AVTOMATIZACIJA INDUSTRIJSKIH VRAT

UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO Denis Vincek AVTOMATIZACIJA INDUSTRIJSKIH VRAT Diplomsko delo Maribor, september 2018

UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO Denis Vincek AVTOMATIZACIJA INDUSTRIJSKIH VRAT Diplomsko delo Maribor, september 2018

AVTOMATIZACIJA INDUSTRIJSKIH VRAT Diplomsko delo Študent: Študijski program: Denis Vincek Univerzitetni študijski program Mehatronika Mentor FERI: Mentor FS: Lektorica: doc. dr. Darko Hercog doc. dr. Vito Tič prof. Jožica Megla Maribor, september 2018

ZAHVALA Zahvaljujem se doc. dr. Vitu Tiču in doc. dr. Darku Hercogu za pobudo, ideje in pomoč pri izvedbi diplomskega dela. Zahvaljujem se podjetju AJM okna-vrata-senčila d.o.o., donatorju, brez katerega bi bila izvedba naloge težavnejša. Prav tako se zahvaljujem svoji družini za vso podporo v času študija. I

Avtomatizacija industrijskih vrat Ključne besede: strojna in programska oprema, dvižna vrata, cevni motor, varnost, praktični preizkus UDK: 681.5:692.812(043.2) Povzetek Zadnjih nekaj let beležimo hiter napredek človeštva na različnih področjih. Razvite so bile moderne tehnologije, med drugim tudi informacijske tehnologije in tehnologije novih materialov. Napredek pri razvoju novih tehnologij nam je omogočil izdelavo predmetov po tekočem traku. Prednost tega je ta, da so izdelki narejeni hitreje in ceneje, a prav iz tega razloga včasih tudi niso tako kvalitetni kot ročna dela. Eden izmed takih predmetov so vrata. Dvižna vrata so danes nekaj vsakdanjega. S takšnimi vrati prihranimo veliko prostora, zato v garaži, delavnici ali v skladišču posledično ostane veliko več prostora, kot če bi se odločili za nakup navadnih vrat. Praviloma imajo sodobna avtomatska garažna vrata vgrajen kvaliteten elektromotorni pogon, takšna vrata pa se upravljajo z daljinskim upravljalnikom.»pametna«vrata s takimi funkcijami tudi veliko stanejo. Velika prednost v mojih sodobnih garažnih vratih je prav v tem, da so izdelana za industrijske namene. Prihranijo marsikateri nepotrebni korak, predvsem ob slabem vremenu nam je prihranjeno nepotrebno izstopanje iz avtomobila, viličarja. Še več, ob primernem krmilnem algoritmu je sistem varnejši pred zlorabami. Zato sem združil meni že znane naprave in jih s pomočjo pridobljenega znanja predelal v povsem nova dvižna vrata, pri tem pa je osrednji problem vzpostaviti ustrezno komunikacijo med strojno in programsko opremo. Tako dvižna naprava iz okolja sprejema informacije, ki jih po vpisanem algoritmu ustrezno obdela in preko izhoda opravi ustrezno korekcijo gibanja vrat. II

Automation of industrial door Key words: Hardware and software, rollup door, pipe motor, safety, practical test UDK: 681.5:692.812(043.2) Abstract Progress of humanity on different fields has been fast in the last few years. Modern technologies including information technologies and technologies of new materials were developed. Progress at development of new technologies made available production of objects on the conveyor. Advantage of this is faster and cheaper production. An example of such products are doors. Nowadays rollup doors are something ordinary and can be utilized to save space since classic doors take much more space to open. Usually modern garage doors have an electromotor drive and are controlled with a remote controller. Smart doors with such functions are very expensive. Advantage of modern rollup doors are automatic opening and closing and safety. I combined devices I know and processed them into new "smart" rollup door. "Smart" rollup device receives information from environment, processes them with algorythm and does proper correction via output. III

KAZALO VSEBINE 1 UVOD... 1 2 IDEJNI NAČRT... 4 2.1 Funkcionalni načrt... 4 2.2 Vezalni načrt... 6 2.3 Metoda praktičnega dela... 8 3 STROJNI DEL... 9 3.1 Načrt in nabava materiala... 9 3.2 Pozicija naprave in varnost... 10 3.3 Pogon... 12 3.4 Prikaz pozicije vrat in svetlobna signalizacija... 14 3.5 Krmilna logika... 15 3.6 Vklop in izklop vrat preko relejev... 17 3.7 Energetski del... 18 3.8 Laboratorijski model zaščitnih vrat... 18 3.9 Daljinski vklop vrat preko infrardeče povezave... 20 4 NAROČANJE KOMPONENT IN IZDELAVA MODELA... 21 4.1 Namig za izdelavo... 23 4.2 Postopek izdelave... 23 4.3 Zapleti pri izdelavi... 24 5 PROGRAMSKI DEL... 25 5.1 Algoritem... 25 5.2 Diagram poteka... 26 IV

5.3 Programiranje... 27 5.4 Strojna oprema za programiranje... 27 5.5 Programska oprema za programiranje TIA Portal... 27 5.6 Postopek programiranja... 28 5.7 Potek programiranja in program... 28 6 VARNOST... 34 7 SKLEP... 35 8 VIRI IN LITERATURA... 36 9 VIRI SLIK... 37 V

