiębiorstwa. Utworzony system powinien być systemem otwartym, ciągle doskonalonym drogą syntezy stosownej wiedzy. Istotą takiego systemu powinna być możliwość wyznaczania wartości miar cech systemu z jednego poziomu dekompozycji na podstawie wartości miar cech sąsiedniego poziomu dekompozycji.

Z organizacyjnego punktu widzenia spowalnianie zużycia i przywracanie pierwotnych wartości miar cech obiektów technicznych systemu produkcyjnego to zadania „obsługiwania”. Obsługiwanie to zrównywanie cech według rys. 5 i 6. Zrównywanie wartości cech według rys. 4 to zadania zarządzania majątkiem technicznym przedsiębiorstwa (Asset Management). Asset Management umożliwia dopasowywanie jakości elementów, jakości montażu i jakości eksploatacji obiektów technicznych do aktualnych celów przedsiębiorstwa i przyczynia się do „optymalizacji kosztów przedsiębiorstwa”.

Bibliografia 1. PN-EN ISO 9000:2001. Systemy zarządzania jakością.

Podstawy i terminologia.

2. Bielawski P., Możliwość optymalizacji obsługiwania maszyn okrętowych, Zeszyty Naukowe WSM w Szczecinie 68/2003, 57–87.

3. Szymula M., Rola kosztów w zarządzaniu przedsiębiorstwem, „Problemy Jakości” Październik, 2005, 40–41.

4. Uniwersalny słownik języka polskiego, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2003.

5. Kiel T., Grundlagen der Instandhaltung, Technische Universität, Dresden 2000.

6. Foltys J., Piksa B., Jakość w procesie globalizacji, „Problemy Jakości” Lipiec, 2005, 35–39.

7. PN-EN 13306: 20006. Terminologia dotycząca obsługiwania 8. Smalko Z., Wybrane cechy użytkowe układu człowiek–maszyna, IV Krajowa Konferencja „Diagnostyka Techniczna Urządzeń i Systemów” DIAG’ 2006, Ustroń 17–20 października 2006, CD. 9. PN-93 / N-50191. Niezawodność; jakość usługi.

10. PN-80/N-04000. Niezawodność w technice. Terminologia.

11. Heimann B., Gerth W., Popp K., Mechatronika. Komponenty, metody, przykłady, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2001.

12. Bielawski P., Model zarządzania obsługiwaniem maszyn okrętowych systemów napędowych, „Diagnostyka” 1(41)/2007, 85–90.

13. Brumby L., Ein Paradigmenwechsel, „Instandhaltung” 6/2012 (Markt 2012/2013), 26–29.

14. Downarowicz O., Geneza i współczesność zarządzania zasobami techniki, „Inżynieria Morska i Geotechnika” 6/1999, 319–325.

15. Stapel M., Clemens Ch., Losigket J., Was ist Asset Management, „Instandhaltung“ Markt 2012/2013, 34–35.

Equalization of technical objects features values Abstract: The enterprise operating in the social market economy is characterized, the features of enterprise has been listed and life phases of technical objects been presented. The assets of the enterprise are decomposed and following concepts are specified: production system, technical object, objects of technical systems. The problem of features and features structure of the production system is touched. The operating potential influence on other features of the production system is pointed out.

The relationship between the features of the production system and the features of the enterprise is pointed out. It is the concept of real value und required value of given feature introduced. It has been shown the need to equalize the values of the real and required measures of the features of production system. The algorithms to equalize the measure at the level of technical systems, technical system objects, object functional units and parts of objects are presented. Described are methods and means of equalizing the measures values of features. To each level is assigned a manner of the implementation of value feature equalization. The problem of feature identification of each level of decomposition of the production system is touched. The role of maintenance in equalizing the features measures values of the production system is indicated. The methodology to objects identity used in the maintenance is characterized. The role of asset management in equalizing of features measures values of production system is described. The need to create a complete and coherent system of features from enterprise level to the level of an object element of the technical system is justified.

It was noted that the essence of such a system should be able to designate the features values of one level of decomposition on the bases of features values of the adjacent level of decomposition system.

Keywords: enterprise features, features of technical systems, identification of technical objects, asset management, maintenance, feature measure value

Artykuł recenzowany; nadesłany 05.02.2014 r., przyjęty do druku 13.03.2014 r.

prof. dr hab. inż. Piotr Bielawski Profesor w Katedrze Diagnostyki i Remontów Maszyn Akademii Morskiej w Szczecinie. Tematyka prac naukowych: metody i środki kontroli jakości elementów maszyn, montaż i ocena jakości montażu, diagnozowanie maszyn z mechanizmem tłokowo-korbowym, analiza uszkodzeń, obsługiwanie maszyn okrętowych. e-mail: p.bielawski@am.szczecin.pl

Pomiary Automatyka Robotyka nr 4/2014

87

Nauka

Zezwala się na korzystanie z artykułu na warunkach licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0

Wykrywanie przeszkód wewnątrz pomieszczeń na trajektorii lotu BSP Bartosz Brzozowski Zakład Awioniki i Uzbrojenia Lotniczego, Instytut Techniki Lotniczej, Wydział Mechatroniki i Lotnictwa, Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego, Warszawa

Streszczenie: Na potrzeby autonomicznego wykonywania lotów bezpilotowych statków powietrznych opracowano system antykolizyjny. Składa się on z zaprojektowanego i wykonanego w Zakładzie Awioniki i Uzbrojenia Lotniczego Wojskowej Akademii Technicznej trójwymiarowego laserowego skanera przestrzeni oraz aplikacji zaimplementowanej w komputerze pokładowym BSP. W artykule omówiono budowę i zasadę działania opracowanego czujnika oraz szczegółowo opisano etapy wykrywania przeszkód realizowane przez aplikację. Na zakończenie przedstawiono wady i zalety przyjętego rozwiązania, a także dalsze kierunki rozwoju systemu.

Słowa kluczowe: system antykolizyjny, bezpilotowe statki powietrzne, laserowy skaner przestrzeni DOI: 10.14313/PAR_206/88

ykonanie autonomicznych lotów wewnątrz pomieszczeń oraz wszędzie tam, gdzie występuje duże nagromadzenie przeszkód terenowych, wymaga zastosowania odpowiedniego systemu na pokładzie bezpilotowego statku powietrznego (BSP) umożliwiającego wykrycie obszarów niebezpiecznych. W przypadku wykonywania misji w terenie otwartym, gdy lot odbywa się na określonym pułapie (z reguły powyżej warstwy koron drzew) tego typu systemy są najczęściej pomijane. Pozwala to na zmniejszenie masy wyposażenia awionicznego, zwiększenie masy paliwa i tym samym zasięgu operacyjnego, a jednocześnie nie wpływa na niezawodność oraz bezpieczeństwo BSP. Zagrożenie podczas lotów na otwartej przestrzeni stanowią przede wszystkim inne obiekty latające. W takich przypadkach, w szczególności dla dużych BSP, stosuje się systemem ostrzegania TCAS (ang. Traffic Alert and Collision Aviodance System), stosowany na samolotach pasażerskich [7]. Dla mniejszych obiektów projektuje się systemy antykolizyjne wzorowane na tym systemie oraz współpracujące z nim [2]. Na rynku są już dostępne rozwiązania komercyjne, takie jak transponder T2000UAV-L

88

australijskiej firmy MicroAir o masie 450 g, umożliwiający współpracę z TCAS przez wysyłanie kodu identyfikacyjnego statku powietrznego nadanego przez kontrolę ruchu lotniczego.

W terenach zurbanizowanych oraz wewnątrz pomieszczeń często stosowaną techniką nawigacji w robotyce i pojawiającą się w lotnictwie bezzałogowym, pozwalającą dodatkowo na uzyskanie wirtualnej mapy otoczenia ruchu obiektu, jest SLAM (ang. Simultaneous Localisation And Mapping) [1, 9]. W przypadku stosowania odpowiednich czujników SLAM nie tylko pozwala na precyzyjne określenie położenia, ale także na wykrywanie przeszkód, a po zaimplementowaniu algorytmów antykolizyjnych i systemów sterowania można taki moduł traktować jako autopilot. Technika ta wymaga stosowania czujników określających współrzędne i odległość od przedmiotów.

Najczęściej stosowanymi są dwu- i trójwymiarowe laserowe skanery przestrzeni, czujniki ultradźwiękowe, kamery i radary. Prowadzone są również badania nad wykorzystaniem mocy odbieranego sygnału WiFi jako źródła informacji o położeniu [6]. Tym rozwiązaniem zainteresowała się ostatnio firma Apple z myślą o zastosowaniu go w swoich produktach i kupiła założoną przez naukowców dwuletnią firmę WiFiSLAM za 20 milionów dolarów [8].

