Sledge Hammer Geïntegreerde proef ingediend voor het behalen van het Studiegetuigschrift “Stuur- en Beveiligingtechnieken” Door Dylan Derwael AARSCHOT 2011

7b05 27-5-2011

Voorwoord Deze bundel maakt deel uit van de geïntegreerde proef van het 7de jaar in de studierichting van stuurtechnieken van het Damiaaninstituut te Aarschot. Ik heb de Sledge Hammer gekozen als mijn eindwerk. Omdat deze een grote uitdaging was om alleen aan te gaan. Zowel op het onderzoek werk van hoe de verschillende delen werken als het programmeren van de sledge hammer om deze componenten uiteindelijk samen te laten werken.

INHOUD 1. Opgave ....................................................................................... 1

1.1. Vooropgestelde tijdsindeling ................................................................. 2 1.2. Effectieve tijdsindeling.......................................................................... 3

2. Technisch dossier ...................................................................... 4 2.1. Algemeen blokschema ........................................................................... 4

2.1.1. Bespreking van het blokschema ................................................... 4 2.2. Bespreking van de gebruikte onderdelen ............................................ 5

2.2.1. 3 fase asynchrone motor ................................................................ 5 2.2.1.1. De stator ................................................................................... 5 2.2.1.2. De rotor ..................................................................................... 5 2.2.1.3. De werking ............................................................................... 5

2.2.2. De stappenmotor ............................................................................ 6 2.2.3. De PLC (Mitsubishi) ...................................................................... 7 2.2.4. De frequentie-regelaar (Omron) .................................................... 8 2.2.5. De snelheidsregeling van de stappenmotor.................................. 8 2.2.6. Pneumatische sturing .................................................................. 9

2.2.6.1. De compressor .......................................................................... 9 2.2.6.2. Het 5/2 ventiel .......................................................................... 9 2.2.6.3. De dubbel werkende zuigers ................................................. 10

2.2.7. De contactoren ............................................................................. 10 2.2.8. De detectie .................................................................................... 11

2.2.8.1. De bedieningscomponenten ................................................... 11 2.2.8.2. De micro optische sensoren (foto-interupter) ....................... 11 2.2.8.3. De eindeloopschakelaars ....................................................... 12

2.2.9. De voedingen ................................................................................ 12 2.2.9.1. Netspanning 230V ................................................................. 12 2.2.9.2. AC 24V voeding ...................................................................... 12 2.2.9.3. DC 12V voeding ..................................................................... 12

2.3. Elektrische shema’s ............................................................................. 13 2.3.1. Snelheidssturing .......................................................................... 13 2.3.2. Het bedieningspaneel 1 (schakel- en drukknoppen) .................. 14 2.3.3. Het bedieningspaneel 2 (signaal lampen) .................................. 15 2.3.4. Onder de Sledge Hammer 1 (detectie) ........................................ 16 2.3.5. Onder de Sledge Hammer2 (motor sturing) ............................... 17 2.3.6. De sturingskast 1 (ingangen) ...................................................... 18 2.3.7. De sturingskast 2 (uitgangen) ..................................................... 19

2.4. Programmatie ...................................................................................... 20 2.4.1. Grafcet .......................................................................................... 20 2.4.2. Booleaanse formules .................................................................... 21 2.4.3. I/O adressen ................................................................................. 23 2.4.4. Programma ................................................................................... 24 2.4.5. Foutenboom .................................................................................. 31

3. Evaluatiebespreking ............................................................... 32 3.1. Toekomstgerichte verbeteringen die mogelijk zijn aan het project .. 32

