UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO Matevž Belej AVTOMATIZIRANA HIDRAVLIČNA STISKALNICA ZA ODPADNO EMBALAŽO

Transkripcija

1 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO Matevž Belej AVTOMATIZIRANA HIDRAVLIČNA STISKALNICA ZA ODPADNO EMBALAŽO Diplomsko delo Maribor, avgust 2016

2

3

4 AVTOMATIZIRANA HIDRAVLIČNA STISKALNICA ZA ODPADNO EMBALAŽO Diplomsko delo Študent: Matevž Belej Študijski program: Visokošolski strokovni, Elektrotehnika Smer: Avtomatika Mentor: izr. prof. dr. Aleš Hace Lektorica: Jasna Colnerič Maribor, avgust 2016

5 ZAHVALA Zahvaljujem se mentorju, izr. prof. dr. Alešu Hacetu, za pomoč in usmerjanje pri pisanju diplomskega dela. Še posebej se zahvaljujem g. Roku Šenjugu iz podjetja Elektro projektiranje in svetovanje Šeni, ki mi je pomagal pri realizaciji projekta. I

6 AVTOMATIZIRANA HIDRAVLIČNA STISKALNICA ZA ODPADNO EMBALAŽO Ključne besede: avtomatizacija, PLC, stroj, stiskalnica. UDK: : (043.2) Povzetek Cilj naloge je prikazati in opisati izdelavo avtomatizirane hidravlične stiskalnice za odpadno embalažo s krmilnikom Siemens LOGO!. Naloga stroja je, da odpadkom čimbolj zmanjša volumen in s tem zmanjša stroške skladiščenja in transporta. Podrobno je predstavljena strojna in programska oprema, ki je bila uporabljena za izdelavo stroja. Opisano je delovanje stroja in vseh gradnikov, ki ga sestavljajo, ter izzivi, s katerimi smo se srečali pri izdelavi. Na koncu so zapisane še ugotovitve pri samem zagonu. II

7 AUTOMATED HYDRAULIC PRESS FOR WASTE Key words: automation, PLC, machinery, press. UDK: : (043.2) Abstract The aim of this thesis is to describe and present the making of an automated hydraulic press for waste with Siemens LOGO! Controller. The task of the machine is to reduce the volume of waste for as much as possible and reduce the cost of storage and transport. The software and the individual hardware components that were used in the making of the press are described in detail. The functioning of the press is also described as well as all the challenges we faced in the making of the press. At the end there is a description of the testing of the machine. III

8 Kazalo 1. UVOD OPIS STROJNE OPREME Logični krmilnik Siemens LOGO! Vrste krmilnikov LOGO! Tehnične lastnosti krmilnikov LOGO! LOGO! komunikacijski moduli Področje uporabe komunikacijskih modulov Razširitveni moduli Končno induktivno stikalo Razlaga in princip delovanja Tlačno stikalo Splošen opis Kontaktorji Splošen opis Zgradba in delovanje Bimetalni motorski zaščitni rele Splošen opis PROGRAMSKA OPREMA Opis LOGO! Soft Comfort Opis programskega vmesnika Programiranje krmilnika Programiranje z LOGO! Soft Comfort Programiranje z direktno metodo OPIS STROJA IN KONFIGURACIJA STROJNE OPREME Opis stroja Tehnološka shema Tehnične karakteristike Način delovanja IV

9 4.3 Strojne komponente Hidravlična črpalka Pogonski elektromotor Montaža in delovanje tlačnih stikal Kontaktor Schrack LA Motorsko zaščitno stikalo Elektro omara Vhodi in izhodi na krmilniku KRMILNI PROGRAM IN DELOVANJE STROJA Opis programa Diagram poteka krmilnega programa ZAGON IN TESTIRANJE STROJA Offline simulacija Prvi zagon in testiranje SKLEP SEZNAM UPORABLJENIH VIROV V

10 Kazalo slik Slika 2.1: Osnovni model LOGO!...6 Slika 2.2: Komunikacijski modul KNX/EIB..9 Slika 2.3: Modul DM8 12/24R. 11 Slika2.4: Shema induktivnega senzorja Slika 2.5: Induktivno stikalo. 13 Slika 2.6: Tlačno stikalo Slika 2.7: Kontaktor s sestavnimi deli..15 Slika 3.1: Simbol logične funkcije OR. 16 Slika 3.2: Simbol logične funkcije AND.. 17 Slika 3.3: Simbol logične funkcije NO Slika 3.4: Simbol funkcije Latching relay 18 Slika 3.5: Simbol funkcije Off-delay Slika 3.6: Simbol funkcije On-delay. 18 Slika 3.7: Simbol funkcije Asynchronous pulse generator...19 Slika 3.8: Simbol funkcije Wiping relay Slika 3.9: Osnovno okno LOGO! Soft Comfort Slika 3.10: Okno vmesnika za programiranje...21 Slika 4.1: Tehnološka shema stiskalnice...23 Slika 4.2: Stiskalnica, ki je pripravljena na transport...24 Slika 4.3: Shema hidravličnih cilindrov in postavitve končnih stikal VI

11 Slika 4.4: SFC diagram stiskalnice...27 Slika 4.5: Tipka za izklop v sili. 28 Slika 4.6: Hidravlična črpalka...29 Slika 4.7: Trifazni asinhronski motor Slika 4.8: Tlačno stikalo 155 bar..31 Slika 4.9: Kontaktor Schrack Slika 4.10: Motorsko zaščitno stikalo Schrack MP 10/ Slika 4.11: Ožičena elektro omara Slika 4.12: Principelni načrt krmilja. 35 Slika 5.1: Krmilni program Slika 5.2: Diagram poteka krmilnega programa Slika 6.1: Start programa Slika 6.2: Ob pritisku tipke START I1, zagon motorja Q1 in pomik bata nazaj Q Slika 6.3: Ob proženju končnega stikala začetni položaj I6 se vključi pomik naprej Q Slika 6.4: Ob proženju končnega stikala končni položaj I7 se vključi pomik nazaj Q3..41 Slika 6.5: Ob proženju tlačnega stikala 155 bar I4 se prižge signalna luč polno Q4 41 Slika 6.6: Ob proženju tlačnega stikala 175 bar I5 signalna luč polno Q4 utripa Slika 6.7: Bat v začetnem položaju Slika 6.8: Bat v srednjem položaju Slika 6.8: Bat v končnem položaju VII

