UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO,

RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO

FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO

Klemen Zaponšek

AVTOMATSKA KONTROLA KUHALIŠČ V PODJETJU GORENJE d. d.

Diplomsko delo

Maribor, avgust 2017

AVTOMATSKA KONTROLA KUHALIŠČ V PODJETJU GORENJE d. d.

Diplomsko delo

Študent: Klemen Zaponšek

Študijski program: Visokošolski strokovni

Mehatronika

Mentor FERI: izr. prof. dr. Aleš Hace

Mentor FS: izr. prof. dr. Karl Gotlih

Somentor: Jure Zagorc, univ. dipl. inž. str., Gorenje Orodjarna d. o. o.

Lektorica: Zdenka Sušec Lušnic, prof.

i

ii

Zahvala

Zahvaljujem se prof. dr. Alešu Hacetu ter prof. dr. Karlu Gotlihu za odlično posredovano znanje skozi vsa leta študija, ki se je uporabilo tudi v tem diplomskem delu.

Posebna zahvala gre somentorju Juretu Zagorcu, sodelavcu Denisu Štimulaku ter celotni ekipi oddelka Merilni sistemi za vso nudeno pomoč, vodenje ter potrpežljivost pri ustvarjanju diplomskega dela. Zahvala pa gre tudi podjetju Gorenje Orodjarna d. o. o. ter Gorenje d. d.

Zahvaljujem pa se tudi staršema, ki sta me v

času študija podpirala in mi stala ob strani,

ter Maji, ki me je vseskozi vzpodbujala in mi

pomagala pri izdelavi diplomskega dela.

iii

AVTOMATSKA KONTROLA KUHALIŠČ V PODJETJU GORENJE d. d.

Ključne besede: Razvoj, avtomatizacija, varnostni, funkcionalni, projekt.

UDK: 681.518.52:683.957(043.2)

Povzetek

Diplomsko delo razvojnega tipa je usmerjeno v premišljeno izbiro komponent in opreme, konstruiranje posameznih podsistemov ter fizično realizacijo projekta avtomatizirane kontrole kuhališč na proizvodni liniji, podane s strani naročnika: Gorenje d. d., Program kuhalnih aparatov. Opisana so teoretična izhodišča, potrebna za razumevanje izvajanja kontrole varnosti in funkcionalnosti indukcijskih kuhališč. Namen diplomskega dela pa je ustvariti celovito napravo za izvajanje varnostnih in funkcionalnih preizkusov po vseh standardih in zakonodajah, ki bo delovala varno in učinkovito ter s tem pripomogla k varnejšemu končnemu izdelku ter lažjemu izvajanju testov na proizvodni liniji.

iv

AVTOMATIC CONROL OF COOKING PLATES IN GORENJE d. d.

Key words: Developement, automated, safety, functional, project.

UDK: 681.518.52:683.957(043.2)

Abstract

The developement type of the diploma thesis is oriented in a well thought out selection of components and equipment , the construction of the individual subsystems and the physical realisation of the project of the automated control of cooking plates on the production line, given by the client: Gorenje d. d., The Programme of Cooking Appliances. There are some theoretical basics described, that are necessary for understanding the implementation of safety inspection and functionality of induction cooking plates. The purpose of the thesis is to create a comprehensive device for the implementation of safety and functional tests, following all the standards and legislations, that will work safely and efficiently, and thereby contribute to a safer end product and an easier implementation of the tests on the production line.

v

KAZALO VSEBINE

1. UVOD .......................................................................................................................................... 1

1.1 Motivacija za delo ................................................................................................... 1

1.2 Področje diplomskega dela ..................................................................................... 2

1.3 Uporabljene metode ............................................................................................... 2

1.4 Cilji diplomskega dela ............................................................................................. 3

1.5 Struktura diplomskega dela .................................................................................... 4

2. PROJEKTNA IZHODIŠČA .............................................................................................................. 5

2.1 Varnost naprav ter varstvo in zdravje pri delu........................................................ 5

2.2 Standardi in zakonodaja ......................................................................................... 7

2.3 Strojni vid ................................................................................................................ 8

2.4 Naprave za izvajanje varnostnih in funkcionalnih preizkusov Gorenje Orodjarna –

Merilni sistemi ................................................................................................................. 10

2.5 Načini izvajanja kontrole varnosti in funkcionalnosti naprav ............................... 11

2.6 Delovanje vgradnih indukcijskih kuhališč ............................................................. 14

3. NAČRTOVANJE IN RAZVOJ NOVEGA PROJEKTA ....................................................................... 16

3.1 Pristop k novemu projektu .................................................................................... 16

3.2 Načrtovanje izvedbe.............................................................................................. 17

3.3 Princip delovanja kontrole varnosti in funkcionalnosti kuhališč ........................... 18

3.4 Razvoj posameznih podsklopov naprav za varnostne in funkcionalne preizkuse . 22

3.4.1 Razvoj priključnice aparata ............................................................................... 23

3.4.2 Razvoj pogona sistema za pozicioniranje .......................................................... 27

3.4.3 Razvoj krmilja sistema ....................................................................................... 32

3.4.4 Razvoj in izbira strojnega vida pri pozicioniranju in preverjanju izpisov

segmentov ....................................................................................................................... 37

3.4.5 Razvoj ogrodja podsklopa za avtomatsko kontaktiranje aparata .................... 42

3.4.6 Razvoj stikalnih omar ........................................................................................ 44

4. REALIZACIJA MONTAŽE NAPRAVE ............................................................................................ 54

4.1 Montaža podsklopa za avtomatsko kontaktiranje aparata ................................. 55

4.2 Montaža stikalnih omar ........................................................................................ 58

4.3 Zagon, testiranje ter kalibracija končnih naprav za izvajanje varnostnih in

funkcionalnih testov ........................................................................................................ 61

vi

5. SKLEP ........................................................................................................................................ 63

6. VIRI IN LITERATURA .................................................................................................................. 64

vii

KAZALO SLIK

Slika 1. 1: Naprava za izvajanje varnostnih in funkcionalnih testov v proizvodni liniji OVK.. 3

Slika 2. 1: Oznaka skladnosti CE ............................................................................................ 7

Slika 2. 2: Uporaba strojnega vida za kontrolo kadi pralnih strojev [8] ................................ 8

Slika 2. 3: Objektivi, namenjeni za kamere ............................................................................ 9

Slika 2. 4: Programska oprema za analizo zajete slike .......................................................... 9

Slika 2. 5: Kontrolno testna postaja za izvajanje varnostnih in funkcionalnih testov pečic 10

Slika 2. 6: Vezalni načrt pri izvajanju testa visoke napetosti ............................................... 11

Slika 2. 7: Vezalni načrt pri izvajanju testa izolacijske upornosti ........................................ 12

Slika 2. 8: Vezalni načrt pri izvajanju testa zaščitne ozemljitve ........................................... 13

Slika 2. 9: Vezalni načrt pri izvajanju testa odvodnega toka ............................................... 13

Slika 2. 10: Plinsko kuhališče Gorenje .................................................................................. 14

Slika 2. 11: Demonstracija delovanja indukcije samo na dno posode ................................. 15

Slika 3. 1: Predvidena postavitev linije z napravami ........................................................... 17

Slika 3. 2: Obe strani vzorca kuhališča ................................................................................. 18

Slika 3. 3: Mesto priklopa s šestpolno priključnico .............................................................. 19

Slika 3. 4: Konvencionalen evropski vtikač .......................................................................... 23

Slika 3. 5: Šestpolno in tripolno mesto priklopa aparata..................................................... 24

Slika 3. 6: Prečni vzvod ......................................................................................................... 24

Slika 3. 7: Visokotokovna testna sonda Ingun HSS 2259 ..................................................... 25

Slika 3. 8: CAD model šestpolne in tripolne priključnice ...................................................... 25

Slika 3. 9: Simulacija delovanja z uvozom vtikača ............................................................... 26

Slika 3. 10: Prečni prerez šestpolne priključnice .................................................................. 26

Slika 3. 11: Sklop za test zaščitne ozemljitve ....................................................................... 27

Slika 3. 12: Pravokotni koordinatni sistem [25] ................................................................... 28

Slika 3. 13: Pravokotni koordinatni sistem v ravnini [26] .................................................... 28

Slika 3. 14: Os z zobatim jermenom podjetja FESTO ........................................................... 29

Slika 3. 15: Shematična povezava servopogona z RS-485 komunikacijo [5] ....................... 30

Slika 3. 16: Prikaz servopretvornika Ezi-SERVO [5] .............................................................. 30

Slika 3. 17: Prikaz zaprtozančnega sistema s pomočjo resolverja [5] ................................. 31

Slika 3. 18: Konstruiran pozicionirni sistem s potrebnimi elementi in vključeno priključnico

............................................................................................................................................. 32

Slika 3. 19: Krmilna oprema proizvajalca SIEMENS ............................................................. 33

Slika 3. 20: SIEMENS SIMATIC S7-1200 sistem .................................................................... 33

Slika 3. 21: Kompaktni stikalni modul CSM 1277 ................................................................ 34

Slika 3. 22: Napajalni modul PM 1207 ................................................................................. 35

viii

Slika 3. 23: Centralno procesna enota SIMATIC S7-1200 CPU 1214C .................................. 35

Slika 3. 24: Digitalni izhodni modul SM 1222 ...................................................................... 36

Slika 3. 25: Digitalna vhodno/izhodna modula SM 1223 .................................................... 37

Slika 3. 26: Fujinon HF8XA objektiv ..................................................................................... 39

Slika 3. 27: Fujinon HF16XA objektiv ................................................................................... 39

Slika 3. 28: Kamera mako G-507B [1] .................................................................................. 40

Slika 3. 29: Kamera manta G-507B [2] ................................................................................ 41

Slika 3. 30: Standardni aluminijast profil proizvajalca Bosch .............................................. 42

Slika 3. 31: Testno ogrodje sistema za avtomatsko kontaktiranje ...................................... 42

Slika 3. 32: Ogrodje sistema za avtomatsko kontaktiranje ................................................. 43

Slika 3. 33: Test kontaktiranja priključnice na priključno mesto ......................................... 44

Slika 3. 34: Predvidena postavitev elementov stikalne omare z montažno ploščo ............. 45

Slika 3. 35: WEIDMULLER mehanični rele s podnožjem 24 V .............................................. 46

Slika 3. 36: Varnostni rele EATON ELECTRIC ........................................................................ 47

Slika 3. 37: Varnostni rele ABB............................................................................................. 47

Slika 3. 38: Enofazni tokovni kontrolni rele TELE ................................................................. 48

Slika 3. 39: Iskrin MT 540 multifunkcijski pretvornik in zapisovalnik .................................. 48

Slika 3. 40: Kontaktor Moeller tripolni ................................................................................. 49

Slika 3. 41: Časovni rele z zakasnitvijo vklopa/izklopa SCHRACK ........................................ 49

Slika 3. 42: Monostabilen DC rele SCHRACK ........................................................................ 50

Slika 3. 43: Inštalacijski odklopnik SCHRACK ....................................................................... 50

Slika 3. 44: Vrstne sponke .................................................................................................... 51

Slika 3. 45: Izbrani transformatorji ELEKTRO-MEHANIKA ................................................... 52

Slika 3. 46: Industrijski računalnik AXIOMTEK IPC ............................................................... 53

Slika 3. 47: Industrijski monitor ADVANTECH, občutljiv na dotik ........................................ 53

Slika 3. 48: Varnostno testna naprava GW INSTEK GPT-9800 ............................................ 53

Slika 4. 1: Izdelava polizdelkov iz izdelanih surovcev s pomočjo CNC stroja ....................... 54

