Automatiskt laserbaserat vagnöverfyllnadsskydd1015682/FULLTEXT01.pdf · Sammanfattning Detta arbete undersöker möjligheterna att utveckla ett system som kan över-vakalastningellerautomatisktlastamalmvagnariLKAB'sKirunavaaragruva

2005:032 CIV

E X A M E N S A R B E T E

Automatiskt laserbaseratvagnöverfyllnadsskydd

Stefan Nilsson

Luleå tekniska universitet

Civilingenjörsprogrammet Datateknik

Institutionen för SystemteknikAvdelningen för Datorteknik

2005:032 CIV - ISSN: 1402-1617 - ISRN: LTU-EX--05/032--SE

Automatiskt LaserbaseratVagnöverfyllnadsskydd

Ett examensarbete i Datorteknik

Stefan Nilsson

Luleå Tekniska Universitet

2005-01-31

Abstract

This thesis investigates the possibilites to develop a system that can monitor theloading or automatically load LKAB's iron ore wagons in the Kirunavaara mine.The thesis mainly consisted of building a testing system where laserscannersacted as sensors and a computer system controlled the �lling pro�le of thewagons.

The interest for such a system comes from both economic and safety resons.Right now, the iron ore wagons are remotly loaded by operators, sitting aboveground. All wagons should be as �lled as possible without any over�ow. Thereis a danger that over�ow can cause train derailment.

The system operates according to the following principle: A two-dimensionallaserscanner scans the pro�le of the wagon while it passes by a shaft or a con-tainer. At the bottom of the shaft a hatch control the �ow down to the wagons.The computer system receives information from the sensors and controls the�ow through the hatch in such a way that the wagons are �lled and that therewill be no over�ow, despite variations in sizes of the iron ore.

The problems that were faced was mainly to obtain a loading container thatworked without material getting stuck in the contrainer or around the hatch.Another problem was that the hatch could not be closed properly. These prob-lems led to the fact that all the goals of the thesis could not be accomplished.However, the testing system did prove that a system that watches over or au-tomatically loads wagon can be successfully created.

ii

Sammanfattning

Detta arbete undersöker möjligheterna att utveckla ett system som kan över-vaka lastning eller automatiskt lasta malmvagnar i LKAB's Kirunavaaragruva.Arbetet bestod till stor del att utveckla en testanläggning där laserscannrar an-vänds som givare och ett datorbaserat styrsystem som använder informationenfrån scannrarna till att styra eller övervaka pro�len på vagnarna.

Anledning till ett intresse för ett sådant system kommer både från ekonomisktoch ett säkerhetsmässigt perspektiv. I dagsläget fjärrlastas malmvagnar i gruvanmanuellt av operatörer som sitter ovan jord. Alla vagnar ska helst vara maxi-malt fyllda utan något spill. Det �nns risk för att tågset spårar ur när det liggermalm och gråberg på rälsen.

Systemet fungerar efter följande princip: En två-dimensionell laserscannerläser av vagnens lastpro�l i vagnen medan den passerar under ett schakt elleren behållare med material. Längst ned i schaktet sitter en tapplucka som re-glerar �ödet av material ned i vagnen. Ett styrsystem får in informationen frånlaserscannern och reglerar �ödet ner i vagnen på ett sånt sätt att vagnen blirfull och det inte blir något spill, trots att materialstorleken kan variera.

De problem som uppstod i arbetet var främst att konstruera en lastanläg-gning som fungerar utan att materialet fastnar i behållaren eller kring luckansom leder till att luckan inte kan stängas. Dessa problem ledde till att allamål i arbetet inte kunde uppfyllas. Testanläggningen visade dock principen attautomatiskt lasta eller övervaka vagnar fungerade väl.

iv

Förord

Detta examensarbete avslutar härmed min utbildning till civilingenjör i datateknikmed inriktning mot datorteknik. Examinator har varit Per Lindgren, vid EIS-LAB, Luleå Tekniska Universitet.

Arbetet är utfört under hösten 2004 åt Kiruna Softcenter AB. Jag skulle främstvilja tacka min handledare Inge Sivlér, för idé till arbetet och för många gi-vande diskussioner under dess gång. Det �nns även många andra personer somhar bidragit till vad det blivit och jag riktar även tack till dessa.

Stefan Nilsson

Luleå, 2005-01-31

vi

Innehållsförteckning

1 Introduktion 11.1 Inledning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Bakgrund och syfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3 Mål och begränsningar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2 Bakgrund 32.1 SICK LMS 200 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.1.1 Time-of-Flight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.1.2 Mätningar och användningsområden . . . . . . . . . . . . 42.1.3 Anslutningar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.2 SICK LMI 200 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2.1 Hårdvarustruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.2.2 Programmering med mjukvaran MST 200 . . . . . . . . . 72.2.3 Kommunikation med LMI för visualisering . . . . . . . . . 9

3 Metod och resultat 113.1 Förstudie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.1.1 Planering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123.1.2 Studiebesök LKAB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123.1.3 Marknadsundersökning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123.1.4 Systemlösningar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.2 Förberedelser och design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.2.1 Dagens system vs. datorbaserat system . . . . . . . . . . 173.2.2 Fysisk testrigg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183.2.3 Övergripande design av systemet . . . . . . . . . . . . . . 193.2.4 Design av styrsystemet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.2.5 Stegmotor och styrelektronik . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.3 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.3.1 Styrsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.3.2 Visualiseringsprogram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.3.3 Styrning av tåg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.3.4 Styrelektronik för stegmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.4 Testning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.4.1 Test av laserscanner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

INNEHÅLLSFÖRTECKNING viii

3.4.2 Repeterbarhetstester . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4 Diskussion och slutsatser 354.1 Framtida arbete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364.2 Uppsatta mål . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364.3 Lärdomar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

Figurer

2.1 Förlopp av ett varv för LMS 200 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2 Mätningssystem med LMI 200 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.3 Översikt av LMI 200. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

3.1 Pro�lskiss för tappning av vagnar. . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.2 Fotogra� av tapport, med ridå och tapplucka. . . . . . . . . . . . 143.3 Bild över systemet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183.4 Systemdesign 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.5 Systemdesign 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.6 Detaljerad design av styrsystemet, i modulform. . . . . . . . . . . 213.7 Fas-sekvens för fullstegsstyrning av stegmotor. . . . . . . . . . . . 223.8 Tillståndsmaskin FBLoadControl. . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.9 Regulatorstruktur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.10 Visualiseringsprogram, huvudfönster. . . . . . . . . . . . . . . . . 283.11 Visualiseringsprogram, förändring av pro�l. . . . . . . . . . . . . 293.12 Tågstyrningselektronik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.13 Drivning av stegmotor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.14 Test av laserscanner. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

FIGURER x

Kapitel 1

Introduktion

1.1 InledningDetta examensarbete handlar om att utveckla ett system för överordnad över-vakning av fjärrlastningen av förarlösa tåg under jord i LKABs Kirunavaaragruva.

Övervakningen av fyllnadsgraden sker med hjälp av avancerade sensorteknikoch ett regler- och övervakningsprogram i en dator. Lastningspro�lens förän-dring skall avläsas och beräknas och den förväntade framtida förändringen skapredikteras, på en sådant sätt att regulatorn kan kompenseras och överfyllnadförhindras. Optimal, d.v.s. maximal fyllnadsgrad, utan spill skall eftersträvas.

Detta arbete är också en del av ett större arbete i syfte att utveckla metoderoch funktioner för att kunna ansluta nya avancerade givare till reglersystem ochdatabaser.

Arbetet omfattar också undersökning av möjligheterna att hitta en metodsom medger att avancerade problem i produktionsanläggningen skall kunna tes-tas i en testrigg eller genom simulering.

1.2 Bakgrund och syfteSyftet med att utveckla ett överordnat vagnöverfyllnadsskydd är att hindraatt vagnar överfylls och malmstenar ramlar ur vagnarna med tågurspårningoch stora kostnader som följd. Samtidigt är det ur produktions- och ekonomisksynpunkt viktigt att vagnarna lastas så fulla som möjligt.

Fjärrlastningen av vagnarna utförs i samband med att tåget passerar underett schakt med en hastighet av ca 1 km/h. Schaktet är cylinderformat hål därmalm �ödar ner. Längst ner i schaktet sitter en tapp som kontrollerar �ödetner i vagnarna. I dagsläget sitter lastoperatörer och fjärrstyr dessa tappar frånett kontrollrum �era kilometer bort. Lastoperatörerna försöker fylla vagnarnamaximalt och därför �nns det hela tiden en stor risk att vissa vagnar överfylls.Genom att komplettera lastningssystemet med ett överordnat överfyllnadsskydd

1.3 Mål och begränsningar 2

kan risken för överfyllnad, spillsten och urspårning minimeras. Systemet skullealternativt kunna utföra hela lastningsprocessen automatiskt, genom att kon-trollera tapparna.

Detta system är icke-trivialt. Idén till systemlösning är att med avanceradmätutrustning kontinuerligt mäta, beräkna samt prediktera den framtida fyll-nadsgraden eller lastpro�l, förändringen av malm i vagnarna och därefter styra�ödet till vagnen med hjälp av tappen.

Regleringen av tappen sker med hjälp av en reglermodell i en dator somgenom be�ntliga styrsystemet styr tappläppen upp och ner.

Systemet bör också kunna hantera olika driftsituationer och störningar somt.ex. skut (stora malmblock), häng i tappen, tåget kan stanna, tågets hastighetkan förändras, �ödet i tappen kan ändras samt många �er.

1.3 Mål och begränsningarTre typer av mål sattes upp för arbetet:

• Funktionella mål:

1. Att undersöka om denna typ av system kan lösa uppgiften.2. Att utveckla en fysisk testrigg som demonstrerar hur systemet skulle

kunna fungera.3. Att systemet ska kunna klara av olika typer störningar.

• Tidsmål:

1. Att vara färdig med förstudien, etapp I den 2 juli 2004.2. Att vara färdig med design och förberedelser, etapp II den 17 augusti

2004.3. Att vara färdig med implementeringen, etapp III den 15 oktober 2004.4. Att vara färdig med testning, etapp IV den 12 november 2004.5. Att vara klar med rapporten, etapp V den 19 november 2004.

