PAR 12/2012

12/2012

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

RSTi I/O

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

www.par.pl

mały i ekonomiczny układ wejść-wyjść

Temat Numeru

Aplikacje

ROZMOWA PAR

Komputery, komunikacja i sieci przemysłowe

Robotyzacja produkcji aparatów słuchowych

Stefan Życzkowski – prezes ASTOR Sp. z o.o.

20

52

54

Centrum Szkoleniowe PIAP Al. Jerozolimskie 202, 02-486 Warszawa, tel. 22 87 40 194 lub 223 e-mail: cspiap@piap.pl www.przemysl.piap.pl

Centrum Szkoleniowe PIAP

Profesjonalne szkolenia dla przemysłu i kadry inżynierskiej Podnoszenie kwalifikacji personelu w przemyśle jest istotnym elementem konkurencyjności przedsiębiorstw produkcyjnych. Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP oferuje wyspecjalizowane szkolenia dla przedsiębiorstw produkcyjnych prowadzone przez inżynierów praktyków.

Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP od 1965 roku na rynku polskim i zagranicznym wdraża rozwiązania oparte na najnowszych technologiach z dziedziny robotyki, automatyki i technik pomiarowych. Obok głównej specjalizacji – robotyki przemysłowej, uznanie Instytutowi przynoszą opracowania z zakresu automatyki i systemów bezpieczeństwa.

Efekty prac badawczo-rozwojowych prowadzonych w PIAP znajdują swoich odbiorców zarówno wśród polskich, jak i zagranicznych partnerów komercyjnych i publicznych. PIAP bierze czynny udział w międzynarodowych projektach naukowych i badawczych, realizowanych w ramach programów finansowanych ze środków Unii Europejskiej.

Centrum Szkoleniowe PIAP oferuje szkolenia z zakresu: • • • • •

Roboty przemysłowe – programowanie i obsługa robotów: ABB, FANUC, KUKA Prototypowanie – od koncepcji, przez projekt do wykonania Napędy i sterowanie – zastosowanie i programowanie serwonapędów Nauka dla przedsiębiorców – praktyczne rozwiązania Recykling pojazdów wycofanych z eksploatacji

Najwyższej klasy kadra inżynierska i naukowa oraz najnowocześniejsza infrastruktura techniczna pozwalają wprowadzać na polski rynek pierwsze w pełni wyspecjalizowane i profesjonalne szkolenia w zakresie inżynierii. Centrum Szkoleniowe PIAP w pełnym zakresie zaspokaja stale rosnące potrzeby przemysłu w zakresie najnowszych technologii i rozwiązań technicznych. Marka i pozycja PIAP, jako lidera rynku w zakresie badań nad najnowocześniejszymi rozwiązaniami technicznymi, daje Państwu gwarancję otrzymania aktualnej i rzetelnej wiedzy.

Więcej informacji oraz pełna oferta szkoleń na stronie www.przemysl.piap.pl

Spis treści

Wydarzenia

Temat numeru

10

Polski system miar wymaga głębokiej reformy

Komputery przemysłowe i panele operatorskie

13

Powstał Związek Pracodawców Sektora Kosmicznego

20

W świecie komputerów przemysłowych

14

Produkcja przemysłowa okiem praktyków metodyki WCM. Relacja z X konferencji „World Class Manufacturing – produkcja klasy światowej”

30

Odwieczny dylemat: sterownik PLC czy komputer przemysłowy

32

Niezawodne komputery przemysłowe Pro-face

34

Nowoczesne bezwentylatorowe komputery przemysłowe Matrix w ofercie firmy GURU Control Systems

16

Lubelskie Targi Energetyczne ENERGETICS 2012

18

ASTOR już po raz czternasty wyróżnił najlepszych dyplomantów

37

MARITEX – niezawodne komputery przemysłowe

19

Śląskie święto automatyki w Expo Silesia

38

Rozwiązania HMI ESA – wydajność, elastyczność i europejska jakość

40

Oryginalne rozwiązania w najnowszych komputerach panelowych iEi Technology Corp.

41

Sterownik V560-T25B zintegrowany z kolorowym panelem dotykowym

42

Pierwszorzędny wybór do dowolnego zadania automatyzacji. Komputer przemysłowy Automation PC 910

43

Moduły pomiarowe WObit we współpracy z panelami HMI

Nowości 7

Nowe produkty

60

Medal targów HPS 2012 dla miernika The Parker Service Master Plus

62

Zasilacze do automatyki budynkowej i systemów LED

61

Komunikacja i sieci przemysłowe 44

Telemetria – monitoring i sterowanie rozproszonymi obiektami przemysłowymi

46

Trzy powody, dla których warto zastosować RSTi I/O w warstwie układów I/O

48

Automatyzacja maszyn z interfejsem IO-Link

51

Produkty PoE firmy AAXEON

Rynek i technologie 57

GUENTHER uruchomił produkcję w Polsce

58

Rewolucja przyszłości

NOWOŚCI

Wskaźniki LED o wysokiej jasności Firma Turck wprowadziła do swojej oferty pięć nowych wskaźników serii EZ-LIGHT charakteryzujących się wysoką jasnością i zapewniających wyraźną sygnalizację, widoczną nawet z dużej odległości.

4

54 ROZMOWA PAR

Chcemy walczyć z niechęcią polskich przedsiębiorców do inwestowania w robotykę

92

Wireless passive sensor for crack detection exploiting RFID technology

Mateusz Lisowski, MSc; prof. Tadeusz Uhl, PhD, DSc – AGH University of Science and Technology, Department of Robotics and Mechatronics

100

Monitoring of fatigue life of mechatronic elements using spectral method for fatigue life assessment including the mean stress value

Assoc. Prof. Adam Niesłony, PhD Eng.; Michał Böhm, MSc Eng. – Faculty of Mechanical Engineering, Opole University of Technology

105

Analysis of mechatronic systems second class by the matrix method

Prof. Jerzy Smyczek, DSc, PhD – Department of Electronics and Computer Science, Koszalin University of Technology

112

Kinematics of underwater inspection robot

Prof. Mariusz Giergiel, PhD*, Krzysztof Kurc, PhD**, Piotr Małka, PhD*, Tomasz Burakowski, PhD*, Dariusz Szybicki, MSc** *AGH University of Science and Technology, **Rzeszow University of Technology

Rozmowa ze Stefanem Życzkowskim, prezesem firmy ASTOR.

Nauka 63

Three-wheeled mobile platform powered by LabVIEW at energy performance index

prof. Krzysztof Kaliński, PhD; Cezary Buchholz, MSc – Gdańsk University of Technology

70

Mobile HMI system for the micromachine tool

Bogdan Broel-Plater, PhD; Paweł Dworak, PhD; Marcin Mikołajczak, BSc – Department of Control Engineering and Robotics, West Pomeranian University of Technology

76

82

The influence of properties of a measured object on the surface digitalization performed by a laser scanner integrated with measuring arm Michał Rak, MSc; Adam Woźniak, PhD, DSc, prof. of WUT – Institute of Metrology and Biomedical Engineering, Warsaw University of Technology

Study of porosity measurement Rusing the computer tomograph Adam Woźniak, PhD, DSc, prof. of WUT; Tomasz Kowaluk, MSc – Institute of Metrology and Biomedical Engineering, Warsaw University of Technology

87

Inspection and monitoring of engineering structures by means of optical displacement sensors based on interferometry techniques

Dariusz Łukaszewski, MSc; Leszek Sałbut, DSc Eng.; prof. Małgorzata Kujawińska, Grzegorz Dymny, MSc – Institute of Micromechanics and Photonics, Warsaw University of Technology

117

Functional structure of diagnostic system for wheeled tractors

Assist. Prof. Ryszard Arendt, PhD*, Full Prof.

Ryszard Michalski, PhD** *Faculty of Electrical and Control Engineering, Gdansk University of Technology, **Faculty of Technical Sciences, University of Warmia and Mazury in Olsztyn

121

Viscous friction measurement technique in robot joint with the use of surrogate mass

Prof. Jerzy Świder, PhD, DSc (Eng.), Adrian Zbilski, MSc Eng. – Faculty of Mechanical Engineering, The Silesian University of Technology

129

The definition of procedural knowledge in distributed mechatronic systems

Prof. Jerzy Świder, PhD, DSc (Eng.), Mariusz Hetmańczyk, PhD – Faculty of Mechanical Engineering, The Silesian University of Technology Kontynuacja na str. 6

12/2012

0 / - ) ! 29 o ! 5 4 / - !4 9 + ! o 2 / " / 4 9 + !

Miesięcznik naukowo-techniczny Pomiary Automatyka Robotyka Rok 16 (2012) nr 12 (190) ISSN 1427-9126, Indeks 339512

Na okładce: Układ wejść-wyjść RSTi O/I firmy GE Intelligent Platforms

PAR miesięcznik naukowo� techniczny

RSTi I/O

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

www.par.pl

PDá\ L HNRQRPLF]Q\ XNáDG ZHMĹĄ Z\MĹĄ

TEMAT NUMERU

APLIKACJE

ROZMOWA PAR

Komputery, komunikacja i sieci przemysłowe

Robotyzacja produkcji aparatów słuchowych

Stefan Życzkowski – prezes ASTOR Sp. z o.o.

20

52

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

54

5

Spis treści

APLIKACJE

Roboty wspomagają produkcję nowoczesnych aparatów słuchowych

52

157

Control of mobile walking robot (hexapod)

Bartosz Stańczyk, BSc Eng.; Dariusz Grzelczyk, PhD; Prof. Jan Awrejcewicz, DSc, PhD – Department of Automation and Biomechanics, Lodz University of Technology

160

The electrooculography control system

Damian Pakulski, BSc Eng.; Artur Gmerek, MSc – Institute of Automatic Control, Lodz University of Technology

164

Construction and steering of a two-wheeled balancing robot

Krzysztof Lorenc, Eng.; Adam Białkowski, Eng.; Prof. Jan Awrejcewicz, DSc, PhD – Faculty of Mechanics, Lodz University of Technology

168

Identification of an electrically driven manipulator using the differential filters

Leszek Cedro, PhD – Faculty of Mechatronics and Machinery Design, Kielce University of Technology

173

Transfer wartości wzorca w pomiarach przepływu gazu ziemnego

Prof. dr hab. inż. Orest E. Seredyuk*, mgr inż.

Vitalij V. Malisevich*, doc. dr inż. Zygmunt L. Warsza** *Iwano-Frankowski Narodowy Techniczny Uniwersytet Nafty i Gazu (IFNTUNG), Ukraina, **Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP

Szybki rozwój inżynierii medycznej oznacza potrzebę ciągłej adaptacji procesów produkcji. Współcześnie standardem stała się szeroka gama modeli i zarazem mniejsze partie, które w dalszym ciągu muszą być produkowane w jak najbardziej ekonomiczny sposób. Właśnie dlatego producent aparatów słuchowych Oticon zdecydował się na automatyzację procesu produkcji. Wykorzystuje roboty

przemysłowe w procesie produkcji seryjnej, a także przy opracowywaniu nowych produktów.

181

Magnetowizja słabych pól magnetycznych w systemach zapewnienia bezpieczeństwa publicznego

mgr inż. Michał Nowicki*, prof. nzw. dr hab. inż.

Roman Szewczyk** *Instytut Metrologii i Inżynierii Biomedycznej, Politechnika Warszawska, **Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP

Kontynuacja ze str. 5

133

Comparative analysis of exoskeletal actuators

Grzegorz Redlarski, PhD, DSc Eng.; Krzysztof Blecharz PhD Eng.; Mariusz Dąbkowski, PhD Eng.; Aleksander Pałkowski, MSc Eng.; Piotr M. Tojza MSc Eng. – Faculty of Electrical and Control Engineering, Gdansk University of Technology

187

Niekonwencjonalne metody analizy błędów pomiaru różnicy temperatury czujnikami platynowymi

Andrzej Burghardt, PhD; Dariusz Szybicki, MSc – Department of Applied Mechanics and Robotics, Faculty of Mechanical Engineering and Aeronautics Rzeszow University of Technology

mgr inż. Tadeusz Goszczyński – Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP

192

144

Fractional order PID controller in velocity control loop of CNC machine feed-drive module with permanent magnet synchronous motor

Emisja zaburzeń przewodzonych zasilaczy impulsowych

mgr inż. Krzysztof Trzcinka – Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP

196

Artur Kobyłkiewicz, MSc Eng.; Rafał Pajdzik, MSc Eng.; Paweł Waszczuk, MSc Eng. – Department of Control Engineering and Robotics, West Pomeranian University of Technology of Szczecin

Układ kontroli procesu wtłaczania kół jezdnych lokomotyw i wagonów

mgr inż. Andrzej Bratek, mgr inż. Jan Goska – Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP

139

Rapid prototyping environment for wheeled mobile robot control algorithm

151

The application of VPython to visualization and control of robot

200

Indeks firm

Maciej Wochal, Dawid Cekus, PhD; Pawel Warys, PhD – Czestochowa University of Technology

202

Prenumerata

6

Nowości

Nowe produkty Czujnik ultradźwiękowy UMC3000 z metalowym czołem

Pierwszy ultradźwiękowy czujnik zbliżeniowy z metalową membraną pomiarową jest wyjątkowo odporny na zabrudzenia. Dzięki bardzo wysokiemu stopniowi ochrony (IP68/69K) może być

zastosowany w aplikacjach w bardzo wilgotnym otoczeniu oraz może być poddawany wysokociśnieniowemu czyszczeniu strumieniowemu. Równocześnie czujnik został zaprojektowany zgodnie z restrykcyjnymi wymogami higienicznymi i jest szeroko stosowany w przemyśle spożywczym – posiada certyfikat EHEDG, pozwalający na bezpośredni kontakt z żywnością. Gładka

obudowa o współczynniku chropowatości Ra < 0,8 µm, powoduje, że medium wykrywane nie przykleja się do czujnika. Produkt posiada również certyfikat e1, co umożliwia mu pracę w pojazdach mobilnych.

Metalowa obudowa ze stali 1.4404 (V4A) AISI316L zwiększa odporność na uszkodzenia mechaniczne, korozję oraz wpływ temperatury. Dzięki spełnieniu wymagańtak wielu norm i uzyskaniu stosownych

certyfikatów, produkt jest bardzo uniwersalny i może być stosowany zarówno w branży motoryzacyjnej, spożywczej, maszynowej, jak również w bardzo trudnych warunkach w przemyśle ciężkim, czy w branży olejowej.

Czujnik UMC3000 został wyróżniony jako jeden z najbardziej innowacyjnych produktów na targach ROBOTshow / HAPexpo 2012. www.pepperl-fuchs.pl

Fot. Pepperl+Fuchs, HARTING Polska

Złącze Han Q High Density – maksymalna gęstość kontaktów w kompaktowym rozmiarze Portfolio firmy HARTING poszerza się o nowe rozwiązanie Han Q High Density.

Nowe złącze przeznaczone jest do przesyłania sygnałów, charakteryzuje się dużą gęstością i kompaktowym rozmiarem 3A. Zostało ono zaprojektowane dla 21 kontaktów typu D-Sub. Dla aplikacji tego typu istotne jest zapewnienie odpowiedniej pyłoszczelności, wodoszczelności oraz ochrony przed wnikaniem brudu, ale także łatwość obsługi w trudnych warunkach środowiskowych.

Złącze Han Q High Density szczególnie dedykowane jest do aplikacji, w których

Złącza (obydwa typy: AC oraz DC) pracują przy bardzo niskim napięciu 50 V AC oraz 120 V DC. Natężenie prądu zależy od zastosowanych kontaktów i przewodów.

Dla przykładu zastosowanie kontaktów D-Sub 0,56 mm² przy temp. 40 °C pozwala na przewodzenie prądu o natężeniu ok 6,5 A. zastosowanie złączy typu D-Sub nie gwarantuje spełnienia ww. wymagań.

Nowe złącze jest idealnym rozwiązaniem, ponieważ może zostać zastosowane we wszystkich modelach obudów typu HARTING Han 3A. Zakres obudów jest bardzo

szeroki: dostępne są wersje metalowe oraz z tworzywa, możliwe do zastosowania w aplikacjach wnętrzowych, jak i zewnętrznych, obudowy EMC oraz obudowy typu INOX do aplikacji o bardzo wysokich wymaganiach, np. w przemyśle spożywczym.

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

Z okazji nadchodzących Świąt wszystkim naszym Klientom, Czytelnikom, Współpracownikom i Sympatykom życzymy Świąt białych, pachnących choinką, spędzonych w ciepłej, rodzinnej atmosferze, pełnych wymarzonych prezentów, Świąt zdrowych i radosnych, obyśmy wszyscy pełni optymizmu przywitali nadchodzący Nowy Rok, który niech będzie lepszy niż ten co właśnie mija życzy zespół redakcyjny PAR

Promocja

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

7

Nowości

Zasilacz z wyjściem ładowania akumulatora Jednym z głównych wymagań systemów związanych z bezpieczeństwem jest zapewnienie ciągłości zasilania, niezależnie od napięcia dostarczanego z sieci.

Zasilacze AD-55 i AD155 doskonale nadają się do systemów alarmowych, monitoringu, kontroli dostępu lub innych tego typu aplikacji, gdzie nieprzerwane i niezawodne zasilanie ma kluczowe znaczenie.

W czasie normalnej pracy zasilacz dostarcza napięcie

do zasilania podłączonego odbiornika i jednocześnie ładuje akumulator. W przypadku braku zasilania sieciowego urządzenie czerpie energię z podłączonego akumulatora. Modele AD-55 (55 W) i ADD-155 (155 W) występują w dwóch wersjach z podwójnym wyjściem 13,8 V DC lub 27,6 V DC. Napięcie jednego z wyjść można regulować za pomocą trymera w zakresie 12…15 V i 24…29 V, natomiast drugie ma stałą

wartość i jest przeznaczone do ładowania zewnętrznego akumulatora 12 V lub 24 V. Modele ADD różnią się od powyższych dodatkowym wyjściem 5 V. Standardowo zasilacze wyposażone są w zabezpieczenia

przeciwzwarciowe, nadnapięciowe, przeciążeniowe, oraz dodatkowo w zabezpieczenie przed odwrotnym podłączeniem i nadmiernym rozładowaniem akumulatora. Zasilacze pracują przy swobodnej konwekcji powietrza, a szeroki zakres temperatury pracy od -20 °C do 70 °C umożliwia stosowanie zasilaczy zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz obiektów. www.elmark.com.pl

ADAM-2000Z – Bezprzewodowe moduły ZigBee o niskim zużyciu energii ADAM-2000Z to nowa seria bezprzewodowych modułów pomiarowych firmy Advantech oparta na standardzie IEEE 802.15.4 (ZigBee) pracującym w darmowym paśmie 2,4 GHz. W jej skład wchodzą zarówno moduły z wejściami

cyfrowymi, jak i z wbudowanymi czujnikami do pomiaru wilgotności oraz temperatury. Wszystkie urządzania mogą być zasilane napięciem zewnętrznym z zakresu 10 V DC –30 V DC lub bateriami (2 x AA). Ich główną zaletą jest niski pobór energii, który wynosi 130 µW przy odczytach cyklicznych, co kilka minut. Jest to bardzo korzystne w przypadku długotrwałej pracy w terenie, gdzie nie ma stałego

zasilania, a wymiana baterii musi odbywać w długich odstępach czasu. Tak jak w serii WSN, również i tutaj rolę zbiorczą pełni jednostka centralna ADAM-2520Z, która przekazuje sygnał bezprzewodowy na port RS-422/485 lub USB przy wykorzystaniu protokołu Modbus/RTU. Zasięg pomiędzy bramą główną a jednostkami pomiarowymi wynosi 110 m, ale może zostać przedłużony o kolejne 1000 m za pomocą

routera ADAM-2510Z. Zgodnie ze standardem IEEE 802.15.4, seria ADAM-2000Z umożliwia budowę sieci w postaci drzewa, gwiazdy oraz siatki, do której można podłączyć do 32 modułów I/O. Wszystkie urządzenia zostały przystosowane do pracy w temperaturze od -20 °C do 70 °C (w przypadku zasilania bateryjnego od 0 °C do 50 °C). www.elmark.com.pl

Sonda wilgotności i temperatury HC2-S firmy Rotronic powstała w oparciu o nowoczesną i unikalną technologię polimerowego czujnika oraz specjalnie dedykowanego układu elektroniki AirChip3000.

Polimerowy sensor zapewnia wyjątkową dynamikę oraz stabilność długoterminową pomiaru w zakresie 0…100 % RH. Zastosowanie technologii AirChip3000 umożliwiło znaczące

8

zwiększenie dokładności pomiaru (wykonano linearyzację charakterystyki czujnika w 100 punktach dla wybranej temperatury, zastosowano procesor o wyższej rozdzielczości).

Obecnie sonda jest w stanie mierzyć wilgotność i temperaturę z dokładnością ±0,8 % RH / ±0,1 °C, a nawet 0,5 % RH / ±0,1 °C. Jedną z dodatkowych funkcji HC2-S wdrożonej

w module AirChip3000 jest autodiagnostyka sensora i automatyczna kompensacja dryftu.

Zastosowanie: HVAC, przemysł spożywczy, farmaceutyczny, kosmetyczny, tekstylny, papierniczy Dokładność pomiaru: ±0,8 % RH, ±0,1 K, przy 23 °C ±5 K Zakres stosowania: –50 … +100 °C / 0…100 % RH

Wyjścia analogowe: temperatura –40… +60 °C = 0…1 V wilgotność 0…100 % RH = 0…1 V. Wyjście cyfrowe w standardzie UART. Zasilanie: 3,2…5 V DC.

B&L INTERNATIONAL Sp. z o.o. e-mail: info@bil.com.pl www.bil.com.pl

Fot. Elmark Automatyka , B&L, Balluff

Sonda wilgotności i temperatury HC2-S

IO-Link do potęgi 8

Nowa generacja modułów I/O do sieci Profinet oferuje wiele udoskonalonych rozwiązań dla użytkowników. Każdy z modułów wyposażony jest w wyświetlacz, za pośrednictwem którego możemy sprawdzać wszystkie parametry adresu IP, jak również bramę oraz maskę podsieci. Wbudowany switch pozwala na tworzenie liniowej topologii sieci. Każdy z modułów wyposażony jest we wbudowany webserwer, za pomocą którego mamy możliwość kontroli stanu pracy modułu oraz zmiany adresu IP. Najnowsze wykonanie zaprezentowane podczas targów Motek (Niemcy) jako pierwsze

na rynku oferuje wyjątkową możliwość rozszerzenia modułu aż o 8 inteligentnych urządzeń z interfejsem IO-Link, takich jak systemy RFID, konwertery analogowe lub czujniki z interfejsem IO-Link.

Rozbudowa o kolejne moduły I/O pozwala na podłączenie w jednym punkcie sieci Profinet aż do 136 sygnałów cyfrowych.

Oczywiście, interfejs IO-Link pozwala nam na podłączanie bardzo wielu różnorodnych kombinacji, w jednym punkcie sieci możemy podłączać urządzenia do pomiaru

odległości, sterować wyspami zaworowymi, zbierać i wysterować sygnały cyfrowe i analogowe, itd. Ilość możliwości jest praktycznie nieograniczona. Wszystko to przekłada się na znaczące uproszczenie instalacji, gdyż należy pamiętać iż do podłączenia każdego

urządzenia z interfejsem IO-Lin wystarcza zwykły 3-żyłowy przewód. Nowy 8-portowy master IO-Link obsługuje najnowszą specyfikację interfejsu IO-Link, czyli wersję 1.1. Oznacza to przede wszystkim, iż master posiada wbudowany serwer parametrów, dzięki któremu konfiguracja każdego z urządzeń IO-Link jest przechowywana w masterze i jest automatycznie uaktualniana po wymianie urządzenia.

BALLUFF Sp. z o.o. ul. Muchoborska 54-424 Wroclaw tel. 71 338 4929 fax 71 338 49-30 e-mail: balluff@balluff.pl www.balluff.com

Fot. Elmark Automatyka , B&L, Balluff

IKS-6728-4GTXSFP-HV-HV-T – switch modułowy do szafy Rack 19” z zabudowanymi portami GE

Rodzina switchy przemysłowych firmy Moxa została powiększona o nowy model przeznaczony do szafy Rack 19”: IKS-6728-4GTXSFPHV-HV-T. Nowy switch jest urządzeniem modułowym, ale mającym wbudowane 4 porty gigabitowe typu combo (możliwość instalacji modułów SFP bądź skorzystania z portów skrętkowych – RJ-45). Posiada także wbudowane na stałe 8 portów Fast Ethernet w postaci gniazd RJ-45. Dwa dodatkowe moduły rozszerzeń umożliwiają odpowiedni

dobór portów skrętkowych i światłowodowych.

Taka konstrukcja umożliwiła obniżenie kosztów urządzenia, a więc i cenę.

Dobierając odpowiednie moduły z serii IM-6700 można uzyskać urządzenie posiadające maksymalnie 28 portów miedzianych (RJ-45) bądź 20 portów światłowodowych i 8 portów miedzianych. W tej wersji switch jest wyposażony w redundantne zasilanie HV (85 V AC – 264 V AC).

Nie posiada ruchomych elementów (typu wentylatory)

i może pracować w bardzo szerokim zakresie temperatury od –40 °C do 75 °C. Brak wentylatorów zwiększa średni bezawaryjny czas pracy (MTBF).

Urządzenie może być konfigurowane za pomocą połączenia szeregowego (RS-232), przeglądarki web, bądź sesji telnet. Dzięki zaawansowanym funkcjom umożliwia m.in. budowę połączeń nadmiarowych (Turbo Ring, RSTP, MSTP), agregację portów w celu zwiększenia przepustowości, różnorodne metody

monitoringu, przekaźnik alarmowy i wiele innych.

Szczegółowa lista obsługiwanych technologii znajduje się na naszej stronie internetowej.

Dodatkowo IKS-67284GTXSFP-HV-HV-T jest zgodny z normami kolejowymi PN-EN 50121-1 oraz PN-EN 50121-4.

Urządzenie przeznaczone jest do pracy w warunkach przemysłowych, gdzie priorytetem jest bezpieczeństwo i bezawaryjna praca przez długi okres czasu.

Szczegółowe informacje dostępne są pod linkiem: http://www.elmark.com.pl/ products/produkty/index. php?id=1231.

www.elmark.com.pl

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

9

Wydarzenia Relacje

Polski system miar wymaga głębokiej reformy 25 października br. w Instytucie Technologii Eksploatacji w Radomiu odbyła się konferencja „Przyszłość polskiej metrologii naukowej i przemysłowej”, połączona z uroczystym otwarciem Centrum Metrologii Radwag.

Uczestnicy konferencji rozmawiali m.in. o nowelizacji ustawy Prawo o miarach oraz roli i miejscu

systemie metrologicznym.

Podczas dyskusji towarzyszących

Na fot. od lewej: dr inż. Jan Jabłkowski – Dyrektor Naczelny Przemysłowego Instytutu Automatyki i Pomiarów PIAP, dr inż. Witold Lewandowski – Dyrektor Naczelny firmy Radwag Wagi Elektroniczne, oraz prof. nzw. dr hab. inż. Roman Szewczyk – Instytut Metrologii i Inżynierii Biomedycznej Politechniki Warszawskiej

prezentacjom zaproszonych gości oraz dwóm panelom dyskusyjnym pojawił się szereg pomysłów i postulatów. Z prowadzonych na konferencji dyskusji wypływa jeden wniosek: należy jak najszybciej znowelizować istniejące prawo oraz w miejsce GUM powołać jednostkę o zupełnie innym charakterze i umocowaniu prawnym – Narodowy Instytut Miar.

Po nowo otwartym Centrum Metrologii oprowadzał gości jego dyrektor, Andrzej Hantz (na zdjęciu przy jednym ze stanowisk w Pracowni Masy)

10

Po oficjalnym otwarciu konferencji, które wypełniły wystąpienia dyrektora naczelnego firmy Radwag, dr. inż. Witolda Lewandowskiego – organizatora konferencji, dyrektora ITE PIB w Radomiu, prof. dr. hab. inż. Adama Mazurkiewicza – gospodarza konferencji, oraz prezydenta miasta Radomia, Andrzeja Kosztowniaka – honorowego patrona konferencji, nastąpiło uroczyste otwarcie Centrum Metrologii. Następnie uczestnicy konferencji wysłuchali prelekcji i prezentacji gości specjalnych.

Dr Włodzimierz Lewandowski z Międzynarodowego Biura Miar (BIMP) w podparyskim Sèvres przedstawił infrastrukturę metrologiczną w Polsce i na świecie oraz rolę narodowych instytutów metrologicznych i laboratoriów wzorcujących w zachowaniu spójności pomiarowej.

Jako drugi zabrał głos Maciej Dobieszewski – naczelnik Wydziału Prawa Technicznego w Ministerstwie Gospodarki, który przedstawił wnioski płynące z raportu o stanie polskiego

C

M

Y

CM

MY

CY

CMY

K

Fot. PAR

Głównego Urzędu Miar w polskim

Treść listu otwartego do Ministra Gospodarki i Parlamentarzystów RP Szanowny Panie Premierze!

Postęp w zakresie miar i metod pomiarowych jest podstawowym warunkiem innowacyjności i konkurencyjności przemysłu, a w konsekwencji wzrostu gospodarczego i dobrobytu. We wszystkich rozwiniętych krajach istnieją silne narodowe instytucje i instytuty badawcze zajmujące się rozwojem wzorców i technologii metrologicznych oraz ich transferem do gospodarki narodowej.

Polska w tym zakresie jest wyjątkiem. Jedyna specjalistyczna instytucja, Główny Urząd Miar, z racji swego charakteru ogranicza się do standardowej działalności administracyjnej, nie prowadzi badań ani współpracy z przemysłem. Sytuacja ta drastycznie pomniejsza możliwości czerpania środków z funduszy europejskich, z których obficie korzystają działające w innych krajach Unii Europejskiej instytuty badawcze zajmujące się miarami i związane z tą dziedziną branże przemysłowe.

Obowiązujące obecnie rozwiązania spowodowały, iż kraj nasz znalazł się na ostatnim miejscu w Europejskim Programie Badań Metrologicznych (EMRP), co znacznie utrudnia dostęp polskich przedsiębiorstw do nowoczesnych technologii.

Szanowny Panie Premierze!

Kierując się troską o przyszłość polskiej gospodarki, sygnatariusze niniejszego listu, reprezentujący polskich naukowców i przedsiębiorców działających w branży pomiarowej, zgromadzeni na konferencji „Przyszłość polskiej metrologii naukowej i przemysłowej” zorganizowanej przez Centrum Metrologii działające przy firmie RADWAG Wagi Elektroniczne, zwracają Pana uwagę na potrzebę pilnego zakończenia prac nad ustawą „Prawo o miarach”.

Polski system miar wymaga głębokiej reformy. Wyrażamy uznanie dla Ministerstwa Gospodarki za podjęcie prac nad jego dostosowaniem do współczesnych wymagań technologicznych, jednocześnie wyrażamy zaniepokojenie tempem ich przebiegu. Podjęte przed pięciu laty prace, prowadzone z udziałem wybitnych specjalistów, doprowadziły do opracowania założeń nowej ustawy, które oceniamy wysoko. Jednakże do dziś nie znalazły one wyrazu w postaci obowiązującego aktu prawnego. Uniemożliwia to wprowadzenie niezbędnych zmian systemowych i organizacyjnych, do najpilniejszych, z których należą: • powołanie, na bazie obecnych laboratoriów GUM, narodowego centrum wzorców i technologii, co pozwoli na właściwe wsparcie krajowego przemysłu oraz rozwój badań krajowych i współpracy międzynarodowej, • wyodrębnienie z GUM jednostki administracyjnej zajmującej się metrologią prawną i nadzorującej terenową administrację miar, • powołanie Rady Miar, złożonej z przedstawicieli przemysłu i nauki, jako ciała doradczego przy Ministrze Gospodarki. Postulujemy, aby istniejąca Grupa Robocza ds. Reformy Metrologii przy Ministerstwie Gospodarki była wzmocniona i stała się zaczynem przyszłej Rady Miar.

Radom, dnia 25 października 2012 r.

REKLAMA

C

M

Y

CM

MY

CY

CMY

Fot. PAR

K

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

11

Wydarzenia Relacje

systemu miar, opracowanego na zlecenie Ministerstwa Gospodarki przez Terry’ego J. Quinna (byłego dyrektora BIPM), oraz korespondujące w znacznej mierze z nimi założenia do nowej ustawy Prawo o miarach.

Konferencji towarzyszyły prezentacje przyrządów pomiarowych zaprojektowanych i oferowanych przez polskich producentów

12

Drugi z paneli, poświęcony kierunkom zmian w polskiej metrologii naukowej, w tym dostosowaniu polskiego systemu metrologicznego do standardów światowych oraz nowej ustawie Prawo o miarach, poprowadził dr inż. Jan Jabłkowski z PIAP (na fot. pierwszy z lewej)

Kolejny prelegent, Wojciech Wiśniewski z GUM, przedstawił zadania Laboratorium Masy w GUM w kontekście przygotowań do wdrożenia nowej definicji kilograma.

Doc. dr inż. Zygmunt L. Warsza w obszernej prezentacji przybliżył uczestnikom konferencji kierunki badań nad rozwojem szacowania niepewności pomiarów.

Pierwszą część konferencji zamknął Andrzej Hantz, dyrektor Centrum Metrologii Radwag, prezentacją „Rola laboratorium wzorcującego w firmie produkującej przyrządy pomiarowe na przykładzie Laboratorium Pomiarowego Radwag”.

Po przerwie na lunch przewidziano bardziej roboczą część konferencji. W jej ramach odbyły się przede wszystkim dwa panele dyskusyjne – pierwszy poprowadził dr hab. inż.

Ryszard Pregiel, prezes Polskiej Izby Gospodarczej Zaawansowanych Technologii, w drugim natomiast dyskusję inicjował i moderował dr inż. Jan Jabłkowski, dyrektor naczelny Przemysłowego Instytutu Automatyki i Pomiarów PIAP w Warszawie. Wnioski i postulaty z obu paneli zebrano w liście otwartym do Ministra Gospodarki (patrz ramka), pod którym podpisała się zdecydowana większość uczestników wydarzenia.

Konferencja zakończyła się zwiedzaniem siedziby głównej firmy Radwag przy ul. Brackiej 28 w Radomiu oraz Centrum Metrologii, ulokowanego

w nowym budynku przy ul. Starowiejskiej 17A. Radwag Centrum Metrologii to jednostka wyodrębniona ze struktury firmy Radwag Wagi Elektroniczne. Centrum Metrologii tworzą cztery komórki organizacyjne: Zespół Walidacji, Ekspertyz i Audytów, Zespół ds. Szkoleń, Laboratorium Pomiarowe oraz Wydawnictwo.

Laboratorium Pomiarowe zajmuje się wzorcowaniem urządzeń ważących, wzorców masy, odważników i pipet tłokowych, oraz badaniami wewnętrznymi. Składa się ono z pięciu pracowni: dwóch Pracowni Masy, Pracowni Objętości, Pracowni Długości oraz Pracowni Temperatury i Wilgotności.

W wyposażeniu Laboratorium są między innymi: dwa kompleksowe stanowiska do kalibracji pipet (o stałej i zmiennej objętości, w zakresie od 1 µl do 10 ml), dziesięć stanowisk wzorcowania wzorców masy (wyposażonych w automatyczne i manualne komparatory, umożliwiające wzorcowanie wzorców masy od 1 mg do 25 kg w klasach E2, F1, F2, M1 i M2) oraz komputerowy system zarządzania laboratorium RadCAL, zarządzający całym procesem wzorcowania – od przyjęcia zlecenia aż po wydanie świadectwa wzorcowania.

Seweryn Ścibior PAR

Fot. PAR

Panel dyskusyjny „Nauka – Biznes – Metrologia: współpraca między nauką i biznesem na rzecz innowacyjnych rozwiązań w projektowaniu przyrządów pomiarowych; smart specialization szansą dla eksportu polskiej metrologicznej myśli technicznej” poprowadził prof. dr hab. inż. Ryszard Pregiel z PIGZT (na fot. pierwszy z prawej)

Powstał Związek Pracodawców Sektora Kosmicznego

powstała w 1975 roku jako organizacja koordynująca współpracę państw europejskich zainteresowanych eksploracją i eksploatacją przestrzeni kosmicznej. Obecnie ESA skupia 19 państw członkowskich, a jej roczny budżet wynosi około 4 mld euro. Wraz z przystąpieniem Polski do ESA przed polskimi przedsiębiorstwami i instytutami badawczymi otworzył się nowy rynek związany z kosmicznymi programami unijnymi.

13 sierpnia 2012 roku Polska podpisała umowę akcesyjną o przystąpieniu do Konwencji o utworzeniu Europejskiej Agencji Kosmicznej. Był to pierwszy krok rozpoczynający proces ratyfikacji umowy przez Polskę. Równocześnie z negocjacjami akcesyjnymi oraz procesem ratyfikacyjnym został zainicjowany proces tworzenia organizacji reprezentującej podmioty zainteresowane realizacją kontraktów dla Europejskiej Agencji Kosmicznej. Potrzebę powołania takiej organizacji zgłaszały zarówno podmioty polskiego sektora kosmicznego, jak i Ministerstwo Gospodarki (odpowiedzialne za negocjacje i proces akcesyjny) oraz Polska Agencja Rozwoju Przedsiębiorczości.

Paweł Wojtkiewicz Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP Kontakt do biura Związku: tel. 22 874 03 87

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

13

Fot. PAR

Europejska Agencja Kosmiczna (European Space Agency – ESA)

Po wielu spotkaniach przygotowawczych 31 października 2012 roku w Centrum Konferencyjnym PIAP odbyło się zgromadzenie założycielskie Związku Pracodawców Sektora Kosmicznego, w którym wzięło udział 19 podmiotów – dużych przedsiębiorstw, średnich i małych firm oraz ośrodków badawczych.

Do członków-założycieli Związku należą m.in. Centrum Badań Kosmicznych PAN, Bumar, Astri Polska, Geosystems, GMV Polska, Sener Polska oraz Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP. Podstawowe zadania Związku to: • konsolidacja środowiska przedsiębiorców, ośrodków badawczych oraz organizacji zainteresowanych eksploatacją i eksploracją przestrzeni kosmicznej oraz prowadzeniem badań naukowych i prac wdrożeniowych związanych z produktami i technologiami o zastosowaniach kosmicznych, • prowadzenie działań na rzecz podniesienia potencjału ekonomicznego polskiego sektora kosmicznego, • inicjowanie współpracy pomiędzy podmiotami polskiego sektora kosmicznego oraz pokrewnymi sektorami (lotnictwo, obronność) w celu efektywnego wykorzystania środków z budżetu państwa, programów ESA oraz funduszy Unii Europejskiej, • wspomaganie Sejmu i Senatu RP, Rady Ministrów, ministerstw oraz pozostałych organów administracji państwowej w kreowaniu krajowej polityki kosmicznej i realizacji jej założeń.

Związek będzie także prowadził działania promujące potencjał polskiego sektora kosmicznego oraz działania zmierzające do zwiększenia liczby swoich członków, tak aby opinie i ekspertyzy wypracowywane przez Związek były reprezentatywne. Siedziba Związku znajduje się obecnie w Przemysłowym Instytucie Automatyki i Pomiarów PIAP.

Wydarzenia Relacje

Produkcja przemysłowa okiem praktyków metodyki WCM Relacja z X konferencji „World Class Manufacturing – produkcja klasy światowej”

W dniach 20–21 listopada w hotelu Sheraton w Krakowie odbyła się już po raz dziesiąty konferencja „World Class Manufacturing – produkcja klasy światowej”, organizowana

Dwa dni konferencji poświęcone były prezentacji innowacyjnych rozwiązań z zakresu World Class Manufacturing (WCM) przez ekspertów z następujących firm: ArcelorMittal Poland, ASTOR, Can-Pack, Fiat Auto Poland, Kompania Piwowarska Grupa SABMiller, Operator Systems Poland, Philips Lighting Electronics w Pile, Philips Lighting Poland, Saint-Gobain Construction Products Polska, Fabryka Rigips ­– Stawiany, a także wymianie doświadczeń z uczestnikami wydarzenia.

Konferencji towarzyszyły warsztaty, w trakcie których uczestnicy mieli okazję zwiedzić zakłady stosujące metodykę WCM – Fiat Auto Poland w Tychach (19 listopada), ArcelorMittal w Świętochłowicach (22 listopada) i Can-Pack w Brzesku (22 listopada). Wizyty miały na celu zaprezentowanie rozwiązań WCM, których wykorzystanie w firmach prezentujących swoje obszary produkcyjne pomaga w ciągłym podnoszeniu efektywności na konkurencyjnym rynku.

Właśnie stosowanie rozwiązań z obszaru WCM stało się dla wielu firm

14

kluczem do sukcesu w ramach swojej grupy, a co szczególnie istotne, na mocno konkurencyjnym rynku danej branży.

Krakowska konferencja miała dostarczyć uczestnikom inspiracji, wiedzy i rozwiązań, które pomogą budować przewagę konkurencyjną na rynku. W pierwszym dniu uczestnicy poznali m.in. temat efektywnego podejścia WCM do procesów w przemyśle na przykładzie doświadczeń Kompanii Piwowarskiej.

Prelekcja wywołała lawinę pytań z sali o najważniejsze etapy wdrożenia WCM, o szkolenia pracowników, o początek wdrożenia WCM – czy robić to samemu, czy z pomocą zewnętrznej firmy, jak radzić sobie z najbardziej opornymi pracownikami etc.

Kolejny blok poświęcony był filarowi Cost Deployment w działach produkcji i logistyki. Prelekcje dostarczyły odpowiedzi m.in. na pytania „co to znaczy ideal cost?”, „jak często rewidować cele?”, „jak przejść przez matrycę od A do F?”. Swoje rozwiązania w obszarze redukcji kosztów na produkcji

zaprezentował pasjonat metodyki WCM, przewodniczący konferencji z firmy ArcelorMittal Poland.

Ożywioną dyskusję wywołała prezentacja dotycząca identyfikacji największych strat w obszarze pilotażowym w firmie Saint-Gobain Construction Products Polska, Fabryka Rigips – Stawiany.

Pierwszy dzień konferencji zakończyły warsztaty tematyczne: • „Przygotowanie przedsiębiorstwa do implementacji WCM i koordynacja wdrożenia”, prowadzony przez ekspertki z firmy Saint-Gobain Construction Products Polska, Fabryka Rigips-Stawiany, • „Wybrane narzędzia i techniki stosowane w przedsiębiorstwach WCM”, prowadzony przez eksperta z firmy Can-Pack, • „Zyski związane z doskonaleniem procesów wytwórczych przy wykorzystaniu systemów automatycznego gromadzenia danych” – gra biznesowa poprowadzona przez ekspertów z firmy ASTOR.

Fot. GBI Partners

przez firmę GBI Partners.

Oprac. na pdst. mat. GBI Partners

REKLAMA

Fot. GBI Partners

Uczestnicy warsztatów mieli możliwość wypracowania rozwiązań w danych obszarach we współpracy z osobami, które na co dzień spotykają się z podobnymi wyzwaniami w swoich firmach. Warsztat stwarza możliwość wymiany doświadczeń oraz podzielenia się dobrymi praktykami, jak również tymi, których warto unikać. Osoby uczestniczące w tych warsztatach pracowały na przykładach przygotowanych przez moderatorów warsztatu.

Kolejny dzień konferencji rozpoczęła prezentacja na temat Continuous Improvement Management na produkcji w Kompanii Piwowarskiej.

Następnie został omówiony temat wzrostu kompetencji organizacji na przykładzie projektu Blue Print w zakładzie Philips Lighting Electronic. Eksperci podzielili się z uczestnikami uwagami na temat korzyści, jakie przyniósł tej projekt ich firmie. Przedstawiciel firmy Can-Pack zaprezentował z kolei proces wdrażania w jego firmie nowych rozwiązań i/ lub produkcji nowego wyrobu na istniejącej linii produkcyjnej.

Potem uczestnicy konferencji mieli okazję poznać rozwiązania logistyczne stosowane w Fiat Auto Poland pod kątem WCM i zapoznać się z ciekawymi usprawnieniami wdrożonymi w zakładzie.

Kolejnym tematem prezentowanym przez przewodniczącego konferencji było hasło „Jak zachować najwyższą jakość w procesie produkcji przy uwzględnieniu restrykcyjnej polityki kosztowej?”.

Ostatnim, ale pierwszym pod kątem ważności w zakładach produkcyjnych był temat rozwijania i budowania kultury bezpieczeństwa. Ekspertka z firmy Fiat Auto Poland miała wiele pytań na temat drogi, którą tyski zakład doszedł do obecnego poziomu (Silver Level), jak również do stosowanych w nim rozwiązań poprawiających bezpieczeństwo pracowników oraz do metod utrzymania wysokiego zaangażowania pracowników i efektów pracy, jaką przede wszystkim oni sami włożyli w wysoki poziom, na jakim firma znajduje się w dniu dzisiejszym.

Wszystkie prezentacje wzbudzały duże zainteresowanie uczestników, którzy chętnie dyskutowali na temat rozwiązań stosowanych przez prelegentów konferencji oraz rozwiązań stosowanych w ich zakładach. Sesja pytań przewidziana po każdej prezentacji stwarzała możliwość wygenerowania ciekawych pomysłów do przeniesienia na własne „podwórko” produkcyjne.

Dni warsztatowe towarzyszące konferencji odbyły się w zakładach Fiat Auto Poland, ArcelorMittal oraz CanPack, i poświęcone były w całości rozwiązaniom WCM stosowanym w tych fabrykach. W zakładach uczestnicy wizyt zostali przywitani przez przedstawicieli firm, którzy zapoznali ich ze specyfiką działania poszczególnych firm oraz odpowiadali na wszystkie pytania uczestników wizyt począwszy od kwestii bezpieczeństwa, poprzez jakość, produkcję, finanse, czy oszczędzanie energii w zakładach.

Zakłady, w których odbyły się wizyty, zdobyły liczne nagrody potwierdzające ich wysoki światowy poziom.

Sponsorami konferencji WCM były firmy: Operator Systems Poland, ASTOR, Raben Group. Patronat medialny nad tym wydarzeniem objęły następujące media: miesięcznik PAR, portale internetowe e-Gospodarka oraz iProdukcja.

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

15

Wydarzenia Relacje

Lubelskie Targi Energetyczne ENERGETICS 2012 Centrum Targowo-Wystawiennicze Targów Lublin SA przez trzy dni targowe było polską stolicą elektroenergetyki i sieci szerokopasmowych. Z ofertą blisko 120 wystawców zapoznało się ponad 4300 zwiedzających.

Polskie Towarzystwo Przesyłu i Rozdziału Energii Elektrycznej, Stowarzyszenie Elektryków Polskich, Lubelska Okręgowa Izba Inżynierów Budownictwa, Polska Izba Producentów Urządzeń i Usług na Rzecz Kolei, Politechnika Lubelska, Lubelski Klaster Ekoenergetyczny i Polska Izba Gospodarcza Elektro- techniki. Patronat medialny objęło wiele wydawnictw i portali branżowych, a także lubelska telewizja, radio i prasa regionalna.

Zakres branżowy targów: • elektroenergetyka i elektrotechnika, • wytwarzanie i przesyłanie energii elektrycznej,

• przetwarzanie energii, • urządzenia rozdzielcze i łączeniowe, • urządzenia zabezpieczające i instalacje odgromowe, • urządzenia kontrolno-pomiarowe i sygnalizacyjne, • sieci i instalacje elektryczne, • automatyka, • osprzęt eksploatacyjny i narzędzia, • kable i przewody, • sprzęt oświetleniowy, • informatyka w energetyce, • energetyka alternatywna i odnawialna, • energia wodna, wiatrowa, słoneczna, wód geotermalnych, biomasa,

Fot. Targi Lublin

W dniach 13–15 listopada 2012 roku odbyły się V Lubelskie Targi Energetyczne Energetics 2012. W tym samym czasie miały miejsce także Targi Technologii Szerokopasmowych Infostrada.

Głównym partnerem targów była spółka PGE Dystrybucja. Patronaty sprawowali: Wiceprezes Rady Ministrów Minister Gospodarki Waldemar Pawlak, Prezydent Miasta Lublin i Marszałek Województwa Lubelskiego, Konsul Generalny Ukrainy w Lublinie, Konsul Honorowy Ukrainy w Chełmie, a także Polsko-Białoruska Izba Przemysłowo-Handlowa. Patronami branżowymi zostały: Urząd Regulacji Energetyki,

16

S

SCHUNK_Im

• technologie pozyskiwania energii odnawialnej, • systemy oszczędzania zasobów energetycznych, • energia jądrowa.

W konkursie targowym na „Produkt roku” nagrodę otrzymał Instytut Telei Radiotechniczny, a wyróżnienia firmy: Strunobet Migacz, Visimind i Instytut Energetyki – Zakład Doświadczalny w Białymstoku. W kategorii „Wystrój stoiska i forma promocji targowej” zwyciężyła Elektrobudowa, a wyróżnienia przypadły firmom: Eurodis, Rosa i Eurotronic. Poza przyznaniem nagród targowych w czasie targów rozstrzygnięto konkurs o Puchar Prezesa Polsko-Białoruskiej Izby Handlowo-Przemysłowej

dla firmy prezentującej najefektywniejsze ekonomiczne rozwiązanie technologiczno-organizacyjne w zakresie energetyki. Laureatem została firma Visimind, a wyróżnienia otrzymały firmy: Bezpol, Alumast i Instytut Tele- i Radiotechniczny.

W trakcie targów Energetics odbyła się zorganizowana przez Lubelski Urząd Marszałkowski konferencja podsumowująca projekt „Budowa oferty inwestycyjnej województwa lubelskiego w oparciu o zidentyfikowany potencjał odnawialnych źródeł energii (studia celowości)”, realizowany w ramach Osi Priorytetowej II: Infrastruktura Ekonomiczna, działanie 2.4, schemat B, w ramach Regionalnego Programu Operacyjnego Województwa Lubelskiego na lata 2007–2013. Lubelski Klaster Ekoenergetyczny we współpracy ze Stowarzyszeniem Elektryków Polskich przygotował seminarium na temat energii odnawialnej, na którym poruszono m.in. tematy efektywności energetycznej, fotowoltaiki czy budowy biogazowi i małych elektrowni wodnych.

Tradycyjnie odbyły się również przygotowane przez wystawców szkolenia dla inżynierów elektryków, inżynierów budownictwa, inspektorów nadzoru, projektantów, architektów, zakładów energetycznych, służb utrzymania ruchu, instalatorów, inwestorów, spółdzielni mieszkaniowych, deweloperów, zarządców budynków i przedstawicieli władz samorządowych.

Mat. pras. Targi Lublin SA

Życzymy Państwu białych, pachnących choinką Świąt Bożego Narodzenia, spędzonych w ciepłej, rodzinnej atmosferze oraz szczęścia w życiu osobistym i wielu sukcesów zawodowych w każdym dniu nadchodzącego Nowego Roku.

© 2012 SCHUNK GmbH & Co. KG

REKLAMA

Fot. Targi Lublin

Pracownicy firmy SCHUNK

Superior Clamping and Gripping

SCHUNK_ImageXmas_205x102_PL_1112_V1.indd 1

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

17

14.11.12 16:49

Wydarzenia Relacje

ASTOR już po raz czternasty wyróżnił najlepszych dyplomantów Rozstrzygnięcie konkursu prac dyplomowych oraz seminarium dla edukacji – to dwa ważne wydarzenia zorganizowane przez firmę ASTOR, które znalazły swój finał 30 listopada w Krakowie.

Na fot. od lewej: dr inż. Antoni Szymczak – promotor pracy nagrodzonej miejscem III, Michał Drożdżowski – Laureat III miejsca (Politechnika Krakowska), dr inż. Jacek Augustyn – promotor pracy nagrodzonej I miejscem, Przemysław Kękuś – laureat I miejsca (AGH), Stefan Życzkowski – Prezes ASTOR Sp. z o.o. i przewodniczący jury, oraz Mariusz Buciakowski – laureat II miejsca (Uniwersytet Zielonogórski)

18

prac zgłaszanych do konkursu obejmowała systemy sterowania linią produkcyjną, monitoring i wizualizację procesów przemysłowych, automatyzację procesów produkcyjnych lub stanowiska zrobotyzowane. Jury, oceniając prace, zwracało szczególną uwagę na innowacyjność, poziom technicznego wykonania oraz możliwość wdrożenia w praktyce.

Zgodnie z nową formułą dodatkowo punktowano sposób prezentacji pracy przez dyplomantów podczas seminarium oraz wykorzystanie czasu przeznaczonego na prezentację. Łączna wartość nagród wyniosła blisko 10 tys. zł.

Tegoroczne seminarium „Moc technologii dla edukacji” poświęcono zagadnieniom pozyskiwania funduszy unijnych na cele dydaktyczne. Zaproszeni prelegenci wymienili się ze zgromadzonymi przedstawicielami uczelni i szkół technicznych swoimi praktykami i doświadczeniami z prowadzenia dofinansowanych projektów edukacyjnych.

W panelu wymiany doświadczeń, Kierownik Centrum Energetyki Odnawialnej Państwowej Wyższej Szkoły Zawodowej w Sulechowie – Radosław Grech, opowiedział o inwestowaniu w polską innowacyjność. Z kolei Tomasz Dudarski, Opiekun Laboratorium Automatyki i Robotyki w Wyższej Szkole Komunikacji i Zarządzania w Poznaniu podzielił się z zebranymi gośćmi uwagami na temat

budowy nowoczesnego laboratorium z „Praktycznymi Kwalifikacjami”.

O płatnych stażach, finansowanych ze środków EFS, które są odpowiedzią Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie na potrzeby rynku pracy opowiedział z kolei dr hab. inż. Krzysztof Pietrusewicz, a dr inż. Wiktor Hudy, pracujący na Uniwersytecie Pedagogicznym podpowiedział, jak zatrudnić robota na uczelni (oczywiście za unijne pieniądze).

Inspirujące przykłady kolegów po fachu wzbudziły ogromne zainteresowanie zgromadzonych przedstawicieli świata nauki. Ciekawość gości wywołało też wystąpienie Mateusza Bryły, Przewodniczącego Koła Naukowego INTEGRA, który zaprezentował postępy w budowie łazika marsjańskiego, konstruowanego przy wsparciu firmy ASTOR. – Połączenie rozstrzygnięcia konkursu prac z seminarium dla edukacji ma na celu zaakcentowanie wartości, jaką dla firmy ASTOR ma współpraca z placówkami dydaktycznymi. Uważamy, że tego typu wydarzenia są szczególnie ważne, gdyż luka w kontaktach świata nauki ze światem przemysłu jest stale niezapełniona – mówi Jarosław Gracel, Dyrektor ds. Marketingu i PR w firmie ASTOR.

Milena Chudobska-Marcinek ASTOR, e-mail: mch@astor.com.pl

Fot. Astor

Firma ASTOR zaprosiła przedstawicieli uczelni technicznych z całej Polski.

Uczestniczyli oni w spotkaniu obok finalistów XIV edycji Konkursu Prac ASTOR, promotorów prac oraz przedstawicieli mediów. Gościnnie wystąpił również robot EPSON – nowość w ofercie ASTOR-a.

Zgodnie z wprowadzoną w zeszłym roku nową formułą konkursu, zakładającą dwustopniowy system oceny prac, do finału zakwalifikowało się sześciu najlepszych dyplomantów, którzy dostali szansę zaprezentowania przed kapitułą konkursową swoich dokonań. Jurorzy mieli czas na wybór trzech najlepszych i jednocześnie najciekawiej zaprezentowanych prac.

– Wydaje mi się, że ta zmiana zdopingowała finalistów, a zgromadzonym gościom dała możliwość reagowania na prezentacje i zadawania pytań. Wysoki poziom wiedzy merytorycznej uczestników nie wskazywał, że mamy do czynienia ze świeżo upieczonymi absolwentami. W kontekście tak wysokiego poziomu już samo zakwalifikowanie się do grona finalistów jest ogromnym wyróżnieniem – podkreśla Stefan Życzkowski, prezes firmy ASTOR i przewodniczący jury konkursu.

W tym roku w szranki mogli stanąć także w nowej kategorii uczniowie szkół średnich, jednak żaden uczeń nie odważył się przysłać swojej pracy. Tematyka

Śląskie święto automatyki w Expo Silesia W dniach 13–15 listopada 2012 roku w Centrum Targowo-Konferencyjnym Expo Silesia w Sosnowcu odbyły się IV Targi Hydrauliki, Automatyki i Pneumatyki HAPexpo. Towarzyszyły im II Targi Robotyzacji i Automatyzacji w Przemyśle ROBOTshow.

Fot. Marcin Pogodziński (Wydział Gospodarki, Promocji i Współpracy Międzynarodowej Urzędu Marszałkowskiego Województwa Śląskiego), Expo Silesia

W Expo Silesia prezentowały się firmy z branży robotyki, hydrauliki, automatyki i pneumatyki oraz technik smarowniczych. Ofertę uzupełniła prezentacja produktów i rozwiązań z zakresu przetwórstwa tworzyw sztucznych i gumy.

Ze względu na tematykę wydarzenia oraz osoby i firmy, do których było skierowane, całość nazwano Targami Wspomagania Procesów Przemysłowych.

Tę tematykę uzupełniały Targi Olejów, Smarów i Płynów Technologicznych dla Przemysłu OILexpo, odbywające się w Expo Silesia po raz drugi.

Targi były doskonałą okazją do zapoznania się z nowościami w branży.

Wystawcy zaprezentowali m.in. komponenty automatyki, systemy napędów i sterowania, czy technologie i sprzęt służący do automatyzacji i informatyzacji w produkcji. Obecni byli producenci i dystrybutorzy komponentów oraz podzespołów do maszyn przemysłowych, fabryk oraz linii produkcyjnych. Duże zainteresowanie zwiedzających wzbudziły firmy prezentujące osprzęt i roboty

przemysłowe; w tym gronie znalazł się też dystrybutor robotów marki Kawasaki i Epson – firma ASTOR. Wśród nowości zaprezentowanych na targach były także nowe na rynku polskim duńskie roboty Universal Robots, prezentowane przez firmę Pol-Sver.

Targom towarzyszyły seminaria poświęcone nowym technologiom oraz automatyce i robotyce w przemyśle motoryzacyjnym, które cieszyły się dużym zainteresowaniem studentów Politechniki Śląskiej. Odbywały się one pod patronatem Wydziału Gospodarki, Promocji i Współpracy Międzynarodowej Urzędu Marszałkowskiego Województwa Śląskiego w ramach projektu Automotive Silesia Region. Celem projektu jest wzmocnienie powiązań sfery nauki i biznesu w branży motoryzacyjnej. Biorąc pod uwagę fakt, że na Śląsku skoncentrowana jest jedna trzecia polskiego przemysłu motoryzacyjnego, jest to dobrze zlokalizowana i potrzebna impreza.

W ramach wspomnianego programu Automotive Silesia Region Urząd Marszałkowski zorganizował warsztaty w formule matchmakingowej. Tematyką tegorocznych sesji były nowe aplikacje materiałowe oraz robotyka i automatyka.

Odbiorcami prelekcji byli przede wszystkim przedsiębiorcy działający jako podwykonawcy branży automotive.

Podczas imprezy wręczono medale i wyróżnienia za najlepsze produkty i usługi prezentowane na targach. Medal Expo Silesia za wytłaczarkę dwuślimakową stożkową z przełączalną skrzynią przekładniową EHP 15 Professional serii MINI Line otrzymała firma Zamak Mercator. Wyróżnienia przyznano firmie ASTOR za robota przemysłowego Kawasaki BX200L oraz firmie Pepperl+Fuchs za odbiciowy czujnik ultradźwiękowy z metalowym czołem – UMC3000.

Natomiast wyróżnienie za stworzenie

platformy współpracy dla sektora motoryzacyjnego otrzymał Wydział Gospodarki, Promocji i Współpracy Międzynarodowej Urzędu Marszałkowskiego Województwa Śląskiego. Firmy: ASTOR, Automationstechnik oraz ZHU Automatyka-Elektronika Naprawa Maszyn i Urządzeń Tomasz Jasztal nagrodzono za efektowną formę promocji targowej.

Oprac. na podst. mat. pras. Anna Ładan

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

19

Temat numeru Komputery przemysłowe i panele operatorskie

Komputer panelowy AFP-6152 firmy Aaeon

Rynek komputerów przemysłowych staje się coraz bogatszy, bardziej urozmaicony i wyspecjalizowany, ponieważ komputery przemysłowe są coraz częściej stosowane w nowoczesnych liniach technologicznych, maszynach i urządzeniach. Najnowocześniejsze komputery znajdują zresztą zastosowanie w różnych branżach naszej gospodarki, na przykład w przemyśle medycznym, militarnym, transportowym, logistycznym i spożywczym.

20

Współczesne trendy na rynku komputerów przemysłowych Obecnie na rynku pojawiają się komputery o bardzo różnych parametrach, począwszy od zminiaturyzowanych komputerów przemysłowych, po te bardzo odporne na trudne warunki środowiska.

Rozwój technologii jest bardzo widoczny, ponieważ klienci oczekują coraz bardziej precyzyjnych produktów. Zarówno producenci, jak i dostawcy są więc zobligowani do dostosowywania się do rosnących wymagań użytkowników.

Na polskim rynku najpopularniejszymi markami komputerów przemysłowych są: Advantech, Kontron, iEi Technology, Aaeon, Axiomtek, GE Intelligent Platforms, Acromag, Adlink. Rzadziej zastosowanie znajdują produkty Beckhoff, APRO, Automation, AMPRO, ASEM, B&R, Boser Technology, ESA, Evoc, HP, i-Base, IBM, Invensys Wonderware, Nematron, Protech Systems, Schneider Electric.

Producenci i dostawcy komputerów przemysłowych podkreślają, że w wyniku szybkiego rozwoju technologii

i różnych potrzeb klientów bardzo trudno jest scharakteryzować najważniejsze cechy komputerów przemysłowych.

Obecnie dostawcy przede wszystkim starają się zaspokoić wymagania użytkowników, którzy oczekując najnowocześniejszych produktów, nie zawsze wiedzą, na czym ta nowoczesność miałaby polegać. Dlatego też ważne jest, aby dostawcy mogli dokładnie rozpoznać potrzeby i oczekiwania klientów.

W jednym przypadku istotna jest bardzo wysoka wydajność, a w innym dostosowanie się do trudnych warunków środowiskowych.

Krzysztof Kamiński z Guru Control Systems w Łomiankach podkreśla, że wśród komputerów przemysłowych ważną grupą są komputery większe, modularne, umożliwiające dokładanie kart We/Wy, np. pomiarowych lub sterujących. – Jeśli przyjmiemy, że jest to każdy komputer przemysłowy przeznaczony do wbudowania do maszyny czy innego urządzenia, to termin ten obejmie także komputery panelowe oraz modularne. Jako przykład komputerów

Fot. Aaeon, iEi Technology Corp.

W świecie komputerów przemysłowych

modularnych można wskazać elementy systemu w standardzie cPCI firmy Adlink – mówi Kamiński.

Dostawcy oferują produkty różnych marek i jednocześnie starają się przedstawiać na polskim rynku wyspecjalizowane komputery przemysłowe.

Witold Bryłka – kierownik Działu Komputerów Przemysłowych w firmie JM Elektronik rozwija aspekt dotyczący kategorii komputerów, twierdząc, że obok klasycznych komputerów przemysłowych – panelowych czy wbudowanych – pojawiają się konstrukcje wyspecjalizowane, dedykowane do bardzo konkretnych zastosowań bądź też produkty zorientowane na zupełnie inne rynki niż sterowanie i wizualizacja w przemyśle. Producenci, analizując potrzeby klientów na rynkach w różnych krajach, wprowadzają nowe produkty i tym samym wyznaczają trendy. Taka strategia cechuje firmę iEi Technology, która regularnie wprowadza na rynek nowatorskie konstrukcje, odmienne od typowych rozwiązań konkurencji. Bardzo przyszłościowe są urządzenia mobilne, z myślą o których powstał dział iEi Mobile, pracujący nad rozwojem tej właśnie gałęzi. Modne na rynku komercyjnym tablety w naturalny sposób zaczynają funkcjonować w roli urządzeń medycznych, spełniających funkcję przenośnych notatników czy bazy wiedzy dla personelu medycznego, logistyki czy utrzymania ruchu – mówi przedstawiciel firmy JM Elektronik.

Innym przykładem mogą być terminale i komputery pokładowe do zastosowania w pojazdach szynowych i samochodowych. Nowe konstrukcje posiadają także bardzo rozbudowaną funkcjonalność, co czyni je uniwersalnymi i umożliwia obsługę wielu składowych systemu przez jedną jednostkę sterującą bezpośrednio.

Fot. Aaeon, iEi Technology Corp.

Sytuacja na rynku a potrzeby klientów

klientom dostarczamy m.in. komputery panelowe, kompaktowe i jednopłytkowe oraz rozwiązania medyczne i typu rugged, monitory, podzespoły sieci komunikacyjnych, przemysłowe płyty główne, moduły ADAM, switche przemysłowe oraz cPCI – mówi A. Jamrozik. – Z wymienionych powyżej kategorii największą popularnością cieszą się rozwiązania komputerów panelowych (systemy sterowania, nadzoru, SCADA) oraz bezwentylatorowych komputerów kompaktowych. Dzięki zwiększonej wydajności oraz możliwości rozbudowy wypierają z niektórych zastosowań rozwiązania na bazie komputerów w obudowach rack 19². Powodzeniem cieszą się także przemysłowe moduły komunikacyjne i sieciowe. Zauważamy również większe zapotrzebowanie na systemy oddawane „pod klucz”. Coraz częściej dostarczamy kompletne zestawy oparte na sprzęcie sieciowym, oprogramowaniu oraz innych elementach IT. Współpracujemy również z zaprzyjaźnionymi integratorami oraz firmami podwykonawczymi, oferując kompletne rozwiązania klientowi końcowemu.

Na rynku są dostępne komputery modułowe (COM), które zaliczamy do wysoko zintegrowanych komponentów SBC. Przyczyniają się one znacznie do wspierania rozwoju systemu i szczególnych wymagań aplikacji. Marek Korolko – key account manager w firmie Kontron East Europe w Warszawie twierdzi, że moduł CPU dostarcza podstawową funkcjonalność, a wszystkie inne, specyficzne dla aplikacji moduły są projektowane na płytę bazową, co tworzy częściowo konfigurowalne rozwiązanie komputera wbudowanego.

– Firma Kontron ma w swojej ofercie komputery przemysłowe zbudowane w architekturze ATCA oraz cPCI, mające zastosowanie na rynku telekomunikacyjnym, oraz komputery przeznaczone dla wojska i do transportu. Oprócz ww. komputerów oferujemy całą gamę komputerów przemysłowych do zabudowy w szafie lub na stojaku 19². Komputery te są powszechnie stosowane tak w automatyce przemysłowej, jak i w innych gałęziach przemysłu wymagającego niezawodnej, długiej, często bezobsługowej pracy – dodaje Korolko.

Rynek komputerowy wobec miniaturyzacji – Mimo że świat zmierza w kierunku miniaturyzacji, na rynku komputerów przemysłowych niezmiennie popularne są komputery w obudowach dedykowanych do szaf rack 19² – twierdzi Kamil Grzeszczak z firmy Elmark Automatyka.

Komputery te charakteryzują się dużą elastycznością, łatwością obsługi, bardzo dużymi możliwościami rozbudowy oraz dużą niezawodnością. Nasza firma, idąc naprzeciw oczekiwaniom klienta, stworzyła nową markę na rynku komputerów przemysłowych – Elmatic (www. elmatic.net). Jest to seria komputerów przeznaczonych do zastosowań profesjonalnych. Cechują je – dzięki zastosowaniu bardzo dobrej jakości podzespołów – wysoka niezawodność oraz możliwość pracy 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu. Istotna jest również wysoka powtarzalność dostępnych konfiguracji, dzięki zastosowaniu takich newralgicznych podzespołów jak: płyta główna, zasilacz, obudowa z tzw. linii embedded, czyli produktów charakteryzujących się

Komputer panelowy UPC-312 firmy iEi Technology Corp.

Sytuacja na rynku dowodzi, że cały czas utrzymuje się wysoki popyt na komputery przemysłowe, ale coraz bardziej rośnie zapotrzebowanie na wysokiej klasy wyspecjalizowany sprzęt komputerowy. Andrzej Jamrozik – specjalista ds. sprzedaży Działu Profesjonalnych Komputerów Przemysłowych w firmie CSI Computer Systems for Industry w Krakowie wskazuje, że klienci poszukują coraz bardziej zaawansowanego sprzętu, bo wymagania aplikacji przemysłowych są coraz większe. – Naszym Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

21

Temat numeru Komputery przemysłowe i panele operatorskie

co najmniej pięcioletnim cyklem produkcyjnym.

Mimo że komputery dedykowane są do pracy w niesprzyjających przemysłowych warunkach, np. na liniach produkcyjnych, wybrane modele bardzo dobrze sprawdzają się również, pracując w bezpośrednim otoczeniu operatora. Dzięki niskiemu natężeniu emitowanego dźwięku (hałas na poziomie 35 dB) pracujący komputer nie wywołuje zmęczenia operatora.

Przegląd nowości produktowych Komputery wbudowane W ofercie firmy Maritex pojawił się wbudowany bezwentylatorowy system komputerowy firmy Axiomtek do transportu kolejowego – tBOX320-852-FL. Komputer jest odporny na wibracje i posiada izolowane porty COM. Urządzenie może być wyposażone w procesor Intel Core 2 Duo oraz w pamięć RAM DDR3. System ma certyfikat kolejowy wg PN-EN 50155. tBOX320-852-FL jest nowoczesnym rozwiązaniem dedykowanym dla kolejnictwa. Jest to pasywnie chłodzony system, wykorzystujący procesor Intel Core 2 Duo SP9300, pracujący z częstotliwością do 2,26 GHz oraz chipset Intel GM45. Zbudowany został z myślą o trwałości i pracy w ciężkich warunkach, czego potwierdzeniem są: certyfikat wg PN-EN 50121, PN-EN 50155 oraz stopień ochrony obudowy IP40.

Zintegrowany system graficzny posiada 256 MB pamięci i jest kompatybilny z DirectX 9.0, 3D oraz HDTV. Posiada wbudowany dekoder MPEG2 i H.264, zmniejszający użycie procesora podczas odtwarzania wideo HD. Komputer ten nadaje się idealnie do pracy w jednostkach kontroli ruchu, systemach informacji pasażerów, monitoringu wideo i innych systemach kolejowych.

Zaprojektowany do pracy w temperaturze od –25 °C do +55 °C, umieszczony w odpornej na uszkodzenia aluminiowej obudowie komputer ma wbudowany wydajny procesor Intel Core 2 Duo SP9300, współpracujący z pamięcią RAM DDR3 800/1066 do 2 GB. Jednostka jest wyposażona w 1 kieszeń na wymienne dyski twarde 2,5² SATA 300, 1 wewnętrzny slot na dysk SATA oraz czytnik kart Compact Flash. Dodatkowo, tBOX320-852-FL posiada 4 izolowane porty COM, izolowane cyfrowe We/Wy, zasilacz i wytrzymałe złącze interfejsu M12 dla 2 portów Gigabit Ethernet.

22

Aby zapewnić możliwość rozbudowy systemu, tBOX320-852-FL posiada 2 wewnętrzne sloty mini PCIe. Dostępny jest również 1 slot SIM do aplikacji 2G/3G/4G, GPS, Wi-Fi bądź Bluetooth. tBOX320-852-FL można montować na szynie DIN, na ścianie lub stojaku.

Wbudowany kontroler PC Advantech UNO-2184G. Jest to stricte przemysłowa konstrukcja, wyróżniająca się dużą mocą obliczeniową (procesor Intel Core i7-2655LE 2,2 GHz) oraz możliwością pracy w ujemnych temperaturach. O przemysłowym charakterze tej konstrukcji świadczy nie jedna lub dwie cechy, ale ich cały zbiór. Jedną z nich jest bezwentylatorowa praca w tempe-

ich do pracy w macierzy RAID 0 lub 1.

Gdyby okazało się, że dostępna przestrzeń dyskowa jest niewystarczająca, użytkownik ma do dyspozycji port eSATAp, do którego może podłączyć zewnętrzny dysk twardy.

UNO-2184G wyposażony został w 3 wyjścia wideo: DVI-I (VGA + DVI), HDMI oraz DP (DisplayPort). Rozwiązanie to sprawia, że do komputera można podłączyć 2 dowolne monitory i wyświetlić na nich niezależne obrazy.

Komputer UNO przeznaczony jest do pracy w przemyśle, więc producent nie zapomniał o wyposażeniu go w porty COM (2´RS-232, 2´ RS-232/422/485), programowalne We/

Komputer kompaktowy UNO-2184G firmy Advantech

raturze od –10 °C do +60 °C (jest to rzadkość w przypadku rozwiązań opartych o procesor Core i7). Ważną kwestią jest duża odporność na wstrząsy i wibracje, uzyskiwana dzięki specjalnej konstrukcji płyty głównej komputera. Została ona zaprojektowana w ten sposób, by zminimalizować liczbę wewnętrznych połączeń kablowych.

W przypadku UNO-2184G jedynie porty COM numer 3 i 4 wyprowadzone są na obudowę za pomocą kabla. Kolejnymi zaletami są: duże możliwości rozbudowy, m.in. o 2 pełnowymiarowe karty mini PCIe (np. kartę Wi-Fi, moduł GPS) oraz moduł PCI-104 (w tym przypadku wymagane są opcjonalne akcesoria).

Warto wspomnieć, że komputer ma slot na kartę SIM, dzięki czemu w prosty sposób jest możliwa rozbudowa o modem 2G/3G lub nawet najnowszy 4G (np. LTE).

System operacyjny można zainstalować na przemysłowej karcie CFast lub na klasycznym dysku twardym 2,5² wyposażonym w interfejs SATA. Opcjonalnie UNO-2184G może zostać wyposażony w drugi dysk twardy. Oczywiście w przypadku wykorzystania dwóch dysków istnieje możliwość skonfigurowania

Wy cyfrowe, jak i bardziej współczesne interfejsy, np. 4 porty Intel GbLAN. Do poprawnej pracy komputer ten wymaga zasilania pojedynczym napięciem stałym z zakresu od 9 V DC do 36 V DC i mocy minimum 72 W. UNO-2184G jest konstrukcją dedykowaną do zastosowań, gdzie wymagana jest wysoka wydajność, jaką gwarantują procesory z rodziny Core i7 oraz niezawodność, którą zapewniają

Komputer kompaktowy TANK-800 firmy iEi Technology Corp.

Komputer kompaktowy MXE-1000 firmy Adlink

TANK-800-D525, podobnie jak cała seria, przystosowany jest do przemysłowych warunków pracy. Cechuje go: odporność na temperatury pracy w zakresie od –20 °C do +70 °C, odporność na wstrząsy o sile do 5 G i wibracje (MIL-STD-810F 514.5C-2). W przemyślany sposób rozwiązano zasilanie komputera, stosując w nim zasilacz redundantny. Komputer może być zasilany dowolnym napięciem stałym z zakresu od 9 V do 36 V. Z tyłu obudowy znajduje się także przełącznik AT/ATX umożliwiający wybór trybu zasilania, przełącznik ACC przewidziany do kontroli uruchomienia komputera w aplikacjach samochodowych oraz diodowy wskaźnik stanu pracy.

Komputer kompaktowy AEC -6625 firmy Aaeon

Matrix MXC-6101D to bezwentylatorowy komputer do zabudowy z procesorem Intel Core i7-620LE 2,0 GHz i 2 GB pamięci DDR3 SDRAM oraz interfejsami VGA/DVI-D, 2´GbE, 2´RS232/422/485, 2´RS-422, 5´USB 2.0, audio, złączami rozszerzającymi 2´PCI oraz 16 izolowanymi wejściami i 16 izolowanymi wyjściami cyfrowymi. Temperatura pracy wynosi od 0 °C do 50 °C (opcjonalnie od –10 °C do +60 °C).

Komputery kompaktowe

Komputer kompaktowy MXC-6000 firmy Aaeon

tegrowanym z chipsetem Intel QM57.

Ten małych wymiarów, cichy i wysoce wydajny komputer pozwala na zamontowanie wewnątrz obudowy 2 wyjmowanych kieszeni na dwa 2,5² dyski twarde SATA, co jest istotne przy zapewnieniu bezpieczeństwa danych i tworzeniu macierzy RAID. Jedną z głównych zalet tego komputera jest duża liczba wejść wideo. Do dyspozycji użytkownik ma złącza DVI-I, VGA i DP. Komputer obsługuje do 4 GB pamięci DDR3 SODIMM i posiada slot na karty Compact Flash. W celu zapewnienia komunikacji z urządzeniami zewnętrznymi producent zamontował w tym kompakcie 2 porty Gigabit Ethernet, 6 portów USB 2.0 oraz 4 porty

Firma CSI wprowadziła niedawno do oferty przemysłowy komputer kompaktowy AEC-6625 firmy Aaeon z bezwentylatorowym dwurdzeniowym procesorem Intel P4500 1,86 GHz zin-

COM. Możliwości funkcjonalne komputera mogą zostać rozbudowane przez zastosowanie jednej karty PCI-104.

Jednostka jest przystosowana do pracy w temperaturze z zakresu od –20 °C do +60 °C i jest zasilana prądem od 9 V DC do 30 V DC. AEC-6625 posiada wsparcie dla systemów Windows XP Embedded, Windows XP i Windows 7.

Komputer doskonale sprawdza się w różnego rodzaju rozwiązaniach wideo. Do głównych obszarów jego zastosowania można zaliczyć systemy Digital Signage, wielkoformatowe wyświetlanie obrazów oraz telebimy. Dzięki zastosowaniu wydajnego i szybkiego procesora przy bardzo małym poborze mocy stosuje się go również w automatyce

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

23

Fot. Advantech, iEi Technology Corp., Adlink, Aaeon

kontrolery przemysłowe z rodziny Advantech UNO. TANK-800-D525 – komputer wbudowany firmy iEi Technology z obsługą 3 kart rozszerzeń Cechą wspólną komputerów serii TANK jest wysoki stopień zaawansowania konstrukcyjnego, szeroka funkcjonalność oraz odporność na czynniki zewnętrzne, zarówno mechaniczne, jak i środowiskowe. Do rodziny tej dołączył kolejny model, którym jest bezwentylatorowy TANK-800-D525 z dwurdzeniowym procesorem Intel Atom D525 oraz chipsetem Intel ICH8M. Standardowo system wyposażony jest w 1 GB RAM DDR3 zintegrowany z płytą, jednak dodatkowy slot na pamięć pozwala dodać kolejne 2 GB. System operacyjny może być zainstalowany na karcie CFast lub 2,5² dysku twardym SATA. Najważniejsza cechą nowego komputera TANK jest niewątpliwie możliwość obsługi aż 3 kart rozszerzeń. Do wyboru są 2 konfiguracje: 1´PCIe´4 i 2´PCI oraz 1´PCIe´2, 1´PCIe´1 i PCI. Producent zaznacza, że maksymalna moc pobierana przez karty rozszerzeń nie może przekraczać 45 W. Ponadto do dyspozycji jest szereg standardowych interfejsów, takich jak 4´RS-232, 4´USB 2.0, VGA (z rozdzielczością maksymalną 2048´1536), 2´RS-422/485 na portach RJ-45 oraz po 4 wejścia i wyjścia GPIO na łączu DB-9. Możliwa jest tylko przewodowa komunikacja sieciowa (2´RJ-45 GbELAN), za którą odpowiada kontroler Realtek RTL8111E PCIe GbE z funkcją ASF2.0.

Temat numeru Komputery przemysłowe i panele operatorskie

Porównanie wybranych komputerów kompaktowych dostępnych na polskim rynku

Producent

Aaeon

Advantech

Adlink

Adlink

Adlink

iEi Technology Corp.

Dostawca

CSI

Elmark Automatyka

Guru Control Systems

Guru Control Systems

Guru Control Systems

JM elektronik

Typ

ARK-2120

UNO-2184G-D45E

Matrix MXE-1005

Matrix MXE-5301

Matrix MXC-6101D

TANK-800-D525

Procesor

Intel Atom N2600 1,6 GHz lub D2550 1,86 GHz

Intel Core i7-2655LE 2,2 GHz

Intel Atom N270 1,6 GHz

Intel Core i7-2710QE (Quad-Core)

Intel Core i7-620LE 2,0 GHz

Intel Atom D525 1,8 GHz

Pamięć

4GB DDR3 SODIMM

8 GB DDR3

1 GB DDR2 SDRAM

4 GB DDR3 SDRAM

2 GB DDR3 SDRAM

1 GB DDR3 SO-DIMM (max. 2 GB)

Dysk

1 x SATA 2,5” HDD, 1 x CFast SSD

1 ´ SATA 2,5”, 1 ´ CFast, 1 ´ eSATAp

opcje: 8 GB SSD, 32 GB SSD lub 320 GB HDD

opcje: 8 GB SSD, 32 GB SSD lub 320 GB HDD

opcje: 8 GB SSD, 32 GB SSD lub 320 GB HDD

1 ´ 2,5’’ SATA HDD/ SSD, 1´ CF

Grafika

zintegrowana, VGA, HDMI, LVDS, dual display, DirectX 9

wbudowana, Intel HD Graphics 3000

VGA

VGA, DVI-I

VGA, DVI-D

zintegrowana z procesorem

VGA/DVI-I, 4 ´ GbE, 2 ´ RS-232, 2 ´ RS232/422/485, 4 ´ USB 2.0, 2 ´ USB 3.0 i audio

VGA/DVI-D, 2´GbE, 2 ´ RS232/422/485, 2 ´ RS-422, 5 ´ USB 2.0, audio, złącza rozszerzające 2 ´ PCI oraz 16 izolowanych wejść i 16 izolowanych wyjść cyfrowych

4 ´ USB 2.0 2 ´ GbE 4 ´ RS-232: 4 ´ DB-9 2 ´ RS-422/485: 2 ´ RJ-45 1 ´ VGA audio: 1 ´ Mic-in, 1 ´ Line-out 1 ´ DIO PCIe PCI

Interfejsy

3x GbE, 5x USB 2.0, 2x RS-232, 4x RS-232/422/485, 1x Mini PCIe

DVI-I, DP, HDMI, 4 ´ GbLAN, 4 ´ COM (2 ´ RS-232 oraz 2 ´ RS232/422/485), 2 ´ mini PCIe slot na kartę SIM

VGA, 1 ´ GbE, 2 ´ RS232/422/485, 2 ´ RS-422, 4 ´ USB 2.0 i audio

System operacyjny

Windows 7, Windows 7 Embedded, XP Professional, XP Embedded, WinCE 7.0, Linux Ubuntu

Windows XP/7, WES2009, WES7, Linux

Windows CE 6.0 / XP / XP Embedded / 7, Linux

Windows XP / XP Embedded / 7, Linux

Windows XP / XP Embedded / 7, Linux

Linux, Windows CE 6.0, Windows XP Embedded, Windows Embeded Standard 7

Zakres temperatur

-20 ~ 60° C

-10 ... 60 °C

0 ... +50 °C (opcjonalnie -20 ... +70 °C)

0 ... +50 °C (opcjonalnie -20 ... +60 °C)

0...+50 °C (opcjonalnie -10 ...

C60 °C)

-20...+70 °C

Chłodzenie

pasywne

pasywne

pasywne

pasywne

pasywne

pasywne

Stopień ochrony

IP40

IP40

B/d

B/d

B/d

B/d

inne

wbudowany slot pod kartę SIM

24

MIL-STD-810F 514.SC-2, zasilanie 9...36 V DC, możliwość rozbudowy o 3´PCI/PCIe

Intel A

Com

In

4´ 422 V2.0

4 4 2 2´ 10/

Wind 7, W Wind Embe (

-2

5

8 GHz

IMM

DD/

DB-9 5:

in,

E 6.0, dded, ed

SC-2, DC, owy e

Kontron

Avalue

Kontron

Maritex

MPCX60

EPS-QM77

Intel Atom 2 ´ 1,8 GHz

Intel Core i7/ i5/ i3

4 GB DDR3

do 8 GB DDR3 1333/ 1600 SDRAM

Compact Flash, 2,5² SATA II HDD

2 ´ SATA II DOM 2 ´ SATA III 2,5² HDD/ SSD

Intel GMA 3150

zintegrowana, Intel QM77

4 ´ (RS-232C / RS422 / RS-485), 1 ´ V2.0 front, 4 ´ V2.0 back, 4 ´ digital in, 4 ´ digital out, 2 ´ analog in, 2 ´ PWM, audio, 10/100/1000 LAN, CAN

4 ´ RS-232, 4 ´ RS-232/422/485, 2 ´ GigaLAN, 1 ´ CRT, 1 ´ HDMI, 2 ´ DisplayPort, 8 ´ USB, 8 ´ DIO, 2 ´ PCI, 2 ´ Mini PCIe

Windows 8, Windows 7, Windows Vista, Windows XP, Windows Embedded Standard 7 (WES7), Linux

Windows / Linux

-25 ... +70 °C

-10 ... 60 °C

pasywne

pasywne

IP65

IP40

zasilanie 15...26 V DC

Komputery panelowe CSI Computer Systems for Industry prezentuje stworzony specjalnie do aplikacji pracujących w przemyśle spożywczym komputer panelowy AFP-6152 firmy Aaeon.

Cała obudowa komputera została wykonana ze stali nierdzewnej 316L i zapewnia stopień ochrony przed kurzem i wilgocią na poziomie IP66 na całej powierzchni. Producent zastosował tutaj całkowicie bezwentylatorowe rozwiązanie i wyposażył panel w dwurdzeniowy, wysokowydajny procesor Intel Atom D525 z taktowaniem zegara 1,8 GHz.

napięciem od 9 V DC do 30 V DC. Ponadto zastosowano ochronę przed zbyt niskim i zbyt wysokim napięciem zasilania oraz przypadkowym podłączeniem biegunów. Producent zapewnia wsparcie dla systemów Windows XP, Windows 7 oraz Linux Fedora. Standard mocowania to VESA 75/100.

Komputer panelowy AFP-6152 przeznaczony jest do użytku w wielu wymagających przemysłowych aplikacjach wewnętrznych i zewnętrznych. Wysoka odporność na czynniki środowiskowe predestynuje go do montażu w halach produkcyjnych, a obudowa ze stali nierdzewnej pozwala na czyszczenie silnymi środkami żrącymi. Dzięki temu komputer może być wykorzystywany w przemyśle spożywczym, chemicznym

Komputer panelowy V Panel Express firmy Kontron

AFP-6152 posiada 15² ekran dotykowy TFT LCD z podświetleniem LED o maksymalnej rozdzielczości 1024´768 i jasności 400 nitów. Twarda (7H) powłoka szkła zapewnia skuteczną ochronę przed zarysowaniami.

Komputer obsługuje do 4 GB pamięci DDR3 SODIMM. Wewnątrz obudowy znajduje się miejsce na 2,5² dysk twardy z interfejsem SATA lub slot na kartę Compact Flash. AFP-6152 posiada zintegrowany z procesorem kontroler grafiki LCD/CRT. Dodatkową zaletą panelu są zamontowane wodoodporne i pyłoodporne złącza M12 dla wszystkich portów We/Wy, takich jak: 2 porty USB 2.0, 1 port RS-232 i 1 konfigurowalny jako RS-232/422/485 oraz 1 port Gigabit Ethernet. Istnieje też możliwość rozszerzenia funkcjonalności komputera o 1 kartę PCIe. AFP-6152 jest przystosowany do pracy w szerokim zakresie temperatury od –20 °C do +50 °C i zasilany jest

i farmaceutycznym. W ofercie dostępny jest również model z 12,1² ekranem: AFP-6123.

Komputer panelowy w obudowie ze stali nierdzewnej 316L - IPPC-8151S Advantech posiada wbudowany procesor Intel Celeron M 1,06 GHz (1 MB L2 cache). Zastosowana jednostka centralna należy do tzw. energooszczędnej rodziny procesorów, co objawia się bardzo małymi stratami cieplnymi procesora.

W przypadku komputera IPPC-8151S pozwoliło to na zastosowanie pasywnego chłodzenia. Komputer posiada 2 sloty na pamięci SODDR2, przy czym maksymalna pojemność pamięci RAM wynosi 4 GB. Pod względem dostępnych interfejsów We/Wy prezentuje się naprawdę dobrze: • jeden slot na połówkową kartę PCI, • miejsce na dysk 2,5 (SATA) oraz przemysłową kartę Compact Flash, • VGA, 2´GbLAN, 4´USB 2.0, 3´RS232, 2´PS2, LPT oraz audio.

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

25

Fot. Kontron

gy

budynków, kioskach multimedialnych oraz w aplikacjach mobilnych.

Temat numeru Komputery przemysłowe i panele operatorskie

Porównanie wybranych komputerów panelowych dostępnych na polskim rynku

Producent

Aaeon

Advantech

iEi Technology

Kontron

Axiomtek

iEi Technology Corp.

Dostawca

CSI

Elmark Automatyka

JM elektronik

Kontron

Maritex

Guru Control Systems

Typ

AFP-6152

IPPC-8151S-R0AE

UPC-V312-D525

V Panel Express

GOT-815

PPC-5170AR11/9455-E2160/ A622A/T-R/1 GB

Procesor

Intel Atom D525 CPU, 1,8 GHz

Intel Celeron M 1,066 Hz

Intel Atom D525 1,8 GHz

Intel Core i7-2655

Intel Atom N270

Intel Pentium Dual Core E2160 1,8 GHz

Pamięć

4 GB DDR# SODIMM

DDR2 SODIMM, do 4 GB

1 GB DDR3 SODIMM

do 8 GB DDR3

do 2 GB DDR2

1 GB DDR2 SDRAM

Dysk

SATA 2,5²/Compact Flash

SATA 2,5²/ CompactFlash

CF, 1 ´ mini DOM

SATA / Compact Flash

SATA 2,5²/ CF

SATA II 2,5²

Grafika

zintegrowana

zintegrowana

zintegrowana z procesorem

zintegrowana z chipsetem

zintegrowana, Intel 945GSE

VGA 1280 x 1024

VGA, 1´GbLAN, 4´USB 2.0, 3´RS232, LPT, 1´PCI

1 ´ RS-422/485 1 ´ RS-232 1 ´ CAN-bus 1 ´ GbE LAN 4 ´ USB 2.0 audio jack (Line out, MIC) 1 ´ VGA GPS (opcja) 3,5 G (opcja)

5 ´ USB (1 ´ front, 4 ´ rear side), 1 ´ LAN 10/100, 1 ´ LAN 100/1000, 2 ´ RS-232, 1´ DVI-I

2 ´ RS-232, 1 ´ RS-232/422/485, 4 ´ USB, 1 ´ GigaLAN, 1 x VGA, 1 x PS/2, 1 ´ PCIe, zasilanie 24 V DC

VGA, 2 ´ GbE, 4 ´ RS-232, 1 ´ RS232/422/485, 4 ´ USB 2.0 i audio

Windows 7, Windows XP, WES 7, Linux (Embedded)

Windows/Linux

Windows/Linux (instalowany przez użytkownika)

System operacyjny

Window XP, Window 7, Linux Fedora

Windows XP, WES2009

Linux, Windows CE 6.0, Windows XP Embedded, Windows Embeded Standard 7

Zakres temperatury

-20 ... 55 °C

0 ... 50 °C

-20 ... 60 °C

0 ... +50 °C

-20 ... +60 °C

-10 ... +50 °C

Chłodzenie

pasywne

pasywne

pasywne

pasywne

pasywne

aktywne

Stopień ochrony

IP66/NEMA4X (na całej obudowie), obudowa ze stali kwasoodpornej 316L

IP66/NEMA4X

IP65

IP65 front

cała obudowa wykonana w klasie szczelności IP66, ze stali nierdzewnej

przedni panel IP65

inne

ekran dot. o twardości 7H, wodoi pyłoszczelne złącza M12

z opcjonalną obudową wykonaną ze stali nierdzewnej 316L

czujnik natężenia światła, kamera, 10 prog. przycisków, opcjonalna karta akwizycji audio/ wideo

Panel frontowy komputera wykonany został z wysokiej jakości stali nierdzewnej i przy poprawnym zamontowaniu ma stopień ochrony przed pyłem i wodą IP66/NEMA4x. Dużą zaletą IPPC-8151S są akcesoria dodatkowe (również wykonane ze stali nierdzewnej 316L) dedykowane do tego komputera. Dzięki nim można zbudować obudowę mającą klasę szczelności IP66. Wysokiej jakości obudowa ze

26

opcjonalnie -20 ... +60 °C

stali 316L oraz wysoki IP sprawiają, że IPPC-8151S bardzo dobrze sprawdza się w przemyśle spożywczym (a szczególnie mięsnym), farmaceutycznym, chemicznym i w podobnych zastosowaniach.

Komputer panelowy PPC-L158T produkowany przez firmę Advantech wyposażony w 15² ekran TFT LCD o rozdzielczości 1024´768 i jasności 350 cd/m2. Model może być również

ekran dotykowy 17”; dopuszczalne wibracje w czasie pracy: od 5 do 17 Hz,

wyposażony w pięcioprzewodowy rezystancyjny ekran dotykowy z interfejsem RS-232. Komputer posiada wbudowany dwurdzeniowy procesor Intel Atom D525 o częstotliwości taktowania 1,8 GHz, charakteryzujący się niskim poborem mocy. PPC-L158T wyróżnia się zastosowaniem 2 gniazd pamięci DDR3 SODIMM obsługujących do 2 GB każdy. Kontroler został też bogato wyposażony w interfejsy We/Wy, głównie

Fot. iEi Technology Corp.