1. Wprowadzenie System antykolizyjny opracowany w Zakładzie Awioniki i Uzbrojenia Lotniczego Wojskowej Akademii Technicznej ma cechy technologii SLAM, ale w tym przypadku jest ona wykorzystywana wyłącznie do lokalizacji BSP podczas wykonywania misji oraz wykrywania przeszkód na trasie lotu. Dane pomiarowe uzyskiwane są z opracowanego modułu trójwymiarowego laserowego skanera przestrzeni, wykorzystującego czujnik URG-04LX firmy Hokuyo. Otrzymana w wyniku pomiaru chmura punktów może być zwizualizowana w celu sprawdzenia poprawności działania modułu. Na potrzeby zobrazowania działania algorytmów chmury zostały wygenerowane na różnych etapach jego realizacji. Natomiast podczas normalnego działania systemu dane pomiarowe przetwarzane są w czasie rzeczywistym w komputerze pokładowym i nie są rejestro-

Rys. 1. Zaprojektowany moduł pomiarowy [3] Fig. 1. Designed measurement module [3]

wane, więc nie ma możliwości uzyskania mapy otoczenia w trakcie lotu ani po zakończeniu misji.

Opracowane rozwiązanie jest dedykowane dla BSP pionowego startu i lądowania VTOL (ang. Vertical TakeOff and Landing) i lotów wewnątrz pomieszczeń. Elementem determinującym przeznaczenie systemu jest zastosowany czujnik, którego zasięg nie przekracza 5 m, a pomiar w jednej płaszczyźnie trwa 100 ms. Z tego powodu uruchomienie modułu pomiarowego następuje wyłącznie w zawisie BSP. Po zakończeniu pomiaru określane są obszary, w których występują przeszkody, następnie informacje te zostaną przekazane do modułu sterowania, w którym wyznaczona zostanie trajektoria lotu do kolejnego punktu trasy, która uwzględnia przestrzenie wyłączone z ruchu.

Końcowy punkt wyznaczonej trajektorii będzie określał miejsce, w którym konieczne jest zweryfikowanie obecności przeszkód przed dalszym lotem.

600 obrotów na minutę do wysyłania i odbierania laserowej wiąski pomiarowej. Częstotliwość wysyłania impulsów pomiarowych została dobrana w taki sposób, aby uzyskać 1024 punkty dla pełnego obrotu, co w rezultacie dało rozdzielczość równą 0,3515625°. Struktura czujnika ogranicza kąt pomiarowy do 240°, czyli 683 punktów, a oprogramowanie umożliwia zawężenie obszaru pomiarowego w celu zmniejszenia ilości otrzymywanych danych lub uzyskania pomiarów wyłącznie w określonym wycinku płaszczyzny pomiarowej. Drugim parametrem, który może zostać skonfigurowany przez użytkownika jest rozdzielczość. Dokonuje się tego przez podanie liczby całkowitej określającej zwielokrotnienie podstawowej rozdzielczości.

Podana liczba stanowi jednocześnie informację dla czujnika, ile kolejnych punktów pomiarowych ma zostać uśrednionych. Zmiany konfiguracyjne nie wpływają na częstotliwość pomiarów ani pobór mocy urządzenia, gdyż stanowią jedynie programowe ograniczenie przesyłanych danych, natomiast czujnik i tak wykonuje wszystkie 683 pomiary.

Wykonanie pomiarów w trzech wymiarach realizowane jest przez wprowadzenie czujnika laserowego w ruch za pomocą serwomechanizmu. Maksymalny zakres ruchu serwomechanizmu wynosi 180°, a w opracowanym systemie antykolizyjnym użytkownik może ustawić jego skok w zakresie 1–10° z rozdzielczością 1°. Aktualna pozycja serwomechanizmu określana jest przez otrzymaną z mikrokontrolera szerokość sygnału sterującego PWM. Mikrokontroler AT90USB firmy Atmel został wybrany przede wszystkim ze względu na wygodną obsługę urządzeń klasy USB CDC (ang. Universal Serial Bus Communication Device Class), ponieważ komunikacja z czujnikiem jest możliwa wyłącznie za pomocą interfejsu tej klasy.

Praca mikrokontrolera zgodnie z opracowanym algorytmem

2. Moduł pomiarowy Zaprojektowany moduł pomiarowy (rys. 1) składa się z 8-bitowego mikrokontrolera AT90USB firmy Atmel, czujnika laserowego URG-04LX firmy Hokuyo, oraz serwomechanizmu [3]. Wszystkie elementy zamontowane są na łożach wykonanych ze stopu aluminium, umożliwiających wprowadzenie czujnika w ruch oraz integrację modułu ze strukturą BSP.

2.1. Budowa

Na schemacie struktury modułu pomiarowego (rys. 2) zobrazowano jego podzespoły oraz sposób połączenia i wymiany sygnałów między nimi. Czujnik połączony jest mechanicznie z serwomechanizmem poprzez łoże czujnika, natomiast mikrokontroler wykorzystuje dwa interfejsy cyfrowe UART i USB oraz jeden analogowy PWM do komunikacji z komponentami systemu antykolizyjnego.

Czujnik URG-04LX umożliwia pomiary w jednej płaszczyźnie wykorzystując zwierciadło obracane z prędkością

Rys. 2. Schemat struktury skanera trójwymiarowego Fig. 2. Structural scheme of a tridimensional scanner

Pomiary Automatyka Robotyka nr 4/2014

89

Nauka

rozpoczyna się od inicjalizacji i konfigua) racji czujnika, następnie serwomechanizm ustawiany jest w położeniu początkowym i rozpoczyna się proces skanowania przestrzeni. Skanowanie polega na cyklicznym wysyłaniu polecenia wykonania pomiaru do czujnika, odebraniu danych oraz zmiany położenia serwomechanizmu. Po osiągnięciu przez serwomechanizm położenia końcowego następuje transformacja odebranych współrzędnych danych z pomiarowego układu współrzędnych do układu kartezjańskiego o początku w punkcie przecięcia osi obrotu serwomechanizmu z osią silnika obracającego zwierciadło w czujniku. Po zakończeniu transformacji dane wysyłane są za pomocą interfejsu UART do komputera pokładowego.

Komputer pokładowy nie jest elementem modułu pomiarowego, ale pełni istotną rolę w systemie antykolizyjnym. W opracowanym rozwiązaniu jest to komputer klasy PC-104 z zaimplementowanym systemem operacyjnym czasu rzeczywistego Windows Embedded oraz aplikacją wielowątkową do zarządzania lotem. W jednym z wątków realizowana jest obsługa systemu antykolizyjnego. Polega ona na komunikacji z modułem pomiarowym w celu uzyskania danych pomiarowych w kartezjańskim układzie współrzędnych oraz przetworzeniu ich w celu określenia położenia przeszkód. Informacje te są następnie wykorzystywane do wyznaczenia trajektorii lotu BSP.

2.2. Zasada działania

Moduł pomiarowy umożliwia uzyskanie chmury punktów za pomocą jednej z dwóch metod: liniowej lub obrotowej.

W celu zmiany metody należy obrócić czujnik w łożu o 90° i wgrać odpowiednią wersję oprogramowania dla mikrokontrolera. Pierwsza metoda, nazwana liniową, polega na ruchu czujnika w kierunku ortogonalnym do płaszczyzny skanowania (rys. 3a). W tym przypadku obszar skanowany przez urządzenie określa przestrzeń w postaci ostrosłupa czworokątnego o kącie wierzchołkowym równym 120°. W rezultacie otrzymywana jest chmura punktów, punkty pomiarowe układają się w równoległe linie.

W drugiej metodzie płaszczyzna skanowania obracana jest wokół osi skierowanej równolegle do osi podłużnej BSP (rys. 3b). Metoda ta określona została jako obrotowa, gdyż w wyniku obrotu płaszczyzny skanowania punkty pomiarowe układają się w koncentryczne okręgi, a skanowany obszar określa przestrzeń w kształcie stożka o kącie rozwarcia równym 120° [4].

Wartości kątów rozwarcia wynikają z wprowadzonych ustawień konfiguracyjnych czujnika i zakresu ruchu serwomechanizmu. W obu metodach kąt pomiarowy czujnika został ograniczony do 120° oraz uśredniane są trzy kolejne pomiary, co skutkuje uzyskaniem rozdzielczości ok. 1°.

W metodzie liniowej zakres ruchu został ograniczony do 120°, gdyż ustalono, że w celu wykrycia przeszkód na trasie lotu konieczna jest informacja jedynie o przestrzeni przed BSP, ponieważ obiekty znajdujące się bezpośrednio nad

90

b)

Rys. 3. Porównanie zasady działania metod skanowania przestrzeni: a) liniowej i b) obrotowej [4] Fig. 3. Comparison of scanning methods operations: a) linear and b) rotational [4]

i pod nim zostały już zidentyfikowane podczas wcześniejszego pomiaru. W metodzie obrotowej konieczne jest wykonanie pełnego obrotu czujnika o 180° w celu uzyskania informacji o całym obszarze przed BSP. Na podstawie porównania przeprowadzonych pomiarów dla obu metod wynika, że bardziej niezawodna i szybsza jest metoda obrotowa. Metoda ta umożliwia ciągły pomiar odległości przed BSP, dzięki czemu może być również stosowana w trakcie lotu [4]. Niemniej jednak, w związku z nierównomiernym rozkładem punktów pomiarowych, w metodzie obrotowej konieczne staje się stosowanie bardziej złożonych algorytmów wykrywania przeszkód, których realizacja znacząco wydłuża czas pracy systemu. Głównie z tego powodu wykorzystano metodę liniową do wykrywania przeszkód w opracowanym systemie antykolizyjnym.

