Pracoviště pro vyvažování válcových kartáčů Bakalářská práce

(1)

Pracoviště pro vyvažování válcových kartáčů

Bakalářská práce

Studijní program: B2612 Elektrotechnika a informatika Studijní obor: Elektronické informační a řídicí systémy

Autor práce: Martin Lupoměský

Vedoucí práce: Ing. Tomáš Martinec, Ph.D.

Ústav mechatroniky a technické informatiky

Liberec 2021

(2)

Zadání bakalářské práce

Pracoviště pro vyvažování válcových kartáčů

Jméno a příjmení: Martin Lupoměský Osobní číslo: M17000194

Studijní program: B2612 Elektrotechnika a informatika Studijní obor: Elektronické informační a řídicí systémy Zadávající katedra: Ústav mechatroniky a technické informatiky Akademický rok: 2020/2021

Zásady pro vypracování:

1. Proveďte rešerši metod vyvažování strojních rotačních dílů a měřících aparatur včetně vyhodnocovacích jednotek, porovnejte vybrané aparatury a zvolte optimální komerčně dostupnou aparaturu.

2. Proveďte ideový návrh mechaniky měřicího rámu, označte a vyčíslete charakteristické veličiny rámu a pracovních rozsahů. Na základě tohoto návrhu sestavte plně funkční elektro a měřicí výzbroj stroje pro vyvažování rotačních dílů.

3. Proveďte sadu měření vybraných válcových mycích kartáčů v takovém množství, aby bylo možné vypracovat statistická šetření a určit četnost výskytu jednotlivých druhů nevyvážeností.

Ve zvoleném softwaru vytvořte vzorový měřicí report vhodný pro archivaci.

(3)

Rozsah grafických prací: dle potřeby dokumentace Rozsah pracovní zprávy: 30–40

Forma zpracování práce: tištěná/elektronická

Jazyk práce: Čeština

Seznam odborné literatury:

[1] Fryml, B., Borůvka, V. Vyvažování rotačních strojů v technické praxi. Praha: SNTL,1962.

[2] ĎAĎO, Stanislav, KREIDL, Marcel. Senzory a měřící obvody. Praha : Vydavatelství ČVUT, 1996.

315 s. ISBN 80-01-02057-6.

[3] ČSN ISO 21940-31: Vibrace – Vyvažování rotorů. Česká republika: Český normalizační institut, 2014.

Vedoucí práce: Ing. Tomáš Martinec, Ph.D.

Ústav mechatroniky a technické informatiky

Datum zadání práce: 9. října 2020 Předpokládaný termín odevzdání: 17. května 2021

prof. Ing. Zdeněk Plíva, Ph.D.

děkan

L.S.

doc. Ing. Milan Kolář, CSc.

vedoucí ústavu

V Liberci dne 9. října 2020

(4)

Prohlášení

Prohlašuji, že svou bakalářskou práci jsem vypracoval samostatně jako pů- vodní dílo s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedou- cím mé bakalářské práce a konzultantem.

Jsem si vědom toho, že na mou bakalářskou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.

Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci nezasahuje do mých au- torských práv užitím mé bakalářské práce pro vnitřní potřebu Technické univerzity v Liberci.

Užiji-li bakalářskou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti Technickou univerzi- tu v Liberci; v tomto případě má Technická univerzita v Liberci právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.

Současně čestně prohlašuji, že text elektronické podoby práce vložený do IS/STAG se shoduje s textem tištěné podoby práce.

Beru na vědomí, že má bakalářská práce bude zveřejněna Technickou uni- verzitou v Liberci v souladu s § 47b zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách a o změně a doplnění dalších zákonů (zákon o vysokých školách), ve znění pozdějších předpisů.

Jsem si vědom následků, které podle zákona o vysokých školách mohou vyplývat z porušení tohoto prohlášení.

12. ledna 2021 Martin Lupoměský

(5)

Poděkování

Děkuji vedoucímu práce Ing. Tomáši Martincovi Ph, D. za odborné vedení a významné rady při řešení této práce. Děkuji také Ing. Petrovi Přívratskému Ph, D. za neocenitelnou pomoc a ochotu při konzultacích. Poděkování rovněž patří společnosti LUPRO, konkrétně Davidu Lupoměskému při pomoci s vytvářením Eplanu.

(6)

8

Abstrakt

Tato práce se zabývá sestavením vhodného pracoviště pro vyvažování válcových kartáčů ve firmě Benteler. V práci byly přiblíženy informace o nevyváženosti strojních dílů a následné eliminace tohoto nežádoucího faktoru. Dále práce seznamuje čtenáře s metodami vyvažování strojních dílů a jejich postupů měření. V práci byly uvedeny informace o vibracích, jako je například jejich význam nebo vliv vibrací na chod stroje. Další součástí práce byla rešerše analyzátoru vibrací a následné srovnání a výběr nejvhodnější vyhodnocovací aparatury. V následující části práce byl sestaven ideový návrh měřícího rámu. Tato část se zabývá údaji o používaných kartáčích ve firmě Benteler, jejich uchycení, rozměrech a pracovních otáčkách, dále pak o podstavě kartáče a vyčíslení charakteristických veličin měřícího rámu. K ideovému návrhu byly také sepsány informace o potřebném motoru, rozvodné skříni a bezpečnosti pracoviště. Další část práce byla zaměřena na rešerši vhodných metod pro měření na stroji. Pro každou metodu byla vybrána jiná elektro výzbroj a její realizace. Z metod byla následně vybrána nejvhodnější. Na závěr byl k vybrané metodě vytvořen popis funkce a také program.

Klíčová slova

Čistění plochého skla, nevyváženost kartáčů, vibrace, měření vibrací, analýza vibrací

Abstract

This work deals with the assembly of a suitable workplace for balancing roller brushes in the company Benteler. The work presented information about the imbalance of machine parts and the subsequent elimination of this undesirable factor. Furthermore, the work acquaints the reader with the methods of balancing machine parts and their measurement procedures. The work provided information about vibrations, such as their importance or the effect of vibrations on the operation of the machine. Another part of the work was a search of the vibration analyzer and the subsequent comparison and selection of the most suitable evaluation apparatus. In the following part of the work, the conceptual design of the measuring frame was compiled. This section deals with data on the brushes used in the Benteler company, their attachment, dimensions and working speed, as well as on the base of the brush and the quantification of the characteristic values of the measuring frame. Information about the required engine, distribution box and workplace safety was also written for the conceptual design. Another part of the work was focused on the search for suitable methods for measuring on the machine. Different electrical equipment and its implementation were chosen for each method. The most suitable method was then selected. Finally, a description of the function and also a program were created for the selected method.

Key Words

Flat glass cleaning, brush imbalance, vibration, vibration measurement, vibration analysis

(7)

9

Obsah

1. Úvod ... 13

2. Nevyváženost strojních dílů ... 14

2.1 Význam ... 14

2.2 Druhy nevyváženosti ... 14

2.3 Odstranění nevyváženosti ... 15

2.4 Vyvažování v jedné rovině ... 16

2.5 Vyvažování ve dvou a více rovinách ... 20

3. Vibrace a analyzátory vibrací ... 22

3.1 Vibrace ... 22

3.2 Analyzátory vibrací ... 23

3.3 Adash A4300 VA3 Pro ... 23

3.4 CEMB N600... 26

3.5 Srovnání ... 28

4. Návrh pracoviště pro měření kartáčů ... 30

4.1 Návrh vhodného měřícího rámu ... 30

4.2 Elektro a měřící výzbroj stroje ... 36

4.3 Možnost s PLC ... 36

4.4 Možnost s FM bez PLC ... 41

4.5 Možnost s PC, komunikačními a I/O moduly od firmy WAGO ... 43

4.6 Program ... 46

5. Závěr ... 48

(8)

10

Seznam tabulek

Tabulka 1 - Specifikace měřiče vibrací A4300 VA3 Pro ... 25

Tabulka 2 - Celková cena přípravku a jednotlivých položek ... 25

Tabulka 3 - Specifikace měřiče vibrací N600 ... 27

Tabulka 4 - Celková cena přípravku N600 ... 28

Tabulka 5 - SWOT analýza analyzátorů vibrací ... 29

Tabulka 6 - Typy válcovitých kartáčů a jejich rozměry ... 30

Tabulka 7 - Ceny motoru a rozvodné skříně ... 33

Tabulka 8 - Technické parametry power modulu a kontrolní jednotky frekvenčního měniče ... 38