Interfejsy

2 ´ USB 2.0, 1 ´ RS-232, 1 ´ RS-232/422 /485, 1 ´ GbLAN, wszystkie M12

Fot. iEi Technology Corp.

w 2 porty Ethernet 10/100/1000 Mpbs i 4 porty COM, w tym 2´RS-232, 1´konfigurowalny w BIOS-ie jako RS232/422/485 z funkcją Auto-flow control i 1´RS-232 z możliwością zamiany przez złącze pinowe na 8-kanałowy GPIO. Ponadto komputer wyposażony został w wyjście wideo D-Sub VGA, 4 interfejsy USB 2.0, interfejsy Mic-in/ Line-out, PS/2 pod klawiaturę i mysz oraz speaker. Jest też opcja zastosowania dwóch portów IEEE 1394. Jednostkę można również łatwo rozbudować poprzez instalację kart w wolne złącze PCI lub PCIe oraz mini PCIe. W środku obudowy wygospodarowane zostało miejsce na 2,5² dysk z interfejsem SATA oraz gniazdo na karty CFast TM. Użytkownik ma również możliwość zamontowania napędu DVD-RW. Przód panelu, mający stopnień ochrony IP65, został zaprojektowany w taki sposób, aby ułatwić jego czyszczenie oraz szybsze spływanie cieczy. Komputer ten może być zasilany prądem zmiennym z zakresu od 100 V AC do 240 V AC o częstotliwości 50/60 Hz lub prądem stałym od 15 V DC do 24 V DC. Jednostka współpracuje z systemami Windows XPe/XP Pro, Vista, Windows 7 i WES 7.

PPC-L158T poprzez zastosowanie bardzo wydajnego procesora znajdzie zastosowanie w takich aplikacjach przemysłowych jak: systemy sterowania i wizualizacji. Jest dedykowany do zastosowań multimedialnych, do montażu w infokioskach oraz wszędzie tam, gdzie moc obliczeniowa jest jednym z priorytetów.

Komputer panelowy bezwentylatorowy UPC-V312-D525 firmy iEi Technology o dużej odporności na czynniki środowiskowe.

Zdecydowana większość przemysłowych komputerów panelowych pracuje stacjonarnie, wewnątrz budynków, a panujące tam warunki są raczej niezmienne, a w każdym razie w dużym zakresie przewidywalne. Praca w zmiennych warunkach otoczenia, aplikacjach mobilnych, narażających urządzenie na wstrząsy, a także częściowy wpływ warunków atmosferycznych wymagają zastosowania systemów komputerowych o specjalnej konstrukcji.

Nowy komputer panelowy UPCV312-D525 produkcji iEi Technology powstał z myślą o zastosowaniu w aplikacjach narażonych na niekorzystne czynniki środowiskowe. Podstawową cechą tego rozwiązania jest całkowita

szczelność – nowy komputer UPC ma stopień ochrony IP65, co czyni go odpornym na działanie strumienia wody padającej z dowolnego kierunku oraz całkowicie pyłoszczelnym.

Bardzo szeroki zakres temperatury pracy od –20 °C do +60 °C przy wilgotności powietrza od 5 % do 90 % oraz odporność na wstrząsy o sile do 3G i wibracje (MIL-STD-810F 514.5C-2) pozwalają na pracę urządzenia w różnego typu pojazdach, w tym jako terminal wózka widłowego. 12-calowa matryca podświetlana diodami LED osiąga jasność 600 cd/m2 – ułatwia to odczytywanie informacji w warunkach intensywnego oświetlenia. Zaimplementowany czujnik natężenia światła umożliwia automatyczne dostosowywanie jasności obrazu do panujących warunków.

802.11a/b/g/n 3´3 MIMO opcjonalnie można rozbudować komputer o moduł Bluetooth, GPS oraz modem GSM 3.75G HSUPA, a także czytnik RFID (EM lub Mifire). Dostępna jest także wbudowana kamera internetowa o rozdzielczości 1,3 Mpx oraz mikrofon.

Komputer opcjonalnie można wyposażyć w 4-kanałową kartę przechwytującą materiał audio/video. Opcja ta jest bardzo praktyczna w przypadku, gdy istnieje konieczność monitorowania strefy dookoła pojazdu czy maszyny budowlanej.

Z racji zachowania odporności na wstrząsy w komputerze UPC-V312D525 nie ma możliwości instalacji mechanicznego dysku twardego 2,5² – system może być osadzony na przemysłowej karcie CFast lub opcjonalnym

Komputer jednopłytkowy WAFER-CV firmy iEi Technology Corp.

Obudowa komputera wykonana z aluminium jest lekka, a jednocześnie odporna mechanicznie. Z przodu obudowy producent umieścił 10 programowalnych przycisków funkcyjnych, a pod nimi podświetlane diodami LED wskaźniki stanu pracy, co znacznie zwiększa funkcjonalność urządzenia.

Wewnątrz bezwentylatorowej konstrukcji pracuje dwurdzeniowy procesor Intel Atom D525 taktowany z częstotliwością 1,8 GHz oraz towarzyszący mu chipset Intel ICH8M. System wyposażony jest w zainstalowany na płycie moduł 1 GB RAM DDR3. Do dyspozycji użytkownika oddano szereg niezbędnych interfejsów, z których wymienić można RS-232, RS-422/485, RJ-45, VGA czy 4´USB. Jest także izolowana magistrala CAN, niezwykle istotna w aplikacjach samochodowych. Za przewodową komunikację sieciową odpowiada kontroler Realtek RTL8111E PCIe GbE z funkcją ASF2.0. Bardziej rozbudowane są możliwości komunikacji bezprzewodowej. Prócz standardowego dwuzakresowego modułu IEEE

module mini DOM. Na obudowie komputera można znaleźć również przełącznik trybu zasilania AT/ATX – umożliwia on start systemu w momencie pojawienia się napięcia zasilania. Sam system zasilania jest redundantny i może czerpać energię z dołączonego do zestawu zasilacza sieciowego o napięciu wyjściowym 19 V lub innego źródła napięcia stałego od 9 V do 36 V. Takie rozwiązanie pomaga uniknąć niepożądanego wyłączenia komputera.

Firma Maritex, autoryzowany dystrybutor Avalue Technology, oferuje serię komputerów panelowych o symbolu SPC, wykonaną z stali nierdzewnej i posiadającą stopień ochrony IP65.

Seria SPC przeznaczona jest do zastosowań w środowiskach pracy wymagających używania komputerów odpornych na zapylenie i wodę. Urządzenia posiadają ekrany o przekątnych 15’’, 17’’ i 22’’, są wyposażone w procesor Intel Atom D525 1,8 GHz wraz z chipsetem ICH8-M. Zapewniają one wysoką wydajność, niski pobór prądu, niezawodność oraz są trwałe.

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

27

Temat numeru Komputery przemysłowe i panele operatorskie

Porównanie wybranych komputerów jednopłytkowych dostępnych na polskim rynku

Producent

Advantech

Advantech

iEi Technology Corp.

Kontron

Axiomtek

Adlink

Axiomtek

Dostawca

CSI

Elmark Automatyka

JM elektronik

Kontron

Maritex

Guru Control Systems

Guru Control Systems

Typ

PCM-3362

MIO-2261NS8A1E

WAFER-CVD25501

COMe-bIP#

CAPA830

Cool XpressRunnerGS45

CAPA830VHGGA

Procesor

Intel Atom N450 1,66 GHz

Intel Atom Dual Core N2800 1,86 GHz

Intel Atom D2550 1,86 GHz

Intel Core i73615QE (4 ´ 2,3 GHz)

Intel Atom D2550 1,86 GHz / N2800 1,86 GHz

Intel Core 2 Duo SP9300 2,2 GHz

Intel Atom D2550 1,86 GHz

Pamięć

RAM: DDR2 667 SDRAM do 2 GB, pamięć flash 2 GB (opcjonalnie 4 GB)

DDR3 SODIMM, do 4 GB

1 ´ 1066MHz 2 ´ 8 GB DDR3 DDR3 SO-DIMM, (1333/1600 MHz) max. 4 GB

do 4 GB RAM DDR3

2 GB DDR3 SDRAM

do 4 GB DDR3

Dysk

SATA II, do 3.0 GB/s

SATA, mSATA

Interfejsy

System operacyjny

zintegrowana, Intel Gen 3.5, DX9, MPEG2

4 ´ USB 2.0, 2 ´ RS-323, 1 ´ RS232/422/485, 1 ´ GPIO, 1 ´ PC/104Plus, GbLAN, LVDS, VGA

Windows CE 6.0, Windows XP Embedded , WES 7, Linux, QNX, VxWorks

2´ SATA 6 Gb/s,

SATA, 1´ CFast

dowolny

SATA II

wbudowana

GMA 3650

Intel GMA HD 4000 iGFX, Triple Independent Display, Support for BluRay 2.0, AVC/H.264, VC1, WMV9

zintegrowana, Intel NM10

VGA/LVDS

VGA/HDMI/LVDS

VGA, 18/24bit LVDS, 1 ´ GbLAN, 2 ´ USB 2.0, 2 ´ RS-232, mini PCIe, MIOe

1 ´ RS-422/485 1 ´ PS/2 KB/MS 3 ´ RS-232 2 ´ SATA 6 ´ USB 2.0 2 ´ GbE 8-bit digital We/ Wy Audio 2 ´ mSATA 2 ´ 24-bit LVDS 1 ´ VGA

4 ´ USB 3.0, 4 ´ USB 2.0, 7 PCIe´ 1, 1 PEG´ 16, 1´ LAN 10/100/1000 Mbit, HD audio,

Windows XP, Vista 7, Vista 8, Linux, systemy „embedded” w przygotowaniu

Windows 8, Windows 7, Windows Vista, Windows XP, Windows Embedded Standard 7 (WES 7), Linux, VxWorks

Windows 7 32-bit, WES7

Zakres temperatury

-40 ... 85 °C

0 ... 60 °C

-20 ... 60 °C

operation: 0 ... 60 °C, storage: -30 ... 85 °C

Chłodzenie

pasywne

pasywne

pasywne

pasywne (heatpipe)

jednopłytkowy 3,5²

jednopłytkowy 3,5²

Inne

28

6 ´ USB, 6 ´ COM (3xRS-485), VGA/LVDS, 2 ´ GigaLAN, VGA/HDMI/LVDS, 2 x karta mini 1 ´ GbE, 2 ´ GbE, PCI, 2 ´ RS-232/485, 2 ´ RS-232, 1 x slot na kartę 8 ´ USB 2.0, 6 ´ USB 2.0 SIM, 8 ´ DIO, 2 ´ SATA i HDi HD-audio 1 ´ VGA, 1 ´ audio HDMI, 1 ´ LVDS, zasilanie 12 V DC

Windows/Linux

Windows, Linux

Windows, Linux (instalowany przez użytkownika)

-20 ... +70 °C

0 ... +60 °C (opcjonalnie -20 ... +60 °C lub -40 ... +85 °C)

-20 ... +70 °C

wentylatorowe (D2550) lub pasywne (N2800)

aktywne

aktywne

jednopłytkowy 3,5²

jednopłytkowy PCIe 104

jednopłytkowy 3,5²

Fot. Adlink, Advantech

Grafika

mSATA SSD

Komputery jednopłytkowe

Fot. Adlink, Advantech

W ofercie iEi Technology w kategorii jednopłytkowych komputerów przemysłowych standardu 3,5² pojawił się nowy model – WAFER-CV. Standardowe modele wyposażone są w procesory Intel Atom drugiej generacji – desktopowy D2550 1,86 GHz Dual Core i mobilny N2600 1,6 GHz Dual Core. Na życzenie klienta jest możliwość instalacji opcjonalnego procesora N2800 1,86 GHz Dual Core.

Procesor współpracuje z chipsetem Intel NM10 oraz 4 GB pamięcią RAM DDR3 (N2600 tylko 2 GB DDR3).

Komputery z procesorami D2550 i N2800 wyposażone są w układ graficzny GMA 3650, taktowany z prędkością 640 MHz, natomiast dla N2600 jest to GMA 3600, taktowany z prędkością 400 MHz. Unikalnej konstrukcji radiator umożliwia dodatkowe odprowadzenie ciepła w przypadku kontaktu z obudową urządzenia docelowego.

Tak wysoka wydajność graficzna pozwala na obsługę 2 niezależnych ekranów. Poza podstawowymi wyjściami VGA do dyspozycji są 2 interfejsy LVDS. Kontrolery Ethernetu i audio to układy Realtek: RTL8111E oraz ALC662.

Do dyspozycji użytkownika oddano najistotniejsze interfejsy – 6´USB 2.0, 3´RS-232, RS-422/485, 2´SATA 3 Gbps PS 2 KB/MS oraz 8 wyprowadzeń GPIO (4 wejścia, 4 wyjścia).

Dodatkowe możliwości rozbudowania funkcjonalności komputera WAFER dają 2 sloty mini PCIe. Komputer zasilany jest napięciem 12 V DC. Ponadto może pracować w temperaturze o bardzo szerokim zakresie, który dla procesorów N2600 i N2800 wynosi od –20 °C do +70 °C, a dla D2550 od –20 °C do +60 °C. CAPA830VHGGA to komputer jednopłytkowy 3,5-calowy z procesorem Intel Atom D2550 1,86 GHz,

Komputer jednopłytkowy CoolXpressRunner firmy Adlink

oferowany przez firmę Guru Control Systems. Komputer wyposażono w interfejsy VGA/HDMI/LVDS, 2´GbE, 2´RS-232, 6´USB 2.0 i HD-audio.

Temperatura pracy wynosi od –20 °C do +70 °C. W ofercie Guru znajduje się również komputer jednopłytkowy Cool XpressRunner-GS45: PCIe-104 z procesorem Intel Core 2 Duo SP9300

SSD w postaci karty mini PCIe z interfejsem mSATA. Wbrew pozorom MIO-2261 daje duże możliwości rozbudowy. Użytkownik ma dostępne 2 wolne sloty na karty mini PCIe (w tym jeden na karty połówkowe). Największe możliwości daje jednak złącze MIOe, dzięki któremu płytka może być rozbudowana o dodatkowe moduły/karty rozszerzeń. Aktual-

Komputer jednopłytkowy MIO-2261N firmy Advantech

2,2 GHz, 2 GB DDR3 RAM oraz interfejsami VGA/LVDS, 1´GbE, 2´RS232/485, 8´USB 2.0, 2´SATA i HDaudio. Temperatura pracy od 0 °C do +60 °C (opcjonalnie –20 °C do +60 °C lub –40 °C do +85 °C).

Jednopłytkowy komputer MIO-2261 firmy Advantech, znajdujący się w ofercie firmy Elmark Automatyka, wyposażony jest w dwurdzeniowy procesor z rodziny Intel Atom. W zależności od wersji płytki jest to Atom N2600 1,6 GHz lub N2800 1,86 GHz. Niezależnie od wykorzystanego procesora MIO-2261 do pracy nie wymaga aktywnego chłodzenia. Maksymalna ilość pamięci operacyjnej (1 slot SODDR3), w jaką może zostać wyposażony komputer, wynosi 4 GB. Połączenie dwurdzeniowej jednostki obliczeniowej oraz maksymalnie 4 GB pamięci RAM dostarcza moc obliczeniową wystarczającą do większości aplikacji typu embedded.

Mimo bardzo małych wymiarów MIO-2261 wyposażony jest w wszystkie najważniejsze porty: Gigabit Ethernet, USB 2.0, wysokiej jakości audio oraz 2 porty RS-232. Istotną zaletą płytek MIO-22XX w porównaniu do modułów PC/104 jest to, że część z dostępnych portów ma gniazda wyprowadzone bezpośrednio na PCB. W przypadku MIO2261 jest to GbLAN, VGA oraz 2´USB. Rozwiązanie to znacznie upraszcza integrację i serwisowanie płytek.

System operacyjny może zostać zainstalowany na dysku twardym wyposażonym w interfejs SATA lub na dysku

nie w ofercie firmy Advantech dostępne są następujące moduły MIOe: • MIOe-210: 4´RS-232/422/485, 2´RS-422/485 oraz 8-bit GPIO • MIOe-220: 3´Intel GbLAN • MIOe-230: wyjście LVDS lub DP. Dzięki temu, że złącze MIOe do komunikacji z kartami rozszerzeń wykorzystuje interfejs USB 2.0 oraz PCIe´1, budowa własnej karty, np. wyposażonej w dedykowane interfejsy komunikacyjne, nie jest trudna. To z kolei znacznie skraca czas wprowadzenia produktu na rynek. Oczywiście producent nie zapomniał o wyposażeniu MIO-2261 w programowalny watchdog timer.

Podsumowanie W sprzedaży pojawia się sprzęt coraz nowszej generacji. Producenci zwracają uwagę na zastosowanie nowoczesnych matryc, lekkich i bezpiecznych obudów, odporność na temperaturę w dużym zakresie, możliwość rozbudowania sprzętu i wysoką wydajność procesorów. Klienci oczekują komputerów przemysłowych coraz wyższej jakości, by w przyszłości zredukować koszty napraw i uniknąć awarii. Konsekwentnie są więc wprowadzane na rynek ekologiczne rozwiązania, mające jak najmniejszy pobór mocy, z obudowami, w których zredukowano zastosowanie metali ciężkich.

Anna Mielczyńska

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

PAR

29

Temat numeru Komputery Przemysłowe i panele operatorskie

Odwieczny dylemat: sterownik PLC czy komputer przemysłowy Projektanci systemów automatyki zwykle muszą wybrać odpowiednie jednostki sterujące do automatyzowanych maszyn lub procesów.

Istnieje wiele ograniczeń, które wpływają na wybór odpowiedniego urządzenia, m.in. niezawodność, bezpieczeństwo, cena, łatwość

Pomimo że coraz częściej stosowane są komputery przemysłowe (IPC), to wciąż do automatyzacji większości procesów wykorzystywane są sterowniki PLC. Warto więc poznać najważniejsze cechy tych urządzeń, tak aby wybrać najlepsze rozwiązanie do automatyzowanej instalacji.

Sterowniki PLC Podstawowy podział sterowników wynika z liczby obsługiwanych przez nie sygnałów I/O. Obecnie największym obszarem zastosowań PLC są układy mikro (33–128 I/O) i średniej wielkości (129– 512 I/O).

Najprostsze sterowniki kompaktowe składają się z jednostki sterującej CPU ze zintegrowanymi wejściami i wyjściami. W przypadku gdy wymagana jest częsta modyfikacja instalacji, lepiej stosować sterowniki modułowe, składające się z niezależnie funkcjonujących modułów CPU, I/O oraz komunikacyjnych.

Ponadto do wybranych zastosowań, np.

Fot. 1. Terminal BX9xxx firmy Beckhoff spełniający funkcje PLC. W standardowym wykonaniu może obsłużyć do 64 modułów I/O, a w wersji rozszerzonej do 225 I/O

30

Promocja

sterowania ruchem lub systemów bezpieczeństwa, wykorzystuje się moduły realizujące specjalne funkcje. Budowa modułowa i zastosowanie do komunikacji sieci przemysłowych pozwala na pracę w układzie rozproszonym. Takie układy działają niezależnie od siebie lub kontaktują się ze swoją nadrzędną jednostką sterującą.

Coraz częściej sterownik PLC obsługiwany jest z wykorzystaniem oddzielnego panelu HMI, który służy do wyświetlania i wprowadzania informacji, wizualizacji stanu procesów technologicznych oraz kontroli automatyzowanych procesów.

Sterowniki programuje się, stosując standardowe rodzaje języków programowania definiowane w normie IEC 61131-3 (LD, FBD, ST, IL oraz SFC). Dochodzą też języki dedykowane dla poszczególnych sterowników. Zazwyczaj zaprogramowanie PLC wymaga zewnętrznego, niezależnego programatora – komputera PC z zainstalowanym odpowiednim środowiskiem programistycznym. Obecnie dąży się do integracji wszystkich pakietów programowych – programowania PLC, projektowania HMI oraz obsługi innych elementów (np. napędów) – w jednej aplikacji. Dobrym przykładem jest tu system TwinCAT, obecnie dostępny w nowej wersji 3.0, który pozwala na obsługę w zasadzie wszystkich urządzeń automatyki, sterowania, komunikacji i wizualizacji firmy Beckhoff.

Do komunikacji pomiędzy modułami lub z komputerem nadrzędnym wykorzystywane są popularne protokoły przemysłowe. W przypadku urządzeń firmy Beckhoff są to m.in.: EtherCAT, Lightbus,

Fot. 2. C33xx – seria 19” komputerów IPC zintegrowanych z panelem HMI, do zabudowy w szafach sterowniczych

Profibus DP/MC, Interbus, CANopen, DeviceNet, Sercos, Ethernet. Możliwa jest też komunikacja bezprzewodowa. Ponadto w nowych sterownikach zintegrowane mogą być wybrane interfejsy RJ-45, USB, RS-232, PCI, PCI Express.

Sterowniki mają specjalne obudowy wykonywane w określonym standardzie, co upraszcza projektowanie instalacji.

W przypadku terminali firmy Beckhoff zwykle niezmienne są wysokość 100 mm i głębokość 68 mm, a szerokość zależy od liczby i rodzaju zastosowanych modułów. Obudowy PLC spełniają też określone normy bezpieczeństwa, szereg norm środowiskowych oraz standardów producenta.

Najważniejszą zaletą PLC jest długookresowa praca bezawaryjna. Zwykle w przypadku zaniku zasilania program jest podtrzymywany bateryjne oraz zapamiętywany jest obraz procesu. Sterowniki charakteryzują się także możliwością pracy w czasie rzeczywistym o określonym, gwarantowanym czasie cyklu.

Ważnym elementem oprogramowania sterownika jest autodiagnostyka, znacznie ułatwiająca zlokalizowanie awarii.

Wybrane moduły oraz CPU mogą być realizowane w wykonaniu fail-safe, w którym wbudowane są specjalne funkcje bezpieczeństwa. Istnieją także całe grupy funkcji specjalnych, np. algorytmy PID. Obecnie sterownik PLC może obsłużyć równocześnie kilkanaście pętli regulacji.

Inną grupą są funkcje i moduły stosowane w technice napędowej, tzw. Motion Control, które można zintegrować ze sterownikami PLC w środowisku TwinCAT 3.0.

Fot. Beckhoff Automation

oprogramowania, wymagana liczba oraz rodzaj wejść i wyjść.

Obecnie komputery IPC w zastosowaniu PC Control charakteryzują się możliwością pracy w czasie rzeczywistym. Przykładem takiej technologii jest XFC (ang. eXtreme Fast Control), która łączy szybki protokół komunikacyjny EtherCAT, terminale I/O EtherCAT, komputery przemysłowe i oprogramowanie TwinCAT. Z jej wykorzystaniem można osiągnąć czas cyklu pracy w rozproszonym systemie automatyki około 100 μs, przy zachowaniu cechy determinizmu czasowego.

A więc – PLC czy IPC?

Fot. 3. Seria CX5xxx zawiera urządzenia kompaktowe z procesorami Intel Atom Z510 (1,1 GHz) lub Z530 (1,6 GHz), wyposażone w: interfejsy Ethernet 10/100, łącze szeregowe (RS-232, RS-422/485), USB oraz DVI, a także czytnik kart Compact Flash

Fot. Beckhoff Automation

Komputery przemysłowe IPC Komputery przemysłowe (IPC – Industrial PC) mają znacznie większe możliwości obliczeniowe od PLC. Często stosowane są jako komputer nadrzędny, zarządzający w systemach rozproszonych o liczbie I/O znacznie powyżej 512 sygnałów. Urządzenia typu IPC wykonywane są w różnych rozmiarach i konfiguracjach. Od dużych, o wymiarach 19”, po małe – w postaci układów embedded. Popularne są urządzenia ze zintegrowanym panelem HMI. Wydajna karta graficzna pozwala na obsługę zaawansowanych formatów graficznych (HD).

Istnieją dwa podstawowe sposoby pracy IPC w systemach rozproszonych. W pierwszym sterowniki PLC na poziomie polowym wysyłają dane z monitoringu instalacji do komputera IPC. W drugim komputer IPC realizuje technikę zwaną PC Control, wdrażaną i rozwijaną przez firmę Beckhoff od 1986 roku.

W tym przypadku CPU komputera stanowi jednostkę centralną, która wykonuje podstawowy algorytm sterowania i komunikuje się z poszczególnymi, rozproszonymi modułami I/O, wykorzystując standardowe protokoły przemysłowe.

Komputer przemysłowy nie wymaga oddzielnego programatora. Ma on zwykle zainstalowany zoptymalizowany i dostosowany do konfiguracji sprzętowej system operacyjny. Środowisko programistyczne i uruchomieniowe może być zainstalowane na IPC. Używa się standardowych języków zdefiniowanych w normie IEC 61131-3, a oprócz tego języków wysokopoziomowych – C++ lub Java, albo innego dedykowanego oprogramowania.

Komputery IPC są tak wykonane, aby spełniać wymogi odpowiednich norm bezpieczeństwa. Szczególnie gdy pracują w agresywnym środowisku, np. w instalacjach przemysłu spożywczego lub chemicznego, muszą być wykonane zgodnie z narzuconymi wymaganiami – mają gładkie krawędzie, są odporne na wilgoć i zmiany temperatury, często mają obudowy wykonane ze specjalnych materiałów.

W zależności od warunków pracy i wymagań projektowanego systemu komputery IPC powinny charakteryzować się długookresową pracą bezawaryjną, tak więc producenci starają się budować jednostki bez części ruchomych. Przykładowo, pojemne dyski HDD zastępowane są dyskami SDD lub Compact Flash. Ponadto stosowane są w nich specjalne procesory o niskim poborze mocy, co eliminuje konieczność stosowania wentylatorów.

PLC to wciąż tanie rozwiązanie, idealne do automatyzacji małej i średniej wielkości procesów przemysłowych (do 512 I/O).

Sterowniki PLC znajdują zastosowanie przede wszystkim w budowie maszyn, sterowaniu procesami ciągłymi, systemach monitoringu, sterowaniu ruchem, sterowaniu produkcją wsadową i w automatyce budynków.

Koszt PLC w głównej mierze zależy także od tego, jakie spełnia on normy bezpieczeństwa i jaka jest gwarantowana długość pracy bezawaryjnej. Malejący koszt i poprawa jakości podzespołów komputerowych powodują, że powoli obszary zastosowań sterowników PLC i komputerów IPC stają się podobne. Sterowniki PLC obecnie są także konsolidowane z panelami HMI, a ponadto instalowane są funkcje WWW pozwalające na zdalny dostęp do CPU. IPC jest droższym rozwiązaniem niż PLC, jednak komputery przemysłowe mają większe możliwości obliczeniowe i większą pamięć, mogą zrealizować znacznie bardziej złożone algorytmy w czasie rzeczywistym niż sterowniki PLC. Obecnie najważniejsze obszary zastosowań IPC to kontrola rozbudowanych procesów przemysłowych oraz układy pomiarowe. Wykorzystywane są w energetyce, transporcie, przemyśle petrochemicznym, aplikacjach wojskowych, aplikacjach medycznych, czyli tam, gdzie wymagane jest stosowanie złożonych algorytmów przetwarzania dużej ilości zarchiwizowanych danych.

Wielu producentów stara się elastycznie dopasować swoją ofertę do potrzeb klientów. Firma Beckhoff proponuje zarówno szeroką gamę sterowników PLC (np. terminale BX9xxx), jak i różne serie komputerów przemysłowych (np. CP36xx, C69xx).

Warto jednak zwrócić uwagę, że obecnie rozmyła się granica pomiędzy omawianymi urządzeniami. Dostarczane rozwiązania znacznie przewyższają możliwościami typowe sterowniki PLC. Są jednak tańsze i wykonane w innych technologiach niż typowe komputery przemysłowe. Doskonałym przykładem może być tu rodzina produktów CXxxxx firmy Beckhoff (fot. 3), które znajdują zastosowanie w instalacjach średniej wielkości na poziomie automatyki, np. w układach automatyki budynków.

Dzisiaj zatem tytułowy dylemat nie spędza już snu z powiek projektantom automatyki. Mają oni bowiem do dyspozycji nowoczesne i wszechstronne urządzenia, łączące cechy i możliwości zarówno sterowników PLC, jak i komputerów przemysłowych.

Urządzenia te są odpowiedzią na praktyczne zapotrzebowanie użytkowników, wynikające z dynamicznego rozwoju rynku automatyki. Wymaga on bowiem dzisiaj w pełni skalowanych urządzeń, dostosowanych do specyficznych zadań systemów sterowania, które mogą być jednocześnie rozbudowywane w przyszłości o nowe moduły i funkcjonalności.

BECKHOFF Automation Sp. z o.o. Żabieniec, ul. Ruczajowa 15 05-500 Piaseczno www.beckhoff.pl

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

31

Temat numeru Komputery przemysłowe i panele operatorskie

Niezawodne komputery przemysłowe PRO-FACE Wraz z rozwojem aplikacji i systemów operacyjnych coraz częściej

produkcyjnych. W takich aplikacjach niezwykle ważne są bezawaryjność oraz stabilność pracy komputera. Firma Pro-face od ponad 20 lat zajmuje się produkcją niezawodnych komputerów przemysłowych.

Firma Pro-face jako jedna z nielicznych oferuje nie tylko wysokiej jakości komputery, lecz także dedykowany system wizualizacyjny WinGP.

Konstrukcja Oferta Pro-face obejmuje komputery typu BOX (fot. 1.) oraz komputery wyposażone w ekran dotykowy (fot. 2.). Dostępne są komputery o ekranach od 8,5”, 12”, 15” oraz 19”. Komputery panelowe mają bardzo zwartą konstrukcję (tylko 6 cm głębokości), są bezwentylatorowe i mogą być umieszczane nawet bezpośrednio w ścianie budynku bez dodatkowej wentylacji.

Komputery są wyposażone w system operacyjny Windows 2000, XP Professional, XP Embedded, Windows 7 Ultimate 32 bit/64 bit. Dostępne są wersje z CPU Core 2 Duo P8400, Atom N270 lub Z510, z klasycznymi dyskami twardymi HDD 250 GB, nowoczesnymi dyskami typu SSD 32 GB oraz z specjalnymi kartami przemysłowymi typu CF 8 GB.

Wykonania ze stali nierdzewnej Pro-face oferuje również modele komputerów panelowych dedykowane do

przemysłu spożywczego i farmaceutycznego (fot. 3.). Idealnie płaskie oraz doskonale wyprofilowane fronty ze stali nierdzewnej spełniają wysokie wymagania norm amerykańskich FDA 21 CFR 177:2006 oraz europejskiej normy dla przemysłu spożywczego – EN 1672-2.

Rozwiązania z certyfikatami ATEX oraz certyfikatami morskimi Dzięki wysokiej jakości wykonania komputery Pro-face uzyskały również certyfikaty do zastosowań w strefach zagrożonych wybuchem. Posiadają one certyfikaty ATEX do strefy 2 oraz 22.

W ofercie są również komputery z certyfikatami morskimi. Dostępne są zarówno wykonania typu BOX, jak i wersje komputerów panelowych.

Przystosowane do pracy ciągłej 24 h – 2 dyski, RAID, Hot Swap Komputery Pro-face przystosowane są do pracy ciągłej 24 h. Gwarantują to podwójne dyski twarde i specjalne oprogramowanie SW Mirroring (wykorzystujące RAID 1), które zapewnia

Fot. 2. Komputery panelowe 15” oraz 19” serii PS4000

32

Promocja

Fot. 1. Przykładowy kompaktowy komputer typu BOX serii PS4000

zapis danych jednocześnie na 2 dyskach twardych. Dodatkowo, dyski umieszczone są w specjalnej kasecie, co razem z funkcją Hot Swap umożliwia wymianę uszkodzonego dysku bez wyłączania komputera, zapewniając jego ciągłą pracę (fot. 4.).

Dedykowany UPS Komputery mogą być wyposażone w UPS – baterię podtrzymującą zasilanie. Zapobiega to nieoczekiwanym wyłączeniom komputera oraz zapewnia ciągłość pracy w trudnych warunkach przemysłowych, np. przy chwilowych spadkach napięcia zasilania. Pozwala też na bezpieczne zakończenie pracy aplikacji i zamknięcie systemu bez utraty danych.

Wewnętrzny monitor pracy systemu Wbudowany monitor pracy systemu zapewnia bezpieczną i ciągłą pracę komputera. System monitoruje pracę wewnętrznych układów, m.in. temperaturę na płycie głównej, procesora, zasilania, UPS, pracę dysku, wentylatorów.

Dzięki temu systemowi możliwe jest wcześniejsze wykrycie ewentualnych problemów i zapobieganie niespodziewanym wyłączeniom lub utracie danych. Wpływa to znacząco na większą niezawodność i bezawaryjną pracę całego systemu.

Fot. 3. Komputer z ekranem 15” ze stali nierdzewnej dedykowany do przemysłu spożywczego

Fot. Pro-Face Poland

stosuje się komputery do ciągłej pracy i monitoringu procesów

Fot. 4. Ciągłość pracy zapewnia praca 2 dysków z RAID oraz Hot Swap (wymiana dysku w trakcie pracy)

Wizualizacja – WinGP Firma Pro-face dostarcza również dedykowane oprogramowanie wizualizacyjne WinGP. Korzystając z narzędzia GP -Pro-Ex (fot. 5.), można w prosty sposób skonfigurować liczne interfejsy systemu oraz uzyskać bardzo zaawansowaną funkcjonalność. Podstawowy pakiet oprogramowania zawiera m.in. drivery do wszystkich dostępnych sterowników PLC (m.in. Siemens, Allan Bradley, Mitsubishi, Omron, GE Fanuc, Saia, Beckhoff, CoDeSys, Modbus), bogatą bibliotekę ponad 2000 symboli graficznych oraz symulator. Podstawowe funkcje to np. rejestracja dużej ilość danych oraz ich reprezentacje w postaci trendów i wykresów, alarmy historyczne, rozbudowane receptury, poziomy bezpieczeństwa i system haseł, skrypty, rozbudowane animacje procesu, rejestracja działań operatora.

W większości systemów SCADA spotykane są ograniczenia liczby zmiennych/punktów. W przypadku wizualizacji WinGP jedynym ograniczeniem jest maksymalnie 3000 zmiennych/ekran. Nie ma ograniczenia ilościowego użytych zmiennych w całym projekcie. Pozwala to na ekonomiczne stworzenie nawet rozbudowanego interfejsu HMI na komputerze.

Wersja trial Wersję testową oprogramowania GP-Pro-Ex zawierającą symulator można pobrać bezpłatnie ze strony www.proface.pl. Przy pomocy tej wersji projekt można przygotować, zapisać i w pełni zasymulować na komputerze. Takie rozwiązanie umożliwia bezpłatne zapoznanie się ze wszystkimi możliwościami oprogramowania.

Bezpłatne szkolenia Serdecznie zapraszamy również na cykl bezpłatnych seminariów szkoleniowych z zakresu oprogramowania GP-Pro-Ex. Jednodniowe seminaria organizowane są w Warszawie, Katowicach, Wrocławiu oraz Poznaniu. Więcej informacji oraz kartę zgłoszeniową można uzyskać drogą mailową: proface@proface.pl lub na stronie www.proface.pl.

Andrzej Okoniewski PRO-FACE Poland

Fot. 5. Oprogramowanie GP-Pro-Ex do tworzenia wizualizacji WinGP

REKLAMA

Fot. Pro-Face Poland

ul. Ostrobramska 101, 04-041 Warszawa

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

33

Temat numeru Komputery przemysłowe i panele operatorskie

Nowoczesne bezwentylatorowe komputery Matrix w ofercie GURU Control Systems Firma Adlink Technology opracowała rodzinę bezwentylatorowych komputerów przemysłowych o nazwie Matrix.

Od początku założeniem projektu było zapewnienie jak najlepszego odprowadzania ciepła. Dlatego wszystkie generujące ciepło podzespoły zostały umieszczone u góry płytki drukowanej w taki sposób, aby zapewnić kontakt powierzchni emitującej ciepło z aluminiową obudową. Dzięki krótkiej drodze przewodzenia ciepła i niewielkiej rezystancji termicznej zagwarantowano cieplną stabilność systemu w trakcie pracy w zakresie temperatur otoczenia –20 … +70 °C.

Komputer z serii MXC-2000

Matrix MXC Komputery z serii MXC-2000 są wyposażone w procesor Intel Atom N270 1,6 GHz, 1 GB pamięci DDR2 533 MHz oraz interfejsy: 2 x GbE, 4 x USB 2.0, 2 x RS-232, 2 x RS-232/422/485 i VGA/ TV-out z rozdzielczością do 2048 x 1536.

Umieszczone są one w obudowie o wymiarach 118 x 219 x 183 mm, przeznaczonej do montażu na ścianie. Rozbudowę konfiguracji umożliwiają złącza rozszerzające. Część modeli posiada dodatkowo po 16 wejść i 16 wyjść cyfrowych. Komputery z tej serii umożliwiają podłączenie 2,5” dysku SATA HDD lub SDD. Posiadają także po 2 gniazda kart CFast-II – wewnętrzne umożliwia zastąpienie dysku twardego, a zewnętrzne

Model

MXC-2002

MXC-2002D

MXC-2011

MXC-2011D

MXC-2012

Procesor

Intel Atom N270 1,6 GHz

Intel Atom N270 1,6 GHz

Intel Atom N270 1,6 GHz

Intel Atom N270 1,6 GHz

Intel Atom N270 1,6 GHz

VGA+TV-out

VGA+TV-out

VGA+TV-out

VGA+TV-out

VGA+TV-out

2 x PCI

2 x PCI

1 x PCI 1 x PCIe x 1

1 x PCI 1 x PCIe x 1

2 x PCI 1 x PCIe x 4

We/Wy cyfrowe

–

16 x DI 16 x DO

–

16 x DI 16 x DO

–

Zasilanie

9 ~ 32 V DC

9 ~ 32 V DC

9 ~ 32 V DC

9 ~ 32 V DC

18 ~ 36 V DC

–

–

–

–

IEC 60945

Grafika Gniazda rozszerzające

Uwagi

34

wymianę nośnika w trakcie pracy. Komputery te są zasilane z napięcia stałego 9 ~ 36 V DC i posiadają wbudowane zabezpieczenie przepięciowe.

Dostępne są też wersje z zainstaltowaną przez producenta pamięcią 2 GB, dyskiem twardym SATA 160 GB lub dyskiem półprzewodnikowym SSD SATA 8 lub 32 GB. Standardowy zakres temperatury pracy z dyskiem twardym to –10 ~ +60 °C. Po zainstalowaniu przemysłowego dysku półprzewodnikowego SSD 8 GB zakres temperatury pracy wynosi –20 ~ +70 °C, przy czym gwarantowany jest zimny start systemu przy –20 °C oraz praca ze stuprocentowym obciążeniem przy +70 °C. Najnowszym produktem z tej serii jest MXC-2012. Spełnia on wymagania normy morskiej IEC 60945.

Komputery serii MXC-4000 zawierają procesor Intel Atom D510 Dual Core 1,66 GHz, 1 GB pamięci DDR2 667 MHz oraz interfejsy VGA/LVDS, 2 x GbE, 4 x USB 2.0, 2 x RS-232, 2 x RS232/422/485, a także 12 izolowanych wejść i 12 izolowanych wyjść cyfrowych.

Rozbudowę konfiguracji umożliwiają

Promocja

Fot. Guru Control Systems

Konstrukcję mechaniczną opracowano pod kątem eliminacji połączeń kablowych. Wszystkie podzespoły i złącza zostały zamontowane bezpośrednio na płytce drukowanej. Pozwoliło to na uzyskanie zwartej konstrukcji, doskonale nadającej się do pracy w trudnych warunkach środowiskowych, która wytrzymuje udary do 50 G oraz wibracje do 5 Grms.

Komputery Matrix mogą być zasilane napięciem stałym o dużym zakresie.

Dzięki temu nie jest w ich przypadku istotne, czy w miejscu instalacji dostępne jest napięcie 12 czy 24 V DC. Ponadto duża tolerancja na zmiany napięcia wejściowego umożliwia zasilanie ich z paneli słonecznych.

Rozszerzalne komputery do zabudowy Matrix MXC umożliwiają także łatwą rozbudowę systemu. Po odkręceniu jednej śruby można otworzyć obudowę i zainstalować kartę PCI lub PCIe. Poniżej przedstawione zostały wszystkie aktualnie produkowane komputery Matrix. Zostały one pogrupowane według serii, a w tabelach podano różnice między poszczególnymi modelami w danej serii.

+ARTY I SYSTEMY POMIAROWE STERUJÂ&#x2019;CE I WIZYJNE W STANDARDACH 0#) 0#)E C0#) 08) STEROWANIE NAPĂ&#x192;DAMI )NTERFEJS '0)" Model Procesor

MXC-4002D

Intel Atom Dual Core D510 1,66 GHz

Intel Atom Dual Core D510 1,66 GHz

VGA+LVDS

VGA+LVDS

Gniazda rozszerzajÄ&#x2026;ce

2 x PCI

1 x PCI 1 x PCIe x 1

We/Wy cyfrowe

12 x DI 12 x DO

12 x DI 12 x DO

Zasilanie

9 ~ 32 V DC

9 ~ 32 V DC

Grafika

+OMPUTERY PRZEMYSÂ&#x152;OWE p PANELOWE JEDNOPÂ&#x152;YTKOWE MINIATUROWE 0# OBUDOWY I KLAWIATURY ORAZ WIELE INNYCH

MXC-4011D

-ODUÂ&#x152;OWE SYSTEMY POMIAROWOÂ&#x2020;STERUJÂ&#x2019;CE SYSTEMY ZBIERANIA DANYCH PRZEMYSÂ&#x152;OWE SIECI BEZPRZEWODOWE I PRZEWODOWE STEROWNIKI PRZEMYSÂ&#x152;OWE -ODUÂ&#x152;Y SERII )Â&#x2020; ORAZ )Â&#x2020;

'0)" W KOMPUTERACH PRZENOuNYCH p 53"Â&#x2020; !

zĹ&#x201A;Ä&#x2026;cza rozszerzajÄ&#x2026;ce. Komputery te umoĹźliwiajÄ&#x2026; podĹ&#x201A;Ä&#x2026;czenie wewnÄ&#x2122;trznego 2,5â&#x20AC;? dysku SATA HDD lub SDD. PosiadajÄ&#x2026; takĹźe po 2 zĹ&#x201A;Ä&#x2026;cza eSATA dla zewnÄ&#x2122;trznej pamiÄ&#x2122;ci masowej oraz po 1 gnieĹşdzie wewnÄ&#x2122;trznym dla kart CFast-II umoĹźliwiajÄ&#x2026;cym zastÄ&#x2026;pienie dysku twardego. Standardowy zakres temperatury pracy z dyskiem twardym to 0 ~ 55°C, zaĹ&#x203A; po zainstaloKomputer z serii waniu przemysĹ&#x201A;owego dysku pĂłĹ&#x201A;przeMXC-4000 wodnikowego SSD: â&#x20AC;&#x201C;10 ~ +60 °C. Komputery z serii MXC-6000 zawierajÄ&#x2026; procesor Intel Core i7-620LE 2,0 GHz, 2 GB pamiÄ&#x2122;ci DDR3 800/1066 MHz oraz interfejsy VGA/DVI-D, 2 x GbE, 5 x USB 2.0 (z czego 4 sÄ&#x2026; wyprowadzone na zewnÄ&#x2026;trz obudowy), 2 x RS-232, 2 x RS-232/422/485 oraz 16 izolowanych wejĹ&#x203A;Ä&#x2021; i 16 izolowanych wyjĹ&#x203A;Ä&#x2021; cyfrowych. RozbudowÄ&#x2122; konfiguracji umoĹźliwiajÄ&#x2026; zĹ&#x201A;Ä&#x2026;cza rozszerzajÄ&#x2026;ce. OprĂłcz moĹźliwoĹ&#x203A;ci podĹ&#x201A;Ä&#x2026;czenia 2,5â&#x20AC;? dysku SATA HDD lub SDD modele z tej serii posiadajÄ&#x2026; 2 gniazda dla kart CFast-II (1 zewnÄ&#x2122;trzne i 1 wewnÄ&#x2122;trzne) oraz 1 interfejs eSATA dla zewnÄ&#x2122;trznej pamiÄ&#x2122;ci masowej. Standardowy zakres temperatury pracy z dyskiem twardym to 0 ~ 50 °C, zaĹ&#x203A; po zainstalowaniu przemysĹ&#x201A;owego dysku pĂłĹ&#x201A;przewodnikowego SSD: â&#x20AC;&#x201C;10 ~ +60 °C. Komputer z serii MXC-6000 Model

Intel Core i7-620LE 2,0 GHz

VGA+DVI

VGA+DVI

Gniazda rozszerzajÄ&#x2026;ce

2 x PCI

1 x PCI 1 x PCIe x 4

We/Wy cyfrowe

16 x DI 16 x DO

16 x DI 16 x DO

Zasilanie

9Â ~Â 32Â VÂ DC

9Â ~Â 32Â VÂ DC

Grafika

3TEROWNIKI 0,# O ARCHITEKTURZE 0# p PROGRAMOWALNE W # #

ORAZ JĂ&#x192;ZYKACH DRABINKOWYCH JAK 0,#

-ODUÂ&#x152;Y POMIAROWOÂ&#x2020;STERUJÂ&#x2019;CE DO Â&#x152;Â&#x2019;CZENIA W SIECI 23Â&#x2020; p WEJuÂż WYJuÂż CYFROWYCH I ANALOGOWYCH RADIOMODEMY MODUÂ&#x152;Y KOMUNIKACYJNE

+OMPUTERY PRZEMYS

Â&#x152;OWE

0RZEMYSÂ&#x152;OWE KOMPUTERY p PANELOWE JEDNOPÂ&#x152;YTKOWE MINIATUROWE 0# 08) C0#) MINIATUROWE DO ZABUDOWY ENERGOOSZCZĂ&#x192;DNE DO PRACY W TRUDNYCH WARUNKACH ORAZ MOBILNE KOMPUTERY PRZEMYSÂ&#x152;OWE

MXC-6201D

Intel Core i7-620LE 2,0 GHz

Procesor

-ACIERZE DYSKOW

$OSKONAÂ&#x152;E DO ZABEZPIECZANIA CENNYCH DANYCH W ZASTOSOWANIACH PRZEMYSÂ&#x152;OWYCH

Matrix MXE Komputery do zabudowy z rodziny Matrix MXE nie umoĹźliwiajÄ&#x2026; rozbudowy, natomiast Ĺ&#x201A;Ä&#x2026;czÄ&#x2026; konstrukcjÄ&#x2122; przeznaczonÄ&#x2026; do pracy w trudnych warunkach ze zintegrowanymi interfejsami.

Komputery z serii MXE-1000 zawierajÄ&#x2026; procesor Intel Atom N270 1,6 GHz, 1 GB pamiÄ&#x2122;ci DDR2 533 MHz

E 2!)$

0ROFESJONALNE MACIERZE DYSKOWE 2!)$ DO WSZYSTKICH INTERFEJSĂ&#x152;W !4! 3!4! EÂ&#x2020;3!4! 53"

WEWNĂ&#x192;TRZNE I ZEWNĂ&#x192;TRZNE DLA DYSKĂ&#x152;W n ORAZ n

REKLAMA

Fot. Guru Control Systems

MXC-6101D

)Â&#x2020; ORAZ )Â&#x2020;

4%#(./,/')% $,! 02:%-93|5

XXX LBNMBC QM UL 7ARSZAWSKA Â&#x2020; |OMIANKI TEL FAX Pomiary Automatyka Robotyka  nr 12/2012 EÂ&#x2020;MAIL INFO@GURU COM PL WWW KAMLAB PL 35

Temat numeru Komputery przemysłowe i panele operatorskie

MXE-1005

MXE-1010

MXE-1020

Intel Atom N270 1,6 GHz

Intel Atom N270 1,6 GHz

Intel Atom N270 1,6 GHz

VGA

VGA

VGA

Ethernet

1 x GbE

3 x GbE

1 x GbE

1394b FireWire

–

–

2 x 1394b

Zasilanie

6 ~ 36 V DC

6 ~ 36 V DC

6 ~ 36 V DC

Grafika

Model

MXE-1212/232

MXE-1212/422

MXE-1212/485

Procesor

Intel Atom N270 1,6 GHz

Intel Atom N270 1,6 GHz

Intel Atom N270 1,6 GHz

VGA+LVDS

VGA+LVDS

VGA+LVDS

2 x RS-232/422/485 10 x RS-232

2 x RS-232/422/485 2 x RS-232 8 x RS-422

2 x RS-232/422/485 2 x RS-232 8 x RS-485

6 ~ 36 V DC

6 ~ 36 V DC

6 ~ 36 V DC

Grafika COM Zasilanie Model Procesor Grafika Zasilanie Uwagi Model Procesor Grafika Zasilanie

MXE-5104M

MXE-5104

Intel Core 2 Duo P8400 2,26 GHz

Intel Core 2 Duo P8400 2,26 GHz

VGA+DVI

VGA+DVI

9 ~ 24 V DC

izolowane 24 V DC

–

IEC 60945 MXE-5302

MXE-5303

Intel Core i7-2710QE

MXE-5301

Intel Core i5-2510E

Intel Core i3-2330E

VGA+DVI

VGA+DVI

VGA+DVI

9 ~ 32 V DC

9 ~ 32 V DC

9 ~ 32 V DC

oraz interfejsy VGA/TV-out, 1 lub 3 x GbE, 2 x RS-232, 2 x RS-232/422/485, 4 x USB 2.0 i audio. Komputery te umożliwiają zainstalowanie 2,5” dysku SATA HDD lub SDD, posiadają także dostępne z zewnątrz gniazdo kart CFast-I. Zasilane są napięciem stałym 6 ~ 36 V DC i umieszczone w obudowie o wymiarach 210 x 170 x 53 mm, przeznaczonej do montażu na ścianie.

Komputery z serii MXE-1200 zawierają procesor Intel Atom N270 1,6 GHz i 1 GB pamięci DDR2 oraz interfejsy VGA/ LVDS, 12 x COM, 1 x GbE, 4 x USB 2.0 i audio. Posiadają wewnętrzne gniazdo kart mini PCIe i zewnętrzne gniazdo kart CFast-II. Umożliwiają podłączenie 2,5” dysku SATA HDD lub SDD. Poszczególne modele różnią się rodzajem portów szeregowych COM. W serii MXE-3000 aktualnie produkowany jest tylko jeden model: MXE3002. Wyposażony jest w procesor

Intel Atom D510 1,66 GHz, 1 GB pamięci DDR2 667 MHz oraz interfejsy: VGA/LVDS, 3 x GbE, 2 x RS-232, 2 x RS-232/422/485, 6 x USB 2.0 i audio. Posiada wewnętrzne złącze kart mini PCIe. Umożliwia podłączenie 2,5” dysku SATA HDD lub SDD. Na płycie przedniej umieszczone jest gniazdo na karty CFast-II oraz 2 interfejsy eSATA do zewnętrznej pamięci masowej.

Komputery z serii MXE-5000 mają procesor Intel Core 2 Duo P8400 2,26 GHz, 2 GB pamięci DDR3 oraz interfejsy VGA/DVI, 4 x GbE, 2 x RS-232, 2 x RS-232/422/485, 6 x USB 2.0.

Umożliwiają podłączenie 2,5” dytsku SATA HDD lub SDD. Umieszczone są one w obudowie o wymiarach 248 x 85 x 85 mm. Komputer MXE5104 spełnia wymagania normy morskiej IEC 60945.

Komputery z najnowszej serii MXE5300 są wyposażone w procesory

Komputer z serii MXE-3000

Komputer z serii MXE-5000

Komputer z serii MXE-5300

Intel Core i7/i5/i3, 4 GB pamięci DDR3 oraz interfejsy VGA/DVI, 4 x GbE, 2 x RS232, 2 x RS-232/422/485, 4 x USB 2.0, 2 x USB 3.0 i audio. Posiadają wewnętrzne 2 gniazda kart mini PCIe i zewnętrzne gniazdo kart CFast. Umożliwiają podłączenie 2,5” dysku SATA 3 HDD lub SDD. Na płycie tylnej zamontowane jest gniazdo eSATA do zewnętrznej pamięci masowej. Komputery te umieszczone są one w obudowie o wymiarach 230 x 205 x 75 mm.

Wszystkie komputery Matrix MXE dostępne są też w wariantach z zainstalowaną przez producenta podwojoną pamięcią i/lub dyskiem twardym 160/320 GB lub dyskiem półprzewodnikowym 8, 32 albo 64 GB. Standardowy zakres temperatury pracy z dyskiem twardym to 0 ~ 50 °C. Po zainstalowaniu przemysłowego dysku półprzewodnikowego SSD zakres temperatur pracy wzrasta do –20 ~ +70 °C (dla procesora i7 do –20 ~ +60 °C), zaś odporność na wibracje do 5 Grms, a na udary – do 50 ~ 100 Grms (w zależności od serii).

Więcej informacji Wszystkie przedstawione produkty dostępne są u polskiego dystrybutora Adlink – w firmie Guru Control Systems.

Zapraszamy do zapoznania się ze szczegółami technicznymi i opisami dostępnymi na internetowej platformie informacyjno-handlowej www.kamlab.pl.

GURU CONTROL SYSTEMS, KamLAB ul. Warszawska 91, 05-092 Łomianki tel. 22 831 10 42, fax 22 831 10 42 Komputer z serii MXE-1000

36

Komputer z serii MXE-1200

e-mail: info@guru.com.pl, www.kamlab.pl

Fot. Guru Control Systems

Model Procesor

MARITEX – niezawodne komputery przemysłowe Założona w 1987 roku gdyńska firma Maritex PHP Sp. z o.o. sp.k. jest jedną z największych w Polsce hurtowni elementów elektronicznych, komputerów przemysłowych i systemów komputerowych stosowanych w automatyce.

Firma posiada certyfikat ISO 9001:2008.

Fot. Maritex Php

Maritex jest autoryzowanym dystrybutorem uznanych producentów komputerów przemysłowych. Oferta obejmuje m.in. urządzenia firm Axiomtek, Avalue, VIA Embedded czy Adlink.

Proponuje rozwiązania zarówno do zastosowań w przemyśle lekkim i automatyce domowej, jak również w najbardziej wymagających warunkach środowiskowych. Systemy te odporne

Promocja

są na duże zapylenie, ekstremalne temperatury pracy, zagrożenie wstrząsami i wibracjami.

Na szczególną uwagę zasługuje komputer spełniający wymagania normy kolejowej EN 50155. tBOX320-852-FL firmy Axiomtek jest nowoczesnym rozwiązaniem dla kolejnictwa. Jest to pasywnie chłodzony system wykorzystujący procesor Intel Core 2 Duo SP9300, pracujący z częstotliwością do 2,26 GHz, oraz chipset Intel GM45. Zbudowany został z myślą o trwałości i pracy w ciężkich warunkach, czego potwierdzeniem są: certyfikat EN 50121/EN 50155 i stopień szczelności IP40.

Zintegrowany system graficzny ma 256 MB pamięci i jest kompatybilny z DirectX 9.0.

Jednostka ma jedną kieszeń na wymienne dyski twarde 2,5” SATA 300, jeden wewnętrzny slot na dysk SATA oraz czytnik kart Compact Flash. Dodatkowo tBOX320-852-FL posiada 4 izolowane porty COM, izolowane cyfrowe I/O, zasilacz i wytrzymałe złącze M12 dla 2 portów Gigabit Ethernet. Aby zapewnić możliwość rozbudowy systemu, tBO-

X320-852-FL ma 2 wewnętrzne sloty PCI Express Mini Card. Dostępny jest również jeden slot SIM do aplikacji 2G/3G/4G, GPS, Wi-Fi bądź Bluetooth.

Bezwentylatorowe komputery panelowe LPC firmy Avalue wyposażone są w procesory AMD eOntario T40E lub Intel Atom D2550. W ofercie są dostępne panele operatorskie tej serii o przekątnych od 8’’ do 17’’. Główne atuty komputerów serii LPC to dwurdzeniowy procesor, liczne interfejsy, m.in. COM, USB, CF, LAN, szeroki zakres zasilania (12–28 V DC) oraz bezwentylatorowa praca. Urządzenia zapewniają stabilną pracę i wysoką wydajność nawet w trudnych warunkach przemysłowych.

Komputery mają stopień ochrony IP65 na przednim panelu. Seria LPC Avalue może być wyposażona w moduł Wi-Fi. W dziedzinie automatyki oferta firmy Maritex jest bardzo szeroka i obejmuje: • komputery przemysłowe (jednopłytowe, panelowe i wbudowane), • wyświetlacze, monitory przemysłowe i panele dotykowe, • klawiatury przemysłowe, • urządzenia sieciowe Ethernet, • urządzenia kontrolno-pomiarowe (karty akwizycji, moduły pomiarowe i kontrolery), • zasilacze przemysłowe, • przemysłowe i standardowe czytniki kodów kreskowych.

Szczegółowe informacje o oferowanych produktach dostępne są na stronie www.automatyka.maritex.com.pl.

MARITEX PHP Sp. z o.o. sp.k. tel. 58 662 05 65 fax 58 622 47 66 e-mail: automatyka@maritex.com.pl

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

37

Temat numeru Komputery przemysłowe i panele operatorskie

Rozwiązania HMI ESA – wydajność, elastyczność i europejska jakość operatorskich, komputerów i monitorów przemysłowych oraz dedykowanego oprogramowania narzędziowego do tworzenia aplikacji HMI i SCADA. Początki istnienia firmy sięgają lat 70. ubiegłego wieku, a pierwsze urządzenia HMI marki ESA opuściły zakłady produkcyjne w 1985 roku. ESA łączy europejską jakość, precyzję i solidność wykonania urządzeń dla sektora przemysłowego z elegancją charakterystyczną dla włoskiego wzornictwa. Warto wspomnieć, że producent stworzył także ekskluzywną serię paneli przeznaczonych do automatyki budynkowej Visualyser.

38

Promocja

HMI do różnorodnych zastosowań Portfolio paneli operatorskich ESA tworzą terminale graficzne i tekstowe o przekątnych od 4,3” do 15” z matrycami dotykowymi lub klawiaturą, oparte o platformy Windows oraz z własnym systemem operacyjnym. Wyróżnia je otwartość komunikacyjna – wiele protokołów, jak np. Profibus DP, DeviceNet, CAN, CoDeSys czy Profinet, może być używanych jednocześnie. Specjalnie dobrane komponenty (standardowo w większości modeli stosowana jest solidna metalowa obudowa) oraz brak ruchomych elementów mechanicznych (jak dyski twarde czy wentylatory) zapewniają trwałość i niezawodność działania terminali ESA w trudnym środowisku przemysłowym. Warto zauważyć, że gwarantowana przez producenta minimalna żywotność podświetlenia urządzeń wynosi 50 000 h.

Najnowsze produkty ESA to rodzina paneli operatorskich SC (Simple Control), łącząca doskonałe parametry obrazu i szeroką gamę funkcjonalności z przystępną ceną. Panoramiczne

Fot. Sabur

Firma ESA Elettronica to włoski producent terminali

ekrany paneli SC107 i SC207 wyposażone są w dotykowe matryce LCD TFT z podświetleniem białymi diodami LED, wyświetlające ponad 65 tys. kolorów.

Wysoka rozdzielczość zapewnia doskonałe odwzorowanie obrazów i tekstu oraz wystarczającą przestrzeń roboczą do wyświetlania zaawansowanych aplikacji wizualizacyjnych. Obudowa urządzeń wykonana jest z doskonałej jakości tworzywa (ABS) i zapewnia trwałość oraz odporność na niekorzystne temperatury, zarysowania i uderzenia. Terminale wyposażone są w porty: Ethernet, szeregowy RS-232/RS-485 (zintegrowany MPI), USB oraz slot na karty SD i MMC. Panele rodziny SC programowane są dedykowanym, darmowym pakietem Polymath SmartClick.

Terminale dla przemysłu spożywczego i farmaceutycznego Terminale ESA serii IT w wykonaniu INOX są przeznaczone do instalacji w zakładach, w których wymagane jest zachowanie szczególnie wysokiego poziomu higieny. Zapewniają niezawodną pracę i trwałość podczas pracy w takich specjalnych warunkach, jak produkcja w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym czy chemicznym. Przedni panel urządzeń wykonany jest ze stali typu V2A (AISI 304), którą charakteryzuje doskonała odporność na korozję oraz chemiczna obojętność w kontakcie z wieloma rodzajami pożywienia, agresywnymi detergentami i substancjami stosowanymi przy myciu. Całkowicie płaski front ogranicza możliwość zbierania się zanieczyszczeń oraz ułatwia ich usuwanie.

Dodatkowo duży promień łuku zewnętrznych krawędzi panelu ogranicza osiadanie bakterii i osadów mikrobiologicznych na urządzeniu (promień łuku jest 4 razy większy, niż wymaga tego norma). Front panelu ma stopień ochrony IP69K, co gwarantuje odporność na częste mycie wodą o ciśnieniu do 100 barów oraz na wysoką temperaturę (do 80 °C). Terminale IT INOX wykonane są zgodnie z wymogami normy PN 1672-2 (określa szczegółowe wytyczne dotyczące higieny), zaleceniami EHEDG i FDA oraz z ISO 20653, a także mają certyfikaty CE i ATEX (grupa II, kat. 3G/D).

Fot. Sabur

Polymath – platforma narzędziowa do wszystkich terminali ESA Polymath to zestaw profesjonalnych narzędzi softwarowych zaprojektowanych w technologii .NET, przeznaczonych do tworzenia aplikacji wizualizacyjnych na terminale ESA oraz zaawansowanych

aplikacji na komputery PC. Duża liczba wspieranych protokołów komunikacyjnych gwarantuje bezproblemową współpracę zarówno z urządzeniami ze świata automatyki przemysłowej, jak i świata IT. W skład platformy Polymath wchodzą trzy wersje oprogramowania różniące się zestawem funkcjonalności: Polymath SmartClick to software z darmową licencją przeznaczony do tworzenia aplikacji wizualizacyjnych na terminale operatorskie ekonomicznej rodziny SC. Zawiera wiele funkcjonalności ułatwiających i przyspieszających tworzenie aplikacji.

Polymath HMI jest pakietem narzędzi pozwalającym na tworzenie aplikacji HMI na wszystkie rodziny terminali ESA – IT, SC oraz VT. Software ten zastępuje i rozszerza możliwości pakietu Polymath Basic (oprócz większej liczby zaawansowanych funkcjonalności umożliwia tworzenie aplikacji na terminale IT). Polymath HMI wyposażony jest w mechanizmy konwersji projektów stworzonych dla wszystkich terminali ESA, czyli przykładowo projekt stworzony na terminal rodziny VT można przekonwertować i używać na terminalach SC i IT. Wśród funkcjonalności, które oferuje Polymath HMI, warto wymienić: bogatą bibliotekę gotowych obiektów (także z możliwością edycji i animacji), symulację projektu off-line i on-line, przechowywanie trendów i logów danych czy zarządzanie alarmami.

Polymath Advanced to zaawansowany pakiet narzędzi przeznaczony do tworzenia aplikacji wizualizacyjnych HMI i SCADA na komputery PC. Umożliwia również tworzenie aplikacji HMI na wszystkie terminale ESA.

Polymath PC Machine Edition Każdy projekt aplikacji wizualizacyjnej stworzony w środowisku Polymath Advanced może być uruchomiony na komputerach przemysłowych ESA lub komputerach PC z systemem operacyjnym Windows 7 (jak również poprzednich wersjach: Windows 2000 SP4, XP i Vista).

Software Polymath PC Machine Edition zapewnia działanie aplikacji w trybie pełnym, czyli obsługę komunikacji komputera PC z urządzeniami sterującymi różnych producentów (ponad 200 natywnych protokołów dostępnych w pakiecie Polymath Advanced). Protokoły ethernetowe są zarządzane bezpośrednio dzięki portowi standardowo dostępnemu we wszystkich komputerach PC, dla pozostałych typów protokołów popularnych w sektorze przemysłowym (np.

Profibus DP, MPI, CANopen i DeviceNet) dostępne są specjalne adaptery umożliwiające komunikację w czasie rzeczywistym. Polymath PC Machine Edition pozwala na zdalną wizualizację i kontrolę działania systemu za pomocą bezpiecznego połączenia internetowego. Licencje dostępne są w czterech wersjach, dla różnych ilości zmiennych.

Komputery panelowe i w wersjach BOX XS7 to rodzina panelowych komputerów przemysłowych ESA w wersjach z wentylatorem i bezwentylatorowych, zbudowanych w oparciu o procesory Intel Atom i Core 2 Duo. Solidna konstrukcja, wysokiej jakości komponenty, ekstremalna wytrzymałość mechaniczna wraz z elastycznością konfiguracji sprawiają, że ESA XS7 to rozwiązania, które świetnie sprawdzają się w warunkach przemysłowych.

Urządzenia występują z następującymi przekątnymi ekranu: 7”, 8,4”, 12,1”, 15”, 17” i 19”. Modele w wykończeniu INOX i True Flat są szczególnie przydatne w przemyśle spożywczym, farmaceutycznych i chemicznym oraz w takich zastosowaniach, gdzie istotne jest zachowanie szczególnej higieny (zgodność z normą FDA 21/PN-EN 1672-2+A1).

XB300 ESA to komputery w wersjach BOX, których modułowa architektura pozwala na swobodny dobór komponentów dopasowany do potrzeb użytkownika. XB300 występują w wersjach bez wbudowanych gniazd na karty PCI, z dwoma lub trzema gniazdami PCI, z licencjami Windows 7 Ultimate, Windows Embedded Standard lub Windows XP Professional do wyboru. Dodatkowo można je wyposażyć w wyjmowane dyski HDD, SSD lub CF. Solidna konstrukcja, wysoka jakość użytych komponentów i duża wytrzymałość mechaniczna predestynują komputery XB300 do użytku w wielu wymagających systemach, nie tylko w aplikacjach przemysłowych. Zastosowane podzespoły gwarantują długi cykl życia urządzeń, zmniejszone zużycie energii, a jednocześnie wysoką wydajność i moc obliczeniową. Odporna, całkowicie metalowa obudowa z aluminiowym wykończeniem zapewnia szybkie odprowadzanie ciepła z wnętrza urządzenia.

SABUR Sp. z o.o. ul. Puławska 303, 02-785 Warszawa tel. 22 549 43 53 e-mail: sabur@sabur.com.pl www.sabur.com.pl

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

39

Temat numeru Komputery przemysłowe i panele operatorskie

Oryginalne rozwiązania w najnowszych komputerach panelowych iEi Technology Corp.

Komputery panelowe należą do jednej z podstawowych linii produktowych tego producenta. Większość konstrukcji wyróżnia się jednak spośród podobnych rozwiązań obecnych na rynku. Różnice dotyczą specyficznego przeznaczenia – szerokiej albo nietypowej funkcjonalności.

40

Promocja

oraz i7. Pamięć RAM DDR3 można rozbudować do 16 GB. Do dyspozycji użytkownika są interfejsy: 2 ´ RS-232, RS-422/485, 2 ´ USB 3.0, 3 ´ USB 2.0, VGA i HDMI. Dodatkowo na panelu frontowym, o stopniu ochrony IP64, znajdują się: slot kart SD, port mini-USB oraz kamera 1,3 Mpx. Komputery są wyposażone w kartę Wi-Fi IEEE 802.11b/g/n, opcjonalnie w moduł Bluetooth 2.1 EDR, czytnik RFID EM lub Mifare i czytnik kart magnetycznych.

Bardzo ciekawie rozwiązano problem chłodzenia tak wydajnego sprzętu. Unikalne rozwiązanie Smart Fanless polega na odprowadzaniu ciepła przez obszerny radiator, dopiero po przekroczeniu krytycznej temperatury uruchamiany jest wentylator, którego prędkość zależy od temperatury.

JM ELEKTRONIK Sp. z o.o. ul. Karolinki 58, 44-100 Gliwice tel. 32 339 69 00, fax 32 339 69 09 e-mil: jm@jm.pl, www.jm.pl

Fot. JM elektronik

Zdecydowana większość przemysłowych komputerów panelowych pracuje stacjonarnie, wewnątrz budynków, a panujące tam warunki są stabilne i przewidywalne. Praca w zmiennych warunkach otoczenia, aplikacjach mobilnych stwarza konieczność zastosowania systemów komputerowych o specjalnej konstrukcji.

UPC-V312-D525 skonstruowano dla aplikacji mobilnych, podstawową cechą jest całkowita szczelność – stopień ochrony IP65. Bardzo szeroki zakres temperatury pracy –20 ... +60 °C oraz odporność na wstrząsy do 3G i wibracje (MIL-STD-810F 514.5C-2) umożliwiają pracę w różnych pojazdach (np. jako terminal wózka widłowego). Komputer ma izolowaną magistralę CAN, stosowaną w aplikacjach samochodowych. Matryca 12² podświetlana diodami LED osiąga jasność 600 cd/m2, dostosowuje się automatycznie do panujących warunków.

Aluminiowa obudowa jest lekka i odporna mechanicznie. Z przodu komputera producent umieścił 10 programowalnych przycisków funkcyjnych, a pod nimi podświetlane wskaźniki stanu pracy.

Wewnątrz bezwentylatorowej konstrukcji pracuje dwurdzeniowy procesor Intel Atom D525 1,8 GHz oraz chipset Intel ICH8M. Do dyspozycji użytkownika są interfejsy RS-232/422/485, RJ-45, VGA, 4 ´ USB oraz GbE. Rozbudowana jest komunikacja bezprzewodowa.

Prócz dwuzakresowego modułu IEEE 802.11a/b/g/n 3 ´ 3 MIMO komputer można rozbudować o moduł Bluetooth,

GPS oraz modem GSM 3,75 G HSUPA i czytnik RFID (EM lub Mifare). Dostępna jest wbudowana kamera internetowa o rozdzielczości 1,3 Mpx i mikrofon. Komputer można wyposażyć w 4-kanałową kartę przechwytującą materiał audio/ video. System zasilania jest redundantny i może czerpać energię z dołączonego do zestawu zasilacza sieciowego o napięciu wyjściowym 19 V lub z innego źródła napięcia stałego 9 ... 36 V. UPC-V312-D525 wyróżnia także – w porównaniu z innymi szczelnymi komputerami panelowymi – niska cena.

Seria komputerów AFL2-17A-H61 oraz AFL2-W19A-H61 to bliźniacze konstrukcje różniące się wymiarami ekranu.

Pierwszy z nich ma matrycę 17², a drugi panoramiczną 19 ². Cechą unikalną są sygnalizatory LED wbudowane w górnych narożnikach obudowy komputera.

Użytkownik może zaprogramować kolor świecenia w zależności od stanu pracy komputera, co pozwala na widoczną sygnalizację problemu w przypadkach, gdy operator nie przebywa przy stanowisku lub gdy w danej lokalizacji wymagana jest cisza. Jest to idealne rozwiązanie do kontroli stanu urządzeń zainstalowanych w hali produkcyjnej lub sygnalizacji pracy stanowisk w bibliotece, szpitalu czy studiach dźwiękowych.

Komputer wyposażono w ekran dotykowy, pojemnościowy lub rezystancyjny. Platforma sprzętowa oparta jest na wydajnym chipsecie Intela – H61, stosowanym w komputerach desktopowych, który współpracuje z procesorami Sandy Bridge. W zależności od potrzeb można wybrać wersję wyposażoną w procesor Celeron, Pentium lub i3, i5

Sterownik V560-T25B zintegrowany z kolorowym panelem dotykowym obsługa alarmów lub trendów. Sterownik ma slot na kartę SD, w którym jest możliwość zapisywania całego programu, archiwizacji alarmów, tabeli danych, a nawet eksportowania danych do Excella. Czas wykonania typowej aplikacji o rozmiarze 1 kB wynosi 9 μs, co sprawia, że nowy sterownik jest ponad 2 razy szybszy od serii V200.

Panel operatorski ma 65 536 kolorów, wyświetlacz TFT LCD, z panelem rezystancyjnym o przekątnej 5,7”, rozdzielczości 320 × 240 px (QVGA) i stopniu ochrony IP65 przy montażu panelowym.

Do każdego sterownika Vision dodawane jest bezpłatne oprogramowanie narzędziowe (dostępne również na stronie www.unitronics.com) oraz kabel do programowania sterownika.

Obecnie firma Elmark Automatyka oferuje ten sterownik w promocyjnej cenie 1499 zł netto.

Mateusz Sikorski ELMARK Automatyka Sp. z o.o.

Firma Unitronics wprowadziła do sprzedaży

Fot. ELMARK Automatyka

nowy sterownik z serii Vision.

www.elmark.com.pl REKLAMA

Jest to pierwszy sterownik z tej serii dostępny na naszym rynku, wyposażony w kolorowy panel dotykowy (5,7”) oraz 24 w pełni programowalne przyciski. Główne i sprawdzone rozwiązania pozostały takie same – budowa modułowa: PLC i snap w zwartej obudowie (moduł wejść i wyjść montowany z tyłu sterownika). Rozwiązanie to eliminuje konieczność stosowania kabla połączeniowego, który w warunkach przemysłowych byłby narażony na uszkodzenia.

Obecnie jest możliwe dodanie jednego z 8 snapów, różniących się liczbą i rodzajem wejść i wyjść. Jednym z bardziej popularnych modułów wejść i wyjść, jest snap o numerze katalogowym V200-18-E4XB. Snap ten ma: 18 wejść izolowanych 24 V DC, 4 wejścia uniwersalne – analogowe (14 bit: 0 ... 10 V, 0/4 ... 20 mA), Pt 100 lub TC, 4 wyjścia analogowe izolowane (12 bit: 0 ... 10 V, 4 ... 20 mA), 2 wyjścia izolowane tranzystorowe (pnp/npn) oraz 15 wyjść tranzystorowych izolowanych pnp. Oprócz tego sterownik ten wyposażony jest w port rozszerzeń, dzięki któremu można dodać do sterownika nawet 128 wejść/wyjść dodatkowych: cyfrowych (tranzystorowych i przekaźnikowych), analogowych (0 ... 10 V, 0/4 ... 20 mA), Pt 100, termoparowych, a nawet wagowych.

Sterownik ten, podobnie jak seria Vision, wyposażony jest w funkcję komunikacji przez Modus RTU, Modbus TCP/IP, CANopen, GSM/GPRS/SMS. Różnicą na korzyść V560 jest zwiększona pamięć programu do 2 MB, dodatkowa pamięć 1 MB na czcionkę i następne 6 MB pamięci na obrazy wyświetlane na panelu operatorskim. Typowe rozwiązania zastosowane w urządzeniach firmy Unitronics to m.in.: wbudowana Promocja

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

41

Temat numeru Komputery przemysłowe i panele operatorskie

Pierwszorzędny wybór do dowolnego zadania automatyzacji Komputer przemysłowy Automation PC 910

Automation PC 910 (APC 910) ma wytrzymałą konstrukcję i doskonale pracuje w systemie 24/7 w trudnych warunkach przemysłowych. Serce tego potężnego komputera tworzą

Procesory serii I Intel Core są wielordzeniowe i mają zintegrowaną jednostkę graficzną bezpośrednio na procesorze.

W porównaniu z poprzednią generacją trzecie pokolenie cechuje wydajność większa do 20 %, przy jednoczesnym ograniczeniu zużycia energii. Procesory Core i3, Core i5 oraz Core i7, mające do czterech rdzeni, w połączeniu z nowym QM77 Express Chipset, zapewniają wydajność komputera przemysłowego na poziomie obecnie najwyższym możliwym do osiągnięcia. Duże wrażenie robi zintegrowana z procesorem karta graficzna HD Graphics 4000, zapewniająca też obsługę DirectX 11.

To pozwala na realizację nawet bardzo wymagających zadań graficznych, takich jak system wizualizacji, bez konieczności stosowania dodatkowej karty graficznej.

Pozostała cześć infrastruktury komputera również jest nastawiona na maksymalną wydajność obliczeniową i optymalną przepustowość danych.

APC 910 wyposażono w kartę Serial ATA – CFast, która zastąpiła wcześniej używaną kartę Compact Flash. Łączy ona formę karty Compact Flash z szybkim interfejsem SATA. Za płytą czołową APC 910 umieszczono łatwo dostępne gniazdo na kartę CFast, która może być wykorzystywana jako wyjmowalna pamięć do transferu danych lub instalacji nowych wersji.

W APC 910 zastosowano nowatorski projekt systemu chłodzenia, z nowym radiatorem. Ulepszona jest

42

Promocja

konwekcja dla bezwentylatorowego modelu APC 910. W systemach z wentylatorem strumień powietrza kierowany jest przez zintegrowane części chłodzące. Jako że wymiary procesorów stale się zmniejszają, ciepło jest wytwarzane na coraz mniejszych powierzchniach. W takim przypadku przewody ciepła są najlepszym rozwiązaniem zapewniającym jego optymalne odprowadzenie. Mają one postać rurek wypełnionych płynem, który poprzez parowanie i kondensację realizuje efektywny transfer dużej ilości ciepła poza tę małą przestrzeń. Przewody ciepła są bardzo lekkie i zajmują małą przestrzeń w obudowie komputera. APC 910 bez wentylatora może uzyskać taką wydajność, jaka w komputerach przemysłowych poprzednich generacji była możliwa do osiągnięcia tylko z wentylatorem.

APC 910 pracuje na systemach Linux lub Microsoft Windows Embedded Standard 7. Jest również dostępna wersja Premium Windows 7, zapewniająca takie możliwości jak: wsparcie dla paneli wielodotykowych i interfejsy wielojęzyczne. Obydwa wymagają mniejszej pamięci i są tańsze niż pełna wersja Professional i Ultimate.

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

Fot. B&R Automatyka Przemysłowa

procesory Intel Core trzeciej generacji, reprezentujące osiągnięcia najnowszej technologii.

Moduły pomiarowe WOBIT we współpracy z panelami HMI Funkcjonalność – to słowo najlepiej charakteryzuje moduły pomiarowe produkcji firmy WObit. Przygotowane, aby ułatwić realizację różnorodnych zadań pomiarowych, dobrze spełniają swoje funkcje w wielu aplikacjach.

Promocja

w interfejs komunikacyjny RS-485 oraz USB. Protokół USB pozwala na prostą komunikację z komputerem, a dedykowane oprogramowania umożliwiają archiwizację i wizualizację wyników pomiarowych.

Interfejs Modbus RTU pozwala natomiast na łatwą komunikację tych urządzeń ze sterownikami PLC oraz panelami HMI, dzięki czemu operator może na bieżąco kontrolować i sterować procesami produkcyjnymi i pomiarowymi.

Wśród paneli operatorskich w ofercie firmy WObit największą popularnością cieszy się seria MT4000 – ekonomiczna, a zarazem bardzo funkcjonalna. Jest wyposażona w szereg protokołów komunikacyjnych, takich jak Modbus RTU, Ethernet oraz CANopen. Wbudowane porty szeregowe, w tym USB, pozwalają na programowanie panelu z poziomu komputera PC. Dzięki wyraźnym kolorom wyświetlacza, szybkiej pracy, którą zapewnia 32-bitowy 800 (400) MHz procesor, seria MT4000 jest odpowiednia do większości aplikacji. Bardziej zaawansowana seria MT5000 obsługuje interfejsy sieciowe Profibus DP, Ethernet, CANopen czy MPI ze wsparciem konfiguracji sieci zgodnej z MPI. Urządzenia te osiągają dużą wydajność dzięki procesorowi Marvell PXA5000 RISC 520 MHz oraz wbudowanemu systemowi operacyjnemu Linux OS.

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

Dęborzyce 16, 62-045 Pniewy tel. 61 291 22 25 fax 61 291 10 11 e-mail: wobit@wobit.com.pl www.wobit.com.pl

REKLAMA

Z myślą o aplikacjach wymagających przetwarzania sygnałów kwadraturowych enkoderów zaprojektowany został moduł ADE4U. Urządzenie pozwala na odczyt ilości impulsów (pozycji) oraz prędkości w 4 niezależnych kanałach pomiarowych. Ponadto ADE4U ma 5 wyjść tranzystorowych typu OC z konfigurowanym progiem załączania oraz wyłączania zależnym od pozycji danego enkodera.

Do współpracy z tensometrycznymi czujnikami siły przygotowana została seria ADT, z której najbardziej zaawansowanym modelem jest ADT8. Moduły pomiarowe są wyposażone w wyjścia tranzystorowe z programowalnymi progami załączania, co pozwala na ich użycie do sygnalizowania progów pomiarowych.

ADT8 doskonale sprawdzi się w wielopunktowych systemach pomiaru siły i masy (platformy najazdowe, silosy itp.).

Najbardziej uniwersalnym modułem pomiarowym jest ADAE42U. Urządzenie to pozwala na jednoczesną współpracę z kilkoma czujnikami, dzięki czemu w jednym czasie można mierzyć wiele różnych wartości. ADAE42U obsługuje do 4 czujników z wyjściem analogowym, mogących pracować w trybie różnicowym oraz do 2 czujników z wyjściem kwadraturowym. Dodatkowo posiada 6 wyjść tranzystorowych typu OC z konfigurowanym progiem załączania oraz wyłączania zależnym od pozycji danego enkodera. Po zaprogramowaniu odpowiednich progów urządzenie może pracować niezależne (bez nadzoru komputera PC).

Wszystkie przedstawione wyżej urządzenia pomiarowe wyposażone są

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

43

Temat numeru Komunikacja i sieci przemysłowe

W rozproszonych geograficznie instalacjach bardzo istotnym zagadnieniem jest kontrola obiektów i urządzeń. Do takich aplikacji firma ASTOR oferuje nowoczesny system monitoringu i sterowania, opracowany w oparciu o najnowsze technologie z dziedziny informatyki, automatyki oraz telemetrii.

Telemetria – monitoring i sterowanie rozproszonymi obiektami przemysłowymi Efektem zintegrowania tych trzech dziedzin jest system, który nie tylko może działać niezależnie, jako lokalny układ sterowania i monitoringu, ale również mogący współpracować z istniejącymi już w przedsiębiorstwie aplikacjami tego typu, tworząc rozproszony system z funkcją zdalnego sterowania i gromadzenia danych telemetrycznych z oddalonych obiektów.

Podstawowym celem wprowadzania systemu zdalnego monitoringu i sterowania w przedsiębiorstwie jest obniżenie kosztów produkcji i eksploatacji. Oszczędności osiągane są dzięki: eliminacji konieczności wyjazdów na obiekty technologiczne

44

Promocja

Fot. ASTOR

Korzyści z wdrożenia

w celach kontrolnych lub pomiarowych, przyśpieszonej obsłudze awarii, szybkiej diagnostyce miejsc wystąpienia usterek, zmniejszeniu liczby przestojów maszyn oraz wydłużeniu czasu eksploatacji materiałów i urządzeń.

Niezawodność potwierdzona ponad 200 instalacjami w całej Polsce Pierwsze systemy monitoringu i sterowania obiektami rozproszonymi – bazujące na ofercie firmy ASTOR – były wdrażane już ponad 10 lat temu. Do tej pory wdrożonych zostało w Polsce ponad 200 takich systemów, m.in.: w branży wodno-kanalizacyjnej, energetyce, górnictwie, produkcji i transporcie. Wieloletnie doświadczenie jest dla firmy ASTOR podstawą do ciągłego rozwoju oferowanego rozwiązania dla zapewnienia najwyższej niezawodności, prostoty obsługi i jeszcze lepszej integracji technologii z dziedziny informatyki, automatyki oraz telemetrii.

System dopasowany do potrzeb użytkownika Wraz z modernizacją instalacji oraz geograficznym rozproszeniem obiektów technologicznych, system monitoringu i sterowania można w dowolnym momencie elastycznie dopasować do aktualnie stawianych wymagań. Łatwość integracji z powszechnie dostępnymi systemami sterowania oraz otwartość na wymianę danych z innymi rozwiązaniami – stosowanymi w zakładach produkcyjnych, energetycznych, elektrociepłowniach i obiektach gospodarki wodno-ściekowej – pozwala na zbudowanie jednego, spójnego systemu nadzorującego, dostarczającego w dowolnej chwili wiarygodnych informacji.

Budowa

ASTOR Sp. z o.o. www.astor.com.pl

REKLAMA

Fot. ASTOR

System zbudowany jest z czterech warstw.

• Warstwa aplikacyjna – sprzęt komputerowy wraz z zainstalowanym oprogramowaniem, odpowiedzialnym za: gromadzenie, wizualizację i przetwarzanie danych obiektowych w czasie rzeczywistym oraz za ich archiwizowanie i dokumentowanie.

• Warstwa transmisyjna – urządzenia i media komunikacyjne, kablowe i bezprzewodowe: switche przemysłowe, konwertery szeregowe i ethernetowe, radiomodemy oraz moduły GSM/GPRS. • Warstwa sterowania – system sterowania zapewniający stałą, wydajną i bezawaryjną pracę obiektów technologicznych i maszyn, budowany w oparciu o: sterowniki PLC, kontrolery PAC oraz przemienniki częstotliwości.

• Warstwa wykonawcza – elementy zainstalowane na poszczególnych obiektach technologicznych; ich dobór jest związany bezpośrednio ze specyfiką aplikacji.

Więcej informacji jest dostępnych na stronie www. astor.com.pl/telemetria.

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

45

Temat numeru Komunikacja i sieci przemysłowe

Trzy powody, dla których warto zastosować RSTi I/O w warstwie układów I/O

systemu sterowania. Pomimo tego, iż zadanie przez nie realizowane jest proste, dobór odpowiedniego rozwiązania nie zawsze jest tak oczywisty, jakby się mogło wydawać. Wynika to z tego, że każda instalacja ma inne wymagania.

Do wspólnego mianownika wszystkich układów I/O można jednak sprowadzić trzy parametry, na które zwraca uwagę każdy integrator; bez wzglądu na to w jakiej aplikacji będzie pracował układ I/O. Są to: niezawodność, uniwersalność oraz – przede wszystkim – cena. Parametry nowych rozwiązań RSTi I/O oferowanych przez GE Intelligent Platforms, które zostały wprowadzone do sprzedaży w tym roku, na pewno zainteresują wszystkich, którzy chcą ograniczyć koszty bez rezygnowania z niezbędnej przecież wysokiej funkcjonalności.

Parametr 1 – niezawodność To element, na który zwracamy uwagę zawsze. Nikt nie chce inwestować w rozwiązania, które będą powodowały problemy i narażały nas na koszty. Dla wielu z nas niezawodność to kwestia leżąca tylko po stronie producenta urządzenia. Jednak naprawdę zależy ona od kilku elementów, m.in. od środowiska, w jakim będzie pracowało nasze urządzenie. W przypadku układów I/O warto wybrać

46

Promocja

Fot. ASTOR

Układy I/O to nieodłączny elementy każdego

takie, które pozwolą nie tylko na pracę w szerokim zakresie temperatury, ale będą odporne na wstrząsy i wibracje oraz agresywne środowisko przemysłowe. Układ I/O jest bowiem najbardziej oddalonym elementem systemu sterowania i w wielu aplikacjach montowany jest w szafach instalowanych bezpośrednio na obiekcie lub na maszynie, a nie w wydzielonej sterowni. Również sama konstrukcja mechaniczna ma duży wpływ na niezawodność. Układy oddalone w większości występują w postaci modułowej, co wymaga łączenia ich ze sobą. W przypadku środowiska narażonego na wstrząsy może to doprowadzać do rozłączania się elementów, czego konsekwencją jest awaria. Ważne jest również, aby sam mechanizm podłączania okablowania obiektowego gwarantował pewność i wytrzymałość zacisku. Na niezawodność mają także wpływ mechanizmy diagnostyki, które dostarczają informacje niezbędne do podjęcia odpowiednich działań zapobiegających awarii. Takie cechy ma właśnie RSTi I/O, czego świadectwem są uzyskane certyfikaty. Układ charakteryzuje się bardzo wytrzymałą konstrukcją mechaniczną i dużą sztywnością, pomimo budowy modułowej. Węzeł tworzy się, zsuwając moduły ze sobą i montując na szynie DIN, co gwarantuje pewność połącznia. Magistrala systemowa wykorzystuje styki ślizgowe, dzięki czemu nie ma potrzeby stosowania kaset montażowych. Moduły mają bogatą diagnostykę, a sam interfejs komunikacyjny odpowiedzialny za wymianę danych ze sterownikiem dostarcza wielu informacji statusowych i kontrolnych, informując o pracy całego węzła.

systemowy zasilający elektronikę oraz pętle pomiarowe w modułach rozszerzeń, a te z kolei nie wymagają stosowania kaset montażowych i dodatkowych terminali przyłączeniowych. Zastosowane w terminalach przyłączeniowych dostarczanych razem z modułem rozszerzeń punkty testowe pozwalają ponadto przyspieszyć serwis systemu. Również podwyższone stany magazynowe na RSTi I/O wpływają na obniżanie kosztów związanych z utrzymaniem.

Te trzy parametry powodują, że warto zastanowić się nad RSTi I/O, dobierając układy I/O do systemów scentralizowanych oraz do aplikacji o charakterze rozproszonym. Niewielkie gabaryty oraz możliwość łatwej rozbudowy, w połączeniu z bogatą ofertą dostępnych modułów pozwalają utrzymać koszty na niskim poziomie. Z kolei duża uniwersalność połączona z możliwością prostej wymiany interfejsu komunikacyjnego na inny pozwala łatwo dopasować się do standardów obowiązujących na obiekcie. Również technologia zastosowana w RSTi I/O ma bezpośrednie przełożenie na ograniczenie kosztów związanych z utrzymaniem, ponieważ pozwala minimalizować ilość energii dostarczanej do szaf dzięki możliwości pracy węzła w temperaturze od –20 °C do +60 °C.

Piotr Adamczyk ASTOR Sp. z o.o. e-mail: piotr.adamczyk@astor.com.pl www.astor.com.pl

Parametr 2 – uniwersalność Pod pojęciem uniwersalności kryje się nie tylko możliwość dopasowania konfiguracji węzła I/O pod kątem wymagań instalacji, ale także elastyczność związana z obsługą odpowiednich sygnałów, pełna skalowalność oraz możliwość pracy w systemach sterowania pochodzących od różnych dostawców. Na uniwersalność mają również wpływ małe gabaryty samego układu, pozwalające na stosowanie go w szafach sterujących z ograniczoną przestrzenią montażową. Jeden węzeł I/O oddalonych RSTi I/O może składać się z 32 modułów rozszerzeń, które dobiera się spośród ponad 80 dostępnych modeli. Tak bogata oferta obejmuje moduły obsługujące różne liczby kanałów pomiarowych oraz różne standardy sygnałowe. Uzupełniają ją moduły do specjalnego stosowania, umożliwiające obsługę pętli regulatora PID, sygnałów szybkozmiennych HSC, PWM oraz moduły komunikacyjne. Integrator może również dobrać interfejs komunikacyjny pod kątem standardu przyjętego na obiekcie.

Do dyspozycji są interfejsy pozwalające na pracę w sieci Profinet, Profibus DP, Modbus TCP, Modbus RTU, DeviceNet, a w najbliższym czasie pojawią się również interfejsy do sieci Ethernet IP oraz EtherCAT.

REKLAMA

Regionalne Seminaria / Szkolenia dla Służb Utrzymania Ruchu

2013 21.02.2013 - Kraków 28.03.2013 - Stalowa Wola 18.04.2013 - Wałbrzych 23.05.2013 - Rzeszów 20.06.2013 - Trójmiasto 10.10.2013 - Bydgoszcz 04.12.2013 - Warszawa

Dla wielu użytkowników cena to najważniejszy parametr, ale tylko przy założeniu, że urządzenia spełniają wymagania pod kątem technicznym oraz niezawodności. W zależności od wielkości instalacji koszty związane z zakupem układów I/O mogą być naprawdę duże, dlatego trzeba je optymalizować. Dotyczą one nie tylko zakupu, ale również serwisu, utrzymania, rozbudowy oraz dostępności, dlatego te aspekty nie mogą być pomijane podczas wyboru rozwiązania.

W przypadku RSTi I/O już sama budowa pozwala ograniczać koszty. Interfejs komunikacyjny wyposażony jest w zasilacz

c js ie a m zon ść nic Ilo gra o

Fot. ASTOR

Parametr 3 – niskie koszty

Jeżeli jesteś zainteresowany uczestnictwem w Seminarium, zaprezentowaniem produktu lub nowego rozwiązania napisz do nas: marketing@energoelektronika.pl Energoelektronika.pl tel. (+48) 22 70 35 291

Partnerzy:

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

47

Temat numeru Komunikacja i sieci przemysłowe

Automatyzacja maszyn z interfejsem IO-Link Firmie Balluff udało się idealnie połączyć komunikację magistralową i sieciową na poziomie systemu z interfejsem IO-Link

powoli standardem komunikacji w świecie automatyki.

Najlepsza technologia sieciowa to pewny przesył danych i zwiększona wydajność.

Wdrożenie zaawansowanych rozwiązań komunikacyjnych z możliwością dalszego rozwoju oraz standaryzacja urządzeń, prowadząca do uproszczenia stosowanych systemów, to ogromne wyzwania dla dostawców automatyki opartej na technologii sieci przemysłowych. Powyższe wymogi z zakresu inżynierii budowy maszyn i projektowania systemów dotyczą wszystkich obszarów komunikacji przemysłowej – od wysokopoziomowej komunikacji na poziomie przedsiębiorstwa, przez komunikację na poziomie maszyn i systemów, do komunikacji na poziomie czujnik/element wykonawczy.