• Ekonomiska mål:

1. Att på avsett antal timmar komma i mål med projektet.2. Att inte förbruka mer kostnader än speci�cerat i budget.

För att de mål som satts upp skulle kunna utföras avgränsades projektet tillatt inte innehålla följande:

• Datorsimulering av hela systemet i Matlab/Simulink.

• Testning av systemet i verklig miljö.

Kapitel 2

Bakgrund

Arbetet har till stor del utformats kring användning av två verktyg. De är såpass viktiga för arbetet att användandet av de är beskrivna i detalj. Det förstaär en laserscanner och det andra är en industridator med tillhörande mjukvara.De är båda av fabrikatet SICK och är gjorda för att arbeta med varandra. Vissteori för principen för laserscannrar �nns även beskrivet i avsnittet nedan.

2.1 SICK LMS 200SICK LMS 200 är en laserscanner tillverkad av det tyska företag SICK AG ochär en två-dimensionell avståndsmätare. Den bygger på Time-of-Flight principen,beskriven nedan, och kräver inga re�ektorer eller positionsmarkeringar. SICKtillverkar ett �ertal olika typer av LMS och 200-modellen är en inomhusvariantmed en räckvidd på 80 m. LMS 200 mäter av ett 180◦ brett område genom attden har en roterade spegel som laserstrålen riktas mot. För detaljer kring LMS200, se [6].

2.1.1 Time-of-FlightTime-of-Flight är kortfattat ett sätt att mäta avstånd med hjälp av laserstrålar.En laserstråle skickas ut från en sändare för att mäta ett avstånd mellan sän-daren och ett objekt. Om strålen trä�ar objektet kommer laserljus att re�ekterastillbaka från objektet till en mottagare som sitter på samma plats som sändaren.

Avståndet kan sedan mätas genom att tiden registreras både när strålenskickades iväg och när mottagaren kunde registrera att strålen re�ekterades påobjektet. När tiden är beräknad kan den multipliceras med ljusets hastighet ochpå så sätt beräknas avståndet mellan sändaren/mottagaren och objektet.

Själva principen för detta är relativt enkel. Det �nns dock ett antal prob-lem som gör att Time-of-Flight inte alltid fungerar. För det första måste detvara fri sikt mellan mätutrustningen och objektet. Ett annat problem är attobjektet man ska mäta mot måste kunna re�ektera tillräckligt med ljus för att

2.1 SICK LMS 200 4

mottagaren ska kunna uppfatta re�ektionen. En väldigt svart yta, t.ex. svartbillack har endast 5% re�ektion enligt KODAK standarden. Objekt med lågre�ektionsgrad gör att maximala avståndet man kan mäta dessa på sjunker av-sevärt. Det bästa är att utrusta mätobjekten med en speciell re�ektionstejp,som ger väldigt höga re�ektionsvärden. En laserscanner som kan mäta objektmed re�ektionstejp på över 250 m avstånd kan bara mäta avståndet till en svartbil på 25 m.

Något som också påverkar mätningar är strukturen på objektets yta. Omstrålen är riktad mot ett objekt som har en struktur som inte är likformad kanstrålarna re�ekteras i en mängd olika riktningar. Detta påverkar även avståndeteftersom energin i ljuset som re�ekteras minskar när inte det re�ekterade ljusetär riktat tillbaka mot sändaren.

2.1.2 Mätningar och användningsområdenI normalläge levererar LMS 200 180 stycken mätvärden för ett varv, d.v.s. ettmätvärde per grad. Man kan även få enheten att ge ut mätvärden på halvgraderoch kvartsgrader. Detta leder till att man kan få ut upp till 720 mätvärden påett enda varv.

Figur 2.11 ger en förklaring av sättet den fungerar på. Spegeln står i läge0, �rst value i �guren, och laserstrålen aktiveras. Strålen trä�ar objektet ochljuset re�ekteras på objektet. Detta ljus studsar tillbaka från objektet på spegelnoch till mottagaren i LMS enheten. Tiden mäts och avståndet räknas framenligt tidigare beskrivning. Sedan för�yttas spegeln ett steg till vänster ochmätningsprocessen börjar om igen.

Figur 2.1: Förlopp av ett varv för LMS 200

Användningsområden och möjliga applikationer för en LMS 200 är väldigtmånga och kan delas upp i tre huvudområden:

• Mätning av objekt.1Figur 2.1 är hämtad från [6].

5 Bakgrund

• Positionsbestämning.

• Övervakning av områden.

LMS 200 kan som sagt mäta upp till 80 m, men avståndet mellan varjeindividuell laser, se �gur 2.1, varje �stråle� blir bredare och bredare ju längrebort från utgångspunkten man kommer. Det gör att precision minskar, vissamindre objekt riskerar man att helt missa. Eftersom laserpunkten ökar i storlekmed avståndet, kan man trä�a �era objekt samtidigt och inte få det önskaderesultatet.

2.1.3 AnslutningarLMS 200 ansluts normalt med seriekabel till en PC eller annan utrustning somstödjer RS 232/RS 422, för att överföra och tolka informationen. För realtids ap-plikationer måste dock RS422 användas för att garantera ett tillräckligt snabbtdata�öde. Datat skickas ut i binär format och informationen kan hämtas genomatt �telegram� skickas mellan sändare och mottagare. För mer information omtelegram, se avsnitt 2.2.3. Hastigheten på kommunikationen kan vara från stan-dardläget på 9.600 Baud upptill en 1 MBaud, och inställningen sker i mjukvara.

2.2 SICK LMI 200SICK LMI 200 är en industridator tillverkad av SICK. LMI står för Laser Mea-surement Interface, där 200 innebär att den har två ingångar för LMS laser-scannrar. Den är speciellt anpassad för att användas tillsammans med just LMSlaserscannrar. Vid de �esta tillämpningar mäter en LMS avståndet till ett ob-jekt och datat från LMS skickas över till LMI som tolkar informationen ochskickar ut värden på en eller �era av utgångarna. Utgångarna kan sedan varakopplade till t.ex. en robot, PLC eller en motor samt även till en PC för attpresentera mätdata eller lagra information i en databas, se �gur 2.2. Exempelpå tillämpningar av ett system med LMI och LMS är följande:

• Mätning av volym på ett lastband.

• Positionering.

• Klassi�cering av objekt, t.ex. fordon.

• Säkerhetsbedömningar, t.ex. vid för�yttning av kranar.

Tillsammans med LMI 200 �nns även en mjukvara, MST 200, MeasurementSoftware Tool, som kan användas för att antingen bygga en mätningsapplika-tion genom ett gra�skt gränssnitt eller genom att skriva egna moduler, s.k.funktionsblock, som kommunicerar med ett förde�nierat programskal.

Den viktigaste informationen gällande hantering av LMI 200 och MST 200�nns i följande stycken medan exakta detaljer �nns beskrivna i [5], [4], [8].

2.2 SICK LMI 200 6

Figur 2.2: Mätningssystem med LMI 200

2.2.1 Hårdvarustruktur

LMI 200 har två grundpelare, en Siemens C167 mikrokontroller och en Inteli960 mikroprocessor. Mikrokontrollern kommunicerar med laserscannrarna ochde övriga in- och utgångarna. Mikroprocessorn kan inte kommunicera direkt medin- och utgångarna utan all kommunikation sker via mikrokontrollern genom attläsa och skriva till ett gemensamt minne, DPRAM. Utöver digitala och analogain- och utgångar samt två RS 422 ingångar för sensorer, �nns det även tvåserieportar RS 232. En av dessa kan användas till debuggning av enheten medanden andra används för överföring av data, t.ex. för visualisering av mätdata.Strukturen �nns beskriven i �gur 2.32.

2Figur 2.2 och 2.3 är hämtade från [5].

7 Bakgrund

Figur 2.3: Översikt av LMI 200.

2.2.2 Programmering med mjukvaran MST 200Det �nns ett �ertal olika sätt som mjukvara till LMI200 kan skapas på. Detvå vanligaste bygger på MST 200 och där man antingen använder färdigbygg-da funktionsblock som kombineras ihop på ett lämpligt sätt rent gra�skt ellergenom att egen mjukvara utvecklas tillsammans med förde�nierade funktionersom följer med. Båda sätten har sina för- och nackdelar, men främst är detkomplexiteten i systemet som fäller avgörandet mellan dom. Om systemet ärrelativt enkelt kan det räcka att använda den gra�ska metoden som även harfördelen med en kortare utvecklingstid. Däremot kan det vara svårt att bygga ettkomplicerat system gra�skt. Så när man kan bör man bygga systemen gra�skt.

När utveckling av mjukvara och kon�gurering är utförd kompileras de till enexekverbar �l. Denna överförs till LMI där mikroprocessorn kan exekvera koden.Följande stycken beskriver hur ett system där egna funktionsblock skapas ochläggs till i en struktur.

Funktionsblock

Tanken med funktionsblocken är att dela upp informationshantering i systemet.Vid uppstart av systemet anropas samtliga blocks Start() metoder, där t.ex.reservering av hårdvarubaserade in- och utgångar kan ske. Ett funktionsblockhar en eller �er �virtuella� ingångar och utgångar. När ny information �nns på

2.2 SICK LMI 200 8

samtliga ingångar behandlas informationen i blockets OnCalculate() metod.Där sker samtliga beräkningar som blocket gör och när den är klar med dettaöverförs data till blockets utgångar. Detta leder till att ett nytt block kan påbörjasina beräkningar.

Ett sådant informationshanteringsförlopp påbörjas när ny information kom-mer in från en sensor, d.v.s. en laserscanner, med ett kontinuerligt intervall.Informationen från sensorn skickas över till en ingång i ett funktionsblock, varsOnCalculate() behandlar informationen från sensorn. Förloppet fortsätter tilldet sista blocket i kedjan, där vanligtvis en eller �era hårdvaru-utgångar haraktiverats under vägen.

Egna funktionsblock skrivs i C++ där blocket ärver ett antal förde�nier-ade klasser. Blocket måste implementera ett antal metoder, bl.a. de tidigarebeskrivna Start() och OnCalculate().

