UNIVERZA V MARIBORU

UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO Davor REPATEC POZICIONIRANJE VERTIKALNEGA HIDRAVLIČNEGA VALJA Z INDUSTRIJSKIM KRMILNIKOM univerzitetnega študijskega programa 1. stopnje Mehatronika Maribor, september 2017

POZICIONIRANJE VERTIKALNEGA HIDRAVLIČNEGA VALJA Z INDUSTRIJSKIM KRMILNIKOM Študent: Študijski program: Davor REPATEC univerzitetni študijski program 1. stopnje Mehatronika Mentor FS: Mentor FERI: izr. prof. dr. Uroš ŽUPERL izr. prof. dr. Aleš HACE Somentor: doc. dr. Edvard DETIČEK Maribor, september 2017

I Z J A V A Podpisani, izjavljam, da: je diplomsko delo rezultat lastnega raziskovalnega dela, predloženo delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev kakršnekoli izobrazbe po študijskem programu druge fakultete ali univerze, so rezultati korektno navedeni, nisem kršil-a avtorskih pravic in intelektualne lastnine drugih, soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet ter Digitalni knjižnici Univerze v Mariboru, v skladu z Izjavo o istovetnosti tiskane in elektronske verzije zaključnega dela. Maribor, Podpis: II

ZAHVALA Zahvaljujem se mentorjema izr. prof. dr. Urošu Župerlu in izr. prof. dr. Alešu Hacetu ter somentorju doc. dr. Edvardu Detičku za pomoč in vodenje pri opravljanju diplomskega dela. Zahvaljujem se tudi družini za pomoč in podporo v času študija. III

POZICIONIRANJE VERTIKALNEGA HIDRAVLIČNEGA VALJA Z INDUSTRIJSKIM KRMILNIKOM Ključne besede: Hidravlični valj, proporcionalni ventil, pozicioniranje, PLC, hitri števec UDK: 681.5:621.226(043.2) POVZETEK V okviru diplomske naloge smo izdelali avtomatično zvezno vodenje vertikalnega hidravličnega valja z industrijskim krmilnikom. Hidravlični pogon je poleg napajalnega agregata sestavljen iz proporcionalnega ventila z vgrajeno regulacijo odprtja ventila in vertikalnega hidravličnega valja. Izdelali smo dokumentacijo za izdelavo in nabavo manjkajočih delov. Zasnovali smo proces za pozicioniranje hidravličnega valja, ki lahko služi za preoblikovanje kovin ter proučili uporabo inkrementalnega dajalnika z uporabo hitrega števca. IV

POSITION CONTROL OF VERTICAL HYDRAULIC CYLINDER WITH INDUSTRIAL CONTROLLER Key words: Hydraulic cylinder, Proportional value, position control, PLC, high-speed counter UDK: 681.5:621.226(043.2) ABSTRACT Within the thesis we made an automatic control of a vertical hydraulic cylinder with an industrial controller. In addition to the hydraulic power supply unit, the hydraulic drive consists of a proportional valve with electrical position feedback and the vertical hydraulic cylinder. We have produced documentation of missing parts. We made position control of a hydraulic cylinder, which can be used for metal transformation press and we examined the use of incremental encoder using a high speed counter. V

KAZALO VSEBINE 1 UVOD... 1 2 OPIS UPORABLJENIH KOMPONENT... 2 2.1 Hidravlični agregat... 2 2.2 Proporcionalni ventil... 3 2.3 Krmilnik S7-1200... 8 2.4 Inkrementalni dajalnik... 11 2.5 Induktivna končna stikala... 13 2.6 Hidravlični valj... 14 3 MEHANSKI DEL HIDRAVLIČNEGA SISTEMA... 15 3.1 Zasnova hidravličnega sistema... 15 3.2 Izdelava manjkajočih mehanskih delov... 20 3.3 Montaža hidravličnega valja na nosilec... 23 3.4 Postavitev hidravlične mreže... 24 3.5 Izdelava merilnega mesta... 26 3.6 Izdelava komandne plošče... 28 3.7 Ožičenje sistema... 29 4 KRMILNI DEL HIDRAVLIČNEGA SISTEMA... 30 4.1 Programiranje PLC... 30 4.2 Zasnova krmilja... 32 4.3 Opis krmilnega programa... 34 5 ANALIZA REZULTATOV... 38 6 SKLEP... 40 LITERATURA... 41 PRILOGE... 42 VI

KAZALO SLIK Slika 1.1: Celoten hidravlični sistem... 1 Slika 2.1: Vertikalna motorno-črpalna enota [6]... 2 Slika 2.2: Prerez proporcionalnega ventila [8]... 3 Slika 2.3: Prehajanje signala v proporcionalni hidravliki [7]... 4 Slika 2.4: Boschev proporcionalni ventil... 5 Slika 2.5: Karakteristična krivulja proporcionalnega ventila [9]... 6 Slika 2.6: Bodejev diagram uporabljenega proporcionalnega ventila [8]... 7 Slika 2.7:Siemensov krmilnik S7-1200... 8 Slika 2.8: Signalna karta z analognim izhodom... 9 Slika 2.9: Inkrementalni dajalnik [11]... 11 Slika 2.10: izhodni signali inkrementalnega dajalnika [11]... 12 Slika 2.11: Induktivno končno stikalo [12]... 13 Slika 2.12: 3-D model hidravličnega valja... 14 Slika 3.1: Obstoječ hidravlični sistem... 15 Slika 3.2: Shema priključitve dveh ventilov s T-kosama... 16 Slika 3.3: Shema priključitve z dodatnim elektro-magnetnim ventilom... 17 Slika 3.4: Shema priključitve s hitrimi spojkami... 18 Slika 3.5: Dva možna načina pritrditve... 18 Slika 3.6: Hidravlični valj s ploščico za pritrditev na konzolo... 19 Slika 3.7: 3-D modeli mehanskih delov... 20 Slika 3.8: 3-D model pritrditve mehanskih delov... 20 Slika 3.9: Pritrditev hidravličnega valja... 21 Slika 3.10: Delavniška risba podložnih plošč... 22 Slika 3.11: Pritrditev realnega hidravličnega valja in 3-D model... 23 Slika 3.12: Shema hidravlične priključitve sistema... 24 Slika 3.13: Priključitev hidravlične napeljave... 25 Slika 3.14: Merilno mesto... 26 Slika 3.15: Hidravlični valj in merilno mesto... 27 Slika 3.16: Komandna plošča... 28 Slika 3.17: Vezalna shema priključitve krmilnika... 29 Slika 4.1: Tehnološka shema procesa... 33 Slika 4.2: Časovni diagram prehajanja stanj... 34 Slika 4.3: Diagram stanj... 35 Slika 4.4: Prehajanje signala... 36 Slika 5.1: Graf Hitrosti batnice v odvisnosti od časa... 39 VII