KAZALO SLIK Slika 1: Vrata starodavnega Salomonovega templja... 1 Slika 2: Navadna dvižna vrata... 2 Slika 3: Industrijska vrata (rolo)... 2 Slika 4: Funkcionalni načrt... 5 Slika 5: Vezava elektromotorja z glavno omaro... 6 Slika 6: Vezava PLK-ja z glavno omaro... 7 Slika 7: Končno stikalo... 10 Slika 8: Ultrazvožni senzor... 11 Slika 9: Fotocelica... 12 Slika 10: Cevni motor... 13 Slika 11: Kontrolna plošča s svetlobno signalizacijo... 14 Slika 12: HMI-vmesnik... 15 Slika 13: PLC Siemens S7-1200... 16 Slika 14: Vhodne in izhodne enote PLC-ja... 17 Slika 15: Komponente v izdelavi... 19 Slika 16: Laboratorijski model dvižnih vrat... 19 Slika 17: IR-sprejemnik in oddajnik... 20 Slika 18: Diagram poteka... 26 Slika 19: Tabela simbolov... 29 Slika 20: Mreža 1... 29 Slika 21: Mreža 2... 30 Slika 22: Mreža 3... 30 Slika 23: Mreža 4... 31 Slika 24: Mreža 5... 31 Slika 25: Mreža 6... 31 VI

Slika 26: Mreža 7... 32 Slika 27: Mreža 8... 32 Slika 28: Mreža 9... 32 Slika 29: Mreža 10... 33 Slika 30: Mreža 11... 33 Slika 31: Mreža 12... 33 VII

KAZALO TABEL Tabela 1: Seznam materiala... 21 VIII

SEZNAM SIMBOLOV IN KRATIC LCD tekoče kristalni zaslon zaslon izdelan iz tekočih kristalov IR infrared infrardeči ADC Analog-to-Digital Converter analogni digitalni pretvornik HMI Human-Machine Interface vmesnik človek-stroj PLK programirljivi logični krmilnik IX

1 UVOD Dejstvo je, da danes izdelava vseh vrst predmetov poteka po tekočem traku. Prednost tega je seveda ta, da so izdelki narejeni hitreje in ceneje, a prav iz tega razloga včasih tudi niso tako kvalitetni kot ročno izdelani. Eden izmed takih predmetov so predvsem vrata. Zgodovina vrat sega že v staro egiptovsko civilizacijo, kjer so ta prikazana kot enojna ali dvojna, a zmeraj iz enega kosa lesa. Nekoč so izdelovali vrata iz predvsem oljkovega lesa, cedrovine in hrastovine. Najstarejša vrata so bila izdelana iz oljkovega lesa in so bila pozlačena. Vrata pa so bila sestavni del starodavnega Salomonovega templja na ozemlju današnjega Izraela (Slika 1). Skozi zgodovino se je videz vrat spreminjal, spreminjali so se tudi materiali. Le namen je zmeraj ostal isti. Na zunaj kazati veličino stanovalcev, v notranjosti ločevati prostore in ohranjati zasebnost. Slika 1: Vrata starodavnega Salomonovega templja (vir: www.prostozidarstvo.si) V današnjem času pa lahko izbiramo med lesenimi, plastičnimi, kovinskimi vrati. Vsaka imajo seveda svoje prednosti, pa tudi slabosti. Vrata delimo na namen uporabe (vhodna, notranja, balkonska in garažna), druga delitev vrat je glede na uporabljen material (lesena, kovinska ali pa iz umetnih mas), tretja delitev vrat pa je glede na njihovo obliko (enokrilna, dvokrilna, 1

dvižna, drsna in pregibna). Diplomsko delo v nadaljevanju podrobneje obravnava industrijska dvižna vrata in njihovo avtomatizacijo. Dvižna vrata pa se razdelijo v še 2 podskupini: 1. Navadna dvižna vrata se odpirajo navpično navzgor, pod stropom se lomijo in zapeljejo po vodilih vodoravno v prostor. Takšen način dviganja vrat zagotavlja optimalen izkoristek prostora v garaži, prav tako pa dovoljuje tesno parkiranje pred garažo (Slika 2). Slika 2: Navadna dvižna vrata (vir: www.asteriks.net) 2. Industrijska vrata (rolo), so dobro toplotno in zvočno izolirana, imajo hitre pomike. Vrata so lahko izdelana v kombinaciji z osebnim prehodom (Slika 3). Slika 3: Industrijska vrata (rolo). (vir: www.avtooprema.com) 2

Industrijska vrata morajo delovati brezhibno, ne glede na to, ali so to dvižna industrijska vrata ali dvokrilna vrata. Vrata morajo biti varna pred vlomilci in za uporabnike čim bolj varna. Zaradi tega smo se odločili v sklopu diplomske naloge izdelati dvižna vrata na principu roloja, zanje narediti ustrezno avtomatizacijo, da bodo varna pred takšnimi in drugačnimi nevšečnostmi in da bodo lahko po funkcionalnosti primerljiva z vrati, ki so na tržišču. Izdelan laboratorijski model vrat bo služil kot prikaz realnih zaščitnih vrat in se bo uporabljal kot učilo v pedagoškem procesu. Na modelu vrat bomo lahko implementirali in testirali različne varnostne mehanizme in dodatne funkcionalnosti, ki bodo posledica zahtev posameznih strank. Krmilni del bo zgrajen iz močnostnega in signalnega dela, ter ohišja. Na ta način bo zagotovljeno napajanje motorja (močnostni del), izvajanje samega programa (signalni del z PLK-jem) in varnost (ohišje preprečevanje poškodb strojne opreme). 3

2 IDEJNI NAČRT Za raziskovalne in učne potrebe smo načrtovali in izdelali učni laboratorijski model industrijskih vrat. Laboratorijski model vrat je sestavljen iz strojne in programske opreme. 2.1 Funkcionalni načrt S pomočjo senzorjev nadzorujemo lego in položaj dvižnih vrat. Pridobljene podatke senzorji posredujejo krmilnemu delu, ki jih obdela po algoritmu. Obdeluje jih v programskem delu ter obdelane podatke posreduje na izhod (HMI-strojni vmesnik). Pomembne vrednosti se shranjujejo v podatkovnem delu in prikazujejo na HMI-prikazovalniku. Krmilni del glede na obdelane podatke posreduje močnostnemu vmesniku vrednosti v obliki električnih signalov. Vmesnik te signale po potrebi ojača na zahtevano vrednost in jih posreduje aktuatorjem. Ti izvršijo dejanja, ki vplivajo na lego dvižnih vrat. Uporabnik lahko krmili položaj vrat s pomočjo HMI vmesnika. Tako uporabnik še lažje pridobi informacije o stanju vrat. Najprej smo si zamislili delovanje sistema. S pomočjo realizacije smo prišli do funkcionalnega načrta, prikazanega na Slika 4. 4