Dataobjekt

Informationen som skickas mellan funktionsblocken måste följa ett visst for-mat innan det kan skickas. Allt data måste vara av objekt vars klass ärverLMIDataItem. LMIDataItem innehåller metoder som används när datat ska över-föras, det är endast en pekare till data som skickas. När ett funktionsblock harbehandlat datat måste det antingen tas bort eller skickas vidare. LMI 200's min-neskapacitet är kraftigt begränsad, heapen3 har endast 80 Kb tillgängligt minne.Detta kommer att �ätas up� väldigt fort, eftersom upp till 100 nya mätvärdenkan komma in per sekund.

Kon�gurering och exekvering

När samtliga funktionsblock är färdigskrivna måste de kopplas ihop på ett visstsätt. Det nya systemet beskrivs i en �l vid namn Defaultconfig.cpp, somegentligen är en textbaserad beskrivning av �gur 2-2. Den håller reda på samtligablock i systemet, deras sammankopplingar samt viss kon�gureringsinformationom laserscannrarna.

Kon�gurerings�len används sedan när systemet startar upp. Alla funktions-blocks Start() metoder måste returnera ett OK innan mätningsprocessen kanpåbörjas. Själva hanteringen att förmedla data mellan de olika blocken skötsautomatiskt av redan förde�nierade funktioner som följer med mjukvaran. Det-ta baserar sig på en tillståndsmaskin, som bl.a. innehåller en kö med funk-tionsblocks objekt. Objekten läggs till i kön när alla dess ingångar innehållerdata. När det objekt som står längst fram i kön ska exekveras anropas dessOnCalculate() metod och objektet tas bort ur kön.

När systemet tas ur drift anropas samtliga Stop() metoder, innan mät-ningsprocessen avslutas.

3Heap är den del av internminnet där dynamiska datastrukturer lagras.

9 Bakgrund

KompileringKompilering av systemet sker med hjälp av en version av GCC för Intels i960,gcc960. Tillsammans med MST 200 följer kompilator med make-�l samt pro-gramvara för debuggning av systemet. När den exekverbara �len för LMI skapasmåste även de förde�nierade funktionerna till systemet länkas med i �len. Det�nns endast header-�ler för dessa, själva koden för dem �nns ej med i program-paketet.

Överföring av programkod och debuggingDet �nns två sätt att föra över den exekverbara �len till LMI 200. Ett sätt somanvänds vid drifttagning av system för LMI 200, samt ett sätt vid utvecklingoch testning av systemen. Vid drifttagning används COM-porten på LMI till-sammans med en speciell adapter som kopplas mellan kabeln och porten. Dettagör man för att särskilja normal drift från uppdatering av programvaran, efter-som samma port används till att överföra mätvärden och annan information.När LMI är ansluten används programmet BSL som hanterar överföringen avprogramvaran.

Debuggningen av systemet sker med hjälp av en specialgjord variant avGDB960 som i sin tur bygger på GNUs standard debugger GDB. Denna versionheter SICK960 och som innehåller förutom debuggningsmöjlighet även över-föring av programkod. I detta fall sker det genom en annan serieport som sitterdirekt på kretskortet på LMI. Ena sidokåpan måste skruvas bort och genom enadapter mellan kortet och seriekabel kan en vanlig PC anslutas. Denna adapterkan i sin tur ställas i två lägen, kör- och debugläge. När kabeln väl är ansluten,kan data överföras från SICK960. Därefter kan programmet debuggas på lik-nande sätt som i GDB.

2.2.3 Kommunikation med LMI för visualiseringLMI är en industridator och har inga möjligheter att visa den mätinformationensom den behandlar på ett visuellt sätt. Det är dock ofta önskvärt att förmedlasådan information och detta genomförs då följande sätt. Till LMIs COM-portkan en PC anslutas för att visualisera datat.

Överföringen av informationen mellan PC och LMI sker genom att s.k. �tele-gram� skickas. Telegrammen används för all typ av kommunikation, både för in-ställningar och kon�gurering samt överföring av mätvärden. Telegrammet bestårav följande data: start, adress, längd på data, typ av enhet, kommando, data,status samt CRC. Handskakning sker mellan sändare och mottagare innan kom-munikationen initieras. Detaljer kring hur telegram skickas samt alla typer avtelegram �nns beskrivet i [7]. På samma sätt som telegram skickas mellan PCoch LMI skickas även telegram mellan LMI och LMS, när mätvärden ska över-föras från laserscannern.

COM-porten klarar av både RS 232 och RS 422. Tack vare stödet för RS 422kan kommunikationshastigheten uppgå till 1 MBaud. Detta gör att utvecklingav applikationer med real-tids krav underlättas.

2.2 SICK LMI 200 10

En annan möjlighet för överföring av information till och från LMI är attanvända BUS-porten. Till denna port kan utrustning som stödjer RS 485 ellerCAN anslutas och även PC. COM-porten är dock i första hand tänkt som portenför visualiseringsdata.

Kapitel 3

Metod och resultat

Arbetet att bygga upp lastningssystemet delades från början upp i fyra fasereller etapper, där varje fas skulle vara färdig innan nästa påbörjades. Fasernavar:

1. Förstudie.

2. Förberedelse och design.

3. Implementation.

4. Testning.Den första fasen var en förstudie som innehöll planering, undersökningar

och en första systemlösning. Etapp nummer två var förberedelse och design. Deförberedelser som var nödvändiga var att besluta om hur själva testanläggningenskulle se ut och fungera samt en detaljerad design av styrsystemet. Den tredjefasen var implementationen av systemet. Programmering av systemmoduler ochreglering ingick i denna fas. Sista fasen var testningen av systemet. Här ingickatt utföra tester på både modul- och systemnivå för att säkerställa att systemetklarade av att utföra uppgiften även vid olika typer av störningar.

3.1 FörstudieTanken med denna första del var att planera för det kommande arbetet. Vadsom skulle krävas för att kunna lösa denna uppgift. Identi�era de olika delarnai systemet. Den process systemet är tänkt att ersätta eller komplettera är kom-plex. För att få en uppfattning om hur det verkligen fungerar gjordes därför ettstudiebesök på anläggningen hos LKAB.

Någon form av utrustning skulle krävas för att mäta fyllnadsgraden eller last-pro�len. En marknadsundersökning gjordes därför för att hitta lämplig utrust-ning på marknaden. Som slutdel i förstudien gjordes ett antal olika system-lösningar varefter beslut om vilken lösning och vilka komponenter som skulleanvändas.

3.1 Förstudie 12

3.1.1 PlaneringDet första som gjordes var att ta fram en projektde�nition. Denna de�nitioninnehöll information om projektet, vad det skulle göra och vem som skulle göravad. I huvudsak bestod projektde�nitionen av projektinformation, organisation,budget samt en tid- och resursplan.

I projektde�nitionen fanns det angivet saker som bakgrund, projektidé, måloch avgränsningar, etapper samt olika aktiviteter inom etapperna. Organisa-tionsdelen innehöll information om vilka personer som var inblandade i arbetetoch deras uppgifter. I detta fall har författaren de �esta rollerna, men rentgenerellt är det bra att ta fram en sådan speci�kation. Budgetdelen speci�cer-ade vilka intäkter och kostnader projektet hade. Intäkter fanns det inga, menkostnadsdelen bestod av personalkostnader, mätutrustningen samt material tilltestanläggningen. Tid- och resursplanen innehöll information om planerad längdpå alla aktiviteter, slutpunkt för etapperna samt vilka resurser som fanns inomprojektet.

3.1.2 Studiebesök LKABStudiebesök gjordes nere i gruvan i Kiruna för att på plats se hur anläggningenser ut och fungerar. Lastmaskinerna fyller schakten med malm och gråbergsom sprängts lös och längst ned i schaktet �nns en tapplucka som operatörernafjärrstyr. Tåget passerar tappluckan och operatörerna öppnar och stänger denför att fylla vagnarna med malm. Figur 3.1 visar en pro�lbild hur tappning ischakten och lastningen av vagnarna går till.

Under besöket visades anläggningen både ovan jord, där operatörerna sitteroch fjärrstyr samt under jord, nere i gruvan där vagnarna lastas. Bild 3.2 visarhur en tapport ser ut, med en ridå som håller emot materialet ligger i schak-tet och tappluckan som styr �ödet ner till vagnarna. Tomma vagnar kan ävenskymtas i nederkant av bilden.

Det kunde snabbt konstateras under det korta besöket att det �nns ett be-hov av ett överfyllnadsskydd och åtminstone delvis automatisk lastning. Mankunde observera att ett �ertal vagnar gick halvtomma samt att det blev mindreöverfyllnader. Detta bekräftades även av Nils Edeblom, ansvarig för fjärrlast-ningen på LKAB.

3.1.3 MarknadsundersökningMarknadsundersökningen hade som syfte att ta fram information om mätutrust-ning som skulle användas i projektet. Ett antal krav ställdes på utrustningen.Den skulle klara av att mäta och avgöra hur lastningspro�len i vagnen ändrades.Två alternativa system framtogs. Den första, en avståndsmätande laserscannermedan det andra alternativet var en digital videokamera.

13 Metod och resultat

Figur 3.1: Pro�lskiss för tappning av vagnar.

Avståndsmätande laserscanner

De laserscannrar som studerades mäter avstånd genom en teknik som kallasTime-of-Flight. De laserscannrar som är intressanta är de som är två-dimensionellaoch en sådan laserscanner �nns beskrivet i avsnitt 2.1. Vad som även är viktigt,både för laserscannrar och videokameror, är att de klarar av att användas i enmiljö med mycket damm i luften. När malmen kommer ned från schakten, följerdet även med en hel del damm, och detta är viktigt att inte mätutrustningenpåverkas av detta.

Digital videokamera

En digital videokamera som levererar bilder som data av hur lastpro�len ser utvar också ett alternativ.

Fördelen med en sådan datakälla är att kameran hela tiden ser hur lastenär fördelad i hela vagnen, inte bara vid ett visst läge som laserscannern ser.Problemet är dock att kunna analysera datat som kameran levererar. Dettaskulle kräva avancerad bildanalys och ställa höga krav på analysprogramvaran.