1 UVOD Cilj diplomskega dela je zasnovati krmilje od mehanskih do električnih delov, vključno s signalizacijo, za kar se da natančno in hitro določitev pozicije hidravličnega valja v odprti zanki. Glavni deli izdelanega hidravličnega sistema so (slika 1.1): hidravlični agregat, ki pretvarja električno energijo v hidravlično, proporcionalni ventil, ki služi za usmerjanje hidravlične tekočine in ima možnost nastavljanja pretoka ter hidravlični valj, ki pretvarja hidravlično energijo v mehansko delo. Za delovanje sistema je potreben še cevovod in hidravlični priključki, ki so prav tako pomemben del hidravličnega sistema, saj lahko z ustrezno izbiro in namestitvijo precej zmanjšamo izgube sistema. Ker proporcionalni ventil krmilimo z analognim signalom, smo zasnovali tudi električni del sistema, ki ga sestavljajo: Siemensov industrijski krmilnik, induktivna končna stikala, inkrementalni dajalnik za določitev pozicije batnice, komandna plošča ter vodniki. Na razpolago je oprema v laboratoriju, zaradi varnosti bosta delovni tlaki in pretok hidravlične tekočine dosti nižja, kot v industrijskem okolju. Ker bo pozicija merjena s pomočjo inkrementalnega dajalnika, bo v okviru krmilnega programa uporabljen vgrajen hitri števec krmilnika Siemens S7-1200. Za določevanje končnih leg bosta uporabljeni dve induktivni končni stikali. Slika 1.1: Celoten hidravlični sistem 1

2 OPIS UPORABLJENIH KOMPONENT 2.1 Hidravlični agregat V laboratoriju je na voljo hidravlični agregat, ki zagotavlja stalen pretok 16 L/min. Sestavljen je iz vertikalne motorno-črpalne enote slika 2.1, rezervoarja, manometra, nastavljivega tlačno omejevalnega ventila in filtra. Motorno-črpalna enota je osrednji del agregata sestavljena je iz: Trifaznega asinhronskega elektromotorja z močjo 2,2 kw in vrtilno frekvenco 1420 obratov/min (1), zobniške črpalke z zunanjim ozobjem (2), prirobnice (3) in sklopke (4), ki prenaša moč elektromotorja do hidravlične črpalke. Slika 2.1: Vertikalna motorno-črpalna enota [6] Rezervoar ni namenjen samo za shranjevanje odvečne hidravlične tekočine, temveč ima še veliko drugih funkcij. Zaradi ploščate oblike je velika površina, kjer se lahko hidravlična tekočina ohladi in nudi dovolj prostora za namestitev vseh ostalih delov agregata. Pomembno je tudi, da se v rezervoarju izloči čim več zračnih mehurčkov, ki se naberejo v hidravlični tekočini, zaradi zožitev v cevovodu ali prehitrih gibov aktuatorjev. Zrak ima veliko negativnih vplivov na hidravlični sistem, zato mora biti v rezervoarju čim več olja, da je dovolj časa za izločanje zračnih mehurčkov. Ker se na dnu rezervoarja nabirajo nečistoče, je zelo pomembno kako sta nameščeni cevi za sesalni in povratni vod. 2

Moderni agregati so opremljeni z veliko senzorji za: temperaturo, tlak, čistost olja, Prikazovalniki teh parametrov nam služijo za hitro oceno stanja hidravlične tekočine in odkrivanje morebitnih napak. Naš agregat ima nameščen samo manometer, ki prikazuje delovni tlak. S pomočjo tlačno omejevalnega ventila smo nastavili tlak na 90 barov, kar zadostuje za eksperimente in ni preveč nevarno, če pride do napake na cevovodu. Ker se iz obstoječega agregata napaja servo-ventil, ki mu moramo zaradi zgradbe ventila zagotoviti bolj čisto olje kot je dovoljeno za navadne potne in občutljivejše proporcionalne ventile, je na delovnem vodu nameščen ustrezen filter. 2.2 Proporcionalni ventil Z hitrim razvojem moderne hidravlike postaja vse pomembneje nastavljanje tlaka, spreminjanje pretoka ter smeri hidravlične tekočine z električnimi signali. Za takšne zahteve imamo na voljo proporcionalne in servo-ventile. Za vmesnik med hidravličnim in električnim sistemom smo uporabili proporcionalni ventil, ki je precej cenejši in manj občutljiv na nečistoče v olju, kot servo-ventil. V primerjavi z več položajnim potnim ventilom ima možnost zveznega nastavljanja pretoka. Torej navadni potni ventil ima točno določeno število stanj (običajno dve ali tri), medtem ko ima proporcionalni ventil možnost nastavljanja poljubno število vmesnih stanj, v odvisnosti vhodnega signala od -10 do +10 V [1]. Slika 2.2: Prerez proporcionalnega ventila [8] 3

Na sliki 2.3 je prikazano prehajanje signala v proporcionalni hidravliki: Napetost od -10 do +10 V običajno pripeljemo iz analognega izhoda krmilnika na vhod elektronike proporcionalnega ventila. Ojačevalec ventila spremeni vhodno napetost v električni tok, ki ga potem pošlje na proporcionalno tuljavo ventila. Tuljava premika drsnik ventila. Ventil krmili pretok in smer hidravlične energije do pogona. Pogon spreminja hidravlično energijo v kinetično. Slika 2.3: Prehajanje signala v proporcionalni hidravliki [7] Tabela 2.1: Primerjava potnih in proporcionalnih ventilov [7] Prilagodljivost ventila Vpliv na pogon Neskončno prilagodljiv pretok ali tlak proporcionalen z vhodnim signalom. Enostaven način spreminjanja pretoka in tlaka. Avtomatiziran, neskončno nastavljiv in precizen: Sila in navor, Pospešek, Hitrost, Pozicija. 4

Poraba energije Poenostavitev hidravlične napeljave Zaradi možnosti nastavitve pretoka in tlaka se izgube zmanjšajo, saj dovajamo v sistem toliko energije, koliko je le-ta potrebuje. Proporcionalni ventil lahko nadomesti navadni potni ventil in tokovno omejevalni ventil. Posledično imamo manj komponent za priključit. 2.2.1 Primerjava proporcionalnih in servo-ventilov Na prvi pogled lahko omenjena ventila upravljata enako funkcijo, vendar, če njiju podrobneje pogledamo najdemo kar nekaj razlik. V večini pogledov so servo-ventili zmogljivejši od proporcionalnih. Z njimi lahko dosegamo večjo natančnost in hitrejše odzive, zato so primernejši za regulacijo. Poleg cenejše in enostavnejše izvedbe najdemo še nekaj prednosti proporcionalnih ventilov: zgradba ventila je enostavnejša in cenejša. Zaradi robustnejše notranje zgradbe proporcionalnih ventilov v primerjavi z momentnim motorjem, ki vsebuje ozke šobe pri servo-ventilih, je filtracija hidravlične tekočine enostavnejša in intervali menjavanja olja so daljši. Za regulacijo je največkrat uporabljena servo-hidravlika, zaradi hitrejših dinamičnih lastnosti. Proporcionalna hidravlika je po navadi uporabljena za sekvenčno vodenje, zato ni potrebnih dodatnih merilnih algoritmov in kompliciranega krmilja, s tem se sistem poenostavi in poceni [7]. 2.2.2 Lastnosti proporcionalnega ventila Bosch Slika 2.4: Boschev proporcionalni ventil 5

