Laboratorium zaawansowanej elektroniki i automatyki 4

Laboratorium zaawansowanej elektroniki i automatyki 4

  Głównym celem mechanizacji i późniejszej automatyzacji jest oszczędzenie na skumulowanej ( uwzględniony czas pracy na wytworzenie stosowanych w produkcji maszyn, urządzeń , budowli ) pracy ludzkiej w produkcji. W wolnorynkowym systemie kapitalistycznym mechanizacja i automatyzacja jest elementem przewagi konkurencyjnej.

Automatyka jest szeroko stosowana w systemach militarnych a USA pracują nad automatyzacją wojny. Automatyzowane są sprzęty gospodarstwa domowego. Coraz bardziej skomplikowane są samochody.

Czasem mechanizacja i automatyzacja jest wymuszona koniecznością. Przykładowo w amerykańskich chemicznych ( PUREX - Plutonium Uranium Reduction EXtraction, liquid–liquid extraction w ion-exchange, tajny patent "Solvent Extraction Process for Plutonium" zgłoszony w 1947 ) zakładach nuklearnych już pod koniec II Wojny mechanizacje i automatyzacje stosowano ponieważ bezpośrednie angażowanie pracowników do prac w procesie spowodowało by ich niedopuszczalne szybkie zatrucie jako że przecież pluton jest najsilniejszą znaną trucizną chemiczną. N.B. Czysty pluton jest mało radioaktywny.

Zwróćmy uwagę że nawet obecnie dawne publikacje z dziedziny broni jądrowej i termojądrowej są tajne i znane są tylko ich tytuły. „Naukowcy” państw III Świata chętnych do wyprodukowania swojej broni jądrowej nie są w stanie opracować i wdrożyć starej technologii mimo iż od zakończenia wojny postęp w technologi jest wręcz kosmiczny. Pozostają tylko nielegalne zakupy zabronione przez prawo międzynarodowe i szpiegostwo. To ilustracja tezy że w krajach III Świata nowa technologia w ogóle nie powstaje i nawet jej skopiowanie jest najczęściej niemożliwe. Dodać jednak należy że nienaturalne bariery rozwojowe i pułapki dla państw opóźnionych w rozwoju są tworzone z premedytacją w państwach najbogatszych przodujących w rozwoju cywilizacji chcących utrwalać swoją przewagę technologiczną.

N.B. Spośród miliardów ludzi na Ziemi rzeczywistą twórczością naukowo – techniczną zajmuje się jedynie garstka.

Szeroko wykorzystywany jest w działalności człowieka efekt skali. Z praw fizyki ( „prawo podobieństwa” ) wynika że masa ( czyli także cena ) 1 KW mocy transformatora i silnika elektrycznego maleje wraz z mocą maszyny. Moc rośnie w czwartej potędze wymiaru a masa w trzeciej potędze wymiaru. Energia w dławiku powietrznym rośnie proporcjonalnie do 5 potęgi wymiaru co umożliwia od dawna budowę „zwarciowych” i innych dławików energetycznych, które muszą pracować liniowo przy potężnym chwilowym prądzie gdzie użycie rdzenia jest wykluczone.

Trudniej jest wytłumaczyć inne efekty skali. Przykład. Wodór używany jest w wielkiej skali przemysłowej m.in. do produkcji amoniaku. Uzyskuje się go w procesie reformingu parowego skojarzonego z innymi procesami z metanu czyli gazu ziemnego i innych węglowodorów. Energia chemiczna uzyskanego finalnie wodoru stanowi 65-75 % energii chemicznej użytego metanu lub innego surowca. Można powiedzieć że sprawność energetyczna tego procesu przemiany substancji w inną wynosi 65-75%. Jednak ta sprawność małej instalacji wytwarzającej wodór do zasilania ogniwa paliwowego wynosi tylko około 30%.

Rozmaite sensory analogowe i binarne dostarczają systemowi automatyki informacje o procesie. System podaje sygnały wykonawcze aktuatorom. Słowo to nie ma dobrego polskiego odpowiednika. Najlepsze wydaje się słowo „wyrobnik”.

