Automatyczne monitorowanie i nadzór
wytwarzania
AUMON-L30
Kierunek Automatyka i Robotyka (
AiR
),
sem.
6
,
Ćwiczenie
Na6
Temat:
Nadzorowanie procesu technologicznego na
podstawie parametrów energetycznych
J.Goliński
Zakład Obróbki Plast
y
cznej
i
Odlewnictwa
Instytut Technik Wytwarzania
Warszawa 2006-2013
AUMON-L30
Na6
2
Cel ćwiczenia
Zapoznanie się z bilansem energetycznym prasy mechanicznej oraz wyodrębnienie tych
składników bilansu, które mogą być wykorzystane do monitorowania procesu technologicznego
prowadzonego na prasie i nadzorowania jej stanu. Poznanie budowy i działania modułowego
układu pomiarowego przeznaczonego do zastosowań przemysłowych. Wykorzystanie go do
współpracy z hallotronowymi przetwornikami napięcia i prądu.
Zadanie problemowe
Wykonać operację kształtowania plastycznego na prasie. Wyznaczyć relację pomiędzy
porcją energii potrzebną na wykonanie wyrobu a pobraną energią.
Bilans energetyczny
Zestawienie energii oraz wszystkich strat i pracy wykonanej przez prasę na materiale, w trakcie cyklu
pracy prasy, w postaci równania jest nazywane bilansem energetycznym. Ogólny zapis bilansu
energetycznego może mieć postać:
u
ż
str
e
L
L
E
+
∆
=
(1)
gdzie:
E
e
L
– dostarczona energia elektryczna [J]
str
L
–
całkowite straty w prasie [J]
uż
Ćwiczenie będzie wykonywane podczas trwania ruchu ciągłego trwałego. Bilans energetyczny dla tego
ruchu gdy jest wykonywana operacja technologiczna będzie miał postać:
–
energia związana z pracą użyteczną [J].
(
)
e
e
pp
tls
tot
spr
u
ż
E
E
L
L
L
E
L
= ∆ + ∆
+ ∆
+ ∆
+ ∆
+
(2)
gdzie:
E
e
– dostarczona energia elektryczna [J]
E
e
– straty energii w silniku [J]
L
pp
–
straty w przekładni pasowej [J]
L
tls
– straty na tarcie w mechanizmie prasy podczas ruchu suwaka luzem [J]
L
tot
– straty na tarcie w mechanizmie prasy podczas wykonywania operacji technologicznej [J]
E
spr
–
straty związane z energią odkształcenia sprężystego prasy [J].
L
uż
– praca wykonana na materiale [J]
Należy określić, dlaczego i które z wymienionych składników bilansu energetycznego (2) mogą
posłużyć do monitorowania procesu technologicznego prowadzonego na prasie.
Układ pomiarowy
W celu przeprowadzenia ćwiczenia zbudowano układ pomiarowy przedstawiony schematycznie na rys.1.
Układ ten umożliwia pomiar wielkości niezbędnych do poprawnego obliczenia wartości pracy wykonanej
na materiale oraz energii pobranej przez silnik prasy w czasie cyklu pracy prasy.
Procesem, który został wybrany do przeprowadzenia ćwiczenia był proces wykrawania. Do pomiaru
przesunięcia stempla w czasie przeprowadzania wykrawania będzie użyty czujnik przemieszczenia WA-
100, który będzie podłączony do kanału 1 komputerowego urządzenia pomiarowego Spider 8
1
Spider 8 to kompaktowy układ elektroniczny firmy HBM przeznaczony do jednoczesnego prowadzenia
pomiarów wielu rozmaitych w
ielkości fizycznych z zastosowaniem komputera PC;
.
Tensometryczny czujnik siły został zabudowany w części trzonowej stempla wykrojnika i został
AUMON-L30
Na6
3
podłączony do kanału 0. Kolejnymi urządzeniami wchodzącymi w skład toru pomiarowego będą
przetworniki: prądowy i napięciowy. Przetwornik prądowy włączono szeregowo w jedną z faz
zasilających silnik prasy (prąd płynący do silnika przepływa przez przetwornik, który pełni rolę
przekładnika oraz dopasowuje wartość prądu zasilającego silnik do wartości odpowiedniej dla wejścia
pomiarowego w urządzeniu Spider 8). Sygnał z tego przetwornika doprowadzono do kanału 4. Napięcie
zasilające silnik zostanie dopasowane do wejścia pomiarowego urządzenia Spider 8 za pomocą
przetwornika napięciowego włączonego pomiędzy fazę, w której będzie włączony przetwornik prądowy a
przewód zerowy. Sygnał napięciowy z tego przetwornika zostanie doprowadzony do kanału 5. Takie
połączenie przetworników prądowego i napięciowego umożliwia pomiar prądu fazowego i napięcia
fazowego tylko jednej z faz zasilających silnik prasy. Ponieważ silnik jest symetryczny wobec tego
można przyjąć, że zmierzona moc pobierana przez jedna fazę silnika stanowi ⅓ całkowitej mocy
pobieranej przez silni
k w trakcie pracy prasy. Urządzeniem odpowiedzialnym za zbieranie i pomiar
doprowadzonych sygnałów będzie urządzenie Spider 8.
Rys.1.
