De tester från testspecifikationen (se Appendix B) som utförts utifrån de krav som ställts i kravspecifikationen (se Appendix A) redovisas nedan.
Komponenttest Delsystem 1:
1. Byt ut moduler efter applikation
Då aktuator eller drivning byts ut behöver detta endast anges i C3 Servo M anager för att styrningen skall vara anpassad. Om styrning eller OP-panel skall bytas ut måste dessa matas in med de förskrivna programmen en gång innan användning.
2. Ställdonet rör på sig när funktioner angivits via OP-panelen Då valfri funktion angivits i Positions- eller Motkraftsprogrammet beter sig aktuatorn på korrekt vis.
3. Utsätt nödstopp för stresstester då en funktion körs
Då aktuatorn är aktiv i både Position- och Motkraftsprogrammen avslutas pågående aktivitet då nödstopp aktiveras.
Komponenttest Delsystem 2:
4. Ange ställdonets funktioner via OP-panel Ställdonets funktioner anges via tillhörande OP-panel.
5. Nödstopp skall alltid vara tillgänglig och programmet skall åter-ställas efter användning
Nödstopp finns alltid tillgänglig i OP-panelen då ett program körs. Då nödstopp använts återställs programmet via en knapp.
Komponenttest Delsystem 3:
6. Kraft- och positionssensor skall verifiera funktionerna som an-getts i delsystem 2
En fjädervåg visar vilken kraft som krävs för att förflytta aktuatorns kolv.
Ett måttband visar hur långt aktuatorn rört på sig, dock endast för manuell kontroll.
Integrationstest Delsystem 1:
7. Drivningen skall ta emot instruktioner från delsystem 2 via RS-232Styrningens PLC tar emot instruktioner från OP-panelen via RS-232.
8. Byta komponenter utan att ändra i någon kod
Om aktuator eller drivning byts ut behöver detta endast konfigureras i C3 Servo M anager.
Integrationstest Delsystem 2:
9. Ange funktioner via OP-panel
Användaren anger funktioner via OP-panelens pekskärm.
10. Skicka instruktioner till delsystem 1 via RS-232 RS-232 portar och kabel används för kommunikation.
11. Enkelt att ange funktioner i OP-panelen
Användaren behöver endast ange positionsvärdena i Positionsprogrammet och position- samt motkraftsvärdena i Motkraftsprogrammet.
Integrationstest Delsystem 3:
12. Designen skall göra det enkelt att utföra mätningar för delsy-stem 1 samt enkelt att tolka resultat
Att utföra en kraft- och positionsmätning för ställdonet är enkelt och läses av manuellt med de värden som uppnås.
5 DISKUSSION
5 Diskussion
Innan konstruktionen påbörjades har grundliga förundersökningar gjorts. Ti-digare lösningar och alternativ till komponenter har utretts för bästa resultat.
I jämförelse med vad som finns på marknaden i dagsläget är lösningen betyd-ligt mer flexibel och kan anpassas utefter flertalet applikationer. De ställdon som köps färdiga för liknande användning har antingen endast ett körbart program och/eller en fast motor med tillhörande aktuator. Ställdonet som utvecklats i projektet kan enkelt variera både i funktion och applikation ge-nom att ange önskad funktion i den tillhörande OP-panelen eller gege-nom att byta ut komponenter för att anpassas till olika applikationer. Detta medför en ekonomisk vinst eftersom systemet medför snabb implementering i olika applikationer. Tid och pengar behöver inte läggas på ny programmering, vil-ket är den största tidsåtgången och därmed största kostnaden. Om däremot servodriftens kapacitet ej utnyttjas i till exempel en enklare applikation kan det anses som ett onödigt dyrt system.
Systemet är betydligt billigare i drift än vad motsvarande hydrauliska och pneumatiska system skulle bli. Tack vare det elektromekaniska ställdonets strömsnålhet gentemot de andra systemen ges i längden en ekonomisk vinst som även är ett miljövänligare alternativ.
För projektet valdes en elektromekanisk aktuator framförallt på grund utav dess enkla användning och flexibilitet. I jämförelse med hydrauliska och pneumatiska aktuatorer är de elektromekaniska mycket mer lätthanterliga, inte minst vid byte utav moduler i ställdonet. Då det ej behövs tillhörande pump eller kompressor för drivning utav en elektromekanisk aktuator blir systemet mer lätthanterligt vid byte utav komponenter och applikationer.