3.1 Förstudie 14

Figur 3.2: Fotogra� av tapport, med ridå och tapplucka.

Val av mätutrustning

Valet av utrustning föll på laserscannern eftersom dessa ger klara tydliga värdenvad lastpro�len har för höjd, vid en viss tidpunkt. Dessa värden kan sedananvändas för att beräkna hur pro�len förändras.

Datat som en videokamera levererar skulle vara svårt att använda för attstyra fyllningen av vagnarna eftersom de levererar mycket information som kanvara svårt att tolka.

En annan fördel är just att laserscannrar ska vara mindre känsliga mot dammi luften, åtminstone enligt de speci�kationer som tillverkarna av scannrarnaanger. Egentligen vore det bästa om man skulle göra fälttester, av både laser-scannrar och videokameror för att få en bättre uppfattning av vilken som ärbäst lämpad, men i detta arbete fanns inga sådana möjligheter, utan beslutet�ck tas med en viss �magkänsla�.

3.1.4 SystemlösningarSystemet är tänkt att kortfattat, fungera enligt följande: Laserscannern ocheventuellt en positionsgivare tar in data och levererar detta till styrenheten.Styrenheten läser in datat och tar fram fyllnadsgraden, både genom att mäta


den nuvarande och uppskatta den kommande. I enlighet med den regleras tappensom sitter på lastanläggningen.

I systemet ingår det därför fyra huvudkomponenter.

• Laserscanner.

• Positionsgivare.

• Styrenhet.

• Lastanläggning.

Var och en av dessa beskrivs i följande stycken.

Laserscanner

Under marknadsundersökningen framkom två alternativ till roterande laserscan-rar. De liknar varandra och fungerar på ungefär samma sätt. Det som skiljerde åt är programvara, mätavstånd samt förmodad kvalitet. Tanken är inte attlaserscannrarna bara ska användas i testanläggningen som byggs upp utan äveni verkligenheten. Därför blir även mätavståndet viktigt.

De två alternativen som togs fram var:

• SICK LMS 200

• Leuze Rotoscan ROD-4

Programvaran i systemen är viktig eftersom den underlättar att bygga uppsystemet på kort tid. I SICKs produkt �nns det en speciell mjukvara till LMS en-heterna som underlättar detta. Den förenklar bl.a. användandet av två kamerori samma system och vid visualisering av indatat. För Leuze fanns det ingensådan programvara, utan till det medföljder endast drivrutiner till scannern.

När det gäller mätavståndet klarar SICKs scanner upp till 80 m, medanLeuze klara femton meter. Femton meter är dock tillräckligt och därför är de tvålikvärdiga på detta krav. Man bör dock ha i åtanke att dessa två-dimensionellalaserscannrar tappar i precision när avståndet ökar.

Kvaliteten är väldigt viktigt i denna typ av system. SICK är ett känt namnmed ett rykte om att klara av �tu�a� miljöer. Deras produkter har tidigareanvänts i andra system. Leuze är mer okänt och obeprövat. Därför känns derassystem mer riskabelt.

SICKs utrustning blev den som valdes till projektet. Inte bara därför att deär ett välkänt märke, men även för att de har en mer avancerad och innehållsrikprogramvara.

3.1 Förstudie 16

Positionsgivare

En positionsgivare kan komma att behövas för att se när vagnarna kommer iläge för att börja fyllas. Denna givare skickar en signal till styrenheten, som dåkan börja reglera lasten i vagnarna.

Positionsgivare kan utgöras av en fotocell som har en sändare och en motta-gare. Sändaren �nns monterad uppe vid tappen och mottagaren �nns monteradpå början av vagnen. När de två får kontakt med varandra vet styrenheten attden kan börja reglera.

Ett annat alternativ vore att laserscannern kunde användas som positionsgi-vare. Detta är att föredra, både på grund av att systemet blir mindre komplextsamt om det realiseras i verkligheten, så blir underhållsbehovet mindre.

Styrenhet

Styrenheten är själva hjärtat i systemet. Den tar in informationen från scan-nrarna, analyserar den och utför beräkningar på datat och skickar sedan utstyrsignaler till elmotorn.

Det fanns två alternativ. Antingen kan styrenheten vara en vanlig PC ellerså kan den utgöras av en LMI, Laser Measurement Interface, beskrivet i 2.2.

LMI kan programmeras från en vanlig PC och via serieport överförs LMIsprogramkod som ska exekveras. Om en LMI används har den alla nödvändi-ga portar för kommunikation med laserscanner, positionsgivare samt styrningav tapp. Det andra alternativet är att använda en vanlig PC som styrenhet.Den behöver då utrustas med RS422 ingångar för laserscanner, ingångar föreventuella positionsgivare och utgång för tappstyrning. Styrningen av tappenkan eventuellt göras med den inbyggda RS232.

Valet av styrenhet blev att använda en SICK LMI200. Dels för att den äranpassad för att användas tillsammans med SICKs laserscannrar, men även föratt den från början har alla nödvändiga kommunikationsmöjligheter. En annanfördel med LMI är att den har ett enkelt operativsystem där styrprogrammetinte behöver dela processortid med andra processer och systemapplikationer.

Nackdelen är att visualisering av mätdatat blir mer komplicerat än om mananvänder en PC. Informationen måste överföras via serieport till en extern datorsom får visa upp datat i form av gra�k, istället för att det är samma dator somgör styrningen och visualiseringen.

Lastanläggning

Den sista delen av systemet är en lastanläggning som har en behållare med mate-rial och en lucka som ska fylla upp vagnar som passerar under den. Styrsystemetska öppna och stäng tappluckan och därmed styra �ödet ner i vagnen. Dennalucka kopplas samman med en elmotor. Motorn och tillhörande elektronik måstekunna kontrollerar den nuvarande positionen och kunna välja en ny position tillluckan för att kunna ge önskad pro�l på innehållet i vagnen.


3.2 Förberedelser och designArbetet innehöll från början en mängd praktiska frågor som var tvungna attlösas innan själva utvecklingen av systemet kunde påbörjas. Hur skulle tes-tanläggningen se ut, vilka var komponenterna i den, hur skulle delarna se ut?

En av de svåra uppgifterna i arbetet var att lösa problemet hur systemet skakunna hantera de olika styckestorlekarna. Många timmar lades ned på designoch diskussion med handledare hur detta skulle lösas.

Ett annat problem som skulle lösas var hur systemet skulle agera när detinte kommer något material, trots att luckan är tillräckligt öppen. Detta kanförorsakas av två anledningar. Det kan antingen helt enkelt vara så att det inte�nns något mer material i behållaren eller schaktet. Eller så kan det ha blivit"häng", dvs. materialet har fastnat i behållaren.

Innan systemets detaljer redovisas kommer en genomgång för hur systemetser ut idag, och hur ett motsvarande system i datormiljö skulle kunna komplet-tera eller ersätta dagens system.

3.2.1 Dagens system vs. datorbaserat systemTanken med detta system är det ska kunna komplettera eller ersätta en uppgiftsom utförs av människor. Om detta ska kompletteras eller ersättas av en datormåste man förstå hur det fungerar i dagsläget. Därför följer en kort genomgånghur det går till när operatörerna i dagsläget utför denna uppgift.

Vagnslastning av operatörEn person som utför en lastning i den be�ntliga anläggningen har två hjälpmedelför att utföra sin uppgift. En monitor som visar processen, �lmad med envideokamera och en joystick för att styra lucköppningen.

När vagnen kommer in för lastning, ser operatören detta på skärmen och denblir därmed personens insignal. Vagnen som ska fyllas är tom och operatörenanvänder joysticken för att öka �ödet till vagnen. Eftersom han/hon ser attlasten för tillfället är skild ifrån hur lasten bör se ut ökas �ödet till vagnen tillsoperatören är nöjd och minskar då �ödet. När vagnens slut närmar sig minskas�ödet till att helt upphöra då luckan stängs.

Vagnslastning av datorNär datorn ska utföra denna process, går det till på ett liknande sätt. Istället föratt det är en videokamera som är kopplad till en skärm som operatören tittarpå, gör laserscannern motsvarande jobb.

Nästa uppgift är att tolka informationen. Operatören gör en bedömningav lastpro�len och hur mycket material som kommer från schaktet. Detta ärsamma sak som styrsystem ska göra. Skillnaden blir då att det hela går såmycket snabbare för styrsystemet mot operatören. Operatören har en relativtlång fördröjning mellan att han har upptäckt att det kommer för mycket ellerför lite material ner i vagnen. Denna tid är mycket kortare för styrsystemet.

3.2 Förberedelser och design 18

Fördelen för operatören är att han kan se högre upp i schaktet och på tap-pluckan, medan en laserscanner bara tittar i vagnen. Eventuellt skulle en laser-scanner som tittar på materialet redan på tappluckan behövas.

3.2.2 Fysisk testriggDen fysiska testanläggningen kom att bestå av två huvuddelar. Ett tåg medlok och vagnar som ska lastas samt en lastanläggning. Lastanläggningen skainnehålla en behållare med material och en tapplucka som fyller på vagnarna sompasserar under den. Figur 3.3 visar en bild över systemet, med lastanläggning,tåg och vagn, laserscanners, styrdator samt elektronikbox.

Figur 3.3: Bild över systemet.

TågTåget består av ett lok och två vagnar. Loket och vagnarna är av märket Märklinoch serien 1. Detta är den större serien som Märklin säljer och har en spårviddpå 45 mm. Loket drivs av en likströmsmotor vars inspänning överförs genomrälsen. Signalen till loket, är sinusformad och har ett topp till topp värde påmaximalt 48 V. Internt i tåget omvandlas växelspänningen till en likspänningsom motorn arbetar mot.


LastanläggningLastanläggningen består av en behållare för materialet som ska lastas och enlucka som sitter längst ned i behållaren. Behållaren står på två ben över rälsenmed luckan i mitten. På ena sidan av behållaren sitter en motor som är koppladtill luckan. Från motorns axel går en lina mellan axeln och luckan. Linan rullasupp och ner på axeln vid för�yttning av luckan. Öppningstiden för luckan liggerpå ungefär 1 s mellan helt stängt till helt öppen.