Slika 4. 2: Montaža šestpolne priključnice ........................................................................... 55

Slika 4. 3: Montaža pogona in testnega ogrodja ................................................................ 56

Slika 4. 4: Test priključitve priključnice na priključno mesto aparata .................................. 56

Slika 4. 5: Montaža profilov za ogrodje podsistema avtomatskega kontaktiranja ............. 57

Slika 4. 6: Montaža podsklopa za avtomatsko kontaktiranje aparata ............................... 57

Slika 4. 7: Pripravljene industrijske omare za vgradnjo elementov ..................................... 58

Slika 4. 8: Pogled v stikalno omaro od znotraj med izdelavo .............................................. 59

Slika 4. 9: Vgradnja varnostno testne naprave GW INSTEK ................................................ 60

Slika 4. 10: Montirane stikalne omare brez stranskih plošč ................................................ 60

Slika 4. 11: Test in kalibracija stikalne omare ..................................................................... 61

Tabela 3. 1: Specifikacije kamera mako G-507B [1] ............................................................ 40

Tabela 3. 2: Specifikacije kamere manta G-507B [2]........................................................... 41

ix

UPORABLJENE KRATICE IN SIMBOLI

OVK – Obrat vsadnih kuhališč

KA – Kuhalni aparati

AC – Izmenični električni tok (angl. - Alternating current)

DC – Enosmerni električni tok (angl. - Direct current)

RS – Republika Slovenije

SIQ – Slovenski institut za kakovost

CE – Evropska skladnost (fran. - Conformité Européenne)

EEA – Evropsko ekonomsko področje (angl.- European Economic Area)

RFID – Radiofrekvenčna identifikacija (angl. Radio Frequency IDentification)

IR – Infrardeče (angl. Infrared)

LCD – Tekočekristalni zaslon (angl. Liquid Cristal Display )

CNC – Računalniško numerično vodenje (angl. Computer Numerical Control)

CAD – Računalniško podprto načrtovanje (angl. Computer Aided Design or Computer Aided Drafting)

CAM – Računalniško podprta proizvodnja (angl. Computer Aided Manufacturing)

PLK/PLC – Programirljivi logični krmilnik (angl. Programmable Logic Controller)

RCD – Tokovno zaščitno stikalo (angl. Residual Current Protective Device)

CPU – Centralno procesna enota (anlg. Cenral Processing Unit)

x

RAM – bralno-pisalni pomnilnik (angl. Random Access Memory)

NO – Normalno odprto (angl. Normally Open)

NC – Normalno zaprto (angl. Normally Closed)

Fps – Sličic na sekundo (angl. Frames per second)

DIN – Nemški inštitut za standardizacijo (nem. Deutsches Institut für Normung)

MP – Mega piksel

A – Amper

V – Volt

Ω – Ohm

kW – kilo vat

kVA – kilo volt amper

Mb/s – Mega bit/sekundo

1

1. UVOD

V sodobnem svetu, to opažamo na vseh področjih, še posebej industrija stremi k avtomatizaciji sistemov. Avtomatizacija pripomore k boljši kakovosti ter občutno skrajša čas proizvodnje. V veliki meri pa se lahko s pomočjo avtomatizacije izključijo nevarnosti poškodb pri izvajanju dela in se zagotovi kontinuitetno izvajanje brez napak. Večina podjetij s proizvodnimi linijami v Sloveniji, gledano po globalnem trgu, je še dokaj na začetku popolne avtomatizacije. Iz leta v leto se pojavljajo novi izboljšani načini, zraven pa upada cena investicij izvedbe takšnih projektov. Zaradi konkurenčnosti pa so podjetja prisiljena v uvedbo novih tehnologij na proizvodne linije. Eden od praktičnih primerov je uporaba strojnega vida za pakiranje aparatov in produktov, vizualni pregled izdelkov in polizdelkov, dimenzijsko merjenje, pozicioniranje izdelkov, koordinatnih miz, robotov, itd. Uvajajo pa se tudi vedno boljši oz. izboljšani robotski sistemi in kolaborativne robotske roke.

1.1 Motivacija za delo

Skupina Gorenje je eden izmed vodilnih proizvajalcev izdelkov za dom. Podjetje ima lastne proizvodne zmogljivosti v Sloveniji, Srbiji ter na Češkem. Poleg proizvodnje pa ima podjetje tudi razvojnokompetenčne centre na Švedskem, Nizozemskem, Češkem in v Sloveniji. Največji del podjetja leži v Velenju z izjemno razsežnostjo industrijskega okolja [15].

Diplomsko delo ali razvojno delo predstavlja realizacijo strokovnega projekta, podanega s strani GORENJE d. d. Programa KA. Pri tem pa je predstavljena izdelava mehatronskega sistema, namenjenega za avtomatsko kontrolo kuhališč na proizvodni liniji. Sistem sestoji iz več podsistemov ter komponent. Glavno vlogo pri tem igrajo mehanski ter električni podsistemi. Namen dela je realizacija omenjenega projekta, kjer se neustrezni aparati pravočasno odkrijejo in ustrezno popravijo.

2

1.2 Področje diplomskega dela

Področje in vsebina, s katerima se srečujemo v tem diplomskem delu, sta tipično mehatronska. Sam izraz mehatronika je izpeljan iz besed mehanika ter elektronika, točno tako pa lahko definiramo tudi kombiniranje področij mehanike, elektronike ter informatike oz. inteligentne računalniške kontrole [28]. Mehatronika tako obsega oblikovanje in konstruiranje mehanskih elementov, sklopov, naprav, strojev, postrojev in kompleksnih mehatronskih sistemov. V delu se velika pozornost nameni pojmu naprava, ki je definiran kot predmet, ki navadno sestoji iz več sestavnih delov in omogoča olajšanje pri opravilu dela [6]. Pri tem se poslužuje uporabe računalniškega podprtega konstruiranja, programiranja krmilnikov, regulacijskih sistemov, uporabe internetne tehnologije in orodij. Uporabljajo se orodja za modeliranje, optimizacijo in simulacijo procesov, strojev, naprav, izdelovalnih postopkov, izdelkov, proizvodnih postrojenj in mehatronskih sistemov. Vključuje načrtovanje in razvijanje strojev, naprav, pogonske tehnike, senzorjev, krmilnikov in ustrezne programske opreme. Narekuje uporabo, upravljanje in vzdrževanje sistemov, proizvodnih tehnologij ter avtomatiziranih in robotiziranih sistemov, upravljanje z informacijskimi, materialnimi in energetskimi tokovi pri zasnovi, oblikovanju, konstruiranju, izdelavi, montaži, demontaži ter vzdrževanju izdelkov in mehanskih sistemov. Narekuje tudi obvladovanje zagotavljanja kakovosti izdelkov z izvajanjem ustreznih meritev in kontrole kakovosti ter zagotavljanje ukrepov za brezhibno delovanje, vzdrževanje mehatronskih sistemov v njihovi celotni življenjski dobi [4].

1.3 Uporabljene metode

Moje delo poteka v družbi Gorenje Orodjarna d. o. o., kjer uspešno deluje oddelek pod imenom Merilni sistemi. Ta naročnikom ponuja razvoj in izdelavo kontrolnih testnih naprav za izvajanje preizkusov varnosti in funkcionalnosti izdelkov ter polizdelkov (slika 1.1), izdelavo preizkuševališč in opreme razvojnih laboratorijev za potrebo namenskih laboratorijev ter celovite rešitve avtomatizacije sistemov z uporabo strojnega vida in industrijskih kolaborativnih robotov. Ponuja pa še tudi merjenje različnih fizikalnih veličin, kot so sila, navor, gibanje, zvok, trak, pretok, puščanje, vlažnost, temperatura ter vse električne veličine.

V našem primeru se ponujata razvoj in izdelava naprave za avtomatsko kontrolo kuhališč na proizvodni liniji, ki vključuje izdelavo stikalnih omar in podsistema za avtomatsko kontaktiranje na aparat. Pri tem se izvede kontrola varnosti in funkcionalnosti kuhališča po določenih predpisih in zakonodaji.

3

Slika 1. 1: Naprava za izvajanje varnostnih in funkcionalnih testov v proizvodni liniji OVK

Metode, uporabljene za realizacijo po tem, ko naročnik poda povpraševanje po ponujenem izdelku, so poznavanje projektnih izhodišč, posvet ter načrtovanje projekta skupaj z naročnikom. V fazi razvoja sta ključna komuniciranje in načrtovanje poteka dela in izdelave s sodelavci oddelka s pomočjo tehnične dokumentacije in ostalih načrtov. V ta namen se uporabijo različni programski paketi, ki omogočajo izdelavo skic, modelov, načrtov in dokumentacije. Pri izdelavi stikalnih omar se naredi pregled starejših modelov le-teh, nato se vsa oprema in komponente po izkušnjah z njo premišljeno izberejo, na njih pa se naredijo izboljšanja in popravki. Premišljena nabava komponent in opreme pa se naredi tudi za podsistem avtomatskega kontaktiranja. Konstruirani novi mehanizmi podsistemov se predhodno izdelajo, sestavijo in testirajo, da se dokaže njihovo delovanje. Pri nepravilnostih se lahko tako te odpravijo ter naredijo izboljški. Postopoma nabavljena oprema in komponente se v delavnici po izdelanih načrtih in tehnični dokumentaciji sestavijo in zmontirajo v celovit delujoč sistem, ki se po opravljenem zagonu, testiranju in kalibraciji preda naročniku z vso dokumentacijo, načrti in navodili za uporabo. Naprava pa mora delovati zanesljivo in varno ter nositi oznako skladnosti za evropski trg.

1.4 Cilji diplomskega dela

Cilj diplomskega dela je izvesti projekt na najboljši možni način tako, da se razvije in izdela zahtevano število testnih naprav, podanih s strani naročnika, pri tem pa se uporabijo nove metode, oprema in komponente, ki omogočajo boljše in hitrejše testiranje. Projekt se načrtuje in razvije po najnovejših metodah, ki so primerne za industrijsko okolje, ter se realizira tako, da bo celoten sistem deloval zanesljivo ter varno po standardih in predpisih in s tem pripomogel k varnosti samega izdelka ter s pomočjo nove proizvodne linije pripomogel k hitrejši in razširjeni proizvodnji izdelka.

4

Tako diplomsko delo razvojnega tipa predstavlja in opisuje premišljen sistematični pristop k novemu projektu, opisuje razčlenitev in pristop k naročilu, načrtovanje in razvoj posameznih sklopov ter podsistemov, premišljeno nabavo materiala, opreme, polizdelkov in surovcev po potrebi delovanja ter realizacijo projekta v fizični izvedbi s pomočjo različnih metod. Glavni cilj pa je izvesti nemoteno in hitro realizacijo celotnega projekta s čim manj napakami, ki bi se morale naknadno odpravljati.

1.5 Struktura diplomskega dela

V uvodnem poglavju se je predstavilo področje, ki nastopa v diplomskem delu, prav tako pa sta bila predstavljena namen ter cilj dela.

V drugem poglavju je predstavljeno projektno izhodišče, ki je potrebno za razumevanje same naloge, kot tudi za kasnejši razvoj in realizacijo projekta. Pri izvajanju kot načrtovanju moramo dobro poznati tveganja, ki lahko nastopijo tako za nas kot tudi druge osebe. Prav tako je potrebno poznavanje pravilnih standardov in zakonov, ki narekujejo zagon, delovanje, pravilno izvajanje, itd. Potrebno je tudi znanje pravilnega testiranja naprav ter delovanja testirane neprave (indukcijska kuhališča). Glavni namen poglavja pa je kratka predstavitev za kasnejše razumevanje.