Tabulka 9 - Ceny jednotlivých komponentů pro metodu s využitím PLC a HMI panelu ... 40

Tabulka 10 - Ceny jednotlivých komponentů pro metodu s využitím pouze frekvenčního měniče.. 42

Tabulka 11 - Ceny jednotlivých komponentů pro metodu s využitím PC a komunikačního modulu 44

Seznam obrázků

Obrázek 1 - Statická nevyváženost ... 14

Obrázek 2 - Momentová nevyváženost ... 15

Obrázek 3 - Dynamická nevyváženost ... 15

Obrázek 4 - Třípolohová metoda (zdroj [5]) ... 17

Obrázek 5 - Dvoupolohová metoda (zdroj [5]) ... 19

Obrázek 6 - Jednopolohová metoda (zdroj [5]) ... 20

Obrázek 7 - Parametry vývažků určené počítačem ... 21

Obrázek 8 - Periodické vibrace [8] ... 22

Obrázek 9 - Analyzátor vibrací od firmy Adash (A4300 VA3 Pro), vstupy a výstupy ... 23

Obrázek 10 - Hlavní menu analyzátoru s popsanými moduly ... 24

Obrázek 11 - Analyzátor vibrací od firmy CEMB (N600), vstupy a výstupy ... 26

Obrázek 12 - Funkce přístroje N600 (vlevo FFT spektrum a vibrometr, vpravo měření nevyváženosti) ... 27

Obrázek 13 - Rozměry válcovitých kartáčů k Tabulka 5 ... 30

Obrázek 14 - Uchycení hřídele (ložiskový domeček) ... 31

Obrázek 15 - Asynchronní motor od firmy Kraft&Dele ... 32

Obrázek 16 - Rozvodná skřín od firmy Ritall ... 34

Obrázek 17 - Ideový návrh pracoviště ... 35

Obrázek 18 - SIMATIC S7-1500 F, CPU 1511F-1 PN od firmy Siemens (napravo) a ET200SP bezpečnostní modul pro digitální výstupy od firmy Siemens ... 36

Obrázek 19 - SIMATIC HMI KP300 BASIC MONO PN od firmy Siemens ... 37

(9)

11

Obrázek 20 - SINAMICS G120 POWER MODULE PM240-2 (vlevo) a SINAMICS G120 CONTROL UNIT CU240E-2 PN (vpravo) od firmy Siemens ... 37 Obrázek 21 - J1900 Cubic Box PC od firmy KINGDY ... 38 Obrázek 22 - SINAMICS G120 BASIC OPERATOR PANEL (BOP-2) od firmy Siemens ... 41 Obrázek 23 - Komunikační modul pro Ethernet 750-352 od firmy WAGO (vlevo) a I/O modul pro digitální vstupy od firmy WAGO (vpravo) ... 43

(10)

12

Seznam zkratek

PLC Programmable Logic Controller – programovatelný logický automat ČSN československé normy

ISO International Organization for Standardization – mezinárodní organizace pro normalizaci

FFT Fast Fourier Transformation – rychlá Fourierova transformace DC Direct Current – stejnosměrný proud

AC Alternating Current – střídavý proud

SW Software

RMS Root Mean Square – efektivní hodnota RPM Revolutions Per Minute – otáčky za minutu

HMI Human Machines Interface – rozhraní mezi strojem a člověkem STO Safety Torque Off – bezpečné vypnutí kroutícího momentu SS1 Safe Stop 1 – bezpečné zastavení 1

SLS Safety Limited Speed – bezpečně omezená rychlost SSM Safe Speed Monitor – sledování bezpečné rychlosti SDI Safe Direction – bezpečný směr

USB Univesal Seriál Bus – univerzální sériová sběrnice

SCL Structured Control Language – strukturovaný programovací jazyk

(11)

13

1. Úvod

Cílem této práce je návrh a následná realizace pracoviště pro vyvažování válcovitých kartáčů, které jsou určené pro mytí plochých skel. Jako výsledek bude vytvoření statistických šetření, určení četnosti výskytu nevyvážeností a následné zpracování vhodného měřícího reportu pro archivaci.

Pro návrh tohoto pracoviště bude nutné si nejdříve zjistit informace o problematice nevyváženosti strojních dílů. Bylo zapotřebí seznámit čtenáře s druhy nevyváženosti, ale klást důraz především na dynamickou nevyváženost a na vyvažování ve dvou a více rovinách, protože ty v práci vystupují nejvíce. Též zde budou uvedeny informace o vibracích a jejich vlivu na chod stroje. Jednou z hlavních částí práce bude výběr vhodného měřícího systému. Budou porovnány měřící systémy a následně vybrán nejvhodnější.

K úplnosti práce bude zapotřebí vytvořit ideový návrh měřícího rámu. Popsat a vyčíslit pracovní rozsahy a charakteristické veličiny rámu. V této části práce bude cílem čtenáře informovat o rozměrech a pracovních otáčkách používaných kartáčů. Dále pak seznámit čtenáře s uchycením kartáče, motorem, který bude kartáč roztáčet a bezpečnostními pracovními podmínkami. Též zde bude uvedeno, jaká rozvodná skříň bude použita a proč.

Další část práce se bude zabývat elektro výzbrojí a možnostmi realizace. Práce uvádí tři možnosti, a to možnost s využitím PLC, možnost pouze s frekvenčním měničem bez použití PLC a možnost s využitím průmyslového počítače a přídavných modulů. Tyto možnosti budou porovnány a následně bude vybrána nejvhodnější metoda. K dané metodě bude v další části práce popsaná funkce a také program.

Podle vybrané metody a návrhu měřícího rámu bude pracoviště pro vyvažování válcových kartáčů realizováno. Na zrealizovaném pracovišti budou provedeny měření nevyváženosti za pomoci vyhodnocovací jednotky. Poté budou vytvořeny statistické šetření a určeny četnosti výskytu nevyváženosti na válcových kartáčích. Závěrem této práce bude vytvořen report pro archivaci v určeném softwaru.

(12)

14

2. Nevyváženost strojních dílů

2.1 Význam

Nevyváženost je nerovnoměrné rozdělení hmoty kolem své osy rotace. Pokud těleso rotuje, dochází k odstředivé síle, která má za následek chvění, vibrace a hluk, což jsou faktory, které chceme minimalizovat.

2.2 Druhy nevyváženosti Statická nevyváženost

Statická nevyváženost způsobuje posunutí těžiště rotoru z jeho středu. Nazývá se statická, protože působí bez rotace. “K posunutí osy setrvačnosti rotoru dojde v takovém případě, kdy se dá celková nevývaha rotoru rozložit na dva nevývažky o stejných velikostech a umístěných pod stejným polohovým úhlem v rovinách kolmých na osu rotace za předpokladu, že jsou tyto roviny souměrné s těžištěm rotoru.” (Brychcy, Hudeczek, 2007, s.8) Pro vyvážení se přidává nebo ubírá materiál tak, aby se těžiště rotoru neposunulo. Statická nevyváženost se určí například tak, že se rotor položí na vyvažovací pravítka a umožní se mu odvalování. Poté nejtěžší bod bude v nejnižší poloze.

