UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO,

RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO,

FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO

Domen Gošek

PROGRAMSKA OPREMA ZA AVTOMATIZACIJO

SISTEMA ZA KONTINUIRNO LITJE ZLITIN

Diplomsko delo

Maribor, avgust 2017

PROGRAMSKA OPREMA ZA AVTOMATIZACIJO

SISTEMA ZA KONTINUIRNO LITJE ZLITIN

Diplomsko delo

Študent: Domen Gošek

Študijski program: Študijski program 1. stopnje

Mehatronika

Mentor FERI: doc. dr. Miran Rodič

Mentor FS: Lektorica:

dr. Franc Zupanič

Mojca Tergušek, prof.

i

iii

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorjema doc.

dr. Miranu Rodiču, dr. Francu

Zupaniču ter podjetju Miel

Elektronika d. o. o. za vso pomoč

pri opravljanju diplomske naloge.

Prav tako hvala tudi vsem ostalim

profesorjem, ki so bili pripravljeni

odgovoriti na vsa moja vprašanja

ter so svoje izkušnje in znanje

prenašali naprej.

Posebej se zahvaljujem svoji

družini in dekletu Nini Pisek, da so

me vedno podpirali in mi študij

tudi omogočili.

1

PROGRAMSKA OPREMA ZA AVTOMATIZACIJO

SISTEMA ZA KONTINUIRNO LITJE ZLITIN

Ključne besede: PLK, logični krmilnik, analogno/digitalni pretvornik, avtomatizacija, SCADA,

vlečenje palice, kontinuirno litje, vodenje, materiali

UDK: 338.364:669.018.258(043.2)

Povzetek

Diplomsko delo obsega podroben pregled skozi zahteve, ki jih je podal Inštitut za materiale

na Fakulteti za strojništvo v Mariboru. Tako so opisani postopki in logika delovanja

programske opreme, ki je ključna pri avtomatskem režimu kontinuirnega litja. Prilagojena sta

bila predhodno izdelana nadzorni program kot tudi grafični vmesnik. Skozi celotno delo so

vidni odseki programske kode, ki je rezultat mnogih preizkusov na maketi. Za testiranje

programske opreme je bila uporabljena predhodno izdelana maketa s programirljivim

logičnim krmilnikom ter enosmernim motorjem z inkrementalnim dajalnikom.

2

SOFTWARE FOR AUTOMATIZATION FOR

CONTINUOUS CASTING OF ALLOYS

Key words: PLC, logical controller, analog/digital converter, automatization, SCADA, stick

pulling, continuous casting, leading, materials

UDK: 338.364:669.018.258(043.2)

Abstract

This diploma work contains detailed overview of new requirements, which were given by the

Institute of materials at the Faculty of Mechanical engineering, University of Maribor.

Procedures and software logic are described for crucial tasks of the automatic regime actions

in continuous casting. An existing control program written in CX-Programmer environment

and also graphical interface written in CX Supervisor environment were modified and

upgraded. Parts of the software that are included in the text have also been extensively

tested. For testing the pre-made model was used, which contained pragrammable logical

controller, several switches and DC motor with incremental encoder.

3

KAZALO VSEBINE

KAZALO VSEBINE ........................................................................................................................ 3

KAZALO SLIK ............................................................................................................................... 5

SEZNAM UPORABLJENIH SIMBOLOV.......................................................................................... 7

1 UVOD ................................................................................................................................... 9

2 SPLOŠNO O PROGRAMIRLJIVIH LOGIČNIH KRMILNIKIH ................................................... 10

2.1 Zgodovina programirljivih logičnih krmilnikov .......................................................... 11

3 TEORETIČNO OZADJE PROCESA KONTINUIRNEGA LITJA .................................................. 12

3.1 Splošno o kontinuirnem litju ..................................................................................... 12

4 PROCES LITJA VLEČENIH PALIC .......................................................................................... 13

5 OPIS PROBLEMA – ZAHTEVE INŠTITUTA ........................................................................... 15

5.1 Opis nastavitvenih parametrov ................................................................................. 17

5.1.1 Čas vleka: ............................................................................................................ 17

5.1.2 Prva hitrost hitrostnega profila: ......................................................................... 17

5.1.3 Druga hitrost hitrostnega profila: ...................................................................... 17

5.1.4 Prvi postanek: ..................................................................................................... 18

5.1.5 Drugi postanek: .................................................................................................. 18

5.1.6 Čas povratnega sunka: ....................................................................................... 18

5.1.7 Hitrostni profil sistema ....................................................................................... 19

5.2 Proces avtomatskega litja .......................................................................................... 19

6 OPIS KOMPONENT ............................................................................................................ 20

6.1 Opis izhodiščne opreme ............................................................................................ 20

6.2 Opis izhodiščne programske opreme ........................................................................ 21

6.2.1 SCADA ................................................................................................................. 21

7 OPIS IN PREDSTAVITEV USPEŠNO ZAKLJUČENEGA PROJEKTA.......................................... 22

8 PROGRAMSKO DELOVANJE AVTOMATSKEGA REŽIMA ..................................................... 24

8.1 Uporaba časovnika TIMH(015) .................................................................................. 25

8.1.1 Prvi postanek ...................................................................................................... 25

8.1.2 Drugi postanek ................................................................................................... 27

8.2 Hitrostni profil sistema .............................................................................................. 27

8.3 Algoritem generiranja referenčnih točk v hitrostnih profilih .................................... 28

4

8.4 Filtriranje toka motorja.............................................................................................. 42

8.5 Programska sekcija povratni sunek ........................................................................... 43

8.6 Položajna regulacija ................................................................................................... 46

9 KAKO UPORABLJATI NADGRADNJO .................................................................................. 48

9.1 Uporaba ročnega režima ........................................................................................... 48

9.2 Uporaba avtomatskega režima.................................................................................. 49

10 SKLEP ............................................................................................................................. 51

11 VIRI ................................................................................................................................ 52

12 PRILOGE ......................................................................................................................... 53

5

KAZALO SLIK

Slika 1: Litje plošč [7] ................................................................................................................ 12

Slika 2: Primer faznega diagrama za zlitino niklja in aluminija [8] ........................................... 13

Slika 3: Različni načini kontinuirnega litja [1] ........................................................................... 15

Slika 4: Prikaz simboličnega hitrostnega profila motorja ......................................................... 19

Slika 5: Izhodiščna programska oprema SCADA ....................................................................... 22

Slika 6: Strojna oprema v laboratoriju ...................................................................................... 23

Slika 7: Aktivacija merkerja...................................................................................................... 24

Slika 8: Časovnik TIMH(015) za prvi postanek .......................................................................... 25

Slika 9: Prikaz argumentov časovnika TIMH(015) .................................................................... 25

Slika 10: Pretvorba podatkov v funkcijskem bloku REAL_to_BCD_conversion ....................... 26

Slika 11: Funkcijski blok REAL_to_BCD_conversion ................................................................. 26

Slika 12: Časovnik TIMH(015) za drugi postanek ..................................................................... 27

Slika 13: Označitev parametrov na grafu hitrostnega profila, ki jih bo operater moral podati

pred obratovanjem naprave .................................................................................................... 29

Slika 14: Izrezek funkcijskega bloka »Izračuni«, v katerem se izračunajo vse konstantne

vrednosti za optimizacijo izračunov ......................................................................................... 35

Slika 15: Koda funkcijskega bloka "Izracuni", kjer se računajo konstante ............................... 36

Slika 16: Prvi odsek kode funkcijskega bloka "HitProf", kjer pride do računanja 6000 točk ... 36

Slika 17: Drugi odsek kode funkcijskega bloka "HitProf" ......................................................... 37

Slika 18: Tretji odsek kode funkcijskega bloka "HitProf" ......................................................... 37

Slika 19: Pogoji, ki definirajo izračun novih točk ...................................................................... 38

Slika 20: Odsek kode v sekciji avtomatskega režima – pisanje v pomnilnik, uporaba kazalcev

na pomnilniških mestih ............................................................................................................ 38

Slika 21: Prekinitvena rutina, povečevanje kazalca v prvi vrstici ............................................. 39

Slika 22: Branje iz pomnilnika v prekinitveni rutini .................................................................. 39

Slika 23: Koda regulatorja ......................................................................................................... 40

Slika 24: Diagram poteka za izračun položajnih točk za funkcijski blok »HitProf« .................. 41

Slika 25: Funkcijski blok za kontrolo toka ................................................................................. 42

Slika 26: Koda za filtriranje toka četrtega reda ....................................................................... 42

Slika 27: Funkcijski blok »PovratniSunek« implementiran v lestvično logiko .......................... 45

Slika 28: Algoritem povratnega sunka zapisanega v funkcijskem bloku povratnega sunka .... 46

Slika 29: Algoritem položajne regulacije zapisan v funkcijskem bloku

"POLOZAJNA_REGULACIJA" ..................................................................................................... 47

Slika 30: Nova oblika grafičnega vmesnika .............................................................................. 48

Slika 31: Oblika SCADE prilagojena zahtevam inštituta, označeno polje avtomatskega režima

.................................................................................................................................................. 49

Slika 32: Grafični prikaz podatkov o trenutni hitrosti, temperaturi taline in hladilne tekočine

.................................................................................................................................................. 50

6

Slika 33: Dodatni graf za spremljanje dejanske poti ................................................................ 50

7

SEZNAM UPORABLJENIH SIMBOLOV

V – Volt

m – meter

mm/s – milimeter na sekundo

mm – milimeter

s – sekunda

% – odstotek

°C – stopinje celzija

𝑡 – trenutni čas [s]

𝑡1 – čas prve daljice hitrostnega profila [s]

𝑡2 – čas druge daljice hitrostnega profila [s]

𝑡3 – čas tretje daljice hitrostnega profila [s]

𝑡4 – čas četrte daljice hitrostnega profila, ustreza času vlečnega cikla [s]

𝑠0 – začetna pot, hkrati končna opravljena pot [m]

𝑠(𝑡1) – pot opravljena ob koncu prve daljice, hitrostnega profila [m]

𝑠(𝑡2) – pot opravljena ob koncu druge daljice, hitrostnega profila [m]

𝑠(𝑡3) – pot opravljena ob koncu tretje daljice, hitrostnega profila [m]

𝑣1 – prva referenčna hitrost hitrostnega profila [m/s]

𝑣2 – druga referenčna hitrost hitrostnega profila [m/s]

𝑎1 – pospešek prve daljice hitrostnega profila [m/s2]

𝑎2 – pospešek druge daljice hitrostnega profila [m/s2]

𝑎4 – pospešek četrte daljice hitrostnega profila [m/s2]

8

SEZNAM UPORABLJENIH KRATIC

PID – Angl. proportional integral derivative controller

REAL – Številski tip s plavajočo vejico, ki se uporablja pri programiranju

BCD – Decimalni številski tip s fiksno vejico, ki se uporablja pri programiranju

TIMH – Tip časovnika v programskem okolju CX – Programmer

PLK – Programirljiv logični krmilnik

PLC – Programmable logical controller

SCADA – Sistem za nadzor in zajemanje podatkov (ang. Supervisory Control and Data

Acqusition)

INTEGER – Številski tip s celoštevilsko aritmetiko brez decimalne vejice (krajše INT)

WORD – Dolžina dveh pomnilniških mest, ki jo zaseda številski tip s plavajočo vejico

L – Faza v binarnem faznem diagramu, ki označuje talino (angl. Liquid, slo. Tekoče)

9

1 UVOD

Naloga nas, bodočih inženirjev, je razvoj in implementacija novih rešitev v realen čas in

prostor. Smo hitro razvijajoča se družba, ki je postala zahtevna in se hitro naveliča novitet.