3. Wykrywanie przeszkód Opracowane algorytmy wykrywania przeszkód wykorzystują otwarte biblioteki PCL (ang. Point Cloud Library) umożliwiające pracę z danymi w postaci chmury punktów. Na rys. 4 przedstawiono przykładowe dane odebrane z modułu pomiarowego obrazujące ekran odsunięty o 2 m od ściany w sali laboratoryjnej. Sufit w sali nie jest równoległy do podłogi i widać dwie podwieszone pod nim lampy. Przy ścianie po lewej stronie można zauważyć ławki i krzesła, natomiast po prawej – kaloryfer, parapet i okna.

Na potrzeby prezentacji działania opracowanych algorytmów jako przeszkodę wybrano ekran, gdyż na wizualizacji wyraźnie widać jego kształt. Dzięki temu możliwe jest szczegółowe przeanalizowanie procesu wykrywania przeszkód, które zostało podzielone na trzy etapy. W pierwszym określane są granice przestrzeni ruchu, a w drugim wyznaczane są punkty stanowiące krawędzie obiektów i ich cienie. Natomiast w trzecim etapie wyznaczone punkty są grupowane i zdefiniowane zostają obszary stanowiące przestrzeń zawierającą przeszkody.

3.1. Granice

W ogólnym przypadku granicą przestrzeni, w której możliwe jest wykonywanie lotu wewnątrz pomieszczenia, stanowią jego ściany, podłoga oraz sufit, czyli duże płaszczyzny, w porównaniu z pozostałymi obiektami w pomieszczeniu.

W szczególnych sytuacjach, na przykład podczas wykonywania misji przez BSP w pomieszczeniach po trzęsieniu ziemi, granice mogą mieć bardzo nieregularne kształty.

Ponadto zdarzają się budynki, w których ściany mają nieregularny kształt, a sklepienia stanowią łuki. Stosowany obecnie algorytm wykrywania przeszkód wyznacza granice wyłącznie w formie płaszczyzn. W pomieszczeniach o nietypowych kształtach ściany lub sufity nie zostaną zinterpretowane jako granice, ale będą wykrywane jako przeszkody. Pozwoli to na uniknięcie kolizji, ale może spowodować niepoprawne działanie algorytmu wyznaczania trajektorii lotu.

Algorytm wyznaczania granic rozpoczyna się od przeprowadzenia procesu filtracji danych pomiarowych – usunięcie pojedynczych punktów znacząco odbiegających od ogólnej geometrii całego skanowanego obszaru.

Usunięte punkty to najczęściej wynik wielokrotnego odbicia wiązki laserowej od różnych przeszkód, a interpretowane przez czujnik jako bezpośredni pomiar odległości w danym kierunku. Punkty te mogą wprowadzać znaczne błędy podczas wyznaczania elementów otoczenia ruchu BSP, zarówno na tym etapie jak i kolejnych.

Jak wspomniano wcześniej, granice przestrzeni wyznaczane są jako największe płaszczyzny, najbardziej oddalone od modułu pomiarowego. Dla pojedynczej chmury punktów, w typowym pomieszczeniu, może się znajdować maksymalnie pięć granic. Płaszczyzny określane są na podstawie algorytmu RANSAC (ang. Random Sample Consensus) [5]. Jest to metoda iteracyjna estymacji parametrów modelu matematycznego znanego obiektu na podstawie danych eksperymentalnych opisujących ten obiekt oraz inne elementy odstające od obiektu. W przypadku wyznaczania granic poszukiwanym obiektem jest płaszczyzna zawierająca jak najwięcej punktów z chmury, modelem matematycznym jest wzór tej płaszczyzny, natomiast elementy odstające to wszystkie punkty pomiarowe nienależące do znalezionej płaszczyzny. Algorytm grupuje punkty, wyznaczając dla nich wzór opisujący płaszczyznę, a następnie porównuje, ile punktów pomiarowych zawartych jest w wyznaczonej płaszczyźnie, a ile stanowi elementy od niej odstające. Operacja ta jest powtarzana aż do uzyskania maksymalnego współczynnika takiego porównania. Następnie wyznaczana jest kolejna płaszczyzna z pozostałych punktów. Algorytm powtarzany jest aż liczba pozostałych punktów pomiarowych jest mniejsza niż 10 % maksymalnej liczby punktów w chmurze możliwej do uzyskania z zastosowanego modułu pomiarowego.

Na koniec, aby wybrać granice z wyznaczonych płaszczyzn, sprawdzane jest ich wzajemne położenie oraz odległość od modułu pomiarowego.

Dla przykładowych danych pomiarowych algorytm wyznaczył 5 płaszczyzn, z czego 4, opisane równaniami normalnymi (1), zostały uznane za granice. Jedną z wykry-

tych płaszczyzn nienależącą do granic był ekran. Został on odrzucony, gdyż inna płaszczyzna, o zbliżonej orientacji, znajdowała się dalej od modułu pomiarowego. Punkty należące do tych płaszczyzn zostały zobrazowane na rys. 5.

0,0453x + 0,0102y + 0,9989z − 3550,545 = 0 0,0257x − 0,998y + 0,0573z + 963 = 0

0,1168x − 0,9932y − 0,0029z − 2377,915 = 0 0,999x + 0,0093y − 0,0433z + 3297,6 = 0

(1)

Opracowany moduł pomiarowy ma zasięg 5 m, więc w przypadku dużych pomieszczeń możliwe jest, że nie zostaną wykryte granic, a widoczne będą wyłącznie przeszkody.

Rys. 5. Wizualizacja wyznaczonych granic pomieszczenia Fig. 5. Visualization of a determined borders of the lab

3.2. Krawędzie obiektów

Wyznaczenie krawędzi przeszkód odbywa się zgodnie z algorytmem opisanym w [10]. Przed jego rozpoczęciem chmura punktów musi zostać zamieniona na tak zwany range image. Oznacza to, że do współrzędnych trójwymiarowych każdego z punktów określonych w milimetrach dopisane zostają współrzędne dwuwymiarowe w pikselach.

Współrzędne te powstają przez rzut danego punkty na płaszczyznę XY trójwymiarowego układu współrzędnych związanego z modułem pomiarowym, w którym współrzędna Z określa odległość. Zamiana odległości w milimetrach na piksele pozwala na automatyczne dopasowanie algorytmu w zależności od wielkości skanowanego obszaru oraz maksymalnych odległości bez konieczności każdorazowej zmiany parametrów wyszukiwania krawędzi.

Krawędzie obiektów wyznaczane są na podstawie odległości między poszczególnymi punktami. Brane pod uwagę są wyłącznie te punkty, które znajdują się na pierwszym planie, natomiast obiekty dalsze nie są uwzględnianie. Dla każdego punktu zostają wyznaczone sąsiadujące punkty we współrzędnych dwuwymiarowych mieszczące się w kwadracie o wielkości 5 px, w którego środku znajduje się badany punkt. Następnie obliczane są odległości między tym punktem a jego sąsiadami we współrzędnych trójwymiarowych.

Punkty, dla których odległości od sąsiednich punktów w jednym z kierunków są znacznie większe od odległości

Pomiary Automatyka Robotyka nr 4/2014

91

Nauka

w pozostałych kierunkach, traktowane są jako krawędzie obiektów. Dla każdego punktu krawędziowego określany jest następnie jego cień. Wyznaczany jest on jako najbardziej oddalony punkt w przestrzeni trójwymiarowej bezpośrednio sąsiadujący z punktem krawędziowym.

Dla przykładowych danych pomiarowych algorytm wyznaczył krawędzie (kolor czerwony) i ich cienie (kolor zielony) dla ekranu, lamp oraz krzeseł i ławek (rys. 6). Jak widać (rys. 5 i 6), zarówno algorytm wyznaczania granic, jak i krawędzi obiektu pominął znajdujące się z prawej strony sali laboratoryjnej okna oraz kaloryfer i parapet.

Wynika to ze znacznie mniejszej liczby punktów pomiarowych w tamtym obszarze niż w pozostałych, braku wyraźnych krawędzi i cieni obiektów oraz dużej odległości od czujnika. Zdarzają się też nieciągłości w określonych krawędziach przeszkód, ale nie wpływa to na poprawność wyznaczenia obszarów niebezpiecznych.

rozrzutu punktów przy ustalaniu danej grupy na funkcjonalność całego algorytmu wyznaczania obszarów niebezpiecznych. Okazało się, że filtracja przy tak małej grupie punktów, jaką otrzymuje się po wyznaczeniu krawędzi, powoduje wyznaczenie obszarów mniejszych niż rzeczywiste rozmiary przeszkód. W związku z tym zrezygnowano z filtracji wyników podczas wyznaczania krawędzi. Współczynnik rozrzutu punktów określających obszar niebezpieczny dobrano eksperymentalnie. Zbyt mały współczynnik powodował podział przeszkód na mniejsze grupy niż rozmiary przeszkód. Natomiast zbyt duży, w zależności od rozkładu przeszkód w przestrzeni, powodował wykrycie tylko największej przeszkody lub algorytm traktował wszystkie punkty krawędziowe jako granice jednej przestrzeni i wyznaczał tylko jeden obszar niebezpieczny.

Wartość współczynnika została dobrana w taki sposób, żeby wyznaczane obszary, niezależnie od rozkładu przeszkód w przestrzeni, były zawsze większe niż rzeczywiste rozmiary przeszkód.