Firma Balluff opracowała moduły sieciowe integrujące systemy IO-Link

Nowe moduły We/Wy z podświetlanymi wyświetlaczami LCD i zintegrowanym zabezpieczeniem antysabotażowym wyróżniają się pełną gamą opcji konfiguracyjnych i diagnostycznych, dostępnych z poziomu wyświetlacza, diod LED i zintegrowanego serwera sieciowego

48

Promocja

z przemysłowymi systemami komunikacyjnymi, takimi jak Profinet, Profibus, DeviceNet, Ethernet/IP lub CC-Link.

Moduły te znacznie przewyższają konwencjonalne rozwiązania pod względem liczby funkcji i możliwych zastosowań.

Nowa generacja urządzeń wyróżnia się nie tylko w pełni uszczelnionymi obudowami (IP67), ale także pełną gamą opcji konfiguracyjnych i diagnostycznych dostępnych z poziomu wyświetlacza, diod LED i zintegrowanego serwera sieciowego.

Prosta diagnostyka i konfiguracja bez konieczności użycia dodatkowego oprogramowania Jedną z największych zalet interfejsu IO-Link, obok uproszczonej instalacji, jest możliwość przesyłania parametryzacji i informacji diagnostycznych bezpośrednio z urządzenia za pomocą łącza IO-Link i magistrali wyższego poziomu.

Dane te można w dowolnej chwili wyświetlać, zmieniać, odczytywać lub zapisywać w urządzeniu, bez konieczności stosowania dodatkowych narzędzi.

Oznacza to ogromne uproszczenie procedur związanych ze zmianą formatu, regulacją parametrów obrabianego elementu lub podobnych ustawień maszyn.

Szybki dostęp w przypadku korzystania z ethernetowych modułów We/ Wy firmy Balluff zapewnia prosta przeglądarka internetowa i zintegrowany serwer sieciowy.

Zintegrowany serwer sieciowy – nie tylko diagnostyka Zintegrowany serwer sieciowy jest narzędziem diagnostycznym i konfiguracyjnym do obsługi wszystkich modułów

Dzięki interfejsowi IO-Link ustandaryzowane połączenie ze wszystkimi typami czujników i siłowników staje się rzeczywistością

ethernetowych. Aby sprawdzić stan modułu za pomocą komputera, wystarczy przeglądarka internetowa – specjalistyczne oprogramowanie nie jest wymagane. Ponadto przechowywane informacje mogą być pomocne podczas rozwiązywania problemów. Dostęp do zintegrowanego serwera sieciowego modułów ethernetowych można uzyskać, używając standardowej przeglądarki internetowej. Użytkownik musi jedynie wprowadzić w niej adres IP modułu, a strona z odpowiednimi informacjami wyświetli się na ekranie komputera.

Wyświetlacz – nie tylko konfiguracja adresów Użytkownik może wyświetlić wszystkie informacje dotyczące inicjalizacji i obsługi sieci przemysłowej. Informacje wyświetlane są z użyciem jasnego i wyraźnego tekstu. Prostota i brak konieczności stosowania dodatkowych narzędzi zapewniają wysoki komfort obsługi.

Interfejs IO-Link – przełom w komunikacji Co wyróżnia interfejs IO-Link? Będąc ustandaryzowanym, uniwersalnym i jednolitym interfejsem automatyki przemysłowej, IO-Link przesyła wszystkie sygnały czujników do sterownika i dane sterujące do wszystkich elementów wykonawczych, z najniższym poziomem włącznie. Sterowanie automatyczne staje się bardziej zaawansowane, ponieważ czujniki i elementy wykonawcze obsługujące interfejs IO-Link można konfigurować i diagnozować za pomocą sterownika wyższego poziomu. Interfejs IO-Link umożliwia także pełny i prosty dostęp do poziomu

Fot. Balluff

na poziomie czujnik/element wykonawczy. Rozwiązania te stają się

Fot. Balluff

czujnik/element wykonawczy z poziomu systemu sterowania. Dzięki interfejsowi IO-Link można szybko, jednolicie i bez modyfikacji połączyć różne czujniki i elementy wykonawcze, używając standardowego przewodu trójżyłowego.

Stosowanie systemów magistralowych nie jest konieczne, ponieważ interfejs IO-Link działa niezależnie od magistrali.

Korzyści we wszystkich obszarach automatyki. Interfejs IO-Link oferuje ogromne możliwości optymalizacji i redukcji kosztów w cyklu życia maszyn i systemów. Decyduje o tym uproszczona instalacja, centralna konfiguracja za pomocą sterownika oraz ciągła diagnostyka, dzięki którym znacznie zwiększa się dostępność systemu. Korzyści można osiągać w najróżniejszych obszarach działalności przedsiębiorstwa.

Logistyka i planowanie – niższe koszty. Jednolity, uniwersalny interfejs, obsługujący różne warianty urządzeń, znacznie upraszcza zarządzanie zasobami sprzętowymi. Ilość działań związanych z planowaniem i zarządzaniem zmniejsza się dzięki redukcji liczby używanych interfejsów. Użycie prostych, nieekranowanych przewodów przemysłowych oznacza niższe koszty, a fakt, że IO-Link to otwarty standard branżowy, zwiększa bezpieczeństwo inwestycji.

Serwis i obsługa – mniejsze nakłady. Możliwość automatycznej regulacji dostępna dzięki interfejsowi IO-Link znacznie zmniejsza nakład pracy związany z obsługą urządzeń i systemu.

Bezpieczne identyfikowanie i lokalizowanie błędów, szybka wymiana czujników i centralne sterowanie danymi pozwalają uzyskiwać dłuższe czasy pracy maszyn, a predykcyjne wykrywanie błędów umożliwia redukcję działań związanych z obsługą.

Instalacja i rozruch – ogromna oszczędność czasu. Prosta integracja z systemami magistralowymi, uzyskana dzięki jednolitemu interfejsowi

Czujnik odległości BOD 63M – z wyjściem analogowym, jednym wejściem i dwoma wyjściami sygnałowymi: dzięki interfejsowi IO-Link podział na osobne ekranowane i nieekranowane linie z użyciem skrzynki zaciskowej nie jest już wymagany

Dostęp do stanu modułu We/Wy można uzyskać za pomocą standardowej przeglądarki internetowej i zintegrowanego serwera sieciowego

i standardowym, nieekranowanym przewodom, pozwala zmniejszyć czasoi pracochłonność instalacji. Konfiguracja odbywa się z poziomu sterownika, co znacznie skraca czas rozruchu.

Działanie systemu – duża stabilność. Dzięki uniwersalnemu interfejsowi IO-Link można uniknąć stosowania dodatkowych interfejsów, a bezpośredni przesył danych pozwala uzyskać wysoką precyzję sterowania automatycznego. Inteligentne czujniki i siłowniki można konfigurować zdalnie z lokalizacji centralnej nawet na duże odległości, co znacznie poprawia stabilność systemu. Bezpieczną regulację i optymalną pracę systemu zapewnia możliwość prowadzenia ciągłego monitorowania danych, np. podczas regulacji zadanego poziomu napełnienia lub histerezy przełączania.

W przypadku awarii urządzenie można szybko wyłączyć. Zmiana formatu odbywa się równie szybko, ponieważ

parametry wszystkich inteligentnych urządzeń są przechowywane centralnie i można je w razie potrzeby automatycznie pobrać. Podawanie sygnału wysokiego poziomu za pośrednictwem linii IO-Link stanowi też doskonałe zabezpieczenie przed zakłóceniami. Stosowanie przewodów ekranowanych w przypadku sygnałów analogowych nie jest już konieczne.

Interfejs IO-Link to idealne rozwiązanie dla przedsiębiorstw poszukujących rozwiązań zwiększających wydajność i konkurencyjność w zakresie inżynierii budowy maszyn. Zastosowanie tego branżowego standardu komunikacyjnego oznacza skrócenie czasu i redukcję kosztów instalacji, a także uzyskanie przejrzystego i wydajnego systemu sterowania. Prace rozwojowe zostały już zakończone i nadszedł czas, aby inżynierowie i użytkownicy docenili korzyści, jakie daje używanie interfejsu IO-Link. Chwila jest odpowiednia, ponieważ zapotrzebowanie na innowacyjne, przynoszące oszczędności rozwiązania jest dziś wyjątkowo duże. W takich warunkach wdrożenie interfejsu IO-Link jest doskonałym pomysłem.

BALLUFF Sp. z o.o. ul. Muchoborska 16, 54-424 Wrocław tel. +48 71 338 49 29 faks +48 71 338 49 30 e-mail: balluff@balluff.pl www.balluff.pl

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

49

młodzi

innowacyjni

Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP ogłasza

V Ogólnopolski Konkurs na

inżynierskie, magisterskie i doktorskie w dziedzinach Automatyka Robotyka Pomiary Zgłoszenie należy przesłać na adres konkurs@piap.pl do dnia 24 lutego 2013 r.

Regulamin konkursu i formularz zgłoszeniowy są dostępne na stronie www.piap.pl w kategorii prac doktorskich:

I nagroda 3500 zł

II nagroda 2500 zł

w kategorii prac magisterskich:

I nagroda 3000 zł

II nagroda 2000 zł

w kategorii prac inżynierskich:

I nagroda 2500 zł

II nagroda 1500 zł

Wyniki konkursu zostaną ogłoszone podczas Konferencji AUTOMATION w Warszawie, w dniu 20 marca 2013 r.

Patronat Komitet Automatyki i Robotyki Polskiej Akademii Nauk Komitet Metrologii i Aparatury Naukowej Polskiej Akademii Nauk Polska Izba Gospodarcza Zaawansowanych Technologii Polskie Stowarzyszenie Pomiarów Automatyki i Robotyki POLSPAR

Informacji udzielają: Małgorzata Kaliczyńska: mkaliczynska@piap.pl, tel. 22 8740 146

Patronat medialny Miesięcznik PAR Pomiary Automatyka Robotyka

Bożena Kalinowska: bkalinowska@piap.pl, tel. 22 8740 015 Organizator konkursu

50

Projekt Młodzi Innowacyjni – wsparcie upowszechniania wiedzy w obszarach automatyki, robotyki i pomiarów dofinansowany ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju w ramach programu Kreator Innowacyjności

www.piap.pl

Komunikacja i sieci przemysĹ&#x201A;owe       Temat numeru

Produkty PoE firmy AAXEON SieÄ&#x2021; Ethernet po raz pierwszy zostaĹ&#x201A;a zastosowana w rozwiÄ&#x2026;zaniach komercyjnych w roku 1980,  a 20 lat później pojawiĹ&#x201A;y siÄ&#x2122; pierwsze prĂłby wprowadzenia tego standardu do sieci przemysĹ&#x201A;owych.  O ile na poczÄ&#x2026;tku byĹ&#x201A;o wielu sceptykĂłw takiej koncepcji, to od kilku lat Ethernet bezdyskusyjnie  jest najpopularniejszym standardem w automatyce przemysĹ&#x201A;owej.

JeĹ&#x203A;li przeĹ&#x203A;ledziÄ&#x2021; rozwĂłj sieci Ethernet, wyraĹşnie widaÄ&#x2021;, Ĺźe wszelkie nowinki techniczne wprowadzane sÄ&#x2026; do automatyki z opóźnieniem. Wynika to z faktu, Ĺźe w przemyĹ&#x203A;le racjÄ&#x2122; bytu majÄ&#x2026; tylko sprawdzone i niezawodne rozwiÄ&#x2026;zania. Podobnie rzecz miaĹ&#x201A;a siÄ&#x2122; z technologiÄ&#x2026; PoE. Standard IEEE 802.3af zostaĹ&#x201A; wprowadzony juĹź w 2003 roku, ale w automatyce przemysĹ&#x201A;owej dopiero od roku obserwujemy boom na rozwiÄ&#x2026;zania PoE. Rynek na te urzÄ&#x2026;dzenia napÄ&#x2122;dzany jest gĹ&#x201A;Ăłwnie powszechnym stosowaniem kamer do monitoringu oraz punktĂłw dostÄ&#x2122;powych Wi-Fi. W obu przypadkach jest to bardzo wygodne rozwiÄ&#x2026;zanie, ktĂłre pozwala na zdalne i scentralizowane zarzÄ&#x2026;dzanie urzÄ&#x2026;dzeniami peryferyjnymi. W przypadku switchy zarzÄ&#x2026;dzalnych moĹźliwy jest np. zdalny reset urzÄ&#x2026;dzenia PD. Sceptycy technologii PoE twierdzÄ&#x2026;, Ĺźe zasilanie napiÄ&#x2122;ciem staĹ&#x201A;ym przy dĹ&#x201A;ugich i cienkich przewodach Ethernet jest bardzo nieefektywne, ale jeĹ&#x203A;li weĹşmiemy pod uwagÄ&#x2122; brak dedykowanego zasilacza przy kaĹźdym urzÄ&#x2026;dzeniu oraz odpowiedniej instalacji AC, wtedy straty mocy wydajÄ&#x2026; siÄ&#x2122; byÄ&#x2021; uzasadnione. Trzeba rĂłwnieĹź pamiÄ&#x2122;taÄ&#x2021;, Ĺźe dedykowane zasilacze czÄ&#x2122;sto ulegajÄ&#x2026; awarii i nie ma nad nimi zdalnej kontroli.

Technologia PoE w automatyce przemysĹ&#x201A;owej zostaĹ&#x201A;a poczÄ&#x2026;tkowo wprowadzona do specjalistycznych switchy zasilanych napiÄ&#x2122;ciem 48 V DC. PrzeĹ&#x201A;Ä&#x2026;czniki takie miaĹ&#x201A;y zwykle maksymalnie 4 porty IEEE 802.3af.

Teraz firma Aaxeon oferuje caĹ&#x201A;y typoszereg switchy z 4, 8 lub nawet 24 portami PoE. Technologia PoE zostaĹ&#x201A;a zaimplementowana zarĂłwno w prostych 5-portowych przeĹ&#x201A;Ä&#x2026;cznikach, jak i w duĹźych zarzÄ&#x2026;dzalnych jednostkach. WĹ&#x201A;aĹ&#x203A;ciwie kaĹźdy przemysĹ&#x201A;owy switch firmy Aaxeon ma swĂłj odpowiednik z portami PoE. PrzeĹ&#x201A;Ä&#x2026;czniki Aaxeon zgodne z IEEE 802.3at dostarczajÄ&#x2026; do 30 W na kaĹźdym porcie, mogÄ&#x2026; wiÄ&#x2122;c zasiliÄ&#x2021; kamerÄ&#x2122; z wbudowanÄ&#x2026; grzaĹ&#x201A;kÄ&#x2026;.

KolejnÄ&#x2026; bardzo uĹźytecznÄ&#x2026; funkcjonalnoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; switchy Aaxeon jest moĹźliwoĹ&#x203A;Ä&#x2021; zasilania switcha napiÄ&#x2122;ciem z przedziaĹ&#x201A;u od 24 V DC do 48 V DC. JeĹ&#x203A;li w szafie mamy tylko napiÄ&#x2122;cie 24 V DC, nie trzeba stosowaÄ&#x2021; dodatkowych zasilaczy lub przetwornic.

Podobnie jak w przypadku przeĹ&#x201A;Ä&#x2026;cznikĂłw sieciowych firma Aaxeon oferuje wiÄ&#x2122;kszoĹ&#x203A;Ä&#x2021; swoich mediakonwerterĂłw nie tylko w wersji standardowej, ale i PoE. OprĂłcz przemysĹ&#x201A;owych mediakonwerterĂłw z serii IMP Aaxeon ma w ofercie caĹ&#x201A;Ä&#x2026; gamÄ&#x2122; komercyjnych mediakonwerterĂłw z portami PoE. UzupeĹ&#x201A;nieniem oferty switchy i mediakonwerterĂłw sÄ&#x2026; gigabitowy injector i splitter. Zasilacz LNP-201AG-T moĹźe przesyĹ&#x201A;aÄ&#x2021; zarĂłwno dane, jak i zasilanie do urzÄ&#x2026;dzeĹ&#x201E; zgodnych z IEEE 802.3at. Splitter LNP101AG-T umoĹźliwia rozszycie zasilania i danych przesyĹ&#x201A;anych jednym kablem. OprĂłcz typowych urzÄ&#x2026;dzeĹ&#x201E; PSE Aaxeon oferuje Promocja

szereg urzÄ&#x2026;dzeĹ&#x201E; PoE PD. W ofercie znajdziemy m.in. punkty dostÄ&#x2122;powe, routery Wi-Fi oraz serwery porĂłw szeregowych. We wszystkich urzÄ&#x2026;dzaniach port Ethernet zgodny z PoE PD moĹźe byÄ&#x2021; gĹ&#x201A;Ăłwnym lub rezerwowym ĹşrĂłdĹ&#x201A;em zasilania.

PopularnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; standardu PoE podyktowana jest wzglÄ&#x2122;dami praktycznymi. JeĹ&#x203A;li mamy do czynienia z aplikacjÄ&#x2026;, w ktĂłrej urzÄ&#x2026;dzenia peryferyjne znajdujÄ&#x2026; siÄ&#x2122; w trudno dostÄ&#x2122;pnych lokalizacjach, PoE wydaje siÄ&#x2122; byÄ&#x2021; idealnym sposobem dostarczania zasilania.

Cezary Kalista AAXEON Technologies Sp. z o.o. tel. 22 862 88 81 e-mail: info@aaxeon.pl, www.aaxeon.com.pl REKLAMA

SZUKASZ PRODUKTĂ&#x201C;W POE? +0ÂŤ 0<ÄŁ/Ä? ÄŻ( 3275=(%8-(0< 6:,7&+$ 3 2 ( :,Ä?&(MOCY...

Produkty Power Over Ethernet firmy Aaxeon

Managed PoE Switch

Unmanaged PoE Switch

Gigabit PoE Switch

PoE+ Switch

PoE Splitter

PoE Media Converter

Ĺš Do 30W na kaĹźdym porcie POE Ĺš Szeroki zakres temperatury pracy

TEL.: +48 22 862 88 81

|

Ĺš Wzmocniona obudowa IP30 Ĺš 5 lat gwarancji

E-MAIL: info@aaxeon.pl www.aaxeon.pl

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 12/2012

51

Aplikacje Przemysł medyczny

Roboty wspomagają produkcję nowoczesnych aparatów słuchowych

Od lewej: Lars Gasberg, kierownik sprzedaży w firmie Armiga oraz Arne Oddershede, lider grupy w dziale utrzymania ruchu w firmie Oticon

potrzebę ciągłej adaptacji procesów produkcji.

Współcześnie standardem stała się szeroka gama modeli i zarazem mniejsze partie, które w dalszym ciągu muszą być produkowane w jak najbardziej ekonomiczny sposób.

Właśnie dlatego producent aparatów słuchowych Oticon zdecydował się na automatyzację procesu produkcji. Wykorzystuje roboty przemysłowe w procesie produkcji seryjnej, a także przy opracowywaniu nowych produktów.

Oticon część swoich produktów wytwarza w Danii, testując je do czasu, aż będą gotowe do produkcji seryjnej. – Jesteśmy czymś w rodzaju stanowiska badawczego dla nowoopracowanych produktów i tu produkujemy nasze aparaty wewnątrzuszne – wyjaśnia Arne Oddershede, lider grupy w dziale utrzymania ruchu Oticonu.

Spółka wykorzystuje roboty od 10 lat. Rynkowa tendencja do miniaturyzacji aparatów słuchowych postawiła przed firmą nowe wyzwania związane z produkcją i składaniem bardzo małych części. Duże, dwu- i trzyosiowe roboty, wykorzystywane dotychczas przez Oticon nie były w stanie sprostać temu zadaniu. Nie dało się tego zrobić także ręcznie.

– Części nowoczesnych aparatów słuchowych stają się coraz mniejsze, osiągając wielkość milimetra. Szukaliśmy rozwiązania, które umożliwiłoby wyciąganie małych elementów z formy. Było to niemożliwe nawet manualnie. Już od jakiegoś czasu postawiliśmy na automatyzację procesu produkcji, jednak do tego celu potrzebowaliśmy elastycznego rozwiązania, które w przypadku mniejszych serii produkcyjnych byłoby również ekonomiczne – dodaje Arne Oddershede.

Elastyczne ramię sześcioosiowego robota Firma Armiga, specjalizująca się w integracji systemów i dystrybucji robotów Universal Robots, zaopatrzyła Oticon w rozwiązanie odpowiednie do ich potrzeb w postaci lekkiego, sześcioosiowego robota UR5 o udźwigu 5 kg. – Zdaliśmy sobie sprawę, że roboty dwu- i trzyosiowe nie są odpowiednie do tego zadania. Ruchy ramienia do przodu, do tyłu, w górę i w dół nie były wystarczające. Jeżeli na przykład drobna

52

Promocja

Fot. Universal Robots

Szybki rozwój inżynierii medycznej oznacza

następnie gromadzone w osobnych szklanych rurkach. System próżniowy gwarantuje uniknięcie uszkodzeń delikatnych elementów.

W przypadku odlewania bardziej złożonych komponentów narzędzie ssące wymienione jest na pneumatyczny chwytak. Dzięki sześciu osiom UR5 może obracać lub przechylać części w celu szybkiego ich podniesienia z formy. Robot pracuje w cyklach trwających od czterech do siedmiu sekund, w zależności od wielkości serii produkcyjnej oraz komponentu.

Uniwersalne roboty

część utknie w formie, musi istnieć możliwość wyciągnięcia jej – mówi Lars Gasberg, kierownik sprzedaży w firmie Armiga. Intuicyjna obsługa i precyzja, z jaką pracują roboty Universal Robots, zadecydowały o ich wyborze przez Oticon. Ważnym czynnikiem była również możliwość wykorzystania robota przy produkcji małych serii, a co za tym idzie sprzedaż aparatów słuchowych po konkurencyjnych cenach.

Funkcjonalność dostosowana do potrzeb produkcji Montaż robota w formierni Oticon trwał zaledwie jeden dzień. Zadaniem UR5 jest obsługa bardzo małych części,

takich jak filtry antywoskowinowe wielkości zaledwie milimetra.

Robot, dobrze przymocowany do wtryskarki, przesuwa się nad jej formą i wyciąga z niej plastikowe elementy, wykorzystując specjalnie zaprojektowany system próżniowy. Może to robić dzięki narzędziu ssącemu, które jest w stanie pomieścić jednocześnie do czterech komponentów. Robot UR5 jest zaprogramowany w taki sposób, aby mechanizm ssący uruchamiał się wyłącznie w przypadku, kiedy forma jest otwarta. Po zabraniu części robot odsuwa się, a wtryskarka przygotowuje się do nowej operacji odlewania. Wszystkie komponenty z tej samej formy są

Bardzo ważne było dla nas to, że robot jest łatwo dostępny i logicznie zaprojektowany. Łatwo go także przeprogramować. Tradycyjne roboty posiadają komputery i wymagają specjalnie przeszkolonego personelu – programistów.

W przypadku robota UR5 każdy z naszych techników może dosłownie chwycić go i pokazać mu ruch do wykonania – mówi Arne Oddershede.

Robot Universal Robots może działać bez ogrodzenia zabezpieczającego oraz innych specjalnych zabezpieczeń.

Tryb współpracy zapewnia bezpieczeństwo personelu pracującego w pobliżu robota. Gdy tylko pracownik zetknie się z ramieniem robota i zadziała na niego siła wynosząca przynajmniej 150 N, ramię robota automatycznie przestanie działać. Centrum Badań Materiałów w Duńskim Instytucie Technicznym potwierdziło, że tryb bezpieczeństwa robota spełnia wymagania w zakresie współpracy z ludźmi w zakładach produkcyjnych zgodnie z europejską normą PN-EN ISO 10218.

Fot. Universal Robots

Efektywna inwestycja Dodatkowym argumentem przemawiający za nabyciem robota od firmy Universal Robots była przystępna cena. Inwestycja zwróciła się w ciągu krótkiego okresu (kilku miesięcy). Ponadto koszty eksploatacyjne są rozsądne, ponieważ robot pracuje w sposób szczególnie efektywny pod względem zużycia energii elektrycznej. – Robot UR5 spełnił wszystkie nasze wymagania – wyjaśnia Arne Oddershede.

Oticon wprowadził obecnie do użytku drugiego robota, wykorzystywanego do tego samego zakresu zadań, do swojego zakładu produkcyjnego w Polsce.

UNIVERSAL ROBOTS www.universal-robots.com

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

53

Rozmowa PAR PAR

Spotykamy się w dniu rozdania nagród w konkursie ASTOR na najlepszą pracę dyplomową [relacja z tego wydarzenia na s. 18 – p. red.]. Inicjatywa ta liczy już sobie kilkanaście lat, i nadal cieszy się niesłabnącym zainteresowaniem Konkurs realizujemy od 1999 roku.

W ciągu ostatnich dwóch lat zmieniona została metodyka pracy jury, przez co formuła konkursu zyskała na atrakcyjności. Zapraszamy wszystkich nominowanych wraz z promotorami. Finaliści przedstawiają swoje prace, a jury obraduje w przerwie i wyłania zwycięzców.

Jak pokazały to poprzednie edycje, niektóre prace zyskują podczas prezentacji, inne tracą – taki system lepiej się sprawdza i jest bardziej sprawiedliwy. Dawniej laureaci byli wyłaniani na podstawie analizy nadesłanych prac.

Doświadczenia ostatnich dwóch lat pokazują wyraźnie, że nowa formuła konkursu, mimo że jest bardziej wymagająca dla uczestników, pozwala jury lepiej zrozumieć prezentowane zagadnienia i problemy.

Rozmowa ze Stefanem Życzkowskim, prezesem firmy ASTOR

54

Podobno Pańska firma wyrosła z Pana hobby. Czy mógłby Pan przypomnieć tę historię? Czy to prawda, że kapitałem zakładowym były pieniądze zarobione przez Pana podczas studiów?

Tak, na początku, w systemie domowej manufaktury pisałem oprogramowanie i konstruowałem urządzenia elektroniczne, które potem sprzedawałem.

Pierwszy mój wyrób mam u siebie w biurze do tej pory. Sukces rynkowy tego urządzenia wywołał u mnie chęć założenia firmy. Na początku wszystko było „domowe”: kupowanie tranzystorów czy układów elektronicznych, ale potem nastąpiła komercjalizacja

Fot. PAR

Chcemy walczyć z niechęcią polskich przedsiębiorców do inwestowania w robotykę

A czy zatrudniają Państwo laureatów konkursu?

Jednym z założeń działań wspierających edukację, jakie podejmuje firma ASTOR, a takim jest organizacja konkursu prac dyplomowych, jest popularyzacja nowoczesnych technologii wśród studentów. Nasza silna pozycja na rynku zależy od członków naszego zespołu: doświadczonych specjalistów i znawców branży oraz najlepszych absolwentów uczelni technicznych. Widzimy potencjał, jaki drzemie w finalistach – naturalnym jest więc fakt, że na przestrzeni lat kilku zatrudnionych laureatów znalazło pracę w ASTOR-ze. Co więcej, wielu z nich dostało etat w naszych firmach partnerskich.

procesu. W pierwszej fazie rozwoju firmy wyprodukowałem 100 takich interfejsów, urządzeń do komputera ZXSpectrum, sprzedałem je wszystkie i… powiedziałem, że to nie dla mnie.

Fot. PAR

Właśnie, co zadecydowało o tym, że na początku lat 90. zmienił Pan branżę?

Przede wszystkim już wtedy wiedziałem, że komputery będą dostępne dla wszystkich, że będzie je można kupić nawet w sklepach typu Carrefour czy Géant, tylko pomyliłem się w tych przewidywaniach o dekadę. Zauważyłem, że na tym rynku działa mnóstwo ludzi i że ta branża nie wymaga bardzo zaawansowanej wiedzy. A ja chciałem mieć firmę opartą na wiedzy, działającą w niszy rynkowej, gdzie tę wiedzę będziemy zdobywać, sprzedawać i ktoś będzie chciał za nią zapłacić. Wiedza potrzebna w branży komputerowej jest bardzo płytka. Skończyłem studia i nie chciałem konkurować ceną, nie chciałem mieć kolejnego salonu komputerowego.

Wówczas postanowił Pan wejść na rynek sterowników PLC. Tak, chciałem zajmować się sterownikami programowalnymi, czyli urządzeniami w klasie PLC, które teraz są powszechnie stosowane. Wówczas, na polskim rynku dostępna była właściwie tylko oferta firmy Siemens. Już w stanie wojennym, amerykańskie przedsiębiorstwa wycofały całą technologię z Polski, natomiast Niemcy wyszli z założenia, że embargo embargiem, ale business is business. Toteż w latach 80. dominowała technologia niemiecka. W praktyce więc w Polsce były dostępne nowoczesne urządzenia, choć nieliczne i ekstremalnie drogie.

W 1992 roku napisałem listy do pięciu firm: GE Fanuc, Siemens i trzech innych, które już nie istnieją. Tylko jedna firma mi odpowiedziała. Tak rozpoczęła się nasza współpraca z GE Fanuc.

Pojechałem do Berlina na spotkanie.

Wtedy inaczej robiło się biznes – wystarczyło mieć trochę kapitału, świadomości i wydukać po angielsku, że się chce. Autoryzowanym dystrybutorem zostałem w ciągu dwóch tygodni. Potem nastąpił bardzo trudny okres, którego wiele osób nie dałoby rady przejść, ponieważ od momentu rozpoczęcia współpracy z GE Fanuc (obecnie GE Intelligent Platforms) do sprzedaży pierwszego sterownika minęło aż 9 miesięcy.

We wrześniu 1992 roku sprzedaliśmy

pierwsze sterowniki, a wcześniej żyliśmy na garnuszku u rodziców, tzn. koszty mieliśmy jeszcze bardzo mocno zredukowane i nadal prowadziliśmy biznes komputerowy. Jedno, co może nadal zostaje aktualne w kontekście branży automatyki przemysłowej to to, że jest to rynek z jednej strony stabilny, a z drugiej strony długookresowy. Trzeba umieć przeżyć początkową próbę ognia.

Im dłużej się na jakiś rynek wchodzi, tym też trudniej się z niego spada, ponieważ każdemu nowemu graczowi jest równie trudno wejść.

A jak to się stało, że ASTOR zajął się robotyzacją? Zaczynali Państwo od dystrybucji robotów Fanuc, z którą to firmą weszli Państwo we współpracę przez GE Fanuc…

W maju 1993 roku pojechałem na zlot najlepszych dystrybutorów firmy GE

pojawiła się sprzedaż i pieniądze, podążyły za nimi problemy, bo nie domówiliśmy wszystkiego dobrze na początku.

Podjąłem więc decyzję o zaprzestaniu współpracy. W ciągu dwóch tygodni przenieśliśmy się na roboty Kawasaki.

To firma, która ma dystrybutorów i inną strategię. Co ciekawe, nasza rezygnacja wywołała mocny oddźwięk w GE Fanuc, odebrałem wiele ciekawych telefonów, a trzy lata później GE rozłączyło się z firmą Fanuc.

Niedawno nawiązali Państwo współpracę z Epsonem.

Tak, roboty firmy Epson miały swoją oficjalną premierę podczas tegorocznych Targów ROBOTshow w Sosnowcu. Wprowadzenie ich do oferty ASTOR-a nie stanowi konkurencji dla Kawasaki, ponieważ Epson produkuje roboty innej klasy. Są to roboty 4-osiowe

Dziś, po wielu zmianach na rynku, pracuje u nas wielu młodych ludzi, ale mamy też ludzi z kilkunastoletnim doświadczeniem, znających nasze systemy na wylot. To właśnie odróżnia nas od innych firm.

Fanuc w Europie. Od dwóch lat firma GE Fanuc (która była odrębną spółką) dzieliła budynek z Fanuc Robotics. Poszliśmy tam na zwiedzanie zakładu i okazało się, że ich szef znał doskonale szefa firmy Fanuc Europe, która nie miała w Polsce dystrybutora. W ten sposób się poznaliśmy. Niedługo potem podpisaliśmy z firmą Fanuc kontrakt na dystrybucję robotów.

Trzeba uczciwie powiedzieć, że Fanuc nauczył nas robotyki, dał nam solidne podstawy. Natomiast dość szybko przekonaliśmy się, że Fanuc ma zupełnie inną strategię rynkową i nie współpracuje z dystrybutorami, wszędzie ma własne oddziały. Także nas firma nie traktowała jak dystrybutora. Dziś, kiedy szukamy dostawcy, sprawdzamy od razu, czy w danej organizacji istnieje doroczne spotkanie dystrybutorów. Jego brak zwiastuje kłopoty. Wspomniane kłopoty objawiły się po paru latach współpracy z firmą Fanuc. Wbrew pozorom, Fanuc nie był w Polsce w ogóle znany i z wielkim trudem wprowadziliśmy go na rodzimy rynek. Kiedy zaś

typu SCARA, w których Epson jest liderem na rynku europejskim. Firma nie miała dobrego dystrybutora w Polsce, postanowiliśmy więc rozszerzyć naszą ofertę. To małe, lekkie roboty, z którymi wiążemy duże nadzieje. Chcemy walczyć z niechęcią polskich przedsiębiorców do inwestowania w robotykę.

W Polsce sprzedaje się około 300 robotów rocznie, podczas gdy w również 40-milionowej Korei – około 2 tysięcy.

Jesteśmy więc tygrysem ze stępionymi zębami. Brak inwestycji w robotykę w Polsce nie jest kwestią finansów, lecz panującej bojaźni. Naszą rolą jest przybliżanie robotyki przedsiębiorcom.

A jak jest dziś?

Inaczej niż w latach 90. Obecnie wejść na rynek automatyki jest niezwykle trudno, aczkolwiek zawsze pojawiają się nowe technologie, możliwości. Pojawiają się nowe firmy i utrzymują się na rynku dłużej czy krócej. Natomiast dla mnie wyznacznikiem sukcesu jest czas jego trwania. Sukces jednokrotny typu boom, gdzie np. w jednym roku notuje

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

55

Rozmowa PAR

się niewyobrażalnie dużą sprzedaż, nigdy nie był moim priorytetem. Zawsze chciałem budować biznes, który będzie i dziś, i jutro. Stworzyliśmy firmę w oparciu o wiedzę i doświadczenie, a żeby sprzedawać wiedzę, trzeba ją posiadać. W ASTOR-ze powszechna jest świadomość ciągłego doskonalenia.

Nieustannie się doszkalamy, a potem tę wiedzę przekazujemy naszym klientom. Za klucz do sukcesu naszej firmy uważam także fakt braku rotacji kadr przez wiele lat, aktualnie nie przekracza ona 3 % rocznie. Z perspektywy 25 lat mogę stwierdzić, że rotacja na poziomie 1 % była zbyt mała. To nie zdarza się

Stefan Życzkowski, prezes ASTOR Sp. z o.o.

Absolwent Wydziału Mechanicznego Politechniki Krakowskiej.

Znawca krajowych i zagranicznych rynków automatyki. Współzałożyciel firmy ASTOR i jej prezes od 1987 roku.

Pod jego kierownictwem firma rozwinęła się z dwuosobowej firmy rodzinnej do spółki o ogólnopolskim zasięgu, będącej liderem wśród dostawców systemów sterowania, oprogramowania i robotyki.

W przyjętej strategii dla ASTOR, konsekwentnie opiera się na dystrybucji produktów, w połączeniu z profesjonalnym wsparciem technicznym.

Wprowadził do oferty firmy rozwiązania czołowych producentów automatyki przemysłowej: od 20 lat reprezentuje na polskim rynku rozwiązania GE z zakresu systemów sterowania, od 16 lat firmę Wonderware – światowego lidera w zakresie rozwiązań informatycznych do zarządzania i śledzenia produkcji, a od ponad 7 lat popularyzuje robotyzację w polskich zakładach przemysłowych.

56

powszechnie. Dziś, po wielu zmianach na rynku, pracuje u nas wielu młodych ludzi, ale mamy też ludzi z kilkunastoletnim doświadczeniem, znających nasze systemy na wylot. To właśnie odróżnia nas od innych firm.

Wspomniał Pan, że rozwój firmy rozpoczął od znalezienia niszy. A co teraz, po 25 latach? Kolejna nisza?

Teraz mamy kolejny punkt rozwoju.

Przez wiele lat pięliśmy się w górę, zarówno jeżeli chodzi o wizerunek firmy, jej pozycję, kompetencje, jak i możliwości. Oferujemy teraz nowoczesne, kompleksowe rozwiązania dla dużych i bogatych przedsiębiorstw. Odnosimy sukces w obszarze, nazwijmy to, trudnych i droższych aplikacji.

Właśnie zdecydowaliśmy, że otworzymy nową linię produktową ekonomicznych komponentów automatyki dla firm. Będzie to cała linia produktów, dostępna on-line, ale również w standardowej sprzedaży. Chcemy wyodrębnić atrakcyjną cenowo, sprawdzoną automatykę, która właśnie w sposób bardziej automatyczny będzie sprzedawana firmom, które potrzebują mniejszego wsparcia w zakresie wdrażania systemów. Przewidujemy więc atrakcyjne rabaty dla firm integratorskich. Będzie temu towarzyszyła nowa strona internetowa, ponieważ doszliśmy do wniosku, że nie zmieści się to pod jedną marką. Tak więc, będzie to trend równoległy. W tej chwili ASTOR współpracuje z wieloma użytkownikami końcowymi, robi duże projekty dla olbrzymich instalacji, a że wywodzimy się z małych instalacji, chcemy do tego wrócić. Ćwierćwiecze to czas podsumowań.

Co było powodem zgolenia brody przez Pana?

Może opowiem tę historię od początku. W 1992 roku, kiedy byłem bardzo młody, pukałem do drzwi i usiłowałem sprzedać sterowniki. Wyraźnie odczuwałem, że klienci nie traktują mnie poważnie. Wówczas, jedynie z przyczyn „technicznych”, żeby wyglądać starzej, zapuściłem brodę. Po ponad 20 latach już nie muszę się postarzać. Kolejne 20 lat będę działał w automatyce polskiej bez brody.

Nie mieliśmy nic, nawet referencji.

Wiele firm z branży automatyki wywodzi się z firm, które istniały jeszcze w poprzednim systemie gospodarczym, w latach 70. i 80., w czasach socjalizmu. My założyliśmy firmę od zera, nie mając żadnego doświadczenia. Skończyłem studia i nawet nie wiedziałem, że istnieje coś takiego jak sterownik PLC. Wszystkiego nauczyłem się po studiach.

A teraz, czy studenci przychodzący do Pana firmy wiedzą już, co to sterownik?

Według mnie, znacznie podwyższył się poziom nauczania w szkołach, wbrew temu co się mówi. Nie wiem, czy to dotyczy wszystkich szkół, czy tylko najlepszych, ale studenci przychodzący do nas są znakomicie wykształceni i energiczni. Jedyna trudność polega na tym, że reprezentują inne pokolenie, są wychowani w zupełnie innym środowisku. Jeżeli jednak rozumie się tę różnicę i potrafi z nimi postępować, co wcale nie jest łatwe, to można osiągnąć naprawdę świetne rezultaty.

Bardzo łatwo jest generalizować, narzekając na młode pokolenie. My zrozumieliśmy kilka lat temu, że po prostu trzeba umieć do nich dotrzeć. Trzeba nauczyć się pracować z różnymi ludźmi. Reasumując, obecni absolwenci są znacznie lepiej wykwalifikowani niż w latach 90.

Czyli nie podpisze się Pan pod nadal pokutującą opinią, że uczelnie produkują osoby zupełnie nieprzystosowane do rynku pracy, które trzeba wszystkiego uczyć od podstaw?

Nie. Najprościej jest zrzucić na kogoś winę. Oczywiście jest dyskusja o profilu nauczania i o tym, że studia humanistyczne generują bezrobotnych, natomiast studia techniczne nie stwarzają tego problemu. To nie jest wina uczelni, że ktoś jest taki czy inny. To cechy indywidualne danej osoby. Ludzie są różni. Będę bronił polskich uczelni, bo mam porównanie z uczelniami zachodnimi.

Rozmawiali Anna Ładan

To już wiadomo, skąd u Pana tak otwarte podejście do studentów i młodych pracowników.

Wiem, jak ciężko jest na początku drogi zawodowej, sam kiedyś zaczynałem.

i Seweryn Ścibior PAR

rynek i technologie

GUENTHER uruchomił produkcję w Polsce Firma Guenther od ponad 40 lat zajmuje się budową elektrycznych czujników temperatury. W 2008 roku powstała spółka-córka o nazwie Guenther Polska Sp. z o.o., zaś w 2012 roku uruchomiono zakład produkcyjny w Polsce.

Niezmiernie cieszy fakt, że w ciągu kilku lat od powstania firmy udało się zatrudnić w Polsce grupę pracowników, która stale się powiększa, a dzięki pełnej zaangażowania pracy, wiedzy i zdobytemu już doświadczeniu umożliwia dalszy wzrost firmy. Oddział produkcyjny zatrudnia obecnie 20 osób. Marka jest znana i rozpoznawana niemal w całym kraju, co jest zasługą doradców technicznych pracujących w różnych częściach Polski.

w produkcji czujników kablowych oporowych i termoparowych dla takich gałęzi przemysłu jak: tworzywa sztuczne, ciśnieniowe odlewnie aluminium i cynku, budowa maszyn i urządzeń oraz dla przemysłu spożywczego i farmaceutycznego. Firma posiada know-how w zakresie produkcji czujników do autoklawów, które są całkowicie szczelne na wodę i parę przy pracy w ciśnieniu do 5 bar i temperaturze do 180 °C. Specjaliści z centrali w Niemczech podkreślają wkład, który firma w Polsce wnosi w tworzenie społeczności międzynarodowej, a także tworzenie – wyłącznie w polskim zakładzie – nowych rozwiązań czujników, które są produkowane dla całej grupy Guenther.

Jakość w Guenther Polska

Fot. Guenther Polska

28 września 2012 roku nastąpiło uroczyste otwarcie nowej siedziby. Z tej okazji firma miała zaszczyt podejmować m.in. przedstawicieli zarządu Günther GmbH oraz licznie przybyłych gości. Nowoczesny budynek, mieszczący się w Długołęce pod Wrocławiem, został tak zaprojektowany, aby można go było rozbudowywać w miarę poszerzania wachlarza produktów. Obiekt składa się z sektora produkcyjnego – wyposażonego w najnowszy park maszynowy, sektora magazynowego oraz biura.

Produkcja w Polsce – poszerzenie oferty Rozpoczęcie produkcji w Polsce pozwoliło zarówno na zwiększenie zatrudnienia, jak i rozszerzenie oferowanego asortymentu. Polski oddział specjalizuje się Promocja

GUENTHER Polska Sp. z o.o. ul. Wrocławska 24B, 55-090 Długołęka tel. 71 352 70 70, fax 71 352 70 71 e-mail: biuro@guenther.com.pl www.guenther.com.pl

REKLAMA

Nowa siedziba firmy

Zespół Guenther, zarówno w Niemczech, jak również w Polsce, kładzie nacisk na wysoką jakość oferowanych produktów oraz obsługę klienta. Obecnie firma jest na etapie wdrażania systemu zarządzania jakością zgodnego z wymaganiami normy ISO 9001 w celu sprawdzania określonych mechanizmów nadzoru oraz dostarczania produktów o najwyższej jakości.

Ostatnio firma Guenther Polska uzyskała pozytywny wynik audytu dostawcy, przeprowadzonego metodą próbkowania, na zgodność z wymaganiami normy ISO 9001 i KJ-06. Wykonała go jedna z firm branży lotniczej, należąca do renomowanej grupy z amerykańskim rodowodem.

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

57

rynek i technologie

Rewolucja przyszłości Nie stworzyliśmy drugiego grafenu, ale materiał, który może pomóc nam zbudować komputery kwantowe – zdradza profesor Tomasz Story, kierownik Oddziału Fizyki Półprzewodników Polskiej Akademii Nauk.

Polska rewolucja komputerowa i odkrycie na miarę grafenu – tak polskie media skomentowały opracowanie przez Pana zespół materiału o nazwie „topologiczny izolator krystaliczny”. Czy to rzeczywiście wielkie odkrycie?

Wiele osób uważa, że na powierzchni naszego materiału prąd powinien płynąć szybciej niż w innych materiałach, zapewniając mniejsze wydzielanie ciepła. Wykorzystanie takich materiałów do połączeń elektrycznych w procesorach komputerów może spowodować, że procesory będą szybsze i nie będą się tak grzać. Stąd pogląd, że zrewolucjonizujemy w ten sposób obecną elektronikę.

Jednak czy jest to rewolucja komputerowa i następca grafenu? Raczej właśnie grafen jest materiałem przyszłości dla elektroniki. Ruchliwość elektronów w grafenie jest bardzo duża w temperaturze pokojowej, a to oznacza bardzo dobry przepływ prądu. Do tego grafem jest niezwykle stabilnym materiałem. Moim zdaniem, przeznaczeniem naszych kryształów będzie co innego.

Do konwencjonalnych procesorów komputerowych nie można w nieskończoność dodawać coraz więcej i więcej coraz mniejszych elementów. Poza problemami fizycznymi (już prawie atomowe rozmiary niektórych układów elektronicznych), trzeba także rozwiązać kluczowy problem techniczny związany z nagrzewaniem się mikroprocesorów w wyniku przepływu prądu. Najlepszym rozwiązaniem byłoby wykorzystanie nadprzewodników, które posiadają zerowy opór elektryczny. Jednak żaden znany materiał nadprzewodnikowy nie pracuje w temperaturze pokojowej i niewielu chyba wierzy, że będziemy takim materiałem dysponowali w bliskiej przyszłości.

Dlatego istnieje koncepcja, że komputery przyszłości będą pracowały inaczej, wykorzystując równolegle obliczenia

58

kwantowe. Problem w tym, z czego je zrobić. Teraz prace badawcze są prowadzone na obiektach takich jak np. kropki kwantowe z półprzewodników lub metali (nanomateriały o typowych rozmiarach rzędu jednej miliardowej części metra) w temperaturach bliskich zera absolutnego, co wymaga zastosowania odpowiednich kriostatów. Tego nikt nie będzie nosił ze sobą w kieszeni jak smartfona. Potrzebny jest obiekt fizyczny – najlepiej, żeby była to powierzchnia kryształu, na której te wszystkie „cuda” kwantowe mogą się dziać. To będzie centralny punkt, który będzie trzeba wykonać z subtelnością liczoną w pojedynczych atomach, a jednocześnie produkowany w milionach egzemplarzy.

Czym zatem jest opracowanie tego materiału?

Kontynuacją wielu lat pracy naukowców na całym świecie. Same kryształy to jest rzeczywiście dużej rangi odkrycie. Dotychczas ta dziedzina była bardzo prosta.

Od dawna wiemy, że mamy materiały, które dobrze przewodzą prąd elektryczny.

Są to przede wszystkim najbardziej znane metale, czyli miedź czy złoto. Mamy też izolatory, dzięki którym prąd płynie tylko tam, gdzie trzeba. Pośrednią pozycję zajmują półprzewodniki, które mogą przewodzić prąd elektryczny w sposób ściśle kontrolowany technologicznie.

To z półprzewodników właśnie (przede wszystkim krzemu) budowane są procesory komputerów i inne układy elektroniczne. Wszystkim wydawało się, że te trzy grupy są dobrze określone. Mieliśmy do ich opisu opracowany bardzo dobry model teoretyczny, tzw. teorię pasmową ciał stałych, która odpowiada na pytanie, który materiał będzie izolatorem, który metalem, a który półprzewodnikiem. Co najważniejsze, teoria ta opisuje poprawnie właściwości fizyczne krzemu, najważniejszego materiału elektronicznego,

który znajdziemy we wszystkich współczesnych komputerach.

Dlatego w zasadzie nikt nie spodziewał się, że są możliwe jeszcze nowe rzeczy. Wszystko zmieniło się około 5 lat temu, gdy pojawiły się przewidywania teoretyczne, że istnieje klasa izolatorów, które mogą mieć na swojej powierzchni metaliczne przewodnictwo. Inaczej mówiąc, w środku kryształu nie płynie prąd, tak jak w izolatorze, ale na powierzchni jest możliwy jego przepływ. Mówimy, że jest tam stan metaliczny. Istnienie takiej metalicznej powierzchni gwarantowane jest przez prawa fizyki kwantowej zastosowane do kryształów zbudowanych z odpowiednich atomów ułożonych w odpowiednio symetryczny sposób.

To był swego rodzaju szok dla naukowców. Zaczęto zastanawiać się, czy te materiały w przyrodzie rzeczywiście istnieją i czy do czegokolwiek mogą się przydać. Dano im dość dziwną nazwę – izolatory topologiczne. Wynika ona stąd, że to naprawdę są izolatory lub półprzewodniki, ale ich przewodzenie elektryczne na powierzchni jest zachowane nawet wtedy, gdy materiał poddawany jest pewnym przekształceniom swojego kształtu.

Badaniami takich przekształceń zajmuje się dział matematyki nazywany topologią.

Takie topologiczne metody badawcze wykorzystali fizycy-teoretycy w swojej pracy nad izolatorami topologicznymi.

Próby wytworzenia prowadzono od 5 lat. Zwykle dotyczyły one materiałów w pewnym stopniu podobnych do siebie, zbudowanych z ciężkich pierwiastków, takich jak bizmut, antymon, rtęć, tellur i selen. To w nich dzieją się te „dziwne rzeczy”, to one mają unikatowe właściwości elektronowe i to w nich potrafi się wytworzyć taka sytuacja, dzięki której oczekujemy metalu na powierzchni izolatora.

Przełom nastąpił w zeszłym roku, kiedy to teoretycy amerykańscy z MIT, czyli jednej z najlepszych na świecie politechnik, przewidzieli, że może istnieć następna grupa tych materiałów, które będą zbudowane z daleko szerszej palety pierwiastków (także ołowiu i cyny).

Skoro założenia teoretyczne były znane od lat, to zapewne wiele zespołów

badawczych chciało jako pierwsze opracować nowy materiał.

Jest dużo nowych pomysłów w fizyce i elektronice, które nie zostały zrealizowane, bo nie ma koniecznych do tego nowych materiałów. Dlatego każdy pomysł jest w tej dziedzinie bardzo szeroko odbierany, dyskutowany i publikowany w najlepszych czasopismach. Tak było i w tym wypadku.

Przeczytaliśmy i uznaliśmy, że powinno nam się udać wytworzyć taki materiał. Kryształ zrobiliśmy sami, bez zewnętrznej pomocy badawczej. Sprawdziliśmy, że prąd w nim płynie rzeczywiście inaczej, czyli po powierzchni. Opublikowaliśmy to w czasopiśmie „Nature Materials”, które uchodzi za najlepsze na świecie w dziedzinie nowych materiałów.

Powiedział Pan „zrobiliśmy”, „zobaczyliśmy”. Rzeczywiście było tak prosto?

Najważniejsze w tym wszystkim było, mówiąc językiem młodzieżowym, „ogarnięcie” na czas. W momencie, kiedy świat dowiedział się o pomyśle naukowców z MIT, zaczął się naprawdę mocny wyścig. Na świecie zajmuje się tym dużo zespołów badawczych, i to tych najlepszych, od Kalifornii i Bostonu, przez Europę do Japonii. Jeśli ktoś spóźnił się z ustawieniem w blokach startowych, to nie miał szans.

Muszę przyznać, że poznaliśmy się na sprawie. Wiedzieliśmy, że to jest nasza szansa. Podobne materiały tworzymy od dawna. Realizujemy projekty z innych dziedzin elektroniki półprzewodnikowej. Laboratorium technologiczne, w którym te kryształy hodujemy, było już gotowe wcześniej. Gdyby nie to, nasza praca nie trwałaby rok, a dużo dłużej.Jednak samo wytworzenie materiału nie dawało nam automatycznie światowego pierwszeństwa.

Olbrzymią wagę miała także publikacja wyników badań.

W dniu, kiedy pokazaliśmy je światu, zrobili to także inni.

Na ogólnoświatowym serwerze służącym do tego celu tego samego dnia ukazały się także wyniki amerykańskie i japońskie. Tyle że my byliśmy pierwsi. To jest wielka frajda dla naukowca.

Co dalej? Często naszym naukowcom zarzuca się, że nawet jeśli coś udało się im wynaleźć, to później są problemy z tego praktycznym wykorzystaniem.

To jest oczywiście trudne. W tym wypadku trzeba jednak pamiętać, że w dziedzinie nowych materiałów są takie, które można wdrażać od razu, oraz takie, w których naturalny horyzont to dekada. Z moich i światowych doświadczeń wynika, że czasem i 20 lat upływa zanim wyjdziemy poza etap tworzenia finalnego materiału. Chodzi tu nie tylko o jego właściwości, ale m.in. o cenę docelową.

Dlatego na biznes i komercyjne wykorzystanie jest jeszcze za wcześnie. Tutaj nawet nie da się ponarzekać, że w Polsce nie ma chętnych, bo nie ma ich jeszcze na całym świecie.

Gdyby jednak nagle okazało się, że ktoś się interesuje kryształami, to jesteśmy gotowi je produkować i sprzedawać. Jakieś doświadczenie w tej materii mamy.

Paweł Olszewski CONSULTING PLUS Sp. z o.o. ul. Wiejska 12, 00-490 Warszawa fax 22 622 35 20 e-mail: biuro@teklaplus.pl www.staze.teklaplus.pl

REKLAMA

tel. 22 622 35 19, 628 21 28

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

59

Nowości Czujniki I systemy pomiarowe

Medal targów HPS 2012 dla miernika The Parker Service Master Plus Urządzenie pomiarowe The Parker Service Master Plus z rodziny urządzeń diagnostycznych SensoControl zostało nagrodzone medalem IX Targów Hydrauliki, Pneumatyki, Sterowania i Napędów HPS 2012, najważniejszego spotkania specjalistów z powyższych branż.

60

Promocja

i fizyczne (stopień ochrony IP64), zwłaszcza w niekorzystnych warunkach, gwarantując niezawodną pracę w terenie.

Ponadto zainstalowany „brzęczek” informuje użytkownika sygnałem dźwiękowym i wibracjami o osiągnięciu bądź przekroczeniu ustawionych granicznych wartości mierzonych parametrów, np. ciśnienia lub temperatury. Jak we wcześniejszych modelach urządzeń z grupy SensoControl, tak również w The Parker Service Master Plus zastosowano technikę automatycznego rozpoznawania podłączonych czujników.

Do urządzenia oferowana jest szeroka gama sensorów pomiarowych, ciśnienia, temperatury, turbin pomiaru przepływu i pomiaru prędkości obrotowej, wykonanych w klasycznej technice analogowej, jak również nowej wersji CAN. Dodatkowe wejścia sygnałów analogowych pozwalają na podłączenie niezdefiniowanych sensorów użytkownika i samodzielne ich sparametryzowanie (sygnał wejściowy 0/4…20 mA, 0…10 V).

Nowoczesne oprogramowanie na PC – SensoWin 7, znajdujące się w każdym zestawie pomiarowym, pozwala na szczegółową analizę zarejestrowanych pomiarów w dowolnym czasie oraz rzetelne

Oprac. red. na podst. mat. pras.

Fot. Parker

The Parker Service Master Plus to nowoczesna konsola pomiarowa z kolorowym ekranem LCD o przekątnej 5,7², która otwiera przed użytkownikiem ogromne możliwości pomiaru i analizy parametrów hydrauliki siłowej i pneumatyki. Dwa moduły do pomiarów analogowych, pozwalające na jednoczesne podłączenie od 8 do 16 analogowych sygnałów pomiarowych, zostały rozbudowane o dodatkowy dwuwejściowy moduł CAN. Umożliwia on pomiar aż z 32 kanałów jednocześnie.

Bateria zasilająca nowej generacji zapewnia nieprzerwaną pracę urządzenia nawet do 8 godzin.

Zastosowanie gniazda karty miniSD, USB, USB Flash pozwoliło na rozbudowanie 64 MB pamięci wewnętrznej (przykładowo pozwalającej zapisać aż 32 miliony punktów pomiarowych) po podłączeniu zewnętrznych nośników nawet do 48 GB pamięci!

Dodatkowy interfejs LAN pozwala użytkownikowi (poprzez sieć Ethernet) na zdalne monitorowanie pracy urządzenia, jak również na odczyt mierzonych parametrów, analizę wyników i zapis danych z dowolnego komputera z dostępem do sieci.

Duży kolorowy wyświetlacz LCD umożliwia szybki i czytelny podgląd mierzonych wielkości, a różnorodne „pulpity” dostarczają użytkownikowi niezbędne dane w postaci cyfrowej, słupkowej lub graficznej, z możliwością precyzyjnej weryfikacji wyników. Wytrzymała i ergonomiczna obudowa, zabezpieczona dodatkowo gumową osłoną, zapewnia wysoką odporność na uszkodzenia mechaniczne

przygotowanie raportu z wynikami i opisanymi wykresami.

The Parker Service Master Plus oferowany jest w trzech podstawowych typach: • z podwójnym modułem CAN, • z podwójnym modułem CAN i modułem Analog, • z podwójnym modułem CAN i podwójnym modułem Analog.

Zestawy pomiarowe konfigurowane są indywidualne i dostarczane w walizce ochronnej, ułatwiającej przechowywanie i transport. Na specjalne życzenie klientów do urządzeń i czujników pomiarowych firma Parker dołącza Certyfikat Kalibracji zgodny z normą ISO 9001.

Obecnie trwają prace nad przygotowaniem polskiej wersji językowej programu SensoWin 7 i instrukcji obsługi urządzenia pomiarowego. Aktualizacje oprogramowania w urządzeniu są bezpłatne i użytkownik może za pomocą pamięci USB Flash, miniSD lub złącza LAN przeprowadzić je samodzielnie.

Więcej informacji można znaleźć na stronie www.parker.com w zakładce SensoControl.

Sygnalizatory świetlne i dźwiękowe Nowości

Wskaźniki LED o wysokiej jasności Firma Turck wprowadziła do swojej oferty pięć nowych wskaźników serii EZ-LIGHT charakteryzujących się

Fot. Turck

wysoką jasnością i zapewniających wyraźną sygnalizację, widoczną nawet z dużej odległości.

Urządzenia te są szczególnie dedykowane do pracy w środowisku o dużym nasłonecznieniu lub w jasno oświetlonych pomieszczeniach. Nowe urządzenia są wykonane w technologii LED, która zapewnia dużą żywotność i niższe zużycie energii w porównaniu do oświetleń fluorescencyjnych lub żarówkowych.

Wskaźnik K50 Beacon generuje wokół siebie światło o wysokim natężeniu, dzięki czemu jest ono widoczne nawet przez opary lub mgłę. Rozwiązanie takie doskonale sprawdza się w aplikacjach bram wjazdowych, kontroli ruchu, myjniach lub na parkingach.

Smuklejsza niż tradycyjne kolumny świetlne, jednakże nieustępująca im jasnością, kolumna TL50 Beacon może mieć do czterech segmentów o dowolnych kolorach sygnalizacji. Każdy z nich charakteryzuje się wysoką jasnością, zapewniając niezawodne wskazania stanu zautomatyzowanych urządzeń.

W ofercie dostępne są wskaźniki świetlne przeznaczone do pracy w świetle słonecznym. Seria Traffic Light przeznaczona jest głównie do aplikacji zarządzania ruchem, natomiast kompaktowe

wskaźniki K50L Daylight Visible oferujące do trzech kolorów sygnalizacji stworzone zostały z myślą o zastosowaniu głównie na maszynach.

Ostatni z nowych produktów K80FL to wielokolorowy wskaźnik o jasnym, równomiernym oświetleniu. Duża, płaska powierzchnia umożliwia wyraźną sygnalizację, co jest kluczowe dla wielu aplikacji.

Cała rodzina EZ-LIGHT charakteryzuje się wytrzymałymi obudowami o neutralnym kolorze, co zapobiega pomyłkom w ocenie załączenia załączonego koloru/ segmentu. W ofercie można znaleźć również szerokie portfolio akcesoriów montażowych. Możliwe są także niestandardowe wykonania specjalne, np. wskaźnik 5-kolorowy, którego barwy wybierane są ze standardowej palety 9 kolorów.

Wskaźniki świetlne EZ-LIGHT to bardzo duża rodzina produktów oferująca rozmaite kształty i rozmiary obudów oraz różne kolory i sposoby sygnalizacji.

Doskonale nadają się do szerokiej gamy zastosowań, m.in. w automatyce przemysłowej, w aplikacjach zewnętrznych (kontrola ruchu, bramy wjazdowe, sygnalizacja pracy maszyn, np. dźwigów),

Nowe wskaźniki LED o wysokiej jasności obejmują serie (zgodnie z kierunkiem wskazówek zegara począwszy od górnej lewej strony): K50 Beacon, K50L Daylight przeznaczony do pracy w świetle dziennym, wielokolorowy K80FL, Traffic Light do kierowania ruchem oraz kolumny świetlne TL50 Beacon (czarna obudowa, sygnał dźwiękowy oraz szara obudowa)

w urządzeniach mobilnych, przy obróbce materiałów czy montażu (rozwiązania pick-to-light).

TURCK Sp. z o.o. tel. 77 443 48 07 e-mail: andrzej.dwojak@turck.com

REKLAMA

MULTIPROTOCOL  UNIWERSALNE MODUŁY SIECIOWE Multiprotocol, czyli 1=3

Multiprotocol to unikalna technologia sieci Ethernet firmy TURCK umożliwiająca obsługę trzech protokołów (Modbus-TCP, Ethernet/IP i PROFINET) za pomocą jednego modułu

Różne wykonania

Nowy protokół dostępny jest w rozproszonych stacjach I/O w wykonaniach: modułowych systemów BL20 (IP20) oraz BL67 (IP67), kompaktowych modułów AIM oraz serii BLcompact (IP67)

www.turck.pl

Zaawansowane technologie i ułatwienia

Automatyczna detekcja sieci, dzięki procesowi samokonfiguracji; zintegrowany switch w każdym wykonaniu; zaawansowana diagnostyka; wbudowany webserwer

Pomiary Automatyka Robotyka nr

Sense it! Connect it! Bus it! Solve it!

Turck sp. z o.o. ul. Wrocławska 115 45-836 Opole Tel. +48 77 443 48 00 Fax +48 77 443 48 01 12/2012 E-mail poland@turck.com Internet: www.turck.com

61

Nowości Zasilanie

Zasilacze do automatyki budynkowej i systemów LED

Diody LED coraz częściej są wykorzystywane jako źródła światła, zastępując tradycyjne żarówki i świetlówki.

Warunkiem długotrwałego i optymalnego użytkowania

• • • • •

chłodzenie przy otwartym obiegu powietrza, temperatura pracy –20~+60 °C, zgodność z szeregiem norm i certyfikatów, MTBF ponad 600 000 godzin, 2 lata gwarancji.

diod LED jest zapewnienie im poprawnego zasilania.

Wojciech Gościniak ELMARK Automatyka Sp. z o.o

Fot. Elmark Automatyka

www.elmark.com.pl

Zasilacze serii ELN firmy Mean Well, dzięki opcjonalnej funkcji ściemniania, doskonale nadają się do systemów oświetleniowych LED oraz automatyki budynkowej. Szeroki zakres napięć wejściowych od 90 do 264 V AC zapewnia stabilną pracę niezależnie od zakłóceń występujących w sieci. Na wyjściu, w zależności od modelu, dostępne są moce 30 i 60 W oraz napięcia od 5 do 48 V, z możliwością regulacji w zakresie ±10 % za pomocą wewnętrznego potencjometru. Opcjonalnie zasilacze posiadają funkcję ściemniania, sterowaną poprzez dodatkowe wyprowadzenia. W wersji oznaczonej literą D ściemnianie odbywa się poprzez zewnętrzne napięcie z zakresu od 1 do 10 V DC, natomiast w wersji P za pomocą modulacji szerokości impulsu (PWM). Takie rozwiązanie pozwala sterować napięciem wyjściowym za pomocą mikroprocesorów lub różnych sterowników (np. przy sterowaniu prędkością wentylatora, jasnością oświetlenia).

Zasilacze mają zabezpieczenia przeciwzwarciowe, przeciążeniowe i przepięciowe. Ich szczelna plastikowa obudowa nie wymaga dodatkowych źródeł chłodzenia, pozwala na pracę w zakresie od –20 do +60 °C, jak również chroni przed wilgocią i zapyleniem. Dużą swobodę montażu dają wyprowadzone przewody oraz możliwość przykręcenia do powierzchni.

Zasilacze spełniają wymagania wielu norm i certyfikatów i są objęte dwuletnią gwarancją producenta: • napięcie zasilania 90–264 V AC, • w pełni izolowana plastikowa obudowa zgodna ze stopniem ochrony IP64, • regulacja napięcia wyjściowego w zakresie ±10 %, • regulacja prądu wyjściowego w zakresie 75 %~103 %, • zabezpieczenie przeciwzwarciowe, przeciążeniowe, nadnapięciowe, • opcjonalnie funkcja ściemniania sterowana 1–10 V DC lub PWM,

62

Promocja

REKLAMA

Nauka

Three-wheeled mobile platform powered by LabVIEW at energy performance index Krzysztof Kaliński, Cezary Buchholz Gdańsk University of Technology

Abstract: Outstanding grow in demand both of mobile platform operability performance and efficiency of project development methodology encourage to apply modern algorithms and reliable engineering tools design. Latest research results confirm that the energy performance index algorithm [1, 2] applied into strongly non-linear mechatronic object developed by use of mechatronic techniques can guarantee sufficient motion control in the reduced time design process. In this paper the authors present three wheeled mobile platform research object developed and controlled with a use of the LabVIEW software environment. In order to boost mobile platform performance and handle its real time surveillance motion process the authors implemented the NI cRIO controller (dedicated Real Time hardware powered by LabVIEW). Mathematical complexity of on-line algorithm and sophisticated model description affected all the process design. Presented paralleled design methodology approach supported by mechatronic techniques [3] (virtual prototyping, Hardware-In-the Loop Simulations and rapid prototyping on a target object) allowed authors to achieve the highest level of a mobile platform system optimisation and increased probability of the final concept success.

ted hardware. This paper discusses the mechatronic techniques (Virtual Prototyping, Hardware-In-the-Loop Simulations and Rapid Prototyping on the target object) supported by LabVIEW used during the design of the surveillance system based on energy performance index. Proposed control algorithm was implemented into Real Time controller cRIO-9076 powered also by LabVIEW and finally integrated with mobile platform (built for experimental purposes).

Presented research object allowed authors to verify responses (for optimal control commands generated by Real Time controller) of the mobile platform while moving on three different trajectories (here the sine one is presented). This paper is organised as follows. General platform model and control algorithm are treated in section 2. Section 3 presents mechatronic techniques used during the research. In addition, partial experimental results are depicted. The mobile platform is presented in section 4. Conclusions are given in section 5.

Keywords: mobile platform, LabVIEW, energy performance index, mechatronic technique, real time

For research reasons, mathematical model of the mobile platform had to be established. An assumed model taken into consideration is presented in fig. 1. Mobile platform is composed of following main parts: chassis 5, driving system ZN and control system ZK. The driving system consists of two wheels 1 and 2, which thanks to differential mechanism are driven by one electrical motor 4. Wheels rotate about their axes, whose positions are invariable in relation to the frame. Components of the control system are: wheel 3 embedded in steering wheel 6, which is driven by the other electrical motor 4.

1. Introduction For mobile platforms operating in harsh environment, like terrain or extraterrestrial planets (e.g. Moon or Mars) and during demanding activities where not only human life is exposed to high risk or performance of process is limited but also precision, high effectiveness and sometimes long term availability are considered, continuous motion, high operability and low power consumption are the core design factors.

Effective power management system with real time algorithms leads to reducing overall energy consumption, increases mobility performance and distributes wheels’ speeds and moments in an optimal way [4, 5]. Increasing computation ability of processors, parallel processing architectures, FPGA (Field Programmable Gate Array) usage and accurate sensors providing the opportunity for improvement of control performance, reduce faults of tolerance and simplify implementation of complex hardware and software design.

However, inadequate design cannot withstand environmental conditions and acquire precise motion control. Moreover, not optimized control system causes dissipation of energy for unnecessary CPU computations and heat losses. Therefore the contemporary modern design process should be based on mechatronic attitude in understanding the effects of dynamic model of the platform and supported by comprehensive mechatronic development environment giving the possibility to prototype, design, simulate and integrate with dedica-

2. Mobile platform model. Control algorithm approach

Fig. 1. Three-wheeled mobile platform model Rys. 1. Model platformy mobilnej Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

63

Nauka

Coordinates a1, a2 and a3 are the rotational angles of three mobile platform wheels 1, 2 and 3 respectively. The angle of steering wheel is denoted by j. Angle b is the rotational angle displacement between the robot frame and fixed coordinate axis x. Point H belongs to control system. Angle q defines rotation of a mobile platform on a circular trajectory.

Point A is a point of intersection of the frame longitudinal symmetry axis with the axis of rotation of wheels 1 and 2.

Dynamics of controlled nonlinear mobile platform can be described as [1]:

(1)

where signs M*, L*, K*, B*, q*, f* and u denote respectively matrices of inertia, damping, stiffness and control, and also vectors of generalised displacements, forces and control commands of the system. Assuming that mobile platform moves on the flat surface, and considering changing with time kinetic energy of the system relatively to trajectory of given motion and du ¹ 0, an optimal control command, for sampling time ∆t, can be formulated [1]:

(2)

Defined control command u(t) for the mobile platform at time instant t, is calculated on a basis of matrices M and L, whose values are generated for time instant t–∆t.

Representing a step of integration ∆t is limited by CPU performance of applied mobile platform controller (here is National Instruments cRIO-9076, 400 MHz, powered by LabVIEW) and has considerable impact on situation where any control command is generated. A lack of control signal (during time period ∆t) can cause significant deviations between actual and desired trajectory of the platform, and thus disturbs energy system balance. Authors followed by the research goals wanted to build system with minimal energy losses (error minimization). Common approach encourages decreasing to minimum time ∆t (mainly by speed up CPU clock frequency) and find minimal error level. In this study limitations of applied controller had to be considered. Fixed CPU clock and willingness to keep application’s real time determinism forced authors to find balance between time ∆t and error level occurrence.

During the study authors investigated remedies for described system balance and defined suitable correction velocities and implemented them into the optimal control command u(t). Defined correction velocities can be given as:

(4)

where: Q – dimensionless matrix of influence of kinetic energy, ˆ – vectors R – matrix of the control command’s effect, q , q , q of actual generalised velocities, generalized velocities in the desired motion, and correction velocities. For time ∆t, where the time determinism is hold, applied correction velocities can lead to elimination of the mobile platform error occurrence and improve considerably system energy efficiency.

In considered research by use of presented in section 3 of this paper mechatronic techniques, optimal signal generation time ∆t was established. During the virtual prototyping technique (first stage of this study) authors adjusted ∆t for 0.001 s, but demanding computation process of on-line algorithm and real time conditions (equalization between simulation and real time clock readings) of the HILS tests verified previous assumptions and final ∆t was set for 0.005 s.

Having ability to use FPGA (integral part of applied controller), authors decided to allocate there certain parts of the algorithm code (responsible for PWM formation). By this move considerable increase of controller output level (decreasing of CPU and memory usage) was obtained.

3. Mechatronic techniques. Design methodology supported by LabVIEW Latest tendency in mechatronic design requires the use of comprehensive development environment giving the possibility to prototype, design, simulate and integrate with dedicated hardware. Similar concept was used to design and develop surveillance system for three wheeled mobile platform.

In order to have a system which reflects research needs, the mobile platform was also, first designed and afterwards created.

Design methodology used during the research was presented in fig. 2.

(3)

where: x H and yH – Cartesian coordinates describing desired position of characteristic point H of the platform in time t; xH and yH – Cartesian coor-

64

dinates describing actual position of characteristic point H of the platform in time t; k – coefficient determined in a way of simulation [6]. Bearing in mind defined correction velocities, ˆ can be calculated and optivector of correction velocities q mal control command (eq. 2) can be modified as follows:

Fig. 2. General overview for mechatronic techniques used during the research Rys. 2. Przyjęta koncepcja projektowania mechatronicznego

Techniques of Virtual prototyping, HILS and finally – rapid prototyping on real target object, were used to assist researchers to complete development process of complex mobile platform surveillance system and achieve (by optimisation of algorithm, configuration, control strategy) highest performance integration with the mobile platform design.

3.1. Virtual prototyping

Modern machines developed to withstand critical operation, but also contemporary ordinary mechatronic devices or customer demands are facing growing challenges. These include verifying more complex mechanical design, hardware and software in a timely and cost effective manner. It also requires to communicate efficiently their specification across design methodology. Virtual prototyping is a technique where authors by creation of virtual model of the mobile platform (differential equations of the mobile platform were computed symbolically in the Maple software; parametrical solutions were implemented into LabVIEW) were able in shortened time to verify responses (on PC) for optimal signals generated by proposed algorithm (virtually implemented into LabVIEW software).

General overview of applied technique was shown on fig. 3.

During this stage of study (virtual prototyping), it was necessary, firststly to guaranty correctness of algorithm implementation (into the LabVIEW) and secondly (in parallel) to achieve optimisation both in controller architecture and model of the mobile platform (by establishing boundary conditions for the final design).

Optimal control signals (torques), defined by eq. 4 were shown in fig. 4 and fig. 5 (for the sine trajectory). In order to verify implementation process of controller and adjust properly coefficients of R and Q matrices (of algorithm) desired solutions (of Langrage equations solved during virtual simulation) together with optimal signals were generated. Similar process was applied for model optimisation, where authors by comparing parameters of the mobile platform kinematics with desired values (generated in the same time) were able to finalize the model design. Responses for the sine trajectory were presented in fig. 6, fig. 7 and fig. 8. It is seen that virtual platform moves on proper trajectories with small error whose occurrence can be explained by high nonlinearity of the model design and applied numerical computation process. With a use of virtual prototyping technique authors in shortened time period achieved desired implementation of the energy performance index and were allowed to conduct complex optimisation process of the controller software architecture (software debugging, pre-adjusting matrices R and Q).

Additionally, numerous values of the mobile platform parameters were verified.

Fig. 4. Steering wheel torque Rys. 4. Moment kierujący

Fig. 5. Propulsion torque Rys. 5. Moment napędowy

Fig. 6. Wheel speeds (virtual prototyping) Rys. 6. Prędkości kątowe poszczególnych kół

3.2. HILS

Fig. 3. Virtual prototyping concept Rys. 3. Koncepcja wirtualnego prototypowania

The concept of the HILS technique has been recognized as effective method for prototyping and design. Authors by the use of the Real Time LabVIEW module performed deterministic test configuration where in synchronism both emulated mobile platform (virtual model created during previous stages of the research) and the real control system (here controller NI cRIO-9076) were tested.

In the presented study the HILS technique with its low cost and flexibility was used to assist researchers to complete development process of complex mobile platform surveillance Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

65

Nauka

Fig. 7. Frame angle (virtual prototyping) Rys. 7. Chwilowa wartość kąta obrotu platformy

Fig. 8. Steering wheel angle (virtual prototyping) Rys. 8. Chwilowa wartość kąta obrotu kierownicy

gned algorithm (eq. 4) implemented into the NI-9076 controller generated in real time for each (defined) trajectory optimal signals (torques). Responses (also in real time) by use of experimental adjustment of matrices R and Q were verified. Control signals (the same as during virtual prototyping) and responses were shown in fig. 11, fig. 12 and fig.

13 respectively. As it was done before, in order to perform verification process correctly, the reference (desired) value for each response was drawn.

Due to the specific setup of the performed test, where virtual model of the research object is investigated (emulated three wheeled mobile platform) differences between responses obtained by the HILS technique and desired values can be seen (virtual simulation). The authors’ research experience taken from this study suggests several aspects which should be considered in the final test evaluations. Considerable meaning in the HILS test results has mathematical model of the research. High non-linearity of the model (mainly inertia matrix) affects difficulties in control stability (matrix coefficients addicted to steering wheel angle).

Additionally sophisticated computational process of differential equations impacts on numerical errors occurrence.

Despite existed differences the test purpose was achieved.

By fulfilling time determinism requirement a sufficient integration time was applied and system energy balance on this stage of study was obtained. Modification of code algorithm execution, where authors decided to split the process for two controller locations: one executed in real time processor and the other executed in the FPGA increased final system performance.

Conducted specific methodology in a surveillance system design resulted possibility of testing different system configurations during different operation conditions avoiding unnecessary damage and without having to build. Occurring similarities in model responses acknowledged that surveillance system was designed correctly with optimal energy configuration efficiency and the success of final integration with real mobile platform can be expected.

system and achieved (by optimisation of algorithm, configuration, control strategy) highest performance of the design.

Experimental setup was presented in fig. 9, where in real time tests the researchers verified response of emulated mobile platform model for control signals (torques) generated by real time controller (where designed algorithm was executed). The authors demonstrated in fig. 10 suitable block diagram where real time controller generates torques signals (i.e. M1, M2 – specific for each trajectory) which via IP network (buffered real time variables were used) are sent to the emulated mobile platform. Based on received torques (M1, M2), in real time process (PC with installed Labview Real Time module) forward dynamic and forward kinematic equations are resolved.

The test was performed for three different mobile platform trajectories: circular, parabolic and sinusoidal (the sinusoidal one is pre- Fig. 9. Experimental setup of the HILS test sented in this paper). The desi- Rys. 9. Stanowisko pomiarowe w technice HILS

66

Fig. 10. Block diagram of the HILS test Rys. 10. Schemat blokowy w technice HILS

Fig. 11. Wheel speeds (HILS) Rys. 11. Prędkości kątowe poszczególnych kół

2. Mobile platform validation while moving on desired trajectories (verification of algorithm performance). 3. Algorithm debugging and control sysFig. 12. Frame angle (HILS) Fig. 13. Steering wheel angle (HILS) tem adjustments (the R and Q Rys. 12. Chwilowa wartość kąta obrotu platformy Rys. 13. Chwilowa wartość kąta obrotu kiematrices, PWM). Checking prorownicy cedure of algorithm performance was executed by measuring deviation between real position 3.3. Rapid prototyping on a real target object of the platform and point 0 of the Cartesian coordinate system 0xy located on desired trajectory. For every trajectory Very often, when the system or the object exists and in the the authors established several places where the measuresame time there is still a need to implement new (machine or ments were taken. The sine test trajectory with check points is presented in fig. 15. The authors in fig. 16 (left) demonone of the part will be automated) or upgrade the old constrated result for the last point of the trajectory taken when trol system (new functionality was introduced) rapid prototyping on real (existing) object is frequently used. In classical the mobile platform moved with 0.17 m/s. Fig. 16 (right) approach, machine controller is prototyped on high advance presents results for the same check point but speed of the real time hardware (i.e. cLogic card) where, by support of platform was set for 0.31 m/s (90 % of max. speed). It is necessary to state that preliminary assumptions suggested dedicated development software environment, control algothat mobile platform would be moving with 0.17 m/s, but rithm can be designed and on the fly compiled. During previous (applied in this study) mechatronic techniques the surprisingly during the commissioning of the system maxioptimal architecture of surveillance system was worked out mal speed was verified to 0.35 m/s. Significant discrepancy is explained by better power efficiency of the DC propulsion and designed mobile platform was built. As it was mentioned before the authors decided to use the cRIO controlengine that it was anticipated and lower gear in the diffeler as a hardware platform for control motion of the mobile rential system as it was given by part distributor. The test results for both applied speeds confirm sufficiently good perrobot. Existing both object and control hardware encouraformance of proposed method to control strongly nonlinear ged authors to modify current survey (technique) and connect prototyping process with the final implementation (and object. During the test the mobile platform reached the final validation). A concept of the prototyping test setup configudestination with demanding repeatability. Small error occurration was show in fig. 14. Considering (iteration) developrence can be avoidable by comparison with the complexity of the trajectory, the distance to travel and the size of object. ment process was organized as follows: 1. Algorithm compilation and deployment to controller (Real Time and FPGA).

Numerical errors should be also considered.

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

67

Nauka

4. Three wheeled mobile platform powered by LabVIEW A concept of the object mechanical construction appeared in early phase of the research and as it was presented in fig. 2, the main idea was to base propulsion system on differential gear connected centrally to electrical motor (Micromotors).

Development process performed together (in number of iterations and feedbacks) with surveillance systems design affected to build mobile platform whose final form (used during experiment) was depicted in fig. 17 (left) (front-side view) and fig. 17 (right) (bottom view). The electrical line scheme was shown in fig. 18. The main component of the presented system was based on cRIO NI-9076 controller powered

by LabVIEW, where the proposed algorithm is computed. Modules NI-9505 play significant role in DC

Fig. 16. Experimental results Rys. 16. Rezultaty przeprowadzonych doświadczeń

Fig. 17. Three wheeled mobile platform Rys. 17. Trójkołowa platforma mobilna

Fig. 14. Block diagram of rapid prototyping on target object Rys. 14. Schemat blokowy techniki szybkiego prototypowania na obiekcie docelowym

Fig. 15. Test trajectory for mobile platform Rys. 15. Trajektoria typu sinus

68

Fig. 18. Mobile platform electrical scheme Rys. 18. Schemat układu elektrycznego

motor control (PWM generation) and give the interface to optical encoders with high resolution (1000 impulses per motor rotation). Optimised level of signal generation frequency forced authors to apply only such solutions which parameters or its characteristics would not influence time system response (i.e. 0.005 s). The cRIO controller concept by high-end and flexible architecture allows to develop deterministic application both in real time processor and FPGA. Authors used this convenience and by splitting algorithm for two parts (as it was mentioned above) afterwards deployed them one by one to dedicated controller location.

5. Conclusion The presented research study in this paper, supported by LabVIEW, allowed by use of mechatronic techniques to develop mobile platform surveillance system and implemented into real time controller (powered by the same software environment).

Validation in conjunction with rapid prototyping on real object confirmed in experimental way, that proposed energy performance index can be widely used to control nonlinear systems.

Tested with success mobile platform trajectory variants and movement speeds guarantee algorithm flexibility in future implementations.

The authors, in order to reduce the project cost, applied the HILS technique to design system with the highest controller performance and energy optimisation. In addition, significant reduction of time verification and extended test possibility of the other design variants were achieved.

Bibliography 1. Kaliński K., Nadzorowanie drgań układów mechanicznych modelowanych dyskretnie, Wyd. Pol. Gdańskiej, 2001, 28–35.

2. Galewski M, Kaliński K., Nadzorowanie drgań przy frezowaniu szybkościowym smukłymi narzędziami ze zmienną prędkością obrotową, Wyd. Pol. Gdańskiej, 2009, 59–63.

3. Petko M., Wybrane metody projektowania mechatronicznego, Instytut Technologii Eksploatacji – PIB, 2008, 15–36.

4. Kaliński K., Buchholz C., Trajectory optimal control of three wheeled mobile platform at time changeable energy performance index, 10th Conference Active Noise and vibration control methods, 2011, Cracow, Poland.

5. Kaliński K., Buchholz C., Error minimisation in orientation and localization by correction velocities for three-wheeled mobile platform at time changeable energy performance index, 16th International Conference on Methods and Models in Automation and Robotics, 2011, Międzyzdroje, Poland.

6. Kaliński K., Buchholz C., Mobile platform power optimisation by control command at time changeable energy performance index, Annual International Workshop 2011 – Dynamic Behaviour of Structures and Materials, Interaction and Friction, 2011, Metz, France.

Środowisko LabVIEW w projektowaniu mechatronicznym trójkołowej platformy mobilnej przy energetycznym wskaźniku jakości Streszczenie: Rosnące wymagania stawiane platformom mobilnym, w zakresie wysokiej operacyjności oraz sprawności energetycznej, skłaniają do stosowania wydajnych algorytmów sterowania ich ruchem, a także efektywnych środowisk projektowania mechatronicznego. Badania autorów są dowodem skuteczności sterowania optymalnego przy energetycznym wskaźniku jakości [1, 2], jako trafnej metody w zastosowaniu do obiektów silnie nieliniowych. Zaimplementowany do systemu sterowania algorytm, którego koncepcja bazuje na rozpatrywanym wskaźniku jakości, zagwarantował przejazd platformy po wytypowanych trajektoriach z oczekiwaną dokładnością. W artykule opisano koncepcję trójkołowej platformy mobilnej, powstałą jako efekt zastosowania wybranych technik projektowania mechatronicznego, czyli [3] wirtualnego prototypowania, HILS (Hardware-In-the-Loop Simulations) oraz szybkiego prototypowania na obiekcie docelowym. Wraz z systemem sterowania bazowało ono na zintegrowanym środowisku LabVIEW. Złożoność matematyczna zastosowanego algorytmu on-line oraz modelu obliczeniowego platformy, a także konieczność sterowania obiektem w czasie rzeczywistym, wymagały użycia dedykowanego sterownika platformy. Wybór jednostki National Instruments cRIO, wraz z zastosowanymi technikami projektowania mechatronicznego, pozwoliły autorom osiągnąć zakładaną skuteczność sterowania platformą mobilną, przy jednoczesnym spełnieniu warunku optymalizacji energetycznej systemu, a także ograniczyć znacząco czas realizacji projektu platformy.

Słowa kluczowe: platforma mobilna, LabVIEW, energetyczny wskaźnik jakości, mechatronika, czas rzeczywisty

Professor Krzysztof Kaliński, PhD He is professor in applied mechanics and mechatronics, Faculty of Mechanical Engineering, Gdańsk University of Technology. He developed his expertise and experience in scope of machine dynamics, robotics, vibration engineering and high speed machining. His research interests concern mechatronic design, dynamics and optimal control, as well as structural and strength analysis. e-mail: kkalinsk@o2.pl Cezary Buchholz, MSc He performs his PhD theses in Faculty of Mechanical Engineering, Gdansk University of Technology. He received his MSc in Faculty of Electronics and Telecommunications and Informatics, Gdańsk University of Technology. He maintains a wide interest in many areas of mechatronics and electronics especially focused on real systems, LabVIEW programming and power electronics. e-mail: cezary.buchholz@gmail.com

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

69

Nauka

Mobile HMI system for the micromachine tool Bogdan Broel-Plater, Paweł Dworak, Marcin Mikołajczak Department of Control Engineering and Robotics, West Pomeranian University of Technology

Abstract: In the paper a mobile visualization system of a numerical micromachine tool using mobile devices: tablet and smartphone is presented. The system is implemented and tested in the Department of Control Engineering and Robotics at the Faculty of Electrical Engineering, West Pomeranian University of Technology in Szczecin on the prototype of micromachine tool which has been built in the framework of the grant N R03 0050 06. Apart basic tasks of the human machine interface (HMI) e.g. monitoring of the main machining parameters, the system provides very advanced functionality comprising remote wireless control of the machine (remote pendant), sound, vibration and text messages (e-mail, SMS), a set of diagnostic functions. The system make it possible to detect and inform the operator about destruction of the device (milling cutter), possibility of exceeding the acceptable tool position errors and incorrect temperatures of the spindle. All These situations are detected by a mechanism that uses fuzzy logic inference. Acquisition of process data and all necessary calculations are carried out in the NI LabVIEW environment with the use of CompactRio and Aerotech controllers and its libraries. The paper presents a functionality and realization of some selected diagnostic functionality: remote communication with operator and the use of fuzzy logic to determine trend of temperature of the spindle.

Keywords: mobile HMI, CNC, diagnostic, fuzzy logic

1. Introduction Over the years, with the development of portable devices, visualization systems for industrial process evolved. Undeniably significant contribution to this development has made consumer electronics market. The rapid development of smartphones and later tablets, enabled designers to create solutions which, even a few years ago, nobody would have thought. Currently offered on the market mobile devices have the computing power of personal computers similar to the prior 10 years, while remaining within the pocket or hand of the operator. Important in terms of ease of use and intuitiveness of the operation of the visualization system is to provide the portable device with a touch screen which eliminates necessity of use a pointing device which as a mouse, stylus or touchpad.

The first portable devices (panels) were equipped with low resolution monochrome touch screens while the contemporary ones use high resolution color LCD. Device used by us an Acer Iconia Tab W500 tablet is equipped with a screen size of 10.1 in with HD Ready WXGA 1280 × 800 resolution. Given the growth rate of the touch-screen devices they will be soon equipped with full HD resolution screens (Acer A 700, iPad 4 [9, 10]. This allows one to create rich,

70

colorful interface elements through which an operator can with one glance at the screen to assess whether all components are working properly.

In addition to the standard HMI functions (Human Machine Interface) the created system features diagnostics of the machine and micromachining process.

Increasing significantly the safety of the process, reducing downtime and increasing the process quality diagnostic is the most useful feature of the modern monitoring and visualization systems [2, 4, 5]. Unfortunately, they are still rarely used in practice, mainly because of the high degree of sophistication and/or the difficulties in the implementation and configuration especially from the point of view of possible implementation for the a micro machine [1, 3, 6, 8]. Relatively easy to intuitively understand and implement are the methods based on fuzzy logic [5]. Simple rules of fuzzy logic [7] seem to be almost perfect to describe the failure of devices and process abnormalities. In the paper functionality and realization of some selected diagnostic functionality: remote communication with operator and the use of fuzzy logic to determine trend of temperature of the spindle is presented.

The organization of this paper is as follows. In Section 2 a structure of the control and visualization system of the micromachine is described. In Section 3 we present some selected features of the developed HMI system for the micromachine. Section 4 describe a fuzzy logic procedure for the assessment of the state of process. We end the paper in Section 5 with conclusions.

2. Structure of the system The machine named SNTM-CM-ZUT-1 has been built in the framework of the grant N R03 0050 06. The linear movements of the spindle in the 3-D space allow three linear Aerotech brushless servomotors: ANT95-50-L-Z (axis Y), ANT95-50-L (axis X) and ANT130-110-L (axis Z). The drives allow to move the spindle and object with the resolution of 1 nm, accuracy ±4 μm, and linear velocity of motion up to 350 mm/s. The machine allows to conduct micromilling process with precision on the level up to 1 nm with accuracy ±3.0 μm.

The spindle is driven by the DC motor 4015 with the servo inverter e@syDrive 4425 and the e@syDrive 4428 feeder, all provided by Syco Tec. It allows to achieve the rotary velocity up to 100.000 rpm, and max torque value 0.04 Nm. The object is oriented perpendicular with reference to the base and the operations are conducted in vertical and horizontal orientation. The depth of operation is obtained in line with the base.

The machine control system consist of three controllers: Aerotech for linear motion, Sycotec spindle controllers and National Instruments CompactRio control for measurement,

diagnostic and supervisory control algorithms. It is complemented by the workstation and some mobile devices used to visualization and remote control of the process. The scheme of the control and visualization system of the micromachine is presented in fig. 1.

Fig. 1. Scheme of the control and visualization system of the micromachine Rys. 1. Schemat systemu wizualizacji i sterowania mikrofrezarką

Communication within the system is realized via Ethernet TCP/IP, except from spindle controller connected to the workstation by RS-232C. The main node of the communication system is then a router, to which an workstation and Epaq and CompactRIO controllers are connected. Its WiFi function allows one to connect to the system a few additional mobile devices e.g. tablets, smartphones or laptops.

This communication channel is coded with WPA2-PSK protocol.

The heart of the system is a workstation, which monitors all system components and the process of machining. It is here where more diagnostic calculations are performer and from where the instructions to the controllers of the devices and process data to operator panels are sent.

Remote HMI systems can be divided into those based on web interface and autonomous, working on mobile devices using Wi-Fi to communicate with the base station controlling the process. While working on a prototype of the numerical micromachining visualization

system we focused on the second of these systems. Webbased interface, despite the many advantages in our case does not fulfill the tasks put before him. Due to the many hours’ time in cut material, the operator should be able to move around the factory floor at the same time having the ability to track and stop a remote process from any place and using any device (HMI implementation). That is also why we decide to implement the HMI system in the National Instruments LabVIEW environment. Possibility to control the Aerotech devices, the LabVIEW flexibility, high level language power and many tools and mechanism provided makes this environment ideal for implementation of the prototype HMI system.

In the implementation an advanced variable-sharing mechanism LabView Shared Variable Engine (SVE) has been used. It allows to share the process variables between the workstation and mobile devices [11].

SVE allows one to share data between loops on a single diagram or between VIs across the network and further on multiple devices among others. PAC controllers, industrial computers and wireless operator panels. In contrast to many existing data sharing methods in LabVIEW, such as UDP/TCP, LabVIEW queues, and Real-Time FIFOs, one typically configure the shared variable at edit time using property dialogs, and do not need to include configuration code in the application.

Communication between devices is performed on an Ethernet network through a protocol NI-PSP (National Instrument Publish and Subscribe Protocol). Simplified diagram of the system data exchange in the visualization system is presented in the fig. 2.

Fig. 2. Diagram of the data exchange using Shared Variable Engine Rys. 2. Schemat funkcjonowania mechanizmu Shared Variable Engine Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

71

Nauka

3. Functions of HMI system

In the header the most important process parameters are presented such as axis status, position and velocity commands Some of the main goals of newly created HMI systems are the and errors. Additionally the right part of the header is dedicapossibility of implementation in the portable device, easiness ted to present the main diagnostic parameters, which allows of modification, configuration and maintenance of the system the operator to quick assessment of the state of machining. and easy adjustment of the interface to user demands. TheApart to the numerical indicators a multicolor led indicators are applied. Three colors used are: green, yellow and red se requirements has been met and the system implemented depicting a proper machining, higher probability of machiwith the use of the high level language G and the National ning failures and alarms, respectively. The most important Instrument LabVIEW environment. state from the point of view of the secure operation is the Basic functions of the implemented system are: “yellow state”. It allows the operator to prevent errors which –– process data presentation, may deteriorate the machining performance or failure of the –– data logging In a Citadel 5 database, cutter. Parameters presented in this area are: position errors –– alarm of the process abnormalities, in axis X, Y and Z, velocity errors in axis X, Y and Z and –– historic data presentation, spindle temperature indicator. Additionally an emergency –– CNC program management, stop button is placed there.