Tako si ljudje želimo več in več naprednejših sistemov, ki bi zadostovali našim željam in

potrebam. Kompleksnejši produkti zahtevajo kompleksnejše procese izdelave, ki jih je

potrebno krmiliti.

Na Inštitutu za materiale na Fakulteti za Strojništvo v Mariboru so se v letu 2007 začele

odvijati raziskave z novim pridobljenim sistemom. Laboratorijski testi so dajali določljive in

nedvoumne rezultate. Sistem za kontinuirno litje zlitin na inštitutu za materiale je bil izdelan

v osemdesetih letih prejšnjega stoletja in deluje po konceptu vlečenja palice iz rezervoarja s

talino. Vlečene palice hkrati ohlajamo. Naprava znamke SIEMENS je robustne narave in se

uporablja za laboratorijske namene. Namen naprave je testiranje novih zlitin. Na podlagi

testov določimo novim zlitinam ohlajevalne lastnosti. Z nadaljnjimi testi palic iz enake zlitine,

dobljenih z različnimi parametri ohlajanja, pa določimo še ostale pomembne lastnosti kot so

natezna trdnost, trdota, žilavost, krhkost, električna in toplotna prevodnost in tako naprej.

V diplomski nalogi se bom v opredelitvi celotnega postopka, ki se je nanašal na

nadgradnjo naprave za kontinuirno litje, osredotočil na samo programiranje programirljivega

logičnega krmilnika, kar zadeva izvedbo strogega in natančnega krmiljenja motorja. Podobne

prakse krmiljenja motorja z industrijskim logičnim krmilnikom po hitrosti ali položaju s

pripadajočo PID regulacijo v praksi ne zasledimo skoraj nikjer. Navadno se to počne z

zmogljivejšimi računalniškimi procesorji, kot na primer DSP-ji, s pripadajočo strojno opremo,

ki so v ustrezno kratkih časovnih obdobjih sposobni sprotnega računanja proge s položaji,

pospeški, ter mnogo ostalimi parametri. Primer PID regulacije v praksi so tudi CNC

(numerično krmiljeni) stroji. PID regulacija zagotavlja sledenje zastavljenim krivuljam gibanja

gibajočih se delov naprave po vnaprej določeni progi, ne glede na povzročeno trenje, ki ga

povzroča stik orodja z obdelovalno površino. Trenje, ki ga poznamo iz srednješolskih

učbenikov in je odvisno od pritisne sile na podlago in koeficienta trenja obravnavamo kot

motilno veličino. Klasične stružnice, rezkalni stroji in drugi konvencionalni stroji, te regulacije

nimajo, zato pa potrebujejo toliko bolj zmogljive pogonske sisteme s pripadajočimi prenosi,

da je pogrešek na obdelovancu v predpisanih mejah, prav tako pa funkcijo regulatorja

prevzema operater naprave. Temu pravimo tudi robustna konvencionalna izdelava brez

računalniških in elektronskih komponent.

Sistem na Inštitutu za materiale vsebuje prenos vrtilne veličine v razmerju 1:200. Pri

takšni redukciji vrtljajev z močnim pogonskim sistemom ni pomembnejših dejavnikov, ki bi

na parametre kot so čas vleka, osnovni pomik ali hitrost vleka vplivali do te mere, da bi

10

povzročili pogrešek izven predpisanih meja. Realen sistem vsebuje računalniške

komponente, ki krmilijo pogon po določenem hitrostnem profilu, ima pa tudi možnost izbire

drugih predloženih ali po meri izdelanih hitrostnih profilov. Računalniške komponente so

pomembne tudi pri beleženju podatkov in pri nastavitvah vseh ostalih parametrov. Pri

izvedbi projekta smo se posvetili avtomatskemu režimu vodenja naprave, saj je obstoječi

programski opremi manjkala možnost nastavitve dveh hitrosti vleka ter štirih časov vleka

hitrostnega profila. Cilj in namen diplomske naloge je avtomatizacija sistema za kontinuirno

litje, zato se želimo čim bolj približati originalnim funkcionalnostim obstoječega krmilja, ter

odpraviti nevšečnosti pri delu z njim.

2 SPLOŠNO O PROGRAMIRLJIVIH LOGIČNIH KRMILNIKIH

Programirljivi logični krmilniki (krajše PLK) so danes del že skoraj vsake industrijske

panoge. Najbolj pogosti so na področju logičnega in sekvenčnega vodenja v industrijskih

panogah, saj izvajajo logične, aritmetične, sekvenčne in tudi časovne operacije, katerih

namen je aktiviranje izhodnih bitov, če so izpolnjeni določeni pogoji, ki jih naprave razberejo

iz vhodnih binarnih signalov. Vedno je nujno proženje izhodov, saj je to primarna naloga PLK.

Potek operacij v krmilniku, generira logičen izhod iz krmilnika, ta pa v aktuatorskem sistemu

pomeni določeno akcijo. Izvajanje kakršnih koli operacij znotraj krmilnika ni smiselno, če

dobljena veličina pod nobenim pogojem ne pripomore k vzpostavitvi signala na izhodu

krmilnika. PLK lahko imenujemo tudi industrijski računalnik robustne narave, narejen za

upravljanje z vhodnimi tokovnimi ali napetostnimi veličinami, zlahka pa deluje v

industrijskem okolju, ker ni dovzeten za magnetne motnje v okolju.

Najbolj znane aplikacije s programirljivimi logičnimi krmilniki so tekoči traki ter izvedbe z

roboti. Krmilniki zaznavajo napetosti na vhodih in temu primerno v skladu s programsko

kodo generirajo napetosti na izhodih. Najpogosteje programirljive logične krmilnike

programiramo s pomočjo lestvičnega programskega jezika, ki je razmeroma preglednejši kot

mikrokrmilniški jezik C. Razlog za uporabo bolj pregledne sintakse je v zanesljivosti

krmilniškega sistema, saj v industrijskem okolju preti mnogo nevarnosti. Razvijalec

programske kode je tako manj dovzeten za napake v kodi, ki se lahko pogosteje zgodijo, če je

težavnost programskega jezika velika. Kot rečeno PLK najpogosteje in najlažje programiramo

v lestvičnem programskem jeziku, za njihovo programiranje pa se lahko uporablja tudi

strukturiran tekst, programiranje z mnemoniki, sekvenčnimi funkcijskimi bloki, ki so zelo

podobni diagramom poteka, uporabljajo pa se tudi diagrami s funkcijskimi bloki. Pri teh je

najpomembnejši pretok podatkov, ki se začnejo na vhodih in prehajajo skozi funkcijski blok,

znotraj bloka pa se generira ali eden ali več izhodov. Treba je poudariti, da izhodi iz

funkcijskih blokov niso nujno enaki binarnim signalom iz krmilnika. Izhodi funkcijskih blokov

11

so večkrat uporabljeni v kasnejših operacijah kot spremenljivke, lahko pa jih uporabimo kot

prožilnike signalov izhodnih bitov.

2.1 Zgodovina programirljivih logičnih krmilnikov

Začetek razvoja programirljivih logičnih krmilnikov sega v leto 1968. Takratni inženir

Richard (Dick) Morley, nesporno oče PLK, je tisti čas prvi omenil to besedno zvezo. Razvoj se

je začel. Še preden pa je g. Morley začel s svojim razvojem, je bila takratna industrija

bistveno drugačna, kot jo poznamo danes. Relejske omare in sobe so zasedale ogromno

prostora, zahtevale so stroge urnike vzdrževanja, števci so bili elektro-mehanski, časovniki pa

v pnevmatskih izvedbah. Velikost in cena relejskih sistemov sta bili velika težava. Povezave

med releji so morale biti brezhibne, ob najmanjši napaki sistem ni več deloval pravilno ali pa

sploh ni deloval.

Težnja po avtomatizaciji je prinesla večje in kompleksnejše zahteve. Število relejskih

komponent se je povečevalo, možnost napak je bila velika, pojavljale pa so se vse pogosteje.

Povprečno krmilje naprave v nekem podjetju je lahko vsebovalo tudi do 200 relejev, ki so

morali biti med seboj povezani pravilno in brezhibno. Zaradi težav, ki so jih prinašali relejski

sistemi, se je začel razvoj elektronskih PLK. Nova naprava je prodrla v najrazličnejša podjetja.

Prvi krmilnik Modicon 084 je imel le 125 besed pomnilnika, hitrost pa ni bila zadovoljiva.

Sčasoma se je hitrost povečevala, pomnilnik pa prav tako. Kmalu je g. Morley ustanovil svoje

podjetje z imenom Modicon in začel prodajati prve programirljive logične krmilnike. Beseda

Modicon je kratica za Modular Digital Controller. Prvi izdelki so bili predstavljeni večjim

avtomobilskim podjetjem, kot na primer podjetju General Motors. Prvi krmilnik Modicon 084

ima takšno ime, ker je bil to štiriinosemdeseti prototip. Uspeh prodaje je bil vse manj kot

zadovoljiv. Majhna velikost, kot prednost, ni odtehtala slabosti le 32kb pomnilnika ter

majhnih hitrosti procesiranja. Vendar pa so se razvijalci učili in razvili boljše, hitrejše

krmilnike, ki so imeli na razpolago več pomnilnika. Krmilnik, ki pa je podjetje ponesel v

višave, je bil Modicon 184. Michael Greenberg, ki je krmilnik zasnoval, je spadal med boljše

inženirje na svetu. Škatla s tremi pritrjenimi ročicami za prenašanje tehta slabih 23 kg. Prvi

primerki so še vedno ohranjeni v muzejih.

12

3 TEORETIČNO OZADJE PROCESA KONTINUIRNEGA LITJA

3.1 Splošno o kontinuirnem litju

Litje je v splošnem proces, kjer talino (staljeno kovino) vlivamo v kalupe ali forme, talina

pa se ohladi in strdi ter povzame obliko kalupa. Litje spada med najstarejše in tudi

najpogosteje uporabljene postopke obdelave kovin na svetu. Beseda »kontinuiren« je v

Slovarju slovenskega knjižnega jezika razložena kot pridevnik, ki opisuje potek brez

presledkov in prekinitev. Pri kontinuirnem litju ne gre več za vlivanje taline v oblike ali

kalupe, temveč talino iz peči vlečemo kot trdnino, ta pa povzema obliko kokile. Industrijsko

kontinuirno litje se najpogosteje uporablja za pridelavo surovcev za nadaljnjo obdelavo v

končne izdelke. Surovci lahko zavzemajo več oblik. Lahko so v obliki plošč, valjastih ali pa

različnih prizemskih oblik. Prednost kontinuirnega litja je, da lahko lažje nadzorujemo

ohlajanje palice v kokili, kot ulitka v kalupu. Če ohranjamo hladilno temperaturo kalupa, se

temperatura ulitka niža, ulitek pa se bo ohlajal z vse manjšo hitrostjo ohlajanja. Z

enakomernim hlajenjem kokile pri kontinuirnem litju dosegamo enake hitrosti ohlajanja

taline. Ohlajanje izven kokile nato poteka v zračni atmosferi. Z ekonomskega vidika,

kontinuirno litje dosega kvalitetnejšo in bolj ekonomično proizvodnjo. Postopek

kontinuirnega litja je mogoče avtomatizirati in nadzorovati. Kontinuirno litje se najbolj

uporablja za litje raznih zlitin, kontinuirno ulita pa sta najpogosteje tudi aluminij in baker.