Stosowane są aktuatory elektryczne, hydrauliczne i pneumatyczne.

Aktuatory hydrauliczne to silniki liniowe czyli cylindry z tłokiem jedno i dwustronnego działania lub silniki rotacyjne wraz z serwozaworem. Zaletą hydraulicznych silników serwomechanizmowych jest stosunkowo mała masa jak na wytwarzaną siłę i dość szerokie pasmo przenoszenia. Zauważmy przy okazji że silniki hydrauliczne ( podobnie jak elektryczne ) są zarówno aktuatorami jak i napędami roboczymi. Z obrabiarek CNC i robotów zostały one wyparte przez silnik elektryczne prądu stałego DC. Japoński koncern Fuji produkował silniki krokowe o znakomitych parametrach tworzące ze zintegrowanym wzmacniaczem hydraulicznym kompletny silnik elektrohydrauliczny nie wymagający w dodatku sensora położenia jako że silnik krokowy w gwarantowanym obszarze pracy nigdy nie gubił kroku. Aktuatory hydrauliczne mają poważne mankamenty. Mimo dobrych uszczelnień i tak występują małe przecieki oleju co eliminuje ten rodzaj aktuatorów z części zastosowań gdzie wymagana jest czystość. Hałaśliwy zasilacz czyli silnik napędzający pompę z pompą oraz akumulator - zbiornik oleju pobierają dużo mocy wydzielanej w części w chłodnicy oleju. Z uwagi na to że serwozawór ( pasmo do 50-100 Hz ) jest bardzo delikatny stosowane są skuteczne filtry oleju wymagające serwisu a olej musi być okresowo wymieniany. W samolotach siłowniki hydrauliczne są szeroko stosowane i niezastąpione – stery, mechanika skrzydeł, wciąganie podwozia,ustawianie śmigieł i inne. Z uwagi na wymaganą niezawodność samolot musi mieć dwie a nawet trzy niekrzyżujące się instalacje oleju. Z uwagi na dużą moc silników lotniczych moc zasilacza hydraulicznego jest bez większego znaczenia. Na statkach mocne siłowniki hydrauliczne operują sterem i stosowane są też w dużych dźwigach. Serwozawory jednostopniowe wymagają prądu sterującego rzędu +-1..2 A. Drugi stopień wzmacniacza w serwozaworze dwustopniowym jest hydrauliczny. Mają one czułość +-15...100 mA a więc bardzo dużą. Są łatwe do sterowania ale drogie i delikatne. W temacie polecana jest „Serwomechanizmy obrabiarek sterowanych numerycznie”, Jerzy Mierzejewski, WNT 1977.

Elektrycznie są ustawiane hydrauliczne governory potężnych turbin energetycznych oraz wielkich silników Diesla. Z uwagi na wymaganą potężną siłę i dużą szybkość reakcji siłowniki hydrauliczne w tych zastosowaniach są niezastąpione.

Wydajność i cena aktuatorów hydraulicznych rośnie wraz z ciśnieniem oleju.

Frezarka CNC współpracującą ze skomplikowanym magazynem automatycznie wymienianych narzędzi to tak zwane centrum obróbcze. Mimo iż frezarka ma napędy elektryczne magazyn jest z napędami hydraulicznymi. Przed procesem wymiany narzędzia wrzeciono frezarki musi być dokładnie ustawione na określone miejsce, określoną wysokość i kąt – OSS. Procesem wymiany nie steruje jednak komputer CNC ale osobny sterownik logiczny CNC magazynu tak aby „mechaniczny producent” kompletnej maszyny mógł zastosować gotowy system CNC i oprogramowany PLC od producenta magazynu.