12 Kazalo tabel Tabela 1: Tehnični podatki krmilnikov... 5 Tabela 2: Tehnični podatki komunikacijskega modula.8 Tabela 3: Pravilnostna tabela logične funkcije OR.16 Tabela 4: Pravilnostna tabela logične funkcije AND 17 Tabela 5: Pravilnostna tabela logične funkcije NOT 17 Tabela 6: Pravilnostna tabela funkcije Latching relay..18 Tabela 7: Oznake funkcij v SFC diagramu...26 Tabela 8: Oznake vhodov v vezju.32 Tabela 9: Oznake izhodov v vezju 33 VIII

13 Uporabljene kratice PLC Programmable Logic Controller I input (digitalni vhod) Q output (digitalni izhod) AS-I Actuator Sensor Interface (vmesnik za senzorje in aktuatorje) KNX/EIB Konnex Association Standard (komunikacijski protokol za avtomatiko) DC Direct current (enosmerni tok) AC Alternating current (izmenični tok) FB Function block (funkcijski blok) A/D Analog/Digital (analogno/digitalno) AM Analog module (analogni modul) DM Digital module (digitalni modul) SFC - Sequential Function Chart (sekvenčni funkcijski diagram) IX

14 X

15 1. UVOD Odpadki so nedvoumno zelo pereč okoljski problem v Sloveniji. Zaradi širjenja obstoječih deponij za odpadke in nezmožnosti odpiranja novih se iščejo vedno novi načini za ekonomično in ekološko ravnanje z odpadki. Če tega problema človeštvo ne reši, se bomo zadušili v lastnih smeteh. Ena od najbolj preprostih in učinkovitih rešitev je, da odpadkom zmanjšamo volumen. Ker v avtomatizaciji težimo k temu, da ljudem čimbolj olajšamo delo in ga odrešimo človeka nevrednega dela, mora biti tudi stroj, ki bo opravljal to delo, primeren. V diplomski nalogi bom predstavil razvoj in izgradnjo takšnega stroja, to je avtomatizirana hidravlična stiskalnica za odpadno embalažo in odpadke. Stiskalnica je namenjena predvsem za stiskanje nekovinskih materialov (papir, PET embalaže, plastenk, folije ipd.). S tem uporabnikom olajšamo ravnanje z odpadki, do 90 % zmanjšamo volumen odpadkov in izredno zmanjšamo stroške skladiščenja in transporta odpadkov. Eden od temeljev sodobne avtomatizacije so programirljivi logični krmilniki (PLC), ki so bili sprva uporabljeni v avtomobilski industriji, kasneje so jih začeli uporabljati tudi za večino drugih nalog v avtomatizaciji. Programirljivi krmilniki imajo komunikacijske zmožnosti in zmožnost obdelave in shranjevanja podatkov. V uvodnem poglavju sem opisal strojno opremo, ki smo jo uporabili za izgradnjo stiskalnice. Za krmiljenje stiskalnice sem izbral krmilnik Siemens LOGO, ki sem ga tudi podrobno predstavil. Opisal sem tudi druge uporabljene elemente, kot so kontaktor, tlačna stikala, končna induktivna stikala in bimetalni motorski zaščitni rele. V tretjem poglavju sem opisal programsko orodje LOGO! Soft Comfort, uporabljene funkcije in način programiranja, ki sem ga uporabil za programiranje krmilnika. V nadaljevanju sem opisal stiskalnico, delovanje stiskalnice in konfiguracijo uporabljene strojne opreme. V petem poglavju sem opisal krmilni program in v nadaljevanju še testiranje programa in zagon stiskalnice. 1

16 Na koncu diplomskega dela sem podal rezultate dela in opisal težave, s katerimi sem se soočil pri izgradnji avtomatizirane stiskalnice, in konfiguracijo vseh krmilnih in močnostnih elementov stroja. 2

17 2. OPIS STROJNE OPREME 2.1 Logični krmilnik Siemens LOGO! Krmilnik Siemens LOGO! nam omogoča izvedbo vrste aplikacij iz področja: strojnega nadzora (nadzor motorjev, črpalk in ventilov), transportnih sistemov (tekoči trakovi, dvigala), sistemi za spremljanje procesov, sistemi za upravljanje stanovanjskih in poslovnih stavb (osvetlitev, nadzor vrat, nadzor ogrevanja, hlajenja in prezračevanja), drugih specializiranih nalog Vrste krmilnikov LOGO! LOGO! je na voljo v naslednjih 12 V, 24 V ali 230 V različicah: standardni modul z 6 vhodi in 4 izhodi, dimenzij 72 x 90 x 55 mm, standardni modul brez ekrana, 6 vhodi in 4 izhodi, dimenzij 72 x 90 x 55 mm, različica z 12 vhodi in 8 izhodi, dimenzij 126 x 90 x 55. Nekatere od značilnih oznak krmilnika: R-relejni izhod, C-integrirana tedenska ura, o-verzija brez zaslona, V DC različica, V DC različica, V AC različica. Vse te različice lahko zaradi modularne sestave prilagodimo naši aplikaciji. 3