Litje, kot ga vidimo na »Sliki 1«, je le eden od mnogih načinov kontinuirnega litja.

Predhodno staljena talina v peči, se v tem primeru prelije v zgornje lonce označene s številko

1. V loncih se dogaja več procesov, kot na primer legiranje in razplinjevanje. Lonci so

premični in potujejo od peči do livne naprave. Ko je talina v loncu še primerne temperature

Slika 1: Litje plošč [7]

13

za litje, se ti lonci namestijo na livno napravo, kjer so ti pritrjeni na vrtljiv del. Iz prvega lonca

teče talina v napravo, medtem ko drugi lonec ni delujoč in se aktivira šele nato, ko se prvi

lonec izprazni. Ne želimo, da se nam izpraznita oba rezervoarja, saj je njun namen

vzdrževanje neprekinjenega toka taline v kad. Iz lonca se talina pretoči čez ognjevarno pipo v

kad, označeno s številko 2. Kad služi kot rezervoar za talino, med samim procesom litja pa

izravnava tok taline. V kadi se nahaja plazemska bakla za ohranjanje temperature taline

označena s številom 4 in regulator pretoka, označen s številom 5. Talina se iz kadi izliva skozi

hlajene kokile, na drugi strani pa vlečemo trdnino z valjnimi mehanizmi. Kokila, označena s

številko 3, je lahko različne širine, vendar surovcev ne želimo preširokih, saj jih morda ne

želimo kaliti. Problem širokih kokil lahko rešujemo z njeno pravo dolžino, saj se na večji

dolžini kokile širok vlivanec lahko dovolj ohladi [7].

4 PROCES LITJA VLEČENIH PALIC

Slika 2: Primer faznega diagrama za zlitino niklja in aluminija [8]

14

Proces litja na Inštitutu za materiale poteka s podobno napravo, kot je opisana v

prejšnjem poglavju. Naprava vsebuje talilno peč, kjer se talina segreje na primerno

temperaturo, izkustveno 100 do 150 °C nad temperaturo likvidus, kar zaznavamo s

primernimi merilniki temperature v peči. Fazni diagram Aluminija in Niklja na »sliki 2«

prikazuje fazno temperaturna območja za različno koncentracijo enega ali drugega

elementa. Temperaturo likvidus lahko na »Sliki 2« opazimo kot krivulje, ki mejijo na fazo L.

Ta temperatura je odvisna od deleža vsake kovine, ki jo zlitina vsebuje. Krivulja likvidus nam

tako ponazarja prehod iz bodisi metastabilnega bodisi trdnega stanja zlitine v tekočo fazo

ponazorjeno s črko L. S segrevanjem 100 do 150°C nad krivuljo likvidus ohranimo primerno

viskoznost taline, v popolnosti pa se stali vsa kristalna struktura trdnine. Po pretečenem času

taljenja se lahko prične proces litja. Sprva se začne proces hlajenja kokile, sočasno pa

merimo temperaturo vode, s katero jo hladimo. Na začetku potrebujemo del palice, ki bo

štrlel iz kokile, zato da se lahko del palice na začetku procesa litja sprime s talino, ki prihaja iz

peči v kokilo, nato pa jo lahko začnemo vleči iz peči. Pri procesu je zelo pomembna hitrost

litja, temperatura vode v kokili ter čas postanka. Postanek se izvede vsakokrat po izvleku

enega dela palice. Celotna palica, ki pride iz peči, je skupek mnogih vlekov in postankov. V

primeru prevelike hitrosti litja in premajhnega časa postanka lahko pride do pretrganja

palice v kokili. V nasprotnem primeru pa se lahko palica začne zatikati v kokili zaradi

procesov, ki so stekli med hlajeno palico in kokilo. Število vseh vlekov in postankov pa ni

pomembno pri sami nadaljnji analizi kemijskih in mehanskih lastnosti palice, temveč vpliva le

na dolžino izvlečene palice. Časi vleka so lahko različni in so odvisni od vrste taline. Prav tako

je od vrste taline odvisen čas postanka. Vse parametre, lahko spreminjamo tudi med

delovanjem naprave. Vlečni del procesa litja mora biti izveden s posebej predpisanim

hitrostnim profilom. Hitrostni profil je sestavljen iz štirih hitrostnih daljic, ki jim lahko

poljubno nastavljamo čase in hitrosti vleka. Hitrostni profil ni nujno sestavljen iz štirih daljic.

Definiramo jih s pomočjo časov, ki jih moramo podati. Če želimo kakšno daljico izbrisati, je

treba njen končni čas nastaviti na nič. Daljica predstavlja odvisnost hitrosti motorja od

pretečenega časa. Proces vlečenja palice se izvaja pod opisanimi pogoji, ko pa palico

izvlečemo do konca, enostavno prekinemo delovanje naprave tako, da jo zaustavimo s

pretičnim stikalom na panelu, ki definira ročni ali avtomatski režim, zaustavitev pa je možna

tudi z gumbom na grafičnem vmesniku v področju avtomatskega režima z napisom On/Off.

Oba režima definira tudi stikalo na grafičnem vmesniku v zgornjem levem kotu. Za

zaustavitev je dovolj, da je v ročni režim preklopljeno le eno od stikal, za delovanje pa

morata biti vklopljeni obe. Tako zagotovimo še dodatno varnost, ki je pri tej napravi

pomembna. Napravo lahko zaustavimo tudi s pritiskom na gumb zasilnega izklopa. Več o

hitrostnih profilih bom povedal v naslednjih poglavjih o zahtevah in programski izvedbi

avtomatskega režima.

Proces litja vlečenih palic na Inštitutu za materiale na Strojni fakulteti Univerze v

Mariboru se izvaja eksperimentalno, saj poskusi temeljijo na novih še neznanih zlitinah,

15

najpogosteje so to nikljeve zlitine. Naprava je tako namenjena raziskovalnemu

laboratorijskemu delu in odkrivanju novih znanj, ki se lahko nato uporabljajo v industrijah

povsod po svetu.

5 OPIS PROBLEMA – ZAHTEVE INŠTITUTA

Slika 3: Različni načini kontinuirnega litja [1]

Naprava za kontinuirno litje znamke SIEMENS se uporablja za profesionalne

laboratorijske preizkuse, s pomočjo katerih se ugotavljajo mehanske in kemijske lastnosti

nikljevih superzlitin, za potrebe razvoja materialov z boljšimi lastnostmi. Prednost

kontinuirnega litja je v tem, da številnih postopkov, ki so bili potrebni pri klasičnem litju več

ni. Na primer zmanjša se količina človeškega dela, saj je številne stopnje proizvodnje možno

avtomatizirati. Kontinuirno litje bistveno vpliva na material z vidika nitaste poroznosti,

zmanjšanja makroizcejanja, praviloma manjših nekovinskih vključkov in enakomerne

porazdeljenosti le-teh, z določenimi dodatnimi ukrepi pa je mogoče doseči enakomerno

velikost kristalnih zrn. Vse te lastnosti materiala na nano in mikro nivoju posredno vplivajo

na mehanske lastnosti materiala, ki jih želimo doseči bodisi iz samoiniciativnega

raziskovalnega namena ali zaradi zahtev s strani naročnika laboratorijskega poskusa. Nikljeve

superzlitine se uporabljajo za močno mehansko in toplotno obremenjene komponente v

16

letalski in avtomobilski industriji. Naprava služi delu z zlitinami, kjer je mogoče z različnimi

postopki vroče in hladne predelave in toplotne obdelave v širokih mejah spreminjati lastnosti

nikljevih superzlitin [1].

Na »sliki 3« so vidni različni postopki kontinuirnega litja. Naprava na inštitutu za

materiale deluje po načinu »g«, kjer je vlečena palica deležna tudi sekundarnega hlajenja.

Naprava, na kateri se izvaja proces kontinuirnega litja, lahko deluje v povsem

avtomatskem režimu ali pa v povsem ročnem. V avtomatskem režimu je v stari različici

krmilja bilo možno nastavljati naslednje parametre:

Hitrost vleka [%]

Dolžina vleka [mm]

Prvi postanek [s]

Drugi postanek [s]

Dolžina povratnega sunka [mm]

Hitrost povratnega sunka [%]

PREGLED ČEZ NASTAVITVE PARAMETROV NA OBSTOJEČEM KRMILJU:

Parametra, ki se izračunata glede na vnesene parametre in sta odvisni spremenljivki, sta:

časvleka [s] (kot odvisna spremenljivka hitrosti in dolžine vleka)

čas povratnega sunka [s] (kot odvisna spremenljivka hitrosti in dolžine povratnega

sunka)

Prvi parameter, hitrost vleka v odstotkih, je nastavljiv parameter, ki ne poda dejanskega

podatka o hitrosti litja v mm/s. Nastavljena hitrost na 30 % je zagotovo neuporaben podatek,

če ne poznamo hitrosti v mm/s pri kakršnikoli hitrosti v odstotkih. Tako moramo poznati

medsebojno odvisnost med hitrostjo litja v odstotkih od hitrosti litja v mm/s. Krmilje že

obstoječega sistema dopušča nastavljanje tudi hitrostnih profilov motorja. Profil je lahko

operater nastavil po meri, lahko pa je izbral že obstoječega v naboru predloženih profilov.

Nato sledi parameter dolžina vleka, ki bo na novem sistemu postal odvisna spremenljivka od

nastavitve vseh časov vleka in hitrosti vleka, ki jih bom podrobneje obrazložil pozneje. Tudi

parameter »hitrost povratnega sunka« bo zamenjan s parametrom »čas povratnega sunka«.

Pri postankih posebnosti ni, oba sta nastavljiva parametra.

PREGLED ČEZ NASTAVITEV PARAMETROV NA NOVEM KRMILJU:

Pri pomiku palice iz talilne peči se mora palica pomikati po parametrih, ki jih poda

operater naprave. Parametri, ki jih operater določi, so naslednji:

Čas vleka [s]

Prva hitrost hitrostnega profila [mm/s]

Druga hitrost hitrostnega profila [mm/s]

17

Čas 1 hitrostnega profila [s]

Čas 2 hitrostnega profila [s]

Čas 3 hitrostnega profila [s]

Prvi postanek [s]

Drugi postanek [s]

Čas povratnega sunka [s]

5.1 Opis nastavitvenih parametrov

5.1.1 Čas vleka:

Čas vleka je parameter, ki ga operater poda v sekundah. Čas vleka nam predstavlja

celoten čas, v katerem bo zasuk motorja predpisan po hitrostnem profilu. Hitrostni profil

predpiše operater sam po želji in svojih izračunih, saj le on najbolje ve, kakšne parametre

potrebuje za svojo zlitino. Čas vleka predstavlja četrti čas hitrostnega profila. To je končni

čas, kjer zadnja daljica hitrostnega profila pojema v hitrost nič.