Dla przykładowych danych pomiarowych algorytm wyznaczył trzy obszary niebezpieczne (rys. 7). Linie ograniczające płaszczyznę powstałą z punktów krawędziowych oznaczono kolorem czerwonym, a z ich cieni – kolorem zielonym. Kolorem żółtym zaznaczono linie łączące wierzchołki prostokątów, które jednocześnie ograniczają cztery płaszczyzny zawierające po dwa sąsiednie punkty prostokątów krawędzi i cienia.

Rys. 6. Krawędzie przeszkód i ich cienie Fig. 6. Obstacles borders and theirs shadows

3.3. Obszary niebezpieczne

Wyznaczenie obszarów niebezpiecznych jest ściśle powiązane z określonymi krawędziami przeszkód. Punkty krawędziowe i ich cienie są grupowane w zależności od odległości od modułu pomiarowego oraz ich wzajemnego położenia. W każdej grupie krawędzi i odpowiadającej jej grupie cieni określone zostają maksymalne oraz minimalne wartości każdej współrzędnej w przestrzeni trójwymiarowej na podstawie współrzędnych wszystkich punktów należących do danej grupy. W ten sposób otrzymywane są współrzędne dwóch skrajnych punktów danej przeszkody. Ustalono, że nie znając kształtów przeszkód, a mając jedynie informację o ich skrajnych współrzędnych, można wyznaczyć prostokąt o przekątnej stanowiącej linię łączącą te dwa skrajne punkty. Wówczas kontur przeszkody dowolnego kształtu zawierać się będzie wewnątrz tego prostokąta. Na podstawie współrzędnych wierzchołków prostokątów krawędzi oraz cieni wyznaczanych jest 6 płaszczyzn oraz 12 linii, które tworzą układ równań wyznaczających fragment przestrzeni, w którym zawarta jest wykryta przeszkoda.

Zastosowany algorytm grupuje krawędzie przeszkód w zależności od ich wzajemnego położenia. Na etapie badań przeprowadzono szereg testów mających na celu określenie wpływu zastosowania filtracji oraz zmiany współczynnika

92

Rys. 7. Wyznaczone obszary niebezpieczne dla lotu Fig. 7. Computed areas dangerous for flight

Po porównaniu obszarów niebezpiecznych z rys. 7 z punktami krawędziowymi z rys. 6 widać, że wyznaczone obszary są znacznie większe niż początkowo znalezione punkty ograniczające pojedyncze przeszkody. Lampy pod sufitem zostały otoczone jednym obszarem niebezpiecznym otaczającym obie przeszkody. Z kolei obszary niebezpieczne dla ekranu oraz ławek i krzeseł są znacznie większe z powodu uwzględnienia przez algorytm pojedynczych punktów krawędziowych, nienależących do tych obiektów, jako elementy tego samego obszaru niebezpiecznego. Spowodowane jest to taką samą odległością od modułu pomiarowego wspomnianych punktów jak odległość najbliższych krawędzi przeszkód. Tak działający algorytm bardziej ogranicza przestrzeń dozwoloną dla lotu niż rzeczywiste rozmieszczenie przeszkód, ale gwarantuje bezpieczeństwo, gdyż uwzględnia wszystkie najbliższe wykryte obiekty i zakłada, że jest między nimi powiązanie.

Jak wspomniano wcześniej, problemem dla opracowanego algorytmu przy poprawnej interpretacji otoczenia są przede wszystkim duże powierzchnie szklane oraz nieregularne granice. W przypadku ścian z dużym nagromadzeniem wnęk okiennych, dla większości pomiarów zastosowany moduł pomiarowy z opracowanym algorytmem błędnie interpretuje takie obszary. Z tego powodu prowadzone są prace nad integracją czujników ultradźwiękowych z opracowanym systemem antykolizyjnym w celu weryfikacji informacji zwracanych przez algorytm.

4. Podsumowanie Opracowano i przebadano element systemu antykolizyjnego składający się z modułu awionicznego w postaci trójwymiarowego laserowego skanera przestrzeni oraz aplikacji wykrywającej przeszkody na podstawie otrzymanej chmury punktów, ze skutecznością na poziome 95 %. Moduł dedykowany jest dla BSP pionowego startu i lądowania, do zastosowań wewnątrz pomieszczeń. Ograniczenia te wynikają z zastosowanego czujnika pomiarowego o zasięgu 5 m i stosunkowo długim czasie wykonywania pomiarów.

Czas pomiaru jest największą wadą opracowanego systemu, dlatego rozpoczęto badania nad opracowaniem nowego, szybciej działającego czujnika o co najmniej takich samych parametrach dotyczących jakości otrzymywanych danych. Kolejną wadą przyjętego rozwiązania jest kilkakrotnie wspomniany problem z wykrywaniem elementów odbijających, przepuszczających lub rozpraszających promieniowanie świetlne. Z tego powodu system wymaga zastosowania dodatkowego zestawy czujników ultradźwiękowych zabezpieczających BSP przed kolizją z tego typu obiektami.

Dalsze prace nad projektowanym systemem antykolizyjnym mają na celu usprawnienie sposobu otrzymywania chmury punktów, integrację z dodatkowymi czujnikami oraz implementację algorytmów wyznaczania trajektorii lotu.

Bibliografia 1. Alpen M., Frick K., Horn J., A Real-Time On-Board Orthogonal SLAM for an Indoor UAV, “Intelligent Robotics and Applications” 7508/2012, 542–551.

2. Asmat J., Rhodes B., Umansky J., Villavincencio C., Yunas A., Donohue G., Lacher A., UAS Safety: Unmanned Aerial Collision Avoidance System (UCAS), “Systems and Information Engineering Design Symposium”, 2006, 43–49. DOI: 10.1109/ SIEDS.2006.278711 3. Brzozowski B., Kordowski P., Rochala Z., Wojtowicz K., Project of a miniature 3D LIDAR for VTOL UAVs, „Pomiary Automatyka Robotyka”, 2/2013, 309–312.

4. Brzozowski B., Kordowski P., Rochala Z., Wojtowicz K. Metody skanowania przestrzeni w systemie antykolizyjnym BSP, Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej Nr 288, Mechanika, z. 85, 397–403. DOI: 10.7862/rm.2013.35.

5. Fischler M.A., Bolles R.C., Random Sample Consensus: A Paradigm for Model Fitting with Applications to Image Analysis and Automated Cartography, “Communications of the ACM”, Vol. 6/24, 1981, 381–395.

DOI: 10.1145/358669.358692 6. Huang J., Millman D., Quigley M., Stavens D., Thrun S., Aggarwal A., Efficient, generalized indoor WiFi GraphSLAM, “Proceedeing of International Conference on Robotics and Automation”, 2011, 1038–1043.

DOI: 10.1109/ICRA.2011.5979643 7. Hyeon-Cheol L., Implementation of collision avoidance system using TCAS II to UAVs, “Aerospace and Electronic Systems Magazine” , Vol. 21–7/2006, 8–13. DOI: 10.1109/MAES.2006.1684262 8. Lessin J.E., Apple Acquires Indoor Location Company WifiSLAM, The Wall Street Journal, 23.03.2013, [http://blogs.wsj.com/digits/2013/03/23/apple-acquires-indoor-location-company-wifislam].

9. Sanfourche M., Delaune J., Le Besnerais G., de Plinval H., Israel J., Cornic P., Treil A., Watanabe Y., Plyer A., Perception for UAV: Vision-Based Navigation and Environment Modeling, “Journal Aerospace Lab” 4/2012, AL04-04, 1–19.

10. Steder B., Rusu B.R., Konolige K., Burgard W., Point Feature Extraction on 3D Range Scans Taking into Account Object Boundaries, “International Conference on Robotics and Automation”, 2011, 2601–2608.

DOI: 10.1109/ICRA.2011.5980187.

Obstacles detection on the UAVs indoor flight path Abstract: An anti-collision system was developed for autonomous indoor flights of unmanned aerial vehicles (UAVs). It consists of a designed and built in the Department of Avionics and Airplane Armament three-dimensional laser range scanner and an application implemented in a main avionics computer. In this paper structure and working principles of the sensor were described and stages of obstacles detection realized by the application were detailed. Finally advantages and disadvantages of the system were showed as well as future directions of its development.

Keywords: anti-collision system, UAV, LIDAR Artykuł recenzowany; nadesłany 09.12.2013 r., przyjęty do druku 21.01.2014 r.

mgr inż. Bartosz Brzozowski Absolwent Wojskowej Akademii Technicznej kierunku Lotnictwo-Awionika (2009), obecnie asystent naukowo-dydaktyczny oraz uczestnik studiów III stopnia na Wydziale Mechatroniki i Lotnictwa (WAT). Główne zainteresowania naukowe dotyczą nawigacji oraz sterowania BSP. e-mail: bbrzozowski@wat.edu.pl

Pomiary Automatyka Robotyka nr 4/2014

93

Nauka

Zezwala się na korzystanie z artykułu na warunkach licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0

Synteza obserwatorów funkcyjnych liniowych ciągłych układów niecałkowitego rzędu Rafał Kociszewski Politechnika Białostocka, Wydział Elektryczny

Streszczenie: W pracy rozpatrzono problematykę syntezy obserwatorów funkcyjnych ciągłych układów niecałkowitego rzędu. Pokazano, że synteza obserwatora niecałkowitego rzędu polegająca na wyznaczaniu poszczególnych macierzy występujących w jego równaniu może być najpierw zapisana w postaci warunku LMI, a następnie efektywnie rozwiązana za pomocą dedykowanego oprogramowania do optymalizacji wypukłej.