–– remote pendant (manual control of the motors), In the footer of the GUI a two combo box lists and nume–– diagnostics of the state of the tool, temperature of the spindle and prediction of the exceeding of acceptable ric indicators are placed. Each list contains a set of process machining errors. parameters, which values can be presented in the numeric The whole HMI system consists of three elements: full indicator. A chose of parameter is up to the operator and application run on the workstation, which controls the promay be made any time during the operation. It makes it possible to immediate preview the operation parameter of cess, slightly reduced implementation on a tablet and very interest, without the necessity of looking it up in GUI tabs. simplified ones run on a smartphone.

A set of this parameters may be established by operator 4. HMI interface on the workstation during configuration before the process is run.

The main area contains the panel of tabs which present: and tablet detailed parameters of drives, historic data (of freely chosen Due to necessity of the continuous and uninterrupted protime period), CNC program management, remote pendant (manual control), alarms record, detailed system diagnostic cess control and data logging some functions implemented in (including cutter failure and spindle temperature). the workstation and tablet differ slightly, e.g. some functions An important element of the system is data logging and are realized and configured only in the workstation. Apart of that the GUI (graphical user interface) for the workstation alarming of the selected (possible all) machining parameters. The NI LabVIEW Datalogging and Supervisory Conand tablet implementation looks like the same (see fig. 3).

We can distinguish three basic areas of the screen: header, trol (DSC) toolbox provides the mechanism for configuration main part (tabs) and footer. The header and footer areand maintenance of these functions of the system [11]. With as contain always the same selected process parameters.

LabVIEW DSC, one can interactively develop a distributed Thanks to the tabs in the main GUI area we gain access to monitoring and control system with even few thousands tags. detailed processing parameters, historical data, remote penThis module includes tools for communicating to conventiodant and others. nal PLCs as well as programmable automation controllers such as NI CompactRIO targets, logging data to historical databases, managing alarms and events, and developing HMIs all within the single LabVIEW environment. Thus it suits perfectly for realization of the goals of the developed system.

The Citadel 5 databases for data logging and alarming parameters are stored in the workstation, which allows the operator to display them at any time both on the GUI of the workstation and on the remote operator panel realized by a tablet. Thus the operator has a continuous access to the process data and does not have to Fig. 3. Print screen of the workstation and tablet HMI implementation be present by the machine Rys. 3. Zrzut ekranu z systemu wizualizacji stacji roboczej i tabletu during operation.

72

5. HMI interface on the smartphone Due to the relatively small size of the smartphone’s memory and relatively small display resolution, we were forced to significantly reduce the functionality of the interface screen for the device and only the most important process parameters are displayed here. There are diagnostic ones: position and velocity errors, mean square errors of position and velocity. A print screen of the main tab of the smartphone implementation is presented in fig. 4a. a)

b)

Specificity of the mobile devices means that part of the HMI function must be changed. The ability to place the phone in your pocket poses a threat of accidental activation of certain functions, such as pressing the stop button. Therefore, preventive measures are necessary. That is why to avoid accidentally stop the process one has to confirm the action in one second (fig. 4b). The “Confirm” button is visible and available to press only one second after the “Process stop” has been touched.

Apart of the above drawbacks mobile devices offer a set of very useful futures such as SMS, sound and vibration notices which may and are used to inform the operator about the most important process events.

The application is complemented by „Parameters” tab (fig. 5) where two combo box lists and numeric indicators are placed.

They have the same functionality as the ones from footer of the workstation implementation. Thus, in spite of the confined display resolution, it allows the operator to check each available process parameter.

6. Fuzzy description of the process state One of the most innovative features of the presented HMI system are diagnostics functions of device status and running process. The parameters subject to constant monitoring are the position and velocity errors of movement of the tool and spinFig. 4. Main tab of the smartphone HMI implementation dle temperature. Used in diagnostic algorithms will be illustrated on the example Rys. 4. Zrzut ekranu głównej zakładki systemu wizualizacji smartfonu of the analysis of temperature changes of the spindle.

Occurring during machining spindle warm-up phenomenon may lead to a deeper or shallower recess of the cutter in the machined material what is crucial for the machining accuracy comparable to the constant expansion of steel (spindle). Therefore the operator must be able to track the actual temperature of the spindle and get information that should enhance or limit cooling (by increasing the flow of cooling water).

In order to solve this problem we created a fuzzy inference system, which based on current temperature and the temperature derivative, displays the operator some auxiliary instruction. The numerical sharp output varying in the range from –1 to 1, means complete closure and cessation of the cooling process for (–1) or a total opening coolant valve and cessation of treatment (+1).

To design the “controller” the Fuzzy System Designer tool supplied with the NI PID and Fuzzy Logic Toolkit has been used.

Configuration of fuzzy inference system configuration as well as other interface elements is carried out before turning the display system. It allows one to set and view two sets of input membership functions and one set for output.

Temperature membership functions are set based on the Fig. 5. „Parameters” tab of the smartphone HMI current ambient temperature (measured from the tempeRys. 5. Zakładka “Parametry” systemu wizualizacji smartfonu rature sensor), and the desired accuracy. The spindle used Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

73

Nauka

is made mainly of stainless steel, which of the linear coefficient of thermal expansion is 12×10–6/°C, i.e. that increases by 12 µm with a change of 1 °C. The boundaries of membership function are calculated as for which accuracy is maintained on the basis of the above value and the desired accuracy (in µm).

In the case of a set of functions for the temperature derivative the maximum and minimum value of the derivative is assumed. The interface of the system manual configuration is shown in fig. 6.

The following membership functions of input sets (for temperature and its derivatives) has been assumed: for temperature three fuzzy sets TooLow, Optimum, TooHigh, similarly three ones TempDec, TempCon, TempInc for is derivative. The membership functions to these input fuzzy sets are depicted in fig. 7.

Fig. 8. Output membership functions of the fuzzy temperature diagnosis system Rys. 8. Funkcje przynależności wyjścia rozmytego systemu diagnostycznego

Fuzzy evaluation of the temperature of the spindle and the development of instruction to the operator is described using five fuzzy sets: Warm, WachW, Do nothing, WatchC, Cool, which membership functions are presented in fig. 8.

The infering rules for such prepared system may be presented in a form of the infering tab. 1. Thus the result of temperature evaluation is a hint for the operator. The sharp output calculeted with the use of the output membership functions presented in fig. 8 may in future be used to an automatic temperature control. For the time beeing it is only used to inform the operator about the system possible inaccuratnesses or possible failures.

For ease of operation a graphic indicator of the spindle temperature has been prepared. For this purpose a multi-state LED indicator has been designed. It takes four states depicted by color and text messages: Blue, Yellow, Green and Red colors for Warm, Watch, Do nothing and Cool instructions for operator, respectively. It is supplemented by a percentage description of the diagnosis reliability.

The possible appearance of the multi-state LED indicator is presented in fig. 9.

Fig. 6. Manual configuration of the fuzzy diagnosis system Rys. 6. Ręczna konfiguracja parametrów rozmytego systemu diagnostycznego

a)

Fig. 9. Multi-state LED indicator – instructions for operator Rys. 9. Multi-state LED Indicator – instrukcje dla operatora

Such prepared, the system allows the machine operator to rapid diagnosis of the spindle. In order to save memory of the portable devices diagnostic system calculations are performed on a workstation and transmitted through the SVE to other devices of the HMI (tablet and smartphone). b)

Fig. 7. Membership functions for a) temperature b) temperature derivatives Rys. 7. Funkcje przynależności a) aktualnej temperatury, b) pochodnej temperatury

74

7. Conclusions The presented in the paper HMI system has been developed in order to implement and test some new futures of the modern visualization system of the numerical micro machine tool. A quick implementation and easy maintenance of the system was satisfied due to the chosen NI LabVIEW platform. It provides functionality which allows one to extend easily the system by the functionality of e.g. mobile devices, highly advanced control algorithms etc.

The presented functionality: remote communication with operator and the use of fuzzy logic to determine trend of temperature of the spindle shows trends in the development of the new HMI systems, especially those including the diagnostic goals, which as it was shown are relatively easy to implement and its result simple to present to the operator.

The fuzzy logic algorithm used make it possible to detect and inform the operator about the danger of destruction of the device (milling cutter), possibility of exceeding the acceptable tool position errors and incorrect temperatures of the spindle and others. The evaluated results of the fuzzy algorithm (after confirming the correctness of the configuration) may also be easily used in an fully automatic control system.

Acknowledgements The study has been partly supported by the Grant No. N R03 0050 06 financed by the Polish Ministry of Science and Higher Education.

trów obróbki, projektowany system realizuje bardzo zaawansowane funkcje w tym: zdalna kontrola ruchów urządzenia w ręcznym trybie pracy (zdalna wędka), informacje dźwiękowe, tekstowe (SMS, e-mail), wibracje urządzenia, zestaw funkcji diagnostycznych. Ponadto przewidziano w systemie możliwość informowania operatora o zniszczeniu narzędzia (freza), możliwości przekroczenia akceptowalnych wartości błędów obróbki oraz niepoprawnej temperaturze wrzeciona. Wszystkie te nieprawidłowości wykrywane są przy użyciu algorytmów wykorzystujących logikę rozmytą. Akwizycja wartości zmiennych procesowych oraz wszystkie niezbędne obliczenia przeprowadzane są z wykorzystaniem oprogramowania NI LabVIEW oraz sterowników CompacRio, kontrolerów Aerotech i ich bibliotek. W artykule skupiliśmy się na dwóch wybranych elementach systemu: zdalnym informowaniu operatora urządzenia oraz wykorzystaniu logiki rozmytej do określenia trendu temperatury wrzeciona.

Słowa kluczowe: mobilne HMI, CNC, diagnostyka, logika rozmyta

Bibliography 1. Chae J., Park S.S., Freiheit T., Investigation of microcutting operations, “International Journal of Machine Tools and Manufacture”, vol. 46, no. 3–4, 2011, 313–332.

2. Frank P.M., Fault diagnosis for linear systems, Control Systems, Robotics, and Automation, 16, 2011.

3. Kang1 I.S., Jeong S.K., Yong W.S., Cutting force model considering tool edge geometry for micro end milling process, “Journal of Mechanical Science and Technology”, vol. 22, 2008, 293–299.

4. Korbicz J., Kościelny J.M., Modeling, Diagnostics and Process Control: Implementation in the DiaSter System, Berlin, Springer, 2010.

5. Korbicz J. et al. Fault Diagnosis: Models, Artificial Intelligence, Applications, Berlin, Springer, 2004.

6. Malekian M., Park S.S., Jun Martin B.G., Tool wear monitoring of micro-milling operations, “Journal of Materials Processing Technology”, vol. 209, 2009, 4903– 4914.

7. Rutkowski L., Metody i techniki sztucznej inteligencji, PWN, 2005.

8. Wang J., Gong Y., Abba G., Antoine J.F., Shi J., Chip formation analysis in micromilling operation, “International Journal of Advanced Manufacturing Technology”, vol. 45, no. 5–6, 2009, 430–447.

9. [www.acer.com].

10. [www.apple.com].

11. [www.ni.com].

Mobilny system wizualizacji mikroobrabiarki Streszczenie: W artykule przedstawiono mobilny system wizualizacji mikroobrabiarki numerycznej wykorzystujący urządzenia mobilne: tablet i smartfon. System jest wdrażany i testowany w katedrze Automatyki Przemysłowej i Robotyki na Wydziale Elektrycznym Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie na prototypie mikroobrabiarki powstającej w ramach grantu N R03 0050 06. Oprócz podstawowych zadań interfejsu HMI (ang. Human Machine Interface), do których należą do nich między innymi monitorowanie głównych parame-

Bogdan Broel-Plater, PhD He received the MSc and PhD degrees in control engineering in 1975 and 1986, respectively. Currently assistant professor in the Department of Control Engineering and Robotics, Faculty of Electrical Engineering, West Pomeranian University of Technology in Szczecin. Main scientific interests: programmable logic controllers, industrial application of fuzzy-logic control, mechatronics. e-mail: bbp@zut.edu.pl Paweł Dworak, PhD He received the MSc and PhD degrees in control engineering in 1999 and 2005, respectively. Currently assistant professor in the Department of Control Engineering and Robotic, West Pomeranian University of Technology, Szczecin. Main scientific interests: multivariable control systems, adaptive control, process data acquisition and visualization, industrial applications of modern control algorithms. e-mail: pawel.dworak@zut.edu.pl Marcin Mikołajczak, BSc The first graduate degree (BSc) in Automatic Control and Robotics at the faculty of Electrical Engineering at West Pomeranian University of Technology in Szczecin, currently a student of second degree (MSc) in Automatic Control and Robotics at the faculty of Electrical Engineering at West Pomeranian University of Technology in Szczecin.

Interest in new technologies and building automation. e-mail: marcin.mikołajczak@gmail.com

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

75

Nauka

The influence of properties of a measured object on the surface digitalization performed by a laser scanner integrated with measuring arm Michał Rak, Adam Woźniak Institute of Metrology and Biomedical Engineering, Warsaw University of Technology

Abstract: Examining the influence of properties of the measured object on the surface digitization is a purpose of this article. Properties of an object are understood by the surface condition – its roughness, curvature and reflectivity, as well as the material composition of the measured object. A surface roughness was the first studied parameter. Tests were performed on standards of a roughness. It was checked how the roughness profile’s height affects the accuracy of collected points. Measurements were performed for both reflective and scattering surfaces. It was also examined whether the scanning direction, perpendicular or parallel to the roughness profile affects the result significantly. The second part of the study was based on measurements of balls. For researches ceramic balls were chosen due to the accuracy of their making. In this case finding balls made of a material that allows the measurement by laser triangulation method was the crucial purpose. After a selection of a suitable material it was tested how the radius of the curvature affects the surface digitization. Three parameters were taken into account. These parameters were: sphericity, stability of determination the position of the centre of the fixed ball and accuracy in determination of the diameter with respect to the nominal. All measurements were studied with a portable measuring arm Metris-Nikon model MCA II fitted with a MMC80 laser scanner.

Keywords: 3D digitalization, laser scanning, roughness, laser triangulation

1. Introduction The idea of coordinate measurements was founded in the seventies of the 20th century, but only progress of computer technology has allowed the full development [1]. In contrast to the classic metrology, coordinate measuring technique relies on computer processing of information from measurement and enables to obtain high accuracy in the short time. A characteristic property of the coordinate technique is the determination of dimensions of spatially shaped elements on the basis of coordinate values. The main device working in coordinate technique is Coordinate Measuring Machine (CMM). Its moving parts can move in three perpendicular directions. Another example of device working in the coordinate technique is Coordinate Measuring Arms called also portable CMM’s. Their construction is much simpler than in case of Coordinate Measuring Machines. In contrast to the CMM in Measuring Arms during measurement angle coordinates from rotary encoders are obtained. Then using calculation procedure coordinates of points are transformed into the Cartesian system.

76

Points can be collected in a contact way. In this case high accuracy coordinates are obtained. Main disadvantages of this approach are the small number of measurement points and the long measuring time. Especially in industry faster and more thorough and complete inspection of machined parts in order to shorten development and production time of products are requested. An attractive solution is applying optical methods where data on the entire object in a short time is gathered. Optical methods include [2]: triangulation, ranging, interferometry, structured lighting and image analysis.

To perform the research presented in this article laser triangulation method was used.

2. Laser triangulation Compared to other optical measuring methods, higher precision and lower costs characterize laser triangulation [3]. Its working principle is as follows: a laser beam is aimed in the direction of the measured surface, producing a spot or a stripe. The spot/stripe is imaged on a detector at a position dependent on the distance of the measured area from the source of the laser. There are some factors affecting the measurement accuracy [4]: 1. Laser scanning depth, 2. Projected angle, 3. Environment effects, 4. Operation error, 5. Data processing.

The first factor was widely analyzed by Vukašinović et al. [5]. He concluded that at a closer distance from the laser scanner to the measured surface obtained resolution is higher.

A significant factor influencing the result of measurement is the projection angle. Demkin et al. [6] consider that to reduce significantly the deformation of the resulting cloud of points, caused by the surface properties, it is necessary to keep the triangulation plane orthogonally to the measured surface. The influence of incident angle was also noticed by Van Gestel et al. [7]. They showed that for measurements of the sphere from only one direction unstable results were obtained. Extensive studies of the impact of projected angle were made by Vukašinović et al. [5]. They measured the intensity of surface reflection. It was indicated that at incidence angle over 60° the intensity is equal to zero.

As environment effects mainly ambient light and temperature changes are taken. Blanco et al. [8] noted that the best results were obtained in the absence of external light but this condition is inappropriate for most laboratory tasks.

The use of mercury vapour lamps is therefore recommended.

In their paper the effect of temperature on results was also presented. Thermal distortion of laser head internal geometry

causes that within one hour, variation of achieving results is 10 µm. Vukašinović et al. [9] paid attention to the appropriate data processing. Only a central part of point clouds should be used, what is connected with the measurement angle and the distance.

Vukašinović et al. [5] divide the reflection from a real surface into two components: specular and diffuse. Their ratio depends on surface properties, which includes: chemical composition, microstructure and roughness. Research of different materials (aluminium, stainless steel, low alloy steel, cooper alloy, necuron and arnite), i.e. with different composition and different properties of the surface were performed by Blanco et al. [8]. They noted that when stainless steel is digitized, the spatial position of the point cloud is less affected than in case of necuron. On the other hand necuron gives a good repeatability for the light influence and low steel carbon or coopers alloy not.

In the literature, the influence of surface color on measured results was widely discussed. Vukašinović et al. [5] made a spectral analysis for the different surface color using a laser diode of wavelength of 675 nm. The highest relative intensity was for white – 100 % and red surface – 87 %, and the lowest was for green and blue – 23 % and 7 %, respectively. Higher intensity associates obviously with a larger number of points collected from the surface. Vukašinović et al. [10] choose red instead of white surfaces. They justify this by the fact that red surface reflects only this part of red light which is between 600 nm and 700 nm and absorbs the energy of the most of the other spectral field. Vukašinović [9] determines the surface color as the factor most strongly influencing the result (in comparison to incident angle and distance).

Another important factor discussed by Lombardo et al.

[11] is reflectivity of scanned surface. It cause that not all the light sent by the laser finds its way onto the detector what obviously is a limitation. A surface that is too reflective must be prepared for the measurement, for example through spraying a washable coat. The influence of the measured surface on results was also brought up by Martínez et al. [3] whom recommend that the surface should neither be specular, very shiny nor dark. A similar problem is also with transparent surfaces [8]. Vukašinović et al. [5] demonstrated that although covering the surface with white chalk powder increasing the intensity over the entire range of incident angle it does not increase this range.

In this article influence of properties of the measured object on the surface digitization were examined. Verified factors were surface’s roughness, curvature and reflectivity, as well as the chemical composition of the measured object.

3. Experiment 3.1. Measuring equipment Studies were performed on a coordinate measuring arm model MCA II made by Metris-Nikon. This is a 7-axis arm with a spatial accuracy, according to the ASME B89.4.22-2004 [12] standard, of 40 µm. This and other parameters of the arm are given in tab. 1.

The arm is equipped with a laser scanner head METRIS – NIKON model MMC80 with characteristics presented in tab. 2.

Point clouds were collected using the scanner manufacturer’s software package called Focus Handheld. Points asso-

Tab. 1. Main parameters of the arm METRIS – NIKON model MCA II Tab. 1. Główne parametry ramienia METRIS – NIKON model MCA II Kinematic topology

Measuring range

Accuracy according to the B test

Accuracy according to the C test

2.4 m

± 0.028 mm

± 0.040 mm

7 rotary axes

Tab. 2. Parameters of the scanner MMC80 METRIS-NIKON Tab. 2. Parametry skanera MMC80 METRIS-NIKON Stripe width (Y)

80 mm

Measuring range (Z)

100 mm

Accuracy (1s)

17 µm

Points per stripe

800

Maximum speed of scanning (stripes per second)

30

Maximal number of scanned points per second

24 000 p/s

Tab. 3. Main parameters of the profilometer Taylor Hobson model Talysurf PGI 830 Tab. 3. Główne parametry profilometru Taylor Hobson model Talysurf PGI 830 Product code

PGI 830

Gauge range

8 mm

Gauge resolution

0.8 nm

Horizontal traverse

200 mm

Horizontal straightness

0.35 µm over 200 mm

Vertical traverse

450 mm

System noise

2 nm

Isolation cabinet

Standard

ciated with the fixation elements were removed before further processing.

Measurements of standards of roughness were performed on profilometer Talysurf PGI 830 made by Talor Hobson.

Parameters of the Talysurf were given in tab. 3.

3.2. Test parts Standards of roughness and ceramic balls were selected as elements for the tests. Example test parts are shown in fig. 1.

Standards of roughness were divided into scattering and reflective (both can be seen in fig. 1.) For both groups four standards with different parameters of roughness were chosen. Based on the Ra parameter effort has been made to choose a similar sample of reflective and scattering surfaces.

Selected samples were presented in tab. 4.

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

77

Nauka

a)

4. Results

b)

For all select standards a comparison of average values and standard deviations of straightness of sections for both perpendicular and parallel strategies was presented in tab. 5 (a – for reflective surfaces, b – for scattering surfaces).

Results were presented in graphs. Straightness for reflective and scattering surfaces and standard deviations were shown in fig. 2a, b and c, respectively.

Fig. 1. Test parts: a) standard of roughness, b) ceramic ball Rys. 1. Elementy pomiarowe: a) wzorzec chropowatości, b) kula ceramiczna

Tab. 5a. Straightness of sections from reflective surfaces Tab. 5a. Prostoliniowość przekrojów z powierzchni refleksyjnych reflective perpendicular

Tab. 4. Selected samples of standards of roughness Tab. 4. Wybrane próbki wzorców chropowatości Reflective

Scattering

Ra, µm

Ra, µm

33.0

26.7

9.1

9.4

4.7

5.1

0.9

1.4

Measurements were performed in the perpendicular and parallel direction to the surface roughness profile. For each direction for each surface a series of 10 measurements were performed. For obtained point clouds sections perpendicular to roughness profile were measured and their straightness was determined. From ten values of straightness for section their averages and standard deviations were calculated.

For balls tests finding a material that allows the measurement by laser triangulation method was a first goal. Four materials were tested: silicon nitride (Si3N4), tungsten carbide (WC), zirconium oxide (ZrO2) and aluminium oxide (Al2O3).

Subsequently it was tested how the radius of the curvature affects the surface digitization. Three parameters were taken into account: sphericity, stability of determination the position of the centre of the fixed ball and accuracy in determination of the diameter with respect to the nominal.

Fig. 2a. Straightness of sections for reflective surfaces Rys. 2a. Odchyłka prostoliniowości przekrojów dla powierzchni refleksyjnych

78

Ra, μm

parallel

standard straightness, straightness, standard deviation, μm μm deviation, μm μm

33.0

233.8

34.6

225.9

37.7

9.1

64.8

13.5

163.3

83.8

4.7

79.2

28.6

80.3

274.5

0.9

81.5

45.0

104.9

42.4

Tab. 5b. Straightness of sections from scattering surfaces Tab. 5b. Prostoliniowość przekrojów z powierzchni rozpraszających scattering perpendicular Ra, μm

parallel

standard standard straightness, straightness, deviation, deviation, μm μm μm μm

26.7

122.9

17.5

95.6

5.9

9.4

73.4

17.0

44.4

6.3

5.1

71.7

9.8

51.9

7.9

1.4

55.6

5.7

43.3

5.8

Fig. 2b. Straightness of sections for scattering surfaces Rys. 2b. Odchyłka prostoliniowości przekrojów dla powierzchni rozpraszających

Fig. 2c. Standard deviations of straightness of sections Rys. 2c. Odchylenia standardowe odchyłek prostoliniowości przekrojów

It can be noticed that in measurements perpendicular to profile of roughness standard deviation increases with the size of roughness considerably faster and reaches almost three times higher values.

The second part of the study was performed using ceramic balls. The first task was to select a material with a chemical composition that the laser beams were neither scattered nor absorbed by the surface. Four materials were chosen: silicon nitride, tungsten carbide, zirconium oxide and aluminium oxide. A simple test was performed. It was checked whether the laser beam intersects with the real surface of the ball. Location of measuring point outside the ball demonstrates significant surface reflectivity, and gathering point inside the ball demonstrates absorptivity of material of which the ball was made. For balls of different materials measuring points were collected. On this basis their diameters were determined. Diameters were compared with nominal values. The comparison was presented in tab. 6.

Tab. 6. The comparison of diameters for different materials Tab. 6. Porównanie średnic kul dla różnych materiałów

Fig. 2d. Standard deviations of straightness of sections for scattering surfaces Rys. 2d. Odchylenia standardowe odchyłek prostoliniowości przekrojów dla powierzchni rozpraszających

The first thing, which should be noted, is that both the straightness of sections and standard deviations are almost in the whole range higher in case of reflective surfaces than for scattering. With increasing of roughness the stability of the straightness of the section determination increases. It may be due to the fact, that roughness makes the surface is no longer specular.

Another important issue is the effect of the scanning direction. For measurements of reflective surfaces both straightness and standard deviation are higher for measurements, which are parallel to surface roughness profile.

For measurements of scattering surfaces, the situation is reversed. Curves of the straightness for scattering surfaces measurements are similar in shape but with higher values for perpendicular measurements. For the reflective surfaces a large the randomness of results reveals.

It can be concluded that in order to reduce the impact of the measured surface properties on the result part should be prepared for measurement, for example by applying an appropriate coating.

To illustrate the effect of the measuring direction, curves of the standard deviation only for scattering surfaces were shown. It was presented in fig. 2d.

silicon nitride

tungsten carbide

zirconium oxide

aluminium oxide

nominal diameter, mm

12.700

6.350

15.875

12.700

measured diameter, mm

12.765

7.910

15.451

12.417

measurednominal, mm

0.065

1.560

–0.424

–0.283

a)

b)

c)

Fig. 3. Materials of balls: a) tungsten carbide, b) zirconium oxide, c) aluminium oxide Rys. 3. Kule wykonane z różnych materiałów: a) węglik wolframu, b) tlenek cyrkonu, c) tlenek glinu

Comparing the difference between the measured and nominal diameter it can be seen that the best material is silicon nitride. Ball made of this material was presented in fig. 1b. Tungsten carbide has high reflective properties, while zirconium oxide and aluminium oxide absorb the laser beam. These materials were shown in fig. 3.

Further studies were performed on balls made of silicon nitride. Balls with a diameter ranging from 12 mm to 5 mm were studied.

The first tested parameter was sphericity. Its value for each diameter was shown in fig. 4.

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

79

Nauka

Higher ratio of the number of points collected outside the surface to those collected under surface results in the determination of a diameter of a ball higher than nominal value. The diameter of the ball does not affect on this. Sphericity, so also indirectly appropriate filtering can reduce the error of the diameter determination. Outlying points that adversely affect the result are then removed.

Fig. 4. Sphericity for different balls’ sizes Rys. 4. Odchyłka sferyczności dla różnych rozmiarów kul

The curve of sphericity as a function of balls diameter may indicate a negligible effect of the radius of curvature on values of sphericity. It is rather due to properties of surfaces, environmental conditions and errors of the measuring device.

A stability of determination the position of the centre of the fixed ball was a next checked parameter. Results were presented in fig. 5.

Fig. 6. Errors of determination the diameter of ball Rys. 6. Błędy wyznaczenia średnicy kuli

5. Conclusion

Fig. 5. Stability of positions of centres (3D centre deviations) Rys. 5. Stabilność pozycji środków (odchylenia 3D środków)

It can be seen that apart from peak of the balls with a diameter of 7/16” (11.113 mm) the stability of determination centres of balls is maintained at a similar level up to the ball with a diameter of 7 mm. Subsequently a rapid increase is noticeable. This is due to the fact that in smaller balls percentage of random points and noise is much higher. From the smaller surface smaller number of points is collected so that each artifact is more significant.

In the case of determining the differences between measured and nominal diameter situation is similar as in the case of sphericity. Correlation of errors of diameter determination and the size of balls was shown in fig. 6.

80

We can conclude that the impact of properties of the measured surface is significant. Therefore its preparation for measurement is very important. During measurements of standards of roughness it was reported that reflectivity of surface causes a strong randomness of results. With increasing of roughness the stability of the straightness of the section determination increases. It may be due to the fact that roughness makes the surface is no longer specular.

For scattering surfaces, for higher stability of results it is recommended to perform measurements in a parallel to the roughness direction.

During the research on balls a strong the influence of the material of which the part was made to the measurement results was proved. Depending on the chemical composition surface can absorb or reflect the laser beam. It was checked whether the laser beam intersects with the real surface of the ball.

It has also been shown that there is a negligible effect of the radius of curvature on values of sphericity. It is rather due to properties of surfaces, environmental conditions and errors of the measuring device.

If determination of position of feature is the main goal of measurement, features with small dimensions should not be selected. This is due to the fact that in smaller features percentage of random points and noise is higher.

In the case of determining the diameter of ball the situation is similar as in the case of sphericity. It is rather caused by properties of surfaces, environmental conditions, errors of the measuring device and other random factors.

Bibliography 1. Ratajczyk E., Coordinate measuring technique, OWPW, Warsaw 2005 (in Polish).

2. Várady T., Martin R., Coxt J., Reverse engineering of geometric models – an introduction. “Computer-Aided Design”, Vol. 29, No. 4, 1997, 255–268.

3. Martínez S., Cuesta E., Barreiro J., Álvarez B., Analysis of laser scanning and strategies for dimensional and geometrical control. “The International Journal of Advanced Manufacturing Technology”, (2010) 46, 621–629.

4. Wang L., Ding H., Wang S., Measurement Error Compensation Using Data Fusion Technique for Laser Scanner on AACMMs, ICIRA 2010, Part II, LNAI6425, 2010, 576–586.

5. Vukašinović N., Bračun D., Možina J., Duhovnik J., The influence of incident angle, object colour and distance on CNC laser scanning, “The International Journal of Advanced Manufacturing Technology”, 9/1994, 56–64.

6. Demkin V.N., Stepanov V.A., Measurement of surface roughness profile by a triangulation method, “Measurement Techniques”, Vol. 51, No. 6, 2008.

7. Van Gestel N., Cuypers S., Bleys P., Kruth J.P., A performance evaluation test for laser line scanners on CMMs, “Optics and Lasers in Engineering”, vol.

47, 2009, 336–342.

8. Blanco D., Fernández P., Cuesta E., Mateos S., Beltrán N., Influence of Surface Material on the Quality of Laser Triangulation Digitized Point Clouds for Reverse Engineering Tasks, “Emerging Technologies & Factory Automation”, 2009. ETFA 2009. IEEE Conference.

9. Vukašinović N., Možina J., Duhovnik J., Correlation between Incident Angle, Measurement Distance, Object Colour and the Number of Acquired Points at CNC Laser Scanning, “Journal of Mechanical Engineering”, 58, 2012, 1, 23–28.

10. Vukašinović N., Korošec M., Duhovnik J., The Influence of Surface Topology on the Accuracy of Laser Triangulation Scanning Results, “Journal of Mechanical Engineering”, 56, 2010, 1, 23–30.

11. Lombardo V., Marzulli T., Pappalettere C., Sforza P., A time-of-scan laser triangulation technique for distance measurements, “Optics and Lasers in Engineering”, 39, 2003, 247–254.

12. ASME B89.4.22-2004 “Methods for Performance Evaluation of Articulated Arm Coordinate Measuring Machines”.

Wpływ właściwości mierzonego obiektu na proces digitalizacji powierzchni przeprowadzanej za pomocą skanera laserowego zintegrowanego z ramieniem pomiarowym Streszczenie: W artykule przedstawiono wyniki badania wpływu właściwości mierzonego obiektu na proces digitalizacji powierzchni. Właściwości obiektu są rozumiane przez stan

powierzchni – jej chropowatość, krzywiznę i refleksyjność, jak również skład materiałowy mierzonego obiektu. Pierwszym badanym parametrem była chropowatość powierzchni. Testy wykonano na wzorcach chropowatości. Sprawdzano, jak wysokość profilu chropowatości wpływa na dokładność zbieranych punktów. Pomiary wykonano dla powierzchni zarówno refleksyjnych i rozpraszających. Sprawdzano również, czy kierunek skanowania, prostopadły lub równoległy do profilu chropowatości wpływa znacząco na wynik. Druga część badań została wykonana na podstawie pomiarów kul. Do testów użyto kul, które zostały zbadane pod względem najlepszego materiału umożliwiającego pomiar na zasadzie triangulacji laserowej. Następnie sprawdzano, jak promień krzywizny wpływa na digitalizację powierzchni.

Wzięto pod uwagę trzy parametry. Tymi parametrami były: sferyczność, stabilność wyznaczenia pozycji środka unieruchomionej kuli i dokładność wyznaczenia średnicy w odniesieniu do wartości nominalnej. Wszystkie pomiary wykonano przy użyciu współrzędnościowego ramienia pomiarowego Metris-Nikon model MCA II wyposażonego w skaner laserowy MMC80.

Słowa kluczowe: digitalizacja 3D, skaning laserowy, chropowatość, triangulacja laserowa

Michał Rak, MSc He received the MSc from Warsaw University of Technology in 2011. He is currently a PhD student in the Institute of Metrology and Biomedical Engineering, Faculty of Mechatronics, Warsaw University of Technology. Within the PhD he deals with the fusion of data from different measurement methods mainly optical and contact. e-mail: M.Rak@mchtr.pw.edu.pl Adam Woźniak, PhD, Prof. of WUT He received the MSc (1998), PhD (2002), and DSc (2011) degrees from Warsaw University of Technology, Poland. From 2005 to 2006 he was a Visiting Professor with the Department of Mechanical Engineering, École Polytechnique de Montréal, Canada.

He is currently a Professor with the Institute of Metrology and Biomedical Engineering, Faculty of Mechatronics, Warsaw University of Technology. His current research interests include dimensional metrology, especially coordinate measuring technique. He is the author of more than 80 papers in these areas. e-mail: wozniaka@mchtr.pw.edu.pl

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

81

Nauka

Study of porosity measurement using the computer tomograph Tomasz Kowaluk, Adam Woźniak Institute of Metrology and Biomedical Engineering, Warsaw University of Technology

Abstract: This paper is concerned with performance of measurement of pore volume in aluminum cast. The experiments were carried out on a METROTOM 800 Carl Zeiss computer tomograph. Results coming from algorithm of automatic detection were compared against to the manual detection according to the ISO surface. Results have been analyzed using the VGStudio MAX software.

Keywords: computer tomograph, porosity

Introduction The idea of measurements consists of assembling threedimensional spatial object from multiple flat images resulting from the scanning of measured element in the selected angular position. The measured element is set on a rotary table that allows the movement, linear and angular positioning of the component. While the measured object is illuminated by an X-ray beam generated in the tube, the image detection is done at certain angular positions of rotary table on the detector array. Acquired images are processed by specialized software, producing a three-dimensional model of the measured element.

While the measured objects absorb energy of X-rays during the measurements, the X-ray beam is therefore weakened and the difference in the intensity of radiation passing through the object is registered on the detector. The change of the intensity of the parallel beam of radiation of the same energy, during the transition through the measuring object is described by the dependency:

I = I0e-μg [1], where: I – intensity of radiation after passing through the object, I0 – initial intensity of radiation, m – linear absorption coefficient of radiation, g – thickness of the material.

X-ray absorption of the tested object is proportional to the density and to the atomic structure of the material and wall thickness of the element [1].

The study was performed on a METROTOM 800 Carl Zeiss (fig. 1) computer tomograph. To the main assembly of computer tomographs the X-ray tube, the radiation detector and a system for positioning the measured element consisting of a rotary table and the linear guideways are included. The data obtained are processed by a separate computer. The computer tomograph METROTOM 800 is equipped with a constant X-ray tube with a power of 39 W (at maximum parameters – 130 kV voltage and 300 μA current) and a detector with a resolution of 1536 × 1920 pixels. Main metrological parameters of the CT are summarized in tab. 1.

82

Fig. 1. Computer tomograph METROTOM 800 Rys. 1. Tomograf komputerowy METROTOM 800 Tab. 1. Metrological parameters of the CT Metrotom 800 [2, 3] Tab. 1. Parametry metrologiczne tomografu komputerowego Metrotom 800 [2, 3] Measuring range: x-y plane: z

170 mm, 190 mm

Workpiece weight, max.

4 kg

Focal spot size, min.

5 μm

Geometric magnification (2D), max.

45

Geometric magnification (3D), max.

40

X-ray detector resolution

1536 × 1920 pixels

X-ray detector Pixel size

127 × 127 μm

MPEE – Maximum Permissible ErrorError of indication

4.5 + L/100 μm (L – length of the measured distance mm)

2. The influence of the shape of the histogram on results The study consisted of checking the obtained values of pore volume in aluminum cast. Theoretically, by measuring the elements which are made of one material in the histogram two peaks should be obtained, one for the air and second for the material. „Ideal histogram” is shown in fig. 2.

Obtaining the ideal histogram allows the use of algorithms for automatic detection of the ISO surface (threshold between background and material).

The effect of ISO surface settings are shown in fig. 3. On the left (fig. 3a) is visible noise in the central part of the element – aluminum casting (automatic algorithm). The settings change will remove noise (manual algorithm) which is shown in the fig. 3b. Changing the ISO value affects not only the removal of the outside noises in the measured element but also of the inside.

Tab. 2. The influence of the ISO value settings on results (automatic algorithm and manual setting) Tab. 2. Wpływ ustawienia wartości ISO na wyniki (algorytm automatyczny, ustawienia manualne) pore size

Fig. 2. “Ideal histogram” of grayscale value Rys. 2. „Idealny histogram” skali odcieni szarości

Algorithms for calculation the volume of defects that occur inside of the elements are based on three levels of gray scale values (ISO surface, material and background).

The most important is the value of the ISO surface. The software treats this value as a „threshold” between air and material. Voxels which values are less than ISO are treated as the air, while the values above the ISO are treated as the material. Changing the ISO value influence on the volume of the whole element as well as on detected defects that occur in the element. Table 2 shows the results of measurement of pore size for automatic as well as manual method of determining the ISO value. a)

Above 0.000 mm3

Above 0.010 mm3

ISO value

automatic

manual

automatic

manual

volume of element mm3

1016.776

1006.671

1016.877

1006.671

volume of pores mm3

0.775

0.797

0.250

0.252

percentage of pores

0.0761

0.0791

0.0246

0.025

number of analyzed cross-sections

1455

1540

8

8

The user can decide what size of pores should be detected (by setting minimum and maximum volume of pores). It is possible to find the pores from 0 μm3 to the entire volume of the CT measurement. The effect of the pores size settings are shown in fig. 4.

Result of pore detection algorithm (only threshold) is shown in fig. 4 – cross section of the aluminum cast with the defined ISO surface (white line which is a border of the material).

As it was shown in the magnification, not all pores (black points on the screen) were correctly interpreted. Detected pores do not fill the entire surface determined by ISO line.

Additionally, not all detected pores are included in the calculations. This is due to the fact that the algorithm cuts the entire volume of the object with a certain step then analyzes a)

b)

b) Fig. 3. 3D view of measuring element with the use: a) automatic algorithm, b) manual algorithm Rys. 3. Widok 3D elementu pomiarowego z zastosowaniem: a) algorytmu automatycznego, b) algorytmu ręcznego

3.

Comparison of pore-detection algorithms

The study compared two available in the VGStudio MAX software algorithms of pores detection. The first of available algorithms “Only treshold” based on the “threshold” and “background” value. The second algorithm “default” based on the “void max” and “background” value.

Fig. 4. Visualization of the occurrence of the pores in aluminum cast: a) with no limits of pore size, b) above 0.010 mm3 Rys. 4. Wizualizacja występowania porów w odlewie aluminiowym: a) bez ograniczeń wielkości porów, b) powyżej 0,010 mm3 Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

83

Nauka

the sections in which the „defects are detected” – a limited number of cross-sections results that not all pores are analyzed. This approach allows to detect only the largest pores, but reduces significantly the time necessary for calculations (single calculation takes 10 minutes).

To detect all pores occurring in the aluminum casting advanced algorithms (default and enhanced) must be used.

Both algorithms are based on the same values (void max and background) and differ from each other in the number of „runs”. In the research “default” algorithms were used.

In fig. 5 cross section of the aluminum cast with the defined ISO surface is shown. a)

Fig. 6. Cross section view with marked errors of defects detection algorithm (“default” algorithm) Rys. 6. Widok przekroju z zaznaczonymi błędami algorytmu wykrywania wad (algorytm „default”)

b)

Fig. 5. Cross section view with marked errors of defects detection algorithm (pores – “only threshold” algorithm) Rys. 5. Widok przekroju z zaznaczonymi błędami algorytmu wykrywania wad (porów – algorytm „only threshold”)

The same as it was previously shown in the magnification, not all pores (black points on the screen) are correctly interpreted. For this algorithm also not all detected pores are included in the calculations. This shows that even advanced algorithms do not detect all the pores. Although pores were closed by ISO surface, not all were analyzed.

Operations for calculating the pore volume are performed in the computer’s RAM. The advanced algorithm detects more pores but it needs much more time (8–12 hours).

Table 3 shows the results obtained from the analysis using two algorithms (“default” and “only threshold”), depending on the size of the pores (above 0.000 mm3 and above 0.010 mm3).

Depending on the selected algorithm, different values of volume of whole element and of pores in therein occurring are obtained. Changing the range (size) of detected pores in the algorithm parameters influences on changing of volume of the whole element in the case of algorithm “default”. For the algorithm “Only threshold” value of the volume of element remains the same.

Advanced algorithm detects two orders of magnitude higher volume of pores than the algorithm “Only threshold”

84

Tab. 3. The influence of the type of algorithm on the results Tab. 3. Wpływ typu algorytmu na wynik pore size

Above 0.000 mm3

Above 0.010 mm3

algorithm

default

only threshold

default

only threshold

volume of element mm3

964.653

1006.671

994.540

1006.671

volume of pores mm3

42.924

0.797

13.165

0.252

percentage of pores

4.26

0.0791

1.31

0.025

number of analyzed cross-sections

70 358

1540

241

8

(for the tested aluminum casting). The number of analyzed cross sections is significantly dependent on the threshold of pores detection as well as of the type of algorithm. Advanced algorithm analyzes two orders of magnitude higher the number of cross sections than the basic algorithm.

4. The influence of magnification on the results An important question which must be considered is the influence of used magnification on the obtained results. To be able to check the influence of magnification on results appropriate gauges should be used. Gauges should be possible to estimate the actual volume of pores for example by gravimetric method [4, 5], or using materials of known estimated pore sizes [6].

a)

b)

Fig. 7. 3D reconstruction of the gauge with marked pores: a) with the 8 μm magnification, b) with the 25 μm magnification (size of single voxel) Rys. 7. Rekonstrukcja 3D wzorca z zaznaczonymi porami: a) przy powiększeniu 8 μm, b) przy powiększeniu 25 μm (rozmiar pojedynczego woksela)

The study used a different approach. It was constructed a gauge which consists of two cylinders. The first cylinder was created with hole so that the second cylinder with four smaller drilled cylinders can by molded. Theoretically, a gauge with the four pores should be obtained.

In fig. 7 results of reconstruction of pores which are in the gauge at different magnifications (8 μm (a) and 25 μm (b)) are shown.

As it was shown at a magnification of at 8 μm (fig. 7a) pores between the two cylinders are visible. While at a magnification of 25 μm (fig. 7b) only artificially produced in the gauge pores are visible. This is caused by the use of the basic algorithm “only threshold” based on the ISO surface. At lower magnifications, the algorithm does not detect the surface between two cylinders. A slot is visible but there is no possibility of closing slot by ISO surface. In fig. 8 the slot between surfaces is shown.

On the contact surface of both cylinders slot of 26 μm is formed (measured at a magnification of 8 μm (fig. 8a)).

While size of the slot at a magnification of 25 μm (fig. 8b) is 49 μm. The phenomenon of apparent expansion of slot arises. This happens when the actual size of the slot is smaller than the pixel size.

5. Conclusions Computer tomography allows to perform non-destructive testing of aluminum castings. The study of single cross sections allows detection of the existing pores and inclusions

a)

b)

Fig. 8. A cross section view of the slot: a) with the 8 μm magnification, b) with the 25 μm magnification (size of single voxel) Rys. 8. Widok przekroju szczeliny: a) przy powiększeniu 8 μm, b) przy powiększeniu 25 μm (rozmiar pojedynczego woksela)

of other materials. Algorithms used to calculate the volume of pores can detect correctly only the largest pores. For the verification correct operation of the algorithms is necessary to build appropriate gauges. Gauges should be constructed so that it is possible to estimate the actual volume of the pores. The study does not consider the influence of sub-pixel effects [7] of the automatically determined value and routes of ISO line. In addition, significant influence on the final result of the calculated pore volume has a value of used magnification.

Bibliography 1. Ratajczyk E., Tomografia komputerowa CT w zastoso2.

3.

4.

5.

waniach przemysłowych, „Mechanik”, nr 2/2011, 112– 117; nr 3/2011, 226–231; nr 4/2011 326–331. (in Polish). [www.zeiss.pl].

METROTOM 800. Operating Instructions. Zeiss.

Niemelä T., Aydogan D.B., Hannula M., Hyttinen J., Kellomäki M., Determination of bioceramic filler distribution and porosity of self-reinforced bioabsorbable composites using micro-computed tomography, Elsevier, “Composites”: Part A 42 (2011) 534–542.

Khalid A. Alshibili, Bashar A. Alramahi, Attia Mahmoud Attia, Assessment of Spatial Distribution of Porosity in Synthetic Quartz Cores Using Microfocus Computed Tomography (CT), “Particulate Science and Technology”, 24: 369–380, 2006.

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

85

Nauka

6. Hitoshi Nakayama, Douglas M. Burns, Tomoyuki Kawase, Nondestructive Microstructural Analysis of Porous Bioceramics by Microfocus X-ray Computed Tomography (CT): A Proposed Protocol for Standardized Evaluation of Porosity and Interconnectivity Between Macro-pores, “Journal of Nondestructive Evaluation” (2011) 30:71–80.

7. Weber E., Fernandez M., Wapner P., Hoffman W., Comparison of X-ray micro-tomography measurements of densities and porosity principally to values measured by mercury porosimetry for carbon–carbon composites, Elsevier, “Carbon”, 48 (2010) 2151–2158.

Pomiary porowatości za pomocą tomografu komputerowego Streszczenie: W artykule przedstawiono wyniki badań dotyczące pomiarów objętości porów w odlewach aluminiowych. Badania przeprowadzono na przemysłowym tomografie komputerowym METROTOM 800 firmy Carl Zeiss. Porównano wyniki algorytmów automatycznego i manualnego wykrywania porów w odniesieniu do powierzchni ISO. Do analizy wyników zastosowano oprogramowanie VGStudio MAX. Słowa kluczowe: tomografia komputerowa, porowatość

86

Tomasz Kowaluk, MSc He received the M.Sc. from Warsaw University of Technology in 2011. He is currently a PhD student in the Institute of Metrology and Biomedical Engineering, Faculty of Mechatronics, Warsaw University of Technology. Within the PhD he deals with the porosity of elements from computer tomography. e-mail: t.kowaluk@mchtr.pw.edu.pl Adam Wozniak, PhD, DSc, prof. of WUT He received the MSc (1998), PhD (2002), and DSc (2011) degrees from Warsaw University of Technology, Poland. From 2005 to 2006 he was a Visiting Professor with the Department of Mechanical Engineering, École Polytechnique de Montréal, Canada. He is currently a Professor with the Institute of Metrology and Biomedical Engineering, Faculty of Mechatronics, Warsaw University of Technology. His current research interests include dimensional metrology, especially coordinate measuring technique. He is the author of more than 80 papers in these areas. e-mail: a.wozniak@mchtr.pw.edu.pl

Inspection and monitoring of engineering structures by means of optical displacement sensors based on interferometry techniques Dariusz Łukaszewski, Leszek Sałbut, Małgorzata Kujawińska, Grzegorz Dymny Institute of Micromechanics and Photonics, Warsaw University of Technology

Abstract: Inspection and monitoring of engineering structures require simple, fast and remote acquisition, processing and visualization of relevant measuring data. Systems which utilize all above requirements are fundamental for Structural Health Monitoring (SHM). All necessary information should refer to safety threshold and sent to end user, who can accurately assess the health of an object in short time and schedule necessary actions in order to prevent accidences. The paper presents the novel approach to optical displacements sensors. Authors describe low-cost in-plane displacement and strain sensors for monitoring in crucial regions of big civil engineering structures (square millimeters area around welds, joints etc.) by means of two interferometry techniques: Grating Interferometry (GI) and Digital Speckle Pattern Interferometry (DSPI). In principle both of the methods applied have their specific requirements and can be used as complementary ones. GI requires specimen grating attached to the flat surface of an object under test, but it is the unique technique which may provide the information about fatigue process and increased residual stresses. DSPI works with a rough object surface, but due to differential measurements cannot be simply used for long time monitoring but to explore the actual behavior of a structure. We present both sensors working separately, but also we propose the technique which enables usage of the DSPI for long time or periodic monitoring by combining it in one sensor with GI in order to increase number of possible applications of the system. Both sensors can be manufactured by using low – cost replication technologies. The paper presents their mechanical and optical design along with laboratory tests of their main modules which are the sensor heads in the form of monolithic (plastic) and cavity waveguides. Finally, the exemplary applications of sensors in laboratory tests and on exemplary frame truss structure are presented and assessed.

Keywords: structural health monitoring, displacement sensor, grating interferometry, digital speckle pattern interferometry

1. Introduction All types of engineering structures requires multiple types of monitoring on different levels and detailed inspection in order to prevent accidences [1]. Among many inspected/monitored parameters of such structures one of major value is measurement of displacement. There is a large variety of methods which are capable of such measurements (based on mechanical, electrical, optical and ultrasound techniques). Every method has its unique, dedicated properties in to surface requirements, measuring range, or sensitivity, which enables maintenance crews to create custom solutions dedicated for a certain type of measuring

object. Most of these methods provide point-wise measurements often captured simultaneously in many distance points of an object. However here we focus on full-field measurement approach based on data captured by array detectors (CCD/CMOS).

There are several methods which support this approach, including interferometric and noncoherent moire fringe techniques, digital image correlation, grid methods etc. Noncoherent, machine vision based methods are usually used for global, large field of view measurements and monitoring. If high sensitivity and more detailed inspections even in small crucial fields of a structure are required, interferometric methods are often applied as they provide information of possible failure much earlier than the standard global approach.

Therefore, the paper is focused on a novel concept of displacement sensors which use two interferometric techniques: Grating Interferometry (GI) [2] and Digital Speckle Pattern Interferometry (DSPI) [3] for in plane displacement measurements.

In the first part of the paper theoretical background on measurement techniques is presented. The second part of the paper is devoted to mechanical and optical design of the sensors along with their technical parameters.

Following section describes an application of the developed sensors and exemplary results of measurements of a truss structure. In the conclusion possible ways of further development are discussed.

2. Principles of the interferometric techniques applied in the sensors 2.1. Grating Interferometry

Grating Interferometry (GI) is used for determination of in-plane displacement of object under test. The element sensitive for displacement is diffraction grating applied onto an object surface. It is illuminated with symmetrical laser beams with plane wavefronts. Incident angles of these beams are equal to +1 and –1 diffraction angles of the object grating, thou the diffracted beams propagate coaxially and perpendicularly to the object surface (fig. 1).

If any load is applied to the object, the grating suffers of deformation which corresponds to object changes. As the result the wavefronts of the incident beams are no longer plane and they carry information of in-plane displacement of the object. This information is coded in a fringe pattern gives as: I (x , y ) ∼ 2[1 + cos

4π u(x , y )] d

where: d – grating period, u(x, y) – in-plane displacement perpendicular to object grating lines.

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

87

Nauka

I = I 1 − I 0 = 4 I OI R sin(ψ s +

1 1 ∆φ) sin ∆φ 2 2

where:

I1, I0 – intensities of subsequent speckle images, IO, IR – intensities of illuminating beams, ψ s – random distribution of phase difference

between illuminating beams (speckle background), 4π

u(x , y )]sin θ – change of phase caused by displacement (l – wavelength, u(x, y) – in-plane displacement, q – angle of illuminating beams).

∆φ = [

λ

The main drawback of correlation fringes is high level of noise which need to be filtered before further processing.

Fig. 1. Principles of grating inteferometry [2] Rys. 1. Podstawy teoretyczne interferometrii siatkowej GI [2]

2.2. Digital Speckle Pattern Interferometry

Digital Speckle Pattern Interferometry [3] is widely used for displacement measurements of rough surfaces. In order to measure in-plane displacement with speckle pattern interferometry symmetrical illumination need to be provided in the configuration similar to GI method (fig. 2).

2.3. Cons and pros for the methods

The described methods can be treated as complementary ones. Both have their advantages and drawbacks depending on measurement requirements and measuring objects. Main advantage of GI is that successive measurements have their reference at zero state of the object (the moment when object grating was applied), so one can get information about the cumulative displacement between measurements. Also the quality of displacement maps is higher due to lower noise in an interferogram. However GI requires carefull modification of an object surface through copying a high frequency diffraction grating. In the case of DSPI differential measurements are possible only (successive states of the object need to be correlated within system measurement range), so the system needs to remain on an object in order to grab series of images in short periods of time. The speckle pattern interferometry can be used in situation where it is impossible to apply high frequency grating onto an object.

3. Design of the proposed sensors

Fig. 2. Basic DSPI system for in-plane displacement measurement [3] Rys. 2. Podstawowy system cyfrowej interferometrii plamkowej DSPI do pomiaru przemieszczeń w płaszczyźnie [3]

As distinct from other interferometric methods information is coded in a speckle pattern instead of a fringe pattern [3]. The speckle pattern from successive object states need to be correlated in order to obtain information about displacement value. The frame from reference state is subtracted from measuring state, fringes created by this operation are called correlation fringes and carry information about displacement of object:

88

In the paper two sensors with slightly different properties are presented. The first one utilizes GI method only, while the second can implement both GI and DSPI. The sensors should be compact and have modular design, so in case of maintenance the user can easily change major parts only and not the whole device. The modular design was provided by isolation of the functional blocks of the sensor which are: –– illumination module, –– detection module, –– sensor head (in two versions), –– data processing module.

The first three modules are integrated into one optomechatronics system, while the data processing module is stand alone device with dedicated software.

Mechanical design of both sensors is similar so they can meet some major requirements concerning compatibility with commercial optical elements, easy assemblies of main components and resistance to environmental conditions.

The chassis (fig. 3) consists of mountings for: –– Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) of 665 nm wavelength as light source; –– CCD or CMOS board level, c-mount based cameras; –– Collimating and imaging f6 mm lens mounts; –– sensor head mount (for cavity based head or monolithic plastic head); –– casing mounts and wire holes.

Optical part of the design consists of the mentioned above VCSEL, collimating lens of 11 mm focal length and 9 mm working distance, which provides f2 mm of illumination beam, complementary imaging lens with the same parameters, board level 1024 × 768 pixels CCD USB camera with 4,6 µm pixel and the sensor heads.

The first version of sensor head (fig. 4a) utilizes GI technique only and it is made as a monolithic plastic block (GI sensor) with a beam splitting grating [5], while the second one (fig. 4b) can utilize both GI and DSPI techniques. It is based on air cavity concept with free space beam propagation (GI/DSPI sensor) [4].

Tab. 1. The technical parameters of the sensors Tab. 1. Parametry techniczne czujników

Fig. 3. Mechanical chassis [4] and photo of the final design Rys. 3. Szkielet mechaniczny [4] i zdjęcie opracowanego rozwiązania

GI sensor

GI/DSPI sensor

Head design

Monolithic from PMMA

Air cavity based

Influence of vibration

Minimized

Minimized but bigger than in GI sensor

Measuring field

2 mm × 2 mm

Measuring range

up to 20 µm

Resolution

~ 10 nm after AFPA[6],

Sensitivity

417 nm/fringe

Dimensions

f60 mm × 115 mm

The proposed sensors have their unique measuring capabilities. They can be used either for laboratory systems (GI/DSPI due to their bigger sensitivity for vibration and environmental conditions) or structural health monitoring systems (GI or GI/DSPI in the case when speckle mode is needed). Main technical parameters of the sensors are given in the tab. 1.

Fig. 4. Designed sensor heads: a) monolithic GI head b) air cavity GI/DSPI head, where RG – reference grating, OG – object grating, O – object Rys. 4. Opracowane głowice pomiarowe a) monolityczna głowica GI b) wnękowa głowica GI/DSPI, gdzie RG – siatka referencyjna, OG – siatka obiektowa, O – obiekt

4. Application of GI and DSPI sensors Before assembling sensors on the engineering structure some major test were performed in order to prove sensors correctness.

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

89

Nauka

GI mode for both units was proved by the measurements of a reference 1200 lines/mm plane grating deposited on a glass plate. After processing of acquired fringe patterns for both sensors almost the same result was achieved and indicated a systematic error at the level of 240 nm. This proves that both heads have similar measuring capabilities in GI mode.

The correctness of DPSI mode in GI/DSPI sensor was tested on a sample of known geometry and mechanical properties which suffered from 3-point bending. The results were compared with FEM model and considered as also satisfactory.

As mentioned before the main application of proposed sensors is inspection and monitoring of engineering structures. Their functionality was tested through displacement measurements of a planar truss structure modeled and built by Integrated Laboratory of the Mechatronics System of Vehicles and Construction Machinery, Warsaw University of Technology.

The test stand consisted of a steel frame with six hydraulic jacks attached to it. Such configuration allowed application of force to the investigated steel planar truss structure which was put inside.

The truss was built out of general purpose low-carbon steel St3 used typically in engineering construction.

The GI sensor was mounted on to the structure via dedicated mounts in some crucial points (fig. 5a). Due to high level of vibration, caused by hydraulics during tests, DSPI mode of GI/DSPI sensor was not performed. Applicability of DSPI will be prove after redesign of mount in order to provide vibration dumping.

GI data was gathered during load of the structure in two subsequent states with DF = 1 kN. The resultant strain difference calculated from phase maps was 37 µS (fig. 5b). The achieved data corresponded with the results from strain gauges, which were mounted in the neighborhood of the sensors (fig. 5a).

5. Conclusion The presented optical sensors based on GI and DSPI technique for inspection and monitoring of displacement in engineering structures open new possibilities for SHM purposes especially if detailed inspection in crucial areas of structure is required (fracture, fatigue phenomena).

The future work on the sensors will be focused on outdoor test on a variety of structures with different properties and long term monitoring requirements. Also some design work need to be performed especially in GI/DSPI sensor in order to allow measurements in harsher conditions.

Acknowledgements Authors acknowledge the financial support through the Health Monitoring and Lifetime Assessment of Structures (MONIT) POIG.0101.02-00-013/08-00 project financed

by European Regional Development Fund in frame of Innovative Economy Programme.

Bibliography

Fig. 5. Resultant test stand with mounting points of sensors (a) and achieved results for GI measurements (b) Rys. 5. Stanowisko pomiarowe ze wskazanymi punktami montażu czujników (a) oraz wyniki otrzymane dla pomiaru interferometrią siatkową GI (b)

90

1. Egawa K., A new concept of Maintenance Inspection, in Structural Health monitoring: Current Status and Perspectives, CRC Press, 1997.

2. Post D., Moire interferometry, [in:] Handbook of Experimental Mechanics, Prentice-Hall, 1987.

3. Ranson W., Sutton M., Peters W., Holographic and laser speckle interferometry, [in:] Handbook of Experimental Mechanics, Prentice-Hall, 1987.

4. Łukaszewski D., Sałbut L., Kujawińska M., Malowany K., Optical sensor based on combined GI/DSPI technique for strain monitoring in crucial points of big engineering structures, Proc. SPIE, 8082, 2011, 80823P. 5. Krężel J., Kujawińska M., Mohr J., Guttman M., Wissmann M., Tonchev S., Parriaux O., Integrated microinterferometric sensor for in-plane displacement, “Applied Optics”, 2010, vol. 49, no. 32, 6243– 6252.

6. Robinson D.W., Interferogram Analysis: Digital Fringe Pattern Measurement Techniques, Institute of Physics Publ., Bristol and Philadelphia 1993.

Zastosowanie optycznych czujników przemieszczeń, wykorzystujących techniki interferometryczne, do kontroli i monitoringu konstrukcji inżynierskich Streszczenie: Kontrola i monitoring konstrukcji inżynierskich wymaga prostej, szybkiej i zdalnej akwizycji oraz przetwarzania i wizualizacji danych pomiarowych. Systemy spełniające powyższe wymagania są niezbędne do monitorowania stanu technicznego konstrukcji (ang. Structural Health Monitoring – SHM).

Dane uzyskiwane przez systemy monitoringu powinny odnosić się do założonych poziomów bezpieczeństwa i być wysłane do końcowego użytkownika, aby mógł on w krótkim czasie ocenić stan obiektu i zaplanować niezbędne działania celem zapobiegnięcia wypadkom. W artykule zaprezentowano nowe podejście do optycznych czujników przemieszczeń. Opisano niskokosztową głowicę interferometryczną wykorzystującą metodę interferometrii siatkowej i cyfrowej interferometrii plamkowej do pomiarów przemieszczenia i odkształcenia w płaszczyźnie.

Przedstawiono jej zastosowanie w monitoringu newralgicznych punktów wielkogabarytowych konstrukcji inżynierskich (regiony wokół spawów, połączeń itp.). W pracy przedstawiono również projekt mechaniczny i optyczny czujników oraz testy laboratoryjne ich głównych modułów (falowodowych głowic pomiarowych). Na koniec przedstawiono aplikację opracowanych czujników na przykładowej konstrukcji kratownicowej.

Prof. Małgorzata Kujawinska, (SPIE Fellow) Head of Photonics Engineering Division at Institute of Micromechanics and Photonics. Expert in full-field optical metrology, image processing, automatic data analysis and design of novel photonics systems. She has been involved in the optical metrology topics since 1980 including: development of interferometric, holographic, grating and structured light based methods. She published more than 100 papers in reviewed international journals, supervised 7 EU projects and more than 50 national research projects. She has been the co-coordinator of the Network of Excellence for Micro-Optics NEMO and the Access Center to Microoptics Services and Technologies ACTMOST. She is currently the vice-president of European Technology Platform Photonics 21. e-mail: m.kujawinska@mchtr.pw.edu.pl

Grzegorz Dymny, MSc Member of technical staff at Institute of Micromechanics and Photonics, Warsaw University of Technology. His main interests are automation of interferometry measurements, ccd and cmos cameras, termography. e-mail: g.dymny@mchtr.pw.edu.pl

Słowa kluczowe: monitorowanie stanu technicznego konstrukcji, czujnik przemieszczeń, interferometria siatkowa, cyfrowa interferometria plamkowa

Dariusz Łukaszewski, MSc PhD student at Institute of Micromechanics and Photonics, Warsaw University of Technology. Member of SPIE and OSA student chapters. His main interests are interferometry techniques in experimental mechanics, structural health monitoring and applications of optics for medical purposes. e-mail: d.lukaszewski@mchtr.pw.edu.pl Leszek Sałbut, DSc Eng. Professor at Warsaw University of Technology. Deputy Director for Scientific Affairs at Institute of Micromechanics and Photonics. Board member of Society of Experimental Mechanics Polish Chapter. His main interests are applied optics, mainly standard, holographic and grating interferometry and their application In experimental mechanics, material engineering, metrology and medicine. He published more than 100 papers in Polish and international journals. e-mail: l.salbut@mchtr.pw.edu.pl Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

91

Nauka

Wireless passive sensor for crack detection exploiting RFID technology Mateusz Lisowski, Tadeusz Uhl AGH University of Science and Technology, Department of Robotics and Mechatronics

Abstract: This paper presents concept of passive, wireless sensor based on RFID technology for detection of cracks in ceramic parts, plates and equipment. Main objectives of this work were to develop as cheap as possible, quantitative sensor without any power source that would be also extremely simple and has possibly long lifecycle. This type of sensor could be used in Structural Health Monitoring, in tasks connected with crack detection in concrete structures (special ceramic specimens embedded in structure) and another tasks related to detection of damages in any ceramic parts (bulletproof vest plates, ceramic bearing, insulator in power engineering).

In this paper we present technical concept of sensor, investigations on planar coil calculation, entire system simulation, prototypes that check manufacturing possibilities.

Keywords: wireless sensor, RFID, planar coil designing, SHM, concrete structure, ceramic crack detection

1. Introduction The increasing interest in designing of wireless and batteryfree sensors is one of the most significant trends within the subject of Structural Health Monitoring (SHM) in recent researches. Wireless Sensor Networks (WSN) offers almost endless opportunities, both in the tasks related to monitoring condition of structures, and another tasks connected with collecting of environmental information such as temperature, brightness, sound and vibration [2]. Wireless sensors are successfully implemented in many of practical applications such as environmental conditions monitoring, agricultural monitoring, vital sign monitoring in medicine, many of military applications, like DARPA’s for instance [3]. Base difference between concrete examples of applied wireless sensor is the way of powering. There are two possibilities to solve this problem. First and already well developed approach is the power source connected to sensor (generally this is a battery). These type of sensors are well described in many papers such [2,4]. The second approach is generally more complicated, and stands numerous challenges against inventor. In this case the power is supplied to sensor from outside through ambient-power scavenging, from temperature difference using Peltier effect, solar energy, mechanical energy from vibrations by using of piezo-elements, and most of all directly from reader by using of magnetic coupling with reader [5]. It is obvious that sensor, that is both wireless and battery-free has advantages of this two groups of sensor.

On the one hand it has almost endless lifetime and no needs for additional space for battery, on the other hand there is no needs for wire connection, it could be placed anywhere in places with difficult access, also on moving elements.

Preferably chosen technology by designing of wireless sensor is RFID (Radio Frequency Identification) in vari-

92

ous forms and concepts. There are papers referred using of “1-bit only transponder” called EAS [1], well known as application in anti-theft devices in shops. Often there are threshold sensors that change its state by defined conditions.

That are for instant low-cost temperature sensor, used in goods distribution tasks changing its state by transition of temperature below 0° C [6], displacement sensor using changing in backscattered signal response due to metal element closing to sensor transponder [6, 7], fluid level sensor, that could be used in restaurant applications (it uses the fact that water detunes tag antenna stuck on the glass, therefore when glass is empty the signal is readable) [6]. To this group belongs also low-cost corrosion sensor designed to detect corrosion in reinforced concrete structures [8–10]. The second group is represented by WISP (Wireless Identification and Sensing Platform), which are sensors connected with RFID transponder circuit and powered from reader [11]. Many papers describe WISP sensors such a WISP light sensor [12], sensors used in System for Human Activity Recognition and Prediction (SHARP) [13], wireless strain monitoring system called WISDOM (Wireless Distributed Strain Sensing for Structural Health Monitoring) [14]. There are also similar solutions, such self-powered temperature sensor [15] that satisfies the assumptions of WISP technology, but is not defined by that name.

In this short introduction it is signalized the most important recently researches and developments within the subject of wireless sensors used today and them application area. It is easy noticeable that designed sensor must be simply, low-cost, low-powered and must provide the opportunity to be ubiquity. Obvious there is many of wireless sensors presented above, there is still lack of such solution that is widely used in SHM application. This paper presents a concept that could fulfill specified market area and has great chance to be ubiquity.

2. Sensor concept As was mentioned above a construction of designed sensor should be as simple as possible. Following requirements are: minimal cost of proposed sensor, practically endless lifetime (which excludes using of battery), possibility to place sensor on ceramic parts in almost arbitrary environment, in difficult accessible locations as well. There is strong demand for this type of sensor, both in SHM area, and in tasks connected with machine state monitoring.

In order to satisfy these requirements, a sensor with following operating principle has been designed. Firstly, will be discussed a concept of sensor that could be placed on flat parts, for instance ceramic plate putted into bulletproof vest. The main concept was to develop threshold sensor, changing its state by appearance of crack damage.

Therefore, the sensor has form of simple resonant circuit connected with RFID chip. The role of inductance element of the circuit plays a planar coil printed directly on ceramic elements. The role of capacitance elements plays, depending on frequency range of system, additional SMD capacitors or capacitor integrated with RFID chip internal circuit. The sensor system designed like that is tuned to determine resonant frequency (operating frequency), according to frequency of standard commercially available RFID reader. When crack occurs, tracks which forms planar coil become interrupted, there is no more backscattered signal in RFID reader, and thus we can conclude that ceramic part is damaged. Summarized, we can conclude that the sensor is in fact RFID transponder with specific form and role. This concept is somewhat similar to sensor for steel reinforced concrete presented in [9], however the role of susceptible element plays there a role of connection between two capacitors, lead outside sensor housing, effectively removing second capacitor in case of corrosion, what cause changing in resonant frequency of circuit. In our concept the susceptible element is in fact track that form planar coil.

As can be seen, this concept of sensor fulfilled almost all posted stipulation. Only costs are made by cost of simply RFID chip (depends on manufacturer it amounts about few dollars) and printed tracks – we have decided to use thick-film technology, screen printing that belongs to this technology is well-known and inexpensive method of application conductive inks (following [16]). The sensor could be placed at almost every flat ceramic part by its manufacturing, or later (the only requirement is connected to surface roughness). Its simplicity is also strong site of this concept – there is not any power source that could be discharged, loss of backscattered signal clearly indicates that damage has occurred. The lifetime of whole construction is only limited by lifetime of integrated circuit of RFID chip that is theoretically endless. Next advantage is fact that there is no need to place sensor in visible position.

Depending on reader’s range, it could be interrogated from up to 1 meter and more, independently what is between sensor (transponder) and reader. Only limitations result from presence of metal parts in near field of sensor that could change magnetic field around theme and thus limit read range of reader.

The crack damage sensor designed this way could be attractive for industry, military and construction application. It is simply, low-cost, has almost endless lifetime and thus has great chance to be ubiquitous. This type of proposed sensor could be used in many type of different application related to Structural Health Monitoring (SHM), maintenance of machines that contain ceramic parts, military application.

The first and probably most significant application is using this sensor in maintenance of concrete structure.

There is strong demand for sensor that allows to prevent propagation of cracking damages in this kind of structure, due to their rapid recognition. We could manufacture ceramic plates and stick theme on the concrete building elements in the most endangered places, or even embedded theme into concrete during construction. Using of RFID technology allow us to avoid necessity of placing sensor in visible places, it could be placed for instance under plaster

or another outer layer of the facade. Once placed sensor could be examined at certain times, depending on different application (for instance once a week), unlimited number of times, for many years. The lack of backscattered signal in RFID reader gives clearly information, that crack in structure has occurred and that whole construction is in danger.

To achieve even more effectiveness, there is possibility to use stress-sensitive ceramic material for plate, what gives possibility to avoid crack even before its occurring.

The second area of application could be maintenance of ceramic plates placed in bulletproof vest. This type of plates must be fully functional in order to comply its role.

Even small crack damage could be hazardous for soldiers, that using bulletproof vest. Therefore these plates require frequent revision. Equipment of every plate in crack damage sensor could significantly reduce time of revision, due to avoidance of taking out every plate. There are also many different areas, depending only on needs, where this type of sensor could be used. Immediately coming to mind is maintenance of insulators in power engineering and maintenance of becoming more popular ceramic bearing. These areas of using, however, require more investigations.

3. Physical phenomena, simulations and prototypes In first investigations carried out on this concept sensor we would to check the possibility to printing planar coil at any type of ceramic elements, recognize limitations, choose the best method of manufacturing process, choose the best method to calculate planar coil’s self-induction and simulate operating principles of entire system. This knowledge will be important by process of designing and manufacturing of working sensor prototypes.

Due to the fact that it is intended to place sensor on any ceramic parts, we decided to use silver conducting ink for planar coil. There are many papers that report successful using of silver ink to fabrication printed RFID applications [17, 18]. Accordingly to chosen material, we used screen printing application method, as was mentioned above. The designed system could work at LF or HF frequency (125 kHz and 13.56 MHz respectively, standardized frequencies for RFID systems). Concrete sensor will work at specified frequency, depends on environmental conditions and concrete application requirements.

First we must consider some effects that could be important for designing of planar coil for RFID transponder. There are skin effect, current crowding effect, resistance of planar coil related to sheet resistance of conductive ink and inductance of planar coil. Some of these phenomena need to be checked once for specified conditions, like for instance operating frequency, another become significant in entire designing process. Below there is short description of these phenomena, that could be helpful in designing process of RFID transponder on any substrate, not only ceramic.

3.1. Skin effect

According to [19] the skin effect “is the tendency of high frequency current to concentrate near the outer edge, or surface, of a conductor, instead of flowing uniformly over the entire cross sectional area of the conductor”. This effect Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

93

Nauka

increases according to growth of frequency, causes decreases of current density inside the conductor. This effect occurs due to Faraday’s law applied to high frequency conductive tracks. The result of skin effect is called “skin depth”, which states thickness of conductive tracks in which approximately 63 % of all current flows. Practically we assumed that at higher frequencies, there is no reason to increasing track thickness, because flowing current is limited by skin depth, described with following equation:

δ =

1

(1)

π ⋅ µ ⋅ f ⋅ σe

where m is permeability, se is conductivity of silver ink and f is operating frequency.

As Leung reported [20] “the skin effect is negligible for the printed coils at 13.56 MHz”. After substituting values related to our assuming

N  µ = 4π ⋅ 10−7 2 ,  A   f = 13.56 MHz

S ρe = 1.6 ⋅ 10 , m 6

   

[18], we considered that value of skin depth is 108 µm.

Average thickness of screen printed track is 25 µm, which confirms that skin effect is negligible, particularly by using of silver conductive ink at HF and we will consider no more at this phenomenon.

3.2. Current crowding effect

The current crowding effect (called also as proximity effect) is connected with increasing effective resistance above its DC value at higher frequencies in conductive traces placed close to each other, especially in application such planar coil inductors, due to eddy currents induced inside of traces [21]. This effect is difficult to precise analysis; however there is an equation, allowed us to approximately define the boundary frequency, when it becomes significant:

flim =

3.1 P Rsheet 2πµ0W 2

(2)

where P is sum of track and internal width and W is track width as shown in picture (fig. 1), more information about Rsheet is posted below. Therefore trace sheet resistance is not exactly known before manufacturing first prototypes, what is subject of this paper, result of solving this equation will be mentioned in results.

Fig. 1. Track width and sum of track and internal width Rys. 1. Szerokość ścieżki oraz suma szerokości przerwy między ścieżkami i ścieżki

94

3.3. Resistance

Track resistance has significant influence for quality factor of resonance circuit. Resistance of produced tracks depends on conductive ink, method of manufacturing and material of substrate. Producers of standard conductive ink give information about trace sheet resistance (measured in Ohm/square) by standardized average trace thickness of 25 µm, printed on LTCC substrate. In our investigation we checked trace resistance of conductive ink applied on ceramic substrate that was not designed especially for electronic tasks. In this case apparently insignificant parts of manufacturing process become important. For obtainment of trace sheet resistance we have measured total resistance of prototype traces and using equation:

Rsheet =

Rt ⋅W L

(3)

where Rt is total resistance, W is track width and L is track length, we have received real value of trace resistance for chosen manufacturing method and type of substrate. This investigation was necessary, due to much lower value of conductance in silver-ink printed tracks, compare to standard etched copper tracks.

3.4. Inductance

The subject of planar coil inductors lies in area of great interest for many years. There are many of papers describing approximating formulas allow us to calculate inductance of planar, especially square-shaped inductor [22–26].

We decided to check usefulness of chosen equation and method of prediction coil inductance, by designing our prototypes. First equation was given by Wheeler in 1928 (following [23]):

LWh ≈

45 ⋅ µ0 ⋅ n 2 ⋅ a 2 22 r − 14 a

(4)

where n is the number of turn in coil, r is the half-width of the square coil and a is the distance from the centre of the inductor to the middle of the windings, as shown in (fig. 2).

In this paper [23] was given also modified Wheeler equation differing to original only with constant 45 changed to 33:

LWh (Mod ) ≈

33 ⋅ µ0 ⋅ n 2 ⋅ a 2 22 r − 14 a

Fig. 2. Variables a and r presented on square shaped coil Rys. 2. Zmienne a i r pokazane na cewce kwadratowej

(5)

Another equation named Grover method was given at [24]:

LGrov =

s

∑L j =1

j

+M

(6)

where s is the number of segments, M is the mutual inductance between each segments and Lj is the self inductance of each segment given by [25]:

  2l  w +t Lj = 0.002 l  ln   + 0.50049 +  w +t 3 l  

(7)

where l, w and t are track length, width and thickness respectively. This equation was applied to antenna design tool, developed by ST Microelectronic (fig. 3).

Fig. 5. Calculation of K1 constant Rys. 5. Obliczenia stałej K1

Fig. 6. Calculation of K2 constant Rys. 6. Obliczenia stałej K2

thus leading design variable is coil shape and dimensions.

The tracks of inductor are approximate as one dimension (length only) conductive lines embedded in 3D space.

This model of planar coil is both close to reality and should state good approximation, as well as relatively fast in the calculations for computer (fig. 7 and 8).

Fig. 3. ST Microelectronic tool calculating inductance of planar coil Rys. 3. Narzędzie firmy ST Microelectronic obliczające indukcyjność cewki planarnej

In ERES materials [26] about coils we found approximately equation related to planar inductor printed on foil (35 µm thick): (8) L = nDm (nK 1 + K 2 )

where n is the number of turns, Dm is the calculation diameter of coil differing for each coil shape, as shown in fig. 4 (according to [26]), K1 and K2 are constants taken from graphs posted in [26] – (figs. 5 and 6).

We also developed a simulation of planar inductor in COMSOL Multiphysics, approximating planar squareshaped inductor as several concentric squares differing only length of the side. Inductance depends mainly on quantity of magnetic flux lines flowing through inductor,

Fig. 7. Model of square shaped planar coil Rys. 7. Model kwadratowej cewki planarnej

Fig. 8. Simulation of magnetix flux in planar coil embedded in 3D space Rys. 8. Symulacja strumienia magnetycznego w cewce planarnej w przestrzeni 3D

After manufacturing some prototypes we measured real inductance of coils by using RLC Bridge model 41R produced by CHY company. We compared all results (from theoretical equation, simulation and measurement of real prototypes), receiving information for future investigation, which way of planar coil designing is the best and closest to reality.

3.5. Operating principle simulation

Fig. 4. Difference in coil diameter calculation due to its shape Rys. 4. Zmiany w sposobie obliczania wymiarów cewek ze względu na ich kształt

Using CST Microwave Studio we simulated the entire system. We developed model of planar coil embedded in air space that is as close as possible to reality. In preparing of system environment we have used lumped capacitive element and discrete port to excitation entire structure.

Designed system is prepared for work with operating frequency 13.56 MHz. Assuming, that internal capacitance value of real RFID chip provided by ST Microelectronic (M24LR64-R model), that we intend to use, is about Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

95

Nauka

27.5 pF, we could calculate needed inductance for achieving determined frequency, transforming simple, well known equation:

f =

(9)

to:

1 2π LC

L=

1 4π 2Cf 2

(10)

After substitution we became value of inductance about 5.01 µH. We done preliminary design of planar coil, computed initially value of inductance with help of described above antenna design tool, assuming that introduced modifications, like for instances rounded corners of planar coil tracks, could change slightly final value of inductance. We tested value of S11 parameter measured on discrete port and investigated impact of occurring damage to changing in resonant response entire system.

3.6. Planar coil prototypes

We developed several of planar coil inductors at ceramic substrate from fireplace ceramic-glass called ROBAX in the form of small square (50 × 50 mm). To manufactured planar coil we used glassy conductor silver ink, what allow us to soldering SMT elements, additive capacitors for instance. Connection between coil traces was produced by help of polymer-based silver conductor ink, due the fact, that resist layer was also from polymer-based ink (using of glassy resistive inks resulted in surface cracking of substrate material).

Fig. 9. CAD-project of second prototype Rys. 9. Projekt CAD drugiego prototypu

Fig. 10. Second prototype after manufacturing process Rys. 10. Drugi prototyp po procesie produkcji

Tab. 1. Basic data related to prototype coils Tab. 1. Podstawowe dane cewek prototypowych Prototype

1

2

Track length

3838 mm

2894 mm

Track width

0.225 mm

0.35 mm

Internal width

0.225 mm

0.25 mm

Side length

42.4 mm

42.4 mm

36

27

430 Ω

46 Ω

33.72 µH

18.62 µH

Number of turns Average track resistance Average inductance

96

There are two main prototypes which could serve as examples to compare with equations and digital model.

There were also earlier prototypes that allow us to investigate some of screen printing method principles related to entire ceramic substrate. Concerns connected with filling of conductive ink after printing have been allayed. By annealing the tracks rather shrink. The adhesion to substrate material was also very good. There were also some problems with resistive ink, which was described above.

Concerning again at two prototypes, there is some technical and physical data of printed coils (tab. 1) and also pictures that show physical model of them (fig. 9 and 10).

4. Results and discussion We manufactured two following prototypes of planar coil.

In comparison above, easy noticeable difference is the average track resistance. After substituting values to formula (3), we obtain quite different real value of trace sheet resistance about 25.2 mΩ and 5.5 mΩ for first and second prototype of coil respectively. This significant distinction outcomes from application of some improvements in manufacturing method by production of second prototype. After notice some features of fabrication conductive traces on ROBAX substrate, like for instance shrinkage of traces by annealing, we decided to developing model with wider tracks, using of screen with larger mesh factor (initial concerns about spillage of tracks by annealing have been canceled), backed with thicker foil, which affected on more accurate mapping of screen traces on substrate, due to thicker tracks (in first prototype we noticed some constrictions in tracks, probably due to local loss of thickness). Trace sheet resistance is value of great importance, through its straightforward impact to real resistance of track and therefore indirectly for quality factor of coil (the lower the resistance, the higher the quality factor), which is significant for all resonance circuit.

After obtaining final value of trace sheet resistance, we could consider on current crowding effect in planar coil.

Using equation (2), we obtain value of frequency, at which the current crowding effect becomes significant, impacts on increasing of tracks resistance. It is interesting that by our manufacturing methods, achieved trace sheet resistance and track thickness, this frequency is about 10.58 MHz, by assuming operating frequency 13.56 MHz. That is the signal that current crowding effect must be taken into account, by designing of planar coil intended for similar tasks, like this type of crack damage sensor.

The main results of our investigations was checking of usefulness of different designing and calculating method for planar coil inductance, in relation to designing of planar coil printed on any ceramic substrate. Below in tab. 2 were posted results of coil calculations by using methods described above in comparison to real values of inductance, measured by RLC bridge: By analyzing of these results we concluded that all of approximating methods of coil inductance calculations give values greater than measured value in prototype. The nearest to reality is Grover Method applied in ST Microelectronic antenna design tool and it was chosen to developing of next prototypes of sensor. Other methods

Tab. 2. Values of inductance received from different equations and measured in prototype coils Tab. 2. Wartości indukcyjności otrzymane z różnych wzorów i zmierzone w cewkach prototypowych Real inductance

33.72 µH

18.62 µH

Simulation in Comsol

37.62 µH

21.40 µH

Grover Method

33.95 µH

19.15 µH

Method from ERES materials

37.98 µH

21.49 µH

Wheeler equation

46.47 µH

26.53 µH

Fig. 14. Difference in S11 parameter and occurring of resonant peak due to tracks damages

Modified Wheeler equation

36.14 µH

20.63 µH

Rys. 14. Różnica w parametrze S11 na skutek pojawienia się uszkodzenia

(simulation in Comsol, method from ERES materials) are similar and give values a few microhenries greater than real, they are helpful by preliminary calculations. Considering on Comsol simulation, it is useful because of possibility to calculating another values connected with RFID system design (mutual inductance, coupling coefficient), what will be described in the next papers. The Wheeler equation is one of the first methods to calculating planar coil inductance and nowadays it can be treated as historical, its difference in calculated value is greatest, it could be useful only in forecast of inductance value order of magnitude.

The modified Wheeler formula is more useful, its error is similar to earlier described method (ERES and Comsol).

The second of main results in our investigations was simulation of entire system, carried out to checking supposed operating principles, which assume that occurring crack

Fig. 11. Simulation of undamaged coil Rys. 11. Symulacja cewki nieuszkodzonej

Fig. 12. Simulation of planar coil with interrupted tracks Rys. 12. Symulacja cewki planarnej z przerwanymi ścieżkami

damage and interruption of track, lead to changes in impedance (thus in RFID reader tuned to specified operating frequency, there is lack of backscattered signal). First we had checked S11 parameter of undamaged system presented in fig. 11. We had investigated this parameter in frequency range, that we supposed resonant peak (10–15 MHz).

By analyzing obtained results, we concluded that system has resonance in 13.46 MHz (fig. 13). Slightly displacement of resonant peak is caused by some changes in planar coil inductance compared to assumed value (due to simplifications in preliminary calculations). More interesting, however, is the simulation where crack occurs. We parameterized length of damage that resulted in four cases (undamaged planar coil by length zero, damage on one, two and three tracks) (fig. 12). Width of crack damage was constant and amounts 0.1 mm. By analyzing results there is clearly visible that resonant peak was significantly displaced (fig. 14) by occurring of crack damage. There is the leading result of our investigations. By displacement of the resonant peak, there is no more backscattered signal in RFID reader, thus we can conclude that our assumption related to operating principle was correct. Interesting phenomena is low impact of increasing number of interrupted tracks for resonance frequency. There is a great difference in value of undamaged coil impedance compare to coil with one track interrupted, but further damages do not impact so much. This phenomenon requires more investigations.

There is admittedly some question connected with the result, for instance different place and amplitude of resonant peak of undamaged system compared to first simulation or significant difference in amplitude values, however we supposed that is the reason of simulation uncertainty and lack of precision. The leading operating principle was shown with this simulation.

5. Conclusion

Fig. 13. S11 parameter with resonant peak of undamaged coil Rys. 13. Parametr S11 z pikiem rezonansowym cewki nieuszkodzonej

In our investigations we examined different methods of planar coil designing, both in the way of simulation, as well as inductance calculation. There Grover Method was chosen, as the best method to calculating inductance of planar coil printing on ROBAX substrate. We also developed appropriate components of manufacturing process, including screen mesh size, thickness of backed foil, method to connect inner and outer planar coil tracks. Our investigations resulted also in significant decreasing of track sheet Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

97

Nauka

resistance that now corresponds to value given by producers of silver ink. In this occasion it becomes clearly that current crowding effect is important phenomenon by designing of planar coil with similar characteristics and must be consider by designer. We developed also complete simulation of described system, checking the impact of crack damage, which interrupted tracks of planar coil, to its impedance, thus its resonant response. These preliminary investigations show possibility to developing crack damage sensor, which concept was also described here. This type of sensor has great chance for success on SHM and maintenance market. By the low cost per unit, especially due to the cost efficiency manufacturing method and simple operating principle, there is possibility to selling large number of units.

Next step will be designing of RFID system, working at specified operating frequency, with transponder manufactured directly on any ceramic elements. We will also investigate useful of such system in concrete structure monitoring and another tasks connected with maintenance of systems including ceramic parts. Parallel we would to develop more simulations, in order to find response for new question, that have appeared by preliminary simulation and to even better understanding of entire system.

Bibligraphy 1. Finkenzeller K., RFID Handbook, John Wiley & Sons Ltd, 2003, 29.

2. Kurata N., Spencer B.F. Jr., Ruiz-Sandoval M., Risk Monitoring of Buildings Using Wireless Sensor Network, “Struct. Control Health Monit.” 2005; 12, 315–327.

3. Puccinelli D., Haenggi M., Wireless Sensor Networks Applications and Challenges of Ubiquitous Sensing, “Circuits and Systems Magazine”, IEEE, vol. 5, 19–31, 2005.

4. Lewis F.L., Wireless Sensor Networks, [in:] Cook D.J., Das S.K. (ed.), Smart Environments: Technologies, Protocols, and Applications, John Wiley, New York 2004.

5. Philipose M., Smith J.R., Jiang B., Mamishev A., Sumit Roy, Sundara-Rajan K., Battery-Free Wireless Identification and Sensing, “Pervasive Computing”, IEEE, vol. 4, 37–45, Jan.-March 2005.

6. Bhattacharyya R., Floerkemeier C., Sarma S., LowCost, Ubiquitous RFID-Tag-Antenna-Based Sensing, Proceedings of the IEEE, vol. 98, 1593–1600, Sept.

2010.

7. Bhattacharyya R., Floerkemeier C., Sarma S., Towards Tag Antenna Based Sensing – An RFID Displacement Sensor, 2009 IEEE International Conference on RFID, 95–102, 27–28 April 2009.

8. Pasupathy P., Zhuzhou M., Neikirk D.P., Wood S.L., Unpowered Resonant Wireless Sensor Nets for Structural Health Monitoring, “Sensors”, 2008 IEEE, 697–700, 26–29 Oct. 2008.

9. Andringa M.M., Neikirk D.P., Dickerson N.P., Wood S.L., Unpowered Wireless Corrosion Sensor for Steel Reinforced Concrete, “Sensors”, 2005 IEEE, 4, 30 Oct. 2005 – 3 Nov. 2005.

98

10. Andringa M., Unpowered Wireless Sensors for Structural Health Monitoring, Dissertation in UT Electronic Theses and Dissertations, 2006.

11. Sample A.P., Yeager D.J., Powledge P.S., Mamishev A.V., Smith J.R., Design of an RFID-Based BatteryFree Programmable Sensing Platform, “IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement”, vol. 57, 2608–2615, Nov. 2008.

12. Smith J.R., Sample A.P., Powledge P.S., Sumit R., Mamishev A., A Wirelessly-Powered Platform for Sensing and Computation, Ubicomp 2006, LNCS 4206, 495–506, 2006.

13. Philipose M., Smith J.R., Jiang B., Mamishev A., Sumit R., Sundara-Rajan K., Battery-Free Wireless Identification and Sensing, “Pervasive Computing”, IEEE, vol. 4, 37–45, Jan.–March 2005.

14. Palmer C., Gutterman A., Argenna G., Inclan V., Zyuzin A., Wireless, Batteryless Distributed Strain Sensing for Structural Health Monitoring.

15. Opasjumruskit K., Thanthipwan T., Sathusen O., Sirinamarattana P., Gadmanee P., Pootarapan E., Wongkomet N., Thanachayanont A., Thamsirianunt M., Self-Powered Wireless Temperature Sensors Exploit RFID Technology, “Pervasive Computing, IEEE”, vol. 5, 54–61, 2006.

16. Oldenzijl R., Gaitens G., Dixon D., Conduct Radio Frequencies with Inks [in:] Turcu C. (ed.), Radio Frequency Identification Fundamentals and Applications Design Methods and Solutions, 251–264, InTech, February 2010.

17. Volkman S.K., Pei Y., Redinger D., Yin S., Subramanian V., Ink-jetted Silver/Copper conductors for printed RFID applications, Mat. Res. Soc. Symp.

Proc. Vol. 814, 2004. Materials Research Society.

18. Nikitin P.V., Lam S., Rao K.V.S., Low Cost Silver Ink RFID Tag Antennas, Antennas and Propagation Society International Symposium, 2005 IEEE, vol. 2B, 353–356, 3–8 July 2005.

19. Brooks D., Skin effect, [in:] Printed Circuit Design and Manufacturing, UP Media, December, 2009, UltraCAD Design, Inc. 20. Leung S.Y.Y., Lam D.C.C., Geometric and Compaction Dependence of Printed Polymer-Based RFID Tag Antenna Performance, “IEEE Transactions on Electronics Packaging Manufacturing”, vol. 32, 120–125, April 2008.

21. Kuhn W.B., Ibrahim N.M., Analysis of current crowding effects in multiturn spiral inductors, “IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques”, vol. 49, 31–38, Jan 2001.

22. Kawabe K., Koyama H., Shirae K., Planar inductor, “IEEE Transactions on Magnetics”, vol. 20, 1804– 1806, Sep. 1984.

23. Salleh S., Salleh K., Hashim M.F., Majid Z.A., Design and analysis of 13.56 MHz RFID antenna based on modified wheeler equation: A practical approach, 2010 International Conference on Electronic Devices, Systems and Applications (ICEDSA), 326–330, 11–14 April 2010.

24. AN2972 Application note – Designing an antenna for the M24LR64-R dual interface I²C/RFID device, Doc ID 15629 Rev 4, 2009 STMicroelectronics.

25. microID 13.56 MHz RFID System Design Guide, DS21299E, 2004 Microchip Technology Inc. 26. [www.eres.alpha.pl/elektronika/articles.php?article_ id=18] – Cewki i dławiki.

27. AC/DC Module – Model Library, ver. October 2007, COPYRIGHT 1994–2007 by COMSOL AB. 28. Koprowski J., Elektrodynamika falowa, Wydawnictwa AGH, Kraków 2009.

29. RFID Transponder operating at 13.56 MHz, 2012 CST AG – [www.cst.com].

Bezprzewodowy pasywny czujnik uszkodzeń wykorzystujący technologię RFID Streszczenie: Artykuł ten opisuje koncepcję pasywnego, bezprzewodowego czujnika opartego na technologii RFID, służącego do detekcji pęknięć w elementach, płytkach i urządzeniach ceramicznych. Głównym celem badań było opracowanie taniego progowego czujnika bez żadnego źródła zasilania, o prostej zasadzie działania i możliwie długiej żywotności. Taki typ czujnika mógłby być używany w monitoringu stanu konstrukcji, w zadaniach związanych z detekcją pęknięć w strukturach żelbetowych (specjalne próbki ceramiczne umieszczone w konstrukcji) i innych zadaniach związanych z detekcją uszkodzeń elementów ceramicznych (płytki umieszczane w kamizelkach kuloodpornych, łożyska ceramiczne, izolatory w energetyce). Poniżej zaprezentowano pierwszą fazę badań (koncepcję czujnika, wybór sposobu zaprojektowania i obliczeń indukcyjności cewki planarnej, symulacja zasady działania, wytworzenie prototypów w celu sprawdzenia możliwości produkcyjnych).

