MTR_2009_Wstep_do_mechatr_cz

Politechnika Wrocławska

W y d z i a ł M e c h a n i c z n y

Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji

Kierunek studiów:

Mechatronika

Studia I-stopnia, rok I, sem. 2, rok akad. 2008/09

Materiały do wykładu „

Wst

p do

Wst

p do

mechatroniki

mechatroniki”

Interfejsy człowiek-maszyna HMI, panele operatorskie,

niezawodno

ść

i bezpiecze

stwo wyrobów, oznakowanie

CE, stopie

ochrony IP, kompatybilno

ść

elektromagnetyczna EMC, RoHS

Dr in

. Zbigniew Smalec (p. 3.19 B-4)

ęść

5 (1 – 34)

Wrocław, 2009

Panele operatorskie s

elementami systemów automatyki i sterowania, które pełni

rol

interfejsu pomi

dzy człowiekiem

a maszyn

(urz

dzeniem) HMI. Słu

Ŝą

one zarówno do realizacji funkcji steruj

cych, jak równie

do wizualizacji procesów

produkcyjnych oraz pomiarowych, przy czym ich zastosowania znacznie wykraczaj

poza bran

Ŝę

produkcyjn

Wykorzystanie najnowszych modeli paneli z ekranami dotykowymi i aktywnymi matrycami LCD pozwala na
zaawansowan

wizualizacj

danych oraz praktycznie intuicyjne sterowanie. Współczesne panele operatorskie umo

liwiaj

prezentowanie ró

norodnych danych i komunikacj

z u

ytkownikiem, który wcale nie musi by

przeszkolonym

operatorem, a ich zastosowania si

gaj

poza teren zakładu przemysłowego. Obecnie urz

dzenia te stosowane s

m.in.

w automatyce wodoci

gowej, budynkowej i szeregu aplikacji zwi

zanych z pomiarami i monitorowaniem. Znajduj

one

zastosowanie równie

w urz

dzeniach wojskowych, a tak

e szeregu zastosowa

powszechnych – w bankomatach,

kioskach informacyjnych (POI) czy pojazdach. Oczywi

cie w wielu tych aplikacjach nie mo

na mówi

o typowym panelu

operatorskim, ale o urz

dzeniu z wy

wietlaczem wbudowanym w wi

ksz

cało

ść

Centralnym elementem obecnego panelu operatorskiego jest wy

wietlacz ciekłokrystaliczny LCD, zwykle kolorowy. Dobre

parametry i szeroka dost

pno

ść

tych wy

wietlaczy na rynku powoduj

e wy

wietlacze z matryc

aktywn

wypieraj

z rynku starsze technologie, np. monochromatyczne lub pasywne LCD, nawet w takich zastosowaniach, gdzie kolorowe
zobrazowanie nie jest konieczne lub wielko

ść

ekranu nie ma du

ego znaczenia. Wyj

tkiem s

najcz

ęś

ciej panele

montowane w maszynach lub urz

dzeniach, w przypadku których konieczne jest przekazywanie jedynie prostych

komunikatów. W przypadku paneli kolorowych zakres dost

pnych wielko

ci ekranu pokrywa pełne spektrum potrzeb

ytkowników, wahaj

c si

od małych wy

wietlaczy 5-calowych, które przeznaczone s

do aplikacji o ograniczonej

potrzebie prezentacji, po du

e wersje 20-calowe, umo

liwiaj

ce jednoczesn

prezentacj

bardzo wielu informacji.

W ostatnim przypadku aplikacjami b

m.in. systemy sterowania w elektrowniach oraz na kolei. Du

y ekran pozwala

równie

na odczyt informacji z du

ej odległo

ci, na przykład w rozległych halach przemysłowych.

Poniewa

wzrost popularno

ci du

ych modułów LCD w zastosowaniach konsumenckich przekłada si

na ogólny spadek

ich cen, to równie

w automatyce coraz cz

ęś

ciej spotka

na panele operatorskie z du

ymi, kolorowymi ekranami.

Od paru lat wyra

nym zjawiskiem jest d

ąŜ

enie producentów do minimalizacji mocy pobieranej przez panel operatorski.

Dotyczy to szczególnie procesora, a celem tych działa

jest przede wszystkim realizacja chłodzenia pasywnego, bez

konieczno

ci u

ycia wentylatorów. Rezygnacja z tych elementów wynika zarówno z ich niewielkiej trwało

ci, jak te

z faktu,

e strumie

powietrza przepływaj

cy wewn

trz urz

dzenia sprawia wiele kłopotów. Niski pobór mocy sprzyja

zapewnieniu wysokiej odporno

ci na czynniki

rodowiskowe, gdy

pozwala zamkn

ąć

panel w stosunkowo szczelnej

obudowie, gdzie rozpraszanie ciepła dokonywane jest w du

ej cz

ęś

ci za pomoc

przewodzenia ciepła przez

cianki

obudowy, bez konieczno

ci wykonywania dodatkowych otworów. Dlatego w wielu nowoczesnych panelach operatorskich

nie spotyka si

chłodzenia wymuszonego za pomoc

wentylatorów, przynajmniej je

li chodzi o wersje przeznaczone

do pracy w typowym zakresie temperatur.

Panele operatorskie

Graficzne panele operatorskie

Czarno – białe
(monochromatyczne) lub
kolorowe

Dotykowe (ang. Touch Screen),

Oprogramowanie narz

dziowe

z bogat

bibliotek

gotowych

elementów graficznych

Wykresy i trendy

ESA VT585W

Mitsubishi MAC E700

Siemens TP070

Panel dotykowy (ang. Touch Screen) jest w istocie autonomicznym urz

dzeniem zamontowanym przed

wietlaczem LCD (lub dowolnym innym), które umo

liwia sterowanie poprzez dotkni

cie panelu palcem lub

wska

nikiem. Wskazanie miejsca na ekranie za pomoc

dotyku nale

y do najbardziej przyjaznych form kontaktu

z u

ytkownikiem – np. nawet takim, który nie radzi sobie z u

ywaniem tradycyjnego komputera osobistego.