Rozważania zilustrowano przykładem symulacyjnym.

Słowa kluczowe: obserwator, funkcyjny, liniowy, ciągły, rząd niecałkowity DOI: 10.14313/PAR_206/94

systemach sterowania ważne znaczenie w kształ-

towaniu właściwości dynamicznych obiektu sterowania ma dostępność pomiarowa wektora (współrzędnych) stanu. W praktyce warunek ten nie zawsze jest spełniony. Zwykle wszystkie zmienne stanu lub ich część nie są bezpośrednio mierzalne. Układ dynamiczny, który na podstawie znajomości modelu dynamicznego obiektu sterowania oraz pomiarowo dostępnej informacji o wartościach wymuszeń i odpowiedzi układu odtwarza na bieżąco estymatę wektora stanu obiektu nazywamy obserwatorem. Koncepcja stosowania obserwatorów ma dość długą historię i wywodzi się z pracy [9]. W przypadku, gdy obserwator odtwarza liniową funkcję wektora stanu (tzw. liniowe prawo sterowania), mówimy o obserwatorze funkcyjnym [14].

W ostatnich latach można zaobserwować znaczne zainteresowanie rachunkiem całkowym i różniczkowym niecałkowitego rzędu oraz zastosowaniem tej teorii w naukach technicznych. Literatura z tego zakresu liczy obecnie wiele pozycji. Podstawy rachunku niecałkowitego rzędu, problemy osiągalności, stabilności układów ciągłych oraz dyskretnych można znaleźć w monografii [4] oraz cytowanych tam pracach, zaś zastosowanie tej teorii w pewnych obszarach automatyki jest opisane w monografii [13].

Syntezie obserwatorów funkcyjnych układów ciągłych i dyskretnych całkowitego (naturalnego) rzędu są poświęcone prace [2, 3, 7, 11, 12, 15, 17, 18] (i cytowana tam

94

literatura) oraz wybrane rozdziały monografii [4, 14].

W części tych prac rozważane są głównie funkcyjne obserwatory zredukowane i związane z tym określanie minimalnego rzędu tychże układów.

Niniejsza praca jest poświęcona syntezie obserwatorów funkcyjnych układów ciągłych niecałkowitego rzędu.

Proponowane w pracy alternatywne podejście do syntezy obserwatorów funkcyjnych jest oparte na pewnych warunkach zapisanych w ramach liniowych nierówności macierzowych (LMI). Zaleta takiego podejścia polega na tym, że sprowadzając dany problem do zadania optymalizacji z ograniczeniami w postaci nierówności LMI, można go uważać praktycznie za rozwiązany, nawet jeżeli wcześniej nie dysponujemy analityczną formułą na jego rozwiązanie.

1. Sformułowanie problemu Niech Ân×m będzie zbiorem macierzy wymiaru n × m o elementach rzeczywistych oraz Ân = Ân×1. Zbiór liczb całkowitych dodatnich oznaczać będziemy przez Z+, przez In macierz jednostkową wymiaru n×n, zaś przez Sn zbiór macierzy symetrycznych. Macierz kwadratowa Q Î Sn jest dodatnio (ujemnie) określona ( ), jeżeli jej forma kwadratowa jest dodatnia (ujemna), tzn. x TQx > 0 (xTQx < 0) dla każdego niezerowego Ân.

Weźmy pod uwagę liniowy układ ciągły opisany za pomocą równań stanu w poniższej postaci

d α x (t ) = Ax (t ) + Bu (t )

dt y(t ) = Cx (t )

(1)

gdzie a jest rzędem układu, x(t) Î Ân, u(t) Î Âm, y(t) Î Âp są odpowiednio wektorami stanu, wejścia (wymuszenia) i wyjścia (odpowiedzi) zaś A Î Ân×n, B Î Ân×m, C Î Âp×n.

Załóżmy do dalszych rozważań, że układ opisany równaniami (1) jest asymptotycznie stabilny i obserwowalny.

Obserwatorem funkcyjnym niecałkowitego rzędu układu ciągłego (1) nazywamy układ dynamiczny, który na podstawie znajomości wartości wymuszenia u(t) Î Âm oraz odpowiedzi y(t) Î Âp układu (1) wyznacza estymatę liniowej funkcji wektora stanu x(t) Î Ân, tj.

u(t) = Kx(t)

(2)

Obiekt sterowania

Zazwyczaj (2) wyraża tzw. liniowe prawo sterowania, które jest stosowane w celu poprawy właściwości dynamicznych układu regulacji (lub jego stabilizacji) przez przesuwanie biegunów tego układu na płaszczyźnie zmiennej zespolonej [4]. Macierz K to tzw. macierz wzmocnień, zawierająca stałe wartości, przez które są wymnażane poszczególne współrzędne wektora stanu x (t). W przypadku zmian tych parametrów (wzmocnień) reakcja układu może odbiegać od założeń projektowych. Ważne zatem jest monitorowanie (śledzenie) na bieżąco przebiegu funkcji Kx (t), tak aby mieć pewność, że w projektowanym układzie są zachowane wszystkie postawione mu założenia.

Zasadniczym celem pracy jest podanie, przy wykorzystaniu aparatu liniowych nierówności macierzowych (LMI), prostej i wygodnej w zastosowaniu metody syntezy obserwatorów funkcyjnych układów liniowych ciągłych opisanych równaniami stanu (1).

2. Główny rezultat Rząd a układu (1) może mieć wartości w przedziale 0 < a < 1 lub 1 < a < 2. Z tym faktem wiążą się różne obszary stabilności (rys. 1), w których są położone wartości własne macierzy A Î Ân×n [10].

W dalszej części pracy do rozważań przyjmiemy, że układ ciągły (1) ma rząd 1 < a < 2.

Korzystając z teorii obserwatorów funkcyjnych układów całkowitego (naturalnego) rzędu [14] można rozpatrywany obserwator układu rzędu niecałkowitego (1) opisać za pomocą poniższego równania

Kx(t)

Im(s)

układu (1)

Rys. 2. Schemat blokowy układu niecałkowitego rzędu (1) oraz obserwatora funkcjonalnego (3) Fig. 2. Block diagram of a fractional order system (1) and functional observer (3)

d α z (t ) = Nz (t ) + Gu (t ) + Hy (t )

dt w(t ) = Lz (t ) + My (t )

(3)

przy czym z(t) Î Ân, u(t) Î Âm, y(t), w(t) Î Âp, G Î Ân×m, N Î Ân×n, L Î Âp×n, H Î Ân×p, M Î Âp×p. Rząd a obserwatora (3) jest równy rzędowi układu (1).

Schemat blokowy układu (1) z obserwatorem (3), podobnie jak w przypadku układów naturalnego rzędu [14], można przedstawić jak na rys. 2.

Na podstawie równania wyjścia (3), można stwierdzić, że asymptotycznie stabilny obserwator funkcyjny (3) odtwarza (asymptotycznie), tzn.

lim = [w(t ) − Kx (t )] = 0

t →∞

(4)

liniową funkcję (2). Oznacza to, że wektor w(t) jest estymatą Kx(t), a z(t) Î Ân jest estymatą x(t).

Wektor błędu (uchybu) można zdefiniować w poniższy sposób

e(t ) = [z (t ) − x (t )] ∈ ℜn

(5)

Im(s)

α 0

d α z (t ) = Nz (t ) + Gu (t ) + Hy (t ) dt w (t ) = Lz (t ) + My (t )

Różniczkując obustronnie (5) i korzystając z równania (1), (3) otrzymamy

b)

obszar stabilności

y(t)

Obserwator

a)

d α x (t ) = Ax(t ) + Bu (t ) dt y(t ) = Cx(t )

u(t)

v(t) = 0

tego układu, przy czym K Î Âm×n jest znaną macierzą.

π

obszar stabilności

2 Re(s)

układu (1)

α 0

π 2

d αe(t ) d α z (t ) d α x (t ) = − = dt α dt α dt α

= Nz (t ) + Gu(t ) + Ly(t ) − Ax (t ) − Bu(t ) = (6) = Nz (t ) + (N + HC − A)x (t ) + (G − B )u(t )

Re(s)

Rys. 1. Obszar stabilności układu (1) dla rzędu: a) 0 < a < 1, b) 1 < a < 2 Fig. 1. Stability region of a system (1) for order: a) 0 < a < 1, b) 1 < a < 2

Jeżeli

N = A – HC, G = B

(7)

wówczas z (6) otrzymamy

d αe(t ) = Ne(t ) dt α Pomiary Automatyka Robotyka nr 4/2014

(8)

95

Nauka

Z równania (8) wynika, że jeśli wartości własne macierzy N (7) będą położone w obszarze stabilności (rys. 1b), to błąd estymacji będzie asymptotycznie dążył do zera.

