Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar Automatizálási és Infokommunikációs Intézet 3515 Miskolc-Egyetemváros Tervezési feladat VLRFQA Villamosmérnöki szak GEVAU128M, Diplomamunka II. A tervezés tárgyköre: Automatizálás A feladat címe: Présgép átalakítása PLC és mikrovezérlő alkalmazásával A feladat részletezése (4-5 pontban): 1. Foglalja össze a rendszerrel szemben támasztott követelményeket! 2. Válassza ki a szükséges érzékelőket és beavatkozókat! 3. Mutassa be a kiválasztott PLC-t, mikrovezérlőt! 4. Tervezze meg és készítse el a rendszert! Tervezésvezető(k): Dr. Trohák Attila Konzulens(ek): Csukás Géza Rémiás Lilla Forgács Zsófia Kiss Dávid Miskolc, 2017.10.16. Tervezésvezető
MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR Automatizálási és Infokommunikációs Intézet Folyamatirányítási és ipari kommunikációs rendszerek szakirány Présgép átalakítása PLC és mikrovezérlő alkalmazásával Diplomamunka VLRFQA Témavezető: Dr. Trohák Attila Konzulens: Csukás Géza Rémiás Lilla Forgács Zsófia Kiss Dávid Miskolc, 2017.12.15. 2
Eredetiségi nyilatkozat Alulírott (neptun kód: VLRFQA ) a Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Karának végzős villamosmérnök szakos hallgatója ezennel büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában nyilatkozom és aláírásommal igazolom, hogy a Présgép átalakítása PLC és mikrovezérlő alkalmazásával című diplomamunkám saját, önálló munkám; az abban hivatkozott szakirodalom felhasználása a forráskezelés szabályi szerint történt. Tudomásul veszem, hogy plágiumnak számít: - szószerinti idézet közlése idézőjel és hivatkozás megjelölése nélkül; - tartalmi idézet hivatkozás megjelölése nélkül; - más publikált gondolatainak saját gondolatként való feltüntetése. Alulírott kijelentem, hogy a plágium fogalmát megismertem, és tudomásul veszem, hogy plágium esetén a diplomamunkám visszavonásra kerül. Miskolc, 2018.01.02. Hallgató aláírása 3
Tartalomjegyzék Eredetiségi nyilatkozat... 3 Tartalomjegyzék... 4 Bevezetés... 6 1. Feladat bemutatása... 7 1.1 A vulkanizálás folyamata... 7 1.2. A feladat... 8 2. Rendelkezésre álló eszközök... 10 2.1. McNEIL AKRON BAG-O-MATIC REPIQUET... 10 3. A rendszerrel szemben támasztott követelmények és az ezeket kielégítő eszközök kiválasztása:... 14 3.1. A rendszerrel szemben támasztott követelmények... 14 3.2. SIEMENS LOGO!... 15 3.3. ARDUINO NANO... 17 4. Mérési feladatok... 18 4.1. Előzetes mérések... 18 4.2. Mérési feladatok folyamat közben... 22 4.2.1. Lehetséges eljárások az aszimmetria kimutatása... 22 4.2.1.1. Megoldások erőmérésre és azok elméleti hátterei... 24 4.2.1.1.1. Piezoelektromos érzékelők... 24 4.2.1.1.2. Magnetoelasztikus mérés... 26 4.2.1.1.3. Nyúlásmérő bélyeg... 30 4.2.1.2. Megoldások távolságmérésre és azok elméleti hátterei... 34 4.2.1.2.1. Ultrahangos távolságmérés... 34 4.2.1.2.2. Lézeres távolságmérés... 35 4.2.2. A számításba vett lehetőségek az aszimmetria kimutatására... 37 4.2.2.1. Erőmérés piezoelektromos cellával... 37 4.2.2.2. Erőmérés nyúlásmérő bélyeggel... 39 4.2.2.3. Optikai távolságmérés... 42 4.2.3. Lehetséges megoldások hőmérsékletmérésre... 47 4.2.3.1. Termoelem... 47 4.2.3.2. Ellenállás hőmérő... 49 4.2.4. A kiválasztott módszer a hőmérséklet mérésére... 51 4
5. Megvalósítás... 52 5.1. A folyamat irányításának megvalósítása... 52 5.1.1. Bemenetek... 53 5.1.2. Kimenetek... 54 5.1.3. Az aszimmetria kimutatása... 55 5.1.4. Alaphelyzet... 56 5.1.5. Folyamatban... 56 5.1.6. Préselés... 57 5.1.7. Szellőztetés... 57 5.1.8. Kimenetek vezérlése... 59 5.1.9 Beállítási lehetőségek... 60 5.1.10. Képernyő képek... 62 5.2. A hőmérsékletmérés és -szabályozás megvalósítása... 64 5.2.1. A programkód... 66 Összefoglaló... 76 Summary... 77 Köszönetnyilvánítás... 78 Irodalomjegyzék... 79 Ábrajegyzék... 80 Mellékletek... 82 1.sz. melléklet: A programkód... 82 5
Bevezetés Dolgozatomat témájának egy egyéni témát választottam, amely szerint egy régebbi, jelenleg működésképtelen McNEIL AKRON BAG-O-MATIC által gyártott REPIQUET típusú présgép üzembe helyezéséről és részleges automatizálásáról fogok írni. Azért csak részleges automatizálásról, mert a rendelkezésre álló SIEMENS gyártmányú LOGO! programozható relé is egy régebbi változat, erőforrásai korlátozottak. A dolgozat elkészülése közben számos nehézségre számítok már most, mivel a gép számos átalakításon esett át még a vásárlás előtt, és a vállalkozó nem kapott hozzá semmiféle dokumentációt, és sajnos egyszerűen a gép kora is problémát jelenthet amiatt, hogy manapság már nincs gyártásban, így az interneten sincs bővebb adatlap vagy leírás róla. A SIEMENS LOGO! ugyan alkalmazásban még több helyen jelen van, azonban az oktatásból már kikopott. Ez egy egyszerűbb PLC, számítási kapacitása és memóriája is csekély, valamint analóg bemenete is csak néhány van, ennek ellenére mégis nagyon sok alkalmazásban képes megállni a helyét. Amikor a dolgozat elkészül, reményeim szerint a gép képes lesz ellátni feladatát, amit a vállalkozó határoz meg az alkalmazásnak megfelelően, miszerint a prés - működése során képes lesz gumiipari termékek előállítására és akár acél testre történő meghatározott vastagságú és minőségű gumiréteg vulkanizálására. 6
1. Feladat bemutatása 1.1 A vulkanizálás folyamata A gumi előállításához a következő anyagokra van szükség: kaucsuk, amely a rugalmas viselkedés hordozója térhálósító anyagok, amelyek a képlékeny kaucsukból térhálós szerkezetű, rugalmas anyagot alakítanak ki (ide soroljuk a vulkanizáló szereket, a vulkanizálás folyamatát gyorsító anyagokat, valamint aktívátorokat) E két anyagcsoport a gumi előállításának nélkülözhetetlen alkotója. További anyagok, amelyek szintén szükségesek: töltőanyagok és lágyítók: a keverék technológia tulajdonságát és a gumi műszaki jellemzőit, valamint az árát alakítják kedvezően öregedés gátlók: a termék élettartamát növelik egyéb adalék és segédanyagok (tapadásfokozók, lángvédők, hajtóanyagok stb.) [1.] Vulkanizáló szerek: A vulkanizáló szerek az elasztomerek térhálósítási folyamatában résztvevő, térhálót kialakító anyagok, amelyek segítségével a plasztikus kacsukból elasztikus gumit kapunk. A vulkanizáló szerek főbb csoportjai a következők: kén kéndonorok fémoxidok szerves vegyületek peroxidok A felsoroltak közül a kénnel történő vulkanizálás legelterjedtebb. A kénes vulkanizálás korszerű, szerves gyorsítással és aktívátorokkal kombinált formában általánosan elterjedt, megfelelő összetételű keverékekben technológiailag igen hajlékony és 7
előnyös, jó műszaki tulajdonságú gumit ad és nagyon gazdaságos, mivel a kén a legolcsóbb gumiipari adalékanyagok közé tartozik. [1.] Egyszerűen fogalmazva az alapanyagok összekeverése után kapott nyersgumi, ami még lágy és képlékeny, a vulkanizálás után kapja meg a hétköznapi értelemben vett gumi tulajdonságait. 1.2. A feladat A vulkanizálási eljárások egyik típusa a présben történő vulkanizálás. Ez azt jelenti, hogy van két egymással szemben álló présszerszám, amelyek belső felülete az előállítani kívánt termék alakját formázza. Ezeket a formákat valamilyen hevítő eljárással fűtik. Ez az adott gép esetében eredetileg gőz volt, és most elektromos ellenállásfűtéssel lesz megvalósítva, de lehetne például induktív fűtés is. Természetesen gazdaságossági szempontból az egyszerű fűtőszálas ellenállásfűtés az ideális. Ezt olcsó előállítani, beszerezni, beszerelni és üzemeltetni. Valamint a vezérlése sem igényel nagy pontosságot vagy bonyolult szabályozási eljárásokat. A gőzzel való fűtéshez elengedhetetlen további berendezések létesítése a technológiához szükséges gőz előállítására, ezután csővezetékekkel kell a gőzt a gépig eljuttatni és még rengeteg csővezetékkel kell a gépet is felszerelni, ami jelentősen növeli a gép súlyát és mozgási képességeit, továbbá bonyolultságát és költségét is, valamint a személyzet munkáját és közlekedését is akadályozhatja. Egy ilyen rendszer vezérlése is nagyon összetett lenne, mivel amellett, hogy szelepek egész hadát kellene irányítani, a költségek minimalizálása érdekében a gőzt előállító berendezést is vezérelni kellene. Az indukciós fűtés beszerzése és megvalósítása nagyon költséges lenne, és a vezérlésére is viszonylag bonyolult, az összetett szabályozási algoritmusok mellet analóg modulációs eljárásokat is tartalmazó megoldás volna szükséges. Továbbá az elektromágneses zajok miatt elengedhetetlen lenne árnyékolás alkalmazása a vezérlések és mérések pontosságának védelme érdekében. Miután a formák elérték a folyamathoz szükséges hőmérsékletet, behelyezik a nyersgumit, és összezáródnak. A présgép szerszámai szorosan össze vannak zárva a folyamat alatt, ennek köszönhető a termékek egyenes és sima kontúrvonala. Ahogy a 8