Tretje in četrto poglavje predstavljata osrednji del diplomskega dela. Opisan je pravilen pristop ter potek načrtovanja s ponudnikom, prav tako je naveden princip delovanja aplikacije, kateri je ključni del pri razvoju. Razvoj projekta je razdeljen na več delov, kajti vsak podsklop ali podsistem potrebuje premišljeno načrtovanje in pristop z vso potrebno natančno dokumentacijo. V diplomskem delu pa je predstavljen razvoj le na najpomembnejših podsklopih, ki bodo v kasnejši fazi predstavljali celovit delujoč sistem. Na kratko pa sta predstavljena tudi realizacija in zaključek projekta.

V petem poglavju je zapisan sklep, v šestem pa so navedeni viri in literatura, ki je bila uporabljena pri izdelavi diplomskega dela.

5

2. PROJEKTNA IZHODIŠČA

V tem delu so predstavljena projektna izhodišča, ki so potrebna za razumevanje ter realizacijo strokovnega projekta. Na samem začetku pa je potrebno nekaj besed posvetiti najpomembnejši temi, ki se navezuje na varstvo in zdravje pri delu ter varnost in varno uporabo naprav. Nato se bomo na kratko posvetili standardom in zakonodaji, predvsem pa na te, ki nastopijo med izvajanjem projekta. Posvetili se bomo tudi ta čas zelo aktualni temi, ki nastopi v samem projektu. To je uporaba kamer in ostalih tehnologij za izvajanje strojnega vida. Pregledali bomo osnovne teste za izvajanje kontrole funkcionalnosti in varnosti izdelkov ter v vpogled vzeli naprave oddelka, namenjene za izvajanje varnostnih in funkcionalnih preizkusov.

2.1 Varnost naprav ter varstvo in zdravje pri delu

Oseba, ki opravlja delo v delovnem okolju, ki velja za tveganega ali bolj nevarnega, se mora sama zavedati, da nanj pretijo lažje in težje poškodbe ali celo smrt. Delavec z nepravilnim izvajanjem dela ali neupoštevanjem pravil tvega svoje zdravje oz. zdravje drugih oseb. Z vsakim ponovnim pristopom na delo ter s pristopom na delo po določenem času je vsak delavec dolžan opraviti izobraževanje iz varnosti in varovanja zdravja na delovnem mestu. Tam se delavec najprej seznani s požarno varnostjo podjetja, kaj so glavne značilnosti in kako ukrepati ter reagirati v primeru požara na delovnem mestu, nato pa je seznanjen še z zakoni in predpisi na nacionalni ravni, katerega predpisuje Zakon o varnosti in zdravju pri delu (ZVZD-1) ter ravni samega podjetja oz. oddelka, kjer se opravlja delo. Glavne točke so, da delavec dela varno in preudarno, upošteva načela pasivne nevarnosti, upošteva prepovedi, vzdržuje red na delovnem mestu, ne uporablja delovnih naprav ter sredstev, ki nimajo pooblastil podjetja, upošteva opozorilne znake, znake obveznosti ter prepovedi in da nosi osebno zaščitno opremo, ki mu je dodeljena pred začetkom dela.

V našem primeru delo poteka v delavnici ali proizvodnji, kjer je stopnja tveganja poškodbe zelo velika zaradi ostrih delov, zdravju škodljivih snovi, nevarnih strojev, itd. in je zato tam potrebno ves čas nositi osebno zaščitno opremo. Pred delom s strojem pa se je predhodno potrebno pozanimati o nevarnostih in varnostnih ukrepih ter vsako nepravilnost javiti nadrejenemu. Ob strojih pa so pritrjeni tudi izvlečki varnosti ter skladnosti.

6

Nesreče z napravami in električnim tokom se večinoma dogajajo zaradi tehničnih napak, kot je pomanjkljiva zaščita ali napačna izbira delov oz. opreme. Nesreče pa se lahko dogajajo tudi zaradi organizacijskih vzrokov ali osebnih napak [3]. Tako moramo med opravljanjem dela paziti na pravilno izvajanje ter upoštevati varnost električne opreme, strojev in naprav.

Za naš konkreten primer lahko varnost naprav razdelimo na dva osnovna vidika varnosti, to sta električna in mehanska varnost. Mehanska varnost predstavlja tveganje, ki izhaja iz fizičnih karakteristik naprave in okolja. V ta del spadajo ostri deli naprave ter predeli, ki predstavljajo dodatno tveganje s premikanjem oz. gibanjem naprave. Te predele je potrebno ustrezno zaščititi, ustrezno označiti ter zagotoviti, da oseba, ki opravlja z napravo oz. se giblje v njeni neposredni bližini, ne more segati v nevarno območje delovanja naprave. To lahko zagotovimo s pokrovi, mrežami, svetlobnimi zaščitnimi zavesami, dvoročnim vklopom naprave, itd. Ker pa se v našem primeru srečujemo z visokimi napetostmi oz. nevarnostmi, ki nastopijo pri ravnanju z električnim tokom, bomo večjo pozornost namenili električni varnosti.

Električni tok je za ljudi in živali nevaren zaradi več vzrokov. Eden od tega je krčenje (kontrakcije) mišic, posebej srčne mišice. V primeru, da skozi naše telo steče tok, poskuša srčna mišica (srce) slediti hitrejšim in močnejšim pulzom. Pri tem pride do motenj ritma ali do trepetanja. Posledica je lahko odpoved delovanja srca. Za posledice pa je odločilna velikost toka, ki steče skozi telo. Pri električnem udaru pa jakost toka povzroči toplotni učinek oz. opekline ali preobremenitev živcev. Po standardu se glede dotika delov, ki so pod napetostjo, loči v neposreden in posreden dotik. Pri neposrednem dotiku telo pride v stik z aktivnim delom, ki je konstantno pod napetostjo, npr. električni vodnik. Za preprečevanje teh so prevodni deli naprav opremljeni z izolacijo ali okrovom1. Posreden dotik pa nastane zaradi okvare, npr. izolacije, saj se pojavi napetost na delih, ki med normalnim delovanjem niso pod napetostjo, oseba pa pride v stik s tem delom. Da pa se izognemo morebitnim situacijam, moramo upoštevati varnostne predpise za nizkonapetostne in visokonapetostne naprave ter predhodno zagotoviti zaščitne ukrepe. Med njih spadajo samodejni odklop napajanja, dvojna ali ojačana izolacija, zaščita z električno ločitvijo, zaščita z malo napetostjo, uporaba tokovnega zaščitnega RCD oz. FID stikala, inštalacijskega odklopnika, itd. [3].

Za primer nepravilnega delovanja bodisi mehanskega, elektro ali s strani programske opreme, kjer lahko naprava škoduje sebi ali osebi v neposredni bližini oz. za preprečitev večje škode, mora vsaka naprava na vidnem in neposrednem mestu vsebovati prožilno napravo za izklop v sili, ki se v primeru proženja zaskoči ter nemudoma prisilno izklopi delovanje celotne naprave.

1 Okrov je zunanji varovalni, vezni del naprave ali ohišja

7

2.2 Standardi in zakonodaja

Standardi, zakonodaja, odredbe ter direktive natančno določajo postopke izdelave, sestave, uporabe, prodaje, kvaliteto, varnost, itd. Natančno narekujejo poenotene pristope izvajanje dela ter v našem primeru preverjanje varnosti električne opreme, strojev in naprav. Podajo natančen opis pojmov oz. definirajo njihov bistven pomen. Poleg raznih oznak pa natančno predpisujejo uporabo eno najbolj znanih oznak v Evropi CE2 (slika 2.1), ki je namenjena za ugotavljanje skladnosti na evropskem trgu.

Slika 2. 1: Oznaka skladnosti CE

Oddelek pa z načinom izdelave garantira, da bo naprava izdelana v skladu z internacionalnimi standardnimi normami: CEI IEC 335-1, DSLS IEC 355-1. Po SIQ odredbi o električni opremi, ki je namenjena za uporabo znotraj določenih napetostnih mej – LVD Uradni list RS, št. 53/00 – direktiva (73/23/ECC) [16]; Direktivi o elektromagnetni združljivosti (EMC) Uradni list RS, št. 390/04 (2004/108/ES) [14] ; ter po odredbi o varnosti strojev (Uradni list RS, št. 52/2000) [18].

V ta namen mora biti vsa oprema uporabljena za izdelavo in delovanje zgoraj omenjene naprave, vsebovati mora navedeno oznako. Ker imamo opravka z napravami, ki so namenjene uporabi v delovnem procesu ter delovanjem v industrijskem okolju, kjer na nemoteno delovanje vpliva več dejavnikov, je poleg upoštevanja zgoraj navedenih direktiv in odredb potrebno pravilno zaščititi vso opremo. V ta namen se uporablja oprema, ki je posebno namenjena za delovanje v takšnem delovnem okolju.

2 Je obvezna oznaka znotraj EEA. Potrjuje, da naprava ali izdelek izpolnjuje zahteve glede varnosti potrošnikov, zdravja in varstva okolja, ki ga določajo EU smernice.

8

2.3 Strojni vid

Strojni vid z razvojem novih tehnologij postaja v industriji vedno bolj popularen. V osnovi gre pri strojnemu vidu za uporabo različnih tehnologij ter metod za avtomatske nadzore procesov in zagotavljanje avtomatskih pregledov s pomočjo zajemanja slike. Ta pa zajema ogromno ponudbo raznih tehnologij, uporabo programske in strojne opreme, metod in strokovnega znanja, na trg pa z nenehnim razvojem prihajajo vedno boljše in kompaktnejše izvedbe. Splošna definicija pomena strojnega vida je analiziranje zajete slike, kjer se obdelani podatki uporabijo za nadzor procesa ali dejavnosti. Tako lahko rečemo, da gre pri strojnem vidu v običajnih primerih za odkrivanje predmetov ali njihovih nepravilnosti, opisovanje, definiranje in njihovo meritev, na podlagi česar se sprejemajo odločitve v delovnem procesu. Pri analizi zajete slike pa uporabimo znanja iz matematike, geometrije, linearne algebre, statistike, funkcionalne analize in operacijskih raziskav [33].

Najpogostejša oprema, uporabljena pri strojnem vidu, so kamera ali barvni slikovni senzor, osvetlitev, programska oprema, procesor in izhodne naprave [33]. Pri kamerah ali barvnih slikovnih senzorjih gre večinoma za točno namenske naprave, ki imajo v sami osnovi enak princip delovanja, ampak se razlikujejo v namenu in okolju uporabe. Slika 2.2 prikazuje uporabo strojnega vida za kontrolo kadi pralnih strojev v podjetju Gorenje d. d.

Slika 2. 2: Uporaba strojnega vida za kontrolo kadi pralnih strojev [8]

Tako lahko z različnimi izvedbami kamer dobimo zajem barvne, črno bele slike ali dvodimenzionalnih in tridimenzionalnih podatkov, termične slike in ostale slike ali podatke. Pri izbiri kamer ali slikovnih senzorjev pa je potrebno izbrati pravilno vrsto objektiva. Objektiv je optična naprava, sestavljena večinoma iz več leč in/ali zrcal (slika 2.3).