Konstruktorzy paneli dotykowych d

ąŜą

do zbudowania urz

dzenia, które b

dzie jak najlepiej spełniało ró

wymagania. Nie powinny one np. zakłóca

wietlania obrazu, charakteryzowa

wysok

rozdzielczo

oraz by

aktywowane dowolnym wska

nikiem.

ich cech

jest te

odporno

ść

na kurz, wilgo

rodki chemiczne, oleje i zanieczyszczenia, które mog

wyst

powa

w otoczeniu. Istotna jest wreszcie łatwo

ść

instalacji na panelu wy

wietlacza. Dobrze byłoby, gdyby

była ona tak prosta, jak monta

innych urz

dze

peryferyjnych.

Ekrany dotykowe mog

wykonane w ró

nych technologiach: rezystancyjnej, pojemno

ciowej, na

podczerwie

i powierzchniowej fali akustycznej.

Panele (ekrany) dotykowe

W wyniku naci

cia na ekran zewn

trzna warstwa

ugina si

w kierunku podło

a i nast

puje zwarcie

w punkcie styku. Warto

ść

spadku napi

cia w punkcie

przyci

cia

ekranu

jest

proporcjonalna

współrz

dnych na jego powierzchni. Układ kontrolera

obsługuj

cy panel przetwarza napi

cie analogowe na

warto

ść

cyfrow

i przesyła j

do układu steruj

cego.

wzgl

zasad

działania

paneli

rezystancyjnych

istnieje mo

liwo

ść

wymuszenia

akcji palcem, paznokciem, piórem czy te

w palcem

w r

kawicy roboczej. Ekrany tego typu i ich sterowniki

mog

łatwo

integrowane

systemach

wbudowanych, przez co nale

Ŝą

do najbardziej

praktycznych

ekonomicznych

typów

paneli

dotykowych.

ITO - warstwa oporowa (zwi

zek indu, cyny i tlenu)

Cechy ró

nych rodzajów paneli dotykowych

Nie

Tak, 256

poziomów

Nie

Pomiar w osi z

Dowolny

Absorbu-

energi

kki

Absorbu-

energi

kki

Dowolny

Jak

powierz-

chniowe,

liwo

ść

pracy w

kawiczce

Przewo-

cy –

palec lub

specjalne

pióro

Dowolny

Rodzaj wska

nika

Bardzo

dobra

Bardzo

dobra

Bardzo

dobra

Bardzo

dobra

Bardzo

dobra

Bardzo

dobra

Dobra

Wytrzymało

ść

zarysowania i
zanieczyszczenia

50 mln

(na punkt)

50 mln

(na punkt)

50 mln

(na punkt)

Ok. 140

tys. godz.

>100 mln

dotkni

ęć

(na punkt)

160 mln

dotkni

ęć

(na punkt)

35 mln

dotkni

ęć

(na punkt)

Czas

ycia

(trwało

ść

)

b.d.

20ms

10 - 50ms

10 - 15ms

<20ms

8 - 24ms

5 - 10ms

Szybko

ść

4096x

4096

4096x

4096

4096x

4096

4096x

4096

4096x

4096

4096x

4096

4096x

4096

Rozdzielczo

ść

kontrolera

90%

+/-5%

do 100%

90%

>90%

88%

85%

80%

+/-5%

Przejrzysto

ść

APR (ang.

Acoustic

Pulse

Recogni-

tion)

GAW
(ang.

Guided

Acoustic

Wave)

SAW
(ang.

Surface

Acoustic

Wave)

Podczer-

wone

Pojemno-

ciowe

NFI (ang.

Near Field

Imaging)

Pojemno-

ciowe

powierz-
chniowe

Rezystan-

cyjne

Rodzaj panela

Rodzaj cechy

Komputery panelowe

Standardowy system
operacyjny

Łatwa obsługa

liwe jest uruchomienie

standardowych aplikacji

Łatwe doł

czenie do

dowolnego układu
sterowania

Łatwa rozbudowa
funkcjonalno

Łatwa integracja z innymi
systemami informatycznymi
przedsi

biorstwa

Advantech IPPC 950

Siemens PCU50

Beckhoff

Przykłady klawiatur membranowych (foliowych)

Folia dekoracyjna

Dioda LED

cie

ki przewodz

Folia mocuj

Folia bazowa 1

Folia dystansowa

Folia bazowa 2
Folia mocuj

Istotn

cech

zespołów mechanicznych podczas pracy jest wyst

powanie awarii. I tak np.

ło

yska najcz

ęś

ciej nie ulegaj

uszkodzeniu natychmiast, lecz najpierw powoduj

hałas.

Wiele uszczelek najpierw w małym stopniu jest nieszczelnych, zanim zostanie
przekroczona nieszczelno

ść

krytyczna. Natomiast uszkodzenia wielu elementów

elektronicznych i wszystkie awarie (bł

dy) oprogramowania wyst

puj

nagle, w sposób

przypadkowy i bez wcze

niejszych objawów.

Ze wzgl

du na najcz

ęś

ciej dominuj

cy udział w ci

ęŜ

arze systemu mechatronicznego

zespołów mechanicznych prawie nigdy nie s

one redundantne (nadmiarowe)

i w przypadkach ci

głej realizacji funkcji ich awaria uwidacznia si

natychmiast. Elementy

mechaniczne podlegaj

równie

procesom zu

ycia. Ponadto w przypadku wyst

powania

zmiennych obci

ąŜ

ęś

ci mechaniczne ulegaj

czeniu, co mo

e prowadzi

do ich

uszkodzenia (p

kni

cia). Podczas eksploatacji wyrobów ich elementy ulegaj

procesom

starzenia, szczególnie podczas pracy w podwy

szonych temperaturach, a tak

e korozji.