szerszám két fele összezáródik, és a nyersgumi érintkezik a forró felületekkel, beindul a térhálósodás, ami kismértékű térfogatnövekedéssel jár. A préselési folyamat elején, amikor a térfogatnövekedés beindul, többször egymás után a szerszámot résnyire kinyitják, és azonnal visszazárják. Ezt szellőztetésnek hívják, és azért van rá szükség, hogy a termék és a forma közé szorultlevegő kiszökjön. Amíg a szerszám nyitva van, nem áll akadály a térfogatnövekedés útjában, így a termék minimálisan ugyan, de nagyobb lesz, mint a szerszámok belső térfogata. Amikor a forma visszazáródik, a térhálósodó anyagra nagy nyomóerőt gyakorol, és a termék visszaformálódik a kívánt méretre, de ekkor már apró buborékok nélkül felületén. Ez az eljárás szükséges a selejtgyártás elkerülése érdekében. Nemcsak a termék felülete javul miatta, hanem az termék anyagának a minősége is. A szellőztetés azonnal a vulkanizálási folyamat elején lezajlik, körülbelül az első egy percben megtörténik az összes nyitás-zárás együttes. A géppel nem csak egyféle terméket fognak gyártani, és a különböző termékek másmás formájúak lehetnek, és más-más anyagból készülhetnek. Ehhez igazodva a géphez több présszerszám fog készülni a megrendelt termékeknek megfelelően. A termék minőségi követelményeihez tudni kell alkalmazkodni, így tudni kell változtatni a vulkanizálódási folyamathoz biztosított hőmérsékletet és nyomóerőt az alapanyag összetételétől függően. Emiatt mérni kellene a nyomóerőt és a hőmérsékletet, valamint az időt, hogy ezek a hatások mennyi ideig érik a terméket. A nyomóerő tekintetében minden esetben teljesen mértékben ki lesz használva a gép teljesítő képessége, emiatt úgy tűnhet, hogy nem is igazán van értelme azt mérni. A gép szerkezete és működési mechanizmusa miatt mégis szükséges valamilyen mérés, ami a két szerszámpár közötti aszimmetriát képes érzékelni. Ha a két szerszámpár nem egyforma (a megengedhetőnél nagyobb eltérésű) nyomóerővel dolgozik, az szintén selejtgyártáshoz vezethet. Jelen esetben nem csak egy egyszerű vulkanizálás jöhet szóba. A vállalkozó olyan megrendeléseket is ki kíván elégíteni, amelyek fém felületre történő vulkanizálást is magukban foglalnak. Ez további megoldandó feladatokat jelent, hiszen a fémtestnek ugyanakkora hőmérsékletűnek kell lennie, mintasütőformáknak. Ehhez lehet hogy már valamilyen előmelegítő eljárás is szükséges a fémtestek előhevítésére, de a feladatom ezt már nem foglalja magában. Sajnos a PLC nem tud működés közben számítógéppel kommunikálni, így fizikailag kell kialakítani egy kezelőfelületet beavatkozási lehetőségekkel és visszajelzőkkel. 9
2. Rendelkezésre álló eszközök 2.1. McNEIL AKRON BAG-O-MATIC REPIQUET 1. ábra Egy McNEIL AKRON BAG-O-MATIC prés az eredeti gőzös szerszámfűtéssel. Az említett gép egy REPIQUET prés a McNELI AKRON BAG-O-MATIC palettájáról. Ezek a prések kivétel nélkül mind gumiipari alkalmazásra készültek, eredetileg gőzfűtésű szerszámokkal működtek, amiről azonnal belátható, hogy elavult, és nagy a karbantartás- illetve az alkatrész-igénye. Továbbá ha nincs földrajzilag elérhető távolságon belül olyan létesítmény, ami ipari célra hőenergiát (gőzt) szolgáltat, akkor meglehetősen bonyolult, helyigényes és nagyon költséges, főleg, ha külön épület létesítését igényli. 10
2. ábra A szerszámburkolat eltávolításának nyomai. Ehhez képest a dolgozatom tárgyát képző gép már több átalakításon esett át. Először is a gőzös fűtést lehetővé tevő burkolatot a szerszámról eltávolították, ennek a nyomai felfedezhetők a felső préslapok hátsó oldalán, valamint az ehhez tartozó összes gőzvezetéket is eltávolították. 11
3. ábra A présgép jelenlegi állapotában a gőzvezetékek és a szerszámburkolat nélkül. Mondanom sem kell, hogy ezzel az egész gép sokkal átláthatóbb és letisztultabb lett. Ennek ellenére a gépen még jelenleg is vannak olyan alkatrészek és csövek, amelyeknek tényleges funkciójuk már nincs, azonban a működést nem befolyásolják és nem akadályozzák. 12
4.ábra A présgép hajtására szolgáló villanymotor és mechanikai hajtáslánc. A gép erőforrása egy háromfázisú villamos motor, ami egy mechanikus hajtásláncon keresztül emeli fel illetve engedi le azt a felső keretet, amire a présszerszámok felső fele kapcsolódik majd. Sajnos a gépről koránál fogva semmiféle dokumentáció nem áll rendelkezésemre. 13
3. A rendszerrel szemben támasztott követelmények és az ezeket kielégítő eszközök kiválasztása: 3.1. A rendszerrel szemben támasztott követelmények A gép vezérlésének kialakításában a 3 fő szempont a következő volt: minél magasabb fokú automatizálás elérése minél kisebb költséggel minél egyszerűbben megvalósítva A vezérelt folyamat során irányítani kell a présformák fűtésének ki és bekapcsolódását. A préselés nem indulhat el mindaddig, amíg a szerszámok nincsenek felfűtve a kellő hőmérsékletre. A hőmérsékletnek tetszés szerint beállíthatónak kell lennie. A préselés elindulása után beállítható számú szellőztetésnek kell következnie, illetve a teljes préselési időnek is beállíthatónak kell lennie 10 és 40 perc között. A feladat megvalósításához a SIEMENS által gyártott LOGO! programozható relé családot választottam, mert a vállalkozó ilyen egységeket kapott a vásárolt gépekkel együtt. A feladat kezdetén úgy gondoltam, ezeket felhasználva fogom elkészíteni az új vezérlést. Ezek egyszerűbb PLC-k, Logikai modulnak is szokás nevezni őket. Ezek az eszközök számítógéppel működés közben kommunikálni nem tudnak, így kezelőfelület létrehozása is csak fizikailag kivitelezve lehetséges. Az alap egységek általában nyolc digitális bemenettel (INPUT 8xDC) és négy relés kimenettel (OUTPUT 4xRELAY/10A) rendelkeznek. Léteznek olyan modulok, amelyek tudnak néhány bemenetet analógként értelmezni, vagy akár mind a nyolcat, illetve olyan modulok, amelyek kimeneti tranzisztorral irányítottak. Természetesen az alapmodulokhoz különféle bővítő modulok is kaphatóak, digitális és analóg ki-és/vagy bemenetekkel egyaránt, így tulajdonképpen bármilyen konfigurációt előállíthatunk belőlük. Továbbá az ARDUINO mikrovezérlők közül a ARDUINO NANO-t. Az ARDUINO mikrovezérlők viszonylag könnyen kezelhető eszközök, ugyanis C nyelven programozhatóak, és mivel széles körben elérhetőek, nyíltan hozzáférhetőek hozzá különböző leírások és példaprogramok, és a fejlesztőkörnyezet is ingyenesen letölthető, így kézenfekvő megoldást jelentett. 14
3.2. SIEMENS LOGO! Azok a LOGO!-k, amelyeket a préssel együtt vásároltak, már régebbi típusúak olyannyira, hogy a verzióban hozzá illő programot nem tudtam futtatni. Az újabb szoftverrel ki tudtam olvastatni a bene levő programot, de az USB kapcsolatot nem ismerte, így programot beleírni nem tudtam, emiatt új Logikai modult kellett venni. Az új logikai modul kiválasztásakor a következő szempontokat kellett követni: az új modul a már meglévő USB kábelen keresztül programozható legyen az új modul a már meglévő szoftverrel programozható legyen az új modul rendelkezzen 2 analóg bemenettel a mérés miatt (későbbiekben részletesen) az új modul rendelkezzen kijelzővel a beállítási lehetőségek miatt az új modulban legyen valamilyen számláló Ezek alapján a SIEMENS LOGO! 12/24RC típusú modult választottam. 5.ábra A SIEMENS LOGO! 12/24RC processzormodul. 15
Ez a modul 12VDC illetve 24VDC tápellátással is működik. A régi tápegységek működőképesek, így új tápegységek vásárlására nem volt szükség. A modul nyolc bemenettel rendelkezik (INPUT 8xDC), amelyek közül négyet analóg bemenetként is értelmezni tud (I1, I2 = A I3, A I4 (0..10V); I7, I8 = A I1, A I2 (0..10V)). A feliraton ugyan 0..10V szerepel, de a programban minden szabványos analóg jelszint definiálható, úgy mint, 0..10V, 0..20mA illetve 4..20mA. A modul négy darab relés kimenettel rendelkezik (OUTPUT 4xRELAY/10A). Az egyes beállításokhoz, a könnyű kezelhetőség és visszajelzések, valamint a funkcióbillentyűk miatt egy HMI (Human Machine Interface) beépítése ajánlott. Ilyen eszköz kifejezetten a LOGO! logikai modulhoz is elérhető. 6. ábra SIEMENS LOGO! TD, a logikai modullal kompatibilis HMI eszköz 16