Ett önskat resultat hade varit att använda EtherCAT för kommunika-tionen mellan OP-panel och styrning. Eftersom denna lösning testades utan framgång slopades det alternativet och valet föll istället på RS-232 vilket vi-sade sig mycket enkelt att initiera. Detta kommunikationssätt är dock mindre tillförlitligt och långsammare än EtherCAT, varmed EtherCAT hade varit att föredra.
För programmering utav servodriftens PLC gjordes först enklare tester för att ge förståelse för programmet. Här gjordes till exempel simulering av att tända och släcka en simulerad lampa som första steg i att förstå programmet.
Blocken som sedan kom att användas i huvudprogrammet testades var för sig med endast motorn kopplad till styrningen. Här gjordes program för att rotera motorns axel ett visst antal grader och så vidare. När flertalet block testats kopplades aktuatorn på för att testas tillsammans med OP-panelen.
Kraftsensorn som levererades för verifiering utav ställdonets funktioner var inte den som beställts och passade varken i fysisk storlek eller de
speci-fikationer som avsågs för ställdonet. En ny lösning blev att med hjälp utav en fjädervåg verifiera motkraften som genereras hos ställdonet. Med hjälp utav detta verktyg tillsammans med ett måttband kan funktionerna som an-givits i OP-panelen verifieras manuellt utav användaren. Lösningen gav inte den noggrannhet som önskats och vid mer tid skulle rätt enhet skickats och implementerats för ökad precision.
De resultat som uppnåtts motsvarar vad företaget efterfrågat. Önske-målet om att läsa in en Excelfil är det enda som inte uppfyllts. Att ange funktioner via en OP-panel ansågs viktigare och en sådan lösning har därför prioriterats. Övriga krav med prioritet 1 har uppfyllts enligt testspecifika-tionen. Projektägarna är dock medvetna om att följande begränsningar för ställdonet existerar:
• Precisionen på en kraftökning per centimeter alternativt en positions-förändring per centimeter.
• Då motkraftsprogrammet körs kan aktuatorn inte föras in med för hög hastighet då det kan resultera i att mätvärden inte uppdateras och ibland även generera ett felmeddelande som kräver att programmet återställs.
6 SLUTSATS
6 Slutsats
Ett elektromekaniskt ställdon har konstruerats och programmerats för en flexibel användning. Komponenter från Parker har använts för samtliga mo-duler i ställdonet för att underlätta komponentbyten och kommunikation.
Program för både positionering och motkraft har skrivits i PLC-programmet CoDeSys i CFC. Utöver programmering har även komponenterna monterats och kommunikation mellan modulerna satts upp. En OP-panel har program-merats för att användaren skall kunna ange ställdonets funktioner utan att behöva skriva om PLC-programmet varje gång applikationen ändras. Detta för att göra ställdonet generellt och enkelt att använda.
Målet för projektet var att ta fram ett flexibelt ställdon där komponen-ter kan bytas ut för att anpassas till specifika applikationer. Resultatet är ett flexibelt ställdon som både kan simulera en mekanisk fjäder och röra sig utefter förbestämda positioner. Tack vare att servodriften Compax3 kan an-passas utefter vilken motor och aktuator som sammankopplats med denna går det enkelt att byta ut en eller båda utav dessa. Genom att använda sig utav programmet C3 Servo Manager i en tillfälligt sammankopplad PC kan användaren enkelt lägga till vilken drivning samt aktuator som sitter sammankopplad med styrningen. Detta för att styrningen anpassar sig efter till exempel drivningens maximala varvtal eller aktuatorns maximala stigtid med mera.
Enligt de krav som ställts på projektet är samtliga punkter uppfyllda.
För de generella kraven är aktuator, drivning och styrning utbytbara utefter behov och genom att ange i styrningen vilken aktuator och drivning som an-vänds är flexibilitet uppnådd. Aktuatorn från Parkers ETH-serie finns i flera olika storlekar, likaså servomotorn från Parkers SMH-serie. Detta är viktigt då användaren skall kunna använda större och mindre aktuator och motor anpassat efter applikation, utan att behöva ändra i någon kod. Styrning-en från Parkers Compax3-serie kan driva alla servomotorer ur SMH-seriStyrning-en.
Detta gör att ställdonet enkelt kan anpassas utefter önskad applikation. De funktioner användaren vill uppnå hos ställdonet appliceras via en tillhörande OP-panel.