Tabela 2.2: Tehnične lastnosti Proporcionalnega ventila Bosch Serijska številka 0 811 404 034 Oznaka 4WRPH 6 C4B12L 2X/G24Z4 /M Velikost NG 6 Zgradba Delovanje Teža Maksimalni delovni tlak Nazivni pretok pri ⵠP = 35 bar Ventil z drsnikom Proporcionalna tuljava z merilnikom pozicije 2,3 kg 315 bar 12 l/min Razred čistosti olja po ISO 4406 18/16/13 2.2.3 Karakteristična krivulja proporcionalnega ventila Bosch Slika 2.5: Karakteristična krivulja proporcionalnega ventila [9] 6

Iz slike 2.5 je razvidno, da poslanih 6 V na ojačevalnik ventila, premakne drsnik za 60 % v eno smer. Če na ojačevalnik pošljemo negativno napetost, se drsnik ventila pomakne proporcionalno z vhodnim signalom v drugo smer. Takšna karakteristika je seveda idealizirana. Proizvajalci strmijo k tem, da bi se ji približali. V ta namen je v proporcionalnem ventilu vgrajen tudi merilnik pozicije, ki deluje na principu linearnega diferencialnega transformatorja. Elektronika ventila s pomočjo povratne informacije o poziciji drsnika, skrbi za linearni potek karakteristične krivulje. 2.2.4 Bodejev diagram Slika 2.6: Bodejev diagram uporabljenega proporcionalnega ventila [8] Slika 2.6 nam predstavlja Bodejev diagram proporcionalnega ventila, ki smo ga uporabili za hidravlični sistem. Iz diagrama je razvidno, da nam ojačanje pade na -3 db pri 100 % vhodnem signalu nekje pri 70 Hz. 7

2.3 Krmilnik S7-1200 Za vodenje hidravličnega sistema smo uporabili Siemensov programirljiv logični krmilnik (PLC) (slika 2.7), oznake 1214C AC/DC/Rly. Številka v oznaki krmilnika se nanaša na tip vgrajenega procesorja, drugi del oznake nam pove, da se krmilnik priključi na izmenično napetost, ki se pretvori na 24 V enosmerne napetosti in vgrajene ima relejske izhode. Je modularne zgradbe, kar pomeni, da lahko dodajamo razširitvene module in signalne kartice v odvisnosti od zahtev avtomatizacije. Na ta tip krmilnika je možno priklopiti največ 8 razširitvenih modulov, eno signalno ploščo in 3 komunikacijske module. Razširitveni moduli so lahko za analogne ali digitalne signale ter prilagojeni za termočlene in posebne senzorje. Signalne plošče imajo enake funkcije kot razširitveni moduli, vendar imajo manj fizičnih priključkov za signale in na krmilnik lahko priklopimo hkrati le eno. Komunikacijske module uporabljamo za komunikacijo med računalnikom in več krmilniki, krmilniki med sabo ali pri uporabi grafičnih prikazovalnikov in tipkovnic (HMI). Slika 2.7:Siemensov krmilnik S7-1200 8

Krmilnik S7-1200 se uporablja za enostavno in srednje zahtevno avtomatizacijo in je uspešen naslednik starejše družine Siemensovih krmilnikov S7-200. Poleg sodobne oblike ima integriranih mnogo funkcij kot so: - 6 hitrih števcev (HSC) s frekvenco do 100kHz, - Vgrajen ethernet priključek, za enostavno komunikacijo z računalnikom, - Pulzno-širinska modulacija, - Napajalnik vgrajen v krmilnik, - Priključitev na izmenično napetost, - Relejski izhodi do 2 A na en izhod, - Pregledno programsko okolje TIAportal, - Ura realnega časa, - Reža za spominsko kartico, - Možno spremljanja programa v delovanju za lažje diagnosticiranje napak [10]. V našem primeru smo uporabili osnovni krmilnik, ki ima na sebi 14 digitalnih vhodov, 10 digitalnih izhodov in 2 analogna vhoda od 0 do +10 V. Za naše zahteve je število vhodov in izhodov zadoščalo, vendar smo potrebovali še 1 analogni izhod na katerega bomo priključili elektroniko ventila, zato smo dodali še signalno karto SB 1232 (slika 2.8). Z njo smo pridobili 12 bitni analogni izhod od -10 do +10 V. Slika 2.8: Signalna karta z analognim izhodom 9

V tabeli 2.2 so razvidni osnovni podatki krmilnika. Vsi podatki krmilnika so povzeti iz tehnične dokumentacije [2]. Tabela 2.3 : Tehnični podatki krmilnika [2] 10

2.4 Inkrementalni dajalnik Za merjenje pomika batnice hidravličnega valja smo uporabili inkrementalni dajalnik proizvajalca ELGO Electronic, ki je sestavljen iz merilne letve in drsnika. Merilna letev je sestavljena iz magnetnega traka, ki ima majhna območja nasprotno polarizirana. Razdalja med merilno letvijo in zajemalno glavo je lahko nekaj milimetrov, zato je takšen način meritve pomika brezkontaktni. Drsnik ali merilna glava senzorja je elektronika, ki zaznava namagnetena območja in to pretvarja v pravokotni signal oziroma pulze. Inkrementalni dajalnik nam ne daje absolutnega položaja, saj je izhodni signal periodičen in enak na celotnem območju. Za natančno meritev moramo ob vklopu naprave vzpostaviti začetni položaj in resetirati števce, ki štejejo pulze iz merilnika. V ta namen smo za določitve končne lege hoda hidravličnega valja uporabili induktivni končni stikali. Slika 2.9: Inkrementalni dajalnik [11] Merilnik napajamo direktno iz krmilnika z enosmerno napetostjo 24 V, izhodne signale (slika 2.10) povežemo na digitalne vhode krmilnika, kot je prikazano na sliki 3.17. Uporabili smo dva signala ''A'' in ''B'', ki sta zamaknjena za 90. S pomočjo zamika teh dveh signalov lahko določimo smer giba merilnika. Tretji izhod iz merilnika je ''Z'' pulz na vsaka 2 milimetra hoda, ki se uporablja za preverjanje delovanja merilnika in z njim lahko dosežemo večjo resolucijo. Na razpolago imamo še negirane signale, kar lahko služi za izdelavo zanesljivejšega sistema. Frekvenca izhodnega signal je odvisna predvsem od hitrosti pomika in resolucije merilnika, običajni števci v TIA Portalu ne bi bili dovolj hitri in ne bi ujeli vseh pulzov, zato se za takšne aplikacije uporabljajo hitri števci. Uporaba teh bo v nadaljevanju podrobneje razložena. 11