4. Bronvermeldingen .................................................................. 32

1

1. Opgave De Sledge Hammer De bedoeling van mijn eindwerk is om de miniatuur versie van de Sledge Hammer te programmeren. Zodat deze het gedrag van de echte Sledge Hammer nabootst. In eerste instantie moet ik een goede studie maken van hoe de echte Sledge Hammer werkt. Vervolgens moet ik weten hoe de componenten van de miniatuur Sledge Hammer werken, dus door elk component afzonderlijk te bestuderen en vervolgens deze laten samenwerken. Om de Sledge Hammer te laten functioneren moeten alle componenten goed op elkaar afgesteld zijn De werking van de Sledge Hammer De Sledge Hammer maakt een slinger beweging van links naar rechts. Deze beweging bouwt zich stilaan op totdat de gondel waar de pretparkbezoekers in zitten het hoogste punt bereikt. Eens de gondel dat punt bereikt heeft zal de hamer nog enkele malen van top tot top bewegen. Daarna zal deze rustig uitbollen totdat de hamer terug in zijn nulstand staat. Wanneer terug volledig tot stilstand is gekomen, zal een plateau omhoog komen waarop de bezoekers terecht komen als ze uit de attractie stappen. Bij geval van een stroomonderbreking in het pretpark Als er een stroom onderbreking voorvalt waarbij de Sledge Hammer volledig zonder spanning komt te staan tijdens zijn slingerbeweging aan het maken is. Kan men niks doen om deze tot stilstand te laten komen zelfs niet wanneer de spanning terug op de Sledge Hammer wordt gezet wanneer deze terug opstaat, moet men de Sledge Hammer laten uitslingeren. Dit proces kan tot 20 minuten duren afhankelijk van het moment waarin de Sledge Hammer zonder spanning valt.

2

1.1. Vooropgestelde tijdsindeling

Begin datum Werkzaamheden Eind datum 28/02/2011 Studie/ opzoekingswerk echte Sledge Hammer 18/03/2011 28/02/2011 Studie van de componenten miniatuur Sledge Hammer 18/03/2011 10/03/2011 Volledige bekabeling van miniatuur sledge Hammer nameten 21/03/2011 28/03/2011 Sledge Hammer met origineel programma opstarten 28/03/2011 28/03/2011 Programma af 16/05/2011 28/02/2011 Bundel af 23/05/2011

3

1.2. Effectieve tijdsindeling

Begin datum Werkzaamheden Eind datum 07/03/2011 Opzoekingswerk van de Sledge Hammer 07/03/2011 07/03/2011 Opzoek werk over de componenten van de miniatuur Sledge Hammer 08/03/2011 14/03/2011 Volledige bedrading nakijken en meten van de miniatuur Sledge Hammer 17/03/2011 17/03/2011 Opstarten van Sledge Hammer met origineel programma 17/03/2011 21/03/2011 Programma afmaken en testen 27/05/2011 02/05/2011 Bundel af 27/05/2011

4

2. Technisch dossier 2.1. Algemeen blokschema

2.1.1. Bespreking van het blokschema

De PLC staat in het centrum van de besturing. Aangezien deze ook het brein van de machine is, is dit ook normaal. Hij bestuurt en leest de toestand van de Sledge Hammer in. De verschillende componenten in de Sledge Hammer hebben ook verschillende spanningen.

5

2.2. Bespreking van de gebruikte onderdelen 2.2.1. 3 fase asynchrone motor

2.2.1.1. De stator De stator van een draaistroommotor bestaat uit minimaal drie identieke spoelgroepen. Elke spoelgroep bevat de spoelen van bij elkaar horende polen. De spoelgroepen, ook wel fasewikkelingen genoemd, worden voorzien van dezelfde wisselspanning, maar met faseverschillen van 120 graden. Door het faseverschil tussen de spoelgroepen bereiken de polenparen na elkaar hun maximale magnetische veld. Daardoor ontstaat er een draaiend magnetisch veld, draaiveld genoemd.