18 2.1.2 Tehnične lastnosti krmilnikov LOGO! Vsi LOGO! krmilniki uporabljajo te povezave za izgradnjo vezja uporabniškega programa: digitalni vhodi I1 do I24, digitalni izhodi Q1 do Q16, analogni vhodi AI1 za AI8, analogni izhodi AQ1 in AQ2, digitalni z markerjem M1 do M24, M8-začetni marker, analogni z zastavo blokov AM1 na AM6, pomikalni register bitov (shift register) S1 do S8, 4 smerne tipke. Prednosti uporabe krmilnika LOGO!: primeren za preproste naloge v avtomatizaciji, zmanjša nam stroške, saj nadomešča množico stikalnih naprav, enostavna in hitra montaža na DIN letve, prihrani nam prostor v elektro omari, vgrajenih ima 38 integriranih funkcij, katerih lahko v uporabniškem programu skupaj povežemo do 200, ekran nam omogoča nadziranje in spremljanje programskih parametrov, ki jih lahko spreminjamo, spremljamo lahko besedilo, trenutne vrednosti programskih parametrov, potek grafov in stanje vhodno-izhodnih enot, dodatno lahko priključimo še zunanji ekran, odporni na elektromagnetna polja, široko temperaturno območje delovanja, orodje za programiranje LOGO! Soft Comfort V6 je uporabnikom prijazno in omogoča preprosto pisanje programa in prenos tega na krmilnik. 4

19 Tabela 1: Tehnični podatki krmilnikov Tip krmilnika LOGO! 12/24RC LOGO! 24C, LOGO! 24RC, LOGO! 12/24RCo LOGO! 24Co, LOGO! 24RCo Vhodi, od tega analogni 4(0 10 V) 4(0 10 V) / Vhodna napetost 12/24 V DC 24 V DC 24 V DC/AC Dovoljeno območje 10,8 28,8 V 20,4 V... 28,8 V DC 20, ,8 V DC napetosti 20, ,4 V AC pri signalu '0' max 5 V DC max 5 V DC max 5 V AC/DC pri signalu '1' min 8,5 V DC min 12 V DC min 12 V AC/DC Izhodi 4 relejni 4 tranzistorski 4 relejni Konstantni tok 10 A pri ohmskem bremenu, 3 A pri induktivnem bremenu 0,3 A 10 A pri ohmskem bremenu, 3 A pri induktivnem bremenu Kratkostična Potrebna zunanja Elektronska (cca 1 Potrebna zunanja zaščita varovalka A) varovalka Preklopna frekvenca 2 Hz pri ohmskem bremenu, 0,5 Hz pri induktivnem bremenu 10 Hz 2 Hz pri ohmskem bremenu, 0,5 Hz pri induktivnem bremenu 5

20 Priključni kabli 2 x 1,5 mm2 or 1 x 2,5 mm2 Temperatura okolja 0 to + 55 ºC Temperatura skladiščenja 40 ºC to + 70 ºC Slika 2.1: Osnovni model LOGO! LOGO! komunikacijski moduli Za komunikacijo v industrijskih aplikacijah in pri avtomatizaciji v zgradbah LOGO! omogoča komunikacijske module AS-I in KNX/EIB. LOGO! lahko integriramo kot inteligentni suženj (slave) v AS vmesniški sistem z AS-i komunikacijskim modulom. Modularni vmesnik omogoča, da integriramo različne osnovne 6

21 enote v sistem, odvisno od želene funkcionalnosti. Vmesnik zagotavlja 4 digitalne vhode in 4 digitalne izhode. CM KNX/EIB komunikacijski modul omogoča komunikacijo med LOGO! master in zunanjo KNX napravo preko KNX/EIB. Ta modul lahko uporabimo, da integriramo LOGO! kot inteligentni krmilnik v EIB sistem Področje uporabe komunikacijskih modulov AS-i Razširitveni modul deluje kot vmesnik med AS-i sistemom in LOGO! sistemom. Modul omogoča prenos štirih podatkovnih bitov iz LOGO! krmilnika v AS-i sistem in obratno. Napajalna napetost DC 12 / 24 V. KNX/EIB CM KNX/EIB je komunikacijski modul, ki omogoča povezavo med krmilnikom in KNX omrežjem. LOGO! komunicira z drugimi EIB napravami preko izmenjave KNX telegramov. Kombinacijo krmilnika in komunikacijskega modula KNX/EIB omogoča uporabniku porazdeljeno funkcionalnost krmilnika za EIB z možnostjo nastavljanja parametrov in izvedbe logičnih ukazov enostavno in hitro brez naprave za programiranje. Število vhodno-izhodnih signalov je odvisno od strojne konfiguracije krmilnika. Največje število digitalnih vhodov je 16, digitalnih izhodov 12, 8 analognih vhodov in 2 analogna izhoda. 7

22 Tabela 2: Tehnični podatki komunikacijskega modula Komunikacijski modul (CM) EIB / KNX CM AS-i (Slave) Napajalna napetost 24 V AC / DC 24 V DC Dovoljeno območje 20,4 do 28,8 V DC 20,4 do 26,4 V AC 19,2 do 28,8 V DC Digitalni vhod največ 16 4 Analogni vhod največ 8 Analogni izhod največ 2 Digitalni izhod največ 12 4 Dimenzije (Š x V x D) 36 x 90 x 53 mm 36 x 90 x 53 mm Slika 2.2: Komunikacijski modul KNX/EIB 8

23 2.1.5 Razširitveni moduli Široka paleta modulov omogoča razširitev osnovnega krmilnika. Uporaba več 0BA7 modulov poveča število vhodov in izhodov na maksimum 88 digitalnih vhodov, 80 digitalnih izhodov, 40 analognih vhodov in 18 analognih izhodov. Module za analogno razširitev lahko uporabimo za upravljanje enostavne zaprto-zančne kontrolne naloge. Digitalni razširitveni moduli: DM8 230R / DM16 230R: napajalna napetost 115 / 240 V AC / DC, 4/8 120 / 230 V AC / DC digitalnih vhodov, 4 / 8 digitalnih relejnih izhodov. DM8 24 / DM16 24: napajalna napetost 24 V DC, 4 / 8 24 V DC digitalnih vhodov, 4 / 8 digitalnih tranzistorskih izhodov, 0,3 A. DM8 12 / 24R: napajalna napetost 12 / 24 V DC, 4 12 / 24 V digitalnih vhodov, 4 digitalnih relejnih izhodov. DM8 24R: napajalna napetost 24 V AC / DC, 4 24 V AC / DC digitalnih vhodov, PNP ali NPN, 4 digitalnih relejnih izhodov. 9