5.1.2 Prva hitrost hitrostnega profila:

Prva hitrost hitrostnega profila je hitrost, do katere bo motor pospeševal iz začetne

hitrosti nič. V sistemu se lahko zaradi prehitrega pospeševanja pretrga film, ki meji na talino

in trdnino. Ob pretrganju se lahko operaterjeva varnost zmanjša, saj se lahko talina skozi

kokilo začne izlivati iz peči v prostor. Prva hitrost nikoli ne sme biti prevelika, mora pa biti

manjša od druge hitrosti. Smiselno je, da je ta manjša.

5.1.3 Druga hitrost hitrostnega profila:

Druga hitrost hitrostnega profila je hitrost, do katere bo motor pospeševal z začetno

hitrostjo prve hitrosti hitrostnega profila do druge hitrosti hitrostnega profila. Dosežek prve

nastavljene hitrosti motorja nakazuje na prehod v doseganje druge nastavljene hitrosti v

nastavljivem času t2 – t1. Navadno je pospešek motorja v tem delu večji kot v prvem delu.

Na takšen način je litje ugodnejše, verjetnost za pretrganje palice pa je na takšen način

majhna.

18

5.1.4 Prvi postanek:

»Prvi postanek« je parameter, ki je pomemben v fazi mirovanja, saj podaja čas

postanka. V tej fazi se talina v kokili ohladi do primerne temperature, pri kateri je potem

trdnina, primerna za izvlek v naslednji fazi. Nastavitev postanka navadno obsega vrednosti

od 0,1 do 1 sekunde.

5.1.5 Drugi postanek:

Drugi postanek je pomemben po izvedbi faze povratnega sunka, saj se tako sprijeti del

odtrga od kokile in seže nazaj v notranjost peči, nato pa se mora motor zopet zasukati za isto

pot v obratni smeri. Po opravljenem procesu se aktivira drugi postanek. V času, ki ga definira

parameter »drugi postanek«, se zopet palica ohladi nazaj, praviloma pa je čas drugega

postanka krajši od prvega postanka.

5.1.6 Čas povratnega sunka:

Čas povratnega sunka je parameter, ki določa, koliko časa se bo palica pomikala v

notranjost in koliko časa se bo palica pomikala tudi iz notranjosti peči. Dilema pri povratnem

sunku se je pojavila pri sami položajni progi sistema. Ko med vnaprej določeno potjo,

program prekine generiranje referenčnih točk (več o generiranju točk v naslovu Programsko

delovanje avtomatskega režima), se dejanska opravljena pot motorja spremeni, referenčna

točka, kamor pa se mora premakniti palica, pa ostane na istem mestu. Zato bo regulator ob

njegovem ponovnem vklopu pri zaključenem povratnem sunku želel zmanjšati zelo velik

pogrešek, ki je nastal. Rešitev težave se odraža v še enem sunku v smeri litja, ki bo opravljen

z istimi parametri, torej čas povratnega sunka in hitrost povratnega sunka.

19

5.1.7 Hitrostni profil sistema

Hitrostni profil sistema prikazuje simbolični graf spodaj v odvisnosti od hitrosti motorja

[mm/s] in časa. Na grafu vidimo, da je sestavljen iz štirih daljic z različnim koeficientom

naklona. Koeficient naklona daljice nosi podatek o pospešku motorja. Gibanje v prvi daljici je

najmanj pospešeno. Zaradi nevarnosti pretrganja palice v kokili hitrejše pospeševanje

gibanja ni priporočljivo, če se operater nahaja v bližini talilne peči. V drugi daljici v časovnem

intervalu od t1 do t2 pa opazimo, da je pospeševanje motorja hitrejše. Od točke t1 naprej ni

več tolikšne nevarnosti o pretrganju, začelo pa se je popolnoma kontinuirno litje. V tretji

daljici v časovnem intervalu od t2 do t3 pa gibanje motorja odraža enakomerna hitrost. V

tem intervalu ne želimo več pospeševati s hitrostjo motorja, saj se bo zaviranje kmalu začelo.

Nenaden prehod iz pospeška v pojemek ni priporočljiv za delovanje motorja, saj krajša

njegovo življenjsko dobo, kar pomeni večjo obrabo, večje tokovne špice pri prehodu ter

skokovito delovanje.

Slika 4: Prikaz simboličnega hitrostnega profila motorja

5.2 Proces avtomatskega litja

Avtomatski režim ob normalni vrednosti toka, ki teče v motor, ciklično ponavlja dve fazi,

vse dokler operater ne prekine avtomatskega vodenja:

Zasuk motorja za pomik, ki je odvisen od nastavitve šestih parametrov hitrostnega

profila,

Obstanek motorja za časovni parameter »prvi postanek«

0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6 8 10 12

#1

𝑣2

𝑣1

𝑡1 𝑡2 𝑡3 𝑡4

20

Na takšen način lahko sistem izvleče iz peči tako dolgo palico, kolikor je taline v peči.

Takšne vrste proces litja med postankom hladi palico v kokili ravno prav, da se ta ne sprime

nanjo. Med obratovanjem motorja pa se ohlajena palica izvleče ravno toliko, da se nova

talina znova hladi v obliki palice v kokili.

Če je v kokili prišlo do sprijemanja zaradi nepravilnih vrednosti parametrov hitrostnega

profila, zaradi povišane sile trenja na vlečnih valjih in zaradi hitrostne regulacije, ki jo sistem

vsebuje, naraste tok motorja. Če prihaja do sprijemanja, so razlog za to nepravilno

nastavljeni parametri hitrostnega profila, saj ti pogojujejo hitrost vrtenja motorja, kar

pomeni hitrost izvleka palice. Če je ta prepočasna, se palica začne sprijemati. Naraščanje

toka zaznamo z ustreznim senzorjem. V tem primeru ukrepamo z izvedbo povratnega sunka,

ki se izvaja toliko časa, kolikor ga parameter »čas povratnega sunka« definira. Po izvedbi

povratnega sunka se izvede postanek za toliko časa, kolikor ga definira parameter»drugi

postanek«. Tok, ki ga zaznavamo, je potrebno filtrirati saj ne smemo reagirati ob prvi skočni

spremembi, razen če sprememba presega večkratnik postavljene meje. Tako dovolimo rahle

spremembe toka. Algoritem povratnega sunka se izvede v naslednjih fazah:

zaznavanje povišanega toka, ki teče v motor v štirih programskih ciklih dolžine

približno 15 milisekund. Skupaj 60 milisekund,

izvedba povratnega sunka s parametrom »čas vleka« (v obeh smereh),

postanek opredeljen s parametrom »drugi postanek«,

nadaljevanje avtomatskega režima ob normalni vrednosti toka, ki teče v motor.

Če se zgodi, da po dveh ali treh ponovitvah težava ni odpravljena, mora operater

prekiniti delovanje z zasilnim izklopom ter sprijeto kokilo zavreči.

6 OPIS KOMPONENT

6.1 Opis izhodiščne opreme

Krmilje vsebuje napajalnik znamke OMRON tipa S8VK-G06024, logični krmilnik OMRON

CP1L-EM30DT1-D z razširitveno kartico CP1W-ADB21, paralelno pa vsebuje še

analogno/digitalni pretvornik CP1W-MAD42. Krmilje prav tako vsebuje še voden enosmerni

motor, kjer na njegovih krmilnih vhodih generiramo enake krmilne signale +/- 10V, ki se

bodo uporabljali na realnem sistemu. Enosmerni motor ima implementiran inkrementalni

dajalnik s 189 pulzi na obrat, ter rotacijskim delom premera 43,8mm. Za obratovanje

motorja se glede na te parametre uporablja faktor pretvorbe iz enot, ki jih zna prebrati

analogno digitalni pretvornik v mm/s. Faktor pretvorbe1 se eksperimentalno določa na

1 O faktorju pretvorbe v poglavju 7.6 POLOŽAJNA REGULACIJA

21

vsakem sistemu posebej, tako na maketi kot na pravem sistemu na Inštitutu za Materiale na

Fakulteti za Strojništvo Univerze v Mariboru.

6.2 Opis izhodiščne programske opreme

6.2.1 SCADA

SCADA je kratica, ki stoji za angleško besedno zvezo Supervisory Control And Data

Acquisition. Služi nadzoru sistemskih parametrov, prav tako pa jih lahko z njeno pomočjo

nastavljamo. V SCADI se najbolj odraža grafična predstavitev sistema, saj tako operater dobi

dobro predstavo o dogajanju v celotnem sistemu. Grafični vmesnik, ki ga je predhodno

izdelal univ. dipl. inž. meh. Matevž Lešnik, sem zaradi potreb zahtev in programske logike

ustrezno preoblikoval. Podrobneje bom prirejen grafični vmesnik opisal v osmem poglavju z

naslovom Kako uporabljati nadgradnjo.

»Slika 4« prikazuje grafični vmesnik, ki je prikazan med samim obratovanjem sistema.

Na zaslonu vidimo tipke za preklop med ročnim in avtomatskim vodenjem (gornji levi kot),

zraven pa je gumb za preklop med zaslonoma. Na drugem zaslonu je viden grafičen potek

temperatur v odvisnosti od časa. V ročnem režimu lahko hitrost nastavljamo s pomočjo

drsnika. Drsnik v skrajno desno pomeni maksimalno hitrost motorja. Gumba nazaj in naprej

pa definirata obratovanje motorja v desno ali levo. Nato lahko v avtomatskem režimu

nastavljamo parametre, ki jih je predhodnik uporabljal pri delu z demo sistemom. Sam

avtomatski režim se sproži z gumbom »Prični z delovanjem« ter preklopom gumba v

zgornjem levem kotu. Grafični vmesnik nam prav tako prikazuje trenutni čas, temperaturo

taline in temperaturo hladilne tekočine. Indikatorja za kritično obremenitev in alarm se

sprožita če je v prvem primeru tok motorja prevelik, v drugem primeru pa če je bila

pritisnjena tipka za zasilni izklop. V desnem kotu lahko nastavljamo število pulzov

inkrementalnega dajalnika na obrat gredi motorja, pod njim pa vnesemo premer vlečnega

dela motorja. V odseku »senzorji pomika« se nahajajo tri indikacije, in sicer če se motor

premika naprej, nazaj ali pa miruje. Prikazan je tudi podatek o opravljeni poti in hitrosti.

Sredinski del grafičnega vmesnika služi nastavljanju parametrov regulacije, od katerega je

ostal nastavljiv le en parameter.

22

Slika 5: Izhodiščna programska oprema SCADA

Grafični vmesnik vsebuje še eno okno, v katerem je mogoče opazovati trenutno

hitrost motorja ter temperaturo hladilne tekočine in taline. Do njega lahko dostopamo s

pritiskom na gumb Grafični prikaz podatkov v zgornjem levem kotu osnovnega okna.

7 OPIS IN PREDSTAVITEV USPEŠNO ZAKLJUČENEGA

PROJEKTA

Naloga, ki smo jo želeli opraviti, je bila staro krmilje povezati z novim in vzpostaviti

paralelno povezavo. Krmilje se bo namestilo v eno od že obstoječih omaric na fizični lokaciji

naprave, kar je tudi del projekta, ki pa bo opisan v diplomskem delu mojega sošolca. Vse

skupaj bo potrebno povezati z enoto s stikali za ročno vodenje ter tipkama za zasilni izklop in

reset. Enota vsebuje tudi preklopno stikalo za izbiranje med ročnim in avtomatskim

režimom.