Talerzowy aktuator pneumatyczny zyskał dużą popularność w przemyśle chemicznym do kontrolowania zaworów. Przypomnieć należy ze pierwsze regulatory PI oraz PID i systemy regulacji były pneumatyczne. Foxboro pierwszy pneumatyczny regulator PI Model 10 Stabilog wyprodukował w 1933 roku. Ogromną zaletą systemu pneumatycznego jest jego bezpieczeństwo. Nie może być on inicjatorem pożaru czy wybuchu. Możliwości przetwarzania sygnału pneumatycznego są mocno ograniczone. Wad jest też konieczność utrzymywania instalacji sprężonego powietrza. Obecnie standardowy w automatyce sygnał elektryczny 4-20 mA podany jest przetwornika międzysystemowego dającego na wyjściu proporcjonalne do prądu sterującego ciśnienie powietrza w standardzie hydraulicznym. N.B Standard 4-20 mA powstał ze standardu ciśnienia 3-15 psi czyli 0.2 - 1.0 bar w systemie pneumatycznych gdzie także nie ma zera z uwagi na nieliniowość elementów pneumatycznych.

Stosowane są też niedrogie liniowe cylindryczne aktuatory pneumatyczne z tłoczkiem. W zastosowaniu liniowym wymagają użycia sensora położenia w pętli sprzężenia zwrotnego. W zastosowaniu binarnym na przykład przesuwają z taśmy produkcyjnej wyprodukowany towar do tekturowego opakowania. Aby zbędne było dokładne pozycjonowane stosowany jest „lejek” z blachy wprowadzający towar do unieruchomionego opakowania. Szybkość działania takich systemów jest całkiem spora. Podawany strumień powietrza może pozycjonować mały detal wprowadzany do maszyny lub formy lub detale do zmontowania. Siłownik pneumatyczny szybko na rozkaz komputera sterującego dociska elektrody zgrzewarki średniej częstotliwości przenoszonej przez silnego robota do kolejnych miejsc zgrzewania karoserii samochodu lub innego przedmiotu.

Najwięcej jest aktuatorów elektrycznych.

-Stosowane od lat serwomechanizmowe komutatorowe silniki prądu stałego DC z magnesami ( ale także ze wzbudzeniem elektromagnesami ) choć osiągnęły znaczny poziom doskonałości wypierane są przez silniki prądu zmiennego AC. Silniki DC sterowane były w systemach CNC i robotach przez tyrystorowe invertery z naturalną komutacją sieciową a jednostki mniejsze przez invertery tranzystorowe. Pojawienie się taniejących kluczy energoelektronicznych spowodowało popularyzacje lepszych napędów AC.

-Sterowany przez regulator krokowy silnik asynchroniczny poprzez przekładnie otwiera / zamyka zawór każdej substancji procesowej. Czasy przestawiania są unormowane. Aktuator działa względnie powoli - płynnie co nie powoduje powstawania szkodliwych spiętrzeń i rezonansów w instalacji substancji procesowej co jest bardzo korzystne. Gdy jednak awaryjnie trzeba zawór szybciej zamknąć stosuje się dodatkowy elektrozawór lub zasuwę.

-Silniki BLDC ( Brush Less DC ) wyparły w maszynach CNC i robotach komutatorowe siniki prądu stałego. Liderująca w robotach elektrycznych szwedka Asea zastosowała silniki AC w robocie już w 1981 roku stosując w układzie sterującym procesor Motorola 68000. Różnica konstrukcyjna między silnikiem BLDC a silnikiem synchronicznym z magnesami stałymi jest niewielka. Idealne napięcie silnika BLDC jest trapezoidalne a synchronicznego sinusoidalne ale obserwując oscyloskopem kształty generowanych napięć przez obracany silnik trudno czasem odróżnić jeden od drugiego. Standardowo silnik BLDC ma wbudowane sensory hallotronowe podające trzy sygnały o położenie wirnika silnika do układu komutacji prądu faz w inverterze. Konstrukcja invertera sterującego silnik BLDC jest prostsza niż invertera sterującego silnik synchroniczny. Najtrudniejszy w serwonapędzie jest do sterowania silnik asynchroniczny.