9

Slika 2. 3: Objektivi, namenjeni za kamere

Prav tako je pri pravilni izbiri kamer pomembna tudi pravilna izbira osvetlitve. Komercialna osvetlitev, namenjena za razsvetlitev prostorov, če le-ta ni specialno izvedena, deluje z določeno električno napetostjo ter frekvenco. Te človeško oko ne zaznava, pri občutljivih kamerah ali barvnih slikovnih senzorjih pa pride do motnje in s tem nepravilnega delovanja analize slike. Prav tako pride do motenj pri osvetlitvi, ki snop žarka usmeri v eno točko in s tem pri zajemu slike dobimo predele, ki so svetlejši, in predele, ki so temnejši. Problem pa nastane tudi pri materialu, ki odbija žarke svetlobe ter s tem prepreči analizo slike oz. zajetega objekta. Da preprečimo te vplive, moramo za namen zajemanja slike izbrati pravilno namensko osvetlitev. Če pa zunanji svetlobni vplivi niso tako veliki, pa lahko ta problem lepo rešimo s pravilno izbiro objektiva, ki zbira občutljivo svetlobo ter odpravi optične napake. Programska oprema, procesorji slik in izhodne naprave pa večinoma delujejo na isti princip, ta pa se izbere pri različnih proizvajalcih ali zastopnikih. Paziti pa je potrebno na združljivost. Slika 2.4 prikazuje uporabo programske opreme za analizo pravilnosti zajete slike vijaka.

Slika 2. 4: Programska oprema za analizo zajete slike

10

2.4 Naprave za izvajanje varnostnih in funkcionalnih preizkusov

Gorenje Orodjarna – Merilni sistemi

Pri vseh produktih, ki so na trgu, veliko vlogo igrata varnost in kakovost delovanja, kajti ravno tam, kjer se lahko sledljivo zagotovi višja stopnja kakovosti in varnosti za uporabnika, se izdelani proizvod loči od ostalih. Z neprestanim in neustavljivim razvojem na vseh področjih pa je potrebno tudi nenehno prilagajati ter posodabljati za to namenjene kontrolne naprave. [7]

Ponujeni produkti so naprave za izvajanje varnostnih in funkcionalnih testov, za uporabo strojnega vida in kolaborativnih robotov v industriji ter merjenje fizikalnih veličin in obdelavo podatkov. Naprave za izvajanje varnostnih in funkcionalnih testov so naprave za preizkus izdelkov ali polizdelkov s pomočjo funkcionalnih testov, ki vključujejo merjenje toka, napetosti, moči, energije, narejene iz standardiziranih izdelkov, namenjenih za industrijsko okolje s preverjeno varnostjo zagona in delovanja. Večina naprav izvaja teste po standardu EN60335, ki določa zahteve in pogoje za testiranje varnosti naprav za domačo uporabo. Pri tem se lahko izvajajo preizkusi stabilizacije napajalne napetosti, test zaščitne ozemljitve, test visokih AC in DC napetosti, test izolacijske upornosti ter test odvodnega toka. Izvajajo pa se tudi testi na aparatih s področja puščanja plinov ter sevanja oz. mikrovalovanja [7]. Slika 2.5 prikazuje kontrolno testno napravo za izvajanje varnostnih in funkcionalnih testov pečic na proizvodni liniji podjetja Gorenje d. d.

Slika 2. 5: Kontrolno testna postaja za izvajanje varnostnih in funkcionalnih testov pečic

11

2.5 Načini izvajanja kontrole varnosti in funkcionalnosti naprav

V tem poglavju je opisan in naveden način izvajanja kontrole varnosti in funkcionalnosti naprav. Za razumevanje je tukaj potrebno osnovno znanje elektrotehnike. Glavni poudarek je na osnovnem električnem varnostnem testiranju za preizkus varnostnih električnih karakteristik aparata po zahtevah in standardih SIST EN 60335 [17]. Pri tem lahko napravo razumemo tudi kot produkt ali polizdelek, ampak se bomo zaradi lažjega razumevanja pri opisu testov držali univerzalnega poimenovanja preizkušanec.

Kontrolno testne naprave lahko izvajajo naslednje varnostne in funkcionalne teste: stabilizacija napajalne napetosti, test zaščitne ozemljitve, test z visoko napetostjo AC, test z visoko napetostjo DC, test z visoko napetostjo med delovanjem, test izolacijske upornosti, test odvodnega toka, test funkcionalnosti, meritev moči, itd.

Električno varnostno testiranje je ključno pri zagotavljanju varnosti naprave z električnega vidika. Vsaka naprava, ki se izdela, mora ustrezati električno varnostnim standardom. Da pa se zagotovi njegova neoporečnost, mora naprava po standardu SIST EN 60335 [17] uspešno opraviti naslednje električne varnostne teste [20].

I. TEST VISOKE NAPETOSTI

Test visoke napetosti ali tudi dielektrične trdosti se izvede z napetostjo, ki je občutno večja kot normalna operacijska napetost preizkušanca. Testni objekt je vezan s testno napravo, kot to prikazuje slika 2.6. Pri testu se preveri ustreznost izolacije preizkušanca, ki je izpostavljen visoki napetosti, pri čemer naj ta za doseg uspešno opravljenega testa ne bi prebil. Test naj bi se izvedel dvakrat, v AC in DC režimu [20].

Slika 2. 6: Vezalni načrt pri izvajanju testa visoke napetosti

12

Test se izvede tako, da steče visoka napetost med kratko sklenjenim faznim (L) in nevtralnim (N) vodnikom skozi izolacijo proti ozemljenem ohišju pri nastavljeni AC ali DC napetosti.

II. TEST IZOLACIJSKE UPORNOSTI

Pri tem testu se izmeri celotna upornost preizkušanca pri dovajanju DC napetosti od 500 V do 1000 V. Pri tem je minimalna zadovoljiva upornost za opravljen test 1 MΩ. Test pod nobenim pogojem ni nadomestek za test visoke napetosti, kjer preverjamo preboj, saj pri tem testu preverjamo minimalno zadovoljivo upornost preizkušanca [20]. Testni objekt je vezan s testno napravo, kot to prikazuje slika 2.7.

Slika 2. 7: Vezalni načrt pri izvajanju testa izolacijske upornosti

Test se izvede po principu Ohmovega zakona3. Ta predpisuje zvezo med jakostjo električnega toka, napetostjo in upornostjo. Tako lahko s pomočjo znane napetosti in toka določimo velikost upornosti. Test se izvede med kratko sklenjenima napajalnima vodnikoma (L in N) ter ozemljitveno sponko (PE) preizkušanca.

3 Ohmov zakon imenovan po nemškem fiziku Georgu Simon Ohmu

13

III. TEST ZAŠČITNE OZEMLJITVE

Pri testu zaščitne ozemljitve se meri ozemljitev med ozemljitveno sponko in zunanjim kovinskim delom preizkuševalca, kot to prikazuje vezalni načrt na sliki 2.8. Maksimalna še sprejemljiva upornost je 0.1 Ω. Test se izvede pri rahlo povišanem toku, a takšnem, da lahko zagotavljamo majhno napetost ter s tem varnost testiranja [20].

Slika 2. 8: Vezalni načrt pri izvajanju testa zaščitne ozemljitve

Test se izvede med ozemljitveno sponko in zunanjim kovinskim delom preizkuševalca s principom Ohmovega zakona (U-I metoda) pri DC majhni napetosti.

IV. TEST ODVODNEGA TOKA

Pri testu odvodnega toka izmerimo neželeno puščanje toka, ki steče skozi izolacijo (slika 2.9). Test naj bi se izvajal pri 100 % do 110 % povišani napajalni napetosti. Najvišja dovoljena meja za doseg uspešnosti testa je 210 μA.

Slika 2. 9: Vezalni načrt pri izvajanju testa odvodnega toka

14

2.6 Delovanje vgradnih indukcijskih kuhališč

Kuhališča ali tudi pogosto uporabljen izraz kuhalne plošče imajo glavno nalogo segrevanja delovne površine (posode) za namen termične obdelave hrane ali jedi. Do segrevanja le-te pa lahko pridemo na več načinov. Kuhalne plošče se delijo na plinske, električne, steklokeramične, indukcijske ali različne kombinacije vseh vrst. Indukcijsko in steklokeramično kuhališče sta po videzu precej podobna, vendar se po principu delovanja povsem razlikujeta. Konvencionalni in tehnično nezahtevni način je s pomočjo kontroliranega gorljivega plina oz. plinskih gorilnikov. Prednost teh je zelo dobra kontrola nad segrevanjem delovne površine in je pogosto uporabljena v restavracijah prav zaradi te lastnosti. Zelo pogosto pa se v gospodinjstvih uporabljajo steklokeramične kuhalne plošče, ki delujejo kot uporovni grelniki. Pri teh dveh načinih pa prihaja do izgub energije, saj najprej segrevamo celotno delovno površino in šele nato medij (npr. voda). S to metodo pa neposredno segrevamo tudi prostor okoli kuhališča. Temu pa se izognemo z uporabo indukcijskih kuhalnih plošč.

Slika 2. 10: Plinsko kuhališče Gorenje

Indukcijska kuhališča delujejo na principu magnetnega polja, ki ga ustvari električni tok. Magnetno polje je prostor okoli tuljav magnetitov ali vodnikov, po katerih steče električni tok [27]. Samo magnetno polje je določeno z gostoto magnetnega polja, zaznamo pa lahko magnetno silo in magnetni navor [10].

15

V primeru indukcijskih kuhališč uporabljamo visokofrekvenčno magnetno polje, ki povzroči vrtični tok4 na dnu medija, zaradi česar se ta segreje. Zazna pa se tudi velikost delovne površine ali posode, pri čemer delujemo samo na dno le-te. Ker segrevamo samo dno posode, se sama kuhalna plošča segreva zgolj posredno, kar je zelo minimalno. Zaradi tega lahko eliminiramo nevarnost opeklin z dotikom kuhališča ali delovne površine, prav tako pa imamo zelo visok izkoristek. Primer takšnega delovanja pa prikazuje demonstracija na sliki 2.11.

Slika 2. 11: Demonstracija delovanja indukcije samo na dno posode

Ob uporabi manjše delovne posode, kot je kuhalna cona, pa se segreva samo velikost dna posode na kuhalni coni. Ob primeru odstranitve posode pa plošča nima pogojev za delovanje in kuhališče preneha delovati ter preide v stanje pripravljenosti. Ko pa posodo postavimo nazaj, pa kuhališče začne delovati takoj. Posamezne delovne cone pa v večini primerov reguliramo z upravljanjem elektronskih mest, občutljivih na dotik. Jakost magnetnega polja je pa v veliki meri odvisna od posode, saj pri izbiri pravilne velikosti posode zmanjšamo velikost magnetnega polja. Za preprečitev indukcije dodatnih tokov pa se izognemo uporabi kovinskega kuhalnega pribora. Ker pa magnetno polje neposredno vpliva na električno poljsko jakost v človeku, mora biti kuhališče izdelano, da ne presega zastavljene mejne vrednosti. Pri pojačani uporabi pa se odsvetuje uporaba nosečnicam, otrokom. Za zdravega človeka pa je redna uporaba neoporečna [10].

4 Vrtični tokovi so produkt eleričnih prevodnikov s pomočjo indukcije, ko se v njihovi bližini spreminja magnetni pretok, npr. v indukcijskem segrevanju.

16

3. NAČRTOVANJE IN RAZVOJ NOVEGA PROJEKTA

V tem poglavju so opisani začetki novega projekta, kako do projekta sploh pride in kakšen je pravilen pristop za kasnejšo realizacijo. Narejen je opis načrtovanja, razvoja ter uporaba omenjenega teoretičnega znanja, opisanega v prejšnjem poglavju. Opisan je princip delovanja aplikacije ter v sklopu samega razvoja predstavljena najpomembnejša oprema, ki se je izbrala za realizacijo.