3.3. ARDUINO NANO Az ARDUINO NANO mikrovezérlő szintén USB-n keresztül programozható. Kompatibilitási problémákra minimális az esély. 5VDC tápfeszültséggel működik, amit USB-n keresztül is, és a megfelelő lábon keresztül is képes fogadni. Nyolc analóg és huszonkettő digitális lába van, ezek mindegyike GPIO (General-purpose input/output), vagyis mindegyik használható be- és kimenetként is, valamint az analóg lábak digitális be- és kimenetként is működhet. 7.ábra ARDUINO NANO mikrovezérlő. 17
S 0 = 40 mm * 260 mm = 10400 mm 2 (2) E = 210 N/mm 2 (3) 4. Mérési feladatok 4.1. Előzetes mérések A gépek még az előző tulajdonosuk alkalmazásában kiegészültek egy egyszerű méréssel, amellyel ezt a nyomóerőt próbálták megállapítani. Mindkét hajtókar kapott egy 20x20x95mm nagyságú rudat, aminek az egyik vége hajtókarhoz rögzített, a másik vége pedig egy keretbe van foglalva úgy, hogy az a mozgását ne akadályozza. A rúd fölött felfogatás van kiképezve indikátoróra számára. Ha a foglalatba behelyezünk egy mérőórát, majd a számlapját nulla állásba forgatjuk, és ezek után a prést összezárjuk, akkor a szerszámokat egymásnak feszítve a hajtókar megnyúlik, azonban a rúd mivel csak az egyik vége van rögzítve nem fog nyúlni, és ezt az eltérést a mutató elmozdulásából le is olvashatjuk. Ezzel az eljárással az indikátoróra pontosságától függően meg lehetett állapítani a hajtókar nyúlását a nyomóerő következtében. A mérést én is elvégeztem. Mivel a szerszámlapokat nem tudjuk tökéletesen egyformán beállítani, így mindkét oldalon többször is el kell végezni a mérést. A mérések során a préslapok közötti teret vas elemekkel töltötték ki. Az összezárások során 0,09 mm-től 0,12 mm-ig születtek eredmények, de jó közelítéssel mondhatjuk, hogy 0,1 mm volt az átlagos megnyúlása a hajtókaroknak. Ezt az értéket ismervén egy egyszerű szorzással kiszámítható, hogy mekkora nyomóerő eredményez ekkora megnyúlást. [2.] (1) Ahol F a nyomóerő, S 0 a hajtókar keresztmetszete, E az anyag rugalmassági modulusa ε m pedig a mért nyúlás. Acél esetében a rugalmassági modulus: ε 0 = 0,1 mm (4) 18
Ezek alapján F = 10400 * 210 * 0,1 = 218400N (5) m = F / g = 218400 / 9,822 22238,8 kg 22,24 t (6) Ha egy kevés mérési hibával kalkulálok a mérési eljárás durvasága miatt, akkor az azt jelenti, hogy nagyjából ± 1,5t lehet a hiba. A számítás eredménye egy hajtókarra vonatkozik tehát még meg kell szorozni kettővel, vagyis 22,24 * 2 = 44,48 ± 3 t nyomóerőre képes a gép. A vállalkozó állítása szerint a gép 50 t nyomóerőt képes kifejteni. 19
8. ábra A régi mérés maradványai a hajtókaron. 20
9. ábra Az indikátoróra felfogatása. 21
10. ábra Indikátoróra. 4.2. Mérési feladatok folyamat közben A présgép egy ciklusa során két fontos mérési feladatot kell ellátni: a két oldal közötti aszimmetriát kell kimutatni a fűtőlapok hőmérsékletének mérése Az aszimmetria kimutatására több elképzelés is született, ezeket a következő pontokban részletezem. 4.2.1. Lehetséges eljárások az aszimmetria kimutatása Az aszimmetria kimutatása a gép működése szempontjából lehet, hogy első hallásra nem is tűnik annyira fontosnak, de ha egy kicsit körbejárjuk a gondolatot, akkor kiderül, hogy ez nem igaz. Természetesen az elsőrendű ok az aszimmetria kimutatásának fontosságára az, hogy a gép ne gyártson selejtet. Ha a gép jobb és baloldali szerszámai nem egyformán dolgoznak, akkor a gyengébben préselő oldalon selejtes termék fog készülni. Ez annyira nem hangzik jól, mivel ebben az esetben az összes elkészült termék 50 %-a selejt. Bizonygatni sem kell, hogy ez nagyon rossz arány. Az erősebben préselő oldalon elvileg nem készül selejtes termék, sőt talán az ott készült termékek minősége a nagyobb nyomóerő miatt jobb is lesz, mintha a gép normál állapotban működne, de a 22
nagyobb erőhatás miatt az azon az oldalon lévő szerszámok jelentősen nagyobb ütemben fognak kopni. Még az is előfordulhat, hogy a gép mechanikai elemei olyan mértékű nem szimmetrikus erők veszik igénybe, hogy egy adott alkatrész maradandóan károsodik. Ahhoz, hogy ezt az aszimmetriát a rendszer képes legyen detektálni valamilyen olyan fizikai mennyiséget kell mérni, ami ha még közvetetten is, de egyértelmű összefüggésben van a két felső lap beállítása közötti különbséggel. Ezt többféle módon is mérhetjük. Léteznek olyan mérések, amelyek alap állapotban képesek megállapítani az aszimmetria mértékét, és olyanok is, amelyekkel a mérési eredmény produkálásához a szerszámokat össze kell zárni. Például egy erőméréssel csak akkor kapunk értelmezhető eredményt, ha a szerszámokat össze is zárjuk, mondjuk csinálunk egy üres, termék nélküli préselést, mert ha a szerszámokra nem hat erő, akkor a hajtókarokra nem hat semmilyen igénybevétel, ezáltal a hajtókarokon nem megy végbe alakváltozás, és így az erőmérő műszerek nem fognak releváns adatokat szolgáltatni. Ezzel szemben egy optikai vagy egy ultrahangos méréssel ezt a távolságkülönbséget anélkül meg tudjuk állapítani, hogy a gépet működésbe hoznánk és a szerszámok össze lennének zárva. Ugyanakkor valószínűleg mégis össze kell zárni azokat, mert nem tudhatjuk, hogy van-e annyi elmozdulási lehetőség a szerkezetben, vagy rés a szerkezet elemei között, hogy emiatt a nyitott állapotú mérés hiteltelenné válik. Természetesen egyéb, viszonylag speciális megoldások is léteznek hasonló mérések megvalósítására. 23
4.2.1.1. Megoldások erőmérésre és azok elméleti hátterei 4.2.1.1.1. Piezoelektromos érzékelők Ezeknek az érzékelőknek az alapelve, hogy bizonyos egyszerűbb szerkezetű kristályokban alakváltozás hatására töltéseloszlás változás következik be. Ez a töltéseloszlás változás nagyon-nagyon kicsi, de mérhető potenciálkülönbséget hoz létre az anyagban. Ha megfelelő kristályt választunk, akkor az elegendő pontosságú és megfelelő linearitású, arányos feszültségjelet fog szolgáltatni a rá ható erő miatt bekövetkezett alakváltozás során. Piezoelektromos érzékelők A piezoelektromos átalakítókkal megvalósítható dinamikus erőmérés szinte kizárólag α-kvarcból kialakított erőmérőkkel történik. Az anyagválasztás leglényegesebb oka a nagy linearitásban keresendő, amelyet nem zavarnak a piro- és ferroelektromos jelenségek. Emlékeztetőül: az α-kvarc piezoelektromos együtthatómátrixa A mátrix struktúrájából egyértelműen következik, hogy az erőmérőknél megvalósítható konstrukciós lehetőségeket is figyelembe véve csak a longitudinális és tranzverzális hatás alapján működő érzékelők kialakítására nyílik lehetőség. Szemben a gyorsulásmérőkben és mint látni fogjuk a nyomásmérőkben alkalmazott d26=-2d11 transzverzális csúsztató hatással, amely a súrlódóerő közvetítésével jön létre. Az erőmérők esetében ez nem járható megoldás. A fentiekhez társul még a kvarc rendkívüli nyomószilárdsága, nagy rugóállandója és a viszonylag nehéz megmunkálhatóságából következő egyszerű geometriai kialakítása. 24
Longitudinális esetben a hengerszimmetrikus gyűrűk és tárcsák a legelterjedtebbek. Villamos szempontból kiemelendő az igen nagy szigetelési ellenállása. A kvarcból készült erőmérők kialakításánál előnyösen lehet kihasználni az anizotróp piezoelektromos tulajdonságokat, ami viszonylag egyszerű konstrukciós megoldásokkal többkomponenses erőmérők kialakítását is lehetővé teszi. A piezoelektromos erőmérők működési frekvenciatartománya igazodik a mechanikai követelményekhez, amelyek értelmében a feldolgozandó erőjel alakhű átviteléhez a max. 10 13 khz-es felső határfrekvencia általában elegendő. Figyelembe véve az erőmérő kis geometriai méreteit, a dinamikus viselkedést modellező analóg helyettesítő képnek és a mechanikai viselkedést pontosabban leíró elosztott paraméterű tárgyalásmódnak a szerepe itt háttérbe szorul. Nem célunk a konstrukciós kérdések részletes tárgyalása, a továbbiakban csak olyan megoldásokat és rendszertechnikai kérdéseket vizsgálunk meg, amelyek segítenek megérteni a kvarckristályból kialakított egy- és többkomponenses erőmérők előállításának szempontjait. Szerkezeti felépítés Az 1. ábrán egy gyakran előforduló erőmérő szerkezeti felépítése látható. A felépítésének sajátosságai szoros kapcsolatban vannak a kvarckristály egyedi tulajdonságaiból fakadó sajátosságokkal: A minél homogénebb feszültségeloszlás eléréséhez speciális keresztmetszeti kialakítású, gyűrű alakú, terhelésátadó nyomóelem, Érzékenységnövelés és eredményesebb jelkivezetés eléréséhez 2 db mechanikailag sorba, villamosan párhuzamosan kötött, longitudinális hatás alapján működő mérőelem, Kizárólag nyomóerő mérésére alkalmas kivitel, Az ábrán 1-jelű alaplemez egyben a mechanikai védelmet is ellátó, a szerkezeti elemeket összeszorító hengeres palástban folytatódik. 25