För vidareutveckling finns möjlighet att öka aktuatorns precision som nu ligger på en kraftökning per centimeter alternativt en positionsändring per centimeter.
Enligt avgränsningarna är det inte möjligt för ett och samma ställdon att anta för stora variationer i till exempel kraft eller precision i positionering.
Aktuatorn som används idag klarar av variationer i kraft från 0-3.7 ton och har en slaglängd på 1 meter. Till skillnad från vad som finns på marknaden idag är det enkelt att byta aktuator och drivning för att antingen öka kraften
eller precision och slaglängd. Då det är enkelt att byta funktion kan även ett och samma ställdon användas till flera olika applikationer vilket medför en minskad kostnad för användaren då ett och samma ställdon kan ersätta flertalet individuellt anpassade ställdon.
FIGURER
Figurer
1 Mekaniska fjädrar simulerar motståndet hos en bilpedal som utsätts för en kraft. . . 1 2 Kolven pressas uppåt. . . 6 3 Kolven pressas nedåt. . . 6 4 Kulmutter på ledstång som driver kolven i valfri riktning [4]. . 7 5 Förloppet av en AC-motor som ”väcklas ut” för att bilda en
linjärmotor med en skena utav magneter [7]. . . 8 6 Teorin hos en DC-motor där rotorn roterar medurs då rotorn
strömsätts i en specifik riktning [11]. . . 10 7 Teorin bakom en trefas AC-motor där pilen demonstrerar hur
magneten rör sig då spolarna strömsätts [16]. . . 11 8 Teorin bakom en hydrulpump där en stor mängd vätska pressas
ut genom ett litet rör för ökat tryck [21]. . . 12 9 Teorin bakom en kompressor där luft pressas ihop från en stor
volym till en mindre för ökat tryck [24]. . . 13 10 Principen hos en fotoelektrisk sensor [43]. . . 17 11 Hur en bandgivare ser ut inuti [45]. . . 17 12 Skivan till en absolut pulsgivare med genomskinliga och
oge-nomskinliga partier som skapar unika mönster för varje posi-tion då de belyses utav en ljuskälla. . . 18 13 Blockschema för ett generellt slutet reglersystem. . . 19 14 Linjäraktuator från Parkers ETH-serie [51]. . . 23 15 Servomotor från Parkers SMH-serie [53]. . . 24 16 Servodriften Compax3 från Parker [59]. . . 25 17 OP-panel från Parkers XPR2-serie [61]. . . 25 18 Taggar sätts i OP-panelen för att läsa och skriva till
variabel-listan. . . 27 19 Variabellistan som länkar samman servodriften med OP-panelen. 27 20 Ställdonet med aktuator, servomotor, servodrift och OP-panel. 29 21 Systemdesign för ställdon. . . 30 22 Varje gång programmet startas om görs en reset. . . 31 23 CFC-blocket C3_ReadArray som hämtar värden från
varia-bellistan. . . 32 24 Flödesschema för programmet ”Positionering” med fyra olika
sekvenser. . . 32 25 Blocket MC_MoveAbsolute hämtar en ny position först då
den föregående positionen är uppnådd (Move1.Done). Här är en konstant hastighet och acceleration satt som ej förändras under programmets gång. . . 33
26 Blocket Counter1 räknar upp med ett varje gång CU aktive-ras (i samband med Move1.Done), var gång den räknar ökar CounterV alue+ 1 upp med ett och först då Counter1.Q ak-tiveras efter 32 uppräkningar ökar kolumnräknaren nArray med ett och radräknaren CounterV alue + 1 återställs till ett. 34 27 Flödesschema för programmet ”Motkraft” med fyra olika
se-kvenser. . . 35 28 M C_ReadActualP osition läser kontinuerligt av aktuatorns
position som ett REAL-tal vilket görs om till en DINT och divideras med tio för att omvandla positionen från mm till cm och sparas undan som variabeln acc_pos. . . 37 29 Då ArrayN = 1 hämtas positioner från kolumn ett och
be-handlas. Eftersom aktuatorns hemläge är i ytterläget får hela tiden den totala slaglängden subtraheras med positionen där en kraftförändring skall ske vilket resulterar i den önskade po-sitionen. Till exempel om slaglängden är 75cm och det efter 2cm skall ske en kraftförändring, blir den önskade positionen 73cm. . . 37 30 När kolumnräknaren ArrayN=1 hämtas kraftförändringar från
kolumn ett och översätts från en procentenhet till kilogram en-ligt beräknad ekvation. . . 37 31 Startsidan på OP-panelen. . . 38 32 Användaren får ange slaglängd, antal mätpunkter, position
och kraft. . . 39 33 Tester utfördes med fjädervåg och måttband. . . 39
TABELLER
Tabeller
1 För- och nackdelar med olika ställdon. . . 22 2 Resultat utav kraftmätningar där en viss strömtillförsel tillåts
till motorn. . . 40
REFERENSER
[9] Pakorn Serikitkankul., Hiroaki Seki., Masatoshi Hikizu., Yoshitsugu Ka-miya. 2006. Precision Engineering. The Effects of Negative Driving Torque in Servomotor Drivers. 31(3): 202-209.