3.1 Pristop k novemu projektu

Pri strokovni izvedbi obširnega projekta, posebej v podjetju, je potreben premišljen sistematični pristop, ki ga razdelimo na štiri dele. Prvi del se začne z analizo zahtev, temu sledi usklajevanje zahtev in načrtovanje izvedbe skupaj z naročnikom. V tretjem delu se začne izvršitev, kamor spada sam razvoj sistema naročila ter nato realizacija in zaključek, ki naj bi bil predaja naprave in celotne dokumentacije naročniku [3]. Pri našem konkretnem primeru se bo v podjetju GORENJE d. d. OVK – KA izdelala čisto nova proizvodna linija. V proizvodni liniji je potrebno pred izdajo aparatov na trg le-te testirati po zahtevah in standardih, navedenih v 2. poglavju.

Naročnik poda povpraševanje po izdelkih, ki jih ponuja oddelek Merilnih sistemov. Da se lahko naročilo povpraševanja bolje analizira, se organizira sestanek z naročnikom. Tam se med pogovorom najprej sprejmejo želje naročnika. Pregledajo se tehnične zmožnosti, če je oddelek naročilo zmožen sprejeti in v kolikšni meri ga je mogoče realizirati. Naročniku se obrazložijo skladnosti, odredbe in direktive, ki bodo nastopile med projektom. Skupaj z naročnikom pa se začne načrtovanje izvedbe [3].

17

3.2 Načrtovanje izvedbe

Pri načrtovanju izvedbe projekta sodelujeta tako naročnik kot izvajalec. Začnejo se zbirati točni podatki, ki so bistveni za obliko in izvedbo projekta. Načrtujejo ter dogovarjajo se konkretne zadeve, dimenzije in števila potrebnih naprav. Naročnik zagotovi slike in skice predvidene linije ter predstavi njegove zamisli. Predvideno postavitev linije z merilnimi mesti prikazuje slika 3.1.

Slika 3. 1: Predvidena postavitev linije z napravami

Glede na zahteve se določijo ključne lastnosti naprave. Zbiranje informacij pa poteka tudi preko priročnikov, katalogov, dokumentacij, proizvajalcev, interneta, itd. Glede na zahteve se doreče tudi delovanje naprave. Izračuna se okvirni čas, potreben za izvedbo ter zaenkrat približni stroški, ki bi nastali za izvedbo kompletnega projekta. Ko se določijo vse stvari, se izdela in oblikuje ponudba. Izvede se opis opreme, njeno delovanje, koncept naprave, pada pa se tudi cena projekta. Ponudba se predstavi naročniku in ob strinjanju se lahko začne izvajanje projekta, v nasprotnem primeru pa sledijo še dodatna usklajevanja.

Po dorečeni ponudbi se v sklopu načrtovanja pregleda razpoložljiv material, določi se vodja projekta in oblikujejo se delovne skupine. Razdelijo se delovna področja in s tem se določi delo posameznika na projektu. Pri izvedbi pa je potrebo skupinsko delo ter pravilna komunikacija med sodelavci, da lahko delo poteka čim bolj nemoteno.

18

3.3 Princip delovanja kontrole varnosti in funkcionalnosti kuhališč

Izdela se pet merilnih naprav za izvajanje stoodstotne končne kontrole s krmilno in merilno opremo za varnostni in funkcionalni preizkus vsadnih kuhališč. Stoodstotna končna kontrola pomeni, da se preizkusita varnost in funkcionalnost vsakega kuhališča, preden se ta izda na trg. Od tega so štiri naprave namenjene za delovanje na proizvodni liniji, ki vsebujejo avtomatski priklop aparata na priključna mesta vsadnih kuhališč. Pozicioniranje priključnic pa poteka s pomočjo krmilja, kjer pozicijski sistem s pomočjo koračnih motorjev priklopno priključnico samodejno postavi pod mesto priklopa. Izdela pa se ena naprava, ki je namenjena za mesto popravila v primeru, da sistem zazna neustreznost aparata na liniji. Ta je po konfiguraciji podobna ostalim, a se namesto avtomatske kontrole ta izvaja izključno ročno s strani izobraženega kontrolorja.

Za izdelavo ter vizualno predstavo in kasnejši test pravilnega delovanja sistema je potrebno pridobiti testni vzorec, kot ga prikazuje slika 3.2. Pred začetkom konstruiranja je potrebno upoštevati tehnične značilnosti aparata. Pod te spadajo mere, ki so v tem primeru (Š ×V×G): 60 × 6,1 × 51 cm ter neto masa, ki je približno 10 kg, kar upoštevamo pri izgradnji sistema za testiranje.

Slika 3. 2: Obe strani vzorca kuhališča

Po pregledu tehničnih zahtev ter vzorca se predlaga naslednje delovanje sistema oz. aplikacije. Aparat se na paletnem transporterju pripelje na določeno delovno mesto. Ta je opremljena z RFID5 tehnologijo, kjer se s pomočjo infrardečega valovanja [24] identificira aparat, sistem pa se nanj prilagodi.

5 Radiofrekvenčna identifikacija je tehnologija za prenos podatkov med bralnikom in elektronsko oznako v namen identifikacije [32].

19

Ko aparat prispe na svoje mesto, se izvede avtomatski priklop priključnice na aparat s pomočjo x-y pozicionirnega sistema. Mesto priklopa priključnice se nahaja na spodnji strani aparata, ki je standardno za te tipe aparatov in je namenjeno za priključitev aparata na električno omrežje. Aparat, ki prispe na delovno mesto popravila, lahko ima dva tipa priključnih mest. Na sliki 3.3 je to prikazano s šestpolno priključnico, alternativa pa je tudi tripolna.

Slika 3. 3: Mesto priklopa s šestpolno priključnico

Priključitev pa se v primeru popravila ali alternativnega testa lahko izvede z ročno priključnico, izdelano za specifično mesto priklopa. Zaradi odstopanj mest priklopa in možnega zaprtja pokrova priključnice se za pozicioniranje x-y sistema uporabi kamera z manjšo resolucijo ker zajemamo večji objekt ter manjšim objektivom zaradi manjšega polja zajema slike.

Po pravilni priključitvi se začnejo izvajati testi, ki presodijo varnost in funkcionalnost aparata. Le-te pa je potrebno izvajati po pravilnem in izbranem vrstnem redu, to pa storimo tako, da najprej aparat testiramo z manjšimi napetostmi, za tem testiramo galvanske stike ter ozemljitev in se nato premikamo do maksimalnih moči in preizkusa funkcionalnosti aparata. Če je predhodni test aparata označen z neustrezno, se testiranje preneha ter aparat na paletnem transporterju odpotuje do mesta popravila. Vrstni red, s katerim se bosta testirali varnost in funkcionalnost aparatov, je sledeč.

20

Najprej se izvede predtest z malo napetostjo. Tukaj se ugotovi prisotnost morebitnih kratkih stikov oz. kratkostičnih tokov. Nato se izvede test zaščitne ozemljitve. Če je zaščitna ozemljitev prisotna v predpisanih mejah, se izvede test z visoko napetostjo. Test simulira primer nastanka preboja, ta pa se lahko izvede samo ob zagotovitvi, da se operater ne more dotikati aparata oz. ne more segati v delovno območje naprave. Po testu visoke napetosti se s pomočjo IR6 komunikacije izvedeta vklop ter konfiguracija aparata. Preko IR komunikacije se aparatu določita tip in znamka, preveri pa se še koda vgrajene elektronike.

Po opravljenih testih, komunikaciji in konfiguraciji se na grelna mesta spustijo plošče z bremeni ali tako imenovanimi sekundarnimi tuljavami za testiranje delovanja grel. Kot je omenjeno na koncu drugega poglavja, indukcijsko kuhališče ne deluje brez prisotnosti določenega bremena. Za ta namen se uporabijo navidezna bremena pod imenom sekundarne tuljave. Sekundarna tuljava je bakreno navitje, s katerim lahko vzbudimo magnetno polje v indukcijskem kuhališču na posamezni kuhalni coni. Energijo, ki pa se pri tem postopku ustvari, pa preko vodnikov odvajamo izven delovnega območja. Sedaj preko IR komunikacije vklapljamo posamezne kuhalne cone do maksimalne zmožnosti ter preverjamo njihovo pravilno delovanje. Na koncu se izvede še dvig sekundarnih tuljav za 100 mm ter s tem pregled pravilnega delovanja zaznavanja, saj kadar ni prisotne posode na kuhališču se ta izklopi. Celoten potek pa je mogoče spremljati preko LCD zaslona.

Po končanem testu kontrolor preveri odzivnost vmesnika, občutljivega na dotik, istočasno pa kamera z večjo resolucijo preveri pravilnost izpisa segmentov uporabniškega vmesnika na aparatu. Ko je ta uspešen, pa se izvede še test odvodnih tokov. Vsi podatki o meritvi se shranijo na interno podatkovno bazo, da se zagotovi njihova sledljivost. Aparat se samodejno odklopi ter izprazni delovno mesto. Aparati z uspešno opravljenim varnostnim in funkcionalnim testom potujejo naprej po transportni liniji, pri vsakršni nepravilnosti pa aparat potuje na mesto popravila.

6 IR-označuje elektromagnetno valovanje z valovnimi dolžinami, daljšimi od valovnih dolžin vidne svetlobe, a krajšimi od mikrovalovnega valovanja [10].

21

Predstavljen princip delovanja predstavlja izhodiščne cilje in zahteve, ki se jih držimo pri razvoju ter kasnejši realizaciji aplikacije. Iz principa delovanja celotnega sistema pa lahko podrobneje zapišemo zahteve in pogoje delovanja kamer, uporabljenih pri strojnem vidu.

V prvem primeru uporabe strojnega vida, ki je popravek pozicioniranja priključnice, preverimo morebitno zaprtje pokrova priključnega mesta. Opazimo, da so priključna mesta dokaj velika in zato za prepoznavanje ne potrebujemo velike resolucije. Pri tem tipu uporabe tudi ne potrebujemo velikih hitrosti zajemanja slike. Potrebujemo pa barvno kamero, ki bo prepoznala morebiten pokrov, v nasprotnem primeru pa razločila priključna mesta. Velikost kamere pa zaradi zadostnega prostora ni tako pomembna.

V drugem primeru, kjer preverjamo pravilen izpis segmentov uporabniškega vmesnika na aparatu, pa za razpoznavnost potrebujemo zelo velike resolucije, saj so segmenti zelo majhni. Pri tem primeru potrebujemo tudi hitrejše zajemanje slike, kjer se naredi več slik. Enako kot v prvem primeru uporabimo barvno kamero, ki prepozna barvni zapis segmentov na vmesniku. Tudi tukaj nismo omejeni s prostorom kamere.

Točni tip kamere, objektiv ter ostale komponente pa se določijo po postopkih, ki so predstavljeni v podpoglavju 3.4.4, kjer sta predstavljena razvoj in izbira strojnega vida.

22

3.4 Razvoj posameznih podsklopov naprav za varnostne in

funkcionalne preizkuse

V tem podpoglavju je narejen razvoj sistema, kar predstavlja osrednji del naloge. Pri tem razčlenimo projektna izhodišča in jih praktično uporabimo. Pri razvoju pa upoštevamo predhodno načrtovanje ter se zgledujemo po zastavljenem principu delovanja celotnega sistema. Tukaj pa s pomočjo programskih paketov, načrtov, skic, itd. sodelavcem predstavimo enolično rešitev problemov za kasnejšo realizacijo.