Schemat układu pomiarowego. 1-prasa mimośrodowa PMS 16C-P, 2- wykrojnik pomiarowy, 3-
czujnik przemieszczenia WA-100, 4-
przetwornik prądowy, 5- przetwornik napięciowy, 6- urządzenie
pomiarowe Spider 8, 7- komputer
Sygnały elektryczne doprowadzone do urządzenia Spider 8 z czujnika siły i czujnika
przemieszczenia wymagają przeliczenia na wielkości fizyczne odpowiednie dla siły [N] i
przemieszczenia [mm]. Do przeliczenia służą tak zwane proste wzorcowania. Dla czujników użytych w
ćwiczeniu wzory tych prostych zabiegów wzorcowania są następujące:
Siła (dynamometr zabudowany na stemplu wykrojnika pomiarowego)
Y= -128,587x-0,628
Y [kN]
x [mV]
Przemieszczenie (czujnik WA-100)
Y= 1,2533x-0,0027
Y [mm] x [mV]
AUMON-L30
Na6
4
Opracowanie uzyskanych wyników
Def.
Mocą czynną nazywa się wartość średnią mocy chwilowej za okres lub
wielokrotność okresu.
Moc chwilowa
i
u
p
⋅
=
(3)
Moc czynna
∫
⋅
⋅
=
T
dt
p
T
P
0
1
(4)
Pierwszym krokiem przy obliczaniu mocy czynnej jest obliczenie mocy chwilowej czyli bezpośrednie
pomnożenie przez siebie wartości prądu i napięcia z uwzględnieniem wartości przekładni przetworników:
prądowego i napięciowego. Zgodnie z definicją moc czynna to wartość średnia mocy chwilowej za okres
lub wielokrotność okresu napięcia zasilania. W przypadku gdy chcemy dowiedzieć się jak moc czynna
zmienia się w krótkim odcinku czasu (w czasie cyklu pracy prasy) należy średnią liczyć za jeden okres
napięcia zasilania. Częstotliwość sieci zasilającej silnik wynosi 50Hz (okres 20ms=0,020s).
Przykład
W czasie badań sygnał próbkowano 4800 razy na sekundę, co daje 4800 próbek/s =
częstotliwości 4800Hz, dla której okres wynosi 0,2083ms=0,0002083s.
Należy policzyć ile próbek przypada na 1 okres napięcia zasilającego silnik.
4800 [próbek] – 1 [s]
x [próbek] – 0,020 [s]
x=96
Moc czynna w tym przypadku powinna być jako średnia z 96 próbek czyli z 96 komórek mocy
chwilowej.
W zależności od charakteru urządzenia (rezystancyjny, indukcyjny, pojemnościowy), które jest
podłączone do sieci elektrycznej będzie występowało różne przesunięcie fazowe pomiędzy prądem i
napięciem, które zasilają to urządzenie. Należy przed ćwiczeniem zastanowić się jaki charakter ma silnik
elektryczny i jakie powinno być to przesuniecie fazowe?
Obliczenia energii
Obliczenie energii elektrycznej pobranej przez silnik prasy w czasie jednego cyklu pracy prasy polega na
zsumowaniu na podstawie wykresu droga(czas), zakresu komórek kolumny energia. Suma ta powinna
odpowiadać jednemu cyklowi pracy prasy. Kolumna ta powstaje po wymnożeniu mocy czynnej przez
jednostkowy przyrost czasu, który jest zależny od częstotliwości próbkowania mierzonych sygnałów.
t
P
E
czynna
⋅
=
[W
⋅s]
(5)
Należy napisać regułę użytą do obliczenia mocy czynnej!
Obliczenia pracy odkształcenia plastycznego
Pracę jaką wykonała prasa na materiale w czasie wykonywania procesu technologicznego można
policzyć ze wzoru
(
)
]
)
2
[(
A
B
B
A
pl
s
s
F
F
s
F
dL
L
−
⋅
+
=
∆
⋅
=
=
∑
∑
∑
(6)
[J=N
⋅m]
AUMON-L30
Na6
5
gdzie:
F –
siła [N]
∆s –
przyrost drogi na którym działa siła F [m]
Graficzna interpretacja wzoru (6) jest przedstawiona na rys.2.
Rys.2.
Graficzna interpretacja wzoru służącego do obliczenia pracy
Zakresy kom
órek, z których liczono średnie i sumy ustalono po wykonaniu wykresu F(s).
Sprawozdanie
Na podstawie danych pomiarowych należy:
1.
Pokazać przebieg prądu i napięcia (jakie i dlaczego występuje przesunięcie fazowe) dla ruchu luzem
koła zamachowego (badanie wykonywane na początku ćwiczenia). Na tej podstawie należy
stwierdzić czy tory pomiarowe napięcia i prądu zostały prawidłowo podłączone.
2.
Określić energię pobraną w czasie cyklu pracy prasy gdy była wykonywana operacja technologiczna.
3.
Określić prace wykonaną na materiale i na podstawie wykresu opisać proces wykonywany na prasie.
4.
Na podstawie wyników własnych oraz wyników z pozostałych podzespołów (co najmniej z dwóch
podzespołów) określić, który z parametrów energetycznych nadaje się do wykorzystania przy
monitorowaniu i nadzorowaniu pracy prasy (tabela + wnioski).
W sprawozdaniu należy zamieścić wszystkie wykonane wykresy:
1.
F(s): siła w funkcji przemieszczenia
2.
F(t), s(t), P(t): siła w funkcji czasu, przemieszczenie w funkcji czasu, moc czynna w funkcji
czasu.
Na podstawie wykresów należy przeanalizować pracę prasy.
Należy zwrócić szczególną uwagę na jednostki !!
Literatura:
[1] Chodnikiewicz K.: „Mechanika młotów i pras mechanicznych”. WPW, Warszawa 1985. str.147-148
[2] Kuczyński K., Erbel S., Olejnik L.: "Obróbka plastyczna. Laboratorium". OWPW, Warszawa 2003. str. 54-66
[3] Bolkowski S.: Podstawy elektrotechniki. WNT 1985.