Slika 2.10: izhodni signali inkrementalnega dajalnika [11] Tehnični podatki merilnika PMIX-01.5-3-00-0200-M2, proizvajalca ELGO Electronic - Napajalna napetost: 10-30 V, - Izhodni signal: pulzi 10-30 V, - Hod 200 mm, - Merilna sonda EMIX2 (resolucija 0,01 mm), - Maksimalna hitrost giba 4 m/s, - Temperaturno območje delovanja od -10 do 70 C, - Dolžina kabla 1,5 m, - Luknje za pritrditev ø5 mm. Tabela 2.4: Prednosti in slabosti inkrementalnih dajalnikov Prednosti: - Brezkontaktna meritev, - Enostavna montaža in uporaba, - Doseganje velikih točnosti, - Neobčutljivost na prah, olje, maščobo in opilke. Slabosti: - Omejeno temperaturno območje, - Napake zaradi temperaturnih nihanj, - Podajanje relativnega položaja, - Dražji od analognih linearnih potenciometrov. 12

2.5 Induktivna končna stikala Za končni stikali smo uporabili induktivni stikali proizvajalca OMRON z oznako E2B-S08KS01- WP-B2 2M. V industriji so pogosto uporabljena, saj delujejo brez dotika. Zaradi svoje robustnosti in obstojnosti so nepogrešljiv element avtomatizacije, še posebej tam, kjer je zahteva po brezkontaktnem zaznavanju kovine. Slika 2.11: Induktivno končno stikalo [12] Delujejo na osnovi oscilatorskega vezja, ki se mu spreminja frekvenca ob prisotnosti kovine. Osnovna frekvenca osciliranja je običajno od 10 khz do 1 MHz. Zaradi induciranih vrtinčnih tokov, ki se pojavijo v kovini ko jo približamo, nastajajo izgube. Posledično se frekvenca osciliranja zmanjša in to zazna preklopna stopnja senzorja. Preklop se zgodi ob točno določeni razdalji senzorja od kovine, ta razdalja je določena ob zasnovi senzorja. Izhodni signal je visok ali nizek napetostni nivo odvisno od tipa senzorja. V našem primeru dobimo ob prisotnosti kovine visok napetostni nivo. Tehnični podatki uporabljenega induktivnega senzorja z oznako E2B-S08KS01-WP-B2 2M: - Navoj M8, - Napajalna napetost: 10-30 V, - Delovni kontakt, - Temperaturno območje: od -25 do +70 C - Do 2 mm dosega zaznavanja, - Dolžina kabla 2 m. 13

2.6 Hidravlični valj Je člen na koncu hidravličnega sistema, ki pretvarja hidravlično energijo v mehansko. Uporablja se za prenašanje velikih vertikalnih sil, zato ga najdemo v raznih stiskalnicah, dvigalih in v vsakem vozilu. Manj primeren je tam kjer nastopajo upogibni momenti, saj se tesnila obrabljajo enostransko in pride do puščanja. Kadar nastopajo tudi prečne sile, uporabimo hidravlični valj z večjim premerom batnice. Poznamo več vrst hidravličnih valjev: Enosmerno delujoč, Dvosmerno delujoč, Dvosmerno delujoč z obojestransko batnico, Plunžer in Tandem. Premaknemo ga tako, da medij pod tlakom dovedemo v komoro hidravličnega valja. Imamo dve komori: potisna, ki je na nasprotni strani batnice in vlečna, ki je na strani batnice. Tlak medija deluje na bat hidravličnega valja v eni komori, v drugi komori mora medij nemoteno iztekati. Z usmerjanjem medija v določeno komoro hidravličnega valja, določamo smer premikanja batnice. Na hitrost premikanja lahko vplivamo s spreminjanjem pretoka hidravlične tekočine, za kar smo uporabili proporcionalni ventil. V našem hidravličnem sistemu je uporabljen standardni dvosmerno delujoč hidravlični valj (slika 2.12) po ISO 6020-2 s podatki: Hod: 200 mm, Premer batnice: 31 mm, Premer bata 50 mm. Slika 2.12: 3-D model hidravličnega valja 14

3 MEHANSKI DEL HIDRAVLIČNEGA SISTEMA 3.1 Zasnova hidravličnega sistema V laboratoriju smo elektro-hidravličnemu sistemu dodali še vertikalni hidravlični valj krmiljen s proporcionalnim ventilom. Hidravlični agregat in servo-ventil sta bila povezana z gibkimi cevmi. Servo-ventil vodi horizontalen hidravlični valj. Na enako ohišje je bilo predvideno namestiti še vertikalen hidravličen valj, ki bo voden s proporcionalnim ventilom, kot kaže slika 3.1. Za lažjo predstavo smo izdelali 3-D model pritrditve v računalniškem programu za 3-D modeliranje, SolidWorks. Slika 3.1: Obstoječ hidravlični sistem 15

3.1.1 Hidravlična napeljava Najprej smo iskali rešitve za hidravlično napeljavo, saj je bila zahteva obdržati priklopljen servo-venti. Pred nakupom manjkajočih hidravličnih komponent, smo proučili več možnosti priključitve: Na razpolago smo imeli priključitev s T-kosama, s pomočjo katerih bi napajali oba hidravlična valja hkrati, kot prikazuje slika 3.2. Ker se nikoli ne uporabljata oba hidravlična valja hkrati in ob izvedbi te opcije bi potrebovali še dodatne cevi, se nismo odločili za takšno rešitev. Slika 3.2: Shema priključitve dveh ventilov s T-kosama Ena od možnosti je bila z mehanskimi ventili, ki bi jih ustrezno odpirali in zapirali glede na to, kateri hidravlični valj bi potrebovali. Ta ideja se je sprva zdela najugodnejša, vendar bi potrebovali dva ventila in dve dodatni cevi. Rešitev je podobna kot na sliki 3.2, vendar bi namesto T-kosov uporabili mehanska ventila. Takšna rešitev bi bila še dražja, zato se tudi za to opcijo nismo odločili. Tretja možnost je vključevala elektro-magnetni ventil (slika 3.3), ki bi usmeril hidravlično tekočino k tistemu hidravličnemu valju, ki bi ga potrebovali. Opcija je bila sodobna, vendar za naše potrebe predraga, saj ne bi preklapljali večkrat dnevno ampak le nekaj krat na leto. 16

Slika 3.3: Shema priključitve z dodatnim elektro-magnetnim ventilom Potem smo našli najugodnejšo rešitev s hitrimi spojkami. Takšna rešitev je bila najcenejša, saj smo lahko uporabili obstoječe gibke cevi in na njih namestili hitre spojke. Na eno cev smo namestili žensko hitro spojko na drugo moško, kot prikazuje slika 3.4. S takšno namestitvijo smo se zavarovali, da ne moremo zamenjati delovnega in povratnega voda. Edina pomanjkljivost je, da če želimo uporabiti drugi hidravlični valj kot je trenutno priklopljen, moramo fizično preklopiti cevi. 17

Slika 3.4: Shema priključitve s hitrimi spojkami 3.1.2 Način pritrditve hidravličnega valja na nosilec Ker se luknje iz podnožja hidravličnega valja niso ujemale z luknjami na nosilcu v laboratoriju, smo bili primorani izdelati vmesni element. Za lažjo predstavo smo izdelali 3-D modele več variant pritrditve. Na sliki 3.5 sta razvidni dve ugodni rešitvi med katerima smo se odločali. Slika 3.5: Dva možna načina pritrditve 18