Slika 4: Funkcionalni načrt Uporabnik v našem sistemu dobi informacije o položaju vrat iz samih vrat in iz HMI-vmesnika. Kadar uporabnik stopa v ali iz objekta, ki ga ločujejo dvižna vrata, lahko vpliva na položaj vrat s tipko ali daljincem. Temu delu rečemo aktivacijski del, saj sprožimo nek proces. Ta proces aktivira motor (v našem procesu so to vrata). Ta proces na osnovi trenutnega položaja vrat, ki ga pridobimo s senzorji, praviloma odreagira preko algoritma na vrata. Vrata se zaprejo oz. odprejo z uporabo električnega motorja. Za celotni del delovanja potrebujemo še energetski del in ustrezno napajanje. Ko je bil funkcionalni načrt izdelan, smo naročili komponente, hkrati pa smo preučevali njihove karakteristike in spletne vire s potrebnimi informacijami, da jih bomo kasneje pravilno povezali z logiko in jih koristno uporabili. Večino komponent je prispevalo podjetje MIEL, d.o.o., nekaj pa smo jih dobili od donatorjev, omenjenih v zahvali. 5

2.2 Vezalni načrt Vezalni načrt prikazuje medsebojno povezavo električnih komponent. Vezalni načrt je prikazan na Slika 5. Sistem je razdeljen na dva dela: načrt vezave elektromotorja z glavno omaro; vezava PLK-ja z glavno omaro. Slika 5: Vezava elektromotorja z glavno omaro 6

Po izdelavi vezave elektromotorja z glavno omaro je bilo potrebno izdelati varen sistem. Prvotno so se izdelali manjši vezalni načrti, ki so kasneje prešli v neko celoto. Sistem, kot je prikazan na sliki, nam omogoča, da na njem lahko poljubno izvajamo poizkuse, ne da bi ga poškodovali ali kakorkoli ob naši zmotljivosti uničili. Ob vklopu releja 1 in releja 2 motor nebo deloval zaradi varnosti. Varnostna vezava releja 1 je narejena tako, da ob vklopu releja 1 se sklene delovni kontakt in steče tok skozi mirovni kontakt na releju 2 in s tem poskrbimo za vklop motorja. Ob vklopu releja 2 pa se razklene in na osnovi tega varujemo delovanje motorja. Prav tako je izdelano enako za rele 2. Po vezavi v glavni omari pa je bilo potrebno še izdelati vezavo PLK-ja z glavno omaro. Ta vezava je prikazana na Slika 6. Prvotno je bilo potrebno določiti vhode PLK-ja in jih povezati z glavno omaro in kontrolnim panelom. Isto se je naredilo tudi z izhodi iz PLK-ja in jih prav tako povezali z glavno omaro in vsemi dodatnimi komponentami. Slika 6: Vezava PLK-ja z glavno omaro 7

2.3 Metoda praktičnega dela Pri izvajanju praktičnega dela smo izvedeli naslednje postopke: pregled trenutnega stanja tehnike in rešitev na področju avtomatizacije zaščitni vrat; zbiranje in študij literature; zbiranje idej za izdelavo laboratorijskega modela; nabava el. komponent (senzorji, tipke, luči ); testiranje delovanja posameznih komponent na preizkusni ploščici; načrtovanje in izdelava močnostnega vezja (aktuator za el. motor); načrtovanje in izdelava vezja za povezavo komponent s PLK-jem; snovanje algoritmov vodenja na izbranem krmilniku; testiranje. 8

3 STROJNI DEL Sestavljajo ga elektronske naprave in strojne komponente, ki so pritrjene na skupno ogrodje avtonomne naprave. 3.1 Načrt in nabava materiala Odločili smo se, da bomo avtonomni sistem za dvižna vrata izvedli v obliki laboratorijske makete, ki bodo delovala enako kot normalna vrata. Razlikovala se bodo od ostalih, kajti njihovo delovanje bo prikazano na laboratorijski maketi. Da bi sistem izdelali čim kvalitetneje in optimalno, smo najprej sestavili načrt, ki je vseboval skice laboratorijske makete z vgrajenimi komponentami in grafični opis algoritma za krmiljenje vrat. Nastali so tudi manjši načrti, s katerimi smo si neposredno pomagali pri delu (npr. razporeditev žičk in označevanje žičk). Ko je bil načrt izdelan, smo naročili komponente, hkrati pa smo preučevali njihove karakteristike in spletne vire s potrebnimi informacijami, da smo jih kasneje pravilno povezali z logiko in jih koristno uporabili. Večino komponent smo naročili na spletu (MIEL, d.o.o.), nekaj pa smo jih dobili od donatorjev, omenjenih v zahvali. Nekatere komponente pa smo uporabili kar iz odpadnih delov, ki niso bili uporabljeni zaradi neustreznosti (premajhne dimenzije itd.). 9