2.2.1.2. De rotor Het draaiende gedeelte (de rotor of het anker in het geval van de asynchrone kooirotormotor), bestaat uit een kooi van grote staven die aan de uiteinden zijn kortgesloten door een grote ring. (vandaar kortsluitankermotoren). De ruimte tussen de kooi is opgevuld met een weekijzerpakket. In de staven lopen zeer grote stromen die tegen het statorveld in een tegenveld opwekken waardoor de rotor gaat draaien.

2.2.1.3. De werking Als je een wisselspanning op de statorwikkeling brengt ontstaat er een draaiveld dat zich met een synchrone snelheid voort beweegt. De rotor bevindt zich in dit magnetische veld. In de rotor zal een EMK opgewekt worden die er voor zal zorgen dat er een stroom ontstaat in de rotor. Wanneer een stroomvoerende geleider zich in een magnetisch veld bevind zal de lorenzkracht van toepassing zijn. Deze kracht zal er voor zorgen dat de rotor zijn draai beweging maakt en zal de motor dus laten draaien.

6

2.2.2. De stappenmotor Stappenmotoren zijn een speciale elektromotoren waarmee een gecontroleerde verplaatsingen gemakkelijk te verwezenlijken zijn. De as van een stappenmotor kan namelijk door middel van elektrische pulsen heel nauwkeurig geroteerd worden. Stappenmotoren kunnen meestal geen groot koppel leveren en worden meestal gebruikt waar een nauwkeurige positionering nodig is, maar geen zwaar werk moet worden verricht.

7

2.2.3. De PLC (Mitsubishi) PLC= Programmable Logic Controller

Toestel dat programeerbaar is, het werkt volgens de wetten van de logica en het stuur proces volgen een bepaald programma.

Werking PLC een PLC doorloopt intern voortdurend een vast, voorgeprogrammeerde cyclus. Na een programmacyclus te hebben afgerond, wordt de status van de uitgangen aangepast en vervolgens wordt de status van de ingangen ingelezen.door deze manier van werken kan een PLC schijnbaar vele dingen tergelijk doen. Sommige nieuwere types van PLC’s lezen echter de ingangen in op het moment dat ze die “ nodig hebben” in het programma, en sturen ook meteen de uitgangen aan nadat de logica van die uitgangen is opgelost. Deze types wachten dus niet nood zakelijk tot de volledige programmacyclus afgelopen is voor de uitgangen te sturen. De meeste oudere types hebben ook een speciale instructie waarbij de normale afloop van het programma even wordt onderbroken zodat de PLC gedwongen wordt een bepaalde ingang te lezen of een uitgang te sturen. Daarna wordt de afloop gewoon verder gezet.

8

2.2.4. De frequentie-regelaar (Omron) Een frequentieregelaar is een apparaat opgebouwd uit vermogenselektronica met een besturing welke wordt toegepast voor het traploos regelen van de snelheid ofwel toerental van een wisselstroom elektromotor. Het regelen van de snelheid bespaart energie, beschermd machines en zorgt voor een meer gelijkmatige belasting van het elektriciteitsnet. Daarnaast verhoogt en verbeterd het de productiviteit en kwaliteit. Een frequentieregelaar regelt de snelheid van een inductie- of een synchroonmotor door het variëren van de frequentie van de voeding van de motor.

2.2.5. De snelheidsregeling van de stappenmotor

De snelheidsregeling krijgt 380 volt over 3 fasen van de frequentie regelaar deze wordt in de snelheidsregeling verdeelt onder 4 verschillende punten. Op elk van dit punt bevindt zich een potentiometer, door met deze te draaien kan je de frequentie verhogen of verlagen van de frequentie regelaar en zo ook de snelheid van de motor instellen. Uiteraard zijn er hier maar 4 mogelijke snelheden die kunnen ingesteld worden

9

2.2.6. Pneumatische sturing

2.2.6.1. De compressor Onder de Sledge Hammer staat een compressor die zorgt voor de pneumatische sturing van het plateau.