[10] DC-motor (2016-02-22)
[13] AC-motor (2016-02-23)
https://www.youtube.com/watch?v=N-z24mvbVr8 [14] AC-motor (2016-02-25)
http://www.vfds.com/blog/what-is-a-vfd
[15] Ibrahim M. Alsofyani., N.R.N. Idris. 2013. Renewable and Sustainable Energy Reviews. A review on sensorless techniques for sustainable reli-ablity and efficient variable frequency drives of induction motors. 24:111-121.
[18] Hydraulic control panel (2016-03-08)
http://www.parcol.com.cn/docs/ACA0594.pdf [19] Hydraulpump (2016-03-07)
http://hydraulicspneumatics.com/200/TechZone/HydraulicPumpsM /Article/False/6401/TechZone-HydraulicPumpsM
[20] Arnaldo Gomes Leal Junior., Rafhael Milanezi de Andrade., Antônio Bento Filho. 2015. IFAC-PapersOnLine, Linear Serial Elastic Hydraulic Actuator: Digital Prototyping and Force Control. 8(6): 279-285.
[21] Hydraulpump bild (2016-02-22)
https://en.wikipedia.org/wiki/Hydraulic_pump#/media/File:Gear _pump.png
[22] Huibin Lianga.,Xuehua Lib. 2011. Procedia Engineering. Integrated Mo-nitoring System Design of Hybrid Aircompressors. 15: 913-923.
[23] Luftkompressor (2015-03-07)
REFERENSER
[26] Ramakrishnan Ramanathan. 2014. 2014 World Automation Congress (WAC), The IEC 61131-3 programming languages features for industrial control systems. 598 - 603.
[27] RS-232 Lammertbies (2016-04-20)
[40] Piezoelektricitet (2016-05-09) [47] Pulsgivare och Resolver (2016-06-03)
http://www.drivteknik.nu/skolan/givare
Thomas, B (2008). Modern Reglerteknik. Stockholm: Liber.
(Modern Reglerteknik) [51] ETH (2016-03-01)
http://www.parker.com/literature/Electromechanical
%20Europe/User%20Guides/192_550006_ETH_ATEX_Basic_conditions _for_the_use.pdf
REFERENSER
Appendix A
Kravspecifikation Flexibelt ställdon
Hanna Eriksson Eric Gustafsson
Maj 2016
Version 1.0
Innehåll
2 Översikt av system 3
2.1 Grov beskrivning av produkt . . . 3
6 Krav på vidareutveckling 12
7 Tillförlitlighet 13
8 Ekonomi 14
1 INLEDNING
1 Inledning
I följande kravspecifikation redogörs de krav som ställs på prototypen som utvecklas i projekt ”Testutrustning för ställdon”. Ett flexibelt system där ställdon och funktion är utbytbara efter behov. En testrigg för detta system skall utvecklas för att verifiera att de funktioner som angetts för ställdonet uppfylls.
Alla krav som ställs på systemet och testriggen specificeras enligt tabellen nedan (se Tabell 1).
I första rutan bestäms kravets nummer. I ruta nummer två förklaras sta-tusen på kravet, det kan vara original, reviderad eller utgånget. Den tredje rutan ger en kortfattad beskrivning utav kravet och den fjärde rutan anger prioriteten hos kravet enigt en skala från 1-5 där 1 har högsta prioritet.
Krav.nr Status Kravbeskrivning Prioritet
Tabell 1: Alla krav som specificeras i kravspecifikationen beskrivs enligt föl-jande tabell.