Sistem, ki ga v našem primeru predstavlja naprava za varnostni in funkcionalni preizkus, je sestavljen iz različnih podsistemov in podsklopov. Slednji so ustvarjeni z obdelavo surovcev ali polizdelkov. Tako moramo v našem primeru podsklope ter podsisteme naprave izdelati ali dobaviti, te pa sestaviti v pravilno delujoč sistem, ki mora ustrezati normam, odredbam in direktivam. Da pa lahko izdelamo polizdelek, pa mora delavec, ki izvaja to delo, komunicirati z ostalimi, brati tehnične risbe, načrte, diagrame, preglednice, izdelovati skice ter znati opisati postopke, uporabljene pri izdelavi. Prav tako velja to pri nabavi materiala, surovine in opreme [4].

Za lažjo razdelitev in navedbo napravo razdelimo na dva podsistema. To bosta podsistem za avtomatsko kontaktiranje aparata in sistem, ki izvaja merjenje, obdelavo in shranjevanje podatkov, ki so vezani na potek izvajanja. Slednjega lahko strokovno imenujemo stikalna omara. Ta dva podsistema skupaj predstavljata celovito napravo za izvajanje varnostnega in funkcionalnega testa [4].

Stikalne omare podjetja Gorenje Orodjarna – Merilni sistemi so razvite po dolgoletnih izkušnjah ter testiranjih in prilagajanjih. Z novejšimi tehnologijami pa se razlikuje tudi njihov zunanji izgled. Glede na trenutno delovanje se omare prilagodijo aplikaciji, uporabijo se namenski, že predhodno testirani elementi in sklopi. Za projektno planiranje in dokumentiranje ter razvoj teh pa se uporabi programski paket EPALN electric.

Glavno pozornost pa bomo namenili podsistemu za kontaktiranje aparata. Za avtomatsko kontaktiranje potrebujemo namensko priključnico, pogon, ki bo priključnico pozicioniral, krmilje ter ogrodje, ki bo stabilno nosilo celoten sklop. Prav tako pa za delovanje potrebujemo še ostale elemente in naprave, ki so opisani na naslednjih straneh.

23

Za konstruiranje mehanskih podsistemov, podsklopov in celotnih sistemov pa je uporabljen CAD7 programski paket SolidWorks. V osnovi je program namenjen za 3D modeliranje, uporablja pa se tudi pri enostavnih simulacijah in inženirskih analizah [31].

3.4.1 Razvoj priključnice aparata

Priključnica je pomemben del podsistema za avtomatsko kontaktiranje aparata, ki si jo lahko predstavljamo tudi kot konvencionalen vtikač, ki se ga vtakne v vtičnico in ga kot tega uporabljamo v vsakem gospodinjstvu (slika 3.4).

Slika 3. 4: Konvencionalen evropski vtikač

Okrogle nožice so namenjene varnemu priklopu v omrežno napetost, pri čemer je ena nožica namenjena faznem vodniku (L), nevtralnem vodniku ali tudi nuli (N), ima pa še ozemljitvena zatiča (PE). Izvedbe se razlikujejo glede na kontinent ter tudi, ali prikapljamo enofazno ali trofazno napetost in priklop brez ozemljitvenega vodnika. V principu pa vse delujejo enako, kajti omogočajo enostavno, varno in nedvoumno povezavo med omrežjem in porabnikom. Tako varen pa mora biti odklop iz omrežne napetosti. Zato morata biti vtikač ali priključnica zasnovana tako, da to omogočata. Prav teh principov pa se držimo tudi pri razvoju namenske priključnice za avtomatsko kontaktiranje.

Ker izvajamo teste z visokimi napetostmi, si ne smemo dopustiti slabega ali nepravilnega stika z aparatom. V najhujših primerih lahko tega uničimo. Najprej si ogledamo mesto priklopa, kot to prikazuje slika 3.5.

7 CAD- Računalniško podprto načrtovanje ali računalniško podprto konstruiranje je ime za metode in postopke, s katerimi uporabimo računalnik kot pripomoček pri inženirskem delu. Običajno ga omenjamo skupaj z računalniško podprto proizvodnjo (Computer Aided Manufacturing - CAM). Vključuje tako programsko kot tudi strojno računalniško opremo. Področja uporabe pa zajemajo strojništvo, gradbeništvo, arhitekturo, geodezijo, elektrotehniko, lesarstvo [30].

24

Slika 3. 5: Šestpolno in tripolno mesto priklopa aparata.

Priključnica sestoji iz posameznih delov, ki jih konstruiramo ter nato virtualno sestavimo. Pri konstruiranju priključnice se usmerjamo po priklopnih mestih na aparatih. Te imajo na sredini utor, katerega izkoristimo tako za fiksiranje kot tudi končno pozicioniranje priključnice s pomočjo štirih vzvodov. Slika 3.6 je zajet CAD model prečnega vzvoda namenjenega za končno pozicioniranje in fiksiranje.

Slika 3. 6: Prečni vzvod

25

Za delovanje mehanizma prečnega vzvoda ter s tem fiksiranje priključnice na priključno mesto uporabimo kompaktne pnevmatske kratkohodne valje z batnico, katere modele prenesemo z uradne strani FESTO v sestavni model. Prav tako iste valje z batnico uporabimo pri premiku po z-osi dela, ki nosi visokotokovne testne sonde. Visokotokovne testne sonde so poleg kontaktiranja namenjene za izvajanje testov pri visokih tokovih. Obstajajo različne izvedbe testnih sond, ki pa se izberejo glede na zahtevano aplikacijo, te pa se s pomočjo vzmeti prilagodijo priklopu. Uporabljene visokotokovne testne sonde, v našem primeru imajo oznako Ingun HSS 2259, prenesejo maksimalen tok 25A in imajo prehodno upornost 1 mΩ, primer takšne sonde in izbiro glede na tehnične lastnosti prikazuje slika 3.7.

Slika 3. 7: Visokotokovna testna sonda Ingun HSS 2259

S pomočjo posameznih sestavnih delov, ki jih vnesemo v sestavno risbo, lahko dobimo točno predstavo izgleda priključnice ter simuliramo delovanje mehanizma. Tukaj tudi definiramo uporabljen material za izdelavo (slika 3.8).

Slika 3. 8: CAD model šestpolne in tripolne priključnice

26

Materiala, uporabljena za priključnico, sta aluminij ter poliamid. Aluminij je zelo trajna, nemagnetna, lahka kovina, ki je odporna proti koroziji. Tako priljubljena pa je tudi poliamid, ki je zelo prilagodljiv, žilav in vzdržljiv material. Tako aluminij kot poliamid se zelo dobro obdelujeta, prav tako pa ni potrebe po zaščiti površine, kot napreimer barvanje, cinkanje, itd. Za simulacijo delovanja priklopa pa v sestavni model priključnice uvozimo še model vtikača, kot to prikazuje slika 3.9.

Slika 3. 9: Simulacija delovanja z uvozom vtikača

Programski paket Solidworks pa nam omogoča tudi pogled mehanizma v izbranih prerezih, kjer lahko vidimo, če zastavljena konstrukcija resnično deluje. Prav tako lahko tukaj vidimo zračnost ter nato popravljamo morebitne nastale napake. Na sliki 3.10 je prikazano delovanje vzvoda šestpolne priključnice v prečnem prerezu. Prav tako pa lahko lepo vidimo kontaktiranje visokotokovne testne sonde na priključno mesto.

Slika 3. 10: Prečni prerez šestpolne priključnice

27

S priključnico lahko izvedemo vse zastavljene teste razen testa zaščitne ozemljitve. Pri tem testu je potrebno s pomočjo sonde ustvariti galvanski stik na kovinskem delu aparata. Za ta namen se razvije še nosilec za testno sodno, ki je pritrjen na kompaktni pnevmatski kratkohodni valj z batnico (slika 3.11).

Slika 3. 11: Sklop za test zaščitne ozemljitve

3.4.2 Razvoj pogona sistema za pozicioniranje

Pri razvoju pogona imamo odprte različne možnosti, kot je izbira vrste pogona ter izbira gonil, ki omogočajo spremembo gibanja. Pri razvoju takšnih podsistemov pa strmimo k temu, da izvedemo sistem čim manj tehnično zahteven ter s čim manj komponentami ter s tem zagotovimo sigurnost delovanja.

Najprej pa je potrebno razčistiti nekaj stvari, da lahko nadaljujemo z razvojem. Za doseg priključnega mesta, ki je naša končna točka, uporabimo koordinatni sistem, ki je matematično orodje in omogoča, da točke v sistemu zapišemo s števili [25]. V našem primeru se premikamo v tako imenovanem kartezičnem koordinatnem sistemu, ki ga določajo tri med seboj pravokotne osi (slika 3.12). Presečišče vseh osi imenujemo koordinatno izhodišče, za vse osi pa veljajo določene matematične formule. Opis lege neke točke v kartezičnem koordinatnem sistemu pa se lahko opiše s pravokotnimi projekcijami točke na koordinatne osi [26].

28

Slika 3. 12: Pravokotni koordinatni sistem [25]

Tako za definiranje leg točke v kartezičnem koordinatnem sistemu potrebujemo projekcijo točke na os x, katera določa absciso točke, projekcijo točke na os y, ki določa ordinato točke ter projekcijo točke na os z, ki jo določa aplikata točke [26]. Da pa olajšamo celoten sistem, predpostavimo, da bomo za premagovanje osi z uporabili valj z batnico, ki ima dovolj velik doseg oz. ima večji doseg, kot je potrebno ter ga mehansko blokiramo. Ta opravi enostaven linearni gib, z njim pa zagotovimo, da se tako gibljemo samo še v dvorazsežnem pravokotnem koordinatnem sistemu v ravnini (slika 3.13).

Slika 3. 13: Pravokotni koordinatni sistem v ravnini [26]

Sedaj potrebujemo za definiranje točke le še absciso neznane točke po vodoravni osi x in ordinato neznane točke po navpični osi y. S tem pa zagotovimo, da se je za doseganje končne točke potrebno gibati samo po x in y osi.

29

Za gibanje po teh dveh oseh pa uporabimo dva linearna pogona z vodilom. Po zahtevah tako ni potrebno premagovati velikih sil, ampak je potrebno, da se sistem pozicionira hitro in natančno. V ta namen smo se odločili za uporabo dveh osi z zobatim jermenom podjetja FESTO (slika 3.14). Med različnimi izvedbami, ki jih ponujajo preko njihovega spletnega kataloga, lahko izbiramo med standardnimi velikostmi, dolžino giba ter vrsto vodila. Obe osi imata izbrano širino 80 mm, pri čemer za pomik v y smeri naročimo os, ki ima 200 mm giba, za x smer pa os, ki ima 300 mm giba. Primeren je za večino aplikacij, kompatibilen pa je tako s servo kot koračnimi elektromotorji. Sistem pa prispe že sestavljen ter pripravljen za uporabo.

Slika 3. 14: Os z zobatim jermenom podjetja FESTO

Za pogon linearnih osi je potrebna uporaba elektromotorja. V splošnem so to stroji, ki pretvarjajo električno energijo v mehansko delo s pomočjo magnetnega polja (razen posebne izvedbe). Kot je omenjeno, je uporabljen linearni pogon, ki je kompatibilen tako s servo kot koračnimi motorji. Za hitre in natančne premike mehanskih delov takšne vrste aplikacij se uporabljajo predvsem servomotorji. Pri tovrstnih motorjih ne dosegamo velikih moči, ampak je bolj pomemben velik pospeševalni vrtilni moment za hitre spremembe vrtljajev in smeri vrtenja. Poleg motorja pa moramo izbrati še pravilni servopretvornik in krmilje, da lahko sistem krmilimo in reguliramo. Skupno sestavo servomotorja, servopretvornika in krmilja pa imenujemo servopogon [3].