Oznacza to, że z(t) ® x(t) wtedy i tylko wtedy, gdy e(t)®0 dla t®¥. W stanie ustalonym mamy

w ramach zadania LMI poszukiwać macierz P = P T f 0 oraz macierz H taką, dla których jest spełniona nierówność o postaci

Kx(t) = (L + MC)x(t) Þ K = L + MC

(9)

Uwzględniając powyższe rozważania, zadanie syntezy obserwatora (1) można sformułować w postaci: Dla układu niecałkowitego rzędu (1) o znanych macierzach A Î Ân×n, B Î Ân×m, C Î Âp×n należy wyznaczyć macierze N Î Ân×n, L Î Âp×n, H Î Ân×p, M Î Âp×p obserwatora niecałkowitego rzędu (3) takie, że w(t)®Kx(t), zaś macierz (A–HC) Î Ân×n jest asymptotycznie stabilna.

Układ ciągły opisany równaniem (1), lecz rzędu naturalnego (a=1) jest asymptotycznie stabilny, jeżeli nierówność (Lapunova) LMI o postaci [1]

AT P + PA p 0

jest spełniona względem zmiennej

(10)

W przypadku układów niecałkowitego rzędu (1) dla 1 < a < 2 należy stosować kryterium (stabilności) LMI, które zostało podane w pracy [10].

Twierdzenie 1. Układ ciągły niecałkowitego rzędu (1) z 1 < a < 2 jest asymptotycznie stabilny wtedy i tylko wtedy, gdy istnieje macierz , taka że jest spełniona poniższa nierówność

π  T (A P + PA) sin α 2  π (PA − AT P ) cosα 2 

π 2  p 0 g (11) π T (A P + PA) sin α  2

m

F (x ) = F + ∑ x i Fi f 0,

(12)

i =1

gdzie x Î Âm jest zmienną, zaś Fi = FiT Î Ân×n są to znane macierze symetryczne. Warunek LMI (11) jest spełniony, jeżeli wypukły zbiór rozwiązań {x | F (x ) f 0} jest niepusty.

W rozważanym przypadku, w którym obszar stabilności dla 1 < a < 2 (rys. 1b) jest zbiorem wypukłym, będziemy

96

Dokonując niezbędnych podstawień dla wyrażeń występujących w nawiasach w nierówności (13) otrzymamy

N T P + PN ⇒ AT P − C T H T P + PA − PHC

(14a)

N T P − PN ⇒ AT P − C T H T P − (PA − PHC ) (14b)

PN + N T P ⇒ PA − PHC + AT P − C T H T P

(14c)

Powyższe wyrażenia utworzą w efekcie biliniową nierówność macierzową (BMI), ponieważ niewiadoma P oraz H występuje w iloczynie. Dokonując podstawienia Y = PH otrzymamy liniową nierówność macierzową o postaci

π 2 π 1 ( ) sin α 2 ( ) cosα 2  p0  π 4 π (3 ) cosα ( ) sin α  2 2 

(15)

(1 ), (4 ) → AT P − C TY T + PA − YC

(16)

(2 ) → AT P − C TY T − PA + YC

(17)

(3 ) → PA − YC − AT P + C TY T

(18)

(AT P − PA) cosα

Wykorzystując podany warunek (11) oraz pewne rezultaty pracy [6] sprowadzimy problem syntezy obserwatora funkcyjnego do standardowego problemu LMI dopuszczalności (tj. istnienia rozwiązania) z dodatkowym warunkiem do spełnienia nałożonym na macierz K o postaci (9).

Warunek ten będzie zapisany i rozwiązany w dedykowanym środowisku programowym, opisanym w dalszej części pracy.

Liniowa nierówność macierzowa (LMI) w formie kanonicznej jest wyrażeniem o postaci [1]

gdzie N = A – HC

.

π π  T T (N P + PN ) sinα 2 (N P − PN ) cosα 2  p 0 (13)  π π (PN − N T P ) cosα (N T P + PN ) sinα  2 2 

Po rozwiązaniu warunku LMI (15) macierz H, przy której obserwator jest asymptotycznie stabilny możemy obliczyć ze wzoru

H = YP −1

(19)

Powyższe rozważania można podsumować w postaci podanych niżej twierdzeń.

Twierdzenie 2. Dla układu niecałkowitego rzędu (1) istnieje obserwator funkcjonalny (3) wtedy i tylko wtedy, gdy istnieją macierze L Î Âp×n, M Î Âp×p oraz H Î Ân×p taka, że wartości własne macierzy N = (A – HC) Î Ân×n są położone w obszarze stabilności (rys. 1b). g

Twierdzenie 3. Obserwator funkcjonalny (3) układu niecałkowitego rzędu (1) jest asymptotycznie stabilny jeżeli nierówność LMI (15) dopuszcza rozwiązanie względem zmiennej P = P T f 0 oraz Y = PH. W tym przypadku macierz H jest dana wzorem (19). g Warunek (15) można sprawdzić (rozwiązać) w środowisku programowym, przeznaczonym do rozwiązywania zagadnień optymalizacji wypukłej, w której warunki LMI są zapisane w postaci definicyjnej (12). Możliwość taką oferuje np. pakiet SeDuMi [16] oraz preprocesor YALMIP [8], działające integralnie w środowisku MATLAB. W rozważanym przypadku, jeżeli jest spełniona nierówność LMI (15) wówczas mamy gwarancję, że z obliczoną macierzą H obserwator jest asymptotycznie stabilny. Pozostałe macierze obserwatora, tj. L Î Âp×n, M Î Âp×p można wyznaczyć formułując w ramach danego środowiska optymalizacyjnego problem istnienia określonego rozwiązania, tj. poszukiwania takich macierzy L, M, dla których jest spełniony warunek (9), tj.

K = L + MC ,

M ≠ 0, L ≠ 0

(20)

przy czym macierze C Î Âp×n, K Î Âm×n są znane. Warto dodać, że zgodnie z definicją obserwatora, projektant ma możliwość swobodnego kształtowania jego dynamiki. Korzystając zatem ze wskazanych wyżej programów narzędziowych można przy poszukiwaniu rozwiązania podstawowego warunku LMI (15), nałożyć dodatkowe wymagania odnośnie wartości poszczególnych zmiennych. Przykładowo podczas rozwiązywania LMI (15) można równolegle określić, że zmienna Y > C, Y > 2C (elementy macierzy Y mają być odpowiednio większe niż odpowiadające im elementy macierzy C). Często dodatkowym założeniem, pojawiającym się w teorii sterowania przy sprawdzaniu warunku stabilności (10) jest warunek w postaci tr(P) = 1. Oznacza to, że ślad macierzy tr (suma elementów na głównej przekątnej) powinien wynosić 1. Efekt wprowadzenia takiego warunku przy większej wartości sumy tych elementów prowadzi do uzyskania obserwatora o większej dynamice niż układu, dla którego jest on projektowany. Z założenia rozwiązywanie zadań formułowanych w ramach LMI przy poprawnym ich zapisaniu powinno zwracać akceptowalne przez projektanta rezultaty. Można zatem swobodnie formułować tego rodzaju dodatkowe warunki, jeśli uzyskuje się oczekiwane rezultaty, poprawiające w efekcie funkcjonowanie projektowanego układu: obiekt–obserwator.

2.1. Przykład

Weźmy pod uwagę układ ciągły niecałkowitego rzędu rozważany w pracy [12], gdzie rząd a = 1,76, zaś macierze

Należy zaprojektować obserwator funkcjonalny dla tego układu, który odtwarza asymptotycznie funkcję Kx(t), przy czym 0,5 2 −1 0,7 

K = 1   0,1 0,2 0

(22)

W rozpatrywanym układzie n = 4, m = 1, p = 2.

Wykonując obliczenia w środowisku MATLAB z wykorzystaniem programów optymalizacyjnych SeDuMi, YALMIP uzyskano zaprezentowane dalej wyniki.

Warunek LMI (18) jest spełniony dla macierzy

(23)

Macierz H obserwatora obliczona ze wzoru (19), z uwzględnieniem powyższych macierzy, ma postać

3,77 1,85 H = 1,20  0,54

2,41 2,77 

1,42   0,55 

(24)

Macierz N (7) ma postać

0 0   −4,77 −2,41 − 0,85 − 4,77 1,0 0 

N = A − HC =   − 1,20 − 0,42 − 3,0 0    0 − 4,0 − 0,54 − 0,55

(25)

0.6 Im(s)

obszar stabilności

0.4

0.2

α

π 2

= 158,4o

0

-0.2

-0.4

0 0  0 −1 0 1 1 −2 1  0  1 0 0 0 A= , B =  , C =   (21) 0 0 1 −3 0  0 1 0 0     0 0 − 4 1  0

-0.6 -6

-5

-4

-3

-2

-1

0

Re(s)

1

Rys. 3. Położenie wartości własnych macierzy A (‘ x’ ), N (‘ o’ ) Fig. 3. Location of eigenvalues of matrices A (‘ x’ ), N (‘ o’ ) Pomiary Automatyka Robotyka nr 4/2014

97

Nauka

2

2

2 Kx 2(t) w2(t)

Kx1(t) w1(t) 1

2

e1(t)

e2(t) 1

1

1

0 0 0

2.5

t [s]

5

2

2.5

t [s]

5

t [s]

5

0 0

t [s]

5

t [s]

5

Rys. 4. Funkcje Kxi(t), i = 1, …, 4 (linia ciągła) oraz ich estymaty wi(t), i = 1, …, 4 (linia przerywana) Fig. 4. Functions Kxi(t), i = 1, …, 4 (solid line) and their estimates wi(t), i = 1, …, 4 (dashed line)