Delo se je začelo s študijem dokumentacije v nemškem in angleškem jeziku.

Dokumentacija preučevanja je vsebovala podatke o napravi in njenih lastnosti. Najbolj očitne

lastnosti so bile električne sheme, blokovni diagrami in najrazličnejše strojne risbe

komponent naprave. Lastnosti naprave, ki jih je bilo treba poiskati, so bile:

število pulzov na obrat inkrementalnega dajalnika,

način krmiljenja motorja in fizična lokacija priključkov,

23

navor motorja,

hitrost vleka palice [mm/s] pri izbrani krmilni napetosti [%], iz katere je sledila

linearna interpolacija, s pomočjo grafov v dokumentaciji.

Enota s stikali je industrijska enota s tremi stikali, dve sta potisni stikali z vzmetnim

izklopom za ročno vodenje naprej nazaj. Zelen gumb pomeni vodenje naprej, rdeči gumb pa

pomeni vodenje nazaj. Enota vsebuje tudi preklopno stikalo. Preklopno stikalo izbira med

ročnim in avtomatskim načinom vodenja.

Ročni način vodenja: S pritiskom na tipko naprej vlečemo palico iz peči. Imamo tudi

možnost pomika nazaj če se palica zatakne.

Avtomatski način vodenja: Krmilnik sam uravnava položajno regulacijo. Regulacijski

parameter je eksperimentalno določen.

Slika 6: Strojna oprema v laboratoriju

Na sliki zgoraj so vidne komponente eksperimentalne strojne opreme. Z leve proti

desni sta na ploščo implementirana programirljivi logični krmilnik znamke Omron model

CP1l-E, zgoraj pa se nahaja analogno digitalni pretvornik MAD42. Na krmilnik so z leve

povezani bitni vhodi (tipke, stikala, pulzi inkrementalnega dajalnika), z desne stani krmilnika

pa so nanj povezani bitni izhodi (LED-lučke, enable signal). Prav tako kot PLK ima tudi A/D

pretvornik svojo linijo vhodov in izhodov. Nanj so kot vhodi povezani temperaturni senzorji

in tokovni senzor, na izhodu pa se generira napetost za krmiljenje motorja, ki jo programsko

izračuna regulator. V srednji liniji plošče je nameščen napajalnik za napajanje krmilnika,

zraven pa se nahaja glavno stikalo za napajanje. Zraven stikala se nahaja tudi vezje za

galvansko ločitev ter pretvorbo signalov inkrementalnega dajalnika iz napetosti 5V na

napetost 24V. Vezje vsebuje vhodne priključke, na katere so povezani signali iz

inkrementalnega dajalnika in 24V napajanje, ter izhodne priključke, ki so nato vezani na hitre

vhode krmilnika. Na desni strani plošče so združeni izhodni in vhodni priključki krmilnika in

A/D pretvornika. Na enoto s priključki so vezani vsi vhodi in izhodi krmilja. Takšno enoto

24

potrebujemo zato, da v primeru implementacije novih vhodnih signalov v krmilnik ne

posegamo neposredno na krmilne priključke krmilnika ter jih tako obrabljamo. Tako po

implementaciji plošče na realen sistem operaterji in razvijalci ne potrebujejo več fizičnega

stika s krmilnikom. Desno stran eksperimentalnega modela predstavlja enosmerni motor z

regulacijskim vezjem. Prisotna je tudi eksperimentalna ploščica z gumbi za ročno vodenje,

stikalom za preklop med avtomatskim in ročnim režimom ter gumboma reset in stop.

8 PROGRAMSKO DELOVANJE AVTOMATSKEGA REŽIMA

Delovanje avtomatskega režima je razdeljeno na več podsistemov delovanja. V

programskem odseku »AvtomatskiRežim« se sprva izvede preverjanje pogojev, ki so

potrebni za izvajanje avtomatskega režima. Ti pogoji so aktivni, če je vklopljeno stikalo na

panelu ter sta aktivni dve stikali v grafičnem vmesniku. Skupno trije zaporedno vezani

izpolnjeni pogoji aktivirajo izhod z imenom »Automatsko« na pomnilniškem mestu W4.08.

Izhod je aktiviran vse dokler pogoji, ki ga aktivirajo, ostajajo aktivni. Izhode takšne vrste v

žargonu poimenujemo merkerji. Merkerji so pomemben del programske kode, saj z njihovo

pomočjo bistveno zmanjšamo obseg programa ter ga naredijo preglednejšega, po navadi pa

se nahajajo v samem začetku kode v lestvičnem jeziku.

Slika 7: Aktivacija merkerja

Grafični vmesnik – SCADA, je nepogrešljiv del sistema za kontinuirno litje vlečenih

palic. V grafičnem vmesniku nastavimo vse potrebne parametre za izvajanje avtomatskega

režima. Imamo možnost nastavitve časa vleka, časa prvega postanka, pomika, časa drugega

postanka in tudi časa povratnega sunka, med novimi zahtevami pa se je pojavila želja po

možnosti izbire več hitrostnih profilov. Oba postanka, prvi in drugi, sta pomembna pri

samem delovanju v avtomatskem režimu. Prvi postanek definira, koliko časa mora motor

mirovati na referenčnem položaju med posameznimi vleki. Podatek o postanku vpiše

operater, REAL pa je podatkovni tip tega parametra. Podatkovni tipi so pomembni v

programski kodi, saj določajo obseg števil in možnost uporabe plavajoče vejice. Podatkovni

tip REAL je uporabljen za aritmetiko s plavajočo vejico.

25

8.1 Uporaba časovnika TIMH(015)

8.1.1 Prvi postanek

Kakor vidimo na sliki spodaj, sem za realizacijo postanka uporabil hitri časovnik

TIMH(015) z 10 milisekundno izvedbo časa. Torej podatek v spodnjem okencu časovnika

pomnožen s 100, nam poda vrednost zakasnitve izhoda v sekundah.

Slika 8: Časovnik TIMH(015) za prvi postanek

Specifika vseh časovnih inštrukcij v programskem okolju CX programmer, je delovanje

z le enim možnim podatkovnim tipom, to je BCD podatkovni tip.

Slika 9: Prikaz argumentov časovnika TIMH(015)

Da časovnik deluje pravilno, je bila potrebna pretvorba iz podatkovnega tipa REAL v

BCD. Ta pretvorba neposredno ni možna, saj ne obstaja takšne vrste funkcijski blok, ki bi to

zmogel, lahko pa se najprej pretvori podatkovni tip REAL v 32 bitni podatkovni tip INTEGER,

nato je potrebna pretvorba tega tipa v nepredznačeni INTEGER, nato je šele možna

pretvorba tega tipa v BCD podatkovni tip z dolžino enega WORD-a. Tako sem pretvorbo

podatkovnega tipa izdelal v šestih vrsticah c – programskega jezika.

26

Slika 10: Pretvorba podatkov v funkcijskem bloku REAL_to_BCD_conversion

Slika spodaj prikazuje implementacijo programskega bloka, ki vsebuje zgornjih 6 vrstic

c – kode. Kot lahko vidimo z leve strani, sta vhoda v funkcijski blok podatka iz grafičnega

vmesnika. Na pomnilniškem mestu D126 se nahaja spremenljivka PREMOR1, kar operater

naprave vnese kot čas prvega postanka, na pomnilniškem mestu D128 pa se nahaja

spremenljivka PREMOR2, v katero operater naprave vnese kot čas drugega postanka. Na

izhodu funkcijskega bloka se nahajata spremenljivki in vsebujeta podatke o postanku v

primernem podatkovnem BCD tipu, ki jih lahko nato uporablja hitri časovnik TIMH(015) kot

svoje argumente.

Slika 11: Funkcijski blok REAL_to_BCD_conversion

27

8.1.2 Drugi postanek

Drugi postanek je uporabljen enkrat v kombinaciji s povratnim sunkom. Po izvedbi

povratnega sunka se izvede čas drugega postanka, nato pa se cikel vleka palice iz peči

nadaljuje po običajnem postopku. Časovnik z drugim postankom je implementiran v

programski sekciji povratnega sunka ter deluje po enakem postopku kot prvi postanek.

Proženje drugega postanka je izvedeno s spremenljivko na pomnilniškem mestu W5.11 in se

aktivira po izvedbi sunka v in iz peči za isto dolžino.

Slika 12: Časovnik TIMH(015) za drugi postanek

8.2 Hitrostni profil sistema

Izračun hitrostnih profilov sistema je kompleksnejša računska operacija, saj se mora

vlečni del motorja sukati s predpisano hitrostjo v določenem časovnem trenutku.

Programska logika hitrostnega profila je položajne narave, saj je programska koda napisana

tako, da se pot z vsakim programskim ciklom poveča kumulativno glede na predhodno

izračunano položajno progo opravljene poti in časa vleka. Sprva je bila želja sprotno

računanje točk položajne proge na časovni bazi treh milisekund. Ta program nato ni deloval,

saj je sekvenca izvajanja programske kode s takšnim številom računskih operacij časovno

35ms. Ciklični čas je tako enajstkrat večji od želenega. Razvoj programske opreme se je

nadaljeval v smeri implementacije prekinitvene rutine v programsko opremo. Okolje CX-

programmer ter PLK CP1L-E ponujata možnost implementacije več vrst prekinitvenih rutin.

Tako sem izbral načrtovano vrsto prekinitve. Zaradi preobremenjenosti krmilnik je bilo treba

omejiti resolucijo položajne proge na 20ms. Ves algoritem je bil nato prestavljen v

prekinitveno rutino, ki ji strokovno v angleščini pravimo scheduled interrupt. Lastnost

načrtovane prekinitvene rutine je, da prekine izvajanje preostale programske kode, nato pa

se prekinitev prioritetno izvede. Urnik izvajanja prekinitve lahko razvijalec programske

opreme nastavi po želji, odvisno od zmogljivosti strojne opreme. Po implementaciji

celotnega algoritma za sprotno generiranje položajnih točk položajne proge motorja v

prekinitveno rutino je sledil preizkus programa. Programska oprema je še vedno delovala

28

prepočasi, kar se je odražalo kot pogrešek v času vleka in nastavljenih hitrostih, vendar pa je

oprema delovala z manjšim pogreškom kot na začetku. Rešitev problema je bila v

predhodnem izračunu 6000 položajnih točk, ki se shranijo v pomnilnik ena za drugo, nato pa

po istem postopku v prekinitveni rutini na 20ms poteka branje točk iz pomnilnika. Branje

pomnilnika zahteva bistveno manj cikličnega časa kot sprotno računanje večjih enačb. Po

preizkusu takšne programske opreme so parametri čas vleka in pripadajoče hitrosti

ustrezale. Predhoden izračun 6000 točk ustreza 2 minutama delovanja, saj je

6000*0,02s=120s. Čas vleka nadzira časovnik, ki po koncu izvedenega algoritma aktivira

spremenljivko za proženje štetja časovnika za postanek, hkrati pa ista spremenljivka prekine

branje iz pomnilnika v prekinitveni rutini, v regulatorju pa ostaja konstantna vrednost. Po do

konca preštetem času postanka, pa izhod časovnika za postanek zopet aktivira izvajanje

prekinitvene rutine z branjem iz pomnilnika, prav tako pa se sproži časovnik za štetje časa

vleka.