3.2 Pozicija naprave in varnost Pozicija naprave je ena izmed najpomembnejših tem te naloge, zato smo morali biti pozorni na to, da bomo izbrali iz našega stališča najbolj optimalne senzorje za pozicijo naprave. Sistem mora kot rezultat pozicije naprave ugotoviti, v katerem položaju so vrata: 1. Vrata zaprta. 2. Vrata odprta. Pri tem je potrebno poudariti, da lahko položaj naprave zaznavamo preko različnih rešitev. Ena izmed teh so končna stikala, ultrazvočni senzorji in bipolarni senzorji. Za zaznavanje lege dvižnih vrat v prostoru smo se odločili uporabiti klasična končna stikala, lahko pa bi tudi uporabili ultrazvočni senzor razdalje. Ta senzor je primernejši kot infrardeči senzor, saj bi lahko ogrozili delovanje infrardečega sprejemnika, ki pa je ključnega pomena. Tako bi lahko z ultrazvočnim senzorjem merili debelino vrat, ki nam pove položaj vrat. Klasična končna stikala so robustna in s tem bolj odporna in manj pokvarljiva. Primer takega končnega stikala je prikazan na Slika 7. Končna stikala nam signalizirajo: Slika 7: Končno stikalo (vir: www.elektronik.si) 10

1. Če je povožen kolešček na končnem stikalu (KS-1), nam pove, da se vrata nahajajo v spodnji legi (zaprta vrata). 2. Če je povožen kolešček na končnem stikalu (KS-2), nam pove, da se vrata nahajajo v zgornji legi (vrata odprta). Merjene veličine pa posredujejo krmilnemu delu. Položaj prisotnosti predmeta ali osebe lahko zaznavamo preko različnih rešitev. Ena izmed teh so končna stikala, ultrazvočni senzorji in bipolarni senzorji in še mnogo drugih senzorjev. Za zaznavanje prisotnosti predmetov oz. osebe v prostoru pred vrati smo se odločili uporabiti ultrazvočni senzor razdalje. Primer takega senzorja je prikazan na Slika 8. Slika 8: Ultrazvožni senzor Za varovanje pred poškodbami ob zapiranju vrat pa smo za zaznavanje prisotnosti predmeta ali osebe med vrati smo uporabili fotocelico, s katero lahko zaznavamo različne vrste materialov. Zunanji videz senzorja je prikaz na Slika 9. 11

Slika 9: Fotocelica 3.3 Pogon Pogon sistema služi za premikanje dvižnih vrat. Nuditi mora ustrezno hitrost premikanja in v primeru uporabe več pogonskih naprav njihovo usklajenost (enakomerno delovanje). Pogonskih sredstev je veliko, vendar so za ta sistem primerni le elektromotorji zaradi naslednjih razlogov: 1. Omogočajo primerno hitrost ter njeno regulacijo. 2. Porabljajo električno energijo, ki jo lahko enostavno shranimo in dovajamo do elektromotorja. 3. Krmilimo jih lahko neposredno z mikrokrmilnikom, PLK-ji, čeprav pogosto uporabljamo ojačevalne čipe. Bistveno je, da je logično stanje na priključku PLK enako logičnemu stanju na z njim povezanem priključku elektromotorja. 4. Na voljo so v manjših izvedbah, ki jih lahko namestimo v ohišja manjših sistemov. Tudi elektromotorjev je veliko vrst. Za pogon manjših sistemov se največkrat uporabljajo servomotorji, ki imajo že vgrajene prenose vrtilnega gibanja, ki jim zagotavljajo primerno hitrost vrtenja. Lahko pa se tudi za pogon uporablja koračne elektromotorje zaradi njihove funkcije. To je pozicioniranje vrat na osnovi korakov s pomočjo koračnih motorjev, ki hkrati 12

služijo tudi za pogon vrat. Prednost take metode je natančno pozicioniranje, ki je pomembno pri moji nalogi. Hkrati ima ta metoda tudi slabosti zahtevnejše krmiljenje in neenakomerno premikanje. Tak način pozicioniranja, merjenja (in premikanja glave) uporabljajo nekateri tiskalniki. S koračnim motorjem določamo pozicijo tako, da štejemo impulze, ki jih damo motorju za premik. Pri vsakem impulzu se motor zavrti za enak kot, zato domnevamo, da je ta metoda merjenja natančna. Za premikanje sistema so prav tako uporabni, še posebej natančno pa lahko nastavljam njegovo hitrost vrtenja, saj preprosto nastavim frekvenco pošiljanja pulzov iz krmilnika. Njihova slabost je sunkovito vrtenje, kar povzroči sunkovito gibanje sistema. To postane manj opazno pri večjih hitrostih vrtenja. Pojav je mogoče odpraviti s krmiljenjem s popolno sinusno napetostjo, česar zkrmilniki ne moremo izvesti neposredno. Del za pomik vrat: Za pomik sistema smo potrebovali motor, ki bi ustvaril dovolj navora za dvig vrat, ustvarjal majhen hrup ter majhno onesnaževanje okolja. Vsekakor pa mora imeti majhno porabo energije in zasesti majhno prostornino. Tem kriterijem so bili primerni elektromotorji (brezkrtačni, krtačni). Uporabili smo cevni motor znamke SOMFY. Ta je primernejši, saj nam ponuja večjo moč glede na njegovo majhnost. Hkrati pa najbolje ustreza zadanim kriterijem. Primer takega motorja je prikazan na Slika 10. Slika 10: Cevni motor (vir: www.floridaautomatedshade.com) 13