Macierze L, M występujące w warunku (2) mają postać  0,25 1,33 −1 0,7  0,25 0,67  L= , M = 0,67 0,10  (26) − 0 , 57 0 , 1 0 1    

Łatwo sprawdzić, że warunek K = L + MC jest spełniony, przy czym K ma strukturę (22). Podsumowanie poprawnych obliczeń dla tego warunku, pochodzące z programu optymalizacyjnego, jest zaprezentowane niżej. ++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ + |ID| Constraint| Type| Primal residual | Dual residual | ++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

2.5

t [s]

5

e4(t) 1

2.5

0 0 2

e3(t)

1

2.5

2.5

2

Kx 4(t) w4(t)

1

-0.5 0

2

Kx3(t) w3(t)

0 0

0 0

0 0

1

2.5

t [s]

5

0

0

2.5

t [s]

5

Rys. 5. Błąd estymacji funkcji Kxi(t), i = 1, …, 4 Fig. 5. Estimates error of function Kxi(t), i = 1, …, 4

macji dla każdego przypadku. W przypadku układu niecałkowitego rzędu (1) o macierzach (21) przyjęto taki sam warunek początkowy x0(t) = 2 dla każdej zmiennej stanu, natomiast w obserwatorze ustawiono zerowy warunek początkowy. Układ został zamodelowany w środowisku MATLAB/Simulink z wykorzystaniem dodatkowych elementów z biblioteki [19].

Uzyskane rezultaty symulacji potwierdzają, że obserwator funkcjonalny rzędu a = 1,76 o równaniu (3) z macierzami (24), (25), (26) oraz macierzą G = B został zaprojektowany poprawnie. Jest on asymptotycznie stabilny, zaś błąd estymacji e(t) ® 0 dla t ® ¥.

3. Uwagi końcowe

+ |#1| K == L+M*C| Equality constraint| -5.7294e-007|-2.2915e-012| ++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ + No problems detected (SeDuMi-1.1)

Pozostałe informacje dotyczące deklaracji warunków LMI są podobne, przy czym liczba iteracji, w których program zwraca wynik obliczeń może być większa (pole Primal oraz Dual residual). W przypadku błędnego sformułowania zadania użytkownik otrzymuje informację: Infeasible problem (SeDuMi-1.1).

Położenie wartości własnych macierzy A (21) rozważanego układu niecałkowitego rzędu oraz macierzy N (25) obserwatora jest pokazane na rys. 3.

Z rozkładu wartości własnych macierzy N (25) wynika, że macierz H (24) została obliczona poprawnie i obserwator z tą macierzą jest asymptotycznie stabilny.

Na kolejnych rysunkach przedstawiono estymaty funkcji Kx(t) dla wszystkich współrzędnych wektora stanu x (t ) = [x 1(t ) x 2 (t ) x 3 (t ) x 4 (t )]T oraz przebieg błędu esty-

98

W pracy rozpatrzono problem syntezy obserwatorów funkcyjnych układów ciągłych niecałkowitego rzędu. Stosując podejście oparte na liniowych nierównościach macierzowych (LMI) podano metodykę wyznaczania nieznanych macierzy obserwatora niecałkowitego rzędu. Rozważania podsumowano dwoma kryteriami (twierdzenie 2, 3) i zilustrowano na przykładzie symulacyjnym.

Zaletą proponowanego podejścia do syntezy obserwatora funkcyjnego jest proste sformułowanie warunków istnienia i wyznaczania macierzy obserwatora, bez konieczności uogólniania metod analitycznych znanych dla układów naturalnego rzędu [4, 14]. Użytkownik stosujący proponowane podejście ma możliwość określania dynamiki obserwatora przez nakładanie dodatkowych warunków (ograniczeń). Mogą one dotyczyć formułowania wartości śladu macierzy P, warunku na macierz Y (np. Y > C) występujących w podstawowym warunku LMI (15) lub macierz M (20) (np. M > 0, M > C).

Proponowaną w niniejszej pracy syntezę obserwatorów można zastosować dla dodatnich układów ciągłych niecałkowitego jak i naturalnego rzędu. Można na podstawie

proponowanej metodyki wyznaczyć obserwator zredukowanego rzędu. Możliwe jest także uogólnienie przedstawionych rozważań dla układów singularnych niecałkowitego rzędu lecz przy pewnych ograniczeniach.

Podziękowanie

Pracę wykonano w ramach grantu NN 514 6389 40 finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki.

Bibliografia 1. Boyd S., ElGhaoui L., Feron E., Balakrishnan V., Linear matrix inequalities in system and control theory, SIAM 1994.

2. Darouach M., Existence and design of functional observers for linear systems, “IEEE Trans. on Autom.

Control”, Vol. 45, No. 5, 2000, 940–943.

3. Darouach M., Linear functional observers for system with delays in state variables: The discrete-time case, “IEEE Trans. on Autom. Control”, Vol. 50, No. 2, 2005, 228–233.

4. Kaczorek T., Wybrane zagadnienia matematyki i teorii układów dynamicznych, Wyd. Politechniki Białostockiej, Białystok 2007.

5. Kaczorek T., Wybrane zagadnienia teorii układów niecałkowitego rzędu, Oficyna Wyd. Politechniki Białostockiej, Białystok 2009.

6. Kociszewski R., Sterowalność i obserwowalność liniowych stacjonarnych układów dodatnich dyskretnych z opóźnieniami. Rozprawa doktorska. Politechnika Białostocka, Białystok 2008.

7. Korovin S.K., Il’in A.V., Medvedev I.S., Fomichev V.V., On the theory of functional observers and stabilizers of given order. “Doklady Mathematics”, 2006, Vol. 74, No. 1, 619–622. DOI: 10.1134/S1064562406040387 8. Löfberg J., YALMIP: A toolbox for modeling and optimization in MATLAB. [http://control.ee.ethz. ch/~joloef/yalmip.php].

9. Luenberger D.G., An introduction to observers, “IEEE Transactions on Automatic Control”, Vol. 16, No. 6, 1971, 596–602. DOI: 10.1109/TAC.1971.1099826 10. Moze M., Sabatier J., Oustaloup A., LMI characterization of fractional systems stability. [in:] Advances in Fractionbal Calculus: Theoretical Developments an Applications in Physics and Engineering, Springer 2007, 419–434. DOI: 10.1007/978-1-4020-6042-7_29.

11. Nakade P.K., Galgate G.G., Design of linear functional observer for MIMO LTI systems, “International Journal of Computer Applications”, Vol. 1, No. 6, 2010, 121–129. DOI: 10.5120/132-249.

12. N’Doye, Darouach M., Voos H., Zasadzinski M., Design of unknown input fractional-order observers for fractional-order systems, “Int. J. Appl. Math. Comput.

Sci.”, 2013, Vol. 23, No. 3, 491–500.

13. Ostalczyk P., Zarys rachunku różniczkowo-całkowego ułamkowych rzędów. Teoria i zastosowania w automatyce, Wyd. Politechniki Łódzkiej, 2008.

14. O’Reilly J., Observers for linear systems. Academic Press, London 1983.

15. Raff T., Menold P., Ebenbauer Ch., Allgower F., A finite time functional observer for linear systems, [in:] Proc. of the 44 th IEEE Conf. Decision and Control, and the European Control Conference 2005, Seville, Spain, December 12–15, 2005, 7198–7203.

DOI: 10.1109/CDC.2005.1583322 16. Sturm J.F., Using SeDuMi 1.02, a Matlab toolbox for optimization over symmetric cones. [in:] idem, Optimization Methods and Software, 1999, 625–653.

DOI: 10.1080/10556789908805766 17. Suzuki R., Kudou T., Ikemoto M., Minami M., Kobayashi N., Linear functional observer design for unknown input system and its application to disturbance attenuation problems. [in:] Proc. of the IEEE Conference on Control Applications, Toronto, Canada, August 28–31, 2005. DOI: 10.1109/CCA.2005.1507156 18. Trinh H., Fernando T., Nahavandi S., Design of reduced-order functional observers for linear systems with unknown inputs, “Asian Journal of Control”, Vol. 6, No. 4, 2004, 514–520.

DOI: 10.1111/j.1934-6093.2004.tb00372.x 19. Valerio D., Ninteger v.2.3 Fractional control toolbox for Matlab. Techn. Univ. of Lisboa, 2005.

Functional observer synthesis for linear continuous-time fractional systems Abstract: The paper presents a problem of synthesis of functional observers for fractional order continuous-time linear systems. It has been shown that this problem can be formulated and solved by the use of linear matrix inequalities (LMI) method.

Necessary and sufficient conditions for solvability of the problem for computation of an unknown matrices of asymptotic stable observers have been given. The proposed approach is illustrated by a numerical example.