Natomiast uszkodzenia elementów elektronicznych mo

na podzieli

na cztery rodzaje:

zwarcie, przerwanie, płyni

cie zera (dryft) oraz bł

dne działanie. Mechanizmy, które

powoduj

te uszkodzenia mog

mie

charakter fizyczny lub chemiczny.

Dlatego te

od elementów stosowanych w systemach mechatronicznych wymaga si

odpowiednio wysokiej niezawodno

ci.

Definicja:

„Niezawodno

ść

jest prawdopodobie

stwem tego,

e jednostka w okre

lonym

czasie b

dzie spełniała swoje funkcje w przewidzianych warunkach.”

Awarie i niezawodno

ść

Metody zapewnienia niezawodno

ci w cyklu

ycia wyrobu

Jednym z istotnych wymaga

stawianym wyrobom, w tym tak

e systemom mechatronicznym, jest

zapewnienie odpowiednio wysokiego poziomu ich niezawodno

ci. W tym celu musz

zastosowane odpowiednie techniczne i organizacyjne

rodki. Wa

ne jest przy tym uwzgl

dnienie

wszystkich faz w cyklu

ycia wyrobu – bł

dy powstaj

bowiem we wszystkich fazach.

Specy-
fikacja

- do

wiadczenie

- ...

- analiza ABC

- FMEA (ang. Failure Mode

and Effect Analysis)

- FTA (ang. Fault Tree

Analysis)

- ...

Czas

- zarz

dzanie

jako

- audyty

- ...

- zbieranie
danych z
obiektu

- indykatory
wczesnego
ostrzegania

- ...

- mo

liwo

recyklingu

- ...

Cele
niezawo-
dno

- dane ogólne

- obliczenia

- rozkład Weibull’a, wykładniczy

- planowanie bada

- teoria Bool’a

- model Markowa

- FTA

- ...

- statystyczne
planowanie
procesu

- ...

- ocena

danych z
obiektu

- ...

- trwało

ść

resztkowa

- ...

Ocena

Planowanie

Koncepcja

Projekt

Wytwa-

rzanie

Wykorzy-

stywanie

przez

klienta

Ponowne

wykorzy-

stanie

Wczesne awarie

(obszar 1)

Np. bł

dy monta

bł

dy wytwarzania,

wady materiału,
bł

dy konstrukcyjne

Awarie

spowodo

wane

yciem

i zm

czeniem

i zm

czeniem

(obszar 3)

Np. przerwanie

przewodu, starzenie

Bł

przypadkowe

(obszar 2)

Np. spowodowane
bł

obsług

zabrudzeniami,
bł

dami piel

gnacji

Próby, seria zerowa,
kontrola wytwarzania
i jako

Przeciwdziałanie

Czas

ytkowania

Poprawna obsługa
i piel

gnacja,

wła

ciwe

zastosowanie

Obliczenia,

próby

Niezawodno

ść

wyrobów - krzywa wannowa

Sposoby zwi

kszenia niezawodno

ci i dyspozycyjno

ci:

wybór i zastosowanie wysokowarto

ciowych i niezawodnych cz

ęś

ci,

korzystne warunki pracy,

przegl

dy zapobiegawcze,

redundancja sprz

tu dla wra

liwych na awarie składników takich jak magistrale systemowe, elementy warstwy

ytkownika, zasilanie w energi

(media),

redundancja procesora,

redundancja systemu komputerowego (sterownika).

Pewno

ść

(bezpiecze

stwo):

Pewno

ść

(bezpiecze

stwo):

zdolno

ść

systemu do unikni

cia zagro

enia dla osób lub

rodowiska w okre

lonych warunkach (stanach) pracy,

utrata tej zdolno

ci jest spowodowana przez bł

dy:

- oprogramowania (bł

dy specyfikacji, bł

dy implementacji),

- sprz

tu (awarie urz

dze

bł

dy obsługi,

nieoczekiwane wpływy lub zakłócenia ze strony otoczenia (

rodowiska).

Działania dla zwi

kszenia pewno

ci (bezpiecze

stwa):

Działania dla zwi

kszenia pewno

ci (bezpiecze

stwa):

rozpoznawanie bł

dów, np. przez redundancj

lub zgodno

ść

(niem. Plausibilität),

maskowanie bł

dów przez redundancj

(nadmiarowo

ść

obsługa bł

dów,

ograniczanie rozprzestrzeniania si

bł

dów,

techniki

fail

e: sprowadzanie systemu do stanu bezpiecznego,

metody

Watch

dog

dog: w zadanych odst

pach czasu musz

wyst

okre

lone aktywno

ci, a ich brak jest traktowany

jako bł

Niezawodno

ść

i bezpiecze

stwo – sposoby zwi

kszania

Niezawodno

ść

i bezpiecze

stwo

Niezawodno

ść

Działania (

rodki) stosowane w celu zwi

kszenia niezawodno

ci powinny powodowa

unikanie awarii obiektów:

• planowanie,

• redundancja,

•

rodki bezpiecze

stwa,

• eliminacja zakłóce

i obsługa bł

dów,

• utrzymanie stanu.

rodki bezpiecze

stwa - słu

Ŝą

do unikania zagro

w odniesieniu do:

• ludzi,

•

rodowiska naturalnego,

• obiektu (maszyny, urz

dzenia, instalacji),

• materiałów,

• danych.

rodki bezpiecze

stwa mog

dotyczy

• zapobiegania wypadkom,

• ochrony przed po

arem,

• ochrony przed przepi

ciami,

• uszkodze

w wyniku działania wody,

• niebezpiecznych materiałów,

• promieniowania (laser, mikrofale, promieniowanie rentgenowskie, radioaktywno

ść

• instalacji elektrycznej (dotkni

cie, zwarcie).