3.4 Prikaz pozicije vrat in svetlobna signalizacija Prikaz pozicije vrat je zadnji del postopka, ki ga mora opraviti sistem. Pri tem komunicira z ljudmi, zato mora biti vrsta komunikacije temu primerna. Komunicirali bi lahko preko pisave, svetlobe ali zvoka. Izbrali smo svetlobno signalizacijo, saj je zvočna komunikacija precej zahtevnejša in dražja. Za osnovno delovanje smo uporabili tri luči barv bela, zelena in rdeča. Bela luč je ponazarjala vklop ročnega ali avtomatskega delovanja. Zelena je ponazarjala dviganje vrat in ob dviganju je luč utripala z taktom 1 sekunde in ponazarjala, da so vrata v gibanju. Ob prihodu vrat v zgornjo lego in ob ustavitvi je gorela luč zeleno. Rdeča je ponazarjala spuščanje vrat in ob spuščanju je luč utripala z taktom 1 sekunde in ponazarjala, da so vrata v gibanju. Ob prihodu vrat v spodnjo lego in ob ustavitvi je gorela luč rdečo. Raje smo uporabili svetlobno signalizacijo s svetlobnimi telesi (Slika 11). V industriji je bolj vidna in manj občutljiva na razmere, ki se pojavljajo v industrijskih obratih (povečana temperatura, prah, voda itd.). Slika 11: Kontrolna plošča s svetlobno signalizacijo 14

Nadgradnja te signalizacije pa je uporaba HMI-vmesnika. Preko pisave lahko sistem komunicira z uporabo zaslona (HMI), lahko bi pa tudi preko tiskalnika, e-pošte itd. Manjše naprave za to pogosto uporabljajo majhne in cenovno ugodne HMI-vmesnike. Tudi teh je več vrst, za nas pa so pomembni le znakovni in grafični. Razlika med tema vrstama je, da lahko znakovni izpisuje le znake, grafični pa poljubno črno-belo bitno sliko, lahko pa tudi barvno. Za uporabo bi lahko uporabili HMI-vmesnika. Primer takega HMI-vmesnika je prikazan na Slika 12. Slika 12: HMI-vmesnik (vir: www.w3.siemens.com) 3.5 Krmilna logika Krmilna logika predstavlja osrednji del sistema, ki skrbi, da se določen proces izvaja v določenem zaporedju in obdeluje vhodne podatke. 15

Načinov za krmiljenje je veliko, najbolj primerna za sisteme, kot je ta in podobne, pa sta mikrokrmilnik in programirljivi logični krmilnik (PLK). V našem sistemu smo uporabili programirljivi logični krmilnik (PLK). Taki krmilniki se veliko uporabljajo v sistemih, kot je naš, saj so industrijski krmilniki in prav namenjeni industrijskemu krmiljenju. Prav tako se uporabljajo v večjih napravah v industriji, za upravljanje, krmiljenje in nadzorovanje in seveda za kakršne koli druge namene. Od mikrokrmilnikov se razlikujejo tudi v tem, da na mikrokrmilnik lahko priključimo različne senzorje, vendar morajo le-ti praviloma delovati na napajalni napetosti 3,3 V ali 5 V. Pri PLK so digitalne linije (vhodi/izhodi) 24 V. Primer PLC je prikazan na Slika 13. Slika 13: PLC Siemens S7-1200 (vir: www.siemens.com) Ker so za načrtovanje in izdelavo tiskanega vezja, potrebnega za delovanje mikrokrmilnika in njegovo uporabo, potrebni čas, znanje in oprema, na trgu najdemo že pripravljena tiskana vezja, ki vsebujejo mikrokrmilnik ter ostale elektronske elemente, potrebne za delovanje. Takšna vezja imajo tudi priključne sponke, na katere lahko priključimo poljubne naprave. Niso pa namenjena toliko industrijski uporabi, zato smo se odločili za uporabo PLC-ja. 16

Odločili smo se za uporabo PLC-ja Siemens S7-1200 kateri je tudi na voljo v laboratoriju in ustreza zahtevam našega sistema. PLC vsebuje specializirano obliko mikrokrmilnika s programabilnim spominom. V osnovi je zgrajen iz: 1. centralno procesne enote; 2. vhodno/izhodne enote; 3. napajalne enote. Vhodne in izhodne enote PLC-ja prikazuje Slika 14. Slika 14: Vhodne in izhodne enote PLC-ja (vir: www.pef.uni-lj.si) 3.6 Vklop in izklop vrat preko relejev Releji poskrbijo za vklapljanje bremen (v našem primeru je breme motor). Na delovanje vrat oz. motorja lahko vplivamo samo preko relejev, ki jih prožimo s PLC-jem. PLC nam da na izhodu 24 V, kar pa ne zadostuje motorju, saj potrebuje za napajanje 230 V. Z rabo dveh relejev smo omogočili motorju zasuk v obe smeri in omogočili krmilniku vplivanje preko motorja na položaj vrat. Ker pa gre v našem primeru za laboratorijski model vrat morama poskrbeti tudi za zaščito v primeru hkratnega vklopa relejev za zasuk v posamezno smer. Zato smo vezje zasnovali tako, da v primeru proženja obeh relejev hkrati, napetost ne doseže elektromotorja za pogon vrat. 17

3.7 Energetski del Energetski del je del, ki dvižna vrata poveže v celoto in je nujno potreben za delovanje. Potrebujemo ga za napajanje vseh elektronskih naprav, ki jih uporabljamo v sistemu. Zaradi tega mora za naš sistem biti zagotovljena stalna napetost 12 V in dovolj velik tok za krmilni del in 230 V za pogonski oz. delovni del. Odločili smo se za uporabo usmernika, ki izmenično napetost sinusoidne oblike pretvori v enosmerno napetost. Le-to smo uporabili za napajanje krmilnega dela. Pogonski del pa deluje na izmenični napetosti (230 V), zato ne potrebujemo usmernika. 3.8 Laboratorijski model zaščitnih vrat Dvižna garažna vrata smo izdelali v obliki laboratorijskega modela. Vrata so za zasebno uporabo na elektromotorni pogon in upravljanje preko tipk. Odpirajo se navpično navzgor in se navijejo po vodilih na cevni motor. Najprej smo izdelali vse potrebne komponente, iz katerih smo oblikovali končni videz vrat. Nekaj teh komponent je prikazanih na Slika 15. 18

