ERK'2020, Portorož, 140-143 140 Izdelava laboratorijskega demonstracijskega sistema (Mitsubishi) Matej Milavec 1 , Goran Andonovski 2 2 Fakulteta za elektrotehniko, Univerza v Ljubljani, Trˇ zaˇ ska cesta 25, 1000 Ljubljana E-poˇ sta: 1 mm5723@student.uni-lj.si, 2 goran.andonovski@fe.uni-lj.si Production of a laboratory demonstration system (Mitsubishi) The laboratory demonstration system is designed for pre- senting the basic operation of programmable logic con- trollers (PLCs) and other elements of automation in a transparent and practical way. The purpose of this pa- per is to present the individual components used and the entire process of building the system and moreover, to present a practical usage in a pedagogical/educational manner. We addressed the problem by first finding the necessary components to connected them to each other. Finally, we tested the operation by preparing a test pro- grams on the PLC, on the touch screen display and we tested the functionality of the frequency converter. In con- clusion, we have summarized the findings, which mostly relate to the possibility of further work on the system. 1 Uvod Osnovna ideja tega ˇ clanka je predstavitev izdelave labo- ratorijskega demonstracijskega sistema, ki temelji na opre- mi proizvajalca Mitsubishi. Poleg osnovnega PLK-ja (Pro- gramirljivi Logiˇ cni Krmilnik) in pripadajoˇ cih modulov so v sistem vkljuˇ ceni tudi motorji, frekvenˇ cni pretvor- nik, stikala, zaslon na dotik, itn. Z uporabo tega sistema imamo moˇ znost predstavitve delovanja PLK-jev in osta- lih elementov avtomatizacije na praktiˇ cen naˇ cin. Izdelava sistema je predstavljena kronoloˇ sko, po po- sameznih sklopih. Najprej je bilo potrebno pregledati elektro naˇ crt in naroˇ citi vse potrebne elemente. Sledila je razporeditev teh elementov po osnovni ploˇ sˇ ci, izdelava izvrtin in montaˇ za elementov na ploˇ sˇ co. Predzadnji korak je bila vezava elementov med seboj, kot je to bilo prika- zano na elektriˇ cni shemi. Konˇ cni, ˇ casovno najbolj zahte- ven korak je bilo testiranje delovanja ter razhroˇ sˇ cevanje, kar je vkljuˇ cevalo tudi spoznavanje z zbirko programske opreme Melsoft, proizvajalca Mitsubishi. Nadaljni ko- raki pa obsegjo predstavitev nekaj tipiˇ cnih nalog avtoma- tizacije za ˇ studente, ki bodo del uˇ cnega procesa. 2 Opis osnovnih gradnikov sistema V tem poglavju bomo predstavili posamezne komponente in gradniki, ki so del laboratorijskega demonstracijskega sitema. Vsi gradniki so tipiˇ cno del vsakega avtomatizi- ranega procesa. Izdelava naˇ sega sistema temelji na ob- Slika 1: Sistem, izdelan na univerzi v Novem Sadu. stojeˇ cem sistemu, ki so ga izdelali na univerzi v Novem Sadu. Njihov sistem je predstavljen na sliki 1. Okviren izgled sistema smo ohranili, doloˇ cene elemente smo na- domestili s primernejˇ simi ter nekaj jih odstranili. V demonstracijskemu sistemu so uporabljeni osnovni elementi avtomatizacije, ki bodo predstavljeni v nadalje- vanju 1 : • PLK s pripadajoˇ cimi moduli (slika 1, ˇ stevilka 1); • HMI 2 zaslon na dotik (slika 1, ˇ stevilka 2); • servo ojaˇ cevalnik (slika 1, ˇ stevilka 3.1); • servo motor (slika 1, ˇ stevilka 3.2); in • frekvenˇ cni pretvornik (slika 1, ˇ stevilka 4). 2.1 PLK Programirljivi logiˇ cni krmilnik (PLK) predstavlja osre- dni in povezovalni del vsakega sistema avtomatizacije. V naˇ sem primeru (slika 2) je sestavljen iz centralne proce- sne enote (ang. CPU-central processing unit) z digital- nimi vhodi in izhodi ter treh analognih modulov. 1 Na tem mestu je potrebno poudariti, da smo te komponente dobili, kot delno sponzorka sredstva naˇ sega industrijskega partnerja Inea Rbt d.o.o. Veˇ c v zahvali. 