V našem primeru se za pogon linearnih osi uporabi zaprtozančni koračni sistem proizvajalca Ezi-SERVO, ki prinaša kar nekaj prednosti za razvoj pozicionerja. Nekaj glavnih značilnosti, ki nam jih podaja proizvajalec, je, da lahko celoten sistem deluje preko računalnika s standardno RS-485 komunikacijo, z vezavo, kot je prikazana na sliki 3.15 [5].

30

Slika 3. 15: Shematična povezava servopogona z RS-485 komunikacijo [5]

Za lažje razumevanje ostalih značilnosti pa si najprej oglejmo zgradbo servopretvornika. Ta deluje kot zelo enostaven in značilen servopretvornik, a omogoča veliko uporabnih značilnosti za naš tip aplikacije. Servopretvornik Ezi-SERVO prikazuje slika 3.16.

Slika 3. 16: Prikaz servopretvornika Ezi-SERVO [5]

Na en servopretvornik lahko povežemo en servomotor ter se preko standardne RS-485 povezave povežemo na krmilje. Prav tako se preko tega povežemo na naslednji servopretvornik. Opazimo pa lahko tudi priključek za resolver, katerega bomo omenili malo kasneje pri izbiri motorja.

31

Glavne značilnosti tega sistema so tudi, da lahko preko servopretvornika na motor delujemo s tabelo pozicij. Tako lahko z digitalnimi izhodi industrijskega krmilnika servopretvorniku neposredno posredujemo pozicijsko tabelo, zagon in ustavitev, vklop motorja, premor, itd. Servopogon pa lahko posreduje povratno informacijo h krmilniku. Sistem Ezi-SERVO pa uporablja sistem zaprte zanke. Tako so motorji zaprtozančni z vgrajenim resolverjem v motor (slika 3.17), kar omogoča zelo visoko resolucijo, kjer se informacija o točni poziciji motorja osveži vsakih 25 mikrosekund [5]. Takšni resolverji so zelo uporabljeni sistemski dajalniki8 pri servomotorjih.

Slika 3. 17: Prikaz zaprtozančnega sistema s pomočjo resolverja [5]

Sistem pa omogoča tudi izključitev ojačanja signala, kar omogoča še lepše delovanje sistema. Za delovanje izberemo hibridni servo motor EzM-60L-C z vgrajenim resolverjem, ki prepriča s hitrim odzivom, visoko hitrostjo, gladkim in natančnim delovanjem tudi pri ojačanju. Prav tako pa tip motorja omogoča veliko resolucijo, ki je maksimalno 32.000 pulzov na obrat [5].

Za pritrditev in povezavo motorja na linearne osi pa konstruiramo še enostavno sklopko, ter prirobnico, na katero je pritrjen motor. Konstruiramo pa še ostale nosilce, nosilne plošče ter dele za delovanje sistema, material za kasnejšo izdelavo pa definiramo kot aluminij. Ostali deli pa so standardni in uvoženi iz knjižnic proizvajalcev. Tukaj se izdela sestavni CAD model pozicionerja, vanj pa uvozimo že konstruirano priključnico ter se s simulacijo premikanja prepričamo o pravilnem delovanju konstruiranega sistema. Zajet CAD model konstruiranega pozicionirnega sistema s potrebnimi elementi in vključeno priključnico prikazuje slika 3.18.

8 Sistemski dajalniki so merilne naprave, ki pri servopogonih zajemajo število vrtljajev, smer vrtenja in kotni položaj. Služijo za povratno javljanje informacij pozicije rotorja servomotorja k servoregulatorju.

32

Slika 3. 18: Konstruiran pozicionirni sistem s potrebnimi elementi in vključeno priključnico

3.4.3 Razvoj krmilja sistema

Večino fizikalnih veličin, kot sta npr. tok in napetost, lahko krmilimo ali reguliramo, pri čemer je regulacija postopek, kjer izbrano veličino nenehno zajemamo ter primerjamo z željeno ter se nato prilagajamo tej vrednosti. Tukaj govorimo o zaprtozančnem sistemu s povratnim vplivom regulirane izhodne veličine. Ravno obratno pa je pri krmiljenju, kjer je njegova značilnost odprta sistemska zanka, kjer krmiljena veličina nima nobenega povratnega vpliva. Glede oblike informacij pa ločimo analogno, digitalno in binarno krmiljenje. Za izvajanje nalog krmiljenja pa se uporabijo programirljivi logični krmilniki ali PLK [3].

PLK je tako krmilni element, ki za delovanje naprave, stroja ali sistema v procesu zajema signale preko dodatnih vnosnih sklopov, ter proži, nadzoruje in vpliva na delovni proces, glede na krmilni program, pri čemer lahko tega izvaja kot krmiljenje ali regulacijo. Sam PLK je mikroprocesorsko krmiljen sistem, ki ima program shranjen kot programsko opremo v pomnilniku, tega pa lahko vedno spreminjamo z ustrezno programsko opremo ter ga nato prenesemo v pomnilnik PLK. Pri prenosu novega programa čez obstoječega se ta prepiše. Prav tako pa lahko v večini primerov prenesemo obstoječ program iz PLK [3]. Trenutno najbolj razširjeno opremo krmilne tehnike v industriji ponuja proizvajalec SIEMENS (slika 3.19). Zaradi odlične uveljavljenosti, zanesljivosti delovanja, kompatibilnosti ter ostalih vzrokov se ta oprema uporabi tudi za naš projekt.

33

Slika 3. 19: Krmilna oprema proizvajalca SIEMENS

Proizvajalec nam ponuja različno krmilno opremo, namenjeno za različne tipe aplikacij, kot npr. mini krmilniki za preprosta krmiljenja in različne operacijske panele za komunikacijo med operaterjem in sistemom. V osnovi potrebujemo za delovanje PLK centralno procesno enoto ali CPU, sklop za napajanje ter vhodno/izhodni sklop. Načeloma bi se lahko pri aplikaciji odločili za kompaktni krmilnik, ki že združuje vse naštete strojne komponente v enem sistemu, kot trenutno zelo uporabljen kompaktni krmilnik SIEMENS S7-300, ampak se zaradi različnih zahtev aplikacije odločimo za nakup novejšega PLK sistema s potrebnimi moduli. Slika 3.20 prikazuje shematični pregled uporabljenega SIEMENS SIMATIC S7-1200 sistema.

Slika 3. 20: SIEMENS SIMATIC S7-1200 sistem

34

Za našo aplikacijo uporabimo centralno procesno enoto SIMATIC S7 1200. Tako moramo pri nakupu paziti na kompatibilnost ostalih modulov, ki morajo nositi oznako npr. SM 12xx. V naslednjih nekaj straneh je za module, ki so shematično prikazani na zgornji sliki, narejen kratek opis glavnih značilnosti in karakteristik. Nova serija poleg izboljšanih lastnosti prinaša odlično razmerje med ceno in kakovostjo. Poleg zunanjega videza pa je prenovljena tudi programska oprema, ki omogoča boljši nadzor in komunikacijo z zunanjim vhodnim panelom.

I. KOMPAKTNI STIKALNI MODUL CSM 1277

Stikalni modul ali switch je naprava, ki združuje do tri dodatne uporabnike preko standardne Ethernet povezave. Ethernet je komunikacijski standardni protokol po standardu IEEE 802.3, ki se uporablja v lokalnih omrežjih. Preko te povezave dosegamo hitrosti komunikacije do 10/100 Mb/s. Modul je prikazan na sliki 3.21.

Slika 3. 21: Kompaktni stikalni modul CSM 1277

II. NAPAJALNI MODUL PM 1207

Vsi moduli so napajani z enosmerno napetostjo 24 V, pri čemer je posebna pozornost namenjena centralno procesni enoti. Da pa je ta napetost stabilna, pa uporabimo napajalni modul PM 1207, prikazan na sliki 3.22, ki ga na module povežemo preko priključnih sponk. Napajalni modul pa je priključen na izmenično napetost 230 V, pri čemer lahko nastavimo napajanje tudi za mrežno napetost 120 V. Izhodni tok napajalnika je 2.5 A, ki je kontroliran in izoliran od ostalega sistema. Prav tako nam napajalnik omogoča mehki zagon, da ne pride do presega električne energije na ostalih modulih.

35

Slika 3. 22: Napajalni modul PM 1207

III. CENTRALNO PROCESNA ENOTA SIMATIC S7-1200 CPU 1214C

Centralno procesna enota je osrednji del krmilnega sistema, saj ta opravlja glavno delo za delovanje PLK. Njegovi glavni gradniki so različni tipi pomnilnikov, mikroprocesor ter vodila, ki povezujejo celotno enoto. Program, ki ga prenesemo na PLK, je tako shranjen v trajnem pomnilniku ter v delovnem pomnilniku. Trajni pomnilnik je v tem primeru integriran, v starejših izvedbah pa je ta izveden kot odstranljiva pomnilniška kartica. Delovni pomnilnik ali hitri RAM pa vsebuje dele prenesenega programa, ki se izvajajo in med delovanjem spreminjajo. Med pomnilnike pa prištejemo še sistemski pomnilnik, ki vsebuje definirane spremenljivke [4]. Centralno procesni modul uporabljen pri projektu je prikazan na sliki 3.23.

Slika 3. 23: Centralno procesna enota SIMATIC S7-1200 CPU 1214C

Centralno procesna enota pa ima vgrajeno tudi pomožno baterijo, ki ob izgubi napajalne napetosti poskrbi, da se ne izgubi trenutni program v delovnem pomnilniku (RAM) [4].

36

IV. DIGITALNI IZHODNI MODUL SM 1222

Modul omogoča vklop do osem digitalnih izhodov pri enosmerni napetosti 24 V, ki se prožijo tranzistorsko z 0.5 A. Izhod v tem primeru predstavlja bit na izhodni enoti, njegovo postavitev pa vizualizira prižig pripadajoče LED. Z njim lahko vključimo/izključimo aktuatorje in izvršilne člene, npr. ventil. Prav tako pa je izhod na modulu galvansko ločen in s tem se prepreči uničenje krmilnika. Modul pa ima tudi to funkcijo, da pri izostajanju programskega cikla izklopna enota iz varnostnih razlogov izklopi vse izhode [4]. Uporabljen modul je prikazan na sliki 3.24.

Slika 3. 24: Digitalni izhodni modul SM 1222

V. DIGITALNA VHODNO/IZHODNA MODULA SM 1223

V našem krmilnem sistemu pa uporabimo tudi dva digitalno vhodno/izhodna modula prikazana na sliki 3.25. V principu sta modula enaka, le da ima en osem digitalnih vhodov ter osem digitalnih izhodov, drugi pa še enkrat toliko. Torej šestnajst digitalnih izhodov in prav toliko digitalnih vhodov. Princip digitalnih izhodov je isti kot pri zgornjem modulu, pri digitalnih vhodih pa je vhod preslikava logičnega bita vhodnega modula v CPE. Pri tem ločimo digitalno logično vhodno stanje »1« in »0«. Da pa se jih zanesljivo določi, ima vsak digitalni vhod filter, optični spojnik in pragovno preklopno stikalo, s katerim na CPE pripeljemo nedvoumno vhodno stanje. Enako kot pri izhodnem modulu se tudi tukaj vizualno prestavi postavitev vhoda ali izhoda s prižigom pripadajoče LED.

37

Slika 3. 25: Digitalna vhodno/izhodna modula SM 1223

3.4.4 Razvoj in izbira strojnega vida pri pozicioniranju in

preverjanju izpisov segmentov

Kot je povedano v drugem poglavju, je strojni vid uporaba različnih tehnologij ter metod za avtomatske nadzore procesov in zagotavljanje avtomatskih pregledov s pomočjo zajemanja slike. Za uporabo strojnega vida bomo uporabili dve kameri. Prva bo uporabljena za popravek pozicionirnega sistema priključnice ter kontrolo morebitno zaprtega pokrova priključnega mesta. Druga pa bo preverjala pravilen izpis segmentov uporabniškega vmesnika na aparatu.