Slika 15: Komponente v izdelavi Po izdelavi vseh komponent je sledilo sestavljanje komponent v celoto. Pri tem je bilo zelo pomembno, da poskrbimo za varnost, preprečimo morebiten stik z napetostjo in sistem čim bolj zapremo. Zato se je izdelalo ohišje, ki bo varovalo uporabnike pred navedenimi nevarnostmi, hkrati pa bo omogočen lahek prenos modela na drugo lokacijo. Videz dvižnih vrat je prikazan na Slika 16. Slika 16: Laboratorijski model dvižnih vrat 19

3.9 Daljinski vklop vrat preko infrardeče povezave Vezje omogoča daljinsko krmiljenje dvižnih vrat. Za krmiljenje potrebujemo oddajnik in sprejemnik. Daljinec oz. oddajnik je naprava, ki oddaja signal, sprejemnik pa sprejema signal in ga posreduje krmilnemu delu (Slika 17). Slika 17: IR-sprejemnik in oddajnik (vir: www.superstrela.com) 20

4 NAROČANJE KOMPONENT IN IZDELAVA MODELA V tehniki vsaka izdelava prototipa nekaj stane. Običajno razvijalec nima zadostnih finančnih sredstev, zato razvije izdelek za znanega naročnika ali si poišče donatorja. Na podoben način je tudi nam uspelo pridobiti interes podjetja, ki je vložilo svoja sredstva in nam s tem delno omogočilo nemoteno izdelavo prototipa. Vse se začne s prošnjo, v kateri skušamo zainteresirati potencialnega donatorja, da nam omogoči razgovor, kjer mu podrobneje predstavimo idejo in potreben material za izdelavo, kot je razvidno iz Tabela 1: Seznam materiala. Po razgovoru in ob interesu doniranja potencialnega donatorja pripravimo donatorsko pogodbo, pri kateri moramo upoštevati postopek pridobivanja donatorskih sredstev v Sloveniji in Evropski uniji. Tabela 1: Seznam materiala Material Cevni motor Tipka (odpiranje/zapiranje) Stikalo ON/OF Stikalo v sili (varovalno) Končna stikala (ZC-W255) Varovanje, foto senzor (E3Z 24 VDC) Analogni senzor Količina 1 kom. 2 kom. 1 kom. 1 kom. 2 kom. 1 kom. 1 kom. 21

približevanja Luč (rdeča, zelena, rumena) IR-sprejemnik in oddajnik Nosilec makete ALU Minitec 45X45 Ohišje za rele in priklop 230 Rele 2 polni (LY2-D) Priklopna plošča na sprednji strani ( 4 mm puše) Ohišje Schrack z pušami in lučkami Časovni releji 3 kom. 1 kom. 2 kom. 1 kom. 2 kom. 1 kom. 1 paket 4 kom. Dovodni kabel Ohišje na 3 luknje Piskač PLK HMI Barva siva 1 kom. 3 kom. 1 kom. 1 kom. 1 kom. 3 kom. Ostali material (vijaki, matice, navojne palice, termo skrčke, cin, itd.) 22

4.1 Namig za izdelavo Izdelava prototipa oz. makete nam ni delala večjih težav. Pri praktičnem delu smo pridobili nekaj dragocenih izkušenj: 1. Priporočamo, da ob začetku ocenite strošek izdelave. 2. Ker se pri sestavi sistema v delujočo celoto srečamo z visoko napetostjo, previdnost ni odveč. 3. Pred nakupom komponent preverite, kako delujejo, ali potrebujete še kakšne dodatne komponente za delovanje in če se medsebojno prilegajo. 4. Ob primeru težav preverite, ali so programsko rešljive. 5. Ob morebitnem neujemanju sestavnih delov najprej razmislite o programskih in drugih prilagoditvah in šele nato o nakupu novih. 4.2 Postopek izdelave Izdelava se je pričela ob nastanku ideje in se je razvijala sorazmerno z idejo. Pričeli smo z naročanjem potrebnih komponent. Tako smo pri najugodnejših prodajalcih naročili potreben material. Ko smo prejeli komponente in material, se je sama izdelava pričela hitreje razvijati. Komponente smo priredili tako, da so se medsebojno prilegale. Istočasno smo pričeli s testiranjem senzorjev, motorjev in nasploh z delovanjem. Najprej smo preverili delovanje vseh komponent in jih posamezno vključevali in se tako seznanili s samim delovanjem posameznih komponent. Tako smo dobili informacijo, ali ustrezajo vse komponente ali ne. 23

4.3 Zapleti pri izdelavi Ker gre za demonstracijsko enoto dvižnih vrat, smo morali biti še posebej pazljivi, da ne bo prišlo do kakšnih stikov z napetostjo. To pa smo preprečili z montažo vodoodpornega razvodnega ohišja na učnem modelu. 24

5 PROGRAMSKI DEL Programski del je v nasprotju s strojnim sestavljen izključno iz programiranja. To pomeni, da izpopolnjujemo krmilno logiko sistema z izpopolnjevanjem programa in prenosom tega na PLC. 5.1 Algoritem Algoritem je osnova za pisanje programa, saj moramo pred programiranjem natančno vedeti, kaj in v kakšnem zaporedju mora sistem narediti. Naš algoritem je sledeč: ročni način: najprej čakamo na pritisk tipke ali daljinca. Ko sta tipka ali daljinec vklopljena, vklopimo motor za dvig dvižnih vrat. S tipko ali daljincem lahko vrata ustavimo v katerem koli položaju. Ko vrata dosežejo skrajni položaj, motor za dvig izklopimo. Nato čakamo na pritisk tipke ali daljinca. Ko sta tipka ali daljinec vklopljena, vklopimo motor za spust dvižnih vrat. S tipko ali daljincem lahko vrata ustavimo v katerem koli položaju. Ko vrata dosežejo skrajni položaj, motor za spust izklopimo. Položaj oz. gibanje vrat se nam prikazuje s signalizacijo. Ob primeru nezgode pa imamo še varnostno stikalo; avtomatski način: v osnovnem položaju so vrta vedno zaprta. Vrata čakajo, da se telo približa ultrazvočnemu senzorju in na osnovi tega se vrata odprejo. Vrata se nato po 3 sekundah zaprejo, ko ni zaznana prisotnost uporabnika na ultrazvočnem senzorju ali na fotocelici. 25