W Unii Europejskiej w wielu dziedzinach istniej

przepisy wspólnotowe

zwane dyrektywami, które dotycz

wytwarzania i obrotu wyrobami.

kszo

ść

z nich została opracowana na bazie tzw. Nowego Podej

cia, czyli

przyj

tych w 1985 r. nowych reguł dotycz

cych harmonizacji technicznej

w zakresie bezpiecze

stwa i ochrony zdrowia.

Dyrektywy Nowego Podej

cia obejmuj

podstawowe wymagania (tzw.

zasadnicze) stawiane wyrobom w zakresie bezpiecze

stwa i zdrowia

ytkowników. Wyroby podlegaj

ce tej regulacji i spełniaj

ce postawione

w niej wymagania musz

(z nielicznymi wyj

tkami) oznakowane

symbolem europejskiej zgodno

ci CE (franc. Conformité Européenne).

Oznakowanie CE wskazuje na zgodno

ść

wyrobu z odpowiednimi

wymaganiami Unii Europejskiej nało

onymi na producenta poprzez

dyrektywy wymagaj

ce takiego oznakowania. Oznakowanie umieszczone na

wyrobie po

wiadcza tak

e wyrób został poddany wła

ciwym procedurom

oceny tej zgodno

ci. Dzi

ki temu pa

stwa członkowskie nie mog

ogranicza

dost

pu do rynku oraz eksploatacji wyrobów, je

eli nie ma

dowodów na brak wy

ej wymienionej zgodno

ci.

Oznakowanie CE nie słu

y celom komercyjnym i nie oznacza,

e produkt

został wyprodukowany w Unii Europejskiej.

Zgodno

ść

wyrobów – oznakowanie CE

Poni

sze grupy wyrobów według dyrektyw Nowego Podej

cia wymagaj

umieszczenia oznakowania CE:

Aktywne implanty medyczne

wigi

Emisja hałasu w

rodowisku przez urz

dzenia przeznaczone do u

ytku poza pomieszczeniami

Jachty

Kompatybilno

ść

elektromagnetyczna

EMC

Maszyny

Materiały wybuchowe do u

ytku cywilnego

Nieautomatyczne urz

dzenia wa

Ŝą

Niskonapi

ciowe wyroby elektryczne

Proste zbiorniki ci

nieniowe

Sprawno

ść

energetyczna chłodziarek i zamra

arek

Sprawno

ść

energetyczna kotłów wodnych

Sprawno

ść

energetyczna stabilizatorów do o

wietlenia jarzeniowego

rodki ochrony indywidualnej

Urz

dzenia do u

ytku w atmosferach wybuchowych

Urz

dzenia ci

nieniowe

Urz

dzenia gazowe

Urz

dzenia medyczne

Urz

dzenia diagnostyczne in vitro

Urz

dzenia linowe do przewozu osób

Wyposa

enie radiowe i terminali telekomunikacyjnych

Wyroby budowlane

Zabawki

Dyrektywy Nowego Podej

cia

Oznakowanie CE na wy

ej wymienionych wyrobach jest obowi

zkowe i musi by

umieszczone zgodnie

z dyrektywami Nowego Podej

cia zanim wyrób zostanie wprowadzony na rynek.

Znak CE musi by

umieszczony na wyrobie przez producenta lub upowa

nionego przedstawiciela

ustanowionego na terytorium Unii Europejskiej.

Wyrób nie mo

e natomiast by

oznakowany symbolem CE, je

eli nie jest obj

adn

dyrektyw

, która

wymaga jego umieszczenia.

Procedura umieszczenia oznakowania CE na wyrobie:

A.Sprawdzenie, czy wyrób podlega dyrektywom Nowego Podej

cia.

B.Sprawdzenie, czy wyrób spełnia zasadnicze wymagania okre

lone w dyrektywach, którym podlega.

C.Zapoznanie si

z tre

odpowiednich dla danego wyrobu europejskich norm zharmonizowanych

i w razie potrzeby dostosowania do nich wyrobu.

D.Opracowanie dokumentacji technicznej.

E. Wypełnienie procedury oceny zgodno

ci okre

lonej w dyrektywach dla danego wyrobu.

F. Sporz

dzenie i podpisanie deklaracji zgodno

ci EC (dokument za

wiadczaj

cy,

e dany wyrób jest

zgodny z wymaganiami odpowiedniej dyrektywy lub wielu dyrektyw).

G. Umieszczenie na wyrobie oznakowania CE.

Oznakowanie CE jest obowi

zkowym znakiem dla wielu wyrobów sprzedawanych na rynku Unii

Europejski i potwierdza pełn

zgodno

ść

wyrobu (przez domniemanie) z wymaganiami zasadniczymi.

Oznakowanie CE umieszczone na wyrobie jest zatem potwierdzeniem,

e wyrób ten spełnia wymagania

w zakresie bezpiecze

stwa i zdrowia u

ytkowników, a tym samym,

e mo

e by

sprzedawany

i u

ytkowany na rynkach Unii Europejskiej.

Dyrektywy Nowego Podej

cia, na których opiera si

system stosowania oznakowania CE, obowi

zuj

wszystkich producentów, importerów i dystrybutorów sprzedaj

cych wyroby na rynek Unii Europejskiej

oraz trzech krajów spoza Unii, tj. Norwegii, Islandii i Ksi

stwa Lichtenstein (krajów EFTA).

Oznakowanie CE

Ochrona przed zagro

eniami mechanicznymi:

Ochrona przed zagro

eniami mechanicznymi:

stateczno

ść

uszkodzenia w trakcie pracy,

przedmioty spadaj

ce lub wyrzucane,

kraw

dzie, powierzchnie, naro

zespoły maszyn,

elementy wiruj

ce i ruchome,

osłony.

Wymagania zasadnicze dotycz

ce maszyn

Ochrona przed innymi zagro

eniami:

Ochrona przed innymi zagro

eniami:

zasilanie energi

elektryczn

elektrostatyczno

ść

zasilanie inn

energi

bł

dy w monta

skrajne temperatury,

ar,

wybuch.