24 DM16 24R: napajalna napetost 24 V DC, 8 24 V DC digitalnih vhodov, 4 digitalnih relejnih izhodov. Analogni razširitveni moduli: AM2 AI: napajalna napetost 12 / 24 V DC, dva kanala, 0 do 10 V ali 0 do 20 ma. AM2 RTD: napajalna napetost 12 / 24 V DC, dva kanala, PT100/PT1000, merilno območje 50 C do +200 C. AM2 AQ: napajalna napetost 24 V DC, 2 analogna izhoda, 0 do 10 V ali 0 do 20 ma. 10

25 Slika 2.3: Modul DM8 12 / 24R 2.2 Končno induktivno stikalo Razlaga in princip delovanja Induktivni senzorji imajo v industriji pomembno vlogo zaradi svojih dobrih lastnosti: zanesljivost, robustnost, brezkontaktno delovanje, široko temperaturno območje delovanja, ugodna cena. Ker nima gibljivih delov, ne more priti do obrabe. Elektronika je zaščitena v ohišju in zagotavlja odpornost na vibracije in udarce. Zaščitena je tudi pred vlago, prahom in umazanijo. Zaradi tega lahko te senzorje uporabljamo tudi v ekstremnih razmerah. 11

26 Slika 2.4: Shema induktivnega senzorja Induktivni senzor je sestavljen iz LC oscilatorja, stikalne stopnje in izhodnega ojačevalnega dela. LC oscilator generira magnetno polje visokih frekvenc, ki seva skozi aktivno ploskev stikala. Ko kovinska tarča vstopi v to magnetno polje, se v njej inducirajo vrtinčni tokovi, kar zaduši magnetno polje senzorja. Stikalni del zazna spremembo in povzroči spremembo stanja na izhodu. Induktivno stikalo ima večjo občutljivost pri feromagnetni tarči kot pa pri neferomagnetni. Preklopna razdalja je določena za primer aksialnega približevanja tarče. Slika 2.5: Induktivno stikalo 12

27 2.3 Tlačno stikalo Splošen opis Naloga tlačnih senzorjev je, da pretvorijo tlak, ki je mehanska veličina v tok ali napetost, ki je električna veličina. Tlačno stikalo sklene električni kontakt, ko je dosežena nastavljena vrednost tlaka. Stikalo, ki smo uporabili, ima membrano iz nerjavečega jekla, vgrajeno elektroniko in izhodni signal proporcionalen merjenemu tlaku. Lastnosti: dobra temperaturna karakteristika in visoka točnost, standardizirani izhodni signali za univerzalno uporabo v hidravliki, nizka cena, deli, ki so v stiku s tekočino, so narejeni iz nerjavečega jekla, kompaktna oblika. Slika 2.6: Tlačno stikalo 13

28 2.4 Kontaktorji Splošen opis Kontaktor je posebno oblikovan rele, zasnovan tako, da preklaplja večje moči. Običajno jih uporabljamo za nadzor večjih bremen, kot so elektromotorji, ogrevanja in razsvetljave. Nadzirani so z vezji, ki imajo manj moči kot sam kontaktor. Glede na velikost moči, ki jo kontaktor preklaplja, so zelo različnih dimenzij. Od kompaktnih različic, do takšnih večjih od enega metra. Današnje izvedbe lahko prenašajo od nekaj amperov in 24 V DC, do tisoče amperov in nekaj kv Zgradba in delovanje Tako kot rele ima tudi kontaktor elektromagnet, vzmet in kontakt. Kontakti so prenašalci toka in so zgrajeni iz močnostnih kontaktov in pomožnih kontaktov. Ti kontakti so povezani s kontaktnimi vzmetmi. Elektromagnet sklene in razklene kontakte, ko je to potrebno. Ohišje je izdelano iz izolacijskega materiala, ki izolirajo kontakte in preprečuje dotikanje delov pod napetostjo. Ko čez elektromagnet steče tok, se generira magnetno polje, ki privlači gibljiv kontakt in ga tako sklene. 14

29 Slika 2.7: Kontaktor s sestavnimi deli 2.5 Bimetalni motorski zaščitni rele Splošen opis Bimetalni motorski zaščitni rele je sestavljen iz treh bimetalnih trakov in sprožilnega mehanizma v izoliranem ohišju. Bimetalne trakove segreje tok motorja in povzroči, da se upogne ter aktivira sprožilni mehanizem, ki prekine tokokrog motorja. 15

30 3. PROGRAMSKA OPREMA 3.1 Opis LOGO! Soft Comfort Programska oprema LOGO! Soft Comfort nam omogoča, da ustvarimo funkcijske in blokovne diagrame preprosto in hitro. V programu izberemo funkcijski blok in povlečemo ter spustimo povezave med funkcijskimi bloki. Omogoča nam simulacije brez povezave s strojno opremo (offline simulator). Simulacija teče izključno na našem računalniku, program lahko hitro testiramo in optimiziramo. Simuliramo lahko tudi analogne signale realnih vrednosti. Izbiramo lahko med 38 integriranimi funkcijami, ki jih lahko povežemo v maksimalno 200 blokov v uporabniškem programu. Funkcije LOGO! Soft Comfort so razdeljene na tri dele: konstante, osnovne funkcije in posebne funkcije. Opisal bom nekaj funkcij, ki sem jih uporabil v krmilnem programu za stiskalnico. Logična funkcija OR (ALI): izhod logične funkcije OR je 1, če je vsaj en vhod 1. Slika 3.1: Simbol logične funkcije OR Tabela 3: Pravilnostna tabela logične funkcije OR Vhod 1 Vhod 2 Izhod Q

31 Logična funkcija AND (IN): izhod logične funkcije AND je 1, če so vsi vhodi 1. Slika 3.2: Simbol logične funkcije AND Tabela 4: Pravilnostna tabela logične funkcije AND Vhod 1 Vhod 2 Izhod Q Logična funkcija NOT (NEGACIJA): izhodni signal je negacija vhodnega. Slika 3.3: Simbol logične funkcije NOT Tabela 5: Pravilnostna tabela logične funkcije NOT Vhod Izhod