(11. ábra) 1. ábra Kistler-gyártmányú, alátéttárcsa-formájú erőmérő szerkezeti felépítése 1) Körgyűrű formájú alaplemez 2) Körgyűrű formájú fedőlemez 3) 2 db villamosan szembefordított, gyűrű alakú, longitudinálismérőelem 4) Elektróda 5) Csatlakozó A hengeres védőpalást erősöntölő hatása miatt nem lehet 100%-ig elérni a d11=2,30 pcn -1 piezoelektromos együttható által maximált érzékenységet. Tipikus a 2 pcn -1 érték,ami az érzékelők villamos párhuzamos kapcsolása miatt megduplázódik. Az ábrán látható szerkezeti felépítés a néhány kn 1 MN tartományba eső erőmérőkre jellemző. Az erőmérők fontos adata a mérés közben bekövetkező deformáció, ami jelen esetben méréstartománytól függően 1 100 knμm -1 meredekségű. Az ábrán látható konstrukció az igen nagy több dekádot átfogó méréstartomány miatt többféle méretben készül, az átmérő 10 120 mm között változik. [3.] Röviden összefoglalva a piezoelektromos mérés nagy pontosságú mérés, ellenben viszonylag drága, dinamikus erőmérésre inkább alkalmas mind statikusra és a kristályszerkezettől függően korlátozott mértékben alkalmazható. 4.2.1.1.2. Magnetoelasztikus mérés Ezek az érzékelők tulajdonképpen meghatározott elrendezésben tekercselt speciális vasmagos transzformátorok, amelyekben az egyik tekercsre feszültséget kapcsolunk, a másik tekercsben pedig mérjük a feszültséget. Az eredményeket a vasmagra ható húzó vagy nyomó erő hatására bekövetkező alakváltozásból adódik. A vasmag deformálódása során a fluxusvonalak útja megváltozik, hosszabb vagy rövidebb lesz, és 26
a mért tekercsben kisebb vagy nagyobb feszültség fog indukálódni, mivel a mechanikai hatás következtében az anyagban a mágneses domének elfordulnak eredeti állapotukból. Erőmérés magnetoelasztikus érzékelő alkalmazásával Magnetoelasztikus érzékelőt is alkalmazhatunk erőmérésre. Az átalakító vasanyagában a terhelés hatására bekövetkező permeabilitás változás következtében induktivitás-, feszültség-, vagy áramváltozás a kimeneti jele. A ferromágneses anyagok kristályszerkezetén belül egyes atomcsoportok elemi mágnesként viselkednek. Ha ezek rendezett formában helyezkednek el és külső erővel deformáljuk a kristályszerkezetet, akkor az elemi mágnesek elfordulnak a rendezett helyzetükből és megváltozik az anyag mágneses tulajdonsága, a permeabilitása. Ez mágneses tulajdonság mérésével, például induktivitás méréssel kimutatható. Miután mechanikai feszültség nemcsak húzáskor, ill. nyomáskor lép fel, ezért megnetoelasztikus úton hajlító, nyíró és csavaró igénybevétel is mérhető. A magnetoelasztikus átalakítók kétfélék lehetnek: transzformátoros elven működő (pressduktor) és induktivitás megváltozásán alapulók. 12.ábra Magnetoelasztikus mérőelem felépítése. 27
A relatív permeabilitás anyagjellemző. Megmutatja, hogy az anyagban hányszor akkora indukciót hoz létre ugyanaz a térerősség mint vákuumban (levegőben). Pressduktor Transzformátoros kivitelű magnetoelasztikus erőmérő cella, másnéven pressduktor. Kiviteli szempontból terhelés nélkül olyan mint egy rosszul elkészített transzformátor, lemezelt vasmaggal. Ennek oka a primer és a szekunder tekercselések speciális merőleges elhelyezése a vasmagon. Terhelés hatására a vasmagban az indukcióvonalak torzulnak és a két tekercs közötti mágneses kapcsolat megváltozik. Mivel a két tekercs 90 -ban van egymással, ezért ez a változás csak javíthat az átvitelen, vagyis az eddigi nulla szekunder feszültség megnő. Legérzékenyebb a mérőcella akkor, ha a két tekercs egymással 90 -ot, és a mérendő erővel 45 -ot zár be. A magnetoelasztikus hatás a magnetostrikciós jelenség fordítottja. Lényege a következő: egy rendezett elemi mágneseket tartalmazó anyag permeabilitása adott. A kristályszerkezetre ható külső erő deformáló hatásának következményeképp az elemi mágnesek elfordulnak rendezett irányukból, ezzel megváltozik az anyag permeabilitása, ami villamos úton (induktivitás mérés) mérhető. Induktivitás megváltozásán alapuló magnetoelasztikus átalakító Az induktivitás megváltozásán alapuló magnetoelasztikus átalakítók általában tömör lágymágneses anyagból készült vasmagján a mérőtekercs mellett egy hőmérsékletkompenzáló tekercs is található. A ferromágneses vasmagtestet rendszerint ráhegesztik az erőhatást átvevő nyomólapokra. Az átalakító vázlatos rajza az ábrán látható. A mérő tekercs impedanciájának az erőhatással arányos változása mérhető az átalakító kimenetén. Nagy erők statikus és dinamikus mérésére alkalmas, túlterhelésre kevésbé érzékeny mérőcella készíthető belőle. 28
13.ábra Magnetoelasztikus transzformátoros átalakító. Külső mágneses tér hatására az elemi mágnesek igyekeznek a tér irányába fordulni, ami geometriai mértváltozással jár. Ez a magnetostrikció. Az elemi mágnesek tér irányába való beállása azt eredményezi, hogy a kristályszerkezet különböző kristálytani irányokban más és más mágneses tulajdonságúvá (permeabilitásúvá) válik. Az induktivitás megváltozásán alapuló magnetoelasztikus erőmérésnél alkalmazunk kompenzáló tekercset a vasmagon. A kompenzáló tekercset a mérőkörbe kapcsoljuk azzal a céllal hogy kompenzálja a hőmérsékletváltozás okozta impedanciaváltozást, ezáltal a kimeneti jelünk csak az erőhatástól fog függeni. [4.] A magnetoelasztikus mérések összetett és bonyolultmérések, az mérőeszközként szolgáló speciális vasmagos transzformátor kis mérete miatt mechanikailag érzékeny eszköz és elkészítése is drága. Hasonló elven működik az induktív erőmérés, azzal a különbséggel, hogy nem alkalmaznak benne gerjesztő tekercset. Csupán a vasmag deformációja (keresztmetszet és hosszváltozás) szolgáltatja a változó induktivitást. 29
14.ábra Induktív erőmérő. [5.] 4.2.1.1.3. Nyúlásmérő bélyeg Erőmérés nyúlásmérő bélyeg alkalmazásával Testre ható erőhatások a testben az erővel arányos deformációt okoznak. A nyúlásmérő bélyegek ezt a mechanikai deformációt alakítják át ellenállásváltozássá. Kialakítása: ellenálláshuzalt rögzítenek egy deformálódó szigetelő testre, amely a deformáció során megváltoztatja a hosszát és keresztmetszetét, azáltal megváltozik az ellenállása is. Az ellenálláshuzal készülhet fémből, vagy félvezetőből. A hatásos hossz növelése céljából a vezető szálat ú.n. meander-vonalban helyezik el a bélyegen. A bélyegeket különböző kivitelűre alakíthatják ki a mérési célhoz igazítva. A nyúlásmérő bélyegeket a vizsgálandó tárgy felületére ragasztással rögzítik, mérési pontosságát erősen befolyásolja a ragasztás minősége. Mérőbélyegek esetében a hőmérséklet okozta ellenállásváltozás is hibát okozhat. Ebből a szempontból a manganin alapú bélyegek a legkedvezőbbek, felvezető alapúak pedig a legkedvezőtlenebbek. [6.] Az ellenállásváltozáson alapuló szenzorok közé tartoznak a mechanikai feszültség, a megnyúlás érzékelésére konstruált nyúlásmérő bélyegek. Egy l hosszúságú és A keresztmetszetű vezető huzal elektromos ellenállása: (31) 30
ahol ρ a vezető anyagának fajlagos ellenállása. Ha a vezetőt a rugalmassági határon belül Δl-el megnyújtjuk, akkor a keresztmetszete ΔA-val csökken, és a fajlagos ellenállása is megváltozhat Δρ-val. A (31) egyenlet alapján látható, hogy az első két változás az ellenállás növekedését okozza. Ahhoz, hogy egy ilyen mérőhuzalból megfelelő szenzort készíthessünk, amely egy felület egy pontja körüli deformációt képes érzékelni, a méretet csökkenteni kell. A nyúlásmérő bélyeg eredeti formájában egy szigetelő lapra cikk-cakk alakzatban rögzített (felragasztott) elektromos vezetőből állt. Felületére a külső behatások megakadályozására egy védőréteget vittek fel. Felhasználása során a nyúlásmérő bélyeget az igénybe vett felület vizsgálandó pontjára ragasztják, és az elektromos csatlakozó lábakon keresztül egy, az ellenállásváltozást detektáló műszerhez kapcsolják. [7.] 15. ábra Nyúlásmérő bélyeg felépítése. [6.] Jelölje ΔR az említett alakváltozások hatására történő ellenállásváltozást. A (31) egyenlet alapján az R(ρ,l,A) függvényt Taylor-sorba fejtve és az elsőrendű tagokat megtartva a relatív ellenállásváltozásra azt kapjuk, hogy: A relatív megnyúlás (32) segítségével a keresztmetszet megváltozása is kifejezhető: (33) (34) 31