Wymagania zasadnicze maszyn dotycz

hałasu,

drga

promieniowania,

promieniowania zewn

trznego,

emisji pyłów, gazów, itp.,

ryzyka uwi

ęź

cia we wn

trzu maszyny,

liwo

ci po

cia si

, potkni

cia, upadku.

Wymagania zasadnicze (c.d.) i oznakowanie maszyn

Oznakowanie maszyny powinno zawiera

co najmniej:

Oznakowanie maszyny powinno zawiera

co najmniej:

nazw

i adres producenta,

oznakowanie CE,

oznaczenie serii lub typu maszyny,

numer fabryczny,

rok budowy maszyny.

Ponadto do maszyny powinna by

doł

czona instrukcja obsługi.

Ponadto do maszyny powinna by

doł

czona instrukcja obsługi.

Systemy mechatroniczne cz

sto zast

puj

i uzupełniaj

czysto mechaniczne, hydrauliczne, pneumatyczne

i elektryczne układy. Takie konwencjonalne układy odznaczaj

zwykle dobr

odporno

na awarie. Przez

dodanie czujników, sprz

tu elektronicznego, aktuatorów, poł

cze

kablami i oprogramowania powstaj

nie tylko

dodatkowe składniki, ale tak

e i ich awarie. Je

eli składniki mechaniczne, dzi

ki doborowi odpowiednich

materiałów, metod i technik wytwarzania oraz przewymiarowania mo

na budowa

jako bardzo niezawodne, to ju

tak nie jest w przypadku składników elektrycznych. Wynika to z tego,

e składaj

one z o wiele wi

kszej liczby

elementów i mog

one nagle ulega

awarii. Istniej

w zasadzie dwie strategie, które mog

pomaga

w przewidywaniu (unikaniu) awarii składników systemów mechatronicznych: działania zapobiegaj

ce awarii (ang.

Fail-safe) oraz tolerowanie bł

dów przez redundancj

Zasadniczy wpływ na projektowanie systemu mechatronicznego ma rodzaj mo

liwych bł

dów – charakterystyczny

przez posta

, przebiegi czasowe i skutki. I tak bł

dy mog

mie

posta

systematyczn

lub przypadkow

(losow

Natomiast w czasie wyst

puj

długotrwałe, przej

ciowe, przypadkowe, pilne i krocz

ce odchylenia. Wreszcie bł

mog

uwidacznia

lokalnie lub globalnie. Je

eli czysto mechaniczne układy wykazuj

awarie w sposób nagły

lub wyst

puj

cy w długim okresie czasu wskutek przeci

ąŜ

enia, zm

czenia lub korozji, to układy elektryczne

z wieloma składnikami maj

najró

norodniejsze rodzaje bł

dów. Wspólne jest dla nich to,

e cz

ęś

ciej ni

w układach mechanicznych wyst

puj

w nich bł

dy przypadkowe.

ró

norodnie

dynamicznie

statycznie

redundancja

redukcja zu

ycia

działania zapobiegawcze

piel

gnacja

przewymiarowanie

oprogramowanie

elektroniczne/ sprz

elektryczne

hydrauliczne

mechaniczne

Poprawa niezawodno

Składniki

++ - bardzo du

y potencjał, + - du

y potencjał, 0 – mały potencjał

Bł

dy i niezawodno

ść

systemów mechatronicznych

Ró

norodne systemy daj

porównywa

przez opis poziomu awarii, ilo

ci awarii w okresie czasu oraz liczb

funkcjonuj

cych elementów. Je

eli składniki s

poł

czone szeregowo, to poziom ich bł

dów si

sumuje,

natomiast przy poł

czeniu równoległym zmniejsza si

. Aby zapewni

liwo

ść

obliczania niezawodno

i bezpiecze

stwa systemów zostały opracowane ró

ne metody analizy. Wa

niejsze z nich to:

■

wska

niki niezawodno

ci,

■

analiza drzewa przebiegu wyników i bł

dów,

■

analiza mo

liwo

ci wyst

pienia bł

dów i ich skutków,

■

analiza zagro

■

klasyfikacja ryzyka.

Struktury toleruj

ce bł

dy najcz

ęś

ciej wykorzystuj

redundancj

(nadmiarowo

ść

). Jeden moduł jest uzupełniany

przez wiele modułów, najcz

ęś

ciej z równoległym poł

czeniem. Redundantne moduły mog

jednakowe lub

ró

norodne. W zasadzie w systemach z tolerancj

bł

dów mog

stosowane dwa rodzaje rozwi

statyczna i dynamiczna redundancja. Ta ostatnia wymaga mniej modułów i w wyniku tego powoduje mniejsze
koszty i ci

ęŜ

ar. Natomiast zwi

kszaj

nakłady zwi

zane z przetwarzaniem informacji. W minimalnej

konfiguracji jeden moduł pracuje, a drugi stanowi rezerw

. Wymagane jest rozpoznanie bł

du pracuj

cego

modułu. Bł

dy mog

oczywi

cie wyst

równie

w oprogramowaniu i dlatego te

tutaj s

opracowywane

podobne redundantne struktury.

Aby nadmiernie nie zwi

ksza

kosztów, wielko

ci i ci

ęŜ

aru systemów mechatronicznych zwykle stosuje si

kompromis pomi

dzy tolerancj

bł

dów i liczb

redundantnych składników. Mo

na wyró

trzy stopnie

degradacji systemu: awaria operacyjna (ang. fail-operational) – składnik przy jednym bł

dzie jest zdolny do

pracy, bł

d bezpieczny (ang. fail-safe) – składnik po wyst

pieniu jednego lub kilku bł

dów jest sprowadzany

automatycznie do okre

lonego bezpiecznego stanu oraz wygaszenie bł

du (ang. fail-silent) – składnik na

zewn

trz zachowuje si

jak bierny, bez oddziaływania na inne składniki. Rozpoznawanie bł

dów opiera si

pomiarze i ocenie sygnałów. Mo

na wyró

trzy klasy metod: nadzorowanie warto

ci granicznej i sprawdzanie

istotno

ci, a tak

e metody oparte na modelu przebiegu sygnału oraz modelu procesu. Zaleca si

stosowanie

kombinacji ró

nych metod, aby skuteczniej rozpoznawa

wiele bł

dów.