Słowa kluczowe: czujnik bezprzewodowy, RFID, projektowanie cewek planarnych, SHM, konstrukcje żelbetowe, detekcja pęknięć w ceramice

Mateusz Lisowski, MSc He is PhD student at the Department of Robotics and Mechatronics of AGH University of Science and Technology in Cracow. His works are connected with RFID technology and wireless, passive sensor used in Structural Health Monitoring. e-mail: mateuszl@agh.edu.pl

Prof. Tadeusz Uhl, PhD, DSc He is head of the Department of Robotics and Mechatronics of AGH University of Science and Technology in Cracow.

His scientific interests are diagnostics and Structural Health Monitoring of constructions, dynamics of constructions, modal analysis, control systems and mechatronics. He is the author of 16 monographs and over 500 scientific papers. e-mail:tuhl@agh.edu.pl

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

99

Nauka

Monitoring of fatigue life of mechatronic elements using spectral method for fatigue life assessment including the mean stress value Adam Niesłony, Michał Böhm Faculty of Mechanical Engineering, Opole University of Technology Abstract: The paper presents a proposal of accounting the mean stress value in the process of fatigue life assessment using spectral method in terms of monitoring the fatigue life of mechatronic elements. The existing approaches are being discussed, and some chosen stress models used to take into account the influence of the mean stress value in the process of the determination of fatigue life are being introduced. The authors refer to a broad range of widely used models proposed by Soderberg, Goodman, Morrow, Gerber, and Kwofie. Those models can be used to determine the Power Spectral Density Function (PSDF) of the stress after transformation due to the mean value. Such a transformation is of great importance in fatigue life assessment with spectral method since PSDF is the quantity which defines loading and should also include information about mean stress. Determination of power spectral density of transformed stress allows the use of well-known models used in the spectral method, which in principle does not include the effect of the mean stress on fatigue life.

Keywords: mean stress; fatigue life assessment; random loading; power spectral density function

1. Introduction Machines, as well as mechatronic components being subjected to variable loads, require constant supervision during operation due to the emerging phenomenon of material fatigue.

Also, when designing new constructions or modification of nodes of machine elements, it is required to check their load capacity and fatigue life before finally being put into operation. Such kind of verifications are performed in laboratories carrying out fatigue tests or, if it is not possible because of e.g. the size of element or cost of the tests, calculations are made with a view to the best possible estimate of fatigue life.

Method of calculations depends of the character of the load.

In the case of load-amplitude with no significant mean value, the expected number of cycles to fatigue crack initiation can be read out directly from S-N curve, for example, from well known Wöhler curve. If there are significant mean values in the stress history, then their effect must be taken into account while assessing fatigue life. For this purpose you can use the charts to take account of the impact of the mean load, for example, Smith diagram or Wöhler curves drawn up for various cycle asymmetry coefficients R = smin/smax. If the diagrams or curves of this type are not available, then appropriate mean stress effect models should be used while calculations.

2. Mean value in random loading Determination of fatigue life under variable amplitude or random loading is generally done in the time domain using

100

a cycle counting algorithm determining the cycles from the loading history, using a chosen model to describe the influence of the mean load on fatigue and the hypothesis of summation of fatigue damage. Łagoda et al. [1] presents fatigue tests under uniaxial random tension-compression with and without mean value performed on samples made of 10HNAP steel.

They proposed an algorithm for calculating the fatigue life using rainflow cycle counting method and the linear hypothesis of fatigue damage summation by Palmgren-Miner. The authors of this work have analyzed three ways to take into account the influence of the mean value, see fig. 1, which are: a) method I, not taking into account the mean value, b) method II, taking into account the influence of the mean value by transforming each of the cycle amplitude obtained from rainflow algorithm on the basis of their local mean value (rainflow cycle mean value), c) method III, taking into account the influence of the mean value by transforming the whole load course on the basis of its global mean value before the cycle counting.

In the work by Łagoda et al. [1] the K coefficient has been introduced, which allows to calculate the transformed amplitude according to the method II

s aTi = s ai ⋅ K i (s mi ),

(1)

for the i-th cycle with amplitude sai and the mean value smi specified by the rainflow algorithm from a registered part of the random course. Method III is based on the principle of

Fig. 1. Three methods for calculating the fatigue life Tcal according to Łagoda et al. [1] Rys. 1. Trzy metody obliczenia trwałości zmęczeniowej T cal (według Łagody i in. [1])

the transformation of the whole random stress course using the global mean value sm

sT (t ) = [s (t ) - s m ] ⋅ K (s m ) ,

(2)

Amplitude of the transformed cycle saTi in this case is obtained directly by counting cycles of the course sT(t) using rainflow cycle counting algorithm. Summation of fatigue damage is done according to the formula

D=

ni

n

∑ N (s i =1

aTi

)

,

(3)

where: D – fatigue damage parameter, ni – the number of cycles of amplitude saTi, N(saTi) – the number of cycles determined from S-N curve (R = -1) for the transformed amplitude saTi. Fatigue life Ncal expressed in cycles is determined from the formula

N cal =

N blok , D

(4)

where Nblok is the number of counted cycles of the analyzed block of the stress course. The study carried out in [1] showed, that for the case of a stationary, random and symmetrically distributed relative to the mean value stress course the methods II and III are equivalent and can be used interchangeably in the calculations. In special cases, the K coefficient is determined from the formulas derived on the basis of the adopted model to take account of the mean stress. In the literature you will find a significant number of models of this type [1, 2] for which the K coefficient takes the form presented in tab. 1.

Fatigue life can be determined also in the frequency domain using a stochastic analysis of random processes. This method is known in the field of fatigue life assessment under the name spectral method and a lot of approaches including uniaxial and multiaxial cases were elaborated using this method [3, 6].

Taking into account the mean stress in this method is rather a difficult task, because the stress is represented by a power spectral density function, which contains information about the occurring locally and globally mean value in a way that is difficult to use in practice. In literature, however, we can find only a few suggestions on this issue. Kihl and Sarkani [3] and Sarkani et al. [4] show the effect of the mean value on fatigue life of welded steel joints. The tests were set to be run under both cyclic and random loadings with non-zero and zero mean stress value. The authors derived a formula to compute the expected number of cycles to fatigue failure in the case of random loads with extremes of Rayleigh distribution with a nonzero mean value of stress N cal

 s  = 1 - m  R   m

-B

B A

2 s xBA

B Γ  1 -   2

(10)

where: Ncal – number of cycles to fatigue failure, A and B – constant and slope of the Wöhler curve log(sa) = A + B × log(N), sx – is the RMS stress value of the narrow-band random loading, Γ(·) – is the gamma function, sm – global mean value of the random load, Rm – tensile strength. It is easy to notice that in the eq. (10), the part being responsible for taking into account the mean value is (1 – sm/Rm)–B, which

Tab. 1. Formulas for the K coefficient according to the chosen models [1, 2] Tab. 1. Wzory na współczynnik K według wybranych modeli [1, 2] Eq. No.

According to:

Eq. (5)

Soderberg

Eq. (6)

Goodman

Eq. (7)

Morrow

Eq. (8)

Eq. (9)

Formula

KS =

KGo =

KM =

KGe =

Gerber

KK =

Kwofie

1

sm

1-

Re

1 1-

sm

Rm

1 1-

sm s 'f

1 s  1- m  Rm 

2

1  s  exp  -α ⋅ m  Rm  

Ks, KGo, KM, KGe, KK – coefficients determined on the basis of appropriate models of Soderberg, Goodman, Morrow, Gerber and Kwofies, respectively, Re – plasticity limit,

Rm – tensile strength,

bf – fatigue strength coefficient,

a – mean stress sensitivity of the material [2].

modifies the expected cycle number till the fatigue failure determined by the narrow-band Miles formula [5].

3. PSD function of a random process with mean value Let us consider an example of one-dimensional stationary random process x(t) showing the property of ergodicity.

Assuming that x(t) represents the physical signal is often convenient to present as the sum of static component xm and dynamic or fluctuant component xd(t) [7, 8]

x (t ) = xm + xd (t ) .

(11)

Static component can be described by the expected value (mean value in deterministic case) given by the formula

T

1 x (t )dx .

T →∞ T ∫ 0

xm = lim

(12)

And the dynamic component by the signals variance

µx = lim

T →∞

1 T

T

∫ [x(t ) - x ] dt .

2

m

(13)

0

The variance, however, does not describe the spectral structure of a random process, and this information is essential for Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

101

Nauka

the proper estimation of the number of cycles and the amplitude distribution of the load during the fatigue calculations.

Therefore for this purpose the power spectral density function is being used. PSD of the signal describes the overall structure of a random process using the spectral density of root mean square of the physical signal in question. This value can be determined for the interval from f to f + Δf using a central-pass filter and averaging the square on the output of the filter [7]

T

1 2 ∫0 x (t , f ,∆f )dt , T →∞ T

Ψx ( f , ∆f ) = lim

(14)

∆f → 0

Ψx ( f , ∆f ) = ∆f

T  1  1 2 = lim lim ∫ x (t , f ,∆f )dt   ∆f → 0 ∆f T →∞ T 0  

(15)

A characteristic feature of the Gx(f) function is the relation to the autocorrelation function. In particular, for stationary signals, these functions are closely related by the Fourier transformation ∞

where

Gx ( f ) = 2 ∫ Rx (τ )e

- j 2π f τ

dτ,

(16)

-∞

Rx (τ ) = lim τ →∞

T

1 x (t )x (t + τ )dt , T ∫0

(17)

is the autocorrelation function of the signal x(t). Mean value xm of the random process can be determined from the autocorrelation function

xm =

Rx (∞),

(18)

and the mean value of x(t) is also a function of the PSD presented as a Dirac function at zero frequency

xm =

0+

∫ δ (0)G (f )df x

.

(19)

0-

The eq. (19) shows, that the mean value is equal to the positive square root of the ‘field’ underlying the Dirac function. This is an abstract field, as Dirac function takes the value + for an infinite small interval. For this reason, the direct use of eq. (19) to determine the expected value on the basis of a PSD function of a random function in practical cases is impossible. Numerical algorithms to estimate the PSD functions are subjected to some restrictions coming from the basic frequency resolution. Also, the value of PSD function for f = 0, i.e. Gx(0), results from the mean value x(t) and from the mean square value of a random process from the interval (0, Df ).

Proper separation of these two values is impossible without additional information such as of the static value of the processes xm. Therefore, in practice, we analyze those two values separately, the dynamic and static component of the random process according to eq. (11).

102

The transition of the signal x(t) by an linear system with constant parameters determined by the impulse response h(t) and the transfer function H(f) describes the following relationships [7]: ∞

y(t ) = ∫ h(τ )x (t - τ )d τ ,

(20)

0

2

Gy ( f ) = H ( f ) Gx ( f ),

where: Yx – the mean square value of the process x(t), T – time of the observation, x(t, f, Df) – component of x(t) in the frequency range from f to f + Df. For small values of Df the eq. (14) shows the one-sided PSD function Gx ( f ) = lim

4. PSD function of a transformed stress course

(21)

where y(t) – output signal of the system, Gx(f) and Gy(f) – PSD’s of input and output, respectively. From the eq. (21) we can notice that the power spectral density function of the output signal can be calculated knowing the gain factor |H(f)| of the system. Fig. 2(a) shows schematically the transition of the signal x(t) through a linear system. Spectral method for fatigue life determination uses PSD function to describe the stress state directly in the frequency domain. If the stress course includes a static and a fluctuant component then the transformed course should be computed according to the eq. (2). Treating the fluctuant component of the course [s(t) - sm] as an input signal of an linear system with constant gain factor |H(f)| = K(sm) we can determine the PSD of a transformed stress

G sT ( f ) = [K (s m )] G s ( f ), 2

(22)

where Gs(f ) – power spectral density of a fluctuant component of the stress course. Fig. 2b presents the interpretation of the linear process of strain transformation due to the mean value, which can be compared to transition of a signal through a linear system, fig. 2(a). Eq. (22) allows the use of different forms of K(sm) factors, for example, described by equations (5)–(9), in the process of determining the fatigue life by means of spectral method taking into account the static stress component.

If we consider a multiaxial loading case, then the transformation due to the mean stress has to be performed directly after crossing from the multiaxial stress state to the uniaxial, using appropriate multiaxial fatigue criteria’s defined in the frequency domain. As an example we can use the criterion proposed by Macha [5] or Preumont and Pierford [5, 6, 9].

In this case the hydrostatic pressure value is used instead of the mean stress. It is a common and at the same time the simplest treatment used in the spatial stress state [6].

The main advantage of the proposed solution is that the transformation is subjected to power spectral density function before using known spectral models to determine fatigue life.

This gives the possibility of applying fatigue formulas in the spectral method developed for narrow-band frequency and the more universal solutions correctly describing most of the random loadings used in the fatigue life assessment [5].

Such a method is proposed by Dirlik [10] which is developed by using the empirical formula describing the probability density distribution of amplitudes ranges

p(∆s ) =

1 2 m0

-Z 2   K 1 K-Z K 2Z -Z 2  e 4 + 2 e 2R + K 3Ze 2  R  K 4  2

(23)

where: Z, K1, K2, K3, K4, R – factors which are functions of the first five moments mk (k = 0, …, 4) of the PSD function of transformed stress ∞

mk = ∫ GsT ( f )f kdf .

(24) 0

Fatigue life is calculated using the selected hypothesis of fatigue damage accumulation, e.g. for a linear PalmgrenMiner hypothesis having regard to the amplitudes below the fatigue limit we obtain

N cal =

1

p(∆s ) d ∆ s ∫0 N (∆s )

(25)

∞

where the number of cycles N(Ds) for stress range Ds is calculated on the basis of S-N curve

 ∆s  N (∆s ) = s afm N 0   2 

-m

.

(26)

power spectral density function of the stress, taking into account the influence of the mean stress value on the fatigue life. The presented equation (22) allows the calculation of the PSDF of the transformed stress, using models that are well known and widely verified in experimental researches.

The proposal of Kihl and Sarkani [3] and Sarkani et al. [4] uses a Rayleigh amplitude distribution approximation, which reduces the area of application of the eq. (10) only to narrowband processes. The method proposed by the authors doesn’t have this limitation and therefore allows a wide usage of many formulas used to predict the fatigue life by means of the spectral method. Compared with the time domain fatigue life prediction methods, the spectral method shows greater efficiency and it can be used there, where a multiplicand fatigue calculation is required (constructions optimization, fatigue damage maps etc.).

The experimental verification should be performed to verify the correctness of the fatigue calculations evaluated according to the proposed method, nevertheless the transformation of the PSD function in the spectral method is equivalent to the eq. (2) in the time domain.

Acknowledgements This paper is realized within the framework of research project No. 2011/01/B/ST8/06850 funded by National Science Centre in Poland.

Bibliography

Fig. 2. One-input linear system (a) and interpretation of the linear process of strain course transformation due to the mean value (b) Rys. 2. Jednowejściowy układ liniowy (a) oraz interpretacja transformacji liniowej przebiegu naprężenia ze względu na wartość średnią (b)

5. Computation algorithm In order to calculate the fatigue life using the spectral method and taking into account the influence of the mean stress on fatigue life you should follow these steps: a) designate or define PSD function of the fluctuant component of the stress course Gs(f) and establish its static part sm, b) calculate the coefficient K(sm) according to the right model, eq. (5)–(9). The choice of model depends of the mean stress value sensitivity of the material, c) calculate PSD of then transformed stress GsT(f) according to the eq. (22), d) calculate the fatigue life using spectral method formulas, i.e. eq. (23) and (25) [5, 6].

6. Conclusions and observations Based on the literature research it can be stated, that there are no papers that would propose the transformation of the

1. Łagoda T., Macha E., Pawliczek R., The influence of the mean stress on fatigue life of 10HNAP steel under random loading, “International Journal of fatigue”, vol. 23, 2001, 283–291.

2. Kwofie S., An exponential stress function for predicting fatigue strength and life due to mean stresses, “International Journal of fatigue”, vol. 23, 2001, 829–836.

3. Kihl D., Sarkani S., Mean stress effects in fatigue of welded joint, “Probabilistic Engineering Mechanics”, vol. 14, 1999, 97–104.

4. Sarkani S., Tritchkov V., Michaelov G., An efficient approach for computing residual stresses in welded joints, “Finite Elements in Analysis and Design”, vol. 35, 2000, 247–268.

5. Niesłony A., Macha E., Spectral method in multiaxial random fatigue, 2007, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 147.

6. Niesłony A., Comparison of some selected multiaxial fatigue failure criteria dedicated for spectral method, “Journal of Theoretical and Applied Mechanics”, vol. 48, 2010, 233–254.

7. Bendat J.S., Piersol A.G., Engineering Applications of Correlation and Spectral Analysis, 1980, John Wiley & Sons, New York, 302.

8. Kirsten K., Spectral methods in mathematics and physics, 2002, Chapman & Hall/CRC, London New York, 382.

9. Preumont A., Piefort V.: Predicting Random High-Cycle Fatigue Life With Finite Elements, “Journal of Vibration and Acoustics”. vol. 116, 1994, 245–248.

10. Dirlik T., Application of Computers in Fatigue Analysis, 1985, PhD Thesis, University of Warvick, UK, 241.

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

103

Nauka

Monitorowanie trwałości zmęczeniowej elementów mechatronicznych przy wykorzystaniu metody spektralnej wyznaczania trwałości zmęczeniowej z uwzględnieniem wartości średniej naprężenia Streszczenie: Praca przedstawia propozycję uwzględniania wartości średniej naprężenia w procesie wyznaczania trwałości zmęczeniowej przy wykorzystaniu metody spektralnej w odniesieniu do monitorowania trwałości zmęczeniowej elementów mechatronicznych. Opisano obecne podejścia oraz przedstawiono część wybranych modeli uwzględnienia wartości średniej naprężenia w procesie obliczania trwałości zmęczeniowej. Autorzy odnoszą się do szerokiej gamy stosowanych modeli zaproponowanych m.in. przez Soderberga, Goodmana, Morrowa, Gerbera oraz Kwofie’go. Te modele mogą zostać wykorzystane w celu wyznaczenia Gęstości Widmowej Mocy (GWM) naprężenia po transformacji ze względu na wartość średnią.

Taka transformacja jest bardzo ważna w wyznaczaniu trwałości zmęczeniowej przy użyciu metody spektralnej, ponieważ Funkcja Gęstości Widmowej Mocy (FGWM) jest wielkością, która definiuje obciążenie (przy czym powinna również uwzględniać informacje o wartości średniej). Wyznaczanie Gęstości Widmowej Mocy transformowanego naprężenia pozwala na wykorzystanie znanych modeli uwzględnienia wartości średniej w metodzie spektralnej, która zasadniczo nie obejmuje wpływu wartości średniej naprężenia na trwałość zmęczeniową.

Słowa kluczowe: wyznaczanie trwałości zmęczeniowej; obciążenia losowe; naprężenie średnie; funkcja gęstości widmowej mocy

104

Assoc. Prof. Adam Niesłony, PhD Eng. Born in 1973 in Opole (Poland), currently is a lecturer at the Department of Mechanics and Machine Design at the Faculty of Mechanical Engineering of the Opole University of Technology. Vice Dean for science, the author of over 80 publications, where 10 are listed on the JCR list, also the author of 5 books e.g.: Spectral Methods in Multiaxial Random Fatigue (Springer).

A member of the European Structural Integrity Society (ESIS) and the Polish Society of Theoretical and Applied Mechanics (PTMTS). e-mail: a.nieslony@po.opole.pl

Michał Böhm, MSc Eng. Born in 1985 in Kędzierzyn-Koźle (Poland), currently is a PhD student at the Department of Mechanics and Machine Design at the Faculty of Mechanical Engineering of the Opole University of Technology. e-mail: michalboehm@gmail.com

Analysis of mechatronic systems second class by the matrix method Jerzy Smyczek Department of Electronics and Computer Science, Koszalin University of Technology

Abstract: In the paper an analysis of mechatronic systems by using matrix method has been described. On the base a real matrix method system is presented a model the member: electrics, electronics, mechanics, hydraulics and others in connections with feedback and without them has been examined. In the end an example at a control bus door for this purpose obtaining minimum time control has been presented.

R1  X  =  1

R2  ;  2

A ⋅ −X

a11 a12  a   21 22 

A = ⋅ a

(2)

2. Members of mechatronic systems and their connections In the tab. 1 has been shown a quantity of mechatronic members.

With a progress of technique the new converters are being application, as for ex. ultrasonic, optics. In connection with it following mechatronic members may be presented: –– an electric-electronic member

Keywords: matrix method, mechatronics

1. Introduction Investigating of dynamics in mechatronics systems which contain the members: electrics, electronics, mechanics, hydraulics, thermals, and others is important matter because the system has to be stable with regard for same parameters. In general, members of mechatronic systems are multipoles. In technical applications the system may be presented as two-port networks. The one is assumed as linear.

U 1  I  =  1

U2    2

(3)

U2    2

(4)

A ⋅ −I

–– a member as generator w1  M  =  1

A ⋅ −I

–– a member as motor U 1  I  =  1

 2 

–– –– a member as electromagnetic –– U 1  V2  I  = A ⋅  −F   1  2

Fig. 1. A two-port network in general shape Rys.1. Czwórnik w postaci ogólnej

It is meaning that f (X 1, X 2 , R1, R2 ) is linear function.

A separate important problem is defining an amplitude range on surrounding at working point. The signals X 1, X 2 , R1, R2 are Laplace or Fourier transform.

X = X (s ) , R = R (s ) or X = X ( j w ), R = R ( j ω ) (1)

The two-port networks are described in form of differential or integrated equations.

After Laplace (or Fourier) transformation the couple of linear equations have been got.

In works on two-port networks are presented formulas between different forms of matrix.

To consider the cascade connection of matrix has been got, as:

w2 

A ⋅ −M

(5)

(6)

–– a member as hydraulic (or pneumatic) converter U 1  I  =  1

P2    2

A ⋅ −ϑ

(7)

–– a member as thermal converter U 1  I  =  1

Tab. 1. Quantity of mechatronic memebers Tab. 1. Wielkości członów mechatronicznych

T2

A ⋅ −φ  

2

(8)



System

Electric

Pneumatic

Thermal

Mechanic

Mechanic (rotatable)

Potential R

Voltage U [V]

Pressure P [N/m2]

Temperature T [K]

Velocity V [m/s]

Angular velocity w [rd/s]

Flow X

Current I [A]

Flow (volume) V [m3/s]

Flow (mass) V [kg/s]

Force F [N]

Moment M [Nm]

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

105

Nauka

In connections of members the output signals at a previous member and input signals at a following member have to get the same physical character.

If the condition (13) is not satisfy or impossible to estimation, then the matrix method should be applying in order to avoid a errors [7 ]. b) A system with feedback

3. Input and output impedance of a member Knowing a four-terminal member the impedance of members has been defined. Analogical to definition using in electrics U1 I1

Z in =

and Zout =

U2

I2

(9)

The definition has been extended for different mechatronics members Z in =

R1 X1

and

Zout =

R2

X2

(10)

When the above values to present in frequency Z in ( j w ) =

R1( j w ) X 1( j w )

Zout ( j w ) =

R2 ( j w )

X 2( jw )

Fig. 4. A system with feedback at parallel. The arrows are meaning of signal at direction Rys. 4. System ze sprzężeniem zwrotnym równoległym

(11)

Then, it may be calculation in frequency band of a work member.

R2(1) R(2) R2(1) R(3) << 2(2) , << 2(3) (1) (1) X2 X2 X2 X2

(15)

If the relation (15) is satisfied, then a block diagram may be presented as one-thread diagram. c) The connection of parallel members

a) A cascade connection of members

Fig. 2. Cascade connection of members Rys. 2. Połączenie kaskadowe członów

The connection presented in the fig. 3 may be represented by transmittance T =

Y = G1 ⋅ G2 ⋅ … ⋅ Gk X

(12)

When a following member do not load a previous member. Meaning, that

Z ink +1 ( j w ) >> Zoutk ( j w )

(13)

Fig. 5. The connection of parallel members Rys. 5. Połączenie równoległe członów

The mutual loading should be satisfying the conditions

R2(1) R1(2) << , X 2(1) X 1(2)

R2(1) R1(3) <<

X 2(1) X 1(3)

If the relations (16) are satisfying then diagram may be presented in shape

Fig. 3. A cascade connection of matrices Rys. 3. Połączenie kaskadowe macierzy

Result matrix of the system is

106

A

res

= A ⋅ A ⋅…⋅ A 1

2

k

(14)

(16)

Fig. 6. The one-thread block diagram Rys. 6. Jednonitkowy schemat blokowy

4. Matrix of systems with negative feedback

Into consideration (23) and (24) in (22) we are having

4.1. Connection with feedback of parallel-series

Rout  X  =  in 

(D

(k )

+

H

(f )

Xout   in 

) ⋅ R

(26)

In the result of matrix

H

res

=

(k )

D

+

H

(f )

(27)

H – type is as follows (24).

Fig. 7. A block’s diagram with feedback of parallel-series Rys. 7. Schemat blokowy ze sprzężeniem zwrotnym równoległo-szeregowym

4.2. Connection with feedback at series-series

Equations on input

where

and

X in − X 1(k ) − X 2( f ) = 0

(17)

X 1(k ) = X in − X 2( f )

(18)

Rin = R1(k ) = R2( f )

(19)

It means negative feedback.

Output equations

and

Xout = X 2(k ) = X 1( f )

(20)

− R2(k ) + Rout − R1( f )

(21)

Now, the vector [Rout , X in ] is t

(k ) (f ) (k ) (f ) Rout   R2 + R1  R2  R1   =  (k )  +  ( f )  (22) X  =  (k ) (f )  in  X 1 + X 2  X 1  X 2 

Fig. 8. A block’s diagram with feedback of series-series Rys. 8. Schemat blokowy ze sprzężeniem zwrotnym szeregowoszeregowym

Equations on input

Rin − R1(k ) − R2( f ) = 0

(28)

where

R1(k ) = Rin − R2( f )

(29)

and

X in = X 1(k ) = X 2( f )

(30)

The vector’s components in (22) having form

R2(k )  det (k ) X 2(k )   (k )  = D ⋅  (k )  X 1  R1 

and

R1( f )  det X 2( f )  (f )  (f )  = H ⋅  (f )  X 2  R2 

It means negative feedback.

Output equations (23)

and

(24)

g11 g12   for  21 g22 

G = g

g22 g21    12 g11 

D = g

(25)

(31)

Xout = X 2(k ) = X 1( f )

(32)

Now, the vector [Rout , Rin ] is t

For instance a connection between D and G = H is the following: If

Rout − R2(k ) − R1( f ) = 0

(k ) (f ) (k ) (f ) Rout  R1 + R2  R1  R2  = = +       R  (k ) (f ) (k ) (f )  in  R2 + R1  X 2  R1 

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

(33)

107

Nauka

The vector’s components in (33) having form

R1(k )  def  (k )  = R2 

and

Z

(k )

X 1(k )  ⋅  (k )  X 2 

Output equations

(34)

R2( f )  def ( f ) X 2( f )   (f )  = C ⋅  (f )  R1  X 1 

(42)

Rout = R2(k ) = R1( f )

(43)

Now, the vector [X in , Xout ] is calculated (35)

For instance a connection between Z and C is the following:

Z=

z 11 z 12  z   21 z 22 

for

C=

z 22 z 21  z   12 z 11 

Rout  R  =  in 

(Z

(k )

+ C (f )

)

Xout  ⋅  X in 

(37)

In connection with it, the result matrix Z-type of system having form

Z

res

=

Z

(k )

+ C (f )

(k ) (f ) (k ) (f ) X in  X 1 + X 2  X 1  X 2   =  (k )  +  ( f )  X  =  (k ) (f )  out  X 2 + X 1  X 2  X 1 

(38)

(44)

The vector’s components in (44) are having form

(36)

Into consideration (34) and (35) in (33) we are having

Xout = X 2(k ) + X 1( f )

t

If

and

and

X 1(k )  def (k ) R1(k )   (k )  = Y ⋅  (k )  X 2  R2 

(45)

X 2( f )  def  (f )  = X 1 

(46)

E

(f )

R1( f )  ⋅  (f )  R2 

For instance, a connection between Z and C is the following:

If

y11 y12   for  21 y 22 

y 22 y 21    12 y11 

Y = y

E = y

(47)

Then the expression (44) has a form

4.3. A connection with feedback of parallel-parallel

X in  X  =  out 

(Y

(k )

+

E

(f )

Rin   out 

) ⋅ R

(48)

In connection with it, the result matrix Y-type of system is having a formula

Fig. 9. A block’s diagram with feedback of parallel-parallel Rys. 9. Schemat blokowy ze sprzężeniem zwrotnym równoległo-równoległym

Y

res

= Y (k ) +

E

(f )

(49)

4.4. A connection with feedback of series-parallel

Equations on input

X in = X 1(k ) + X 2( f )

(39)

X 1(k ) = X in − X2( f )

(40)

Rin = R1(k ) = R2( f )

(41)

where

and

It means negative feedback.

108

Fig. 10. A block’s diagram with feedback of series-parallel Rys. 10. Schemat blokowy ze sprzężeniem zwrotnym szeregowo-równoległym

Equations on input

Rin − R1(k ) + R2( f ) = 0

(50)

6. Example

where

R1(k ) = Rin − R2( f )

(51)

X in = X 1(k ) = X 2( f )

(52)

and

It should calculate a time constant at a integral circuit in feedback path at a control bus door like that a settling time will be minimum.

It means negative feedback.

Output equations

and

Rout = R2(k ) = R1( f )

(53)

Xout = X 2(k ) + X 1( f )

(54)

Now, it will be calculated (k ) (f ) (k ) (f ) Rin   R1 + R2  R1  R2   =  (k )  +  ( f )  X  =  (k ) (f )  out  X 2 + X 1  X 2  X 1 

(55)

It notice, that

R1(k )  def  (f )  = X 2 

H

R2( f )  def  (f )  = X 1 

D

X 1(k )  ⋅  (k )  R2 

(57)

X 2( f )  ⋅  (f )  R1 

(58)

(k )

Fig. 11. A block diagram of matrix the control system door Rys. 11. Schemat blokowy macierzy systemu sterowania drzwiami

– matrix of electronic amplifier – matrix of power converter electric-hydraulic – matrix of load – matrix of shift-voltage converter – matrix of integral circuit The input parameters are voltage-current and output parameters are force and velocity. The scheme in fig. 11 may be reduction for the shape of fig. 12.

A1 A2 A3 A4 A5

and

(f )

For instance a connection between of components of matrix G and D is:

If

g11 g12    21 g22 

G = g

g22 g21    12 g11 

E = g

for

(59)

The expression (55) with regard to (57) and (58) having form

(60)

In connection with it, the result matrix H-type of system is

H

res

=

H

(k )

+

(f )

D

(61)

Fig. 12. A connection of feedback a series-parallel Rys. 12. Macierzowy schemat blokowy ze sprzężeniem zwrotnym szeregowo-równoległym

in which

A(k ) = A1 ⋅ A2 ⋅ A3   A( f ) = A4 ⋅ A5 

(62)

In the ex ample a response is Xout for unit step is Rout = 1/s. Using with the matrix Hres we have

TXout Rin (s) =

1

a11(s)

(63)

Where L(s), M(s) are polynomials with regard for s.

5. Concluding remarks

A presentation of systems in shape at a block diagram where members are two-port networks and describing by matrix is making possible a resultant matrix of system.

By using at computer base of matrix transformation twoport networks the algorithm of calculation the matrix is quite simple.

Is a oscillation type, then settling time (with accuracy 2 %) getting

If M (s ) = s 2 + 2αs + wn2

tT =

4

a

where a – coefficient by the s1.

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

(64)

(65)

109

Nauka

For higher order of systems the same formula is applied then is estimation.

In connection with that a = f (Tc ) , Tc – time constant.

It should minimize that value

min f (Tc )

(66)

Algorithm of calculating Tc for presented system is the following.

START ¯ Calculate resultant matrix of main line

Calculate resultant matrix of feedback line

A(k ) = A1 ⋅ A2 ⋅ A3

A( f ) = A3 ⋅ A4 ¯ Change of chain matrix to

Change of chain matrix to hybrid matrix A

(k )

⇒H

5. Misra P., Patel R., Computation of transfer function matrice’s of linear multivariable systems, “Automatica”, 1997.

6. Ramey R.L., White E.J., Zastosowanie macierzy w maszynowej analizie układów, PWN, Warszawa 1974.

7. Smyczek J., Ostapko B., Macierzowa analiza transmitancji – wpływ obciążenia członów skończoną impedancją, Polioptymalizacja i Komputerowe Wspomaganie Projektowania. Prace XXIV Ogólnopolskiej Konferencji, Mielno 2006.

8. Smyczek J., Ostapko B., Macierzowa analiza transmitancji – algorytm dla układów ze sprzężeniem zwrotnym, XII Konferencja „Zastosowanie Komputerów w Elektrotechnice”, Poznań 2007.

9. Vargay A., Computation of transfer function matrices of periodic systems, “International Journal of Control”, Vol. 76, No. 17, 2003, 1712–1723.

hybrid matrix A

(k )

(k )

⇒ H (k )

¯

Appendix 1 – two port’s matrixes

Calculate resultant hybrid matrix

H res = H (k ) + H ( f )

Two port’s matrixes are:

¯ Change of resultant hybrid matrix to chain matrix

H res ⇒ Ares

(A1)

¯ Determine parameter a11(s) of resultant chain matrix ¯ Calculate transfer function TX R (s ) = out in

1 a11(s)

Define next original matrices

¯ END

R2  X 2  R  = C ⋅ X  if for ex.  1  1

7. Conclusion In the paper the analyses of systems in which may be presented as two-port networks have been considered. To calculation the matrix method has been used. The conditions affording possibilities reduction at systems have been expressed.

The matrix of systems with feedback at different making possible to calculate a result matrix of systems in a quite simple. An example of control system algorithm has been presented in purpose a reckoning of a parameter that secure of minimum control time.

110

C=

R2  X 2  X  = D ⋅ R  if for ex.  1  1

References 1. Distefano J.J., Feedback and control system, Powells Books, 2005.

2. Gruz J.B., Układy ze sprzężeniem zwrotnym, PWN, Warszawa 1977.

3. Kaczorek T., Teoria wielowymiarowych układów dynamicznych liniowych, WNT, Warszawa 1983.

4. Kaczorek T., Wektory i macierze w automatyce i elektrotechnice, WNT, 1998.

then

z 22 z 21  z   12 z 11 

then

D=

g 22 g  12

g 21  g11 

X 2  R1  X  = E ⋅ R  if for ex.  1  2 y 21 y 22  then E =   y11 y12 

z 11 z 12    21 z 22 

Z = z

g11

G = g 

g12  g22 

21

y11 y12    21 y 22 

Y = y

(A2)

(A3)

(A4)

and

X 2  R2  X  = J ⋅ R  where  1  1

J = C -1

(A5)

X 2  R2  R  = L ⋅ X  where  1  1

R2  X 2  R  = M ⋅ X  where  1  1

L = D -1

(A6)

M = E -1

(A7)

No. 3.

Kind of connection parallel - parallel

This type of matrixes are using in matrix systems with feedback.

Appendix 2 – two port’s matrixes with negative feedback

Yres = Y (k ) + E ( f ) X 1(k )  R1(k )  (k )  (k )  = Y ⋅  (k )  X 2  R2 

Appendix 2 – Matrices of two-port networks with negative feedback No. 4.

No. 1.

X 2( f )  R1( f )  (f )  (f )  = E ⋅  (f )  X 1  R2 

Kind of connection series - parallel

Kind of connection parallel - series

H

res

=

H

(k )

+

(f )

D

R1(k )  X 1(k )  R2( f )  X 2( f )  (k ) (f )  (k )  = H ⋅  (k )   ( f )  = D ⋅  ( f )  X 2  R2  X 1  R1 

H

res

= H ( f ) + D (k )

X 2(k )  R1( f )  X 1( f )  R2(k )  (k ) (f )  ( f )  = H ⋅  ( f )   (k )  = D ⋅  (k )  R1  X 2  R2  X 1 

No. 2.

Kind of connection series - series

Macierzowa analiza systemów mechatronicznych drugiego rzędu Streszczenie: W pracy opisano analizę układów mechatronicznych drugiego rzędu za pomocą metody macierzowej. Wyznaczono oryginalne macierze wypadkowe członów o różnych połączeniach z ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Na podstawie realnego systemu mechatronicznego, systemu sterowania drzwiami autobusu, wyznaczono minimalny czas zamykania drzwi.

Słowa kluczowe: metody macierzowe, teoria systemów, sprzężenie zwrotne, mechatronika

Prof. Jerzy Józef Smyczek, DSc, PhD

Z res = Z (k ) + C ( f ) R1(k )  X 1(k )  (k )  (k )  = Z ⋅  (k )  R2  X 2 

R2( f )  X 2( f )  (f )  (f )  = C ⋅  (f )  R1  X 1 

Electronics and telecommunication lecturer; MSc, Lodz University of Technology 1962, PhD 1970, DSc 1990. Professor at Koszalin Univ. of Technology, Dept. of Electronics and Informatics. Research interest: Theory of Signal and Circuits, Filtration and Identification of Nonlinear Systems, Systems of Transmission Information, Matrix Analysis of the Feedback Systems. e-mail: jerzy.smyczek@tu.koszalin.pl Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

111

Nauka

Kinematics of underwater inspection robot Mariusz Giergiel*, Krzysztof Kurc**, Piotr Małka*, Tomasz Buratowski*, Dariusz Szybicki** *AGH University of Science and Technology **Rzeszow University of Technology

Abstract: The article presents the issues associated with modeling and numerical verification of a kinematics inspection robot for diagnostic and maintenance tanks with liquid. The robot has been constructed at the Department of Robotics and Mechatronics of AGH in frames of the grant financed by NCBiR. The analysis of the kinematic was drawn using available and described in the literature mathematical methods, as well as based on existing robots designs.

Structural solutions applied enable to control two crawler tracks, module cleaning the bottom of tank and the diagnostic module.

Verification of the kinematic model drawn up was carried out with use engineering methods and development software MATLAB. Received results were presented as mathematical equations and simulations illustrated in the form of characteristics depicting kinematic parameters of the robot’s motion. The work also presents directions of further research on the constructed robot.

Keywords: mobile robot, kinematics, inspection robot, underwater robot

Other advantages of replacing traditional methods of thaw inspection robot are: faster inspection, greater work security, and wider range of available inspection methods.

The article presents one element of the structural-research procedure that is drawing the model of kinematics along in with numerical verification.

2. Description of the robot construction and working space The inspection robot is constructed from tubular elements allowing for the wheelbase change. Crawler track tracks were used to the drive with developed transmission gears and propellers, their structure allows for works up to 30 m underwater. Additionally the robot is equipped with the diagnostic-monitoring module used for observation the tank above the robot height. Equipped is with 3 cameras (2 for observation, 1 for the docking with home station), 2 rotating drives and sensors laser.

1. Introduction The project of robot for inspection and diagnostics of tanks with liquids is constructed at the Department of Robotics and Mechatronic of AGH. It’s created in cooperation with the Municipal Enterprise MPWiK SA of water supply systems and sewage system. Its aim is to develop the original construction of inspection machine enabling to determine the technical condition of concrete construction of storage liquid tanks (most often water). The design fundamental assumption: work in conditions of souse in liquid at depths up to several.

Fulfilling this assumption will have a fundamental influence on the reduction costs of the inspection procedure because existing methods require most often emptying tanks, what carries behind long (about one month) stoppages.

It next burdens the company budget, which is forced to turn off the tank/s from use.

Fig. 2. Tanks for storing water – MPWiK Cracow Rys. 2. Zbiorniki do magazynowania wody pitnej – MPWiK SA Kraków

The inspection robot is intended for diagnostics and observation of tanks with liquids. Cooperation with MPWiK SA in Cracow [7] enables verifications and testing the constructed robot in real terms. Cracow water supply systems have a dozen of tanks for storing water (among others the biggest in Europe about diameter of 34 m). They require repeated reviews and expert opinions, applying the constructed robot will enable to streamline these activities, and will reduce the costs of these type actions.

3. Modeling the kinematics of inspection robot

Fig. 1. Inspection robot with the diagnostic-monitoring module Rys. 1. Robot inspekcyjny z modułem diagnostyczno-obserwacyjnym

112

Crawler track driving systems are arrangements, to which involves a different type of variables in time. Description of the crawler track movement in real conditions with uneven ground on changeable parameters, is very complex.

The detailed mathematical description of the move of

For the description of motion points on the crawler track circumference for the simplified model (fig. 6) two systems of coordinates were accepted. Arrangements y, z is the motionless arrangement associated with the ground, arrangement y0, z0 is movable arrangement associated with vehicle [1, 2, 5, 6].

Fig. 3. a) CAD Model, b) Simplified Model Rys. 3. a) Model CAD, b) Model uproszczony

individual crawler track points is so compound that it is necessary to apply simplified models. Crawler tracks (fig. 3a) in the very simplification it is possible to model, as the non-stretch tape about determined shape by the drive wheel, stretching wheel and no deformable ground (fig. 3b) [1–4].

Apart from widely applied crawler tracks constructed from links, appear also crawler tracks made from the elastomer belt. They constitute one element along with clutches. Driving arrangement of the analyzed crawler track robot are two driving modules (fig. 4).

Specifications: –– height: 100 mm, –– width: 90 mm, –– length: 380 mm, –– speed up to 9.75 m/min, –– maximum load: 45 kg, –– water resistance to the depth 30 m, –– mass: stainless steel 12.25 kg.

Fig. 6. Simplified model of the crawler track track Rys. 6. Uproszczony model gąsienicy

The movement of any crawler track point is composition of two movements (fig. 6): –– relative move, of the agreement y0, z0, –– transportation move relative to the immovable arrangement y, z.

The absolute speed of any point on the crawler track circumference is equal to the sum of geometrical transportation speed and relative speed.

Fig. 4. Crawler tracks – model CAD Rys. 4. Gąsienice – model CAD

Basic inside sub-assemblies (fig. 5) of each module: –– driving engine –– planetary transmission –– conical transmission –– leading transmission Individual ratio of these transmissions: i1 = 66 : 1 – transferring the planetary transmission, i2 = 2 : 1 – transferring the conical transmission, i3 = 2 : 1 – transferring the leading transmission.

Total ratio the driving module: i = 264 : 1.

Vby =Vu +Vtcosϕ

(1)

Vbz =Vt sinϕ

(2)

2 Vb = Vby +Vbz2 = Vu2 +Vt2 +2Vu Vtcosϕ

(3)

where: Vu – speed of transportation, Vt – relative speed of any point on the crawler track circumference, Vb – absolute speed of the point on crawler track circumference, j – angle between vectors Vt and Vu. In case when j = p, that is when points of the crawler track circumference contact with the ground, it is possible to write.

(4) Vb =Vu +Vt

3.1. Slide crawler track

Fig. 5. Drivetrain Rys. 5. Układ przeniesienia napędu

When transferring of the loadbearing crawler track segment appears relative to ground, then the effect of slip occurs [1, 5, 6]. Mainly for the crawler track slide affects the following factors: –– ownerships of the ground, –– appearing driving force, –– type and placing clutches on the crawler track track.

Appearing in the crawler track arrangement, the driving force causes appear of cutting powers in the ground. The rePomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

113

Nauka

lationship between appearing factors it is possible to determine relations by: L

Pn = 106b ∫ τ xdx 0

(5)

where: Pn – driving force, b – width of the crawler track, L – length of the load-bearing of the crawler track segment, tx – stresses cutting in the soft ground.

Assuming that the course of parallel deformations to the ground is linear, it is possible to express these deformations by: ∆lx = xsb

(6)

where: sb – slip, x – distance of the place, for which the slip is calculated from the point of crawler track contact with ground, the greatest slip appears for x = L. Therefore, it is possible to express the slip by:

sb =

∆lx ∆l = max x L

(7)

3.2. Kinematics of turning

It is possible to define the turn of crawler track vehicle as the flat movement, which is a sequence of turns around next momentary axes of rotation. The center of turn creates tracks on the plain of next rotation axes and it can be fixed point for the movement about constant radius or line.

Turn in crawler track vehicles depending on the direction and value of driving forces and braking (P2 and P1) can be carried out in few ways.

When the speed of running crawler track is reduced in the relationship to run (fig. 8a) by braking, a turn appears about the small radius R. On running crawler tracks then operate oblong tangent forces about direction opposite direction to the movement of the crawler track vehicle. In that kind of turn on the vehicle operate two forces, brake force P1 in the running crawler track and driving force P2 about the direction of vehicle movement in the running crawler track.

In case of disconnection the running crawler track drive (fig. 8b) appears turn about the great radius. Then only P2 force of the running crawler track appears.

Fig. 7. Kinematic diagram of the crawler track vehicle turn without a slip Rys. 7. Schemat kinematyczny skrętu pojazdu gąsienicowego bez poślizgu

114

Fig. 8. Possible variants of the crawler track vehicle turn Rys. 8. Możliwe warianty skrętu pojazdu gąsienicowego

At appearance of great resistances progressive move and low resistances of the turn, may appear case that P1 force of the running crawler track have direction in accordance with direction of the ride (fig. 8c).

3.3. Kinematics equation

Prędkość punktu C, znajdującego się na osi symetrii pojazdu gąsienicowego, przyjętego jako środek masy pojazdu [1–3, 5, 6], wynosi:

VC =

r α 1(1 − s1 ) + r2α 2 (1 + s2 )

2

(8)

Nie uwzględniając poślizgu: VC =

r α 1 + r α 2

2

(9)

Components of the speed point C it is possible to write as: x C = VC cos b (10)

y C = VC sin b

(11)

After taking into account the relation (8) received the equation of simple kinematic task:

x C =

r α 1(1 − s1 ) + r α 2 (1 − s2 ) cos b 2

Fig. 9. Diagram of the frame robot turn for the angle b Rys. 9. Schemat obrotu ramy robota o kąt b

(12)

r α 1(1 − s1 ) + r α 2 (1 − s2 ) sin b 2 r α (1 − s2 ) − r α 1(1 − s1 )

b = 2 H

(13)

y C =

(14)

Based on the relation (12) and (13) it is possible to write as the equation of reverse kinematics tasks: VC = x C2 + y C2

VC -0,5 ⋅ b H

r (1-s1 )

(16)

VC +0,5 ⋅ b H

r (1-s2 )

(17)

a 1 = a 2 =

(15)

Considering correlations of the transmission crawler track arrangement: 1 a 1s = a 1 (18)

264 1 a 2s = a 2

264

4. Numerical verification of the kinematics model In many cases during the inspection work the zone of robot action isn’t limited to horizontal planes. Many times the robot must defeat different heights and therefore in order to obtain more comprehensive analysis of the kinematics robot must carry it also in case of the move after the hill.

For the numerical verification the following assumptions were made. The robot moves on the segment about g gradient, at equal angular speeds of driving wheels Vu1 = Vu2, slip s1 = s2 = s then the equations of movement will adopt the form: a 1s =

264 ( VC -0,5 ⋅ H )  (n-1) Dl'  r  1 L 

,

a 2s =

264 ( VC +0,5 ⋅ H )  ( n-1) Dl'  r  1 L 

Assuming that its point C moves on the trajectory (fig. 10a), with the speed course (fig. 10b).

Received courses for the set trajectory and speed of the point C.

(19)

where: a 1s – angular speed on the shaft of driving engine running crawler track, a 2s – angular speed on the shaft of driving engine running crawler track Substituting (16) and (17) to (18) and (19) received relations on the angular speeds of driving engines: a 1s =

a 2s =

264 ( VC -0,5 ⋅ H ) r (1-s1 )

(20)

264 ( VC +0,5 ⋅ H ) r (1-s2 )

(21)

Fig. 10. a) Set motion track of the point C, b) set speed course of the point C Rys. 10. a) Założony tor ruchu punktu C, b) założony przebieg prędkości punktu C

0.16

3.5

0.14

3 alfa*1, alfa*2 [rad/s]

0.12

Vc [m/s]

0.1 0.08 0.06 0.04

2 1.5 1 0.5

0.02 0

2.5

0

5

10 t [s]

15

0

20

Fig. 11. Set speed of the point C Rys.11. Prędkość zadana punktu C

0

5

10 t [s]

15

20

Fig. 13. Angular speed of crawler tracks Rys. 13. Prędkość kątowa kół napędzających gąsienice 0.16

1000

0.14 0.12 0.1

600

Vco [m/s]

alfa*1s, alfa*2s [rad/s]

800

400

0.08 0.06 0.04

200

0.02 0

0

5

10 t [s]

15

20

Fig. 12. Angular speed on shafts of driving engines Rys.12. Prędkość kątowa na wałach silników napędowych

0

0

5

10 t [s]

15

20

Fig. 14. Received speed driving wheels Rys.14. Prędkość otrzymana Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

115

Nauka

5. Summary Equations of the kinematics inspection robot were drawn up correctly, simulation examinations confirmed it. The numerical verification showed influence of the slip on behavior of the robot. As can be observed for increasingly larger set disposable horizontal deforming ground or clutch, the speed of slip increases its value. More considerable value assumes also received speed of the point C in order to ensure the set speed. However, the increase speed in fact is limited by parameters of the driving arrangement (rotation speed, engine power driving) what leads to situation that the robot starts to move with smaller lost speed in aid of the slip speed.

Bibliography 1. Burdziński Z., Teoria ruchu pojazdu gąsienicowego, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 1972.

2. Dajniak H., Ciągniki teoria ruchu i konstruowanie, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 1985.

3. Żylski W., Kinematyka i dynamika mobilnych robotów kołowych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 1996.

4. Trojnacki M.: Modelowanie i symulacja ruchu mobilnego robota trzykołowego z napędem na przednie koła z uwzględnieniem poślizgu kół jezdnych, „Modelowanie Inżynierskie”, Tom 10, Nr 41, 411–420, ISSN 1896771X, Gliwice 2011.

5. Chodkowski A.W., Badania modelowe pojazdów gąsienicowych i kołowych, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 1982.

6. Chodkowski A.W., Konstrukcja i obliczanie szybkobieżnych pojazdów gąsienicowych, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 1990.

7. Documentation made available by MPWiK SA Krakow [www.wodociagi.krakow.pl].

Prof. Mariusz Giergiel, PhD He was born in 1961 in Cracow, Poland.

He was graduated in 1985 at AGH University of Science and Technology in field of electronics automatics. In 1992 earned his doctoral degree in field of mechanics at the same University. Since 2005 he is professor at AGH UST at Faculty of Mechanical Engineering and Robotics. Works in filed of automatics and robotics, applied mechanics and mechatronics. Currently is research manager of group working on project of underwater tank inspection robots. Member of local and international scientific societies, author of many publications, patents, developed researches and applied solutions. e-mail: giergiel@agh.edu.pl Krzysztof Kurc, PhD In 1999 graduated from technical school in electronics Krosno, in 2004, graduated from the Faculty of Mechanical Engineering and Aeronautics, Rzeszow University of Technology. Since 2004, working in the Department of Applied Mechanics and Robotics, Rzeszow University of Technology. Research interests include mechatronics, robotics, mechanics, design. e-mail: kkurc@prz.edu.pl Piotr Małka, PhD He received MSc degree in Robotics and Automatics from the Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, AGH University of Science and Technology in 2001, the PhD degree in 2008 also at AGH University. He is currently employed at Municipal Waterworks and Sewer Enterprise, holds the position of manager for the automation. His main research area is connected with industrial and mobile robots, fuzzy logic applications, modelling and identification of mechatronic systems. e-mail: malka@agh.edu.pl Tomasz Buratowski, PhD

Kinematyka podwodnego robota inspekcyjnego Streszczenie: W artykule przedstawiono zagadnienia związane z modelowaniem i weryfikacją numeryczną kinematyki robota inspekcyjnego do diagnostyki i konserwacji zbiorników z cieczą. Robot zbudowany został w Katedrze Robotyki i Mechatroniki AGH w ramach grantu finansowanego przez NCBiR. Analizę kinematyczną przeprowadzono przy użyciu dostępnych i opisanych w literaturze metod matematycznych oraz na podstawie istniejących konstrukcji robotów. Zastosowane rozwiązania konstrukcyjne pozwalają sterować dwoma gąsienicami, modułem czyszczenia dna zbiornika i modułem diagnostycznym. Weryfikację kinematyki przeprowadzono przy użyciu metod inżynierskich oraz oprogramowania MATLAB. Otrzymane wyniki przedstawiono w postaci równań matematycznych oraz charakterystyk pokazujących kinematyczne parametry ruchu robota. Praca przedstawia również kierunki dalszych badań nad zaprojektowanym i skonstruowanym robotem.

Słowa kluczowe: mobilne roboty, kinematyka, roboty inspekcyjne, roboty podwodne

116

He received MSc degree in Robotics and Automatics from the Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, AGH University of Science and Technology in 1999, the PhD degree in 2003 also at AGH University. He is currently employed at AGH university as an assistant professor. His main research area is connected with industrial and mobile robots and also human-robot interaction, fuzzy logic applications, modelling and identification of mechatronic systems. e-mail: tburatow@agh.edu.pl Dariusz Szybicki, MSc He was born in Przeworsk. He graduated from the University of Rzeszów, where in 2009 he started engineering doctoral studies at the Faculty of Mechanical Engineering and Aeronautics. He works as an assistant in the Department of Applied Mechanics and Robotics at the Technical University of Rzeszów. His research interests relate to robotics, programming, and modeling of mechatronic systems. e-mail: dszybicki@prz.edu.pl

Functional structure of diagnostic system for wheeled tractors Ryszard Arendt*, Ryszard Michalski** *Faculty of Electrical and Control Engineering, Gdansk University of Technology **Faculty of Technical Sciences, University of Warmia and Mazury in Olsztyn

Abstract: An application of computer controlled fuel injection systems in vehicle engines and growing demands concerning toxic substances emission and fuel consumption was a main reason for OBD (On Board Diagnosis) development. In spite of a great technological development, only some tractors are equipped in diagnostic systems. On board diagnosis is strongly connected with emission demands and does not concern other important vehicle functions. In the developed mechatronic diagnostic system, based on generated consequences, four groups of defects are accepted: functional (uf), which inhibit performance, exhaust (ue), which causes increase toxic emissions, that jeopardize driving safety (us) and defects that affect engine performance (ud). The diagnostic system consists of a board computer with specialized programs, acquisition data modules working in CAN net with protocol DeviceNet, measuring sensors and actuators. In the paper accepted assumptions, and a structure of mechatronic system model and organization of a diagnostic program are presented.

Keywords: mechatronic, diagnostic systems, tractors, OBD – On Board Diagnostic

1. Introduction Devices monitoring combustion process in cars and other vehicles are by ecological demands obligatory introduced. Accepted legal rules oblige vehicle producers to equip cars (trucks) in developed on board diagnostic systems, depending on region called: OBD II (USA), EOBD (European Union), JOBD (Japan). A system OBD (On Board Diagnostic) defines a set of diagnostic procedures, enable early identification of faults, which can causing toxic substances emission in exhaust gases [5].

Actually a problem of wheeled tractors diagnostic is realized by a periodical technical inspection using stationary diagnostic stands in vehicle inspection services. During exploitation only some functional parameters are monitored. On board diagnostic systems, used only in some tractors, find an implementation in computer controlled combustion process vehicles. In this case the diagnostic is only an additional process absorbing free calculation power of the computer, using sensors applied for combustion process control [9]. We can state, that tractor diagnostic is limited to check an activity of electronic systems (easy measurement), neglecting possible mechanical causes of malfunction tractor’s work [7].

A wheeled tractor can perform different functions, depending on requirement. Applied technical diagnostic is a vital tool for assessing: –– functionality during transport and operation, –– performance parameters, –– operating safety in field and road driving modes, –– exhaust gas emissions.

A developed mechatronic diagnostic system of wheeled tractors enables monitoring and diagnosing i.e. quality inspection and localization of fault elements during exploitation. We assumed a possibility of detection and localization of faults, based on generated consequences, divided into the following groups: –– functional defects (uf), which inhibit performance (torque, towing force, working speed, fuel consumption); –– exhaust defects (ue), which increase toxic emissions (and noise) and fuel consumption due to a malfunction of the fuel supply system, layout of the Diesel engine and the power transmission system; –– defects that jeopardize driving safety (us) can affect the following tractor systems: brake, suspension, steering and lights; –– defects that affect engine performance (ud) and driving parameters in a tractor, including decreased response to changes in movement parameters, unequal power levels, significant loss of power and moment of force.

In the paper accepted assumptions, general structure of the mechatronic system and preliminary organization of diagnostic programs are presented.

2. Measurement of tractor parameters The mechatronic diagnostic system of wheeled tractors will be a base for further prototypes of testing devices development.

At current stage of investigations following assumptions concerning parameter measurements of a tractor are accepted: –– significant element of a tractor is Diesel engine, and its work should be monitored by diagnostic system; –– an important element of tractor is power transmission system; –– we should consider a set of subsystems (elements) directly influencing safety of a traffic.

Measurement of the following parameters of Diesel engine is accepted: –– temperature of: cooling fluid, lubricating oil and chosen points of the engine; –– temperature of exhaust gases of cylinders; –– lubricating oil level; –– lubricating oil pressure; –– intake manifold vacuum of turbocharger; –– acceleration of engine body for vibration diagnostic; –– control voltage of injector valves in CommonRail system.

In power transmission system angle speed of shafts wi is measured (fig. 1). Additionally a placement of engine shaft j is measured.

We consider measurements of the following parameter influencing a traffic safety: –– steering play of kinematic pairs (an angle of steering wheel measurement); –– air pressure in wheels; Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

117

Nauka

–– –– –– ––

ses – of shaft angle speeds (pulse sensors pick up) and acceleration sensors for vibration diagnostic of tractor. The unit also gathers data describing angle placement of engine shaft and voltages controlling injector valves in CommonRail system.

The II I/O unit works with slow (medium) speed of data acquisition. It gathers data concerning: pressures, fluid levels in tanks, currents and voltages. One of 4 cards of the unit for actuators control is assigned. During realization of given diagnostic tests and in emergency conditions, output signals will control tractor subsystems.

The III I/O unit works with slow speed of data Fig. 1. Measurements of wheeled tractor’s power transmission system acquisition. It serves temperature (Pt 100) sensors located in chosen points of engine body and tempeRys. 1. Pomiary układu napędowego ciągnika kołowego rature sensors (thermocouples) placed in exhaust manifold near each cylinder. Depending on a grewear of friction linings of vehicle brakes (distance sensors); at time constants a period of measure cycles can be large – current flow and voltage; diagnostic of: head-lights, windnear 1 s. One of cards of III unit, for diagnostic of voltage screen wipers and other electric devices; presences and current flows is used. deviation of vehicle in X-Y axes (inclinometer); 4. The diagnostic system’s program level and pressure of brake fluid.

3. Hardware structure of the diagnostic system A basic element of the diagnostic system (fig. 2) is a board computer, vibration and shock resistant, with a touch screen and passive cooling.

The computer is connected by USB port with DeviceNet master device (DeviceNet is a network protocols based on a CAN bus). The CAN bus connects master board with three slave devices – modules of data acquisition from chosen points of tractor. Each module is distinguished by node address (MAC ID) and works with different data acquisition mode. The remote I/O unit (slave device) has 4 expansion slots equipped with 4 input (output) cards, appropriate chosen for ranges and types of measured signals [1]. In the CAN bus a speed of data transmission is high – baud rate is 500 kb/s.

The I I/O unit works with the greatest data acquisition speed and serves sensors of measures of dynamic proces-

Fig. 2. The structure of diagnostic system hardware Rys. 2. Struktura systemu diagnostycznego

118

The system works in Windows XP environment (any windows based system Win98/Win2000/WinNT). For DeviceNet master control a proper driver should be installed.

In the mechatronic diagnostic system data acquisition and processing should be in real time realized. The system achieve data in poll messages, at each main period of time T, processing them, calculate state variables, starts diagnostic procedures, keyboard commands and diagnostic states signalization procedures. Real time work means, that a sum of time periods of data acquisition and another procedures is less than accepted main period of the time T. Program procedures of the diagnostic system, their destination and realization priority in table 1 are presented.

Tab. 1. Program procedures of the diagnostic system Tab. 1. Procedury systemu diagnostycznego L.p.

Procedure

Priority

1.

Data acquisition and control procedure

I

2.

Starting keyboard (touch screen) and specialized diagnostic procedures

II

3.

Fast Fourier Transformation (FFT) procedure

III

4.

Procedure calculating angle acceleration of an engine shaft

IV

5.

Procedure calculating chosen state variables of diagnostic models

V

6.

Diagnostic procedures

VI

7.

Diagnostic states signalization procedure

VII

8.

Another procedures

VIII

Data acquisition and control procedures have the highest priority of execution and by internal computer clock are controlled. Computer clock signal interrupts all calculations of lower level procedures and starts data acquisition process.

The main time interval T = 1 s (actually) of the diagnostic system work is accepted – poll massages of all data measure-

ments and realization of all assumed calculations. The main time interval depend on a number and frequency of realized measurements, baud rate of data in CAN net and a number and complexity of the diagnostic procedures.

The following methods of data message transfers are accepted: each T poll message addressed to all units (poll message ID-I, ID-II, ID-III) is transmitted. A number of transmitted bytes of data is 3 units × 64 bytes = 192 bytes.

In DeviceNet protocol, for each 8 bytes of frame the useful content is at least 7 bytes.

We should send each 1 s (8/7) × 192 data bytes with baud rate 500 kb/s (a distance is not large). A time of data transmission is tp = (8/7) 192/500 ms = 0.429 ms. The time of data transmission for CAN net is very short and we can effective control the realization of data acquisition.

After tk cyclic message data transfer procedure of unit I is started – data of: shaft angle speeds and placements, accelerations and voltages controlling injectors. In period of the time T1; T1 < T, n moments of data messages: t1, t2, t3 … are appointed. Transferred data describe dynamic processes of wheeled tractor. A time of each whole data transmission of unit I is about tpI = 0.143 ms. In time diagram (fig. 3), accepted data acquisition is presented.

Fig. 3. Time diagram of data acquisition in diagnostic system; bold line – time of whole poll data transfer, normal line a time of data transfer from unit I, T – main period of work of the diagnostic system, T1 – period of cyclic data transfer of dynamic processes, ti – period of one cycle data transfer from unit I Rys. 3. Diagram czasowy akwizycji danych w systemie diagnostycznym; gruba linia – czas przesyłania wszystkich dostępnych danych, cienka linia – czas przesyłania danych modułu I, T – okres pracy systemu diagnostycznego, T1 – okres cyklicznego zbierania danych procesów dynamicznych, ti – okres jednego cyklu zbierania danych z modułu I

The most number of data is necessary for frequency analysis of acceleration of engine body (vibration diagnostic). The period T1 appoints the smallest analyzed spectrum frequency and period of cycle data acquisition ti appoints the highest spectrum frequency [2].

In the mechatronic diagnostics system, following assumptions concerning realized measures are accepted: –– poll input data with period T: –– angle speed of wheels and shafts (up to 20 measures); –– placement of engine shaft (1); –– power transmission system temperature (10); –– exhaust gases temperature (8);

–– fluids level (3); –– tires pressure (4); –– intake manifold vacuum (2); –– oil and brake fluid pressure (2); –– brake jaw gap (4); –– vehicle inclination (2); –– current flow (30).

–– cyclic input data each ti, in time period T1: –– chosen angle speeds of wheels and shafts (up to 20 measures); –– placement of engine shaft (1); –– engine vibrations (1); –– voltage of injector valves (up to 8).

– measures performed as special diagnostic test: –– back lash of steering wheel measure (1).

The end of the dynamic processes data transfer starts fast Fourier transformation procedure – calculation of vibrations spectrum. Parameters of the spectrum are in diagnostic procedures used.

After spectrum calculations a dependence of angle speed and engine shaft placement in function of time is calculated.

Similarly a function of injector valves control and shaft placement depending on time is created.

Procedures calculating chosen state variables can concern: output variable of given process, state variable (the variable inaccessible for direct measure). In the first case, comparison of measured value (output variable) with modeled value (a pattern) gives us diagnostic information. In the second case, calculated state variable replaces measured data [3, 4, 8].

At development of the diagnostic system following definition is accepted: a failure is every event which deteriorates a tractor’s performance quality and effectiveness, and which should be detected in the diagnostic process [6].

A tractor’s fault SN results from one of the four defect classes {uf, ue, us, ud}, what we can express in the form of the following relation (1): S N ⇒ {u f ∪ ue ∪ us ∪ ud } ≠ 0 (1)

Diagnostic knowledge is composed of facts, relations and procedures. In a mathematical approach, the diagnostic pro-

Increased fuel consumption

Engine overheating

Unequal exhaust gas temperature at cylinder outlets

Gearbox overheating

Type of symptom

Defect category

Defect that affects performance e.g. demage to gearbox bearings

Exhaust defect e.g. leaking fuel injector

Functional demage e.g. engine overload

Fig. 4. Diagram illustrating the relation between defects and symptoms Rys. 4. Ilustracja zachodzących relacji między symptomami a uszkodzeniami Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

119

Nauka

cess involves the search of relations R between defects (faults) and specific diagnostic symptoms. There exist cause and effect relationships between malfunction fi ⊂ F of tractor components and symptoms sj represented by set S. This relationship can take on one of the following forms (2) and (3):

R : {s j } ⇒ fi ,

(2)

R : {s j } ⇒ {fi }

(3)

The form (2) is one-to-one relationship (a set of symptoms identifies a given state); the form (3) is one-to-many relationship.

For diagnostic purposes we can describe existing relations between states of tractor and state variables modeling given processes. Relation RXF can be described by the Cartesian product of sets F and X:

RXF ⊂ X × F ,

(4)

where: X – set of process variables, F – machine’s state space.

An example of relations between defects and symptoms is presented in fig. 4.

Diagnostic relation evaluation of wheeled tractor, considering accepted defect classes requires investigations. Currently in the diagnostic procedures, checking simple relations of inclusion of chosen state variables set in permissible range of parameters is accepted.

5. Remarque and conclusions Actual works concerning development of the mechatronic diagnostic system of wheeled tractors are writing and testing computer programs. The system of data acquisition on three slave CAN8424 units with measuring cards and master unit ICP DAS production is based.

In next stage of development of the diagnostic system we install it on a chosen type of tractor. First test will be carried on using a diagnostic stand. The tests will be base for diagnostic relations evaluation and applied models verification.

The technical diagnostic system oriented on four classes of defect identification is an original solution. Standard diagnostic of wheeled tractors regards only evaluation of basic work parameters of an engine and chosen units and is limited to parameter monitoring, which are necessary for the engine control. Standard OBD II system detects malfunction only when the measured value exceeds the standard value by 50 % [5].

Acknowledgements This study was supported by research grant No. N N504513740.

4. Korbicz J., Kościelny J.M., Kowalczuk Z., Cholewa W., Processes diagnostics, models, methods of artificial intelligence, applications, WNT, Warszawa 2002 (in polish).

5. Merkisz J., Mazurek S., On board diagnostics systems of vehicles, WKŁ, Warszawa 2000 (in polish).

6. Michalski R., Working machine diagnostics, Wydawnictwo ITE, Radom – Olsztyn 2004 (in polish).

7. Michalski R., Janulin M., Structural analysis of a wheeled tractor, oriented towards damage diagnostics, Monografie, studia, rozprawy M29, Selected problems of mechanical engineering and maintenance. Politechnika Świętokrzyska 2012, 5–15.

8. Natke H.G., Cempel C., Model-Aided Diagnosis of Mechanical Systems: Fundamentals, Detection, Localization, Assessment, Springer-Verlag, Berlin 1997.

9. User manual: Technical description of John Deere Tractors, models, 6081, 1999.

Struktura funkcjonalna systemu diagnostycznego ciągnika kołowego Streszczenie: Mimo dużego rozwoju technologicznego, tylko niektóre ciągniki kołowe są wyposażone w systemy diagnostyczne. Aktualnie stosowana diagnostyka pokładowa pojazdów jest silnie związana z wymaganiami emisyjnymi i nie obejmuje innych ważnych funkcji pojazdu. W tworzonym mechatronicznym systemie diagnostycznym ciągnika kołowego ze względu na możliwe skutki przyjęto cztery grupy uszkodzeń: funkcjonalne (uf) powodujące ograniczenie efektywności pracy, emisyjne (ue) wywołujące wzrost emisji związków toksycznych, zagrażające bezpieczeństwu ruchu (us) ciągnika oraz pogarszające jego dynamikę (ud). System diagnostyczny tworzy komputer pokładowy z wyspecjalizowanym oprogramowaniem, moduły akwizycji danych pracujące w sieci CAN z protokołem DeviceNet, czujniki pomiarowe (sensory) oraz elementy wykonawcze (aktuatory). W artykule przedstawiono przyjęte założenia, budowę modelu systemu mechatronicznego oraz organizację programu diagnostycznego.

Słowa kluczowe: mechatronika, system diagnostyczny, ciągnik kołowy, diagnostyka pokładowa Assist. Prof. Ryszard Arendt, PhD He is an assistant professor in Faculty of Electrical and Control Engineering in Gdansk University of Technology. His current research interests are: an application of artificial intelligence in automation of ship systems design, mechatronic systems and diagnostic of control elements and systems. e-mail: r.arendt@ely.pg.gda.pl

Bibliography 1. Arendt R., Preliminary design of hardware part of a mechatronic system for diagnostic of wheeled tractor, The work was done in frames of research grant No. N N504 513740, Gdańsk November 2011 (in polish).

2. Cempel C., Vibro-acoustic diagnostics of machines, WNT, Warszawa 1982 (in polish).

3. Kościelny J.M., Diagnostics of automated industry processes, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT; Warszawa 2000 (in polish).

120

Full Prof. Ryszard Michalski, PhD He is a full professor of the Faculty of Technical Sciences in Univesity of Warmia and Mazury in Olsztyn. His current research interests are: technical diagnostic, reliability, repair engineering and system analysis of vehicle and working machines exploitation. e-mail: ryszard.michalski@uwm.edu.pl

Viscous friction measurement technique in robot joint with the use of surrogate mass Jerzy Świder, Adrian Zbilski Faculty of Mechanical Engineering, The Silesian University of Technology

Abstract: This paper is the theoretical analysis of the method for determining viscous friction characteristics in an industrial robot joint. For the purpose of calculating the value of viscous friction, the surrogate mass of driven robot arms and their common surrogate center of gravity was used. In order to ensure the value of surrogate mass to be correct, the analysis of friction hysteresis influence on a motor’s driven torque was performed. The analysis of dynamic phenomenon of friction was performed by numerical robot joint and robot arms models.

Keywords: measurements, friction, robot joint, surrogate mass

1. Introduction The determination of viscous friction characteristics in an industrial robot joint belongs to the dynamic parameters identification process of an investigated plant. However, the measurement of friction in robot joints can not be performed directly using external sensors, due to the lack of sufficient quantities of a place needed for this purpose. Robot arms are designed to be a compact set of many parts. The plant used to analyze the friction measurement technique was the industrial robot FANUC AM100iB. In these types of machines, an accurate model of friction has great importance due to the quality of positioning. Therefore, to model the friction in robot joints a lot of different mathematical friction models were developed.

Friction model may be divided into three groups [1]: white-box, black-box, and gray-box. White-box models are developed based on physical backgrounds of an investigated phenomenon, blackbox models are based on an experimental data and application of general models or neural networks and fuzzy logic. On the other hand, the gray-box represents attributes of both previous groups. White-box models are divided into static and dynamic. All of the friction models may be used when ensuring criteria that have to be obtained in the performed task. The most popular static friction model includes Coulomb and viscous friction and Stribeck effect. Its mathematical model is expressed by the following system of equations [2]: ±Tbrk :   2 ω   −  Tf (w ) =   ωs  + Tω ω  sgn (ω ) : Tc + (Tbrk − Tc )e  

Fig. 1. Static, discontinuous model of friction Rys. 1. Statyczny, nieciągły model tarcia

The above model is too idealistic due to the discontinuity in zero velocity point. This discontinuity apart from the lack of physical representation introduces difficulties during numerical calculations. This simplification also does not allow us to show sudden changing of friction action direction. To avoid this limitation, very little but finite area of velocity in the nearest vicinity of the zero was introduced. This area determines the linear dependents between velocity and friction (fig. 2). The coefficient of the proportionality is the quotient of the static friction Ts and threshold velocity wth.

It was experimentally proven, that adopting the value of threshold velocity from the range of 10-3 to 10-5 ensures the compromise between accuracy and computational effectiveness. Friction torque calculated using the above model does not suppress thoroughly the movement of a driven object, but below threshold velocity causes it to crawl. After introducing the transition area, the static friction model takes the following form [3]: Tf (w ) =

(

)

 Tc + (Tbrk − Tc )e −cw ω sgn (ω ) + f ω :  =  f ωth + Tc + (Tbrk − Tc )e −cw ω sgn (ω ) : ω ωth 

(

)

w ≥ ωth w ≥ ωth

(2)

ω=0 (1)

ω≠0

One of the static friction’s limitations is its discontinuity in the zero velocity point. These models do not specify the process of phenomenon progress in the case of changing direction of a movement (stick-slip phenomena), increasing and decreasing of a velocity (frictional lag), movement before sliding phase (presliding displacement) and dependents friction on position (hysteresis of friction) (fig. 1).

Fig. 2. Static, continuous model of friction Rys. 2. Statyczny, ciągły model tarcia Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

121

Nauka

The above models do not describe friction dependency on microsliding displacements [4]. It means that in the zero velocity point the friction may not be equal to the zero, and its value may vary in a wide range. Therefore two different areas of friction are taken into account [5]: displacements before sliding movement – presliding regime – BL, in which the friction is a function of displacement and displacement in a sliding phase – gross sliding regime – EHL, in which the friction is a function of velocity. These issues needed the dynamic adaptation of the friction model to the situation.

Therefore, in response to these needs, a wide range of dynamic models were developed such as: Dahl model, Bristle model, Reset integrator, Bliman and Sorine model, Lubricated Contacts model [6]. The most frequently used dynamic friction model is the LuGre model [7]. It describes the structure of contacting surfaces using elastic bristles, which represents points of rough surfaces contacting each other (fig. 3).

LuGre friction model is expressed using the following equations:

Tf = σ 0z + σ 1

dz + σ 2ω dt

(3)

dz ω =ω− z dt g (ω )

(4)

where z is the average deviation of asperities, s0 is the stiffness and s1 is the damping coefficient, s2 is the viscous damping coefficient whereas the Stribeck effect describes the following equation:

σ 0 g (ω ) = Tc + (Ts − Tc )e

ω   −    ωs 

Tj( f ) = Tj(

a , BL )

e

(

(a ) (s ) δ j

− qe / q j

) + c (υ ) q (1−δ ( ) ) j j υ

j

(6)

The equation consists of two parts determining the value of friction in the BL area (before the summation sign) and viscotic friction in the EHL area and the way of transition between static to the dynamic friction, called the Stribeck effect. The model contains five unknown parameters; the asperity friction torque Tj(a, BL), the Stribeck velocity q j(s ) , the Stribeck velocity Power δ j(a ) , the viscous friction coefficient c j(υ ) and viscous friction power δ j(υ ) . The parameters δ j(a ) , δ j(υ ) and q j(s ) depend on the configuration of the friction contacts and there are constant values.

The parameter c j(υ ) depends on the lubricant viscosity and as a result, it depends on the temperature. However, the model in that shape is the discontinuous function, not describing clearly the behavior of the cooperating machine’s parts in the case of zero velocity. It has importance due to the possibility of using the model while changing the direction of movement. Therefore further development was proposed. It was solved by introducing inverse tangent function, which smoothes the area of friction transition through the zero velocity (7).

Fig. 3. Dynamic, continuous friction model using bristles Rys. 3. Dynamiczny, ciągły model tarcia LuGre

Tj( f , K ) =

2

π

arctan(cq )T ( f ) (q )

(7)

Parameter c was used in order to scale the area of changing direction of velocity. Thus, if the changes have to concern the nearest vicinity of the zero it is usually taken the value from the range of –10–4 rad/s to 10–4 rad/s.

In order to obtain this value, the parameter c has to be equal to 106.

2.2. Dynamical friction model

For the aim of simulating the influence of friction phenomenon on the robot behavior, the LuGre friction model was used [7]. Block diagram of the model shows the fig. 4.

2

(5)

The LuGre model allows mathematical description inter alia such a phenomenon as friction hysteresis, frictional lag, presliding displacement and stick-slip behavior.

2. Modeling of the driving system 2.1. Static friction model For the practical reason of stimulating the loading conditions in robot joints it is enough to use the static friction model.

Often its application allows for effective realization aims – for example compensation of friction influence on accuracy of positioning. In the paper, the static model friction was used, which modifies common static friction models in a way that allows for better replication of friction characteristics in a robot joint for the whole range of rotational velocity (6) [8].

122

Fig. 4. Block diagram of the dynamical LuGre friction model Rys. 4. Schemat blokowy dynamicznego modelu tarcia LuGre

During simulations identical values of parameters like in [7] were used (tab. 1).

In order to verify the prepared model the simulation of the formation of friction hysteresis phenomena under the influence of oscillatory force was performed (fig. 5). Ampli-

tude of friction were ±1.425 N, ±1.3 N, ±1 N, whereas frequency of oscillations was 1 Hz, 10 Hz, 25 Hz respectively.

Obtained results were consistent with the literature data.

Tab. 1. The values of the dynamical LuGre friction model parameters [7] Tab. 1. Wartości parametrów dynamicznego modelu tarcia LuGre [7] Table of data

s0

1∙10–5 N/m

s1

1∙10–10 Ns/m

s2

0.4 Ns/m

Ts

1.5 N

Tc

1N

ws

0.001 m/s

Fig. 5. Hysteresis of friction in presliding regime Rys. 5. Histerezy tarcia w obszarze przedślizgowym

2.3. Model of the driving system in the third robot joint

cal gear. It contributed to the correct way of damping both movements of the motor’s shaft and the robot arm.

The motor’s shaft was connected also with reduced gear’s and motor’s rotor mass moment of inertia. Thus, the input-output equation for the whole driving system takes the following form:

(

)

n 3 T3, ideal − J 3, gear ϕ 3 − T3, f = T3, ARM

(8)

Based on the block diagram of the control system (fig. 6) and equation (8) the numerical model of the robot driving system in the third joint was performed (fig. 7).

The model contains masses, mass moments of inertia and a position of mass center of gravity of robot arms and gears and the motor’s rotor also. During simulations the values of all above data are assumed to be unknown. It results from the necessity of realistic projections of the measurement process in reality.

Fig. 7. Numerical model of the third robot joint contains the friction model, mechanical gears model, robot arms and reference signal system and ideal source of movement Rys. 7. Model numeryczny przegubu trzeciego zawierający model tarcia, model przekładni mechanicznych, człony robota oraz system sygnału zadanego i idealne źródło ruchu

In order to obtain clear results of simulations, the ideal source of movement was used. Thanks to this, the calculated driving torque of the motor did not contain the effect of noise influence and effect of time delay of the control system. Driving joint contained the model of mechanical gears with ideal ratio equal to n3 = 100 (fig. 6). The model of the joint contains static and dynamic friction models. The friction was connected directly with the motor’s shaft before mechani-

Fig. 6. Input-output block diagram of the robot driving system in third joint Rys. 6. Schemat blokowy wejścia-wyjścia systemu napędowego robota w przegubie trzecim

Fig. 8. Numerical model of mechanical gears in the third robot joint Rys. 8. Model numeryczny przekładni mechanicznej w przegubie trzecim robota Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

123

Nauka

3. Friction measurement technique The investigated subject was the industrial robot FANUC AM100iB. Measured dynamic parameters were the total mass of last four robot arms m3, the position of its common mass center of gravity r3,x, r3,y, r3,z and the viscous friction characteristics in the third robot joint. Simulation of robot states based on using the inverse dynamic in order to determine the values of driving torques after setting kinematic parameters of the robot movement (fig. 9).

Fig. 10. Phenomenological model of the investigated robot and designation of its kinematic and dynamic parameters Rys. 10. Model fenomenologiczny robota oraz oznaczenia jego kinematycznych i dynamicznych parametrów

were performed. Phenomenological model of the investigated robot and designation of its kinematic and dynamic parameters shows fig. 10.

Because the mass of all robot arms and their mass centers of gravity are unknown in reality, the representation of their surrogate values was assumed in that form, which ensures obtaining identical values of calculated torque with measured driving torque.

Fig. 9. Investigated object FANUC AM100iB robot Rys. 9. Badany obiekt robot FANUC AM100iB

To determine the viscous friction characteristic its value had to be extracted from the total, measured driving torque of a motor. This aim leads us to the situation in which the total motor’s torque depended on two factors. One of these was reduced torque of gravity force, whereas the second one was viscotic friction torque. This state existed during uniform motion of the driven joint. Then resistive torque of movement, acting on driven arm resulted only from the force of gravity: T3, ARM = m 3 ⋅ g ⋅ r3 ⋅ cos (q 3c + q 3 )

(9)

where q 3c is the constant angular position of the common mass center of gravity for all driven arms in relation to the third robot axis, q3 is the angular position of the third robot arms. Input-output equation of the whole driving system takes the form:

(

)

n 3 T3, ideal − T3, f = m 3 ⋅ g ⋅ r3 ⋅ cos(q 3 )

(10)

Hence the relationship for the value of viscous friction:

T3, f = T3, ideal −

m 3 ⋅ g ⋅ r3 ⋅ cos (q 3 ) n3

(11)

Because in the equation (11) both the mass driven arms and position of their common mass center of gravity r3 are unknown, therefore their surrogate values were determined.

3.1. Representation of a mass and position of mass center of gravity of robot arms using surrogate values

For the aim of determining surrogate values of the mass and surrogate values of mass center of gravity of robot arms the simulations of measurements loading in the third robot joint

124

m 3REPL =

T3,QARM

n3 ⋅ g ⋅ r3REPL ⋅ cos (q 3c )

(12)

where n3 is the value of mechanical gears ratio, T3Q, ARM is the value of gravitational torque, q 3c is the angular position of real and surrogate mass center of gravity of robot arms, whereas r3REPL describes distance between the surrogate mass center of gravity and the third robot axis. The value Q of gravitational torque T3, ARM and angular position of surrogate mass center of gravity had to be determined based on its measurement. The values r3REPL had to be chosen arbitrarily. Difficulties in application of this equation results from the necessity of performing very accurate measurements and obtaining the full transmission of gravity force onto the motor’s shaft. It allows determining the correct value of the Q gravitational torque T3, ARM .

3.2. Determination of angular position of the mass center of gravity of robot arms

In order to determine the angular position of robot arms mass center of gravity the movement of last four robot arms was performed around the third robot axis with low rotational velocity. While moving the third arms, its angular position q 3 , rotational velocity of motor’s shaft ϕ 3 and value of driving torque were measured (fig. 11).

The movement was performed in the way that ensured transition of the mass center of gravity through the point of maximum arm of gravity torque. It corresponds to the horizontal position of mass center of gravity relative to the third robot axis (fig. 12).

In uniform motion the viscous friction torque takes a constant value, whereas changing arm of gravity force acting generates varying value of driving torque. In that way the c rough value angular position q 3 , where the maximum momax tor’s load T3, ideal existed was determined (fig. 13).

The rough value of angular position of the mass center of gravity equals to:

q 3c = −22° = 0.383 rad

In the subsequent step the very precise movement in the nearest vicinity of the previously determined angle was performed. In that way the very precise angle of maximum motor load existence was determined (fig. 14).

Fig. 11. Kinematic and dynamic parameters of rough movement Rys. 11. Parametry kinematyczne oraz dynamiczne przejazdu zgrubnego Fig. 14. Very precisely determined angle of the maximum motor’s load existence Rys. 14. Precyzyjne wyznaczenie kąta występowania maksymalnego obciążenia

The precise value of angular position of the mass center of gravity equals to:

q 3c = −22.23187° = 0.38801 rad

3.3. Analysis of transition the value of gravitational torque onto the motor’s shaft

The measured value of the motor’s maximum load consisted of the reduced gravitational torque and viscous friction torque:

Fig. 12. Available range of robot arms motion and angular position of mass center of gravity Rys. 12. Dostępny zakres ruchowy robota oraz położenie środka ciężkości ostatnich czterech ramion

Fig. 13. Rough determination of angular position of the maximum motor’s load existence Rys. 13. Zgrubne określenie wartości kąta występowania maksymalnego obciążenia silnika

T3max , ideal = T3, f +

T3, ARM n3

(13)

To determine the value of reduced gravitational torque, it had to be lead to such a state, in which the friction T3,f did not affect the driving torque of the motor. It means that

Fig. 15. Hysteresis friction in third robot joint Rys. 15. Histereza tarcia w przegubie trzecim robota Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

125

Nauka

The value of surrogate distance of mass center of gravity was selected arbitrarily as:

r3REPL = 500 m

For the purpose of final selection of the correct surrogate mass, the set of viscous friction characteristics were prepared and compared together. All values were calculated based on (11), which was supplemented with successive values of surrogate masses.

Fig. 16. Hysteresis of friction asperities position z(t) and robot arms position Rys. 16. Histereza położenia chropowatości z(t) w stosunku do położenia kątowego ramienia

Fig. 17. Hysteresis of velocity of asperities z’(t) and robot arm position Rys. 17. Histereza prędkości chropowatości z’(t) w stosunku do położenia kątowego ramienia

the full transition of gravity force onto the motor’s shaft had to be obtained. According to the static friction models, this situation exists in zero velocity point. But these kinds of models do not describe dynamical friction behaviors in a realistic way in the presliding regime of friction [7]. Therefore, for the purpose of determining the value of driven arms mass, the analysis of dynamical friction phenomenon influence on driving torque in zero velocity point was performed. Experiments rely on the introduction of the robot joint into the angular vibration, relative to the previously determined anc gular position of existence the maximum motor’s load q 3 .

During the vibrating movements, the measurements of kinematic and dynamic parameters of robot arms and motor were performed. Joint movement of the oscillation was driven by the torque, its value depends on angular micro-positions of the arm. The effect of this dependency results from the phenomena of friction hysteresis and presliding displacements.

As a result of the experiment the hysteresis plot of friction in the third robot joint was obtained (fig. 15). The hysteresis of friction asperities position and robot arms position (fig. 16) and the hysteresis of velocity of asperities and robot arm position (fig. 17) was also obtained.

Based on plots of hysteresis of position and velocity of asperities, characteristic points of oscillatory movement were determined. Those points correspond to the values of driving torque, read from the hysteresis friction plot. Values of driving torques obtained based on dynamical analysis were used to calculate the set of surrogate masses of robot arms tab. 2.

126

3.4. Determination of viscous friction characteristic in third robot joint

Viscous friction characteristics show dependence between the resistive torque of movement and motor’s rotor velocity. Determination of viscous friction characteristics relied on repeatedly moving the set of the last four robot arms with increasing velocity. During each movement cycle the measurement of driving torque was performed at the time when the constant velocity was obtained. In the uniform movement, the values of driven torques are equal to the sum of viscous friction and reduced torques of gravitational forces. Determining surrogate masses allowed extraction of the gravitational torque from the total driving torque. For this purpose, during reading values of driving torque the angular position of robot arm were performed. Increased values of rotational velocities, the subsequent values of viscotic Tab. 2. Selected values of driving torques and surrogate masses correspond to them Tab. 2. Wybrane wartości momentów napędowych oraz odpowiadające im wartości mas zastępczych Table of data T3,dA = 3.924 Nm

m3REPLA = 79.999 kg

T3,dB = 3.866 Nm

m3REPLB = 78.811 kg

T3,dC = 4.759 Nm

m3REPLC = 97.023 kg

T3,dD = 2.993 Nm

m3REPLD = 61.009 kg

T3,dE = 3.703 Nm

m3REPLE = 75.494 kg

T3,dF = 4.061 Nm

m3REPLF = 82.785 kg

Fig. 18. Viscous friction characteristics Rys. 18. Charakterystyki tarcia wiskotycznego

Fig. 19. Viscous friction characteristics Rys. 19. Charakterystyki tarcia wiskotycznego

Fig. 21. Selected viscous friction characteristic Rys. 21. Wybrane charakterystyki tarcia wiskotycznego

Fig. 20. Quality assessment of the viscous friction characteristic replication Rys. 20. Ocena jakości odwzorowania analitycznie wyznaczonej charakterystyki tarcia wiskotycznego

Fig. 22. The choice of the correct value of driving torque and angular position of mass center of gravity Rys. 22. Wybór właściwego momentu napędowego silnika oraz położenia kątowego ramienia

friction were calculated based on (11). After collecting all measured values of the motor’s velocity and corresponding to them values of viscous friction onto one plot, the whole friction characteristics were determined (fig. 18). During uniform movement, the inertia torques do not appear, therefore it was not taken into account. Angular positions of the last three robot arms were constant. It also eliminated the influence of other types of forces.

Characteristics obtained in that way were compared with friction characteristics calculated analytically (fig. 19).

Quality assessment of the viscous friction characteristic replication was performed based on the difference between pattern analytical characteristic and determined characteristics of friction. The difference was shown as a percentage of the total driving torque (fig. 20).

Based on the assessment of the error between characteristics, the choice of correct values of surrogate mass was performed as m3REPL = 78.811 kg which correspond to the driving torque equal to T3,d = 3.866 Nm. Angular position of

the surrogate mass of gravity equals to the angular position determined during precise movement and less of the value corresponding to that position, in which the above driving torque was selected (fig. 22).

q C3 , f = q C3 − q 3

(14)

4. Conclusion The obtained results allow us to determine the correct method while performing measurements of the angular position of the mass center of gravity of all driven robot arms and measurements driving torque, comes only from gravitational force. Quality assessment of a viscous friction characteristic replication informs that the measurement of the driving torque coming from gravity force should be performed while dropping the robot arms down during micro-oscillation movements. Additionally the measurement falls at the moment in which the value of asperities z(t) equals to the zero. Thus, it Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

127

Nauka

can be considered, that after determining hysteresis of friction of the real object the driving torque should be measured in the time when asperities changes their position. Existence of zero asperities position should be determined based on hysteresis of friction asperities position z(t) and robot arms position. However, this approach might be difficult to do because of technical limitations. Therefore, for future experiments it is suggested to prepare a method for determining values of all parameters based only on friction hysteresis. The advantage of the proposed approach is not using any a priori knowledge and getting the possibility to investigate the dynamic friction phenomenon with full dependence on the robot arms’ kinematic and dynamic parameters.

Bibliography 1. Sjoberg J., Zhang Q., Ljung L., Benveniste A., Deglon B., Glorennec P.Y., Hjalmarsson H., Juditsky A., Nonlinear Black-box modeling in system identyfication: a unified overwiew, “Automatica”, 31, 1995, No. 12, 1691–1724.

2. Canudas de C.C., Olsson, H., Aström K.J., Lischinsky P., A New Model for Control of Systems with Friction, “IEEE Transaction on Automatic Control”, 40, 1995, No. 3, 419–425.

3. Armstrong B., Canudas de Wit C., Friction Modeling and Compensation, The Control Handbook, CRC Press, 1995.

4. Armstrong B., Dupont P., Canudas de Wit C., A survey of models, analysis tools and compensation methods for the control of machines with friction, “Automatica”, 30, 1994, No. 7, 1083–1138.

5. Swevers J., Al-Bender F., Ganseman C. G., Prajogo T., An integrated friction model structure with improved presliding behavior for accurate friction compensation, “IEEE Transaction on Automatic Control”, 45, 2000, No. 4, 675–686.

6. Olsson H., Aström K. J., Canudas de Wit C., Gäfvert M., Lischinsky P., Friction Models and Friction compensation, “European Journal of Control”, 1998, No. 4, 176–195.

7. Canudas de Wit C., Olsson H., Aström K.J., Lischinsky P., A new model for control of systems with friction, “IEEE Transaction on Automatic Control”, 40, 1995, No. 3, 419–425.

8. Waiboer R.R., Aarts R.G.K.M., Jonker J.B., Velocity dependence of joint friction in robotic manipulators with gear transmissions, [in:] ECCOMAS Thematic Conference Multibody Dynamics, Advances in Computational Multibody Dynamics, 2005, 1–19.

Metoda pomiaru tarcia wiskotycznego w przegubie robota przemysłowego z zastosowaniem masy zastępczej Streszczenie: Identyfikacja parametrów dynamicznych robota przemysłowego wymaga stosowania złożonych procedur pomiarowych oraz obliczeniowych. Proces identyfikacji w ogólnej postaci sprowadza się do opracowania modelu matematycznego, który opisuje badany obiekt w sposób ogólny a następie wyznaczane są wartości parametrów tego modelu. W tym celu swoje zastosowanie znajdują różne techniki estymacji, które pozwalają na

128

wyznaczenie parametrów modelu w taki sposób, aby wyniki działania modelu jak najbardziej zgadzały się z wynikami rzeczywistych pomiarów. Powszechnie stosowaną metodą estymacji jest Metoda Najmniejszych Kwadratów. Podczas stosowania tej techniki dynamiczny model robota reorganizowany jest do postaci liniowej. Wówczas wszystkie identyfikowane parametry zestawiane są w jednej macierzy. Umożliwia to zastosowanie algorytmu jednocześnie estymującego wartości wszystkich parametrów. Jest to często proces złożony i czasochłonny ze względu na dużą liczbę pomiarów oraz dużą liczbę parametrów branych pod uwagę.