ahol μ a szilárd testek mechanikájából ismert Poisson-tényező. Így a (32) egyenlet alapján a relatív ellenállásváltozás: A fenti (35) egyenletben a Δρ-t tartalmazó tag a legtöbb esetben elhanyagolható. A (35) egyenlet gyakorlati számításoknak megfelelőbb alakja: (35) (36) ahol G az ún. bélyeg állandó (gauge factor). Manapság a modern nyúlásmérő bélyegek már nyomtatott áramköri technikával készülnek, ennek megfelelően nem vezető huzalokat, hanem vezető fóliákat (vékony rétegeket) tartalmaznak. A fémfóliás nyúlásmérő bélyegekre általában G 2 2,4. A fémfóliás nyúlásmérő bélyegek alapellenállása (deformáció nélküli ellenállás) R=120 Ω. Manapság egyre több nyúlásmérő bélyeg félvezető alapú (lásd [ 3.16. ábra ]). A p-típusú félvezetőt tartalmazó bélyegek esetén G +100...+200, míg n-típusú félvezetőt tartalmazó bélyegek esetén G 50... 100. A nyúlásmérő bélyegek szokásos hossza 1-50 mm. A nyúlásmérő bélyegek a mérési irányban nagyságrendekkel érzékenyebbek, mint az arra merőleges irányban. A bélyegeket olyan speciális ragasztókkal kell a vizsgált felülethez ragasztani, amelyek rugalmasak és kellően erősek ahhoz, hogy a felület deformációit átvigyék a bélyegre. [7.] Nyúlásmérő bélyeggel kialakított erőmérő cella Erőmérő cellát úgy készítenek nyúlásmérő bélyeggel, hogy egy rugalmas fémtest felületeire ragasztanak négy bélyeget úgy, hogy adott irányú erő hatására kettő ellenállása növekedjen, kettőé pedig csökkenjen. A mérőbélyegeket hídkapcsolásba kötik, az azonos irányú ellenállásváltozásúak (R1-R4, R2-R3) keresztirányú elemei a hídnak. Lásd ábra! Az aktív négy bélyegen kívül további kompenzáló bélyegek és beállító ellenállások találhatók a mérőcellában. Az erőmérő cella mérőtestének anyagával szemben komoly követelményeket támasztunk: kis hiszterézis, nagy rugalmassági modulus, nagy szakítószilárdság, minden irányban azonos hőtágulás, stb. Az erőmérő cellák kimenőjele tápfeszültség függő, ezért érzékenységüket 32
tápfeszültségre vonatkoztatva adják meg [(mv/v)/n], méréshatáruk igen széles tartományban változhat: 0,01N 1MN. [6.] 16. ábra Különböző nyúlásmérő bélyegek. [6.] A nyúlásmérő bélyeg egy fantasztikus eszköz. Felhasználása nagyon sokoldalú. A legtöbb mechanikai jelenség mérhető vele (nyomás, hajlítás, nyomaték, ütés, stb.). A mérésre használt test formai kialakításával és a bélyegek elrendezésével a mérés szempontjából irreleváns hatásokat majdnem teljesen ki lehet iktatni. Ezáltal nem szükséges sok hosszú és bonyolult jelfeldolgozási eljárás ezek kiszűrésére. Ha megfelelően választunk bélyeget, ami elviseli a magasabb feszültségeket, akkor még az elektromos és mágneses zavarvédelem is elhanyagolható. Érzékeny a hőmérsékletváltozásra, azonban ez teljes mértékben eliminálható a kompenzáló bélyegek alkalmazásával. Hátránya viszont, hogy a mérés nagyon érzékeny a tápfeszültség ingadozására, így speciális tápegységet igényel, illetve kifejezetten drága. 33
4.2.1.2. Megoldások távolságmérésre és azok elméleti hátterei Ebben a fejezetben csak fizikai kontaktust nem igénylő távolságméréseket fogok részletesebben tárgyalni. A távolságmérések ilyen fajtái esetében mindig valamilyen felületi reflexiót kihasználva egy kibocsátott jel visszaérkezését detektáljuk, és az eltelt idő függvényében, az csatorna anyagi minőségének és paramétereinek ismeretében állapíthatjuk meg számítással a távolságot. Ez a számítás manapság már nem papíron történő számolást jelent, hanem egy viszonylag gyors és manapság már egyszerűnek számító elektronikus feldolgozást. 4.2.1.2.1. Ultrahangos távolságmérés AZ ULTRAHANGOS TÁVOLSÁGMÉRÉS FOLYAMATA, A PULSE-ECHO MÓDSZER Az ultrahangos távolságmérés elmélete meglehetősen egyszerű. Az adó általában egy rövid ultrahang burst-öt ad ki. Amennyiben az ultrahang impulzusok (pulse) útjában egy tárgy található, akkor az ultrahang hullámok egy része reflektálódik róla, és ezt a visszhangot (echo) a vevő észlelheti. Az adás és a vétel között eltelt idő pontos mérésével(time-of-flight,tof) és ismerve az adott közegben a hang terjedési sebességét, a távolság a vevő és a tárgy között az 1.1 összefüggéssel számítható. Tehát a távolságmérést időméréssel valósítják meg. Az adó és a vevő egységeket kapszuláknak nevezzük. A kapszulák által kibocsátott hanghullámok frekvenciája 40kHz körüli érték, pontos értéke az eszközök leírásában olvasható. Az alapelvet az alábbi ábra illusztrálja[5]. (17. ábra) 1.1. ábra Távolságmérés a pulse-echo módszerrel. 34
Az ábra alapján a mért távolság az alábbiak szerint számítható ki: (1.1) Az előbbi összefüggésből jól látható, hogy a pontos távolságméréshez alapvetően két érték ismerete szükséges: a hang terjedési sebessége az adott közegben, és az adás és a vétel között eltelt idő. Az alábbiakban a hangsebesség[6] számításának részleteivel foglalkozunk. [8.] Ultrahangos mérés esetén az eredményt egy seregnyi körülmény befolyásolja, például ha a jel levegőben terjed, akkor a levegő összetétele, de még a hőmérséklete vagy a páratartalma is. Erről a megjelölt forrásban [8.] bővebben lehet olvasni. Ezzel együtt mondhatni egy elméletben viszonylag egyszerű, gyakorlatban pedig egy kicsit drága mérésről beszélhetünk. 4.2.1.2.2. Lézeres távolságmérés A lézeres távolságmérés alapjaiban nagyon hasonlít az ultrahangoshoz, mondhatni megegyezik, ugyanis mindkét esetben egy helyen van az adó ás az érzékelő is és mindkét esetben visszaverődő hullámokat detektálunk, és a kibocsátástól eltelt időt mérjük. Itt is igaz az előző fejezetben megjelent képlet egy apró változtatással, mivel itt már nem hangról, hanem fényről beszélünk. Eszerint az út egyenlő lesz a fénysebesség és az eltelt idő felének szorzatával. Ezek a mérések fizikailag elkészülnek különböző hullámhosszúságú fényt kibocsátó változatokban. 18.ábra Az elektromágneses hullámok spektruma. 35
Ez a típusú mérés rendkívül érzéketlen a külső zavarokra, így szinte bárhol alkalmazható. Hátránya, hogy a nagyobb pontosság elérése érdekében félvezetős érzékelőket alkalmaznak, és mivel ezek az érzékelők drágák, így maga a műszer is drága lesz. 36
4.2.2. A számításba vett lehetőségek az aszimmetria kimutatására 4.2.2.1. Erőmérés piezoelektromos cellával A nyomóerő megállapítására több lehetséges megoldás is felmerült. Az egyik lehetőség az volt, hogy egy egyedileg gyártott piezoérzékelős cellát süllyesztünk a prés alsó részén lévő furatba. A használni kívánt Logikai modul az analóg bemenetein látta volna el ezt a feladatot. Azért is lett volna előnyös ilyen mérést alkalmazni, mivel működési elvéből adódóan nem igényel külső tápellátást. Ugyanis, a piezo kristályokban alakváltozás hatására - így nyomás hatására is mérhető feszültségkülönbség keletkezik. 19. ábra A piezoérzékelős erőmérőcella lehetséges helye lett volna a prés alsó részén lévő két furat. Ezt a lehetőséget hamar elvetettük, ugyanis vulkanizálás közben a présforma a legkisebb mértékben sem mozdulhat el, különben selejtes termék készül. Tehát akkora erővel kell rögzíteni a prés alsó részéhez a szerszámokat, hogy az ellehetetlenítené a mérést. Másrészt valószínűleg nem lett volna lehetőség rá a prés belsejében, az alsó préslap alatt olyan stabil alátámasztást biztosító szerkezetet kiképezni, ami ellenáll ekkora nyomóerőnek. A gép alsó részében a hely is nagyon kicsi, és nehezen 37
hozzáférhető, így minden bizonnyal a gép szerkezetét kellett volna megbontani, akkor viszont a gépszerkezet statikai stabilitása romlott volna. Harmadrészt valószínűleg egyedi mérőcellát kellett volna készíttetni, ami bizonyára nagyon drága lett volna, és nem fért volna bele a költségekbe. 20.ábra A gép belseje az alsó préslapok alatt. 38