Bł

dy i niezawodno

ść

systemów mechatronicznych

Ryzyko resztkowe

Ryzyko

akceptowalne

Ryzyko

akceptowalne

Ryzyko bez

rodków ochrony

Ryzyko bez

rodków ochrony

Wymagane zmniejszenie ryzyka

Rzeczywiste zmniejszenie ryzyka

Rosn

ryzyko

Zmniejszenie ryzyka przez wszystkie

wewn

trzne układy bezpiecze

stwa

wewn

trzne układy bezpiecze

stwa

urz

dzenia bezpiecze

stwa

urz

dzenia bezpiecze

stwa jak równie

działania zewn

trzne

działania zewn

trzne

ęść

ryzyka

wyeliminowana przez

zewn

trzne

rodki dla

zmniejszenia ryzyka

ęść

ryzyka

wyeliminowana przez

funkcjonalne układy

bezpiecze

stwa

Ryzyko

wyeliminowane przez

konstrukcyjne

urz

dzenia ochronne
i ostrze

enia

Zmniejszanie ryzyka w systemie mechatronicznym

Bezpiecze

stwo funkcjonalne wyrobów

Redukcj

ryzyka zwi

zanego z u

ytkowaniem wyrobu (maszyny, urz

dzenia)

mechatronicznego uzyskuje si

dzi

ki odpowiednim jego rozwi

zaniom konstrukcyjnym

oraz

rodkom technicznym.

Oddziaływania istotne dla bezpiecze

stwa

małe

zagra

katastrofalne

ęŜ

sze

zawsze

czasowo

małe

bardzo

małe

ekstremalnie

nieprawdopodobne

Potencjalne

ryzyko

Ryzyko

systemu

ów

Analiza ryzyka

Wykazanie

bezpiecze

stwa

Koncepcja

bezpiecze

stwa

Stopie

ochrony okre

lony jest za pomoc

nast

puj

cego kodu:

IP xx

Litery kodu (ang. International Protection)

Pierwsza charakterystyczna cyfra (stopie

ochrony przed ciałami obcymi i dotykiem)

Druga charakterystyczna cyfra (stopie

ochrony przed wod

)

Pierwsza charakterystyczna cyfra oznacza,

- obudowa stwarza ochron

dla osób przed dost

pem do cz

ęś

ci niebezpiecznych przez zapobieganie lub ograniczanie wchodzenia

ęś

ci ludzkiego ciała lub przedmiotu trzymanego przez osob

, a równocze

nie

- obudowa stwarza ochron

dla urz

dzenia w niej znajduj

cego si

przed wchodzeniem obcych ciał. Je

eli obudowie jest

przypisany okre

lony stopie

ochrony oznaczony pierwsz

charakterystyczn

cyfr

, odpowiada ona równie

wszystkim ni

szym

stopniom ochrony. Stopnie ochrony osób przed dost

pem do cz

ęś

ci niebezpiecznych:

Próbnik dost

pu o

rednicy 1,0 mm nie mo

e wchodzi

Ochrona przed dost

pem do cz

ęś

niebezpiecznych drutem

Próbnik dost

pu o

rednicy 1,0 mm nie mo

e wchodzi

Ochrona przed dost

pem do cz

ęś

niebezpiecznych drutem

Próbnik dost

pu o

rednicy 1,0 mm nie mo

e wchodzi

Ochrona przed dost

pem do cz

ęś

niebezpiecznych drutem

Próbnik dost

pu o

rednicy 2,5 mm nie mo

e wchodzi

Ochrona przed dost

pem do cz

ęś

niebezpiecznych narz

dziem

Przegubowy palec probierczy o

rednicy 12 mm i długo

ci 80 mm

powinien zachowa

odpowiedni odst

p od cz

ęś

ci niebezpiecznych.

Ochrona przed dost

pem do cz

ęś

niebezpiecznych palcem

Próbnik dost

pu, kula o

rednicy 50 mm, powinna zachowa

odpowiedni

odst

p od cz

ęś

ci niebezpiecznych.

Ochrona przed dost

pem do cz

ęś

niebezpiecznych wierzchem dłoni

---

Bez ochrony

Okre

lenie

Krótki opis stopnia ochrony

Pierwsza

cyfra kodu

IP xx

Stopnie ochrony zapewnianej przez obudowy

Pył nie mo

e wnika

Ochrona pyłoszczelna

Przedostanie si

pyłu nie jest całkowicie wykluczone, ale pył

nie mo

e wnika

w takich ilo

ciach, aby zakłóci

prawidłowe

działanie aparatu, lub zmniejsza

bezpiecze

stwo.

Ochrona przed pyłem

Próbnik przedmiotowy, kula o

rednicy 1,0 mm, nie mo

wchodzi

całkowicie (cała

rednica próbnika nie mo

e przej

ść

przez otwór w obudowie).

Ochrona przed obcymi ciałami
stałymi o

rednicy 1,0 mm i

kszej

Próbnik przedmiotowy, kula o

rednicy 2,5 mm, nie mo

wchodzi

całkowicie (cała

rednica próbnika nie mo

e przej

ść

przez otwór w obudowie).

Ochrona przed obcymi ciałami
stałymi o

rednicy 2,5 mm i

kszej

Próbnik przedmiotowy, kula o

rednicy 12,5 mm, nie mo

wchodzi

całkowicie (cała

rednica próbnika nie mo

e przej

ść

przez otwór w obudowie).

Ochrona przed obcymi ciałami
stałymi o

rednicy 12,5 mm i

kszej

Próbnik przedmiotowy, kula o

rednicy 50 mm, nie mo

wchodzi

całkowicie (cała

rednica próbnika nie mo

e przej

ść

przez otwór w obudowie).