Behållaren är designad så att allt material inte kommer att belasta luckan.Längst ner i behållaren �nns två skivor som även de minskar trycket mot luckan.På luckan sitter det två skivor som har samma lutning som de i behållaren, ochlägger sig under skivorna i behållaren när luckan stängs. Deras uppgift är attstyra �ödet ner i vagnen. Denna konstruktion har byggts av Una's Alltjänst iKiruna.

3.2.3 Övergripande design av systemetOm systemet skulle liknas med en svart låda skulle insignalerna vara datatfrån laserscannern samt användarens val i kontrollpanelen. Systemets utsignalerskulle vara styrningen av tåget och dess hastighet samt luckans position. Se �gur3.4.

System Laserscanner

Användare

Tåg

Stegmotor/Lucka

Figur 3.4: Systemdesign 1.

Om man bryter upp lådan i mindre delar bildar det �gur 3.5. Den bestårav en låda som innehåller styrsystemet med dess programkod, användargrän-snittet samt elektroniken som styr tåget och luckan. Styrsystemet med dessprogramkod innehåller ett antal moduler med diverse uppgifter. Den viktigastedelen är regualtorn som styr pro�len i vagnen genom att styra tappluckansöppningsgrad. I styrsystemet skapas ett börvärde, alltså önskad pro�l, och ettärvärde, nuvarande pro�l i vagnen. Dessa skickas sedan till regulatorn. Ett an-vändargränssnitt �nns också för styrning, som även ritar upp den nuvaranadepro�len av lastningen samt den önskade pro�len. Elektroniken i systemet bestårav två huvuddelar, en för att styra tåget samt en för att styra lucka, bådemanuellt och automatiskt.

3.2.4 Design av styrsystemetDesignen av styrsystemet är gjort i enlighet med SICKs programvara MST 200och som �nns beskrivet i 2.2.2 på sidan 7. Det består av ett antal moduler

3.2 Förberedelser och design 20

Elektronik,

stegmotor

Styrsystem

Elektronik,

tåg

Visualiserings-

program

Laserscanner

Användare

Tåg

Stegmotor/Lucka

Figur 3.5: Systemdesign 2.

eller funktionsblock, enligt metoder och exempel i [2] och [3]. En schematiskbild över systemet visas i �gur 3.6. En kortfattad beskrivning av de olika delarnföljer nedan, medan detaljer �nns i implementationsavsnittet, 3.3.1.

FBSensorData1 och 2 tar in informationen från scannrarna. FBLoadCon-trol kontrollerar om någon vagn kommit in och när en lastning pågår beräknarFBPro�leInfo vart i vagnen lastningen är.

FBCalcRefSignal beräknar börvärdet och FBCalcInputSignal skickar ärvärdettill FBRegulator, som är den modul som innehåller regleringen av tappluck-an. FBMotorControl sköter sedan styrningen av tappluckans motor och tågetshastighet.

Regulatorn är tänkt att fungera på följande sätt: Börvärdesmodulen, FBCal-cRefSignal, bygger upp en linje som är den lastpro�l som är önskvärd. Det ärsedan regulatorns uppgift att följa denna linje. Regleringen, som är återkopplad,får in information om nuläget genom ärvärdesmodulen, FBCalcInputSignal. Lig-ger nuvarande pro�l under önskad linje, måste luckan öppnas mer så att mermaterial kan �öda ner i vagnen och minskas när nuvarande pro�l ligger överlinjen. Detta kommer att leda till att regulatorn svänger runt denna linje underhela lastprocessen. I användargränssnittet �nns det sedan möjlighet att påverkautseendet på linjen, för att skapa önskad pro�l.

3.2.5 Stegmotor och styrelektronikDen elektriska motorn som ska driva luckan upp och ner är av typen stegmotor.Det innebär att motorn tar korta steg istället för att rotera kontinuerligt somen vanlig likströmsmotor gör. Det gör att en precis positionering av motornsvridningsvinkel kan utföras, genom att skicka lämpliga styrsignaler till den. Detpassade användningsområdet utmärkt, eftersom en stegmotor även har ett håll-moment som kan hålla luckan på plats, när inte motorn rör på sig. En stegmotorstyrs av fyra stycken insignaler, eller faser, där varje fas kan antingen vara aveller på. Genom att styra signalerna efter visst mönster kan motorn röra sig ibåda riktningarna. Ett vanligt sätt att styra motorn är att använda en kombi-natorisk krets, som håller styr signalerna efter ett speci�cerat mönster, se �gur3.71.

Valet stod mellan att bygga en sådan krets som en del av arbetet, eller att1Hämtad från [1] sidan 397.


Figur 3.6: Detaljerad design av styrsystemet, i modulform.

köpa in en färdig krets. Elektroniken för detta är inte speciellt komplicerad,men på grund av att det fanns relativt billiga färdigbyggda kretsar att köpa,där man styr riktning och antalet steg motorn ska ta med fyrkantspulser, köptesen sådan in. Denna styrkrets, en AT-Drives AT-15, arbetar med en spänning

3.3 Implementation 22

Figur 3.7: Fas-sekvens för fullstegsstyrning av stegmotor.

på 24V, både för insignaler och matning, vilket passar bra eftersom det är vadLMI200 också använder. Mer detaljer om stegmotorn och elektroniken �nns iavsnitt 3.3.4.

3.3 ImplementationImplementationen av systemet delades upp i ett antal delar. Under arbetets gångkom det fram förslag att tåget skulle drivas från styrdatorn istället för från entransformator. Därför skapades elektronik för att utföra detta. Luckans positionskulle även styras från datorn. Styrsystemet för LMI 200 som blir själva hjärtati systemet �nns beskrivet i detalj och för att visa upp det data som styrsystemetbehandlar �nns även ett visualiseringsprogram som körs på en extern PC somkommunicerar via ett seriellt gränssnitt.

Efter problem med att reglera tågets hastighet, kom ytterligare en laserscan-ner att användas. Denna mäter avståndet från scannern till sista vagnen i tåget.Avsnitt 3.3.3 beskrivet problematiken.

3.3.1 StyrsystemStyrsystemet, �gur 3.6, får först information från de två laserscannrarna. Detstyr därefter både tappluckan och tåget, och dess struktur kan delas upp i tredelar. Den första delen hanterar insignalerna till systemet, d.v.s. mätdatat frånlaserscannrarna. Del nummer två är de moduler som tolkar informationen frånscannrarna, och förbereder för styrning av enheterna. Den sista delen är kon-trollen och styrningen av tåget och luckan. Delarna är beskrivna i detalj nedan.

Styrsystemets insignalerDen första delen av styrsystemet består av följande moduler:

• FBSensor1

• FBSensor2

• Användargränsnitt


• FBSensorData1

• FBSensorData2

• FBParamters

FBSensor1 är porten in för laserscanner #1. Denna scanner är den som skaövervaka pro�len i vagnen. Informationen från scannern kommer in till dennamodul som rådata. Modulen begränsar även mängden data som den får in. Nor-malt levereras samtliga mätvärden från 0 till 180◦. I detta fall är alla dessavärden inte intressanta. Därför tas endast värden mellan vinklarna 86 till 95◦med, det är mellan dessa grader som laserstrålarna trä�ar vagnen, från detavstånd på ungefär 50 cm till vagnen som laserscannern är monterad på. Be-gränsningen av information görs genom att en intern modul som heter PtoXYutnyttjas, som har två inställningar. En för startvinkel och en för stoppvinkel.Mätdatat som ligger mellan dessa vinklar behålls, medan resten förkastas.

De mätvärden som är kvar skickas sedan vidare till FBSensorData1. Dennamodul kompletterar mätdatat med medelvärde och standardavvikelse. Modulen�ltrerar även bort mätdata som inte är rimligt, t.ex. mätvärden som har ettvärde som är högre än det högsta möjliga värdet, i detta fall större än 500 mm.

FBSensor2 har samma funktionalitet som ettan men arbetar mot laserscan-ner #2. Den scannern används för att mäta vid vilken position i vagnen somlastningen be�nner sig vid, mer om detta i 3.3.3. FBSensor2 �ltrerar bort merdata än FBSensor1, datat som �nns kvar är mellan 88 till 92◦. FBSensorData2funktionalitet är identisk med FBSensorData1, det enda som skiljer de åt ärvilka moduler de är anslutna till.

Användargränssnittet är den del av systemet som användaren kan påverka.Där ingår val av pro�l och tågets hastighet, bl.a. Detta �nns beskrivet i avs-nittet om Visualiseringsprogrammet, stycke 3.3.2. När användaren gör ett val,antingen av pro�l eller tåghastighet, skickas information från gränssnittet till enav LMIs moduler. Oftast uppdateras modulen, FBParameters, som innehållerinformation om t.ex. tåghastighet. De övriga modulerna kan även komma åtinformationen i FBParameters, genom att använda statiska metoder i modulen.Användargränssnittet skriver direkt till variablerna i FBParameters, det endakravet är att de är registrerade i en s.k. Export Map.

Styrsystemets beräkningsmodulerSystemets beräkningsmoduler är följande moduler:

• FBLoadControl

• FBPro�leInfo

• FBCalcRefSignal

• FBCalcInputSignal

• FBRegulator


FBLoadControlDen första modulen FBLoadControl, har i uppgift att avgöra om lastning aven vagn ska pågå eller inte. Den består till stor del av en tillståndsmaskin medtre tillstånd: INGEN LASTNING, LASTNING och VÄNTA, se �gur 3.8. IN-GEN LASTNING är det första tillståndet vid uppstart av systemet. Modulenanalysera mätinformationen som den får in från FBSensorData1 för att kunnata avgöra om en vagn har kommit in för lastning alternativt lastas för tillfället.Om tillståndet är INGEN LASTNING och en vagn upptäcks byts tillstånd tillLASTNING. Nu skickas även data vidare till FBPro�leInfo och detta sker sålänge som tillståndet är LASTNING.

INGEN LASTNING

VÄNTA

LASTNING

Figur 3.8: Tillståndsmaskin FBLoadControl.