Leva rešitve iz slike 3.5 z uporabljeno konzolo bi zahtevala dodatno izdelavo vmesne ploščice, ki bi bila z ene strani nameščena na konzolo in na drugi strani na hidravlični valj. Za to rešitev se nismo odločili, ker bi bilo potrebno na ploščici izdelati navojne izvrtine. Te bi morale biti izdelane zelo natančno, da bi se izvrtine na ploščici in hidravličnemu valju ujemale in posledično bi bila izdelava dražja. Za pritrditev ploščice bi morali posegati tudi v notranjost hidravličnega valja, saj bi jo privili od spredaj na že obstoječe vijake hidravličnega valja, kot prikazuje slika 3.6. Zaradi teh razlogov smo se raje odločili za desno rešitev iz slike 3.5. Slika 3.6: Hidravlični valj s ploščico za pritrditev na konzolo Odločili smo se, da bomo hidravlični valj, ki ima že izdelano podnožje z izvrtinami pritrdili na nosilec s pomočjo dveh podložnih ploščic, kot je razvidno na desnem primeru s slike 3.5. Takšen način pritrditve nam je prihranil kar nekaj dela, saj je bila izdelava dveh ploščic s štirimi izvrtinami precej enostavna. Poleg enostavne izdelave je ugodno tudi to, da lahko hidravlični valj kadarkoli obrnemo, kar lahko pride prav pri kakršni koli nadgradnji hidravličnega sistema. V primerjavi s konzolno pritrditvijo pa je ta način ugodnejši tudi zaradi prostorske stiske, saj je hidravlični valj nekaj centimetrov bližje nosilcu, s tem je pritrditev robustnejša prihranimo nekaj prostora v laboratoriju. in še 19

3.2 Izdelava manjkajočih mehanskih delov Zaradi lažje predstave in predstavitve idej smo se odločili za 3-D modele mehanskih delov. Napredna tehnologija nam je prihranila kar nekaj ur razmišljanja, saj nas je že 3-D model opozarjal na napake, ki bi jih sicer najverjetneje spregledali. Slika 3.7 predstavlja 3-D modele izdelanih mehanskih delov, ki smo jih uporabili pri sestavi, kot prikazuje slika 3.8. Slika 3.7: 3-D modeli mehanskih delov Slika 3.8: 3-D model pritrditve mehanskih delov 20

Pritrditev s podložnima ploščicama je podrobneje prikazana na sliki 3.9. S pomočjo 3-D modela pritrditve smo si pomagali pri dimenzijah, postavitvijo in določitvi dolžine vijakov. Slika 3.9: Pritrditev hidravličnega valja Za izdelavo dveh podložnih plošč smo izdelali delavniško risbo, ki je prikazana na sliki 3.10. Ploščici smo izdelali iz 10 mm debele pločevine. Za pritrditev hidravličnega valja na ploščici smo uporabili 4 vijake M12, zato smo izdelali izvrtine ø13. Za pritrditev ploščic na nosilec smo uporabili 4 vijake M16 in smo izdelali izvrtine ø18. izdelali smo malo večje izvrtine, kot so na podnožju hidravličnega valja in na nosilcu, zato smo za razdalje med izvrtinami lahko pustili odprte mere. 21

Slika 3.10: Delavniška risba podložnih plošč 22

3.3 Montaža hidravličnega valja na nosilec Pred montažo hidravličnega valja smo vse površine mehanskih delov zbrusili in očistili, da so bile pripravljene za barvanje. Uporabili smo barvo v spreju, ki je odporna na udarce in maščobo. Nanašali smo jo z več tankimi sloji in s tem zaščitili mehanske dele pred udarci in maščobami, ter dosegli estetski videz. Ko se je barva posušila, smo začeli z montažo. Najprej smo privili podložni ploščici na hidravlični valj. Potem smo vse skupaj pritrdili na nosilec in sledilo je vijačenje hidravličnih priključkov. Slika 3.11 prikazuje nameščen hidravlični valj levo, v primerjavi s 3-D modelom desno. Slika 3.11: Pritrditev realnega hidravličnega valja in 3-D model 23

3.4 Postavitev hidravlične mreže Na sliki 3.12 je prikazana hidravlična shema sistema, ki ga sestavljajo: Hidravlični agregat z zobniško hidravlično črpalko, tlačno omejevalni ventil, oljni filter na delovnem vodu, manometer, cevovod, proporcionalni ventil in vertikalen hidravlični valj. Shemo smo izdelali v računalniškem programu FluidSIM. Iz simbola proporcionalnega ventila je razvidno, da vzmet potisne drsnik ventila skrajno desno. Takrat sta priključka ''A'' in ''B'' povezana z rezervoarju hidravličnega sistema in batnica se lahko prosto premika. Olje ki ga črpalka pritiska do ventila, gre takrat skozi varnostni ventil v rezervoar. Ob vključitvi elektronike ventila se drsnik ventila postavi v srednji položaj, ki blokira batnico hidravličnega valja. Z analognim signalom premikamo drsnik levo in desno ter s tem spreminjamo smer in pretok hidravlične tekočine po že prej omenjeni karakteristični krivulji proporcionalnega ventila na sliki 2.5. Slika 3.12: Shema hidravlične priključitve sistema 24

Gibke hidravlične cevi smo priključil s pomočjo hitrih spojk, kot prikazuje slika 3.13. Na koncu smo priklopili še proporcionalni ventil, ki smo ga namestili na priključno ploščo hidravličnega valja in s tem se niso pojavile dodatne izgube zardi cevovoda od ventila do hidravličnega valja. Takšen način priključitve je še posebej pomemben tam, kjer želimo dosegati velike točnosti in majhna nihanja hidravličnega sistema. Slika 3.13: Priključitev hidravlične napeljave 25

3.5 Izdelava merilnega mesta Za povratno informacijo o položaju batnice hidravličnega valja v končni legi smo uporabili dve induktivni končni stikali. Za informacijo o položaju batnice v vseh vmesnih točkah služi inkrementalni dajalnik. Za pritrditev teh treh elementov smo konstruirali 3-D model merilnega mesta. Izdelali smo več možnih variant in na podlagi 3-D modelov izbrali najugodnejšo rešitev, ki je prikazana na sliki 3.14. Slika 3.14: Merilno mesto Potrebno je bilo izdelati dva glavna dela: Nosilec, ki je pritrjen na batnico hidravličnega valja. Njegova glavna naloga je proženje induktivnih končnih stikal, na njega je pritrjen še gibljivi del merilnika pozicije. Nosilec na katerega smo pritrdili končni stikali in merilnik pozicije. Vse skupaj smo pritrdili z dvema vijakoma na podnožje hidravličnega valja. Takšna pritrditev je ugodna, saj omogoči v primeru premaknitve hidravličnega valja, tudi preprosto premaknitev merilnega mesta. 26

Za oba nosilca smo izdelali delavniško risbo, po kateri smo ju izdelali. Potem smo vse površine pripravili za barvanje in jih pobarvali z enakim sprejem kot hidravlični valj. Nato smo merilno mesto namestili na hidravlični valj, kot prikazuje slika 3.15. Slika 3.15: Hidravlični valj in merilno mesto Na nosilcu, kjer so pritrjena induktivna končna stikala smo izdelali podolgovato izvrtino. V njo lahko namestimo več končnih stikal, poleg tega jih lahko poljubno vzdolžno pomikamo. Pomikanje senzorjev omogoči njihova praktična oblika, ki je podobna vijaku. Na vsako stran nosilca namestimo eno matico, s privijanjem in odvijanjem matic nastavljamo oddaljenost senzorja od prožilnega nosilca. 27