Ochrona przed obcymi ciałami
stałymi o

rednicy 50 mm i

kszej

---

Bez ochrony

Okre

lenie

Krótki opis stopnia ochrony

Pierwsza

cyfra kodu

IP xx

Pierwsza cyfra charakterystyczna c.d.

Stopnie ochrony osób przed ciałami obcymi:

Stopnie ochrony zapewnianej przez obudowy c.d.

Stopnie ochrony zapewnianej przez obudowy cd.

Druga charakterystyczna cyfra oznacza stopie

ochrony przed szkodliwymi skutkami wnikania wody do

chronionego urz

dzenia. Próby dotycz

ce drugiej charakterystycznej cyfry przeprowadza si

słodk

wod

Ochrona mo

e nie by

dostateczna, je

eli mycie przeprowadza si

wod

pod wysokim ci

nieniem i/lub z

yciem rozpuszczalników. Stopnie ochrony przed wod

Obudowa ci

gle zanurzona w wodzie, w warunkach uzgodnionych

dzy wytwórc

i u

ytkownikiem, lecz bardziej surowych ni

według

cyfry 7, powinna uniemo

liwia

wnikanie takiej ilo

ci wody, która

powodowałaby szkodliwe skutki.

Ochrona przed skutkami ci

głego

zanurzenia w wodzie

Obudowa zanurzona krótkotrwale w wodzie, w znormalizowanych
warunkach dotycz

cych ci

nienia i czasu powinna uniemo

liwia

wnikanie takiej ilo

ci wody, która powodowałaby szkodliwe skutki.

Ochrona przed skutkami
krótkotrwałego zanurzenia w wodzie

Woda lana siln

strug

na obudow

z dowolnej strony nie wywołuje

szkodliwych skutków.

Ochrona przed siln

strug

wody

Woda lana strug

na obudow

z dowolnej strony nie wywołuje

szkodliwych skutków.

Ochrona przed strug

wody

Woda rozbryzgiwana na obudow

z dowolnego kierunku nie wywołuje

szkodliwych skutków.

Ochrona przed bryzgami wody

Woda natryskiwana pod dowolnym k

tem do 60° od pionu z ka

dej

strony nie wywołuje szkodliwych skutków.

Ochrona przed natryskiwaniem
wod

Pionowo padaj

ce krople wody przy wychyleniu obudowy o dowolny k

do 15° od pionu w ka

stron

nie wywołuj

szkodliwych skutków.

Ochrona przed pionowo padaj

cymi

kroplami wody przy wychyleniu
obudowy do 15°

Pionowo padaj

ce krople wody nie wywołuj

szkodliwych skutków.

Ochrona przed pionowo padaj

cymi

kroplami wody

---

Bez ochrony

Okre

lenie

Krótki opis stopnia ochrony

Druga cyfra

kodu IP xx

Kompatybilno

ść

elektromagnetyczna EMC

Urz

dzenia elektryczne s

kompatybilne elektromagnetycznie

kompatybilne elektromagnetycznie, je

eli nie oddziałuj

one w sposób

niedopuszczalny na otoczenie oraz pracuj

bez zakłóce

przy dopuszczalnym wpływie zewn

trznych

pół elektromagnetycznych.

Wysokie napi

cie

Pioruny

Kuchenka

mikrofalowa

Nadajniki

Urz

dzenia

rentgenowskie

Lampy wyładowcze

Radiowe

LAN

Człowiek

Przewody danych

Przewody energetyczne

Tel. kom.

Urz

dzenia

elektryczne

Siln. eleketr.

z komutat.

Wył

czn., styczniki

Imp. zakł. w

przewodach

Prom. rentg.

Elektom. fale
radiowe

Pola elektr.

Pola magnet.

Kompatybilno

ść

elektromagnetyczna EMC

Wszystkie urz

dzenia elektryczne ze wzgl

du na płyn

ce w nich pr

dy i panuj

ce napi

cia maj

wpływ

na swoje otoczenie. Pr

dy elektryczne powoduj

powstawanie pół magnetycznych, a napi

cia

powoduj

pola elektryczne. Je

eli pola magnetyczne zamieniaj

z polami elektrycznymi przez

wymian

energii, to powstaj

rozprzestrzeniaj

ce si

fale elektromagnetyczne. Wyładowania iskrowe

tak

e powoduj

fale elektromagnetyczne, a ponadto mog

powodowa

reakcje mechaniczne,

termiczne i chemiczne. Wreszcie pr

dy elektryczne przez sieci zasilania mog

powodowa

zakłócenia.

Unikanie zakłóce

Szczególnie silnymi

ródłami zakłóce

wszystkie urz

dzenia elektryczne z tworzeniem iskrzenia, np. wył

czniki, styczniki, silniki

z kolektorami,

naturalne (pioruny) i sztuczne wyładowania jak równie

wyładowania elektrostatyczne,

instalacje nadawcze, urz

dzenia radarowe,

tworzenie mikrofal,

przewody wysokiego napi

cia,

elektronicznie taktowane nastawniki.

Za pomoc

rodków odkłócaj

cych zakłócenia wyładowcze unika si

tworzenia iskier. Odbywa si

m.in. za pomoc

diód i członów RC.Tworzenia si

wyładowa

elektrostatycznych mo

na unikn

ąć

przez zastosowanie materiałów przewodz

cych i ich uziemianie. Rozprzestrzeniania si

pól

magnetycznych mo

na unikn

ąć

przez ekranowanie za pomoc

metali i materiałów o dobrych

własno

ciach magnetycznych, np.

elazo, stal. Kable umieszcza si

w rurkach stalowych lub okrywa

stalowym oplotem. Urz

dzenia zał

czaj

ce umieszcza si

u dołu w stalowych szafach. Przewody

skr

cane. Dzi

ki temu uzyskuje si

wzajemnie działaj

ce pola, które si

znosz

Kompatybilno

ść

elektromagnetyczna EMC

Uziemienie

(masa)

Pojemno

paso

ytnicze

Serwo-silnik AC

Ekran

Układ

tranzystorowy

Obudowa
metalowa

Zakłócenia powodowane przez prostowniki i nastawniki

Szybkie wył

czanie nowoczesnych półprzewodników mocy prowadzi do powstawania bardzo wysokich

składowych napi

ęć

i tym samym do sygnałów zakłócaj

cych przez paso

ytnicze, tzn. niepo

Ŝą

dane pojemno

ci.