8.3 Algoritem generiranja referenčnih točk v hitrostnih profilih

Kakor sem že omenil, program na vsak izvedeni cikel izračuna novo referenčno točko

poti, do katere se mora vlečni del motorja zasukati. Grafi, ki nam jih je podal Inštitut za

materiale kot zahtevo, so hitrostni profili. Če želimo iz funkcije hitrosti in časa izračunati

opravljeno pot, moramo integrirati posamezne daljice, da pridemo do pravilnega rezultata,

nato moramo šteti posamezne izračune profilov ter jim prištevati tudi začetno pot. Položajni

profil postane tako rahlo kompleksnejši. Iz grafov dobro vidimo, da so ti profili sestavljeni iz

posameznih daljic. Vsaka daljica ima svoj koeficient naklona ter je aktivna določen čas

profila. Na primer pri četrtem profilu je prva daljica aktivna štiri desetine časa enega vleka,

naslednja daljica prav tako štiri desetine, naslednja s koeficientom nič je aktivna eno

desetino časa vleka, ter končna daljica s koeficientom -10, pa je aktivna eno desetino časa

vleka. Časovna opredelitev trajanja daljic je le simbolična, saj bo operater nastavljal vsak čas

posebej po meri.

Enaka logika velja pri vseh ostalih profilih. Program je izdelan z možnostjo

nastavljanja treh časov in dveh končnih hitrosti, kot je prikazano na »sliki 13«. Programska

koda bo enotno izdelana za vse možne profile, želeni profil pa bo operater nastavil sam.

Veličine, označene z rdečo barvo, nastavi operater sam. Hitrostni profili, ki jih je podal

Inštitut za materiale na Fakulteti za strojništvo, so bili naslednji:

29

Slika 14: Hitrostni profili

Slika 13: Označitev parametrov na grafu hitrostnega profila, ki jih bo operater moral podati pred obratovanjem naprave

V splošnem se opravljena pot pri neenakomerno pospešenem gibanju izračuna po enačbi:

𝑠 =

𝑎(𝑡 − 𝑡0)2

2+ 𝑣𝑧(𝑡 − 𝑡0)

(1)

Podobna enačba velja za vse daljice.

0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6 8 10 12

#1

0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6 8 10 12

#2

0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6 8 10 12

#3

0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6 8 10 12

#4

0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6 8 10 12

#1

𝑣2

𝑣1

𝑡1 𝑡2 𝑡3 𝑡4

30

Izpeljava enačbe za pot za prvo daljico:

𝑎1 =𝑣1

𝑡1 − 𝑡0

(2)

𝑣 =𝑣1

𝑡1 − 𝑡0(𝑡 − 𝑡0)

(3)

Enačba za preračun položajev za prvo daljico je morala biti izpeljana iz grafa hitrostnega

profila na »Sliki 13«, ki poteka od časa t0 do časa t1. V enačbi (2) in (3) sta enačbi za izračun

pospeška in hitrosti v končni točki prve daljice že nastavljeni. Sledi izpeljava enačbe za

izračun položajev:

𝑠 = 𝑠0 + ∫

𝑣1

𝑡1 − 𝑡0

𝑡

𝑡0

(𝑡 − 𝑡0)𝑑𝑡 =

(4)

𝑠0 + ∫

𝑣1

𝑡1 − 𝑡0

𝑡

𝑡0

𝑡𝑑𝑡 − ∫𝑣1

𝑡1 − 𝑡0

𝑡

𝑡0

𝑡0𝑑𝑡 =

= 𝑠0 + (

𝑣1

𝑡1 − 𝑡0

𝑡2

2−

𝑣1

𝑡1 − 𝑡0

𝑡02

2) − (

𝑣1

𝑡1 − 𝑡0𝑡0𝑡 −

𝑣1

𝑡1 − 𝑡0𝑡0

2) =

= 𝑠0 +

𝑣1

𝑡1 − 𝑡0

𝑡02

2+

𝑣1

𝑡1 − 𝑡0

𝑡2

2−

𝑣1

𝑡1 − 𝑡0𝑡0𝑡 =

= 𝑠0 +

𝑣1

𝑡1 − 𝑡0

(𝑡 − 𝑡0)2

2=

𝑠 = 𝑠0 + 𝑎1

(𝑡 − 𝑡0)2

2

(5)

Enačba (4) nam pove, da je opravljena pot v prvi daljici enaka integralu hitrosti v nekem

trenutku prve daljice od začetnega časa t0 do trenutnega časa t, kar je enako površini pod

daljico.

31

Izpeljava enačbe za pot za drugo daljico:

𝑎2 =𝑣2 − 𝑣1

𝑡2 − 𝑡1 (6)

𝑣 =𝑣2 − 𝑣1

𝑡2 − 𝑡1

(𝑡 − 𝑡1) + 𝑣1 (7)

Enako kot pri izračunu za prvo daljico, je bilo potrebno izpeljati enačbo za preračun položajev

za drugo daljico, ki na grafu hitrostnega profila s »Slike 13«, poteka od časa t1 do časa t2. V

enačbi (6) in (7) sta enačbi za izračun pospeška in hitrosti v določenem trenutku za drugo

daljico nastavljeni po razmisleku. Sledi izpeljava enačbe za izračun položajev:

𝑠 = 𝑠(𝑡1) + ∫ (

𝑣2 − 𝑣1

𝑡2 − 𝑡1

(𝑡 − 𝑡1) + 𝑣1) 𝑑𝑡 =𝑡

𝑡1

(8)

= 𝑠(𝑡1) + ∫

𝑣2 − 𝑣1

𝑡2 − 𝑡1𝑡𝑑𝑡 − ∫

𝑣2 − 𝑣1

𝑡2 − 𝑡1𝑡1𝑑𝑡 + ∫ 𝑣1𝑑𝑡 =

𝑡

𝑡1

𝑡

𝑡1

𝑡

𝑡1

= 𝑠(𝑡1) +

𝑣2 − 𝑣1

𝑡2 − 𝑡1

𝑡2

2−

𝑣2 − 𝑣1

𝑡2 − 𝑡1

𝑡12

2−

𝑣2 − 𝑣1

𝑡2 − 𝑡1𝑡1𝑡 +

𝑣2 − 𝑣1

𝑡2 − 𝑡1𝑡1

2 + 𝑣1𝑡 − 𝑣1𝑡1 =

= 𝑠(𝑡1) +

𝑣2 − 𝑣1

𝑡2 − 𝑡1

𝑡12

2+

𝑣2 − 𝑣1

𝑡2 − 𝑡1

𝑡2

2−

𝑣2 − 𝑣1

𝑡2 − 𝑡1𝑡1𝑡 + 𝑣1(𝑡 − 𝑡1) =

= 𝑠(𝑡1) +

𝑣2 − 𝑣1

𝑡2 − 𝑡1

(𝑡 − 𝑡1)2

2+ 𝑣1(𝑡 − 𝑡1) =

𝑠 = 𝑠(𝑡1) + 𝑎2

(𝑡 − 𝑡1)2

2+ 𝑣1(𝑡 − 𝑡1)

(9)

Enačba (4) nam pove, da je opravljena pot v drugi daljici enaka integralu hitrosti v nekem

trenutku druge daljice od začetnega časa t0 do trenutnega časa t, kar je enako površini pod

daljico.

32

Izpeljava enačbe za pot za tretjo daljico:

𝑎3 = 0 (10) 𝑣 = 𝑣2 (11)

𝑠 = 𝑠(𝑡2) + ∫ 𝑣2

𝑡

𝑡2

𝑑𝑡 = 𝑠(𝑡2) + 𝑣2(𝑡 − 𝑡2) (12)

Ravna daljica v hitrostnem profilu na sliki 13 od časa t2 do t3 podaja podatek, da je hitrost v

tem delu konstantna in enaka v2 (11), pospešek pa je enak 0 (10). Opravljena pot je v

vsakem trenutku enaka seštevku končne opravljene poti druge daljice in integralu

konstantne hitrosti od drugega časa t2 do aktualnega trenutnega časa t. Prišli smo do

splošne enačbe pri enakomernem nepospešenem gibanju.

Izpeljava enačbe za pot za četrto daljico:

𝑎4 =

0 − 𝑣2

𝑡4 − 𝑡3= −

𝑣2

𝑡4 − 𝑡3

(13)

𝑣 = 𝑣2 −𝑣2

𝑡4 − 𝑡3(𝑡 − 𝑡3)

(14)

Četrta daljica hitrostnega profila, ki poteka od časa t3 do časa t4 na sliki 13 ima negativen

predznak. Nakazuje zmanjševanje hitrosti motorja v2 do hitrosti 0. V enačbi (13) ugotovimo,

da ima pospešek te daljice negativen predznak, čemur pravimo pojemek. Hitrost v vsakem

trenutku je razlika začetne hitrosti pojemanja in trenutni hitrosti, kot če bi motor pospeševal

(14).

𝑠 = 𝑠(𝑡3) + ∫ (𝑣2 −

𝑣2

𝑡4 − 𝑡3

(𝑡 − 𝑡3)) 𝑑𝑡 =𝑡

𝑡3

(15)

= 𝑠(𝑡3) + ∫ 𝑣2𝑑𝑡

𝑡

𝑡3

− ∫ (𝑣2

𝑡4 − 𝑡3

(𝑡 − 𝑡3)) 𝑑𝑡𝑡

𝑡3

=

= 𝑠(𝑡3) + ∫ 𝑣2𝑑𝑡

𝑡

𝑡3

− ∫𝑣2

𝑡4 − 𝑡3𝑡𝑑𝑡

𝑡

𝑡3

+ ∫𝑣2

𝑡4 − 𝑡3𝑡3𝑑𝑡 =

𝑡

𝑡3

33

= 𝑠(𝑡3) + 𝑣2(𝑡 − 𝑡3) −

𝑣2

𝑡4 − 𝑡3

(𝑡 − 𝑡3)2

2

𝑠 = 𝑠(𝑡3) + 𝑣2(𝑡 − 𝑡3) − 𝑎4

(𝑡 − 𝑡3)2

2

(16)

Končni položaj vlečnega cikla motorja je izračunan po enačbi (16). Pot se na koncu izračuna

prepiše v začetno pot s0, ki se nato uporablja pri nadaljnjem izračunu poti za naslednje

vlečne cikle.

Programska logika:

Programsko je generiranje položajnih točk izvedeno in prikazano na naslednjih slikah.

Parameter čas vleka, ki ga vpiše operater naprave, se nahaja na abscisni osi hitrostnega

profila in je enak podatku t4. Podatek o času podajata spremenljivki, ki štejeta vsak izveden

cikel. Spremenljivki se na vsak izveden cikel povečata za 1, za kar je uporabljena operacija

seštevanja. Ta podatka v kombinaciji množenja z 20ms podajata aktualen čas, za katerega je

potrebno izračunati novo točko. Prva spremenljivka se po ustrezno izvedenih izračunanih

ciklih izbriše ter znova začne štetje od 0. Vedno se izračunajo točke z enako medsebojno

oddaljenostjo, zapisovati pa se morajo v pomnilnik s prištevkom začetne poti za vsak nov

izračunan profil. Vsak nov izračunan profil je definiran po ustrezno izvedenih ciklih računanja.