5.2 Diagram poteka Diagram poteka programa uporabljamo za opis poteka operacij določenega računalniškega programa. Diagram prikazuje natančno zaporedje operacij, ki jih program pri obdelavi podatkov izvede. Različni grafični simboli predstavljajo vnos in izpis podatkov, odločitve, razvejitve in podprograme (Slika 18). Diagram poteka za dvižna vrata je naslednji: Slika 18: Diagram poteka 26

5.3 Programiranje Pri programiranju smo poskušali napisati program tako, da bo, ko ga prenesemo na PLK- a, sistem opravljal svojo nalogo z uporabo prej opisanega algoritma. Za to smo potrebovali programsko in strojno opremo. 5.4 Strojna oprema za programiranje Sem spadata PLK sam ter povezava z osebnim računalnikom, po katerih se preveden program prenese nanj. Seveda pa tudi potrebujemo PC, na katerem moramo imeti nameščeno razvojno orodje, v našem primeru Siemens TIA Portal. 5.5 Programska oprema za programiranje TIA Portal Razlogov za izbiro te programske opreme je več. Eden izmed njih je prav gotovo njegova dostopnost in kompatibilnost z našim PLK- jem. Programsko okolje TIA Portal ima seveda še druge prednostne lastnosti. Programski ukazi so preprosti, zato je programiranje enostavno in zelo primerno za začetnike. Program nam nudi tudi, da v delovanju lahko spremljamo potek programa in s tem lahko odkrijemo napake. 27

5.6 Postopek programiranja Za nastanek zahtevnejšega in predvsem kvalitetnega programa so potrebni naslednji postopki: razumevanje naloge, ki jo mora sistem, za katerega je program namenjen, opravljati; načrtovanje programa; kodiranje programa; prevajanje programa v strojno kodo; prenos programa na sistem, ki mu je namenjen, in njegovo testiranje; izpopolnjevanje kode in ponovno testiranje, dokler program ne ustreza zadanim merilom. 5.7 Potek programiranja in program Začeli smo z vpisovanjem kode v razvojnem okolju TIA Portal. Najprej smo v urejevalniku simbolnih imen (PLC tags) digitalnim vhodom in izhodom določili imena, ki so nam bolj razumljiva. Seznam vseh simbolov je prikazan na Slika 19. 28

Slika 19: Tabela simbolov Po določitvi simbolnih imen smo nadaljevali s pisanjem programa v delovnem oknu. Ob vklopu katerega koli načina delovanja (ročnega ali avtomatskega) se sistem aktivira, posledično je omogočeno nadaljevanje izvajanja funkcij (Slika 20). Slika 20: Mreža 1 29

Slika 21: Mreža 2 Spust vrat je možen na več načinov: sistem v delovanju in ob pogoju, da so vrata v zgornji legi, se vrata začnejo spuščati ob pritisku na tipko zapri; sistem v delovanju in fotocelica ni sprožena (ni prisotnosti objekta med vrati) ter da so vrata v zgornji legi in ob pogoju zapiranje aktivirano, se vrata po 3 sekundah zaprejo; sistem v delovanju in ob pogoju, da je sistem preklopljen na avtomatski način in ob pogojih fotocelica ni sprožena in ni prisotnosti telesa, se vrata zaprejo. Slika 22: Mreža 3 Izklop spusta vrat je možen na več načinov. Ko se vrata zaprejo do spodnje lege, se sproži KS1 in s tem se spust vrat izklopi. Lahko pa se še zraven tega ustavijo zaradi prisotnosti telesa pod vrati in tudi pri avtomatskem delovanju se ob približanju telesa ustavijo. 30

Slika 23: Mreža 4 Ko so vrata v spodnji legi, se spremenljivka»zapiranjeaktivirano«resetira. Dvig vrat je omogočen na več načinov: Slika 24: Mreža 5 sistem v ročnem delovanju in ob pogoju, da se vrata nahajajo v spodnji legi in ob pritisku na tipko odpri, se vrata začnejo dvigati; ob prisotnosti objekta med vrati se fotocelica sproži in če niso vrata v spodnji legi, se vrata začnejo dvigati; sistem v avtomatskem delovanju in razdalja manjša od dovoljene razdalje ob pogoju, da se vrata nahajajo v spodnji legi, se vrata zaprejo. Slika 25: Mreža 6 31

Izklop dviga vrat je možen na dva načina: sistem v delovanju in vrata so odprta (KS2 prožen), se vrata ustavijo; ob proženju varnostnega stikala ali ob izklopu na kontrolni ploščici se vrata ustavijo. Slika 26: Mreža 7 Če smo v ročnem ali avtomatskem delovanju, sveti na kontrolni ploščici hladno bela luč. S tem nas sistem opozarja, da so vrata v delovanju. Slika 27: Mreža 8 Pri odpiranju vrat do končnega stikala KS2 utripa zelena luč s taktom 1 sekunda. Ko pa se vrata odprejo, pa sveti zelena luč. Slika 28: Mreža 9 Pri zapiranju vrat do končnega stikala KS1 utripa rdeča luč s taktom 1 sekunda. Ko pa se vrata zaprejo, pa sveti rdeča luč. 32

Slika 29: Mreža 10 Slika 30: Mreža 11 Slika 31: Mreža 12 Ob spustu vrat je aktiviran piskač na nevarnost. 33