3.6 Izdelava komandne plošče Na sliki 3.16 je prikazana komandna plošča, ki smo jo izdelali iz električne razvodnice v katero smo izvrtali izvrtine za stikala in indikatorske lučke. Na levi strani so stikala: VKLOP /IZKLOP, START, STOP in ZASILNI IZKLOP. S pomočjo spajkanja smo na enem koncu vodnika pritrdili stikala in na drugem male banane, ki jih lahko priklopimo na simulacijsko ploščo krmilnika ali direktno na krmilnik. Na desni strani komandne plošče so indikatorske lučke, te so priklopljene po enakem principu kot stikala. Iz komandne plošče sta napeljana dva vodnika. Prvi vodnik povezuje stikala, ki jih priključimo na digitalne vhode krmilnika in drugi, ki povezuje indikatorske lučke, te priključimo na digitalne izhode krmilnika po shemi na sliki 3.17. Slika 3.16: Komandna plošča Za izdelavo komandne plošče smo se odločili iz več razlogov: - Vodenje in nadzor hidravličnega sistema, - Vizualizacija procesa, - Tipke in indikatorske lučke na enem mestu, - Priključitev na simulacijsko ploščo, - Možnost uporabe pri drugih projektih. 28

3.7 Ožičenje sistema Pri krmilju smo uporabili 8 digitalnih vhodov, 6 digitalnih izhodov in 1 analogni izhod. Na prva dva digitalna vhoda krmilnika (I0.0 in I0.1) sta priklopljena ''A'' in ''B'' signal iz inkrementalnega dajalnika (slika 3.17). Na naslednja dva vhoda (I0.2 in I0.3) sta priklopljeni induktivni končni stikali. Na ostale 4 vhode smo priklopili tipke iz komandne plošče. Ostalo nam je še 6 neizkoriščenih digitalnih vhodov, kar se lahko uporabi pri morebitni nadgradnji projekta. Za signalizacijo smo uporabili šest od desetih digitalnih izhodov na katere smo priključili indikatorske lučke iz komandne plošče. Analogni izhod, ki smo ga zagotovili z dodatno signalno ploščo smo povezali z elektroniko ventila. Inkrementalni dajalnik in končni stikali napajamo iz krmilnika (24 V). Podrobnejša priključitev je prikazana na sliki 3.17. Slika 3.17: Vezalna shema priključitve krmilnika 29

4 KRMILNI DEL HIDRAVLIČNEGA SISTEMA 4.1 Programiranje PLC Za programiranje novejših Siemensovih PLC-jev je razvito programsko orodje Totally Integrated Automation Portal (TIA Portal). Namenjeno je za popolno avtomatizacijo industrijskih procesov. V programu lahko dodamo Siemensove industrijske krmilnike generacije S7-300 in novejše. V nadaljevanju bo opisana uporaba hitrih števcev in primer krmilnega programa za proporcionalni ventil. 4.1.1 Hitri števci Glavna značilnost hitrih števcev (HSC) je, da lahko štejejo hitreje od izvajanja glavnega programa (OB1). Če je frekvenca štetja impulzov manjša od izvajanja glavnega programa, potem so temu namenjeni števec navzgor (CTU), števec navzdol (CTD) in števec navzgor navzdol (CTUD). Najpogosteje se hitri števci uporabljajo pri inkrementalnih dajalnikih, saj se z večanjem natančnosti merilnika in hitrostjo pomika veča tudi frekvenca izhodnega signala. Poleg tega v primerjavi z analognimi potenciometri ni potrebna analogno-digitalna pretvorba, saj nam številka prešteta s hitrim števcem pove relativno razdaljo prepotovano od zadnje ponastavitve števca. Pri krmilniku S7-1200, ki smo ga uporabili, imamo na razpolago 6 hitrih števcev. Trije lahko štejejo z maksimalno frekvenco 100 khz na enem digitalnem vhodu in ostali trije z maksimalno frekvenco štetja 30 khz na en digitalen vhod. Vsak hitri števec lahko šteje po štirih možnih načinih: enofazni števec navzgor, enofazni števec navzgor navzdol, ''A'' in ''B'' fazni števec zaznava le pozitivne fronte pulza, ''A'' in ''B'' fazni kvadraturni števec zaznava pozitivne in negativne fronte pulza. Možna sta dva načina delovanja hitrih števcev: frekvenčno (število pulzov v 0.01, 0.1 ali 1.0 sekundnem intervalu) ali štetje impulzov. Prvi način nam lahko koristi za določitev hitrosti pomika, drugi pa za določitev prepotovane razdalje. Uporabili smo drugi način, saj nas zanima pozicija hidravličnega valja. 30

Vsak hitri števec posebej je možno omogočiti. Z omogočitvijo mu je dodeljen naslov za vhodne signale. Kateri vhodi so povezani s točno določenim hitrim števcem prikazuje tabela 4.1. Ker se lahko enaki vhodi ponovijo pri dveh hitrih števcih, moramo paziti pri konfiguraciji, da ni en vhod uporabljen hkrati pri dvema hitrima števcema. Enofazni števci: C je pulzni vhod, [d] lahko služi za določitev smeri in [R] je zunanja ponastavitev vrednosti števca na določeno vrednost. Dvofazni števci: CU je signal, ki proži števec navzgor, CD je signal, ki proži števec navzdol, [R] ima enako funkcijo kot v prejšnjem primeru. AB števci: ''A'' in ''B'' sta signala iz inkrementalnega dajalnika zamaknjena za 90, [R] ima enako funkcijo kot v prejšnjih primerih. Tabela 4.1: Digitalni vhodi hitrih števcev [2] Vrednost v hitrem števcu se hrani v privzet izhodni naslov, ki ga lahko tudi spreminjamo. Tabela 4.2 prikazuje privzete izhodne naslove za posamezne hitre števce. Tabela 4.2: Dodeljeni izhodni naslovi za hitre števce [2] 31