Keywords: observer, functional, continuous-time, fractional order Artykuł recenzowany; nadesłany 19.11.2013 r.; przyjęty do druku 11.03.2014 r..

dr inż. Rafał Kociszewski Absolwent Wydziału Elektrycznego Politechniki Białostockiej (2001 r.). Obecnie adiunkt w Katedrze Automatyki i Elektroniki na Wydziale Elektrycznym Politechniki Białostockiej. Zainteresowania naukowe autora są skoncentrowane na syntezie liniowych układów dynamicznych niecałkowitego rzędu, optymalizacyjnych metodach sterowania oraz wykorzystaniu techniki mikroprocesorowej do realizacji algorytmów sterowania. e-mail: rafko@pb.edu.pl

Pomiary Automatyka Robotyka nr 4/2014

99

Indeks firm zestawienie reklam i materiałów promocyjnych

AutomatykaOnLine

tel. 22 874 00 66 www.automatykaonline.pl

39

Automatyka-Pomiary-Sterowanie SA

tel. 85 74 83 400, 85 74 83 403 www.aps.pl

15

B&R Automatyka Przemysłowa Sp. z o.o.

tel. 61 846 05 00 www.br-automation.com

Biuro Targów Monachijskich w Polsce

tel. 22 620 44 15 www.targiwmonachium.pl

Danfoss Poland Sp. z o.o.

tel. 22 755 07 00 www.danfoss.pl

36, 38–39

Eaton Electric Sp. z o.o.

tel. 58 554 79 00 www.eaton.com, www.moeller.pl

II okł., 48–49

EC TEST SYSTEMS Sp. z o.o.

tel. 12 627 77 72 www.ects.pl

9, 50

PPUH Eldar

100

tel. 77 442 04 04 www.eldar.biz

28–29

11

14

Elesa+Ganter Polska Sp. z o.o.

tel. 22 737 70 47 www.elesa-ganter.pl

56–58

Elmark Automatyka Sp. z o.o.

tel. 22 541 84 65 www.elmark.com.pl

13, 16, 46–47

Festo Sp. z o.o.

tel. 22 711 42 71 www.festo.pl

I okł., 24–26

HARTING Polska Sp. z o.o.

tel. 71 352 81 71 www.HARTING.pl

14

Nord Napędy Sp. z o.o.

tel. 12 288 99 00 www.nord.pl

19, 30–31

PELTRON TPH Sp. z o.o

tel. 22 615 63 56 fax 22 615 70 78

13

PEPPERL+FUCHS

tel. 22 256 97 70 www.pepperl-fuchs.pl

Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP

tel. 22 874 00 00 www.piap.pl

17, 55

101

Radwag Wagi Elektroniczne

tel. 48 384 88 00 www.radwag.pl

IV okł.

SCHUNK Intec Sp. z o.o.

tel. 22 726 25 00 www.schunk.com

44–45, III okł.

SEW-Eurodrive Polska Sp. z o.o.

tel. 42 676 53 00 www.sew-eurodrive.pl

32–33

PPH WObit E.K.J. Ober s.c.

tel. 61 222 74 22 www.wobit.com.pl

7, 27

Zeva Creator s.c.

tel. 77 461 54 53 www.zevacreator.com

35

ZIAD Bielsko-Biała SA

tel. 33 813 82 00 www.ziad.bielsko.pl

37

REKLAMA

Pomiary Automatyka Robotyka nr 4/2014

101

REDAKCJA

PRENUMERATA miesięcznika „Pomiary Automatyka Robotyka” Rok 18 (2014) nr 4 (206) ISSN 1427-9126, Indeks 339512 Redakcja Al. Jerozolimskie 202, 02-486 Warszawa tel. 22 874 00 66, 22 874 02 02, 22 874 01 91 fax 22 874 02 02 e-mail: redakcja@par.pl www.par.pl Rada programowa dr inż. Mariusz Andrzejczak, Bumar Sp. z o.o. prof. dr hab. inż. Jan Awrejcewicz, Katedra Automatyki, Mechatroniki i Biomechaniki, Politechnika Łódzka dr inż. Janusz Berdowski, Polskie Centrum Badań i Certyfikacji SA prof. dr hab. inż. Tadeusz Glinka, Instytut Elektrotechniki i Informatyki, Politechnika Śląska dr inż. Stanisław Kaczanowski, prof. PIAP, Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP dr Aleksandra Kolano-Burian, Instytut Metali Nieżelaznych prof. dr hab. inż. Andrzej Masłowski, Wydział Inżynierii Produkcji, Politechnika Warszawska prof. dr inż. Tadeusz Missala, Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP prof. dr hab. inż. Zdzisław Mrugalski, Instytut Mechanizacji, Budownictwa i Górnictwa Skalnego prof. dr inż. Eugeniusz Ratajczyk, Wydział Zarządzania, Wyższa Szkoła Ekologii i Zarządzania w Warszawie dr hab. inż. Waldemar Skomudek, prof. PO, Wydział Inżynierii Produkcji i Logistyki, Politechnika Opolska dr hab. inż. Roman Szewczyk, prof. PW, Instytut Metrologii i Inżynierii Biomedycznej, Politechnika Warszawska dr hab. inż. Andrzej Szosland, prof. PŁ, Katedra Pojazdów i Podstaw Budowy Maszyn, Politechnika Łódzka prof. dr hab. inż. Eugeniusz Świtoński, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Politechnika Śląska prof. dr hab. inż. Krzysztof Tchoń, Instytut Informatyki, Automatyki i Robotyki, Politechnika Wrocławska doc. dr inż. Jan Tomasik, Instytut Metrologii i Inżynierii Biomedycznej, Politechnika Warszawska Redaktor naczelny dr inż. Jan Jabłkowski

Prenumeratę można zamówić pod następującymi adresami: Redakcja PAR Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP Al. Jerozolimskie 202, 02-486 Warszawa tel. 22 874 03 51 fax 22 874 02 02 na stronie www.par.pl/prenumerata Koszt prenumeraty STANDARD (dla firm, instytucji i osób fizycznych): yy roczna – 99,00 zł, yy dwuletnia – 176,00 zł.

Koszt prenumeraty EDU (dla uczniów, studentów, nauczycieli i pracowników naukowych): yy roczna – 69,99 zł, yy dwuletnia – 120,00 zł.

Prenumeratę pod ww. adresami rozpocząć można od dowolnego numeru, na dowolny okres. Koszt przesyłki pokrywa dostawca.

Prenumeratę można także zamówić u następujących kolporterów: Zakład Kolportażu Wydawnictwa SIGMA-NOT ul. Ku Wiśle, 00-707 Warszawa tel. 22 840 30 86 lub 22 840 35 89 kolportaz@sigma-not.pl www.sigma-not.pl RUCH SA Oddział Krajowej Dystrybucji Prasy ul. Annopol 17a, 03-236 Warszawa

Zastępca redaktora naczelnego mgr Seweryn Ścibior, sscibior@par.pl

infolinia: 801 443 122

Sekretarz redakcji mgr Urszula Chojnacka

www.prenumerata.ruch.com.pl

Zespół redakcyjny dr inż. Jan Barczyk – robotyka dr inż. Jerzy Borzymiński prof. dr hab inż. Wojciech Grega – automatyka prof. dr hab. inż. Krzysztof Janiszowski dr inż. Małgorzata Kaliczyńska – redaktor merytoryczny/statystyczny mgr Anna Ładan – redaktor językowy prof. nzw. dr hab. inż. Mateusz Turkowski – metrologia mgr inż. Jolanta Górska-Szkaradek mgr inż. Elżbieta Walczak

KOLPORTER Spółka z o.o. S.K.A.

Marketing mgr inż. Jolanta Górska-Szkaradek, jgorska@par.pl Paulina Siódmak, psiodmak@par.pl

tel./fax 22 817 20 12

Skład i redakcja techniczna Ewa Markowska, emarkowska@par.pl EDIT Sp. z o.o.

Centralny Dział Prenumeraty ul. Bakaliowa 3, 05-080 Izabelin-Mościska infolinia: 801 404 044 prenumerata.warszawa@kolporter.com.pl GARMOND PRESS SA ul. Nakielska 3, 01-106 Warszawa prenumerata.warszawa@garmondpress.pl www.garmondpress.pl Ceny prenumeraty przyjmowanej przez kolporterów wynoszą: yy roczna – 99,00 zł,

Wydawca Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP Al. Jerozolimskie 202, 02-486 Warszawa Miesięcznik PAR jest indeksowany w bazach BAZTECH oraz INDEX COPERNICUS (2,93). Punktacja MNiSW za publikacje naukowe w miesięczniku PAR wynosi 4 pkt (poz. 1643).

Wersją pierwotną (referencyjną) jest wersja papierowa.

Redakcja nie ponosi odpowiedzialności za treść publikacji o charakterze reklamowym oraz zastrzega sobie prawo skracania i adiustacji tekstów. © Wszelkie prawa zastrzeżone

102

prenumerata@ruch.com.pl

yy I półrocze – 54,00 zł, II półrocze – 45,00 zł, yy I, II i IV kwartał – 27,00 zł, III kwartał – 18,00 zł.

Uwaga: Garmond Press SA przyjmuje prenumeratę tylko na okres roczny lub półroczny.

Wszystkie ceny są kwotami brutto.

© 2014 SCHUNK GmbH & Co. KG

Najszybszy rzut karny: 0,60 sekund Jens Lehmann, legendarny bramkarz niemiecki

Najszybszy zmierzony cykl: 0,63 sekund Moduły PPU-P i Pick&Place firmy SCHUNK

Günter Weiß, Systemy chwytakowe, Dział montażu

Superior Clamping and Gripping

SCHUNK_PPU-P_mitJL_PL_205x295.indd 1

07.04.14 09:55