Obrázek 1 - Statická nevyváženost

Momentová nevyváženost

Otáčející se rotor provádí kmitavý pohyb kolem osy (kolmo k ose rotace), neboť obě nevyváženosti vytvářejí moment. Následně je tento druh nevyváženosti označován jako momentová nevyváženost nebo také dvojicová nevyváženost. Pro vyrovnání momentové nevyváženosti je potřebný opačný moment, tedy dvě stejně velké korekční nevyváženosti, které jsou ve vyvažovacích rovinách pootočeny vzájemně o 180°. „Uložení rotoru není v tomto případě namáháno velkými dynamickými účinky

(13)

15

odstředivých sil, vzniká zde silový moment, který je mnohdy více nežádoucí než odstředivé síly způsobené statickou nevývahou.“ (Brychcy, Hudeczek, 2007, s.9)

Obrázek 2 - Momentová nevyváženost

Dynamická nevyváženost

Reálný rotor nemá pouze jednotlivou nevyváženost, ale teoreticky nekonečný počet nahodile působících nevyvážeností podél osy rotace. Protože se tento druh nevyváženosti dá kompletně zjistit pouze za rotace, mluví se o dynamické nevyváženosti. Tato nevyváženost se dá rozdělit na statickou a momentovou nevyváženost, přičemž jeden nebo druhý podíl může převažovat. Pro úplné odstranění dynamické nevyváženosti je zapotřebí dvou vyvažovacích rovin. Dynamická nevyváženost se prakticky vyskytuje u všech rotorů. Pro vyvážení se proto používají jak horizontální, tak i vertikální vyvažovací stroje neboli vyvažovačky.

Obrázek 3 - Dynamická nevyváženost

2.3 Odstranění nevyváženosti

Pro zjištění a následné odstranění nevyváženosti existuje mnoho přístrojů. Jak už bylo výše uvedeno, tak nevyvážeností je více druhů a pro každý tento druh existuje jiná metoda. Například pro statické vyvažování za klidu se používají vyvažující pravítka, vyvažující váhy nebo pomocný vývažek.

Kdybychom chtěli vyvažovat statickou nevyváženost při rotaci, je nutné použít speciální vyvažovací stroje nebo ústředny. Také je možné pouze odebrat nebo přidat vyvažovací materiál odvrtáním, vyfrézováním atd. Tato práce vychází z normy ČSN ISO 21940-31, která se zaměřuje na vibrace, přesněji náchylnost a citlivost strojů na nevyváženost.

(14)

16 Metody vyvažování strojních dílů

Vyvažování rotorů lze rozdělit do dvou skupin, a to podle počtu rovin, které pro vyvažování používáme.

▪ Vyvažování v jedné rovině o Statické

o Dynamické (za rotace) – na vyvažovacích strojích, nebo vlastním rámu

▪ Vyvažování ve dvou (více) rovinách o Na vyvažovacích strojích

o Na vlastním rámu – provozní vyvažování

V jedné rovině se vyvažuje pouze za předpokladu, že axiální délka rotoru je malá a momentové namáhání je minimální. Tato práce se zaměřuje na vyvažování ve dvou a více rovinách, jelikož axiální délka kartáče je poměrně velká a momentové namáhání je vysoké. Vyvažování kartáče bude probíhat na vlastním rámu, protože se jedná o těžkou strojní součást, se kterou se těžko manipuluje.

2.4 Vyvažování v jedné rovině Třípolohová metoda

Při této metodě je zapotřebí vyvažovanou součást roztočit na pracovní otáčky. Metoda se skládá ze 4 běhů vyvažování, při kterých se na vyvažovanou součást umisťuje hmota o známé hmotnosti.

Pomocný vývažek (hmota) se umístí postupně na tři místa, která jsou od sebe vzájemně pootočena o 120°. V této metodě se měření fází kmitů zanedbává.

Postup této metody je převzat ze zdroje [5].

1.) První běh: po ustálení na vyvažovacích otáčkách se v místě A změří výkmity XV výchylky kmitů.

2.) Druhý, třetí a čtvrtý běh: pomocný vývažek W se postupně připojuje na vyvažovanou součást do míst 1, 2, 3 vzájemně otočených o 120° a po ustálení na vyvažovacích otáčkách se změří výkmity XV1,XV2,XV3 v místě A.

(15)

17

Obrázek 4 - Třípolohová metoda (zdroj [5])

3.) Graficky se určí příčinkový činitel α, který slouží k výpočtu hmotnosti mV hledaného nevývažku.

Postup konstrukce (viz Obrázek 4)

a) kolem zvoleného počátku O se opíše kružnice k0 s poloměrem XV;

b) na kružnici k0 se vynesou body 1, 2, 3 odpovídající místům připojení pomocného vývažku W;

c) v bodě 1 se nachází střed kružnice k1 o poloměru XV1 – sestrojí se popsaná kružnice. Tento postup opakujeme analogicky pro body 2 a 3. Všechny tři kružnice by se teoreticky měly protnout v jednom bodě, ale vlivem nelinearit soustavy a určitých nepřesností měření většinou vzniknou průsečíky tři – P1, P2, P3;

d) spojnice těžiště trojúhelníku P1, P2, P3 s bodem O je příčinkový činitel α. Jeho směr určuje jednoznačně rovinu nevyváženosti a jeho průsečík s k0 udává „lehké místo“ L součásti;

e) hmotnost mV hledaného vývažku V je dána vztahem (viz vzorec [1])

[1] 𝑚

_𝑉

=

^𝑋^𝑉

α

∗ 𝑚

_𝑊

∗

^𝑟^𝑊

𝑟_𝑉

4.) Vypočtený vývažek o hmotnosti mv se připojí do místa L a při stejných otáčkách, jako dříve se změří výchylky 𝑋𝑉∗ kmitů v místě A.

5.) Nepodaří-li se tímto vyvažovacím krokem dosáhnout žádaného stupně vyvážení, je třeba celý postup opakovat – nový pomocný vývažek se volí úměrný hodnotě 𝑋_𝑉^∗.

(16)

18 Dvoupolohová metoda

Metoda je velmi podobná předchozí tří polohové metodě, ale pomocná hmota se umisťuje pouze na dvě místa, která jsou vzájemně pootočena o 180°.

1.) První běh: motor se uvede do otáček a v místě A se změří výkmit XV kmitů

2.) Druhý a třetí běh: pomocný vývažek W se připojí do zvolené polohy 1. (respektive 2) na vyvažovaném tělese a při stejných otáčkách jako u prvního běhu se změří výkmit XV1 (XV2) v místě A.

3.) Z naměřených hodnot se určí příčinkový činitel α potřebný pro výpočet hmotnosti hledaného vývažku V následujícím způsobem (viz Obrázek 5):

a) kolem zvoleného počátku O se opíše kružnice k0 s poloměrem XV;

b) na kružnici k0 se vyznačí body 1, 2, které odpovídají polohám pomocného vývažku W;

kolem bodu 1 se opíše kružnice k1 s poloměrem XV1 a analogicky sestrojíme kružnici v bodě 2;

c) kružnice k1 a k2 se protnou v průsečících P1, P2 a spojnice OP1, resp. OP2 je hledaný příčinkový činitel α; jeho průsečík L s kružnicí k0 udává „lehké místo“; tato úloha je dvojznačná;

d) hmotnost mV hledaného vývažku V určíme ze vztahu (viz vzorec [2])

[2] 𝑚

_𝑉

=

^𝑋^𝑉

α

∗ 𝑚

_𝑊

∗

^𝑟^𝑊

𝑟_𝑉

4.) Vypočtený vývažek se připojí do jedné z určených poloh L a změří se výkmity výchylky kmitů v místě A; zjistí-li se, že po připojení vývažku se výkmity snížily, byla zvolena správná poloha;

pokud se naopak výkmity zvýší, musí se vývažek přemístit do druhé z určených poloh L – čtvrtý, resp. pátý běh.

5.) Nesníží-li se výkmity výchylky kmitů na požadovanou mez, celý postup je třeba opakovat, volí se však menší pomocný vývažek.

(17)

19

Obrázek 5 - Dvoupolohová metoda (zdroj [5]) Jednopolohová metoda

Jednopolohová metoda se v provozním vyvažování používá nejčastěji. Z rozdílů dvou vibrací se určí příčinkový činitel za předpokladu, že existuje mezi měřenými hodnotami lineární závislost. Nejdříve se musí rozhodnout, zda se na vyvažované součásti nacházejí větší nelinearity. Jedna z výhod této metody je, že data pro vyvážení rotoru získáme z nízkého počtu běhů. To si ale žádá lepší technické vybavení než předešlé metody, protože během jednotlivých běhů se musí měřit i fáze kmitů.

V předešlých metodách stačilo znát velikost výkmitů (amplitudu).

1.) První běh: motor se uvede do otáček a změří se amplituda X0 i fáze 𝜑₀ výchylky kmitů v místě A.