Tip krmilnika, ki smo ga uporabili omogoča konfiguracijo šestih hitrih števcev. Za uporabo določenega hitrega števca ga moramo omogočiti in nastaviti: Način štetja, tip števca, začetne vrednosti, način ponastavitve in možnosti prekinitev. Konfiguracija prvega hitrega števca (HSC1), uporabljenega v našem programu je prikazana v prilogi A. V glavnem programu lahko kličemo funkcijo CTRL_HSC, ki nam omogoči spreminjanje določenih parametrov hitrega števca med obratovanju. Spreminjamo lahko: Smeri štetja DIR, Ponastavitev trenutne vrednost CV, Postavitev nove referenčne vrednosti RV, Nova vrednost za periodo PERIOD (mogoče samo pri frekvenčnem merjenju), Smer štetja števca NEW_DIR, Zapis vrednosti v števec NEW_CV, Zapis referenčne vrednosti v števec NEW_RV, Vrednost nove periode NEW_PERIOD (mogoče samo pri frekvenčnem merjenju) [2]. 4.2 Zasnova krmilja 4.2.1 Besedni opis tehnoloških zahtev Krmilje s proporcionalnim ventilom vodi vertikalni hidravlični valj. Ciklično gibanje hidravličnega valja navzven in nazaj s spreminjanjem hitrosti batnice, krmili industrijski krmilnik S7-1200. Sistem vključimo s tipko START, prepričati se moramo, da smo pred tem zagnali hidravlični agregat. S tipko START se začne proces (delovanje hidravličnega valja po določeni trajektoriji, kot prikazuje slika 4.1), ki ga lahko prekinemo s tipko STOP ali ZASILNI IZKLOP. Proces se začne s hitrim gibom batnice navzven s hitrostjo 0,07 m/s do 10,5 cm hoda. Ko je dosežena ta razdalja, sledi počasen gib (0,03 m/s) do konca hoda, kar zazna spodnje končno stikalo. Sledi hiter gib nazaj (-0,7 m/s) do 3,5 cm hoda batnice, ko je dosežena razdalja se batnica s počasnim gibom (-0,03 m/s) vrne v prvoten položaj. Razdalje preklapljanja so označene na sliki 4.1 in hitrosti batnice razberemo iz grafa na sliki 5.1. 32

4.2.2 Tehnološka shema procesa 4.2.3 Prireditvena tabela Slika 4.1: Tehnološka shema procesa 33

4.2.4 Diagram stanj Diagram stanj na sliki 4.2 predstavlja vklopno-izklopno logiko ter način prižiganja indikatorskih lučk. Časovni potek delovanja batnice hidravličnega valja (proces) je prikazan na sliki 5.1 in se izvaja kadar je aktivno stanje ''DELOVANJE''. Slika 4.2: Časovni diagram prehajanja stanj 4.3 Opis krmilnega programa Krmilni program smo zasnovali s pomočjo grafičnega programiranja in sicer, s pomočjo lestvičnega diagrama (LAD) in funkcijskih blokovnih diagramov (FBD). Takšen način programiranja je enostaven in zelo pregleden. Celoten program je na voljo v prilogi B. Sestavljen je iz sedmih mrež (Networkov), ki so v nadaljevanju tudi podrobneje opisane: 1. Vklopno izklopna logika Prvi del krmilnega programa služi za preklapljanje med stanji. Točno določena kombinacija tipk nam aktivira ali resetira določeno stanje. Prehajanje med stanji podrobneje prikazuje slika 4.3. 34

Slika 4.3: Diagram stanj Če sprožimo tipko VKLOP se nam vzpostavi začetno stanje iz katerega lahko preidemo v delovanje, če sprožimo tipko START. Delovanje lahko prekinemo s tipko STOP ali ZASILNI IZKLOP. Če sprožimo tipko STOP, potem se sistem zaustavi in ga lahko nadaljujemo od iste točke s tipko START. V primeru, da se aktivira tipka ZASILNI IZKLOP, lahko sistem ponovno zaženemo le s tipko STOP. 2. Dodeljevanje hitrosti ob zagonu in prekinitvah V tem delu krmilnega programa se preverja katero stanje je aktivirano ter dodeli se hitrost gibanja batnice hidravličnega valja. Spremenljivka HITROST ima vrednost od -1000 do +1000. V 6. mreži se signal še prilagodi tako, da dobimo analogni izhod, ki ga priključimo s proporcionalnim ventilom od -10 do +10 V. V začetnem stanju je hitrost negativna kar pomeni, da se batnica vrača v zgornjo skrajno lego. Ko jo doseže, to sproži SENZOR1 in batnico blokira. Ko je aktivirano stanje zaustavitev, se batnica ustavi. Prav tako se batnica ustavi, če sistem izklopimo ali sprožimo tipko ZASILNI IZKLOP. 35

3. Hitri števec V tej mreži je klicana funkcija za hitre števce. Če hitri števec v nastavitvah krmilnika ne omogočimo, potem funkcija ne bo aktivna. V polje ''HSC'' vpišemo številko hitrega števca, ki smo ga omogočili. Priključili smo še povezavo ''CV'', kar nam resetira vrednost števca kadar je aktiviran SENZOR1. 4. Delovanje procesa Je glavni del krmilnega programa v katerem je določen proces delovanja batnice. Batnica se giblje tako, da izvede najprej hiter gib navzven do določene pozicije, ki jo določimo v programu (preverjamo vrednost INK_D). Potem sledi počasen gib do konca hoda. Ko je dosežena končna lega, sledi hiter gib batnice nazaj do določene pozicije, ki je spet definirana programsko, s pomočjo inkrementalnega dajalnika. Sledi počasen gib do začetne lege. Takšen proces se ponavlja dokler ga ne izklopimo ali prekinemo. 5. Dodeljevanje hitrosti ob delovanju V tej krmilni mreži se preverja katero stanje procesa je aktivno in se dodeli hitrost. Vrednost spremenljivke HITROST se odraža na hitrosti batnice. Pozitivna vrednost pomeni gib navzven in negativna povratni gib. Večja kot je absolutna vrednost hitrosti, bolj hitro se batnica giblje. Da ne povzročamo velikih tlačnih udarov zaradi preklapljanja proporcionalnega ventila, smo dodali še inkrement, ki v vsakem ciklu programa prišteje določeno vrednost dokler ne doseže željene. Slika 4.4 prikazuje stopničast prehod signala levo in mehki prehod desno. Slika 4.4: Prehajanje signala 36

6. Prilagoditev signalov V tej krmilni mreži se vhodni signal (HITROST), ki lahko ima vrednosti od -1000 do 1000 pretvori v vrednost od -27648 do +27648. To krmilnik pretvori z digitalno analognim pretvornikom v analogni signal od -10 do +10 V, ki ga peljemo na elektroniko proporcionalnega ventila. Takšno pretvorbo smo izvedli s pomočjo blokov NORM_X in SCALE_X, ki se uporabljata za prilagajanje vrednosti. Ker izhod iz bloka NORM_X ni mogoče direktno povezat v blok SCALE_X, je potrebno vmesno vrednost shranit v spremenljivko (REAL). 7. Signalizacija V tem delu krmilnega programa se določi logika vklapljanja in izklapljanja indikatorskih lučk na komandni plošči. Krmilni program je zasnovan tako, da so v zgornjem položaju batnice prižgane vse štiri oranžne luči. Potem se izklapljajo po vrsti od najvišje do najnižje, ko se batnica pomika navzdol hkrati sveti zelena luč. Ob gibu batnice navzgor sveti rdeča luč, oranžne lučke se prižigajo od najnižje do najvišje. 37