2 ang. Human Machine Interface 141 Slika 2: Prikaz uporabljenega PLK-ja. Centralna procesna enota [1], na sliki 2 oznaˇ cena s ˇ stevilko 1, ima 16 tranzistorskih digitalnih vhodov in 16 tranzistorskih digitalnih izhodov. Uporabili smo CPU s serijsko oznako FX5UC-32MT/DSS-TS. Prvi analogni modul, na sliki 2 oznaˇ cen s ˇ stevilko 2, je vhodni modul [2]. Namenjen je priklopu najveˇ c ˇ stirih temperaturnih sond, ki so lahko tipa Pt100 ali Ni100. Uporabili smo analogni modul s serijsko oznako FX5- 4AD-PT-ADP. Drugi analogni modul, na sliki 2 oznaˇ cen s ˇ stevilko 3, je izhodni modul, s ˇ stirimi kanali [2]. Vsak kanal omogoˇ ca ˇ stiri standardna obmoˇ cja napetostnih izhodov in dve standardni obmoˇ cji tokovnih izhodov. Uporabili smo analogni modul s serijsko oznako FX5-4DA-ADP. Tretji analogni modul, na sliki 2 oznaˇ cen s ˇ stevilko 4, je vhodni modul, s ˇ stirimi kanali [2]. Vsak kanal omogoˇ ca ˇ stiri standardna obmoˇ cja napetostnih vhodov in dve stan- dardni obmoˇ cji tokovnih vhodov. Uporabili smo analogni modul s serijsko oznako FX5-4AD-ADP. 2.2 Zaslon na dotik - HMI V avtomatizaciji se zasloni na dotik uporablja kot vme- snik med strojem oziroma med napravo in ˇ clovekom. Pre- ko zaslona operater upravlja z napravo te sluˇ zi za prikaz trenutne vrednosti vhodov/izhodov PLK-ja (npr. tempe- raturo okolice, ki jo merimo s Pt100 sondo priklopljeno na analogno-vhodni modul). V naˇ sem primeru ima za- slon premer 7” in resolucijo 800x460 toˇ ck [3]. Na za- slonu prav tako lahko nastavljamo posamezne vrednosti izhodov PLK-ja. Uporabili smo zaslon na dotik s serijsko oznako GT2107-W. 2.3 Servo ojaˇ cevalnik s servo motorjem Servomotorji se uporabljajo v veliko industrijskih apli- kacijah. Najveˇ cja prednost napram ostalim vrstam mo- torjev je velik pospeˇ sek, zaradi manjˇ sega vztrajnostnega momenta. Servo motor ima vgrajen enkoder, ki omogoˇ ca merjenje trenutnega zasuka, kar v praktiˇ cni uporabi po- meni moˇ znost natanˇ cnega pozicioniranja. Servo motor krmilimo s servo ojaˇ cevalnikom. Glede na ˇ zelene odzive je mogoˇ ce uporabiti veˇ c naˇ cinov krmiljenja: • ohranjanje ˇ zeljene hitrosti, • ohranjanje ˇ zeljenega navora, • zasuk za ˇ zeljen kot, • itn. V naˇ sem primeru na servo ojaˇ cevalnik je moˇ zno pri- klopiti servomotor z maksimalno moˇ cjo 100W. Uporabili smo servo ojaˇ cevalnik s serijsko oznako MR-JE-1C-RJ ter servomotor s serijsko oznako HG-KN13J. 2.4 Frekvenˇ cni pretvornik Motorji, ki delujejo na izmeniˇ cno napetost (angl. alter- nating current – AC) so najbolj razˇ sirjena vrsta motorjev. V industriji se uporabljajo v veliko razliˇ cnih aplikacijah, na primer za pogon: meˇ sal, ˇ crpalk, tekoˇ cih trakov itd. Z uporabo frekvenˇ cnih pretvornikov se uporabnost AC mo- torjev ˇ se poveˇ ca, saj ti omogoˇ cajo krmiljenje hitrosti vr- tenja motorja. S frekvenˇ cnim pretvornikom krmilimo hi- trost vrtenja motorja. Na frekvenˇ cni pretvornik je moˇ zno priklopiti motorje z maksimalno moˇ cjo 200W. Uporabili smo frekvenˇ cni pretvornik s serijsko oznako FR-D720S- 014 SC-ES. 3 Izdelava Pred zaˇ cetkom izdelave je bilo potrebno naroˇ citi vse kom- ponente. Na podlagi naˇ crta elektriˇ cnih povezav in slik sistema iz Novega Sada (slika 1) smo izdelali seznam po- trebnih oziroma manjkajoˇ cih komponent. Za vsako kom- ponento smo vpisali oznako iz elektriˇ cne sheme, serijsko oznako, koliˇ cino in kratek opis (pri elementih kjer je to bilo potrebno). Potrebne elemente smo poiskali na nasle- dnjih petih spletnih straneh: • www.meanwell.si, • www.si.farnell.com, • www.eu.mouser.com, • www.at.rs-online.com, in • www.ic-elect.si. V seznam komponent smo dodali spletne povezave do izbranih elementov in njihove cene. Dodali smo tudi seˇ stevek povpreˇ cnih cen v razliˇ cnih trgovinah, s ˇ cimer smo ugotovili predvideno skupno ceno komponent. Po naroˇ cilu in prejemu vseh komponent je sledilo sestavlja- nje sistema. 