2.2.6.2. Het 5/2 ventiel Een 5/2 ventiel heeft 5 aansluitingen en 2 schakelstanden. een aansluiting is een verbinding met de persluchttoevoer, met de ontluchting , met een verbruiker (bv. Cilinder) of met de stuurpoort van een ander ventiel.

10

2.2.6.3. De dubbel werkende zuigers Een dubbelwerkende cilinder kan zowel een drukkracht als een trekkracht uitoefenen. Als de perslucht aan de kant van de zuiger toekomt, dan zal de cilinder uitschuiven en een drukkracht uitoefenen. Als de perslucht aan de kant van de zuiger toekomt, dan zal de cilinder inschuiven. Het cilinderlichaam bestaat uit een cilinderbuis. De cilinderbuis wordt tussen bodem en deksel van de cilinder geklemd door middel van 4 trekstangen. Bodem en deksel zijn voorzien van een aansluitpoort, een bufferschroef ( eventueel ) en een uitsparing voor de buffertap. De zuiger beweegt tussen bodem en deksel heen en weer. Het deksel is voorzien van een lagerbus waarin zich de zuigerstang verplaatst. Deze lagerbus bevat de stanggeleiding uit kunststof of speciaal behandeld brons. De stangpakking dient als afdichting, de schraapring dient om de stofdeeltjes tegen te houden die tegen de zuigerstang kleven. De snelheid van de cilinder wordt op het einde van de slag afgeremd door pneumatische buffers

2.2.7. De contactoren

Contactoren werken volgens het elektromagnetische principe. In de contactor bevindt zich een spoel met een ijzeren kern. Door een spanning U aan te sluiten op de spoel wordt de kern magnetisch en trekt een ijzeren anker aan. Via een mechanisme met een veer worden de contacten geopend of gesloten.

11

2.2.8. De detectie

2.2.8.1. De bedieningscomponenten De drukknopen dienen voor de Sledge Hammer te bedienen.

2.2.8.2. De micro optische sensoren (foto-interupter) Telt de kanteling van de Sledge Hammer en de andere detecteert wanneer de Sledge Hamer in zijn nulstand staat.

12

2.2.8.3. De eindeloopschakelaars Deze dienen voor de beveiliging voor als de sledge hammer te hoog gaat. Werken door middel van een metalen strookje dat wanneer het gebogen wordt gaat zorgen dat er een contact schakelt. Wanneer dit niet meer gebogen wordt zal deze terug veren in zijn oorspronkelijke toestand.