Małe silniki BLDC wraz z silnikami krokowymi są koniem roboczym w urządzeniach Office Automation. Faxy, drukarki, plotery, skanery.

-Silniki krokowe stosowane były dawniej w zestawie elektrohydraulicznym w CNC. Duże silniki krokowe mogą pracować w najmniejszych maszynach CNC. Pracują w urządzeniach Office Automation ( także w Floppy Disc i Hard Disc do pozycjonowania głowicy ) ale także w urządzeniach automatycznych laboratoriów, w szczególności medycznych. Automatyczne laboratoria są drogie i dobrze rokują na przyszłość. Stosuje się w nich automatyczne ( także wielokrotne) pipety i wiele sensorów. Skomputeryzowana maszyna pracując bez przerwy może zastąpić pracę wielu laborantów.

-Z uwagi na wysoką cenę systemu, znane od dawna liniowe silniki asynchroniczne i synchroniczne nie zdobywają popularności. Przy ich zastosowaniu nie ma potrzeby stosowania przekładni i mechanizmu zamiany ruchu obrotowego na liniowy.

-Typowy, powszechnie stosowany solenoid bez sensora położenia i pętli sprzężenia zwrotnego ma tylko charakterystykę binarną. Wynaleziono go jako maszynę roboczą w 1893 roku. Oferowane są też solenoidy proporcjonalne. Od pewnego pułapu wymaganego prądu sterowania proporcjonalnego stosowana jest modulacja PWM. Elektryczny, zdalny spust karabinu bazuje na solenoidzie. Mechanizm do zdalnie sterowanego magnetofonu kasetowego ma wbudowane solenoidy. Solenoid uruchamia rozrusznik samochodu. Z solenoidów składa się głowica drukarki mozaikowej. Wtryskiwacz paliwa także ma solenoid. Mechanizm zębatkowo – zapadkowy o różnym zastosowaniu jest często napędzany solenoidem. Znanych zastosowań solenoidu są setki.

-Liniowe silniki „Voice Coil” ( idea budowy podobna jak głośnika dynamicznego i stąd ukuta nazwa, brak polskiego odpowiednika ) od lat stosowane są do pozycjonowania głowic w pamięciach Hard Disc oraz w odtwarzaczach Compact Disc w tym samym celu. Ich zaletą jest duża szybkość działania ograniczona z reguły rezonansami mechanicznymi napędzanego mechanizmu – HP Journal daje przykład występujących w ramieniu z głowicami napędzanym Voice Coil w HD rezonansów. Mechanizm musi być wykonany z bardzo sztywnego materiału i lekkiego materiału o pożądanej jednocześnie wysokiej tłumienności.

-Aktuatory piezoelektryczne dostarczają tylko małego przesunięcia w super dokładnym pozycjonowaniu na przykład przy fotolitografii gęstych układów scalonych. Pasmo jest tylko ograniczone rezonansami mechanicznymi systemu. Wadą jest wymagane wysokie napięcie sterujące. N.B. Także napięcie o częstotliwości radiowej podane do modulującej światło komórki Kerra w dalmierzu jest duże choć efekt Kerra to co innego niż efekt piezoelektryczny.

-Cewka zapłonowa sterowana przez tranzystor Darlingtona ze świecą zapłonową realizują w silniku samochodu rozkaz zapalenia paliwa w cylindrze wydany w optymalnym momencie przez mikrokontroler. Transformator sieciowy wysokiego napięcia o dużym rozproszeniu czyli kontrolowanym prądzie zwarcia wraz ze świecą realizują w piecu ( wielka rozpiętość mocy cieplnej pieców ) rozkaz zapalenia gazu ziemnego lub mazutu z palnika.