32 Funkcija Latching relay: signal na vhod S postavi izhod na logično 1, signal na vhod R postavi izhod na logično 0. Slika 3.4: Simbol funkcije Latching relay Tabela 6: Pravilnostna tabela funkcije Latching relay Vhod S Vhod R Izhod Q 0 0 X (ostane nespremenjen) (reset) (set) (reset) Funkcija Off-delay: izhod funkcije se ne resetira, dokler ne poteče nastavljen čas časovnika. Slika 3.5: Simbol funkcije Off-delay Funkcija On-delay: izhod funkcije se ne postavi na logično 1, dokler ne poteče nastavljeni čas časovnika. Slika 3.6: Simbol funkcije On-delay 18

33 Funkcija Asynchronous pulse generator: na izhodu generira signal, ki ga spreminjamo z razmerjem pulza/pavze. Slika 3.7: Simbol funkcije Asynchronous pulse generator Funkcija Wiping relay: vhodni signal generira na izhodu signal nastavljive dolžine Opis programskega vmesnika Slika 3.8: Simbol funkcije Wiping relay Osnovno okno programskega paketa LOGO! Soft Comfort je sestavljeno iz sedmih elementov, s katerimi dostopamo do programskih funkcij. Slika 3.9: Osnovno okno LOGO! Soft Comfort 19

34 1 vrstica meni, 2 standardna orodna vrstica, 3 vmesnik za programiranje, 4 polje z informacijami, 5 vrstica status povezave, 6 konstante in konektorji, osnovne funkcije, posebne funkcije, 7 programske funkcije. 3.2 Programiranje krmilnika Krmilnik LOGO! lahko programirano s programskim paketom LOGO! Soft Comfort ali pa z direktno metodo Programiranje z LOGO! Soft Comfort S programsko opremo LOGO! Soft Comfort je programiranje enostavno in hitro. V programu izberemo funkcijski blok in povlečemo ter spustimo povezave med funkcijskimi bloki. Da začnemo nov projekt, moramo izbrati File ->New->Function block diagram. Povezava Funkcijski blok Slika 3.10: Okno vmesnika za programiranje 20

35 3.2.2 Programiranje z direktno metodo S štirimi smernimi tipkami in dodatnima tipkama ESC in OK lahko krmilnik programiramo direktno. Ta metoda je primerna le za enostavne aplikacije, kjer ne uporabimo večjega števila funkcijskih blokov. Vzame nam tudi več časa in je bolj nepregledna od programiranja z LOGO! Soft Comfort. 21

36 4. OPIS STROJA IN KONFIGURACIJA STROJNE OPREME 4.1 Opis stroja Ker so starejši tipi stiskalnic izvedeni s preprosto relejsko krmilno tehniko, ki ne omogoča natančnega nadzora delovanja, sem se odločil za uporabo PLC-ja in izdelavo programa, ki omogoča natančen nadzor nad vhodi in izhodi krmilnika v vsakem trenutku delovanja stiskalnice. Stare stiskalnice se zaustavijo po preteku časa nastavljenega na časovnem releju, kar je lahko ob odpovedi katerega izmed končnih stikal preobremenilo hidravlični sistem, hkrati pa se bat stiskalnice ni vedno ustavil v izhodiščnem položaju, zaradi česar se je zmanjšal volumen stiskalnega jaška. Pri stiskalnici s krmilnikom je zaustavitev bata v začetnem položaju rešena programsko, prav tako pa je v programu časovnik, ki meri čas pomikanja bata med začetno in končno skrajno lego, tako da se stiskalnica v primeru okvare končnega stikala samodejno izključi in nas opozori s svetlobnim signalom na napako. Stroj je namenjen stiskanju odpadkov, sestoji iz hidravličnega dela in elektro krmilja. Elektro krmilje nadzoruje delovanje hidravličnega dela stiskalnice. Hidravlične črpalka zagotavlja potreben tlak, ki preko elektromagnetnega hidravličnega ventila prehaja v hidravlična cilindra, ki potiskata bat po vodilih. Bat potiska smeti v zalogovnik stiskalnice, ko pa je zalogovnik poln, se zaradi oteženega premikanja bata ustvarja večji tlak v hidravličnem sistemu, kar zazna prednastavljeno tlačno stikalo in ustavi delovanje stiskalnice, da ne pride do strojeloma. 22

37 4.1.1 Tehnološka shema Slika 4.1: Tehnološka shema stiskalnice 1. Osnovni kontejner 5. Dvižni čepi 2. Ohišje z vsipnim lijakom 6. Fiksirni vijak 3. Potisni bat s cilindroma 7. Vrata za servisiranje 4. Elektro omarica Tehnične karakteristike Volumen kontejnerja: 10 m 3 Dimenzije kontejnerja zunanje L= 4230 mm Š= 1915 mm V= 1970mm Priključna napetost: 3L 400V+N+PE 23

38 Priključna moč: 3 kw Delovni tlak: Max. delovni tlak: 175 bar 200 bar Hidravlično olje: HD 46 Hidravlična cilindra: Neto teža: fi 80 mm 2350 kg Slika 4.2: Stiskalnica, ki je pripravljena na transport 24

39 Slika 4.3: Shema hidravličnih cilindrov in postavitve končnih stikal Način delovanja Avtomatski način: ko operater pritisne tipko START, prične motor poganjati hidravlično črpalko. Bat je vedno na začetku procesa v izhodiščnem položaju in se prične pomikati naprej do končnega položaja. Ko induktivni senzor zazna, da je bat v končnem položaju, se ta začne pomikati nazaj. To je potek enega delovnega cikla. Stiskalnica deluje toliko časa, koliko je nastavljen časovnik delovanja. Ta čas je odvisen od potreb končnega uporabnika. Tipičen čas stiskanja je cca. 3 min, kar zadošča za večino komunalnih odpadkov. Če uporabnik uporablja stiskalnico za stiskanje folije in kartona, mora biti čas delovanja daljši, ker ekspandirata, potrebno je tudi več ponovitev cikla, število je odvisno od debeline folije in kartona. Čas 25