Ker že poznamo zahteve ter pogoje pravilnega delovanja strojnega vida, moramo v prvem koraku izbrati pravilen tip kamere. V drugem koraku izberemo pravilen tip objektiva, v tretjem pa, ali je sploh potrebna dodatna osvetlitev in če je, kakšna naj bo ta osvetlitev [12].

Pri izbiri kamer, ki so namenjene za strojni vid, opazimo, da so te razdeljene na različne tipe:

- Visokoresolucijski tip kamere

- Visokohitrostni tip kamere

- Standardni tip kamere

- Kompaktni tip kamere

38

Kateri tip kamere potrebujemo, pa določimo glede na primer uporabe, ki jo izvajamo. Izbira tipa kamere pa je za stabilno in nemoteno delovanje zelo pomemben del .

Tip kamere lahko določimo tako, da pregledamo zahteve in pogoje delovanja, ki jo mora ta izvajati. Najprej preverimo potrebno resolucijo kamere. Resolucija oz. ločljivost slike se nanaša na število pik na zajeti sliki. Te pike so večinoma znane pod imenom piksel9. Piksel je na zaslonu omejen z obliko in velikostjo, predstavlja pa realno mersko enoto, s katero se izrazi ločljivost slike. Tako nam resolucija ali ločljivosti neke slike pove, koliko pikslov je razporejenih na neki razdalji. Kot sam piksel je tudi resolucija omejena s širino in višino slike. Število točk neke slike oz. točkovne pike pa lahko z resolucijo izračunamo tako, da njeno širino in višino enostavno pomnožimo. Večja ločljivost pa pomeni večja razločljivost podrobnosti [12].

Naslednji parameter pri izbiri kamere je hitrost zajemanja slike. Ta podatek je označen s fps oz. koliko slik na sekundo. Opredeljuje zajete sličice, ki jih kamera lahko naredi v eni sekundi. Za potrebe hitrega zajemanja slike se uporabijo visokohitrostne kamere. Nato preverimo, ali za pravilno delovanje potrebujemo zajem črno bele ali barvne slike. Pomemben podatek pa je tudi velikost same kamere. Kjer imamo na voljo zadosten prostor montiranja kamere, ta podatek ni tako pomemben in je le informativen. V primeru omejenega prostora pa je potrebna izbira kompaktnih kamer.

Pri izbiri pravilnega objektiva kamere moramo upoštevati naslednje parametre. Določimo osrednjo razdaljo od objekta ter območje, ki ga mora pokrivati. Pazimo na doseg fokusa, ki je presečišče vzporednih žarkov, ko se ti odbijejo ali lomijo. Izbiro pa imamo tudi med visokoresolucijskim ali standardnim objektivom [12]. Prav tako pa moramo biti pozorni na kompatibilnost objektiva s kamero (resolucija ter pravilen tip pritrditve).

9 Piksel je najmanjša grafična enota, ki ima svojo barvo in svetlost, ta pa je omejen z obliko in velikostjo [29].

39

Pri prvem tipu delovanja strojnega vida potrebujemo za kamero objektiv, ki bo pokril območje 150 mm x 150 mm, osrednja oddaljenost pa bo 500 mm. Ta pa mora biti kompatibilna za vsaj 1.6 MP ter mora vsebovati C-tip pritrditve, kot je ta na kameri. Izberemo objektiv proizvajalca Fujinon z oznako HF8XA-1 z 8 mm goriščno razdaljo (slika 3.26), ki povsem zadostuje potrebam kamere in tipu aplikacije.

Slika 3. 26: Fujinon HF8XA objektiv

Pri drugem tipu delovanja pa potrebujemo objektiv, ki bo pokril območje 500 mm x 1000 mm, osrednja oddaljenost pa bo 700 mm. Ta mora biti kompatibilna za 5 MP ter tako kot pri prvi vsebovati C-tip pritrditve. Tudi tukaj se odločimo za objektiv proizvajalca Fujinon z oznako HF16XA-5M s 16 mm goriščno razdaljo (slika 3.27), ki zadostuje potrebam kamere in aplikacije.

Slika 3. 27: Fujinon HF16XA objektiv

Delovanje s pravilno izbiro objektivov ne potrebuje dodatnega vira osvetlitve. Tako lahko sedaj točno določimo kameri za oba namena aplikacije.

40

I. Popravek pozicioniranje priključnice ter pregled morebitnega zaprtja pokrova priključnega mesta

Za izvajanje delovanja popravka pozicioniranja strojnega vida se uporabi kamera Allied Vision Tech Manta G-507B IMX264 Sony (slika 3.28). Tukaj imamo manjšo ločljivost kot pri drugi kameri, ampak je za potrebo delovanja hitrost zajemanja slike večja. Kamera je namenjena predvsem pri kontroli kvalitete ter zajemanja slike v industrijskem okolju in je kompaktne izvedbe. Ostale specifikacije pa so navedene v tabeli 3.1 [1].

Slika 3. 28: Kamera mako G-507B [1]

Tabela 3. 1: Specifikacije kamera mako G-507B [1]

Proizvajalec Allied Vision

Resolucija 1600 (viš.) 1200 (šir.)

Hitrost zajemanja slike 60 fps

Barvna/črno bela Barvna in črno bela

Končno število točk 1,920,000

Dimenzija (D x Š x V) 60.6 mm x 29 mm x 29 mm

Teža 80 g

41

II. Preverjanje pravilnega izpisa segmentov uporabniškega vmesnika na aparatu

V ta namen se uporabi kamera Allied Vision Tech Manta G-507B IMX264 Sony (slika 3.29), ki s 5 MP zagotovi potrebo po veliki ločljivosti slike. Ostale specifikacije kamere so navedene v tabeli 3.2 [2].

Slika 3. 29: Kamera manta G-507B [2]

Tabela 3. 2: Specifikacije kamere manta G-507B [2]

Proizvajalec Allied Vision

Resolucija 2464 (viš.) 2056 (šir.)

Hitrost zajemanja slike 23.70 fps

Barvna/črno bela Barvna in črno bela

Končno število točk 5,065,984

Dimenzija (D x Š x V) 86.4 mm x 44 mm x 28 mm

Teža 190 g

Programska oprema za zajemanje in obdelavo slike pa je programski paket NI LabVIEW. V programskem okolju se ustvari namenski program, ki zajema sliko v knjižnico ter jo procesira na vključenem industrijskem računalniku. Povezava med kamero in računalnikom pa je standardna GigE, ki je namenjena za industrijske kamere. Z omenjenim tipom povezave lahko preko Ethernet vmesnika prejemamo celo visokohitrostne posnetke ter kontrolne podatke [21].

42

3.4.5 Razvoj ogrodja podsklopa za avtomatsko kontaktiranje

aparata

Ogrodje predstavlja glavni nosilni del celotne naprave za avtomatsko kontaktiranje. V industriji se za razna ogrodja tipično uporabljajo standardni aluminijasti profili z idealnimi razmerji, te pa se sestavijo s pomočjo standardnih matic in vijakov. Standardni aluminijasti profili se za ta projekt dobavijo kot palice, ki imajo idealno razmerje dimenzij 45 mm x 45 mm ter 90 mm x 45 mm preko proizvajalca Bosch [13] (slika 3.30). Imamo pa še možnost dobave že sestavljenega ogrodja ali pa dobavo preko drugega proizvajalca, kjer se profili rahlo ločijo po notranjih oblikah.

Slika 3. 30: Standardni aluminijast profil proizvajalca Bosch

Za konstruiranje ogrodja, ki sestoji iz standardnih profilov, pa zopet uporabimo programski paket SolidWorks, ki pod zavihkom Weldments omogoča konstruiranje ravno teh. Definirajo se uporabljeni profili, v sam CAD model pa se lahko uvozijo že narisane sestavne risbe (slika 3.31).

Slika 3. 31: Testno ogrodje sistema za avtomatsko kontaktiranje

43

Pred konstruiranjem končnega ogrodja pa se za testne namene konstruira manjše ogrodje. To ogrodje se po končanem konstruiranju sestavi v delavnici ter se s pripadajočim pozicionerjem, priključnico, paleto ter testnim aparatom preveri pravilnost delovanja sistema. Ugotovijo pa se tudi morebitne napake ali odstopanja, če pa te nastopijo, pa se lahko popravijo na CAD modelih.

Po testiranju pravilnosti delovanja avtomatskega kontaktiranja na testni aparat se lahko prične s konstruiranjem končnega ogrodja za sistem avtomatskega kontaktiranja. Tukaj se poleg že konstruiranih elementov in podsistemov konstruirajo dodatni električni, mehanski ter pnevmatski podsistemi za delovanje celotnega sistema. Zajet CAD model končnega ogrodja za sistem avtomatskega kontaktiranja prikazuje slika 3.32.

Slika 3. 32: Ogrodje sistema za avtomatsko kontaktiranje

Prav tako kot pri pozicionerju in priključnici se pri končanem konstruiranem modelu preveri pravilnost delovanja. Pri tem posebno pozornost namenimo priključnici, če se ta dobro kontaktira na priključno mesto aparata, kot to prikazuje slika 3.33.

44

Slika 3. 33: Test kontaktiranja priključnice na priključno mesto

3.4.6 Razvoj stikalnih omar

Naprava za izvajanje varnostnih in funkcionalnih preizkusov je celovit kompleksni mehatronski sistem, sestavljen iz več podsistemov. Ta lahko nastopi kot enojna naprava oz. postaja, ki ima večinoma zgolj električne podsisteme ali pa ima, kot je to v našem primeru, zraven še mehanski podsistem. Za obdelavo vseh informacij in izmerjenih podatkov, ki nastopijo v sistemu, pa ni zadostno le krmilje, ampak je potrebna še osredja enota, imenovana stikalna omara[4].

Kot je omenjeno, lahko že sama stikalna omara z dodano posebno opremo, kot npr. varnostno testno napravo npr. proizvajalca GW INSTEK, pridobi ime naprave za izvajanje varnostnih in funkcionalnih preizkusov. V našem primeru pa je stikalna omara le podsistem naprave kompleksnega mehatronskega sistema, namenjenega za avtomatsko kontrolo kuhališč. Stikalna omara omogoča zaščito občutljive ter nenazadnje nevarne električne in elektronske opreme oz. komponent v industrijskem okolju.

V stikalne omare se vgradijo naprava za upravljanje, krmilna oprema, stikala, tipke, transformatorji, montažne plošče, nosilne letve, spončna oprema, vmesniki, ventilatorji, itd. Pomembna je pravilna in razmišljena razporeditev vseh elementov ter opreme, vezava, označitev ter dokumentacija, ki pri morebitni napaki pripomore k hitri razrešitvi. Prav tako pa mora biti natančno dokumentirana vsa krmilna in programska oprema zaradi kasnejše nadgradnje ali izboljšanja [4].

Da pa lahko izberemo ustrezno velikost stikalne omare, pa moramo najprej pregledati potrebne elemente ter ustvariti načrt za montažno ploščo (slika 3.34).

45

Slika 3. 34: Predvidena postavitev elementov stikalne omare z montažno ploščo

46

Celotna oprema in komponente, ki so navedeni v naslednjih straneh po etažah v stikalni omari so skrbno izbrane. Pri izbiri mora zaradi trajnega delovanja veliko vlogo igrati kakovost in obstojnost komponent ter