5 ANALIZA REZULTATOV Izdelan je bil hidravlični sistem od mehanskih do električnih delov, 3-D model mehanskih delov ter krmilni program za odprto-zančno vodenje sistema. Glavni elementi hidravličnega sistema so: hidravlični agregat, hidravlični valj, industrijski krmilnik in proporcionalni ventil. Za odprtozančno vodenje oziroma krmilje smo se odločili zaradi priporočil proizvajalcev proporcionalnih ventilov. V kombinaciji s proporcionalnem ventilu smo uporabili inkrementalni dajalnik, ki daje informacijo o poziciji batnice po celotnem hodu in izboljša natančnost sistema, v primerjavi z uporabo samo končnih stikal. Proporcionalni ventil ima v primerjavi z več položajnim potnim ventilom možnost zveznega nastavljanja pretoka. Ker takšen hidravličen ventil ob odpiranju in zapiranju premika večjo maso drsnika in jedro tuljave, ima posledično daljši odzivni čas (v primerjavi s servo-ventili) in je le pogojno primeren za regulacijo. Ker je lastna frekvenca uporabljenega hidravličnega sistema relativno visoka in je proporcionalni ventil prepočasen za izvedbo regulacije, smo se odločili, da ga bomo uporabili pri odprto-zančnem vodenju hidravličnega valja po definirani trajektoriji. Za zasnovo hidravličnega sistema smo v laboratoriju imeli na razpolago zgoraj naštete elemente. Za njih smo našli potrebne podatke in preučili možnosti uporabe predvsem proporcionalnega ventila. Sledile so prostoročne skice in popis manjkajočih delov. Za manjkajoče mehanske dele smo izdelali tehnično dukomentacijo in jih lastnoročno obdelali. Sledila je fizična montaža hidravličnega sistema. Najprej smo privili hidravlični valj na nosilec, nato smo priključili hidravlično napeljavo in nazadnje privili proporcionalni ventil. Ko smo imeli izdelane in privijačene mehanske dele, smo se posvetili električnemu delu sistema. Kupili smo induktivna stikala in inkrementalni dajalnik ter narisali električno shemo priključitve krmilnika, elektronike ventila, končnih stikal, inkrementalnega dajalnika, tipk in indikatorskih lučk. Po shemi smo povezali komponente med sabo in sledila je avtomatizacija sistema v programskem okolju TIA Portal. Za lažjo vodenje sistema in bolj pregledno signalizacijo smo izdelali komandno ploščo. Na njej so štiri tipke in šest indikatorskih lučk. Zasnovali smo jo iz električne razvodnice, v njo smo izvrtali izvrtine in v njih vstavili tipke in lučke. 38

Uspeli smo nastavljat hitrost batnice in jo pozicionirat glede na zastavljene točke, kot prikazuje graf na sliki 5.1. Proces se začne s hitrim gibom batnice navzven do pozicije, ki jo določimo programsko (TIA Portal). Potem sledi počasen gib do konca hoda batnice. Sledi vračanje batnice s hitrim gibom, pred koncem hoda se ji hitrost zmanjša. Najprej smo želeli proces izvesti s pomočjo štirih induktivnih končnik stikal. Potem smo z uporabo inkrementalnega dajalnika pridobili še informacijo o poziciji v vseh vmesnih točkah. Uporaba merilnika v nadaljevanju projekta omogoči izvedbo zaprto-zančnega vodenja oziroma regulacijo hidravličnega sistema. Slika 5.1: Graf Hitrosti batnice v odvisnosti od časa 39

6 SKLEP Realizirali smo hidravlični sistem od mehanskih do električnih delov in s tem izpolnili glavni cilj projekta. Naredili smo krmilje za pozicioniranje hidravličnega valja po definirani trajektoriji z uporabo proporcionalnega ventila in industrijskega krmilnika. Izdelali smo potrebno dokumentacijo za izdelavo in nabavo manjkajočih priključnih delov. Za lažjo predstavo in večjo predstavitveno vrednost smo izdelali 3-D model mehanskih delov. Zasnovali smo hidravlično shemo napeljave in električno shemo priključitve naprave z industrijskum krmilnikom in senzorji. Sledila je fizična montaža mahenskih delov in izvedba hidravlične mreže. Ko je bil sistem fizično priklopljen je sledilo programiranje krmilnika. Zasnovali smo krmilni program za avtomatično zvezno vodenje vertikalnega hidravličnega valja in napisali navodila za uporabo hidravličnega sistema. Če bi na batnico hidravličnega valja namestili dodatno maso, se bi mu posledično lastna frekvenca zmanjšala. S tem bi bil izpolnjen en pogoj več, ki v nadaljevanju projekta omogoča regulacijo. Frekvenca reguliranega sistema bi bila nekajkrat manjša od sistema, ki ga regulira.. 40

LITERATURA [1] Jelali, M., Kroll, A. Hydraulic Servo-systems: Modelling, Identification and Control. London: Springer, cop., 2003. [2] Siemensov priročnik: S7-1200 Programmable Controller System Manual, dostopno na: https://cache.industry.siemens.com/dl/files/465/36932465/att_106119/v1/s71200_system_ma nual_en-us_en-us.pdf [9.8.2017]. [3] Siemensov priročnik: Siemens Easy Book Manual, dostopno na: https://support.industry.siemens.com/cs/document/39710145/simatic-s7-1200-easybook?dti=0&lc=en-ww [9.8.2017]. [4] Ritonja J. Industrijska krmilja, strojna in programska oprema krmilnikov S7-300, 1999. [5] Detiček, E., Uroš, Ž. An intelligent Electro-hydraulic Servo Drive Positioning. Strojniški vmesnik-journal of Mechanichal Engineering, vol. 57, (2011). [6] Hidravlični agregat, Dostopno na: http://www.ulbrich.si/machines-industrialhydraulics/tds_argo_hytos_sa4_hydraulic_power_pack_modular_system_eng.pdf [9.8.2017]. [7] Proporcionalna hidravlika, Dostopno na: http://www.festodidactic.com/ov3/media/customers/1100/0060739001156253276.pdf [9.8.2017]. [8] Proporcionalni ventil, Dostopno na: http://www.kanflu.com/assets/uploads/servo- VALVE-4WRPH6-2X-WITH-FEEDBACK-RE29028.pdf [9.8.2017]. [9] Karakteristična krivulja, Dostopno na: http://www.gpmhydraulic.com/proportionalvalveswebinar.pdf [9.8.2017]. [10] Krmilnik S7-1200, Dostopno na: https://www.svet-el.si/o-reviji/predstavljamo/829- simatic-s7-1200 [9.8.2017]. [11] Inkrementalni dajalnik, Dostopno na: https://www.elgo.de/fileadmin/user_upload/pdf/flyer/sensors/pmix-000-fl-e.pdf [9.8.2017]. [12] induktivno končno stikalo, Dostopno na: http://www.dodiaelectricals.com/image/cache/data/selec/e2b-s08-270x270.jpg [9.8.2017]. [13] Forental V.I, Forental M.V., Nazarov F.M. Investigation of dynamic characteristics of the hydraulic drive with proportional control. Procedia Engineering 129 ( 2015 ) 695 701 41

PRILOGE Priloga A: Navodila TIA Portal (CD) Priloga B: Program krmilja TIA Portal (CD) Priloga C: Projekt TIA Portal (CD) Priloga D: Tehniška dokumentacija mehanskih delov (CD) Priloga E: 3-D model elementov Solidworks (CD) Priloga F: Film delovanja procesa (C 42

0