40 stiskanja se spreminja na panelu. Ko se čas delovanja izteče, stiskalnica še vedno deluje, dokler se ne premakne v izhodiščni položaj. Če med delovanjem operater pritisne tipko STOP, se v programu časovnik postavi na 0 in stiskalnica deluje, dokler bat ne pride v izhodiščni položaj. Stiskalnica se ponovno vklopi po pritisku tipke START. Tipka IZKLOP V SILI: ko operater pritisne tipko, se stiskalnica nemudoma ustavi in se zaradi varnosti ne vrne v izhodiščni položaj. Stiskalnice ni mogoče vključiti, dokler s pravilnim gibom ne izvlečemo gobastega stikala za izklop v sili. Stiskalnica se ponovno vklopi po pritisku tipke START, v primeru da ni bila izključena ravno v izhodiščnem položaju, se zaradi varnosti bat prične vračati proti izhodiščnemu položaju. Signalna lučka DELOVANJE sveti vedno, kadar je motor vključen in s tem operaterja obvešča, da stroj deluje. Tabela 7: Oznake funkcij v SFC diagramu Start TS200 TS175 Čas_Start Čas KS_ZP KS_KP Bat_Nazaj Bat_Naprej Tipka Start Tlačno stikalo 200 bar Tlačno stikalo 175 bar Start glavnega časovnika Glavni časovnik=0 Končno stikalo začetni položaj Končno stikalo končni položaj Pomik bata nazaj Pomik bata naprej 26

41 Slika 4.4: SFC diagram stiskalnice 27

42 4.2 Varnost Za varnost pred direktnim udarom napetosti skrbijo varovalke v elektro omari, ki so dimenzionirane glede na presek vodnika: 3-fazna varovalka 3 x 16 A C hitrostnega razreda, 1-fazna varovalka 6 A za ščitenje primarnega dela usmernika, 24 V DC 2 A za ščitenje krmilnega dela stiskalnice. Zaradi visokega zagonskega toka elektromotorja sem izbral varovalke C razreda, da ob vklopu ne pride do nepotrebnih izklopov. Za varnost je izjemno pomembno, da poskrbimo za ozemljitvene povezave, ki so spojene z ustreznimi spoji iz vseh prevodnih ohišij na skupno ozemljitveno točko. Vsipni jašek je na višini zakonsko določene min. višine, ki znaša 1,5 m. Pred strojelomom je stroj zaščiten z motorskim zaščitnim stikalom, da se ob preobremenjenosti ne poškoduje navitje v motorju in s pravilno izbiro vrednosti prednastavljenih tlačnih stikal. Izbral sem motorsko zaščitno stikalo Schrack MP10/3, ki sem ga nastavil na nazivni tok 6,4 A. Pri tipki izklop v sili se zaradi varnosti uporablja mirovni kontakt (NC), tako da v primeru okvare tipke stiskalnice ni mogoče zagnati. Slika 4.5: Tipka za izklop v sili 28

43 4.3 Strojne komponente Hidravlična črpalka Hidravlična črpalka ustvarja tlak v hidravličnem sistemu ki je potreben za premik hidravličnih cilindrov. Tlak ustvarjata dva zobnika posebne oblike, ki se istosmerno vrtita, njuna oblika povzroča podtlak na vstopni strani črpalke in posledično nadtlak na izstopni strani črpalke. Olje pod tlakom potuje po cevi do hidravlične kocke, v kateri so povezave po katerih olje potuje do preklopnega ventila ali preko prekotlačnega ventila nazaj v rezervoar. V kolikor je ventil odprt v eno ali drugo smer se zaradi povečanja volumna olja v cilindrih le ta pomikata naprej ali nazaj. Izbral sem hidravlično črpalko xv-3p/21 vivoil ki lahko doseže maksimalni tlak 300 bar, minimalno hitrost 700 rpm in maksimalno hitrost 3000 rpm. Slika 4.6: Hidravlična črpalka Pogonski elektromotor Motor z vrtenjem svoje osi direktno poganja zobnika hidravlične črpalke, ki ustvarjata tlak v hidravličnem sistemu. Izbral sem trifazni asinhronski motor znamke Drai Milano Gl100L2-4, 29

44 ki ima nazivno moč 3 kw. Asinhronski elektromotor sem izbral, ker so cenovno ugodni in robustni, iz tega razloga so tudi široko uporabljani v industriji. Slika 4.7: Trifazni asinhronski motor Montaža in delovanje tlačnih stikal Vsa tri tlačna stikala so zmontirana na začetnem delu hidravlične kocke, na dovodu iz hidravlične črpalke, to je edino mesto, kjer se ustvarja tlak ne glede na smer hoda bata. Prednastavljeno tlačno stikalo 155 bar: ko tlak v hidravličnem sistemu naraste na 155 bar in se 2 s ne zniža, se tlačno stikalo sklene in spusti napetost na vhod krmilnika. Signalna lučka prične utripati in s tem opozori operaterja, da je stiskalnica 80 % polna. Prednastavljeno tlačno stikalo 175 bar: ko tlak v hidravličnem sistemu naraste na 175 bar in se 2 s ne zniža, se tlačno stikalo sklene in spusti napetost na vhod krmilnika. Prižge se signalna lučka 100 % polno. Stiskalnica preneha delovati, obstane in je ni več mogoče zagnati, da ne pride do strojeloma. Stiskalnico je mogoče šele ponovno zagnati s tipko START po tem, ko je bil izpraznjen zalogovnik in stroj izključen iz glavnega napajanja in nazaj ponovno vključen. Prednastavljeno varnostno tlačno stikalo 200 bar: ko tlak v hidravličnem sistemu naraste na 200 bar, se tlačno stikalo sklene in takoj spusti napetost na vhod krmilnika. Za ponovni zagon stiskalnice je potrebno uporabiti isti postopek kot v primeru, ko je polna. V primeru da to 30