4.2.2.2. Erőmérés nyúlásmérő bélyeggel A másik lehetőség amit ki is választottunk a megvalósításhoz és később mégis elvetettük a nyúlásmérő bélyegek alkalmazása a következő módon. A hajtókarokra a régi méréshez hasonlóan rudakat rögzítünk, azonban a régi méréstől eltérően a rudak mindkét végét rögzítjük a hajtókarhoz. Erre azért van szükség, hogy a mérésre használt, minden paraméterét tekintve ismert rúd a hajtókarokkal együtt nyúljon. Ezek a rudak jó minőségű acélból készülnek, amelyre a műhelyben kialakítják a felfogatást. Ezeket a rudakat a Miskolci Egyetem Anyagtechnológiai és Anyagszerkezettani Intézet műhelyében hőkezelik. Ezután egy budapesti vállalat, a Kaliber Kft. fogja a rudakon a bélyegek helyét kialakítani, és azokat felragasztani, majd kalibrálni. A bélyegek a következő ábrán látható módon kerülnek fel a rúdra. 21. ábra A nyúlásmérő bélyegek kapcsolási rajza. Az R 1, R 2, R 3 és R 4 a rúdon körbehaladva egymás után lesznek elhelyezve, viszont a kapcsolásba kötve egymással szembe lesznek (az R 1 és az R 3, illetve az R 2 és az R 4 egmással szemközti oldalon). Erre azért van szükség, mert így a mérésből már a mérésen kívül kiküszöböljük a csavaró hatásokat, ezáltal a műszeren már csak a húzó igénybevételre utaló jelek jelennek meg. A jelenlegi mérés szempontjából a csavaró hatások jelei is zajnak számítanak. Az R k1, R k2, R k3 és R k4 bélyegek az úgynevezett kompeníáló bélyegek. Ezek a rúd egy olyan részén fognak helyet kapni, amelyik nincs nyúlással terhelve, így nem vesz részt a mérésben. A kompenzáló bélyegekel a hőmérsékleti hatásokat tudjuk semlegesíteni a mérésben, ami szintén zajként jelenne 39
meg a mérésben. Ezzel a két módszerrel máris sok zavaró tényezőtől szabadul meg a mérés. Amikor a mérőrudak felbélyegzése megtörtént, visszakerülnek Miskolcra, és szintén az Anyagtechnológiai és Anyagszerkezettani Intézet egy másik műhelyében szakítógépbe fogjuk, és fel tudjuk venni a rá jellemző karakterisztikát, mivel tudni fogjuk a szakítógép által, hogy éppen mekkora húzóerő hat a rúdra. Ezeket a rudakat a hajtókar élére kell rögzíteni úgy, hogy mindenféle elmozdulás nélkül a hajtókarral együtt nyúljon meg a terhelés hatására. 22. ábra A hajtókar egyszerű modellje. Ehhez konzolokat kell rögzíteni a hajtókarhoz, amely a következő ábrán látható. 40
23. ábra Konzol a mérőrudak hajtókarhoz való rögzítésére. A konzol kialakítása a következő. Szélessége pontosan megegyezik a hajtókar szélességével, a bemetszés pontosan akkora, hogy rés nélkül magába foglalja a rudakat. A foglaltban négy csavar fogja a rudat a helyén tartani. Mindkét oldalon két-két furatban két-két csavar. A csavarokat nyomatékkulcsal kell megfeszíteni, mindegyiknek azonos erővel kell tartania a rudat, hogy csökkentsük a csavaró hatásokat. A Kaliber Kft. műszereket is gyárt bélyeghidakhoz. Az egyik műszerük tökéletesen megfelel a jelenlegi feladatnak ugyanis stabil tápellátást biztosít a hídnak, kezeli a kompenzálást, tárát lehet rajta beállítani, és a kimeneten 0 V-tól 10 V-ig terjedő feszültségjelet szolgáltat, ami azért nagyon jó, mert pontosan ilyen jel fogadására képes az kiválasztott Logikai modul két erre használt analóg üzemben alkalmazott bemenete. Végül ezt a lehetőséget is elvetettük, mivel megkértem az árajánlatot, és várakozáson felül nagyon drága lett volna a megvalósítása. 41
4.2.2.3. Optikai távolságmérés Végső megoldásként az optikai távolságmérés mellettdöntöttünk, mivel a szóba jöhető mérések közül nagyjából ez az, ami biztosítja a kellő pontosságot amellett, hogy olcsó az előbb említett mérésekhez képest. 24. ábra A felső lapok és a tartószerkezet közötti mérendő távolság. Továbbá számos elektromos zavarra érzéketlen, tekintettel arra, hogy a mérés közelében nem elhanyagolható teljesítményű elektromos motorok üzemelnek. Ennek a mérésnek a keretében két eszköz kerül felszerelésre a gép felső, mozgó részére. A felső préslapok tartószerkezettől való távolságát kell mérni még az üzembe állítás előtt, hogy az eltérés a lehető legminimálisabb legyen. Ezt minden szeszámcsere után illetve bizonyos számú ciklus lefolyása után meg kell ismételni. Ehhez a méréshez egy BANNER gyártmányú LE250IQ típusú eszközt választottam. 42
25. ábra Az optikai mérésre kiválasztott eszköz (BANNER LE250IQ). 26.ábra A műszer típusjelzésének magyarázata. [9.] 43
Ez az eszköz megfelel az elvárásainknak, a következők szerint: elvárás LE250IQ mérési tartomány ~100..300 mm 100..1000 mm pontosság < 0,5 mm 0,37 mm tápfeszültség 24 VDC 12..30 VDC kimenet valamilyen szabványos 4..20 ma, 0..10 V analóg kimenet Az alkalmazott műszer lefedi azt a távolságtartományt, amin belül a prést állítani lehet. A pontosság szempontjából az elvárás eredetileg ±0,1 mm volt. de a műszer árát tekintve ez már igen drága lett volna, így kicsit engedni kellett a követlményből úgy, hogy a mérés még míndíg használható eredményt szolgáltasson. A ±0,37 mm-es mérési hiba a mérések ismétlésével a szükségeshez mérten még kielégítő eredményt produkál. Továbbá a műszer ismételt mérésre vonatkozó hibája és hőmérsékleti hatásokból adódó hibája a használt tartományon megfelelően kicsi. Ez elfogadható, tekintve, hogy egy adott szerszámmal még a gyártás megkezdése előtt több zárást is végrehajtanak a géppel üresen, hogy beállítsák a szerszámok távolságát. 44
27. ábra A műszer mérési hibája. [9.] 28. ábra A műszer hőmérsékleti hibája. [9.] 29. ábra A műszer ismétlési hibája. [9.] 45
A mérés folyamatát tekintve a műszer künönböző előre megírt funkciókkal rendelkezik, ebből az alábbi ábrán láthatóra lesz szükség. 30. ábra A alkalmazott mérési funkció [9.] Jelen esetben mérés közben annyi eltérés lesz az ábrához képest, hogy ahogy egyre nagyobb és nagyobb erővel fognak a szerszámok összenyomódni,elvileg úgy egyre alacsonyabb jelet fogunk kapni. Tehát a mérés az ábrán látható módon fog történni, de a jel csak csökkennifog, növekedni nem. Terveim szerint a műszerek tápellátásukat a LOGO! tápegységéről fogják kapni, ami 24 VDC kimenettel rendelkezik és mivel a műszerek 12..30 VDC feszültséggel tudnak üzemelni, így ez éppen meglfelelő. A műszereket 4..20 ma-es analóg kimenettel fogom beállítani, mivel ez működési elvéből adódóan egy hibadatektálási lehetőséget biztosít, valamint ezt a LOGO! is előzetes feldolgozás nélkül képes fogadni. A műszerek rögzítése még a megvalósítás során fog tisztázódni, ami biztos, az az, hogy nem a présszerszámok felfogatására használt karokon, hanem a felső tartószerkezeten lesznek elhelyezve. 46
4.2.3. Lehetséges megoldások hőmérsékletmérésre A folyamat közben elengedhetetlen a hőmérséklet változásának nyomon követése. Ez azért ennyire fontos, mert a különböző összetételű gumikeverékeket mind más-más hőmérsékleten kell vulkanizálni, és ettől a főmérséklettől csak kis mértékben lehet eltérni. Hőmérséklet mérésére több lehetőség is az ipar rendelkezésére áll manapság, azonban ezek nagyon változatos körülmények között használhatóak jól. Például egy optikai hőmérsékletmérést akkor célszerű alkalmazni, ha sok különálló ponton akarom ismerni a pontos értéket, de elegendő egyetlen eredmény, nem kell folyamatosan mérni. Mondjuk egy szállítószalagon érkező termékek esetében, ahol a sok különálló pont sorban érkezik, és mindegyiket csak ellenőrzésszerűen kell megmérnem. Ekkor kézenfekvő megoldást jelent az optikai mérés, mivel csak a szalag fölé kell rögzíteni. Ezzel ellentétben, ha csak egyetlen pont vagy tárgy hőmérsékletét akarom ismerni, akkor léteznek sokkal egyszerűbb és olcsó megoldások. Úgy is mondhatnám, hogy ha csak egy pontban akarok mérni, de ott nem csak ellenőrzés szerűen, hanem folyamatosan úgy, hogy annak az eredménye szabályozásra felhasználható legyen, akkor nem csak lehetőség van az optikai mérés helyett másat választani, hanem akkor másat kell választani. Ilyen mérésre kiválóan alkalmas egy ellenállás hőmérőn alapuló vagy egy termoelemmel működő hőmérsékletmérés. Adott feladat miatt az optikai mérés elméletét nem is részletezném, mivel jelen körülmények közötti felhasználásra szerintem alkalmatlan és fölöslegesen drága és bonyolult megoldást jelentene. 4.2.3.1. Termoelem Egy termoelem lényegében különböző anyagból készült fém huzalok soros kapcsolása, és az érintkezési pontot hűtve vagy melegít a huzalok másik vége között nagyon kismértékű feszültségkülönbség mérhető. Az összeillesztési pont környezetében, a vezetékek szabad végéhez képesti hőmérsékletváltozás elektromotoros erőt gerjeszt, mely jelenséget Seebeck effektus néven ismerjük fizikai tanulmányainkból. A vezetékek szabad vége közt keletkező potenciálkülönbség a termikus elektromotoros erő (TEMF). A melegpont hőmérsékletének emelkedésével a keletkező potenciálkülönbség növekszik, és bár ez a változás nemlineáris, a hőmérsékletérzékelés feszültségméréssel megoldható. 47