-Przekaźnik, contactor czyli stycznik i Circuit Breaker ( wysoki poziom mocy, wyłącznik z bezpiecznikiem ) oraz tyrystory i triaki realizują rozkaz podania mocy do napędu. Zwrotnie komputer otrzymuje od wyrobnika typowo sygnały Run, Local, Failure. Run oznacza że napęd wykonuje rozkaz i normalnie pracuje, Local że przełączony jest na sterowanie przyciskami z lokalnej szafki a Failure że zadziałał bezpiecznik po przeciążeniu czyli nastąpił utyk przeciążonego obciążeniem silnika ( także brak fazy ) lub sam silnik jest uszkodzony. Ci sami wyrobnicy mogą też podać moc do grzejnika lub innego „robotnika”.

Trwałość elektryczna czyli obciążonych prądem obciążenia przekaźników i kontaktorów ( często mają wymienny zespół styków ) jest bardzo mała na tle ich trwałości mechanicznej. Niemiecki Siemens i inne koncerny od początka lat siedemdziesiątych proponuje do operowania silnikiem przez regulator krokowy tyrystory i triaki bowiem przy częstym operowaniu trwałość przekaźników jest bardzo słaba. Nietanie transformatorki bramkowe zostały zastąpione już tanimi optotriakami sterującymi bramkę triaka lub antyrównoległych tyrystorów.

-”Egzotyczne” są zapalniki plazmowe na szczytach pierwszego stopnia jajowatego kształtu i generator impulsu neutronów w dwustopniowej bombie termojądrowej aktywowany w momencie największej kompresji plutonu I stopnia wspomaganego trytem eksplozją pierwszego stopnia. Zapalniki i generator neutronów są wysokonapięciowe i zasilone kluczami mocy z naładowanego zasilaczem impulsowym kondensatora.

Tam gdzie masa i ich czas działania aktuatorów nie są krytyczne do ich budowy nie używa się drogich materiałów jeśli to nie jest konieczne. Tytan i stale stopowe są dość drogie, tak samo jak energochłonne w produkcji aluminium i magnez. Drogie są także włókna węglowe. Postęp w metalurgi jest powolny ale produkowane już masowo stale niskostopowe mają znacznie lepsze parametry, zwłaszcza wytrzymałość i niektóre odporność na korozje, niż stale konwencjonalne. Czasem dogodne są plastiki. Ceny magnesów stałych o wysokiej energii z użyciem metali ziem rzadkich cały czas spadają. Silnik synchroniczny lub BLDC z nimi jest istotnie lżejszy i ma lepsze parametry.

Ćwiczenie

1.Arkusz kalkulacyjny przelicza podane przez amerykańskiego producenta ( egzotyczne amerykańskie jednostki: oz to uncja a in to cal... ) dane niewielkiego silnika DC z Tacho i magnesami stałymi na równoważny mu szeregowy obwód RLC. Wylicz dla tego obwodu RLC charakterystyczne momenty w poborze prądu po dołączeniu do sztywnego zasilacza 12 V i skonfrontuj z symulacją programem MicroCap i przebiegiem prądu zarejestrowanym oscyloskopem po realnym dołączeniu silnika do zasilacza 12V.

2.Przelicz arkuszem amerykańskie dane tego silnika DC na jednostki europejskie - światowe a następnie z jednostek europejskich wylicz dane równoważnego szeregowego obwodu RLC.

3.Transmitancje układu mechanicznego dwóch mas sprzężonym elastycznie mają destabilizujące pętle sprzężenia zwrotnego Zero i Biegun odpowiadające rezonansom (!) mechanicznym. Jedna masa to ( przykładowo ) moment bezwładności silnika i przekładni a druga to kiść z przedmiotem a sprężystość to „elastyczność” ramienia robota. Wejściem jest moment napędowy a 1 wyjściem przyspieszenie pierwszej masy lub 2 wyjściem przyspieszenie drugiej masy.

Przedłużona oś silnika DC ( ciągle ten sam) napędza masę (istotny jest moment bezwładności).