Tillsammans med mätvärdena som skickas vidare till FBPro�leInfo skickasäven statusinformation. Statusen kan bestå av tre olika värden, START LOAD,LOADING och DONE LOAD. Denna information används av FBPro�leInfo ochmodulerna efter den i strukturen. Tillståndet går endast från LASTNING tillVÄNTA om vagnen inte ligger inom rätt område. För att avgöra om en vagnkommit in för lastning eller om lastning pågår används två statistiska värdenfrån mätdatat. Både medelvärdet och standardavvikelsen som används för attavgöra detta.

Tillståndet VÄNTA används för att systemet ska få �en extra paus� mellanvagnarna, i syfte att skapa ett säkrare system. FBLoadControl be�nner sig iVÄNTA tills att scannern ser marken eller rälsen mellan vagnarna. Ingen nylastning kan påbörjas förrän VÄNTA är avslutat.

FBPro�leInfoFBLoadControl skickar vidare informationen till FBPro�leInfo om det �nns envagn inne för lastning. FBPro�leInfo har följande i uppgift: Att mäta vart ivagnen lastningen be�nner sig och att skicka informationen vidare. Mätningengörs genom att FBPro�leInfo tar in information från både laserscanner #1 och


#2. Scanner #2 mäter avståndet till slutet på sista vagnen. När FBLoadControlskickar ut status START LOAD, kan FBPro�leInfo spara undan avståndet tillsista vagnen. Det får den genom medelvärdet från mätdatat som FBSensorData2ger ut.

Vid varje nytt mätvärde från FBLoadControl, d.v.s. när status är LOAD-ING, beräknas nuvarande position i vagnen genom att subtrahera varje nyttavstånd med den första positionens. Därigenom har systemet hela tiden kon-troll på vilken position som lastningen be�nner sig i.

Det data som kommer från laserscannrarna innehåller en del osäkerheter. Föratt få ett bättre värde lågpass�ltreras den beräknade positionen. Detta leder tillatt felaktigheter från mätningen minskar, men samtidigt tar det längre tid förförändringar att slå igenom.

FBCalcRefSignal och FBCalcInputSignalFBCalcRefSignal är den modul som levererar börvärdet till regulatorn. Börvärdetskapas genom att modulen först får in information om var i vagnen lastning är.Sedan räknar modulen ut var på den linje som regulatorn ska följa lastningen är.Denna linje byggs upp av fem värden som användargränssnittet anger. I dennaberäkning krävs även information om vagnslängden och modulen kräver att allavagnar är av samma längd.

När modulen har beräknat den punkten på linjen som lastningen be�nnersig på, d.v.s. börvärdet, skickas det vidare till regulator-modulen, FBRegulator.Den behöver dock veta vad den nuvarande pro�lhöjden är först.

FBCalcInputSignal beräknar av informationen från scanner #1 vilken höjdlasten i vagnen har i just det ögonblicket den delen av vagnen passerar scan-nern. I detta fall är endast medelvärdet av detta tillsammans med föregåendemedelvärde förra gången mätningen gjordes som används för att bilda ärvärdet.Detta är dock tillräckligt för att bilda en uppfattning om lasten i vagnen.

Ärvärdet från FBCalcInputSignal och börvärdet från FBCalcRefSignal skickastill vidare till FBRegulator.

FBRegulatorFBRegulator innehåller en tidsdiskret återkopplad PI-regulator2 för stegmotornoch skickar ut en utsignal vid varje samplingstillfälle när laserscannrarna tar innya värden, se �gur 3.9. Utsignalen skickas till FBMotorControl som har handom gränssnittet mot motorn.

Börvärdet till regleringen kommer från FBCalcRefSignal och ärvärdet frånFBCalcInputSignal. Av dessa två får man fram ett reglerfel som multiplicerasmed regulatorns P- och I-del. Regulatorns konstanter är exprimentiellt fram-ställda och innan utsignalen skickas ut till motorn multipliceras den med enkonverteringsfaktor för att passa motorns styrsignaler.

2PI- och PDI-regulatorer är de vanligaste förekommande regulatorerna som används i in-dustrin. PI består av en propertionell och en integrerande del medan PDI även innehåller enderiverande del.


Figur 3.9: Regulatorstruktur.

Styrsystemets utsignaler

Styrsystemet har två stycken utsignaler, en för tappluckan och en för tåget.Båda två hanteras i modulen FBMotorControl.

FBMotorControl

De två utsignaler som styrsystemet har är styrsignalen till tåget och styrningenav tappluckan, stegmotorn. Utsignalen till tåget går via den analoga utgångenpå LMI som kan ges ett värde mellan 0 och 100%, där 100% innebär 10V. Förstyrningen av tappluckan handlar det om att styra tre digitala utgångar. Denförsta är DIR, riktingssignalen till motorn, den andra är TMR, att motorn skata ett visst antal steg, medan den sista signalen är ENB, enable-signalen tillmotorn. Modulens timer-möjligheter används för båda utsignalerna.

I fallet för tåget är styrningen ganska enkel, tack vara att tåghastigheteninte styrs av någon regulator. Signalen ut till tåget styrs direkt från visualiser-ingsprogrammet, se stycke 3.3.3 för detaljer. I modulens OnTimer() funktion,som anropas var 10:e ms, sätts den analoga utsignalen till det värde som �nnslagrat i en variabel som uppdateras när användaren ändrar värdet i programmet.

För tappluckan blir det lite mer komplicerat. Här ska tre signaler styras ochvärdet kommer från FBRegulator, som ger ut ett nytt värde vid varje sam-plingstidpunkt från scannrarna. Utsignalen från regulatorn omvandlas till ensignal till stegmotorn. Styrningen till motorn går från utgångarna till motornselektronik. Antalet steg som motorn ska ta hanteras inte i styrsystemet, utangörs i elektroniken, se 3.3.4. Om signalen TMR går hög medför det att motorntar ett antal steg. Tiden som TMR är hög avgör hur många steg som tas. Efter-som den kortaste tiden TMR kan vara hög eller låg är lika med tiden mellanvarje gång timer funktionen körs, 10 ms, är det detta som avgör precisionen istyrningen av antalet steg.

Längden på tiden som TMR är hög styrs av värdet på en variabel, stepsToTake,som bestäms av regulatorn. Variabeln skrivs vid varje samplingstillfälle. OnTimer()funktionen är oberoende av samplingen och förändrar stepsToTake varje gång.Om den är större än noll räknas den ned och är mindre än noll räknas denupp tills att den blir noll. Tecknet på variabeln styr motorns riktning, DIR, och


styrsignalen för strömmen till motorn, ENB, går hög om steg ska tas oberoendeav riktning enligt följande:

• Omg stepsToTake större än noll, då blir DIR 1, om den är mindre än nollblir DIR 0. Om stepsToTake är noll, lämnas DIR oförändrat.

• Om stepsToTake är skilt från noll, då blir TMR 1, annars blir TMR 0.

• Om stepsToTake är skilt från noll, då blir ENB 1, annars blir ENB 0.

Dataobjekt

Det data som skickas mellan varje modul är lagrat i ett visst format. Det �nnsfyra olika datatyper som skickas mellan modulerna. De är följande:

• LMIControlData

• LMIOutputData

• LMIPro�leData

• LMIRegData

Varje datatyp eller klass är en samling med data där de innehåller viss in-formation som modulerna har användning för. Vissa moduler använder all in-formation medan andra endast använder delar av den. Varje datatyp innehållerför varje enskild variabel en metod för att skriva in data och en metod för atthämta ut det.

När visualiseringsprogrammet ska kommunicera med styrsystemet gör dendet genom att skriva till ett antal variabler i resp. modul. För att den ska kunnagöra det måste dessa variabler exporteras i en Export Map, där varje variableanges med namn, datatyp och beskrivning.

3.3.2 VisualiseringsprogramVisualiseringsprogrammet har två uppgifter och visas i bild 3.10. Det första, attför användaren visa vilken pro�l som den senaste lastningen gav, där ingår bådeden börvärdeskurva som systemet försöker följa, samt ärvärdeskurvan som varresultatet av systemets lastning av vagnen, dvs. den kurva som laserscannernläser av från vagnen.


Figur 3.10: Visualiseringsprogram, huvudfönster.

Programmet kommunicerar med LMI enligt beskrivning i 2.2.3 på sidan9. När regulatorn har beräknat ett nytt värde, skickas börvärde, ärvärde ochnuvarande position till programmet som ritar ut det i ritytan. Ett problem vidutritning av kurvorna är att antalet mätvärden inte är känt förrän lastningenär slutförd. Därför ritar programmet ut kurvan först efter lastningen. Efter attvarje vagn har kommit in, läggs information om den till i listan till höger iprogrammet. Information är t.ex. vagnsnummer och fyllnadsgrad.

Användaren kan påverka börvärdet till regulatorn som tidigare nämnts. Detkan man göra genom att antingen välja en av de förde�nierade pro�ler som�nns, eller så kan man ändra i en av de fem dragkontroller som �nns. Näranvändaren gör en förändring av den önskade kurvan visas det gra�skt i en rutabredvid, samtidigt som den nya informationen skickas över till LMI-enheten därFBCalcRefSignal uppdateras, se �gur 3.11.

Programmet är skrivet i C++ och bygger på den struktur som SICK använ-der i deras programvaruutvecklingsmjukvara för LMI, MST 200. Utvecklingengjordes i Microsoft Visual C++ 6.0 och följer Microsofts Windows rutiner vidutveckling, se [9]. Kommunikationen med LMI-enheten görs med telegram, därprogrammet är händelsestyrt och lyssnar efter telegram från LMI och ritar utpro�len när all information om den kommit in. När användaren ger kommandon


Figur 3.11: Visualiseringsprogram, förändring av pro�l.

till programmet, t.ex. att ändra tågets hastighet, reagerar programmet genomatt skicka ut ett telegram till LMI. I telegrammet �nns det angivet till vilketfunktionsblock som informationen gäller. I de �esta fall är det till modulen FB-Parameters som informationen skickas.