6 VARNOST Za nemoteno delovanje industrijskih vrat in varnost uporabljamo različne senzorje. Položaj prisotnosti predmeta ali osebe lahko zaznavamo preko različnih rešitev. Ena izmed teh so končna stikala, ultrazvočni senzorji in bipolarni senzorji ter še mnogo drugih senzorjev. Za varovanje pred poškodbami ob zapiranju vrat lahko za zaznavanje prisotnosti predmeta ali osebe med vrati uporabimo fotocelico, s katero lahko zaznavamo različne vrste materialov. Merimo lahko tudi tok, ki teče skozi motor in na osnovi povečanega toka ustavimo vrata. Dodatno breme zviša tok na motorju. Varnost lahko dodatno povečamo s svetlobno signalizacijo in zvočnimi efekti. Za izklop v sili pa poskrbijo varnostna stikala. Na našem modelu smo uporabili fotocelico za zaznavanje prisotnosti osebe ali predmeta. Ultrazvočni senzor je poskrbel za avtomatsko delovanje vrat na osnovi razdalje. Za izklop v sili pa je poskrbelo varnostno stikalo nameščeno tik ob vratih. Sledila je ustrezna namestitev vseh varnostnih komponent, da jih lahko uporabnik doseže. Za dodatno varnost pa smo poskrbeli še s svetlobno signalizacijo in zvočnim efektom. Vse te komponente smo združili in naredili program, ki nas varuje pred nezgodami. 34

7 SKLEP Želja človeka, da ima napravo, ki opravlja dela namesto njega, je med nami že vrsto let. Možnost izvedbe tovrstnih naprav so omogočile številne iznajdbe na različnih področjih. Predvsem je bil potreben napredek na področju elektrotehnike, na katero se nanašajo bistveni sestavni deli naprave. Elektronske komponente v skupno celoto poveže ustrezna informacijska podpora, ki s pomočjo sinhroniziranega delovanja mehatronskih sklopov»zaživi«. Glede na zabeležen razvoj modernih tehnologij smo si zadali cilj ustvariti informacijsko podprt avtonomen sistem. Izvedli smo vse postopke, da smo sestavili izdelek, ki dobro deluje, ima pa še možnosti nadgradnje. Spoznali smo postopke, ki jih moramo uporabiti, da iz ideje nastane naprava. Dvižna industrijska vrata lahko uporabljamo na različnih področjih, kjer nas omejuje le naša domišljija. Tako bi lahko našo informacijsko podprto avtonomno napravo uporabili za rolete na oknih, industrijska vrata in tudi za odpiranje loput. Da smo lahko realizirali uporabo dvižnih vrat do stopnje testiranja, smo morali v ta projekt vložiti veliko truda in energije. Potreben pa bo še dodaten trud, da bo izdelek primeren za prodajo in varen za uporabo in še cenovno ugodnejši od sedanjega. Ključne nadgradnje sistema bi bile izboljšave algoritma delovanja sistema. Glede na to, da je naš sistem že zadostno varen za uporabo, smo pod težo dejstev ugotovili, da se lahko uporablja v učne in raziskovalne namene. Na koncu sploh ni pomembno, da je šlo veliko časa v ta model, temveč je pomembnejše to, da smo pri delu uživali, pridobili veliko novega znanja in novih izkušenj in s tem omogočili bodočim generacijam, da bodo lahko svoje znanje nadgrajevali na tem laboratorijskem modelu in ga po svojih idejah izboljševali. 35

8 VIRI IN LITERATURA [1] D. Lovrec, e-literatura Moodle Krmilna tehnika. Dostopno na: https://estudij.um.si/course/view.php?id=11459 [10. 4. 2018]. [2] P. Planinšič, e-literatura Moodle Komunikacije v avtomatiki https://estudij.um.si/course/view.php?id=11265 [11. 4. 2018]. [3] E. Cibula, e-literatura Moodle Senzorji. Dostopno na: https://estudij.um.si/course/view.php?id=11239 [15. 4. 2018]. [4] Rihtaršič, D., Kocijančič, S. (2009)., Robotika kot motivacija za izobraževanje s področja tehnike. Ljubljana: Univerza v Ljubljani, Pedagoška fakulteta. [5] Siemens S7-1200. Dostopno na: https://cache.industry.siemens.com/dl/files/465/36932465/att_106119/v1/s71200_syste m_manual_en-us_en-us.pdf [11. 5. 2018]. [6] HMI KTP400. Dostopno na: https://www.automatyka.siemens.pl/docs/docs_ia/hmi_ktp400_ktp600_ktp1000_tp15 00.pdf [15. 5. 2018]. [7] MIEL katalog. Dostopno na: https://www.miel.si/omron-industrial-automation-guide/ [28. 6. 2018]. [8] D. Hercog, e-literatura Moodle Vodenje proizvodnih sistemov. Dostopno na: https://estudij.um.si/course/view.php?id=11282 [28. 6. 2018]. [9] M. Lebar, e-literatura Moodle Razvoj izdelka https://estudij.um.si/course/view.php?id=11521 [19. 7. 2018]. 36

9 VIRI SLIK Opomba: vse slike, katerih viri tukaj niso navedeni, so moja last, zato navedba virov ni potrebna. Slika 1: Vrata starodavnega Salomonovega templja http://www.prostozidarstvo.si Slika 2: Navadna dvižna vrata http://www.asteriks.net Slika 3: Industrijska vrata (rolo) http://www.avtooprema.com Slika 7: Končno stikalo http://www.elektronik.si Slika 10: Cevni motor http://www.shop.floridautomatedshade.com Slika 12: HMI-vmesnik http://www. w3.siemens.com Slika 13: PLC Siemens S7-1200 http://www.siemens.com Slika 14: Vhodne in izhodne enote PLC-ja http://www.pef.uni-lj.si Slika 17: IR-sprejemnik in oddajnik http://www.superstrela.com 37