Če želimo izračunati položajno progo za 3s čas vleka, se bo računanje za en profil izvajalo 150

ciklov. Prav tako bo 150 ciklov trajalo branje iz pomnilnika. Pri izračunavanju točk dejanski

čas cikla ni pomemben, saj se izračuni ne odražajo v trenutnem realnem času na motorju.

Pomemben je čas branja ene točke iz pomnilnika, ki pa mora biti cikličen na 20ms. Pri

računanju točk in njihovem zapisovanju točk, se v funkcijskem bloku z IF stavki preverja,

koliko ciklov se je izvedlo, ta podatek nosita spremenljivki štetja ciklov in koliko ciklov se

mora izvesti za vsako posamezno daljico. Od tega so odvisne, katera enačba bo uporabljena

pri izračunu točk vsake daljice hitrostnega profila. Izračun pri vseh daljicah (prva časovna

spremenljivka vsebuje spremembo od 0 do t1, drugi podatek vsebuje spremembo časa od 0

do t2, tretji podatek vsebuje spremembo časa od 0 do t3, četrti podatek t4, pa je celotni čas

vleka), poteka tako, da se čas posamezne daljice, ki ga poda operater naprave, deli s časovno

vrednostjo enega programskega cikla branja, to je 20ms. Dobljeni podatki se nato pretvorijo

v celoštevilsko vrednost. Ta podatek se nato primerja z dejansko izvedenimi cikli. Proces

izračunov točk je optimiziran, saj se izračunavanje pospeškov in drugih konstant izvršuje v

ločenem funkcijskem bloku. V dinamičnih sistemih je pospešek vedno enak kvocientu

spremembi hitrosti v neki spremembi časa. Tako se lahko izračunajo pospeški vseh daljic,

34

kakor je nakazano z enačbami (2), (6) in (13). Izjema je bila pri tretji daljici, kjer je pospešek

enak nič. V tretji daljici imamo gibanje motorja z enakomerno hitrostjo, kjer se referenčne

točke poti izračunavajo po osnovni enačbi produkta hitrosti in časa. Na slikovnih izrezkih

programske kode je vidna spremenljivka »zeleni_polozaj_na_3ms«, ki nosi vrednost o

naslednjem položaju, ki ga mora motor zavzeti čez 20ms. Ime spremenljivke je ostalo enako

od začetka zaradi želje po 3ms resoluciji profila. To bi morda bilo možno, vendar bi za

računanje položajnih točk procesor porabil šestkrat več časa, zasedenost pomnilnika pa bi

bila prav tako šestkrat večja. To sta glavna razloga, zaradi katerih se nisem odločil za

predrobno resolucijo položajne proge. Opisano programsko logiko ponazarja blokovni

diagram (sl. 24). Iz podanih petih potrebnih podatkov za izvedbo položajnega profila so se do

tedaj izračunali podatki:

število programskih ciklov, potrebnih za izvedbo celotnega procesa enega

vleka,

število programskih ciklov, potrebnih za izvedbo izračuna ene hitrostne daljice

trije od štirih pospeškov, tretji pospešek je enak 0,

enkraten prepis dejanske poti v novo spremenljivko zacetna_pot, ki se bo

nato uporabljala pri generiranju novih referenčnih točk.

35

Slika 14: Izrezek funkcijskega bloka »Izračuni«, v katerem se izračunajo vse konstantne vrednosti za optimizacijo izračunov

36

Slika 15: Koda funkcijskega bloka "Izracuni", kjer se računajo konstante

Slika 16: Prvi odsek kode funkcijskega bloka "HitProf", kjer pride do računanja 6000 točk

37

Slika 17: Drugi odsek kode funkcijskega bloka "HitProf"

Slika 18: Tretji odsek kode funkcijskega bloka "HitProf"

38

Slika 19: Pogoji, ki definirajo izračun novih točk

Slika 20: Odsek kode v sekciji avtomatskega režima – pisanje v pomnilnik, uporaba kazalcev na pomnilniških mestih

39

Slika 21: Prekinitvena rutina, povečevanje kazalca v prvi vrstici

Slika 22: Branje iz pomnilnika v prekinitveni rutini

40

Slika 23: Koda regulatorja

41

Slika 24: Diagram poteka za izračun položajnih točk za funkcijski blok »HitProf«

Start

t1, t2, t3, t4, v1, v2, a1, a2, a4 želeni_položaj1, želeni_položaj2, želeni_položaj3, želeni_položaj4,

začetna_pot,začetni_čas

števec_profilov=0,štev ilo_izvedenih_ciklov1=0, štev ilo_izvedenih_ciklov2=0

čas>=začetni_čas && čas>t1+začetni_čas

želeni_položaj=(a1*čas_računski^2)/2+začetna_pot

Stop

No

Yes

začetni_čas=t4*števec_profilovčas=0,02*štev ilo_izvedenih_ciklov2

čas_računski=0,02*štev ilo_izvedenih_ciklov1

štev ilo_izvedenih_ciklov1=0štev ilo_izvedenih_ciklov2=štev ilo_izvedenih_ciklov2+1

čas>=t1+začetni_čas && čas>t2+začetni_časYes

No

želeni_položaj=v1*(čas_računsk-t1)i++a2*(cas_racunski-t1)^2/2+želeni_položaj1

čas>=t2+začetni_čas && čas>t3+začetni_čas

Yes No

želeni_položaj=v2*(čas_računski-t2)++želeni_položaj2

čas>=t2+začetni_čas &&

čas>t3+začetni_čas

želeni_položaj=v2*(čas_računski-t3)+a4(ćas_računski-t3)^2/

2+želeni_položaj3

Yes No

želeni_položaj=želeni_položaj4

štev ilo_izvedenih_ciklov2<=štev ilo_ciklov_vleka NoYes

števec_profilov=0začetna_pot=0

število_izvedenih_ciklov2>=število_ciklov_vleka*(števec_profilov+1)

Yes

začetna_pot=začetna_pot+v2(t4-t3)+(a4(t4-t3)^2)/2+v2*(t3-t2)+v1(t2-t1)+(a2*(t2-t1)^2)/2+(a1*t1^2)/2števec_profilov=števec_profilov+1

No

števec_profilov=števec_profilovzačetna_pot=začetna_pot

42

8.4 Filtriranje toka motorja

Slika 25: Funkcijski blok za kontrolo toka

Slika 26: Koda za filtriranje toka četrtega reda

43

Povratni sunek je bil omenjen že v prejšnjih poglavjih, v naslednjih odstavkih pa bomo

izvedeli, zakaj do njega mora priti, kje so težave in kako jih odpravimo. Pod komentiranim

delom programa filter toka četrtega reda se nahaja programska koda, ki sproži povratni

sunek. Koda, ki se ponavlja v vsaki zanki, služi štiricikličnemu filtriranju toka motorja, saj

beležimo podatek o toku štiri programske cikle. Preverjanje toka mora biti izvajano v vsakem

delčku položajnega profila, zato se tudi ponavlja v kodi. Žal programsko okolje CX –

Programmer ne podpira funkcije, da bi večkrat ponavljajoči se odsek kode, zapisali v funkcijo,

to pa bi klicali na želenih mestih. V tem primeru bi bila uporabljena funkcija tipa void, katere

lastnost je, da ne vrača nobenih vrednosti, temveč bi le postavljala ali brisala želene binarne

spremenljivke. Dinamični sistemi vsebujejo večjo komponento nepredvidljivosti kot statični

sistemi. Obravnavani sistem je kombinacija elektronike, mehanike ter materialoznanstva. Pri

vleku palice iz peči se lahko zgodi, da v kokili, ki je zaslužna za ohlajanje palice, ob prevelikem

času postanka in vsebnosti nečistoč lahko pride ne le do strjevanja taline, temveč tudi do

sprijemanja taline na stene. To sprijemanje se zaznava kot odpor proti pomiku palice iz peči,

kar nakazuje na zatikanje le-te v kokili. Z običajnim delovanjem motorja pri standardni

nastavitvi P položajnega parametra regulatorja, bo zaradi zatikanja pogrešek poti pri vleku iz

peči, postajal vse večji. Zaradi vse večjega pogreška poti, ga bo regulator želel zmanjšati z vse

večjo napetostjo na izhodu analogno digitalnega pretvornika. To bomo zaznali kot povečanje

toka na vhodu v motor. Vendar pa vsako povečanje toka ne pomeni le sprijemanje in

strjevanje palice na steni kokile. Pojavljajo se tokovne špice pri vsakem zagonu motorja, ki jih

je treba tudi ustrezno filtrirati.

Programsko sem filtriranje toka izvedel v štirih programskih ciklih. Preverjanje se

izvaja IF – stavki, kjer se preverja spremenljivke tipa boolean, ki se sproti nastavljajo v

vsakem stavku iste vrste, le spremenljivka »FirstCycle« je predhodno nastavljena na vrednost

TRUE. Tako se zapiše vrednost toka vsakokrat v novo spremenljivko, iz katerih se v četrtem

programskem ciklu beleženja toka izvede povprečenje vrednosti toka. Če povprečna

vrednost toka, presega predpisano mejo dovoljenega toka, potem mora program aktivirati

povratni sunek, saj to pomeni zatikanje palice v kokili.

8.5 Programska sekcija povratni sunek

Povratni sunek temelji na povečani vrednosti toka v štirih ciklih programskega

izvajanja. Ko povprečna vrednost štirih zabeleženih podatkov preseže dovoljeno vrednost, se

v stodeseti vrstici v zgornjih slikah najprej spremenljivka tipa boolean

»sprozi_povratni_sunek« postavi na vrednost TRUE, nato pa se posledično zaradi te

spremenljivke, ki je definirana kot izhod iz bloka, postavi merker za povratni sunek, briše pa

se merker programske sekcije avtomatskega režima. Z merkerjem, ki sproži povratni sunek,

aktiviramo drugo programsko sekcijo. Funkcijski blok za filtriranje toka ob primerjavi

44

povprečne vrednosti in tokovne meje postavi, ali izbriše logično vrednost spremenljivke za

povratni sunek.

Začetek izvajanja povratnega sunka se začne v novi programski sekciji ter z novim

blokom. Pri tem pomaga spremenljivka na pomnilniškem mestu W5.12, ki zaustavi ali sproži

delovanje bloka za povratni sunek. Spremenljivka se v začetku postavi, zato da se lahko

hipoma izvede povratni sunek. Po izvedbi povratnega sunka pa je potrebno motor zavrteti še

nazaj na isto točko, na kateri se je povratni sunek zgodil. Pri tem dogodku ne potrebujemo

hitrostnega profila, kakor v avtomatskem režimu, saj je sunek majhen ter pravšnji, da poskusi

pretrgati sprijete dele v kokili.