2.) Druhý běh: do libovolného místa na vyvažované součásti se připevní pomocný vývažek o hmotnosti mW a při stejných otáčkách jako při prvním běhu se změří amplituda X01 a fáze 𝜑01

výchylky kmitů v místě A.

(18)

20

Obrázek 6 - Jednopolohová metoda (zdroj [5])

3.) Vyhodnocení měření se provede tak, že se ve zvoleném měřítku vynesou do polárního diagramu zjištěné vektory kmitů z obou běhů (Obrázek 6). Rozdíl vektorů X01 – X0 udává příčinkový činitel α. Úhel ψ, o který by se tento vektor musel otočit, aby splynul s vektorem X0, ale měl opačný smysl, udává polohu hledaného vývažku na rotoru vzhledem k poloze, v níž byl připojen pomocný vývažek W. Smysl otáčení je obvykle u každé aparatury udán, nebo je třeba ho určit experimentálně.

4.) Hmotnost mV hledaného vývažku se určí z rovnice (viz vzorec [3]) [3] 𝑚_𝑉=^𝑋⁰

α ∗ 𝑚_𝑊∗^𝑟^𝑊

𝑟_𝑉

5.) Vypočtený vývažek se připojí do určeného místa a provede se kontrolní měření. Nedosáhne-li se požadovaného stupně vyvážení, postup se opakuje, ale s menší hmotností pomocného vývažku W.

2.5 Vyvažování ve dvou a více rovinách

Rotory o větších délkách a také rotory s vyššími pracovními otáčkami, je nutné vyvažovat ve dvou vyvažovacích rovinách. Tyto rotory se nejčastěji vyvažují na vyvažovacích strojích neboli vyvažovačkách, které mají elektrický rám. Vyvažovací stroje udávají uživateli velikosti a polohy vývažků nebo nevývažků. Díky vyvažování ve dvou rovinách lze odstranit účinky jak statické nevyváženosti, tak nevyváženosti momentové neboli dvojicové. Pokud se rotor vyvažuje za provozních podmínek ve dvou rovinách, použije se střídavé vyvažování. Střídavé vyvažování ve dvou rovinách funguje tak, že se nejprve vyváží první, respektive druhá rovina podle postupů, které jsou uvedeny v kapitole 0. Při střídavém vyvažování na sebe vyvažovací roviny nemají vliv, a proto, když se na první vyvažovací rovinu připojí vývažek, je nutné rotor znovu dovyvážit v druhé vyvažovací rovině. Existují i metody, které vyvažují vyvažovací roviny současně, tyto metody mají výhodu, že je zapotřebí méně běhů vyvažování, ale vyhodnocení těchto metod je velmi složité. O těchto metodách se práce nezmiňuje, ale jsou uvedeny

(19)

21

ve zdroji [5]. Tato práce se zabývá metodami, které se dnes nejčastěji využívají k vyvažování na vyvažovacích strojích.

Metoda pravá a levá rovina

V této metodě jsou provedeny dvě korekce nevyváženosti v levé a pravé vyvažovací rovině. Vyvažovací stroj, v tomto případě počítač, vypočítá 4 potřebné hodnoty v jednom 35 běhu (viz Obrázek 7). Úhel a velikost vývažku pro levou vyvažovací rovinu a úhel vývažku a jeho velikost pro pravou vyvažovací rovinu.

Metoda postupné eliminace statické a dvojicové nevyváženosti Popis této metody je převzat ze zdroje [7].

Jedná se o postup, při kterém je třeba vykonat čtyři operace přidávání (odebírání) hmoty. Vyvažovací stroj vypočítá a zobrazí čtyři hodnoty: velikost vývažku a jeho úhel pro statické vyvážení a velikost vývažku a úhel pro momentové vyvážení. Vývažek pro statické vyvážení je třeba vydělit dvěma a tyto poloviční vývažky umístit se stejným polohovým úhlem na levou i pravou vyvažovací rovinu. Vývažek pro momentové vyvážení se umístí do levé roviny do polohy dané zobrazeným polohovým úhlem.

Do pravé roviny se umístí stejný vývažek, avšak jeho poloha musí být o 180° pootočena vůči poloze levého vývažku. Tento postup je běžně využíván v průmyslové praxi. Vývažky pro odstranění statické a momentové nevyváženosti lze spojit v rámci každé z vyvažovacích rovin v jeden. Je třeba pouze správně provést vektorový součet vektorů obou vývažků. Postupnou eliminaci statické a dvojicová nevyváženosti je také možné provést pouze ve třech krocích. Je ovšem nutné znát polohu těžiště vyvažované součásti. Statickou nevyváženost je pak možné odstranit přidáním pouze jednoho vývažku, a to do roviny, ve které leží těžiště součásti.

Obrázek 7 - Parametry vývažků určené počítačem

(20)

22

3. Vibrace a analyzátory vibrací

3.1 Vibrace Význam

Pohyb, který se neustále nachází v okolí rovnovážné polohy se nazývá kmitavý pohyb neboli vibrace.

V této práci se rovnovážná poloha rovná uchycení hřídele a pohybující se těleso odpovídá válcovému kartáči, který rotuje. Vibrací existuje více, jako například nestacionární náhodné vibrace nebo stacionární vibrace, ale tato práce se zabývá periodickými vibracemi.

Vliv vibrací na chod stroje

Díky kmitavému pohybu nedochází pouze k nevyváženosti, dochází také k opotřebení ložisek i celého stroje nebo nežádoucímu hluku. Potlačení vibrací je jedna z hlavních priorit, protože opotřebení stroje má za následek nesprávnou funkčnost.

Periodické vibrace:

Nejlépe se dají představit jako harmonický pohyb, který je popsán funkcí sinus, na které můžeme vyčíst hodnoty jako maximální výchylku „x“, frekvenci „f“ a periodu „T“ (viz Obrázek 8).

Obrázek 8 - Periodické vibrace [8]

Tato práce vychází z normy ČSN ISO 10817-1, která se zabývá zařízeními pro měření vibrací rotujících hřídelů.

(21)

23 3.2 Analyzátory vibrací

Analyzátor vibrací nebo také vibrační měřič je mobilní elektronické zařízení, které zpracovává vibrační signály. K analyzátoru vibrací je kabelem připojen jeden nebo více senzorů vibrací, v našem případě je to piezoelektrický akcelerometr, který generuje napěťový signál v momentě, kdy kartáč rotuje a třese se. Signál je přenesen do analyzátoru vibrací, který je schopen napěťový signál zpracovat a zobrazit hodnoty vibrací, jako je rychlost, zrychlení a okamžitá výchylka.

3.3 Adash A4300 VA3 Pro

Analyzátor vibrací je určen pro měření spekter, časových signálů v reálném čase, vibrací, otáček, ale hlavně také pro měření nevyváženosti.

Obrázek 9 - Analyzátor vibrací od firmy Adash (A4300 VA3 Pro), vstupy a výstupy

Vstupy a výstupy

Měřič vibrací obsahuje tři DC vstupy pro procesní veličiny, tři AC vstupy, které slouží pro připojení senzorů vibrací. Vstup „IN 1“ a „IN 2“ je určen pro připojení jednoosých i tříosých snímačů. Je-li připojen jeden nebo dva tříosé snímače, musí být použit i vstup „TRIG“, který je určen pro připojení otáčkové sondy (viz Obrázek 9). Otáčková sonda je nutná, pokud měřič vibrací bude použit pro vyvažování. Dále pak analyzátor vibrací poskytuje rychlou USB 3.0 komunikaci, která se využije pro připojení analyzátoru vibrací k počítači, LED stroboskop a IR snímač teploty.

Přídavné moduly

Přístroj A4300 VA3 Pro je nakonfigurovatelný podle potřeby díky volitelným SW modulům. Celkově je možné mít až devět modulů, ale tato práce využije pouze čtyři, z čehož jsou tři součástí balení a jeden je nutné dokoupit.