A termoelem, illetve a számos termoelem sorba kapcsolásával létrehozott halmaz, angol nevén a thermopile hőmérsékletszenzorok tehát a Seebeck effektus alapján működnek és alkalmasak két eltérő hőmérsékletű közeg közti differenciális hőérzékelésre. A hidegpont referencia hőmérsékleten való tartásával (pl. 0 oc) elérhető, hogy az indukált feszültség a melegpont hőmérsékletével legyen arányos, tehát ezek az eszközök hőmérséklet-feszültség átalakítóknak tekinthetők. A feszültség és a hőmérséklet közti összefüggést az alábbi integrál írja le: ahol az E mf a termoelem által indukált és a vezetékek szabad végén mérhető termikus elektromotoros erő, a T referencia és T mért értékek a hidegpont és a melegpont hőmérsékletei, az S 12 a termoelemre jellemző úgynevezett Seebeck koefficiens, míg az S 1 és S 2 a két vezetékre jellemző Seebeck állandó. Meg kell jegyeznünk, hogy ezen állandók értékei a vezetékek anyagára jellemzők, és hőmérsékletfüggők is, ami további non-linearitást eredményez. Ahogy említettük a termoelemes érzékelés differenciális mérés, melyben a mért közeg hőmérséklete (melegpont) és a hidegponti referencia hőmérséklet (általában a környezet hőmérséklete) vesz részt. A szenzorban tehát az erősítő áramkör mellett helyet kap egy hidegponti hőmérséklet kiegyenlítő funkciót ellátó egység is, mely akkora korrekciós potenciálkülönbséget hoz létre, amekkora feszültség a termoelem környezeti hőmérsékleten lévő melegpontja és 0 C-on lévő hidegpontja esetén indukálódna. [10.] 48
31. ábra Különböző típusú termoelemek karakterisztikája. Amint az az idézett szövegben olvasható, a termoelemeknek alkalmazásának számos nehezítő körülménye van, mindenképpen szükség van kompenzálás alkalmazására, anélkül nem kapunk releváns mérési eredményeket. Amint az az ábrán is látszik a K típusú hőelemek karakterisztikája lineáris, emiatt ezt alkalmazzák a leggyakrabban. 4.2.3.2. Ellenállás hőmérő A legnépszerűbb és az elektronikában legfontosabb hőmérsékletszenzorok a hőmérsékletfüggő ellenállások. Ezeknek az érzékelőknek a működése az alapanyaguk hőmérséklettel arányosan változó elektromos ellenállásán alapszik. Két legfontosabb csoportjuk a fémes és a félvezető alapú hőmérséklet szenzorok. Előbbiek összefoglaló neve ellenállásos hőmérséklet detektor (RTD resistive temperature detector), míg az utóbbiakat termisztornak hívjuk. A fémes ellenállásos hőmérséklet szenzorok (RTD) hőmérséklet-ellenállás karakterisztikája pozitív hőmérsékleti együtthatójú, azaz a hőmérséklet növekedésével lineárisan növekszik ellenállásuk is. Ez a linearitás előnyös tulajdonság, mert rendkívül pontos hőmérsékletmérést tesz lehetővé, azonban termikus érzékenységük nagyon gyenge, hiszen a hőmérséklet változása csak nagyon kis, kb. 1Ω/oC mértékű ellenállásváltozást eredményez. [10.] 49
32. ábra Különböző anyagú ellenállás hőmérők karakterisztikája. Az ellenállás hőmérők - saját véleményem szerint is - valóban a legfontosabb hőmérsékletérzékelők az elektronikában. Egyetlen hátránya az egyik előnyét is jelenti egyben, ugyanis ezek az érzékelők külön tápellátást igényelnek, viszont pontosan emiatt gyakorlatilag bármilyen feszültségszinten meg lehet valósítani a mérést. Nyilván minél nagyobb feszültséget visel el, annál drágább az eszköz. Egy ellenállással sorba kapcsolva feszültségosztót kapunk, így kiválaszthatom a feldolgozáshoz szükséges feszültségtartományt. Talán említenem sem kell, hogy miért a platina anyagú érzékelők a leggyakrabban alkalmazottak, ugyanis az ábrán jól látható, hogy a hétköznapi hőmérséklet tartományon a karakterisztikája a K típusú hőelemhez hasonlóan lineáris. 50
4.2.4. A kiválasztott módszer a hőmérséklet mérésére Nem volt nehéz eldöntenem, hogy a rendelkezésre álló ismert módszerek közül melyikkel szeretném megvalósítani a hőmérsékletmérést. Ami azonnal eszembe jut ilyenkor az a hőelem és az ellenállás hőmérő, és az előző pontban felsoroltak miatt az ellenálláshőmérőt választottam ki a megvalósításhoz. Ennek két fő oka van. Az egyik ok az, hogy a termoelem alkalmazásához kompenzáló eljárásokat kell alkalmazni, ami aljaiban bonyolítja a mérést. Ez hidegpont helyett történhet kompenzáló vezetékkel is, ezek a vezetékek azonban meglehetősen drágák méterenként. A másik ok, amiért az ellenálláshőmérő alkalmazása mellett döntöttem, az a tetszőleges üzemi feszültség. Ugyanis a kiválasztott mikrovezérlő, amit kiválasztottam 10 bites ADC-vel (Analog Digital Converter) van ellátva az analóg jeleket értelmezni képes bemenetein. Az ARDUINO 0..5 V tartományban képes üzemelni, vagyis az ADC is 0 V és 5 V között váltakozó jelet képes feldolgozni. Gyors fejszámolással megkapjuk, hogy akkor az 0..5 V tartományt 10 bites átalakítón átvezetve a legkisebb egység 4,8828 mv. Ezzel az a probléma, hogy K típusú hőelem alkalmazása esetén a 0-tól 200 C-ig tartó tartomány mindösszesen 0 V-tól ~9 mv-ig terjedő feszültségváltozást eredményez. Ez annyira kicsi feszültségemelkedés, hogy az ARDUINO-ba beépített ADC ebből már nem képes releváns értéket előállítani. Ehhez a megoldáshoz külön erősítő fokozatot kell építeni, ami fölöslegesen bonyolítaná a megvalósítást. Az ARDUINO és az ellenálláshőmérők tápellátását az egyik a régi automatikából származó SIEMENS LOGO! tápegység fogja biztosítani. Eredetileg Pt100 típusú érzékelőre gondoltam, de ez azért nem felel meg jelen alkalmazásban, mert ha 5 V-tal táplálom a mérést, akkor előfordulhat, hogy túl nagy áram jelenik meg az ADC bemenetén. Ugyanis az ARDUINO minden egyes lábán maximum 40 ma-rel terhelhető. Ennek okán a mérés nem Pt100, hanem Pt1000 szondával valósul meg. Ezzel a mérés nem alakul át, mivel a mért feszültségek aránya ugyanakkora lesz, csak a megjelenő áram lesz az eredeti tízede. 51
5. Megvalósítás 5.1. A folyamat irányításának megvalósítása Jelen esetben a folyamat abból áll, hogy a présgép összezáródik vagy kinyílik. Hogy ez pontosan hányszor, egymáshoz képest mennyi idő elteltével történik meg, azt a SIEMENS LOGO! 12/24RC Processzormodul fogja eldönteni. Ahhoz hogy ez a döntés megszülessen különböző feltételeket kell értékelni, egymással összehasonlítani. Mint általánosságban, most is igaz, hogy a hardver szoftver nélkül működésképtelen. A SIEMENS minden PLC családjához különféle fejlesztőkörnyezeteket készített. A LOGO!-hoz a LOGO! Soft Comfort sorozat használható. Adott esetben a hatos verziójú logikai modulhoz hetes verziójú fejlesztőkörnyezetet telepítettem virtuális környezetben futó operációs rendszerbe. A fejlesztőkörnyezetben több programozási nyelv is elérhető, mint például a létradiagram (LAD), de én a funkcióblokkos (FBD) programozást választottam. A program még nem tekinthető késznek, mivel az összeépítés és tesztelés során adódhatnak olyan helyzetek, amelyek a program módosítását igénylik. Például több mint valószínű, hogy egy kézi vezérlési lehetőség is beépül majd. 52
5.1.1. Bemenetek 33. ábra A bemenetek az FBD programban. I1: ÜZEMBEN : Egy öntartó kör mágneskapcsolójának a jele megy az 1. bemenetre. Ha nincs meghúzva a mágneskapcsoló, akkor lenyomásra került a STOP gomb, ilyenkor a programban is leáll mindennek a vezérlése. I2: START : A második digitális bemenet a START gomb, ez egy világítással ellátott nyomógomb, aminek a típusa: XB5AW33B5. Csak akkor van engedélyezve a megnyomása, ha az ARDUINO-tól megjött az engedélyező jel, ha felső véghelyzetben van a prés, és ha a mérés azt mutatja, hogy a két oldal közötti távolság egy adott tűrésen belül van. I3: ARDUINO_EN : Az ARDUINO, ha a hőmérsékletmérés azt mutatja, hogy a gép felmelegedett a beállított értékig, egy relén keresztül magas szintre emeli a LOGO!-nak ezt a bemenetét. I4: 1.VH_NYITVA : felső véghelyzetben van a prés, jelez a végálláskapcsoló. I5: 2.VH_ZÁRVA : alsó véghelyzetben van a prés, jelez a végálláskapcsoló. I6 = AI1: BAL_TÁV.ÉRZ : Baloldali lézeres távolságmérőjének a jele, első analóg bemenet. 53
I7 = AI2: JOBB_TÁV.ÉRZ : A jobb oldali lézeres távolságmérőjének a jele, második analóg bemenet. 5.1.2. Kimenetek Q1: MOTOR ZÁRÓ_IRÁNY : A prést záró irányba mozdítja egy mágneskapcsolón keresztül. Q2: MOTOR NYITÓ_IRÁNY : A prést nyitó irányba mozdítja egy mágneskapcsolón keresztül. Q3: START_LÁMPA : Ha kezdődhet a préselés akkor folyamatosan világít, ekkor meg lehet nyomni a START gombot, ha a prés mozgásban van, vagy még tart a folyamat, tehát él a vezérlés, akkor pedig villog. Ha nincs vezérlés, akkor nem világít. 34. ábra A kimenetek az FBD programban. 54