3.1 Sestava sistema Komponente smo najprej razporedili po povrˇ sini, kot je to prikazano na sliki 3. Pri tem smo bili pozorni na to, da imajo komponente, s katerimi upravljamo z rokami dovolj prostora v svoji okolici. Razporeditev je olajˇ sala naslednji korak, ki je bil doloˇ citev mest za izvrtine in iz- reze. 142 Slika 3: Razporeditev komponent. Nato smo naredili izvrtine z vrtalnim strojem ter iz- reze z vbodno ˇ zago. Za lepˇ si izgled konˇ cnega izdelka smo okolice odprtin pobrusili z brusnim papirjem. Ploˇ sˇ co smo vstavili v sestavljiv okvir iz aluminijastih profilov. Sledila je pritrditev komponent. Veˇ cina manjˇ sih kompo- nent se na ploˇ sˇ co pritrdi z matico na zadnji strani ploˇ sˇ ce. Zaslon se vstavi v odprtino in privijaˇ ci iz zadnje strani. Veˇ cje komponente (frekvenˇ cni pretvornik, servo ojaˇ ceval- nik in servo motor) so pritrjene z vijaki skozi ploˇ sˇ co. Na obe strani ploˇ sˇ ce smo dodali DIN letvi, na kateri smo pritrdili ˇ se ostale elemente, kot so vrstiˇ cne sponke, PLK, napajalnik in inˇ stalacijski odklopnik. Na spodnji del okvirja smo dodali kabelski kanal, v katerem bodo skrite ˇ zice. 3.2 Vezava Vezave elementov smo se lotili tako, da smo najprej pove- zali visoko-napetostni del (260 V izmeniˇ cna napetost) in nato nizko-napetostni del (24 V enosmerna napetost). Za visoko-napetostni del smo uporabili ˇ zice preseka1;5 mm 2 (ˇ crno za fazni vodnik, modro za niˇ celni vodnik). Za nizko- napetostni del pa smo uporabili ˇ zico preseka 0;75 mm 2 (modro za vodnik 24 V in belo za vodnik 0 V). Ker smo uporabili mnogo ˇ ziˇ cne vodnike, smo konce ˇ zic zaˇ sˇ citili z votlicami. To smo storili povsod, kjer je bila ˇ zica na ele- ment pritrjena z vijakom. Na nekaj elementov (stikala, V-meter, ...) smo ˇ zice prilotali. Tako povezan sistem je prikazan na sliki 4. 4 Preizkus delovanja Za potrebe testiranja smo v programskem okolju MEL- SOFT Navigator sestavili konfiguracijo omreˇ zja, prika- zano na sliki 5. V omreˇ zje so vkljuˇ ceni: PLK, HMI in servo ojaˇ cevalnik. Preko USB kabla smo na zaslon HMI naloˇ zili program, za osnovno delovanje zaslona, vkljuˇ cno z delom programa za ethernet komunikacijo. Po prvem prenosu ne potrebujemo veˇ c USB kabla, saj se ostali po- datki prenaˇ sajo preko ethernet kabla. Na PLK-ju in servo ojaˇ cevalniku so osnovni programi ˇ ze naloˇ zeni, zaradi ˇ cesar je mogoˇ ca takojˇ snja komunikacija med komponentami preko ethernet omreˇ zja. Slika 4: Sestavljen sistem - spredaj. Slika 5: Konfiguracija omreˇ zja. S programom MELSOFT GX Works 3 smo progra- mirali PLK. Najprej smo nastavili globalne oznake tipa bit (digitalni vhodi/izhodi). Definirali smo imena 16-ih digitalnih izhodov Y0 do Y7 in Y10 do Y17 ter 16-ih di- gitalnih vhodov X0 do X7 in X10 do X17. Nastavili smo ˇ se globalne oznake tipa double word (analogni vhodi/izhodi), pri tem smo si pomagali z upo- rabniˇ skimi navodili[4]. ˇ Stevilka vhoda/izhoda je odvisna od tega kateri po vrsti je zaporedni modul. V naˇ sem pri- meru smo nastavili imena in oznake opisane v tabeli 1. Tabela 1: Osnovni slogi pri oblikovanju prispevka. Ime Oznaka Analogni vhod za Pt100 sondo SD6300 Analogni izhod za V-meter SD6660 Analogni izhod za frekvenˇ cni pretvornik SD6700 Analogni vhod za potenciometer SD7020 Za preizkus delovanja smo v programu MELSOFT GT Designer 3 izdelali testni