Takie pojemno

ciowe odgał

zienia pr

du nast

puj

np. z tranzystorów zał

czaj

cych do powierzchni mas lub

z uzwoje

silników do ich obudowy

Pojemno

ci paso

ytnicze

Mog

powstawa

pola elektromagnetyczne do

stotliwo

ci 1 GHz. Dla zapewnienia kompatybilno

elektromagnetycznej EMC umieszcza si

wszystkie

przewody przewodz

ce pr

d elektryczny z ekranem

wzdłu

powierzchni mas lub przewodów mas, aby

uzyska

liwie małe odbicia fal elektromagnetycznych.

Ekrany przył

cza si

obustronnie do masy z du

Ŝą

powierzchni

styku, ekran prowadzi si

bezpo

rednio do

przył

cza prostownika.

Ochrona przed zakłóceniami

Pola elekromagnetyczne ekranuje si

za pomoc

metalowych obudów (klatka Faraday’a).

Pola elektromagnetyczne mo

na ekranowa

za pomoc

metalowych obudów, a tak

e za pomoc

szkła

ołowiowego, np. w urz

dzeniach mikrofalowych i aparaturze rentgenowskiej. Zmienne pola magnetyczne przez

sprz

ęŜ

enia indukcyjne prowadz

do zakłóce

napi

ciowych. Takich sprz

ęŜ

indukcyjnych unika si

przez

skr

cenie przewodów. Wtedy indukowane w przewodach napi

cia wzajemnie si

znosz

Oddziaływa

pojemno

ciowych unika si

wówczas, gdy przewody nie s

poło

one równolegle do przewodów

zakłócaj

cych, lub gdy zastosuje si

metalowe ekranowanie (tak

e klatka Faraday’a) z uziemionym ekranem.

Urz

dzenia chroni si

przed falami elektromagnetycznymi przez dobrze przewodz

ce ekrany wzgl. powierzchnie

obudów. Zakłóce

przez sie

zasilaj

unika si

przez stosowanie filtrów sieciowych, a tak

e stosowanie

ochrony przepi

ciowej.

Od 1.07.2006 r. weszła w

ycie dyrektywa ograniczaj

ca stosowanie substancji szkodliwych RoHS

(ang. Restriction of use of certain Hazardous Substances) Unii Europejskiej dotycz

ca ochrony

rodowiska

naturalnego. Zakazuje ona stosowania w produktach elektrycznych i elektronicznych sze

ciu substancji

niebezpiecznych (powy

ej dopuszczalnych maksymalnych warto

ci), takich jak: rt

ęć

, kadm, o

ów,

6-warto

ciowy chrom,

rodki ochrony przed p

omieniami PBB oraz PBDE.

Dyrektywa RoHS wywodzi si

bezpo

rednio z innej dyrektywy Unijnej WEEE (ang. Waste from Electrical

and Electronic Equipment), tzw. dyrektywy odpadowej i jest z ni

ą ś

le powi

zana. Obie dyrektywy maj

celu ograniczenie odpadów produktów elektrycznych i elektronicznych przy wyeliminowaniu ryzyka
zanieczyszczenia

rodowiska naturalnego w tym zakresie. Dopuszcza si

maksymalne st

ęŜ

enie 0,1%

wagowo materia

u jednorodnego dla ka

dej substancji, z wyj

tkiem kadmu, dla którego warto

ść

ta wynosi

0,01%. Przy czym st

ęŜ

enia te nie odnosz

do wagi ko

cowego produktu czy pojedynczego elementu,

a jedynie do wagi materia

u jednorodnego – jednorodnej substancji, któr

teoretycznie mo

na mechanicznie

oddzieli

od innych substancji.

RoHS obejmuje takie grupy produktów, jak: wielkogabarytowe urz

dzenia gospodarstwa domowego,

ogabarytowe urz

dzenia gospodarstwa domowego, sprz

t IT i telekomunikacyjny, urz

dzenia

konsumenckie, sprz

t o

wietleniowy, przyrz

dy elektryczne i elektroniczne (z wyj

tkiem

wielkogabarytowych, stacjonarnych przyrz

dów przemys

owych), zabawki, sprz

t rekreacyjny i sportowy,

automaty.

Po 1 lipca 2006 r. ka

dy ko

cowy produkt, obj

ty Dyrektyw

i wprowadzony na rynek Europejski musi

spe

nia

wymagania dyrektywy RoHS. Dotyczy to produktów importowanych na teren Unii Europejskiej oraz

produktów przeznaczonych do sprzeda

y, wyprodukowanych na terenie Unii. Swoim zakresem RoHS

obejmuje gotowe produkty, nie dotyczy za

elementów i pó

produktów sk

adaj

cych si

na gotowy wyrób.

W praktyce producenci b

jednak potrzebowali elementów sk

adowych zgodnych z dyrektyw

RoHS, aby

sam ko

cowy wyrób spe

nia

wymagania Dyrektywy.

Nad prawid

owym wprowadzaniem w

ycie dyrektywy RoHS czuwa organ wykonawczy, który mo

e podj

ąć

kroki niezb

dne do ustalenia poprawno

ci spe

nienia wymaga

Dyrektywy przez producentów. Wszelkie

niezgodno

ci mog

doprowadzi

do na

enia kar jak i do ca

kowitego wycofania produktu z rynku Unijnego.

Dyrektywa RoHS