Utrudnia to także badanie dynamicznych zjawisk tarcia w przegubach robota. Autorzy pracy proponują podejście upraszczające proces identyfikacji parametrów dynamicznych robota przez zastosowanie zastępczej masy unoszonych ramion. Wprowadzenie masy zastępczej pozwoli na wyznaczenie charakterystyki tarcia w sposób niezależny od grawitacji i kierunku ruchu a także na obniżenie liczby jednocześnie identyfikowanych parametrów dynamicznych. W celu określenia technicznych możliwości wdrożenia proponowanego podejścia, autorzy przeprowadzili analizę teoretyczną wpływu histerezy tarcia statycznego w przegubie robota na jakość pomiarów. Analizę teoretyczną poparto symulacjami komputerowymi. Podejście to pozwoli także na uniknięcie konieczności stosowania wiedzy a priori.

Słowa kluczowe: tarcie wiskotyczne, pomiar, identyfikacja, przegub robota, symulacja

Prof. Jerzy Świder, PhD, DSc (Eng.) He received a PhD degree in 1981 from the Silesian University of Technology, DSc degree in 1992 and became a full professor in 2000. He is actually a head of the Institute of Engineering Processes Automation and Integrated Manufacturing Systems and Director of the Congress – Education Center.

His scientific interests are mechanics, mechatronics, processes automation, robotics and CAD/CAM systems.

He is the author of numerous home and international publications in the field of robotics, mechanics, mechatronics, machine design and operation. e-mail: jerzy.swider@polsl.pl Adrian Zbilski, MSc Eng. PhD student at Silesian University of Technology. Born in1984. Scientific Career: on September 2008 received Msc Eng. degree at Institute of Engineering Processes Automation and Integrated Manufacturing Systems of Faculty Of Mechanical Engineering at Silesian University of Technology. Since November 2008 starts working as the PhD student at Silesian University of Technology on energy consumption of automated machines. e-mail: adrian.zbilski@polsl.pl

The definition of procedural knowledge in distributed mechatronic systems Jerzy Świder, Mariusz Hetmańczyk Faculty of Mechanical Engineering, The Silesian University of Technology

Abstract: The article describes software features of integrated control and diagnostic blocks dedicated to the ProfiBus DP network, in relation to the definition of the procedural knowledge enabling a diagnostic inference. Control and diagnostic blocks have been developed in order to an application in the distributed drives system, where amount of work connected with programming exceed skills of the average class programmer. The paper presents description of integrated control and diagnostic functions developed by the authors, internal structures of diagnostic functions that automatically detect faults of supervised units (MASTER or SLAVE of the ProfiBus network).

Keywords: diagnostic inference, procedural knowledge, distributed systems

Through the developed standards (IEC 61158, IEC61784) all units included in each configuration can be divided into classes, according to the following scheme: – DP MASTER class 1 (DPM1) – in the form of a Programmable Logic Controller, – DP MASTER class 2 (DPM2) – all the units used for programming, diagnostics and configuration of network elements, – DP SLAVE class A – industrial sensors or actuators with the ProfiBus interface.

For the problem under consideration the whole structure of the data acquisition is based on dedicated software blocks, divided by types, characterized in terms of performing functions.

1. Introduction A maintenance of a failure-free operation of distributed mechatronic systems belongs to the very complex engineering tasks, containing all elements of the activities carried out in centralized systems, including: ensuring a continuity of work, providing of operational safety, rapid detection of errors and their sources, etc.

The definition of the useful procedural knowledge can be based on high order languages and PC computers [1].

The significant development of mechatronic devices allows for partial transfer of responsibility for the aggregation of knowledge on the elements of mechatronics (microprocessors of mechatronic devices).

2. An acquisition and a distribution of data based on Programmable Logic Controllers with fast processors The implementation of control algorithms recorded in advanced Programmable Logic Controllers allows to force certain operating conditions that cause the occurrence of the corresponding diagnostic premises, during the realization of a active diagnostic experiment.

The combination of the declarative knowledge contained in the advisory system allows for comprehensive diagnosis of the problem of distributed systems, maintenance planning and prediction of future states, assuming the exchange of data via industrial bus networks.

Consideration of the problem connected with an integration of the control functionality of an industrial facility and its diagnosis is a matter of an automation, a construction and a operation of machines and a metrology.

Fig. 1. Variations of the ProfiBus network topology: a) line (a MultiMaster type), b) ring, c) line (Mono-Master type) Rys. 1. Odmiany topologii sieci ProfiBus, topologia: a) magistralna (w układzie Muli-Master ), b) pierścieniowa, c) magistralna (typ Mono-Master ) Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

129

Nauka

Developed parametric blocks, allow to simplification of the programming stage of distributed drive system, and additionally, can extend the functionality of the program for ProfiBus network diagnostics and system units.

All blocks have been developed as elements characterized by a universal nature (PLC programming environments, a compliance with the standard IEC 61131 syntax). Authors assumed a universality of an implementation in different PLC environments and at the level of an application of the SLAVE units, with different functions of operation (i.e. the number of input and output parameters).

The basic factors that connect all the supported devices are: – data exchange via the ProfiBus DP network (hardware network interface), – a network Configuration MASTER – n × SLAVE type (Multi-MASTER configuration type has not been verified, but the convention of the algorithm syntax construction does not exclude such a system configuration).

Simplified configuration of the one program line is presented in fig. 2. Correct operation of data processing of defined algorithm requires remaining unchanged syntax.

Except of the proposed implementation of an individual program row, authors minimized the possibility of a configuration error by introducing the standard array data types DUT (Data Unit Types), which are useful at the stage of building the algorithmic structure of the integrated system of diagnostics and control.

Basic assumptions of the method can be characterized in several main groups, which include several points: – each SLAVE station is identified by the ordinal number in the network, – a proper operation requires the use of three basic blocks, – additional features (additional diagnosis of unit, alarms control, etc.) needs to be expanded by additional function blocks, – it is possible to program the system without the knowledge of the network structure and the whole system (part of the block is universal and can be used to a definition of the algorithm for the operation of any type of SLAVE units, appropriate control blocks have been developed to meet the individual requirements of selected units and have a narrow or a complete lack of universality of an application).

Configuration of DUT tables requires placing the program block, and then fulfillment the standard DUT tables. Thus avoiding the mistakes in the phase of an type assignation of the considered variable which reduces setup time of the system. The following assumptions have been adopted:

Fig. 2. A simplified view of the organization of a single program line Rys. 2. Uproszczony widok składni pojedynczej linii programu

130

Fig. 3. Adopted implementation manner of DUT tables on the example of the universal diagnostic block of the Slave unit Rys. 3. Zaimplementowana metoda tablic DUT, na przykładzie uniwersalnego bloku diagnostycznego jednostki Slave

– variables are divided into two groups (input and output variables), – the order numbers are counted from the top, while the EN entrance and the ENO output are indexed with zero marker, – types of arrays have been developed for all the blocks for control and diagnostic purposes of distributed drives, – types of variables contained in DUT tables with appropriate serial numbers correspond to the types of variables assigned to the blocks.

Fig. 4. The structure of modular blocks, where: LPAR – the number of parameters, ZPAR – the content parameters, TBlk – block type, ASK_ST – the internal structure of the algorithm, LFUN – the number of functions Rys. 4. Struktura bloków modułowych, gdzie: LPAR – liczba parametrów, ZPAR – zawartość parametrów, TBlk – typ bloku, ASK_ST – wewnętrzna struktura algorytmu, LFUN – liczba funkcji

As an example of a parametric block with the modular structure the universal block of the SLAVE unit has been chosen. An internal structure of described block is composed of two basic functional components: – a set of variables, – an internal algorithm (i.e. program functions with attributes taken from the set of parameters).

The length of a set of parameters depends on the type of block, while internal values are assigned dynamically, depending on the ordinal number. The processing of internal data of parametric block is divided into steps (fig. 4): I – the identification of the basic parameters (number and addresses stored in variables), II – the transfer of ordered data cluster and the execution of the internal algorithm,

III – returning to the module which identifying the basic parameters, with simultaneously checking of the content of the ordinal number.

The ordinal number of units is an equivalent of an identification number, but it is not always consistent with the numerical value of the network address. The concept of ordinal number On has been defined with the following assumptions [2, 3]:

On Î < 1, 125 >

(1)

On Î SADDR

(2)

$Kf(On) Î Kfdop: On ¹ APRF_VAL

(3)

where: On – the ordinal number, SADDR – a set of numeric network addresses of individual units, Kf(On) – the program line configuration as a function of the ordinal number On, Kfdop – a set of allowable configurations, APRF_VAL – the network address.

Condition 1 defines the number of network units, while the ordinal number is included in the set of network addresses (the relationship No 2). Condition 3 implies the possibility of any allocation of SLAVE network addresses.

The maximum value of the ordinal number defines number of units in the configured system. The authors have identified three possible network configurations [3], the principle of an interpretation of the serial number defined in fig. 5.

Utilization of the described block enables an identification and programming of SLAVEs units without knowing the structure of the monitored system. The procedure of an identification of the SLAVE type unit comprises the following steps:

– the introduction of the universal block and configuration of all inputs and outputs (steps are simplified through the application of defined DUT tables), – compilation and sending the program to a PLC controller, – launching of the internal variables preview, which allows to the identification of a SLAVE unit on the basis of the number of words assigned to the parameters of I/Os. List of parameters identifying the type of SLAVE units can be made by any concept, but the identification must be unambiguous and based on a set of individual parameters assigned to the unit, which can be defined as an ordered four:

(4)

where: LSL_Wej – the number of input words, LSL_Wyj – number of output words.

On the basis of the interpretation of the contents of the Fint_SLV set it is possible an identification of any SLAVE type without the knowledge of the whole structure of the system. Comparing the ordered four of a diagnostic block and the configuration parameters it is easy to shown that the identification is correct, only if: <APRF_VAL, On, L SL_Wej, LSL_Wyj > = <APRF_VAL_konf, On_konf , LSL_Wej_konf, LSL_Wyj_konf > Þ APRF_VAL = APRF_VAL_konf Ù On = On_konf Ù LSL_Wej = L SL_Wej_konf Ù LSL_Wyj = LSL_Wej_konf The need of a definition of interpretation rules relating to the type of unit results from the lack of a application universality of an appropriate diagnostic and control blocks.

Dual addressing errors which resulted in a two equal determinants sets, are detected by the universal diagnostic block and the diagnostic block of a MASTER station module.

In case of considered system configuration which performed a check of correctness of the data interpretation by internal algorithms, the following configurations were considered: – ordered according to a upward trend – the addresses definition of step equals 1 and assumption On=AA_VAL, – ordered according to a upward trend – the definition of addresses with a variable step (random omission of station addresses or reservation), – random assignment of stations addresses (including reserved stations), in accordance with the condition specified by the formula:

Fig. 5. Schematic interpretation of the ordinal number of the system: a) On=AA_VAL and stations ordered according to a upward trend (step equal 1), b) with reservation of addresses numbers, c) On≠AA_VAL and stations arranged arbitrarily Rys. 5. Schematyczna interpretacja liczby porządkowej w rozważanym systemie: a) On=AA_VAL stacje uporządkowane zgodnie z trendem rosnącym (krok równy 1), b) z rezerwacją numerów adresów, c) On≠AA_VAL oraz stacje uporządkowane w sposób losowy

Fint _ SLV =<APRF _VAL,On, LSL _Wej ,LSL _Wyj>

($ Kf ((On) Î KKfdop: On ¹APRF_VAL) Ù ($ Kf ((On) Î KKfdop: On =APRF_VAL)

(5)

The main problem is still the possibility of making a inappropriate configuration of single line of the control algorithm, which leads to a fault, in the form: – improper formation of a set of control words: inconsistent number of input and output words, – erroneous assignment of bits or values, – incompatible content in relation to the words number, – lack of correct performance of a complex algorithm of the drives system.

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

131

Nauka

The described implementation recorded in ST language are shown in fig. 6.

Visible is the set of parameters taken each time from the global memory area (direct reference to the cluster data, a clear definition of the memory area independent on the type and the address assigned by the user variable).

3. Świder J., Hetmańczyk M., The computer integrated system of control and diagnosis of distributed drives, 2011, Silesian Technical University Publishing (in Polish).

4. Świder J., Michalski P., Diagnostic aid system for AS-Interface industrial networks, 2008, Silesian Technical University Publishing (in Polish).

Definicja wiedzy proceduralnej w rozproszonych systemach mechatronicznych

Fig. 6. The algorithm stored in ST language, with respect to the assumptions Rys. 6. Algorytm zapisany w języku ST, zgodny z przedstawionymi założeniami

The presented notation is simple in the form and easy to read, but has a significant advantage in the form of the impossibility of making a mistake in the phase of a memory identification, which stores the values corresponding to the control and diagnostics of SLAVE units with the appropriate defined order number (network address).

3. Conclusions In the study on usefulness procedural knowledge carriers has been defined the main drawback of distributed systems. Despite the diagnostic capabilities of individual SLAVE units, in certain specific cases, exist some problems of restoring the system to the state of a properly work. Occurrence of some errors that have been classified as complex, makes it necessary to re-configure the internal parameters of SLAVE units and their modification. Described action is possible only through the use of individual diagnostic socket of each station. Prioritizing of the system and the reference to the individual address assigned to the configuration of the ProfiBus network settings, ensures error-free data acquisition [4].

Bibliography 1. Świder J., Hetmańczyk M., Computer aided diagnosis of frequency inverter states, “Problems of Working Machines”, Vol. 33, 2009, 57–66.

2. Świder J., Hetmańczyk M., Adaptation of the expert system in diagnosis of the connection of the PLC user interface system and field level, “Solid State Phenomena”, Vol. 164, 2010, 201–206.

132

Streszczenie: W artykule przedstawiono cechy programowe zintegrowanych bloków diagnostycznych i sterujących dedykowanych sieci ProfiBus DP, w odniesieniu do definicji wiedzy proceduralnej umożliwiającej wnioskowanie diagnostyczne. Bloki diagnostyczne i sterujące zostały opracowane pod kątem aplikacji w systemach napędów rozproszonych, w których ilość pracy związanej z wykonaniem struktury algorytmu sterującego przekracza możliwości przeciętnego programisty. Artykuł prezentuje opis zintegrowanych bloków diagnostycznych i sterujących, opracowanych przez autorów, oraz składnię funkcji diagnostycznych służących celom automatycznej detekcji błędów obsługiwanych jednostek (stacji MASTER lub SLAVE, sieci ProfiBus DP).

Słowa kluczowe: wnioskowanie diagnostyczne, wiedza proceduralna, systemy rozproszone

Prof. Jerzy Świder, PhD, DSc (Eng.) He received an PhD degree in 1981 from the Silesian University of Technology, DSc. degree in 1992 and became a full professor in 2000. He is actually a head of the Institute of Engineering Processes Automation and Integrated Manufacturing Systems and director of the Congress – Education Center. His scientific interests are mechanics, mechatronics, processes automation, robotics and CAD/CAM systems. He is the author of numerous home and international publications in the field of robotics, mechanics, mechatronics, machine design and operation. e-mail: jerzy.swider@polsl.pl Mariusz Hetmańczyk, PhD He received an PhD degree in 2011 from the Silesian University of Technology. He is actually a researchworker of the Institute of Engineering Processes Automation and Integrated Manufacturing Systems. His scientific interests are automatic control and engineering, mechatronics, industrial diagnostics, states prediction based on graph methods, MEMS technology. He is the author of numerous publications connected with computer aided diagnosis and prognosis of distributed mechatronic systems. e-mail: mariusz.hetmanczyk@polsl.pl

Comparative analysis of exoskeletal actuators Grzegorz Redlarski, Krzysztof Blecharz, Mariusz Dąbkowski, Aleksander Pałkowski, Piotr M. Tojza Faculty of Electrical and Control Engineering, Gdansk University of Technology

Abstract: Since the beginning of the development of exoskeletons in the early 1960s there was a constant need for improving their actuators technology. Requirements for high power and torque for the lower body and very high precision for the hand motion, while maintaining the flexibility of biological muscles, are still not fully satisfied. The problem lies not just in the lack of appropriate actuator technology, but also in the inability to meet their energy needs.

This paper contributes to this problem, first by describing the most commonly used technologies and then by presenting simulation results for lower limb exoskeleton motion. In addition the energy requirements of the modeled devices and their control possibilities along with their usage in various parts of the exoskeleton construction are analyzed.

Keywords: exoskeleton, artificial muscle, actuator, energy source, modeling

1. Introduction Currently, exoskeletons are one of the most advanced branches of mechatronics. The essence of these systems is generally to support the processes of human movement through the use of technologically advanced equipment and technology, particularly in the field of prosthetics. These devices through a set of sensors – typically used in electroencephalography, or electromyography [1–3] and actuators [1, 3] lead to the construction of devices, in which the essence of movement is consistent with the will of the user, without the need for additional peripheral devices – for example, a joystick [23].

The first research on exoskeletons date back to the beginning of 60s in the last century. The aim of the pilot project, undertaken by the Department of Defense of The United States of America, was to create an armor that increases the strength of the user. The main barriers in the development of this concept were the technological limitations of power systems (too heavy and inefficient), sensors, structures, and actuators. However, the study of pneumatic artificial muscle (PAM), which started in the 60’s [5] and the subsequent development of this technology (e.g. the solution presented by the Japanese company Bridgestone) gave further development of exoskeletons. The emergence of modern and far more efficient electric motors (e.g. brushless stepping motors) additionally contributed to the development of exoskeletons.

The primary factors associated with the emergence of these disadvantages include high power consumption resulting from the need to obtain a high torque drive during movement of the limb, and consequently – also high ener-

gy requirements for applied actuators and control systems.

Presented in [6] studies of the mechanics of the limbs movement show, that during human walk peak torque at the knee is 0.34 ±0.15 Nm/kgm for women and 0.32 ±0.15 Nm/kgm in the case of men. This means that, e.g., for a man weighing 80 kg and 180 cm tall, peak torque at the knee during normal walk is 45 Nm. These arguments show that the energy requirements for exoskeletons should be considered as fully significant, current and not quite properly recognized. For this reason, in this article the essence of the energy requirements of the actuating device adapted for use in structures of exoskeletons responsible for assisting movement of the knee was presented. The article focuses on a comparison of the two main technologies for exoskeleton limb actuators – DC brushless motors and pneumatic artificial muscles. The first part describes the actuators based on electric motors, McKibben muscles as well, as shape memory materials and dielectric elastomers. Secondly the models and the results of numerical simulation are given. Finally, given at the end are the key conclusions and predictions resulting from the use of the examined technology in building exoskeletons.

2. Actuator technologies 2.1. Electric drives

DC motors are currently the group of most commonly used actuators in robotics. However, as drives in the structure of exoskeletons, servomotors propulsion systems with permanent magnet are used [11–14]. There are two types of motors: synchronous AC motors and brushless DC motors.

Permanent magnet motors in relation to other devices are characterized by a number of beneficial properties and characteristics that are particularly important in robotics. The most important among them include a favorable torque to weight ratio, high overload capacity and the ability to develop high torque when the motor shaft is stationary.

2.2. Mckibben artificial muscles

Artificial Mckibben muscles are an example of technology simulating real action of the elements of mechanics of living organisms that move using limbs. These devices, being powered by a specific medium (liquid or gas – but also latest conducted research focuses on chemically activated pneumatic muscles [24]) mimic the processes of contraction and relaxation of muscles, causing the formation of the corresponding axial stresses. Their main advantage is high power to weight ratio and power to volume ratio – accordingly 1 W/g and 1 W/cm3 [17]. Those values are five times higher than thoPomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

133

Nauka

se offered by electric motors. Another advantage of artificial muscles is that they can work, as so called “soft actuators” [18], which means a higher level of security for the user in the event of structural damage of the exoskeleton, and the low impedance of the actuator itself.

The main drawbacks of this technology, however, are difficulties to accurately control the muscle work, due to the nonlinearity caused by the compressibility of the working medium and the flexibility of the coating [18]. Moreover, some control techniques [22] require the use of adaptive methods, while the use of compressed air as an artificial muscle activating factor requires an adequate supply of this medium, and this in turn requires a compressor and air handling unit, or air containers. For this reason, the mentioned technological solution may affect the weight, stability and range of the exoskeleton. However, it should be stressed that so far the pneumatic artificial muscles have been successfully applied in exoskeletons BLEEX [15] and FREFLEX [16].

lum, and in addition, for most of this phase, the dynamics of the relevant portion of the limb is similar to the dynamics of the pendulum [8]. For this reason, the relevant part of exoskeleton can be regarded as typical physical pendulum, on which the driving torque t is applied which is produced by the control device that includes a counteracting resistant force Fr (fig. 1).

2.3. Shape memory alloy artificial muscles

The search for new designs or technology implementation for exoskeletons contributed to the development of innovative materials, such as shape memory materials (SMA – shape memory alloys), or dielectric materials. Particularly interesting solutions in this area are achieved by SMA materials. A pioneering scientific research in this area, e.g.

[20] provides promising data for the forces that may be obtained from a single artificial muscle fiber made from SMA, as well as its energy efficiency. Another advantage of SMA materials is the ability to control in a simple way the changes in the shape of the fibers, which can simplify the exoskeleton control system and to significantly affect an increase of the level of safety equipment.

3. Dielectric elastomer artificial muscles It should be noted that research of the possibility to use materials of varying shape concern not only SMA but also the dielectric elastomers. Preliminary results in this field [21] show that the developed with the use of elastomers muscles are indeed efficient, but a small amount of change of length and a non-linear value of the contraction force do not yet allow their use as actuators in the major joints of the limbs. But one has to keep in mind that both the dielectric elastomers, as well as SMA materials, are a relatively young technology, and so further discoveries and implemented technical solutions will reduce the disadvantages of these materials that occur today, particularly in relation to their use as materials for artificial muscles.

4. Modeling and simulation of human leg swing phase 4.1. Leg swing model

In order to simulate the movement of the lower limb of man – by analogy – a model of the pendulum was used.

This kind of assumption is justified because, during normal walk, the swing movement of the lower leg is like a pendu-

134

Fig. 1. The forces acting on the exoskeleton in the lower leg section along with its dimensions Rys. 1. Siły i moment oddziaływujące na egzoszkielet kończyny dolnej wraz z wymiarami

Equation (1) contains a mathematical description of the dynamics of the leg, as was applied in model I θ = τ − c0θ − c1 sgn(θ )

(1)

where: I – is the inertia torque, t – driving torque, c0 – air resistance coefficient, c1 – dry friction coefficient, q – angle of inclination.

4.2. Actuator models

In the studied mechanical model, to produce the drive torque that supports the strength of human muscles, a brushless DC motor with permanent magnets (PMSM) was used. Because of the high dynamic of the permanent magnet servomotor operation, the mechanical components in the presented model were assumed to be rigid.

To control the motor, the field-oriented method was used [19]. This control strategy is based on the orientation of the stator current vector relative to the rotor flux, which results in forcing the values of the stator current vector component in the axes d and q and the achievement of an independent control of the electromagnetic torque and stator flux. The presumed motor performance in the first zone regulations is the result of adopting a zero value of the stator’s current component. Thus, forcing the value of the current component is in the d axis it is possible to control the electromagnetic torque of the motor.

Furthermore, using in the control system an additional feedback loop from the angle of the motor shaft position, gives the possibility of a quick and accurate adjustment of the angle position of the exoskeleton representing the “shank”. Selection of the PI controller parameters in the control system of the motor shaft angle position is carried out by a computer simulation.

Because of the many models of this type of motor with such control systems, this study used a ready model contained in the libraries of MATLAB/Simulink software.

Fig. 2 shows a schematic diagram of the exoskeleton’s lower limb actuated by a servomotor. Together with the motor a mechanical transmission was used.

dWin = dWout ⇔ pgdV = FdL

(3)

where: pg = pi − patm is the relative pressure equal to the difference between the absolute internal gas pressure pi and atmospheric pressure patm.

Absolute internal gas pressure pi in the case of antagonistic muscles is equal to p0 ±Dp, where p0 is the initial internal pressure.

It follows that the function of pressure and muscle contraction determining its axial tension force is dV = dL π ⋅ r02 = pg ⋅ (3(1 − k ε )2 ⋅ cos2 (α 0 ) − 1) sin 2 (α 0 )

F = pg Fig. 2. A model of an motor controlling the movement of the limb Rys. 2. Model silnika sterującego ruchem kończyny

In the later, there was used a pneumatic artificial muscle model, in an antagonistic configuration, allowing the movement of the limb in both directions (fig. 3). Alternating

Fig. 3. Antagonistic configuration of a PAM driving the knee joint Rys. 3. Przeciwstawna konfiguracja PAM poruszająca stawem kolanowym

contractions and relaxations of both muscles set in motion a combined block of a radius of R, which leads to an angle deflection of the lower limb. This movement is initiated by a change in pressure Dp in each muscles, causing contraction or relaxation – from the initial length of l0 to the appropriate l1 and l2, where

l0 =

l1 + l 2

2

(4)

Symbol e is the aforementioned muscle contraction grade equal to (l0 – l)/l0, r0 is the muscle initial radius and a0 is the initial braid interweave angle. Factor k compensates for the impact of deformation of the muscle at its ends, and for the purposes of this model has a value of 1.25 [10].

Hence the final formula for the force momentum in the ankle block, resulting from the mutually opposing muscle movement, takes the form of [10]

τ = (p1 − p2 ) ⋅ (K 1 + K 1' ⋅ θ 2 ) −  −(p1 + p2 ) ⋅ K 2 ⋅ θ  π ⋅ r02R  K1 = ⋅ (3(1 − k ε 0 )2 ⋅ sin 2 (α 0 )   2  ⋅ cos (α 0 ) − 1)  3π ⋅ r 2k 2R 3  K 1' = 2 0  tg (α 0 ) ⋅ l 0  2 2  K = 6π ⋅ r0 kR ⋅ (1 − k ε ) 2 0 2  tg (α 0 ) ⋅ l 0 

(5)

where e0 is the initial muscle contraction grade.

Diagram of the developed system is shown in fig. 4.

(2)

During the development of the mathematical model, the principle of virtual work [9] was used. It assumes the immutability of the muscle’s cylindrical shape during deflating and inflating, and lack of energy dissipation associated with the friction forces and deformation of the material it was made of. On this basis, it becomes possible to compare the work done by the air pressure over volume change, dV, of the muscle with the work done by axial tension, F, over length change dL

Fig. 4. Diagram of the lower limb motion control using pneumatic artificial muscles Rys. 4. Schemat sterowania ruchem pneumatycznego sztucznego mięśnia Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

135

Nauka

3.3. Simulation results

All presented results were based on MATLAB/Simulink software. Their aim was to study the swinging motion of the shank part of an exoskeleton, driven by two main types of actuators: a DC brushless motor and pneumatic artificial muscles. The dimensions of the limb segment were taken from the literature [12]: length – 50 cm, weight – 6.5 kg.

These values take into account both the mass of the structure and the mass of a limb of a human 180 cm tall and 80 kg in weight.

Artificial muscles were modeled with a length of 30 cm, initial radius of 1 cm and initial braid angle equal to 23°.

The initial pressure supplied to both muscles was 3 bar.

Moreover, the leg angle control was based on a PID controller adjusted in such way, that the trajectory of the exoskeleton was close to the desired one, which involved bending and straightening the knee in a 4 seconds period (fig. 5).

Based on the obtained results (fig. 7), the total work done by the compressor supplying both muscles (for compression and decompression of gas) is equal to 75.84 J, including the efficiency of the compressor assumed as 0.8.

For a two times shorter period of fluctuation, this value amounted to 78.25 J.

On the basis of formula (6), the force, achieved during compression and expansion of gas in the muscle in specific moments of time, was determined (fig 7).

P = p ⋅ dV

(6)

A congruent series of simulations were performed for a permanent magnet synchronous motor (for which

Fig. 7. Actual power during the work of one PAM Rys. 7. Moc rzeczywista działającego PAM

Fig. 5. The tilt angle of a PAM powered leg exoskeleton Rys. 5. Kąt wychylenia egzoszkieletu kończyny dolnej poruszanego przez PAM

Fig. 8. Torque achieved during the leg fluctuations driven by the DC brushless motor Rys. 8. Moment uzyskany podczas ruchu kończyny dolnej poruszanej bezszczotkowym silnikiem DC

Fig. 6. Torque achieved during the leg fluctuations driven by a PAM Rys. 6. Moment uzyskany podczas ruchu kończyny dolnej poruszanej przez PAM

Fig. 9. Actual power during the work of the DC brushless motor Rys. 9. Moc rzeczywista działającego bezszczotkowego silnika DC

136

the gear ratio was 130). As a result, a similar to the PAM control quality was achieved. The mean values of torque and power (measured in the voltage inverter DC-link circuit) for an exoskeleton leg motion are shown in fig. 8 and fig. 9.

System losses were taken into account during the simulation.

The peak torque resulting from the chart in fig. 8 is 3.05 Nm, while the energy consumed on this process by the motor was 594.7 J, representing a nearly 8 times higher value than the one achieved by the artificial muscles.

5. Conclusion This paper shows the most popular actuator solutions for exoskeletons being under current development. However, it should be stressed that the shape memory alloy and dielectric elastomer materials, due to small force and displacement capabilities, are suitable mainly for use as actuators for joints which are not subjects of significant amount of force for long periods of time. Such applications may be suitable for systems driving, e.g., the wrist, metacarpal or hinge joints.

Presented examples of the electric motor drive and McKibben muscle are commonly used as actuators in the major arm and leg joints. In particular, achieved through high force momentum, they are suitable for driving the hip, knee and ankle, which are subjected to the highest, long-acting stress.

Taking into account the simplification of the calculations made for the PAM work, it can be said that their energy requirements during the specified motion are much smaller than for the electric motor drive with a converter. However, because of the current technology of mobile energy sources, which are not able to provide adequate power to move all elements of a construction of large size and considerable weight, it is insufficient for a long and stable operation of the exoskeleton structure. According to [1], currently the most popular types of batteries can supply power within the limits of 35–240 W/kg.

In summary, it is therefore considered that the future of exoskeletal actuators depends on the development of biomimetic technologies, such as presented pneumatic muscles or SMA based actuators. Although, it should be also noted that there exists control difficulties and – in the case of McKibben muscles – noise during operation along with the compressor alocating problem. However, the small energy requirements, significant safety of operation and large volume ratio of these technologies make them very interesting subjects to develop.

Bibliography 1. Pons J.L., Wearable Robots: Biomechatronic Exoskeletons, John Wiley & Sons, 2008.

2. Pons J.L., Rehabilitation Exoskeletal Robotics, “IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine”, vol. 29, no. 3, 2010, 57–63.

3. Casolo F., Cinquemani S., Cocetta M., On Active Lower Limb Exoskeletons Actuators, Proceeding of the 5th International Symposium on Mechatronics and its Applications, 2008, 1–6.

4. Rosen J., Brand M., Fuchs M.B., Arcan M, A Myosignal-based Powered Exoskeleton System, IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics, Part A: Systems and Humans, vol. 31, no. 3, 2001, 210–222.

5. Schulte R.A., The Characteristics of the McKibben Artificial Muscle, “Application of External Power in Prosthetics and Orthetics”, vol. 874, 1962, 94–115.

6. Kerrigan D., Riley P., Nieto T.J., Della Croce U., Knee joint torques: A comparison between women and men during barefoot walking, “Arch. Phys. Med. Rehabil.”, vol. 81, 2000, 1162–1165.

7. Doke J., Donelan J.M., Kuo A.D., Mechanics and energetics of swinging the human leg, “The Journal of Experimental Biology”, vol. 208, 2005, 439–445.

8. Mochon S., McMahon T.A., Bal listic walking, “Journal of Biomechanics”, vol. 13, 1980, 49–57.

9. Chou C.-P., Hannaford B., Static and Dynamic Characteristics of McKibben Pneumatic Artificial Muscles, Proceedings of ICRA, vol. 1, 1994, 281–286.

10. Tondu B., Lopez P., Modeling and control of Mckibben Artificial Muscle Robot Actuators, “IEEE Control Systems Magazine”, vol. 20, no. 2, 2000, 15–38.

11. Garrec P., Friconneau J.P., Measson Y., Perrot Y., ABLE, an Innovative Transparent Exoskeleton for the Upper-Limb, IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 2008, 1483–1488.

12. Chen F., Yu Y., Ge Y., Sun J., Deng X., WPAL for Enhancing Human Strength and Endurance during Walking, International Conference on Information Acquisition, 2007, 487–491.

13. Pratt J.E., Krupp B.T., Morse C.J., Collins S.H., The RoboKnee: An Exoskeleton for Enhancing Strength and Endurance During Walking, IEEE International Conference on Robotics and Automation, vol. 3, 2004, 2430–2435.

14. Aguirre-Ollinger G., Colgate J.E., Peshkin M.A., Goswami A., Design of an Active 1-DOF LowerLimb Exoskeleton with Inertia Compensation, “The International Journal of Robotics Research”, vol. 30, no. 4, 2011, 486–49.

15. Chu A., Kazerooni H., Zoss A., On the Biomimetic Design of the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX), Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2005, 4345–4352.

16. Tsagarakis N., Caldwell D.G., Medrano-Cerda G.A., A 7 DOF pneumatic muscle actuator (pMA) powered exoskeleton, 8th IEEE International Workshop on Robot and Human Interaction, 1999, 327–333.

17. Reynolds D.B., Repperger D.W., Phillips C.A., Bandry G., Modeling the Dynamic Characteristics of Pneumatic Muscle, “Annals of Biomedical Engineering”, vol. 31, 2003, 310–317.

18. Caldwell D.G., Medrano-Cerda G.A., Goodwin M., Control of pneumatic muscle actuators, “IEEE Control Systems Magazine”, vol. 2, 1995, 40–48.

19. Drury B., Control Techniques Drives and Controls Handbook, Institution of Engineering and Technology, 2001.

20. Safak K.K., Adams G.G., Modeling and simulation of an artificial muscle and its application to biomimePomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

137

Nauka

21.

22.

23.

24.

tic robot posture control, “Robotics and Autonomous Systems”, vol. 41, no. 4, 2002, 225–243.

Pei Q., Artificial Muscles based on Synthetic Dielectric Elastomers, 31st Annual International Conference of the IEEE EMBS, 2009, 6826–6829.

Medrano-Cerda G.A., Bowler C.J., Caldwell D.G., Adaptive position control of antagonistic pneumatic muscle actuators, IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 1995, 378–383.

Tojza P.M., Support Systems for Human Limb Movement Controlled by Muscle Contraction, MSc dissertation, 2011.

Leephakpreeda T., Mathematical Modeling of Pneumatic Artificial Muscle Actuation via Hydrogen Driving Metal Hydride-LaNi5, “Journal of Bionic Engineering”, vol. 9, no. 1, 2012, 110–118.

Analiza porównawcza urządzeń wykonawczych w egzoszkieletach Streszczenie: Od czasu rozpoczęcia prac badawczych nad egzoszkieletami na początku lat 60. ubiegłego wieku, istniała ciągła potrzeba udoskonalania technologii związanej z urządzeniami wykonawczymi egzoszkieletów. Wymóg spełnienia zapotrzebowania na dużą mocą i moment dla kończyn dolnych oraz wysokiej precyzji dla ruchów rąk, przy jednoczesnym zachowaniu giętkości mięśni biologicznych, nie został dotychczas zachowany. Problemem nie jest tylko brak odpowiednich technologii, ale również niemożność spełnienia zapotrzebowania energetycznego. W artykule nawiązano do tego zagadnienia, opisując najczęściej stosowane technologie, a następnie przedstawiając wyniki symulacji dla ruchu egzoszkieletu kończyny dolnej. Dodatkowo przeanalizowano wymogi energetyczne modelowanego układu, możliwości sterowania, jak również możliwe zastosowanie dla różnych części egzoszkieletu.

Słowa kluczowe: egzoszkielet, sztuczne mięśnie, urządzenia wykonawcze, źródło energii, modelowanie

Grzegorz Redlarski, PhD, DSc, Eng. Headmaster of the Department of Mechatronics and High Voltage Engineering at the Electrical and Control Engineering Faculty at Gdansk University of Technology.

He received his MSc. in 2000 within the specialization of control engineering and advanced in the specialization of electrical engineering. As a result, he received his PhD. in 2003 and DSc. in 2011. From 2011 he is also employed as an Associate Professor at the Faculty of Technical Sciences at the University of Warmia and Mazury in Olsztyn. His main fields of interest are powerelectronics, power engineering and, recently, biomedical engineering. e-mail: g.redlarski@ely.pg.gda.pl

138

Krzysztof Blecharz, PhD, Eng. He received his MSc in 2002 at the Electrical Faculty at Czestochowa University of Technology and his PhD in 2008 at the Electrical and Control Engineering Faculty at Gdansk University of Technology.

Currently he is employed as an adjunct professor at the Department of Mechatronics and High Voltage Engineering. His main fields of interest concern: electrical drive control, control of generator systems with two-way powered machines, modern wind power plants and high power electronic converters. e-mail: k.blecharz@ely.pg.gda.pl

Mariusz Dąbkowski, PhD, Eng. Adjunct professor in the Department of Mechatronics and High Voltage Engineering at the Electrical and Control Engineering Faculty at Gdansk University of Technology.

He received his MSc at this Faculty in 2002 and PhD in 2006. His main fields of interests are robotics, especially mobile robotics. e-mail: m.dabkowski@ely.pg.gda.pl

Aleksander Palkowski, MSc, Eng. Employee of the Department of Mechatronics and High Voltage Engineering in the Faculty of Electrical and Control Engineering of Gdańsk University of Technology.

He graduated in Control Engineering and Robotics (2012), specializing in Information Technology in Control Systems. His main areas of interest are mobile robotics and application of robotics systems in biomedical engineering. e-mail: apalkowski@ely.pg.gda.pl

Piotr Mateusz Tojza, MSc, Eng. Lecturer in the Department of Mechatronics and High Voltage Engineering at the Electrical and Control Engineering Faculty at Gdansk University of Technology. He received his MSc in 2011 in the major of Control Engineering and Robotics, specialization Robotics and Mechatronic Systems.

His main fields of interests are: biomedical engineering and application of robotics and mechatronics systems in medical sciences. e-mail: ptojza@ely.pg.gda.pl

Rapid prototyping environment for wheeled mobile robot control algorithm Andrzej Burghardt, Dariusz Szybicki Department of Applied Mechanics and Robotics, Faculty of Mechanical Engineering and Aeronautics Rzeszow University of Technology

Abstract: In the paper, the author provides a proposal of a quick prototyping environment for algorithms controlling homogenous, autonomous mobile robots. The solution proposed enables monitoring of the operation of a group of mobile robots consisting of the recording of motion parameters and signals from distance detectors as well as of controlling the drive units. Furthermore, the solution is flexible, enabling work with various numbers of robots as well as modification of their settings, and conforms to the real time system requirements assumed. In the course of the development process, AmigoBot mobile robots manufactured by ActiveMedia Robotics were used.

Keywords: autonomous mobile robots, multi-robot, rapid prototyping, AmigoBot

1. Introduction Development of mobile robots performing complex tasks is one of the driving forces of modern robotics. The ingenuity of engineers and the resulting multitude of applications combined with a variety of control algorithms results in a wide range of applications and timeliness of research conducted with the use of rapid prototyping environments. In the case of mobile robots, prototyping most often applies to both drives and the whole constructions, control algorithms testing for a single robot or a group of robots, sensory systems modelling, etc. [1, 2, 4]. The proposed solution was created as a combination of selected parts of the Aria manufacturerâ&#x20AC;&#x2122;s software with the MATLAB/Simulink mex-function.

A wireless network was used for communication. The presented environment satisfies the conditions of a real-time system; for a single robot or a group of robots it records the following parameters: velocities and angular displacements of the driving wheels, battery voltage, motors currents, distance sensors indications. It also offers support for digital inputs/outputs and analogue inputs, which the robots are equipped with. It provides software support for peripheral devices of the mobile robots,

using RS-232 and I2C standards for communication. For the purpose of research, AmigoBot robots were equipped with an electronic measurement module (designed and constructed by the authors), which measures the concentration of harmful gases, and with URG-04LX laser scanners supplied

by Hokuyo.

2. Mobile Robots Prototyping Environment The presented rapid prototyping environment provides control over robots supporting Aria, an object-oriented class library (SDK) of C++ language, supplied by MobileRobots. The written software allows controlling such robots as: AmigoBot, Pioneer 3-DX, PowerBot, Seekur, PeopleBot, and PatrolBot.

2.1. Controlled object and available software

In this solution the controlled objects are the AmigoBot robots (fig. 1) driven by two DC motors with toothed gear.

The AmigoBot mobile robot is equipped with rotary pulse transducers, ultrasonic distance sensors, a wireless communication module, and an internal PID controller. Optional accessories include: a compass with position sensors, a colour and night vision camera, laser rangefinder and a GPS module.

The AmigoBot mobile robot is equipped with rotary pulse transducers, ultrasonic distance sensors, a wireless communication module, and an internal PID controller. Optional accessories include: a compass with position sensors,

Fig. 1. AmigoBot Rys. 1. Mobilny robot AmigoBot Pomiary Automatyka Robotyka  nr 12/2012

139

Nauka

a colour and night vision camera, laser rangefinder and a GPS module.

The mobile robot operation is managed by the AmigoSH software, which was implemented in the Hitachi H8/2357 controller, which is a component of the robot. Using a wireless network, the AmigoSH software can exchange information with the master computer having the Aria software installed. The software implemented in the robot allows defining: –– the maximum velocities and linear/angular accelerations of the robot frame, –– the operating sensors’ range, –– PID set points.

In addition, it manages the external communication ports of the robot (8-bit I/O RS-232 port, I2C port).

The Aria software allows for total control over the mobile robots’ operation, their sensors and connected devices. Aria’s class components allow sending to and receiving from the robot simple instructions, such as: battery voltage, global coordinate “X” (basic class ArRobot, fig. 2).

Available classes provide high level Action infrastructure control, such as: defining a specific trajectory (ArActionGoto) or the laser scanner support (ArSick).

In addition, Aria includes the ArNetworking library, which allows building an infrastructure of robot communication based on the TCP/IP protocol. Consequently, it is possible to control the robots and connected devices wirelessly. This library is written in C++ language, and has access to the API (Application Programming Interface) for Java and Python. The library allows the use of GCC compiler (version 3.4 or higher, pre-compiled with GCC 3.4) in GNU/Linux system. In Windows OS, Aria can be compiled in MS Visual C++ NET 2003 (7.1) and Visual C++ 2008 (9.0) [3].

The discussed software, despite the clear advantages, also has many drawbacks. It does not provide the robot formation control, does not allow for saving data, does not

Fig. 2. ArRobot class architecture Rys. 2. Architektura klasy ArRobot

140

allow for convenient testing of developed algorithms and solutions, the user interface is unfriendly and requires knowledge of a number of commands (fig. 3).

In order to eliminate these disadvantages, it was necessary to develop our own solution.

Fig. 3. Aria software user interface Rys. 3. Wygląd interfejsu użytkownika oprogramowania Aria

2.2. Rapid prototyping environment construction

By using available Aria objects, functions and software solutions, it was possible for the author to write software that combines the advantages of MATLAB/Simulink with advanced wireless control system of one or a group of robots and control and measuring functions. The presented solution allows monitoring the operation of a group of mobile robots, recording the motion parameters and distance sensors’ indications, and controlling the drives.

Additionally, it is flexible, enables working with a varying number of robots and changing their configuration parameters. It also meets the real-time system requirements. The presented control and measuring environment: –– provides autonomous control, –– implements control and measuring processes for one or more robots, –– can measure and record the following parameters: • drive wheels angular velocity, • drive wheels angular displacement, • distance sensors indications, • driving motors currents, • battery voltage, –– has been made in the form of a Simulink library.

A rapid prototyping environment governing the operation of a group of n-mobile robots has been created as a combination of selected parts of the Aria software and the Simulink’s S-function, using a wireless computer network for communication. In Simulink, the library containing the AmigoBot block (fig. 5) was written. Its use in the model allows connecting user-built control algorithms with the real object. A general scheme of the implementation of the control and measuring environment is shown in fig. 4.

In order to be able to change the AmigoBot parameters, a special configuration window was created in the subsystem, whose source code is located in the m-function file (fig. 5). It allows changing the robot’s parameters such as: –– robot’s number, –– robot’s IP address, –– the values defined in Amigo-SH, PID set points, maximum velocities, etc.

–– transmission rate for the specified serial port.

or Access Point and the wireless module installed in the robot. Communication with the robots is established at the beginning of the simulation and ends at the end of the simulation. The principle of operation of the rapid prototyping environment and the information flow diagram are presented in fig. 6.

MATLAB/Simulink

Fig. 4. Rapid prototyping environment scheme Rys. 4. Schemat środowiska szybkiego prototypowania

The authorial AmigoBot library selection window and the subsystem configuration window created in MATLAB/ Simulink are shown in fig. 5.

Fig. 5. Rapid prototyping environment configuration window Rys. 5. Okno konfiguracyjne środowiska prototypowania

The configuration window allows defining the vector of parameters that will be read from the mobile robot.

2.3. Rapid prototyping environment communication

In order to control a group of autonomous mobile robots, it is necessary to establish communication between the master computer and the robots. To ensure proper communication, it is necessary to provide the correct configuration of the following network devices: the wireless card

Fig. 6. Communication diagram between the MATLAB/Simulink environment and the robots Rys. 6. Schemat komunikacji pomiędzy środowiskiem MATLAB/ Simulink a robotami

After starting the simulation, connection with the robot (robots) is established; then the AmigoBot subsystem input vector is sent through subsequent program modules and network devices: –– using a properly designed AmigoBot subsystem, which is a mask of the S-function block, the AmigoBot subsystem input vector and settings stored by the management interface are sent to the ArMatlab mex-function [5], –– then the input vector and the robot’s operating parameters settings are sent via the Aria library using the TCP/IP protocol to the Access Point, –– from the Access Point to the wireless module installed in the robot, the data is sent wirelessly using the 2.4 GHz frequency band and 802.11 b Wi-Fi protocol, –– the wireless module installed in the robot transmits the data via a built-in serial port at a rate of 115 200 bps to the AmigoBot controller, where the interpretation of the received data takes place and appropriate control of the robot based on the data is performed.

2.4. Rapid prototyping environment communication Prototyping of authorial devices enhancing the robots features

The prototyping environment allows changing the number of robots with no interference in the software and enables the data exchange with, and control and management of, peripheral devices which each robot can be equipped with.

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

141

Nauka

For the purpose of research, the AmigoBot robots were equipped with an electronic module measuring the concentration of harmful gases, a laser scanner (both devices were built in the Dept of Applied Mechanics and Robotics, fig. 7a and fig. 7b respectively) and the URG-04LX scanner supplied by Hokuyo (fig. 7c).

The electronic module measuring the concentration of harmful gases is a device whose purpose is to measure the concentrations of gases that are hazardous for humans (carbon monoxide, methane). It also allows measurement of ambient temperature and the temperature of the inspection robot’s motors.

The laser scanners provide continuous time stamped coordinates of the surroundings and thus determine the instantaneous position of the robot or an autonomous transport system. The advantage of laser scanning over other sensors, such as ultrasound, which the AmigoBot robot is equipped with, is the ability to quickly obtain accurate information about the robot’s surroundings.

The 2D laser scanner, designed and built for the AmigoBot robot, acts as a perceptual system for the mobile robot in closed locations. The developed 2D laser scanner is a source of information in the process of building a surroundings map in the rapid prototyping environment. The robot was also equipped with a URG-04LX scanner (fig. 8) in order to increase the range and resolution of the measurements made using optical sensors.

Fig. 8. URG-04LX scanner and its scanning area Rys. 8. Skaner URG-04LX oraz jego obszar skanowania

3. Conclusion The presented authorial rapid prototyping environment allows conducting research using real AmigoBot robots and the MATLAB/Simulink software. It is dedicated for research on the testing of motion control algorithms for both a single robot and a robot formation. Its integration with the MATLAB/Simulink packet and its powerful tools for modelling and also wireless communication with the robots are unquestionable advantages of the discussed software.

The ability to read parameters and support for external devices connected to the robots allow testing of developed hardware and software solutions and integration of external sensors in real time.

Acknowledgements

The work was performed under project No. N N501 068838 funded by the school in 2010-2012.

Bibliography

Fig. 7. Devices supported by the rapid prototyping environment Rys. 7. Urządzenia obsługiwane przez środowisko szybkiego prototypowania

The scanner measurement range is 5.6 m, the resolution is 0.36° and the frequency equals 10 scans/s. Such parameters are much better than those of a sensor made from scratch. The scanner communicates with the robot using the RS-232 interface. The obtained information about the number of objects within the range of the laser beam, the distance from the objects and their size, is transmitted to the rapid prototyping environment, where it is used to control a robot or a group of robots.

142

1. Burghardt A., Proposal for a rapid prototyping environment for algorithms intended for autonomous mobile robot control, Mechanics and Mechanical Engineering, Technical University of Lodz, 1/2008, 5–16.

2. Burghardt A., Hendzel Z., Sterowanie behawioralne mobilnymi robotami kołowymi, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 2007.

3. Giergiel J., Szybicki D., System Linux w robotyce.

Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 2010.

4. Hendzel Z., Żylski W., Burghrdt A., Autonomiczne mobilne roboty kołowe. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 2008.

5. Mrozek B., Mrozek Z., MATLAB i Simulink. Poradnik użytkownika. Wydawnictwo HELION, Gliwice 2004.

Środowisko szybkiego prototypowania algorytmów sterowania robotów mobilnych Streszczenie: Rozwój robotów mobilnych, wykonujących złożone zadania, jest jednym z motorów napędowych współczesnej robotyki. Pomysłowość konstruktorów oraz wynikająca z niej mnogość aplikacji połączona z różnorodnością algorytmów sterowania owocuje szerokim spektrum zastosowań i aktualnością badań realizowanych z wykorzystaniem środowisk szybkiego

prototypowania. Środowiska szybkiego prototypowania pozwalają na testowanie opracowanych rozwiązań programowych oraz sprzętowych na wielu etapach prowadzonych prac. W przypadku robotów mobilnych prototypowanie najczęściej dotyczy modelowania zarówno napędów jak i całych konstrukcji, testowania algorytmów sterowania jednego lub grupy robotów, modelowania układów sensorycznych itp.

W pracy zaprezentowano autorskie oprogramowanie pozwalające na sterowanie grupą do 256 mobilnych robotów firmy MobileRobots. Zaproponowane rozwiązanie zostało wykonane jako połączenie wybranych fragmentów oprogramowania producenta ARIA z mex-funkcją systemu MATLAB/Simulink. Do komunikacji wykorzystano sieć bezprzewodową. Prezentowane środowisko spełnia założenia systemu czasu rzeczywistego, rejestruje dla jednego lub grupy robotów takie parametry jak: prędkości i przemieszczenia kątowe kół napędzających, napięcie baterii, prądy silników napędzających koła, wskazania czujników odległości.

Ponadto zapewnia obsługę wejść i wyjść cyfrowych oraz wejść analogowych, w które wyposażone są roboty. Umożliwia programową obsługę urządzeń peryferyjnych robotów mobilnych wykorzystujących do komunikacji standard RS-232 oraz I2C. Całość oprogramowania wykonano w postaci biblioteki pakietu Simulink (Toolboxes).

Słowa kluczowe: roboty mobilne, sterowanie, MATLAB, prototypowanie

Andrzej Burghardt, PhD He received the MSc degree in robotics and mechatronics from the Faculty of Mechanical Engineering and Robotics and the MSc degree in marketing and management in industry from Faculty of Maining of the AGH University of Science and Technology in 2001. He received the PhD degree in mechanics from the Rzeszow University of Technology in 2005. He works at the Department of Applied Mechanic and Robotics of the Rzeszow University of Technology. His current research includes kinematics, dynamics and control of underactuated systems, mobile robots and robots formation, image processing, behavioural control and path planning. e-mail: andrzejb@prz.edu.pl Dariusz Szybicki, MSc He was born in Przeworsk. He graduated from the University of Rzeszów, where since 2009, is a member of doctoral studies in the field of engineering at the Faculty of Mechanical Engineering and Aeronautics. He works as an assistant in the Department of Applied Mechanics and Robotics at the Technical University of Rzeszów. His research interests relate to robotics, programming, and modeling of mechatronic systems. e-mail: dszybick@prz.edu.pl Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

143

Nauka

Fractional order PID controller in velocity control loop of CNC machine feed-drive module with permanent magnet synchronous motor Artur Kobyłkiewicz, Rafał Pajdzik, Paweł Waszczuk Department of Control Engineering and Robotics, West Pomeranian University of Technology of Szczecin

Abstract: A significant number of publications shows that fractional order controllers can improve performance compared with traditional control algorithms. In this paper, fractional order PID velocity controller of the PMSM motor is presented. In the first step, we compared, by means of simulation research work, the fractional order PID with conventional integer order PID, and we prove the correctness of the applied method. In the second part, we have tested the proposed solution in the real-time control system with the PMSM actuator. The open architecture control system based on the industrial computer (for cyclic real-time communication with power electronics, including current controller and commutation functionality, with the use of Ethernet Powerlink communication protocol) and rapid prototyping platform were used for the evaluation of the developed here velocity control algorithms. Presented in the paper experimental results testify to the usefulness of the proposed solution.

First of all, the analysis of correctness and rightness of the applied method was made in comparison with the classical controller with the help of computer simulation. For this purpose MATLAB/Simulink was used with an implemented classical algorithm and fractional order PID controller as a velocity controller of the PMSM motor.

The second, more challenging part of the paper is the implementation of the already tested algorithm in the target control system of the CNC machine.

In this way it has been experimentally confirmed that the assumed goals of the improvement of the quality of real object control may be achieved by entering fractional order elements into the control loop.

Keywords: fractional order calculus, PMSM motor, PID controller, robust control

There are many ways to describe fractional order calculus.

One of the most used ones are the definitions by Riemann-Liouville (1) and Grünwald-Letnikov (2).

1. Introduction

Nowadays, a lot of attention is focused on research and modeling of phenomena and physical objects. It is obvious that the standard approach to the subject, where integrals and derivatives of integer order are used to describe complex phenomena, is insufficient. That is because highly complicated and not very reliable models are achieved as a result.

Therefore, the world of science refers to the tools known for hundreds of years but which found their practical application only at the close of the previous century. These tools allow for modeling using integrals and derivatives of real order (so called differintegrals, or fractional order calculus). The result is a significantly more comprehensive description of a given phenomenon and this, in turn, leads to better results. As an example papers [5–7] can be used, in which selected issues are described with the help of fractional order equations.

Such an approach may have some implications in automation and control theory. Due to the fact that the objects which are controlled by engineers are of fractional order then it seems logical to apply fractional order controllers (with adequate properties) to control them. In the paper a practical solution to such an approach is shown based on the PID controller. The paper is divided into two main parts. Both of them contain the comparison of the integer order PID controller (IOC) with the fractional order PID controller (FOC).

where

144

2. Fractional order PID controller

f τ Dtα f (t ) = Γ (n1− α ) dtd ∫ (t − (τ ))α a n

n

t

a

−n +1

dτ ,

(1)

∞

Γ (x ) = ∫ e −t t x −1dt

0

and it is a well known Euler function.

−

a

t −a   h 

Dtα f (t ) = limh α ∑ ( −1) h →0

i =0

i

α  i  f (t − ih ) ,

(2)

where

α α − i + 1  α  =   , i = 1, 2, ... ,  i  i i − 1

α

=1

 0 

Based on definition (2), which in a natural way allows for describing discrete equations, fractional order forward difference could be shown in the form (3). t +1

α

(3)

Formula (3) for a < 0 shows discrete integration process, whereas for a > 0 shows discrete differentiation process.

∆ α x (t + 1) =

∑  i  x (t + 1 − i ) i =1

Furthermore, it is possible to present in a clear way discrete integral (4) and differential (5) fractional order element, which will be used in the discrete fractional order PID controller.

t +1 α   x (t + 1) = u (t ) − ∑   x (t + 1 − i ) i =1  i  t +1 β   x (t + 1) = u (t ) + ∑   x (t + 1 − i ) i =1  i 

(4)

(5)

The sum in equations (4) and (5) determines “memory” of the analyzed element, which means that current value of the state x(t + 1) is not dependent only on the previous value of the state x(t) and the current input u(t), but it also contains all the previous states of the model. In practice the memory of fractional order elements is often limited to the finite value L due to restricted possibilities of control systems. The parameter which binds together all the previous states of the element is the coefficient  α  and  β  ,  i 

 i 

which is directly dependent on the order of an analyzed element. Such a model is similar to a real object whose current state is also dependent on all its previous states.

The general scheme of the PID controller is assumed and described by equation (6)

  T T u (t ) = K v e (t ) + s I αe (t ) + d D β e (t ) , T T   i

s

(6)

where e(t) is a control error at a given moment t, Ts is a sampling time, whereas I a and D b symbolize a fractional order integral and a derivative respectively. By choosing a = 1 and b = 1 the classical PID controller of integer order is achieved.

Equation (7) describes the electrical part, whereas equation (8) describes the mechanical part of the motor. The state vector of the described motor model is id (t ), iq (t ), ωr (t ), Θ (t ) .

In order to choose the best parameters of the motor model, the parameters were selected from the catalogue note of a specific motor used in chapter 4 for experimental research. Additionally, the appropriate conditions, corresponding to the real ones, of the simulation were created. It means that PI controllers were used and sampling time was set to 400 μs. Because in such a time cycle works a real time controller used in further research. Limiting the control loop to only PI controllers is caused by a very unfavorable effect of differential term when control error changes rapidly. For this reason differential terms are not used in servo-drive motor applications [9].

Tab. 1. Parameters of the PMSM motor model Tab. 1. Parametry modelu silnika PMSM Parameter

Value

Stator resistance

R

18.5 Ω

Stator direct ind.

Ld

49.16 mH

Stator quadrature ind.

Lq

49.16 mH

Number of polepairs

p

2

Inertia

J

0.00009 kg∙m2

Torque

T

1.455 Nm/A

Friction

F

0 Nms

Flux

l

0.42 Wb

3. Simulations In this part of the paper the analysis of correctness and rightness of applying a fractional order PID controller algorithm in the context of velocity control of the PMSM motor was made.

3.1. Description of simulation environment

The well known model of the PMSM motor from [3] served as a model of the researched object with known catalogue parameters.

Lq 1 R d dt id (t ) = − L id (t ) + L pωr (t ) iq (t ) + L vd (t ) d d d  d λ pωr (t ) 1 R Ld + vq (t ) pωr (t ) id (t ) −  iq (t ) = − iq (t ) − Lq Lq Lq Lq  dt  3  Tel (t ) = p λiq (t ) + Ld − Lq id (t ) iq (t )  2 

(

(7)

)

1 d dt ωr (t ) = J [Tel (t ) − F ωr (t ) − Tload (t )]

  d Θ (t ) = ωr (t )

dt

(8)

Fig. 1. Control system of the PMSM motor Rys. 1. System sterowania silnikiem PMSM

Fig. 1 presents the general scheme of the used control system. Cascade control system with velocity control loop and torque (current) was applied. In a real control system the torque controllers are placed in the PMSM motor servo-drive. Hence, the parameters of the torque controllers selected for the simulation are the same as the default ones set by the servo-drive producer for a given motor. In this case the following parameters are set: Kv = 54.587318, Ti = 0.00088248722.

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

145

Nauka

The scheme of selection of velocity controller parameters, which was used during carried out simulations, is presented in the following points: 1. Putting the system to the stability limit through increasing gain of the proportional term Kv, when the integration term of the controller is turned off.

2. Setting gain Kv as 90 % of the critical value of the gain from point 1.

3. Gradual decreasing of time constant of the integral term Ti until the best control quality was achieved according to the used quality criterion.

Five basic integral criteria of quality control were used in order to assess control quality: ∞

1. IE = ∫ e (t ) dt , 0

∞

2. ISE = ∫ e 2 (t ) dt , 0

3. IAE =

∞

∫ e (t ) dt ,

Fig. 2. The best IOC (red line) compared with the best FOC (green line); reference signal (blue line)

0

Rys. 2. Najlepszy IOC (czerwona linia) w porównaniu z najlepszym FOC (zielona linia); sygnał zadany (niebieska linia)

∞

4. ITSE = ∫ te 2 (t ) dt , 0

∞

5. ITAE = ∫ t e (t ) dt .

0

As the most critical value was determined the ITAE criterion (Integral of Time multiplied by Absolute value of Error), which is one of the most widely used in industrial applications.

3.2. Results of simulation research

IO PI controller. It is also proved by the values of the quality criterion and

ITAEI0 = 1 ITAEF0 = 0.8448.

A number of simulations in the MATLAB/Simulink environment were carried out using the control system model shown in point 3.1. The memory of the integral element of the controller was set to L = 200 and left unchanged for the period of further simulations. In search of optimal controller settings a methodical analysis of the range of settings was applied. The minimal value of the ITAE quality criterion was determined as the indicator of optimal controller settings selection. As the reference signal was used trapezoidal signal of velocity with maximal value of 1 rps.

In this way optimal settings for the IO PI controller were obtained

4e − 4 1   u (t ) = 1.47375 e (t ) + I e (t )   0.007

(9)

and for the FO PI controller

4e − 4 1.1   u (t ) = 1.47375 e (t ) + I e (t ) .   0.007

(10)

Fig. 2 shows the response to the velocity reference signal of the best IO and FO PI controller. For the purpose of a clear presentation of the results only the selected fragments of the time courses were shown.

It is visible with the naked eye that the best FO PI controller achieves much better results than the classical

146

Fig. 3. The best IOC (red line) compared with the best FOC (green line), determined without changed inertia used in the motor with increased inertia; reference signal (blue line) Rys. 3. Najlepszy IOC (czerwona linia) w porównaniu z najlepszym FOC (zielona linia), uzyskane bez zmienionej bezwładności użyte dla silnika ze zwiększoną bezwładnością; sygnał zadany (niebieska linia)

What was achieved is the quality improvement by 15 %, which is strongly observable in the transient part of velocity changes.

The effect of the change of one of model parameters on control quality was also checked. The value of the inertia of the engine shaft was changed to J = 0.0019107 kg×m2 (about 20 times higher than the initial value). Then simulations were carried out again, with the same settings of the controller parameters and the results are shown in fig. 3.

In that case performance of both IO and FO regulators are qualitatively similar, which is also confirmed by the values of the integral criterion (difference less than 8 %) and

4. Experiment This chapter contains the description of a workstation where experimental research was performed (fig. 5). All the relations resulting from the simulations carried out in chapter 3 were also experimentally confirmed. This demonstrates the power of the algorithm of the FO PI controller.

ITAEI0 = 5.7904 ITAEF0 = 6.3606.

It shows also that the system with FO controller has a completely different character of response to disturbances of the object parameters than system with IO control.

4e − 4 1   u (t ) = 28.2 e (t ) + I e (t )   0.007

(11)

4e − 4 1.1   u (t ) = 28.2 e (t ) + I e (t )   0.007

(12)

During the final stage of simulation research the optimal settings for the motor with increased inertia were found. Equations (11) and (12) show the best IO and FO controllers respectively. Fig. 4 shows the response to reference velocity signal for these settings.

The obtained results were supported by the values of the integral criteria: ITAEI0 = 2.160 and ITAEF0 = 0.1735, which show achieved quality improvement by 19 %.

Fig. 4. The best IOC (red line) compared with the best FOC (green line) for the motor with increased inertia; reference signal (blue line) Rys. 4. Najlepszy IOC (czerwona linia) w porównaniu z najlepszym FOC (zielona linia), dla obiektu ze zwiększoną bezwładnością; sygnał zadany (niebieska linia)

Fig. 5. Workstation for rapid prototyping control systems for the PMSM motor drives Rys. 5. Stanowisko do szybkiego prototypowania systemów sterowania silnikami PMSM

4.1. Rapid prototyping workstation description

The research workstation consists of: engineering programming environment MATLAB/Simulink from Mathworks and the software for designing IT projects for deterministic, multitasking RT operational system Automation Runtime which is the base of industrial B&R control system.

Thus, the workstation integrates the designing stage, complex simulation analyses with prototyping of newly designed algorithms in the target control system.

The element that links these two solutions is toolbox Automation Studio Target for Simulink from B&R. A designed and verified model is later compiled in Simulink to optimal program code for the B&R target system processor thanks to the functionality of RT Workshop and RT Workshop Embedded Coder. This situation is shown in fig. 6.

The achieved time decrease during the designing advanced control algorithms testifies to the synergy of the here presented approach. In this way it is possible to avoid the problem which happens in case of physical impossibility of implementing prototype simulation model or mathematical solution to a given issue in the target control system.

Fig. 6. Scheme of rapid prototyping system Rys. 6. Schemat systemu do szybkiego prototypowania Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

147

Nauka

A very efficient system for rapid prototyping of advanced control system algorithms is achieved. It allows for testing new solutions in a short time. Such an approach is called On-Target Rapid Prototyping [8].

Apart from the computer with the described systems, the workstation also contains the industrial computer B&R APC620 with a RT operating system and the B&R servodrive Acopos 1090 with the PMSM motor actuator. The connection between industrial computer (PLC) and the servo-drive is through the deterministic, industrial Ethernet Powerlink which enables synchronous data transfer every 2 ms. The torque (current) controller located in the servodrive sets a new value of current every 400 μs.

4.2. Results of experimental research

The experiment confirms the simulation results. The best FO PI controller obtains significantly better results than the classical IO PI controller. The values of integral criteria for the responses from fig. 7 are and

ITAEI0 = 1248.61 ITAEF0 = 1127.12.

According to the coefficient ITAE the improvement of control quality by over 10 % was achieved. The fluctuation amplitude of the motor velocity in the steady-states has a visible effect on the indicator value. For the FO PI controller the amplitude is noticeably narrower.

A number of experiments using the workstation described in point 4.1 were carried out. The memory of the integral element of the controller was set to L = 200 and left unchanged for the period of further experiments. In order to determine optimal controller settings, as it was in case of simulation research, the ITAE criterion was used. As the reference signal was used trapezoidal signal of the maximal value of velocity equal to 10 rps.

Firstly, the motor without increased inertia of the shaft was researched. The optimal settings for the IO PI controller were achieved 4e − 4 1   u (t ) = 0.261 e (t ) + I e (t )   0.067

(13)

4e − 4 1.3   u (t ) = 0.261 e (t ) + I e (t ) .   0.067

(14)

and for the PI controller

Fig. 7 shows the results achieved during the experiments.

Fig. 8. The best IO controller (red line) compared with the best FO controller (green line) determined without changed inertia used in the motor with increased inertia; reference value (blue line) Rys. 8. Najlepszy IOC (czerwona linia) w porównaniu z najlepszym FOC (zielona linia), uzyskane bez zmienionej bezwładności użyte dla silnika ze zwiększoną bezwładnością; sygnał zadany (niebieska linia)

It is also checked what are the effects of changing the motor parameters. The additional weight was mounted to the motor shaft which caused the increase of its inertia to J = 0.0019107 kg×m2. Later on, the experiment with parameters selected for the motor without increased inertia was conducted. Fig. 8 shows the results.

According to the integral criterion, the FO controller algorithm turned out to be similarly efficient (less than 2 % of difference). The maximal value of control error of the FO controller is three times lower than the classical IO controller but the response to object parameter disturbance has character of unfading oscillations. The values of the integral criterion for the controllers are the following ITAEI0 = 4824.03, ITAEF0 = 4895.91.

Fig. 7. The best IO controller (red line) compared with the best FO controller (green line); reference signal (blue line) Rys. 7. Najlepszy IOC (czerwona linia) w porównaniu z najlepszym FOC (zielona linia); sygnał zadany (niebieska linia)

148

It was observed that the FO PI controller has a similar robustness that the classical one, which is in accordance with the results achieved in computer simulations.

4e − 4 1   u (t ) = 1.49 e (t ) + I e (t )   0.067

(15)

4e − 4 1.3   u (t ) = 1.49 e (t ) + I e (t )   0.067

(16)

During the final stage of the research the optimal settings of the controllers for the motor with changed inertia were selected. Equations (15) and (16) present the FO and IO controllers respectively, while fig. 9 shows the response to reference velocity signal for these settings.

trollers and then fine-tune the controller using parameter a.

Additionally, it provides a certain room for maneuver during the implementation of such a solution in the industrial conditions. It is sufficient to implement a new algorithm to the target control system (which does not pose too many complications using the described On-Target Rapid Prototyping method), take the settings from the controller already working in the system, and then fine-tune the order of the implemented controller to achieve the optimal performance of the system.

It has been concluded that the FO PID controller has a similar robustness to structural changes of the controlled object compared to the classical one. In the presented case with an increased inertia of the motor shaft it was enough to increase the value of the gain of the proportional term in order to improve control quality.

The paper contains the method of the expansion of fractional order differintegral from the definition by GrünwaldLetnikov (2). Parameter L, which results from the definition, is responsible for the memory of the fractional order elements. This method is simple to interpret and can be easily explained to engineers in charge of machine operation in the industry. What is interesting is the effect of parameter L on control quality, therefore it should form the base for further research in this direction.

Acknowledgements

Fig. 9. The best IO controller (red line) compared with the best FO controller (green line) for the motor with increased inertia; reference value (blue line) Rys. 9. Najlepszy IOC (czerwona linia) w porównaniu z najlepszym FOC (zielona linia), dla obiektu ze zwiększoną bezwładnością; sygnał zadany (niebieska linia)

The obtained results (over 19 % better quality) were supported by the values of integral criteria: and

ITAEI0 = 1005.04 ITAEF0 = 806.19.

5. Conclusion This article proves that a significant improvement of control quality can be achieved using a controller adequately chosen for a given object, which means that for an FO object the FO controller should be selected.

In the described example the FO PI controller was used for velocity control of the PMSM motor. The FO controller performance was compared experimentally and in simulations with the performance of the classical IO controller. The correctness of the applied concept and method has been proved.

Moreover, the research shows that the settings of the optimal controllers (IO and FO) differ only in parameter a responsible for the order of integral term. It greatly facilitates the methodology of the settings selection of the FO controller. In order to determine optimal settings Kv and Ti one can use the methods known form the classical PID con-

Research has been done within the framework of the project “Development of the construction and experimental tests of a mechatronic machine tool feed unit with a drive controlled by an intelligent modular actuator” (MNiSW Project No. N 502 336936, code-name M.A.R.I.N.E. (multivariable hybrid ModulAR motIon coNtrollEr)).

Bibliography 1. Xue D., Zhao C., Chen Y., Fractional Order PID Control of A DC-Motor with Elastic Shaft: A Case Study, Proceedings of the 2006 American Control Conference Minneapolis, 2006, 3182–3187.

2. Domek S., Jaroszewski K., Kobyłkiewicz A., Sterowanie niecałkowitego rzędu parą antagonistycznych mięśni pneumatycznych, Modelowanie inżynierskie, 2009.

3. Krishnan K., Electric Motor Drives: Modeling, Analysis, and Control, Prentice Hall, New Jersey 2001.

4. Kaczorek T., Wybrane zagadnienia teorii układów niecałkowitego rzędu, Oficyna Wydawnicza Politechniki Białostockiej, Białystok 2009.

5. Jezierski E., Ostalczyk P., Fractional-order mathematical model of pneumatic muscle drive for robotic applications, [in:] Kozłowski K. (Ed.), Robot Motion and Control 2009, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2009.

6. Sierociuk D., Estymacja i sterowanie dyskretnych układów dynamicznych, Ph.D. thesis, Warszawa 2007.

7. Zaborovsky V., Meylanov R., Informational network traffic model based on fractional calculus, Proceeding of the International Conference Info-tech and Info-net, Beijing 2001.

8. Bernecker + Rainer Industrie-Elektronik GmbH, B&R Automation Studio Target for Simulink.

9. Kosmol J., Serwonapędy obrabiarek sterowanych numerycznie, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1998.

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

149

Nauka

Regulator PID ułamkowego rzędu w pętli sterowania prędkością modułu posuwowego obrabiarki CNC z napędem PMSM Streszczenie: W licznych publikacjach wykazano, że regulatory ułamkowego rzędu mogą zwiększyć skuteczność regulacji w porównaniu z tradycyjnymi algorytmami sterowania. W artykule przedstawiono regulator PID ułamkowego rzędu do sterowania prędkością silnika PMSM. W pierwszej części zaprezentowano wyniki symulacji, porównano regulator PID ułamkowego rzędu z konwencjonalnym regulatorem PID całkowitego rzędu i dowiedziono prawidłowość zastosowanej metody.

W drugiej części artykułu przedstawiono wyniki testów zaproponowanego rozwiązania, przeprowadzonych w docelowym systemie sterowania silnikiem PMSM. Otwarta architektura systemu sterowania bazująca na komputerze przemysłowym (do cyklicznego komunikowania się z energoelektroniką w czasie rzeczywistym, realizujący regulację prądu i funkcjonalność komunikacyjną z użyciem protokołu komunikacyjnego Ethernet Powerlink) oraz na systemie do szybkiego prototypowania zostały użyte do oceny zaprojektowanego algorytmu regulacji prędkości.

Wyniki przedstawione w artykule potwierdzają przydatność zaproponowanego rozwiązania.

Słowa kluczowe: rachunek różniczkowy ułamkowego rzędu, napęd PMSM, regulacja PID, sterowanie odporne

150

Artur Kobylkiewicz, MSc Eng. PhD student at Department of Industrial Automation and Robotics, Faculty of Electrical Engineering, West Pomeranian University of Technology Szczecin. The main fields of his interest are: fractional order control systems, Attitude and Orbital Control Systems and chaos in dynamic systems. e-mail: artur.kobylkiewicz@zut.edu.pl Pawel Waszczuk, MSc Eng. PhD student at Department of Industrial Automation and Robotics, Faculty of Electrical Engineering, West Pomeranian University of Technology Szczecin. The main fields of his interest are: digital signal processing, diagnostics in milling and micromilling process and digital servodrives. e-mail: pawel.waszczuk@zut.edu.pl Rafal Pajdzik, MSc Eng. PhD student at Department of Industrial Automation and Robotics, Faculty of Electrical Engineering, West Pomeranian University of Technology Szczecin.

His research interests include analysis, modeling, design of digital servodrives of milling machines. e-mail: rafal.pajdzik@zut.edu.pl

The application of VPython to visualization and control of robot Maciej Wochal, Dawid Cekus, Pawel Warys Czestochowa University of Technology

Abstract: The idea of using VPython software environment (Python programming language plus a 3D graphics module called Visual) for visualization and control of robot movements is presented in the paper. The control system has been worked out for walking robot, which is building at Institute of Mechanics and Machine Design Foundation of Technical University of Czestochowa. A method of modeling and programming of robot operation control system has been described. The used library to communication with external devices allows easy control of an arbitrary number of mobile robotic modules. The developed program allows for cooperation with any servo controller and enables work in simulation mode of system motion or control mode. In control mode, the control sequences are sent in real time to the executive system and realized movements are shown in the form of three-dimensional visualization on a computer screen. User has the possibility of dynamic defining the position of the separate or group of elements in the space, and the change of velocity and position.

Keywords: walking robot, control system, Python

1. Introduction This paper concerns the visualization of movements working (the actual position of robot components) and method for controlling of walking robot, which is built as a part of Scientific Society of Computer Aided Design of Mechatronic Devices and Machines, and its main aim is the presentation the Python programming language and libraries used for implementation of these tasks.

On the current stage of work, the robot can be used as manipulator (fig. 1), but in the future, the robot will be moved on two legs.

In Poland, as well as over the world a lot of scientific and research centers deal with the issues concerning the walking robot [1–4]. In the paper [4] the problem of conception and building 4-legged walking robot intended for transport cargo was presented. Starting from the structural synthesis of leg the kinematic chain was developed, and the computer calculation model was built. Considerations have been taken to develop programs and walking algorithms (straight, a curve, by obstacles). The analysis was finished by simulations testing the robot movement in order to verify the correctness of the solutions assumed.

Constructional solutions of walking robots are based mainly on solutions observed in nature in humans, animals, or insects. One example of this might be a solution where the machine uses a tail to keep one’s balance. Analysis of the gait stability of a man moving along an even surface with a constant velocity is presented in article [5]. The stability criteria applied to biped robots, namely: the Zero Mo-

Fig. 1. Walking robot under construction Rys. 1. Budowany robot kroczący

ment Point (ZMP) and the Ground projection of the Center Of Mass (GCOM) have been employed in the investigations. The analysis has been carried out on the basis of measurement data obtained from the human gait recorded with a digital camera.

2. Python programming environment Python programming environment is a convenient and easy tool to use for the completion of the prototype and research works. The main advantages of Python are: simple and clear syntax, a wide access to resources including information, examples, and many ready libraries (including scientific

Fig. 2. Exemplary objects found in the Visual library Rys. 2. Przykładowe obiekty występujące w bibliotece Visual Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

151

Nauka

applications), complete portability between different software and hardware platforms, and the lack of licensing restrictions (open sources). In this paper Visual [6, 8, 9] (for visualization) and pySerial (for serial communication) libraries have been used.

Visual graphics library has many ready objects for immediate use (fig. 2).

In addition, this library allows full automation of the 3D scene management. Even the simplest program using Visual library is equipped with functions of rotating and scaling of the scene. Visual library allows achieving the intended objective by a very simple creation of complicated 3D programs without a specialist programming knowledge.

A sample code – in Python and using Visual library – executing cube rotation is presented below.

→ box(frame=f, length=40, height=40, width=20, pos=(10,-26,0),

from visual import *

The modeled components that were used repeatedly are shown in the fig. 3.

b = box()

color=(.2,.2,.2)) → box(frame=f, length=54, height=6, width=20, pos=(10,-18,0), color=(.2,.2,.2)) → cylinder(frame=f, pos=(0,-6,0), axis=(0,4,0), radius=4) → cylinder(frame=f, pos=(0,-4,0), axis=(0,2,0), radius=5, color=(.2,.2,.2)) → cylinder(frame=f, pos=(0,-2,0), axis=(0,2,0), radius=11, color=(.2,.2,.2)) → return f

while true: → rate(100) # reduce the number of frames to 100 per second → b.rotate(angle = pi/100)

In Python, instead of brackets (widely used in other programming languages) indents (→) are used.

The second library used in this work is pySerial library, which allows convenient use of serial ports (including virtual ports). Establish communication between the computer and external device comes down to a few simple instructions: import serial # import library port = serial.Serial(port name, speed) # opening of the port with predefined speed

After connecting, data to external devices can be sent, e.g.: port.write(“hello”)

At the end, the port has to be closed: port.close()

3. Model of the robot in the Python programming environment

Fig. 3. The basic elements modeled in Python Rys. 3. Podstawowe elementy zamodelowane z wykorzystaniem środowiska Python

Creating of a robot arm was divided into stages, where first a model of the gripping device (fig. 4) was carried out and placed in the next member, etc. The separate stages

Model of the robot made in the Python programming environment was built with elementary solids (ready models), which Visual offers. However, there is the possibility of creating your own components, or import from other programs, e.g. CAD, but in this case is necessary to write your own functions.

A sample program code defining the function responsible for modeling servomechanism is presented below. def add_servo(): → f=frame() → sphere(frame=f, color=color.red, radius=1)

152

Fig. 4. The gripping device model Rys. 4. Model urządzenia chwytającego

Fig. 5. The first stage of joining elements Rys. 5. Pierwszy etap łączenia elementów

Fig. 8. The fourth stage of joining elements Rys. 8. Czwarty etap łączenia elementów

Fig. 6. The second step of joining elements Rys. 6. Drugi etap łączenia elementów

Fig. 9. The fifth step of joining elements Rys. 9. Piąty etap łączenia elementów

Fig. 7. The third stage of joining elements Rys. 7. Trzeci etap łączenia elementów

Fig. 10. The last stage of joining elements Rys. 10. Ostatni etap łączenia elementów

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

153

Nauka

of joining elements in one arm of the robot are illustrated in the fig. 5–10. It should be note that each element has a local coordinate system, which considerably facilitates the control.

When the model is created and during the acting of simulation, components can be rotated by the method rotate(), or can define a new position using the attribute pos. On the ”lower level” it is implemented in a typical way for OpenGL [7] – that is matrix operations. In this perspective, the operations of translation, rotation and scaling consist in multiplication of vertex coordinate vector by the corresponding conversion matrix.

A single vertex can be described by a vector v: x  y  v =   . z    1 

The matrix of rotation around the X axis:

MRX

0 0 1 0 cos (α ) − sin (α ) = 0 sin (α ) cos (α )  0 0 0

0 0  .

0  1

The matrix of rotation around the Y axis:

MRY

 cos (α )  0 =  − sin (α )   0

0 sin (α ) 1 0 0 cos (α ) 0 0

0 0  .

0  1

The matrix of rotation around the Z axis:

MRZ

cos (α ) − sin (α )  sin α ( ) cos (α ) =  0 0  0  0

0 0 1 0

Translation matrix: 1 0 MT =  0  0

0 1 0 0

0 tx  0 ty   .

1 tz   0 1

sx 0 MS =  0  0

0 sy 0 0

0 0 sz 0

Scaling matrix:

154

0 0  .

0  1

0 0  .

0  1

Translation:

Scaling:

Rotation around

v' = MT ⋅ v . v' = MS ⋅ v . the X axis: v' = MRX ⋅ v .

4. Control of the robot components Worked out computer program to control the movements of the robot has a few operating modes: –– manual – control with the keyboard and mouse, performed sequences of movements can be stored, –– simulation – executing robot movements on the basis of the loaded sequence, –– automatic.

Three-dimensional user interface accompanies all modes. The program automatically starts up in manual mode, unless a parameter specifying the file with a record of the motion sequence will be given during the start. The change of mode can make at any time of the program. If the robot is not connected to the computer, instead of the automatic mode, the simulation mode will be run.

4.1. Control in manual mode

In order to interact with the user in manual mode, keyboard procedure: if scene.kb.keys: → k = scene.kb.getkey() → if k==’left’: → [determined operation]

and mouse procedure:

m = scene.mouse if m.clicked: → object = m.picked

built in library of Visual have been used. These procedures also allowed to significant simplification of the program.

In each loop, the program checks the status of HID devices (Human Input Devices). Each keyboard key has an associated own pair of signals, called „scancode. Pressing any key generates an appropriate interrupt signal, which in turn is handled by the subprogram to read and interpret the keyboard buffer. If activity of user is detected, the program checks whether the pressed key is used for controlling the robot. After the identification pressed keys, control functions of individual components position in the space and the velocity change of position are activated.

Operation of mouse comes down to read the clicked object ID, which at a later stage allows you to select the active element of the robot. Information about clicked

4.2. Control in simulation or automatic mode

If the program is run in simulation or automatic mode (fig. 12), then program gets down to the control mode and executes the commands contained in the loaded script. If the robot is not connected to the computer (simulation mode) is performed only simulation (visualization of robot movements on a computer screen).

Fig. 12. The modes of robot: a) simulation, b) automatic Rys. 12. Tryby pracy robota: a) symulacyjny, b) automatyczny

5. Control of servomechanisms

Fig. 11. Robot control algorithm Rys. 11. Algorytm sterowania robotem

object concerns the lowest level. In order to determine to which elements the clicked object belongs, the recurrent searching of the relation between frames occurs.

A general algorithm of robot arm control is relatively simple (fig. 11): –– if the clicked object is in the frame grouping elements, we make sure that the frame is one of the supported segments of the robot, if not – the same procedure to check for the frame that contains the current element is performed – and so to the moment at which the first condition is not fulfilled, or will be defined in which component the clicked element occurs, –– when they detect on which part of the robot was clicked, activation takes, the color of part changes, and the required variables are setting.

When the user presses on the keyboard the left or right arrows, rotation of active part occurs (angle is set by using the top and bottom arrows). Robot motion is carried out simultaneously in the virtual model, as well as the real object.

The sequence of movements performed by the user can be saved by pressing: [Enter] – save the last operation, [Space] – adding a pause for 1 second to the list of operations to be performed, – save the list of operations in file.

[S]

Pololu Servo Controller USB Maestro (fig. 13) was used to control of servomechanisms. With this driver, communication can take place on a serial port TTL (+5 V), which enables for example the Bluetooth adapter or a microcontroller connection, or via the USB cable seen by the computer as a virtual serial port.

Fig. 13. Servo Controller Mini Maestro 12-Channel USB Servo Controller Rys. 13. Sterownik serwomechanizmów Mini Maestro USB Servo Controller

In order to set the selected servo to the chosen position, connection with the driver must be made, and then control is based on the transfer of three-byte control instruction (fig. 14).

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

155

Nauka

Zastosowanie środowiska programistycznego VPython do wizualizacji i sterowania robotem

Fig. 14. The control data Rys. 14. Instrukcja sterująca

6. Conclusion Despite the fact that all objectives were achieved, developed program in present form is not suitable for controlling the whole walking robot, but only to control his arms. It is difficult to imagine a machine control, consisting of more than twenty servos using only a few buttons. Can thus for instance define the direction in which the robot would have to move, and the rest of the steps can be executed automatically by the walking robot, but it will be still require a lot of effort work on the algorithms that make it will be able to move almost autonomously and control will consisted only on determining some guidelines, and not the positioning of each servo individually.

Acknowledgements This work was carried out within Scientific Society of Computer Aided Design of Mechatronic Devices and Machines.

Bibliography 1. Klaassen B., Linnemann R., Spenneberg D., Kirchner F., Biomimetic walking robot SCORPION: Control and modeling, “Robotics and Autonomous Systems”, 41, 2002, 69–76.

2. Ion I.N., Marin A., Curaj A., Vladareanu L., Design and motion synthesis of modular walking robot MERO, “Journal of Automation, Mobile Robotics & Intelligent Systems”, vol. 2, no. 4, 2008, 25–30 .

3. Zhang X., Zheng H., Walking up and down hill with a biologically – inspired postural reflex in a quadrupedal robot, “Autonomous Robots”, 25, 2008, 15–24.

4. Bałchanowski J., Gąsieniec P., Budowa i badania symulacyjne robota kroczącego, “Acta Mechanica et Automatica”, vol. 4, 2010, 9–16.

5. Mrozowski J., Awrejcewicz J., Bamberski P., Analysis of stability of the human gait, “Journal of Theoretical and Applied Mechanics”, 45, 1, 91–98, Warsaw, 2007.

6. Scherer D., Dubois P., Sherwood B., VPython: 3D Interactive Scientific Graphics for Students, “Computing in Science and Engineering”, 2000, 82–88.

7. Sterna W., Chodorowski B., OpenGL I wprowadzenie do programowania gier, Wydawnictwo NAKOM, 2008.

8. [python.org].

9. [vpython.org].

156

Streszczenie: W pracy przedstawiono sposób wykorzystania środowiska programistycznego VPython (język programowania Python wraz z biblioteką graficzną Visual) do wizualizacji i sterowania ruchami robota. Sposób modelowania oraz sterowania został opracowany dla robota kroczącego, który jest budowany w Instytucie Mechaniki i Podstaw Konstrukcji Maszyn Politechniki Częstochowskiej. Do nawiązania połączenia między komputerem, a modułami robota wykorzystano bibliotekę pySerial. Utworzony program umożliwia pracę w trybie ręcznym (sterowanie za pomocą klawiatury i myszki z jednoczesną obserwacją sekwencji ruchów w czasie rzeczywistym na monitorze komputera), symulacyjnym (realizującym ruchy robota na podstawie wczytanej sekwencji) lub automatycznym. Użytkownik ma możliwość dynamicznego definiowania prędkości oraz położenia pojedynczego serwomechanizmu lub grupy serwomechanizmów.

Słowa kluczowe: robot kroczący, układ sterowania, Python

Maciej Wochal Student of Mechanical Engineering. Cofounder member of Scientific Circle of Computer Aided Design of Mechatronic Devices and Machines. Scientific interests: programming, navigation and construction of mobile robots, digital control systems. e-mail: maciekwochal@o2.pl Dawid Cekus, PhD Adjunct professor at the Institute of Mechanics and Machine Design Foundation of Technical University of Czestochowa. Tutor and co-founder member of Scientific Circle of Computer Aided Design of Mechatronic Devices and Machines. Scientific interests: studying the dynamics of mechanical systems, the use of genetic algorithms in the modeling of machines and their components. e-mail: cekus@imipkm.pcz.pl Pawel Warys, PhD Adjunct professor at the Institute of Mechanics and Machine Design Foundation of Technical University of Czestochowa. Author and co-author of several publications from this field in national journals. Scientific interests: static and dynamics research of mechanical systems (especially the forest crane and its subassemblies). e-mail: warys@imipkm.pcz.pl

Control of mobile walking robot (hexapod) Bartosz Stańczyk, Dariusz Grzelczyk, Jan Awrejcewicz Department of Automation and Biomechanics, Lodz University of Technology

Abstract: This paper presents the design and control system of the walking six-feet mobile robot further referred as a hexapod.

Hexapod is a robot, i.e. motor vehicle that walks on six legs. Since for the keeping stability of the robot only three legs are sufficient, hexapod possesses the great flexibility in walking. For instance, even if one of its legs would become incapacitated, the robot can still walk. The considered robot is controlled using the software provided through a mobile phone. Communication is realized via a Bluetooth wireless network with a range of about 50 m. Robot is equipped with a wireless camera, the system separating the control signals, and the ATmega162 micro-controller. A choice of the micro-controller has been motivated by a number of the generated PWM (Pulse-Width Modulation) signals. Hexapod drive is realized by means of 18 servos. In addition, it has a gripper, whose movement is performed by three servos. A servo is controlled by a variable signal with a fill factor of 50 Hz. PWM signal with variable duty cycle is divided into eight different servo-controlled signals.

ATmega162 micro-controller can control 32 servos. The system dividing the signal is based on a 4-bit binary counter 74LS93N and demultiplexer 74238N.

2. Design Fig. 1 shows the structure of the considered walking six-feet mobile robot (hexapod). Its maximum dimensions (width × length × height) are about 30 cm × 50 cm × 50 cm. The robot has a two-jaw gripper and three pairs of legs, which allows moving at maximum speed 5 km/h. Its total weight with battery is approximately 4 kg. The robot is equipped with a temperature sensor, an ultrasonic distance sensor, a microphone and a colour camera with lighting.

Keywords: hexapod, control

1. Introduction Hexapod is a walking robot modelled on the structure of six-feet insects. As the name implies it has six legs, which means that the robot is characterized by a high stability. To maintain a balance of robot only three legs can be used, but to move four ones. For this reason in case of failure of two extremities the robot can still continue his task. The number of different gait realizable by robots of this type according to the McGee formula is equal 11!, which allows to make a broad analysis of different combinations of robot gait. A lot of interesting information on the walking robots can be found in [1–5]. Different types of robot’s gait are more fully described in reference [3].

The largest lift capacity and the greatest stability of motion which the robot receives corresponds to the case of walking using one leg and leaning on the other five. The complexity of the system construction allows to obtain such a large number of combinations of gait. Unfortunately, it is related not only with complicated software, but also with a high power energy required to operate the robot. Hexapod has an advantage over riding robots in the event of overcoming obstacles. However, the need for continuous operation of all servos to keep the robot at an upright position requires a lot of battery power. Despite using a 3.5 Ah battery and unit energy expenditure of about 130 A, the developed prototype is able to work only about one hour.

Fig. 1. View of the built walking six-feet mobile robot (hexapod) Rys. 1. Widok zbudowanego sześcionogiego robota kroczącego – hexapoda

Each limb consists of three identical rotating cells (fig. 2), which allows to simplify the mathematical analysis of its gait.

Such construction of the leg is the most optimal system to overcome obstacles. Each node to drive the servo modeling was used to simplify significantly the way of movement and control of the hexapod.

Fig. 2. Design of a robot limb consisting of three rotating cells (servos) Rys. 2. Projekt nogi robota zawierającej trzy ogniwa obrotowe (serwomechanizmy) Pomiary Automatyka Robotyka nr 11/2012

157

Nauka

Electric servo actuator is characterized by a gear ratio equal to 273, and the generated torque equal to 0.2 Nm. It has a servo feedback, which based on the reading from the sensor selects the appropriate setting angle of the robot arm. Unfortunately, these mechanisms have not sufficiently high accuracy and require calibration in the control system. To set the appropriate angular position of the servo square-wave signal with a frequency 20 Hz and variable fill factor from 500 µs to 2500 µs is used. It allows the activation of eight actuators (servos) with a single signal PWM. For the generated signal the 8-bit micro-controller Atmega162 was used, possessing the following properties exhibited during the robot movement: (i) up to 16 MIPS Throughput at 16 MHz; (ii) on-chip 2-cycle Multiplier; (iii) 16 kBytes of In-System Self-programmable Flash program memory; (iv) 512 Bytes EEPROM; (v) 1 kBytes Internal SRAM. Peripheral Features: (i) two 8-bit Timer/Counters with Separate Prescalers and Compare Modes; (ii) two 16-bit Timer/Counters with Separate Prescalers, Compare Modes, and Capture Modes; (iii) six PWM Channels; (iv) dual Programmable Serial USARTs; (v) master/Slave SPI Serial Interface.

Generation of four 16-bit PWM signals can control up to 32 servos at the same time. However, this requires a mechanism to recognize and divide the signal into individual servos. Adequate system of sharing is based on digital electronic circuits made in TTL technology. The signal generated by a PWM can be divided into eight signals with a length of 2.5 ms and frequency of 20 Hz. Pulse generation begins with

4. Conclusions In this paper both monitoring and control of walking six-feet mobile robot (hexapod) has been presented. For this reason, an appropriate micro-controller and software installed on mobile phone was used. Control of the robot was realized via Bluetooth wireless signals. The considered robot has been developed both for research studies as well as inspection applications. Its size, ease of overcoming obstacles and compact design, allows reaching the tight and awkward places. In inspection and remote, the control equipped with a wireless system helps transmitting audio and video data.