prikaz (slika 6). Prve dve vrednosti na zaslonu (od zgoraj navzdol) se nanaˇ sata na analogni vhod za Pt100 sondo (SD6300). Prvi prikaz je vrednost prepisana neposredno z naslova SD6300. Druga vrednost je prejˇ snja deljena z 10, s ˇ cimer dobimo de- jansko vrednost temperature okolice v stopinjah celzija. Drugi dve vrednosti se nanaˇ sata na analogni vhod za po- tenciometer (SD7020). Prvi prikaz je vrednost prepisana neposredno z naslova SD7020. Druga vrednost je prejˇ snja deljena z 10 8 , s ˇ cimer dobimo dejansko vrednost napeto- sti na priklopu potenciometra. V programu smo vrednost z analognega vhoda za po- 143 Slika 6: Testni prikaz zaslona na dotik HMI. Slika 7: Konˇ cna verzija sistema. tenciometer prepisali na analogni izhod za V-meter. Tako je V-meter kazal napetost, ki je bila prikazana na zaslonu in je odraˇ zala dejansko vrednost napetosti na priklopu po- tenciometra. Na dnu zaslona smo dodali osem prikazov od S1 do S8. Kvadrati okoli napisov (S1 do S8) so ˇ crne barve, dokler so fiziˇ cna stikala pod zaslonom izklopljena in se obarvajo zeleno, ko stikala aktiviramo. 5 VodenjeAC-motorja V tem poglavju bomo predstavili vodenje AC-motorja s frekvenˇ cnim pretvornikom. Frekvenˇ cni pretvornik krmi- limo z ukazi preko PLK-ja, dokler hitrost vrtenja motorja dobimo preko enkoderja, ki je povezan na motor preko zobatega jermena (slika 7). Za namene vodenja smo najprej nastavili parametre frekvenˇ cnega pretvornika ter smo pripravili program na PLK-ju za realizacijo PID-regulatorja. Poleg tega smo pripravili tudi novo okno na HMI zaslonu. Preko no- vega okna na zaslonu lahko nastavljamo parametre PID- regulatorja ter izvajamo eksperimente. Najprej smo izvedli pomerili statiˇ cno karakteristiko sistema tako, da smo stopniˇ casto poveˇ cevali frekvenco na izhodu frekvenˇ cnega pretvornika (vhodna veliˇ cina) in opazujemo hitrost motorja (izhodna veliˇ cina). Izkazalo Slika 8: Regulacija hitrosti vrtenja AC-motorja. se je da je sistem precej linearen in smo nato doloˇ cili ˇ se model v delovni toˇ cki. Parametre regulatorja smo naj- prej izraˇ cunali s pomoˇ cjo metode Zeigler-Nichols in po- tem smo jih ˇ se roˇ cno spreminjali. Dobljen odziv okoli izbrane reference je prikazan na sliki 8. 6 Zakljuˇ cek Predstavljen sistem zaradi svojo kompaktnost in preno- sljivost nam lahko sluˇ zi kot platforma za demonstracijo osnovnih gradnikov, ki se uporabljajo na podroˇ cju avto- matizacije. Poleg tega na enostaven naˇ cin lahko pred- stavimo tudi delovanje regulacijskih algoritmov, kot na primer delovanje in lastnosti PID-regualtorja. Nadaljnji koraki so izdelava uˇ cnega gradiva z razliˇ cnimi nalogami za spoznavanje z vsako komponento posebej, kot tudi izvajanje eksperimentov na celotnem sistemu. Zahvala Zahvaljujemo se industrijskemu partnerju INEA RBT d.o.o. za podporo pri izdelavi projekta. Literatura [1] ” CPU module MELSEC iQ-F series — MITSUBI- SHI ELECTRIC FA“. [Na spletu]. Dostopno na: ht- tps://www.mitsubishielectric.com/fa/products/cnt/plcf/ pmerit/cpu/index.html. [Pridobljeno: 20-feb-2020]. [2] ” Analog Control module MELSEC iQ-F series — MIT- SUBISHI ELECTRIC FA“. [Na spletu]. Dostopno na: https://www.mitsubishielectric.com/fa/products/cnt/plcf/ pmerit/analog/index.html. [Pridobljeno: 20-feb-2020]. [3] ” GT21 Wide model GOT2000 Series Human- Machine Interfaces(HMIs)-GOT— MITSUBISHI ELECTRIC FA“. [Na spletu]. Dostopno na: ht- tps://www.mitsubishielectric.com/fa/products/hmi/got/ pmerit/got2000/wide/gt21wide.html. [Pridobljeno: 20-feb- 2020]. [4] ” MELSEC iQ-F FX5 User’s Manual (Analog Control - CPU module built-in, Expansion adapter)“[Pridobljeno: 21-feb-2020].