Styrdel

Styrdelen innehåller val av pro�l samt tåghastighet. Pro�len anges genom attantingen välja en av �era förutbestämda utseenden eller så kan användaren självange mera exakt hur pro�len ska se ut. Tåghastigheten kan även anges genomatt användaren använder en drag-kontroll för att ställa önskad hastighet. Näranvändaren har gjort ett val, t.ex. ändrat ett pro�lvärde, skickas ett telegramtill styrdatorn.

Kommunikation

Kommunikationen mellan programmet och styrdatorn utförs som tidigare näm-nts med telegram. Dessa telegram skickas över RS232 med en hastighet på 115,2Kbit/s. Hastighet kan ändras i programmet, men är tillräcklig för den kon�gu-ration som styrsystemet har.

3.3.3 Styrning av tågStyrning av tåget via styrsystemet visade sig vara klart fördelaktigt. Framföralltskulle man få en mer noggrann kontroll på tågets hastighet. Om användarenmanuellt ställer in tåghastigheten med en vridpotentionmeter är det svårt attställa in samma hastighet två gånger i rad.

Sättet att styra tågets hastighet från datorn går till enligt följande: Frånden analoga utgången på datorn skickas en signal, ett värde mellan 0 och 10V. Det tåget vill få in är en växelspänning på 48 V topp-till-topp och därförmåste likspänningen från datorns analogutgång omvandlas. Den önskade spän-


ning ligger på 50 Hz och svänger runt en o�set3 på 0 V. Alltså bör signalen frånden analoga utgången omvandlas till en sinus-våg med 50 Hz frekvens, sedananpassas så att den svänger runt 0 V och sist förstärkas till maximalt ±24 V.

ElektronikFör att göra den omvandling mellan den analoga utgångens likspänning till enväxelspänning konstruerades en krets bestående av en funktionsgeneratorkretsoch en förstärkarkrets, se �gur 3.12. Funktionsgeneratorn, en XR 2206, som kange ut en sinus-våg och har en ingång som kan användas för att styra utgången.Med hjälp av ett antal motstånd och kondensatorer kan den ställas in för att gesinus-vågen en frekvens på 50 Hz. Ingången kunde dock max hantera en signalpå 5V för att ge ett korrekt värde på utgången. Därmed halverades precisionenpå styrningen från LMI.

LMI200

Styrsystem

Analog

utgång

XR 2206 -

Funktionsgenerator Förstärkning

Förskjutning av

mittpunkt

Tågmotor

via rälsen

Figur 3.12: Tågstyrningselektronik.

Problemet med kretsen var att utsignalen låg mellan 0-10V och svängderunt 5V. Signalen som tåget vill få var tvunget att ha en mittpunkt på 0V.Därför var signalen tvungen att förskjutas nedåt till 0V innan den skickades intill förstärkaren. Detta gjordes med hjälp av två motstånd kopplade till positivrespektive negativ matningsspänning. Detta drog signalen nedåt mot 0V.

Förstärkaren utgjordes av en icke-inverterande förstärkare med en opera-tionsförstärkare i botten, där förstärkningsfaktor kunde kontrolleras med hjälpav en vrid-potentiometer. Tåget drar relativt mycket ström, över 1A, och därförvar op-ampen tvungen att kylas ner för att inte stängas av eller brinna upp.Den monterades därför på en kyl�äns som gjorde att den utan problem kundeklara dessa strömmar. Utsignalen från förstärkaren kunde sedan skickas över tilltåget via rälerna.

Konstant hastighetEtt problem som stöttes på var att ett krav för att kunna bilda en börvärdeskur-va var att positionen i vagnen hela tiden måste vara känd för systemet. Tankenfrån början var då att laserscannern skulle detektera när vagnen kom in för

3Signalens mittpunkt.


lastning och registrera tidpunkten då detta. Vagnens position skulle då varakänd under hela lastningen, förutsatt att tågets hastighet var känd, genom attpositionen är lika med hastigheten multiplicerat med tiden. Om det dessutomvar så att tågets hastighet var konstant under hela lastförloppet, då skulle posi-tionen på ett enkelt sätt kunna beräknas. Om den varierade, men var känd försystemet kunde positionen ändå beräknas genom att summera positionerna föralla olika tider där hastigheten var känd.

Ett problem med konstant hastighet under hela lastförloppet är att massansom tåget ska dra, ökar med tiden. Om styrsignalen till loket är konstant kommerhastigheten att sjunka med tiden. En lösning på problemet skulle vara att byggaen hastighetsregulator.

HastighetsregulatorAtt konstruera en hastighetsregulator skulle kräva ett antal saker. Först, måsteman kunna påverka styrsignalen till loket. Det är beskrivet tidigare. Sedan måsteman även känna till vilken typ av process man ska reglera, processmodellen.För att kunna bygga en återkopplad regulator måste man även kunna mäta dennuvarande hastigheten. En PI- eller PDI-reguator är de vanligaste återkoppladeregulatorerna och skulle vara tillräckligt för denna process.

Ett försök att utföra en sådan här reglering utfördes. Själva regulatorn varen tidsdiskret och implementerades i styrsystemet. Användaren skulle kunnaange hastigheten i Visualiseringsprogrammet och detta utgjorde börvärdet förregleringen. För att mäta hastigheten, ärvärdet, användes en annan laserscannersom mätte avståndet från scannern till längst bak på tåget.

Två problem uppstod med regleringen och var följande:

• Mätningen av hastigheten, gjordes med en laserscanner. Problemet meddenna mätning är att upplösningen på laserscannern är begränsad. Scan-nerns upplösning är speci�cerat till 10 mm, enligt datablad. Det kommerdärför att bli en del mätfel, när avståndet är så pass kort, upp till 1 meter.Ett sätt att komma runt problemet är att lågpass�ltrera insignalen. Dåfår man dock ett nytt problem, det tar längre tid för förändringar att slåigenom. Har man ett snabbt system, får man problem. Eftersom tiden förlastningen är relativt kort, ungefär 2-5 s, är det svårt att få ett stabiltvärde, eftersom massan på tåget ökar fort samtidigt som hastigheten påtåget också minskar fort.

• Stora utslag på små ändringar av hastigheten. Som tidigare nämnts kanendast värden mellan 0 och 5V användas för utsignalen till tågelektron-iken. Detta halverade precisionen och ger 50 möjliga värden på utsignalen,ett per 0,1V. Sedan är inte tåghastigheten linjär i förhållande till styrsig-nalen. Tåget startar inte förrän vid en viss spänning, alltså inte direkt dåspänningen är större än noll. Detta gjorde att små förändringar av styrsig-nalen, gav ganska stora skillnader i hastigheten på tåget. När då regulatornförsökte hålla hastigheten konstant, kunde detta leda till självsvängningari systemet.


Istället för att försöka få regulatorn att fungera trots dessa problem gjordesinsikten att problemet som egentligen försöktes lösas var att erhålla vilken posi-tion i vagnen som lastningen var i. Istället för att använda laserscannern till attbestämma hastigheten, kan den direkt mäta vagnens position. Då slipper manberoendet av konstant hastighet.

Mätning av lastposition

Vilken position som lastningen är i mäts helt enkelt med hjälp av en laserscannersom mäter avståndet fram till den sista vagnen i tåget. Egentligen kan dennamätning göras med en konventionell avståndsmätare, men eftersom projektethade tillgång till en ledig mer avancerad laserscanner användes den till dennauppgift, trots att den egentligen är överkvali�cerad. Denna mätning kan görasmed ett lågpass�lter för att minska felen i mätningen.

3.3.4 Styrelektronik för stegmotorStegmotorn var tänkt att användas tillsammans med drivkortet AT-15 som varbeskrivet i design-avsnittet. Styrningen av antalet steg motorn skulle ta var frånbörjan tänkt ske genom att LMI skickar ut pulser till drivkortet, där varje pulsgör att motorn tar ett steg. Ett problem som upptäcktes var att LMI inte klararav att skicka ut pulser med högre frekvens än 50 Hz. Detta ger en öppningstidpå ca. 7 s, vilket är för långsamt för att kunna lasta ett tåg som passerar luckanpå 2-5 s. Anledningen till den låga frekvensen är att det tar 10 ms för LMI attuppdatera värdet på de digitala utgångarna [8].

En lösning på detta problem skapades med en krets som hade en 555 Timersom bas. Den skickar ut fyrkantspulser, där frekvensen ställs med en poten-tiometer. Uppgiften för LMI blir då att slå av och på timerkretsen via en tran-sistorswitch. Transistorn �nns där för att en 555:an inte klarar av insignalerpå 24 V, den spänning som LMI använder. Timerkretsen är sedan kopplad tilldrivkretsens klockingång, som skickar ut signalerna till stegmotorn. De två an-dra ingångarna på drivkortet, enable och direction, skickas direkt från LMIutgångar, se �gur 3.13.

LMI200

Styrsystem

Digitala

utgångar

#1 CLK

#2 DIR

#3 ENB

Transistorswitch

Drivkrets AT-15

555 - Timerkrets

Stegmotor

Figur 3.13: Drivning av stegmotor.


Nackdelen med denna lösning är att noggrannheten av luckans position min-skar när luckans öppningshastighet ökar. Det man vinner i hastighet förlorarman i precision, med andra ord. En lämplig avvägning måste därför göras ochförhållandet kan ställas på ett enkelt sätt med potentiometern och inställning istyrsystemet.

Ett första test på luckans möjligheter gjordes genom att använda en två-vägsjoystick som kopplades till LMIs digitala ingångar. Luckan styrs enkelt genomatt föra joysticken upp och ner. Detta gör att systemet både kan lasta manuelltoch automatiskt. Det kan även vara intressant att vid demonstration av systemetlåta åskådarna prova på att lasta själva. Detta brukar vara ett populärt sätt attvisa ett reglersystems förmåga.

Alla delar av elektroniken, både den för tågstyrningen och för stegmotornsamlades i en låda, där delarna hade gemensammatningsspänning och insignaler-na från LMI samlades på en sida av lådan och utsignalerna på den motsatta.