(22)

24

Obrázek 10 - Hlavní menu analyzátoru s popsanými moduly

Potřebné moduly:

▪ Meter – slouží k měření širokopásmové efektivní a špičkové hodnoty (RMS, 0-PEAK) nebo pro FFT analýzu vibrací

▪ FASIT – Fault Source Identification Tool je systém pro detekci poruch strojů (nevyváženost, nesouosost, mechanické uvolnění, stav ložiska)

▪ Strobo – systém pro zjištění otáček stroje (otáčky jsou automaticky přepočítány na frekvenci), umožňuje také zdánlivě zastavit rotační pohyb stroje, což umožní vizuální inspekci požadované části

▪ Balancer – modul pro vyvažování stroje, je možno vyvažovat stroj v jedné a ve dvou rovinách (viz kapitola 0)

Další volitelné moduly:

▪ Analyzer – analyzátor je systém pro měření všech hodnot vibrací synchronně, umožňuje si nastavit vlastní parametry (vzorkování, frekvenční rozsah, jednotky atd.)

▪ Route – pochůzka je vhodná pro časté ukládání dat, ze kterých se následně v softwaru sledují trendy vibrací

Zbylé moduly (Recorder, Runup, Ultrasound) nejsou žádným přínosem pro tuto práci. Slouží pro zaznamenání surového neupraveného signálu ze stroje, ultrazvuku a modul Runup umožňuje výběr ukládaní dat (při každém měření nebo při změně otáček)

(23)

25 Technické parametry

Tabulka 1 - Specifikace měřiče vibrací A4300 VA3 Pro

Vstupní rozsah Frekvenční rozsah Zpracování dat

AC +/- 12 V špička- špička

max: 0.5 Hz - 25 kHz (64 kHz vzorkování)

FFT v reálném čase, měření RPM

DC +/- 24 V min: 0.5 Hz - 25 Hz (64 Hz vzorkování) řadová analýza, uživ. definice pásem, měření DC

Tabulka 2 - Celková cena přípravku a jednotlivých položek

Položka Cena za MJ Počet Konečná cena

Ruční přístroj základ 69 600 Kč 1 69 600 Kč Přídavný modul – provozní

vyvažování 1-2 roviny 26 400 Kč 1 26 400 Kč Otáčková sonda

VLS5/T/LSR 14 857 Kč 1 14 857 Kč Prodlužovací kabel tadno 5

m Binder 3 983 Kč 1 3 983 Kč Magnetická příchytka pro

snímač 2 985 Kč 2 5 970 Kč Transportní kufřík 4 900 Kč 1 4 900 Kč Snímač TRIAXIAL 29 850 Kč 2 59 700 Kč Binder712 – Rovný kabel

pro snímač – triaxial 5 890 Kč 2 11 780 Kč

Celkem 197 190 Kč

Ceny jednotlivých položek jsou určeny z reálné nabídky od firmy Adash a jsou uvedeny bez DPH. Cena za každý další volitelný modul činí 26 400 Kč. Software pro vyhodnocování a archivaci dat DDS2019 je k přípravku zdarma, ale je omezen pamětí max 200Mb. Pokud by byla potřeba paměť zvýšit na neomezeně, je potřeba zakoupit vylepšení za 39 800 Kč.

(24)

26

3.4 CEMB N600

Analyzátor vibrací je určen pro měření spekter, časových signálů v reálném čase, vibrací, otáček, ale hlavně také pro měření nevyváženosti.

Obrázek 11 - Analyzátor vibrací od firmy CEMB (N600), vstupy a výstupy

Vstupy a výstupy

Analyzátor vibrací od firmy CEMB má celkově 8 vstupů a výstupů (viz Obrázek 11). Vstup označený číslem 1 je vstup pro nabíjecí kabel přípravku. Pod číslem 2 je vnitřní oblast pro odvádění tepla (elektronika). Vstup pro síťový port se nachází pod číslem 3 a slouží pro připojení přístroje k počítači a sdílení složky pro výměnu dat mezi nimi. Dále má analyzátor vibrací 2 USB porty typu A (master).

Číslo 5 je tlačítko pro restart analyzátoru vibrací. Vstup fotobuňky se nachází pod číslem 6 a je hned nad kontrolkou nabíjení baterie. Pomocí fotobuňky se měří otáčky. Zbylé dva vstupy slouží pro připojení snímačů vibrací jednoosých nebo tříosých.

(25)

27 Funkce přístroje

Obrázek 12 - Funkce přístroje N600 (vlevo FFT spektrum a vibrometr, vpravo měření nevyváženosti)

Analyzátor vibrací od firmy CEMB dokáže nejen měřit vibrace, ale i jejich procesní veličiny jako je rychlost, zrychlení nebo okamžitá výchylka v závislosti na čase nebo otáčkách. Jako vibrometr funguje velmi dobře, protože umí měřit fáze jednotlivých vibrací, dokáže vytvořit frekvenční analýzu vibrací (manuálně nebo automaticky) a také analýzu vibrací ve frekvenčním rozsahu nebo kontrolu vibrací jako funkci času nebo rychlosti. Další předností analyzátoru vibrací je vyvažování v jedné nebo ve dvou rovinách (viz kapitola 0), grafické zobrazení stability měření, korekce nevývahy přidáním nebo odebráním materiálu, uložení kalibrace nebo vektorový rozklad nevývahy.

Technické parametry

Tabulka 3 - Specifikace měřiče vibrací N600

Napájení Frekvenční rozsah (2 volby) Zpracování dat

100–240 V max: 3 Hz - 20 kHz max: 10 Hz – 10 kHz

FFT v reálném čase, měření RPM

50/60 Hz (24 V, 1,5 A) min: 3 Hz - 300 Hz

min: 10 Hz – 1 kHz řadová analýza

(26)

28

Tabulka 4 - Celková cena přípravku N600

Položka Počet

Snímač vibrací TRIAX 2

Kabel pro snímač TRIAX 2

Magnetická příchytka pro

snímač 2

Zkušební hrot 2

Snímač otáček 1

USB paměť 1

Úhlová stupnice 1

Nabíječka akumulátoru 1

Software 1

Celkem 250 000 Kč

Ceny jednotlivých položek bohužel nejsou k dispozici, ale výsledná cena je z reálné nabídky od firmy CEMB a je uvedena bez DPH.

3.5 Srovnání

Srovnání analyzátoru vibrací bylo provedeno pomocí SWOT analýzy tak, že se porovnaly silné (Strong) stránky se slabými (Weak) a příležitosti (Opportunities) s hrozbami (Threats) (viz Tabulka 5). Po vypsání těchto stran bylo rozhodnuto pro Analyzátor vibrací A4300 VA3 Pro od firmy Adash, jelikož silné stránky a příležitosti převyšovaly slabé stránky a hrozby, na rozdíl od měřiče vibrací N600 od firmy CEMB. Měřič vibrací od firmy Adash umí stejně jako měřič vibrací od firmy CEMB vyvažovat v jedné nebo ve dvou rovinách, což je pro tuto práci hlavním kritériem. Dále mají oba analyzátory možnost připojení tříosých snímačů vibrací, které jsou také pro práci nezbytné. Analyzátor od firmy Adash měří vibrace v širším frekvenčním pásmu, detekuje nesouosost válce, stav ložisek a mechanické uvolnění, a to jsou aspekty, které mohou při měření nastat. Navíc firma Adash pochází z České republiky, tudíž je možné pozvat experta na vyvažování do firmy Benteler. Firma CEMB pochází z Německa, proto by pozvání experta bylo náročnější, a to i nákladově. Další výhoda je koupě pouze potřebných modulů a snímačů, které jsou určeny pro zadání práce. Zbylé moduly je možno dokoupit. Na druhou stranu analyzátor vibrací N600 od firmy CEMB má možnost síťového připojení, které by bylo možné propojit s PLC, větší display a lepší funkce vibrometru. Nevýhodou ale je software, který podporuje vyvažování, protože základní verzeje nedostačující a musela by se koupit nejlepší verze softwaru. K měřiči vibrací od firmy Adash je zdarma dostačující software. Ze strany nákladů je analyzátor vibrací od firmy Adash levnější s možností dokoupení jak lepšího softwaru pro počítač, tak volitelných SW modulů oproti analyzátoru vibrací od firmy CEMB. Na základě těchto poznatků byl vybrán měřič vibrací A4300 VA3 Pro od firmy Adash.