Acknowledgements

The work has been supported by the MASTER Program of the Foundation for Polish Science for years 2010–2012.

Bibliography

Serwo 8 Serwo 7 Serwo 6 Serwo 5 Serwo 4 Serwo 3 Serwo 2 Serwo 1 PWM 0

2,5

5

7,5

10

12,5

15

17,5

20

22,5

Fig. 3. Control signals used for servo control of the robot Rys. 3. Sygnały sterujące wykorzystane do sterowanie robotem

the detection of the first servo, then, set the value of the filling coefficient of the signal for the appropriate actuator.

Changing to another servo follows after overflow of the PWM counter. The signal in this form is given to the 4-bit binary counter 74LS93N, that controls the choice of output of the demultiplexer 74238N. Demultiplexer outputs are connected with the actuator control inputs. Fig. 3 shows an example of control signals used for servo control of the studied robot.

3. Software and control The microcontroller was programmed in C++. The signals for the individual movements are sent by Serial USARTs from the control device. Simultaneously, the microprocessor sends the data read from the installed sensors such as temperatu-

158

re or distance from the obstacle. Technology of 18B20 temperature sensor allows for temperature measuring to an accuracy of 0.1 °C, while the results of an ultrasonic measurement system are analyzed by the 10-bit ADC transmitter contained in the micro-controller. Hexapod is equipped with a BTM-222 receiver-transmitter, which allows to send signals even from distance up to 100 m. This technology allows for communication with the robot via any device with a Bluetooth system and appropriate software. In order to control the hexapod appropriate algorithm in Java-me program was developed, which allows to control the robot from any mobile phone. Data sent by the program are responsible for selection of the appropriate sequence of walking or moving of the gripper. The program also receives signals from sensors installed on the robot and displays them on the screen, making it easy for control purposes.

1. Morecki A., Fundamentals of robotics, WNT, Warsaw 1999 (in Polish).

2. Vukobratović M., Potkonjak V., Dynamics of manipulation robots: theory and application, Springer-Verlag, Berlin 1982.

3. Zielińska T., Walking machines, PWN, Warsaw 2003 (in Polish).

4. [www.forbot.pl/forum/topics20/teoria-roboty-kroczaceteoria-i-podstawy-projektowania-vt2206.htm], Walking robots – theory and fundamentals of design, (in Polish).

5. Krupanek B., Bogacz R., Kubik B., Walking robot ‘Heksapod’, „Pomiary Automatyka Robotyka” 9/2010, 70–83, (in Polish).

Sterowanie sześcionogiego robota kroczącego Streszczenie: Praca przedstawia projekt i układ sterowania sześcionogiego robota kroczącego zwanego hexapodem. Hexapod jest robotem, który chodzi na sześciu nogach. Ponieważ do utrzymania stabilności robota wystarczą mu tylko trzy nogi, hexapod posiada dużą elastyczność w chodzeniu. Dla przykładu, nawet jeśli jedna z jego nóg stanie się niesprawna, robot wciąż może chodzić. Robot sterowany jest za pomocą oprogramowania znajdującego się w telefonie komórkowym. Komunikacja jest zrealizowana za pomocą sieci Bluetooth o zakresie około 50 m.

Robot wyposażony jest w kamerę bezprzewodową, system po-

działu sygnałów sterujących oraz mikrokontroler ATmega162.

Wybór mikrokontrolera podyktowany został liczbą generowanych sygnałów PWM (Pulse-Width Modulation). Ruch haxapoda realizowany jest za pomocą 18 serwomechanizmów. Ponadto posiada on chwytak, którego ruch jest wykonywany przez trzy siłowniki. Serwomechanizmy sterowane są sygnałami o zmiennym współczynniku wypełnienia i częstotliwości 50 Hz. Sygnał PWM o zmiennym współczynniku wypełnienia podzielony jest na osiem sygnałów sterujących różnymi serwomechanizmami. Mikrokontroler ATmega162 może kontrolować 32 serwomechanizmy jednocześnie. System podziału sygnału sterującego oparty jest o 4-bitowy licznik binarny 74LS93N oraz demultiplekser 74238N. Słowa kluczowe: sześcionogi robot kroczący (hexapod), sterowanie

Bartosz Stańczyk, BSc Eng. A graduate of the Faculty of Mechanical Engineering, Mechatronics, of Lodz University of Technology. Interests: electronics, robotics and computer science. e-mail: bartchez@gmail.com Dariusz Grzelczyk, PhD In 2005 he graduated Faculty of the Technical Physics, Computer Science and Applied Mathematics of the Lodz University of Technology and received the MSc degree in a field of Computers Physics.

In 2010 he received PhD title in Technical Sciences, Mechanics in the Faculty of Mechanical Engineering of Lodz University of Technology, where he currently works in the Department of Automation and Biomechanics. Interests: Contact phenomena and tribological processes, electronics, mechatronical systems, control of dynamic systems. e-mail: dariusz.grzelczyk@p.lodz.pl Prof. Jan Awrejcewicz, DSc, PhD He graduated from the Faculty of Mechanical Engineering of Lodz Technical University in 1977, where he also completed his PhD in 1981. In 1994 he earned the title of Professor from the President of Poland, Lech Wałęsa, and in 1996 he obtained the Golden Cross of Merit from the next President of Poland, Aleksander Kwaśniewski. He is the author or co-author of over 600 scientific articles and of more than 50 monographs and books. Since 1998 he is the Head of Department of Automatics and Biomechanics, and since 2006 the Head of PhD School on ‘Mechanics’ associated with the Faculty of Mechanical Engineering of the Technical University of Lodz. He received many awards and honors for achievements of national and international importance. His research interests are focused mainly on mathematics, mechanics, biomechanics, automation and mechatronics. e-mail: jan.awrejcewicz@p.lodz.pl

Pomiary Automatyka Robotyka nr 11/2012

159

Nauka

The electrooculography control system Damian Pakulski, Artur Gmerek Institute of Automatic Control, Lodz University of Technology

Abstract: The aim of the project described in this paper was to develop the methods of recording and analysis of EOG signals meant for manipulator control. Electrooculography (EOG) is a technique for measuring of the resting potential of an eyeball, indicative of the electrical activity of the retina. This paper presents the complete electrooculographic system which cooperates with the special 2-DOF manipulator. The end-effector of manipulator is a laser pointer. In order to adjust signal to manipulator control, data must be collected and then digitally processed. There has been used the nonparametric model (classifier) based on Artificial Neural Networks (ANN). The task of the classifier was the assignment of an unknown fragment of the signal to one of eight classes of the eyeball movements. Application can be used by handicapped patients, who are able to communicate with others by their eyes only.

Keywords: electrooculography, EOG, HMI, BMI, manipulator control

rivative of the signal), meaning value and duration of signal peak [4, 5]. Classification is usually done with the use of statistical models [5, 6].

2. The general description of the system System consists of several parts. The first part is connected with a signal recording from the skin. It can be done with the use of specially designed EOG apparatuses. After that, the signal is routed to the high-level controller where it’s digitally processed. The final stage of it is classification with the use of an ANN, which assign signals to specific classes. These classes are connected to particular movements e.g. movement of an eye to its left or right position, closing of the eye, etc. After that these movements are mapped to specific motion mechanism of a 2-DOF manipulator. These motion commands are sent via USB to a low-level controller (ATmega8 microprocessor), which controls the manipulator directly (fig. 1).

1. Introduction The electrooculographic signals appear when someone moves his or her eyes. EOG signals are usually used in diagnosis of eye diseases. Since these signals are determined, they may be used for manipulators control. This paper describes a system which, based on the information from EOG signals, is able to control external devices.

Proper processing of EOG signal and its usage in manipulator control is complicated. Signals have to be registered from the skin, then processed in the multilevel process, after that the characteristic features of signals are designated and finally vectors of features are classified to the distinguished classes.

EOG signals are much simpler to record and process than e.g. EEG (electroencephalographic) signals, however not many scientists know about their existence.

There are not many papers about processing and usage of EOG signals. Usakli and Gurkan used EOG signals for control of simple virtual keyboard. The accuracy of classification was 95 % [1].

Some scientists advanced conventional EOG apparatuses to their wireless forms. For example Ubeda et al. has created a wireless system which has been successfully used for industrial robot control [2].

Many papers concentrate on register and digital processing of signal [3, 4]. Researchers usually used following features: polarization of signal amplitude, slope (based on de-

160

Visual feedback

Digital processing system

Control Object

EOG EOG

Fig. 1. General scheme of the system Rys. 1. Ogólny schemat systemu sterowania

2.1. EOG apparatuses

EOG apparatuses have been designed to properly record EOG signals from the skin. These consist of 5 important components. The first thing is instrumentation amplifier.

After signal has been registered by the instrumentation amplifier, it is routed to a high-pass filter in order to remove constant component of the signal. After that the signal is amplified several times and finally is routed to the low-pass filter, which also acts as an antyaliasing filter. Such output signal can be finally converted to digital form. The PCB of the device was designed in Altium Designer (fig. 2). It has been used second order Butterworth filter.

1

2

3

4

Wzmacniacz odwracajacy - G = 10

Res3 10K

Cap 39pF R5

A

Res3 750K

V_PLUS

V_PLUS 8

8

Res3 390K R11

8 8

5

7

B

R9

3

1

A

Res3 20K

6

U3A OP213FS

Res3 1K

B

5 R13 Res3 910

2

U2B OP213FS

2

7

C6

C7

Cap 0.47uF

Cap 0.47uF

V_MIN

3

A

U2A OP213FS 1

R8 Res3 1Meg5 V_MIN

4

4

Res3 390K

U3B OP213FS

6

4

V_PLUS

V_PLUS

R12

R4

4

A

Filtr górnoprzepustowy - fc =0,3Hz

R10

C5

B

V_MIN

GND

V_MIN

GND

GND

B

Wzmacniacz odwracajacy - G = 50

Filtr dolnoprzepustowy - fc = 100Hz C4

R14 Res3 51K Wzmacniacz instrumentacyjny - G = 16

Cap 0.22uF

V_PLUS

V_PLUS

8

R1 R15

V_PLUS

Res3 1k6 R2

1 8

Res3 100K

2 3

R3

4

Res3 100K

U1 RG RG

+V

ININ+

OUT

-V

REF

B

5 R16 Res3 1K

7

2

7

R6

R7

Res3 11K

Res3 11K

3

A

U4A OP213FS

J1

1 Socket

C8 Cap 0.1uF V_MIN

4

R19

C

6

Res3 1K

U4B OP213FS

4

8

Res3 1k6

V_MIN

C

GND

6 GND

5

INA128UA V_MIN

GND

V_PLUS

P2

1 2 3 4

GND

1 2 3 4

D

P1

Header 4

V_MIN

Header 4

Title Size

D Number

Revision

A4 Date: File: 1

2

2012-11-20 C:\Users\..\EOG.SchDoc

3

Sheet of Drawn By: 4

Fig. 2. Circuit diagram of EOG apparatus Fig. 2. Schemat elektryczny opracowanego aparatu EOG

2.2. High-level controller

High-level controller consists of functions written in C# language, which are responsible for communication with acquisition card, signal processing and communication with low-level manipulator controller.

During experiments which have been intended to show the nature of the EOG signals, there has also been used another application for data acquisition. In this program, the graphical commands appear in the application window that the user has to follow. During it the EOG signals are registered.

2.3. Low-level controller and manipulator

Low-level controller is responsible for manipulator control. The controller is based on popular ATmega8 Atmel 4 3

voltage [V]

2 1 0 −1

microcontroller. The object is constructed from two hobby servos, which axis is shifted by 90 degrees. The endeffector of manipulator is a laser point. This kind of servos is controlled in a very specific way. These accept only pulse width modulation (PWM) signal with 50 Hz frequency. The position of the servo can be regulated by changing the duty cycle from 1 ms to 2 ms, where 1.5 ms is neutral position of servo and remaining two are its extreme positions. Microcontroller communicates with high-level controller through UART protocol with the use of USB transmission. There was used the FTDI UART-USB converter.

3. Signal Processing and Classification Signal processing is composed of the following stages: filtering, division into sections based on the movement pattern, and finally calculation of signal descriptors. After receiving the signal, it has been filtered with low-pass filter, which transfers function that can be described as:

−2 −3 −4

0

1

2

3

4

5

samples

6 x 10

4

1

G (s ) =

0.31s 2 + 0.24s + 0.31 s 2 + 0.24s − 0.38

frequency [Hz]

0.8

0.6

0.4

0.2

0 0.5

1

1.5

samples

2

2.5 x 10

4

Fig. 3. Time domain and spectrogram of filtered signal. It can be seen on the spectrogram that, inter alia, the 50 Hz noise has been removed Rys. 3. Sygnał w dziedzinie czasu i spektrogram odfiltrowanego sygnału EOG. Na rysunku możemy zauważyć, iż między innymi została usunięta składowa 50 Hz

This kind of filter removes almost all noise, remaining, as a result, a pure determined signal (fig. 3).

Then these signals were processed again in order to divide them into sections, in which motion appears. It has been done based on a modified threshold algorithm. The beginning of the motion has been designated based on the derivative of fragment of the signal (DS). When DS is bigger, then the established threshold, it means that patient has moved his/her eyes. The end of the motion has been designated based on moments passing by zero. The chaPomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

161

Nauka

ced one additional electrode on the patient, which would connect the subject to the ground of the devices. The following classes of motions were used: left eye position, right position, upper position, button position, single blink, double fast blink, close and open eyes. Study of the signal shows that the values of signal amplitude of the blinks are too low, compared to other motions. Consequently, because the division algorithm has been used based on time domain of the signal, blinks have been excluded from the control algorithm.

Fig. 4. Illustration of the signal division into sections. Blue points correspond to the beginning and red points to the end of motion Rys. 4. Ilustracja algorytmu podziału sygnału na fragmenty, w których występował ruch. Niebieskie punkty symbolizują początek ruchu, a czerwone jego koniec

racteristics of the EOG signals require passing only once through zeros and then relatively slowly reaching zero through exponential curve. These calculations have been repeated, while windows travel through recorded fragment of the signal (fig. 4).

Fig. 6. The system designer during the experiments Rys. 6. Projektant systemu podczas przeprowadzania eksperymentów

After recording the principal movements, signals were processed, which final stage designated the vector of features. This vector of features was used to teach on ANN. After teaching, the ANN was prepared for real time operation. The code was written in C# language.

5. Results and EOG signals characteristic

Fig. 5. Architecture of the ANN used for the signal classification Rys. 5. Architektura sztucznej sieci neuronowej użytej do klasyfikacji sygnałów

Electrooculographic signals, similarly to other signals, can be considered in spectral or time domain. Signals in time domain give many information and are relatively easy to be interpreted. Experiments provide insight into the natu6

move to the left

4. Experiments Experiments were done on the one subject (fig. 6). It is important that during signal recording there should be pla-

162

2 0 −2 −4 −6

move to the right 0

10

20

30 time[s]

40

50

60

50

60

4

move to the top 2 Amplitude[V]

It is important to finish the motion before recording is stopped, otherwise signal may be divided between different recordings, which causes system malfunction.

After signal division, descriptors of motion have been designated. There have been used the following features: an amplitude of the signal, middle value, mean frequency, duration of divided fragment of motion and slope of the signal Vector of features was routed to the ANN, where it was classified to one of several classes (fig. 5).

Amplitude[V]

4

0

−2

move to the bottom −4

0

10

20

30 time[s]

40

Fig. 7. Simple characteristics of EOG signals Rys. 7. Przykładowe charakterystyki sygnałów EOG

re of EOG signals. Research study shows that left and right, as well as upper and bottom eyes movement can be easily distinguished. Depending on the placement of electrodes, the amplitude of upper and left motion pattern would be positive, while the amplitude of right and bottom eye movement would be negative. Besides, amplitude of upper and bottom eye movement is lower then left-right eye movement (fig. 7).

User was able to successfully control the manipulator with the created algorithm. Results of experiments also show that only one channel of electrode is sufficient to correctly control the manipulator.

system for computer control using a multiple feature classification model, Proc. 28th Annual Int. Conf. of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society EMBS, 2006, 1295–1298.

5. Bulling A., Ward J.A., Gellersen H., Troster G., Eye Movement Analysis for Activity Recognition Using Electrooculography, “IEEE Transactions on Pattern Analysis and Mechine Intelligence”, 2011, vol. 33, 741–753.

6. Barea R., Boquete L., Mazo M., Lopez E., System for assisted mobility using eye movements based on electrooculography, “IEEE Transactions on Neuronal Systems and Rehabilitation Engineering”, 2002, 10, 209–218.

6. Conclusions The aim of the project was achieved. There has been created a fully automated system which has been successfully used for manipulator control. Recorded signal has been high-quality compared to the signal of other researchers.

This means that the EOG apparatuses have been properly designed. Overall accuracy calculated on the basis of several dozens of measurements has been 91 %. This results have been calculated in offline experiments after dividing the set in 7:3 proportion (training:test). This accuracy could be probably greater with the use of additional features connected to spectral characteristics of the signals. The experiments showed that EOG signals could be used even in more complicated control systems than 2-DOF manipulators.

7. Future Work Future work will be connected with verification the degree of discrimination of other features. In the future there should be, for example, tested the non-linear dynamics descriptors e.g. fractal dimensions, Lyapunov exponent and others. These descriptors are not much correlated with previously used ones.

It is also important to improve the division algorithm by the spectral information. After such refinement, it would be possible to use blinks in the system.

There will be also created more complicated control system, probably virtual keyboard or some sort of mobile application.

Bibliography 1. Usakli A.B., Gurkan S., Design of a Novel Efficient Human – Computer Interface: An Electrooculagram Based Virtual Keyboard, “IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement”, 2010, vol. 59, 2099–2108.

2. Ubeda A., Ianez E., Azorin J.M., Wireless and Portable EOG-Based Interface for Assisting Disabled People, “IEEE/ASME Transactions on Mechatronics”, 2011, vol. 16, 870–873.

3. Kuo C.-H., Chan Y.-C., Chou H.-C., Siao J.-W., Eyeglasses based electrooculography human-wheelchair interface, Proc. IEEE Int. Conf. Systems, Man and Cybernetics SMC, 2009, 4746–4751.

4. Kherlopian A.R., Gerrein J.P., Yue M., Kim K.E., Kim J.W., Sukumaran M., Sajda P., Electrooculogram based

System sterowania wykorzystujący sygnał elektrookulograficzny Streszczenie: Celem projektu było opracowanie metod przetwarzania i analizy sygnałów elektrookulograficznych (EOG) na potrzeby sterowania manipulatorów. Elektrookulografia jest techniką polegającą na pomiarze potencjału szczątkowego gałki ocznej, który wynika z elektrycznej aktywności siatkówki.

W pracy przedstawiony jest kompletny system elektrookulograficzny, który steruje laserowym wskaźnikiem o dwóch stopniach swobody. W celu dostosowania sygnału EOG do sterowania manipulatora musi zostać on zarejestrowany przez czuły galwanometr zwany elektrookulografem, a następnie przetworzony w wieloetapowym procesie przetwarzania cyfrowego. Końcowym etapem przetwarzania jest klasyfikacja z wykorzystaniem sztucznych sieci neuronowych. Aplikacja może zostać wykorzystana przez osoby niepełnosprawne mające kontrolę jedynie nad ruchem swoich oczu.

Słowa kluczowe: elektrookulografia, EOG, HMI, BMI, manipulator, sterowanie

Artur Gmerek, MSc He received the MSc degree in the field of Automatics and Robotics, majoring in Control of Industrial Processes and Applied Computer Science from Lodz University of Technology, Poland, in 2008. His research interests include rehabilitation robots and biomedical systems. He currently studies for a PhD at the Lodz University of Technology in Institute of Automatic Control. e-mail: artur.gmerek@p.lodz.pl Damian Pakulski, BSc, Eng. He is studying an Automatic Control and Robotics at the Lodz University of Technology. In 2012 he defended his BSc, Eng thesis “Feasibility study of use of electrooculography signals for control of manipulators”. In his range of his interests are signal processing and robotics. e-mail: dondmno@gmail.com

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

163

Nauka

Construction and steering of a two-wheeled balancing robot Krzysztof Lorenc, Adam Białkowski, Jan Awrejcewicz Faculty of Mechanics, Lodz University of Technology

Abstract: Our aim is the construction and steering of a two-wheeled balancing robot. It is a mechatronic device, combining mechanical construction with electronic elements such as sensors and motor drives, as well as control with steering and programming.

The robot uses readings from both analog gyroscope and digital accelerometer to compute its current angle position and maintain the upward position. Standard DC gear motors with plastic model wheels are used to move the body on a flat and non-slippery surface. Independent power supply in form of batteries has been mounted. The robot uses a PID regulator to control the signal for drives in order to smooth the movement and minimize the overshooting. PID parameters can be adjusted both in physical (using potentiometers) and software-wise manner. Board on the robot communicates wirelessly with a computer. Obtained data is sent to LabVIEW, so it can be easily plotted in real time to show various dynamic values such as motors PWM signal, computed angle or angular velocity of wheels. The connection to computer also allows steering the robot and commanding different routes. Dedicated controls can be used to tweak PID parameters and analyze their influence on robots stability.

files. It has the form of cuboid, which ensures adequate rigidity and ease of mounting of necessary measuring elements.

The robot has two DC (direct current) motors with supply voltage of 6 volts and maximum load of current of 1.6 A. In order to reduce the very high rotational speed of the engines, we equipped them with mechanical transmissions. These engines are powered by separate batteries Li-Pol 1800 mAh each. They were attached to the frame with metal handles which had rubber elements. Rubber grips act to suppress vibrations during engine operations and provide adequate attachment to prevent uncontrolled movement of the drives.

Directional control of motors is provided by two H-bridges with increased current efficiency. This has been done by connecting appropriate output pins in accordance with catalog data provided by the manufacturer [1]. The wiring diagram is shown in fig. 1 and table 1.

The most important element of the robot is board Arduino Mega 1280 where the microcontroller Atmega1280 is placed. The board is powered by a third Li-Pol battery connec-

Keywords: balancing robot, inverted pendulum

1. Introduction The construction of a two-wheeled balancing robot is a very interesting sample of a mechatronic device. It consists of all basic elements that are considered as necessary to call it as a mechatronic project. There is mechanical design, which deals with the body of the robot and drives with attached wheels. Electrical design covers power supply, H-bridges, microprocessor and others. There is steering enabling the whole body to stand in upright position, and of course programming to read data from sensors and process them in a proper manner. All of topics mentioned above can be easily developed in future, thus allowing further studies and improvements.

2. Mechanical design For balancing, the robot acts as an inverted pendulum and maintains its balance with the help of the wheels attached directly to the engines. We used a combination of off-theshelf and special order parts to construct the robot. The frame of the robot was created by exploiting the aluminum pro-

164

Fig. 1. Pin connection diagram – current efficiency increase of H-bridge [1] Rys. 1. Schemat połączenie pinów mostka H w celu zwiększenia wydajności prądowej [1]

ted in place of an external power supply. Built-in stabilizers ensure the availability of the most basic and desired voltages of 5 V and 3.3 V. Information on the current position of the robot is collected from sensors and can be displayed on a computer screen thanks to a module FT232 RL built into the board and a USB cable connected to the computer. In addition, for construction purposes, a PCB (Printed Circuit Board) was designed and created. Two H-bridges and gyroscope have been placed on the PCB. Tab. 1. H-bridge pin connection Tab. 1. Mostek H – połączenie pinów Pin number

Connection

2 – 14

OUTPUT 1 – OUTPUT 4

3 – 13

OUTPUT 2 – OUTPUT 3

5 – 12

INPUT 1 – INPUT 4

6 – 11

ENABLE A – ENABLE B

7 – 10

INPUT 2 – INPUT 3

All the major pins of these components were placed on PCB for easy connection. In addition, there are pins supporting the accelerometer that are used for transmission and reception of both data and power. Information about the angular position of the robot is supplied by accelerometer ADLX345 from Analog Devices. This is a digital three-axis module. The robot was used for sensitivity of ±2g.

Accelerometer allows measurement of the static acceleration – gravitational and dynamic – as well as the instantaneous accelerations occurring during engine operations.

This accelerometer that measures the acceleration of gravity vector R due to proper scaling in the output gives signals that are components of Rx, Ry, Rz of given vector R to relevant x, y, z axes.

Moreover, thanks to information obtained about the components of vector R, by using simple mathematical equations we have the ability to accurately determine the angular position of the robot relevant to the desired axis.

The equations follow:

Rx θ x = arccos    R

Ry θy = arccos    R

(1)

Rz   R 

θ z = arccos 

Fig. 3. Wiring diagram of accelerometer via I2C [2] Rys. 3. Diagram podłączenia akcelerometru przez magistralę I2C [2]

The accelerator is powered by a voltage of 3.3 V. The sensor is highly sensitive to interference and that is why it is necessary to use appropriate filtering and a stable supply voltage. The information from the sensors are transmitted to the controller via the I2C Accelerometer pins SDA and SCL must be connected via external resistors R10K aka “pull up” [2].

The robot is also equipped with a gyroscope, by means of which we can determine the rotational speed of the whole structure. This gyroscope is an analog biaxial module LP550AL made by STMicroelectronics [3]. The measurement takes place relative to the x axis with a sensitivity of ±500 degrees/s at a four-enhancing signal. Just like the accelerometer this module is supplied by a voltage of 3.3 V.

2.1. Sensors Fig. 2. Allocation of an angle composition of vector R (gravitational acceleration) Rys. 2. Rozkład wektora przyspieszenia grawitacyjnego R na składowe Rx, Ry i Rz

The robot uses two sensors – analog gyroscope and digital accelerometer. The gyroscope outputs analog signal, which represents separately angular accelerations in every axis (that is X, Y and Z axis). This signal is converted from analog form to digital form using ADC built in the Arduino. Its resolution is 10-bit and results in 1024 possi-

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

165

Nauka

ble readings. Accelerometer readings on the other hand are used to calculate current angular position of the robot with use of common atan2 function. The signal from it is already transmitted in digital form, so there is no need for conversion. For practical use only one of the readings from gyroscope is needed (angular acceleration on X-axis) and two readings from accelerometer (X and Y axis).

functioning as a damper. Derivative term reacts to sudden changes and corrects the output. Integral term sums series of last errors and also influences the output. This output is being represented as PWM value and sent to H-bridges mentioned above.

2.2. Drives control

Two drives are controlled with help of dual H-bridges (coupled together to withstand higher current). H-bridge is supplied with PWM (Pulse-Width Modulation) signal produced on Arduino. PWM simulates analog signal with use of digital outputted values form range 0 to 255. The higher the values, the more power drives receive form H-bridge.

During tests there has been noticeable level-value, from which the drives would start to operate (PWM at the level of around 100). Presumably it is an effected by poor quality of used drives and gearboxes [4].

3. Programming platform This balancing robot uses Arduino platform and benefits from all of its advantages. The Arduino language originates from Wire language and is in fact based on C/C++ languages, which makes it easy to use and learn, but it is also powerful and universal. Many already prepared libraries are available, resulting in quick implementation and enabling focusing on the main matter of the project without dwelling into too many details. In the same time, it leaves the opportunity to improve the code with basic C commands.

Fig. 5. Signal without using Kalman Filter Rys. 5. Sygnał bez użycia filtra Kalmana

The signal from accelerometer is distorted by vibrations of the body and rapid changes of directions caused by drives. It results in noise in readings, which has negative influence on angle calculation and of course balancing of the robot. It has been compensated with implementation of the Kalman filter. It is a widely used and admired tool and it possesses a very good effect on maintain stability of the robot [5].

4. PID regulation and signal filtering To help with continuous keeping upward position a PID regulator has been implemented. The difference between desired position, which was 0 degrees from vertical axis laid through the center of the robot and its actual position calculated from accelerometer readings, is an error used by PID components. The proportional element produces the output proportionally to the error and alone is not sufficient to successfully balance around 0 point. The robot oscillates from one side to another, immediately falling down. It has to be supported with derivative term

Fig. 6. Signal from the gyroscope Rys. 6. Sygnał z żyroskopu

One way easily recognize advantages of the applied Kalman filter comparing with the signals obtained with the Kalman filter (fig. 4), without the Kalman filter (fig. 5), as well as the signal obtained from the gyroscope (fig. 6).

5. Communication with LabVIEW

Fig. 4. Signal with Kalman Filter Rys. 4. Sygnał po przejściu przez filtr Kalmana

166

Arduino board communicates with LabVIEW via standard USB cable. Basic variables used in the code can be presented (plotted) on-screen in real time. The data is sent using serial.write() command in form of packets of bytes.

It is superior to serial.print, as it doesn’t clog the buffer

and therefore doesn’t cause delays. On the LabVIEW side the code has been prepared on basis of LIFA (LabVIEW Interface for Arduino). It supports user with ready to use VI’s, with help of which communication can be implemented with little effort. Sending variables form Labview to Arduino board, like PID parameters, is also possible and enables fluent and dynamic regulation.

6. Conclusion This article presents the results of research aimed on the development of two-wheel balancing robot prototype. All components of the robot and the impact of certain elements on the stability of the structure have been presented. Some of them, such as the appropriate choice of parameters of PID regulators, are essential elements for the stability of the whole structure and that is the correct settings are an important element in the design. The use of the control program filter made by Kalman significantly improves the timing of information obtained by the sensors and enables the realization of synchronous stability by the engines. This allows the robot to maintain balance in spite of external disturbances affecting both the sensors and the entire structure. The created robot represents one of the solutions that can be applied by combining the mechanical structure of the inverted pendulum with control elements in order to study the influence of the many parameters affecting the model.

Bibliography 1. Dual full-bridge driver, STMicroelectronics, L298 Data Sheet, January 2000.

2. Digital Accelerometer, Analog Devices, ADXL345 Data Sheet Rev C, 05/2011.

3. MEMS motion sensor dual axis pitch and yaw ±500°/s analog gyroscope, STMicroelectronics, LPY550AL Data Sheet Doc ID 15808 Rev 1, June 2009.

4. [http://arduino.cc/it/Tutorial/PWM], Hirzel T., Arduino – PWM. 5. Kędzierski J., Kalman filter used in a simple sensory system, 2007, (in Polish).

Budowa i sterowanie dwukołowego robota balansującego Streszczenie: Naszym celem było zaprojektowanie i wykonanie dwukołowego robota balansującego razem z systemem sterowania. Jest to urządzenie mechatroniczne łączące w sobie elementy mechaniczne, elektryczne oraz elektroniczne, takie jak silniki, akumulatory, czujniki. Robot wykorzystuje odczyty z dwóch sensorów, analogowego żyroskopu oraz cyfrowego akcelerometru do wyznaczenia swojego położenia kątowego i utrzymania równowagi w pozycji pionowej. Dwa silniki prądu stałego z zamocowanymi przekładniami i kołami służą do poruszania całą konstrukcją robota po płaskich powierzchniach. Robot zasilany jest z niezależnego źródła energii w postaci trzech akumulato-

rów. System stabilizacji wykorzystuje regulator PID do kontroli ruchu w celu minimalizacji odchylenia od zadanej pozycji pionowej.

Robot komunikuje się w sposób bezprzewodowy z komputerem, przesyłając informacje o aktualnej pozycji kątowej do programu LabVIEW. W programie tym informacje z czujników mogą być wyświetlone w czasie rzeczywistym na wykresie w celu zobrazowania dynamicznych zmian aktualnych wartości sygnałów przyspieszenia kół, prędkości kątowej czy obliczonego kąta położenia robota. Dodatkowe oprogramowanie służy do doboru parametrów PID oraz umożliwia analizę wpływu dobory parametrów regulatora na stabilność całej konstrukcji robota.

Słowa kluczowe: robot balansujący, odwrócone wahadło

Krzysztof Lorenc, Eng. A graduate of the Faculty of Mechanical Engineering Mechatronics Technical University of Lodz. Interests associated with automation, robotics and mechanics. e-mail: krzysiek.lorenc1@gmail.com Adam Białkowski, Eng. A graduate of the Faculty of Mechanical Engineering Mechatronics Technical University of Lodz. Passionate about new technologies and solutions, and in particular those deriving from various, seemingly unrelated to each other technological areas. e-mail: adamblodz@gmail.com Prof. Jan Awrejcewicz, DSc, PhD He was born in Telesze, Poland on August 26, 1952. He received the MSc and PhD degrees in the field of Mechanics from the Technical University of Lodz in 1977 and 1981, respectively. He received also his bachelor’s degree in Philosophy in 1978 from the University of Lodz, and DSc. degree in Mechanics from Technical University of Lodz in 1990. He is an author or co-author of 538 publications in scientific journals and conference proceedings, monographs (37), text books (2), edited volumes (4), conference proceedings (11), journal special issues (12), and other books (8) and other short communications and unpublished reports (238). He is now the Head of Department of Automatics and Biomechanics, and the Head of PhD School on ‘Mechanics’ associated with the Faculty of Mechanical Engineering of the Technical University of Lodz. In 1994 he earned the title of Professor from the President of Poland, Lech Wałęsa, and in 1996 he obtained the golden cross of merit from the next President of Poland, Aleksander Kwaśniewski. He is a contributor to 50 different research journals and to 300 conferences.

During his scientific travel he visited 60 different countries. His papers and research cover various disciplines of mathematics, mechanics, biomechanics, automatics, physics and computer oriented sciences. e-mail: awrejcew@p.lodz.pl

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

167

Nauka

Identification of an electrically driven manipulator using the differential filters Leszek Cedro Faculty of Mechatronics and Machinery Design, Kielce University of Technology

Abstract: The paper presents an example of solving the parameter identification problem in case of robot with three degrees of freedom has been also presented. The identification has been performed with the use of elaborated differential filters. The applied identification method does not require differential equations solving but only determining the appropriate derivatives. Identification method and its generalizations using the object inverse model require information on time derivatives of the input and output signals [1, 2]. The required derivative order depends on the order of differential equations describing the object.

Keywords: differential filters, identification

1. Introduction The rapid developments in computer hardware and software and, consequently, the common use of computers to control processes have aroused wide interest in mathematical modeling, control processes and, accordingly, control system identification.

The method of identification applied in the analysis involves fine-tuning of the inverse model. The method can be used only for such values of the input signals that are determined from the measurement data. Identifying a dynamic system by means of the input error method (fig. 1) requires looking for a model that generates the same input as the object. Only in the case of model reversibility is such a procedure possible. This reversibility is true for linear minimumphase models and a certain class of non-linear models where the input is determined basing on the output data [1, 2].

Let us assume, for instance, that the object is described by means of a differential equation:

f (ϕ (n ) , ϕ (n −1) ,..., ϕ , θ ) = τ

(1)

where f is a certain known function. Thus, the identification error is defined as:

e = τ − τˆ ,

xˆ = f (y (n ) , y (n −1) ,..., y , θˆ) .

(2)

A drawback of this method is that derivative estimates need to be determined. An advantage, on the other hand, is that it is not necessary to solve the differential equations describing the model at each step of iteration.

The fundamental problem related to the implementation of the input error method and its generalization is the ne-

168

Fig. 1. A block diagram of the process of estimation of the inverse model parameters Rys. 1. Schemat blokowy procesu estymacji parametrów modelu odwrotnego

cessity to determine the estimates of signal derivatives. This is achieved by applying differential filters [3].

2. Differential filters Let us assume that the differential filter of the k-th order is a series connection of a low-pass filter with boundary frequency Ω g and a difference quotient of the k-th order (fig. 2).

Fig. 2. Block diagram of the differential filter Rys. 2. Schemat blokowy filtru różniczkującego

The low-pass filter will be responsible firstly for reducing the signal spectrum and secondly for correcting the characteristics of the difference quotient in the range of low frequencies. Thus, the filter will be called a low-pass correction filter. The desired transfer function of the low-pass filter is:

H k (Ω) H ∇k (Ω) H kork (Ω) =  0

for

Ω ≤ Ωg

for

Ω > Ωg .

(3)

As a result, the transfer function of the series connection of the difference quotient and the low-pass filter in the range of low frequencies will be equal to the transfer function of an ideal differential filter.

The transfer function of the low-pass filter for Ω ≤ Ωg is equal to H kork (Ω) = H k (Ω)/ H ∇k (Ω) =

k =1  Ω / sin Ω

 2 =  Ω / 2(1 − cos Ω) k =2 Ω3 /(−2 sin Ω + sin(2Ω)) k = 3. 

(4)

The filter impulse response is the inverse Fourier transform of its frequency characteristic, thus:

hkork (n ) =

1 2π

Ωg

∫

H kork (Ω)e j Ωnd Ω .

(5)

∂k k ! jk H d k (Ω)H ∇k (Ω) |Ω= 0 = k . k ∂Ω ∆

(10)

3. A mathematical model of a robot manipulator In the next sections, the following problems will be solved: first, we will derive the equations for the DC motors, then, we will define the kinetic and potential energy of the system, and finally, we will symbolically derive the robot dynamic equations, using the second order Lagrange equations.

−Ωg

Unfortunately, integral (5) cannot be expressed by means of the analytic functions. It needs to be determined using some approximation. By expanding function H kork (Ω) into a Taylor series around the value Ω = 0 , we obtain:

 Ω2 4  1 + 6 + O(Ω ) k = 1  Ω2  H kork (Ω) =  1 + + O(Ω4 ) k = 2 12   Ω2 + O(Ω4 ) k = 3. 1 + 4 

(6)

The four-term approximation of the expansion appears to be fairly sufficient. The inverse Fourier transform of the function obtained by rejecting the terms of the higher orders is equal to:

 12  6n 3π n Ωg cos(n Ωg ) +  2 2 2  (6 g  1  (2n Ωg cos(n Ωg ) + 3 hkork (n ) =  12n π  (12n 2 n 2 2g g   1 (2n Ω cos(n Ω ) + g g  4n 3π  2 2 2  (4n n g g

(7)

Assume that the impulse response of the low-pass differential filter is:

hd k (n ) =

1

χk

hkork (n )WHarris (n ) ,

(8)

where WHarris (n ) is Harris window described by the following equation:

WHarris (n ) = 0,36 + 0, 49 cos(π n / M ) + +0,14 cos(2nπ / M ) + 0,01cos(3nπ / M ).

(9)

The parameter χ k should be selected in sum a way that the slope of the characteristic of the filter being designed at point Ω = 0 is the same as that of the ideal differential equation, thus:

Fig. 3. An electrically-driven manipulator Rys. 3. Manipulator z napędem elektrycznym

Let ϕ = [ϕ1 ϕ 2 ϕ 3 ] denote the vector of joint variables acting as generalized coordinates, mj – the mass, lj – the arm length, lc j – the distance from the centre of gravity and Sj – the motor of the link j.

Using typical equivalent diagrams of DC motors available in the literature, e.g. Ref. [4], and the second Kirchoff law, we can write the following electrical equation of the DC motor:

U z j = U Rj + U Lj + Eej , for j = 1,2,3

(11)

where U z j is the voltage supplied to the rotor.

Since an open-loop system may be difficult to control, it is essential that the identification be performed for a closed-loop system with properly selected PD controllers. Let us assume that the equations of the controllers have the following form:

U z j = K pj (ϕ z j (t ) − ϕ j (t )) − Kd j ϕ j (t ) ,

(12)

where: K pj , Kd j – the parameters of the controllers, ϕ z j (t ) – the control signals, ϕ j (t ) – the variables describing the position of the manipulator arms.

The voltage drops across the rotor winding resistance and inductance are: Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

169

Nauka

U Rj = Rw j iw j (t ) ,

and

U L j = Lj

diw j (t ) dt

,

(14)

where J cj are moments of inertia of the robot arms assumed for a uniform beam.

where Rw j is the equivalent rotor winding resistance, Lj is the equivalent rotor winding inductance, and iw j is the current flowing through the rotor windings.

The electromotive inductance force is Eej = kej ϕ j (t ) ,

(15)

where kej is an electromotive constant.

Substituting the subsequent components to eq. (11), we obtain:

diw j (t )

+ Rw j iw j (t ) + kej ϕ j (t ) = , for j = 1,2,3 (16) dt = K pj [ϕ z j (t ) − ϕ j (t )] − K d j ϕ j (t )

Lj

lj ml2 m 3v 32 J c 3ϕ 3 2 (t ) , J cj = j j , lc j = , + 2 12 2 2

(13)

E3 =

The potential energy of the system is:

U = U 1 + U 2 + U 3 ,

U 1 = m1glc1 , U 2 = m 2g(l1 + lc2 sin(ϕ 2 (t ))) ,

U 3 = m 3g(l1 + l 2 sin(ϕ 2 (t )) + lc3 sin(ϕ 2 (t ) + ϕ 3 (t ))

(21)

Where g is the acceleration of gravity.

Using the expressions for the kinetic and potential energy, we obtain two second-order Lagrange equations:

d ∂E ∂E ∂U − + = M s j , for j = 1, 2,3 . dt ∂ϕ j ∂ϕ j ∂ϕ j

(22)

The rotor torque is:

M s j = km j iw j (t ) ,

(17)

where km j is a mechanical constant.

Let us define the manipulator kinetic and potential energy. The following geometrical relations take place:

After substitution and simplification of all the variables, we have a system of three equations (where:

1 ((R1(2l12m1 + 3(l 3 2m 3 + l 22 (m 2 + 4m 3 )) + +3l 22 (m 2 + km1

xc 2 = lc2 cos(ϕ 2 (t ))cos(ϕ1(t ))

xc 3 = l 2 cos(ϕ 2 (t ))cos(ϕ1(t )) + lc3 cos(ϕ 2 (t ) +

+ ϕ 3 (t ))cos(ϕ1(t ))

yc 2 = lc2 cos(ϕ 2 (t ))sin(ϕ1(t ))

yc 3 = l 2 cos(ϕ 2 (t ))sin(ϕ1(t )) + lc3 cos(ϕ 2 (t ) +

+ ϕ 3 (t ))sin(ϕ1(t ))

+4m 3 )cos(2ϕ 2 ) + 3l 3m 3 (8l 2 cos(ϕ 2 )cos(ϕ 2 + ϕ 3 ) + +l 3 cos(2(ϕ 2 + ϕ 3 )))) − 12L1(l 22 (m 2 + 4m 3 )sin(2ϕ 2 ) + +l 3m 3 (l 3 sin(2(ϕ 2 + ϕ 3 )) + 4l 2 sin(2ϕ 2 + ϕ 3 )))ϕ 2 + −24L1l 3m 3 (2l 2 cos(ϕ 2 ) + l 3 cos(ϕ 2 + ϕ 3 )sin(ϕ 2 + +ϕ 3 )ϕ 3 )ϕ 1 + 6ϕ 1(4ke1 km1 − 2L1(l 22 (m 2 + (18)

+4m 3 )cos(2ϕ 2 ) + l 3m 3 (l 3 cos(2(ϕ 2 + ϕ 3 )) + 4l 2 cos(2ϕ 2 + +ϕ 3 )))ϕ 22 − 2l 3m 3R1(2l 2 cos(ϕ 2 ) + l 3 cos(ϕ 2 +

zc 2 = l1 + lc2 sin(ϕ 2 (t ))

zc 3 = l1 + l 2 sin(ϕ 2 (t )) + lc3 sin(ϕ 2 (t ) + ϕ 3 (t ))

+ϕ 3 )sin(ϕ 2 + ϕ 3 )ϕ 3 − 2L1l 3m 3 (2l 2 cos(ϕ 2 )cos(ϕ 2 +

+ϕ 3 ) + l 3 cos(2(ϕ 2 + ϕ 3 )))ϕ 3 2 + ϕ 2 (−R1(l 22 (m 2 + +4m 3 )sin(2ϕ 2 ) + l 3m 3 (l 3 sin(2(ϕ 2 + ϕ 3 )) + 4l 2 sin(2ϕ 2 +

The velocity of the centre of gravity of the second arm of the manipulator is:

v 2 = x c 2 + y c 2 + z c 2 ,

v 3 = x c 3 2 + y c 3 2 + z c 3 2 .

2

2

2

+ϕ 3 ))) − 4L1l 3m 3 (l 3 cos(2(ϕ 2 + ϕ 3 )) + 2l 2 cos(2ϕ 2 + +ϕ 3 ))ϕ 3 ) − L1(l 22 (m 2 + 4m 3 )sin(2ϕ 2 ) +

+l 3m 3 (l 3 sin(2(ϕ 2 + ϕ 3 )) + 4l 2 sin(2ϕ 2 + ϕ 3 )))ϕ 2 + (19)

−2L1l 3m 3 (2l 2 cos(ϕ 2 ) + l 3 cos(ϕ 2 + ϕ 3 ))sin(ϕ 2 +

Thus, the kinetic energy of the system is: E = E1 + E 2 + E 3

+ϕ 3 )ϕ 3 ) + 2L1(l12m1 + 3l 22 (m 2 + 4m 3 )cos(ϕ 2 )2 +

,

170

12l 2l 3m 3 cos(ϕ 2 )cos(ϕ 2 + ϕ 3 ) + 3l 3 2m 3 cos(ϕ 2 +

(20)

m 2v 22 J c 2ϕ 2 (t ) J c 1ϕ 12 (t ) E = + , 2 2 2 2

2

E1 =

j = ϕ j (t ) ): ϕ j = ϕ j (t ) , ϕ j = ϕ j (t ) , ϕ j = ϕ j (t ) , ϕ

1 ) = U z1 +ϕ 3 )2 )ϕ

1 (3ϕ 12 (R2 (l 22 (m 2 + 4m 3 )sin(2ϕ 2 ) + l 3m 3 (l 3 sin(2(ϕ 2 + km2 +ϕ 3 )) + 4l 2 sin(2ϕ 2 + ϕ 3 ))) + 2L2 (l 22 (m 2 + 4m 3 )cos(2ϕ 2 ) + +l 3m 3 (l 3 cos(2(ϕ 2 + ϕ 3 )) + 4l 2 cos(2ϕ 2 + ϕ 3 )))ϕ 2 + +2L2l 3m 3 (l 3 cos(2(ϕ 2 + ϕ 3 )) + 2l 2 cos(2ϕ 2 + ϕ 3 ))ϕ 3 + +6L2 (l 22 (m 2 + 4m 3 )sin(2ϕ 2 ) + l 3m 3 (l 3 sin(2(ϕ 2 + +ϕ 3 )) + 4l 2 sin(2ϕ 2 + ϕ 3 )))ϕ 1ϕ 1 + 2(6gR2 (l 2 (m 2 + +2m 3 )cos(ϕ 2 ) + l 3m 3 cos(ϕ 2 + ϕ 3 )) + 4l 22m 2R2ϕ 2 + +12l 22m 3R2ϕ 2 + 3l 3 2m 3R2ϕ 2 + 3l 3 2m 3R2ϕ 3 −

Fig. 4. Responses of ϕ1 , ϕ 2 , ϕ 3 Rys. 4. Sygnały wyjściowe ϕ1 , ϕ 2 , ϕ 3

+6l 3m 3 sin(ϕ 3 )ϕ 3 (l 2R2ϕ 3 + L2 (g cos(ϕ 2 ) + 4l 2ϕ 2 + +3l 2ϕ 3 )) + 6ϕ 2 (2ke2 km2 + gL2 (−l 2 (m 2 + 2m 3 )sin(ϕ 2 ) +

rameters be carefully selected so that the signals provide sufficient information about the object dynamics.

−l 3m 3 sin(ϕ 2 + ϕ 3 ) − 2l 2l 3m 3 (L2 cos(ϕ 3 )ϕ 3 2 + 2 + 12l 22L2m 3ϕ 2 + + sin(ϕ 3 )(R2ϕ 3 + L2ϕ 3 ))) + 4l 22L2m 2ϕ

5. Identification

2 + 3L2l 3 2m 3ϕ 3 + +3L2l 3 2m 3ϕ +6l 3m 3 cos(ϕ 3 )(−gL2 sin(ϕ 2 )ϕ 3 − l 2L2ϕ 3 + l 2 (2R2ϕ 2 + 3

+R2ϕ 3 + 2L2ϕ 2 + L2ϕ 3 )))) = U z 2

(23)

1 (6(gl 3m 3R3 cos(ϕ 2 + ϕ 3 ) + ke3 km3 ϕ 3 ) + km3 +l 3m 3 (6l 2ϕ 22 (R3 sin(ϕ 3 ) + L3 cos(ϕ 3 )ϕ 3 ) + +3ϕ 12 (R3 (2l 2 cos(ϕ 2 ) + l 3 cos(ϕ 2 + ϕ 3 ))sin(ϕ 2 + ϕ 3 ) + +L3 (l 3 cos(2(ϕ 2 + ϕ 3 )) + 2l 2 cos(2ϕ 2 + ϕ 3 ))ϕ 2 + +L3 (2l 2 cos(ϕ 2 )cos(ϕ 2 + ϕ 3 ) + l 3 cos(2(ϕ 2 + ϕ 3 )))ϕ 3 ) + +6L3 (2l 2 cos(ϕ 2 ) + l 3 cos(ϕ 2 + ϕ 3 ))sin(ϕ 2 + ϕ 3 )ϕ 1ϕ 1 + +3R3 (l 3 + 2l 2 cos(ϕ 3 ))ϕ 2 − 6L3ϕ 2 (g sin(ϕ 2 + ϕ 3 ) − +2l 2 sin(ϕ 3 )ϕ 2 ) + 4l 3R3ϕ 3 + L3 (−6ϕ 3 (g sin(ϕ 2 + ϕ 3 ) +

2 + 4l 3ϕ 3 ))) = U z 3 l 2 sin(ϕ 3 )ϕ 2 ) + 3(l 3 + 2l 2 cos(ϕ 3 ))ϕ

4. Simulation of the manipulator model This section discusses the results of a simulation of closed-loop equations including a robot model with PD controllers (fig. 4). The collected data will then be used in the identification algorithm.

First, the pre-determined signal was defined: [ϕz1 ϕz 2 ϕz 3 ] . The signal was assumed to be a properly delayed step function (each arm with a different delay) passing through an additional low-pass filter with a boundary frequency Ωg = 0.025 rad / s . The filtering was responsible for limiting the signal spectrum.

The responses are not satisfactory from the point of view of regulation. The aim of the study was to generate signals to be used in the identification process. It is advisable that the pre-determined signals and the controller pa-

Let us recall that the robot mass and arm length are the unknown parameters denoted as θ = [m1 , m 2 , m 3 , l1 , l 2 , l 3 ] .

The method used for the parameter identification is represented graphically in Figure 1. It is assumed that the measurement data concerning the trajectories of the generalized variables and the necessary input signals are available. The estimate of the input signals, τˆf , is determined basing on the current estimates of the object paraˆ 1,m ˆ 2 ,m ˆ 3 , lˆ1, lˆ2 , lˆ3 ] . These equations have the meters θˆ = [m same structure as eq. (23); yet, the unknown parameters θ , are replaced by the estimates θˆ , the generalized variables are replaced by variables filtered through a low-pass filter, and their derivatives (which are not measured) are replaced by their estimates obtained by using relevant differentiating filters. Let us assume that the boundary frequency of the differentiating filters is: Wg = 0.2 rad/s. The identification requires determining the estimates of the parameters responsible for the quality factor minimization.

T

1 J (θˆ) = ∫ (τˆf − τ f )2dt , T 0

(24)

where τ f is an input signal filtered with a low-pass filter.

The identification procedure is commenced for the following initial values: θˆ = [99.2, 151.7, 49.9, 0.49, 1.01, 0.75].

The final values of the parameters are determined after 24 iterations of the minimization algorithm. The estimates θˆ = [108.462, 150.44, 49.6122, 0.491266, 1.00157, 0.70392] slightly depart from the real values of the parameters, θ = [100, 150, 50, 0.5, 1, 0.7].

6. Identification and measurement noise In this point we will examine how far the elaborated filters eliminate the measurement and quantization noise [5, 6]. We will also examine the influence of the measurement and quantization noise on the result of identificaPomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

171

Nauka

tion process with the use of finite elements differentiation method and elaborated filters.

The signal processing theory comprises activities aimed on selection of substantial information on the examined phenomena and elimination of redundant information. It is commonly known that the measured signals contain components resulting from the disturbances. In our case the quantization noise value is connected directly with the number of bits of the n-bit A/D converter [7, 8].

Using the same identification method and elaborated filters following parameters have been obtained for the noisy signal (n=20) θˆ = [108.827, 150.446, 49.6164, 0.490419, 1.00154, 0.703882], (n=16) θˆ = [112.219, 150.266, 49.8673, 0.480005, 1.0005, 0.701312], (n=14) θˆ = [122.175, 147.789, 52.3693, 0.435243, 0.991148, 0.676069].

Using the finite elements method following parameters have been obtained for the noisy signal (n=20) θˆ = [2.22592×106, –609 462, 313 468, –0.000121342, 0.0149072, 0.000171592].

Comparing the obtained results we can state that the differential filters eliminate the measurement noise in a major degree and the parameters determined in the identification process are close to the actual ones. Traditional differentiation does not ensure noise elimination and the identified parameters differ significantly from the actual ones.

Using the elaborated filters in identification methods we obtain well determined parameters in case of quantization on the level of 16-bit cards.

7. Conclusions In contrast to the conventional output error method, which involves comparing and estimating input signals, the input error method is considerably faster. The identification procedure does not require solving a series of differential equations in each iteration of the algorithm minimizing the quality factor.

It should be noted that the spectrum of the pre-determined signals is limited. In spite of the fact that the robot system is a non-linear system, the following relationship is obtained for the filtered signals: τˆf ≅ τ f , if θˆ = θ . As the slight differences are due to the system non-linearity and quantization errors, the equation can be solved approximately.

Elaborated differential filters have low-pass character.

This feature enables removing of high-frequency components of the signal, for example the noise. Differential filters ensure determining of appropriate derivatives of signal with errors far more less than simple differentiation methods, what plays particularly important role in the identification process. In various calculations which have been performed, proper operation of the method for more complicated mechanical systems and for systems of greater number of identified parameters has been stated.

Bibliography 1. Cedro L., Janecki D., Model parameter identification with nonlinear parameterization applied to a manipulator model, Monographic series of publications – “Com-

172

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

puter science in the age of XXI century”, Radom 2011, ISBN 978-83-7789-006-6, ISBN 978-83-7351-324-2.

Cedro L., Janecki D., Differential filters and the identification of a manipulator using Mathematica software, XXXIV. Seminar ASR ‘2009 Instruments and Control, Ostrava, ISBN 978-80-248-1953-2.

Janecki D., Cedro L., Differential Filters With Application To System Identification, 7th European Conference of Young Research and Science Workers in Transport and Telecommunications TRANSCOM 2007, Żilina, Slovakia, 115.

Kowal J., Fundamentals of control engineering, Vol. II, 2004, UWND, Kraków.

Mocak J., Janiga I.I, Rievaj M., Bustin D., The Use of Fractional Differentiation or Integration for Signal Improvement, “Measurement Science Review”, 2007, Vol. 7, Section 1, No. 5.

Rabiner L.R., Gold B., Theory and Application of Digital Signal Processing, Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, NJ, 1975.

Lyons R.G., An introduction to digital signal processing (in Polish), WKiŁ, Warsaw 1999.

Pintelon R., Schoukens J., Real-Time Integration and Differentiation of Analog Signals by Means of Digital Filtering, “IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement”, Vol. 39, No. 6. December 1990.

Identyfikacja manipulatora z napędem elektrycznym z użyciem filtrów różniczkujących Streszczenie: Artykuł przedstawia przykład identyfikacji parametrów manipulatora o trzech stopniach swobody. W identyfikacji wykorzystano opracowane filtry różniczkujące. Zastosowano metodę identyfikacji, która nie wymaga rozwiązywania układu równań różniczkowych tylko użycia zróżniczkowanych sygnałów. Metoda identyfikacji wykorzystuje model odwrotny oraz sygnały wejściowe i wyjściowe. Wymagany rząd użytych sygnałów zależy od równań różniczkowych opisujących obiekt.

Słowa kluczowe: filtry różniczkujące, identyfikacja

Leszek Cedro, PhD A graduate of the Kielce University of Technology (Faculty of Mechatronics and Machine Building). Received his doctor’s degree in 2007 presenting a thesis on Identification of hydraulic drive systems using differentiating filters. Now employed as an assistant professor at the Centre for Laser Technologies of Metals, which is a joint unit of the Kielce University of Technology and the Polish Academy of Sciences. His research interests include control theory and identification methods. e-mail: lcedro@tu.kielce.pl

Transfer wartości wzorca w pomiarach przepływu gazu ziemnego Orest E. Seredyuk*, Vitalij V. Malisevich*, Zygmunt L. Warsza** *Iwano-Frankowski Narodowy Techniczny Uniwersytet Nafty i Gazu (IFNTUNG), Ukraina **Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP

Abstract: Omówiono podstawy teoretyczne i przedstawiono niekonwencjonalne rozwiązanie transferu, czyli urządzenia do przekazywania wartości miar etalonu krajowego lub wtórnych wzorców odniesienia z państwowego systemu kontroli przyrządów pomiarowych do systemu sprawdzań przyrządów do pomiarów przepływu gazu ziemnego. Uwzględnia on rodzaj medium roboczego i zmiany jego parametrów. Sprawdzono eksperymentalnie działania modelu takiego transferu opartego na zwężce Lavala z zastosowaniem dzwonowego stanowiska kalibracyjnego do wytworzenia roboczej wzorcowej wartości przepływu. Oszacowano niepewności składowe pomiarów przepływu za pomocą transferu.

Słowa kluczowe: pomiary przepływu gazu ziemnego, transfer wartości wzorcowej, stanowisko dzwonowe, niepewność

1. Wprowadzenie Wysoka cena gazu ziemnego spowodowała, że w wielu krajach, a w tym i na Ukrainie prowadzi się prace badawcze i studialne dotyczące oszczędnego wykorzystywania i racjonalnego gospodarowania gazem i energią uzyskiwaną z jego spalania [1].

Zaproponowano szereg rozwiązań organizacyjnych umożliwiających zminimalizowanie zużycia, zmniejszenie strat technologicznych w sieci dystrybucyjnej oraz zracjonalizowanie rozliczenia. Realizacja tych działań wymaga stworzenia jednolitego systemu nadzoru metrologicznego nad pomiarami przepływu i zużycia gazu. W tym celu konieczne jest: – opracowanie metody oraz koncepcji i konstrukcji urządzenia, zwanego dalej transferem, do przekazywania i reprodukcji wartości miary wzorca przepływu dla kalibracji i sprawdzania gazomierzy, – wybór i zakup lub budowa odpowiednich precyzyjnych urządzeń pomiarowych, – opracowanie przepisów i dokumentacji instruktażowej omawiającej kolejne czynności tworzenia i przekazywania wartości tej miary.

Poniżej przedstawiono rozwiązanie i wyniki badań takiego transferu dla systemu sprawdzań gazomierzy, opracowanego i zweryfikowanego eksperymentalnie w Ivano-Frankowskim Narodowym Technicznym Uniwersytecie Nafty i Gazu na Ukrainie [4].

2. Analiza stanu zagadnienia i cel pracy W pracy [1] dokonano analizy stanu obowiązujących na Ukrainie i w Federacji Rosyjskiej ram prawnych dotyczących pomiarów przepływu gazu ziemnego. W przepisach ukraińskich​dotyczących metrologii przepływu gazu i weryfikacji działania krajowego systemu pomiarów gazu naturalnego przyjęte są do stosowania w praktyce rozwiązania po części nie spójne z państwo-

wym systemem sprawdzań narzędzi pomiarowych. Aby uzyskać spójność pomiarów należy ustalić metodykę i urządzenia do przekazywania wartości miary przepływu gazu od etalonu krajowego [2] do systemu sprawdzań przyrządów stosowanych w dystrybucji i rozliczeniach zużycia gazu ziemnego, czyli zapewnić spójność pomiarów (trasabilność miary [17]). Transfery są niezbędne do wzorcowania wyspecjalizowanych stanowisk do kalibracji przyrządów do pomiaru przepływu zużycia gazu ziemnego, czyli gazomierzy i również dla weryfikacji kalibratorów do sprawdzaniu działania gazomierzy w warunkach pracy u użytkownika bez demontażu [9–11]. Powinny też być one przenośne. Jest to zadanie ważne we wszystkich krajach, a w szczególności w tak rozległych przestrzennie jak Ukraina i Federacja Rosyjska.

W konstrukcji stanowisk do sprawdzania i wzorcowania gazomierzy wykorzystuje się urządzenia dzwonowe, przepływomierze wirnikowe, turbinowe, z dyszami krytycznymi i inne. Na przykład, jedno z takich stanowisk, opracowane przez Ogólnorosyjski Instytut Badań Przepływu w Kazaniu, oparte jest na dyszach krytycznych i roboczym wzorcu miary masowego przepływu medium gazowego [5].

Kalibrację i sprawdzanie gazomierzy wykonuje się zwykle przy przepływie powietrza jako medium roboczym. Natomiast dość rzadko w stanowiskach kalibracyjnych wykorzystuje się bezpośrednio przepływ gazu ziemnego jako medium roboczego. Przykładem są tu stanowiska tłokowe [6]. Szczególnie dużo uwagi poświęca się obecnie doskonaleniu metody porównywania wzorców przepływu dla powietrza [7] i gazu ziemnego [8] z przeliczaniem charakterystyki kalibracyjnej wzorca roboczego otrzymanej dla powietrza, na jego charakterystykę dla gazu ziemnego o znanych parametrach. W tym też celu używa się wirnikowych lub turbinowych liczników przepływu i przeliczania wyników badań według procedury “korekta liczby Reynoldsa”. Utrudnieniem w stosowaniu metody jest konieczność indywidualnych przeliczeń dla każdego rodzaju i typoszeregu wymiarów wzorca.

Celem pracy było opracowanie koncepcji oraz wykonanie, uruchomienie i sprawdzenie poprawności działania modelu transferu do przekazywania wartości miary wzorcowej dla pomiarów przepływu gazu ziemnego opartego na przetworniku o zmiennej różnicy ciśnień. Transfer o tej zasadzie nie był opracowany na Ukrainie. Natomiast w NIST (USA) zbudowano stanowiska wzorcowe typu PVTt z pomiarem spadku ciśnienia zwężkami krytycznymi [18–20]. Dodatkowo wymaga się, by transfer ten nadawał się do przenoszenia i do współpracy z dotychczas stosowanymi stanowiskami kalibracyjnymi gazomierzy z pomiarem przepływu powietrza jako medium roboczego.

Do oceny właściwości metrologicznych takiego transferu niezbędne jest też oszacowanie niepewności pomiarów dla określonych warunków jego pracy.

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

173

Nauka

3. Istota metody Cechą charakterystyczną proponowanego rozwiązania transferu do przekazywania wartości miary wzorca przepływu gazu jest jego poprawne działanie dla gazowego medium roboczego o różnych parametrach, w szczególności dla powietrza i gazu ziemnego. Transfer ten ma umożliwić precyzyjne określenie przepływu medium roboczego i prowadzenie porównań z wzorcami pierwotnymi i kontrolnymi. Działanie transferu opiera się na zweryfikowanych teoretycznie i eksperymentalnie modelach matematycznych opisu pomiarów przepływu medium gazowego. Powinien on spełniać wymagania metrologiczne, takie jak: dopuszczalne wartości nieusuwalnego błędu systematycznego (lub niepewności typu B), niestabilności (powtarzalności) wskazań i statystycznej standardowej niepewności typu A wyników pomiaru. Dla uzyskania założeń spełniających wymagania normy międzypaństwowej [12], zbliżonej do normy UE, wybrano do realizacji koncepcję transferu z zastosowaniem przepływomierzy różnicy ciśnień. Zawiera ona wzory do wyznaczania i obliczania błędów składowych pomiaru, które zostaną uwzględnione przy oszacowaniu niepewności transferu.

Transfer, który wykorzystuje pomiar spadku ciśnienia na elemencie spiętrzającym przepływ (zwężka pomiarowa) powinien realizować następujące algorytmy [12]: dla masowego przepływu gazu

(1)

dla objętościowego natężenia przepływu medium w warunkach roboczych qV =

C

0,5 p e d 2KchK d (2 ∆P / r) 1 − b4 4

(2)

dla objętościowego przepływu przeliczonego na znamionowe warunki pomiaru  p 1 TS P 1 1  qC = C e d 2K chK d  2 DP 4 4 rS T PS K 1 - b  

0,5

(3)

gdzie: C – współczynnik wpływu zwężenia przepływu zwężki wzorcowej transferu, ε – współczynnik rozprężenia gazu [12] obliczany jako 1

DP  k  e = 1 - (0,351 + 0,256 b + 0,93 b ) [1 -  1  ] (4)  P  4

8

gdzie: b = d/D – względna średnica otworu wzorcowego urządzenia zwężającego transferu (d i D – odpowiednio średnica otworu zwężki wzorcowej transferu i średnica wewnętrzna przewodu pomiarowego przetwornika różnicy ciśnień przy absolutnej temperaturze gazu T); DP, P – spadek ciśnienia na zwężce transferu i ciśnienie absolutne przed zwężką transferu; TS i PS – odpowiednio temperatura i ciśnienie gazu przyjęte dla standardowych warunków pomiaru (TS = 293,15 K, PS = 101,325 kPa), r i rS - gęstości gazu ziemnego w roboczych i standardowych warunkach pomiaru; k – współczynnik adiabaty gazu; Kch, Kd – współczynniki korekcyjne uwzględniające odpowiednio chropowatość wewnętrznej powierzchni rury pomiarowej i stępienie kra-

174

wędzi otworu wejściowego; K – współczynnik ściśliwości gazu ziemnego.

Wszystkie występujące w (1)–(3) parametry i współczynniki obarczone są niepewnościami wynikającymi z ich największego dopuszczalnego błędu. Największe ich wartości występują dla współczynników C i e [12]. Nawet jeśli zaniedba się niepewność względnej średnicy b otworu zwężki wzorcowej transferu i liczby Reinoldsa Re, to niepewność współczynnika wypływu C dla wartości b od 0,2 do 0,6 zmienia się w zakresie (0,4 ... 0,5). Tak dużych niepewności nie można zaakceptować przy tworzeniu wzorca jednostki przepływu gazu. Dlatego też w celu określenia zakresu zmian wartości występującego w (1)–(3) iloczynu współczynników Ce, nazwanego dalej współczynnikiem wzorcowania Kwz. dokonano jego numerycznej symulacji. W obliczeniach e wykorzystano wzór (4), a dla C – następującą zależność [12]:

(5) gdzie ReD – liczba Reynoldsa dla średnicy D; M1 i M2 – parametry o wartościach:  19000 b  0,8  A=

(6)  Re   D 

M1 =

2L2

1- b

oraz

(7)

dla D < 0,07112 m (8)

M2 = 0 gdy D ³ 0,07112 m

(9)

Przy kątowym sposobie odbioru ciśnienia parametry L1 i L2 są równe zero [12].

Z modelu matematycznego opisanego przez wzory (1)–(5) wynika, że zmiana rodzaju medium roboczego i jego parametrów wpływa na wartość liczby Reynoldsa ReD i na współczynnik adiabaty k. Wychodząc z (2) otrzymuje się

K wz = C e =

4qV 1 - b 4

pd K chK d 2 DP / r 2

= f ( ReD , k , b)

(10)

Współczynnik kalibracji Kwz poddano modelowaniu numerycznemu jako funkcję liczby ReD i k przy założeniu, że średnica rury D > 0,071 m i współczynnik DP/P=0,2. Wyniki pokazano na rys. 1.

Na rys. 1 przedstawiony jest wpływ liczby ReD, adiabatycznego współczynnika k i względnej średnicy b otworu przysłony na wartość współczynnika kalibracji Kwz. Pomimo że te wpływy opisuje ogólnie (10) [12], to wyniki symulacji numerycznej pozwoliły określić zakresy parametrów, w których współczynnik Kwz mało się zmienia. Wykryto, że dla liczby ReD od 105 do 108 najmniejsza zmiana wartości współ-

gdzie: qwz – objętościowe natężenie przepływu w warunkach roboczych transferu, Kk – wynikowy współczynnik poprawkowy wyników pomiaru dla jego pracy przy gazie ziemnym.

а)

4. Stanowisko pomiarowe i wyniki badań transferu

b)

Rys. 1. Wyniki modelowania współczynnika Cε w funkcji liczby Reynoldsa Re; a) dla k2 = 1,43; β1 = 0,1; β2 = 0,5623; β3 = 0,74; b) dla β2 = 0,5623; k1 = 1,2; k2 = 1,43; k3 = 1,66 Fig. 1. Results of the simulation of coefficient Сε as function of Reynolds number Re; a) for k2 = 1,43; β1 = 0,1; β2 = 0,5623; β3 = 0,74; b) for β2 = 0,5623; k1 = 1,2; k2 = 1,43; k3 = 1,66

czynnika Kwz = 0,089%, występuje dla b = 0,1, a największa 2,41% – dla b = 0,74 (rys. 1a). Niemal taki sam wpływ na wartość Kwz ma zmiana adiabatycznego współczynnika k, gdyż w zakresie ReD od 105 do 108 współczynnik Kwz zmienia się o ok. 1,75 % dla całego zakresu zmian k z 1,2 do 1,66 (rys. 1b). Przybliżone podobieństwo postaci krzywych z rys. 1b świadczy o wpływie rodzaju medium roboczego na współczynnik Kwz i o możliwości zbadania tego wpływu by ocenić błędy systematyczne i wprowadzić dla nich poprawki. Wyniki symulacji pokazują również, że zmiany współczynnika Kwz zmniejszają się przy mniejszych wartościach b.

Stosując zależności (4)–(5) jako udoskonalone modele matematyczne w porównaniu z zalecanymi w przepisach RD 50-213-80, zidentyfikowano obszary iloczynu Ce o małych zmianach nieprzekraczających 0,017 % i 0,37 % dla zakresu liczby Reynoldsa ReD od 106 do 108 oraz odpowiednio dla b = 0,1 i b = 0,5623. Wykazano więc, że iloczyn C e º Kwz można stosować do opisu transferu miary wzorca przepływu gazu i wprowadzać poprawki dla wartości współczynnika Kwz uwzględniające wpływ wartości parametrów ReD, b i k. Dzięki temu zwiększy się dokładność wzorca miary przepływu.

Z wyników modelowania współczynnika kalibracji Kwz wynika, że dla transferu jako urządzenia do przekazywania miary wzorca objętościowego natężenia przepływu gazu ziemnego, realizowanego w oparciu o pomiary spadku ciśnienia, powinno się stosować algorytm [13]:

qwz =

π

4

⋅

K wz K k 1 - b4

d2

2DP

ρ

(11)

Dokonano aprobaty, czyli sprawdzenia poprawności działania oraz kalibracji wykonanego prototypu transferu służącego do przeniesienia miary wzorca przepływu gazu. Podczas kalibracji jego współczynnik Kwz wyznacza się eksperymentalnie przy użyciu pomiarowego stanowiska dzwonowego [14], zaś współczynnik Kk oblicza się według metody podanej w [13] na podstawie parametrów pracy transferu dla przepływu gazu ziemnego.

Wygląd zestawu aparatury do realizacji przekazywania wartości wzorcowych przepływu i objętości gazu przedstawia rys. 2, a schemat opisujący jego działanie podano na rys. 3.

Transfer zawiera znormalizowaną zwężkę pomiarową o średniej średnicy otworu d = 56,00 mm. Po obu stronach zwężki zastosowano dwa proste odcinki rur o nominalnej średnicy DN = 100 mm i o długości po 20 DN. Mierzy się ciśnienie i temperaturę przepływającego gazu oraz różnicę ciśnień na zwężce. Do przetwarzania sygnałów służy elektroniczny przelicznik typu OE-22DM (wyprodukowany w Iwano-Frankowsku), do którego podłączone są: przetwornik ciśnienia, różnicy ciśnień i temperatury firmy Fisher Rosemount model 3095 z przetwornikiem temperatury TSP-1288. Do wzorcowa-

Rys. 2. Widok stanowiska pomiarowego do badania transferu wartości wzorcowej dla pomiaru przepływu gazu ziemnego z wykorzystaniem metody ze zwężką o zmiennym spadku ciśnienia. 1 – dzwonowe stanowisko wzorcowe do kalibrowania transferu przy przepływie powietrza, 2 – elektroniczny przelicznik dla gazu ziemnego, 3 – przetwornik ciśnienia i spadku ciśnienia na zwężce pomiarowej, 4 – przetwornik temperatury medium roboczego, 5 – zwężka do pomiaru przepływu, 6 – prostoliniowy odcinek rurociągu przed zwężką Fig. 2. View of the stand for testing the transfer of standard flow value of the natural gas measured by differential pressure nozzle as primary sensor of type LFE (laminar flow element). 1 – bell type standard equipment for calibration transfer in air flow, 2 – electronic converter of data signals for natural gass, 3 – transmitter of pressure and differential pressure on the measuring nozzle, 4 – temperature sensor of working medium, 5 – flow measuring nozzle, 6 – linear part of the pipe before nozzle Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

175

Nauka

gdzie: qV – natężenie objętościowego przepływu powietrza w EP podczas kalibracji za pomocą wzorca roboczego, rP – gęstość powietrza przed zwężką w czasie kalibracji.

Wartość współczynnika Kk przy kalibracji transferu powietrzem przyjmuje się równy 1. Przy wyznaczaniu współczynnika kalibracji Kwz cykl wzorcowania powtarza się dla kilku wartości przepływów zadanych na stanowisku dzwonowym. Na podstawie (12) oblicza się współczynnik kalibracji Kwz jako funkcję liczby Reynoldsa Re posługując się wzorami: (13)

qpE =VPE/t

Rys. 3. Układ wzorcowania transferu wzorca przepływu gazu na stanowisk dzwonowym (objaśnienia w tekście) Fig. 3. Scheme of calibration of the gas flow transfer standard with use the bell stand (explanation in text)

nia transferu jako roboczego wzorca przepływu użyto stanowiska dzwonowego typu RKDU-0,44 (produkcji Iwano-Frankowskiej fabryki Prompribor) [14] z dopuszczalnym względnym błędem granicznym przekazywania miary objętości gazu ±0,16 % w zakresie przepływu (10 ... 1000) m3/h.

Wzorcowe wartości przepływu uzyskuje się przez pomiar zmian w czasie objętości gazu wypływającego z przestrzeni pomiarowej urządzenia dzwonowego. W tym celu wykonuje się kolejno poniższe czynności.

Przy zamkniętym zaworze 15 w przewodzie wylotowym 14, otwiera się zawór 13 w przewodzie wlotowym 12 i ze źródła 11 napełnia się gazem przestrzeń pod dzwonem 6 znajdującym się w zbiorniku pierścieniowym 4 i uszczelnionym cieczą 5. Po dotarciu dzwonu do wymaganego górnego położenia zawór 13 zamyka się i dostarczanie gazu ustaje. Dzwon 6 staje się zawieszony stacjonarnie. Następnie w urządzeniu nastawczym 16 zadaje się wymagane natężenie wypływu gazu i otwiera się zawór 15. Dzwon 6 pod własnym ciężarem zaczyna opadać i wypiera zgromadzony pod nim gaz, który przepływa przez zwężkę transferu 1 zaopatrzoną z obu stron w prostoliniowe odcinki przewodów 2 i 3. Czujnikiem przesunięcia dzwonu 6 jest fotolinijka 8 połączona z nim linką 7. Impulsy z fotodetektora 9 zlicza się elektronicznym przyrządem pomiarowym BS1-1. Kontrolują one wypływającą objętość gazu, zaś chronometr KE (2–1) mierzy czas od początku wypływu. W pamięci elektronicznego przelicznika 10 gromadzi się informację o kolejnych wartościach tych danych oraz o parametrach medium roboczego i parametrach środowiska pracy wzorca roboczego i transferu. Cykl wzorcowania kończy się, gdy dzwon 6 osiągnie najniższą krańcową pozycję i zamyka się zawór 15. Oprzyrządowanie transferu zawiera też przetwornik parametrów jakości medium roboczego Q (5 –1) do wyznaczeniu współczynnika adiabaty (używany dla gazu).

Na podstawie zależności (11) dokonuje się obliczeń współczynnika kalibracji Kwz K wz =

176

qV 1 - β 4

π 2Dp  KK  d 2 ρP  4

(12)

q V = q PE

pPE Twz Z wz

pwz TPE Z PE

(14)

pwz TS Z S

pS Twz Z wz

(15)

rP = rPS ReD =

4 qV rP

(16)

gdzie: VPE, qPE – objętość i przepływ objętościowy powietrza w warunkach pracy wytworzone przez wzorzec roboczy; τ – czas trwania przepływu danej objętości gazu; pPE, TPE, ZPE – odpowiednio ciśnienie absolutne, temperatura i współczynnik ściśliwości powietrza w warunkach pracy wzorca roboczego; pwz, Twz, Zwz – odpowiednio ciśnienie absolutne, temperatura i współczynnik ściśliwości powietrza w warunkach eksploatacyjnych transferu; ρps , ZS – wartości gęstości i współczynnika ściśliwości powietrza w warunkach znamionowych; μP – współczynnik lepkości dynamicznej powietrza w warunkach pracy transferu.

π D mP

Aby podwyższyć dokładność pomiarów przeprowadzano indywidualną kalibrację wieloparametrowego przetwornika dostosowaną do warunków pracy transferu. W tab. 1 przed– stawione są wyliczone średnie wartości parametrów q–Ei, Rei, – Kei dla każdej i-tej wartości przepływu gazu przez transfer przy wielokrotnym powtarzaniu wyznaczania współczynnika kalibracji Kwz oraz wyniki teoretycznych wartości tego współczynnika dla warunków eksperymentu. Błąd względny wyznacza się z ich różnicy

δ Ki =

K �wz i - K wzt i ⋅ 100% K wzt i�

(17)

gdzie: K wz i , K wzt i – średnie wartości współczynnika kalibracji otrzymane doświadczalnie i obliczone teoretycznie na podstawie wyników n pomiarów dla każdego i-tego przepływu – punkty na rys. 4.

Otrzymane wyniki wykazują, że błąd systematyczny

dKi wzrasta wraz z maleniem liczby Re. Wyniki te dotyczą

zakresu stosunkowo małych liczb Re (0,4·105 ... 1,2·105) określonych przez parametry techniczne pracy wzorca roboczego RKDU-0,44, a zwłaszcza przez małe wartości ciśnienia roboczego nieprzekraczające 5 kPa. Jednakże ten zakres liczby Re jest dopuszczalny dla zastosowań pomiarowych przetworników przepływu gazu z wykorzystaniem różnicy ciśnień, ponieważ wg [12] dopuszczalna dla nich wartość Remin = 5000.

Tab. 1. Wyniki wzorcowania i wyznaczone teoretycznie dane transferu wzorca przepływu gazu Tab. 1. Results of calibration and theoretically calculated data of the gas flow standard transfer Nr badanego przepływu

q–Ei m3/h

1

154,01

2

– Rei

– Kwz

– Kwzt i

dKi %

38420

0,6190

0,6113

1,25

197,43

49190

0,6172

0,6097

1,21

3

269,34

67040

0,6135

0,6075

0,99

4

335,98

83480

0,6099

0,6054

0,73

5

401,54

99420

0,6068

0,6034

0,57

6

464,31

114990

0,6041

0,6012

0,47

7

499,29

123790

0,6017

0,5998

0,31

Rozbieżność między wynikami teoretycznymi i eksperymentalnie wyznaczonym współczynnikiem kalibracji dla zmian liczby Re z 38 420 do 123 790 przebiega w przedziale od 1,25 % do 0,31 %. Brak przecięcia się krzywych na rys. 4 wskazuje na obecność systematycznego błędu metody między obliczoną, a doświadczalnie ustaloną wartością współczynnika Kwz. Natomiast zmniejszanie się błędu wraz z rosnącą liczbą Re wskazuje na prawidłowe podejście do określania współczynnika kalibracji transferu. Błąd systematyczny można zredukować przez indywidualną kalibrację. Wówczas zwiększy się dokładność wzorca w pomiarach objętości i przepływu objętościowego gazu oraz przy realizacji transferu przepływu. Na przykład krajowy etalon Ukrainy realizuje odwzorowanie i pomiary powietrza o parametrach w zakresie odpowiadającym warunkom eksploatacyjnym z nieusuwalnym błędem systematycznym 5·10-4 i ze standardową niepewnością typu A równą 1·10-3 [2]. Można więc na drodze eksperymentalnej wyznaczyć iloczyn Ce (czyli współczynnik wzorcowania transferu) bardziej precyzyjnie niż z niepewnością 0,5 % wynikającą z obliczeń wg (4) i (5).

Po szeregowym podłączeniu omówionego transferu wzorca przepływu do innych typów urządzeń do pomiaru przepływu i objętości medium gazowego, w tym liczników turbinowych i rotorowych, realizuje się przeniesienie do nich wartości objętości i przepływu od wzorca państwowego lub wzorca wtórnego. Ponadto, połączenie szeregowe dwóch takich transferów umożliwia realizację procedury ich porównania.

K WZ 0,630 0,620 0,610 0,600 0,590 35

5. Parametry metrologiczne transferu Przy tworzeniu modelu metrologicznego należy uwzględnić dokładność wszystkich składników zależności (11) opisującej działanie transferu w rzeczywistych warunkach pracy podczas pomiarów. Podczas obliczania całkowitej niepewności pomiaru przepływu gazu naturalnego za pomocą transferu wyznacza się stopień oddziaływania każdego z parametrów przez pochodne cząstkowe i zakłada się brak korelacji między nimi, tj.: 2

u(q ) =

gdzie:

2

2

 ∂q   ∂q   ∂q   ∂K ⋅ u(K wz ) +  ∂K ⋅ u(K k ) +  ∂d ⋅ uB (d ) + wz k 2

2

 ∂q   ∂q   ∂q  + ⋅ u (D) +  ⋅ u (Dp) +  ⋅ u(ρ)  ∂D B   ∂Dp B   ∂ρ 

∂q , ∂K wz

∂q , ∂K k

∂q , ∂d

∂q , ∂D

2

∂q , ∂Dp

(18) ∂q ∂ρ

– współczynniki wpływu do obliczenia odpowiednio niepewności parametrów Kwz, Kk, d, D, Δp, r, uKwz, uKk, uB(d ), uB(D ), uB(Dp ), u( r) – standardowe niepewności wyznaczenia współczynników Kwz, Kk pomiaru parametrów d, D, Δp oraz obliczenia gęstości gazu naturalnego ρ.

Do oszacowania niepewności transferu stosuje się następujące oszacowania wartości parametrów geometrycznych eksperymentalnie wykonanego transferu i wartości wielkości wejściowych w warunkach jego pracy na gazie ziemnym: – – – = 0,705 kg/m3; d = 43 mm; D = 100 mm; Dp–max = 2,5 kPa; r S – p = 380 kPa; T = 278 K. Najpierw ocenia się liczbowe wartości wszystkich niepewności składowych występujących w (18). Wykorzystując wyniki badań z [15] i metodę wyznaczania współczynnika kalibracji Kwz za pomocą wzorca realizowanego przez stanowisko dzwonowe, przyjmuje się wartość niepewności u(Kwz) = 1,310 10-3. Obliczania wartości Kwz = Ce dokonuje się przez wyznaczenie z zależności (4) i (5) wartości współczynników C = f (ReD , β ) , ε = f [β, k ,(p2 / p1 )] . Uwzględniając, że iloczyn Ce dla transferu wyznacza się doświadczalnie [13], zaś wartości liczby Re charakteryzują przepływy powietrza na stanowisku wzorcowym o znanej wartości współczynnika b (określonej przez geometryczne wymiary transferu), można doświadczalnie otrzymać aproksymowane zależności Kvp = C e = f ( ReD ) dla danej wartości wskaźnika adiabaty k i powietrza jako środowiska pracy. Rzeczywistą wartość współczynnika kalibracji transferu dla przepływu gazu ziemnego uzyskuje się wykorzystując eksperymentalnie uzyskaną wartość dla powietrza i koryguje się je następująco:

K wzg = K wz ⋅ K k

(19)

gdzie: Kwzg – rzeczywista wartość współczynnika Kwz dla pracy przy gazie ziemnym.

55

75

95

115 Re*103

Rys. 4. Charakterystyka wzorcowania transferu wartości wzorca przepływu gazu –•– dane eksperymentalne, –o– dane wyznaczone teoretycznie Fig. 4. Calibration function of the transfer of the gas flow rate standard –•– experimental data, –o– theoretical data

Współczynnik korekcyjny Kk uwzględnia wpływ rodzaju środowiska pracy dla rzeczywistych wartości wskaźnika adiabaty i stosunku ciśnień Δp/p oraz e wg (4).

Uwzględniając nieliniowość przy aproksymacji zależności K wz = f ( ReD ) oraz brak takiej zależności dla obliczenia współczynnika korekcyjnego Kk, przy szacowaniu niepewności u(Kk), wyznacza się minimalne i maksymalne wartoPomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

177

Nauka

ści Kwz, które mogą wystąpić podczas pracy transferu. Korzystając z wyników symulacji iloczynu Ce można ograniczyć zmiany wskaźnika adiabaty do zakresu 1,3–1,43 (obejmuje on wartości dla powietrza i gazu ziemnego przy ciśnieniu do 0,5 MPa i temperaturze 283 ±10 K), jak również zakres liczb 106–108 dla strefy akceptowanej stabilności czynnika C. Dlatego też występujące w rzeczywistości wartości współczynnika Kwz znajdują się w przedziale 0,5667–0,5692 odpowiadającym zakresowi zmian współczynnika korygującego Kk. Wartości krańcowe oblicza się jako: K k min =

K wz min K = 0,99779 , K k max = wz max = 1,00220 K wz K wz

Zakłada się też, że wartość tego współczynnika w zakresie jego zmian ma rozkład równomierny. Wówczas standardową niepewność pomiaru u(Kk) wyznacza się jako typu B:

(20)

Według [4] wynik pomiaru średnicy otworu przetwornika pomiarowego (zwężki lub kryzy) nie powinien różnić się od średniej o więcej niż ±0,05 %, a wynik pomiaru średnicy wewnętrznej rury przepływomierza o zmiennym spadku ciśnienia – nie więcej niż ±0,3 %. Dlatego też, niepewności standardowe uB(d), uB(D) dla pomiarów średnicy otworu zwężki d = 43 mm i średnicy wewnętrznej rury D = 100 mm można wyznaczyć metodą typu B dla trójkątnego rozkładu wartości, powszechnie stosowanego dla pomiaru liniowych wymiarów obiektów cylindrycznych:

2 ⋅ 0,05 ⋅ d = 8,8 ⋅ 10-6 m 100 24

uB (D) =

2 ⋅ 0,3 ⋅ D = 1,22 ⋅ 10-4 m 100 24

uB (Dp) =

2 ⋅ δ ( Dp ) ⋅ Dpmax = 0,833 Pa 100 36

(22)

Całkowita niepewność u(r) pomiaru gęstości gazu w warunkach pracy określa się na podstawie pomiarów pośrednich przy braku korelacji między wartościami parametrów użytych do obliczania gęstości gazu. ρ = ρS

p TS ⋅ pS T ⋅ K

(23)

Całkowita niepewność w warunkach pracy na stanowisku u(r) = 2,212 × 10-3 kg/m3 [15].

Występujące w (18) współczynniki wpływu dla każdego z parametrów oblicza się z (11) jako pochodne cząstkowe. Otrzymane zależności i ich oszacowania liczbowe podano w tab. 2.

Dla wybranych wartości parametrów podanych w tabeli 2, obliczona z (11) wartość przepływu gazu w warunkach roboczych q = 0,0353 m3/s (127,08 m3/h)

Tab. 2. Niepewności parametrów transferu i ich współczynniki wpływu Tab. 2. Uncertainties of standard transfer parameters and their influence coefficients Parametry

Niepewności parametru

K wz = 0,56795

u(Kwz) = 1,310 10-3

K k = 0,99999

u(Kk) = 1,2704·10-3

d = 43 mm

uB(d ) = 8,8·10-6 m

D = 100 mm

uB(D ) = 1,22·10-4 m

π K Kd D D 4  2Dp ∂q =2,469·10-2 m2/s 1- 4 = ⋅ wz k  D - d 4  ρ ∂D 2 D4 - d 4 

D p =2,5 kPа

uB(Dp ) = 0,833 Pa

∂q p K K d 2D 2 1 = ⋅ wz k ⋅ = 7,016 ⋅ 10-6 m4·s/kg ∂ Dp 4 2 rDp D4 - d 4

ρ = 2,827 kg/m3

u( r) = 2,212·10-3

178

(21)

Szacunkowa wartość niepewności uB(Δp) dla pomiaru różnicy ciśnień na transferze z zastosowaniem miernika ciśnienia o klasie dokładności 0,1 (d(Δp) = ±0,1 %) i zakresie pomiarowym 2,5 kPa będzie:

gdzie K wz – średnia wartość z zakresu obliczonych wartości współczynnika Cε.

K - K k min u(K k) = k max = 1,2704 ⋅ 10-3 12

uB (d ) =

Współczynniki wpływu 2 2 2 Dp ∂q π Eˆˆd D = ⋅ e ⋅ = 6,199 ⋅ 10-2 m3/s; 4 D4 - d 4 ∂K wz r

∂q p K wzd 2D 2 2 Dp = ⋅ ⋅ = 3,508 ⋅ 10-2 m3/s; ∂K k 4 D4 - d 4 r ∂q p K wzK kdD = ∂d 2 D4 - d 4

2

 d 4  2Dp = 1,689 m2/s  1 + D 4 - d 4  r

2

2

∂q p K K d D2 Dp = - ⋅ wz k ⋅ = 6,203 ⋅ 10-3 m6/(s·kg) 4 2 r3 ∂r D4 - d 4

(24)

Po podstawieniu do (18) obliczonych niepewności standardowych i odpowiadających im wartości współczynników wpływu z tab. 2 otrzymuje się wartość standardowej niepewności pomiaru przepływu gazu ziemnego u (q) = 9449 × 10-5 m3/s

a względna standardowa niepewność całkowita

δ u (q ) =

u (q ) ⋅ 100 = ±0,267 %. q

(24)

Rozszerzoną niepewność pomiaru q za pomocą transferu oblicza się dla przyjętego poziomu ufności, np. P = 0,95 mnożąc wynik (25) przez współczynnik rozszerzenia k0 = 2, tj.

U r (q ) = k0δ u (q ) = ±0,53 % .

(25)

6. Wnioski Opracowano metodę przekazywania wartości miary wzorca przepływu gazu ziemnego. Można ją stosować przy zmianach zarówno parametrów roboczych badanego gazu, jak i jego rodzaju. Dodatkową jej zaletą jest możliwość zapewnienia spójności pomiarów przy przejściu z objętościowego do masowego przepływu gazu z pominięciem wytycznych [16].

Proponowana koncepcja pozwala udoskonalić znane procedury, jak również rozwiązać zadanie techniczne realizacji nowej struktury systemu sprawdzań przyrządów do pomiaru natężenia przepływu objętości i masy gazu ziemnego, który można utworzyć przy zastosowaniu jednego państwowego lub pierwotnego wzorca przepływu objętości gazu.

Opracowano urządzenie – transfer do przekazywania wartości wzorca przepływu gazu ziemnego z zastosowaniem przepływomierzy o zmiennym spadku ciśnienia i przetestowano jego działanie. Dzięki temu możliwe jest stworzenie nowego typu standardowego wyposażenia pomiarowego (transfery i wzorce robocze) dla systemu sprawdzań gazomierzy wraz z uwzględnieniem optymalnego ich projektowania.

Na podstawie badań modelu tego transferu dokonano też aprobaty jego funkcjonowania. Pozytywne wyniki badań uzasadniły wystąpienie o przyznanie patentu Ukrainy [13].

Przedstawiona koncepcja budowy transferów wartości wzorca przepływu w oparciu o śledzenie ich charakterystyk metrologicznych spełnia też wymagania przepisów krajów SNP, w tym standardu Ukrainy [2].

Koncepcja ta może również znaleźć praktyczne zastosowanie w badaniach związanych z budową jednolitego europejskiego wzorca metra sześciennego gazu ziemnego [8].

Dokonano oszacowania niepewności pomiaru przepływu gazu z wykorzystaniem zaproponowanego transferu. Wykazano, że rozszerzona niepewność przepływu gazu ziemnego nie powinna przekroczyć ±0,53 %. Jest to w pełni do zaakceptowania dla tego typu wzorcowych urządzeń pomiarowych.

Ogromnymi zaletami prezentowanego transferu w stosunku do podobnych przyrządów pomiarowych będzie wysoka niezawodność ze względu na brak części ruchomych w przetworniku pomiarowym, przenośność, a także możliwość bezpośredniego pozyskiwania miary objętościowego przepływu powietrza od etalonu państwowego lub wzorca kontrolne-

go i możliwość pracy zarówno z powietrzem, jak i z gazem ziemnym jako medium roboczym.

Publikacja ta, poza zapoznaniem Czytelnika z oryginalnym ukraińskim opracowaniem transferu wzorca przepływu gazu, może być pomocna w doskonaleniu systemu nadzoru metrologicznego systemu sprawdzań gazomierzy w Polsce [3] oraz w jego porównaniach międzynarodowych w ramach Unii Europejskiej i z innymi krajami ościennymi.

Bibliografia 1. Pіstun E.P., Chehovsky S.A., Seredyuk O.E., Goncharuk M.І., Naukowe podstawy stworzenia prawnej i technicznej bazy kontroli racjonalnego wykorzystania gazu ziemnego [Наукові основи створення нормативної та технічної бази контролю раціонального використання природного газу]. „Наука та інновації” 2005. Т.1, № 1, 150-166 (w języku ukraińskim).

2. Метрологія. Державна повірочна схема для засобів вимірювання об’єму та об’ємної витрати газу, (Ukraińska norma państwowa schematu sprawdzania objętości i przepływu gazu) ДСТУ 3383: 2007.– (obowiązuje od 2007.07.01), Держспоживстандарт України, 2007.