2.2.9. De voedingen

2.2.9.1. Netspanning 230V Wordt aan gebracht via een stroom kabel.

2.2.9.2. AC 24V voeding Wordt geleverd door een transformator in de stuurkast.

2.2.9.3. DC 12V voeding Wordt geleverd door een batterij.

13

2.3. Elektrische shema’s 2.3.1. Snelheidssturing

14

2.3.2. Het bedieningspaneel 1 (schakel- en drukknoppen)

15

2.3.3. Het bedieningspaneel 2 (signaal lampen)

16

2.3.4. Onder de Sledge Hammer 1 (detectie)

17

2.3.5. Onder de Sledge Hammer2 (motor sturing)

18

2.3.6. De sturingskast 1 (ingangen)

19

2.3.7. De sturingskast 2 (uitgangen)

20

2.4. Programmatie 2.4.1. Grafcet

21

2.4.2. Booleaanse formules SM0=M8002 SM0=M1 SM1=(M0.X0.X1.X2.X3.X4.)+(X0.[M0+M1+M2+M3+M4+M5+M6+ M7+M8+M9+M11+M12+M13+M14+M15+M102+M103+M104+ M105+M106+M114+M115+M124+M125+M134+M144]) RM1=M2+X0+M102 SM2=(M1.X0.X4.X5.X6.X16)+(M15.X1.X2.X5)+(X5.X6.X16[M102+ M103+M104+M105+M106+M114+M115+M124+M125]) RM2=M3+X0+M102 SM3=M2.X3.X4.X5.X6.X16 RM3=M4+X0+M102 SM4=M3.X2.X3.X4.X5.X6.X16.T1 RM4=M5+X0+M102 SM5=M4.X3.X4.X5.X6.X16.T1 RM5=M6+X0+M102 SM6=(M5.X14.T2)+(M15.X04.T6) RM6=M7+X0+M102 SM7=M6.X15.T3 RM7=M8+X0+M102 SM8=M7.X15.T4 RM8=M9+X0+M102 SCC1=M8.X17.Y15 RCC1=M9 SM9=M8.X15.Y15.CC1 RM9=M10+X0+M102 SCC2=M9.X17.Y14 RCC2+M10 SM10=M9.X15.Y14.CC2 RM10=M11+X0+M102 SCC3=M10.X17.Y15 RCC3=M11 SM11=M10.C15.Y15.CC3 RM11=M12+X0+M102

22

SCC4=M11.X17.Y14 RCC4=M12 SM12=M11.X15.Y14.CC4 RM 12=M13+X0+M102 SCC5=M12.X17.Y15 SM13=M12.X15.Y15.CC5 RM13=M14+X0+M102 SM14=M13.C15.Y14.X16 SM 14=M15+X0+M102 SM15=M14.X16.T5 RM15=M2+M6+X0+M102

SM102=(M1.X0.X3.X4.X5.X6)+(X5.X6[M2+M3+M4+M5+M6+M7+ M8+M9+M10+M11+M12+M13+M14+M15]) RM102=M103+X0 SM103=(M102.X3.X4.X5.X6)+([M15+M125].X11.X12.X3) RM103=M114+M124+X0 SM104=(M103.X10.M105.M106)+(M106.X3.X10) RM104=M105+X0 SM105=M104.(X7+T7) RM105=M106+X0 SM106=M105.X10 RM106=M104+X0 SM114=(M103.X11.X12)+(M134.M11.M12) RM114=M103+X0 SM115=M114.X11.X12 RM115=M124+M103+X0 SM124=(M103.X11.X12)+(M144.X11.X12) RM124=M103+X0 SM125=M124+ X11.X12 RM125=M115+M103+X0 SM134=X16.Y15 RM134=M144 SM144=X16.Y14 RM144=M134

23

2.4.3. I/O adressen X0 Noodstop Y0 Overbrug contactor motor X1 stop Y1 Gondel draaien X2 start Y2 Ventiel X3 aan Y3 Contactor compressor X4 uit Y4 Lamp nood X5 automatische Y5 Lamp aan X6 manueel Y6 Lamp rood X7 Plateau down doen Y7 Lamp groen X10 Plateau up doen Y10 Snelheid start X11 Hamer links Y11 Snelheid aan X12 Hamer rechts Y12 Snelheid stop X13 Reset veiligheid Y13 Snelheid manueel X14 Plateau up switch Y14 Hamer links X15 Plateau down switch Y15 Hamer rechts X16 Lichtsluis nulpunt X17 Lichtsluis counter X20 Veiligheid te hoog

24

2.4.4. Programma

25

26

27

28

29

30

31

2.4.5. Foutenboom

32

3. Evaluatiebespreking Deze GIP was een echte uitdaging voor mij. Als ik geweten had op voorhand hoeveel moeite deze gip zou eisen zou ik ze zeker nog op nieuw gekozen hebben.

3.1. Toekomstgerichte verbeteringen die mogelijk zijn aan het project

Het plaatsen van een absolute detectie op de schijf van de Sledge Hammer zo dat de PLC op ieder moment perfect de stand van de hammer weet. Ik ben te laat op dit idee gekomen om het zelf nog uit te kunnen voeren, maar volgens mij zou dit één van de betere updates zijn die voor de Sledge Hammer kunnen zijn.

4. Bronvermeldingen

Internet www.wikipedia.be www.google.be www.pneumatica.be

School Boeken van vorig jaren