(27)

29

Tabulka 5 - SWOT analýza analyzátorů vibrací

ADASH Pomocné Škodlivé CEMB Pomocné Škodlivé

Vnitřní původ

Česká firma Žádný vstup k síťové komunikaci

Vnitřní původ

Možnost připojit 3osé

snímače Cena

Cena

Měření vibrací bez modulu analyzer je

"primitivní"

Vyvažovánív 1-2 rovinách

Nedostačující základní SW (nejdražší) Možnost připojit 3osé

snímače Komfortní Německá firma

Vyvažování v 1-2

rovinách Vstup pro síťové

připojení Užší frekvenčí pásmo

Komfortní Určeno i pro užití

jednorázové

USB 3.0 komunikace Větší display

Dostačující SW

zdarma 2 USB porty

Kontrola ložisek Lepší funkce

vibrometru

Detekce nesouososti Vektorový rozklad

nevývahy

Širší frekvenční

pásmo

Detekce mechanického uvolnění

Vnější původ

Možnost pozvání

experta z firmy

Je určeno spíše pro stroje v provozu

Vnější původ

Možnost komunikace

s PLC

Drahá návštěva experta do firmy Možnost dokoupit

SW moduly jednotlivě

(28)

30

4. Návrh pracoviště pro měření kartáčů

4.1 Návrh vhodného měřícího rámu Kartáč a jeho uchycení

Válcovité kartáče slouží k mytí skla pomocí vysokých otáček. Ocelové válce osazené polyamidovými štětinami jsou roztáčeny pomocí asynchronního motoru. Válcovitých kartáčů se ve firmě používá několik a každý má jiné rozměry (viz Tabulka 5). Pracovní otáčky kartáče jsou 900 ot/min.

Tabulka 6 - Typy válcovitých kartáčů a jejich rozměry

Používané válce ve firmě Benteler

Identifikační č. a [mm] L2 [mm] L1 [mm] L [mm] Štětiny [mm]

37668131 75 2900 2290 2270 0,30

37582728 50 4000 3440 3420 0,15

37489174 50 4000 3440 3420 0,30

37379577 75 4000 3390 3370 0,30

37349999 75 4000 3390 3370 0,15

37349930 75 4000 3390 3370 0,30

37331495 100 4120 3460 3440 0,30

37271297 60 4000 3420 3400 0,15

00209003 100 4000 3340 3320 0,40

00231757 100 4000 3340 3320 0,30

227477 100 4000 3340 3320 0,15

00192474 100 4000 3340 3320 0,20

00199892 100 4000 3340 3320 0,25

00182616 100 4000 3340 3320 0,30

Obrázek 13 - Rozměry válcovitých kartáčů k Tabulka 5

(29)

31 Uchycení kartáče

„Ze strany, kde se nachází motor, je hřídel válce uchycena na části zvané ložiskový domeček (modrá část), vůči které se měří změny pohybu a je držena v nehybné kovové konstrukci. Na konci hřídele je řemenice kartáče. Z druhé strany hřídel končí uchycením v domečku, který je opět držen kovovou konstrukcí (viz Obrázek 14)“ [8]

Obrázek 14 - Uchycení hřídele (ložiskový domeček) Charakteristické veličiny rámu

Válcový kartáč s identifikačním číslem 37349930 má rozměry (viz Tabulka 5) a váží 82 kg. S těmito informacemi je možné vypočítat kinetickou energii válce. Výpočet kinetické energie je zobrazen níže.

Vzorec pro výpočet kinetické energie rotujícího válce Ek [1]:

J = moment setrvačnosti 𝜔 = úhlová rychlost

Vzorec pro výpočet momentu setrvačnoti plného válce J [2]:

m = hmotnost válce

r = poloměr válce

Vzorec pro výpočet úhlové rychlosti 𝜔 [3]:

n = počet ot/min

d = průměr válce

Vásledný vzorec pak tedy je [4]:

[1] 𝐸

_𝑘

=

¹₂

𝐽𝜔

²

[2] 𝐽 =

¹

2

𝑚𝑟

²

[3] 𝜔 =

^𝜋𝑑𝑛

60

[4] 𝐸

_𝑘

=

¹

2

∗

¹

2

∗ 𝑚𝑟

²

∗ (

^𝜋𝑑𝑛

60

)

²

(30)

32

Po dosazení do vzorce [4]:

Výsledek:

Motor

Pro roztáčení hřídele se musí použít asynchronní motor, který funguje na napětí 230–400 V / 50 Hz a má dostatečný výkon, aby roztočil kartáč na pracovní rozsah otáček 700–1100 ot/min. Pracovní otáčky kartáče jsou 900 ot/min. Od strojních inženýrů ve firmě Benteler bylo zjištěno, že pro největší a nejtěžší kartáč (viz Tabulka 5) se používá motor s výkonem 1,1 kW.

Kraft&Dele - KD1810

Obrázek 15 - Asynchronní motor od firmy Kraft&Dele

Asynchronní motor KD1810 od firmy Kraft&Dele dosáhne výkonu 1,1 kW, napájení je 380 V / 50 Hz, hřídel dokáže roztočit až na 1400 ot/min, odebírá proud 2,7 A a má hmotnost 19 Kg.

𝐸

_𝑘

= 1 2 ∗ 1

2 ∗ 82 ∗ 0,065

²

∗ ( 𝜋 ∗ 0,13 ∗ 900

60 )

²

𝐸

_𝑘

= 3,25 𝐽

(31)

33 Rozvodná skříň

Rozvodná skříň byla vybrána od Firmy Ritall. Skříň je rozdělená na 3 části, 1. část je podstava celé skříně, 2. část je skříň s dveřmi, kam se montují veškeré komponenty, jako například frekvenční měnič, PLC, vstupní a výstupní moduly PLC, průmyslový počítač atd. 3. část je vršek skříně, který je lehce zkosený. Na tuto část se namontují start a stop tlačítko, emergency stop tlačítko, klávesnice, trackball, hmi panel atd. Na nezkosené horní části je umístěn LCD monitor (viz Obrázek 16).

Bezpečnost

Tato práce se řídí podle nařízení vlády č. 378/2001 Sb. (viz [9]), kterým se stanoví bližší požadavky na bezpečný provoz a používání strojů, technických zařízení, přístrojů a nářadí. Dále se řídí podle evropské směrnice o strojních zařízeních 2006/42/ES (viz [10]). Podle těchto nařízení a směrnic musí být zajištěné bezpečné pracovní podmínky. Například ovládácí zařízení musí být vybavena safety funkcemi, pohybující se části (kartáč, hřídel motoru a řemenice) musí být vně nebezpečného prostoru a nouzové zastavení s ovládacím panelem (v tomto případě rozvodnou skříní) mimo nebezpečný prostor. Podstava pro kartáč musí být dostatečně stabilní, aby se zamezilo rizikům uvolnění. V případě nečekaného uvolnění rotující se části, musí být rotující části vně ochranného krytu. Tyto kryty musí být snímatelné (magnetické snímače) se zajištěním, z důvodu častého přístupu ke stroji. Musí být také spojeny se zajišťovacím zařízením. V neposlední řadě by výstrahy stroje měly být znázorněny nálepkami a indikátory. Musí být dostupný návod k použití pro obsluhu stroje.

Tabulka 7 - Ceny motoru a rozvodné skříně

Položka Počet Cena [€] Cena [CZK]

Rozvodná skříň Ritall TopPult Spodní díl 1 409,70 10 308,05 TopPult Střední díl 1 401,35 10 097,97 Sokl pro TS, boční díly 1 17,68 444,83 Sokl pro TS, přední a zadní

díl 1 183,02 4 604,78

Motor

Kraft&Dele – KD1810 1 82,23 2 069,00

Všechny ostatní ceny použitých komponentů jsou sepsány v podrobném souhrném kusovníku (viz přílohy kapitola IV).

Ideový návrh

Kartáč se položí a uchytí na podstavu, následně se připevní k řemenici, která bude kartáč roztáčet za pomocí asynchronního motoru. Motor je připojen do rozvodné skříně spolu s magnetickými kontakty na ochranném krytu kartáče a světelnou signalizací, která se nachází v prostoru pracoviště (viz Obrázek 17). Snímače zrychlení se umístí na ložiskové domečky a pomocí kabelu se připojí k analyzátoru vibrací.