– ІІІ, 9 с.

3. PN-EN ISO 5167, Pomiary strumienia płynu za pomocą zwężek pomiarowych wbudowanych w całkowicie wypełnione rurociągi o przekroju kołowym. Części 1 do 4 : 2005.

4. ДСТУ ГОСТ 8.586.2:2009(ISO 5167-2:2003, NEQ). Метрологія. Вимірювання витрати та кількості рідини й газу із застосуванням стандартних звужувальних пристроїв. Частина 2. Діафрагми. Технічні вимоги. – (obowiązuje od 2010.04.01). Держспоживстандарт України, 2011. – ІV, 43 с.

5. Gerasimov A.P., Iwanow V., Krasavin V.M. et all, The Area of Application of Laval Nozzles in Flow-Rate Measurement Technique. [Zakres zastosowania dysz Lavala w technice pomiarów przepływu] „Measurement Techniques” (Springer), 2005 Vol. 48, No 4, 381–387. Translated from: Izmieritel’naja Tekhnika 2005, № 4, 48–52.

6. Kolpak B.D., Kruk O.P., Seredyuk O.E. et all, Metrological certification of a piston flowmeter for natural gas flows/ Metrologiczna certyfikacja tłokowego stanowiska do pomiarów przepływu gazu ziemnego/. Measurement Techniques, 1995, vol. 38, no. 11, 1249–1253. Translated from “Izmieritel’naja Tekhnika”, 1995. № 11. 28 -30.

7. Petryshyn І.S., Seredyuk O.E.: Технічне забезпечення звіряння еталонів об’єму та витрати газу, Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. 2001. № 1. 49-51 (w języku ukraińskim).

8. Dopheide D., Mickan B., Kramer R. et all, The International World Reference Value for High Pressure Natural Gas Flow. Metrologіya ta vimіryuvalna tehnіka (Metrologіya 2006: Prace naukowe V Międzynarodowej Konferencji naukowo-technicznej Tom 1. Charków, 2006. Іnstitut Metrologії, 15-25.

9. Seredyuk O., Vitvitskiy L., Vinnichuk A., Warsza Z., Metoda wyznaczenia parametrów metrologicznych gazomierza domowego, „Gaz Woda i Technika Sanitarna”, 9/2011, 7–10.

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

179

Nauka

10. Seredyuk O., Vynnychuk A., Vitvitskiy L., Warsza Z., Budowa, analiza i ocena niepewności pomiarów zestawu kalibracyjnego do sprawdzania gazomierzy u użytkownika. „Pomiary Automatyka Kontrola”, 2012, №1 (vol. 58), 9–14.

11. Seredyuk O., Vynnychuk A., Vitvitskiy L., Warsza Z., Wyznaczanie parametrów metrologicznych gazomierza domowego bez jego demontażu, „Polski Instalator” 11/2011, 44–51.

12. Norma GSOEI. Pomiar natężenia przepływu i objętości cieczy i gazów za pomocą wzorcowych urządzeń zwężających. Część 2. Membrany. Techniczne wymagania (ISO 5167-2:2003): Standard 8.586.2 – 2005 r. [wprowadzony 01.01.2008]. M.: Standartinform, 2007. – IV, 38. (Interstate Standard).

13. Seredyuk O.E., Crook І.S., Rudko V.P. et all, Pat. nr 25 208 U Ukraina, IPC (2006) G01F25/00. Wzorzec przekazywania jednostki objętości masy i zużycia gazu ziemnego [Еталон передавання одиниці об’єму, маси та витрати природного газу] № u 2007 04218; zgłoszenie 16,04.07, wyd. 25.07.07, Bull. No 11.

14. Brodin I.S., Seredyuk O.E.: Improved functional algorithm and design for Bell-type flowmeters. [Poprawa algorytmu pracy i konstrukcji dzwonowego stanowiska do pomiarów przepływu] Measurement Techniques (Springer), 1989, vol. 32, no 5, 437–440 Translated from „Izmieritel’naja Technika” 1989. № 5. 24–26 15. Seredyuk O.E., Аналіз невизначеності вимірювань при передаванні одиниці витрати природного газу / О.Є. Середюк, Л.А. Витвицька // Методи та прилади контролю якості. – 2006. № 17. 58–62.

16. Norma GSOEI. Podstawowy standard państwowy i schemat sprawdzań za pomocą pomiaru przepływu masowego gazu w zakresie od 4 ‧ 2/10 ... 2,5 ‧ 102 kg/ GOST 8.369–79. – [Wprowadzony 01.01.1981]. Moskwa: Изд-во стандартов (Wydawnictwo Norm), 1980.

17. Piotrowski J., Kostyrko K., Wzorcowanie aparatury pomiarowej, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2002.

18. Wright J.D., What is the “best” transfer standard for gas flow? [www.cstl.nist.gov].

19. Wright J.D., Laboratory Primary Standards in Flow Measurement. Practical Guides for Measurement and Control. 2nd edition, Spitzer D.W. (ed.), The Instrumentation, Systems and Automation Society, Research Triangle Park, North Carolina, 2001, 731–760.

20. Wright J.D., Johnson A.N., Moldover M.R., Design and Uncertainty Analysis for a PVTt Gas Flow Standard, NIST J. of Res., 2003.

Transfer of standard values for measurement of natural gas rate Abstract: The methodological study and technical solution for creation the transmission of standard values of the natural gas consumption using variable differential pressure flow meters were proposed and justified. The possibility of transferring of the standard gas flow rate values for natural gas consumption measurements taken from the State standard (etalon) or from the second level reference standards in the State verification system with taking

180

to consideration changes of gas parameters and type of working medium (air or natural gas) were conducted. The experimental verification of the designed transfer unit model based on Laval type nozzle and the bell calibration stand to create the working standard was held. Uncertainty and its components for measurement of the natural gas flow by this transfer are estimated.

Keywords: standard of gas flow, natural gas, transfer, bell type calibration stand, uncertainty

Prof. dr hab. inż. Orest E. Seredyuk Uzyskał stopień kandydata nauk technicznych w 1990 r. i doktora nauk technicznych (habilitacja) w 2009 roku, profesor Katedry „Metody i narzędzia kontroli jakości i certyfikacji produktów” w Iwano-Frankowskim Narodowym Uniwersytecie Technicznym Nafty i Gazu (IFNTUNG), Ukraina.

Tematyka naukowa: opracowanie i badania urządzeń kalibracyjnych do pomiaru przepływu i objętości powietrza i gazu ziemnego oraz metrologiczne właściwości liczników i przepływomierzy gazu ziemnego. Autor ponad 150 publikacji naukowych, w tym 30 patentów i 2 przewodników. e-mail: feivt@nung.edu.ua mgr inż. Vitalij V. Malisevich Inżynier fizyk o specjalności „Przyrządy i systemy badań nieniszczących” w 2008 r. ukończył studia i zdobył dyplom specjalisty (inżyniera) w Ivano-Frankowskim Narodowym Uniwersytecie Technicznym Nafty i Gazu (IFTUNG) na Ukrainie. Aspirant na studiach doktoranckich w Katedrze „Metody i przyrządy kontroli jakości i certyfikacji produkcji” tej uczelni.

Kierunek badań naukowych: przyrządy do diagnostyki i kontroli stanu technicznego liczników i mierników przepływu gazu, badania metrologiczne gazomierzy. Autor 15 publikacji naukowych. e-mail: feivt@nung.edu.ua doc. dr inż. Zygmunt L. Warsza Ukończył Miernictwo Elektryczne na Politechnice Warszawskiej 1959, doktorat 1967, docent 1970. Praca: Instytut Elektrotechniki 1958–63 (i 1994–95), Politechnika Warszawska 1960–70; zorganizował i prowadził: Wydział Transportu Politechniki Świętokrzyskiej (dziekan 1970–76), Ośrodek Aparatury Pomiarowej IMGW 1978–82, Zakład Automatyzacji i Techniki Pomiarowej Instytutu Chemii Przemysłowej 1983–91. Doradca Ministra Edukacji Narodowej 1992–94. W latach 1983–92 i 1994–2002 wykładał na Politechnice Radomskiej metrologię i diagnostykę techniczną.

Obecnie: w Przemysłowym Instytucie Automatyki i Pomiarów PIAP. Specjalista z kilku dziedzin pomiarowych. Autor ok. 170 publikacji, 2 monografii, wielu prac badawczych, konstrukcyjnych i patentów, promotor 2 doktorantów. e-mail: zlw@op.pl

Magnetowizja słabych pól magnetycznych w systemach zapewnienia bezpieczeństwa publicznego Michał Nowicki*, Roman Szewczyk** *Instytut Metrologii i Inżynierii Biomedycznej, Politechnika Warszawska **Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP

Streszczenie: W artykule przedstawiono zastosowanie pomiaru magnetowizyjnego do pasywnego wykrywania obiektów niebezpiecznych. Zbudowano układ pomiarowy do badania rozkładu wektorów indukcji pola magnetycznego. Przeprowadzono pomiary zaburzeń pola ziemskiego powodowanego przez przedmioty ferromagnetyczne. Wykazano możliwość wykrycia wybranych obiektów niebezpiecznych i określenia ich położenia.

Słowa kluczowe: magnetowizja, czujniki magnetorezystancyjne, obrazowanie magnetyczne

1. Wprowadzenie Magnetowizja polega na pomiarze rozkładu wartości indukcji pola magnetycznego w określonej płaszczyźnie lub w przestrzeni i przedstawieniu go za pomocą obrazu 2D (dla płaszczyzny) lub 3D (dla przestrzeni). Nazwa pochodzi od analogii z termowizją, ponieważ kolor w obrazie magnetowizyjnym odpowiada wartości indukcji pola magnetycznego lub wartości natężenia pola magnetycznego w danym punkcie. Istnieje również możliwość uzyskania obrazu monochromatycznego, w postaci izolinii. Najprostszym urządzeniem do obrazowania jest dwuwymiarowy układ skanujący XY, przemieszczający po meandrującej ścieżce w określonym, zazwyczaj prostokątnym obszarze, czujnik hallotronowy lub magnetorezystancyjny [4].

Możliwe jest również zbudowanie (metodami typowymi dla produkcji układów scalonych) układu dwuwymiarowego z czujnikami rozmieszczonymi w określonej liczbie rzędów i kolumn, na wzór matrycy CCD. Układ taki nie musi być ruchomy, ma jednak określony na stałe, ograniczony obszar pomiarowy [7].

Najodpowiedniejszymi czujnikami na potrzeby magnetowizji są cienkowarstwowe czujniki magnetorezystancyjne.

Charakteryzują się one zarówno wysoką czułością, jak i niewielkimi wymiarami – typowo 1 mm × 1 mm [3]. Rozdzielczość uzyskiwanych obrazów zależy bezpośrednio od liczby wyznaczonych punktów pomiarowych. W przypadku układu XY z pojedynczym czujnikiem decydującym ograniczeniem wpływającym na czas pomiaru jest liczba linii, wzdłuż których porusza się czujnik. Możliwe jest uzyskanie obrazu „telewizyjnego”, tj. sygnału ciągłego (lub znacznej liczby punktów pomiarowych) wzdłuż ograniczonej liczby linii skanowania.

Dotychczasowe badania nad magnetowizją skupiały się na możliwości pomiaru naprężeń w materiałach ferromagne-

tycznych, w odniesieniu do magnetosprężystego efektu Villariego [5]. Przez pomiar natężenia pól magnetycznych przy powierzchni obciążanych próbek uzyskiwano dobrą korelację uzyskanych obrazów magnetowizyjnych z rozkładem naprężeń wewnątrz badanych elementów. Pozwoliło to na nieniszczące badania procesów zmęczeniowych w warunkach cyklicznego obciążenia w zakresie wysokiej częstotliwości.

W przypadku wykorzystania efektu Villariego nie stosowano zewnętrznych źródeł pola magnetycznego [6].

Następnym obiecującym zastosowaniem magnetowizji są badania nieniszczące materiałów ferromagnetycznych, w szczególności stali. W takim przypadku rozkład natężenia pola magnetycznego może być wykorzystany do badania właściwości materiału. Uzyskiwano dobrą korelację między rozkładem ziaren w próbce a obrazem magnetowizyjnym tuż przy jej powierzchni [8]. Istnieje również możliwość wykonania mapy domen magnetycznych i współczynnika strat mocy oraz wykrycia zakłóceń struktury krystalicznej, mikropęknięć i naprężeń powstałych przy obróbce. Najważniejszą zaletą magnetowizji jest możliwość badania elementów (również pokrytych powłokami) w trakcie produkcji, bez specjalistycznych przygotowań próbek do badań niszczących. Pozwala to na szybkie wykrycie elementów o niepożądanych właściwościach.

W artykule przedstawiono próbę zastosowania pomiaru magnetowizyjnego do opracowania metody pasywnego wykrywania metalowych obiektów niebezpiecznych. Uzyskanie obrazów magnetowizyjnych nieznanych obiektów z większej odległości i o większej powierzchni wymagało opracowania nowych metod pomiaru i przetwarzania wyników.

Zastosowanie pasywnego systemu magnetowizyjnego jest o tyle istotne, że aktywne systemy wykrywaczy metalu mogą sprowokować reakcję specjalnie do tego celu konstruowanych zapalników – szczególnie w przypadku nowszych generacji min lądowych, reagujących na obecność aktywnych wykrywaczy, co stanowi bezpośrednie zagrożenie dla sapera [1, 2].

2. Metodyka i przedmiot badań W celu wykonania badań został zbudowany i przetestowany układ skanujący XY z pojedynczym, trójosiowym czujnikiem magnetorezystancyjnym Honeywell HMR2300, przedstawiony schematycznie na rys. 1.

W układzie tym dokonano pomiaru rozkładu wektorów indukcji pola magnetycznego w płaszczyźnie pomiarowej oraz rozkład ten przetworzono na obraz magnetowizyjny.

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

181

Nauka

Zastosowanie czujnika trójosiowego umożliwiło uzyskanie obrazów indukcji pola magnetycznego w układzie trzech osi XYZ, dzięki czemu uzyskano informację o wartości indukcji pola magnetycznego i jej kierunku w odniesieniu do każdego punktu pomiarowego. Pomimo że indukcja pola magnetycznego jest wielkością wektorową, to jednak w dotychczasowych systemach magnetowizyjnych było to pomijane.

Podczas pomiarów nie stosowano dodatkowych pól magnesujących, a mierzono jedynie zaburzenia tła, tj. głównie naturalnego ziemskiego pola magnetycznego. Układ skanujący przemieszczał czujnik wzdłuż równoległych linii o zadanym odstępie, wyznaczając płaszczyznę pomiarową. Do badań przyjęto obszar 200 mm × 200 mm, na którym poprowadzono 11 równoległych linii pomiarowych. Na każdej linii znajdowało się 100 punktów pomiarowych. Parametry te dobrano w zależności od pożądanej rozdzielczości i czasu pomiaru. Uzyskane wyniki przeliczano w programie MATLAB, przyporządkowując je do poszczególnych linii pomiarowych. Następnie interpolowano wyniki uzyskanej macierzy 100 × 10 do 100 × 100 punktów, co pozwalało na uzyskanie wyraźnego obrazu.

P1 – na wysokości x nad badanym obiektem oraz P2 – na wysokości x + h, gdzie: x – znana w przybliżeniu odległość między obiektem a płaszczyzną pomiarową 1, h – znana odległość między płaszczyzną pomiarową P1 a płaszczyzną pomiarową P2.

Rozkład linii indukcji pola magnetycznego w pobliżu obiektu ferromagnetycznego umieszczonego w ziemskim polu magnetycznym jest zbliżony do rozkładu pola magnesu sztabkowego. W szczególności, indukcja pola magnetycznego magnesu może być opisywana jako pole dipola magnetycznego scharakteryzowanego przez magnetyczny mo ment dipolowy m . Indukcja pola magnetycznego na osi magnesu, w próżni, w odległości x od jego środka jest wyrażona zależnością:

B=

przy czym:

m – magnetyczny moment dipolowy, m0 = 12,5664 ⋅ 10−7 C =

Rys. 1. Schemat układu pomiarowego: 1 – czujnik magnetorezystancyjny HMR 2300, 2 – obiekt badany, 3, 4 – silniki krokowe, 5, 6 – sterowniki silników, 7 – generator trajektorii MI 3.8.9, 8 – zasilacz, 9 – komputer PC Fig. 1. Diagram of the measuring system: 1 – magnetoresistive sensor HMR 2300, 2 – object studied, 3, 4 – stepper motors, 5, 6 – motor controllers, 7 – MI 3.8.9 trajectory generator, 8 – power supply, 9 – PC computer

Ponieważ czujnik magnetorezystancyjny mierzy jedynie wartość trzech składowych wektora indukcji magnetycznej w punkcie, w którym się fizycznie znajduje, pojawia się problem oddzielenia od tła zakłócenia generowanego przez interesujący nas obiekt. Najprostszym rozwiązaniem w warunkach laboratoryjnych jest pomiar różnicowy poprzez wykonanie pomiaru bez badanego obiektu i odjęcie od niego wyniku pomiaru z obiektem. Metoda ta daje najlepsze wyniki, umożliwiając precyzyjne rozdzielenie rozkładu indukcji magnetycznej tła i obiektu, co pozwala na uzyskanie niskiego poziomu szumu w obrazie magnetowizyjnym.

Zastosowanie tej metody jest możliwe tylko w określonych warunkach, tj. możliwości wykonania pomiarów z obiektem i bez w tej samej płaszczyźnie. Z tego względu opracowano metodę pomiaru różnicowego minimalizującą wpływ tła na wynik pomiaru, a w tym zarówno ziemskiego pola magnetycznego jak i innych, lecz oddalonych, jego źródeł.

W najprostszej formie pomiar różnicowy polega na wykonaniu pomiaru w dwu płaszczyznach:

182

m0 1 m =C 3 3 2 px x

m0 m 2p

(1)

V ⋅s – przenikalność magnetyczna próżni, A ⋅m

– stała zastępcza indukcji.

Ponieważ wartość indukcji magnetycznej zmniejsza się proporcjonalnie do sześcianu odległości od źródła, to jeśli h ≈ x, zakłócenie B1 wywołane przez obiekt w pierwszej płaszczyźnie pomiarowej będzie do ośmiu razy większe niż

B2 w drugiej płaszczyźnie.

Jeśli natomiast inne źródła pola magnetycznego znajdują się w odległości y >> x od pierwszej płaszczyzny pomiarowej, to ich wpływ BT na wartość indukcji magnetycznej w płaszczyznach P1 i P2 będzie podobny. A więc:

Przy założeniu:

To:

BP 1 = B1 + BT 1

(2)

BP 2 = B2 + BT 2

(3)

BT 1 ≅ BT 2

B1 > B2

BP 1 − BP 2 ≈ B1

(4)

przy czym:

B P 1 – wynik pomiaru w płaszczyźnie P1, B P 2 – wynik pomiaru w płaszczyźnie P2.

BT 1, BT 2 – wartości indukcji pola magnetycznego tła w płaszczyźnie P1, P2.

Można więc uzyskać zgrubny obraz magnetowizyjny próbki znajdującej się w niewielkiej odległości poprzez odjęcie wyniku pomiaru w płaszczyźnie 2 od wyniku w płaszczyźnie 1. Pomiar różnicowy dwupłaszczyznowy podaje wartość bezwzględną różnicy wartości indukcji pola magnetycznego między płaszczyznami pomiarowymi.

Podobną metodą skompensowania wpływu tła na wynik pomiaru jest pomiar gradientowy, stosowany w astrofizyce i geologii (np. w gradiometrach grawitacyjnych). W ogól-

Rys. 2. Rozkład wektorów indukcji magnetycznej wzdłuż linii pomiarowych, obiekt 1 Fig. 2. Distribution of magnetic induction vectors along the measurement lines, object 1

Rys. 3. Obraz obiektu 2 – walca stalowego, pomiar pojedynczy, bez odejmowania tła Fig. 3. Image of the object 2 – steel cylinder, single measurement, without background subtraction

Rys. 4. Obraz obiektu 2 – walca stalowego, pomiar różnicowy dwupłaszczyznowy. Wpływ tła zminimalizowany Fig. 4. Image of the object 2 – steel cylinder, biplane differential measurement. Influence of the background is minimized

Rys. 5. Pomiar różnicowy dwu-płaszczyznowy obiektu 2 (walec stalowy). Obiekt obracany o kąt: a – 0°, b – 90°, c – 180°, d – 270° względem pola ziemskiego Fig. 5. Biplane differential measurement of object 2 (steel cylinder). Object rotated by an angle: a – 0°, b – 90°, c – 180°, d – 270° relative to the Earth’s field Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

183

Nauka

ności polega on na pomiarze wartości natężenia pola magnetycznego w różnych płaszczyznach i na tej podstawie wyznaczeniu gradientu pola. Zastosowanie tej metody daje również dobre wyniki. Pozwalają one odróżnić obszary dodatniego i ujemnego zaburzenia magnetycznego względem pola ziemskiego.

3. Wyniki badań Pomiary zrealizowano na stanowisku opisanym w punkcie 2. Do badań użyto następujących próbek ferromagnetycznych: – Obiekt 1 – walec stalowy o średnicy 80 mm i wysokości 20 mm, – Obiekt 2 – walec stalowy o średnicy 71 mm i wysokości 35 mm, – Obiekt 1 – nóż stalowy składany o długości 120 mm (złożony).

Przyjęto odległość między płaszczyznami pomiarowymi h = 50 mm.

Na rys. 2 przedstawiono obraz trójwymiarowego rozkładu wektorów indukcji pola magnetycznego w punktach pomiarowych dla obiektu 1. Wartości absolutne uzyskano poprzez pomiar różnicowy w jednej płaszczyźnie z pominięciem tła. Odległość obiektu od płaszczyzny pomiarowej wynosiła x = 50 mm.

Na rys. 3 podano obraz magnetowizyjny uzyskany przez jednorazowy pomiar w odległości 20 mm od obiektu 2. Dla tak małych odległości wpływ tła staje się pomijalny. Należy podkreślić, że położenie próbki jest wyraźnie widoczne, co może być wykorzystane w systemach bezpieczeństwa.

Na rys. 4 przedstawiono obraz magnetowizyjny uzyskany przez pomiar różnicowy dwupłaszczyznowy w odległości 20 mm od obiektu 2. Wyraźnie widać zminimalizowanie wpływu tła na wynik pomiaru.

Na rys. 5 podano wynik pomiaru różnicowego w dwu płaszczyznach obiektu 2 w różnych położeniach kątowych względem płaszczyzny pomiarowej. Obiekt obracany był wokół osi prostopadłej do płaszczyzny pomiarowej, co pozwalało na zobrazowanie wpływu położenia próbki względem ziemskiego pola magnetycznego na uzyskany obraz.

Rys. 6. Pomiar gradientowy obiektu 1, bez usuwania wpływu tła Fig. 6. Gradient measurement of the object 1, without removing the influence of the background field

184

Rys. 7. Pomiar różnicowy dwu-płaszczyznowy wartości wektora indukcji magnetycznej, obiekt 1; a) wartość wypadkowa wektora indukcji magnetycznej B, b) składowa Bx, c) składowa By, d) składowa Bz Fig. 7. Biplane differential measurement of magnetic induction vector, object 1; a) the value of the resultant magnetic induction vector B, b) Bx component, c) By component, d) Bz component

Na rys. 6 przedstawiono wynik pomiaru gradientowego z pominięciem wpływu tła. Należy podkreślić, że widoczna jest wyraźna różnica między obszarami dodatniego i ujemnego zaburzenia magnetycznego.

Na rys. 7 przedstawiono obraz pomiaru różnicowego dwupłaszczyznowego obiektu 1 (rys. 6a), oraz obrazy poszczególnych składowych wektora indukcji magnetycznej (Bx – 6b, By – 6c, Bz – 6d). Wyniki wskazują jednoznacznie, że na obrazie magnetowizyjnym najłatwiej rozpoznać położenie próbki na płaszczyźnie (x,y) dla obrazu wartości wypadko wej indukcji pola magnetycznego B (rys. 6a) oraz składowej B z (rys.6d), prostopadłej do płaszczyzny pomiarowej.

Na rys. 8 zaprezentowano porównanie wyników zastosowania metody różnicowej dwupłaszczyznowej (rys. 7a) i gradientowej (rys. 7b) do ustalenia położenia obiektu 1 względem płaszczyzny pomiarowej (Odległość pomiaru 50 mm). Położenie rzeczywiste próbki pokazano na rysunku 7c. Obie metody pozwalają na znaczne zmniejszenie wpływu tła na wynik pomiaru, oraz ustalenie położenia próbki.

Na rys. 9 przedstawiono wyniki zastosowania opracowanej metody pomiarowej. Próbką poddaną badaniu był obiekt 3 – stalowy nóż składany. Odległość pierwszej płaszczyzny pomiarowej od obiektu wynosiła 50 mm. Zastosowano pomiar różnicowy dwupłaszczyznowy – rys. 8a, pomiar gradientowy bez usuwania wpływu tła – rys. 8b.

Zdjęcie rzeczywistego położenia próbki na siatce referencyjnej przedstawiono na rys. 8c. Uzyskano odczyty zaburzeń rzędu 12 µT wartości bezwzględnej (rys. 8a) oraz ±12 µT względem tła dla pomiaru gradientu (rys. 8b).

Na podstawie otrzymanych wyników można określić położenie i rozmiar obiektu.

4. Podsumowanie W przedstawionej pracy opracowano stanowisko do badań magnetowizyjnych rozkładu wektorów indukcji magnetycznej w płaszczyźnie. Opracowano także nową metodykę pomiaru, pozwalającą na zmniejszenie wpływu tła magnetycznego i efektywną wizualizację wyników. Opracowane metody wizualizacji pozwalają uzyskać obraz wartości wektora indukcji magnetycznej, jej gradientu lub wartości i kierunku wektora indukcji magnetycznej w poszczególnych punktach pomiarowych.

Uzyskano wyniki, które wskazują, że istnieje możliwość określenia położenia i rozróżnienia obiektów niebezpiecznych. Otwiera to drogę do wykorzystania magnetowizji w systemach zapewnienia bezpieczeństwa publicznego, w szczególności przy wykrywaniu obiektów niebezpiecznych z użyciem robotów policyjnych i saperskich. System tego typu może też znaleźć zastosowanie w badaniach nieniszczących, wykrywaniu wad strukturalnych wewnątrz elementów.

Podziękowania

Rys. 8. Pomiar położenia obiektu 1; a) pomiar różnicowy dwupłaszczyznowy, b) pomiar gradientowy, c) zdjęcie położenia rzeczywistego Fig. 8. Measurement of the object 1 position; a) biplane differential measurement, b) gradient measurement. c) a photograph of the actual position

Praca współfinansowana ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju w ramach projektu O ROB0015 1/ID15/1.

Bibliografia 1. Guelle D., Smith A., Lewis A., Bloodworth T., Metal detector handbook for humanitarian demining, Office for Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

185

Nauka

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

Official Publications of the European Communities, 2003.

Billings S.D., Pasion C., Walker S., Beran L., Magnetic Models of Unexploded Ordnance, “IEEE Transactions On Geoscience And Remote Sensing”, 44 (2006) 2115.

Tumański S., Cienkowarstwowe czujniki magnetorezystancyjne, Oficyna Wydawnicza Politechniki.

Tumański S., Magnetovision in AccessScience, McGrawHill Companies, 2000, [www.accessscience.com].

Kaleta J., Zebracki J., Application of the Villari effect in a fatigue examination of nickel, “Fatigue Fracture Eng. Mater. Struc.”, 19:1435–1443, 1996.

Mohd Ali B.B., Moses A.J., A grain detection system for grain-oriented electrical steels, “IEEE Trans. Magnetism”, 25:4421–4426, 1989.

Pfützner H., Computer mapping of grain structure in coated silicon iron, “J. Magnetism Magnet. Mater.”, 19:27–30, 1980.

Tumanski S., Stabrowski M., The magnetovision method as a tool to investigate the quality of electrical steel, “Meas. Sci. Technol.”, 9:488–495, 1998.

Magnetovision of weak magnetic fields in public security systems Abstract: Paper presents an application of magnetovision for passive detection of dangerous objects. Measurement system was constructed to study the magnetic field vector distributions.

The measurements of the Earth’s field disturbances caused by ferromagnetic objects were conducted. The ability to detect selected dangerous objects and determine their location was demonstrated.

Keywords: magnetovision, magnetoresistive sensors, magnetic imaging

mgr inż. Michał Nowicki Od lutego 2012 r. doktorant w Instytucie Metrologii i Inżynierii Biomedycznej Politechniki Warszawskiej. W pracy naukowej zajmuje się badaniami rozkładu pól magnetycznych. e-mail: m.nowicki@mchtr.pw.edu.pl

prof. nzw. dr hab. inż. Roman Szewczyk

Rys. 9. Pomiar położenia przedmiotu niebezpiecznego; a) pomiar różnicowy dwupłaszczyznowy, b) pomiar gradientowy bez oddzielenia wpływu tła, c) zdjęcie położenia rzeczywistego Fig. 9. Measurement of the dangerous object position; a) Biplane differential measurement, b) gradient measurement without background separation, c) a photograph of the actual position

186

Od 2000 r. pracownik Przemysłowego Instytutu Automatyki i Pomiarów oraz Instytutu Metrologii i Inżynierii Biomedycznej Politechniki Warszawskiej.

Zaangażowany w prace związane z modelowaniem zjawisk magnetomechanicznych, opracowaniem sensorów mechatronicznych, miernictwem elektrycznym oraz prognozowaniem rozwoju technologii (technological foresight). e-mail: rszewczyk@piap.pl

Niekonwencjonalne metody analizy błędów pomiaru różnicy temperatury czujnikami platynowymi Tadeusz Goszczyński Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP Streszczenie: W artykule przedstawiono metody wyznaczania błędu pomiaru różnicy temperatury dla par czujników platynowych. Szczególnie dotyczy to ciepłomierzy składanych, w których taka para jest poddawana procesowi legalizacji. Przedstawione sposoby analizy, chociaż same nie są dopuszczone przez odpowiednie normy, mogą być zastosowane jako pomocnicze. Takie zastosowanie tych metod w procesie legalizacji ciepłomierzy może znacznie skrócić czas wykonywania tej procedury i zmniejszyć jej koszt.

Słowa kluczowe: pary platynowych czujników temperatury, błąd maksymalny, niepewność, metoda Monte Carlo

1. Wprowadzenie Ciepłomierze są przyrządami służącymi do rozliczeń finansowych między dostawcami ciepła i jego odbiorcami. W związku z tym powinny być poddawane legalizacji na specjalnych stanowiskach spełniających wymagania normy [1]. Ciepłomierze składane zawierają trzy elementy: parę czujników temperatury, wodomierz oraz przelicznik – każdy z nich jest legalizowany oddzielnie.

W artykule przedstawiono metodę obliczania błędu pomiaru różnicy temperatury wody zasilania i powrotu przez parę czujników temperatury. Ponieważ charakterystyka czujnika platynowego jest określona równaniem drugiego stopnia, w każdym punkcie charakterystyki dla wartości obydwu jej parametrów zmienianych ze skokiem 0,1 °C wylicza się dwie wartości temperatury i ich różnicę, którą porównuje się z wartością różnicy wyliczonej dla parametrów czujników zgodnych z normą. Następnie wyznacza się błąd maksymalny z wszystkich obliczonych w ten sposób, w pełnym znamionowym zakresie pomiarowym legalizowanego ciepłomierza.

Metoda obliczeniowa przedstawiona w artykule pozwala na zmniejszenie liczby punktów obliczeniowych przez określenie położenia obszarów, w których może występować poszukiwany błąd maksymalny. Natomiast zastosowanie metody Monte Carlo umożliwia symulowanie charakterystyk dla różnych wartości parametrów czujników. Podstawowy cel jej zastosowania to utworzenie reprezentatywnego zestawu próbek możliwych wartości wyjściowych i zbadanie ich rozkładu częstotliwości. Dla dużej liczby próbek ten rozkład częstotliwości umożliwia przedstawienie w postaci liczbowej funkcji rozkładu prawdopodobieństwa dla wartości wyjściowych.

Zestaw próbek możliwych wartości wyjściowych uzyskuje się przez zastosowanie modelu dla sposobu ich pomiaru do próbek możliwych wartości wejściowych. W przypadku platynowych czujników temperatury badanie ich charakterystyk jest symulowane przez wytwarzanie próbek możliwych wartości współczynników ich charakterystyki temperaturowej.

2. Charakterystyka Obydwa czujniki każdej pary w procesie legalizacji są zanurzane w łaźniach termostatycznych i mierzone są ich rezystancje w trzech różnych punktach charakterystyki temperaturowej, zgodnie z wymaganiami normy [1]. Pozwala to na obliczenie parametrów charakterystyki każdego czujnika, co następnie umożliwia obliczenie charakterystyki pomiaru różnicy temperatury w funkcji dwóch zmiennych: temperatury wody zasilania i temperatury wody powrotu. Postępując zgodnie z wymaganiami normy należy następnie wyznaczyć maksymalny błąd tej charakterystyki w odniesieniu do charakterystyki wzorcowej wyznaczonej na podstawie parametrów platynowych czujników temperatury określonych w normie.

3. Analiza błędu W wymaganych normą [1] obliczeniach należy dla trzech różnych wartości temperatury wody w łaźni pomierzyć rezystancję każdego czujnika, a następnie podstawić te wartości do standardowego równania czujnika platynowego budując układ trzech równań z trzema niewiadomymi R0x, Ax i Bx i wyznaczyć je dla każdego czujnika.

Następnie w każdym badanym punkcie charakterystyki temperatury wody: na zasilaniu t1 i na powrocie t2 obliczyć wartości rezystancji badanych czujników pary: czujnika 1 i czujnika 2.

Rt 1 = R01 (1 + A1t1 + B1t12 ) (1)

Rt 2 = R02 (1 + A2t2 + B2t22 )

(2)

Przelicznik ciepłomierza w trakcie pracy mierzy tylko te rezystancje czujników i na ich podstawie stosując wartości stałych równania zgodnych z normą [2]: R0, A i B oblicza wartości temperatury.

Aby obliczyć błąd pary wynikający z różnicy parametrów rzeczywistych czujników i parametrów określonych w normie należy podstawić obliczone wartości do równań z parametrami wg normy: Rt 1 = R0 (1 + At1M + Bt1M 2 ) (3)

Rt 2 = R0 (1 + At2M + Bt2M 2 )

(4)

i obliczyć, jak to wykonywane jest w przeliczniku ciepłomierza, jego pierwiastki: t1M i t2M. Wtedy błąd względny może być obliczony z równania:

gdzie: ∆t = t1 − t2

et =

(t1M − t 2M ) − ∆t

∆t

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

(5)

187

Nauka

Ponieważ obliczenia pierwiastków równań muszą być wykonywane dla każdego egzemplarza ciepłomierza w kilku milionach punktów charakterystyki ciepłomierza dla dwu zmiennych t1 i t2, ten sposób jest bardzo czasochłonny i kłopotliwy dla producenta ciepłomierzy.

4. Inne metody wykonywania obliczeń Obliczenia błędu można znacznie uprościć, gdy wykonuje się je w odniesieniu do błędu liczonego dla rezystancyjnych charakterystyk czujników platynowych [3].

Wtedy różnica rezystancji obliczona dla badanych czujników wynosi: ∆rsp = R01 (1 + A1t1 + B1t12 ) − R02 (1 + A2t 2 + B2t 22 ) (6)

a różnica rezystancji obliczona dla czujnika idealnego o parametrach zgodnych z normą: ∆rst = R0 (1 + At1 + Bt12 ) − R0 (1 + At2 + Bt 22 )

(7)

i błąd względny: er =

∆rsp − ∆rst ∆rst

(8)

gdzie Er to maksymalny dopuszczalny błąd względny według normy: E MPE = ±(0,5 +

3 ∆t min ) ∆t

(14)

3 ∆rmin ) ∆rst

(15)

a dla rezystancji można określić: E rMPE = ±(0,5 +

gdzie: Drmin= 0,385Dtmin po podstawieniu tych wartości uzyskuje się: err =

2w1 + 2w 2t + 2w 3 ∆t + 2w 4t 2 + 4w 5t ∆t + 2w 5 ∆t 2 (16) 6∆rmin + R0 (1 + At1 + Bt12 ) − R0 (1 + At 2 + Bt 22 )

5. Określenie miejsc położenia największych błędów Jak widać na wykresach przedstawionych na rys. 1 i 2 charakterystyki błędu mają charakter rowu lub garbu, zależnie od wartości parametrów czujników temperatury wyższej i niższej ciepłomierza. Mają one jednak cha-

W tym przypadku nie trzeba obliczać pierwiastków równań kwadratowych. Sposób taki nie jest jednak dopuszczony do stosowania przy legalizacji ciepłomierzy, ze względu na niewielkie różnice w wartości błędu liczonego tą metodą i metodą opisaną powyżej dla błędu dla temperatury.

Metoda przedstawiona w artykule polega na wykorzystaniu wzorów dotyczących błędu pomiaru ciepłomierza dla rezystancji czujników do określenia przestrzeni w polu charakterystyki temperaturowej ciepłomierza, w której mogą wystąpić największe wartości błędu.

W tym celu oblicza się: ∆rsp − ∆rst = (R01 − R02 ) + (R01A1 − R02A2 )t + (R01A1 − R0A)∆t + (R01B1 − R02B2 )t 2 + (R01B1 − R0B )2t ∆t + (R01B1 − R0B )∆t 2 (9)

gdzie:

∆t = t1 − t2 i t = t2

Rys. 1. Charakterystyka błędu pomiaru różnicy temperatury dla Δt = const Fig. 1. Temperature difference error characteristic for Δt = const

(10)

Dla uproszczenia wzoru zaproponowano zmienne w1, w 2 , w 3 , w 4 , w 5 R01 − R02 = w1 ; R01A1 − R02A2 = w 2 ; R01A1 − R0A = w 3 ; R01B1 − R02B2 = w 4 ; R01B1 − R0B = w 5

(11)

i nową formę wzoru: ∆rsp − ∆rst = w1 + w 2t + w 3 ∆t + w 4t 2 + 2w 5t ∆t + w 5 ∆t 2 (12) oraz wzór na największy błąd względny:

188

err =

er

E rMPE

(13)

Rys. 2. Charakterystyka błędu pomiaru różnicy temperatury dla t2 = const Fig. 2. Temperature difference error characteristic for t2 = const

rakter jednostajnie rosnący lub opadający do nieskończoności, a więc nie mają określonego punktu ekstremum błędu w funkcji temperatury powrotu i różnicy temperatury. Aby to jednak wykazać dla wybranych parametrów tej funkcji błędu należy sprawdzić, czy funkcja błędu względem temperatury powrotu przy różnicy temperatury t1 – t2 = const ma ekstremum oraz czy funkcja błędu względem różnicy temperatury ma ekstremum dla t2 = const. W równaniu (16) określono zależność wartości stosunku błędu względnego pary czujników do maksymalnego błędu dopuszczalnego określonego w normie [1] od dwu zmiennych. Te zmienne to temperatura powrotu t2 i różnica temperatury Δt. W pracy [4] przedstawiono sposób wyznaczania punktów ekstremum dla tej funkcji. Należy w tym celu względem każdej z tych dwu zmiennych kolejno wyznaczyć wzór na pochodną i przyrównać jej wartość do zera.

Po wyznaczeniu pochodnej dla temperatury t2 należy więc dla każdej wybranej wartości Δt obliczyć wartości t2, dla której występują ekstrema funkcji. Na przykład dla linii ograniczającej największe wartości Δt na 100 °C, po podstawieniu tej wartości do wzoru na pochodną, uzyskamy (jeśli delta będzie dodatnia) dwie wartości t2 dla dwóch punktów ekstremum funkcji. Jeżeli ekstremum istnieje, to należy sprawdzić czy występuje ono na odcinku linii w polu pomiarowym, czy poza nim. Jeżeli poza nim, to błąd maksymalny ciepłomierza na tej linii znajduje się na jej przecięciu z linią ograniczającą pole pomiarowe.

Wtedy wartość w punkcie przecięcia się linii ograniczających pole pomiarowe należy obliczyć. Dlatego należy zbadać wszystkie punkty przecięć linii ograniczających zakres pomiarowy jako potencjalne miejsca maksymalnego błędu. Podobnie należy postąpić dla pochodnej funkcji błędu względem różnicy temperatury, by obliczyć wartości Δt w punktach ekstremum błędu na liniach ograniczających wartość temperatury powrotu t2.

6. Obliczenie ekstremum funkcji W celu określenia położenia ekstremum należy wyznaczyć pochodną względem temperatury:

err ,(t ) =

6∆rmin

4w 4t + 2(w 2 + 2w 5 ∆t ) − + R0A∆t + R0B ∆t 2 + 2R0B ∆tt

2R0B ∆t(2w 4t 2 + 2(w 2 + 2w 5 ∆t )t + 2(w1 + w 3 ∆t + w 5 ∆t 2 )) (6∆rmin + R0A∆t + R0B ∆t 2 + 2R0B ∆tt )2

(17)

Następnie przyrównać ją do zera i obliczyć pierwiastki równania: t =

gdzie:

−4w 4 (6∆rmin + R0A∆t + R0B ∆t 2 ) ± del 1

8w 4R0B ∆t

(18)

del 1 = 16w 42 (6∆rmin + R0A∆t + R0B ∆t 2 )2 −

16w 4R0B ∆t ((2w 2 + 4w 5 ∆t )(6∆rmin + R0A∆t + R0B ∆t 2 ) − 4R0B ∆t (w1 + w 3 ∆t + w 5 ∆t 2 ))

(19)

Pochodna względem różnicy temperatury: err ,( ∆t ) =

4w 5 ∆t + 2(w 3 + 2w 5t ) − 6∆rmin + R0A∆t + R0B ∆t 2 + 2R0B ∆tt

(2w 5 ∆t 2 + 2(w 3 + 2w 5t )∆t + 2(w1 + w 2t + w 4t 2 )(R0A + 2R0Bt + 2R0B ∆t ) (6∆rmin + R0A∆t + R0B ∆t 2 + 2R0B ∆tt )2

(20)

i pierwiastki równania:

gdzie:

∆t =

−4w 5 6∆rmin + 4R0B(w1 + w 2t + w 4t 2 ) ± del 2

2(2w 5 (R0A + 2R0Bt ) − 2R0B(w 3 + 2w 5t ))

del 2 = (4w 5 6∆rmin − 4R0B(w1 + w 2t + w 4t 2 ))2 − 4(2w 5 (R0A + 2R0Bt ) − 2R0B(w 3 + 2w 5t ))(2(w 3 + 2w 5t )6∆rmin − 2(w1 + w 2t + w 4t 2 )(R0A + 2R0Bt ))

(21)

(22)

Te równania mogą być następnie wykorzystane do wyznaczenia położenia punktów ekstremum na poziomych liniach ograniczających wartości różnicy temperatury wg równania (18) i pionowych wg równania (21), ograniczających wartość temperatury t2 oraz na linii skośnej wyznaczonej wg normy [1] dla: ∆t = t max − t

(23)

Podstawiając (23) do (16) uzyskujemy: errs =

2(w 4 − w 5 )∆t 2 + 2(−w 2 + w 3 − 2w 4t max + 2w 5t max )∆t + 2(w1 + w 2t max + w 4t max ) −R0B ∆t 2 + (R0A + 2R0Bt max )∆t + 6∆rmin (24)

pochodna: errs ,( ∆t ) =

4w 5 ∆t + 2(w 3 + 2w 5t ) − 6∆rmin + R0A∆t + R0B ∆t 2 + 2R0B ∆tt

(2w 5 ∆t 2 + 2(w 3 + 2w 5t )∆t + 2(w1 + w 2t + w 4t 2 )(R0A + 2R0Bt + 2R0B ∆t )

(6∆rmin + R0A∆t + R0B ∆t 2 + 2R0B ∆tt )2

(25)

a punkty ekstremum są: ∆t =

−2w 4 6∆rmin + 2w 5 6∆rmin − 4R0B(w1 + w 2t max + w 4t max ) ± del 3 2((w 4 − w 5 )(R0A + 2R0Bt max ) + 2R0B(−w 2 + w 3 − 2w 4t max + 2w 5t max )

(26)

gdzie: del 3 = (2w 4 6∆rmin − 2w 5 6∆rmin + 4R0B(w1 + w 2t max + w 4t max ))2 − 4((w 4 − w 5 )(R0A + 2R0Bt max ) +

2R0B(−w 2 + w 3 − 2w 4t max + 2w 5t max )) ⋅ 12∆rmin (−w 2 + w 3 − 2w 4t max + 2w 5t max ) − 2(w1 + w 2t max + w 4t max )(R0A + 2R0Bt max ))

(27) Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

189

Nauka

Korzystając z powyższych wzorów wyprowadzonych dla charakterystyk rezystancyjnych czujników, można w prosty sposób wyznaczyć przybliżone miejsca położenia maksymalnych błędów dla charakterystyki temperaturowej czujników tworzących parę. Natomiast aby spełnić wymagania normy [1] należy następnie obliczyć błędy pomiaru różnicy temperatury dla kolejnych punktów charakterystyki temperaturowej każdego czujnika tworzącego parę z odstępem 0,1 °C w pobliżu wyznaczonych miejsc ekstremum charakterystyk rezystancyjnych.

W praktyce wystarcza obliczenie błędów w kilkunastu punktach zamiast w kilku milionach punktów. Pozostaje natomiast do rozwiązania problem udowodnienia, że ekstremum błędu nie występuje w zakresie pomiarowym temperatury ciepłomierza. Dotąd bazujemy w tej dziedzinie na przytoczonych wykresach. W dalszej części artykułu zostanie przedstawiona metoda, która może być pomocna w rozwiązaniu tego zagadnienia metodami statystycznymi.

Tab. 1. Niepewności związane z pomiarem różnicy temperatury Tab. 1. Measurement uncertainties for temperature difference in baths Opis

t2 t3

t12   R0   t22   R0A   t32   R0B 

120 °C

1,73 mK

1,73 mK

1,39 mK

P, u

TS

Stabilność łaźni

1,15 mK

1,15 mK

0,92 mK

P, u

TRS

Norma – wymagania

4,30 mK

4,30 mK

6,90 mK

N, c

THC

Przewodnictwo cieplne

1,44 mK

1,44 mK

1,15 mK

P, c

RT

Napięcia generowane termicznie

0,23 mW

0.23 mW

0,37 mW

P, u

REM

Pomiary elektryczne

0,56 mW

0,56 mW

0,92 mW

N, c

PDF – Funkcja rozkładu prawdopodobieństwa: P – prostokątna, N – normalna, u – nieskorelowana, c – skorelowana

(28)

są zastępowane przez zestaw próbek możliwych wartości (t1, t2, t3) dla temperatury i (r1, r2, r3) dla rezystancji. Możliwe wartości temperatury są uzyskiwane przez zsumowanie odpowiedniej wartości wskazanej i wartości uzyskanych z funkcji rozkładu prawdopodobieństwa dla jednorodności i stabilności łaźni, czujnika wzorcowego temperatury i przewodnictwa ciepła: odpowiednio oznaczonych: THo, TS, TRS , THC, i pomnożonych przez odpowiednie powiązane niepewności podane w tab. 1. Analogicznie uzyskuje się wartości dla możliwych wartości rezystancji. Równanie pomiaru dla czujnika wody zasilania przedstawione jest jako:

t i ,in = ti ,in + u HO,i rR,HO,i ,in + uS,i rR,S,i ,in + u HC,i rG,RS ri ,in = ri ,in + u T,i rR,T,i ,in + u EM,i rG,EM (29)

190

70 °C

Jednorodność łaźni

W pracy [5] autorzy przedstawili porównanie wyników niepewności pomiaru różnicy temperatury liczonych metodą analityczną oraz stosując metodę Monte Carlo. W tej metodzie proces kalibracji pary czujników jest symulowany biorąc jednocześnie pod uwagę niepewności dla temperatury w łaźni kalibracyjnej i pomiarów elektrycznych – rezystancji czujników.

Oznacza to, że wartości temperatury i rezystancji równania t1

20 °C

PDF

THo

7. Badanie niepewności pomiaru różnicy temperatury metodą Monte Carlo

 R1   1  R  = 1  2   R   1 3 

Temperatura w łaźni

gdzie i Î[1, 3] oznacza temperaturę kalibracji a ‘in’ oznacza „na zasilaniu”. Odczyty temperatury i rezystancji oznaczone są jako ti,in i ri,in.

Pozostałe indeksy są opisane w tab. 1, na przykład uHo to niepewność spowodowana jednorodnością temperaturową łaźni a r R,Ho,i,in to próbka dla prostokątnego rozkładu prawdopodobieństwa. Korelacja, wskazana jako ‘c’ jest realizowana przez branie tej samej próbki z odpowiedniego rozkładu prawdopodobieństwa. Każdy taki zestaw możliwych wartości temperatury i rezystancji jest wtedy użyty do obliczenia zestawu możliwych wartości współczynników czujników platynowych uzyskanych przez odwrócenie macierzy obydwu czujników. Te zestawy wartości są następnie użyte do symulowania możliwych wartości rezystancji obliczonej na podstawie rezystancji (mierzonej przez przelicznik), także tu z uwzględnieniem wszystkich koniecznych niepewności. Następnie są one przeliczane na wartości temperatury z zastosowaniem standardowych współczynników z normy [2] oraz uwzględnieniem niepewności związanych z pomiarami elektrycznymi.

Różnica temperatury każdej takiej symulowanej pary dla wskazanych wartości temperatury dwu czujników jest przedstawiana zgodnie z jej rozkładem częstotliwości jako wykres, który przy dużej liczbie próbek asymptotycznie dąży do charakterystyki funkcji dystrybucji prawdopodobieństwa dla różnicy temperatury. Autorzy uzyskali wyniki niepewności zbliżone do obliczonych metodą analityczną dla liczności próbek M = 104. Stosując odpowiednie metody statystyczne można następnie wyznaczyć wartości oczekiwane, które dobrze oddają wartość różnicy temperatury oraz standardowych odchyleń, które dobrze oddają nie+ u HC,i rR,HC pewność związaną z tymi wartościami. Moż na tą metodą także obliczyć położenie i szerokość wymaganego przedziału rozszerzenia, przy czym dokument [6] zaleca stosowanie liczności próbek M = 106.

8. Podsumowanie Przedstawione sposoby obliczania błędów i niepewności pomiarów różnicy temperatury, szczególnie w zastosowaniu do ciepłomierzy pozwalają na znaczne skrócenie czasu wykonywania obliczeń w procesie ich legalizacji co ma duże znaczenie przy seryjnej produkcji. Przedstawiono też zalety metody Monte Carlo do sprawdzania poprawności wyników rozwiązań analitycznych problemów fizycznych, szczególnie tam gdzie istnieje konieczność stosowania pewnych aproksymacji funkcji. Metoda ta pozwala na symulowanie równoczesnego wzorcowania obydwu czujników połączonych w parę i przeznaczonych do pomiaru różnicy temperatury.

W dalszych pracach planowane jest zastosowanie metody Monte Carlo do analizy położenia punktów charakterystyki dla maksymalnych błędów pomiaru różnicy temperatury w zastosowaniu do ciepłomierzy.

Bibliografia 1. European Standard BS EN 1434-5:2007 Heat meters. Initial verification tests. 31.05.2007, London, United Kingdom.

2. European Standard BS EN 60751 Industrial platinum resistance thermometer sensors. 15.03.1996, London, United Kingdom.

3. Korytkowski J., Goszczyński T., Jachczyk E., Komputerowy system pomiarowy do badania dokładności par czujników temperatury, „Pomiary Automatyka Robotyka”, 10/1997, 17–19.

4. Goszczynski T., Error Determination for Heat Meter Validation., “Heat Transfer Engineering”, Vol. 31, 1/2010, 83–89.

5. Tegeler E., Heyer D. Siebert B., Uncertainty of the calibration of paired temperature sensors for heat meters, Tempmeko 2007 Conf. [www.tempmeko2007.org].

6. Evaluation of measurement data – Suplement 1 to the „Guide to the expression of uncertainty in measurement” – Propagation of distributions using a Monte Carlo method, BIPM JCGM 101:2008.

Unconventional methods of measurement errors analysis for pairs of platinum temperature sensors Abstract: Methods of measurement errors analysis for pairs of platinum temperature sensors are presented. The methods are especially actual for heat meters with a pair of temperature sensors which must be separately validated. Presented methods are not allowed for validation purposes but can be helpful in shortening procedures of validation.

Keywords: pairs of platinum temperature sensors, maximum error value, measurement uncertainty, Monte Carlo Method

mgr inż. Tadeusz Goszczyński Absolwent Wydziału Elektrycznego Politechniki Warszawskiej.

Od 1971 r. pracuje w Przemysłowym Instytucie Automatyki i Pomiarów PIAP. Autor ponad 30 publikacji w czasopismach technicznych i jednego podręcznika. Główny wykonawca trzech projektów celowych dotyczących zautomatyzowanych stanowisk pomiarowych. Autor 15 patentów, laureat Zespołowej Nagrody Państwowej II st. oraz Mistrza Techniki – Warszawa 2002, NOT. e-mail: tgoszczynski@piap.pl

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

191

Nauka

Emisja zaburzeń przewodzonych zasilaczy impulsowych Krzysztof Trzcinka Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP

Streszczenie: Artykuł prezentuje wyniki pomiarów emisji zaburzeń przewodzonych w obwodzie zasilania prototypu specjalizowanego zasilacza impulsowego przeznaczonego do ładowania baterii akumulatorów. Na początku artykułu opisano stanowisko i układ pomiarowy wraz z aparaturą. W dalszej części podane są wyniki pomiarów, po czym opisano sposób redukcji poziomu emitowanych zaburzeń na przyłączu zasilania do poziomu akceptowalnego przez normę [2].

Słowa kluczowe: kompatybilność elektromagnetyczna EMC, emisja zaburzeń przewodzonych, zasilacz impulsowy, ładowarka akumulatorów

1. Wprowadzenie Przed wprowadzeniem urządzenia elektrycznego bądź elektronicznego do sprzedaży na obszarze Unii Europejskiej należy spełnić wymagania odpowiednich dyrektyw, jedną z nich jest Dyrektywa EMC 2004/108/WE dotycząca Kompatybilności Elektromagnetycznej. Potwierdzeniem spełnienia Dyrektywy EMC 2004/108/WE jest zgodność urządzenia z wymaganiami norm zharmonizowanych z tą dyrektywą. Urządzenie spełniające wymagania norm zharmonizowanych z Dyrektywą EMC jest rządzeniem kompatybilnym elektromagnetycznie, co oznacza, że urządzenie to nie jest wrażliwe na zaburzenia elektromagnetyczne oraz nie emituje zaburzeń elektromagnetycznych o takich poziomach, które mogłyby zakłócać pracę innych urządzeń elektrycznych i elektronicznych pracujących w danym środowisku.

Zdolność urządzenia do emisji energii elektromagnetycznej nazywa się emisyjnością i jest charakteryzowana w dziedzinie częstotliwościowej poziomami emitowanych zaburzeń przewodzonych i zaburzeń promieniowanych.

Zwykle emitowane zaburzenia ze względu na zakres ich częstotliwości dzieli się na: – zaburzenia o małych częstotliwościach (odkształcenie prądu zasilającego charakteryzowane zawartością harmonicznych oraz występowaniem wahań wartości skutecznej napięcia zasilającego), zwykle do 9 kHz; – zaburzenia radioelektryczne o częstotliwościach powyżej 9 kHz, w tym do 30 MHz jako zaburzenia radioelektryczne przewodzone, powyżej 30 MHz jako zaburzenia radioelektryczne promieniowane.

Wykaz ważniejszych norm dotyczących emisji zaburzeń: Normy ogólne emisji w środowiskach: – mieszkalnych PN-EN 61000-6-3, – przemysłowych PN-EN 61000-6-4.

192

Typowe normy dla grupy wyrobów: – urządzenia informatyczne (ITE) PN-EN 55022, – urządzenia przemysłowe, medyczne i naukowe wielkiej częstotliwości (PMN) PN-EN 55011, – wymagania dotyczące przyrządów powszechnego użytku, narzędzi elektrycznych i podobnych urządzeń PN-EN 55014-1.

Zalecane metody pomiarów podane w normach podstawowych: – wyposażenie pomiarowe PN-EN 55016-1-1, – wyposażenie pomocnicze PN-EN 55016-1-2, – metody pomiarów PN-EN 55016-2-1.

W artykule przedstawiono wyniki pomiarów emisji zaburzeń radioelektrycznych przewodzonych w zakresie częstotliwości od 150 kHz do 30 MHz prototypu zasilacza impulsowego przeznaczonego do ładowania baterii akumulatorów. Producent nie określił środowiska elektromagnetycznego, w jakim będzie pracować badana ładowarka, dlatego przyjęto, że to urządzenie może być przeznaczone do pracy w środowisku mieszkalnym, czyli musi spełniać wymagania normy PN-EN 61000-6-3, tzn. badany zasilacz impulsowy musi spełniać ostrzejsze wymagania dotyczące emisji zaburzeń przewodzonych. Dla zilustrowania na rys. 1 przedstawiono poziomy dopuszczalne emitowanych zaburzeń przewodzonych na przyłączu zasilania dla urządzeń klasy A i B na przykładzie

Rys. 1. Dopuszczalne poziomy emitowanych zaburzeń dla urządzeń klasy A i B dla przyłącza zasilania według PN-EN 55022 [4] Fig. 1. Limits for conducted disturbances at the mains ports of class A and B ITE [4]

normy dotyczącej urządzeń informatycznych [4]. Widać, że wymagania dotyczące emisji zaburzeń dla urządzeń klasy B (urządzenia przeznaczone do pracy w środowisku mieszkalnym) są bardziej rygorystyczne w porównaniu z wymaganiami dla urządzeń klasy A (urządzenia przeznaczone do pracy w środowisku przemysłowym).

2. Stanowisko pomiarowe Pomiary emisji zaburzeń przewodzonych wykonane zostały na stanowisku pomiarowym, którego schemat przedstawiony jest na rys. 2. Stanowisko jest wyposażone w poziomą płaszczyznę ziemi odniesienia HGRP o wymiarach 4 m× 3 m i pionową płaszczyznę ziemi odniesienia VGRP o wymiarach 2 m× 2 m. Aranżacja stanowiska umożliwi-

Rys. 3. Układ do pomiarów emisji zaburzeń przewodzonych Fig. 3. Conducted disturbances measurements set-up

rów z komputera z oprogramowaniem PMM Emmission Suite dostarczonego razem z miernikiem PMM 9010. Zaburzenia mierzy się jako napięcie zaburzeń niesymetrycznych między płaszczyzną ziemi odniesienia GRP a każdym przewodem przyłącza. Zmierzone wartości powinny spełniać wymagane poziomy dopuszczalne.

Po usytuowaniu badanego zasilacza na stanowisku pomiarowym, przed jego uruchomieniem wykonano pomiar poziomu tła zaburzeń, wyniki pomiarów przedstawiono na rys. 4. Zmierzony poziom tła zaburzeń jest na niskim poziomie, jest o co najmniej 20 dBμV niższy od poziomu dopuszczalnego dla urządzeń w środowiskach mieszkalnych dla detektora QP, co świadczy o tym, że stanowisko pomiarowe spełnia wymagania normy.

Rys. 2. Schemat stanowiska do pomiarów emisji zaburzeń przewodzonych Fig. 2. Place of measurements for conducted disturbances

ła ustawienie badanych zasilaczy impulsowych na wysokości 0,4 m nad HGRP oraz w odległości 0,8 m do VGRP (rys. 2). Obwód zasilania sieciowego od rozdzielnicy do pomiarowej sieci sztucznej typu LISN L3-32 jest wykonany kablem ekranowanym. Sieć sztuczna jest ustawiona na płaszczyźnie HGRP i połączona z nią taśmą o małej impedancji (stosunek długości do szerokości taśmy < 3).

3. Układ pomiarowy Do pomiarów zaburzeń przewodzonych w przyłączu zasilania sieciowego dla ładowarki akumulatorów zastosowano sieć sztuczną LISN L3-32 firmy Narda (rys. 3). Kabel zasilania badanej ładowarki został przyłączony do wyjścia sztucznej sieci. Sieć sztuczna jest połączona z płaszczyzną ziemi odniesienia HGRP przewodem taśmowym o małej impedancji. Wyjście pomiarowe RF sieci sztucznej jest połączone przewodem współosiowym z wejściem miernika zaburzeń PMM9010 firmy Narda.

Miernik zaburzeń może być połączony z siecią sztuczną dodatkowym kablem sterującym, co umożliwia wybór i identyfikację punktu pomiaru oraz obsługę pomia-

Rys. 4. Zmierzony poziom tła zaburzeń detektorem QP Fig. 4. Measured ambient noise with the QP detector

4. Badany zasilacz Urządzenie poddane badaniom emisji zaburzeń przewodzonych to prototyp zasilacza impulsowego specjalizowanego, przeznaczonego do pracy jako ładowarka baterii akumulatorów o napięciu 36 V, moc zasilacza wynosi 200 W. Zakres napięć wejściowych zasilania wynosi od 110 V AC do 240 V AC, a długość kabla zasilającego to 2,5 m. Ładowarka akumulatorów jest rozbudowanym zasilaczem impulsowym posiadającym układ kontroli napięcia na poszczególnych ogniwach akumulatora, wyposażonym w przyciski startu i zatrzymania procesu ładowania oraz Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

193

Nauka

wskaźnik poziomu naładowania akumulatora. Badania emisji przewodzonej wykonano przy zasilaniu typowym napięciu sieciowym 230 V AC, podczas ładowania akumulatora rozładowanego do poziomu 30 % jego pojemności znamionowej oraz w stanie jałowym i tzw. stanie czuwania. Stan jałowy występuje w sytuacji, gdy ładowarka dołączona jest do sieci zasilającej, a do jej wyjścia nie jest przyłączony akumulator; natomiast stan czuwania występuje, gdy ładowarka przyłączona jest do sieci z przyłączonym akumulatorem do jej wyjścia, gdy ładowanie nie jest uruchomione, rozpoczęcie ładowania akumulatora następuje po wciśnięciu odpowiedniego przycisku startu przez użytkownika. Wyniki pomiarów przedstawiono dla stanu jałowego i stanu pracy podczas ładowania akumulatora (rys. 5 a i b), nie przedstawiono wyników pomiarów dla stanu czuwania, ponieważ poziom emitowanych zaburzeń był bardzo zbliżony do wyników pomiarów w stanie jałowym. a)

b)

dowania akumulatora przekracza poziom dopuszczalny (rys. 5a i b).

Porównując na jednym wykresie zmierzone poziomy emitowanych zaburzeń przewodzonych ładowarki dla stanu pracy jałowego i ładowania akumulatora (rys. 6) widać, że w stanie jałowym zaburzenia przewodzone, w pewnych przedziałach częstotliwościach mają wyższe wartości niż w przypadku, gdy ładowarka pracuje przy obciążeniu bliskim znamionowemu. Dla przedziału częstotliwości 870 kHz–1,05 MHz najbardziej widoczne jest przekroczenie zmierzonego poziomu emisji dla stanu jałowego ponad zmierzony poziom emisji dla stanu ładowania. Przy częstotliwości 890 kHz poziom emisji dla stanu jałowego jest wyższy o 9 dBμV niż dla stanu obciążenia.

Maksymalny poziom emisji dla stanu jałowego jest dla częstotliwości 890 kHz i osiąga wartość 74 dBμV, natomiast maksymalna wartość emisji podczas ładowania akumulatora jest dla częstotliwości 190 kHz i osiąga wartość 88,7 dBμV. Emitowane poziomy zaburzeń przewodzonych przez ładowarkę znacząco przewyższają dopuszczalny poziom.

Aby ładowarka mogła spełnić wymagania emisji zaburzeń przewodzonych dla środowiska mieszkalnego należy podjąć kroki w celu ograniczenia poziomu emisji zaburzeń.

Jednym ze sposobów zmniejszenia poziomu zaburzeń przewodzonych jest zastosowanie filtrów w obwodach, które emitują zbyt wysoki poziom zaburzeń. W przypadku ładowarki akumulatorów zainstalowano wewnątrz obudowy filtr przeciwzakłóceniowy firmy Schaffner typu FN 343-03-05 [7] na przyłączu zasilania 230 V AC. Podczas wyboru filtru kierowano się tym, aby charakterystyka tłumienia dla zaburzeń niesymetrycznych, podana w danych katalogowych [7] miała jak największe tłumienie w przedziale częstotliwości, w którym poziom zaburzeń przekracza dopuszczalne wartości emisji. Tłumienie zaburzeń niesymetrycznych według częstotliwościowej charakterystyki tłumienia filtru [7] wynosi około 40 dB przy 150 kHz i rośnie osiągając wartość powyżej 70 dB

Rys. 5. Zaburzenia przewodzone na przyłączu zasilania sieciowego ładowarki: a) w stanie jałowym, b) podczas ładowania rozładowanej baterii akumulatorów Fig. 5. Conducted disturbances at the mains supply port of battery charger: a) without battery, b) charging the battery

5. Pomiary Przed wykonaniem pomiarów właściwych zmierzono poziom tła zaburzeń po usytuowaniu niedziałającej ładowarki na stanowisku pomiarowym (rys. 4).

Zmierzony poziom emisji zaburzeń przewodzonych detektorem QP dla stanu pracy jałowego oraz podczas ła-

194

Rys. 6. Porównanie poziomów emisji zaburzeń przewodzonych w obwodzie zasilania 230 V AC dla ładowarki akumulatorów dla stanów pracy jałowego i podczas ładowania baterii Fig. 6. Compare conducted disturbances at the mains port for operating battery charger without battery and the battery is charging

w przedziale częstotliwości 0,5–30 MHz. Przy doborze filtru należy również zwrócić uwagę na inne parametry, takie jak: – napięcie zasilania, – prąd obciążenia, – zakres temperatury pracy, – wykonanie obudowy filtru.

Zainstalowanie filtru zgodnie z zasadami sztuki inżynierskiej, oraz prawidłowy jego dobór pozwoliło osiągnąć pożądane rezultaty, zmniejszyć poziom emitowanych zaburzeń poniżej poziomu dopuszczalnego dla urządzeń mieszkalnych dla detektora QP. Na wykresach (rys. 7a i b) widać, że zmierzony poziom zaburzeń przewodzonych po zainstalowaniu filtru [7] jest niski, poniżej poziomu do-

a)

b)

czonym obciążeniu znamionowym do wyjścia zasilacza.

Zastosowanie prawidłowo dobranego i zainstalowanego filtru przeciwzakłóceniowego może być skutecznym środkiem na obniżenie poziomu emitowanych zaburzeń przewodzonych do wartości poniżej poziomu dopuszczalnego.

Bibliografia 1. Dyrektywa EMC 2004/108/WE. 2. PN-EN 61000-6-3:2008 Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) – Część 6-3: Normy Ogólne – Norma emisji w środowiskach: mieszkalnym, handlowym i lekko uprzemysłowionym.

3. PN-EN 61000-6-4:2008 Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) – Część 6-4: Normy Ogólne – Norma emisji w środowiskach przemysłowych.

4. PN-EN 55022:2011 Urządzenia Informatyczne – Charakterystyki zaburzeń radioelektrycznych – Poziomy dopuszczalne i metody pomiaru (oryg).

5. PN-EN 55011:2012 Urządzenia przemysłowe, naukowe i medyczne – Charakterystyki zaburzeń o częstotliwości radiowej – Poziomy dopuszczalne i metody pomiaru.

6. PN-EN 55014-1:2012 Kompatybilność elektromagnetyczna – Wymagania dotyczące przyrządów powszechnego użytku, narzędzi elektrycznych i podobnych urządzeń – Część 1: Emisja.

7. [www.schaffner.com/uploads/tx_w4pro ducts/ DS_FN343_20110616_web49.pdf] – Performance EMI filter.

Conducted disturbances of switching power supply

Rys. 7. Zaburzenia przewodzone w przewodzie zasilającym 230 V AC ładowarki akumulatorów po zainstalowaniu filtru Schaffner FN-345-3-05 pracującej a) w stanie jałowym, b) podczas ładowaniu rozładowanej baterii akumulatorów Fig. 7. Conducted disturbances at the mains supply port of battery charger after used EMI filter a) without battery, b) charging the battery

puszczalnego i dla częstotliwości powyżej 500 kHz jest zbliżony do poziomu tła zaburzeń.

6. Wnioski Z przedstawionych pomiarów wynika, że zasilacze impulsowe nieobciążone mogą emitować wysoki poziom zaburzeń przewodzonych; poziom ten może być nawet wyższy od zaburzeń emitowanych podczas pracy przy dołą-

Abstract: This paper presents the results of conducted emission measurements disturbances at the mains port of switching power supplies designed to charge the battery pack. At the beginning of this paper describes conducted disturbances measurements set-up. In the next are measurement results, and describes methods reduce the level of disturbance at the mains port to an acceptable level by the standard [2].

Keywords: electromagnetic compatibility EMC, conducted emission, switching power supplies, battery charger

mgr inż. Krzysztof Trzcinka Absolwent Wydziału Elektrycznego Politechniki Białostockiej o specjalności Automatyzacja Przemysłu.

Obecnie pracuje w Przemysłowym Instytucie Automatyki i Pomiarów PIAP w Warszawie na stanowisku kierownika Laboratorium Badań Urządzeń Przemysłowych LBUP. Główne zainteresowania dotyczą kompatybilności elektromagnetycznej. e-mail: ktrzcinka@piap.pl

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

195

Nauka

Układ kontroli procesu wtłaczania kół jezdnych lokomotyw i wagonów Andrzej Bratek, Jan Goska Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP

Streszczenie: W artykule przedstawiono urządzenie wdrożone w jednym z zakładów naprawy taboru kolejowego, przeznaczone do automatycznego pomiaru i rejestracji charakterystyk dynamicznych zestawów kołowych, używanych w pojazdach kolejowych. Zastosowany zestaw czujników pomiarowych i przygotowane oprogramowanie zapewniają prostą obsługę podczas wykonywania pomiarów, jak również pozwalają na obiektywną ocenę badanych elementów. Część pomiarowa i część sterująca przebiegiem pomiarów zrealizowane są na sterowniku PLC, natomiast archiwizacja danych odbywa się z wykorzystaniem komputera PC. Słowa kluczowe: pojazdy kolejowe, zestaw kołowy, czujnik siły, czujnik przemieszczenia, sterownik PLC, system rejestracji pomiarów

1. Wprowadzenie Rosnące wymagania stawiane przed taborem kolejowym, wynikające z dążenia do podnoszenia bezpieczeństwa, niezawodności, komfortu oraz zwiększania prędkości jazdy pojazdów szynowych, wymuszają konieczność prowadzenia lepszej kontroli poszczególnych zespołów. Ważnymi zespołami pojazdów szynowych, mającymi bezpośredni wpływ na bezpieczeństwo jazdy, są zestawy kołowe.

Rys. 1. Prasa o nacisku 6000 kN używana do wtłaczania zestawów kołowych Fig. 1. The press machine of 6000 kN pressing capacity applied to force in wheelsets

196

Na rys. 1 przedstawiono prasę do montażu zestawów kołowych wózków kolejowych. Proces montażu polega na wtłaczaniu z dużą siłą kół na czopy osi. Potwierdzenie jakości montażu wymaga wykonania pomiarów w trakcie jego przebiegu. Proces wtłaczania odbywa się przy wymuszeniu dużych sił, które mogą osiągać wartość nawet 3000 kN na drodze około 150 mm. Aby usprawnić monitorowanie procesu, umożliwiając jednocześnie archiwizację wyników pomiarów i wygenerowanie arkusza raportu po zakończeniu operacji, opracowany został dedykowany układ do pomiaru i rejestracji parametrów tego procesu.

2. Proces wtłaczania zestawów kołowych Koła zestawów jezdnych pojazdów kolejowych wtłaczane są na osie z zastosowaniem określonego wymaganiami norm pasowania. W czasie tego procesu następuje przemieszczenie względem siebie koła jezdnego i wciskanej osi, wywołane przyłożoną siłą nacisku. Wartość siły potrzebnej do wtłaczania elementów zestawu i sposób jej narastania w funkcji przemieszczenia jest bardzo dobrą miarą jakości osadzenia koła jezdnego na czopie osi pojazdu. Jakość wykonania wtłoczenia decyduje o trwałości połączenia tych elementów (osadzenia kół na osi), a tym samym o bezpieczeństwie ich eksploatacji.

W zależności od rodzaju zestawu wymagane są różne siły wtłaczania. Typ pojazdu, do którego przeznaczony jest zestaw, tj. lokomotywa lub wagon, jest pierwszym kryterium rozróżnienia, następnymi są jego cechy konstrukcyjne.

Wymagania techniczne określają przedział i sposób narastania siły na drodze wtłaczania koła na oś, w formie przykładu jest to przedstawione na rys. 2. Jednostajne i mieszczące się w określonym przedziale tolerancji narastanie siły w funkcji przemieszczenia daje pewność, że połączenie jest prawidłowe.

Po zakończeniu procesu wtłaczania nie ma już możliwości dokonania skutecznej oceny jakości uzyskanego połączenia.

Dla dokumentowania tego procesu został zbudowany układ pomiaru i rejestracji siły w funkcji drogi, który w trakcie wykonywania każdego zespolenia zestawu kołowego rejestruje parametry jego przebiegu i generuje raport.

Należy zauważyć, że w pojazdach kolejowych spotykanych w Polsce występuje parędziesiąt różnych zestawów jezdnych, które posiadają różne parametry wtłaczania, co stanowi dodatkową trudność przy kontroli i dokumentowaniu procesu metodami tradycyjnymi.

Dla upewnienia się, że połączenie jest dobre wykonuje się tzw. próbę trwałości. Polega ona na przyłożeniu siły rozłączającej wykonane połączenie o wartości niższej niż mi-

Rys. 2. Przykład wymagań dla procesu wtłaczania kół. Wykres siły wtłaczania w funkcji przemieszczania koła wzdłuż czopa osi zestawu kołowego Fig. 2. An example of wheels forcing process specifications. The graph of force versus wheel’s displacement along a road axle pivot

nimalna siła wymagana do wtłaczania. Należy zauważyć, że ta próba również może się odbywać pod kontrolą prezentowanego tu układu – umożliwia on wyłączenie pompy hydraulicznej po osiągnięciu siły określonej w wymaganiach dla danego połączenia.

3. Budowa i zasada działania zestawu pomiarowego Przedstawiany układ mierzy i rejestruje wartość siły w funkcji wartości przemieszczenia kół podczas procesu wtłaczania na oś.

Układ pomiaru i rejestracji, przedstawiony schematycznie na rys.

3, zbudowany jest w oparciu o moduł sterownika przemysłowego i panel operatorski.

Sterownik zapewnia obsługę bieżącej próby i przekazuje mierzone parametry do panelu operatorskiego. W pamięci sterownika w sposób trwały zapisane są wymagania techniczne dotyczące procesów wtłaczania dla wszystkich stosowanych obecnie zestawów kołowych.

Do tych wymagań odniesiona jest sygnalizacja przekroczenia dopuszczalnych wartości sił wtłaczania podczas przebiegu procesu oraz wartości sił dla próby trwałości. Sterownik PLC przy określonych wartościach siły, które przypisane są poddawanemu próbie zestawowi kołowemu, sygnalizuje przekroczenie wartości granicznej, a po przewyższeniu jej o 20 %, zwalnia przekaźnik wyłączenia pompy i przerywa proces.

Próba ilustrowana jest na bieżąco na ekranie panelu operatorskiego w postaci wykresu zależności wartości siły wtłaczania od położenia, a dokładnie w funkcji przemieszczenia względem siebie koła jezdnego i wciskanej osi. Prezentowane są również wartości liczbowe tych parametrów. Po zakończeniu procesu dane pomiarowe zapisywane są w pamięci zewnętrznej flash, dołączonej do interfejsu USB stanowiska. Zgromadzone w pamięci zewnętrznej wartości pomiarów mogą być przeniesione do komputera PC wyposażonego w dedykowaną aplikację, która umożliwia archiwizowanie danych procesu i wydrukowanie raportu.

3.1. Czujniki pomiarowe

Pomiar siły nacisku prasy hydraulicznej odbywa się metodą pośrednią przez pomiar ciśnienia w cylindrze roboczym siłownika, realizowany za pomocą czujnika ciśnienia z analogowym sygnałem wyjściowym. Zastosowany czujnik o zakresie pomiarowym 10 MPa, charakteryzujący się błędem dopuszczalnym 0,16 % i dopuszczalną przeciążal-

Rys. 3. Układ pomiaru i rejestracji siły w funkcji przemieszczenia Fig. 3. Measurement and recording system of force as a function of displacement Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

197

Nauka

nością 100 %, zapewnia pomiar sił w zakresie do 3500 kN z błędem nie przekraczającym 6,5 kN (z uwzględnieniem błędu przetwarzania analogowo-cyfrowego wejścia sterownika). Pomiar przemieszczenia odbywa się przy użyciu głowicy pomiarowej powiązanej z tłoczyskiem prasy, przesuwanej nad listwą magnetyczną. Głowica pomiarowa wraz z listwą magnetyczną stanowią dwutorowy czujnik impulsowy, określający względne przemieszczenie tłoczyska prasy obliczane w stosunku do miejsca rozpoczęcia procesu wtłaczania.

Zastosowana głowica i listwa magnetyczna zapewniają pomiar z błędem 0,1 mm. Sygnały pomiarowe siły i przemieszczenia są doprowadzone do wejść sterownika PLC układu przetwarzania pomiarów i rejestracji.

3.2. Sterownik PLC

W układzie pomiarowym zastosowano sterownik PLC z zegarem RTC oraz panel operatorski z ekranem dotykowym o przekątnej 7”, wyposażony w interfejs USB zewnętrznej pamięci flash. Urządzenia te, zestawione łączem szeregowym RS-422, komunikują się ze sobą wymieniając dane procesowe.

Sterownik udostępnia dwustanowe sygnały wejścia/ wyjścia, szybkie wejścia impulsowe oraz analogowe sygnały wejścia z 12-bitowym przetwarzaniem a/c. Znajdująca się w zasobach układu pamięć flash umożliwia prowadzenie rejestracji pomiarów w trybie rzeczywistym, zapewniając później łatwy do nich dostęp i możliwość przenoszenia zebranych danych do archiwum systemu kontroli jakości. Panel operatorski służy do konfiguracji parametrów procesu wtłaczania i do wizualizacji jego przebiegu.

4. Przebieg próby Przed przystąpieniem do obsługi procesu operator musi się zalogować do systemu (na panelu operatorskim), dopiero wtedy układ osiąga gotowość pracy. W następnym kroku powinien zdefiniować parametry procesu, w tym celu operator wskazuje rodzaj pracy stanowiska (możliwy jest wybór procesu wciskania lub przeprowadzenie próby trwałości) i przypisuje numer ewidencyjny do zestawu kołowego. Na koniec, w trybie wyboru z predefiniowanej listy zestawów, ustala dopuszczalne parametry obciążenia podczas wykonywania próby.

Początek próby wyzwalany jest przyciskiem umieszczonym na pulpicie operatorskim, dalej proces biegnie już w pełni automatycznie pod kontrolą sterownika, który steruje jej przebiegiem. Stopniowo narasta siła i koła coraz głębiej są wciskane na oś zestawu. Jednocześnie na ekranie panelu operatorskiego wyświetlana jest charakterystyka siły nacisku pasowanego zestawu kołowego, przybierając wraz z napływem bieżących pomiarów pełniejszą postać.

Cały proces trwa od kilkudziesięciu sekund do niepełnych dwóch minut. W tym czasie w pamięci sterownika rejestrowaniu podlega do trzystu par wartości pomiaru siły i położenia. Po zakończeniu próby operator może dokonać trwałego zapisu do zewnętrznej pamięci USB raportu z zakończonej próby, na który składają się zarejestrowane wartości pomiarów charakterystyki zestawu kołowego, parametry procesu zdefiniowane na wstępie przez operatora oraz dane identyfikacyjne operatora procesu.

198

4.1. Funkcje sterownika

Podstawowym zadaniem sterownika jest prowadzenie automatycznego nadzoru procesu produkcji zestawów kołowych.

Służy temu sprawowanie ciągłej kontroli nad wielkością bieżącego obciążenia zestawu kołowego oraz rejestracja wartości parametrów siły i przesunięcia przy zmianie obciążenia w układzie pomiarowym. Sterownik rozpoznaje działanie operatora i stan przebiegu procesu, sygnalizując to odpowiednio na pulpicie operatorskim stanowiska.

Do pomiaru przesunięcia wykorzystany został dwufazowy licznik impulsów z enkodera położenia, dołączonego do szybkich wejść dwustanowych. Zapewniło to osiągnięcie rozdzielczości tego pomiaru wynoszącą 0,1 mm. Siła nacisku rozpoznawana jest na wejściu analogowym sterownika z rozdzielczością 875 N. Bazując na skanowaniu pomiarów w sterowniku z cyklem 20 ms, przeprowadzany jest zapis przebiegu procesu w postaci zestawu zsynchronizowanych ze sobą par parametrów siły i przesunięcia, przy czym rejestrację kolejnego punktu pomiarowego generuje zmiana położenia o 0,5 mm lub zmiana wielkości siły o 8,75 kN. Na podstawie zapisanych punktów tworzona jest charakterystykę zestawu, wyświetlana na ekranie panelu.

Program sterownika wyposażony został w funkcje, które realizującą stosunkowo silnie rozbudowaną komunikację operatorską, obejmując: – logowanie do systemu, – wybór zestawów kołowych, – ustalanie wartości granicznych procesu, – prezentację wartości parametrów procesu w jednostkach fizycznych, – prezentację wykresu charakterystyki zestawu kołowego, – prezentację maksymalnych wartości zarejestrowanych podczas próby i dopuszczalnych wartości granicznych, – zapis raportu do pamięci zewnętrznej.

4.2. Archiwizacja i raportowanie

Wyniki pomiarów pasowania zestawów kołowych przenoszone są w postaci plików raportowych do komputera PC Działu Kontroli Jakości, gdzie podlegają archiwizacji. W plikach raportowych, poza zarejestrowanymi wartościami pomiarów siły i przesunięcia, umieszcza się także stempel czasu przeprowadzenia próby, dane identyfikacyjne operatora obsługującego proces oraz metrykę próby, utworzoną przez opis przeprowadzonej próby, określenie typu zestawu kołowego i zestawienie odnoszących się doń wymagań technicznych.

Wraz z układem pomiarowym dostarczona jest aplikacja przygotowana dla komputera PC pod systemem MS Windows, która umożliwia samoczynne wygenerowanie raportu z przeprowadzonych prób na podstawie danych pomiarowych pobranych ze sterownika PLC. Generowany raport zawiera: – opis badanego wyrobu, – opis próby, – zmierzone wartości parametrów w punktach charakterystycznych, – wykres charakterystyki.

Przykład charakterystyki otrzymanej w aplikacji przedstawiony jest na rys. 4.

Forma raportu jest dostosowana do wymagań użytkownika. Jego elementy związane z przeprowadzoną próbą, tzn. opis zestawu kołowego, wyniki pomiarów, wartości wymagań technicznych oraz wykres charakterystyki generowane są samoczynnie. Operator określany jest w raporcie imiennie na podstawie przypisanego mu identyfikatora. Natomiast informacje dotyczące zamówienia, według którego przygotowuje się wyrób, oraz niektóre indywidualne cechy zestawu wpisywane są ręcznie.

Bibliografia 1. Bratek A., Goska J., Pomiar i rejestracja charakterystyk statycznych resorów i zderzaków kolejowych, Automation 2006, X Konferencja Naukowo-Techniczna, Automatyzacja – Nowości i Perspektywy, Warszawa 2006, 546–552.

2. Bratek A., Goska J., Kostrzewa P., Wybrane zagadnienia dotyczące opracowania i budowy stanowiska do sprawdzania przemysłowych czujników siły, Automation 2007, XI Konferencja Naukowo-Techniczna, Automatyzacja – Nowości i Perspektywy (CD), Warszawa 2007.

3. PN-K-91045:2002, Tabor kolejowy. Zestawy kołowe.

Wymagania i metody badań, PKN, Warszawa 2002.

Testing installation of rail wheels forcing process

Rys. 4. Przykładowa charakterystyka zestawu kołowego, przedstawiająca zależność siły nacisku od przesunięcia koła podczas procesu wtłaczania, w widoku aplikacji generującej raporty wyrobów Fig. 4. An example of wheelset characteristic, showing force of pressure against wheel displacement in forcing process, in application used to obtain product reports

Abstract: In the paper we present an installation, put into use in one of the railway vehicles repair companies, to provide automatic measurements and registering of dynamic characteristics of wheelsets used in rolling stock vehicles. The sensor set along with the applied software give ease of operation for measurement capture as well as an objective evaluation of tested elements. The measuring and controlling equipment solution is based on a PLC controller while a PC computer is used to archive measurement results.

Keywords: railway vehicles, wheelset, force sensor, displacement sensor, PLC controller, data acquisition system

5. Podsumowanie Opisany układ pomiarowy został zainstalowany w Zakładzie Taboru Kolejowego. Jest wykorzystywany do określenia charakterystyki wtłaczania zestawów kołowych, przeznaczonych dla wagonów kolejowych i lokomotyw. Przy kompletowaniu układu uwzględniono trudne warunki pracy i obciążenie osób wykonujących próby. Zaproponowano urządzenie proste z punktu widzenia obsługi, pewne pod względem działania i dostarczające wysokiej jakości pomiarów. We wprowadzaniu tego typu rozwiązań barierę stanowi cena, dlatego dużą uwagę poświęcono kosztowej stronie zestawienia układu, starając się ją minimalizować. Osiągnięto to między innymi przez zastosowanie stosunkowo prostego sterownika PLC i graficznego panelu operatorskiego, które zapewniają pełną obsługę wykonywanych prób i wizualizację prób, a jednocześnie charakteryzują się doskonałym stosunkiem ceny do oferowanych parametrów technicznych, oraz zlokalizowanie wszystkich funkcji związanych z archiwizowaniem danych i generowaniem raportu w komputerze PC, który służy również do innych celów.

mgr inż. Andrzej Bratek Specjalista badawczo-techniczny w Przemysłowym Instytucie Automatyki i Pomiarów PIAP. Główne obszary aktywności zawodowej: systemy automatycznego zbierania danych i sterowania, automatyczne systemy pomiarowe. e-mail: abratek@piap.pl mgr inż. Jan Goska Pracownik Przemysłowego Instytutu Automatyki i Pomiarów PIAP na stanowisku starszego specjalisty badawczo-technicznego. Jest autorem i współautorem wielu projektów wdrożonych w warunkach przemysłowych. e-mail: jgoska@piap.pl

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

199

Indeks firm

200

Aaxeon Technologies Sp. z o.o.

tel. 22 862 88 81 www.aaxeon.pl

51

Astor Sp. zo.o.

tel. 12 428 63 00 www.astor.com.pl

I okł., 44–47

AutomatykaOnLine

tel. 46 857 73 72 www.automatykaonline.pl

3

Automatyka-Pomiary-Sterowanie SA

tel. 85 74 83 400, 85 74 83 403 APS SA www.aps.pl

11

Beckhoff Automation Sp. z o.o.

tel. 22 75 72 610 www.beckhoff.pl

30–31

B&L International Sp. z o.o.

tel. 22 213 88 76 www.bil.com.pl

8

B&R Automatyka Przemysłowa Sp. z o.o.

tel. 61 8460 500 www.br-automation.com

42

Balluff Sp. z o.o.

tel. 71 787 68 30 www.balluff.pl www.leuze.pl

9, 15, 48–49

Elmark Automatyka Sp. z o.o.

tel. 22 541 84 65 www.elmark.com.pl

8, 9, 41, 62

Energoelektronika.pl

tel. 22 70 35 290 www.energoelektronika.pl

47

Expo Silesia Sp. z o.o.

tel. 32 788 75 66 www.exposilesia.pl

19

GBI Partners Sp. z o.o.

tel. 22 458 66 10 www.gbi.com.pl

14–15

Guenther Polska Sp. z o.o.

tel. 71 352 70 70 www.guenther.com.pl

57

GURU Control Systems

tel. 22 831 10 42 www.guru.com.pl

34–36

HARTING Polska Sp. z o.o.

tel. 71 352 81 71 www.harting.pl

7

JM elektronik Sp. z o.o.

tel. 32 339 69 00 www.jm.pl

40

Kontron East Europe Sp. z o.o.

tel. 22 389 84 63 www.kontron.pl

IV okł.

Maritex PHP

tel. 58 622 89 00 www.maritex.com.pl

37

Parker Hannifin Sales Poland Sp. z o.o.

tel. 22 573 24 00 www.parker.com

60

CONSULTING PLUS Sp. z o.o.

tel. 22 622 35 19 www.staze.teklaplus.pl

58–59

Pro-face Poland

tel. 22 465 66 62 www.proface.pl

32–33

Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP

tel. 22 87 40 000 www.piap.pl

II, III okł.

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

tel. 61 8350 800 www.wobit.com.pl

43

SABUR Sp. z o.o.

tel. 22 549 43 53 www.sabur.com.pl

38–39

Schunk Intec Sp. z o.o.

tel. 22 726 25 00 www.schunk.com

17

Sterowniki.pl Sp. z o.o.

tel. 22 499 88 39 www.sterowniki.pl

45

Targi Lublin SA

tel. 81 532 37 10 www.targi.lublin.pl

16–17

Turck Sp. z o.o.

tel. 77 443 48 00 www.turck.pl

61

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

201

REDAKCJA

PRENUMERATA miesięcznika „Pomiary Automatyka Robotyka” Rok 16 (2012) nr 12 (190) 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 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, Instytut Automatyki i Robotyki, Politechnika Warszawska prof. dr inż. Tadeusz Missala, Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP prof. dr hab. inż. Zdzisław Mrugalski, Instytut Mikromechaniki i Fotoniki, Politechnika Warszawska prof. dr inż. Eugeniusz Ratajczyk, Instytut Metrologii i Inżynierii Biomedycznej, Politechnika Warszawska 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

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: Zakładu Kolportażu Wydawnictwa SIGMA-NOT ul. Ku Wiśle, 00-707 Warszawa tel. 22 840 30 86 lub 22 840 35 89 kolportaż@sigma-not.pl www.sigma-not.pl RUCH SA Oddział Krajowej Dystrybucji Prasy

Redaktor naczelny dr inż. Jan Jabłkowski

ul. Annnopol 17a, 03-236 Warszawa

Zastępca redaktora naczelnego mgr Seweryn Ścibior, sscibior@par.pl

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 prof. nzw. dr hab. inż. Mateusz Turkowski – metrologia mgr inż. Jolanta Górska-Szkaradek mgr inż. Elżbieta Walczak

infolinia: 801 443 122 www.prenumerata.ruch.com.pl KOLPORTER Spółka z o.o. S.K.A. Centralny Dział Prenumeraty ul. Bakaliowa 3, 05-080 Izabelin-Mościska infolinia: 801 404 044 prenumerata.warszawa@kolporter.com.pl GARMOND PRESS SA

Marketing mgr inż. Jolanta Górska-Szkaradek, jgorska@par.pl mgr Sylwia Batorska, sbatorska@par.pl

ul. Nakielska 3, 01-106 Warszawa

Skład i redakcja techniczna Ewa Markowska, emarkowska@par.pl EDIT Sp. z o.o.

www.garmondpress.pl

Wydawca

tel./fax 22 817 20 12 prenumerata.warszawa@garmondpress.pl

Ceny prenumeraty przyjmowanej przez kolporterów wynoszą: yy roczna – 99,00 zł,

Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP Al. Jerozolimskie 202, 02-486 Warszawa Miesięcznik PAR jest indeksowany w bazach BAZTECH oraz INDEX COPERNICUS (4,12). Punktacja MNiSW za publikacje naukowe w miesięczniku PAR wynosi 5 pkt (poz. 1027).

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.

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

202

Wszystkie ceny są kwotami brutto.

XVII Konferencja Naukowo – Techniczna Automatyzacja – Nowości i Perspektywy

20-22 marca 2013 r. Warszawa Informacje dotyczące zgłaszania referatów oraz udziału w konferencji dostępne są u organizatora: Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP www.piap.pl/automation Al. Jerozolimskie 202, 02-486 Warszawa e-mail: konferencja@piap.pl tel.: (22) 874 02 05, faks: (22) 874 02 20 Konferencja realizowana jest w ramach projektu „Naukowcy bliżej przemysłu”.

Więcej informacji o projekcie:

naukowcyblizejprzemyslu.piap.pl

Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.

3 in d e p e nd D is p la y s e n t P C Ie 3.0 , U S B 3.0

3

KT QM 77 /m IT X

Wbudowana płyta główna Kontron Mini-ITX KTQM77/mITX bazująca na procesorach trzeciej generacji Intel® Core™ i3/i5/i7 ... i nie potrzebujesz nic więcej . » DVI-I, Dual DisplayPort, eDP & LVDS » MULTIPURPOSE Feature Connector With 8085 microcontroller for customer-specific adaptations » Solid CAPs For extended lifetime & MTBF » Long time available for 7 years incl. extended lifecycle management » Licence-bundles for Microsoft Wind River and Linux OS

Kontron East Europe Sp. z o.o.

03-821 Warszawa, Poland ul. Żupnicza 17 Tel. +48 (22) 389 84 50 Fax: +48 (22) 389 84 - 55 info@kontron.pl Dowiedz się więcej o ofercie firmy na stronie www.kontron.pl

If it’s embedded, it ’s Kontron.

3