45 tlačno stikalo odpove je na hidravlični kocki zmontiran prekotlačni mehanski ventil, ki se v primeru da tlak naraste preko 205 bar, fizično pomakne v odprt položaj in tako prepusti tlak nazaj v hidravlični rezervoar. Slika 4.8: Tlačno stikalo 155 bar Kontaktor Schrack LA Kontaktor Schrack serije LA sem izbral zaradi velike električne in mehanske trajnosti in velike stikalne zmogljivosti ter zaradi možnosti hitre montažo na 35 mm nosilno letev. Slika 4.9: Kontaktor Schrack 31

46 4.3.5 Motorsko zaščitno stikalo Izbral sem motorsko zaščitno stikalo Schrack MP10/3 s termičnim in magnetnim sprožnikom, ki sem ga nastavil na nazivni tok 6,3 A Elektro omara Slika 4.10: Motorsko zaščitno stikalo Schrack MP10/3 Elektro omaro sem zvezal po v naprej pripravljenem vezalnem načrtu. Prvo sem izmeril položaj nosilnih letev in plastičnih kanalov ter jih nato zmontiral. Ožičenja vseh elementov sem se lotil po nekem smiselnem vrstnem redu, pazil sem tudi na primerne dolžine vodnikov. Pri montaži tipk in opozorilnih lučk na zunanji strani omare sem poskušal najti primerno in logično razporeditev elementov, da bi bila uporaba za operaterja čim lažja. Predvsem sem pazil, da je tipka za izklop v sili na vidnem mestu. 32

47 Slika 4.11: Ožičena elektro omara Vhodi in izhodi na krmilniku Vhodni signali LOGO krmilnika: I1 START, I2 STOP, I3 Izklop v sili, I4 prednastavljeno tlačno stikalo 175 bar, I5 prednastavljeno tlačno stikalo 155 bar, I6 končno stikalo, ko je bat v končnem položaju, I7 končno stikalo, ko je bat v izhodiščnem položaju, I8 varnostno tlačno stikalo 200 bar. 33

48 Izhodni signali LOGO krmilnika: Q1 kontaktor (zagon motorja), Q2 elektromagnetni preklopni ventil (pomik bata naprej), Q3 elektromagnetni preklopni ventil (pomik bata nazaj), Q4 izhod za signalizacijo (lučka polno ali 80 % polno (utripa)). Tabela 8: Oznake vhodov v vezju OZNAKA SIGNAL VHOD PLK S1 Tipka START I1 S2 Tipka STOP I2 S3 Izklop v sili I3 S4 Prednastavljeno tlačno I4 stikalo 155 bar S5 Prednastavljeno tlačno I5 stikalo 175 bar S6 Končno stikalo zadaj I6 S7 Končno stikalo spredaj I7 S8 Varnostno tlačno stikalo I8 S9 Glavno stikalo Tabela 9: Oznake izhodov v vezju OZNAKA SIGNAL VHOD PLK K1 Zagon motorja Q1 K2 Pomik bata naprej Q2 K3 Pomik bata nazaj Q3 K4 Signalizacija Q4 34

49 Slika 4.12: Principelni načrt krmilja 5. KRMILNI PROGRAM IN DELOVANJE STROJA 5.1 Opis programa Ob pritisku tipke start dobimo na vhod krmilnika I1 logično 1, pod pogojem, da je na vhodu I3 (izklop v sili) logična 1, se sproži glavni časovnik delovanja B003, na katerem je nastavljen čas delovanja stiskalnice, ki znaša 4,5 min, in hkrati dobimo na izhod Q1 (kontaktor) logično 1. Motor, ki poganja hidravlično črpalko, prične delovati. Ko poteče čas delovanja, dobimo na izhod Q1 logično 0, motor preneha delovati in stiskalnica se samodejno izključi. Če je na vhodu I6 (končno stikalo zadaj) logična 0, ali če je na vhodu I7 (končno stikalo spredaj) 35

50 logična 1, dobimo na izhodu Q3 (pomik nazaj) logično 1, rele na izhodu Q3 se sklopi in prične napajati elektromagnetno tuljavo na preklopnem ventilu za pomik bata nazaj. Če na vhodu I6 dobimo logično 1, se izhod Q3 (pomik nazaj) postavi na logično 0, izhod Q2 (pomik naprej) se postavi na logično 1, rele na izhodu Q2 se izklopi in prične napajati elektromagnetno tuljavo na preklopnem ventilu za pomik bata naprej. Ob pritisku tipke stop dobimo na vhodu krmilnika I2 logično 1, to nam sproži na glavnem časovniku delovanja B003 funkcijo Reset, kar zaustavi časovnik in vrednost pretečenega časa povrne na 0 s. Prav tako pa na izhodu Q3 (kontaktor) dobimo logično 0 in motor preneha delovati. Če med delovanjem dobimo na vhod I5 (tlačno stikalo 155 bar) logično 1, se sproži časovnik B0037, ki nam po pretečenem času 1,5 s setira bistabilni reset/set funkcijski blok B037. Funkcijski blok B037 nam z izhodom, postavljenim na logično 1, setira asinhronski generator pulza. Ta nam izhod Q4 (izhod za signalizacijo) izmenično postavlja na logično 0 in logično 1. Signalna luč na komandni plošči prične utripati. Bistabilni reset/set funkcijski blok B037 se resetira, ko je vhod I2 postavljen na logično 1 ali vhod I3 na logično 0. Če med delovanjem dobimo na vhod I4 (tlačno stikalo 175 bar) logično 1, se sproži časovnik B0032, ki nam po pretečenem času 1,5 s setira bistabilni reset/set funkcijski blok B028. Funkcijski blok B028 nam z izhodom postavljenim na logično 1 setira izhod Q4 (izhod za signalizacijo). Signalna luč na komandni plošči se prižge. Prav tako nam sproži na glavnem časovniku delovanja B003 funkcijo Reset, izhod Q1 (kontaktor) se postavi na logično 0 in motor preneha z delovanjem. Bistabilni reset/set funkcijski blok B028 se resetira, ko je vhod I2 postavljen na logično 1 ali vhod I3 na logično 0. Če med delovanjem dobimo na vhod I8 (varnostno tlačno stikalo 200 bar) logično 1, se izhod Q1 (kontaktor) postavi na logično 0 in motor preneha z delovanjem. Prav tako nam sproži na glavnem časovniku delovanja B003 funkcijo Reset. 36