Silnik z Tacho pracuje w serwonapędzie w pętli prędkościowej z regulatorem PID ale bez zastosowania stabilizującego filtru do eliminacji skutków rezonansu mechanicznego się wzbudza co słuchać ( nazywane jest to śpiewaniem ) i widać na oscyloskopie. Silnik emituje charakterystyczny pisk ale serwomechanizm pracuje tyle ze niedokładnie. Porównaj realną częstotliwość wzbudzenia pętli z charakterystyką częstotliwościową silnika z układem rezonansu mechanicznego wyliczoną programem MicroCap z modelu z elementami RLC i charakterystyką kompletnej pętli sprzężenia zwrotnego.

Uwaga-Realny inverter mocy każdego serwomechnizmu pracuje z modulacją PWM. Tu użyto jednak niskosprawnego ciągłego wzmacniacza mocy aby sprawy dodatkowo nie komplikować pulsacją prądu od modulacji PWM.

4.Do pozycjonowania głowic twardych dysków HD komputerów PC stosowano silniki krokowe. Według trajektorii czaso-optymalnej przy przestawieniu położenia głowic wpierw silnik krokowy jest płynnie maksymalnie ( ale tak by nie wypadł z synchronizmu) przyspieszany a następnie hamowany tak aby nie doszło do „przeregulowania”. Trajektorie wyznacza i podaje sygnały do wzmacniaczy mocy mikrokontroler. Dwu uzwojeniowy silnik krokowy sterowany jest przez dwa mostki H. Sygnały do silnika krokowego i GND wyprowadzono na zewnątrz komputera PC i podano ( trzeba wybrać 2 z 4 ) do oscyloskopu. Interpretacja oscylogramu nie jest łatwa. Wydając polecenia komputerowi widać prace serwo napędu pozycjonowania głowic HD. Z jaką maksymalną częstotliwością jest sterowany rozpędzony silnik krokowy ?

5.Uzwojenie sterowanego przez tranzystor przekaźnika jest najczęściej zbocznikowane diodą rozładowującą energie z indukcyjności cewki przekaźnika co powoduje jednak powolne odpuszczenie przekaźnika. W układzie z przekaźnikiem można wybrać:

-diodę z szeregowym potencjometrem w szczególności ustawionym na zero

-diodę z szeregową diodą Zenera

-szeregowy dwójnik RC

-nic to znaczy przepięcie po wyłączeniu ograniczy sam tranzystor przy swoim indywidualnym napięciu przebicia lawinowego Uceo.

Do przełącznego styku przekaźnika podano napięcie +5V i -5V a styk wyjściowy obciążono rezystorem do GND i na ekranie oscyloskopu widać położenie ruchomego styku i połączenie ( jedno z dwóch ) lub jego brak ( zerowe napięcie ) w czasie ruchu styku bez kontaktu między stykami.

W podstawkę można włożyć tranzystory o różnym Uceo sterowane z generatora.

Z czego wynika aż tak dużą różnica w czasach odpuszczania przekaźnika ?

Dlaczego tranzystory nie ulegają uszkodzeniu ?

Jakie są faktyczne indywidualne napięcia Uceo przy zanikającym prądzie przekaźnika na tle wartości katalogowych. O czym świadczy duży margines rzeczywistego napięcia Uceo tranzystorów koncernów światowych i mały margines producentów bez renomy ?

Dlaczego przekaźnikiem można operować tylko do częstotliwości 8-10 Hz z generatora i to zależnie od jego położenia (!) podczas gdy z czasów operacji wynika że powinien on działać przy dużo większej częstotliwości ?

5.Do generatora o wyjściu 75 Ohm dołączono typowy głośnik czyli z „Voice Coil” Miernik lub oscyloskop mierzy mocno zmieniające się napięcie na głośniku przy zmianie częstotliwości generatora. Model głośnika w MicroCap zbudowany z elementów 2R,2L,C daje bardzo dobrą zgodność impedancji i zachowania głośnika z pomiarem. Producent głośnika wartości elementów 2R2LC modelu oczywiście nie podaje i „ktoś” wyznaczył wartości elementów modelu z pomiaru. Podaj metodę wyliczenia wartości 2R,2L,C modelu.

N.B. Model jest bardzo użyteczny.