(32)

34

Obrázek 16 - Rozvodná skřín od firmy Ritall

(33)

35

Obrázek 17 - Ideový návrh pracoviště

(34)

36 4.2 Elektro a měřící výzbroj stroje

4.3 Možnost s PLC Řídící sytém

Obrázek 18 - SIMATIC S7-1500 F, CPU 1511F-1 PN od firmy Siemens (napravo) a ET200SP bezpečnostní modul pro digitální výstupy od firmy Siemens

Řídící systém SIMATIC 7–1500 s funkcí safety, slouží jako průmyslový digitální počítač pro automatizaci procesů v reálném čase. Firma Benteler je používá pro řízení robotů, strojů, celých montážních linek, nebo jakékoliv činnosti, která vyžaduje komplexní řízení. Je to počítač, ke kterému jsou připojeny další jednotky, které jsou spojeny s CPU. Je velmi robustní a je navržen tak, aby fungoval při vysokých teplotách, vibracích nebo elektrickém šumu. Systém byl vybrán od firmy Siemens, jelikož se tyto řídící systémy používají ve firmě Benteler. K danému CPU je nutné připojit další moduly pro digitální vstupy a analogové výstupy dle konkrétní aplikace. V tomto případě to jsou vstupní a výstupní moduly ET200 SP, které mají bezpečnostní prvky. Kvůli nařízení vlády č.378/2001 Sb [9] a evropské směrnice

2006/42/ES [10]

je zapotřebí vybrat PLC s funkcí Safety.

(35)

37 HMI panel

Obrázek 19 - SIMATIC HMI KP300 BASIC MONO PN od firmy Siemens

Ovládací panel Siemens HMI řady KP300 má display s rozlišením 240 x 80 pixelů. Na obrazovce se promítnou hodnoty aktuálního napětí, odebíraného proudu a počet otáček za minutu. Panel je vybaven deseti funkčními tlačítky, která jsou volně konfigurovatelná. Tato tlačítka se využijí pro výběr kartáče, který se bude proměřovat. Jednotlivým alarmům lze naprogramovat barvu podsvícení (zelená, žlutá, červená nebo bílá). Vstupní hodnotu proudu má 0,1 A a jmenovité stejnosměrné napětí 24 V.

Podporuje různé protokoly sítě Ethernet, včetně protokolu TCP/IP, který se v této práci používá pro komunikaci mezi PLC a HMI. Panel má využitelnou paměť 1 MB a jeho procesor je 32bitový typu RISC (Reduced Instruction Set Computer).

Frekvenční měnič

Obrázek 20 - SINAMICS G120 POWER MODULE PM240-2 (vlevo) a SINAMICS G120 CONTROL UNIT CU240E-2 PN (vpravo) od firmy Siemens

Frekvenční měnič se zkládá ze dvou částí. První část je power modul, který slouží k přeměně elektrického proudu s určitou frekvencí na elektrický proud s jinou frekvencí. Další výhodou frekvenčního měniče je plynulá regulace otáček asynchronního motoru, která se v této práci využije.

Druhou částí je kontrolní jednotka měniče Sinamics G120, která je komunikační a řídící centrum měniče.

Zajišťuje hladký běh řízení asynchronního motoru. Obsahuje zabudované bezpečnostní funkce, jako

(36)

38

například ST0 nebo SS1 pro bezpečné vypnutí kroutícího momentu. Tyto bezpečnostní vstupy budou připojeny do stejného obvodu jako je nouzové tlačítko zastavení. Více technických parametrů je uvedeno níže (viz Tabulka 8).

Tabulka 8 - Technické parametry power modulu a kontrolní jednotky frekvenčního měniče

SINAMICS G120 CONTROL UNIT

CU240E-2 PN

SINAMICS G120 POWER MODULE PM240-2

Digitální vstupy (DIN) 6 Síťové napětí 380..480 V

Digitální výstupy (DO) 3 Počet vstupních fází 3 Analogové vstupy

(AIN) 2 Počet výstupních fází 3

analogové výstupy

(AOUT) 2 Max. výstupní frekvence 550 Hz

Bezpečné digitální

vstupy (FSDI) 3 Max. výstupní napětí 400 V

Zabudované

bezpečnostní funkce (SIF)

STO, SS1, SLS, SSM, SDI

Jmenovitý výstupní proud

I2N 4,1 A

Vstup pro snímač

teploty motoru PTC/KTY Podporuje protokol pro

PROFINET IO ano

Řízení brzdy motoru Externí relé Podporuje protokol pro

EtherNet/IP ano

Komunikace port 1:

point-to-point PROFINET Podporuje protokol pro

PROFIsafe ano

Průmyslový počítač

Obrázek 21 - J1900 Cubic Box PC od firmy KINGDY

Průmyslový počítač je využit pro software od vybraného analyzátoru vibrací, který se musí do počítače nainstalovat. Požadavky průmyslového počítače k této práci je především kompatibilita s operačním systémem Win 7 a výše. Vstupy pro síťové připojení, USB port 3.0 pro rychlejší přenos dat z analyzátoru vibrací, USB porty pro připojení trackballu a klávesnice a vstup pro připojení LCD displaye. LCD display je použit 24“ full HD. Všechny tyto požadavky průmyslový počítač J1900 od firmy KINGDY splňuje.

(37)

39 Popis funkce

Tato možnost využívá programovatelný logický počítač neboli PLC spolu s frekvenčním měničem a HMI panelem. PLC řídí veškeré automatizované činnosti pracoviště, jako například roztáčení a zastavení motoru pomocí start a stop tlačítek, nouzového zastavení stroje pomocí emergency stop tlačítka nebo obsluhu světelné signalizace. Díky magnetickým spínačům na ochranném krytu kartáče umí PLC rozpoznat, zda je ochranný kryt otevřen nebo uzavřen. PLC je přímo spojené s HMI panelem, na kterém si obsluha stroje navolí, jaký druh kartáče bude měřit, pomocí tlačítek F1-F10. Na obrazovce panelu jsou zobrazeny aktuální hodnoty napětí, odebíraného proudu a počet otáček za minutu. Ke každému druhu kartáče je možnost nastavit jiné pracovní rozsahy otáček, za pomoci programu nahraném v PLC.

Všechny tyto vstupy a výstupy jsou připojeny k I/O modulům programovatelného logického počítače.

Vybraný analyzátor vibrací naměří hodnoty a pomocí USB 3.0 komunikace tyto hodnoty nahraje do průmyslového počítače. Na průmyslovém počítači je nainstalován software od vybraného analyzátoru vibrací, který poskytuje veškeré potřebné informace o nevyváženosti kartáče, vibracích, přítomnosti nesouososti, stavu ložisek nebo vykreslí FFT spektrum atd.

Zapojení

Zapojení této možnosti je podrobně vypracováno ve zvoleném softwaru Eplan P8 (viz přílohy kapitola 0). Při instalaci elektronických zařízení je nutné dodržet elektrickou normu na pracovní stroje ČSN 60204-1 ed.3, Část 1: Obecné požadavky. Norma se zabývá bezpečností strojních zařízení a elektrických zařízení strojů [11].

(38)

40

Tabulka 9 - Ceny jednotlivých komponentů pro metodu s využitím PLC a HMI panelu

Položka Počet Cena [€] Cena [CZK]

PLC a jeho vybavení

ET 200SP, DI 8x 24 V DC ST, PU

1

1 41,41 1 041,84

ET 200SP, DQ 8x 24 V DC/0,5A

ST, PU 1

1 53,67 1 350,39

ET 200SP, EL-MOD., F-DI

8X24VDC HF

1 191,32 4 813,50

ET 200SP, EL-MOD., F-DQ

4XDC 24 V/2 A

1 221,57 5 574,82

ET 200SP, IM155-6PN ST INCL.