51 Slika 5.1: Krmilni program 37

52 5.2 Diagram poteka krmilnega programa 38

53 Slika 5.2: Diagram poteka krmilnega programa 39

54 6. ZAGON IN TESTIRANJE STROJA Preden sem začel z zagonom stroja, sem krmilni program testiral v offline simulaciji v LOGO! Soft Comfort. 6.1 Offline simulacija Preden sem prenesel program na krmilnik, sem ga testiral v LOGO! Soft Comfort, saj je preprosto opazovati vhode in izhode, ki so vsi digitalni. V spodnjem levem kotu ekrana so prikazani vhodi od I1 do I8 in izhodi od Q1 do Q4. Slika 6.1: Start programa 40

55 Slika 6.2: Ob pritisku tipke START I1, zagon motorja Q1 in pomik bata nazaj Q3 Slika 6.3: Ob proženju končnega stikala začetni položaj I6 se vključi pomik bata naprej Q2 41

56 Slika 6.4: Ob proženju končnega stikala končni položaj I7 se vključi pomik bata nazaj Q3 Slika 6.5: Ob proženju tlačnega stikala 155 bar I4 se prižge signalna luč polno Q4 42

57 Slika 6.6: Ob proženju tlačnega stikala 175 bar I5 signalna luč polno Q4 utripa 6.2 Prvi zagon in testiranje Ob prvem zagonu se je zagnal elektromotor, vendar se bat ni pričel premikati. Ob pregledu morebitne napake na elektro inštalaciji sem ugotovil, da je elektromagnetni preklopni ventil pravilno preklopil, a se kljub temu bat ni začel premikati. Ob nadaljnjem iskanju napake sem ugotovil, da se elektromotor vrti v napačno smer in posledično ne ustvarja pritiska v hidravličnem sistemu. To sem rešil tako, da sem medsebojno zamenjal fazi L2 in L3 na motorju. Ob nadaljnjem testiranju se je bat pričel premikati, vendar pa me je ob zagonu zmotil zvok motorja. Za približno 0,5 sekunde se je slišalo, kot da je motor močno preobremenjen. Ob opazovanju hladilne vetrnice nameščene na motorju sem ugotovil, da motor v trenutku ko dobi napetost na sponke, še vedno za kratek čas obstoji in se zavrti šele približno po 0,5 sekunde. Delovanje motorja sem nato preizkusil v prostem teku, kjer se je zagnal popolnoma normalno. Ko sem ugotovil, da motor deluje normalno, sem poizkusil v program PLK dodati 0,5 sekundno zakasnitev pričetka delovanja motorja, tako da hidravlični ventil preklopi že 43

58 malo preden se motor zažene. S tem sem kompenziral čas, ki ga ventil potrebuje, da se popolnoma odpre. Po ponovnem zagonu se je stiskalnica nenadoma zaustavila. Opazil sem, da je pričela utripati opozorilna lučka za 100 % polno. Ob nadaljnjem pregledu in meritvah elektro krmilnega sistema in senzorjev sem ugotovil, da se občasno tlačno stikalo 185 bar izklopi. Ob iskanju vzroka sem opazil, da zaradi robustne izvedbe stroja bat stiskalnice občasno ne teče gladko, kar povzroči trenutni dvig pritiska čez nastavljeno vrednost na tlačnem stikalu. To sem rešil tako, da sem v program dodal časovno zakasnitev vhodnega signala tlačnega stikala. Enako pa sem storil na vhodu tlačnega stikala 155 bar. Slika 6.7: Bat v začetnem položaju 44

59 Slika 6.8: Bat v srednjem položaju Slika 6.8: Bat v končnem položaju 45

60 7. SKLEP V diplomski nalogi sem podrobno opisal postopek in opis celotnega projekta izdelave avtomatizirane hidravlične stiskalnice za odpadno embalažo. Glavna funkcija stiskalnic je zmanjšanje prostornine odpadkov, kar je naša stiskalnica tudi dosegla. Starejše verzije stiskalnic so bile izvedene z relejsko tehniko, ki ni omogočala natančnega nadzora delovanja, zato sem za krmiljenje uporabil PLC, ki pa omogoča natančen nadzor nad vhodi in izhodi krmilnika v vsakem trenutku delovanja stiskalnice. Predstavil sem programsko opremo, ki sem jo uporabljal za programiranje krmilnika Siemens LOGO! in uporabljeni krmilnik. Izvedel sem načrtovanje in ožičenje elektro omare. Opisal sem tudi uporabljene elektro komponente in način njihove izbire. Ocenjujem, da je tako programski kot tudi strojni del bil narejen kakovostno, saj stroj deluje nemoteno. Osvojil sem številna nova znanja in razširil znanje pridobljeno s študijem. Naučil sem se programirati s programskim paketom LOGO! Soft Comfort. S samim načrtovanjem in izvedbo elektro krmilnega dela sem imel na začetku kar velike težave, saj je bilo to zame popolnoma novo področje. V literaturi in predvsem na internetu sem poiskal odgovore na delo z vsemi elektro komponentami in vezavo teh. Osvojiti sem moral znanja iz področja strojništva, močnostne elektrotehnike in avtomatike. 46

61 8. SEZNAM UPORABLJENIH VIROV [1] LOGO! Manual; Nuernberg Siemens AG 2006, Germany 2006 [2] LOGO! Modular Basic Variants, Siemens 2016, [ ] [3] LOGO! modular expansion modules, Siemens 2016, [ ] [4] Mechanical Pressure Switches, Barksdale 2016, b.pdf [ ] [5] Automation Direct 2015, [ ] [6] How contactor controls an electric motor?, EEP 2016, [ ] [7] Three-phase asynchronous motors, ABB 2008, [ ] 47

62 Priloga A: Elektro shema 48

63 49

64 50

65 51

66 52

67 53