3.4 TestningDe tester som var tänkt att utföras mot systemet var framförallt repeterbarhets-tester. Det som man vill få fram är att systemet så långt som möjligt alltid gesamma resultat för varje vagn den lastar. Innan dessa tester gjordes kontroller-ades att laserscannern gav ett tillförlitligt värde för samma vagn om och omigen. Om den inte skulle ge det, är inte de efterföljande testerna relevanta,att laserscannern ger samma nästintill samma resultat på samma vagn är ettgrundläggande krav.

3.4.1 Test av laserscannerTestet som gjordes var att en fullastad vagn kördes under laserscannern utanatt lastningensdelen var igång och det data som den skickade ut analyserades.Samma vagn kördes under scannern tio gånger, där varje körning gav en pro�l.Mätdatat exporterades till Microsoft Excel och visas i �gur 3.14.

Av �guren kan man snabbt se att mätdatat är ganska sammanhållet föralla pro�ler, fast några avstickare kan observeras. För att få ut konkreta re-sultat från �guren gjordes några beräkningar. Först togs ett medelvärde ut förvarje mätvärde från alla pro�ler. Alltså alla mätvärde #1 från alla pro�ler, al-la mätvärde #2 från alla pro�ler osv. Detta gav 89 st. medelvärden. Därefterberäknades standardavvikelsen från samma data. Medelvärdet från standard-avvikelserna beräknades sedan. Det blev 4,5 mm där de �esta mätvärderna lågrunt 300 mm.

För att få ett mer lätttolkat värde beräknades standardavvikelse i procentfrån medelvärdet. Detta resulterade i 89 st. värden. Slutligen togs medelvärdetav dessa och blev 1,5 %. Alltså kan man säga att en pro�lmätning varierar imedeltal 1,5 % från en genomsnittsmätning. Det är tillräckligt för att godkännalaserscannern för att leverera mätningar som är repeterbara.

3.4 Testning 34

Figur 3.14: Test av laserscanner.

3.4.2 RepeterbarhetstesterMålsättningen för systemet är att alla vagnars pro�l bör vara så lika som möjligt.Detta är naturligtvis omöjligt att alla ska se identiska ut, men det är det someftersträvas.

Dessvärre kom ett allvarligt problem att uppstå med lastanläggningen. Denhade två problem som diskuteras i kapitlel 4. Det kunde antingen vara att luckaninte gick att stänga eller så fastnade material. Detta ledde till att det inte gick attgöra tillförligliga repeterbarhetstester, två tester utförda efter varandra kundege helt olika resultat. Tester gick att göra, men de redovisas inte här eftersomde visade så pass låg repeterbarhet.

Det ska tilläggas här att de problem som uppvisades endast hade att göramed testanläggningen, inte med resten av systemet. Detta ledde dock även tillatt annan utveckling, av t.ex. regulatorn, inte kunde utföras som planerat.

Kapitel 4

Diskussion och slutsatser

Tanken med detta arbete var att skapa ett system som skulle visa att det ärmöjligt att övervaka lastning eller automatlasta vagnar. Det har gått att lastavagnar, men inte utan problem. Därmed kan man säga att syftet med arbetehar delvis nåtts. Systemet visar att det går att lasta eller övervaka med hjälpav avancerade givare. Det största problemet har varit lastningsanläggningen,med behållare och lucka. Gruset som använts har antingen fastnat någonstans ibehållaren eller i luckan. Om materialet inte har fastnat i luckan så har luckaninte gått att stänga helt på grund av grus som funnits på fel ställe.

Nya försök att bygga en ny lastanläggning gjordes, dessa fungerade inte hellersom det var tänkt. Nya problem uppkom då luckan kunde fastna när den tryckteupp materialet i behållaren. Detta på grund av att stenar kom in mellan kantenpå luckan och insidan på behållaren. Svårigheten med att bygga en fungerandemekanisk lösning för själva lastningsprocessen hade klart underskattats.

Eftersom lastanläggningen ej har fungerat tillfredsställande har mycket tidlagts ner på den och därför har andra delar av arbetet inte hunnits med somplanerat. T.ex. hade det hade mycket mer tid behövts för att regleringen attfungera bättre.

Däremot �nns det en hel del positivt att säga, alla andra delar av systemethar fungerat som tänkt. Laserscannrarna, styrsystemet och visualiseringspro-grammet har fungerat bra.

Tågstyrningen fungerade väl, det hade dock varit önskvärt att den hade haftbättre precision, d.v.s. �er möjliga lägen att ställa hastigheten på. Det fannsdäremot vissa svårigheter att köra tåget på en låg och stabil hastighet. Dettaberodde inte på styrningen, utan det är motorn på tåget som inte är anpassadför att köras på låga varv. Viss undersökning om att byta ut motorn och/ellerkoppla på en utväxling gjordes, men mer än till att undersöka gjordes inte.Hastighetsregleringen på tåget hade man lättare kunnat konstruera om manhade haft en mer lämplig motor med utväxling och en annan avståndsmätare.Det �nns endimensionella lasergivare som är mer lämpliga för en sådan uppgift.

Styrningen av tappluckan var det som fungerade bäst. Det gick både att styramanuellt med en joystick och automatiskt av styrsystemet. Styrsignalerna till

4.1 Framtida arbete 36

motorn skickades ut av en färdig krets som köptes in som sedan kompletteradesmed extra elektronik.

4.1 Framtida arbeteDet �nns en del att göra för att få klar testanläggningen för att sedan visa denför LKAB. Syftet med lastanläggning är just att visa att principen fungerar ochmodellen i sig har inget värde. De viktigaste punkterna är listade nedan:

• Det viktigaste är att få en lastanläggning som fungera, utan att det fastnarnågonstans och att luckan går att stänga. Ett alternativ skulle kunna varaatt styrsystemet övervakar om luckan inte går att stänga. Det skulle mankunna göra genom att installera en vinkelgivare till stegmotorn. Då skullestyrsystemet kunna upptäcka att motorn inte rör på sig även fast denborde göra det. Detta är inte en lika bra lösning som ha en lastanläggningsom nästan aldrig fastnar eller inte går att stänga. Men det kan varaett alternativ, om man har svårigheter att konstruera en väl fungerandelastanläggning.

• En bättre detektering och hantering av olika styckestorlekar på materialet.I nuläget tar systemet endast ut ett medelvärde över en genomskärningav vagnen. En mer noggrann undersökning om alternativ till att bara taut medelvärdet och testning skulle behöva göras. Tanken var att systemetskulle klara av olika storlekar, men på grund av att lastanläggningen intefungerade så bra har det varit svårt att utföra.

• Hantering av �häng� och slut material. Ett annat problem som uppstår igruvan i Kiruna är att materialet tar slut i schaktet eller att material fast-nar någonstans och måste eventuellt sprängas lös. Systemet skulle kunnaupptäcka detta, men av samma anledning som för styckestorlekar har intedet inte ägnats någon tid till detta.

• En bättre motor till loket skulle leda till att tåget kunde köras mer stabilti lägre hastigheter. Det skulle även då bli lättare att implementera enhastighetsregulator som diskuteras tidigare.

4.2 Uppsatta målDe uppsatta målen för arbetet delades upp i tre delar. De första, funktionellamålen, var att undersöka om det gick att lösa uppgiften. Sedan skulle en testriggutvecklas och systemet skulle klara av olika typer av störningar.

Systemet klarar av uppgiften, eftersom det går att lasta vagnar med dentestrigg som utvecklats, mål ett och två uppfylls därmed. Mål nummer tre varatt systemet skulle klara av olika typer av störningar. Det går att lasta med olikastyckestorlekar, men testningen av detta är inte särskilt omfattande. Hantering

37 Diskussion och slutsatser

av �häng� och slut material reagerar inte systemet mot. Så mål nummer tre ärinte uppfyllt.

När det gäller de tidsmässiga målen har arbetet blivit försenat. Tanken varatt arbetet skulle vara slutfört och rapporten skulle vara klar i november 2004.De sista målen gällde det ekonomiska. Antalet timmar i projektet var beräknattill 800 h och det är ungefär vad som har lagts ner. Däremot blev kostnadernahögre än vad som var budgeterat, mest på grund av lastanläggningen.

4.3 LärdomarEn av de tankar som fanns bakom detta examensarbete var att utveckla metoderoch funktioner för att kunna använda avancerade givare i reglersystem ochdatabaser. Detta har examensarbete lett till. Efter arbetet är vägen till att an-vända sådana givare i nya system betydligt kortare, speciellt om man använderen LMI för styrsystemet.

Andra saker, såsom hantering av motorer samt design och praktisk använd-ning av elektronik är något som är betydligt enklare jämfört med vid arbetetsbörjan. Även kunskaper kring reglering har ökat, trots att det varit önskvärt attmer tid lagts på den biten i arbetet.

4.3 Lärdomar 38

Litteraturförteckning

[1] David G. Alciatore, Michael B. Histand. Introduction to Mechatronicsand Measurement Systems. McGraw-Hill, second edition, 2003, ISBN 0-07-119557-2.

[2] Eric J. Braude. Software Engineering, An Object-Oriented Perspective. Wi-ley, 2001, ISBN 0-471-32208-3.

[3] Martin Fowler, et. al. UML Distilled. Addison-Wesley, second edition, 2000,ISBN 0-201-65783-X.

[4] SICK AG, Division Auto Ident. LMI 200 Laser Measurement Interface,Operating Instruction., Version 2.0, 2000.

[5] SICK AG, Division Auto Ident. LMI 200 Laser Measurement Interface,Technical Description., 2000.

[6] SICK AG, Division Auto Ident. LMS 200 Laser Measurement System, Tech-nical Description. 2003.

[7] SICK AG, Division Auto Ident. LMI 200 Laser Measurement Interface,Telegram Listing. Version 2.00, 2000.

[8] SICK AG, Division Auto Ident. MST200 LMI200 version, Technical De-scription. Version 2.03, 2003.

[9] Stephen D. Gilbert, Bill McCarty. Visual C++ 6 Programming, Blue Book.,1999, Coriolis, ISBN 1-57610-324-2.

Documents

Automatiskt laserbaserat vagnöverfyllnadsskydd1015682/FULLTEXT01.pdf · Sammanfattning Detta arbete undersöker möjligheterna att utveckla ett system som kan över-vakalastningellerautomatisktlastamalmvagnariLKAB'sKirunavaaragruva