5.1.3. Az aszimmetria kimutatása A lézeres távolságmérők jelének feldolgozására egy analóg komparátort használtam. Ebben a blokkban be lehet állítani, hogy mi legyen az a különbség, aminél be- illetve kikapcsol. A mérés úgy történik, hogy megnézi, hogy kisebb-e a különbség a kettő között, mint a megadott érték. Ezt csak akkor lehet majd pontosan beállítani, amikor már csinálok néhány próbamérést. Ameddig nincs alkalmam kísérletezni a szenzorokkal, hogy milyen jelet adnak, mekkora távolságra, addig ezt az értéket 10-nek állítottam be. A működését elmagyarázni úgy lehetne, hogy egy számegyenesen haladunk növekvő irányba. Meg kell adni egy bekapcsolási értéket, amit elérve bekapcsol a blokk kimenete. Meg kell adni egy kikapcsolási értéket, amit a bekapcsolási értéket elhagyva elérve kikapcsol a blokk kimenete. A megadott érték fölött, illetve alatt a komparátor kikapcsol, vagyis a programban a két megadott érték közötti tartományon fog bekapcsolt jelzést adni a blokk. Bekapcsolási értéke -5 a kikapcsolási értéke pedig 5, a tartományon belül igaz a logika értéke. 35. ábra Az analóg mérés. 55
5.1.4. Alaphelyzet Alaphelyzetben csak akkor lehet a gép, ha a két oldal a megadott tartományon belül van bejött az ARDUINO-tól az engedélyező jel felső véghelyzetben van a prés még nem lett elindítva a start gombbal minden számláló helyes értékre van beállítva üzemben van a gép, vagyis nincs benyomva a STOP gomb és él az öntartó kör Ekkor a START gomb aktív, azaz zölden világít és a préselés elindítható. 36. ábra A vezérlés akkor áll készen az indításra, ha a képen látható logika kimenete IGAZ. 5.1.5. Folyamatban A folyamat kezdete a következő feltételekhez kötött: üzemben van a gép alaphelyzetben van a start gombnak bejött a felfutó éle Ezek együttes megléte bebillent egy RS Flip-Flop-ot, aminek állapotát törölheti a nyitott véghelyzet felfutó éle üzemben bemenet lefutó éle 37. ábra A folyamat futásáért a RS Flip-Flop felel, ha reset jelet kap, a folyamat megáll. 56
5.1.6. Préselés A préselés lépését onnantól számítom, hogy teljesen zárt állapotba kerül a prés, azaz megérkezik az alsó végálláskapcsoló felfutó éle. Ez SET jelet ad egy RS Flip-Flop-nak, aminek csak akkor van kimenetele, ha a folyamatban lépés is teljesül. Ezt az RS Flip- Flop-ot RESET-eli ha megérkezik a nyitott véghelyzetkapcsoló felfutó éle vagy pedig az üzemben lefutó éle. Ez a logikai rész beállít logikai 1-be egy másik RS Flip-Flopot. A második RS Flip-Flop-ot RESET-elheti, ha lejár a nyomógombokkal beállított idő, ez az idő percben értendő, és 10 és 40 perc között változtatható. Vagy RESET-elheti, az üzemben lefutó éle, azaz a STOP gomb megnyomása. 38. ábra A préselés időzítését irányító logika. 5.1.7. Szellőztetés Vulkanizálás közben szellőztetés szükséges (ahogy azt már részleteztem), hogy az anyag körül kialakuló gázbuborékok távozhassanak. A szellőztetés darabszáma és a szellőztetés összidőtartama, valamint hogy hány másodpercig legyen felvezérelve a prés beállítható a LOGO!-n található nyomógombok segítségével. A szellőztetés egy fix beállított másodperc után kezdődik. 39. ábra A szellőztetés paramétereit beállító logika. 57
A B037 matematikai művelet blokk állítja elő, hogy a kívánt darabszámú szellőztetés beleférjen a szellőztetési időbe, persze ehhez az is kell, hogy a felvezérlési időt szigorú korlátok közé szorítsuk, ami csupán néhány másodperc. 40. ábra A B037-es blokkban végzett művelet. 58
5.1.8. Kimenetek vezérlése A prés levezérlése, azaz a lapok összezárása akkor történik meg, ha a folyamatban lépésnek megérkezik a felfutó éle, vagy ha a szellőztetésnek érkezik be a lefutó éle az SET-eli a B050-es RS Flip-Flop-ot, ami jelet ad a motorvezérlőnek egy mágneskapcsolón keresztül a záró irányú motormozgás vezérlésére. Ezt az RS Flip- Flop-ot mivel a motor fékezett, és ha elvesszük róla a vezérlést, akkor a helyén marad, ezért RESET-eli a zárt véghelyzeti jeladó felfutó éle vagy pedig az üzemben lefutó éle. 41.ábra A prést lefelé mozgató kimenet vezérlése. 42. ábra A prést felfelé mozgató kimenet vezérlése. 59
5.1.9 Beállítási lehetőségek Préselés idejének a beállítása: 10 és 40 perc között beállítható a préselés ideje, a felfelé nyíl megnyomására számol felfelé egyet. A lefelé nyíl és az F1-es funkció billentyű megnyomásával számol lefelé egyet. 43.ábra A préselés idejének beállítása. Beállítható a szellőztetésnél az, hogy mennyi ideig mozogjon felfelé a munkahenger,1-5 másodperc között. F4 funkció billentyű és a felfelé nyíl megnyomására felfelé számol a számláló, az F4, F1 funkció gomb és a lefelé nyíl megnyomására pedig lefelé számol a számláló. 44. ábra Szellőztetés közben a felfelé mozgás idejének beállítása. 60
Be lehet állítani a szellőztetések darabszámát is, ez lehet a jelenlegi beállítás szerint 4 vagy 5, balra nyíl hatására felfelé számol egyet, a jobbra nyíl és az F2 funkció billentyű hatására pedig lefelé számol. 45. ábra A szellőztetések számának beállítása. Beállítható a nyomógombokkal az is, hogy hány perc alatt történjen meg az összes szellőztetés, 1 3 perc között. Balra nyíl és az F3 gomb megnyomására egyet felfelé számol a számláló, a jobbra nyíl és az F2 és F3 gomb egyszerre történő megnyomására, pedig lefelé számol. 46. ábra Az összes szellőztetés lefutási idejének beállítása. 61
5.1.10. Képernyő képek A LOGO képernyőjén figyelmeztetés jelenik meg, ha vészstop került megnyomásra, ennek a képernyőnek van a legmagasabb prioritása (6-os prioritási szint). Valamint figyelmeztetés jelenik meg, ha a beállított idők valamelyike érvénytelen, ilyenkor a préselés nem indulhat el (5-2-ig prioritási szintek). 47. ábra A képernyőn megjelenő szövegek. Van egy képernyő, ami tájékoztatást ad a beállított időkről, darabszámról. A 46. ábrán látható a képernyő világításáért felelős flag. 48. ábra A nem fontos adatok megjelenésekor a képernyő háttérvilágítása kikapcsol. 62
A préselés alatt a képernyőn, megvilágítás nélkül fut egy visszaszámlálás, hogy a szekrényajtó kinyitásával látható legyen, hogy mennyi van még hátra a préselésből. 49. ábra Szintén háttérvilágítás nélkül jelenik meg a ciklusból hátralevő idő. 63
5.2. A hőmérsékletmérés és -szabályozás megvalósítása A hőmérséklet szabályozása egy vulkanizálási folyamat során azért nagyon fontos, mert ahogy már említettem a különböző összetételű gumikeverékeket különböző hőmérsékleten kell vulkanizálni. Ha a hőmérséklet nem a meghatározott értéken áll a folyamat közben, az a minőség rovására megy. A hőmérsékletmérést Pt100 szondákkal valósítom meg. Ezek a szondák lineáris karakterisztikájú ellenállás hőmérők. Ezek szolgáltatják a szabályozáshoz szükséges feszültségjelet. Az egész folyamatot egy ARDUINO NANO mikrovezérlő fogja irányítani. Ahhoz, hogy a beállítás ember által megtörténhessen, valamilyen kijelzőre és beavatkozó eszközökre van szükség. A kijelző egy 2x16 (két soros és 16 oszlopos) LCD kijelző. A beavatkozó eszközök pedig nyomógombok lesznek. 50. ábra A felhasznált LCD kijelző. 64
Alapesetben az LCD kijelző vezérléséhez nagyon sok kimenetet fel kell használni, és akkor nem marad elég ki és bemenetem a feladat megoldásához. Szerencsére erre van megoldás. Létezik az LCD kijelzőhöz külön meghajtó egység, egy kis LCD vezérlő. Ennek alkalmazásával mindössze két analóg lábat kell felhasználnom, és az LCD kijelző azon a két vezetéken minden a működéséhez szükséges információt megkap, míg enélkül alkalmazva nyolc digitális láb kell a működéséhez. 51. ábra A felhasznált LCD vezérlő egység. 65
A kimeneteken szintén szükség van valamilyen kiegészítő modulra, hiszen a mikrovezérlő kimenetei nem képesek egy mágneskapcsolót meghajtani. Erre a feladatra vásároltam egy relés modult, ami már képes a mágneskapcsolók üzemeltetésére. Ez a modul minden reléhez mindössze egyetlen digitális parancsot igényel. 52. ábra A kimeneteken felhasznált relés modul. 5.2.1. A programkód A program még nem tekinthető késznek, mivel az összeépítés és tesztelés során adódhatnak olyan helyzetek, amelyek a program módosítását igénylik. Először is, mielőtt bármit tettem volna inkludálni kellett az LCD vezérlő függvényeit tartalmazó fájlokat: #include <Wire.h> #include <LiquidCrystal_I2C.h> Ezután az LCD kijelzőt kellett definiálni a programban, hogy a mikrovezérlő értelmezni tudja: LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 2, 1, 0, 4, 5, 6, 7, 3, POSITIVE); 66