BA 2XRJ45

1 246,84 6 210,58

BASEUNIT TYPE A0, BU15-

P16+A0+2B

3 37,28 938,07

BASEUNIT TYPE A0, BU15-

P16+A0+2D

1 21,94 552,05

CPU 1511F-1PN, 225KB prog,

1MB data

1 893,71 22 485,86

SIMATIC S7, memory card for

S7-1x 00 CPU/SINAMICS, 3, 3 V Flash, 4 MB

1 44,81 1 127,48

Frekvenční měnič

SINAMICS PM240-2 IP20-FSA-

A-400V-1,5KW

1 298,96 7 521,87

SINAMICS G120

1 303,64 7 639,48

SINAMICS G120 BASIC

OPERATOR PANEL BOP-2

1 28,75 723,27

SINAMICS G120 IOP/BOP-2

DOOR MOUNT KIT

1 23,00 578,69

SINAMICS G120 Shield

connection kit 3

1 11,27 283,64

SIMATIC NET, IE FC TP kabel

GP 2X2 (Profinet Typ A)

4 6,16 154,96

PC J1900 Cubic Box PC + vybavení

1 488,87 12 300,00

HMI SIMATIC HMI KP300 BASIC

MONO PN

1 169,32 4 260,05

(39)

41 4.4 Možnost s FM bez PLC

Frekvenční měnič

Frekvenční měnič byl použit stejný jako u předchozí varianty. V tomto případě bude ale řídit provoz stroje sám bez PLC. Na jeden z jeho digitálních výstupů je připojen ovládací panel (viz Obrázek 22), který bude namísto HMI panelu zobrazovat aktuální hodnoty napětí, odebíraného proudu a počet otáček za minutu.

Obrázek 22 - SINAMICS G120 BASIC OPERATOR PANEL (BOP-2) od firmy Siemens

Průmyslový počítač spolu s LCD displayem byly použity jako u předchozí varianty a slouží ke stejnému účelu (viz Obrázek 21).

Popis funkce

V této variantě zapojení se používá pouze frekvenční měnič spolu s průmyslovým počítačem.

Frekvenční měnič reguluje chod asynchronního motoru na žádané otáčky, které si nastavíme pomocí binárních vstupů frekvenčního měniče. Frekvenční měnič má binární vstupy, jejichž kombinací lze přepínat mezi předem nastavenými otáčkami, které pokryjí předem určené pracovní pásmo vloženého kartáče. Požadované otáčky se nastavují pomocí parametrů frekvenčního měniče. Mezi jednotlivými rychlostmi je možné také přepínat pomocí šipek na ovládacím panelu frekvenčního měniče (viz Obrázek 22). Ovládací panel nejen umožňuje přepínat mezi rychlostmi otáčení, ale také je zobrazuje spolu s aktuální hodnotou napětí a odběrem proudu. Na digitální vstupy a výstupy frekvenčního měniče se připojí i ostatní ovládací prvky, jako například start a stop tlačítko pro uvedení stroje do chodu nebo jeho zastavení. Tlačítko pro nouzové zastavení je připojeno na stejný obvod jako bezpečnostní funkce frekvenčního měniče (ST0 a SS1). Tyto funkce pomáhají k bezpečnému zastavení rotujícího stroje.

K frekvenčnímu měniči je připojena i světelná signalizace, která informuje o provozních stavech

(40)

42

frekvenčního měniče, jako je například nouzový stop (červená) nebo chod (zelená). Magnetické bezpečnostní spínače na ochranném krytu jsou zapojeny ve stejném bezpečnostním obvodu jako stop tlačítko, takže v případě nepovoleného otevření krytu v průběhu měření bude stroj bezpečně zastaven.

Vybraný analyzátor vibrací naměří hodnoty a pomocí USB 3.0 komunikace tyto hodnoty nahraje do průmyslového počítače. Na průmyslovém počítači je nainstalován software od vybraného analyzátoru vibrací, který poskytuje veškeré potřebné informace o nevyváženosti kartáče, vibracích, přítomnosti nesouososti, stavu ložisek nebo vykreslí FFT spektrum atd.

Zapojení

Zapojení této možnosti je podrobně vypracováno ve zvoleném softwaru Eplan P8 (viz přílohy kapitola II) Při instalaci elektronických zařízení je nutné dodržet elektrickou normu na pracovní stroje ČSN 60204-1 ed.3, Část 1: Obecné požadavky. Norma se zabývá bezpečností strojních zařízení a elektrických zařízení strojů [11].

Tabulka 10 - Ceny jednotlivých komponentů pro metodu s využitím pouze frekvenčního měniče

Položka Počet Cena [€] Cena [CZK]

A-400V-1,5KW

1 298,96 7 521,87

SINAMICS G120

1 303,64 7 639,48

SINAMICS G120 BASIC

1 28,75 723,27

DOOR MOUNT KIT

1 23,00 578,69

connection kit 3

1 11,27 283,64

4 6,16 154,96

1 488,87 12 300,00

(41)

43

4.5 Možnost s PC, komunikačními a I/O moduly od firmy WAGO Frekvenční měnič

Frekvenční měnič se použije stejný jako u předchozí varianty. Na jeden z jeho digitálních výstupů je připojen ovládací panel (viz Obrázek 22), který bude namísto HMI panelu zobrazovat aktuální hodnoty napětí, odebíraného proudu a počet otáček za minutu.

Průmyslový počítač spolu s LCD displayem jsou stejné jako u předchozí varianty (viz Obrázek 21).

V této metodě se průmyslový počítač použije nejen pro nainstalování softwaru od analyzátoru vibrací, ale také pro řízení celého automatizovaného procesu. Také budou zobrazeny aktuální hodnoty napětí, odebíraného proudu i rychlost otáčení na LCD displayi.

Komunikační modul

Obrázek 23 - Komunikační modul pro Ethernet 750-352 od firmy WAGO (vlevo) a I/O modul pro digitální vstupy od firmy WAGO (vpravo)

Komunikační modul slouží pro komunikaci mezi I/O moduly a průmyslovým počítačem (X1).

Komunikace je řešena přes Ethernet a musí obsahovat protokol Modbus, který slouží ke čtení a nastavování všech vstupů a výstupů na I/O modulech pomocí průmyslového počítače. Druhý vstup (X2) slouží pro připojení frekvenčního měniče, který reguluje otáčky kartáče.

(42)

44 Popis funkce

V této variantě se používá k řízení automatizovaného procesu průmyslový počítač, který pomocí softwaru CODESYS V2 dokáže naprogramovat chování veškerých vstupů a výstupů. Tyto vstupy a výstupy jsou pomocí I/O modulů připojeny ke komunikačního modulu, a ten je spojen jak s frekvenčním měničem, tak s průmyslovým počítačem. Komunikační modul funguje přes komunikaci Ethernet a obsahuje protokol Modbus. Tento protokol zajišťuje čtení a nastavování všech vstupů a výstupů. Frekvenční měnič jako u předchozích variant reguluje chod asynchronního motoru na regulované otáčky. Tyto žádané otáčky si nastaví v softwaru CODESYS V2 pomocí průmyslového počítače. Informace o aktuálních otáčkách jsou zobrazeny jak na průmyslovém počítači, tak i na ovládacím panelu frekvenčního měniče. Veškeré vstupy a výstupy, jako je například světelná signalizace, start a stop tlačítko nebo tlačítko pro nouzové zastavení spolu s magnetickými snímači na ochranném krytu jsou připojeny k I/O modulům od firmy WAGO. Na průmyslovém počítači je možno vybrat jaký druh kartáče se bude měřit, stejně jako u první varianty s použitím HMI panelu a PLC.

Tabulka 11 - Ceny jednotlivých komponentů pro metodu s využitím PC a komunikačního modulu

Položka Počet Cena [€] Cena [CZK]

A-400V-1,5KW

1 298,96 7 521,87

SINAMICS G120

1 303,64 7 639,48

SINAMICS G120 BASIC

1 28,75 723,27

DOOR MOUNT KIT

1 23,00 578,69

connection kit 3

1 11,27 283,64

4 6,16 154,96

1 488,87 12 300,00

WAGO

8-channel digital input; 24 VDC; 3

ms

1 41,41 1 041,84

8-channel digital output; 24 VDC;

3 ms

1 53,67 1 350,39

4-channel digital input; 24 VDC; 3

ms

1 27,12 682,37

4-channel digital output; 24 VDC;

3 ms

1 26,19 658,89

Komunikační modul pro Ethernet

750-352, Modbus