Težave se pojavijo pri položajni progi, katero želimo da motor opravlja. Sistem

namreč zazna povišanje toka, nato pa se sproži povratni sunek v določeni točki. Dejanska pot

sedaj ne sledi več položajni progi. Sprememba dejanske poti pri povratnem sunku povzroči

velik pogrešek. Zato želimo programsko vrniti položaj motorja v točko, kjer se je zgodil

povratni sunek. Položajna proga ostaja nespremenjena, vlek pa se bo nadaljeval iz točke, kjer

se je končal. Rešitev problema velikega pogreška povratnega sunka je torej sunek nazaj in

zatem sunek naprej za isto pot v istem času. Po tem opravljenem procesu, se sproži drugi

postanek, po drugem postanku pa se zopet sproži režim avtomatskega delovanja z regulacijo

poti.

V začetku programskega odseka za povratni sunek je pomembno brisanje logične

spremenljivke W5.11, ki proži drugi postanek, če je postavljena, zato da so zadovoljeni vsi

pogoji za izvedbo povratnega sunka ter nato še sunka naprej.

45

Slika 27: Funkcijski blok »PovratniSunek« implementiran v lestvično logiko

Celotna koda v programskem bloku povratnega sunka se nahaja na spodnji sliki.

Najprej opazimo števec, označen s spremenljivko z imenom »i«, ki je podatkovnega tipa

INTEGER. Števec šteje opravljene programske cikle, povečuje pa se v zanki, ki zasuče motor

nazaj. Nato se števcu zunaj zanke zopet priredi vrednost 0 ter začne šteti od nič v drugem IF

– stavku. Tako se sunek naprej izvaja natanko toliko časa, kolikor se je izvajal sunek nazaj.

46

Slika 28: Algoritem povratnega sunka zapisanega v funkcijskem bloku povratnega sunka

8.6 Položajna regulacija

Položajna regulacija je pomemben del programa za kontinuirno litje. Položajna

regulacija omogoča, da motor ohranja svojo pozicijo ob prisotnosti motilne veličine. Motilna

veličina je vsakršno fizikalno dejanje, ki bi poskušalo motor spraviti z referenčnega položaja,

ki mu pravilno pravimo ravnovesna lega. Regulator v izvedbi funkcijskega bloka s svojo logiko

motor zasuče na položaj, ki ga je generiral funkcijski blok za izračun položajev, ter ga v tistem

položaju tudi ohranja. P-regulacija je enostavna, saj pri regulaciji izhodne napetosti na

analogno digitalnem pretvorniku sodeluje le parameter P. Prav tako je pri regulaciji prisoten

pogrešek poti. Dodatek, ki pa ga moramo upoštevati, pa je faktor pretvorbe med številom

podatkovnega tipa integer, ki se zapiše na izhod digitalno analognega pretvornika, ter

hitrostjo v mm/s. V tem faktorju je zapisan tudi odnos med motorjem in gonilom. Prestavno

razmerje gonila je 1:200. Regulacija položaja je ves čas aktivna med delovanjem v

avtomatskem režimu, prav tako med postankom ali pa med delovanjem bloka s hitrostnim

profilom. Na spodnji sliki je prikazan blok položajne regulacije ter njegova vsebina. Blok

položajne regulacije vsebuje izhod na programsko pomnilniško mesto D10, ki se nato zapiše

na pomnilniško mesto analogno digitalnega pretvornika 102. To je izhod digitalno

analognega pretvornika, ki generira napetosti od -10V do +10V. Če želimo na izhodu

generirati 10V, je potrebno v pomnilniško mesto D10 zapisati število 6000, ter D10 prepisati

47

v pomnilniško mesto 102. Povezava je linearna, tako po razmisleku lahko generiramo 5V iz

analogno digitalnega pretvornika s številom 3000.

V programskem bloku je dodatno zagotovljena varnost na način, če je izhodna

napetost večja od maksimalne hitrosti motorja, potem je izhodna napetost enaka

maksimalni hitrosti motorja. To storimo zato, da ne obremenimo motorja do maksimalne

napetosti ter tudi zaradi garancije da večjih hitrosti na inštitutu nikoli ne bodo potrebovali.

Če pa je izračunana hitrost manjša od nič, pa prav tako zagotovimo, da se motor ne bo začel

sukati v obratno smer in povzročil pomik palice v peč, na mesto iz peči. Če ekstremov ni, je

izhodna hitrost enaka izračunani.

Slika 29: Algoritem položajne regulacije zapisan v funkcijskem bloku "POLOZAJNA_REGULACIJA"

48

9 KAKO UPORABLJATI NADGRADNJO

9.1 Uporaba ročnega režima

Ko operater zažene program za kontinuirno litje, se prikaže grafični vmesnik na sliki

spodaj. Polje z gumboma naprej, nazaj ter z drsnikom za nastavitev hitrosti se imenuje polje

ročnega režima. Naprava bo delovala v ročnem režimu, ko bo polje ročnega režima aktivno.

Aktivnost tega polja je odvisna od vklopa in izklopa gumba v zgornjem levem kotu vmesnika.

Polje je neaktivno takrat, ko vklapljanje gumbov za pomik motorja naprej in nazaj ni mogoče,

obarvanost polja pa je bela. Obratovanje motorja definiramo z gumboma naprej, nazaj,

hitrost motorja pa definiramo z drsnikoma. Maksimalna hitrost motorja je v skrajnem

desnem položaju drsnika.

V samem začetku testiranja je potrebno vpisati podatke, kot so premer motorja, število

pulzov na obrat inkrementalnega dajalnika in faktor pretvorbe iz napetosti v voltih v mm/s.

SCADA grafični vmesnik je sedaj prirejen tako, da bo možno nastaviti na izhod analogno

digitalnega pretvornika napetost od -10V do 10V, nastavljena napetost pa je prikazana na

drsnikoma. Delovanje motorja se sproži s tipko naprej ali nazaj, nato pa bomo opazovali

hitrost vrtečega se dela. Upoštevati bomo morali tudi zobniški prenos v razmerju 1:200.

Najprej bo treba vpisati kot premer motorja pogonski zobnik, nato bo sledil ustrezen

preračun vrtilne veličine gnanega zobnika. S preračunom vrtilne veličine ter dejanskim

vlečnim premerom gredi pa bo hitrost vlečnega dela motorja verodajna.

Slika 30: Nova oblika grafičnega vmesnika

49

9.2 Uporaba avtomatskega režima

Na sliki spodaj je označeno polje avtomatskega režima. V levem delu polja lahko

nastavljamo parametre avtomatskega režima, nastaviti pa je potrebno tudi časovne in

hitrostne vrednosti v odseku hitrostni profil. Z gumbom »Potrdi parametre« se sproži

preračunavanje položajnih točk. Po končanem izračunu točk lahko sprožimo obratovanje

motorja. Samo obratovanje motorja sprožimo s tipko »Prični z delovanjem«, tipka pa mora

sprva biti neaktivna, kar pomeni da vsebuje napis »Off«. Desni del polja za avtomatski režim

služi nastavljanju parametrov hitrostnega profila. Nastavimo lahko dve hitrosti, do katerih

naj motor pospešuje v prvem in drugem času. Pospeševanja v tretji vodoravni daljici ni

možno nastavljati. V primeru, da želimo eno izmed daljic hitrostnega profila izbrisati, njen

končni čas nastavimo na nič. Ostale parametre: P parameter regulatorja, število pulzov na

obrat in premer motorja pa nastavi razvijalec programske opreme, saj se ti podatki

razlikujejo od motorja do motorja.

Slika 31: Oblika SCADE prilagojena zahtevam inštituta, označeno polje avtomatskega režima

50

Slika 32: Grafični prikaz podatkov o trenutni hitrosti, temperaturi taline in hladilne tekočine

Slika 33: Dodatni graf za spremljanje dejanske poti

Grafični prikaz želene in dejanske poti prikazuje tretje okno v grafičnem vmesniku. Graf z

oranžno črto prikazuje dejansko pot, graf s črno črto pa prikazuje želeno pot. Specifika

grafičnih prikazov v drugem in tretjem oknu je, da se vsako sekundo izrisujejo nove točke,

kar pomeni, da grafi omogočajo spremljanje podatkov v aktualnem času.

51

10 SKLEP

Na samem začetku razvoja programske opreme je bilo treba dodobra spoznati

komponente ter lastnosti same naprave. Študij dokumentacije je bil obsežen in večinoma v

nemškem jeziku. Sprva pa se je bilo potrebno spoznati tudi z maketo in okoljem za

programiranje PLK. Sčasoma so se nova znanja začela povezovati, v tem obdobju pa se je

začelo programiranje sistema. Glede na prepreke pri izvajanju in testiranju mislim, da smo

zahteve inštituta izpolnili. Strojni del realnega sistema je še v izdelavi, ko bo končan pa bo

nastopilo testno obdobje realnega sistema. Komponente so tako že prestavljene in

pričvrščene na vodila omarice, ta pa se bo implementirala v neposredni bližini realnega

sistema. Testno obdobje je namenjeno izpopolnjevanju in odkrivanju napak pa tudi

izpolnjevanju dodatnih želj naročnika.

Programska oprema sistema je bila razvita glede na regulacijo položaja gredi motorja.

Položajna regulacija je pri preciznih sistemih pomembna zato, ker že manjši pogrešek od

ravnovesne lege predstavlja nekorektne rezultate. Enako pomembna je bila implementacija

hitrostnega profila v uporabniški vmesnik. Na koncu smo se odločili, da lahko operater sam

nastavi vse parametre hitrostnega profila ter programsko opremo tako tudi izdelali.

Predlog pri nadgradnji v testnem obdobju je v nastavljanju hitrosti v ročnem režimu.

Drsnik, ki v skrajno desnem položaju definira maksimalno hitrost motorja, bi lahko

nadomestili s številčnim prikazom. Številčni prikaz vrednosti je podatek, ki ga lahko

preberemo in vpišemo. Pri drsniku pa je težava v tem, da nikoli ne vemo kakšno vrednost

smo nastavili, saj se le-ta ne izpiše. Dovršene malenkosti naredijo uporabniško izkušnjo

dobro in enostavnejšo za uporabo, tako pa je delo s sistemom produktivnejše. Želja je tudi,

da bi program tako izpopolnil, da bi bilo možno njegovo delovanje v neskončnost in ne le 120

sekund. V testnem obdobju realnega sistema bom razvil še programsko opremo, ki bo

generirala hitrostne točke, reguliral pa jih bo regulator. Ugotovil sem, da programska oprema

pri generiranju hitrostnih točk ne bi potrebovala začetne hitrosti, kadar bi se računal nov

profil. Tako bi se izračunalo ustrezno število točk, ki bi se ponavljale iz cikla v cikel.

52

11 VIRI

[1] Franc Zupanič: Kontinuirno litje nikljevih superzlitin v vakuumu. Vakuumist 29/1 – 2

(2009).

[2] OMRON: CX-Programmer User Manual, Version 3.0. 2002.

[3] OMRON: CP1L-EL/EM CPU Unit, OPERATION MANUAL. October 2014.

[4] OMRON: Function Block/Structured Text, Introduction Guide. 2008 – 2013.

[5] https://sl.wikipedia.org/wiki/Litje

[6] http://fs-server.uni-mb.si/si/inst/itm/lm/GRADIVA_UC/Tehnologija_gradiv/litje.html

[7] https://en.wikipedia.org/wiki/Continuous_casting

[8] https://www.researchgate.net/figure/223816893_fig5_Fig-7-Aluminium-nickel-

phase-diagram-w-17-x

53

12 PRILOGE

54

55

56